CN105757613B - 导光元件和应用该导光元件的光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导光元件和应用该导光元件的光源装置。该导光元件包括主体。主体具有上光学表面、下光学表面以及剖面锥状镂空部。下光学表面与上光学表面相对。剖面锥状镂空部位于下光学表面并且用于接收外部光线。上光学表面和下光学表面中的至少一者具有第一微结构图案，第一微结构图案包括多个高密度区域和多个低密度区域，高密度区域和低密度区域交替设置，并且高密度区域的微结构的密度大于低密度区域的微结构的密度。光源装置包括前述的导光元件以及光源。光源用于设置为通过剖面锥状镂空部来将光线发射到导光元件的主体内。

Description

导光元件和应用该导光元件的光源装置

技术领域

本发明涉及一种导光元件和应用该导光元件的光源装置，特别涉及一种可以使光线均匀化的导光元件和应用该导光元件的光源装置。

背景技术

光源装置在人类的生活中扮演了重要的角色，凡是各种建筑物、交通工具或是装饰品，都可以发现它的应用。对于人类而言，光源装置已经不仅是一种提供照明的工具，而且对人类的生活具有强大的影响力。

目前常见的光源装置包括白炽灯、荧光灯和发光二极管(LED)灯等。传统的白炽灯将钨丝通电，以产生高热发光来进行照明。然而这种发光方式非常耗电，使得白炽灯渐渐被荧光灯所取代。

荧光灯利用施加在电极上的高电压来发射电子，使得电子撞击水银蒸汽的原子，产生电离和激发现象。当水银蒸汽原子从激发状态回到原始状态时，会发出波长为253.7纳米(nm)的电磁波，该波长属于人眼不可见的光的范围。因此，再利用各种不同的荧光物质来吸收该电磁波并将其转换为可见光，就可以使荧光灯发出各种不同的颜色。

虽然荧光灯具有比白炽灯更高的发光效率，但由于内含汞蒸汽，在提倡环保节能的现代社会中，人们仍努力思考开发新的省电的且符合环保需求的发光装置来取代荧光灯，也因此，发光二极管照明模块被开发出来，并被人们寄予厚望。发光二极管在适当的正向偏压下，电子、空穴会被分别注入N、P两端，接着空穴电子便会在P/N界面区域结合而使得发光二极管发光。这是由于电子由高能量状态掉回低能量状态与空穴结合，而将能量以光的形式释放出来。

发光二极管具有比荧光灯更高的发光效率，因此在节能方面的表现也超越荧光灯。然而，由于发光二极管的光线具有很强的方向性，因此应用发光二极管的光源装置的光均匀性通常很差。

因此，需要一种新的导光元件和应用该导光元件的光源装置，以提供较均匀的光线。

发明内容

本发明的一方面在于提供于一种导光元件和应用该导光元件的光源装置。该导光元件具有锥状镂空部，该锥状镂空部可以使发光二极管的光线均匀，使得应用该导光元件的光源装置提供较高均匀度的光线。

根据本发明的实施例，该导光元件包括主体。主体具有上光学表面、下光学表面以及剖面锥状镂空部。下光学表面与上光学表面相对。剖面锥状镂空部位于下光学表面并且用于接收外部光线。上光学表面和下光学表面中的至少一者具有第一微结构图案。第一微结构图案包括多个高密度区域和多个低密度区域，高密度区域和低密度区域交替设置，并且高密度区域的微结构的密度大于低密度区域的微结构的密度。

根据本发明的另一个实施例，该光源装置包括导光元件和光源。该导光元件包括主体。主体具有上光学表面、下光学表面以及剖面锥状镂空部。下光学表面与上光学表面相对。剖面锥状镂空部位于下光学表面并且用于接收外部光线。光源设置为通过剖面锥状镂空部来将光线发射到主体内。上光学表面和下光学表面中的至少一者具有第一微结构图案。第一微结构图案包括多个高密度区域和多个低密度区域。剖面锥状镂空部的表面斜率越小，低密度区域中最靠近剖面锥状镂空部的一者越接近光源。

根据本发明的再一个实施例，该导光元件包括主体。主体具有上光学表面、下光学表面以及剖面锥状镂空部。下光学表面与上光学表面相对。剖面锥状镂空部位于下光学表面并且用于接收外部光线。上光学表面和下光学表面中的至少一者描绘出具有不同密度的多个区域的微结构图案，该微结构图案从剖面锥状镂空部向外放射分布。

由上述说明可知，本发明的实施例的导光元件利用锥状镂空部来折射及扩散光线，以使发光二极管的光线均匀地射出，如此应用该导光元件的光源装置也可以提供较均匀的光线。

附图说明

为了让本发明的上述的和其它的目的、特征、和优点能更加地明显易懂，下文特别举出若干个优选实施例，并且结合附图做出如下详细说明：

图1示出根据本发明的实施例的光源装置的垂直剖面结构示意图。

图1a示出根据本发明的实施例的锥状镂空部的剖面结构示意图。

图1b示出根据本发明的实施例的发光二极管的光线在导光元件中的路径。

图2示出根据本发明的实施例的光源装置的垂直剖面结构示意图。

第2a图示出根据本发明的实施例的锥状镂空部的立体结构示意图。

图3示出根据本发明的实施例的光源装置的垂直剖面结构示意图。

图3a示出根据本发明的实施例的锥状镂空部的剖面结构示意图。

图4a示出根据本发明的实施例的光源装置的俯视结构示意图。

图4b示出根据本发明的实施例的光源装置的垂直剖面结构示意图。

图4c示出根据本发明的实施例的发光二极管的光线路径与微结构区域之间的关系的示意图。

图4d示出根据本发明的实施例的发光二极管的光线路径与微结构区域之间的关系的示意图。

图4e示出根据本发明的实施例的光源装置的俯视结构示意图。

图4f示出根据本发明的实施例的发光二极管的光线路径与微结构区域之间的关系的示意图。

图4g示出根据本发明的实施例的发光二极管的光线路径与微结构区域之间的关系的示意图。

图5a示出根据本发明的实施例的光源装置的导光元件的仰视结构示意图。

图5b示出根据本发明的实施例的光源装置的垂直剖面结构示意图。

图5c示出根据本发明的实施例的发光二极管的光线路径与微结构区域之间的关系的示意图。

图5d示出根据本发明的实施例的发光二极管的光线路径与微结构区域之间的关系的示意图。

图5e示出根据本发明的实施例的发光二极管的光线路径与微结构区域之间的关系的示意图。

图6a示出根据本发明的实施例的光源装置的俯视结构示意图。

图6b示出根据本发明的实施例的光源装置的导光元件的垂直剖面结构示意图。

图6c示出根据本发明的实施例的发光二极管的光线路径与微结构区域之间的关系的示意图。

具体实施方式

请同时参照图1和图1a，图1示出根据本发明的实施例的光源装置100的垂直剖面结构示意图，图1a示出根据本发明的实施例的锥状镂空部H1的剖面结构示意图。光源装置100包括导光元件110和发光二极管120。本实施例的光源装置100将发光二极管120用作发光源，但本发明的实施例并不限于此。发光二极管120具有发光面120a，以通过发光面120a将光线发射到导光元件110。

导光元件110的主体具有出光面114、底面116以及侧面112、118，其中侧面112、118位于出光面114与底面116之间，底面116与出光面114相对。在本实施例中，出光面114具有微结构，以使导光元件110内的光线从出光面114射出，但本发明的实施例并不限于此。在本发明的其它实施例中，底面116也可具有微结构以使导光元件100内的光线从底面116射出，从而提供两个照明方向。另外，虽然本实施例的导光元件110具有两个侧面，但本发明的实施例并不限于此。在本发明的其它实施例中，导光元件可以只具有一个侧面，例如圆形导光元件。

导光元件主体具有锥状镂空部H1，该锥状镂空部H1具有底端部BH1和顶端部TH1。底端部BH1位于导光元件110的底面116，而顶端部TH1则靠近导光元件110的出光面114，并与底端部BH1相对。锥状镂空部H1的顶端部TH1具有直径r1，而底端部BH1具有直径r2，其中r2大于r1，也就是说，顶端部TH1的镂空部分的横截面积小于底端部BH1的镂空部分的横截面积。在本实施例中，锥状镂空部H1的侧壁的剖面形状为曲线C1，并且该曲线C1由多条直线CL1和CL2构成，其中直线CL1和CL2的斜率可以为渐增的、渐减的或其他任意排列。另外，锥状镂空部H1的顶角θ(角锥张开的角度)介于20度与65度之间。

发光二极管120邻近锥状镂空部H1的底端部BH1设置，以通过底端部BH1来将光线发射到锥状镂空部H1内。请参照图1b，其示出根据本发明的实施例的发光二极管的光线在导光元件中的路径，其中虚线表示发光二极管的光线在导光元件110内的路径。从图1b可以得知，当发光二极管120的光线进入到锥状镂空部H1之后，发光二极管120的光线可以通过锥状镂空部H1的侧壁以不同的角度进入到导光元件中，如此可以使发光二极管120的光线从导光元件110的出光面114均匀地发射到外部。

由上述说明可知，本发明的实施例的导光元件110利用锥状镂空部H1来使发光二极管的光线均匀化，如此本发明的实施例的光源装置100能够提供均匀的光线。

请同时参照图2和图2a，图2示出根据本发明的实施例的光源装置200的垂直剖面结构示意图，图2a示出根据本发明的实施例的锥状镂空部H2的立体结构示意图。光源装置200包括导光元件210和发光二极管120。导光元件210类似于导光元件110，但不同之处在于导光元件210具有锥状镂空部H2。

该锥状镂空部H2具有底端部BH2和顶端部TH2。底端部BH2位于导光元件210的底面116，而顶端部TH2则靠近导光元件210的出光面114，并与底端部BH2相对。锥状镂空部H2的顶端部TH2具有直径r1，而底端部BH2具有直径r2，其中r2大于r1，也就是说，顶端部BH2的镂空部分的横截面积小于顶端部TH2的镂空部分的横截面积。

在本实施例中，锥状镂空部H2为多边形圆锥状，但是本发明的实施例并不限于此。在本发明的其它实施例中，锥状镂空部可为多边形圆锥状，并且其侧壁的剖面形状可为曲线或直线C1。另外，锥状镂空部H2也具有顶角θ。另外，底端部BH1的横截面形状可以与顶端部TH1的横截面形状相同或不同。

发光二极管120邻近锥状镂空部H2的BH2设置，以通过底端部BH2来将光线发射到锥状镂空部H2内。当发光二极管120的光线进入到锥状镂空部H2之后，发光二极管120的光线可以通过锥状镂空部H2的侧壁以不同的角度进入到导光元件中，如此可以使发光二极管120的光线从导光元件210的出光面114均匀地发射到外部。

由上述说明可知，本发明的实施例的导光元件210利用锥状镂空部H2来使发光二极管的光线均匀化，如此本发明的实施例的光源装置200能够提供均匀的光线。

请参照图3，其示出根据本发明的实施例的光源装置300的垂直剖面结构示意图。光源装置300包括导光元件310和发光二极管120。导光元件310类似于导光元件110，但不同之处在于导光元件210具有锥状镂空部H3。

该锥状镂空部H3具有底端部BH3和顶端部TH3。底端部BH3位于导光元件310的底面116，而顶端部TH3则靠近导光元件310的出光面114，并与底端部BH3相对。锥状镂空部H3的顶端部TH3具有直径r1，而底端部BH3具有直径r2，其中r2大于r1，也就是说，顶端部BH3的镂空部分的横截面积小于顶端部TH3的镂空部分的横截面积。

请参照图3a，其示出根据本发明的实施例的锥状镂空部H3的剖面结构示意图。在本实施例中，锥状镂空部H3的侧壁的剖面形状为曲线C2。曲线C2上的目标点P和底端部BH3的中心点Q形成直线L。直线L与底端部BH3之间具有夹角α。当夹角α的角度增大时，目标点P所对应的切线斜率也会随之增大。也就是说，曲线C2上的目标点P的斜率随着目标点P的高度的增加而增大，进而形成如图3a的曲线C2的形状。

发光二极管120邻近锥状镂空部H3的BH3设置，以通过底端部BH3来将光线发射到锥状镂空部H3内。当发光二极管120的光线进入到锥状镂空部H3之后，发光二极管120的光线可以通过锥状镂空部H3的侧壁以不同的角度进入到导光元件中，如此可使发光二极管120的光线从导光元件310的出光面114均匀地发射到外部。

由上述说明可知，本发明的实施例的导光元件310利用锥状镂空部H3来使发光二极管的光线均匀化，如此本发明的实施例的光源装置300能够提供均匀的光线。

请参照图4a和图4b，图4a示出根据本发明的实施例的光源装置400的俯视结构示意图，图4b示出根据本发明的实施例的光源装置400的垂直剖面结构示意图。光源装置400类似于光源装置100，但不同之处在于光源装置400包括导光元件410。导光元件410类似于导光元件110。导光元件410的主体具有上光学表面414、下光学表面416、侧面412、418以及锥状镂空部H1。侧面412和418位于上光学表面414与下光学表面416之间，并且下光学表面416与上光学表面414彼此相对。

微结构图案MP形成在上光学表面414上，以使导光元件410内的光线射出到导光元件410之外。如图4a所示，微结构图案MP包括多个微结构，这些微结构包括高密度区域MPH以及低密度区域MPL。高密度区域MPH与低密度区域MPL交替设置来形成同心圆。同心圆的中心位于锥状镂空部H1的顶端部TH1的上方。高密度区域MPH具有较高密度的微结构，而低密度区域MPL具有较低密度的微结构。

请参照图4c，图4c示出发光二极管120的光线路径与区域MPH和MPL之间的关系的示意图。低密度区域MPL对应于高强度光线所射出的区域来形成，而高密度区域MPH形成为在每两个相邻的低密度区域MPL之间，由此可达到使光源装置400的光线均匀化的效果。此外，区域MPH和MPL的位置根据锥状镂空部H1的表面的斜率而变化。如图4d所示，图4d的锥状镂空部H1的表面斜率不同于图4c的锥状镂空部H1的表面斜率，因此图4d的区域MPH和MPL的位置不同于图4c的区域MPH和MPL的位置。具体而言，对应于具有较低斜率的锥状镂空部H1的表面，最靠近剖面锥状镂空部H1的低密度区域MPL较为靠近光源120。

回到图4a，在该实施例中，区域MPH和MPL中的微结构被设计为具有相同的尺寸，但是高密度区域MPH的微结构之间的间距小于低密度区域MPL的微结构之间的间距，由此形成微结构图案MP。然而，本发明的实施例并不限于此。在其它的实施例中，区域MPH和MPL中的微结构可被设计为具有不同的尺寸，以形成如图4e所示的微结构图案MP。

值得注意的是，在本发明的其它实施例中，下光学表面416可具有另一种微结构图案。例如，如图4f所示，具有平均密度分布的微结构图案形成在下光学表面416上。在图4f中，该微结构图案的所有微结构区域MPA具有相同的密度。又例如，如图4g所示，具有渐增密度分布的微结构图案形成在下光学表面416上。在图4g中，该微结构图案的每一个微结构区域MPB的密度随着锥状镂空部H1与每一微结构区域MPB之间的距离的增加而增大。

另外，因为漏光现象可能发生在锥状镂空部H1的顶端部TH1，形成在顶端部TH1上方的微结构的密度根据顶端部TH1的漏光强度来确定。

请参照图5a和图5b，图5a示出根据本发明的实施例的光源装置500的导光元件510的仰视结构示意图，图5b示出根据本发明的实施例的光源装置500的垂直剖面结构示意图。光源装置500类似于光源装置400，但不同之处在于光源装置500包括具有微结构图案MP的导光元件510。导光元件510类似于导光元件410。导光元件510的主体具有上光学表面514、下光学表面516、侧面512、518以及锥状镂空部H1。侧面512和518位于上光学表面514与下光学表面516之间，且下光学表面516与上光学表面514彼此相对。

请参照图5c，图5c示出发光二极管120的光线路径与区域MPH和MPL之间的关系的示意图。如图5c所示，低密度区域MPL对应于高强度光线所射出的区域来，而高密度区域MPH形成在每两个相邻的低密度区域MPL之间，由此可达到光源装置500的光线均匀化的效果。由于微结构图案MP形成在下光学表面516，锥状镂空部H1的顶端部TH1的漏光并未被考虑。

值得注意的是，在本发明的其它实施例中，上光学表面514可具有另一种微结构图案。例如，如图5d所示，具有平均密度分布的微结构图案形成在上光学表面514上。在图5d中，该微结构图案的所有微结构区域MPC具有相同的密度。又例如，如图5e所示，具有渐增密度分布的微结构图案形成在上光学表面514上。在图5e中，该微结构图案的每一个微结构区域MPD的密度随着锥状镂空部H1与每一个微结构区域MPD之间的距离增加而增大。

请参照图6a与图6b，图6a示出根据本发明的实施例的光源装置600的俯视结构示意图，图6b示出根据本发明的实施例的光源装置600的导光元件610的垂直剖面结构示意图。光源装置600类似于光源装置400，但不同之处在于光源装置600包括具有两个微结构图案MP的导光元件610，其中该两个微结构图案MP形成在相对的表面上。导光元件610类似于导光元件410。导光元件610的主体具有上光学表面614、下光学表面616、侧面612、618以及锥状镂空部H1。侧面612和618位于上光学表面614与下光学表面616之间，且下光学表面616与上光学表面614彼此相对。在本实施例中，两个微结构图案MP分别形成在光学表面614和下光学表面616上，以使光源装置600可同时向上和向下发出光线。

请参照图6c，图6c示出发光二极管120的光线路径与区域MPH和MPL之间的关系的示意图。如图6c所示，上光学表面614的高密度区域MPH形成为与下光学表面616的低密度区域MPL相对，而上光学表面614的低密度区域MPL形成为与下光学表面616的高密度区域MPH相对。换句话说，上光学表面614和下光学表面616中的至少一者描绘了从锥状镂空部H1向外放射分布的不同密度的微结构图案。高密度区域MPH和低密度区域MPL的排列达到使光源装置600在上光学表面614和下光学表面616上的光线均匀化的效果。

由上述说明可知微结构图案MP用来改善锥状镂空部H1所造成的光线分布。另外，微结构图案MP可形成在光源装置的导光元件的两个相对的表面上，以使光源装置可同时向上和向下发出光线。

虽然本发明已经以若干实施例进行如上公开，然而其并非用来限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，应当可以做出各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当以所附的权利要求书所界定的为准。

【附图标记】

100、200、300、400、500、600：光源装置

110、210、310、410、510、610：导光元件

112、412、512、612：侧面

114：出光面

116：底面

118、418、518、618：侧面

120：发光二极管

120a：出光面

414、514、614：上光学表面

416、516、616：下光学表面

BH1～BH3：底端部

C1：曲线

C2：曲线

H1～H3：锥状镂空部

L：直线

MP：微结构图案

MPL：低密度区域

MPH：高密度区域

P：目标点

Q：底端部中心点

r1、r2：直径

TH1～TH3：顶端部

θ：顶角

α：夹角

Claims (14)

1.一种导光元件，其包括：

主体，其具有：

上光学表面；

下光学表面，其与所述上光学表面相对；以及

剖面锥状镂空部，其位于所述下光学表面并且用于接收外部光线；

其中所述上光学表面和所述下光学表面中的至少一者具有第一微结构图案，所述第一微结构图案包括多个高密度区域和多个低密度区域，所述多个高密度区域和所述多个低密度区域交替设置以形成围绕所述剖面锥状镂空部的同心圆，并且所述多个高密度区域的微结构的密度大于所述多个低密度区域的微结构的密度。

2.根据权利要求1所述的导光元件，其中所述剖面锥状镂空部包括：

底端部，其位于所述主体的所述下光学表面，并且具有第一镂空截面积；以及

顶端部，其与所述底端部相对，并且具有第二镂空截面积，其中所述第二镂空截面积小于所述第一镂空截面积，并且由所述多个高密度区域和所述多个低密度区域所形成的同心圆的圆心位于所述顶端部上方。

3.根据权利要求1所述的导光元件，其中所述多个高密度区域和所述多个低密度区域的微结构具有相同的尺寸，而所述多个高密度区域的微结构之间的间距小于所述多个低密度区域的微结构之间的间距。

4.根据权利要求1所述的导光元件，其中所述多个高密度区域的微结构的尺寸不同于所述多个低密度区域的微结构的尺寸。

5.根据权利要求1所述的导光元件，其中所述上光学表面和所述下光学表面中不具有所述第一微结构图案的另一者具有第二微结构图案，所述第二微结构图案包括多个高密度区域和多个低密度区域，所述第二微结构图案的所述多个高密度区域与所述第一微结构图案的所述多个低密度区域相对，所述第二微结构图案的所述多个低密度区域与所述第一微结构图案的所述多个高密度区域相对。

6.根据权利要求1所述的导光元件，其中所述上光学表面和所述下光学表面中不具有所述第一微结构图案的另一者具有第二微结构图案，所述第二微结构图案包括多个微结构区域，所述多个微结构区域具有均匀的密度分布。

7.根据权利要求1所述的导光元件，其中所述上光学表面和所述下光学表面中不具有所述第一微结构图案的另一者具有第二微结构图案，所述第二微结构图案包括多个微结构区域，所述多个微结构区域中的每一者的密度随着所述剖面锥状镂空部与所述多个微结构区域中的每一者之间的距离的增加而增大。

8.一种光源装置，其包括：

根据权利要求1-7中任一项所述的导光元件；以及

光源，其通过所述剖面锥状镂空部来将光线发射到所述主体内。

9.一种光源装置，其包括：

导光元件，其包括：

主体，其具有：

上光学表面；

下光学表面，其与所述上光学表面相对；以及

剖面锥状镂空部，其位于所述下光学表面并且用于接收外部光线；以及

光源，其通过所述剖面锥状镂空部来将光线发射到所述主体内；

其中，所述上光学表面和所述下光学表面中的至少一者具有第一微结构图案，所述第一微结构图案包括多个高密度区域和多个低密度区域，所述多个高密度区域和所述多个低密度区域交替设置以形成围绕所述剖面锥状镂空部的同心圆；并且

其中，所述剖面锥状镂空部的表面斜率越小，所述多个低密度区域中最靠近所述剖面锥状镂空部的一者越接近所述光源。

10.根据权利要求9所述的光源装置，其中，所述多个低密度区域中最靠近所述剖面锥状镂空部的一者与所述剖面锥状镂空部之间的距离随着所述剖面锥状镂空部所预设的表面斜率绝对值的减小而缩短。

11.一种导光元件，其包括：

主体，其具有：

上光学表面；

下光学表面，其与所述上光学表面相对；以及

剖面锥状镂空部，其位于所述下光学表面并且用于接收外部光线；

其中所述上光学表面和所述下光学表面中的至少一者描绘出具有不同密度的多个区域的微结构图案，所述微结构图案从所述剖面锥状镂空部向外放射分布，所述微结构图案包括多个高密度区域和多个低密度区域，所述多个高密度区域和所述多个低密度区域交替设置以形成围绕所述剖面锥状镂空部的同心圆。

12.根据权利要求11所述的导光元件，其中所述上光学表面具有第一微结构图案，所述下光学表面具有第二微结构图案，所述第一微结构图案在所述上光学表面的任一区域中的密度不同于所述第二微结构图案在所述下光学表面的相应下层区域中的密度。

13.根据权利要求11所述的导光元件，其中，具有不同密度的所述区域形成有不同大小的圆形，且任一个圆形的圆心与其他圆形的圆心相同。

14.一种光源装置，其包括：

根据权利要求11至13中任一项所述的导光元件；以及

光源，其通过所述剖面锥状镂空部来将光线发射到所述主体内。