TW201140134A - Lens for asymmetrical light beam generation - Google Patents

Description

201140134 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用於產生一不對稱光束的—光學裝置。該 光學裝置特定地與照明加油站相關；然而，此光學裝置^ 延伸至用於室内或戶外照明（諸如除其他之外的道路、區 域或裝飾照明）之應用之任何其他領域。 【先前技術】 圖1描繪裝備有產生一不對稱光束之一照明器}的一道路 區段1的一示意性側面圖。該照明器（或燈台）包括一照明器 柱2及照明器頭3。 已知使用反射鏡以建立從戶外之照明器輪出之不對稱光 束。已提出多種反射鏡系統，以提供一不對稱光束。此等 反射鏡系統係相當笨重的。 對於街道照明’通常之光源係高強度的放電燈，如鈉摹 汽燈，螢光氣球及螢光管。然;而，此等㈣之源係相#笨 重的，且其等需要一頻繁及耗時的維護。笨重的一結果為 該等照明器頭亦係笨重的，此匕在有風條件下可為—缺點。 其他照明器包括使用發光二極體（LED)作為光源，該等 照明器具有經成形以獲得—確定及固定的光效果之主要透 鏡。此等類型之主要透鏡例如揭示於侧2〇〇8/ΐ2294ι、 EP1621918、US2_/138437 ' w〇 98/33〇〇7 中。 基於Ledm現今對於室内及戶外應用兩者越來越 受期望。其等呈現優於傳統技術之數個優點，其等之中尤 其是壽命及更好的光控制。此引發對可覆蓋由傳統源達成 151295.doc 201140134 之整個應用範圍之專門光學器件的需要。 例如，從US 2007/咖225已知對於LED提供—不對稱透 鏡，其具有一額外棱鏡或延伸部以重新引導光，以 一不對稱光束。 此等透鏡呈現具有一複雜形狀的缺點，其對於生產較困 難且較昂貴。此外’此種類之透鏡不可使用於多種應用 中。 〜 【發明内容】 本發明之一目的係提供具有低生產成本的一衔道昭明 器。 本發明之實施例之另-目的係提供允許產生一不對稱光 束或一對稱光束的一街道照明器。 本發明之實施例之另—目的係提供產生一流暢光的一街 道照明器。 本發明之實施例之另-目的係提供具有落於#興趣之區 域上之光之一最佳化品質的一街道照明器。 本發明之實施例之另一目的係提供具有減少之風敏感性 的一街道照明器。 本發明之實施例之一進一步目的係提供很少需要維護的 一街道照明器。本發明之實施例之一目的亦係提供具有較 低操作成本的一街道照明器。 為此，本發明之一實施例提出根據技術方案丨之一光學 裝置。此光學裝置之選用實施例描述於技術方案2至14 中〇 151295.doc 201140134 本發明之其他實施例係關於根據技術方案丨5或丨6的照明 器頭。 本發明之此等態樣及其他態樣將從下文描述之實施例變 得顯而易見’且參考下文描述之實施例而闡明。 【實施方式】 本發明現將經由實例參考附圖而更詳細地描述。 下文之定義在本說明書中採用。詞語「街道」、「道 路」、「尚速公路」及類似物應解譯為具有一類似含義。 一屈光面係一光學表面，其將具有不同折射率的兩個光 傳播媒體分離。光傳播媒體之實例係例如空氣、玻璃、聚 曱基丙稀酸酯或其他塑膠。 透鏡係導致光收斂及發散的一裝置。其由一片成形之 材料（諸如玻璃 '聚甲基丙烯酸酯或其他塑膠）製成。通 常，一透鏡具有兩面或屈光面。一面或其之一部分可為爭 面（其不彎曲）、凸面（從該透鏡向外膨出）或凹面（凹入該透 鏡中）。 久曲面係一 一階表面。例如，一球體具有一二次曲 面表面。 一元面係—元球的表面。 ，一元球如以下定義。—元球之每一成分q可由一三雉歡 學函數fi(x，y，z)定義，其中x、y、z係一點在空間中的虔 標二選臨限值τ。對於每—點(x，y，z)，計算該元球之 ―成刀之作用的和s(x，y，z)，且與該臨限值T比較： I51295.doc 201140134 η (方程式1) S(x,y,z)= Zfi(x,y,z) i=l 此函數定義—純量場。若s(x，y，z)低於該臨限值τ，則點 (x，y，z)在該元球的體積内；若S(x，y，z)等於該臨限值了，則 點（x，y，z)在該元球的表面上’即，在該元面上。否則，點 (x，y，z)在該元球的外面。換句話說，下述不等式表示封入 由成分Ci定義之該元球中的體積： $fi(x，y，z)sT (方程式2) -球體可由下述方程式表示，其中（x‘z。）係該球體之 中心的座標，且Γ係該球體的半徑： = 0 (方程式 3) 此外，具有-z軸的一圓柱體可由下述方程式表示，里 中Γ係該圓柱體的半徑： 八 Γ = 0 (方程式 4) 熟知S(x，y，Z)可近似為一多 ^ 勹夕項式函數，以加速計算該元 球及该元面。關於元球及亓而认、括 尺及疋面的進一步發展可在網際網路 上找到。 如上文所指示，本於明 七月之貫施例係關於用於給予一不 稱光束的一光學裝置。 參考圖2至圖4，該光學梦 %子在置包括一透鏡1〇，其具有一入 口屈光面11及一出口 , ... 先面12。較佳地，該透鏡10經設計 使付/、可將一園光束成形i且古 攻小至具有一大體上均勻光強度的一 15J295.doc 201140134 不對稱光束。此允許使用諸如通常發射圓光束的發光二極 體（LED)之光源。其他光源可為適當的。然而，LED的一 優點為其等係縮小的光源。因此，變得可能建造併入複數 個LED的薄照明器頭’每個LED裝備有根據本發明之一光 學裝置’以將一圓光束成形至一細長的光束。例如，該等 LED及其等關聯之光學裝置以複數個行及列而配置。藉由 對光束給予一適宜方位，可能將該細長之光束引導向一道 路且照明它，而非在燈頭之下直接向下照明。此外，可能 將散熱器存放在LED後（即，關於該LED與光學裝置相 對）、介於LED之兩行之間，如將在下文中描述，對於該照 明器碩之薄度具有最小的衝擊。此外，由於電力的高成 本’ LED之兩效率係有益的。 該透鏡10具有一入口屈光面11，其係凹面。其可能配置 為一光源之一存放處。該入口屈光面i i之一般形狀並非該 透鏡2的一基本特徵。然而，該入口屈光面11之一般形狀 較佳地為球形’或至少二次曲面。確實，此一形狀對於光 Λ刀、布有最小衝擊，此意味著當經過此—入口屈光面 11(尤其-球形屈光面)時’該光線分佈保持大部分未受影 響。 如圖2及圖3所繪示，每一凹面存放處13係較佳地從該球 體之中心處以包括介於與0.8*1·之間的-距離的一平 面切斷的j求體之一部，其中“系該球體之半徑。在圖2至 圖七繪貫例中’该切斷之平面位於4.9(例如以毫米計） 之半卩的3·4處。一基部表面μ位於該透鏡1〇之基底 151295.doc 201140134 處’介於該入口屈光面11與該出口屈光面12之間延伸。該 光源應較佳地關於該入口屈光面11而配置，例如在該存放 處13中’使得沒有光從該光源經過該基部表面14。此可藉 由使用朗伯（lambertiarOLED而改良，即使根據本發明亦可 使用其他類型之LED。此並非意味著絕對沒有光經過基部 表面14,但僅大體上由該光源發射之所有光較佳地被引導 向該入口屈光面11。較佳地，基部表面14大體上内切於— 基部平面中。此使根據本發明之光學裝置的製造以及該等 光學裝置在更大照明裝置中的組裝變得容易。 較佳地，如圖2上所繪示，根據本發明之該光學裝置具 有至少一個垂直之對稱平面A(該透鏡1〇之矢狀面），其亦 垂直於該基部表面14，該基部表面14内切於該對稱平面 中。矢狀面A及基部表面14相交於該透鏡1〇之中心線15。 較佳地，該光源位於該透鏡2之中心線15上。較佳地，該 存放處13具有經過該光源的一對稱軸。 應注意，在未脫離本發明之範圍的前提下，該存放處η 可接收複數個光源。此外，該透鏡1G可包括複數個存放處 13，其中存放處13之幾何中心及光源亦位於該透鏡之矢 狀面内。 敢=要的是該透鏡2之出口屈光面4的形狀及該（該等）光 源之疋位。確貫’主要是該出口屈光面。之形狀在調節該 透鏡10之出口處的光線分佈。該出口屈光面12包括一出口Λ 表面，其呈現一凸面表面’包含一第—凸面區段16及—平 坦面17，該平坦面明顯地垂直於該透鏡10之矢狀面。 15l295.doc 201140134 較佳地，該第一凸面區段16及平坦面17定義一連續表 面’ s亥連續表面繞合併該透鏡1 〇之中心線1 5的至少一個旋 轉軸而旋轉地建構’在一笛卡爾（Cartesian)單範正交座標 系統中’其中X軸及y軸位於該透鏡之矢狀面内，且Z轴位 於該平面基部表面14内。 或者’該整個出口屈光面12可包括一旋轉對稱表面。此 意味著，在一 Z位置，對應表面點的半徑對於任何角度位 置具有相同值：此係繞該中心線1 5的迴轉之一對稱。 在本發明之一較佳實施例中’該出口屈光面12包括由一 凸面表面16組成的一出口表面，該凸面表面定義具有一第 一曲率的一彎曲後部18及具有不同於該第一曲率之一第二 曲率的一彎曲前部19。在諸如例如圖3及圖5中描繪之該矢 狀面之一平面中之該後部18之輪廓由至少三次的一第一多 項式方程式描述’且在相同平面中之該前部19之輪廓由至 少五次的一第二多項式方程式描述，其中該等多項式方程 式之X及y參數從彼此垂直且位於該矢狀面内之一 χ軸及一y 軸而定義’其中該X軸及y軸之原點係該（該等）光源之幾何 中心。 圖2至圖5的透鏡10從下述第一多項式方程式y=_〇61x4_ 7.74χ3-36.47χ2-74.4〇χ·49及下述第二多項式方程式： y=-3E-05x6+0.0009x5-0.0086x4+0.0242x3-0.O307x2+O.5574x+ 8.2846(例如，以毫米計）而定義。該χ軸及y軸之原點係該 光源（若僅有一個光源）之幾何中心或該等光源（若有複數個 光源）的幾何中心。 151295.doc •10- 201140134 §亥後部及/或前部之表面可從由該等多項式方程式定義 之輪廓繞疋義為介於該矢狀面與該平面基部表面14之間相 交的一軸15而旋轉地建構。然而，可提供一更複雜的構 造0 遠離該後部之該前部之末梢部分係垂直於該平面基部表 面14之一平坦面17。該平坦面17對應於描述該前部19之輪 廊的s亥第一多項式方程式之漸近線。 接收該光源（視需要為一朗伯LED)的該存放處13置於該 透鏡之該矢狀面中，即，在該透鏡1〇之一中心線上，在介 於該透鏡ίο之後末端與前末端之間距離的1/4處。以此方 式，該後部18被最佳化，以將全内反射最大化，且因此將 另外向後走的光線經發送至前部19。該輪廓之該前部19經 最佳化以透射儘可能多的光，且因此將彈回至該後部以的 光線最小化。應注意，以此方式，該透鏡丨〇經配置使得直 接由該（該等）光源發射之光的至少5〇%及較佳地至少75% 於該彎曲後部18上反射，且於該透鏡之表面上反射或直接 由該（該等）光源發射之光的至少5〇%及較佳地至少9〇%經 該前部19而透射。此外，應注意，該透鏡職配置使得輸 出光束至少在該矢狀面中彼此平行。從該光學裝置輸出的 光可因此有效地且遠端地照亮待照亮的一區域。 此外，取決於該後部及分別的前部之輪廓，該入口屈光 ㈣之存放處13可置於沿著介於該透_之後末端與該透 鏡10之中間部分之間的中心線15。 圖5以2D繪示由一精準朗伯光源經如圖2至圖4上所顯示 151295.doc 11 201140134 之一光學裝置發射之光線遵循的路徑。此_光源通常導致 一圓光束。一LED 20可近似為一精準光源。 圖6顯示有關由一朗伯lED 20發射之圓錐光束在根據圖2 至圖5之該透鏡1〇之效果。其顯示該後部18經最佳化以將 全内反射最大化，且因此將原將向後走之光束經發送至該 前部19，且該輪廓之該前部19經最佳化以透射儘可能多的 光，且因此將彈回至該後部丨8之光線最小化。 圖6顯示在該出口屈光面12處之該光束的極表示法。此 表示法顯示該光束顯然係不對稱的。 然而’提供對稱的一出口光束可為期望的。 圖7表示根據本發明之一光學裝置之另一實施例。在此 實施例中’兩個透鏡1 〇彼此面對’一第一透鏡丨〇之平坦面 17面對第二透鏡1〇之平坦面17。該等透鏡1〇之矢狀面a合 併，且該等透鏡1 〇以一給定距離d放置。此構造允許產生 一對稱光束’其以使得該透鏡1〇可用於產生一對稱光束或 一不對稱光束之照明器之概念中的一方式。 應注意，LED係用於街道照明之標準光源的一良好替 代。大量的LED可安裝於每個照明器頭上，以提供足夠照 明。為提供一吸引人的產品，該照明器頭之尺寸應保持適 度的低。 LED之優點之一為小型化。在戶外用具中，此允許具有 小型化光學器件之照明器頭之減小的厚度。本發明提出用 於LED之光學器件，其容易設計，且容易適用於一大範圍 之組態。 I51295.doc •12- 201140134 通常，根據本發明之透鏡10係藉由根據熟知技術 模製或注射模製而製造。較佳 八寻用透明材料製 成。此材料可為有芦布益$ & 勹有邑次無色的’取決於期望的應用。例 如’-適宜材料係聚甲基丙烯酸酿，更明確言之，聚尹基 丙烯酸甲醋。可使用其他透明塑膠，諸如聚碳酸酿。土 」艮據本發明之一實施例之光學裝置可例如用於街道照明 久。此街道照明器包括提供於一照明器柱之頂部的—照明 器碩。3亥知、明器碩包括用於複數個照明裝置之—支撐，今 複數個照明裝置經配置於該照明器頭的支#之下且朝向地 面〇 每一照明裝置包括關於諸如圖2至圖5之實施例之至少一 個光予裝置之光傳播之上游的至少一個發光二極體 (LED)，料光學裝置具有大體上相同的方位，以產生一 不對稱光束。 為提供產生一對稱光束之一街道照明器，該照明器頭可 包括複數個發光二極體（LED),至少一個LED配置於如圖2 至圖5中所描述之每一光學裝置之上游，該等光學裝置成 對配置，其中每一對之兩個透鏡（10)彼此面對，一第—透 鏡（10)之前部面對該第二透鏡（10)之前部，以產生一對稱 光束，如圖7中所顯示。 本發明之額外修改及改良亦可對於熟習此項技術者而變 传顯而易見。因此，本文中描述及繪示之部分的特定組合 思欲僅表不本發明之某些實施例，且不意欲作為在本發明 之精神及範圍内的替代裝置之限制。 151295.doc 13 201140134 在下述中明專利範圍中的任何參考標記不應視作限制該 青專和範圍。動巧「包括」及其變化形式的使用顯然不 排除在任意請求項中定義之外的任意其他元件的存在… 元件之前的詞語「— 元件的存在》 a」或「an」）不排除複數個此等 【圖式簡單說明】 圖1顯示裝備有衔道照明器 面圖； 之—道路區段的一示意性側 圖2顯示從根據本發明之一光學裝置之一第一實施例之 上面的一示意性透視圖； 圖3顯示根據本發明之一光學裝置之該第一實施例之一 示意性縱切橫截面； 圖4顯示從根據本發明之一光學褒置之該第一實施例上 面之一示意性平面圖； 圖5顯示由根據本發明之該光學裝置之外透鏡反射之光 線的一示意性側視圖； 圖6顯示根據本發明之該光學裝置之透鏡之通量流出的 一圖；及 圖7顯示從根據本發明之產生一不對稱光束之一光學裝 置之一第二實施例之上面的一示意性透視圖。 【主要元件符號說明】 1 照明器 2 照明器柱 3 照明器頭 151295.doc -14- 透鏡 入口屈光面 出口屈光面 凹面存放處 基部表面 透鏡的中心線 第一凸面區段 平坦面 後部 前部 發光二極體 -15-

Claims (1)

1. 201140134 七、申請專利範圍： 1. 一種光學裝置，其用於給予一不對稱光束，該光學裝置 包括一透鏡（10)，該透鏡具有： ⑴一出口屈光面（12)，其包括由一凸面表面（16)組成 的一出口表面，該凸面表面定義具有一第一曲率的一弯 曲後部（18)及具有不同於該第一曲率之一第二曲率的一 彎曲前部（19); (11) 一入口屈光面（11)，其包含至少一個凹面存放處 (13)用於存放至少一個光源，該凹面存放處（13)之表面 至少部分地面對該彎曲後部（1 8)。 2. 如請求項1之光學裝置，其中該透鏡（10)經配置使得直接 由該（該等）光源發射之光的至少5 〇%於該彎曲後部（1 8)上 反射’且於該透鏡（10)之表面上反射且直接由該（該等） 光源發射之光的至少50°/❶穿過該前部（19)透射。 3. 如請求項丨之光學裝置，其中一平面基部表面（14)將該凹 面存放處（13)結合至該出口屈光面（12)之該後部（18)及該 前部（19)。 4. 如請求項1之光學裝置，其中該彎曲後部（18)具有提供直 接來自該光源之光線的至少75%的一内反射之一輪廓， 及透射直接來自該光源之光線及反射光線的至少9〇%之 一前部（19)。 5. 如請求項1之光學裝置，其中該存放處（13)置於介於該透 鏡（10)之該後部（18)與該前部（19)之間之距離的1/4處。 6. 如請求項1之光學裝置，其中每一凹面存放處（13)具有一 151295.doc 201140134 對稱軸（15)。 7·如請求項6之光學裝置，其中每一凹面存放處（i3)係一球 體之一部分。 8. 如請求項6之光學裝置，其中每一凹面存放處（13)係從該 球體之中心以包括介於0.1*1•與〇.8*r之間的一距離處的一 平面切斷的一球體之一部分，其中r係該球體之半徑。 9. 如請求項1之光學裝置’其中在一平面中之該後部（18)之 一輪廓係由至少三次（degree 3)之一第一多項式方程式描 述’且在相同平面中之該前部（19)之一輪廓係由至少五 次（degree 5)之一第二多項式方程式描述，其中該等多項 式方程式之X及y參數從彼此垂直且位於該平面内之—χ 軸及一 y軸而定義。 10. 如請求項9之光學裝置，其中該平面係該透鏡（10)的一矢 狀面。 11. 如請求項3及9之光學裝置，其中該後部（18)及/或該前部 (19)之表面繞一軸（15)而旋轉地建構，該軸定義為介於 該平面與該平面基部表面（14)之間的相交處，在一笛卡 爾單範正交座標系統中，其中X軸及y軸位於該透鏡之該 矢狀面内。 12. 如請求項2之光學裝置，其中遠離該後部（18)之該前部 (19)之末梢部分係垂直於該基部平面表面（丨4)的一平坦 面（17)。 13. 如請求項10之光學裝置，其中該透鏡（1〇)經配置使得輸 出光束在該矢狀面中彼此平行。 151295.doc 201140134 14. 如請求項9之光學裝置，其中該第一多項式方程式係： y=-0.61x4-7_74x3-36.47x2-74.40x-49，且該第二多項式方 程式係：y=-3E.05x6+〇.〇0〇9x5_〇.〇〇86x4+0.0242x3-〇.〇3〇7x2+ 0.5574X+8.2846，其中該χ軸及y軸之原點係該（該等）光源 之幾何中心。 15. 一種照明器頭’其包括複數個發光二極體(LED)，至少 -個㈣配置於如請求们之至少一個光學裝置之上游， 該(該等)光學裝置具有大體上相同的方位。 16. 一種照明器頭’其包括複數個發光二極_)，至少 一個LED配置於如請求項丨之每 光學裝置成對配置，其中 ·^置之上游，該等 第一透鏡（10)之前部面 對第二透鏡（10)之前部（19) 對，一笛一泳你』—對之兩個透鏡（1〇)彼此面 以產生一對稱光束 151295.doc