TW201022719A - Beam direction controlling device and light-output device - Google Patents

Description

201022719 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種光東方向控制裝置，及本發明係關於 一種包括此一光束方向控制裝置的光輸出裝置。 【先前技術】 下照燈及聚光燈被建築師、室内設計師以及終端使用者 非常廣泛地用於産生一期望的室内風格。 下照燈一般係用於一般的照明用途且通常產生一相對寬 的光束’而聚光燈通常係藉由傾斜或旋轉聚光燈而瞄準某 一目標。 近來，在照明技術尤其是在發光二極體（LED)及LED為 主之照明器具之領域中的進展已能實現平坦且小型化的光 輸出裝置’如比習知照明系統易於安裝且更小型化與更不 顯眼的照明器具。 對於下照燈’此新型平坦照明器具之使用係相對簡單。 然而，對於聚光燈，優勢在當前並不明顯，因為控制光之 方向所需的機械配置本身係相對龐大且因此很大程度上抵 消透過使用一平坦照明器具所獲得的細長形狀因數。 【發明内容】 鑒於先前技術之以上提及及其他缺點，本發明之一般目 的在於提供一改良的光束方向控制裝置，且尤其是提供能 簡單且耐用地控制於光束方向裝置中通過的一光束之一方 向的一小型化光束方向裝置。 根據一第一態樣，本發明提供一種光束方向控制裝置， 142633.doc 201022719 其用於控制由一光源所發出且通過該光束方向控制裝置的 一光束之一方向，該光束方向控制裝置包括：一第一光學 元件’其具有相對的第一面及第二面且係經組態以將來自 该第一光學元件之第一面處的一入射方向在該光束方向控 制裝置上入射的複數條平行光線之一方向，變成為在該第 光子元件之第一面處不同於該入射方向的一主要方向； 及一第二光學元件，其具有相對的第一面及第二面，該第 二光學元件係經配置為具有面向該第一光學元件之第二面 之該第二光學元件之第一面，該第二光學元件係經組態以 依據在該第二光學元件之第一面上的光線之入射點而在該 第一光予凡件之第一面處將來自該主要方向的複數條光線 之一方向變成為在該第二光學元件之第二面處的一次要方 向〃中該光束方向控制裝置係經組態以允許該第-光學 兀件與該第二光學元件之間的相對移動，用於控制在該第 二光學元件之第一面上的光線之入射點，藉此能控制光束 之方向。 該光束方向控制裝置可有利地包括移動構件，其用於實 現該第一光學元件盥_ 對移動。 -該第-先學-件之間的以上提及之相 2中所使料「移動構件」應理解為意指能提供 、第—先學几件間之期望相對移動的任何構 件。此移動構件可包含 — 人或多個杯、手柄等形式接徂沾 手動操作構件。嗲銘&& 寻办式如供的 τ该移動構件可進一步包含罝叙七—以名 器，如雪叙民法 了匕3具動力之致動 電動馬達、風動或液壓致動器等。 142633.doc 201022719 圍=;==ΓΓ元件可為具有申請專利範 π先學兀件。有利地，該第一 第二光學元件之各去hi 尤學疋件及該 卞夂各者均可以一光學透明平面部 或一箔）的形式祯描视 （如—板 飞破美供，該部件可經結構化以實 光線重定向性質。 d望之 件基於以下之認識：可藉由提供兩個串聯光學元 ιη Γ控制—光束之方向的—非常小型化之裝置， ,、中该第一光學元件使光線偏轉以在一組給定之 沿：給定之方向撞擊該第二光學元件，且該第二光學元件 係經組態以依據人射點而使此等光線不同的偏轉。 本發明者已進—步認識到此—裝置可用以藉由相對於該 第-光學元件移動該第二光學元件以得到一組新的入射點 及/或在保持該等入射點不變的同時藉由以該等光學元件 之間具有一不變的相互位置關係移動第一光學元件及第二 光學元件，以使撞擊該第二光學元件的光線之方向改變， 來實際上連續地控制光束之方向在一給定範圍内。 相應地，需要僅沿垂直於該光束方向控制裝置之光學軸 的方向移動，此致此形成尤其適於與平坦且小型化的半 導體光源為主之光輸出裝置（如平坦LED為主之下照燈）一 起使用的一非常小型化之光束方向控制裝置。藉由將此一 平坦下照燈與一根據本發明之若干實施例的光束方向控制 裝置結合’該下照燈可被轉換為一可控制的聚光燈而幾乎 不犧牲該下照燈之小型化及不顯眼性之任一者。 該第一光學元件及該第二光學元件可有利地經配置而大 142633.doc 201022719 體上互相平行，此可依據實際實施例而改良性能及/或利 於該光束方向控制裝置之製造及組合。對於根據本發明之 光束方向控制裝置的至少某些實施例，預期當該第一光學 元件及該第二光學元件不同於配置於平行平面内❿配置^ 约士 10。時可實現最好性能。 為限制光束之不希望的加寬或變窄，該光束由根據本發 明之右干實施例之包括一光源的光輸出裝置及光束方向控 制裝置發出，#動構件可有利地經組態以在保持該第一光 學疋件與該第二光學元件之間之距離恆定的同時允許該第 一光學元件與該第二光學元件之間的相對移動。 另外，該第一光學元件及該第二光學元件之各者可包括 一重定向結構陣列，藉此可保持實現光束方向之某一改變 所需的相對移動較小，此允許提供-非常小型化的光束方 向控制裝置’且相應地提供—小型化且不顯眼的可控制之 聚光燈。 、風奴而s，包括於本發明之光束方向控制裝置内的該等 光^ 7L件可使用用於實現錢之期望重定向的任何機制。 此等機制可(例如)包含反射、電控或磁控的折射、通過全 内反射的光之導向或此等及其他機制的任一組合。然而， 藉由通過-折射結構陣列而提供期望之重定向，可利於該 光束方向控制裴置之製造且可使用現有的、相對低成本的 光學元件。 2據—實施例’該第一光學元件及該第二光學元件之各 刀別可包括—稜鏡板，且該光束方向控制裝置可經組態 142633.doc 201022719 以實現圍繞該第-光學元件與該第二光學元件之間的光束 方向控制裝置之光學轴的一相對旋轉。 在此實施例中，包括於該第一光學元件及該第二光學元 件内的該第-稜鏡板及該第二棱鏡板之各者可使人射平行 光線偏轉-固定給定的極偏轉角，即相對於該光束方向控 制裝置之光學轴的一固定給定角。然而，該等經偏轉之光 線的所得方向亦取決於該等經偏轉之光㈣方㈣，接著 該等經偏轉之光線的方㈣料於圍繞各自稜鏡板之光學 轴的旋轉。 因此’可#由控制該第一光學元件及該第二光學元件之 旋轉而控制離開根據本發明之光束方向控制裝置的光束之 方向’即光束之極角及方位角。 為方便使用者，可提供具有移動構件的光束方向控制裝 置，該移動構件包括：-第一使用者可控制之致動器，其 用於使該使用者能控制該第—稜鏡板與該第二稜鏡板之間 的相對旋轉(相對方位角）；及一第二使用者可控制之致動 器’其用於使該使用者能控制該第—稜鏡板及該第二棱鏡 板之結合旋轉，且該相對方位角係不變。 再者，該第一光學元件及該第二光學元件之各者的第一 面可大體上為I面且豸第一A學元件及該第4學元件之 各者的第二面可具有形成於該第二面上的—稜鏡結構。 藉由以此方式配置該等光學元件，使得入射光線首先撞 擊該等光學元狀平坦面，可極大減少衛星光束之形成， 該等衛星光束係沿另-方向而非沿由於在光學部件/棱鏡 142633.doc 201022719 板内之全内反射所致的預期之方向。 應注意該兩個稜鏡板或箔不需要相同。例如，可為有利 的疋包括於該第二光學部件内的稜鏡板/箔使用_稍小稜 鏡角以緩解偏轉假像。 另外，可藉由在該第一光學部件及該第二光學部件上提 供抗反射塗層而抑制由於菲涅爾（1?1^31^1)反射所致的雜散 光。或者（或以組合方式），可出於同一目的而將_遮光箱 安置於該兩個稜鏡板/箔之間。該遮光箔之透射定向可^ 利地與該等稜鏡板/猪之間的經偏轉之光束方向—致，即 該遮光箔可有利地附接至該第一光學元件。 根據另-實施例’該第一光學元件可包括包括複數個聚 焦凸透鏡的一第一凸透鏡陣列；該第二光學元件可包括— 第二凸透鏡陣列；且該光束方向控制裝置可經組態以在垂 直於該光束方向控制裝置之光學軸的一平面内實現該第— 光學兀件與該第二光學元件之間的一相對橫向位移。 在此實施例中，藉由在第一凸透鏡陣列中的各凸透鏡而 將-光束聚焦使得沿主要方向的複數條平行域被形成， 各光線係關聯於在第一凸透鏡陣列中的一各自凸透鏡。接 者在第二凸透鏡陣列中的凸透鏡使此等光線沿一方向偏 轉，該方向取決於此等光線各撞擊在第二凸透鏡陣列中之 對應凸透鏡的位置。 藉由使用具有大體上相同於該第一凸透鏡陣列之間距的 間距（相鄰凸透鏡之間的距離）的一第二凸透鏡陣列，可提 供一光束方向控制裝置，其能藉由使該第二光學元件相對 142633.doc 201022719 於該第一光學元件橫向位移對應於間距的一最大距離而控 制光束之方向。 因此，為提供光束之方向的一平穩且連續之控制，移動 構件可有利地經組態以允許小於或等於該第一凸透鏡陣列 及該第二凸透鏡陣列之間距的一最大相對橫向位移。 此外，有利地係該等凸透鏡陣列可各具有20毫米或更小 的一間距以便於保持最大光束偏轉所需的機械移動合宜地 較小。 移動構件可另經組態以能改變該第一光學元件與該第二 光學元件之間的距離，藉此可控制光束之發散。 使用用於該第二凸透鏡陣列的各組態均可實現光束之方 向的期望之控制。 根據一實例，該第二凸透鏡陣列可像該第一凸透鏡陣列 一樣包括複數個聚焦凸透鏡。此外’在該第二凸透鏡陣列 中的凸透鏡可有利地比在該第一凸透鏡陣列中的凸透鏡更 聚焦（「更強」）。 在根據本實例之光束方向控制裝置中，模擬及試驗得出 在該第一凸透鏡中之聚焦凸透鏡的焦距可有利地為在該第 一凸透鏡陣列之間距的2至1〇倍範圍内。接著在該第二凸 透鏡陣列中之凸透鏡的焦距可較佳為該第一（及第二）凸透 鏡陣列之間距的〇. 5至1 · 5倍。藉此，可透過相對於該第一 光學7L件的該第二光學元件之一較小橫向位移而實現光束 之一較大角位移。 根據另一實施例，在該第二凸透鏡陣列中的凸透鏡之各 142633.doc -10· 201022719 者可分別包括：一第一部分，其經組態以提供沿主要方向 衝射該第二光學元件的光線之全内反射；及一° 矛 '…-口f 5 ， 其經組態以折射該等光線。 藉此，可使在該第二凸透鏡陣列中的凸透鏡非常強，藉 此可實現更大的偏轉角。 根據又-實施例，該第二凸透鏡陣列可包括複數個發散 的或負的凸透鏡，藉此可實現大體上與聚焦凸透鏡之致果 相同的重定向效果。

此外，該光束方向控制裝置可額外包括配置於該第—光 學元件與該第二光學元件之間的另一光學元件，該另一光 學元件具有不同於該第一光學元件及該第二光學元件之平 均折射率且小不到0.3的一折射率。 藉此，可實現甚至更短的焦距，允許有一甚至更小型化 的光束方向控制裝置。另外，可改良凸透鏡之光學品質。 藉由提供此另一光學元件而實現的一額外有利效果為可 減少作又性的菲淫爾（Fresnel)反射。 … 因為該第一光學部件及該第二光學部件之折料—般將 約為1.5，所以該另一光學元件之折射率在大部分情況下 可為在1.2至1.8之間。 可較佳地以液體或凝膠的形式提供 為便於製造及處理， 另一光學元件。 對於本發明之若干實施例，其中該第—光學元件及該第 一光學元件之各者分別包括一凸透鏡陣列，可為有利的可 為是提供另—第三光學元件，其包括介於該第-凸透鏡陣 142633.doc 201022719 列與該該第二凸透鏡陣列之間的一凸透鏡陣列。 藉由適當選擇在該第三凸透鏡陣列中之凸透鏡的性質， 可實現該光束方向控制裝置之一改良光束控制性能。特定 言之，可實現更大的最大光束偏轉角。 該第二凸透鏡陣列之凸透鏡的焦距可經較佳選擇使得該 第三凸透鏡陣列將該第—凸透鏡陣列成像至該第二凸透鏡 陣列上。 再者，該第三凸透鏡陣列可有利地被安置於與該第二凸 透鏡陣列之焦平面—致的該第-凸透鏡陣列之焦平面内。❹ 在各實施例中，移動構件可額外經組態以相對於該第一 光學疋件移動該第三光學元件，藉此可實現更進一步的最 大光束偏轉角。 為獲得甚至更大的偏轉角，可堆疊各包括一凸透鏡陣列 的更多光學元件。例如，一額外凸透鏡陣列可放置於該第 -凸透鏡陣列之焦平面内且另—額外凸透鏡陣列可放置於 該第二凸透鏡陣列之焦平面内。多個凸透鏡陣列之堆疊的 ❹ 光學性質可有利地使得該第—凸透鏡陣列被影像至該第二 凸透鏡陣列上。此外，可依使得可相對於該第—凸透鏡陣 列之橫向位置調整某些凸透鏡之一者之橫向位置的一方式 組態移動構件。 此外，本發明之光束方向控制裝置可有利地被包含於一 光輸出裝置内’該光輸出裝置進—步包括經配置以發出通 過該光束方向控制裝置之光的一光源。 如以上所提及，此一光輸出裝置可有利地為一可控制的 142633.doc •12- 201022719 聚光燈。 【實施方式】 現將參考顯示本發明之當前較佳實施例的附圖而更加詳 細地描述本發明之此等及其他態樣。 圖la示意性地繪示一平坦且小型化的下照燈i，其係安 裝於一天花板2上以直接向下發光。此一下照燈丨可（例如） 基於半導體光源（如LED)以及用於調節（混合及分佈）由該 等光源所發出之光的一光導配置。 此外，圖lb示意性地繪示一習知的聚光燈3，其係經由 一般的機械光束方向控制裝置4而安裝於天花板2上。藉由 手動傾斜及旋轉該聚光燈3，藉此可隨意控制其所發出之 光束5的方向。 如果吾人想將圖1 a中之平坦且小型化的下照燈i與圖^ b 中之機械光束方向控制裝置4直接結合，則其將得到基於 圖la中之平坦下照燈丨的一聚光燈。然而’接著將損失圖 la中之下照燈1的許多使其用於不同照明解決方案中之吸 引人的特徵。 為在維持圖la中之下照燈丨之許多吸引人的特徵的同時 提供使用者可控制的聚光燈，可使用之本發明之光束方 向控制裝置之各實施例係如圖2中所示意地繪示。 在圖2中，顯示以一可控制聚光燈2〇形式的一光輸出裝 置，其包括：一類似於圖丨a中之下照燈1的平坦且小型化 的發光裝置21 ;及根據本發明之—實施例的一光束方向控 制裝置22，其經配置為使得當該聚光燈2〇在操作時，由該 142633.doc -13- 201022719 發光裝置21所發出之光通過該光束方向控制裝置。 圖2中之光束方向控制裝置22包括第一光學元件a及第 二光學元件24,該等光學元件之各者係使用以第一致動器 25及第二致動器26之形式的各別移動構件而可在平行於天 化板2的一平面内移動’藉由該等構件使用者可彼此獨立 的移動該第一光學元件23及該第二光學元件24。 透過操作該等致動器25、26,可控制由聚光燈2崎發出 之光束28的方向。

參考圖3a-e，現將描述根據本發明之光束方向控制裝置 之知作的基本原理。 在圖3a中顯不在一第一光束方向控制狀態下的光束方 向控制裝置30。此外’圖扑及圖3。分別顯示將該光束方向 控制裝置30帶至其他光束方向控制狀態的不同基本原理。 百先參考圖3a，該光束方向控制裝置3〇包括一第一 學元件31，其具有—第—面32及—第二面Μ;及一第二 學元件35,其具有一第一㈣及一第二面37。該第二光

-件35係配置於實質上平行於該第一光學元件31的一平 内且該第一光學凡件^之第一面36面向該第一光學元 31之弟二面33。 如圖3a中之示意性所繪示，該第—光學元件經組態 以將來自在該第一光學元件31之第一面”處之一入射方向 ^的複數條人射平行光線4G之方向變成為在該第—光學元 件31之第二面33處的—主要方向&。 該等光線因此在對應 之複數個入射點（在圖3a中標示為 142633.doc •】4. 201022719 X」）上之該主要方向rP撞擊該第二光學元件35之第一面 36 ° 依據該等入射點41，該第二光學元件35係經組態以將來 自該主要方向rp撞擊該第二光學元件35之第一面刊的光線 之方向變成為一次要方向rsi，在圖3a中所繪示之光束方向 控制狀態下的該次要方向&係平行於該光束方向控制裝置 3 0之光學軸〇A。 依據該第二光學元件35之組態，可透過相對於該第一光 學元件31的該第：光學元件35之旋轉、直線移動或其等之 組合而實現將複數條平行光線自一主要方向重定向至一不 同次要方向rs2的一期望改變。 參考圖3b ’將解釋一例示性實例，纟中該第二光學元件 35係經組態以透過相對於該第一光學元件3丨的該第二光學 元件35之旋轉而實現重定向之期望改變。 在圖3b中，該第-光學元件31己被維持在與圖〜中之位 置相同的位置。因此，沿該入射方向。撞擊該第一光學元 件31之第一面32的入射光線4〇係重定向至與圖“中之方向 相同的主要方向Γρ。 因為己相對於該第一光學元件31旋轉圖3b中之該第二光 學元件35,所以沿該主要方向rp的光線現在於—組不同的 入射點42(標示為「〇」）上撞擊該第二光學元件”之第一面 36。在圖3b中顯示來自該第二光學部件此旋轉前的入射 點41，以繪示相比於圖3 a中之情形己有一改變。 如圖3b中之示意性麟示，人射點之改變導致次要方向 142633.doc -15- 201022719 之自圖3a中之rs〗至圖3b中之k的一改變。相應地，己透過 相對於該第一光學元件31的該第二光學元件35之旋轉而將 該光束方向控制裝置30置於一第二光束方向控制狀態下。 以下將參考圖4a及圖4b而提供一光束方向控制裝置的一 更加詳細之描述，該光束方向控制裝置經組態以回應於相 對於該第一光學元件的該第二光學元件之一旋轉而控制光 束方向。 參考圖3c，顯示一不同的實例，其中藉由相對於該第一 光學部件3 1橫向平移該第二光學元件35(如圖3c中之箭頭 ❹ 所心示）而替代實現自該主要方向Γρ至該次要方向&的期望 之重定向。 以下將參考圖6a及圖6b而提供一光束方向控制裝置的一 更加詳細之也述，该光束方向控制裝置經組態以回應於相 對於該第一光學元件的該第二光學元件之一橫向平移而控 制光束方向。

Q 圖4a及圖4b示意性地繪示在不同的光束方向控制狀態下 根據本發明之光束方向控制裝置的一第一實施例。 在圖4a及圖4b中’包括於以稜鏡板或稜鏡箱的形式提供 之該光束方向控制裝置45内的第一光學元件粍及第二光學 元件47，如在諸圖中之示意性所指示。

此等棱鏡板或羯當前係用於液晶顯示器LCd中以將LCD 所輸出之影像沿H固^之方向瞎向觀看者之期望位 置。 藉由 以圖4a及圖4b中所指 示之方式配置此兩個稜鏡板 I42633.doc •16- 201022719

可藉由適當旋轉該第-光學元件46及該第二光學元件47而 (在某-㈣範圍内）隨意衫光束之方㈣及極角。 在圖4a及圖4b中，以使得入射光線4〇自初始方向q重定 向至主要方向的—方式定向該第-光學元件46,如在圖4a 及圖4b中^意性所㈣。特定言之藉由婦該第一光 學元件46使得在該第—光學元件狀第二面上的稜鏡結構 48係經定向以沿期望夕古& 之方向折射該等入射光線4〇而實現自 該初始方向ri至該主要方向&的重定向。 在圖4a申，該第 元件47之稜鏡結構49係相對於該第 二光學元件47係以反平行（該第二光學 一光學元件46之稜鏡結

構48旋轉18〇。）配置，<吏得該第二光學元件47沿相反於該 第:光學部件46的方向且藉由相等大小重定向人射於其上 之光線。如圖4a中之示意性料示，生成的光束偏轉角為 零，即次要方向rs係相同於入射方向q。 藉由相對於該第—光學部件倾轉該第二光學部件… „亥第光學4件46及該第二光學部件47的偏轉向量和導致 -非零光束偏轉’即次要方“係不同於入射方向V 此係示意性顯示在圖4b中’其中該第一光學元件私與該 第二光學元件47之稜鏡結構48、49之間的方位角差值相比 於圖化中所繪示之情形被減小約6〇。，即該第二光學元件 47之稜鏡結構49現在係相對於該第—光學元件狀棱鏡結 構被旋轉約120。。 圖5a至圖5d繪示例示性光束方向控制狀態，其藉由相對 於在圖4a及圖4b之光束方向控制裝置45中的第一光學部件 142633.doc 201022719 46而旋轉該第二光學部件47獲得。 圖5a顯示藉由配備圖4a之光束方向控制裝置“的一聚光 燈所發出之光束而獲得的斑點50。在此第一光束控制狀態 下，該第一光學元件46與該第二光學元件47之間的方位角 差值約為180。，導致光束之一極小的偏轉’即極角為3。， 而方位角為〇。。 在圖5b中，繪示一第二光束方向控制狀態，其中該第一 光學元件46與該第二光學元件47之間的15〇。方位角差值導 致極角為10。且方位角為61。的一偏轉光束。 _ 在圖5c中，繪示一第三光束方向控制狀態，其中介於該 第一光學元件46與該第二光學元件47之間的120。方位角的 差值導致具有極角為20。且方位角為57。的一偏轉光束。 最後，圖5d繪示一第四光束方向控制狀態，其中介於該 第一光學元件46與該第二光學元件47之間的9〇。方位角的 差值導致具有極角為31。且方位角為47。的一偏轉光束。 從以上描述之例示性光束方向控制狀態中可明白，伴隨 該第一光學部件46為靜止的情況下該第二光學部件47之一 G 旋轉將導致極角及方位角的一改變。 藉此得出’在根據本發明之光束方向控制裝置的目前描 述之實施例中，該第一光學元件46亦可旋轉以在由藉著特 殊光束方向控制裝置之組態而決定的一最大極角所界定之 錐角内能自由控制光束方向。 透過藉著圍繞該光束方向控制裝置之光學軸使該第一光 學元件46及第二光學元件47獨立旋轉適當角度而控制光束 142633.doc -18 · 201022719 之方向，對使用者而言可能為反直覺，這是因為該等光學 元件46、47之各者的一旋轉會導致方位.角及極角的一改 變0 為有助於使用者控制根據本實施例之光束方向控制裝 置’移動構件（圖4a-b中未顯示）可具有第一致動器及第二 致動器（例如：桿之手柄），且可以使得該第一致動器之操 作導致該第一光學元件46及該第二光學元件47圍繞光學轴 〇A旋轉的一方式組態該移動構件，該光學軸係相對於第 ^ 一光學元件46及第二光學元件〇之記號。此導致極角及方 位角之一極大改變。藉由操作該第二致動器，接著可圍繞 光學轴OA旋轉彼此間具有一固定方位角差值的該第一光 學元件46及該第二光學元件47 ^此僅導致光束之方位角的 '一改變。 已注意到的是，當使用該第一光學元件46及第二光學元 件47之一更窄光束及/或一更小稜鏡角時光束分裂及光束 φ 變形係較不明顯。藉由使用兩個以上的光學元件（各者分 別包括一稜鏡板）亦可實現此改良之性能。此可擴大偏轉 角及/或減少光束分裂及光束變形。 最後，該第一光學元件46及該第二光學元件47不需要為 一樣。例如，可為有利的是該第二光學元件47使用一稍小 的稜鏡角以緩解偏轉假像。 圖6a及圖6b不意性緣示在不同的光束方向控制狀態下根 據本發明之光束方向控制裝置的一第二實施例。 在圖6a及圖6b中，包括於該光束方向控制裝置6〇内的第 142633.doc -19· 201022719 一光學元件61及第二光學元件62包括凸透鏡陣列，如在諸 圖中之示意性所指示。 藉由以圖6a及圖6b中所指示之方式配置兩個凸透鏡陣 列，可藉由相對於該第一光學元件61適當橫向平移該第二 光學元件62而（在某一極角範圍内）隨意決定光束之方位角 及極角。 因為包括於圖6a中之該第一光學元件61内的各凸透鏡63 均為正透鏡’所以撞擊一凸透鏡63的入射光將被該凸透鏡

63匯聚。就複數條平行光線4〇而論，各條光線分別沿一入 射方向q在一給定位置撞擊各自之凸透鏡63，此等光線之 各者將藉由其等之各自凸透鏡而改變各光線之方向，導致 該等光線之各者被重定向至一主要方向Γρ，如圖6a及圖的 中所指示。

在圖6a中，以使得沿主要方向&行進的光線之各者在一 位置撞擊在該第二光學元件62中的各自凸透鏡64的一方式 放置該第二光學元件62,導致自該主要方向Γρ至一次要方 向rsi的光線之一重定向等於入射方向 此發生在以使得該第一光學元件61及該第二光學元件62 之凸透鏡63、64的光學轴重合的一方式相對於彼此定位該 第一光學元件61及該第二光學元件62時候。 在相對於該第一光學元件61橫向位移該第二光學元件 叫如圖6b中之所指示)時光線4〇被重定向至另—次要方尚 Μ，如圖6b中之示意性所繪示。 參考圖7a至圖7c， 現將更加詳細地描述圖6a及圖6b中之 142633.doc •20- 201022719 光束方向控制裝置60的光束方向控制能力。 圖7a至圖7c為在圖6a及圖6b中之光束方向控制裝置6〇之 一第一例示性組態的示意性橫截面圖，其中包括於該第一 光學元件61内的凸透鏡63及包括於該第二光學元件62内的 凸透鏡64均為正透鏡，在該第二光學元件62中之凸透鏡64 係「強於」在該第一光學元件61中之凸透鏡63。 使該等凸透鏡63、64的焦距不同以增大可相對於該第一 光學元件61而移動該第二光學元件62的距離且光線不穿越 錯誤的凸透鏡及因此不產生斑點之鬼影。 在圖7a中之所繪示的情形中，在第一光學元件61中之凸 透鏡63的光學軸OA1與在該第二光學元件中之凸透鏡以的 光學轴OA2重合。此外，該第一光學元件61及該第二光學 元件62被間隔一距離，該距離實質上對應於在該第一光學 元件61中之凸透鏡63的焦距。 如圖7a中可見，入射光束沒有重定向。 在圖7b中，該第二光學元件62係相對於該第一光學元件 (在圖7b中為向左）而橫向移動，此導致一情形為在該第一 光學元件61及該第二光學元件62中之凸透鏡63、64的光學 軸OA1、OA2不再重合。 此導致一偏轉光束，如圖7b中所指示。 從圖7a及圖7b中可直接明白，可藉由從圖7a中之所繪示 的狀態起沿任一方向在二分之一間距（p/2)的範圍内相對於 該第一光學元件橫向移動該第二光學元件62而在最大極角 所界定之錐角内自由控制光束之方向。 142633.doc •21- 201022719 除如圖7a及圖7b所繪示地控制光束之方向，亦可藉由改 變該第一光學元件61與該第二光學元件62之間的距離而控 制光束之發散。 在圖7c中所示之實例中，該第二光學元件之凸透鏡以係 位於該第一光學元件61之凸透鏡63的焦平面内。此情況中 之優點為雖然光束發散現變得較大，但光束偏轉亦可較 大。任何熟習此項技術者明白對其他距離光束可獲得甚至 更大的光束發散角。光束甚至可產生超出該第二光學元件 62的一額外焦點。 出於完整性考慮，現將參考圖8提供參數之間存在的某 些關係之詳細說明，該等參數定義根據本發明之不同實施 例之光束方向控制裝置的幾何形狀及生成之光束偏轉角與 光束發散。 以下給出由該第二光學元件62相對於該第—光學元件“ 之一移位Ax?引起的光束偏轉角θ之間的關係式： tan(6») = fl 在此表式中，h為包括於該第二光學元件62内的凸透鏡 64之焦距。 該第二光學兀件62相對於該第一光學元件61的最大允許 橫向移位Αχ:係由以下關係式獲得（假定d^fi): ^2,max = y (1 - ^-) - (/l + /2 ) tan(-^) 在此關係式中，p為凸透鏡間距（兩個凸透鏡陣列之間距 被視為是相等），d為該兩個光學元件61、62之間的距離， 142633.doc -22- 201022719 且Δφ為在該光束方向控制裝置60上入射的準直光之光束展 開角。 在移位Δχ2超出此值的情況下，某些光線將穿越相鄰凸 透鏡且將被偏轉入錯誤的方向，產生斑點之鬼影。 接著最大的光束位移係取自： 使ΔΘ為光束發散角（參考圖7c)e此光束發散可 由以下關 φ 係式得到： tan(专)

P.d~A~A 2 乂 /2

其中，fi為該第一光學元件61之凸透鏡63的焦距。 顯然可僅藉由調整該兩個光學元件61、62之間的距離而 調整光束發散。 亦應注意所有空間尺寸與透鏡間距⑽線性比例。換而 言之，透鏡間距越小， 實現某一光束偏轉或光束發度所需 的機械位移就越小。

ΔΘ=15〇 。

移Lx 0 可推導出該第一光學 鑒於以上結合圈8所提供之論述， 142633.doc -23· 201022719 元件61之凸透鏡63的焦距可有到地為在凸透鏡之間距p的2 至10倍範圍内。此外，該第二洸學元件62之凸透鏡64的焦 距可有利地為凸透鏡之間距p的0.5至1.5倍。再者，該等光 學元件61、62之間的距離可有别地在〇至20倍的凸透鏡間 距p之間調整。 較佳地，凸透鏡之間距p可，卜於20毫米以保持相對於該 第一光學元件61的該第二光學元件62之機械移動在一合宜 的範圍内。 雖然至此已參考第一光學元并61及第二光學元件62(各 ❹ 包括含正透鏡63、64的凸透鏡陣列）主要描述根據本發明 之光束方向控制裝置的目前實沲例，但應瞭解其他凸透鏡 之組態可執行得一樣好。 在圖9a至圖9c中，顯示此一其他凸透鏡組態，其中該第 二光學元件62之凸透鏡64為負&透鏡。 從圖式中可明白，此組態亦能實現期望之光束方向控 制。 ❹ 在圖10中，顯示又—凸透鏡组態，其中該第二光學元件 62之凸透鏡64係基於各凸透鏡“之中心^位部分^之折射 及各凸透鏡64之周邊部分67之全内反射tir的—組合。以 產生「更強的」凸透鏡（具有一更大數值孔徑贴 的凸透鏡）。藉此，可獲得更大啲偏轉角。 亦如圖10中所示，該第—光學元糾與該第二光學元件 62之間的間隔可用折射率…(其不同於空氣之折射率)的另 一光學元件69填充。 142633.doc •24· 201022719 較佳地’該另-光學元件69之折射率〜可接近於該第一 光學兀件61及該第二光學元件62的折射 中，此可暗指接近於〗·5的一折射率nf)。實際實施 透過提供該另一光學元件69，在該第二光學元件62中之 .各凸透鏡64變成為一所謂的浸潰型凸透鏡，允許有甚至更 Μ的焦距。-額外優點為可減少假性的菲埋爾㈣咖）反 射。較佳地在透鏡之間的介質可為液體或凝膠。 此外，如圖lla及圖W中之示意性所繪示，在凸透鏡為 主之光束控制裝置60之所有上述說明實例中，該第一光學 元件61之凸透鏡表面可接觸一材料7〇 ,該材料川具有不同 於但接近於該第一光學元件61之折射率的一折射率〜。例 如，使製成凸透鏡63的材料之折射率為n=1 6。使與凸透 鏡表面接觸的材料之折射率〜為…爿4。差值為Δη=〇 2。 結果係相比於使用空氣作為與凸透鏡表面接觸之介質的情 況（Δη =0.5)凸透鏡陣列之光學品質得以改良。 • 圖12a至圖12c示意性地繪示可用於包括於該光束方向控 制裝置内的該第一光學元件61及該第二光學元件62之一或 兩者中的某些替代凸透鏡陣列組態。 圖12a示意性地顯示包括複數個凸透鏡74的一凸透鏡陣 列73 ’各凸透鏡74在其之水平方向及垂直方向上各具有不 同的尺寸，且因此在水平方向及垂直方向上具有不同的焦 距。 圖12b示意性地顯示包括複數個六角形凸透鏡76的一凸 透鏡陣列75。 142633.doc •25· 201022719 圖12c不意性地顯示包括複數個長形凸避鏡78 一 鏡陣列77。 透 最後，參考圖13a及圖l3fe，現將描述根據本發明之光束 方向控制裝置的一第三實施例。 如圖13a及圖13b中可見，根據該第三實施例之光束方向 控制裝置80與前述之光束方向控制裝置之不同在於一第三 光學元件81，其具有介於該第一光學元件S1與該第二光學 疋件62之間的一第三凸透鏡陣列之形式（亦參考圖8)。在該 第三凸透鏡陣列中之凸透鏡82的焦距係經選擇使得該第三 凸透鏡陣列8 1將該第一凸透鏡陣列6〖成像至該第二凸透鏡 陣列62上。較優地，該第三凸透鏡陣列8丨係安置於該第一 凸透鏡陣列61之與該第二凸透鏡陣列62之焦平面重合的焦 平面内。 “' 如圖13a中所繪示，在該第三凸透鏡陣列81中之凸透鏡 82的功能為使在該第一凸透鏡陣列61中之凸透鏡63點對點 也成像至在β亥第二凸透鏡陣列62中之凸透鏡料上。將在某 一角度範圍内通過在該第一光學元件61中之一凸透鏡63上 © 之一點的所有光線成像至在該第二光學元件62中之一對應 凸透鏡64上之—點上。以此方式，在該第二光學元件62上 的一光線之「足跡」仍然儘可能小。結果，光束之角度展 開並不減小沿光束方向的最大允許位移。 在該第三光學元件81中之凸透鏡82可有利地具有一焦距 G，其等於： 142633.doc -26- 201022719 為實現光束之期望偏轉，可相對於該第一光學元件61移 動該第二光學元件62，如圖13a中之示意性所指示的Δχ2。 在由圖13a所繪示的光束控制狀態下，該第三光學元件81 並不相對於該第一光學元件61位移。 以下給出由該第二光學元件62相對於該第一光學元件61 之一移位Δχ2引起的光束偏轉角Θ之間的關係式，如圖13a 所示： tan(0) = 〇 • Λ 最大允許移位Ax2係由以下關係式獲得：

Amax = f (1 -夺）。 L J\ 注意缺少含Αφ的項。 最大光束位移係另取自： tan(^max) = ·^^ 〇 fl 以下内谷視為一典型之實例，使fi=4p，，且 ❿ Δ(Ρ=6°。在此情況下，emax=20.6。。 藉由增加該第三光學元件81而因此獲得最大偏轉角之顯 著增大。 在圖13b中，顯示在另一狀態下的根據本發明之目前實 施例的光束方向控制裝置8〇，其中為使光束偏轉，不僅使 第一光學元件62移位一量Δχ2，也使第三光學元件81移位 一量△Χ 2 (兩者均相對於該第一光學元件61) » 亦在此實例中，給出由相對於該第一光學元件6 1的該第 二光學元件之一敌从λ ^ 移位Δχ2引起的光束偏轉角Θ之間的關係 142633.doc •27- 201022719 式： tan(0) = ^· 〇 fi 注意’令人有些意外地’ Δχ3並不進入方程式。移位該 第三光學元件81仍為有益，因為其允許該第二光學元件62 有一更大的位移。現在該第三光學元件81之作用為將該第 一光學元件61同時成像至該第二光學元件62上及使光束 「預」偏轉。以下給出最大允許移位Δχ3 : =γ-/ιί3η(^) 0 以下給出最大允許移位Ax2(假定Αχ3=Δχ3 max): 仏，眶=夕—（乂 + Λ)加(夸）。 最大光束位移係再次取自： tan(0max) = %^ 〇 J2 以下内容視為一典型的實例。使f]=4p，f2=p，且 Δφ=6〇。在此情況下，0max=36.4〇。 藉由允許該第.二光學元件81相對於該第一光學元件61的 一位移’因此獲得最大偏轉角之一額外的顯著增大。 熟習此項技術者將理解本文中之術語「實質上」，如在 「實質上平行」中。同樣地，將理解術語「大約」。術語 「實質上」或「大約」亦可在適當情況下包含「整個 地」、「完全地」、「所有」、「確切地」等的實施例。 因此，在具體情況下亦可移除副詞實質上。例如，術語 「約2°」因此亦可指「2°」。 142633.doc -28- 201022719 熟習此項技術者將認識到本發明係絕非受限於該等較佳 只施例。例如’可為有利的是用一黑色矩陣覆蓋該第二光 學元件之凸透鏡64之間中的區域以實現更大的偏㈣。再 者，可用-抗反射塗層塗佈該第一光學元件61及該第二光 學元件62以避免來自凸透鏡陣列之表面的假性菲涅爾 (Fresnel)反射。此外，可為有利的是包含介於該第一光學 元件與該第二光學元件之間的另一些光學元件其等可包 含上述之稜鏡板及/或凸透鏡陣列的任一者。某些測量值 係在互不相同的附屬專利申請範圍中列舉的事實並非僅指 示不能有利地使用所測量之此等值的一組合。在申請專利 範圍中之任何參考標記不應理解為限制範圍。 【圖式簡單說明】 圖la及圖lb顯示先前技術之照明解決方案； 圖2不意性繪示根據本發明之一實施例包括一光束方向 控制裝置的一光輸出裝置； 圖3a至圖3c示意性地繪示在不同的光束方向控制狀態下 根據本發明之若干實施例的一光束方向控制裝置； 圖4a及圖4b示意性地繪示在不同的光束方向控制狀態下 本發明之光束方向控制裝置的一第一實施例； 圖5a至圖5d示意性地繪示使用圖4a及圖仆中之光束方向 控制裝置而獲得的例示性光束方向控制狀態； 圖6a及圖6b示意性地繪示在不同的光束方向控制狀態下 本發明之光束方向控制裝置的一第二實施例； 圖7a至圖7c為圖6a至圖6c中之光束方向控制裝置之部分 142633.doc •29· 201022719 的橫截面圖，其示意性地繪示該光束方向控制裝置之工作 機制； 圖8示意性地繪示圖73至圖7b中之光束方向控制裝置之 各參數之間的關係； 圖9a至圖9c為橫截面圖，其示意性地繪示使用在第二凸 透_鏡陣列中之一替代型凸透鏡； 圖ίο為一橫截面圖，其示意性地繪示圖6a至圖6c中之光 束方向控制裝置的另一例示性組態； 圖11a及圖lib示意性地繪示圖6a至圖&中之光束方向控 制裝置的又一例示性組態； 圖12a至圖12c示意性地繪示各替代凸透鏡陣列組態；及 圖13a及圖13b示意性地繪示在不同的光束方向控制狀態 下根據本發明之光束方向控制裝置的一第三實施例。 【主要元件符號說明】 2 3 4 5 20 21 22 23 24 下照燈 天花板 聚光燈 機械光束方向控制裝置 光束 光輸出裝置 光源 光束方向控制裝置 第一光學元件 第二光學元件 142633 .doc -30- 201022719 ❹ 25 第一致動器 26 第二致動器 28 光束 30 光束方向控制裝置 31 第一光學元件 32 第一面 33 第二面 35 第二光學元件 36 第一面 37 第二面 40 入射平行光線 41 入射點 42 入射點 45 光束方向控制裝置 46 第一光學元件 47 第二光學元件 48 稜鏡結構 49 稜鏡結構 50 斑點 60 光束方向控制 61 第一光學元件 62 第二光學元件 63 凸透鏡 64 凸透鏡 142633.doc •31 - 201022719 66 中心定位部分 67 周邊部分 69 另一光學元件 70 材料 73 凸透鏡陣列 74 凸透鏡 75 凸透鏡陣列 76 六角形凸透鏡 77 凸透鏡陣列 80 光束方向控制裝置 81 第三光學元件 82 凸透鏡 OA1 光學軸1 OA2 光學軸2 r； 入射方向 ΓΡ 主要方向 rsi 次要方向 rS2 另一次要方向 142633.doc -32-

Claims (1)

1. 201022719 七、申請專利範圍： 1· 一種光束方向控制裝置（22 ; 30 ; 45 ; 60 ; 80)，其用於 控制由一光源（21)所發出且通過該光束方向控制裝置 (22 ; 30 ; 45 ; 60 ; 80)的一光束之一方向，該光束方向 控制裝置（22 ; 30 ; 45 ; 60 ; 80)包括： 一第一光學元件（23、31 ; 46 ; 61)，其具有相對的第 一面（32)及第二面（33)且經組態以將在該第—光學元件 (23、31 ; 46 ; 61)之該第一面（32)處沿一入射方向…）入 射在該光束方向控制裝置（22 ; 30 ; 45 ; 60 ; 80)上的複 數條平行光線（40)之一方向改變為在該第一光學元件 (23、31; 46 ; 61)之該第二面（33)處不同於該入射方向 (r〗）的一主要方向（Γρ);及 -第二光學元件（24、32 ; 47; 62)，其具有相對的第 一面（36)及第二面（37)，該第二光學元件（24、32 ; 47 ; 62)係經配置為具有面向該第一光學元件（23、3丨·，. 61)之第二面（33)的該第二光學元件（24、32 ; 47 ; 62)之 第一面（36)，該第二光學元件（24、32; 47; 62)係經組 態以依據在該第二光學元件（24、32 ; 47 ; 62)之該第一 面（3 6)上的該等光線之入射點（41)而在該第二光學元件 (24、32 ; 47 ; 62)之該第一面（36)處將來自該主要方向 (rP)的該複數條光線之一方向變成為在該第二光學元件 (24、32 ; 47 ; 62)之該第二面（37)處的—次要方向⑺）， 其中該光束方向控制裝置係經組態以允許該第一光學 第二光學元件之間的相對移動，以用於控制在 142633.doc 201022719

   該第二光學元件之該第一面上的光線之入射點 控制該光束之方向。 2.如請求項1之光束方句控制裝置（22 ; 3〇，· 45 肋卜 其中該光束方向控制|置係經組態以允許該第—光學元 件（23、31 ; 46 ; 61>與該第二光學元件（24、32 ;二= 62)之間的相對移動，同時在使該等光學元件之間保持一 固定距離。 ' ' 3. 如請求項1或2之光東方向控制裝置（22 ; % ; 45 ;仙 8〇)，其中該第一光犖元件（23、3! ; 46 ; 學元件（24、32;47; 62)之各者包括一重 49 ; 63、64)陣列。 61)及該第二光 定向結構（48、 4. 如請求項3之光束方幻控制裝置（22 ; 3〇 ; 45 ; 6〇 ; 8〇)， 其中各重定向結構（4 8、49 ; 63、64)為透過折射而重定 向該等光線的一折射海構。 5. 如請求項1或2之光束方向控制裝置（45)，其中： 該第一光學元件（4 6)及該第二光學元件（47)之各者包 括一稜鏡板；及 該光束方向控制裝_置係經組態以在該第一光學元件 (46)與該第二光學元并（47)之間致能圍繞該光束方向控 制裝置（45)之該光學軸（OA)的一相對旋轉。 6.如請求項5之光束方旬控制裝置（45)，其進一步經組態以 致能該第一光學元件（46)及該第二光學元件（47)圍燒該 光束方向控制裝置（45)之該光學軸（OA)的接合旋轉，同 時保持該第一光學元件（46)與該第二光學元件（47)之間 142633.doc 201022719 的一恆定角位移。 7. 如請求項1或2之光束方向控制裝置（45)，其中該第一光 學元件（46)及該第二光學元件（47)之各者的第一面實質 上為平面，且該第一光學元件（46)及該第二光學元件 (47)之各者的第二面具有形成於該第二面上的一稜鏡結 構（48 、 49)。 8. 如請求項1或2之光束方向控制裝置（6〇 ; 80)，其中： 該第一光學元件P3、31 ; 61)包括一第一凸透鏡陣 列’該第一凸透鏡陣列包括複數個聚焦凸透鏡（63); 該第二光學元件（24、32 ; 62)包括一第二凸透鏡陣 列；及 談光束方向控制裝置係經組態以在垂直於該光束方向 控制裝置之光學轴（OA)的一平面内致能該第一光學元件 (23、31 ; 61)與該第二光學元件（24、32 ; 62)之間的一 相對橫向位移。 9. 如請求項8之光束方向控制裝置（6〇 ; 8〇)，其中該第二凸 透鏡陣列具有一實質上相等於該第一凸透鏡陣列之間距 的間距。 10. 如請求項9之光束方向控制裝置（6〇 ; 8〇)，其經組態以允 許該第一光學元件（23、3 1 ; 61)與該第二光學元件（24、 32 ; 62)之間的一最大相對橫向位移係小於或等於該第一 凸透鏡陣列（23、3 1 ; 61)及該第二凸透鏡陣列（24、32 ; 62)之間距（p)。 11. 如請求項8之光束方向控制裝置（6〇 ; 8〇)，其中該第二凸 142633.doc 201022719 透鏡陣列（24、32 ; 62)包括複I個聚焦凸透鏡（64)。 12. 如請求項11之光束方向控制裝置（60 ; 80)，其中在該第 二光學元件中之該等凸透鏡（64)之各者包括： 一第一部分（67) ’其經組態以提供在該主要方向衝射 該第二光學元件上的該等光線之全内反射；及 一第二部分（66)，其經組態以折射該等光線。 13. 如請求項8之光束方向控制裝置（6〇 ; 8〇)，其經組態以致 能改變該第一光學元件（23、3L ; 61)與該第二光學元件 (24、32 ; 62)之間的距離（d)，以藉此能控制該光束之發 散。 14. 如請求項8之光束方向控制裝置（8〇)，其進一步包括配置 於該第-光學元件(23、31 ; 61)與該第二光學元件(24、 32 ’ 62)之間的一第三光學元件㈣，該第三光學元件 (81)包括一第三凸透鏡陣列。 15. —種光輸出裝置（2〇)，其包括： 如前述請求項中佐_ ^ . ^項之光农方向控制裝置（22 ; 30 ; 45 ; 60 ; 80);及 ❹ 一光源(21)，其經配置以發出通過該光束方向控制裝 置（22 ’ 30 ; 45 ; 60 ; 80)的光。 142633.doc -4-