CN2374930Y - 发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜 - Google Patents

Abstract

一种发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜,包含一产生电磁辐射光束的光源、至少有一组和光源相对应的透镜元件;每一组透镜元件包括一入射面及两出射面,入射面包含一垂直柱状曲面阵列,出射面包含一水平柱状曲面阵列,另一出射面包含一凸面透镜,光源的光线射出后,光线在垂直与水平方向亮度分布会作偏折收敛到所设计的观察视角内,最后一部分光线经包含凸面透镜的出射面聚焦后再发散出去,可增加整个交通信号灯的光亮度。

Description

发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜

本实用新型为发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜，它是一种具有双凸面及至少有两出射面的透镜结构，使得在兼顾亮度与低功率消耗两个条件下，能获得高品质的产品。

交通信号灯主要在规范车辆及行人，使交通更顺畅并能确保行车安全，但到目前为止，白炽灯仍为主要的交通信号灯源。然而随着发光二极体的产品发展渐趋成熟，人们便想到要以发光二极体来取代传统的白炽灯。主要是因为发光二极体的优点为：(1)消耗功率低(2)产品寿命长。但是在早期的发明对于亮度(光能量)和功率输出上无法两者兼顾。因为发光二极体在远距离照明时，它本身的亮度无法达到要求。早期的作法是同时使用许多颗的发光二极体，但这又不能达到降低成本及节约能源的目的。所以以发光二极体为灯源的产品，大部分都不能被本行业所接受。目前一般的作法则是设计新的透镜灯罩，利用其几何光学的特性加强灯源本身的亮度。如利用灯罩将发光二极体光源所发出的发散光线收敛成平行光增加其亮度；另外一种方式则是让光线通过一自行设计的灯罩用以加强亮度。

然而，以上的设计都有一个共同缺点，那就是光源单纯地透过灯罩散射，其发散角度很大，因为没有将散射的角度作最佳化处理，所以大部分的光线被浪费在观察者视线的角度范围外，如此也就无法达到最强亮度和最低功率消耗的目的。

本实用新型的主要目的是提供一种可兼顾高亮度与低功率消耗的发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜，其装置利用发光二极体为光源的光线射出后，利用具有双凸面的透镜的入射面先将光线偏折使水平方向亮度分布收敛到所设计的视角，再经一出射面的偏折，将光线在垂直方向亮度分布收敛到所设计的视角，并且利用位于出射面中央位置的另一出射面的凸透镜结构将经此部分的光线重新聚焦后再发散。如此不仅可以增加整个交通信号灯的光亮度，也可以将所有的光线均匀地分布在所设计的视角范围之内。

本实用新型另一目的是提供一发光二极体交通信号灯的亮效率折射式透镜，其采取球面透镜设计，可容许较大光源误差，因发光二极体不是点光源，本身有光源的孔径大小，本设计采取球面的方式，故可以容许更大的误差，使信号灯更趋理想状态。

本实用新型的又一目的是提供一发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜，利用透镜的偏折收敛，使其产生均匀分布的发光源，对观察者眼睛不会有刺眼的感觉。

本实用新型再一目的是提供一发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜，此种光学设计允许的误差极高，因为全部透镜的设计都是利用球面来制作，不像非球面透镜的误差要求很小，这样可有效降低生产成本。

为使审查员了解本实用新型的目的、特征及功效，兹根据下述的附图，作一详细的说明。

图1为透镜座标位置的解说图；

图2为整个交通信号灯折射式透镜的立体图；

图3为全部发光二极体位置排列图；

图4A为本实用新型透镜上单一透镜元件的立体图；

图4B为本实用新型透镜上单一透镜元件的剖面图，其为Y-Z平面；

图4C为本实用新型透镜上单一透镜元件的剖面图，其为X-Z平面；

图5为本实用新型透镜上单颗发光二极体的工作图。

X  水平方向轴           Y  垂直方向轴

Z  光源方向轴(光轴)     θ 水平视察视角

ψ 垂直观察视角         1  发光二极体

2  透镜                 20 透镜元件

21 入射面               22 出射面

23 出射面

为了便于解说，首先将若干专用术语予以说明，如图1所示，由光源发出后的光线其行进方向定义为正Z轴或称为光轴。垂直光轴的平面定义为X-Y平面。而观察视角的定义则为观察者面向光源的方向与光轴(Z轴)的夹角，图中的θ为水平观察视角，代表观察者面向光源方向与光轴在水平方向的夹角。ψ为垂直观察袖角，代表观察者面向光源方向与光轴在垂直方向的夹角。

如图2所示，为本实用新型发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜的立体图，该透镜2是由复数组透镜元件20所组成，每一组透镜元件20设有一组光源与之对应，该光源为可产生电磁辐射光束的发光二极体，如图3所示该发光二极体1的设置位置与图2中每一组透镜元件20相对应。请参阅图4A、B、C所示，每一组透镜元件20包括：一入射面21及二个出射面22、23，该入射面21包含一垂直柱状曲面阵列，该出射面22包含一水平柱状曲面阵列，而出射面23则包含一凸面透镜，借此在光源的光线射出后，经入射面21先将光线偏折使水平方向亮度分布收敛到所设计的视角，再经出射面22将光线垂直方向亮度分布收敛到所设计的视角，最后再经中央位置的出射面23的凸面透镜结构将此部分的光线重新聚焦后再发散，以增加信号灯的亮度，并将所有光线均匀地分布在所设计的观察视角范围内。

为了简化说明，以下就利用单一组透镜元件20及单颗发光二极体1来说明，但实际上，整体结构并不只有一颗发光二极体。参考图5，以发光二极体1为光源置于透镜元件20的入射面21的焦点上，该入射面21为垂直柱状曲面，这能使大部分的光能量都进入透镜元件20内部。光线经由垂直柱状曲面后所产生的效应，可以将在水平方向的光线亮度分布压缩在观察视角一定的范围内(如水平观察视角正负9度)。其次，经由水平柱状曲面的出射面22的偏折，则可以将在垂直方向的光线亮度分布压缩在垂直观察视角一定的范围内(如垂直观察视角正负3度内)。而位于出射面22中央位置的出射面23则为一凸面透镜，则会将经此部分的光线重新聚焦后再发散。如此不仅可以增加整个交通信号灯的光亮度，也可以让整个灯从远处来观察时，是一个非常均匀的发光源，且对观察者不会有刺眼的感觉。

以上的光学系统装置配置中，由于发光二极体光线亮度分布的角度(即发散角度)与透镜元件20的入射面21的曲率对于能否让大部分光能量从光源进入透镜内部有很大的关系。当发光二极体的发散角度较大，那么必须选择曲率较大的入射面；反之，如果发散角度较小，则需选择曲率较小的入射面。

本实用新型中以垂直柱状曲面作为入射面21，除了考虑光能量可以有较少损失外，并同时考虑所需要的观察视角，让整个光学系统装置看起来更精简、更有效率。

其次，透镜元件20的出射面23占整体的光学系统装置关键的地位，其曲率决定了光学系统装置的均匀度和光亮度大小。因为采用此出射面23的凸面透镜结构的聚焦，即多了一虚拟光源。这样观察者在观看此信号灯时，不会只是看到一中心很亮而旁边比较暗的光源，而造成刺眼不舒服的感觉。而是会形成一个由真实的光源和虚拟光源组成的发光平面，使光线均匀一致。

再者，出射面23的聚焦功能可将光能量聚焦后再重新分配在所要的观察视角范围内。以往的设计都只考虑光线发散，因发散角度都很大，所以有些光线没有在观察视角内而形成浪费，现在经由此出射面23就可以把这些光线汇聚后再发散到所要求的范围内。

以上所述的发光二极体交通信号灯高效率折射式透镜，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型实施的范围。即凡根据本实用新型申请专利范围所作的均等变化及修饰，都为本实用新型专利范围所函盖。

Claims (10)

1.一种发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜，此装置至少包含：

(a)至少有一个光源用以产生电磁辐射光束；

(b)至少有一个透镜元件对应于前述的光源；其特征在于，该透镜元件包括：

一个入射面，包含一柱状曲面，其形状可以将入射光束电磁辐射波偏折到透镜元件内部。

复数个出射面对应于前述的入射面，包含一柱状曲面、一凸面透镜，每个出射面的形状可将透镜元件内部的光束电磁辐射波偏折成所需要的光束电磁辐射波。

2.如权利要求1所述的发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜，其特征在于：所述的光源为发光二极体。

3.如权利要求1所述的发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜，其特征在于：所述的入射面包含一柱状曲面，而其凸面朝向前述的发射装置，其中柱状曲面的旋转对称轴定义成此入射面的方向。

4.如权利要求1述的发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜，其特征在于：所述的入射面的形状可以偏折入射光束电磁辐射波进入透镜内部，并且能收敛入射光束电磁辐射波发散的角度。

5.如权利要求1所述的发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜，其特征在于：所述的对应于前述入射面的复数个出射面至少包含两个不同出射面。

6.如权利要求1所述的发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜，其特征在于：一出射面包含一柱状曲面，而其曲面朝向光束电磁辐射波前进的方向，其中柱状曲面的旋转对称轴定义成此出射面的方向。

7.如权利要求1所述的发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜，其特征在于：另一出射面包含一凸透镜，此凸透镜为球面的一部分，而其凸面朝向光束电磁辐射波前进的方向，其中凸透镜的旋转对称轴定义成此出射面的方向。

8.如权利要求1所述的发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜，其特征在于：入射面的方向和包含一柱状曲面的出射面的方向互相垂直，其方向一个为水平方向，另一个为垂直方向。

9.如权利要求1所述的发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜，其特征在于：透镜元件的入射面和包含一柱状曲面的出射面的安排，可以收敛入射光束电磁辐射波发散的角度，并且使光束电磁辐射波聚焦在入射面之前。

10.如权利要求1所述的发光二极体交通信号灯的高效率折射式透镜，其特征在于：该透镜元件的入射面和包含一凸面透镜的出射面的安排，可以改变入射光束电磁辐射波的前进方向，并且使光束电磁辐射波聚焦在出射面之后。

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