TW201337168A - 具外部透鏡之光源裝置及光源系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種光源裝置及其組成之光源系統。光源裝置包含透鏡及設置於其下方的光源。透鏡具有相對之出光頂面及底面；底面上形成內凹之孔洞，並由內壁面及內頂面所共同圍成；其中，光線自內頂面出射投影於出光頂面之對應範圍均為平面。光源具有朝向孔洞之發光區域，發光區域出射之光線於底面上之投影範圍為孔洞之開口所包含。光源系統包含複數個光源裝置呈蜂巢狀排列，並在蜂巢狀排列中呈彼此相間隔設置的狀態。

Description

具外部透鏡之光源裝置及光源系統

本發明係關於一種光源裝置及其組合成之光源系統；具體而言，本發明係關於一種具外部透鏡之光源裝置及其組合成之光源系統。

在許多的技術領域中，特別是顯示技術及照明設備的領域，光源的相關設計向來是重要的一環。傳統上往往採用燈泡及燈管作為光源，然而隨著發光二極體技術的成熟，由於其具有省電環保及體積小等優勢，已逐漸成為市場上的主流。

在實際的利用上，為了增加發光面積，如圖1所示，傳統上會在發光二極體晶片30上加設一片透鏡10，並罩住發光二極體晶片30。如圖1所示，透鏡10的內部係挖空形成一腔體11，以容納發光二極體晶片30。透鏡10的頂端則形成一個凹槽13位於發光二極體晶片30的正上方。在此設計中，係藉由透鏡10的外表面15來改變光線的出光角度，以取得較大的出光範圍。

然而在上述設計中，其所產生的光線分佈往往會形成同心的環狀強光區，因而有不均勻的狀況。此外，由於發光二極體晶片30係被完全罩在腔體11內，因此易有散熱不良的狀況。

本發明之一目的在於提供一種光源裝置及其組合形成之光源系統，具有較高的發光均勻性。

本發明之一目的在於提供一種光源裝置及其組合形成之光源系統，具有良好的散熱性。

光源裝置主要包含透鏡及光源。透鏡具有相對之出光頂面及底面，而出光頂面及底面之間則連接有外壁面。底面上形成一朝發光頂面內凹之孔洞。孔洞由內壁面及內頂面所共同圍成，內頂面連接內壁面的頂端；而內壁面的底端則圍成孔洞於底面上的開口。光線自內頂面出射投影之對應範圍均為平面。

光源係設置於孔洞之開口下方，並具有朝向孔洞之發光區域，發光區域出射之光線於底面上之投影範圍為孔洞之開口所包含。因此發光區域出射之光線較佳地可完全或接近完全經由開口射入孔洞中。藉由此一設計，自內頂面射出之光線可順利通過內頂面並出射至出光頂面投影之對應範圍，降低產生全反射的機會，以避免於中央產生暗點，並減少於暗點外環產生環狀強光帶的狀況，提升光均勻性。

本發明同時提供一種光源系統，包含複數個光源裝置。複數個光源裝置係呈蜂巢狀排列，且在蜂巢狀排列中呈彼此相間隔設置的狀態。從另一個角度來看，三個相鄰的光源裝置即會圍成一個六角形且未設置光源裝置的六角形區域；且每個光源裝置同時也會被六個這樣的六角形區域所圍繞。

本發明係提供一種光源裝置；在較佳實施例中，光源裝置係為以發光二極體為光源之裝置；然而，在不同實施例中，光源裝置亦可採用其他具有發光區域之光源。此外，本發明並提供一種光源系統，包含複數個上述之光源裝置。藉由調整光源裝置之排列順序及方向，可產生較佳的發光效果。

如圖2及圖3A所示，光源裝置主要包含透鏡100及光源300。透鏡100具有相對之出光頂面110、底面130以及自底面130延伸至與出光頂面110相連接之外壁面150。在此實施例中，出光頂面110及底面130均為圓形；然而在不同實施例中，出光頂面110及底面130亦可均為六角形或其他多邊形；亦可出光頂面110為圓形而底面130為六角形或相反設置。出光頂面110較佳係小於底面130，且外壁面150較佳則形成為外凸之曲面，使透鏡100之整體形成為外凸的形狀。透鏡100較佳係由透明的材質形成，例如透明塑料或玻璃；然而在不同實施例中，透鏡100亦可由透光之材質形成，其中亦可依不同設計需求而包含不同種類的粒子等內含物。

如圖3A所示，底面上形成一朝出光頂面110內凹之孔洞170；其中孔洞170較佳係呈砲彈形。孔洞170係由內壁面171及內頂面173所共同圍成，內頂面173係連接內壁面171的頂端，亦即為孔洞170中較接近出光頂面110的部分；而內壁面171的底端則圍成孔洞170於底面130上的開口175。內頂面173及開口175較佳係為圓形，但在不同實施例中，內頂面173及開口175亦可為六角形或其他形狀。如圖3A所示，內頂面173及自其出射光線至出光頂面110之對應範圍或內頂面173於出光頂面110之投影範圍較佳均為平面；換言之，內頂面173及自其出射光線至出光頂面110之對應範圍或內頂面173於出光頂面119之投影範圍較佳係為相互平行面。但在不同實施例中，內頂面173亦可採朝出光頂面110內凹之凹面之設計，如圖3B所示。

如圖2及圖3A所示，光源300係設置於透鏡100之底面130下方，並對應於孔洞170。在較佳實施例中，光源300係設置於孔洞170之開口175下方。光源300較佳係為發光二極體；而在不同實施例中，光源300亦可為其他形式具指向性或部分指向性之發光裝置。光源300具有朝向孔洞170之發光區域310，自發光區域310出射之光線於底面130上之投影範圍為孔洞170之開口175所包含。藉由此一設計，自發光區域310射出之光線較佳地可完全或接近完全經由開口175射入孔洞170中。

此外，在此實施例中，光源裝置另包含有基板500，光源300係設置於基板500上，且透鏡100亦為基板500所支撐；換言之，透鏡100並未直接連接於光源300上。在較佳實施例中，基板500係為軟式或硬式電路板。光源300之發光區域310與透鏡100之底面130間較佳夾有一間隙，此間隙係可幫助散熱，並提供空氣層作為光傳遞之界面層。然而在不同實施例中，透鏡100亦可直接連接於光源300之外側或其他部分，而使孔洞170之開口175對應於光源300之發光區域310。在此實施例中，透鏡100包含有複數支腳190設置於底面130外側，並連接於外壁面150。支腳190設置於基板500之上，並連接基板500，使底面130及基板500間具有足以容納光源300的空間。

如圖4所示，當光源300自發光區域310產生光線後，即經開口175入射於孔洞170中，並依光線行徑方向不同而分別經由內壁面171及內頂面173進入透鏡100中。如上所述，自內頂面173出射光線至出光頂面110投影之對應範圍為平面而非凹面，並與內頂面173相互為平行面；此外，自內頂面173入射透鏡100之光線大部分之入射方向均接近垂直於內頂面173(即入射角接近0度)，因此自內頂面173射出之光線可順利通過內頂面173並出射至出光頂面110投影之對應範圍，而降低產生全反射的機會，以避免於中央產生暗點，並減少於暗點外環產生環狀強光帶的狀況，提升光均勻性。

圖5A及圖5B為採用不同設計時之光強度分佈圖，其中各顏色所代表之光強度自強至弱依序為白、紫、藍、綠、黃、紅。圖5A為內頂面173及光線自其出射至出光頂面110投影之對應範圍均採平面設計，而圖5B之內頂面173及光線自其出射至出光頂面110之投影位置均採用凹面設計。可清楚見到圖5A中央部分之光強度分佈明顯較採用另一設計時為強，並可減少有單一環狀部分光線特別強的狀況。

在如圖3A及圖4所示之較佳實施例中，外壁面150及內壁面171均為越靠近該出光頂面110時越朝中央靠近，亦即外壁面150及內壁面171上距離出光頂面110愈短之位置則距離透鏡100中心處愈近。此外，外壁面150係為外凸之環形弧狀曲面，而內壁面170則朝外壁面150方向凹入之環形弧狀曲面。藉由此一設計，當光線經由內壁面171進入透鏡100並產生折射後，可降低其在出射外壁面150時之可能性。此外，外壁面150及內壁面171上均可依需求設置有微結構，以對光路進行調整。

另一方面，在較佳實施例中，外壁面150及內壁面171之曲率均為朝出光頂面131漸增；換言之，即越接近出光頂面131時曲率越大。外壁面150朝出光頂面131之曲率漸增率較佳較內壁面171朝出光頂面131之曲率漸增率為大。此外，外壁面150之平均曲率大於內壁面171之平均曲率，以增加發光範圍的廣度。在較佳實施例中，外壁面150及內壁面171之剖面曲線分別為採用不同參數的二次貝茲曲線(Bezier Curve)；然而在不同實施例中，外壁面150及內壁面171之剖面曲線亦可採用其他不同的曲線進行設計。

如圖6所示，出光頂面110的最大半徑r與底面130的最大半徑R之比值r/R介於0.5到0.7之間。在較佳實施例中，出光頂面110係為平面，然而在不同實施例中，出光頂面110亦可為曲面或具有微結構。此外，當出光頂面110及底面130為圓形時，最大半徑即為圓形的半徑；然當出光頂面110或底面130為六角形或其他多邊形時，則最大半徑即為最長對角線之一半。另一方面，孔洞170開口175之半徑D與出光頂面110的最大半徑r比值D/r介於0.2到0.4之間。內頂面173之半徑d與孔洞170於底面130上開口175半徑D之比值d/D則介於0.05到0.25之間。開口175及內頂面173較佳係為圓形；然當開口175或內頂面173為六角形或其他多邊形時，最大半徑即為最長對角線之一半。此外，當出光頂面110及底面130為圓形時，上述比值d/D較佳介於0.05到0.2之間。藉由上述之設計，可進一步提升發光的均勻度，並減少產生環狀強光帶的狀況。

在圖7A所示之實施例中，底面130上係設置有複數之底面微結構131。在此較佳實施例中，底面微結構131為金字塔狀之凹穴；然而在不同實施例中，底面微結構131亦可為其他凹或凸的不同形狀。如圖7B所示的強度分佈圖，相較於未設置底面微結構131的狀況，底面130在加設底面微結構131後，可進一步減少在不同位置上亮度的落差，以提升發光的均勻度。此外，如圖7C所示，出光頂面110上亦可設置複數頂面微結構111，其亦可為其他凹或凸的不同形狀，唯頂面微結構111之設置位置較佳係在光線自內頂面173出射至出光頂面110之對應範圍外，或至少在內頂面173於出光頂面110之投影範圍外，以降低在中央部分產生暗點的機會。

圖8所示為光源裝置中透鏡100之另一實施例。在此實施例中，透鏡100的支腳190至少部分設置於底面130之下，亦即未突出或僅部分突出於底面130邊緣外。支腳190自底面130朝離開底面130的方向突出。如同之前的實施例中，光源300係設置於支腳190所圍成的範圍內。藉由此一設計，可減少支腳190對於發光強度分佈的影響。

在圖9所示的實施例中，透鏡100的出光頂面110及底面130均為六角形，也連帶使外壁面150沿著六角形的各側邊彎曲。在此實施例中，透鏡100具有三個支腳190，並分別設置對應於六角形中不相鄰的側邊中點。換言之，六角形中每兩個相鄰的側邊只會有一個側邊具有支腳190，以減少對於發光均勻性的影響。然而在不同實施例中，支腳190的數量及設置位置仍可隨設計需求而改變。

本發明同時提供一種光源系統，較佳包含複數個如圖9所示之光源裝置200。如圖10所示，複數個光源裝置200係呈蜂巢狀排列，且在蜂巢狀排列中呈彼此相間隔設置的狀態。換言之，在蜂巢狀的排列中，光源裝置200係採跳格的方式設置，每一光源裝置200的六邊均未直接與相鄰的光源裝置200鄰接。從另一個角度來看，三個相鄰的光源裝置200即會圍成一個六角形且未設置光源裝置200的六角形區域400；且每個光源裝置200同時也會被六個這樣的六角形區域400所圍繞。

在此較佳實施例中，由於每個光源裝置200具有三個支腳190，且分別設置相間隔的側邊上，因此六角形區域400可能由光源裝置200中具有支腳190的側邊所圍繞，也可能由不具有支腳190的側邊所圍繞。如圖10所示，對於同一個六角形區域400，較佳係由相鄰三個光源裝置200中均具有支腳190的側邊所圍繞；相對而言，同時亦會有六角形區域400是由均無支腳190的側邊所圍繞。換言之，當六角形區域400所對應的一個光源裝置200側邊有支腳190時，所對應的另外兩個光源裝置200側邊較佳也需有支腳190。相對地，當六角形區域400所對應的一個光源裝置200側邊沒有支腳190時，所對應的另外兩個光源裝置200側邊較佳也不設有支腳190。藉由此一排列設置方式，可使光源系統整體的發光均勻性提升。

本發明已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明之範例。必需指出的是，已揭露之實施例並未限制本發明之範圍。相反地，包含於申請專利範圍之精神及範圍之修改及均等設置均包含於本發明之範圍內。

100．．．透鏡

110．．．出光頂面

111．．．頂面微結構

130．．．底面

131．．．底面微結構

150．．．外壁面

170．．．孔洞

171．．．內壁面

173．．．內頂面

175．．．開口

190．．．支腳

200．．．光源裝置

300．．．光源

310．．．發光區域

400．．．六角形區域

500．．．基板

圖1為傳統光源裝置之示意圖；

圖2為本發明光源裝置之實施例元件爆炸圖；

圖3A為光源裝置之實施例剖視圖；

圖3B為光源裝置之實施例剖視圖；

圖4為光源裝置之實施例光路示意圖；

圖5A為本發明光源裝置之實施例光強度分佈圖；

圖5B為發光頂面或內頂面採用凹面設計之光強度分佈圖；

圖6為光源裝置之實施例剖視尺寸示意圖；

圖7A為具有底面微結構之實施例示意圖；

圖7B為光強度剖面分佈比較圖；

圖7C為具有頂面微結構之實施例示意圖；

圖8為透鏡之另一實施例示意圖；

圖9為透鏡之另一實施例示意圖；

圖10為本發明光源系統之實施例示意圖。

100．．．透鏡

110．．．出光頂面

130．．．底面

150．．．外壁面

170．．．孔洞

171．．．內壁面

173．．．內頂面

175．．．開口

190．．．支腳

300．．．光源

310．．．發光區域

500．．．基板

Claims (18)

1. 一種光源裝置，包含：一透鏡，具有相對之一出光頂面及一底面，該底面上內凹形成一孔洞；其中該孔洞係由一內壁面及一內頂面所圍成，並於該底面上有一開口，該內頂面及該內頂面於該出光頂面投影之對應範圍均為平面；以及一光源，設置於該開口下方，並對應於該孔洞；其中該光源之一發光區域於該底面上之投影範圍係為該開口所包含。
2. 如請求項1所述之光源裝置，其中該透鏡包含一外壁面，其為該底面延伸至與該出光頂面相連，並圍繞該孔洞，該外壁面及該內壁面上距離該出光頂面愈短之位置則距離該透鏡中心處愈近。
3. 如請求項2所述之光源裝置，其中該外壁面及該內壁面係為弧狀曲面，該外壁面及該內壁面之曲率均為朝該出光頂面漸增。
4. 如請求項3所述之光源裝置，其中該外壁面朝該出光頂面之曲率漸增率較該內壁面朝該出光頂面之曲率漸增率為大。
5. 如請求項3所述之光源裝置，其中該外壁面之平均曲率大於該內壁面之平均曲率。
6. 如請求項1所述之光源裝置，其中該出光頂面的最大半徑與該底面的半徑之比值介於0.5到0.7之間。
7. 如請求項1所述之光源裝置，其中該孔洞於該底面上開口之半徑與該出光頂面的最大半徑之比值介於0.2到0.4之間。
8. 如請求項1所述之光源裝置，其中該內頂面之半徑與該孔洞於該底面上開口半徑之比值介於0.05到0.25之間。
9. 如請求項8所述之光源裝置，其中當該出光頂面及該底面為圓形時，該比值介於0.05到0.2之間。
10. 如請求項1中所述之光源裝置，其中該底面具有複數之底面微結構。
11. 如請求項10所述之光源裝置，其中該底面微結構為金字塔狀之凹穴。
12. 如請求項1所述之光源裝置，其中該出光頂面形成有複數之頂面微結構。
13. 如請求項12所述之光源裝置，其中該頂面微結構之設置係位在該內頂面於該出光頂面投影之對應範圍外。
14. 如請求項2所述之光源裝置，其中該透鏡包含複數支腳，該些支腳係位於該底面外側，並連接該外壁面，該光源係設置於該些支腳圍繞的範圍內。
15. 如請求項2所述之光源裝置，其中該透鏡包含複數支腳，該些支腳係至少部分位於該底面之下，該光源係設置於該些支腳圍繞的範圍內。
16. 如請求項14或15所述之光源裝置，其中該出光頂面及該底面係形成為六角形，該支腳係對應於該六角形之側邊中點。
17. 一種光源系統，包含複數個如請求項16所述之光源裝置；其中該些光源裝置係呈蜂巢狀排列且在蜂巢狀排列中相間隔設置，使相鄰三個該光源裝置之間圍成一六角形區域。
18. 如請求項17所述之光源系統，其中每一光源裝置具有三個該支腳分別設置於該底面所形成六角形之不相鄰側邊，該六角形區域係由相鄰三該光源裝置中均有該支腳之側邊所圍繞；或由該六角形區域係由相鄰三該光源裝置中均無該支腳之側邊所圍繞。