TW201303362A - 光控制鏡片及其光源裝置 - Google Patents

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Abstract

一種光控制鏡片及其光源裝置，該光源裝置包括該光控制鏡片及發光二極體。光控制鏡片包含光出射面、光入射面與全反射斜面。光入射面與全反射斜面係於光出射面的對側。全反射斜面係於光入射面的外圍側，其與垂直於鏡片的光軸的平面間具有小於45度的夾角α。光出射面為非球面，其有效半徑大於自光出射面的任一點沿光軸方向至通過入射原點的水平面的距離。其中，光束經由光入射面進入光控制鏡片並射至光出射面，且來自光出射面的一反射光束於全反射斜面被全反射而離開光控制鏡片。藉此，提高光發散角度、光利用率與光型的照度均勻性。

Description

光控制鏡片及其光源裝置
本發明是有關於一種鏡片及其光源裝置，尤其是關於一種適用於以發光二極體為光源的各類照明裝置的光控制鏡片及其光源裝置。
液晶顯示器係廣泛地應用於電視、筆記型電腦、平版型電腦及手機等具有顯示功能的電子產品上。於液晶顯示器中，已知可採用冷陰極螢光燈(CCFL)、場效發光器(EL)與發光二極體(Light-Emitting Diode,LED)等可見光源來作為其背光源。近年來，由於LED光源具有光亮度均勻、使用壽命長、體積自由度大、低電壓(或交流)驅動、不需要逆變器及色域寬廣等的優點，使得LED光源漸漸取代傳統的冷陰極螢光燈而成為主流的趨勢。
LED背光裝置通常包括多個LED陣列以提供LCD面板照明。為使顯示器受光均勻，於習知技術中，主要藉由改良覆蓋於LED光源上的光控制鏡片，藉由鏡片的折射率及面型以均勻分配LED的光束。因此，現今採用LED做為背光源的顯示器中，如何改善光控制鏡片以增進LED背光源的光亮度均勻性或加大光分布範圍，則為主要的改善重點，例如US7348723、US7963680、US7621657US7798679、US7866844、US7766530、US20090116245、US7474475及US7746565。
由於LED晶片的光強度(單位為Candela)在光軸處最強，且愈遠離光軸的光強度將愈弱，因此於習知技術中，往往藉由增加光出射面與光入射面的折射能力以減小其近 軸處的光強度，並將光強度補償至遠軸區域以增加光均勻度；然而，如此一來將導致光束於光出射面發生菲涅爾反射現象，而造成光通量降低的副作用。因此，需要設計一光控制鏡片，其不但可均勻分配光束，亦可增加LED的光利用率，以解決習知技術中，光出射面發生部份反射而造成光損失的問題。
本發明主要目的在於提供一種光控制鏡片及其光源裝置，以增加光源裝置的光利用率並可適當補償遠軸方向的光強度，進而形成更均勻且光發散角度(emission angle)大於120°的光型。
為達成上述之目的，本發明提出一種光控制鏡片，其包含一光出射面、一光入射面及一全反射斜面。光出射面係為一非球面且滿足式(1)：0 R ER /R E 0.5。其中，RER為光出射面的一至高點沿著垂直於光控制鏡片的光軸方向至光軸的距離；RE為光出射面的有效半徑。光入射面係與光出射面相對，且構成具有一開口的一凹穴。其中，設光入射面所構成的凹穴的開口之中心為一入射原點，設L1為自入射原點至光入射面上任一點的距離，設入射原點至光入射面上任一點的連線與該光軸的夾角為θ，則在至少π/18<θ<2π/9的範圍內，隨著θ漸增，L1將漸減。全反射斜面係與光出射面相對並設置於光入射面的外圍側，其與垂直於光軸的平面間具有小於45度的夾角α。其中，光出射面的有效半徑大於自光出射面的任一點沿光軸方向至通過入射原點且垂直於光軸的平面的距離。其中，一光束係經由光入射面進入光控制鏡片並射至光出射面，且來自光出射面的一反射光束於全反射斜面被全反射而再度射至光出射面並離開光控制鏡片。
較佳地，光控制鏡片的光入射面可對稱於光軸並包含一第一光學作用區及一第二光學作用區。第一光學作用區係設置於光入射面的中央，第二光學作用區係連接第一光學作用區的外圍。第一光學作用區與第二光學作用區之間具有一光程變化點，該光程變化點至入射原點的連線與光軸間具有夾角θ0。光程變化點滿足式(2)：0.71cos θ 0 0.51。其中，當θ<θ0時，隨著θ漸大，L1將漸減；當θ≧θ0時，隨著θ漸大，L1將單調地漸增。藉此，可增加光入射面的折射能力以減小自其光入射面入射的發光體之近軸方向的光強度，並將光束偏折補償至遠軸方向以均勻分配發光體之光通量。
較佳地，光控制鏡片除了滿足式(1)及式(2)的條件外，可更滿足以下式(3)，其中，θe為光出射面與光軸的交點至光出射面的至高點的連線與光軸的夾角；θk為光入射面與光軸的交點至光程變化點的連線與光軸的夾角。藉此，使得本發明的光控制鏡片可進一步地具有適當的屈折力，並控制近軸光束的密度，使得與其組合之光源裝置所發出光型的中央暗區之直徑為較適當的大小，以增進光源裝置的均光性。
較佳地，本發明之光控制鏡片的光入射面可包含一第一光學作用區及一第二光學作用區。第一光學作用區係設置於光入射面的中央並具有一入射凹陷部；第二光學作用區係連接第一光學作用區的外圍。第一光學作用區與第二光學作用區的鄰接點為一光程變化點，該光程變化點至入射原點的連線與光軸間具有夾角θ0。其中，入射原點至光入射面上任一點的連線與光軸間具有夾角θ，當θ<θ0時，隨著θ漸大，L1將漸增；當θ0≦θ≦45°時，隨著θ漸大， L1將漸減。光入射面滿足以下條件：0<Rir/Ri≦0.3………式(4)
其中，Rir為第一光學作用區在光程變化點的直徑；Ri為光入射面的直徑；為入射原點至光入射面與光軸之交點的連線長度；Sir為自第一光學作用區與光軸之交點沿著其光學面至光程變化點的長度。藉此，本發明的光控制鏡片的光入射面可於近軸區域適當地收斂光束，以避免光控制鏡片具有過大的屈折力使得近軸方向的光強度過暗而造成光照度不均的問題。進一步地，於較佳的實施例中，光入射面之第一光學作用區具有隨著入射原點至第一光學作用區上任一點的連線與光軸的夾角漸增，第一光學作用區的任一點切線斜率將先平滑地漸增而後平滑地漸減的特性。
較佳地，光控制鏡片的光出射面可更包括一出射凹陷部及一凸起部，該出射凹陷部係位於該光出射面的中央，該凸起部係連接於該出射凹陷部之外圍，且更滿足式(6)：0<RE0≦0.01 mm。其中，RE0為光出射面之非球面頂點的曲率半徑。藉此，增加光出射面的屈折力以降低近軸處的光束密度並使遠軸光束被進一步地朝遠離光軸的方向偏折，進而改善與其組合的光源裝置的照度均勻性與光發散角度。
較佳地，光控制鏡片更包括至少一腳部，該腳部滿足式(7)：20°<β≦50°。其中，β為光控制鏡片的中心剖面中，沿著腳部的內側面方向至光出射面的交點與入射原點的連線及光軸之間的夾角。於一些實施例中，該至少一腳部更滿足式(8)：51°<γ≦75°。其中，γ為光控制鏡片的中心剖 面中，沿著腳部的外側面方向至光出射面的交點與入射原點的連線及光軸之間的夾角。於較佳的實施例中，為使來自光出射面的反射光束可更有效地被利用，所述腳部可更具有開口朝外的錐狀凹部，用以使來自光出射面的該反射光束於該錐狀凹部的表面被全反射而離開光控制鏡片。
較佳地，光控制鏡片可更包括一底表面，該底表面係與光出射面相對並自光入射面延伸出且與全反射斜面相接。於一些不同應用的實施例中，光控制鏡片可更具有一光源固定部，該光源固定部係連接於該光入射面的外圍，其提供一容置空間以固定一光源。
根據本發明之目的，再提出一種光源裝置，其包含如前所述的任一光控制鏡片與發光二極體。發光二極體用以發出一光束，且具有一發光面，該發光面係與光控制鏡片的光入射面對應地設置。於較佳的實施例中，發光二極體之發光面中心係設置於光控制鏡片的光軸上，而發光二極體的發光面可設置於光控制鏡片的光入射面所構成的凹穴之開口所處的平面、其下方或其內部。
於光源裝置中，發光二極體可包括單一發光二極體晶片，其形狀係為正方形、長方形或多邊形。或者，於一些不同應用的實施例中，發光二極體可包括二個發光二極體晶片，且該二個發光二極體晶片的間距與所述發光面之直徑的比值係介於0.04至0.9之間。
藉由本發明之光控制鏡片及其光源裝置，可具有下列一個或多個優點：
1、藉由本發明的光控制鏡片的面型結構，可屈折光束並使其構成的光源裝置形成光發散角度(emission angle)大於120°的光型，其中，藉由全反射斜面的設置，可以增加光源裝置的光利用率並可適當補償遠軸方向的光強度， 進而增進光源裝置的光照度均勻性與光發散角度。此外，更可有效地減少背光模組中的光源裝置與其他可加強均光等功效的元件的配置數量，進而減少LED背光模組或其他照明裝置的體積、重量、熱能的累積與降低成本。
2、進一步地，藉由選擇性地配合本發明的式(2)、式(2)與(3)、式(4)與(5)或式(6)的限制，來調整本發明之光控制鏡片的光入射面或光出射面的屈折力，使光控制鏡片可進一步地將光束分配的更均勻，以避免其構成的光源裝置所產生的光型具有明顯亮圈或過大的中央暗區，並增加光控制鏡片設計的自由度。如此一來，將更容易獲得均光性較佳的光源裝置。
3、進一步地，藉由選擇性地配合本發明的式(7)或式(7)與(8)的限制，使得用以安裝於基板且可協助散熱的腳部設置在較佳的位置，且具有一定的表面積供用以粘合於基板上，以增進光控制鏡片安裝的穩固性。
為使本發明更加明確詳實，茲列舉較佳實施例並配合下列圖示，將本發明之結構及其技術特徵詳述如後。
請一併參閱圖1(1A、1B)至圖3，其分別係為本發明之光控制鏡片及其光源裝置之結構示意圖、中心剖面結構示意圖及斜仰視結構示意圖。本發明之光源裝置1包括發光二極體(LED)2與光控制鏡片3。發光二極體2係用以發射光束且具有一發光面。發光二極體2可包括基板20、LED晶片21以及螢光黏膠層22。發光二極體2可包括單一LED晶片21，其形狀係為正方形、長方形或多邊形。或者，於另一些不同應用的實施例中，發光二極體2可包括二個LED晶片21a、21b，且該二個LED晶片21a、21b的間距與該 發光面之直徑的比值係介於0.04至0.9之間，以構成具有近軸處光強度大於遠軸處光強度特性的發光源。其中，如圖1A及圖4所示，LED晶片21可設置於基板20的一凹陷部中，且螢光黏膠層22係填入基板20的凹陷部，使填入凹陷部的螢光黏膠層22的表面做為發光二極體2的發光面。或者，如圖1B及圖8所示，LED晶片21可設置於基板20上，且螢光黏膠層22係藉塗佈或點膠的方式設置在LED晶片21上。於一些實施例中，螢光膠層22還可藉模具壓合成特殊光學面，以協助均勻分配來自LED晶片21的光束。其中，螢光黏膠層22的材料例如為矽氧樹脂，並混合有例如螢光粉的波長轉換物質。
光控制鏡片3係具有一光軸Z，且包括一光出射面30、一光入射面31與一全反射斜面32。光入射面31係與光出射面30相對，且構成具有一開口的凹穴。如圖4所示，光控制鏡片3可使來自發光二極體2的光束被偏折而遠離光源裝置1的光軸，以提升光發散角度。其中，光控制鏡片3可更包括一底表面33，該底表面33係與光出射面30相對並自光入射面31延伸出且與全反射斜面32相接。於較佳的實施例中，底表面33上可鍍有反射層或貼上可反射光的材質，以增加光源裝置1的光利用率。於另一些較佳的實施例中，底表面33可設置有多個不規則形狀之凸部與凹部，以避免自底表面33入射的光束聚集所產生的照度不均之現象。光源裝置1的光軸是指自其光控制鏡片3出射的立體光束之中心軸。於光源裝置1中，光控制鏡片3之光入射面31係與發光二極體2的發光面對應地設置，較佳地，需使光控制鏡片3的光軸Z垂直於發光二極體2之發光面。對於較精確的組合工藝，可使光控制鏡片3之光軸Z通過發光二極體2的發光面之幾何中心，更佳地，可使光控制鏡片3之光軸Z與發光二極體2的機械軸重疊，使光 控制鏡片3的光軸Z與光源裝置1的光軸重疊。於本發明的所有實施例中，以光控制鏡片3之光軸Z與發光二極體2的機械軸重疊的情況為例進行說明。
於一些非限制性的實施例中，發光二極體2的發光面可埋入光控制鏡片3之光入射面31所形成的凹穴中(如圖1B、圖7所示)。設光入射面31所形成的凹穴之開口中心為一入射原點O，於另一些非限制性的實施例中，發光二極體2之發光面中心可設置於光控制鏡片3之入射原點O上(如圖9所示)。於較佳實施例中，如圖11-12所示，發光二極體2之發光面中心係設置於光控制鏡片3的光入射面31之入射原點O下方且具有一間距，如此將更有利於散熱。
光控制鏡片3可更包括至少一腳部34，且腳部的位置須滿足式(7)：20°<β≦50°。其中，β為光控制鏡片3的中心剖面中，沿著腳部34的內側面方向至光出射面30的交點與入射原點O的連線及光軸Z之間的夾角(如圖2所示)。於一些實施例中，腳部34更滿足式(8)：51°<γ≦75°。其中，γ為光控制鏡片3的中心剖面中，沿著腳部34的外側面方向至光出射面30的交點與入射原點O的連線及光軸Z之間的夾角(如圖2所示)。於較佳的實施例中，為使來自光出射面30的反射光束可更有效地被利用，滿足式(7)與式(8)條件的腳部34可更具有開口朝外的錐狀凹部340(如圖2-3所示)，用以使來自光出射面30的反射光束於錐狀凹部340的表面被全反射而離開光控制鏡片3(如圖4所示)。其中，錐狀凹部340的表面與通過其頂點且垂直於光軸Z的平面間具有小於45°的夾角，使經由錐狀凹部340的表面被全反射的光束離開鏡片時，該光束與光軸Z夾角大於25°。
另外，為使光控制鏡片3可更有效地分配來自發光二極體2的光束，在不同的應用中，發光二極體2的發光面 與光控制鏡片3的入射原點O沿光軸Z的間距可為發光二極體2的發光層厚度之1~3倍距離，例如0.1~0.3mm，但不為所限。其中，底表面33所處的平面與發光二極體2的發光面之間的間距可填入低於光控制鏡片3折射率的介質，此介質可為空氣、透明的矽膠或混入螢光粉的矽膠等不為所限。
製作光控制鏡片3的材料可為玻璃或透明樹脂，透明樹脂例如聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚乳酸(PLA)，但不為所限。為節省成本，可採用折射率為1.49至1.53的光學塑料。
於一些實施例中，光入射面31相對於發光二極體2所形成的開口直徑可略大於或等於發光二極體2的發光面直徑。為有效組裝光控制鏡片3與發光二極體2，並提供一空間以容許發光二極體2與光控制鏡片間的安裝誤差，光控制鏡片3可具有一光源固定部35(如圖2所示)，該光源固定部35係連接於光入射面31的外圍，其提供一容置空間以固定一光源(如發光二極體2)。發光二極體2所發出的光束於進入光控制鏡片3前可先經過低折射率的介質，以增加光源裝置1的光發散角度。其中，所述低折射率的介質係指折射率較光控制鏡片3低的介質，例如空氣或矽膠；以下實施例為方便比較說明，則均採用空氣介質為說明。
光控制鏡片3的光出射面30係為滿足式(1)的非球面，且光出射面30的有效半徑RE大於自光出射面30的任一點沿光軸方向至通過入射原點O且垂直於光軸Z的平面的距離。其中，光出射面30的至高點Et定義為，自光出射面30任一點沿光軸Z方向至通過入射原點O且垂直於光軸Z的平面具有最大距離Lt的對應位置。於其中一實施例中，如 圖7所示，光出射面30的至高點Et可位於光軸Z上。
於較佳的實施例中，如圖2所示，光出射面30可更包括一出射凹陷部300及一凸起部301，該出射凹陷部300係位於光出射面30的中央，該凸起部301係連接於出射凹陷部300之外圍，並且滿足式(6)的條件。藉此，增加光出射面30中的屈折力以降低近軸處的光束密度並使遠軸光束被進一步地朝遠離光軸的方向偏折，進而改善與其組合的光源裝置1的照度均勻性與光發散角度。其中，設光出射面30的任一點切線A與通過該點的水平線B間的夾角為δ，設入射原點O至光出射面30上任一點的連線與光軸Z的夾角為ε，隨著ε漸增，δ將漸增。其中，至高點Et的切線與通過該至高點Et的水平線間的夾角為0度。
另外，於不同的應用中，光出射面30之出射凹陷部300的光學面可為自凸起部301的內緣朝光入射面31的方向下凹的凸面，如圖8所示，出射凹陷部300的光學面相對於發光二極體2而言為凸面。
於一些實施例中，光出射面30可更包括一垂直部302，該垂直部302係大致上與光軸Z平行，並連接於凸起部301外圍，其有助於降低雜光現象。出射凹陷部300係使光束更進一步地朝遠離光軸Z的方向偏折，以降低近軸方向光束的密度，同時可增加光源裝置1的光發散角度。
於本發明的各實施例中，係採用如下的非球面方程式(aspherical surface formula)來表示非球面的形狀：
其中，Z(h)為鏡片之光學面上任一點以光軸方向至鏡片中心點切平面的距離(SAG值)，c是非球面頂點的曲率(亦即曲率半徑的倒數)，h為鏡片之光學面上任一點沿垂直光軸 的方向至光軸的距離，K為圓錐係數(conic constant)，A2、A4、A6、A8、A10......分別二、四、六、八、十......階的非球面修正係數(Nth Order Aspherical Coefficient)。需注意的是，這裡所列的非球面方程式僅為非球面形狀表現的一種方式，任何可表示軸對稱的非球面方程式應當皆可利用以製作出本發明之光控制鏡片3，而不應當為此所限。
於光入射面31中(如圖2所示)，設L1為自入射原點O至光入射面31上任一點的距離，設入射原點O至光入射面31上任一點的連線與光軸Z的夾角為θ，則在至少π/18<θ<2π/9的範圍內，隨著θ漸增，L1將漸減。本發明之光控制鏡片3藉由如此的光出射面30與光入射面31的面型搭配，使光束在光出射面30上發生部份反射的現象。
於其中一較佳實施例中，如圖6所示，光入射面31可對稱於光軸Z並包含一第一光學作用區310a及一第二光學作用區311a。第一光學作用區310a係設置於光入射面31的中央，第二光學作用區311a係連接第一光學作用區310a的外圍。第一光學作用區310a與第二光學作用區311a之間具有一光程變化點P0，該光程變化點P0至入射原點O的連線與光軸Z間具有夾角θ0。光程變化點P0滿足式(2)：0.71cosθ 0 0.51。其中，當θ<θ0時，隨著θ漸大，L1將漸減；當θ≧θ0時，隨著θ漸大，L1將單調地漸增。藉此，可增加光入射面31的折射能力以減小其近軸方向的光強度，並將光束偏折補償至遠軸方向以增加光均勻度。更佳地，光控制鏡片3可滿足式(1)~式(3)的條件，藉此，使得光控制鏡片3可進一步地具有適當的屈折力，從而調配近軸光束的密度，使得與其組合之光源裝置1所發出光型的中央暗區之直徑為較適當的大小，以增進光源裝置1的均光性。
另外，於一些較佳實施例中，為避免經由第二光學作 用區311a出射的光束過度集中，可於第二光學作用區311a設置微結構(micro-structure)，該微結構之深寬比甚小，不影響自入射原點O至第二光學作用區311a任一點的距離；又微結構可為菲涅爾結構、鋸齒結構或不規則表面，不為所限。
於另一些較佳的實施例中，如圖2所示，本發明之光控制鏡片3的光入射面31可為一非球面，其包含一第一光學作用區310b及一第二光學作用區311b，並滿足式(4)與式(5)。第一光學作用區310b係設置於光入射面31的中央並具有一入射凹陷部3100，入射凹陷部3100係為入射面至高點所圍成的區域。第二光學作用區311b係連接第一光學作用區310b的外圍。第一光學作用區310b與第二光學作用區311b的鄰接點為一光程變化點P0，該光程變化點P0至入射原點O的連線與光軸Z間具有夾角θ0。其中，當θ<θ0時，隨著θ漸大，L1將漸增；當θ0≦θ≦45°時，隨著θ漸大，L1將漸減。
藉此，射至入射凹陷部3100的光束將被匯聚，以適當補償光源裝置1之近軸方向的光強度，從而克服為了提高光源裝置1的光發散角度，將光控制鏡片3的面型設計為使大部分的光束偏折朝向遠離光軸的方向，導致光源裝置1所發出的光型具有中央暗區的問題。進一步地，於較佳的實施例中，光入射面31之第一光學作用區310b可具有隨著入射原點O至第一光學作用區上310b任一點的連線與光軸Z的夾角漸增，第一光學作用區310b的任一點切線斜率將先平滑地漸增而後平滑地漸減的特性。另外，於較佳實施例中，為避免光束過度地匯聚於近軸區，可於入射凹陷部3100設置微結構(micro-structure)，該微結構之深寬比甚小，不影響自入射原點O至入射凹陷部400a任一點的距離；又微結構可為菲涅爾結構、鋸齒結構或不規則表面， 不為所限。
全反射斜面32係與光出射面30相對並設置於光入射面31的外圍側，其與垂直於光軸Z的平面間具有小於45度的夾角α。其中，來自發光二極體2的光束係經由光入射面31進入光控制鏡片3並射至光出射面30，且來自光出射面30的一反射光束於全反射斜面32被全反射而再度射至光出射面30並離開光控制鏡片3。藉此，可提高發光二極體2的光利用率，並進一步增進光源裝置1的光照度均勻性，以解決習知技術的問題。於其中一較佳實施例中，與具有相同光出射面30及光入射面31但未設置全反射斜面32的光控制鏡片3相較，本發明之光控制鏡片3的光利用率提高了5%。
參閱圖5，其係為本發明之光源裝置1的其中一例之矩形座標配光曲線圖(rectangular candela distribution plot)，其表示了光源裝置1之光出射面30正上方的光強度分布情形。如圖5所示，於光源裝置1所產生之光型中，其近軸方向的光強度明顯低於遠軸方向的光強度。於本例中，光源裝置1的光軸與發光二極體2之發光面之交點至其所發出光型的光強度峰值的連線與光軸間的夾角θT約為72°；而最大有效發散角θM約為162°。其中，最大有效發散角定義為具有最大光通量的半值的臨界角。
為說明根據本發明的主要技術特徵所衍生的各實施例，以下將列出共7種態樣的光控制鏡片3，然而本發明的發光二極體2之尺寸、光控制鏡片3的尺寸、各項係數及各組成的數據皆應不為所限。於各表中，Nd係指光控制鏡片3的折射率；U係指光源裝置1的光利用率；Lt自光出射面30的至高點Et沿光軸Z方向至通過入射原點O且垂直於光軸Z的平面的距離；為入射原點O至光程變化點P0的距離；其餘符號已於前段中說明，故於此便不再贅述。
<第一實施例>
參考圖7，其為本發明之光源裝置1的第一實施例示意圖。
本實施例中，光出射面30為至高點在光軸Z上的非球面凸面，其有效半徑(RE)大於Lt，且滿足式(1)。光入射面31構成一子彈型凹穴，其開口半徑小於凹穴高度()，且滿足在至少π/18<θ<2π/9的範圍內，隨著θ漸增，L1將漸減。於本實施例中，發光二極體2的發光面直徑約2.4 mm，其係由膠體藉表面張力所構成的凸面且埋入光控制鏡片3之光入射面31所形成的凹穴中。另外，光控制鏡片3的光入射面31與光出射面30之其他的技術特徵已載於先前的描述中，故於此便不再贅述。
<第二實施例>
參考圖8，其為本發明之光源裝置的第二實施例示意圖。
本實施例中，光出射面30的出射凹陷部300之光學面為自凸起部301的內緣朝光入射面31的方向下凹的曲面，其凸面面向光入射面31，光出射面30的有效半徑(RE)大於Lt，且滿足式(1)。光入射面31上的光程變換點P0的位置符合式(2)。tanθe/tanθk為49.47，符合式(3)。於此實施例中，當θ<45°時，隨著θ漸大，L1將漸減；當θ≧45°時，隨著θ漸大，L1將維持為2.008 mm。亦即，第二光學作用區311a係為以入射原點O為圓心且半徑為2.008 mm的球面。於本實施例中，發光二極體2的發光面直徑約2.4 mm，其係由膠體藉表面張力所構成的凸面且埋入光控制鏡片3之光入射面31所形成的凹穴中。光控制鏡片3的光入射面31與光出射面30之其他的技術特徵已載於先前的描述中，故於此便不再贅述。
<第三實施例>
參考圖9，其為本發明之光源裝置的第三實施例示意圖。
本實施例中，光出射面30的出射凹陷部300之光學面為自凸起部301的內緣朝光入射面31的方向下凹的曲面，其凸面面向光入射面31，光出射面30的有效半徑(RE)大於Lt，且滿足式(1)。光入射面31上的光程變換點的位置符合式(2)。tanθe/tanθk為17.451，符合式(3)。於此實施例中，當θ<52.7°時，隨著θ漸大，L1將漸減；當θ≧52.7°時，隨著θ漸大，L1將漸增。光入射面31的第二光學作用區311a相對於發光二極體2為一凸面。於本實施例中，發光二極體2的發光面為直徑約2.4 mm的平面，且其發光面中心係與入射原點O重疊。光控制鏡片3的光入射面31與光出射面30之其他的技術特徵已載於先前的描述中，故於此便不再贅述。
<第四實施例>
參考圖10，其為本發明之光源裝置的第四實施例示意圖。
本實施例中，光出射面30包括出射凹陷部300及凸起部301，並滿足式(1)及(6)，且具有隨著ε漸增，δ將漸增的形狀。其中，光出射面30之至高點Et位於出射凹陷 部300及凸起部301之交界，至高點Et的切線與通過至高點Et的水平線間的夾角為0度。光入射面31上的光程變換點的位置係符合式(2)。tanθe/tanθk為13.954，符合式(3)。於此實施例中，當θ<57.8°時，隨著θ漸大，L1將漸減；當θ≧57.8°時，隨著θ漸大，L1將漸增。光入射面31的第二光學作用區311a相對於發光二極體2為一凹面。於本實施例中，發光二極體2的發光面為直徑約2.4 mm的平面，且其發光面中心係與入射原點O重疊。光控制鏡片3的光入射面31與光出射面30之其他的技術特徵已載於先前的描述中，故於此便不再贅述。
<第五實施例>
參考圖11，其為本發明之光源裝置的第五實施例示意圖。
<第六實施例>
參考圖12，其為本發明之光源裝置的第六實施例示意圖。
<第七實施例>
參考圖13，其為本發明之光源裝置的第七實施例示意圖。
於第五至第七實施例中，光出射面30均包括出射凹陷部300及凸起部301，並滿足式(1)及(6)，且均具有隨著ε漸增，δ將漸增的形狀。其中，出射凹陷部300與凸起部301的連接點的切線與通過該連接點的水平線間的夾角均為0度。光入射面31包含一第一光學作用區310b及一第二光學作用區311b，其中第一光學作用區310b具有一入射凹陷部3100。當θ<θ0時，隨著θ漸大，L1將漸增；當θ0≦θ<70°時，隨著θ漸大，L1將漸減。另外，於第六及第七實施例中，當θ≧80°時，隨著θ漸大，L1將漸增；且光入射面31具有隨著入射原點O至光入射面 31上任一點的連線與光軸Z的夾角漸增，光入射面31的任一點切線斜率將先後發生漸增及漸減的特性。尤其，於光入射面31之第一光學作用區310b中，隨著入射原點O至第一光學作用區上310b任一點的連線與光軸Z的夾角漸增，第一光學作用區310b的任一點切線斜率將先平滑地漸增而後平滑地漸減。
於第五至第七實施例中，式(4)及(5)的計算結果如下：
因此，於第五至第七實施例中，各光入射面31均符合式(4)、(5)。於第五及第六實施例中，發光二極體2的發光面為直徑約2.4 mm的平面，且其發光面中心係設置在入射原點O下方0.2 mm處。另外，於第七實施例中，發光二極體2的發光面直徑約2.4 mm，其係由膠體藉表面張力所構成的凸面且埋入光控制鏡片3之光入射面31所形成的凹穴中。光控制鏡片3的光入射面31與光出射面30之其他的技術特徵已載於先前的描述中，故於此便不再贅述。
如圖7至13所示，本發明的光控制鏡片3將使光束於光入射面31發生遠離光軸的第一次偏折，並於光出射面30發生遠離光軸的第二次偏折。其中，部分光束於光出射面30發生菲涅爾反射而射至全反射斜面32，且於全反射斜面32被全反射而離開鏡片。其中，經由全反射斜面32被全反射的光束離開鏡片時，光束與光軸Z夾角大於50°， 藉此，可增加光源裝置1的光利用率並可適當補償遠軸方向的光強度，進而形成更均勻且光發散角度大於120°的光型。
以上所示僅為本發明之優選實施例，對本發明而言僅是說明性的，而非限制性的。在本專業技術領域具通常知識人員理解，在本發明權利要求所限定的精神和範圍內可對其進行許多改變、修改，甚至等效的變更，但都將落入本發明的保護範圍內。
1‧‧‧光源裝置
2‧‧‧發光二極體
20‧‧‧基板
21、21a、21b‧‧‧發光二極體(LED)晶片
22‧‧‧螢光黏膠層
3‧‧‧光控制鏡片
30‧‧‧光出射面
300‧‧‧出射凹陷部
301‧‧‧凸起部
302‧‧‧垂直部
31‧‧‧光入射面
310a、310b‧‧‧第一光學作用區
3100‧‧‧入射凹陷部
311a、311b‧‧‧第二光學作用區
32‧‧‧全反射斜面
33‧‧‧底表面
34‧‧‧腳部
340‧‧‧錐狀凹部
35‧‧‧光源固定部
Z‧‧‧光軸
O‧‧‧入射原點
α‧‧‧全反射斜面與與垂直於光軸的平面間的夾角
β‧‧‧鏡片的中心剖面中，沿著腳部的內側面方向至光出射面的交點與入射原點的連線及光軸之間的夾角
γ‧‧‧鏡片的中心剖面中，沿著腳部的外側面方向至光出射面的交點與入射原點的連線及光軸之間的夾角
θ‧‧‧入射原點至光入射面上任一點的連線與光軸的夾角
A‧‧‧光出射面的任一點切線
B‧‧‧通過光出射面的任一點的水平線
δ‧‧‧光出射面的任一點切線A與通過該點的水平線B間的夾角
ε‧‧‧入射原點O至光出射面上任一點的連線與光軸Z的夾角
Et‧‧‧光出射面的至高點
Lt‧‧‧自光出射面的至高點沿光軸方向至通過入射原點且垂直於光軸的平面的距離
RE‧‧‧光出射面的有效半徑
RER‧‧‧光出射面的至高點沿著垂直於光控制鏡片的光軸方向至光軸的距離
L1‧‧‧自入射原點至光入射面上任一點的距離
P0‧‧‧光程變化點
圖1A、1B分別係本發明之光源裝置的結構示意圖；圖2係本發明之光控制鏡片的中心剖面結構示意圖；圖3係本發明之光控制鏡片的斜仰視結構示意圖；圖4係本發明之光源裝置的光路示意圖；圖5係本發明之光源裝置的矩形座標配光曲線圖；圖6係本發明之光控制鏡片的另一實施例之中心剖面結構示意圖；圖7係本發明之光源裝置的第一實施例之示意圖；圖8係本發明之光源裝置的第二實施例之示意圖；圖9係本發明之光源裝置的第三實施例之示意圖；圖10係本發明之光源裝置的第四實施例之示意圖；圖11係本發明之光源裝置的第五實施例之示意圖；圖12係本發明之光源裝置的第六實施例之示意圖；圖13係本發明之光源裝置的第七實施例之示意圖。
3‧‧‧光控制鏡片
30‧‧‧光出射面
300‧‧‧出射凹陷部
301‧‧‧凸起部
302‧‧‧垂直部
31‧‧‧光入射面
310b‧‧‧第一光學作用區
3100‧‧‧入射凹陷部
311b‧‧‧第二光學作用區
32‧‧‧全反射斜面
33‧‧‧底表面
34‧‧‧腳部
340‧‧‧錐狀凹部
35‧‧‧光源固定部
Z‧‧‧光軸
O‧‧‧入射原點
α‧‧‧全反射斜面與與垂直於光軸的平面間的夾角
β‧‧‧鏡片的中心剖面中，沿著腳部的內側面方向至光出射面的交點與入射原點的連線及光軸之間的夾角
γ‧‧‧鏡片的中心剖面中，沿著腳部的外側面方向至光出射面的交點與入射原點的連線及光軸之間的夾角
θ‧‧‧入射原點至光入射面上任一點的連線與光軸的夾角
A‧‧‧光出射面的任一點切線
B‧‧‧通過光出射面的任一點的水平線
δ‧‧‧光出射面的任一點切線A與通過該點的水平線B間的夾角
ε‧‧‧入射原點至光出射面上任一點的連線與光軸Z的夾角
Et‧‧‧光出射面的至高點
Lt‧‧‧自光出射面的至高點沿光軸方向至通過入射原點且垂直於光軸的平面的距離
RE‧‧‧光出射面的有效半徑
RER‧‧‧光出射面的至高點沿著垂直於光控制鏡片的光軸方向至光軸的距離
L1‧‧‧自入射原點至光入射面上任一點的距離
P0‧‧‧光程變化點

Claims (14)

  1. 一種光控制鏡片，包含：一光出射面，係為一非球面且滿足以下條件： 其中，RER為該光出射面的一至高點沿著垂直於該光控制鏡片的光軸方向至該光軸的距離；RE為該光出射面的有效半徑；一光入射面，係與該光出射面相對，該光入射面係構成具有一開口的一凹穴，且滿足以下條件：設該光入射面所構成的該凹穴的該開口之中心為一入射原點，設L1為自該入射原點至該光入射面上任一點的距離，設該入射原點至該光入射面上任一點的連線與該光軸的夾角為θ，則在至少π/18<θ<2π/9的範圍內，隨著θ漸增，L1將漸減；一全反射斜面，係與該光出射面相對並設置於該光入射面的外圍側，該全反射斜面與垂直於該光軸的平面間具有一夾角α，該夾角α係小於45度；其中，該光出射面的有效半徑大於自該光出射面的任一點沿該光軸方向至通過該入射原點且垂直於該光軸的平面的距離；其中，一光束經由該光入射面進入該光控制鏡片並射至該光出射面，且來自該光出射面的一反射光束於該全反射斜面被全反射而再度射至該光出射面並離開該光控制鏡片。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光控制鏡片，其中該光控制鏡片的該光入射面係對稱於該光軸並包含一第一光學作用區及一第二光學作用區；該第一光學作用區係設置於該光入射面的中央，該第二光學作用區係連接該第一 光學作用區的外圍，該第一光學作用區與該第二光學作用區之間具有一光程變化點，該光程變化點至該入射原點的連線與該光軸間具有夾角θ0；且該光程變化點滿足以下條件： 其中，當θ<θ0時，隨著θ漸大，L1將漸減；當θ≧θ0時，隨著θ漸大，L1將單調地漸增。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的光控制鏡片，更滿足以下條件： 其中，θe為該光出射面與該光軸的交點至該光出射面的該至高點的連線與該光軸的夾角；θk為該光入射面與該光軸的交點至該光程變化點的連線與該光軸的夾角。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的光控制鏡片，其中該光控制鏡片的該光入射面係包含一第一光學作用區及一第二光學作用區；該第一光學作用區係設置於該光入射面的中央並具有一入射凹陷部；該第二光學作用區係連接該第一光學作用區的外圍；該第一光學作用區與該第二光學作用區的鄰接點為一光程變化點，該光程變化點至該入射原點的連線與該光軸間具有夾角θ0；且該光入射面滿足以下條件：0<Rir/Ri≦0.3 其中，Rir為該第一光學作用區在光程變化點的直徑；Ri為該光入射面的直徑；為該入射原點至該光入 射面與該光軸之交點的連線長度；Sir為自該第一光學作用區與該光軸之交點沿著其光學面至該光程變化點的長度；其中，當θ<θ0時，隨著θ漸大，L1將漸增；當θ0≦θ≦45°時，隨著θ漸大，L1將漸減。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的光控制鏡片，其中於該光入射面之該第一光學作用區中，隨著該入射原點至該第一光學作用區上任一點的連線與該光軸的夾角漸增，該第一光學作用區的任一點切線斜率將先平滑地漸增而後平滑地漸減。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的光控制鏡片，其中該光控制鏡片的該光出射面更包括一出射凹陷部及一凸起部，該出射凹陷部係位於該光出射面的中央，該凸起部係連接於該出射凹陷部之外圍且滿足以下條件：0<RE0≦0.01 mm其中，RE0為該光出射面之非球面頂點的曲率半徑。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的光控制鏡片，更包括至少一腳部，該腳部滿足以下條件：20°<β≦50°其中，β為該光控制鏡片的中心剖面中，沿著該腳部的內側面方向至該光出射面的交點與該入射原點的一連線及該光軸之間的夾角。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的光控制鏡片，其中該腳部更滿足以下條件：51°<γ≦75°其中，γ為該光控制鏡片的中心剖面中，沿著該腳部的外側面方向至該光出射面的交點與該入射原點的一連線及該光軸之間的夾角。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的光控制鏡片，其中該腳部更具有一錐狀凹部，用以使來自該光出射面的該反射光束於該錐狀凹部的表面被全反射。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的光控制鏡片，更包括一底表面，該底表面係與該光出射面相對並自該光入射面延伸出且與該全反射斜面相接。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的光控制鏡片，更具有一光源固定部，該光源固定部係連接於該光入射面的外圍且提供一容置空間以固定一光源。
  12. 一種光源裝置，包含：一光控制鏡片，其係如申請專利範圍第1項至第11項之任一項所述之光控制鏡片；及一發光二極體，係用以發射一光束，該發光二極體具有一發光面，該發光面係與該光控制鏡片的該光入射面對應地設置。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的光源裝置，其中該發光二極體係包括單一發光二極體晶片，其形狀係為正方形、長方形或多邊形。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的光源裝置，其中該發光二極體係包括二個發光二極體晶片，且該二個發光二極體晶片的間距與該發光面之直徑的比值係介於0.04至0.9之間。
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