CN107314272B

CN107314272B - 聚光灯以及聚光透镜

Info

Publication number: CN107314272B
Application number: CN201610264359.9A
Authority: CN
Inventors: 刘宏威
Original assignee: Coretronic Corp
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2019-09-10
Anticipated expiration: 2036-04-26
Also published as: US9927091B2; US20170307172A1; CN107314272A

Abstract

本发明公开了一种聚光灯以及聚光透镜，其中，聚光透镜具有出光面以及入光面。聚光透镜的外径由出光面朝入光面递减。出光面形成有开口。入光面与出光面在聚光透镜的厚度方向上的最大距离为H1，开口的底面与入光面在厚度方向上的最大距离为H2，且0.3×H1≦H2≦0.5×H1。入光面具有至少一个环状凹槽，且所述至少一个环状凹槽具有中心轴。本发明提供的聚光透镜可聚光且可改善光晕问题，聚光灯应用上述聚光透镜而可具有良好的照明品质。

Description

聚光灯以及聚光透镜

技术领域

本发明涉及一种灯具以及光学元件，且特别涉及一种聚光灯以及聚光透镜。

背景技术

商业照明常以聚光灯照射展示品，以突显被照物，如衣物、珠宝或画作等。聚光灯通常采用高亮度灯具，例如包括多个发光元件搭配透镜阵列。由于聚光灯的出光角度小，在多个发光元件的照射下，被照物会有多重影子。若有多个被照物，照明环境容易因多个影子相互叠加而显得混乱，进而对整体照明品质造成负面影响。

目前市面上的聚光灯采用单一发光元件搭配单一透镜或单一反射罩的设计，以解决上述叠影(ghost image)问题。然而，这样的设计仍无法改善光晕(light spill)问题。图1是已知聚光灯的模拟照明图。请参照图1，聚光灯10与墙壁WA的距离例如为1公尺，聚光灯10与地面WB的距离例如为6公尺，光晕主要是聚光灯10射出的大角度光束在邻近聚光灯的物体(如墙壁WA)上所形成的扇形亮纹。由于光晕也会影响照明品质，因此如何兼顾聚光效果以及改善光晕问题，便成为目前研发人员亟欲解决的问题之一。

“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中普通技术人员所知道的背景技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，也不代表在本发明申请前已被所属技术领域中普通技术人员所知晓或认知。

发明内容

本发明提供一种聚光灯，其具有良好的照明品质。

本发明提供一种聚光透镜，其可聚光且可改善光晕问题。

本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提供一种聚光灯，其包括发光元件以及聚光透镜。聚光透镜配置在发光元件旁且具有出光面以及入光面。入光面位于出光面与发光元件之间。聚光透镜的外径由出光面朝入光面递减。出光面形成有开口。入光面与出光面在聚光透镜的厚度方向上的最大距离为H1，开口的底面与入光面在厚度方向上的最大距离为H2，且0.3×H1≦H2≦0.5×H1。入光面具有至少一个环状凹槽。所述至少一个环状凹槽与发光元件具有同一中心轴。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提供一种聚光透镜，其具有出光面以及入光面。聚光透镜的外径由出光面朝入光面递减。出光面形成有开口。入光面与出光面在聚光透镜的厚度方向上的最大距离为H1，开口的底面与入光面在厚度方向上的最大距离为H2，且0.3×H1≦H2≦0.5×H1。入光面具有至少一个环状凹槽，且所述至少一个环状凹槽具有中心轴。

基于上述，本发明的实施例的聚光灯与聚光透镜至少具有以下其中一个优点或功效。由于聚光透镜的外径由出光面朝入光面递减且出光面形成有开口，因此，聚光透镜可有效汇聚光束。此外，由于入光面的环状凹槽可改变光束的行径方向，使大角度射出聚光透镜的光能量有效地降低，因此，聚光透镜可改善光晕问题。另外，本发明的聚光灯应用上述聚光透镜而可具有良好的照明品质。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是已知聚光灯的模拟照明图。

图2A是依照本发明的第一实施例的一种聚光灯的剖面示意图。

图2B是图2A的聚光透镜的光路径的示意图。

图2C及图2D分别是图2A的聚光透镜的仰视示意图及俯视示意图。

图2E是图2A的聚光透镜的模拟照明图。

图2F是图2A的聚光透镜的光强度-角度曲线图。

图3是依照本发明的第二实施例的一种聚光灯的剖面示意图。

图4是依照本发明的第三实施例的一种聚光灯的剖面示意图。

图5A是依照本发明的第四实施例的一种聚光灯的剖面示意图。

图5B是图5A的聚光透镜的光路径的示意图。

图5C是图5A的聚光透镜的仰视示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图2A是依照本发明的第一实施例的一种聚光灯的剖面示意图。图2B是图2A的聚光透镜的光路径的示意图。图2C及图2D分别是图2A的聚光透镜的仰视示意图及俯视示意图。图2E是图2A的聚光透镜的模拟照明图。图2F是图2A的聚光透镜的光强度-角度曲线图。

请参照图2A至图2D，聚光灯100包括发光元件110以及聚光透镜120。发光元件110用于提供照明所需的光束。举例而言，发光元件110可以是发光二极体(Light EmittingDiode,LED)，但不限于此。聚光透镜120配置在发光元件110旁，其用于汇聚来自发光元件110的光束。举例而言，聚光透镜120的材质可包括玻璃或塑胶，但不限于此。

聚光透镜120具有出光面SE、入光面SI以及外表面SO，其中入光面SI位于出光面SE与发光元件110之间，且外表面SO连接出光面SE与入光面SI。在本实施例中，出光面SE以及入光面SI例如分别是平行于发光元件110的发光区(未标示)的平面，且外表面SO包括第一面S1以及第二面S2。第一面S1连接出光面SE与第二面S2。第二面S2连接第一面S1与入光面SI。第一面S1以及第二面S2在与聚光透镜120的厚度方向DH平行的参考平面R上的截线LS1、LS2分别是斜线。然而，本发明不限于此。依据不同的设计需求，出光面SE与入光面SI的其中至少一者可以是相对发光元件110的发光区凸起或凹陷的曲面，或者出光面SE与入光面SI的其中至少一者可以是相对发光元件110的发光区倾斜的斜面。此外，外表面SO可以是单一曲面或由数量大于2的多个表面(斜面或曲面)所组成，且外表面SO在参考平面R上的截线可以是斜线或弧线。

聚光透镜120的外径RO由出光面SE朝入光面SI递减(或外径RO由入光面SI朝出光面SE沿着厚度方向DH递增)。出光面SE形成有开口O，其中开口O具有底面SB以及与底面SB连接的第一侧壁面SS1。在本实施例中，底面SB是朝出光面SE凸出的曲面，且第一侧壁面SS1连接出光面SE与底面SB，但不限于此。入光面SI与出光面SE在聚光透镜120的厚度方向DH上的最大距离为H1，开口O的底面SB与入光面SI在厚度方向DH上的最大距离为H2，且0.3×H1≦H2≦0.5×H1。入光面SI具有至少一个环状凹槽AG。所述至少一个环状凹槽AG与发光元件110具有同一中心轴CX。

由于外径RO由出光面SE朝入光面SI递减，因此入射进聚光透镜120的大角度的光束可经由外表面SO的反射(如内部全反射)而转向，并朝中心轴CX或平行中心轴CX传递(请参照图2B的光束B1、B2)。另外，入射进聚光透镜120的小角度的光束经由折射而射出出光面SE的开口O，并朝中心轴CX或平行中心轴CX传递(请参照图2B的光束B3)。因此，藉由在出光面SE形成开口O，并藉由调变开口O的深度，例如调变最大距离H1与最大距离H2，使其符合0.3×H1≦H2≦0.5×H1，可进一步调变光束自聚光透镜120射出的角度，从而达到汇聚光束的效果(请参照图2B的光束B1、B2、B3)。藉由上述设计，使0.3×H1≦H2≦0.5×H1，可以将聚光透镜120的聚光角(光强度50％所对应的角度)收敛至约为22度(请参照图2F)。另外，由于入光面SI的环状凹槽AG可将光束反射或折射而改变光束的行径方向，而朝中心轴CX或例如平行中心轴CX传递(请参照图2B的光束B4、B5)，使大角度射出聚光透镜120的光束的光能量有效地降低，因此聚光透镜120可改善光晕问题，且应用聚光透镜120的聚光灯100可具有良好的照明品质。如图2E所示，聚光灯100与墙壁WA的距离例如为1公尺，聚光灯100与地面WB的距离例如为6公尺，在邻近聚光灯100的墙壁WA上，光强度分布较为均匀，且相较于图1，光晕现象被明显改善。

在本实施例中，所述至少一个环状凹槽AG的数量为一个，其中发光元件110的发光区的直径为L1，环状凹槽AG的底部B与中心轴CX的最小距离为L2，且0.2×L1≦L2≦0.3×L1。进一步而言，若最小距离L2小于0.2×L1，则环状凹槽AG太靠近中心轴CX，而此处环状凹槽AG所接收到的光束为小角度的光束，小角度的光束经由环状凹槽AG的折射或反射，改变光束的原先行径方向(如图2B的光束B3的原先行径方向)，而朝偏离中心轴CX传递(图未示出)，无法达到汇聚光束的效果，另一方面，大角度的光束无法入射到环状凹槽AG，而未经外表面SO的作用(如内部全反射)下直接射出聚光透镜120，而仍有光晕问题。另外，若最小距离L2大于0.3×L1，则环状凹槽AG太靠近外表面SO，部分大角度的光束无法入射到环状凹槽AG，而未经外表面SO的作用(如内部全反射)下直接射出聚光透镜120，而仍有光晕问题。此外，环状凹槽AG的最大深度为H3，且0.05×H2≦H3≦0.5×H2。进一步而言，若最大深度H3小于0.05×H2，则环状凹槽AG的深度不够，无法调变大角度的光束的行径方向，若最大深度H3大于0.5×H2，则环状凹槽AG的深度太深，容易造成聚光透镜120的断裂，且调变太多大角度的光束的行径方向，反而造成光强度分布不均匀。如此，藉由上述设计，使0.2×L1≦L2≦0.3×L1，且0.05×H2≦H3≦0.5×H2，可降低入射进聚光透镜120的大角度的光束在未经外表面SO的作用(如内部全反射)下直接射出聚光透镜120的比例，并且在抑制光晕问题的同时，兼顾聚光透镜120的结构强度。另外，环状凹槽AG的至少一个侧壁面SSAG在与厚度方向DH平行的参考平面R上的截线LAG与中心轴CX的夹角为α，且0°≦α≦20°，藉由侧壁面SSAG的夹角α设计，可使大角度的光束折射或反射，朝中心轴CX或例如平行中心轴CX传递(请参照图2B的光束B4、B5)。另外，也利于小尺寸的实施。然而，环状凹槽AG的数量、形状及夹角α可视实际需求改变，而不限于图2A所示，环状凹槽的数量也可为多个。举例而言，环状凹槽AG在参考平面R上的截面形状不限于图2A所示的V形，在另一实施例中，环状凹槽AG在参考平面R上的截面形状也可以是U形，但不限于此。

依据不同的设计需求，可进一步对聚光透镜120的形状及各表面的参数做进一步的设计。举例而言，第一面S1与第二面S2具有第一交界I1。第一交界I1与入光面SI在厚度方向DH上的最大距离为H4，且H4≦H2。如此，聚光透镜120除了可具有理想的汇聚效果之外，还可具有优选的结构强度，但不限于此。

此外，入光面SI与发光元件110在聚光透镜120的厚度方向DH上的最小距离Hmin小于或等于1mm，以使大部分的光束(例如非正向入射聚光透镜120的光束B1、B2、B3、B4、B5)均可在入光面SI经由折射进入聚光透镜120，而达到汇聚的效果。

另外，出光面SE的外径为D1，发光元件110的发光区的直径为L1，且D1：H1：L1＝3.5：2：1。开口O的底面SB的内径为D2，且D2>L1，以涵盖来自发光元件110的发光区的光束的传递范围。截线LS1的切线(在本实施例中，截线LS1为斜线，故截线LS1的切线即截线LS1)与中心轴CX的夹角为θ1，且30°<θ1<40°。第一侧壁面SS1在参考平面R上的截线LSS1与中心轴CX的夹角为θ2，且0°≦θ2<10°。藉由上述设计，可以将聚光透镜120的聚光角(光强度50％所对应的角度)收敛至约为22度(请参照图2F)，但本发明不限于此。

以下藉由图3至图5C说明聚光灯的其他实施方式，其中相同或相似的元件以相同或相似的标号表示，且图3至图5C的聚光灯的实施例具有与前述图2A的聚光灯100的实施例相同或相似的材质、参数设计、相对配置关系或功效，于下便不再一一赘述这些元件的材质、参数设计、相对配置关系或功效。图3是依照本发明的第二实施例的一种聚光灯的剖面示意图。图4是依照本发明的第三实施例的一种聚光灯的剖面示意图。图5A是依照本发明的第四实施例的一种聚光灯的剖面示意图。图5B是图5A的聚光透镜的光路径的示意图。图5C是图5A的聚光透镜的仰视示意图。

请参照图3，聚光灯200相似于图2A的聚光灯100。主要差异在于：在聚光灯200中，聚光透镜220的入光面SI具有多个环状凹槽AG。这些环状凹槽AG与发光元件110具有同一中心轴CX，且环状凹槽AG的深度DT例如朝远离中心轴CX的方向增加，但不限于此。

请参照图4，聚光灯300相似于图3的聚光灯200。主要差异在于：在聚光灯300中，聚光透镜320的外表面SO的第一面S1在参考平面R上的截线LS1是弧线，且截线LS1的切线T与中心轴CX的夹角为θ1，且30°<θ1<40°。

请参照图5A至图5C，聚光灯400相似于图3的聚光灯200。主要差异在于：在聚光灯400中，聚光透镜420的出光面SE的开口O还具有第二侧壁面SS2，其中第二侧壁面SS2连接出光面SE与第一侧壁面SS1，且第一侧壁面SS1连接第二侧壁面SS2与底面SB。第二侧壁面SS2在参考平面R上的截线LSS2与中心轴CX的夹角为θ3，且30°≦θ3≦50°。藉由第二侧壁面SS2以及夹角θ3的设计，可降低自第二侧壁面SS2射出聚光透镜420的光束B1与中心轴CX的夹角，从而进一步改善光晕问题。

在本实施例中，外表面SO与出光面SE具有第二交界I2。出光面SE与第二侧壁面SS2具有第三交界I3。第二侧壁面SS2与第一侧壁面SS1具有第四交界I4。第二交界I2与第四交界I4在与厚度方向DH垂直的宽度方向DW上的距离为L3，第三交界I3与第四交界I4在宽度方向DW上的距离为L4，且0.3×L3≦L4≦0.45×L3。进一步而言，若距离L4小于0.3×L3，则降低自第二侧壁面SS2射出聚光透镜420的光束B1与中心轴CX的夹角的作用较小，若距离L4大于0.45×L3，反而造成光强度分布不均匀。如此，藉由上述设计，可在改善光晕问题的同时，维持聚光透镜420的出光亮度。

综上所述，本发明的实施例的聚光灯与聚光透镜至少具有以下其中一个优点或功效。由于聚光透镜的外径由出光面朝入光面递减且出光面形成有开口，因此，聚光透镜可有效汇聚光束。此外，由于入光面的环状凹槽可改变光束的行径方向，使大角度射出聚光透镜的光能量有效地降低，因此，聚光透镜可改善光晕问题。另外，本发明的聚光灯应用上述聚光透镜而可具有良好的照明品质。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属于本发明专利涵盖的范围。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

【符号说明】

10、100、200、300、400：聚光灯

110：发光元件

120、220、320、420：聚光透镜

AG：环状凹槽

B：底部

CX：中心轴

D1、RO：外径

D2：内径

DH：厚度方向

DT：深度

DW：宽度方向

H1、H2、H4：最大距离

H3：最大深度

I1：第一交界

I2：第二交界

I3：第三交界

I4：第四交界

B1、B2、B3、B4、B5：光束

L1：直径

L2、Hmin：最小距离

L3、L4：距离

LAG、LS1、LS2、LSS1、LSS2：截线

O：开口

R：参考平面

S1：第一面

S2：第二面

SB：底面

SE：出光面

SI：入光面

SO：外表面

SS1：第一侧壁面

SS2：第二侧壁面

SSAG：侧壁面

T：切线

WA：墙壁

WB：地面

α、θ1、θ2、θ3：夹角

Claims

1.一种聚光灯，包括：

一发光元件；以及

一聚光透镜，配置在该发光元件旁且具有一出光面以及一入光面，该入光面位于该出光面与该发光元件之间，该出光面的外径为D1，该发光元件的发光区的直径为L1，其中

该聚光透镜的外径由该出光面朝该入光面递减，

该出光面形成有一开口，该入光面与该出光面在该聚光透镜的一厚度方向上的最大距离为H1，该开口的一底面与该入光面在该厚度方向上的最大距离为H2，且D1：H1：L1＝3.5：2：1以及0.3×H1≦H2≦0.5×H1，

该入光面具有至少一个环状凹槽，该至少一个环状凹槽与该发光元件具有同一中心轴。

2.如权利要求1所述的聚光灯，其特征在于，该入光面与该发光元件在该厚度方向上的最小距离小于或等于1mm。

3.如权利要求1所述的聚光灯，其特征在于，该开口的该底面的内径为D2，且D2>L1。

4.如权利要求1所述的聚光灯，其特征在于，该至少一个环状凹槽的数量为一个，且该环状凹槽的底部与该中心轴的最小距离为L2，且0.2×L1≦L2≦0.3×L1。

5.一种聚光灯，包括：

一发光元件；以及

一聚光透镜，配置在该发光元件旁且具有一出光面以及一入光面，该入光面位于该出光面与该发光元件之间，其中

该聚光透镜的外径由该出光面朝该入光面递减，

该出光面形成有一开口，该入光面与该出光面在该聚光透镜的一厚度方向上的最大距离为H1，该开口的一底面与该入光面在该厚度方向上的最大距离为H2，且0.3×H1≦H2≦0.5×H1，

该入光面具有至少一个环状凹槽，该至少一个环状凹槽与该发光元件具有同一中心轴，该至少一个环状凹槽的最大深度为H3，且0.05×H2≦H3≦0.5×H2。

6.一种聚光灯，包括：

一发光元件；以及

该聚光透镜的外径由该出光面朝该入光面递减，

该入光面具有至少一个环状凹槽，该至少一个环状凹槽与该发光元件具有同一中心轴，该至少一个环状凹槽的数量为多个，且这些环状凹槽的至少一者的至少一个侧壁面在与该厚度方向平行的一参考平面上的截线与该中心轴的夹角为α，且0°≦α≦20°。

7.一种聚光灯，包括：

一发光元件；以及

一聚光透镜，配置在该发光元件旁且具有一出光面、一入光面以及连接该出光面与该入光面的外表面，该入光面位于该出光面与该发光元件之间，该外表面包括一第一面以及一第二面，该第一面连接该出光面与该第二面，该第二面连接该第一面与该入光面，该第一面与该第二面具有一第一交界，该第一交界与该入光面在该厚度方向上的最大距离为H4，其中

该聚光透镜的外径由该出光面朝该入光面递减，

该出光面形成有一开口，该入光面与该出光面在该聚光透镜的一厚度方向上的最大距离为H1，该开口的一底面与该入光面在该厚度方向上的最大距离为H2，且H4≦H2以及0.3×H1≦H2≦0.5×H1，

8.如权利要求7所述的聚光灯，其特征在于，该第一面在与该厚度方向平行的一参考平面上的截线是斜线或弧线，且该截线的切线与该中心轴的夹角为θ1，且30°<θ1<40°。

9.一种聚光灯，包括：

一发光元件；以及

该聚光透镜的外径由该出光面朝该入光面递减，

该出光面形成有一开口，该入光面与该出光面在该聚光透镜的一厚度方向上的最大距离为H1，该开口的一底面与该入光面在该厚度方向上的最大距离为H2，且0.3×H1≦H2≦0.5×H1，该开口具有与该底面连接的一第一侧壁面，该第一侧壁面在与该厚度方向平行的一参考平面上的截线与该中心轴的夹角为θ2，且0°≦θ2<10°，

10.如权利要求9所述的聚光灯，其特征在于，该开口还具有一第二侧壁面，该第二侧壁面连接该出光面与该第一侧壁面，该第二侧壁面在该参考平面上的截线与该中心轴的夹角为θ3，且30°≦θ3≦50°。

11.如权利要求10所述的聚光灯，其特征在于，该聚光透镜还具有一连接该出光面与该入光面的外表面，该外表面与该出光面具有一第二交界，该出光面与该第二侧壁面具有一第三交界，该第二侧壁面与该第一侧壁面具有一第四交界，该第二交界与该第四交界在与该厚度方向垂直的一宽度方向上的距离为L3，该第三交界与该第四交界在该宽度方向上的距离为L4，且0.3×L3≦L4≦0.45×L3。

12.一种聚光透镜，具有一出光面以及一入光面，其中，

该聚光透镜的外径由该出光面朝该入光面递减，

该入光面具有至少一个环状凹槽，且该至少一个环状凹槽具有一中心轴，该至少一个环状凹槽的最大深度为H3，且0.05×H2≦H3≦0.5×H2。

13.一种聚光透镜，具有一出光面以及一入光面，其中，

该聚光透镜的外径由该出光面朝该入光面递减，

该入光面具有至少一个环状凹槽，且该至少一个环状凹槽具有一中心轴，该至少一个环状凹槽的数量为多个，这些环状凹槽的至少一者的至少一各侧壁面在与该厚度方向平行的一参考平面上的截线与该中心轴的夹角为α，且0°≦α≦20°。

14.一种聚光透镜，具有一出光面、一入光面以及一连接该出光面与该入光面的外表面，该外表面包括一第一面以及一第二面，该第一面连接该出光面与该第二面，该第二面连接该第一面与该入光面，该第一面与该第二面具有一第一交界，该第一交界与该入光面在该厚度方向上的最大距离为H4，其中，

该聚光透镜的外径由该出光面朝该入光面递减，

该入光面具有至少一个环状凹槽，且该至少一个环状凹槽具有一中心轴。

15.如权利要求14所述的聚光透镜，其特征在于，该第一面在与该厚度方向平行的一参考平面上的截线是斜线或弧线，且该截线的切线与该中心轴的夹角为θ1，且30°<θ1<40°。

16.一种聚光透镜，具有一出光面以及一入光面，其中，

该聚光透镜的外径由该出光面朝该入光面递减，

17.如权利要求16所述的聚光透镜，其特征在于，该开口还具有一第二侧壁面，该第二侧壁面连接该出光面与该第一侧壁面，该第二侧壁面在该参考平面上的截线与该中心轴的夹角为θ3，且30°≦θ3≦50°。

18.如权利要求17所述的聚光透镜，其特征在于，还具有一连接该出光面与该入光面的外表面，该外表面与该出光面具有一第二交界，该出光面与该第二侧壁面具有一第三交界，该第二侧壁面与该第一侧壁面具有一第四交界，该第二交界与该第四交界在与该厚度方向垂直的一宽度方向上的距离为L3，该第三交界与该第四交界在该宽度方向上的距离为L4，且0.3×L3≦L4≦0.45×L3。