TW201000824A - Optical element for asymmetric light distribution - Google Patents
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Description
201000824 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用於自一光源校準光束之一光學元件,該 光4·元件具有一内耦合側,該内相合側經配置以接收該光 束,一外耦合側,該外耦合側經配置以容許校準光的發 射;及一元件本體,該元件本體自該内耦合側延伸至該外 搞合側。 本發明亦關於包括此一光學元件的一燈光系統。 【先前技術】 近來,在增加發光二極體(LED)的亮度上已有極大的進 展。因此,LED已變得足夠亮及便宜,以充當例如在燈光 系、.充中之光源,該燈光系統係諸如具有可調整顏色的 燈、直視液晶顯示器(LCD)及前後投影顯示器。藉由混合 及控制不同顏色LED的強度,例如紅色、綠色及藍色 LED,可產生任何數量的顏色,例如白色。 為了影響通常廣泛傳播發射光的方向,具有校準特徵的 -光學元件通常與該LED—同配置。例如使用—校準儀使 得該光的該方向變得更對準一特定方向,或使得該光的空 間橫截面變得較小。你,丨&,M m Λ, τ 女美國專利US 5,555,329號描述 用於”光源《形成一燈光系統之光導引光學結構, 該燈光系統係關於將光重新導引至一所要的方向。該結構 藉由使用稜鏡而沿著兩個垂直的觀看軸在強度且在方向上 來提供該光分布之控制。炒品 , …、、而’所揭不之該光導引光學結 構僅容許在該兩個觀看方内由 規有方向中具有一有限的束寬度差異。 I38922.doc 201000824 為了進一步影響該光學效應,諸如該束寬度,一消光或 —透鏡結構通常施加於該校準儀的該發射表面上。例如, 為實現垂直於-觀看軸之-相對窄的光束(或光線)及沿著 一垂直觀看軸之-較寬束,可使用一圓柱形透鏡結構。然 而,一圓柱形透鏡結構大致上僅可提供在該第一觀看方向 上比該第二垂直觀看方向還要寬1〇。至2〇。之束。在束角度 中—更多差異將導致使用此一光學結構之一燈光系統的較 低效率。 因此,此需要用於在兩個垂直觀看方向中提供具有一增 加的束寬度差異之不對稱光分布之一新穎配置。 s 【發明内容】 因此本發明的一目的是提供一光學元件,其經配置至少 減少先前技術的問題之至少一者。 根據本發明,上述目的可一用於校準來自於一光源之光 的光學7C件來達成,該光學元件具有一内耦合側,該内耦 合:經配置以接收該光;,合側,_合側經配置 以谷卉杈準光的發射;及一元件本體,該元件本體自該内 耦合側延伸至該外耦合側,該元件本體具有垂直於一藉由 垂直於彼此的一 X軸與一 y軸定義之光學軸(Z)的一橫截面, 其中邊光學7L件具有沿著該χ軸的_ χ曲率及沿著該乂轴的 一y曲率,該y曲率大於該χ曲率,藉此使得用於自該外耦 合側發射的該校準光的—光分布具有垂直於該光學軸⑻的 一不對稱形狀的一橫截面。 ;該光孪元件的軸與該垂直的乂軸具有不同曲率且 138922.doc 201000824 同時較佳地實現全内反射 發射之校準的光具有—㈣奸=本發明因此使得待 側發射的校準光处豹 尹' 亦即,自該外耦合 軸之該光學元件之杯〜在距離垂直於該z ^旦古 (不必然為任―)距離處的一橫截 ΓΓ 對稱形狀,較佳為橢圓形。在本中請案之内 I,=形狀應予以廣義解釋’同樣包含大致搞圓形 /、應被見知為橢圓形。同樣’應注意所用術語光、光 束及光線係具有相同意義。 /注意術語不對稱在本發明中的意義係定義為_相對於 »亥X及y軸為不對稱之形狀,例如—橢圓形狀。該不對稱或 對某些實施例而言,橢圓形狀,在一不對稱比一對稱光分 布:為有效的應用場合中係恰當的。舉例來說,為有效照 明-具有植物之一長列園藝配置,有需要具有在一觀看方 向一窄束寬及在一垂直觀看方向一寬束寬之一光分布。藉 由在矩陣一明系統中配置一個或最好複數個光學元件, 。亥園蟄配置便能以透過高均勻性之高效率來照明。本發明 的光學元件宜可包括在一燈光系統中’該燈光系統亦包括 一光源。在此一燈光系統中,該光學元件之該内耦合側經 調適以接收由該光源發射的光,該光源可為一 LED。 D玄光學元件的形狀’諸如該X及y曲率,係經選擇為相關 參數,且宜具有一導致最佳效率之關係。例如,該X及y曲 率可相對於彼此被定義成使得沿著該X轴之該光之一最大 發散角度係比沿著該y軸之一對應最大發散角度還要大至 少15度’且宜係大至少30度。因此,由於在兩個垂直觀看 138922.doc 201000824 T向中可具有此擴大的束寬差異,本發 性之應用可提供更有效率的光分布。 十而要此功能 光=學元件宜經配置使得其可使自該外耗合側發射之, ^之_截面之該形狀具有—沿著該_比沿著該痛 =度1此方式’沿著該軸定義該發射校 布:錢佳橢圓形狀之曲率的比例相較於定義該光學 兀之4等曲率係恰為相反。換言之千 座士认 '、冗具有一 y曲 圓妒之7曲率之該光學元件,該發射校準光分布之該橢 2亥X曲率將大於該對應^曲率。亦即,雖㈣光學元 y方向較寬,但該校準光分布之該橢圓形狀在__ …向係較寬。設計該光學元件使得該等發射曲率為相反意 明者一相對不複雜的結構。 4光學7L件之該外耦合側可以不同方式設計。其表面可 :平坦,例如平滑及平面,該表面使該光學元件相對簡 早’或其可視需要包括一消光表面,其藉此可調諧該束 寬。為更進一步影響該光學效應,該外耦合側可包括一透 鏡結構。倘若該光學元件具有一圓柱形透鏡結構,可導致 在垂直於該柱狀軸,亦即在該圓柱形透鏡之該軸之該方向 中具有一額外光發散。一圓柱形透鏡因此可用於調諧自該 外輕合側發射的校準光接近所要的束寬。 了為校準儀之该光學元件’此外較佳地為固體且透 月其可為由聚碳酸醋(PC)或聚曱基丙稀酸曱醋(pmma) 开7成’或由聚碳酸g旨(PC)或聚甲基丙稀酸曱g旨(pmma)的 —組合形成。然而,習於此技者應可瞭解該光學元件也可 138922.doc 201000824 為半透明或甚至有色的,且可使用其他適當材料形成。 如上面已描述的,本發明的該光學元件因此提 垂直觀看方向中具有一增加束寬 、個 布。然而,應注意,自該光學元件的該外為合側發射2 準光可具有除所述不對稱形狀以外的其他形狀。例如的:: 比所述的xAy曲率還更多的曲率被^義為發散,則可造= 垂直於自該外轉合側發射的該校準光的該光學 光分布橫截面。 又複才准 本發明的此等及其他態樣現將參考顯示本發明之當前較 佳實施例之附加圖式更詳細地描述。 田 【實施方式】 本發明現將參考該等關在下文中更充分描述,並中顯 示本發明當前較佳實施例。然而本發明可以很多形式實施 且不應視為限於本文闡明的該等實施例;而是此等實^例 係提供用以徹底及完全且充分傳達本發明的範t给孰練的 技術人士。在所有圖式中,相同參考字元用以表示相同的 元件。 圖1是根據本發明的一例示性實施例之一燈光系統^的一 三維搶示。該系統1包括—安裝外殼4,在其上安農藉由一 ,學元件2覆蓋的—光源3。在該圖示實施例中的該:源【 是-LED ’但然而本發明不限於此。該光學元件2在該實 例中係-校準儀,然而本發明的範缚亦涵蓋其他可行的替 代方式。圖1的該校準儀2雖然係較佳的,但並不—定係要 固體且透明的。因& ’該校準儀2包括具有—折射率[π 138922.doc 201000824 的聚碳酸醋(pc)。其他可適用材料也為可行的諸如呈有 一折射率W的聚甲基丙烯酸甲酿(PMMA),或PC及 PMMA的-組合。由於該校準儀2的—折射率高於其周圍 媒介(較佳為具有一折射率U的空氣),因此該校準儀2可 針對自該LED 3接收的光來提—般習知之光學現象全内反 射(TIR)。 光、光束及光線係具有相同意思 該例示性實施例的該校準儀2具有—覆蓋該融3之内麵 合側5’其中該校準儀2經配置以接收來自於該㈣3提供 的該光。在相對端’該校準儀2具有—經配置以允許校準 光的發射之-外搞合側6。如上面提及的,應注意術語 在圖Μ,顯示圖1的該校準儀2的-更詳細視圖。如描 繪的,該校準儀2具有一與一般習知校準儀不同的形狀, 其不同處在於垂直於圖示的校準儀2的一光學轴(即冰)的 至少一任意橫截面並非為圓形。根據本發明,沿著此一橫 U冑面的該曲率因此不是固^的,而是不對稱的。在任何垂 直於該z軸處之橫截面俜由姑μ 一 吸〜乜双®你由彼此垂直的X及y軸所定義。在 該例示性實施例中,沿著該y軸之該校準儀2的該曲率(稱 - 作>^曲率)係大於沿著該Χ軸的該曲率(稱作X曲率^因此’ • 此導致垂直於該Ζ軸之卵形形狀的橫截面,其具有沿著 轴之寬Wy寬於沿著該χ軸之寬%。在顯示的實例中,該校 準儀2的阿度仏為5.5 mm及在外耦合側6的寬尺寸、
Wx分別為14咖及10 _ '然而注意其他尺寸當然為可〜于 的。該等尺寸,諸如該等心曲率,是相關參數及較佳地 138922.doc 201000824 ^擇以符合TIR’且同時可支持在兩個垂直觀看方向中呈 有-增加的束寬差異之相當受用的不對稱光分布。 該校準儀2的該外轉合側6在該例示性實施例中為平坦 的’具有-光滑表面及較佳地垂直於該冰。然而該外耦 合側可視需要包括一消光表面’又影響該校準儀2的該光 學特徵。作為另-替代方式’如圖2b中顯示,係使該校準. 儀2的該外#合側包括—透鏡結構7。圖2b顯示的透鏡結構 - 為圓柱形,藉此支援沿著該乂軸(亦即在垂直於該圓柱軸 軸)的方向)而透過該處所發射的光之額外的光發散。 在使用時,該例示性實施例之該校準儀2自該LED 3接收 光。圖3繪示例示性光束一 xl、束—χ2、束—yl、束^2如何 自該LED 3移動至該校準儀2之該内耦合側5,透過該校準 儀2及經由外耦合側6離開而作為校準的光。例如,束_^自 LED 3經由該内耦合5而在一χζ平面中移動,且當其達到該 校準儀2的邊界時,由於TIR而被朝向該外耦合側6反射’ 並且通過該處。由於一般已知的折射定律,亦即,由於在 該外麵合側6邊界的對面上,該媒介具有—不同折射率, 該光束_xl的光速(亦即光的速度)改變,且該光束χΐ以一 與該z軸成一角度0){離開該外耦合侧6。以此相同方式,束 一yl在該yz平面中移動,並以一角度心通過該外耦合側6。 自該外耦合側6發射的複數個校準光,其中繪示的光束 · —χ1、束_x2、束_乂1、束_y2形成一光分布,其在一垂直於 該z軸而距該校準儀2 —任意距離處之一橫戴面具有一擴圓 形狀CE。注意該橢圓形狀也可為一本質上橢圓形狀,理解 138922.doc • 10· 201000824 為橢圓形。在圖3中繪示的實例巾,該校準光分布之該橢 圓形狀Cd有-沿著該χ軸比沿著該y轴較大的寬度。沿著 該X及y軸界定該校準光分布之該橢圓形狀仏之乂及乂曲^的 比例因此相較於定義1亥光f元件2之該Λ率係恰為相反 的。亦即,雖然該校準儀2在一向較寬,但該校準光分 布之該橢圓形狀CE在一 χ方向係較寬。 該校準儀2的x&y曲率垂直於該2軸彎曲的程度自然影變 垂直於該2軸之該校準光分布之_橫截面Ce的心曲率; 曲的耘度。在顯示的實施例中,該校準儀2之該X及Υ曲率 具有-關聯,使得在該xz平面中,該光束—χΐ、束—X2之一 最大發散角度θχ係比在該”平面中之該光束”、束之 一最大發散角Μ還要大大約3㈡5。。換句話說,該發射 的光分布在兩個垂直觀看方向具有—束寬差異,亦即分別 沿著該\及”由,對應於大約3〇_35。之一最大發散角度差 異。在相對於彼此定義該校準儀2之該曲率後(亦即寬 WjWy)’接下來便可以定義該發射之校準光分布之該橢 圓形狀CE之對應所要的*曲率。儘管在該例示性實施例 中,該最大發散角度θχ係比一最大發散角度h還要大3〇 35。,但本發明不限於此。對於_些應用,可能需要一最 大發散角度差異15。或可能25。。應注意,在該校準儀2之 該外搞合側6上提供-消光表面或—透鏡結構7 ’可如前所 述提供該束寬的額外調諧。
圖4d4d顯示本例示性實施例之該發射之校準光分布的 圖表。圖4a繪示極性光分布,分布_χ、分布—y,在個別X 138922.doc 11 201000824 及y觀看方向中,具有隨角度而改變…,而圖朴同樣 地緣示該卡u分布。該發射校準光分布的對應極性及卡 氏周線座標圖分別繪示在圖牝及化中。 為说明用於圖1至4中顯示之該例示性實施例之一可行應 用圖5描緣包括在—矩陣照明系統9中的複數個燈光系統 1。該矩陣照明系統9經提供以照明一在'縱向方向延伸且 具有—相對窄寬度之園藝配置8。對於此—配置8的照明, 在兩個垂直觀看方向中提供一大量束寬差異係有效的。如 所綠示’複數個燈光系統W自包括一根據本發明之校準 儀2因此,其可提供一最佳光分布,該園藝配置8可經由 高均勻性而被高效率照明。 在如上描述的本發明的該例示性實施例中,該光源是一 LED。然而在本發明的範#内,亦可以使用不同類型的光 源’舉例言之先前技術中已知的不同類型的固態光源。亦 可使用複數個光源。 乂外’ $練的㈣人士可瞭解本發明未限於上面描述的 該等較佳實施例。正相反,熟練的技術人士應可瞭解在後 P付申請專利範圍⑽可有許多修飾及變動。例如,自該光 學凡件的該外_合側發射的—校準光分布可具有除了擴圓 形以外的其他形狀。例如若比上述該等提及的X及^曲率還 更夕的曲率可被定義為發散的,則垂直於自該外耦合側發 射的該校準光的該z軸可具有更複雜的光分布橫戴面。 【圖式簡單說明】 圖1為一方塊圖,其中繪示根據本發明之一較佳實施例 138922.doc -12· 201000824 之一燈光系統。 圖2 a挺供圖1 φ盈§ >上士 151 1中顯不之該實施例之该校準儀的一詳細視 圖。 圖2b顯示圖2a的該校準儀,該校準儀具有包括—透鏡結 構之一替代性外耦合側。 圖3繪示在該較佳實施例的該例示性燈光系統中X/及yz 平面中燈光移動的發散角度。 圖4 a至圖4 d繪示極性分布、卡氏分布、極性周線座標圖 及卡氏周線座標圖之圖表,該等圖表顯示自圖1的該實施 例的該燈光系統發射的一典型光分布;及 圖5顯示該較佳實施例的一例示性實施方式’其係使用 於一園藝配置之一矩陣照明中。 【主要元件符號說明】 1 燈光系統 2 光學元件 3 光源 4 裝置外殼 5 内耗合側 6 外耗合側 7 透鏡結構 8 園藝配置 9 矩陣照明系統 CE 橫截面 Hz 面度 138922.doc 201000824 wx 見 wy 見 θχ 最大發散角 9y 最大發散角 138922.doc - 14
Claims (1)
- 201000824 七、申請專利範圍:一種用於校準來自於— 光學元件(2)具有: 光源(3)之光的光學元件(2),該 一内耦合側(5) 其經配置以接收該光;卜1¾ 口側(6) ’其經配置以允許校準光的發射;及 一,件本體,其自該内耗合側⑺延伸至該外耗合側 (6) ’遠件本體具有—垂直於由彼此垂直之—X軸及—丫 軸所定義之一光學軸(z)的橫截面, 其中該光學元件⑺具有沿著該X軸之-X曲率及沿著該 y軸之y曲率,一曲率大於該χ曲率藉此可使得用於 自該外搞合側⑹發射之該校準光之—光分布具有一垂直 於该光學軸⑷之一不對稱形狀(cE)的横截面。 2·如請求項1之光學元件⑺,其中自該外耗合側⑻發射之 °亥故準光之一光分布具有一垂直於該光學軸(z)之一橢圓 形狀(CE)的橫截面。 3·如請求項1或2中任一項之光學元件(2),其中該光學元件 (2)經配置以使該形狀(Ce)沿著該χ軸比沿著該丫軸具有一 更大寬度。 4_如請求項之光學元件(2),其中彼此相關之該x&y曲 率經疋義使得沿著該x軸之該光束之一最大發散角度(θχ) 係比沿著該y軸之一對應最大發散角度(ey)還大至少15 度且宜係大至少3 0度。 5·如請求項1或2之光學元件(2),其中該光學元件(2)為一 校準儀。 138922.doc 201000824 6. 如請求項1或2之光學元件(2),其t該光學元件(2)係固 體且透明。 7. 如請求項1或2之光學元件(2),其中該光學元件(2)包括 聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中之任一者 或其一組合。 8. 如請求項1或2之光學元件(2),其中該外耦合側(6)係平 坦的。 9. 如請求項1或2之光學元件(2),其中該外耦合側(6)包括 一透鏡結構(7)。 10. 如請求項1或2之光學元件(2),其中該光學元件(2)包括 在一矩陣照明系統(9)中。 1 1. 一種包括如前述請求項中任一項之一光學元件(2)及一光 源(3)之燈光系統(1),其中該光學元件(2)之該内耦合側 (5)經調適以接收由該光源(3)發射的光。 12.如請求項1 1之燈光系統(1),其中該光源(3)包括一發光 二極體(LED)。 138922.doc
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