TW201420956A - 發光二極體光分配透鏡及其光源裝置 - Google Patents

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本發明係揭露一種發光二極體光分配透鏡及其發光二極體球泡燈光源裝置，發光二極體球泡燈光源裝置包括發光二極體光分配透鏡及發光二極體。發光二極體光分配透鏡包含入射光學面、出射光學面與透鏡底表面。出射光學面為非球面或自由曲面，在近光軸處為凸面，並具有全反射區。入射光學面為非球面或自由曲面，面向光束入射方向為平凸面；藉由入射光學面與出射光學面構成近光軸區域為凸面光學透鏡、離軸區域為接近雙凸的光學透鏡，並滿足特定光學條件。藉由發光二極體光分配透鏡所構成的光源裝置，可形成角度大於135°的光強度分佈均勻的光型，以使用於如發光二極體球泡燈等照明燈具中。

Description

發光二極體光分配透鏡及其光源裝置
本發明是有關於一種發光二極體光分配透鏡及其光源裝置，尤其是關於一種適用於發光二極體球泡燈的光分配透鏡，用以形成均勻且照明光束的角度大於135°的光強度分佈(luminous intensity distribution)的光型。
隨著科技的進步與民生經濟的發展，為人類帶來舒適而更便利的生活，而照明燈具除了在夜間提供生活上的必須光明外，也在白天上班及商業活動中居於重要的地位。在照明燈具中，白熾燈泡已為人類提供照明長達一世紀以上，傳統的白熾燈泡便宜、方便又明亮，但因為它除了發光，也會發熱，浪費了許多能量，為了節能，美國、日本和歐盟都已開始執行逐步淘汰白熾燈的計劃，其他國家也將跟進。另外，螢光省電燈泡雖然用電量低，但消費者嫌它光束不夠柔和，而且含有少量的汞，有污染的危險，也列為下一波各國將禁用的照明燈具。相較之下，在各種照明燈具中，不含汞的LED燈具具有亮度高、體積小、省電(耗電量只有白熾燈的五分之一)、壽命長(白熾燈的二十到五十倍)的優點，為備受矚目的照明省電光源。
依據美國能源之星(energy star)規範IES LM-79-80,section 10要求替換燈(replacement lamp)在0~135°區域內任一角度之光強度(luminous intensity distribution (candelas))不得低於此區域的平均光強度20%、在135~180° 的區域內至少有5%的光總通量(total flux(lumens))。
因此，為發展較大角度的光型以接近於美國能源之星IES LM-79-80,section 10的規範，台灣專利公開號TW201226803揭露使用入射面為方型凹孔、出射面為凹面的複合透鏡，如第1圖，複合透鏡93應用於一個球泡燈9中，球泡燈9由LED晶片91覆蓋上複合透鏡93，容置於外罩92並以E27接頭94將電源接入，其中複合透鏡93由中央透鏡931、翼狀透鏡932與環壁透鏡934所組成，LED晶片91容置於複合透鏡93的環柱空間933中心的下方，當LED晶片91發出光束後，經由凹面的中央透鏡931將光束向中央集中、利用環壁透鏡934將光束分散至外圍以形成較大角度的分散，但由於光束集中在中央區域，將造成近軸區過亮而離軸區的光強度不足的缺點，且受環柱空間933平面的入射面所影響，LED晶片91發出的光束抵達環柱空間933的入射面之光束入射角度較大(如0~60°)，使進入環柱空間933平面的入射面的折射角度變小，無法使入射光束形成更大角度的分散，造成光束的分散性仍不足，更且當對於多晶片的球泡燈9，需要多個複合透鏡93覆蓋在每一個LED晶片91上，除影響相鄰複合透鏡93間的光效外，其組裝不便、成本亦高，尚無法符合實用的目的。又如美國專利公開號US20110110093採用半圓形的入射面及中央為平面的出射面，雖可增大出射的角度，但仍不符合美國能源之星IES LM-79-80,section 10的規範；中國專利公開號CN201020676949.0揭露使用廣角的透鏡，在入射面採用凸面、出射面採用凹面，藉由降低中央區域(0~60°)的光強度而加強較大角度(70~80°)的光強度，但其角度仍低於0~135°的規範要求；日本專利公開號JP2006-113556及美國專利US7153002係使用二個透鏡造成在透鏡中心產生一個空氣間隙，用以分配LED晶片發出 的光束，以應用於LED背光上，但其主要在側方向的光束分配較多、使中央區域的光束分配較少，不適用於照明目的，且採用二個透鏡組合也增加製作成本，不利於實用化。美國專利公開號US20080151551採用入射面為凹面、出射面為平面的凹面之透鏡，將LED發出的光束進行分配，但光束分配後，其光型在中央區域(45°之內)，光強度僅為最大光強度的10%，且在外圍區域角度120°之後光強度急劇下降至最大光強度的1%，不符合能源之星規範的要求。
在商品方面台灣隆達電子(Lextar)在2012年3月提出LED燈泡，係運用LED晶片的排列將LED燈泡達到角度160°以上的光型，其係使用多顆LED佈置於立體柱狀的支柱上，而非使用透鏡進行光的分配，雖經由多顆LED以不同高度與角度產生大角度的光型，但其需使用相對較多的LED，成本昂貴且組裝工序困難。
由於LED具有低耗能的優點，應用LED構成的照明器具將可降低在照明能源的需求，但由於LED發出的光線具有方向性，與人類傳統照明需求不同，因此如何將LED發出的光線能提高光發散角度(emission angle)與光強度均勻性，以分配形成所需要的光型。但對於單一個LED晶片而言，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，對於LED照明光源的設計上，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；尤其對於需要使用許多個LED晶片組成LED照明燈具的發光光源而言，更需要設計一個能控制多個LED晶片發出的光線的透鏡，讓光線能減少損失，甚至達到能源之星規範的要求，仍為業界亟待解決的課題。
本發明主要目的在於提供一種發光二極體光分配透鏡及其光源裝置，以增加發光二極體的光利用率並可將發光二極體發出的光束控制分配，進而形成更均勻且照明光束的角度大於135°的光強度分佈(luminous intensity distribution)的光型。
根據本發明之目的，提出一種發光二極體光分配透鏡，適用於一發光二極體之一光源裝置，該光源裝置包含一發光二極體元件及本發明的發光二極體光分配透鏡，發光二極體光分配透鏡係設置於發光二極體元件的發光面之上緣，該發光二極體元件通常係設置在該光源裝置的中心軸上；該發光二極體元件可為單一個發光二極體或者可為複數個發光二極體所組成，而該複數個發光二極體可沿光源裝置的中心軸對稱設置或大致平均位置所設置。
該發光二極體光分配透鏡為軸對稱且對稱於該發光二極體元件的光軸Z，包括一光入射面(light incident surface)、一光出射面(light emitting surface)與一透鏡底表面(bottom surface)，該透鏡底表面係自該光入射面延伸出並與該光出射面相接；該光出射面包含一出射光學面(emitting optical surface)及一出射端面(emitting end surface)，該出射端面鄰接於該透鏡底表面與該出射光學面；該出射光學面可為非球面(aspherical optical surface)或自由曲面(free-form optical surface)，該出射光學面於光束出射方向在光軸Z附近的近軸區(paraxial region)為凸面、向該出射端面方向起算經反曲點後轉變為凹面、再經反曲點後轉變為凸面；該出射光學面並包含一第一出射光學作用區及一第二出射光學作用區，該第一出射光學作用區係設置於該出射光學面的近光軸、該第二出射光學作用區係連接該第一出射光學作用區與該出射端面，該第一出射光 學作用區與該第二出射光學作用區鄰接點為一出射光程變化點Po，自該發光二極體元件的該發光面中心發出的光束於該第一出射光學作用區形成折射而射出該光出射面、於該第二出射光學作用區產生全反射，該出射光程變化點Po為從光軸Z發出的光束開始發生全反射的界面點。
該光入射面包含一入射光學面(incident optical surface)及一入射端面(incident end surface)，該入射端面係鄰接於該透鏡底表面與該入射光學面；該入射光學面面向光束入射方向在近軸處為凸面或平面之一，經一第一反曲點後轉變為凹面，再經一反曲點後轉變為凸面。
由於入射光學面與出射光學面在近軸區域構成凸透鏡，當發光二極體元件在該發光面發出平行於該光軸之光束，經由近軸區域的凸透鏡形成聚集光線，在近光軸區所形成的焦距為f 1 ，與光軸上入射光學面與出射光學面所形成的厚度Tz滿足下列條件：T z =d o -d i ………式(1)
其中，d i 為光軸上該發光二極體元件的該發光面中心至該入射光學面的距離，d o 為光軸上該發光二極體元件的該發光面中心至該出射光學面的距離。
較佳地，發光二極體光分配透鏡可更滿足以下條件，使得本發明的發光二極體光分配透鏡可具有適當的光束分配能力，可將發光二極體元件發出的光束分配至更大的角度，該出射光程變化點Po至該發光二極體元件的該發光面中心O的連線與該光軸間夾角θ 0 ，較佳地可介於30度至45度之間，即滿足下列條件：
若符合式(3)，可使出射光學面上光程變化點Po之切線的斜率及相對於光軸Z的位置控制在適當大小，使超過光程變化點Po的光束在出射光學面不發生折射穿出出射光學面造成光束集中在較小的角度，在光程變化點Po開始產生全反射，將光束全反射至更大的角度。
更進一步，該光出射面的出射端面，可為平滑圓弧面或平面，可將入射於出射端面較小角度的光束(光束與出射端面的夾角)進行全反射，使這些光束可分配至更大的角度，對於入射於出射端面較大角度的光束則進行折射，使這些光束也可分配至更大的角度，該出射端面與該透鏡底表面鄰接點之切平面與平行於該光軸直線的夾角θ od 與該出射光學面與該出射端面鄰接點至該發光二極體元件的該發光面中心連線與該光軸的夾角θ e ，滿足下列條件：
又，該光入射面的入射端面可為平滑圓弧面或平面，可將發光二極體元件發出的光束儘量增大入射的角度，使這些光束可以穿入透鏡內部，增加光線的利用率，該入射端面與該透鏡底表面鄰接點之切平面與平行於該光軸直線的夾角θ id 與該入射光學面與該入射端面鄰接點至該發光面中心連線與該光軸的夾角θk，滿足下列條件：
更進一步，為更大利用入射端面的光束，可在該入射端面之一部份設置有菲涅爾光學面(fresnel optical surface)或微結構光學面(micro-structure optical surface)，微結構光學面可如細微的噴砂光學面、微溝槽列陣光學面、錐形列陣光學面以及微透鏡列陣光學面等，不為所限。對於較佳的效果，可在入射端面設置之。或為避免透鏡內由下至上的雜散光線穿出出射端面，可在該出射端面之一部份設置 有菲涅爾光學面或微結構光學面；對於較佳的效果，可在出射端面設置之。再者，對於均光目的，可於入射光學面之一部份設置之，設置的範圍係介於夾角θ o1 至θ i1 之間的全部或其一部份；其中，θ o1 為出射光學面最低點與該發光面中心連線與該光軸的夾角、θ i1 為入射光學面該第一反曲點與該發光面中心連線與該光軸的夾角。
較佳地，發光二極體光分配透鏡可更滿足以下條件，使得本發明的發光二極體光分配透鏡在出射光學面具有更佳的曲折力，即滿足以下條件使第一出射光學作用區與第二出射光學作用區有較為適當的曲率變化：
其中，H 31 為該出射光學面之凹面最低點至該光軸的垂直距離；H 32 為該出射光程變化點至該光軸的垂直距離，即第一出射光學作用區的範圍；H 33 為該出射光學面上之該出射端面鄰接點至該光軸方向的垂直距離，即H 33 -H 32 第二出射光學作用區的範圍。
較佳地，發光二極體光分配透鏡可更滿足以下條件，使得本發明的發光二極體光分配透鏡可進一步地具有適當的屈折力，並控制所發出光型的中央區域之直徑為較適當的大小，以增進光源裝置的均光性： 其中，θ e 為該出射光學面與該出射端面鄰接點至該發光二極體元件的該發光面中心連線與該光軸的夾角；θ k 為該入射光學面與該入射端面鄰接點至該發光面中心連線與該光軸的夾角。
由於在發光二極體元件構成的光源裝置中，尤其應用於發光二極體的照明燈具中，為獲得更佳的光束控制與光束分配能力，可將發光二極體元件不再簡化為點光源，而以發光面對角線長度為L的面光源進行設計該發光二極體光分配透鏡。若該發光二極體元件為單一個發光二極體(或模組化的發光二極體)所構成，將該發光二極體視為對角線長度為L的發光面，光束可由發光面的任一表面發出光線，離發光面中心最遠的發光點的距離為發光面對角線長度L的一半；若該發光二極體元件為複數個發光二極體所組成，可將該些發光二極體及其間隙視為對角線長度為L的發光面，光束可由發光二極體任一表面發出光線，離發光面中心最遠的發光點的距離為發光面對角線長度L的一半。當距離發光面中心最遠的發光點發出的光束可在該出射光學面產生另一個全反射點，稱為偏向出射光程變化點Po'，自該發光二極體元件的該發光面對角線邊緣發出的光束，由平行於光軸的光束起算，於該偏向出射光程變化點Po'開始產生全反射。該偏向出射光程變化點Po'至該發光二極體元件的該發光面對角線邊緣連線與平行於該光軸直線間的夾角θ' 0 、該出射光程變化點Po至該發光二極體元件的該發光面中心的連線與該光軸間的夾角θ 0 、該出射光程變化點至該光軸的垂直距離H 32 、光軸上該發光二極體元件的該發光面中心至該入射光學面的距離d i 、光軸上該發光二極體元件的該發光面中心至該出射光學面的距離d o 、該透鏡的折射率為N d ，滿足以下條件：
根據本發明之目的，再提出一種光源裝置，其包含如前所述的發光二極體光分配透鏡與發光二極體元件。發光二極體元件用以發出一光束，且具有一發光面。其中，經 由發光二極體光分配透鏡的光入射面入射且出射於光出射面的光束係以光軸為中心形成均勻且照明光束的角度大於135°的光強度分佈(luminous intensity distribution)的光型，並滿足下列條件：
其中，I 135°為該光源裝置在與光軸夾角為135°時，在距離該發光面中心的相對無限遠處的光強度；I max 為該光源裝置在與光軸任一夾角處，在距離該發光面中心的相對無限遠處的任一點光強度的最高值。
對於不同應用目的，該發光二極體元件可為單一個發光二極體或可為複數個發光二極體所組成，當發光二極體元件由複數個發光二極體所組成時，該發光二極體元件的該發光面係由各該發光二極體的發光面及其間隙所組合而成。又於光源裝置中，發光二極體光分配透鏡之透鏡底表面所處的平面可與發光二極體元件的發光面所處的平面間可貼合或可以具有一間距；在不同的應用中，此間距可為發光二極體發光層厚度之1~3倍距離(如0.1~0.3mm)，但不為所限。
於光源裝置中，自發光二極體元件發出的光束可先經過低折射率的介質，再入射至發光二極體光分配透鏡，其中低折射率的介質係指折射率較發光二極體光分配透鏡的折射率低的介質；在不同的應用中，此介質可為空氣、透明的矽膠或混入螢光粉的矽膠(光波長轉換元件、WCC、wavelength conversion component)等，但不為所限。
藉由本發明之發光二極體光分配透鏡及其光源裝置，可具有下列一個或多個優點：
(1)藉由本發明的發光二極體光分配透鏡所構成的光源裝置，可提高光發散角並使光束能均勻分佈在各以光軸 為中心的角度，使光源裝置發出的光束得以均勻分散。
(2)進一步地，藉由本發明的式(2)，其代表著自發光二極體元件的發光面中心所發出的光束進入光入射面後在出射光程變化點Po會開始產生全反射，將光束控制及分配至更大的角度，且為能有較佳的光效，出射光程變化點Po位置可在特定的角度範圍內，使得本發明的發光二極體光分配透鏡可進一步地具有適當的光束控制及分配，以增進光源裝置的均光性。
(3)進一步地，藉由本發明的式(1)，其相當於鏡片之光出射面近軸區凸面的近似曲率半徑與光入射面近軸區為平面或凸面的近似曲率半徑的比值，以限定近軸區的形狀關係，使得本發明的發光二極體光分配透鏡在近軸區可進一步地具有適當的屈折力，以增進光源裝置的均光性。
(4)進一步地，藉由本發明的式(6)，以限定光出射面中在近光軸處為凸面轉變為凹面的最低點的相對位置、出射光程變化點Po的相對位置，若式(6)的比值過小時，會降低近軸區的光亮度並可能導致光分散性降低，並容易產生亮圈而導致光均勻性不足；而當式(6)的比值過大時，則有所形成光型的中央區域會過亮，光束不易分配至較大角度，而使光束集中在較小的角度區域。
(5)進一步地，藉由本發明的式(8)，其代表著發光二極體元件發出的光束，可控制及分配至135°以上，且不低於最高光強度的30%，不但符合能源之星在0~135°區域內任一角度之光強度不得低於此區域的平均光強度20%的要求，更遠高於能源之星規範的要求。
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。
請參閱第8、9圖，其係為本發明之發光二極體光分配透鏡12及其光源裝置1應用在發光二極體球泡燈2之示意圖，光源裝置1係封裝在發光二極體球泡燈2中，發光二極體球泡燈2另外還包含外罩14、基板15、散熱體17、接頭18等；光源裝置1固定在基板15上，並電性連接於基板15並固定在散熱體17上，為柔光及安全考量，發光二極體球泡燈2具有一外罩14，並以E27接頭18可與市電連接。當市電進入發光二極體球泡燈2的E27接頭18後，在接頭18的電路可將市電轉為發光二極體的適用電壓與電流，經由基板15與光源裝置1連接；光源裝置1則發出光束並均勻控制並分配光束至大角度，由外罩14射出後供為照明使用；散熱體17則裝設在基板15下方，可將發光二極體產生的熱能經熱傳導與熱輻射導至外界。
請參閱第2圖，為本發明之光源裝置1之結構示意圖，包括發光二極體元件13與發光二極體光分配透鏡12。發光二極體元件13通常包含有發光二極體(未於圖上繪示)以及螢光黏膠層(未於圖上繪示)，螢光黏膠層係覆蓋在發光二極體上，當發光二極體受激發而發出光線時，經由螢光黏膠層進行波長轉換，而在螢光黏膠層表面發出光束，該發出光束的表面即為發光面131，由發光面131發出的光束120則射向發光二極體光分配透鏡12，發光二極體光分配透鏡12將入射的光束經控制與分配後為照明光束121。
發光二極體光分配透鏡12係設置於發光二極體元件13的發光面131之上緣，使發光二極體光分配透鏡12的一鏡片光軸Z垂直於發光二極體元件13之發光面。對於較精確的組合工藝，可使發光二極體光分配透鏡12之鏡片光軸通過發光二極體元件13的發光面131之幾何中心，該幾何中心為發光面中心O點。製作發光二極體光分配透鏡12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。為了節省成本，可採用折射率為1.49至1.53的光學塑料。
發光二極體光分配透鏡12包括一光入射面122、一光出射面123與一透鏡底表面124，其中透鏡底表面124係自光入射面122延伸出並與光出射面123相接，發光二極體光分配透鏡12可使來自發光二極體元件13的光束120被偏折而分配至各角度。於較佳的實施例中，透鏡底表面124上可設有光學微結構、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。光學微結構可如細微的噴砂面、微溝槽列陣、錐形列陣以及微透鏡列陣等，不為所限。於光源裝置1中，發光二極體光分配透鏡4之透鏡底表面124所處的平面可與發光二極體元件13的發光面131所處的平面間具有一間距，如此一來將更有利於散熱。其中，透鏡底表面124所處的平面與發光二極體元件13的發光面131之間的間距可填入低於發光二極體光分配透鏡12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。
請配合第2圖並參閱第3圖，其中，第3圖為發光二極體光分配透鏡12的符號表示圖；發光二極體光分配透鏡12的光出射面123係為對稱於光源裝置1的一光軸Z的非球面或自由曲面，其包含一出射光學面1231及一出射端面1232，出射端面1232鄰接於透鏡底表面124與出射光學面1231；出射光學面1231於光束出射方向在近光軸處為凸面、向該出射端面1232方向經過至少一個反曲點後轉變為凹面，凹面的最低點為Po1，出射光學面1231之凹面最低點Po1至光軸Z的垂直距離為H 31 ；出射光學面1231再經至少一個反曲點後轉變為凸面；出射光學面1231包含有一出射光程變化點Po，自發光二極體元件13的發光面中心O發出 的光束於出射光程變化點Po開始發生全反射，即出射光學面1231包含有第一出射光學作用區及第二出射光學作用區，其鄰接點為該出射光程變化點Po；自發光二極體元件13的發光面中心O發出的光束於第一出射光學作用區形成折射而射出該光出射面1231，於該第二出射光學作用區產生全反射。出射光程變化點Po的位置與光束分配能力有關，太接近光軸，將使近光軸區的光束分配不足，使光束較多的全反射，並使光束角(half-peak beam angle)在90°左右產生明顯的不足，若在過於遠離光軸，將使在0~90°左右產生較多的光束分佈；因此調整發光二極體元件13的該發光面中心O的連線與該光軸間夾角θ 0 (請參閱第5圖)將直接影響光束的分佈。其中，光束角為投射面上其光強度為最大光強度一半時的角度(與光軸Z夾角)。
在出射光學面1231的第一出射光學作用區與第二出射光學作用區大小將影響出射光學面1231的曲率變化，因此在調整H 31 、H 32 及H 33 的關係也將影響在出射光學面1231的光束控制與分配。其中，H 32 為出射光程變化點Po至光軸Z的垂直距離，即H 32 為第一出射光學作用區的水平寬度，H33為該出射光學面上該出射端面鄰接點至該光軸方向的垂直距離，即H 33 -H 32 為第二出射光學作用區的範圍；若滿足式(6)可限定第一出射光學作用區與第二出射光學作用區範圍的比值在特定範圍間，可使得發光二極體光分配透鏡12在出射光學面1231有較為適當的曲率變化，以具有更佳的曲折力。
該出射端面1232可為平滑的圓弧面或也可為平面，出射端面1232與透鏡底表面124交點之切平面與平行於光軸Z之直線的夾角為θ od (參見第11圖)。出射端面1232係大致上與光軸Z平行，並連接於出射光學面1231的外圍，其有助於將入射於出射端面1232較小角度(方向與Z軸夾角較 小的光束)的光束進行全反射，使這些光束可分配至發光二極體光分配透鏡12外部更大的角度，對於入射於出射端面1232較大角度(方向與Z軸夾角較大的光束)的光束則進行折射，使這些光束也可分配至發光二極體光分配透鏡12外部更大的角度。若出射端面1232為垂直於發光面131的平面，則發光二極體光分配透鏡12外徑(半徑)Wo為H 33 ，若出射端面1232為圓弧面則發光二極體光分配透鏡12最大外徑為Wo加上圓弧面的修正值；發光二極體光分配透鏡12自透鏡底表面至Poc的垂直高度h o 為：
該光入射面122包含一入射光學面1221及一入射端面1222，入射端面1222係鄰接於透鏡底表面124與入射光學面1221；入射光學面1221面向光束入射方向，在近軸處可為凸面或平面，經一第一反曲點Po1後轉變為凹面，再經至少一個反曲點後轉變為凸面，此面型俗稱為M型。該入射端面1222可為平滑的圓弧面或也可為平面，θ id 為入射端面1222與透鏡底表面124交點的切平面與平行於光軸Z直線的夾角(參見第11圖)。入射端面1222係大致上與光軸Z平行，並連接於入射光學面1221的外圍，可將發光二極體元件13發出的低角度的光束(方向與Z軸夾角很大角度的光束)，使這些光束可以穿入透鏡內部，增加光線的利用率。若入射端面1222為垂直於發光面131的平面，則發光二極體光分配透鏡12在透鏡底表面124的內徑直徑為2Wi；發光二極體光分配透鏡12自透鏡底表面至Pic的垂直高度hi其間的關係如式(10)：
請參見第4圖，由於入射光學面1221與出射光學面1231在近軸區域形構成凸透鏡，當發光二極體元件在該發光面發出平行於該光軸之光束，經由近軸區域的凸透鏡形成聚集光線，在近光軸區所形成的焦距為f 1 ，與光軸上入射光學面1221與出射光學面1231所形成的厚度Tz滿足特定的條件範圍時，可使近光軸區具有適當的光束聚集能力，避免光束在近軸區過度集中。其中，T z =d o -d i ………式(1)
d i 為光軸上該發光二極體元件13的該發光面中心O至該入射光學面1221的距離，d o 為光軸上該發光二極體元件13的該發光面中心O至該出射光學面1231的距離。
請參閱第5圖，第5圖為發光二極體光分配透鏡12相關角度符號表示圖，出射光程變化點Po至發光二極體元件13的該發光面中心O連線該光軸Z的夾角為θ o ，出射光學面1231與出射端面1232鄰接點為Poc，Poc至發光二極體元件13的該發光面中心O連線與該光軸的夾角為θ e ，入射光學面1221與入射端面1222鄰接點為Pic，Pic至該發光面中心O連線與該光軸的夾角為θ k ，入射光學面1221在光束入射方向，由近軸處的凸面先經由一反曲點轉變為凹面，再經另一反曲點轉變為凸面。其中，若出射光學面1231與出射端面1232鄰接點Poc位置(平行於發光面131的距離與垂直於發光面131的高度)，與入射光學面1221與入射端面1222鄰接點Pic位置，滿足特定的條件範圍，可將光束予以最大的利用；且若能控制發光二極體光分配透鏡12所形成光型的中央暗區之直徑為較適當的大小，可增進光源裝置1的均光性，因此在調整出射光學面1231與出射端面1232鄰接點Poc的位置(相當Poc至發光二極體元件13的發光面中心O連線與光軸Z的夾角θ e )，與調整入射光學面1221與入射端面1222鄰接點Pic位置(相當Pic至發光二極體元件 13的發光面中心O連線與光軸Z的夾角)將有助於均光性。
請參閱第8圖及第9圖，在發光二極體元件13構成的光源裝置1中，發光二極體元件13可為單一個發光二極體所構成(如第8圖)，發光二極體元件13的發光面131的對角線長度為L，光束可由發光面131的任一表面發出光線，離發光面中心O最遠的發光點的距離為發光面131對角線長度L的一半；另外，發光二極體元件13可由許多個發光二極體以光源裝置1的中心軸大致對稱排列，這些發光二極體及其間隙構成了發光二極體元件13(如第9圖)，其發光面131的對角線長度為L，發光二極體元件13離發光面中心O最遠的發光點的距離為發光面對角線長度L的一半。由於應用在照明的光源的發光二極體元件13，在相對距離與發光面131的尺寸上，較佳的設計上，不能簡化為點光源，而應以面光源為設計，請參閱第6圖，在發光面131的對角線上與發光面中心O距離最遠的發光點(距離為對角線長L的一半)發出的光束120，在進入入射光學面1221後產生折射，而射向出射光學面1231，為能控制與分配此光束，出射光學面1231亦設有一偏向出射光程變化點P'o，自發光二極體元件13的發光面131對角線邊緣發出的光束120，由平行於光軸的光束起算，於該偏向出射光程變化點P'o開始產生全反射。若能控制與分配對角線邊緣發出的光束，可達到均光要求與達到135度以上大角度的光型分佈，因此若能適當控制偏向出射光程變化點P'o至發光二極體元件13的發光面131對角線邊緣連線與平行於該光軸直線間的夾角θ' 0 與光軸上發光二極體光分配透鏡12的厚度TZ、由發光面中心O發出的光束所形成的出射光程變化點Po之夾角θ 0 與垂直距離H 32 、該透鏡使用的材料的折射率N d 間的關係，滿足式(8)的條件，可使自發光二極體元件13的發光面131對角線邊緣發出的光束120同樣被進行控制與分 配，達到均光與大角度光型的目的。
為均光目的及最大利用入射的光束120，可在下列光學面上全部或一部份設置有菲涅爾光學面或微結構光學面，微結構光學面可如細微的噴砂光學面、微溝槽列陣光學面、錐形列陣光學面以及微透鏡列陣光學面等，不為所限；設置的光學面可為：(1)在入射端面1222設置之；(2)在出射端面1232；(3)在入射光學面1221設置之，其設置的範圍係介於夾角θ o1 至θ i1 之間的全部或其一部份，其中，θ o1 為出射光學面最低點Po1與發光面中心O連線與光軸Z的夾角、θ i1 為入射光學面1221之第一反曲點Pi1與發光面中心O連線與光軸Z的夾角(請參見第17圖)。
在光源裝置1的配置上，發光二極體光分配透鏡12之透鏡底表面124所處的平面可與發光二極體元件13的發光面131所處的平面間具有一間距d z (請參閱第7圖)，此間距可填充一介質，為免影響發光二極體光分配透鏡12的控制與分配功能，該介質的折射率N d2 比發光二極體光分配透鏡12的折射率N d 為低，此介質可為空氣間隙或如透明矽膠(N d =1.4~1.5)等物質。
本發明之發光二極體光分配透鏡12的出射光學面1231或入射光學面1221為對稱於光軸Z的光學面，於本發明的各實施例中，若採用非球面設計，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，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)、A 2 、A 4 、A 6 、A 8 、A 10 、A 12 、A 14 、 A 16 分別二、四、六、八、十、十二、十四、十六階的非球面修正係數(Nth Order Aspherical Coefficient)。若採用自由曲面設計，係使用照明面的照度計算，對光學面的各點以最佳化而計算出各點的SAG值，可參考丁毅，鄭臻榮，顧培夫所著之論文「實現LED照明的自由曲面透鏡設計」；Acta photonica sinica,Vol.38,No.6,June 2009；設計方法在此不再贅述。需注意的是，這裡所列的非球面方程式或自由曲面設計方式，僅為非球面形狀或自由曲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或自由曲面應當皆可利用以製作出本發明之發光二極體光分配透鏡12，而不應當為此所限。且後續實施例中的非球面係數或自由曲面參數，亦僅為個實施例態樣的表示方法之一，亦不應當為此所限。
為了達到本發明的目的，亦即使本發明的光源裝置1具有高均光性並使光發散角度至少為135°，本發明的發光二極體光分配透鏡12可將發光二極體元件13發出的光束120，經由發光二極體光分配透鏡12的光入射面121入射且出射於光出射面123的照明光束121，形成以光軸為中心的角度大於135°，在角度為135°時的光強度分佈提高至最大光強度的30%以上，以超越能源之星對於發光二極體球泡燈的規範要求。
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7個發光二極體光分配透鏡12及其光源裝置1實施例，然而本發明的發光二極體光分配透鏡12的尺寸、各項係數及各組成的數據皆應不為所限。
<第一實施例>
請參考第2圖、第7圖及第10圖，其分別為本發明之光源裝置1與發光二極體光分配透鏡12的第一實施例示意 圖、光路圖及其極座標光強度分佈圖(polar candela distribution plot)。特別說明的是，在第7圖中，為方便繪示發光二極體光分配透鏡12與發光面中心O光束的光路，特別將發光二極體元件13的發光面131向下延伸出一個距離。對於不同的應用，發光二極體元件13的發光面131與透鏡底表面124間可放置一層厚度為d z 的矽膠介質(未於圖上表示)，此時發光面中心O則位於透鏡底表面124所在平面下方距離d z 的發光面131上。本實施例則未設置此介質。
在本實施例中，發光二極體光分配透鏡12的光出射面1231係以非球面為設計，非球面函數如式(12)所列，其係數如下列表(一)所列；光入出射面1221係以自由曲面所設計，其光軸上的曲率如下列表(一)所列：
下列表(二)列有本實施例中發光二極體光分配透鏡12及其光源裝置1的各項參數值：
本實施例中，發光二極體光分配透鏡12係由折射率(N d )為1.4935的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材質所製成，在光軸Z上出射光學面1231於光束出射方向在近光軸處為凸面、向該出射端面1232方向經過反曲點後轉變為凹面，再經反曲點後轉變為凸面；入射光學面1221面向光束入射方向，在近軸處為凸面經反曲點後轉變為凹面、再轉變為凸面，為M型的面型；出射光學面1231與入射光學面1221構成近軸區為雙凸型的透鏡，其焦距為20.54mm。
本實施例中，發光二極體光分配透鏡12的出射光學面1231上的光程變化點Po至發光二極體元件13的發光面中心O的連線與光軸Z間的夾角θ 0 為36.28°，於此實施例中，當發光二極體元件13的發光面中心O至發光二極體光分配透鏡12的出射光學面1231上任一點的連線與光軸Z的夾角θ<θ 0 時，隨著θ漸大，自發光二極體元件13的發光面中心O所發出的光束120至出射光學面1231會經入射光學面1231折射射出入射光學面1231；當θ≧θ 0 時，隨著θ漸大，自發光二極體元件13的發光面中心O所發出的光束120至出射光學面1231會產生全反射而折射至透鏡內部。配合對角線長度為L=18mm的矩形發光二極體元件13，發光二極體元件13對角線發光點(與發光面中心O距離為9mm)，出射光學面1231上的偏向光程變化點P'o至與光軸Z間的夾角θ' 0 為55.48°。
本實施例中，發光二極體光分配透鏡12的入射端面1222為圓弧面，其半徑為-120mm、發光二極體光分配透鏡12的出射端面1232亦為圓弧面，其半徑為120mm。
發光二極體光分配透鏡12與光源裝置1的其他的技術特徵已載於先前的描述中，故於此不再贅述。於本實施例中，式(1)至(9)的計算結果如下：T z 2.32
cos θ 0 0.806
tan θ od ．tan θ e 0.0079
tan θ id ．tan θ k 0.0329
藉由本實施例之發光二極體光分配透鏡12所構成的光源裝置1，發光二極體元件13係由9顆發光二極體沿中心軸對稱排列，每顆發光二極體的尺寸為矩形3.5x2.8mm，位於中心軸上置放一個發光二極體、其餘八顆每隔45°排列一 顆發光二極體；構成的發光二極體元件13之發光面131為圓形，其直徑為18mm；發光二極體光分配透鏡12之透鏡底表面124所構成的平面直接與發光面131貼合，發光面131至入射光學面1221間為空氣間隔；本實施例之光源裝置1之最大有效角度約為155°，發出光型的光強度峰值的角度約為42°，由第10圖，光源裝置1在與光軸Z夾角為135°時，在距離該發光面中心O的相對無限遠處的光強度I 135°與光源裝置1在與光軸Z任一夾角處，在距離該發光面中心O的相對無限遠處的任一點光強度的最高值I max 之比值為73.68%。因此，本實施例的發光二極體光分配透鏡12及其光源裝置1滿足式(2)~(9)之條件，但其光出射面1231之θ e (出射端面鄰接點Po至發光面中心O連線與光軸Z的夾角)較小、相對θ k (入射端面鄰接點Pic至發光面中心O連線與光軸Z的夾角)較大，使得式(7)較偏向上限，使光束分配較不均勻，尤其在偏向光程變化點P'o的光束被折射較多，在角度(接近θ' 0 )60°附近的照明光束121較少，但也因為如此，在大角度120°以上可獲得的照明光束121較多，相對光強度較高，整體性較為均光，超越能源之星的規範要求。
<第二實施例>
請參考第11圖及第12圖，其分別為本發明之光源裝置1與發光二極體光分配透鏡12的本實施例示意圖及其極座標光強度分佈圖。
在本實施例中，發光二極體光分配透鏡12的光出射面1231係以自由曲面所設計，其光軸上的曲率為10mm；光入出射面1221亦以自由曲面所設計，其光軸上的曲率為-100mm：下列表(三)列有本實施例中發光二極體光分配透鏡12 及其光源裝置1的各項參數值：
本實施例中，發光二極體光分配透鏡12係由折射率(N d )為1.4935的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材質所製成，在光軸Z上出射光學面1231於光束出射方向在近光軸處為凸面、向該出射端面1232方向經過反曲點後轉變為凹面，再經至少一個反曲點後轉變為凸面；入射光學面1221面向光束入射方向，在近軸處為凸面經反曲點後轉變為凹面、再轉變為凸面，為M型的面型；出射光學面1231與入射光學面1221構成近軸區為雙凸型的透鏡，其焦距為16.36mm。
本實施例中，發光二極體光分配透鏡12的入射端面1222為圓弧面，其半徑為-120mm、發光二極體光分配透鏡12的出射端面1232亦為圓弧面，其半徑為120mm。
本實施例中，發光二極體光分配透鏡12的出射光學面1231上的光程變化點Po至發光二極體元件13的發光面中心O的連線與光軸Z間的夾角θ 0 為41.89°，於此實施例中， 當發光二極體元件13的發光面中心O至發光二極體光分配透鏡12的出射光學面1231上任一點的連線與光軸Z的夾角θ<θ 0 時，隨著θ漸大，自發光二極體元件13的發光面中心O所發出的光束120至出射光學面1231會經入射光學面1231折射射出入射光學面1231；當θ≧θ 0 時，隨著θ漸大，自發光二極體元件13的發光面中心O所發出的光束120至出射光學面1231會產生全反射而折射至透鏡內部。配合對角線長度為L=9.6mm的圓形發光二極體元件13，發光二極體元件13對角線發光點(與發光面中心O距離為4.8mm)，出射光學面1231上的光程變化點P'o至與光軸Z間的夾角θ' 0 為58.88°。
發光二極體光分配透鏡12與光源裝置1的其他的技術特徵已載於先前的描述中，故於此不再贅述。於本實施例中，式(1)至(9)的計算結果如下：T z 1.15
cos θ 0 0.7444
tan θ od ．tan θ e 0.0889
tan θ id ．tan θ k 0.0326
藉由本實施例之發光二極體光分配透鏡12所構成的光源裝置1，發光二極體元件13係由COB製程之模組化發光二極體，設置於中心軸，模組化的發光二極體為圓形、尺寸直徑為9.6mm，發光二極體光分配透鏡12之透鏡底表面124所構成的平面直接與發光面131貼合，發光面131至入射光學面1221間為空氣間隔；本實施例之光源裝置1之最大有效角度約為145°，發出光型的光強度峰值的角度約為15°，由第12圖，光源裝置1在與光軸Z夾角為135°時，在距離該發光面中心O的相對無限遠處的光強度I 135°與光源裝置1在與光軸Z任一夾角處，在距離該發光面中心O的相對無限遠處的任一點光強度的最高值I max 之比值為64.7%。因此，本實施例的發光二極體光分配透鏡12及其光源裝置1滿足式(2)~(9)之條件，由於近光軸的焦距較第一實施例小、光軸上的厚度TZ較小，近軸區的屈折力比第一實施例大，有效將光束均勻分散，大約在第一出射光學作用區的光強度分佈與第二出射光學作用區光強度分佈較為接近，使135°處可維持較高的光強度，但由於照明光束121被均勻地控制與分配至角度為0~135°間，相對使140°以後的照明光束121快速減少，但本實施利的結果仍超越能源之星的規範要求。
<第三實施例>
請參考第13圖及第14圖，為本發明之光源裝置1與發光二極體光分配透鏡12的本實施例示意圖與極座標光強 度分佈圖。
在本實施例中，發光二極體光分配透鏡12的光出射面1231係以自由曲面所設計為設計，其光軸上的曲率為10mm；光入出射面1221亦以自由曲面所設計，其光軸上的曲率為-100mm：下列表(四)列有本實施例中發光二極體光分配透鏡12及其光源裝置1的各項參數值：
本實施例中，發光二極體光分配透鏡12係由折射率(Nd)為1.4935的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材質所製成，在光軸Z上出射光學面1231於光束出射方向在近光軸處為凸面、向該出射端面1232方向經過反曲點後轉變為凹面，再經至少一個反曲點後轉變為凸面；入射光學面1221面向光束入射方向，在近軸處為凸面經反曲點後轉變為凹面、再轉變為凸面，為M型的面型；出射光學面1231與入射光學面1221構成近軸區為雙凸型的透鏡，其焦距為17.18mm。
本實施例中，發光二極體光分配透鏡12的入射端面1222為圓弧面，其半徑為-120mm、發光二極體光分配透鏡12的出射端面1232亦為圓弧面，其半徑為120mm。
發光二極體光分配透鏡12與光源裝置1的其他的技術特徵已載於先前的描述中，故於此不再贅述。於本實施例中，式(1)至(9)的計算結果如下：T z 0.9414
cos θ 0 0.7858
tan θ od ．tan θ e 0.192
tan θ id ．tan θ k 0.0308
藉由本實施例之發光二極體光分配透鏡12所構成的光源裝置1，發光二極體元件13係由COB製程之模組化發光二極體，設置於中心軸，模組化的發光二極體為圓形、尺寸直徑為9.6mm，發光二極體光分配透鏡12之透鏡底表面124所構成的平面直接與發光面131貼合；本實施例之光源 裝置1之最大有效角度約為148°，發出光型的光強度峰值的角度約為110°，由第14圖，光源裝置1在與光軸Z夾角為135°時，在距離該發光面中心O的相對無限遠處的光強度I 135°與光源裝置1在與光軸Z任一夾角處，在距離該發光面中心O的相對無限遠處的任一點光強度的最高值I max 之比值為76.47%。因此，本實施例的發光二極體光分配透鏡12及其光源裝置1滿足式(2)~(9)之條件。由於近光軸的焦距與第二實施例相當，但光軸上的厚度TZ較薄，近軸區的屈折力比第二實施例小，但出射光學面1231的曲率變化較大，使照明光束121在170~180°被抑制，除使135°處可維持較高的光強度外，也增加了135~180°的照明光束121。
<第四實施例>
請參考第15圖及第16圖，其分別為本發明之光源裝置1與發光二極體光分配透鏡12的實施例示意圖、極座標光強度分佈圖。
在本實施例中，發光二極體光分配透鏡12的光出射面1231係以自由曲面所設計為設計，其光軸上的曲率為10mm；光入出射面1221亦以自由曲面所設計，其光軸上的曲率為-100mm：下列表(五)列有本實施例中發光二極體光分配透鏡12及其光源裝置1的各項參數值：
本實施例中，發光二極體光分配透鏡12係由折射率(Nd)為1.4935的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材質所製成，在光軸Z上出射光學面1231於光束出射方向在近光軸處為凸面、向該出射端面1232方向經過反曲點後轉變為凹面，再經至少一個反曲點後轉變為凸面；入射光學面1221面向光束入射方向，在近軸處為凸面經反曲點後轉變為凹面、再轉變為凸面，為M型的面型；出射光學面1231與入射光學面1221構成近軸區為雙凸型的透鏡，其焦距為17.18mm。
本實施例中，發光二極體光分配透鏡12的入射端面1222為圓弧面，其半徑為-120mm、發光二極體光分配透鏡12的出射端面1232亦為圓弧面，其半徑為120mm。
發光二極體光分配透鏡12與光源裝置1的其他的技術特徵已載於先前的描述中，故於此不再贅述。於本實施例中，式(1)至(9)的計算結果如下：Tz 0.4648
cos θ 0 0.8410
tan θ od ．tan θ e 0.085
tan θ id ．tan θ k 0.0205
藉由本實施例之發光二極體光分配透鏡12所構成的光源裝置1，發光二極體元件13係由COB製程之模組化發光二極體，設置於中心軸，模組化的發光二極體為圓形、尺寸直徑為9.6mm，發光二極體光分配透鏡12之透鏡底表面124所構成的平面直接與發光面131貼合；本實施例之光源裝置1之最大有效角度約為150°，發出光型的光強度峰值約為80°及105°兩個峰值，由第16圖，光源裝置1在與光軸Z夾角為135°時，在距離該發光面中心O的相對無限遠處的光強度I 135°與光源裝置1在與光軸Z任一夾角處，在距離該發光面中心O的相對無限遠處的任一點光強度的最高值I max 之比值為72.5%。因此，本實施例的發光二極體光分配透鏡12及其光源裝置1滿足式(2)~(9)之條件；與第二實施例相較，光軸上的厚度TZ更薄，近軸區的屈折力比第二實施例更小，使0~45°的照明光束121更為分配至其他的角度，提高了在135°的光強度。
<第五實施例>
請參考第17圖，為本發明之發光二極體光分配透鏡 12的本實施例示意圖。在本實施例中，發光二極體光分配透鏡12的光入射面1221、光出射面1231、發光二極體元件13相同於第三實施例，發光二極體光分配透鏡12也由折射率(N d )為1.4935的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材質所製成，在光軸Z上出射光學面1231於光束出射方向在近光軸處為凸面、向該出射端面1232方向經過反曲點後轉變為凹面，再經反曲點後轉變為凸面；入射光學面1221面向光束入射方向，在近軸處為凸面經第一反曲點Pi1後轉變為凹面、再經反曲點後轉變為凸面；出射光學面1231與入射光學面1221構成近軸區為雙凸型的透鏡，其相關參數相同於表(四)。
本實施例中，為均光目的，特別是將第三實施例之在角度90°之後的照明光束121為更佳的控制與分配，於入射光學面1221在與光軸的夾角θ o1 至θ i1 之間設置有微結構光學面；如第17圖所示，θO1為出射光學面最低點Po1與發光面中心O連線與光軸Z的夾角、θ i1 為入射光學面第一反曲點Pi1與該發光面中心O連線與光軸Z的夾角。在本實施例之微結構光學面係為微溝槽列陣光學面的結構，於θ o1 至θ i1 之間形成一圈一圈狀的微溝槽，且由光軸向週邊的方向，微溝槽溝紋的深度逐漸加深。藉由在入射光學面1221設置的微結構光學面，可達更為均光的目的。對於不同的均光的角度範圍及效果，可在θ o1 至θ i1 之間的全部或者前段、中段或後段設置微結構光學面或者設置菲涅爾光學面。
<第六實施例>
請參考第18圖，為本發明之發光二極體光分配透鏡12的本實施例示意圖。在本實施例中，發光二極體光分配透鏡12的光入射面1221、光出射面1231、發光二極體元件13相同於第三實施例。
本實施例中，發光二極體光分配透鏡122的入射端面1222為圓弧面，其半徑為-120mm、在入射端面1222設有菲涅爾光學面。藉由在入射端面1222設置的菲涅爾光學面，可將出射於出射端面1232的照明光束121折向更大角度，使最大有效角度之角度可增加至155°以上、並可將在與光軸Z夾角為135°時的光強度I 135°至少增加5%以上。對於不同的運用及達成的光效，也可設置如細微的噴砂光學面、微溝槽列陣光學面、錐形列陣光學面以及微透鏡列陣光學面等微結構光學面。
<第七實施例>
請參考第19圖，為本發明之發光二極體光分配透鏡12的本實施例示意圖。在本實施例中，發光二極體光分配透鏡12的光入射面1221、光出射面1231、發光二極體元件13相同於第三實施例。
本實施例中，發光二極體光分配透鏡122的出射端面1232為圓弧面，其半徑為120mm、在出射端面1232由底部起算在2/3處設有菲涅爾光學面。藉由在出射端面1232設置的菲涅爾光學面，可將出射於出射端面1232的照明光束121均光化，降低I max 並提高在60°附近區域的光強度。對於不同的運用及達成的光效，也可設置如細微的噴砂光學面、微溝槽列陣光學面、錐形列陣光學面以及微透鏡列陣光學面等微結構光學面。
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
12‧‧‧發光二極體光分配透鏡
120‧‧‧光束
121‧‧‧照明光束
122‧‧‧光入射面
1221‧‧‧入射光學面
1222‧‧‧入射端面
123‧‧‧光出射面
1231‧‧‧出射光學面
1232‧‧‧出射端面
124‧‧‧透鏡底表面
13‧‧‧發光二極體元件
131‧‧‧發光面
2‧‧‧發光二極體球泡燈
14‧‧‧外罩
15‧‧‧基板
17‧‧‧散熱體
18‧‧‧接頭
9‧‧‧球泡燈
91‧‧‧LED晶片
92‧‧‧外罩
93‧‧‧複合透鏡
94‧‧‧E27接頭
931‧‧‧中央透鏡
932‧‧‧翼狀透鏡
933‧‧‧環柱空間
934‧‧‧環壁透鏡
d i ‧‧‧光軸上發光面中心至入射光學面的距離
d o ‧‧‧光軸上發光面中心至出射光學面的距離
d z ‧‧‧光軸上發光面中心至透鏡底表面之平面間的距離
f 1 ‧‧‧平行於光軸之光束在近光軸區所形成的焦距
H 31 ‧‧‧出射面最低點Po1至光軸的垂直距離
H 32 ‧‧‧出射光程變化點Po至光軸的垂直距離
H 33 ‧‧‧出射光學面上出射端面鄰接點Pic至光軸的垂直距離
h i ‧‧‧透鏡底表面至Pic的垂直高度
h o ‧‧‧透鏡底表面至POc的垂直高度
I 135°‧‧‧光源裝置在與光軸夾角為135°時在相對無限遠處的光強度
I max ‧‧‧光源裝置在與光軸任一夾角處在相對無限遠處的任一點光強度的最高值
L‧‧‧發光二極體的對角線長度
O‧‧‧發光面中心
Po‧‧‧出射光程變化點
P’o‧‧‧偏向出射光程變化點
Po1‧‧‧出射光學面最低點
Poc‧‧‧出射光學面與出射端面鄰接點
Pic‧‧‧入射光學面與入射端面鄰接點
Tz‧‧‧發光二極體光控制透鏡光軸上厚度
Wo‧‧‧發光二極體光控制透鏡在透鏡底表面平面上的外徑(半徑)
Wi‧‧‧發光二極體光控制透鏡在透鏡底表面平面上的內徑(半徑)
Z‧‧‧光軸
θ id ‧‧‧入射端面與透鏡底表面交點之切平面與平行於光軸直線的夾角
θ e ‧‧‧Poc至發光面中心連線與光軸的夾角
θk‧‧‧Pic至發光面中心連線與光軸的夾角
θ o ‧‧‧出射光程變化點Po至發光面中心O連線與光軸Z的夾角
θ' 0 ‧‧‧偏向出射光程變化點至發光面對角線邊緣連線與平行於光軸直線間的夾角
θ od ‧‧‧出射端面與透鏡底表面交點之切平面與平行於光軸直線的夾角
第1圖係為習知技藝之LED球泡燈光學透鏡之示意圖；第2圖係為本發明之發光二極體光分配透鏡之結構示意圖；第3圖係為本發明之發光二極體光分配透鏡之符號表示圖；第4圖係為本發明之光源裝置在近光軸處光路示意圖；第5圖係為本發明之發光二極體光分配透鏡之角度符號表示圖；第6圖係為本發明之發光二極體光分配透鏡之偏向出射光程變化點角度符號表示圖；第7圖係為本發明第一實施例之之光源裝置光軸光路示意圖；第8圖係為應用本發明光源裝置之發光二極體球泡燈示意圖一；第9圖係為應用本發明光源裝置之發光二極體球泡燈示意圖二；第10圖係為本發明第一實施例之發光二極體光分配透鏡光強度極坐標分佈示意圖；第11圖係為本發明第二實施例之發光二極體光分配透鏡示意圖；第12圖係為本發明第二實施例之發光二極體光分配透鏡光強度極坐標分佈示意圖；第13圖係為本發明第三實施例之發光二極體光分配透鏡示意圖；第14圖係為本發明第三實施例之發光二極體光分配透鏡光軸光路示意圖；第15圖係為本發明第四實施例之發光二極體光分配透鏡示意圖； 第16圖係為本發明第四實施例之發光二極體光分配透鏡光軸光路示意圖；第17圖係為本發明第五實施例之發光二極體光分配透鏡示意圖；第18圖係為本發明第六實施例之發光二極體光分配透鏡示意圖；以及第19圖係為本發明第七實施例之發光二極體光分配透鏡示意圖。
1‧‧‧光源裝置
12‧‧‧發光二極體光分配透鏡
120‧‧‧入射光束
121‧‧‧照明光束
122‧‧‧光入射面
1221‧‧‧入射光學面
1222‧‧‧入射端面
123‧‧‧光出射面
1231‧‧‧出射光學面
1232‧‧‧出射端面
124‧‧‧透鏡底表面
13‧‧‧發光二極體
131‧‧‧發光面
Z‧‧‧光軸
O‧‧‧發光面中心

Claims (12)

  1. 一種發光二極體光分配透鏡，適用於一光源裝置，該光源裝置包含一發光二極體元件及該發光二極體光分配透鏡，該發光二極體光分配透鏡係設置於該發光二極體元件的一發光面之上緣；該發光二極體光分配透鏡為軸對稱且對稱於該發光二極體元件的一光軸，包括一光入射面、一光出射面與一透鏡底表面，該透鏡底表面係自該光入射面延伸出並與該光出射面相接；該光出射面包含一出射光學面及一出射端面，該出射端面鄰接於該透鏡底表面與該出射光學面；該出射光學面係為非球面或自由曲面其一，該出射光學面於光束出射方向在近光軸處為凸面、向該出射端面方向起算經反曲點後轉變為凹面、再經反曲點後轉變為凸面；該出射光學面並包含一第一出射光學作用區及一第二出射光學作用區，該第一出射光學作用區係設置於該出射光學面的近光軸、該第二出射光學作用區係連接該第一出射光學作用區與該出射端面，該第一出射光學作用區與該第二出射光學作用區鄰接點為一出射光程變化點，自該發光二極體元件的該發光面中心發出的光束於該第一出射光學作用區形成折射而射出該光出射面、於該第二出射光學作用區產生全反射；該光入射面包含一入射光學面及一入射端面，該入射端面係鄰接於該透鏡底表面與該入射光學面；該入射光學面面向光束入射方向在近軸處為凸面或平面之一，經一第一反曲點後轉變為凹面，再經一反曲點後轉變為凸面；該發光二極體光分配透鏡滿足下列條件： 其中，f 1 為該發光二極體元件在該發光面發出平行於該光軸之光束在近光軸區所形成的焦距，其中，d i 為光軸上該發光二極體元件的該發光面中心至該入射光學面的距離，d o 為光軸上該發光二極體元件的該發光面中心至該出射光學面的距離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體光分配透鏡，其中該出射光程變化點滿足下列條件： 其中，θ 0 為該出射光程變化點至該發光二極體元件的該發光面中心的連線與該光軸間的夾角。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體光分配透鏡，其中該出射端面為平滑圓弧面或平面兩者之一或其組合、該入射端面為平滑圓弧面或平面兩者之一或其組合，且滿足下列條件： 其中，θ od 為該出射端面與該透鏡底表面鄰接點之切平面與平行於該光軸直線的夾角；θ id 為該入射端面與該透鏡底表面鄰接點之切平面與平行於該光軸直線的夾角；θ e 為該出射光學面與該出射端面鄰接點至該發光二極體元件的該發光面中心連線與該光軸的夾角；θ k 為該入射光學面與該入射端面鄰接點至該發光面中心連線與該光軸的夾角。
    3.如申請專利範圍第1項所述的發光二極體光分配透鏡，其中自該發光二極體元件的該發光面中心發出的光束於該出射端面之一部份產生全反射。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體光分配透鏡，其中至少於該入射端面之一部份或於該出射端面之一部 份設置有菲涅爾光學面(fresnel optical surface)或微結構光學面(micro-structure optical surface)兩者之一或其組合。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體光分配透鏡，其中於該入射光學面之一部份設置有菲涅爾光學面或微結構光學面兩者之一或其組合，設置的範圍係介於與光軸的夾角θ o1 至θ i1 之間的全部或其一部份兩者之一；其中，θ o1 為出射光學面最低點與該發光面中心連線與該光軸的夾角、θ i1 為入射光學面該第一反曲點與該發光面中心連線與該光軸的夾角。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體光分配透鏡，其中該發光二極體光分配透鏡更滿足以下條件： 其中，H 31 為該出射光學面之凹面最低點至該光軸的垂直距離，H 32 為該出射光程變化點至該光軸的垂直距離，H 33 為該出射光學面上該出射端面鄰接點於該光軸方向的垂直距離。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體光分配透鏡，其中該發光二極體光分配透鏡更滿足以下條件： 其中，θ e 為該出射光學面與該出射端面鄰接點至該發光二極體元件的該發光面中心連線與該光軸的夾角；θ k 為該入射光學面與該入射端面鄰接點至該發光面中心連線與該光軸的夾角。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體光分配透鏡，其中該出射光學面進一步包含一偏向出射光程變化點， 自該發光二極體元件的該發光面對角線邊緣發出的光束，由平行於光軸的光束起算，於該偏向出射光程變化點開始產生全反射，滿足以下條件： 其中，θ' 0 為該偏向出射光程變化點至該發光二極體元件的該發光面對角線邊緣連線與平行於該光軸直線間的夾角，θ 0 為該出射光程變化點至該發光二極體元件的該發光面中心的連線與該光軸間的夾角，H 32 為該出射光程變化點至該光軸的垂直距離，d i 為光軸上該發光二極體元件的該發光面中心至該入射光學面的距離，d o 為光軸上該發光二極體元件的該發光面中心至該出射光學面的距離，N d 為該發光二極體光分配透鏡的折射率。
  9. 一種光源裝置，包含：一發光二極體元件，具有一發光面，用以發出一光束；以及一如申請專利範圍第1項至第9項之任一項所述之發光二極體光分配透鏡，其係設置於該發光二極體元件的該發光面之上緣；該發光二極體光分配透鏡包含一光入射面、一光出射面與一透鏡底表面，該透鏡底表面係自該光入射面延伸出並與該光出射面相接；其中，發光二極體元件係以該光源裝置的一光軸為中心，發光二極體元件發出的光束經由該發光二極體光分配透鏡的一照明光束，滿足下列條件： 其中，I 135°為該光源裝置在與光軸夾角為135°時，在距離該發光面中心的相對無限遠處的光強度；I max 為該光源裝置在與光軸任一夾角處，在距離該發光面中心的相對 無限遠處的任一點光強度的最高值。
  10. 如申請專利範圍第10項所述的光源裝置，其中該發光二極體元件為複數個發光二極體所組成，該發光二極體元件的該發光面係由各該發光二極體的發光面及其間隙所組合而成。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的光源裝置，其中該發光二極體光分配透鏡之該透鏡底表面所處的平面係與該發光二極體元件的該發光面所處的平面間具有一間距。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的光源裝置，其中該發光二極體元件發出的該光束係先經過低折射率的一介質，再入射至該發光二極體光分配透鏡，其中該介質係指折射率較該發光二極體光分配透鏡的折射率低的介質。
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