CN107435836A - 光源系统 - Google Patents

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CN107435836A CN201710281452.5A CN201710281452A CN107435836A CN 107435836 A CN107435836 A CN 107435836A CN 201710281452 A CN201710281452 A CN 201710281452A CN 107435836 A CN107435836 A CN 107435836A
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蔡宗桓
林孟毅
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Abstract

本发明公开一种光源系统，包括一发光二极管光源、一凸透镜以及一导光柱，导光柱设置于发光二极管光源及凸透镜之间。导光柱包括一出光部及一集光部，集光部连接至出光部。出光部具有一导光柱出光面，导光柱出光面朝向凸透镜。集光部具有一内反射表面，内反射表面包括至少一椭圆曲面，此椭圆曲面具有一第一焦点和一第二焦点。第二焦点位于第一焦点和凸透镜之间，且第二焦点位于导光柱内部。

Description

光源系统
技术领域
本发明涉及一种光源系统，且特别是涉及一种包含导光柱的光源系统。
背景技术
目前市面上的高光强度照明系统大部分应用于投射灯或是快速移动的动车上，例如是火车、高铁…等，而这些照明系统目前仍多数使用传统的热光源，因此其设计方式大部分以金属材质的抛物面反射杯或椭圆面反射杯搭配透镜进行设计。
然而，传统的热光源不利于节能的需求，且金属材质的反射杯使得照明系统的整体重量与体积都较大。
发明内容
本发明有关于一种光源系统，导光柱的出光部有助于提高出光效率，导光柱的集光部的内反射表面包括至少一椭圆曲面，椭圆曲面的第二焦点位于在导光柱内部，因此第二焦点的位置较容易确认，进而有利于凸透镜的设置。
根据本发明的一方面，提出一种光源系统，包括一发光二极管光源、一凸透镜以及一导光柱，导光柱设置于发光二极管光源及凸透镜之间。导光柱包括一出光部及一集光部，集光部连接至出光部。出光部具有一导光柱出光面，导光柱出光面朝向凸透镜。集光部具有一内反射表面，内反射表面包括至少一椭圆曲面，此椭圆曲面具有一第一焦点和一第二焦点。第二焦点位于第一焦点和凸透镜之间，且第二焦点位于导光柱内部。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：
附图说明
图1为本发明一实施例的光源系统的示意图；
图2A～图2B分别为本发明一实施例的光源系统沿X-Y平面及Y-Z平面的剖面示意图；
图3为本发明一实施例的光源系统的光路示意图；
图4A～图4B分别为本发明一实施例的光源系统沿X-Y平面及Y-Z平面的光路示意图；
图5为本发明一实施例的光源系统沿垂直于光轴OA的方向的光型示意图；
图6A～图6B分别为本发明另一实施例的光源系统沿X-Y平面及Y-Z平面的剖面示意图；
图7A～图7B分别为本发明另一实施例的光源系统沿X-Y平面及Y-Z平面的光路示意图；
图8为本发明另一实施例的光源系统沿垂直于光轴OA的方向的光型示意图。
符号说明
10、20：光源系统
100：发光二极管光源
200：凸透镜
210：凸透镜入光面
220：凸透镜出光面
300、2300：导光柱
310：出光部
320：集光部
330：导光柱出光面
340：内反射表面
350：导光柱入光面
400：导光柱支架
500：基板
600、700：光型
F1：第一焦点
F2：第二焦点
L、L’：光线
L1：第一长度
L2：第二长度
OA：光轴
W1：第一最大剖面宽度
W1-1：出光部剖面宽度
W2：第二最大剖面宽度
W2-1：集光部剖面宽度
具体实施方式
在本发明中，提出一种光源系统，导光柱的出光部有助于提高出光效率，导光柱的集光部的内反射表面包括至少一椭圆曲面，椭圆曲面的第二焦点位于在导光柱内部，因此第二焦点的位置较容易确认，进而有利于凸透镜的设置。
以下提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本发明欲保护的范围。
请参照图1和图2A～图2B，图1绘示依照本发明一实施例的光源系统10的示意图，图2A～图2B分别绘示依照本发明一实施例的光源系统10沿X-Y平面及Y-Z平面的剖面示意图。需注意的是，部分元件于某些附图中省略以更清楚呈现本发明的实施例的细部结构。
如图1所示，光源系统10包括一发光二极管光源100、一凸透镜200以及一导光柱300，导光柱300设置于发光二极管光源100及凸透镜200之间。导光柱300包括一出光部310及一集光部320，集光部320连接至出光部310。出光部310具有一导光柱出光面330，导光柱出光面330朝向凸透镜200。集光部320具有一内反射表面340，内反射表面340包括至少一椭圆曲面，此椭圆曲面具有一第一焦点F1和一第二焦点F2。第二焦点F2位于第一焦点F1和凸透镜200之间，且第二焦点F2位于导光柱300内部。
一些实施例中，发光二极管光源100位于靠近第一焦点F1处。一些其他实施例中，发光二极管光源100可实质上位于第一焦点F1处。一些实施例中，凸透镜200的焦点位于靠近第二焦点F2处。一些其他实施例中，凸透镜200的焦点可实质上位于第二焦点F2处。
如图1所示，光源系统10具有一光轴OA，光轴OA例如是沿如图1所示的Y方向延伸。实施例中，如图1所示，出光部310沿垂直于光轴OA的方向具有一第一最大剖面宽度W1，集光部320沿垂直于光轴OA的方向具有一第二最大剖面宽度W2，第一最大剖面宽度W1大于第二最大剖面宽度W2。
一实施例中，第一最大剖面宽度W1例如可以小于3倍的第二最大剖面宽度W2，也就是W1<W2*3。
实施例中，出光部310的导光柱出光面330为一平面或朝向凸透镜200突出的一圆弧表面。举例而言，如图1所示的实施例中，出光部310的导光柱出光面330为朝向凸透镜200突出的圆弧表面。
实施例中，导光柱出光面330的面积实质上大于出光部310和集光部320的接面的面积。实施例中，导光柱出光面330的形状例如可以是圆形或多边形，但不以此为限。投射光束的边界形状会近似于导光柱出光面330的形状，因此可以经由改变导光柱出光面330的形状来对投射光束的图型进行调整。一些实施例中，导光柱出光面330例如可垂直于光轴OA。一些其他实施例中，导光柱出光面330例如也可微幅偏移光轴OA的垂直面。根据本发明的实施例，从导光柱出光面330投射出的光线的出光量例如是发光二极管光源100发出的光线的出光量的65％以上。
实施例中，如图1所示，出光部310沿光轴OA的方向具有一第一长度L1，集光部320沿光轴OA的方向具有一第二长度L2，第一长度L1小于第二长度L2。
根据本发明的实施例，出光部310的结构有助于收集杂散光，进而提高出光效率。
实施例中，如图1所示，集光部320更具有一导光柱入光面350。导光柱入光面350朝向发光二极管光源100，且导光柱入光面350为朝向集光部320内部内凹的一圆弧表面。实施例中，发光二极管光源100可以设置于圆弧表面的导光柱入光面350所形成的凹槽中。
圆弧表面的导光柱入光面350可以增加收光效率，也就是增加收进导光柱300里的光量。并且，相较于平面的导光柱入光面设计，若是欲提高导光柱300的收光量，则平面的导光柱入光面需要设置靠近发光二极管光源100但又需要避免接触，不但制作困难，且发光二极管光源100和平面的导光柱入光面中间的空隙也容易漏掉大角度的光线。因此，根据本发明的实施例的圆弧表面的导光柱入光面350可以降低组装工艺的难度。
一实施例中，导光柱入光面350例如是朝向集光部320内部内凹的一球形曲面，而发光二极管光源100可以位于球形曲面的焦点处。如此一来，光线通过导光柱入光面350进入集光部320不会发生折射。
实施例中，凸透镜200为一平凸透镜或一双凸透镜，且凸透镜200为一球面透镜或一非球面透镜。实施例中，凸透镜200的材质可以是玻璃或塑胶。举例而言，如图1所示的实施例中，凸透镜200为平凸透镜。一些实施例中，凸透镜200例如是鱼眼透镜。根据本发明的实施例，从凸透镜200的凸透镜出光面220投射出的光线的出光量例如是发光二极管光源100发出的光线的出光量的40％以上。
实施例中，如图2A～图2B所示，光源系统10还可包括一基板500，发光二极管光源100设置于基板500上。实施例中，发光二极管光源100和导光柱300彼此分隔开来。实施例中，基板500例如是印刷电路基板(PCB)。
如图1和图2A～图2B所示的实施例中，集光部320的内反射表面340整体为椭圆曲面，且导光柱300沿光轴OA方向的各个剖面均具有对称形状。
请参照图3，其绘示依照本发明一实施例的光源系统10的光路示意图。如图3所示，发光二极管光源100位于靠近第一焦点F1处，且凸透镜200的焦点位于第二焦点F2处，如此一来，可以将发光二极管光源100的发光能量重新整理，使发光二极管光源100所发出的大部分光线可经由导光柱300而聚焦于第二焦点F2处，而凸透镜200可以搜集导光柱300所发出的光线并将光线以小发光角度的方式投射出光源系统10，而达到超高光强度的投射效果。
详细来说，如图3所示，发光二极管光源100所发出的大部分光线L经由集光部320的内反射表面340的反射而汇集至第二焦点F2处，接着从出光部310的导光柱出光面330射出并由凸透镜200的凸透镜入光面210进入凸透镜200。由于凸透镜200的焦点实质上位于第二焦点F2处，于是从凸透镜200的凸透镜出光面220投射出的光线L’的发光角度非常小，也就是说，光线L’几乎是平行光且准直投射出凸透镜200的凸透镜出光面220。换言之，经由集光部320的椭圆曲面的内反射表面340搭配出光部310的导光柱出光面330的设计，可以将光线有效聚焦至凸透镜200的焦平面，达到产生具有小发光角度的准直且高强度的发光效果，其光学利用率可以高达65％以上。
由于光源系统的设计是令凸透镜200的焦点靠近或实质上位于椭圆曲面的第二焦点处，若是第二焦点位于导光柱300之外，则需要额外考虑光线穿过导光柱300与空气交界处的表面而产生折射的影响，才能够确认第二焦点的实际位置，因此第二焦点位于导光柱300之外的设计会不利于焦点位置的确认，进而不利于凸透镜200的设置。相对来说，根据本发明的实施例，第二焦点F2位于在导光柱300内部，因此第二焦点F2的位置较容易确认，进而有利于凸透镜200的设置。
图4A～图4B分别绘示依照本发明一实施例的光源系统10沿X-Y平面及Y-Z平面的光路示意图，图5绘示依照本发明一实施例的光源系统10沿垂直于光轴OA的方向的光型示意图。如图3所示的光路示意图实际上可视作等同于如图4A所示的沿X-Y平面的光路示意图。
如图4A～图4B所示，当导光柱300沿光轴OA方向(Y方向)的各个剖面均具有对称形状时，也就是说，导光柱300沿垂直于光轴OA的方向(例如是X方向和Z方向)的剖面宽度均相同时，光线L经由内反射表面340的反射而汇集至第二焦点F2后，接着从凸透镜200的凸透镜出光面220投射出的光线L’的发光角度均非常小。也就是说，无论是从平行于光轴OA的任何平面(例如是X-Y平面或Y-Z平面)来看，光线L’几乎是平行光且准直投射出凸透镜200的凸透镜出光面220。更进一步，如图5所示，光线L’的光型600实质上为圆形。
图6A～图6B分别绘示依照本发明另一实施例的光源系统20沿X-Y平面及Y-Z平面的剖面示意图。需注意的是，部分元件于某些附图中省略以更清楚呈现本发明的实施例的细部结构。本实施例中与前述实施例相同或相似的元件沿用同样或相似的元件标号，且相同或相似元件的相关说明请参考前述，在此不再赘述。
如图6A～图6B所示，光源系统20包括发光二极管光源100、凸透镜200以及导光柱2300，导光柱2300设置于发光二极管光源100及凸透镜200之间。导光柱2300包括一出光部310及一集光部320，集光部320连接至出光部310。出光部310具有一导光柱出光面330，导光柱出光面330朝向凸透镜200。集光部320具有一内反射表面340，内反射表面340包括至少一椭圆曲面，此椭圆曲面具有一第一焦点F1和一第二焦点F2。第二焦点F2位于第一焦点F1和凸透镜200之间，且第二焦点F2位于导光柱2300内部。
一些实施例中，集光部320的内反射表面340可还包括一额外的椭圆曲面、一圆弧面、一抛物面、一双曲面以及上述的任意组合。如图6A～图6B所示的实施例中，集光部320的内反射表面340沿Y-Z剖面具有两个相对配置的椭圆曲面，且导光柱2300沿光轴OA方向的各个剖面具有不对称形状。
举例而言，本实施例中，如图6A～图6B所示，出光部310沿垂直于光轴OA的方向(例如是X方向)具有一第一最大剖面宽度W1，出光部310沿垂直于光轴OA的方向(例如是Z方向)更具有一出光部剖面宽度W1-1，出光部剖面宽度W1-1的延伸方向不同于第一最大剖面宽度W1的延伸方向，出光部剖面宽度W1-1小于第一最大剖面宽度W1。举例而言，如6A～6B图所示，第一最大剖面宽度W1沿X方向延伸，而出光部剖面宽度W1-1沿Z方向延伸。
举例而言，本实施例中，如图6A～图6B所示，集光部320沿垂直于光轴OA的方向(例如是X方向)具有一第二最大剖面宽度W2，集光部320沿垂直于光轴OA的方向(例如是Z方向)更具有一集光部剖面宽度W2-1，集光部剖面宽度W2-1的延伸方向不同于第二最大剖面宽度W2的延伸方向，集光部剖面宽度W2-1小于第二最大剖面宽度W2。举例而言，如图6A～图6B所示，第二最大剖面宽度W2沿X方向延伸，而集光部剖面宽度W2-1沿Z方向延伸。
图7A～图7B分别绘示依照本发明另一实施例的光源系统20沿X-Y平面及Y-Z平面的光路示意图，图8绘示依照本发明另一实施例的光源系统20沿垂直于光轴OA的方向的光型示意图。
如图7A～图7B所示，当导光柱2300沿光轴OA方向(Y方向)的各个剖面具有不对称形状时，也就是说，导光柱2300沿垂直于光轴OA的不同方向(例如是X方向和Z方向)的剖面宽度不相同时，光线L经由内反射表面340的反射而汇集至第二焦点F2后，接着从凸透镜200的凸透镜出光面220投射出的光线L’的发光角度在垂直于光轴OA的不同方向会不相同。举例而言，如图7B所示，从平行于光轴OA的X-Y平面来看，光线L’几乎是准直投射出凸透镜200的凸透镜出光面220；然而如图7A所示，从平行于光轴OA的Y-Z平面来看，光线L’投射出凸透镜200的凸透镜出光面220后具有较为发散的发光角度。更进一步，如图8所示，光线L’的光型700实质上为长方形。
根据图5和图8的结果可看出，可以经由调整导光柱沿光轴OA方向的各个剖面形状，进而达到调整发光光型的效果。
综上所述，虽然结合以上较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (12)

1.一种光源系统，包括：
发光二极管光源；
凸透镜；以及
导光柱，设置于该发光二极管光源及该凸透镜之间，该导光柱包括：
出光部，该出光部具有一导光柱出光面，该导光柱出光面朝向该凸透镜；及
集光部，连接至该出光部，该集光部具有一内反射表面，该内反射表面包括至少一椭圆曲面，该椭圆曲面具有一第一焦点和一第二焦点，其中该第二焦点位于该第一焦点和该凸透镜之间，该第二焦点位于该导光柱内部。
2.如权利要求1所述的光源系统，其中该发光二极管光源位于该第一焦点处。
3.如权利要求1所述的光源系统，其中该光源系统具有一光轴，该出光部沿垂直于该光轴的方向具有一第一最大剖面宽度，该集光部沿垂直于该光轴的方向具有一第二最大剖面宽度，该第一最大剖面宽度大于该第二最大剖面宽度。
4.如权利要求3所述的光源系统，其中该第一最大剖面宽度小于3倍的该第二最大剖面宽度。
5.如权利要求3所述的光源系统，其中该出光部沿垂直于该光轴的方向还具有一出光部剖面宽度，该出光部剖面宽度的一延伸方向不同于该第一最大剖面宽度的一延伸方向，该出光部剖面宽度小于该第一最大剖面宽度。
6.如权利要求3所述的光源系统，其中该集光部沿垂直于该光轴的方向还具有一集光部剖面宽度，该集光部剖面宽度的一延伸方向不同于该第二最大剖面宽度的一延伸方向，该集光部剖面宽度小于该第二最大剖面宽度。
7.如权利要求1所述的光源系统，其中该光源系统具有一光轴，该出光部沿该光轴的方向具有一第一长度，该集光部沿该光轴的方向具有一第二长度，该第一长度小于该第二长度。
8.如权利要求1所述的光源系统，其中该集光部更具有一导光柱入光面，该导光柱入光面朝向该发光二极管光源，该导光柱入光面为朝向该集光部内部内凹的一圆弧表面。
9.如权利要求8所述的光源系统，其中该导光柱入光面为朝向该集光部内部内凹的一球形曲面。
10.如权利要求1所述的光源系统，其中该集光部的该内反射表面还包括额外的椭圆曲面、圆弧面、抛物面、双曲面以及上述的任意组合。
11.如权利要求1所述的光源系统，其中该出光部的该导光柱出光面为一平面或朝向该凸透镜突出的一圆弧表面。
12.如权利要求1所述的光源系统，其中该凸透镜为平凸透镜或双凸透镜，且该凸透镜为球面透镜或非球面透镜。
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