CN111828863A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种照明装置，包括发光元件、多个光纤、第一固定件、第二固定件以及光耦合组件。多个光纤中每一光纤具有入光端与出光端。第一固定件固定光纤的入光端。第二固定件固定光纤的出光端。光耦合组件用来将来自发光元件的光耦合至多个光纤中。

Description

照明装置

技术领域

本发明是有关于一种光学装置，且特别是有关于一种照明装置。

背景技术

发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)透过电子与电洞的结合而将电能转换成光能，其能量转换效率较高，且占据体积较小，因此逐渐成为照明装置的主流。然而，由于发光二极管光源面积小，发光角度较局限，因此具有较强的指向性，一旦作为道路照明灯具的发光源时，往往由于光强度过于集中而有眩光刺眼的问题，如此容易造成路人及驾驶人的眼睛不舒适。因此，如何设计出一个能满足所需照明效果且能抑制眩光的照明装置，成为值得研发的课题。

发明内容

本发明的一实施例中，提供一种照明装置，其架构有助于提升照明均匀度及改善眩光问题。

本发明的一实施例提出一种照明装置，包括发光元件、多个光纤、第一固定件、第二固定件以及光耦合组件。多个光纤中每一光纤具有入光端与出光端。第一固定件固定光纤的入光端。第二固定件固定光纤的出光端。光耦合组件用来将来自发光元件的光耦合至多个光纤中。

基于上述，在本发明的实施例的照明装置中，由于采用了多条光纤来改变高指向性光源所发出光束的空间分布，形成视觉上分散光源的效果，以改善眩光问题。

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，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的一实施例的照明装置的爆炸示意图。

图2绘示图1中的照明装置的剖面示意图。

图3A至图3D绘示图1中的照明装置的光形示意图。

图4绘示本发明又一实施例的照明装置的剖面示意图。

图5绘示本发明又一实施例的照明装置的剖面示意图。

图6绘示本发明又一实施例的照明装置的剖面示意图。

附图标号说明

10、40、50、60：照明装置

12：灯杆

100：发光元件

110、510：光耦合组件

111：反射片

112：分色镜

111H：开孔

111C、650C：光学元件

113：波长转换元件

120：空间光调变器

120P：像素

130：第一固定件

130H：第一孔洞

140：光纤

150：第二固定件

150H：第二孔洞

D1：间距

L1：照明光束

L2：转换光束

G：地面

X：道路方向

Y：路宽方向

具体实施方式

图1为本发明的一实施例的照明装置10的爆炸示意图。图2绘示图1中的照明装置10的剖面示意图。请先参考图1、图2，本实施例的照明装置10包括发光元件100、光耦合组件110、空间光调变器120、第一固定件130、第二固定件150以及多个光纤140。光耦合组件110包括反射片111、分色镜(dichroic mirror)112以及波长转换元件113，并且光耦合组件110可用来将来自发光元件100的光耦合至光纤140中。在一些实施例中，照明装置10为户外的道路照明装置，例如路灯。

发光元件100用以提供照明光束L1。在一些实施例中，发光元件100可包括发光二极管以及二次透镜，发光二极管用以发出照明光束L1。二次透镜用于增加照明光束L1的发散角。发光元件100可包含单一光源或多个光源。在一些实施例中，发光元件100发出的照明光束L1为蓝光；在另一些实施例中，发光元件100发出的照明光束L1为可见光(白光)、紫外光或红外光。

发光元件100可配置于反射片111中。反射片111可为不透光材质所构成，但不以此为限。在一些实施例中，反射片111具有开孔111H，来自发光元件100的照明光束L1经由开孔111H穿递至光耦合组件110中。在另一些实施例中，开孔111H用以设置发光元件100。在一些实施例中，照明装置10另包括光学元件111C，其可配置于开孔111H中。光学元件111C可为具高透光性的透镜，例如具有负屈光率而为凹透镜，以进一步发散来自发光元件100的照明光束L1。并且，光学元件111C具有朝向发光元件100的凹面，其用以设置发光元件100。但本发明不限于此，光学元件111C亦可视系统需求而为凸透镜、平板透光元件或等厚度弯曲板状元件。此外，光学元件111C可由透明材质构成，更进一步地，透明材质中可掺杂光散射粒子，或者透明材质可具有不规则或粗糙的表面，因而具有光扩散效果。

光耦合组件110的反射片111、分色镜112以及波长转换元件113依序设置于发光元件100的出光侧，更进一步来看，反射片111、分色镜112以及波长转换元件113形成一个光耦合腔。波长转换元件113位于反射片111与第一固定件130之间，且用以将照明光束L1转换成转换光束L2。其中，转换光束L2的波长不同于照明光束L1的波长，换言之，波长转换元件113可将第一波段的照明光束L1转换为第二波段的转换光束L2。举例来说，在一些实施例中，照明光束L1为蓝光，且转换光束L2为黄光，因此，波长转换元件113将照明光束L1降频。简言之，当发光元件100发射蓝光照明光束L1照射波长转换元件113时，波长转换元件113中的荧光物质将蓝光照明光束L1降频为黄光转换光束L2，并部分透射蓝光照明光束L1，如此一来，自波长转换元件113射出的黄光转换光束L2与蓝光照明光束L1混合后，能提供白光效果。为了实现光致发光(Photoluminescence；PL)，波长转换元件113可为荧光粉层或荧光片，其成分可包含钇铝石榴石(yttrium aluminum garnet,YAG)、钨酸钙、钨酸镁、硅酸锌、氧化钇、氧化镧、铝酸盐、磷酸盐、氮化物、硫化物或其他光转换材料(Luminescence ConversionMaterials)。

波长转换元件113除了转换部分照明光束L1的频段并透射部分照明光束L1之外，还会散射照明光束L1及转换光束L2，而造成能量损耗。为了提高光束传输效率，在一些实施例中，分色镜112配置于反射片111与波长转换元件113之间，其中分色镜112适于让来自发光元件100及波长转换元件113发散的照明光束L1穿透，且适于将波长转换元件113发散的转换光束L2反射回波长转换元件113。由上述可知，分色镜112可将波长转换元件113发散出的黄光转换光束L2向波长转换元件113反射，反射片111则可将来自波长转换元件113及分色镜112的蓝光照明光束L1向波长转换元件113反射。

为了确保光束传输效率，在一些实施例中，反射片111与分色镜112之间的间距可与照明光束L1之波长或光学元件111C的曲率相关。在一些实施例中，分色镜112与波长转换元件113之间的间距则趋近零，换言之，两者紧贴设置。

为了提供较佳的反射效果，在一些实施例中，反射片111的背对发光元件100的表面可具有反射膜或分色膜(dichroic film)，其中分色膜可以是用以反射蓝光的分色膜。分色镜112的背对发光元件100的表面可具有分色膜，其可用以反射第二频段的转换光束L2，但让第一频段的照明光束L1通过，例如用以反射黄光，但让蓝光通过，但本发明不以此为限。在其他实施例中，亦可于反射片111及分色镜112的面对发光元件100的表面形成反射镀膜或具高反射率的光学膜层。值得注意的是，分色镜112于蓝光波段需具有高穿透率，以确保发光元件100所发出的蓝光照明光束L1能向外传播，在此情况下，分色镜112之材料可为玻璃或环氧树酯、聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate，PET)塑料材料，但不以此为限。此外，反射片111、分色镜112例如呈平板状，但也可以根据实际需求而呈弯曲状。

由上述可知，光耦合组件110可用来将照明光束L1及转换光束L2引导耦合至下一个光学元件中，例如空间光调变器120或光纤140中，并将发光元件100所发出的蓝光照明光束L1转换为白光效果，且藉由光学元件111C可增加光束的发散角。

每一光纤140具有入光端与出光端。第一固定件130固定光纤140的多个入光端，第二固定件150则固定光纤140的多个出光端。为提供卡固效果，第一固定件130具有多个第一孔洞130H，光纤140的入光端分别插置于第一孔洞130H中。第二固定件150则具有多个第二孔洞150H，且光纤140的出光端分别插置于第二孔洞150H中。在一些实施例中，各第一孔洞130H或各第二孔洞150H分别具有对称轴，各第一孔洞130H之对称轴与第一固定件130对应的切面法向量平行，各第二孔洞150H的对称轴与第二固定件150对应的切面法向量平行，换言之，各光纤140系垂直插置于第一固定件130、第二固定件150的表面，因而分别与第一固定件130、第二固定件150的表面垂直。但本发明不以此为限，在另一些实施例中，各光纤140亦可不与第一固定件130、第二固定件150的表面垂直。

此外，在本实施例中，光纤140的延伸范围是在灯具内而长度不会过长，因此可以降低光损失。

为了进一步降低发光元件100发出照明光束L1的指向性，光纤140于第一固定件130的分布范围可小于光纤140于第二固定件150的分布范围，意即光纤140在第一固定件130紧密配置，光纤140在第二固定件150则是分散配置。需要特别说明的是，光纤140于第一固定件130或第二固定件150的分布范围是指光纤140在第一固定件130或第二固定件150的切面上所形成的最大投影面积。在一些实施例中，第一固定件130的尺寸小于第二固定件150的尺寸，第一固定件130的第一孔洞130H的数量小于等于第二固定件150的第二孔洞150H的数量。在此情况下，第一孔洞130H在第一固定件130的分布范围小于第二孔洞150H在第二固定件150的分布范围，意即第一固定件130的第一孔洞130H的排列方式相较第二固定件150的第二孔洞150H的排列方式紧密。换言之，依据第二固定件150的第二孔洞150H的配置位置可决定照明装置10的照明均匀度，甚至光形。

为了进一步调整照明装置10的光形，可将空间光调变器120设置于光耦合组件110及光纤140之间，其中，空间光调变器120用以分别调变光纤140的入光量，以改变照明装置10所提供的光形。在一些实施例中，空间光调变器120与光耦合组件110的波长转换元件113相邻设置，在另一些实施例中，空间光调变器120与波长转换元件113之间的间距趋近零，换言之，两者紧贴设置。类似地，在一些实施例中，第一固定件130与空间光调变器120相邻设置，在另一些实施例中，第一固定件130与空间光调变器120之间的间距趋近零，换言之，两者紧贴设置。空间光调变器120可电性耦接至处理器，以藉由处理器的高速运算来指示空间光调变器120的操作情形。处理器可包括微控制器(microcontroller)、微处理器(Microprocessor)、中央处理器(Central Processing Unit，CPU)或其他集成电路，并可进一步整合为系统单芯片(System On A Chip，Soc)或特殊应用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)。

空间光调变器120上包括多个像素120P。空间光调变器120的各像素120P可分别包括光开关(Optical Switch，OS)，光开关可视系统需求而以不同方式实现，例如传统机械光开关、微机电系统(Micro Electro-Mechanical System，MEMS)光开关、热光开关或液晶光开关。当光开关以液晶方式实现时，空间光调变器120的各像素120P即为液晶面板上的各像素。第一固定件130的各第一孔洞130H设置的位置可分别对应于空间光调变器120的像素120P的位置。举例来说，由于光纤140的入光端可如同空间光调变器120的像素排列成矩阵形态，而光纤140的出光端在依据对光形的实际需求而作适当的排列与分布，例如呈圆形、椭圆形、环状或其他几何形状的分布。

当光束自光耦合组件110的波长转换元件113射向空间光调变器120时，空间光调变器120可依据处理器的指示而控制各像素120P的光穿透率，影响输入至光纤140的光量，进而决定照明装置10的光形。在一些实施例中，各像素120P的光穿透率可与时间相关。在另一些实施例中，各像素120P可具有不同的光穿透率，换言之，各像素120P的光穿透率与位置相关。在一些实施例中，提高空间光调变器120中位于中心区域的像素120P的光穿透率而降低边缘区域的像素120P的光穿透率，可达成中心光强度较强的集中光形，且配光曲线的边缘光形为较明确的曲线。在另一些实施例中，可适应性降低空间光调变器120中位于中心区域的像素120P的光穿透率而提高边缘区域之像素120P的光穿透率，而提供较为均匀的光形。

请一并参考图3A至图3D。图3A至图3C绘示图1中的照明装置10的光形示意图，其中四边形格子代表被照明的地面G，而照明装置10配置于灯杆12上而离地面G有一段距离而对地面G提供照明，以在地面G上产生光形(如地面G上的曲线)。图3D绘示图3A中的照明装置10光形的局部放大示意图，其中曲线S1至曲线S7的照度分别为10、5、2、1、0.5、0.2、0.1呎烛光(footcandle，fc)。当图1中的空间光调变器120的像素120P的光穿透率呈适当的分布，且光纤140及第二固定件150的第二孔洞150H的配置位置呈适当的分布时，可形成二方向型配光设计，如此一来，可符合台湾标准(CNS)的15233标准、中国城市道路照明设计标准CCJ45-2015以及北美照明学会道路标准(Illuminating Engineering Society of NorthAmerica，IESNA)的Type II、Type III、Type IV标准。其中，二方向型配光设计中的二个方向分别对应路宽方向Y以及道路方向X，且二方向型配光设计是指光型分布以路宽方向Y为对称轴，但未以道路方向X为对称轴，因此光型分布于地面G上呈现非完全对称的光型分布，而沿道路方向X发出高光度配光。二方向型配光设计可使地面G上的光能量均匀。并且，由上述可知，藉由空间光调变器120，照明装置10可切换至不同光形，而无须更换第二固定件150，而可增加照明装置10照明上的弹性。

请参照图4，图4绘示本发明又一实施例的照明装置40的剖面示意图。本实施例的照明装置40与图1所述实施例的照明装置10两者结构相似，且功能与功效都类似，因此相同符号代表相同元件。本实施例与图1所述的实施例不同之处在于，照明装置40没有设置空间光调变器120。在此情况下，照明装置40仍可藉由多条光纤140来降低发光元件100的指向性，或者，藉由二次透镜、光学元件111C的折射与反射片111、分色镜112的反射，而发散发光元件100发出的光束。换言之，照明装置10的空间光调变器120可选择性设置。

请参照图5，图5绘示本发明又一实施例的照明装置50的剖面示意图。本实施例的照明装置50与图1所述实施例的照明装置10两者结构相似，且功能与功效都相同，因此相同符号代表相同元件。本实施例与图1所述的实施例不同之处在于，照明装置50的光耦合组件510仅包括反射片111，而没有包括分色镜112以及波长转换元件113。对应地，照明装置50的发光元件100提供白光波段的照明光束L1。换言之，当发光元件100提供特定波段的照明光束L1时，波长转换元件113可能是不必要的，在此情况下，仅需反射片111，即可将空间光调变器120、第一固定件130、第二固定件150或光纤140朝发光元件100反射的照明光束L1再次导向光纤140。换言之，照明装置10的分色镜112及波长转换元件113可选择性设置。

在图2中，藉由将光纤140分散配置于第二固定件150上可降低发光元件100发出照明光束L1的指向性，以改善眩光问题。但本发明不限于此，举例来说，请参照图6，图6绘示本发明又一实施例的照明装置60的剖面示意图。本实施例的照明装置60与图1所述实施例的照明装置10两者结构相似，且功能与功效都相同，因此相同符号代表相同元件。本实施例与图1所述的实施例不同之处在于，照明装置60的第二固定件150的第二孔洞150H中分别可配置光学元件650C。光学元件650C可为具高透光性的透镜，且光学元件650C的表面曲率亦可视实际需求而调整，以改变照明装置60所提供的光形。举例来说，为了提高照明装置10照明的均匀度，位于中心区域的光学元件650C的表面曲率可经适当设计而具有发散效果，位于边缘区域之光学元件650C的表面曲率可经适当设计而具有会聚效果。或者，位于中心区域的光学元件650C的表面曲率可经适当设计而具有较高的发散效果，位于边缘区域的光学元件650C的表面曲率可经适当设计而具有较低的发散效果。换言之，依据第二孔洞150H中的光学元件650C的表面曲率可决定照明装置10的照明均匀度，甚至光形。

综上所述，本发明采用了多条光纤来改变高指向性光源发出光束的空间分布，形成视觉上分散光源的效果，因此可降低光强度过于集中的问题，以改善眩光问题。再者，透过二次透镜、光学元件的折射与反射片(或分色镜)的反射来扩散光束，因此可以增加发光源面积，进一步降低眩光。并且，透过固定件的第二孔洞的结构设计，可调整光纤出光处的位置分布及方向，而可提升照明的均匀度，进而达成所需配光曲线的光形，例如达成二方向型配光设计。透过第二孔洞内的光学元件，可调整照明装置的照明均匀度，甚至光形。透过空间光调变器可进一步调整照明装置的照明效果，例如可达到符合交通法规的道路照明光形。如此一来，即能够增加用路人的视觉舒适度，且不违背道路规范的要求。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种照明装置，其特征在于，包括：

发光元件；

多个光纤，其中每一光纤具有入光端与出光端；

第一固定件，固定所述多个光纤的所述多个入光端；

第二固定件，固定所述多个光纤的所述多个出光端；以及

光耦合组件，用来将来自所述发光元件的光耦合至所述多个光纤中。

2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，更包括：空间光调变器，设置于所述光耦合组件及所述多个光纤之间，所述空间光调变器用以分别调变所述多个光纤的入光量，以改变所述照明装置所提供的光形。

3.根据权利要求2所述的照明装置，其特征在于，所述空间光调变器包括多个像素，且耦接至处理器，所述空间光调变器依据所述处理器的指示而控制所述多个像素的光穿透率。

4.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于，所述空间光调变器的各像素包括光开关，且各光开关为机械光开关、微机电系统光开关、热光开关或液晶光开关。

5.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述光耦合组件包括：

反射片，具有开孔，其中来自所述发光元件的光经由所述开孔穿递至所述光耦合组件中。

6.根据权利要求5所述的照明装置，其特征在于，所述光耦合组件包括：

波长转换元件，位于所述反射片与所述第一固定件之间，用以将来自所述发光元件的光转换成转换光束；

分色镜，位于所述反射片与所述波长转换元件之间，其中所述分色镜适于让来自所述发光元件的光穿透，且适于将来自所述波长转换元件的所述转换光束反射回所述波长转换元件。

7.根据权利要求5所述的照明装置，其特征在于，所述光耦合组件包括：

透镜，配置于所述开孔中，且所述透镜具有负屈光率。

8.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述第一固定件具有多个第一孔洞，所述多个光纤的所述多个入光端分别插置于所述多个第一孔洞中，所述第二固定件具有多个第二孔洞，且所述多个光纤的所述多个出光端分别插置于所述多个第二孔洞中。

9.根据权利要求8所述的照明装置，其特征在于，所述多个第一孔洞的排列方式相较所述多个第二孔洞的排列方式紧密。

10.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述多个光纤于所述第一固定件的分布范围小于所述多个光纤于所述第二固定件的分布范围。

Images