CN109578855A - Led光源导引装置 - Google Patents

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Abstract

本发明系揭露一种LED光源导引装置，由上表面、下表面及侧表面所组成，其上表面由几何形状得以将光源的光线投射在受光面上形成矩形光斑，且由上表面的边界曲线所投射出的光线即为矩形光斑的边界位置，下表面与上表面为共轴的轴对称面，而侧表面为围绕于上表面与下表面之间，并将光源重迭投射于该矩形光斑的对应位置上:经侧表面的边界曲线投射出之光线，将投射在矩形光斑之边界，经侧表面的内部投射出之光线，将投射在矩形光斑之边界以内，以加强矩形光斑的照度。

Description

LED光源导引装置
技术领域
本发明属于一种LED光源导引装置，特别为一种可将光源投射于受光面上形成矩形光斑的LED光源导引装置。
背景技术
以往的LED灯具对光源的配光采用的是反光罩或透镜来实现，其中反光罩只用在特定的场合下进行使用，而透镜则能使用在绝大多数场合，是较为理想的控光装置。如大陆专利(专利号：CN201568890)，自由曲面的LED光源的透镜，光学透镜含有一个自由曲面的内表面、一个自由曲面的外表面；自由曲面的设计采用等照度网格法：外表面的自由曲面上的每一大小不相等的小格对应受光面上划分好的相等面积的矩形小格；内表面的自由曲面对应于外表面同样划分成相等份数的大小不相等的小格。表面结构上采用微分云点构面法，提供一种出光矩形光斑、光通量利用效率高、照度均匀度高的自由曲面的LED光源的透镜，但此专利所提的光学面是由一组非线性联立偏微方程所描述，此方程式组一般没有解析解，需要使用数值方法来求得足够精确的近似解，才能有利用价值，但是数值求解收敛至足够精确很困难，至今未有良好有效率的解法，故未能够将光线有效并且均匀的投射于受光面。
本案发明人鉴于上述习用方式所衍生的各项缺点，乃亟思加以改良创新，并经多年苦心孤诣潜心研究后，终于成功研发完成本LED光源导引装置。
发明内容
为达上述目的，本发明提出提供一种LED光源导引装置，采用一阶二维非线性常微分方程算法，计算出投射角度，使投射之光线可以平均且有效率地正确落在矩形光斑上。
一种LED光源导引装置，其主要包括上表面，以几何形状得以投射出矩形光斑于受光面上，其上表面之边界曲线上所投射出的光线即为所投射于矩形光斑的边缘位置；下表面，是为朝向上表面的轴对称面；侧表面，是围绕于上表面与下表面之间，侧表面之边界与上表面中之相对应边界共边，并将光源重迭投射于矩形光斑内。
其LED光源导引装置另包含一LED光源，LED光源装置在一电路板上，且LED光源导引装置具有一出光主轴，出光主轴通过LED光源能量分布中心，指向光源光强最大的方向或是光强分布对称轴的方向。
其上表面为一平面创成曲线绕出光主轴所形成的轴对称面，并四条边界线外围的区域切除，侧表面在上表面及下表面之间以四个几何曲面围绕形成，其中相互面对的几何曲面互相对称，是为二组对称面，其中侧表面投射之光线是全部或部份投射到矩形光斑中心对称轴至其相对应边之间，以加强矩形光斑的强度。
其中上表面回转创成平面曲线符合折射定律之一阶二维非线性常微方程：
其中(θ-C)为一常数代表某一包含对称轴的平面，此对称轴即为出光主轴，方程式所表示的平面曲线即在此平面上，此平面曲线即为上表面的创成曲线，当此曲线绕出光主轴回转即生成上表面未被四个边界裁剪时的形状；其中nI、nR 为入射光及出射光所在之介质折射率；其中γ及φ之间的关系由能量守恒定律支配，以确定出二者间之唯一关系，该关系决定受光面上的照度分布形式。
其侧表面，其创成平面曲线符合折射定律之一阶二维非线性常微方程：
当(θ-C)为一常数时方程式代表一通过出光主轴的平面上的一曲线，数个不同位置之创成平面曲线组成侧表面的截面曲线组，通过这些截面曲线组可以建构出侧表面，其中nI、nR为入射光及出射光所在之介质折射率，γ及φ之间的关系由能量守恒定律支配，以确定出二者间之唯一关系。
其中经过侧表面的边界曲线投射出之光线，将投射在矩形光斑之边界，受光面为一通过出光主轴上一点且垂直于此轴的平面，另外受光面也为一通过出光主轴上一点的平面，但其受光面与出光主轴间的夹角可以不为直角。
其上表面，是以符合一阶二维非线性常微分方程算法计算出几何形状，其内表面为入光面，上表面及侧表面则为出光面，光源射出的光线进入内表面，离开出光面后，投射于受光面上。
附图说明
请参阅有关本发明之详细说明及其附图，将可进一步了解本发明之技术内容及其目的功效；有关附图为：
图1为本发明LED光源导引装置之立体图一；
图2为本发明LED光源导引装置之立体图二；
图3为本发明LED光源导引装置之俯视图；
图4为本发明LED光源导引装置之侧视图；
图5为本发明LED光源导引装置之底面视角立体图；
图6为本发明LED光源导引装置之侧面剖视图；
图7为方程式之坐标系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。
以下，结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图6所示，为本发明LED光源导引装置之立体图一、立体图二、俯视图、侧视图、底面视角立体图、及侧面剖视图，LED光源导引装置设有一直线通过LED光源400中心，指向光源光强最大的方向或是光强分布对称轴的方向，以此直线为出光主轴500，通过其上某一点且垂直于此出光主轴500的平面设其为受光面。主要包括一上表面100，且上表面的几何形状可以将光源投射出的光线落于受光面上的矩形光斑，经过上表面之边界曲线101上所投射出的光线落于矩形光斑的边缘位置；一下表面200，为朝向上表面内凹的轴对称面，可以是双曲线、拋物线、椭圆等二次曲线所创成的回转面，上表面与下表面有同一的回转轴，且下表面200较佳的形状为一半球形曲面；侧表面300，为二组相互对称面，并围绕于上表面100与下表面200之间，与上表面中之相对应边界共边，并可将光源重迭投射于受光面上的矩形光斑内，以加强矩形光斑的照度。
其中上表面100，是以符合一阶二维非线性常微分方程算法计算出几何形状，其下表面200为入光面，上表面100及侧表面300则为出光面，光源400 射出的光线进入下表面200(入光面)，离开上表面100(出光面)后，投射于受光面上形成矩形光斑。又由LED光源导引装置的俯视角度观之，上表面100如同一平面曲线所形成的轴对称面(如：抛物面，椭圆面，双曲面)，并将投射出矩形光斑的边界的光路以外的部分区域切除，藉以形成上表面的四个边界线。
综上所述，当光源投射入导引装置时，经由下表面200导引光源经由上表面100投射出导引装置外，以形成一矩形光斑，同时光源经由侧表面300折射，使侧表面300投射的光线可以重迭投射于矩形光斑内，以加强矩形光斑的照度，进一步而言，侧表面300在上表面100及下表面200之间以四个几何曲面围绕形成，其中相互面对的几何曲面互相对称与上表面中之相对应边界共界。且本发明之一较佳的实施例而言，侧表面300的任一几何曲面投射的光线均匀投射分布在矩形光斑的其中一个中心对称轴到其相邻的上表面的边界所投射出的矩形光斑边缘位置之间，使投射出的光源均匀分布于矩形光斑之对应边。
请参阅图7所示，为本发明LED光源导引装置之上表面之任一位置的光源投射及方程式之坐标系统示意图，其中O为光源中心位置，O’为上表面的任一点位置，R为受光面之目标位置，光线由O出发到达光学面O’，折射后到达目标点R，若以直角坐标系的坐标原点O为C-γ球坐标系的球心，则自由曲面上的任意一点O′可以表示为ρ(C，γ)，角度C为向量OO'(单位向量：)在XOY平面上的投影与X轴正方向的夹角，角度γ为向量OO'与Z轴正方向的夹角；若以点O′为球坐标系的球心，则反射光线向量O'R可以表示为ρ(θ，φ)，其中角度θ为向量O'R(单位向量：)在XOY平面上的投影与X轴正方向的夹角，角度φ为向量O'R与Z轴正方向的夹角。假定点O′是自由曲面上的任意点，在三维直角坐标系中可以表示为O(x，y，z)，而在球坐标系中可以表示为ρ(C，γ)，在轴对称的情況下(θ-C)＝0或常数则有方程式(1)成立。
其中，γ及φ之间的关系由能量守恒定律支配，以确定出二者间之唯一关系，使这二变量成为相依，故可使方程式得到唯一解，这关系决定受光面上的照度分布形式，将光源之能量转移至受光面上，以得到设定的光强分布。
其(θ-C)为一常数代表某一包含对称轴的平面，方程式所表示的平面曲线即在此平面上一阶二维非线性常微分方程，此平面曲线即为上表面100的创成曲线，当此曲线绕光源方向轴即生成上表面100。
承上所述，本发明的上表面100为轴对称的几何曲面，系由创成曲线的微方程式公式1所示，其中nI、nR为入射光及出射光所在之介质折射率，当为折射时，nI≠nR，反射时nI＝nR≠1，在空气中则为nI＝nR＝1，自由曲面上的任意点法向量N可以由入射光线的单位向量和反射光线的单位向量表现出来。
本发明之侧表面200均可由方程式1定义出数个不同位置之截面曲线组，通过这些截面曲线组可以分别建构出这些侧表面。
从方程式1观之，本发明之上表面100的几何曲面为二维空间求解方式，相较于先前技术的非线性偏微方程式的三维空间求解方式更为简易，解决了传统偏微方程式求解困难的问题，并能将光线有效并且均匀地或按需要的照度分布投射于受光面。
上列详细说明乃针对本发明之一可行实施例进行具体说明，惟该实施例并非用以限制本发明之专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为之等效实施或变更，均应包含于本案之专利范围中。
符号说明
100 上表面
101 上表面，侧表面之边界曲线
200 下表面
300 侧表面
400 LED光源
500 出光主轴
O 光源中心位置
O’ 上表面的任一点位置
R 受光面之目标位置
C-γ 球坐标系的球心
C 角度
γ 角度
单位向量
单位向量
θ 角度
φ 角度
nI 入射光所在之介质折射率
nR 出射光所在之介质折射率
N 自由曲面上的任意点法向量

Claims (10)

1.一种LED光源导引装置，其主要包括：
上表面，系以几何形状得以投射出矩形光斑于受光面上，其上表面之边界曲线上所投射出的光线即为所投射于矩形光斑的边缘位置；
下表面，系为朝向所述上表面的轴对称面；
侧表面，系围绕于所述上表面与所述下表面之间，所述侧表面之边界与所述上表面中之相对应边界共边，并将光源重迭投射于矩形光斑内。
2.如权利要求书第1项所述之LED光源导引装置，其特征在于，包含一LED光源，所述LED光源装置在一电路板上，其中所述LED光源导引装置具有一出光主轴，所述出光主轴通过LED光源能量分布中心，指向光源光强最大的方向或是光强分布对称轴的方向。
3.如权利要求书第1项所述之LED光源导引装置，其特征在于，其中所述上表面，系为一平面创成曲线绕出光主轴所形成的轴对称面，并四条边界线外围的区域切除。
4.如权利要求书第1项所述之LED光源导引装置，其特征在于，其中所述侧表面，系在所述上表面及所述下表面之间以四个几何曲面围绕形成，其中相互面对的几何曲面互相对称，系为二组对称面。
5.如权利要求书第1项所述之LED光源导引装置，其特征在于，其中所述侧表面的投射之光线系全部或部份投射到矩形光斑中心对称轴至其相对应边之间，以加强矩形光斑的强度。
6.如权利要求书第1项所述之LED光源导引装置，其特征在于，其中所述上表面的回转创成平面曲线符合折射定律之一阶二维非线性常微方程：
其中(θ-C)为一常数代表某一包含对称轴的平面，所述对称轴即为出光主轴，方程式所表示的平面曲线即在所述平面上，所述平面曲线即为所述上表面的创成曲线，当所述曲线绕出光主轴回转即生成上表面未被四个边界裁剪时的形状；
其中nI、nR为入射光及出射光所在之介质折射率；
其中γ及φ之间的关系由能量守恒定律支配，以确定出二者间之唯一关系，这关系决定受光面上的照度分布形式。
7.如权利要求书第1项所述之LED光源导引装置，其特征在于，其中所述侧表面创成平面曲线符合折射定律之一阶二维非线性常微方程：
当(θ-C)为一常数时方程式代表一通过出光主轴的平面上的一曲线，数个不同位置之创成平面曲线组成所述侧表面的截面曲线组，通过所述截面曲线组可以建构出所述侧表面，其中nI、nR为入射光及出射光所在之介质折射率，γ及φ之间的关系由能量守恒定律支配，以确定出二者间之唯一关系。
8.如权利要求书第1项所述之LED光源导引装置，其特征在于，其中经所述侧表面的边界曲线投射出之光线，将投射在矩形光斑之边界。
9.如权利要求书第1-8项所述之LED光源导引装置，其特征在于，其中所述受光面，系为一通过出光主轴上一点且垂直于此轴的平面。
10.如权利要求书第1-8项所述之LED光源导引装置，其特征在于，其中所述受光面，系为一通过出光主轴上一点的平面，受光面与出光主轴间的夹角可以不为直角。
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