JP2013134985A - 均一照射光学レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオードの光線を均一に拡散でき、従来の導光素子の光出射面中心から外側への輝度が大幅に減衰する問題を解決する。
【解決手段】本発明は、光源に適用する均一照射光学レンズを提供し、均一照射光学レンズは、導光本体１００と反射体３００を含む。導光本体１００は、側面１０６と、光入射面１０２と光出射面１０４とを備える。光入射面に収容部１１０を備え、光出射面に錘状部１２０を備える。反射体３００は側面１０６に設けられる。光源２００が光線を照射する時、光線が収容部１１０の第一側壁１１２により錐状部１２０の前記第二側壁１２２に屈折して伝えられ、光線が更に第二側壁１２２により全反射される。
【選択図】図１Ｄ

Description

本発明は均一照射光学レンズに関する。特に、全反射効果を持つ均一照射光学レンズに関連する。

照明設備は生活に欠かせないものであって、技術の展開に伴い、より優れた照度及び省エネ化照明器具も次第に発展している。現在最もよく使用されている照明源は発光ダイオード(Light-Emitting Diode、LED)である。発光ダイオードは半導体素子であって、メリットとして、省エネ、耐久性、低発熱量や自然環境に優しいことなどが挙げられる。また、出力された光源は冷光源であり、長寿命、低消費電力及び紫外線放射が発生しないなどの特徴を有するので、発光ダイオードは次第に従来の光源に取って代わっている。

上述した発光ダイオードの特性のため、各国政府は電力の消費量が大きいタングステン電球に代わって、発光ダイオード照明器具の改良構造の使用を広く提唱している。特に、「省エネ、ＣＯ２削減」を提唱することにより、発光ダイオードの優れた低電力消費性は重視され始めた。化石エネルギー源の欠乏及び環境保護意識が高まりを見せる現在、発光ダイオードを生かすことはすでに各界の重大な焦点になっている。従って、様々な発光ダイオードによる照明設備は絶え間なく新たに発展している。

以前発光ダイオードの輝度は従来の照明光源に代わることはできなかった。しかし、技術の向上に伴い、従来の照明光源に代わることができる高輝度の発光ダイオード（ハイパワーＬＥＤ）の研究開発に成功している。しかし、発光ダイオードは発光面積が小さいため、照射する光源は、点光源に近い。従って、発光ダイオードを通常の光源として照射すると、その光源は不均一となり、特に短距離で均一な輝度の光源を必要とする応用の場合、発光ダイオードの使用は制限される。

現在、従来技術においては、既に導光素子を用いて発光ダイオードからの出射光を導いて拡散し、発光ダイオードの不均一な出射光を一定の領域範囲内に収斂し、一部分の範囲内でより均一な出射光を達成することに至った。しかし、現在見られる導光素子の光出射面中心から外側への輝度は、大幅に減衰し、発光ダイオードから発された光線を有効的且つ均一的に拡散できない。従って、従来の導光素子が発光ダイオードに対して光学的に改善しても、光の分布が不均一である問題を徹底的に解決できない。

台湾特許公開第１１０４１６７号公報

この様な問題点に鑑み、本発明は、均一照射光学レンズを提供し、発光ダイオードの光線を均一に拡散でき、従来の導光素子の光出射面中心から外側への輝度が大幅に減衰する問題を解決する。

本発明は、光源に適用する均一照射光学レンズに関する。均一照射光学レンズは、導光本体と反射体とを含む。導光本体は、側面と、相対する光入射面及び光出射面とを備え、該側面は光入射面と光出射面との間に介設し、側面がそれぞれ光入射面と光出射面とに接続し、反射体が側面に設けられる。光入射面に第一側壁を有する収容部を備え、光出射面に第二側壁を有する錘状部を備える。光源は光入射面と隣接して光線を照射し、光線が第一側壁を透過して導光本体内へ屈折し、且つ光線が前記第二側壁に伝えられる。光線が更に第二側壁により全反射され側面に伝えられ、光線が側面の反射体により第二側壁へ反射され、最後に光線が第二側壁を透過して光出射面から出射される。

本発明は更に、導光本体と反射体とを含む別の均一照射光学レンズを開示する。導光本体は側面と、相対する光入射面及び光出射面とを備える。前記側面は光入射面と光出射面との間に介設され、且つ側面はそれぞれ光入射面と光出射面と接続される。光入射面に収容部を備え、光出射面に錘状部を備え、反射体が側面に設けられる。光線が第二側壁により反射体へ反射され、光線が更に反射体により第二側壁に反射され、光線が再度屈折されて光出射面から出射される。

収容部は第一関数で形成されたｙ＝Ｌ_１（ｘ）の第一側壁を有し、錘状部は第二関数で形成されたｙ＝Ｌ_２（ｘ）の第二側壁を有する。光源は距離ｄで光入射面と隣接して光線を照射する。光源の長さはLで、光線は第一屈折率ｎ_１と第一入射角α_１で第一側壁を通過する。光線は導光本体の第二屈折率ｎ_２と屈折角α_２で第二側壁へ屈折される。第一入射角α_１と屈折角α_２の第一法線と導光本体の中心軸は第一夾角θ_１であり、第一法線と第一関数の交点は座標（ｘ_１、ｙ_１）を有する。光線は第二側壁の第二入射角β₁で反射され、第二入射角β_１の第二法線と導光本体の中心軸は第二夾角θ_２を有する。そのうちβ_１は以下の数式で表される。


…数式０１

本発明の有効性は、収容部の第一側壁と錘状部の第二側壁の傾斜率を相互に合わせて設計することにより、光源が生成する光線を第一側壁から第二側壁へ屈折させたのち、光線を第二側壁により側面へ全反射して外向き拡散させて、光を均一にする効果を達成したことにあり、且つ第二側壁の全反射により、光エネルギーの損失を有効に低減でき、又側面の反射体により光線を再度第二側壁へ反射させて導光本体を通過させて、更に光源の使用効率を向上させる。

本発明の第一実施例の均一照射光学レンズの立体図である。 本発明の第一実施例の均一照射光学レンズの側面図である。 本発明の第一実施例の均一照射光学レンズの俯瞰図である。 図1ＣのＡ−Ａ方向への断面図である。 本発明の第一実施例の光経路図である。 本発明の第一実施例の法線角度関係図である。 図２Ａの一部拡大図である。 本発明の第一実施例の第一側壁の一部拡大図である。 本発明の第二実施例の導光本体の断面図である。 本発明の第三実施例の導光本体の側面図である。

本発明に関する特徴、実際の運用及び効果は、図面を合わせて実施例を挙げて以下のように詳細に説明する。

図１Ａから図１Ｄは、それぞれ、本発明の第一実施例の均一照射光学レンズの立体図、側面図、俯瞰図、図１ＣのＡ−Ａ方向への断面図である。

図に示すように、本発明の第一実施例の均一照射光学レンズは、光源２００に用いられる。本発明の光源２００は発光ダイオードであり、発光ダイオードは側辺から発光する。当業者であれば実際の使用に応じて、光源２００の種類を適宜変更でき、これを制限するものではない。

本実施例の均一照射光学レンズは導光本体１００と反射体３００とを含み、そのうち導光本体の材料はアクリル又はガラスなどの有機透光物質であり、光源２００の光線を均一照射光学レンズ内で屈折拡散させる。導光本体１００は、相対する光入射面１０２と光出射面１０４と囲繞する側面１０６とを備え、側面１０６は光入射面１０２と光出射面１０４との間に介設され、且つ側面１０６の端部はそれぞれ光入射面１０２と光出射面１０４との端部とに接続される。光源２００は、光入射面１０２に隣接する位置に設置される。

光入射面１０２には収容部１１０が設けられ、収容部１１０は第一側壁１１２を有する。収容部は錘状形であってもよく、錘状形の端点は光出射面１０４へ向いている。故に、収容部１１０の断面形状は三角形であり、収容部１１０の底部は光入射面１０２に位置する。光出射面１０４には錘状部１２０が設けられ、錘状部１２０の端点は光入射面１０２へ向いている。光出射面１０４の錘状部１２０は第二側壁１２２を有する。収容部１１０は錘状を有するため、錘状の端点は光出射面１０４へ向いている。よって、大部分の光線は第一側壁１１２を通過した後、上へ向けて第二側壁１２２へ伝えられる。第二側壁１２２から光線は導光本体１００の側面１０６へ全反射する。反射体３００は導光本体１００の側面１０６を囲むように設けられる。

光源２００が光線を出射するとき、光線は第一側壁１１２を通過し、且つ導光本体１００内において屈折して拡散する。その後、光線は第二側壁１２２において全反射し、光線を導光本体１００の側面１０６へ完全に全反射する。次に、光線は側面１０６において反射体３００により反射され、光線を第二側壁１２２へ反射させ、最後に再度第二側壁１２２により光線が屈折され導光本体１００を通過する。

その他、光線が導光本体１００内に伝えられたとき、光線は第二側壁１２２において全反射作用が生成され、光線を第二側壁１２２から側面１０６に向けて反射させる。このとき、光線は全反射するため、光エネルギーの減衰が小さく、故に光線が遠くまで伝えられる。このように光線を導光本体１００内において遠くまで拡散できる。

光源２００が出射した光線は、最後に導光本体１００の側面１０６に設置した反射体３００により反射される。その後、光線は再度第二側壁１２２に伝えられて、ある角度で第二側壁１２２へ入射し、第二側壁１２２により屈折した後、導光本体１００を通過して出射される。このように光線を更に広い範囲へ拡散し、光源２００の使用効率を有効に向上できる。

図２Ａは、本発明の第一実施例の光経路図である。図に示すように、本発明の導光本体１００は中心軸Ｃを有し、導光本体１００の中心底部に原点ｏ(０、０)を設け、これにより中心軸Ｃを座標軸のＹ軸とし、導光本体１００の底部の水平線をＸ軸とする。

光源２００は辺長長さＬの発光ダイオードであり、光源２００の中心は導光本体１００から下方へ距離ｄの位置に位置する。光源２００が光線を第一側壁１１２へ出射したとき、光線は第一側壁１１２において交点Ａ（ｘ_１、ｙ_１）を生成し、光線が第一側壁１１２を通過して屈折される。第一側壁１１２が関数方程式ｙ＝Ｌ_１（ｘ）からなり、Ａ（ｘ_１、ｙ_１）において、第一法線Ｎ_１、第一入射角α_１と屈折角α_２とを有し、第一法線Ｎ_１と中心軸Ｃとの夾角がθ_１であり、空気の屈折率が第一屈折率ｎ_１であり、導光本体１００の屈折率が第二屈折率ｎ_２である。

光線が第一側壁１１２により屈折された後、光線は第二入射角β_１で第二側壁１２２へ伝えられる。光線が第二側壁１２２において、交点Ｂ（ｘ_２、ｙ_２）を生成する。第二側壁１２２は、関数方程式ｙ＝Ｌ_２（ｘ）からなり、Ｂ（ｘ_２、ｙ_２）において第二法線Ｎ２を有し、第二法線Ｎ２と中心軸Ｃとの夾角がθ_２であり、光線が交点Ｂにおいて反射角β_２を生成し、且つ光線を導光本体１００の側面１０６へ伝え、更に反射体３００により光線を反射する。反射後の光線は第二側壁１２２を通過して、再度第二側壁１２２により屈折された後に出射される。

光線が第一側壁１１２で屈折される時、スネルの法則により、n₁sinα₁＝n₂sinα₂が得られる。故に、次の数式が得られる。
… 数式０２

図２Ｂは、本発明の第一実施例の法線角度関係図である。図２Ａから分かるように、本発明の第一法線Ｎ_１と中心軸Ｃとの夾角はθ₁であり、第二法線Ｎ２と中心軸Ｃとの夾角はθ_２であり、θ_１、θ_２と中心軸Ｃとを並列にする。更に、図２Ｂに示すように、第一側壁１１２により屈折された光線を同並列にし、この図を同様にＡ点とＢ点とを重ねる。屈折された光線と第一法線Ｎ_１の夾角も即ち屈折角α_２であり、屈折された光線と第二法線Ｎ２の夾角も即ち第二入射角β_１である。そして、第一法線Ｎ１と第二法線Ｎ２との夾角はθ_３であり、θ_３の数値はθ_１とθ_２の和である。

このように、β_１の数値はα_２にθ_３を加えたものである。即ち、β_１の数値はα_２、θ_１とθ_２の数値の和であり、即ちβ₁＝θ₁＋θ₂＋α₂でもある。更に角度方向性の状況を考慮すると、α_２とβ_１とは、第一法線Ｎ１と第二法線Ｎ２とにより正負符号の始線とし、θ_１とθ_２とは、垂直線により正負符号の始線とし、時計回りの方向が負であり、反時計回りの方向を正とする。即ち、β_１は負であり、α_２は負であり、θ_１は負であり、θ_２は正である。よって、（-β₁）＝（-θ₁）＋（θ₂）＋（-α₂）、即ち、β_１=θ_１-θ_２+α_２である。

図２Ｃは、図２Ａの一部拡大図である。図１Ａから分かるように、光源２００の長さはＬであり、光源２００の中心は導光本体１００の下方へ距離ｄの位置に位置する。光源２００から出射されて入射した光線は交点Ａにおいて第一法線Ｎ_１との夾角が第一入射角α_１であり、そして光源２００から出射された光線は交点Ａにおいて、交点Ａの垂直線との夾角がγであり、垂直線は中心軸Ｃに平行であり、垂直線と第一法線Ｎ１との夾角はθ_１である。図から分かるように、tanγ=[(L/2+x₁)/(d+y₁)]であり、γ= tan^-1[(L/2+x₁)/(d+y₁)]である。この他、図２Ｃから分かるように、数値γ=数値α_１+数値θ_１であり、数値α_１=数値γ-数値θ_１である。そして、角度方向性を更に考慮すると、第一法線Ｎ_１を角度の正負符号を判断する始線とすると、時計回り方向が負であり、反時計回り方向が正である。α_１は負であり、θ_１が負である。即ち、（-α_１）=γ-（-θ_１）、α_１=-(γ+θ_１)である。また、即ちα_１= - [tan^-1[(L/2+x₁)/(d+y₁)]+ θ₁]である。

図２Ｄは、本発明の実施例の第一側壁１１２の一部曲線図である。この図は図２Ａの一部の図である。図２Ａから分かるように、光源２００が出射した入射光線が第一側壁１１２において交点Ａ（ｘ₁、ｙ_１）を生成し、光線は第一側壁１１２を透過して屈折する。第一側壁１１２の関数方程式はｙ＝Ｌ_１（ｘ）であり、Ａ（ｘ_１、ｙ_１）において第一法線Ｎ_１を有する。入射光線と第一法線Ｎ_１との夾角は第一入射角α₁であり、屈折光線と第一法線Ｎ_１との夾角は屈折角α_２であり、第一法線Ｎ_１と中心軸Ｃとの夾角はθ_１である。

方程式ｙ＝Ｌ_１（ｘ）は、交点Ａ（ｘ_１、ｙ_１）の接線Ｔの方程式はＬ_１’（Ｘ_１）である。接線Ｔと第一法線Ｎ_１とは相互に垂直であり、また図から分かるように、接線ＴとＸ軸との夾角もまたθ_１である。θ_１は接線ＴとＸ軸との夾角であり、接線Ｔの傾斜率がtanθ_１である。よって、tanθ₁=Ｌ₁ ’（ｘ₁）であり、故に、θ₁=tan^-1[Ｌ_１’（ｘ_１）]である。同様に、θ_２=tan^-1[L_２’（ｘ_２）]が得られる。故に、図２Ａから図２Ｄにより、以下の数式が得られる。

…数式０３

β₁が均一照射光学レンズの臨界角θ_cより大きいか等しいとき、全反射が形成される。均一照射光学レンズの材料がＰＭＭＡであることを例とすると、ＰＭＭＡの屈折率はｎ_２＝１．４９３５であり、空気の屈折率が１であるので、ＰＭＭＡ均一照射光学レンズの臨界角θ_cは約４２．０３４度である。即ち、β₁は４２．０３４度より大きいとき、全反射を生成する。

本発明は、この第一側壁１１２と第二側壁１２２の設計する関数方程式に基づき、光線を第一側壁１１２により第二側壁１２２へ出射したとき全反射が形成される。このように光源の光線を外向きに拡散させることができるばかりでなく、更に外向きに拡散された光エネルギーの減衰が早すぎないようにでき、このように光源の使用効果を有効に向上できる。

図３は、本発明の第二実施例の導光本体１００の断面図である。この実施例と第一実施例とは収容部１１０の断面形状が異なる。

本実施例の収容部１１０の断面形状は、台形である。台形は上底と下底を有し、下底は上底より大きく、且つ収容部１１０の底部は光入射面１０２に位置する。本実施例は第一実施例と対照すると、両実施例の第一側壁１１２の傾斜率はいずれも同じであり、収容部１１の底部面積の大きさが異なるだけである。収容部１１０の底部面積を変更することにより導光本体１００の中間輝度の差異に影響を与える。故に、本発明は実際の必要に応じて収容部１１０の底部面積を設定できる。

図４は、本発明の第三実施例の導光本体１００の側面図である。図に示すように、本発明は複数の固定柱１３０を更に備え、導光本体１００の底部に設けられる。この実施例では三つの固定柱１３０を例に説明する。

固定柱１３０は、光源２００の周囲を支持するよう設置され、光源２００と導光本体１００との間に間隔が生じる。これにより光源２００は放熱空間を有し且つ、光線が第一側壁１１２へ出射される時、良好な入射角を有する。故に、本発明の均一照射光学レンズは更に有効に光源２００を利用できる。その他、固定柱１３０の高さは実際の使用需要に応じて調整するよう設計できる。

以上より、本発明の均一照射光学レンズは、収容部の第一側壁と錘状部の第二側壁の傾斜率を相互に合わせて設計することにより、入射光線を第二側壁において全反射させ、又反射体の反射により、光線を導光本体中心から外向きに拡散させ、第二側壁の全反射により光線拡散後のエネルギーの減衰を減少でき、このように、光線が均一に拡散できる。故に、光源の使用効率を向上することができる。

以上、実施例により本発明を説明したが、しかし、本発明の範囲をこれに限定するものではない。本発明の本質及び範囲内であれば、当業者は本発明の特許請求の範囲で述べられた形状、構造、特徴及び数量について各種変更を行うことができる。よって、本発明の特許に係る範囲は本明細書に付した特許請求の範囲を基準とする。

１００ … 導光本体
１０２ … 光入射面
１０４ … 光出射面
１０６ … 側面
１１０ … 収容部
１１２ … 第一側壁
１２０ … 錘状部
１３０ … 固定柱
１２２ … 第二側壁
２００ … 光源
３００ … 反射体

Claims (12)

1. 導光本体と反射体とを含む光源に適用する均一照射光学レンズであって、
   前記導光本体は、囲繞する側面及び相対する光入射面と光出射面を備え、前記側面が光入射面と光出射面との間に介し、且つ前記側面がそれぞれ前記光入射面と前記光出射面とに接続され、前記光入射面に収容部を設け、前記収容部は第一側壁を有し、前記光出射面は錘状部を設け、前記錘状部は第二側壁を有し、前記光源は前記光入射面に隣接して光線を出射し、
   前記反射体は前記側面に囲繞するように設置され、
   そのうち、前記光線が前記第一側壁を透過し、前記導光本体内へ屈折し、且つ前記光線が前記第二側壁へ伝えられ、前記第二側壁が前記光線を前記側面へ全反射し、前記反射体が前記光線を前記側面により前記第二側壁へ反射し、前記光線が前記第二側壁を透過して前記光出射面から出射されることを特徴とする均一照射光学レンズ。
2. 前記収容部の断面の形状が三角形を呈し、前記収容部の底部が前記光入射面に位置することを特徴とする請求項１に記載の均一照射光学レンズ。
3. 前記収容部の断面形状が台形を呈し、前記台形は上底と下底を有し、前記下底の長さが前記上底の長さより長く、前記収容部の底部が前記光入射面に重なることを特徴とする請求項１に記載の均一照射光学レンズ。
4. 複数の固定柱を更に有し、前記導光本体に設置されることを特徴とする請求項１に記載の均一照射光学レンズ。
5. 導光本体と反射体とを含む光源に適用する均一照射光学レンズであって、
   前記導光本体は、囲繞する側面及び相対する光入射面と光出射面を備え、前記側面が光入射面と光出射面との間に介し、且つ前記側面がそれぞれ前記光入射面と前記光出射面とに接続され、前記光入射面に収容部を設け、前記収容部は第一関数で形成されたｙ＝Ｌ_１（ｘ）の第一側壁を有し、前記光出射面は錘状部を設け、前記錘状部は第二関数で形成されたｙ＝Ｌ_２（ｘ）の第二側壁を有し、前記光源と前記光入射面は距離ｄの間隔を開けて光線を照射し、光源の長さはLであり、前記光線は第一屈折率ｎ_１と第一入射角α_１で第一側壁を透過し、前記光線は前記導光本体の第二屈折率ｎ_２と屈折角α_２とで前記第二側壁へ屈折され、前記第一入射角α_１と前記屈折角α_２との第一法線と前記導光本体の中心軸は第一夾角θ_１を有し、前記第一法線と前記第一関数の交点は座標（ｘ_１、ｙ_１）を有し、前記光線は前記第二側壁の第二入射角β_１で反射され、前記第二入射角β_１の第二法線と前記導光本体の中心軸は第二夾角θ_２を有し、
   前記反射体は前記側面を囲繞するように設置され、
   そのうち、前記光線が前記第一側壁を透過し、前記導光本体内へ屈折し、且つ前記光線が前記第二側壁へ伝えられ、前記第二側壁が前記光線を前記側面へ全反射し、前記反射体が前記光線を前記側面により前記第二側壁へ反射し、前記光線が前記第二側壁を透過して前記光出射面から出射されることを特徴とする均一照射光学レンズ。
   尚、
   
   …数式０４
   である。
6. 前記第一夾角がθ_１= tan^-1[L₁’(x₁)]であることを特徴とする請求項５に記載の均一照射光学レンズ。
7. 前記第二夾角がθ_２= tan^-1[L_２’(x₂)] であることを特徴とする請求項５に記載の均一照射光学レンズ。
8. 前記屈折角がα_２= sin^-1[(n₁/n₂)sin α₁]であることを特徴とする請求項５に記載の均一照射光学レンズ。
9. 前記第一入射角がα_１=-(γ+θ_１)、γ= tan^-1[(L/2+x_１)/(d+y_１)] であることを特徴とする請求項５に記載の均一照射光学レンズ。
10. 前記収容部の断面の形状が三角形を呈し、前記収容部の底部が前記光入射面に位置することを特徴とする請求項５に記載の均一照射光学レンズ。
11. 前記収容部の断面形状が台形を呈し、前記台形は上底と下底とを有し、前記下底の長さが前記上底の長さより長く、前記収容部の底部が前記光入射面に重なることを特徴とする請求項５に記載の均一照射光学レンズ。
12. 複数の固定柱を更に有し、前記導光本体に設置されることを特徴とする請求項５に記載の均一照射光学レンズ。