TW201527856A - 照明裝置及應用此照明裝置之攝影裝置 - Google Patents

照明裝置及應用此照明裝置之攝影裝置 Download PDF

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Abstract

一種照明裝置包含一光源及一反射杯。光源具有一光軸。光源用以發出一第一光束及一第二光束。第一光束與光軸之夾角異於第二光束與光軸之夾角，且第一光束之光強度大於第二光束之光強度。反射杯具有一穿槽及形成穿槽的多個反射曲面。光源位於穿槽，每一反射曲面具有相異斜率之第一反射段及第二反射段。第一光束透過第一反射段反射至較遠離光源之光軸的一離軸區。第二光束透過第二反射段反射至較靠近光源之光軸的一近軸區，以令照明裝置所發出之光線於離軸區內之光強度大於照明裝置所發出之光線於近軸區內之光強度。

Description

照明裝置及應用此照明裝置之攝影裝置
本發明係關於一種照明裝置，特別是一種具有反射杯的照明裝置及應用此照明裝置之攝影裝置。
監視攝影機用途十分廣泛，舉凡安裝在工廠廠房、宿舍、商店、大樓或社區住宅出入口、通道等需監視的場合或人跡罕至之隱密處，均可藉由監視攝影機即時錄下當時狀況，以供日後追查、存證等用途。藉此可嚇阻不肖份子，使不肖份子不敢進行不法行為，進而避免危害治安的事情發生。
一般監視攝影機會內建輔助光源(例如：可見光之發光二極體或紅外光之發光二極體等)，以令監視攝影機能夠在光源不充足的場合(室內、夜間場所)進行監控。然而，輔助光源普遍存在光強度不均勻的問題，也就是說輔助光源在中央處的光強度遠大於邊緣處之光強度而造成攝影機無法清楚拍攝位在邊緣處之拍攝物體。業者一般會在光源前加設透鏡來解決光強度不均勻的問題，使輔助光源投射出的光線能夠藉由透鏡的折射而盡可能讓攝影機拍攝的畫面達到光線均勻。然而，由於透鏡的製作成本較高，故會使監視攝影機的成本增加而降低市場優勢；除此之外，透鏡經過一段時間的使用後，會產生令人詬病的黃化現象而造成光衰的問題。
再者，輔助光源投射之光線的照射範圍、形狀和比例無法匹配於攝影機之感光元件的成像面之形狀與比例，而會進一步造成影像曝光不均勻的問題。
因此，如何改善光場強度不均勻及攝影裝置影像曝光不均勻的問題，且又能夠降低攝影裝置的製造成本將是設計人員應解決的問題之一。
本發明在於提供一種照明裝置及應用此照明裝置之攝影裝置，藉以改善光場強度不均勻及攝影裝置影像曝光不均勻的問題，且又能夠降低攝影裝置的製造成本。
本發明所揭露的照明裝置，包含一光源及一反射杯。光源具有一光軸。光源用以發出一第一光束及一第二光束。第一光束與光軸之夾角異於第二光束與光軸之夾角，且第一光束之光強度大於第二光束之光強度。反射杯具有一穿槽及形成穿槽的多個反射曲面。光源位於穿槽，且反射杯之這些反射曲面環繞光源，每一反射曲面具有相異斜率之一第一反射段及一第二反射段。第一光束透過第一反射段反射至較遠離光源之光軸的一離軸區。第二光束透過第二反射段反射至較靠近光源之光軸的一近軸區，以令照明裝置所發出之光線於離軸區內之光強度大於照明裝置所發出之光線於近軸區內之光強度。
本發明之另一實施例所揭露的照明裝置，包含一光源及一反射杯。光源具有一光軸。光源用以發出一第一光束及一第二光束。第一光束與光軸之夾角異於第二光束與光軸之夾角，且第一光束之光強度大於 第二光束之光強度。反射杯具有一穿槽及形成穿槽的多個反射曲面。光源位於穿槽，且反射杯之這些反射曲面環繞光源，每一反射曲面具有相異斜率之一第一反射段及一第二反射段。第一光束透過第一反射段反射至較遠離光源之光軸的一離軸區，第二光束透過第二反射段反射至離軸區，以令照明裝置所發出之光線於離軸區內之光強度大於照明裝置所發出之光線於近軸區內之光強度。
本發明又一實施例所揭露的攝影裝置，包含上述發明之照明裝置。照明裝置具有對應光源之一被照面，其中該光軸貫穿該被照面，且於該被照面上形成該近軸區及該離軸區。影像擷取元件鄰近於照明裝置，且影像擷取元件用以擷取被照面上之影像。
根據上述本發明所揭露的照明裝置及應用此照明裝置之攝影裝置，因反射曲面反射光源之部分光束，使最後照射於被照面之光強度分佈變成蝙蝠翼型，進而讓最後照射於被照面之光場強度均勻化。
此外，由於本案係利用反射的原理來調整光強度分佈，並無需透過高製作成本之透鏡，故能有效降低照明裝置及應用此照明裝置之攝影裝置之製造成本。
以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。
10‧‧‧攝影裝置
20‧‧‧被照面
100‧‧‧影像擷取元件
200‧‧‧照明裝置
210‧‧‧光源
220‧‧‧反射杯
221‧‧‧反射曲面
221a‧‧‧第一反射段
221b‧‧‧第二反射段
222‧‧‧穿槽
223‧‧‧開口
A1‧‧‧近軸區
A2‧‧‧離軸區
L‧‧‧光軸
L1‧‧‧第一光束
L2‧‧‧第二光束
Li‧‧‧各光束
t1‧‧‧第一反射段之切線
t2‧‧‧第二反射段之切線
t‧‧‧反射段之切線
N‧‧‧反射段之法線
θ 1‧‧‧各光束與x軸間的夾角
θ p‧‧‧反射後之各光束與x軸間之較靠近光源側之夾角
第1圖為根據本發明第一實施例的攝影裝置的剖面示意圖。
第2圖為第1圖之光源的光強度分佈示意圖。
第3圖為第1圖之照明裝置的剖面示意圖。
第4圖為第3圖之侷部放大圖。
第5圖為第3圖之反射杯之立體示意圖。
第6圖為第1圖之照明裝置照射於一被照面的剖面示意圖。
第7圖為第1圖之光源經反射杯反射後的光強度分佈示意圖。
第8圖為根據本發明第二實施例的照明裝置照射於一被照面的剖面示意圖。
第9圖為根據本發明第三實施例的照明裝置照射於一被照面的剖面示意圖。
請參照第1圖至第2圖，第1圖為根據本發明第一實施例的攝影裝置的剖面示意圖。第2圖為第1圖之光源的光強度分佈示意圖。
本實施例之攝影裝置10以監視器為例，但並不以此為限，在其他實施例中，攝影裝置10也可以是單眼相機等攝影器材。其中，攝影裝置10包含一影像擷取元件100及至少一照明裝置200。影像擷取元件100例如為攝影鏡頭。
請參照第3圖至第5圖，第3圖為第1圖之照明裝置的剖面示意圖。第4圖為第3圖之侷部放大圖。第5圖為第3圖之反射杯之立體示意圖。
照明裝置200包含一光源210及一反射杯220。光源210例如為一紅外線發光二極體或可見光發光二極體。光源210具有一光軸L。光 軸L為光源210出光面之中心線。本實施例之光源210的光強度分佈圖(如第2圖所示)為朗伯(Lambertian)光型。也就是說，於光軸L處之光束的光強度最大(如第3圖中0度處指示)，而離光軸L越遠的光束的強度越小。為了方便描述，以下將以光源210所發射出之一第一光束L1及一第二光束L2進行說明。第一光束L1與光軸L之夾角小於第二光束L2與光軸L之夾角，且第一光束L1之光強度大於第二光束L2之光強度。
反射杯220具有一穿槽222及形成穿槽222的多個反射曲面221。反射杯220具有對應穿槽222之一開口223，而穿槽222之橫切面的形狀及開口223的形狀皆為矩形。光源210位於反射杯220之穿槽222內，且反射杯220的多個反射曲面221環繞光源210。本實施例之反射曲面221係依疊代法形成，疊代法之公式如下：
m 1=tan(θ 1) (3)
其中，xA、yA：光源210之中心點(A點)的座標，xB (0)、yB (0)：反射曲面221之第一疊代點(B0點)的座標，xB (1)、yB (1)：反射曲面221第二疊代點(B1點)的座標，θ 1：各光束與x軸間的夾角，θ p：反射後之各光束與x軸間之較靠近光源210側之夾角，m1：各光束之斜率，m2：反射曲面221之各點的切線t之斜率。
以下將舉例說明本發明如何疊代出反射曲面221，如第3圖與第4圖所示，首先，假設光源210中心點A位於平面座標系之原點。並依據預計形成之光強度分佈(如第7圖所示之蝙蝠翼型)及上述疊代公式疊代出反射曲面221之各點座標。詳細來說，假設當離光軸L較近之區域的光強度需求較小，則設定將符合該區光通量之強度較小光束(以發射角度θ 1之光束為例)反射至離光軸L較近的區域(以反射光束和光軸保持一角度θ 2為例)，以及當離光軸L較近之區域之光強度需求較大，則設定將符合該區光通量強度較大光束(以發射角度θ 3之光束為例)反射至離光軸L較遠的區域(以反射光束和光軸保持一角度θ 4為20度為例)。最後，自定第一疊代點B0的座標(xB0，yB0)，第一疊代點B0的座標(xB0，yB0)取決於反射杯220的寬度，因此為已知。並將第一疊代點B0之座標(xB0，yB0)及上述條件(xA=0，yA=0，m1=tan θ 1，m2=tan θ 5，θ 5=90°-[(90°-θ 2+θ 1)/2-θ 1])代入上述疊代公式(1)、(2)可求得第二疊代點B1之座標(xB1，yB1)，接著，再進一步將第二疊代點B1之座標(xB1，yB1)及上述條件(xA=0，yA=0，m1=tan θ 3，m2=tan θ 6，θ 6=90°-[(90°-θ 4+θ 2)/2-θ 2])代入上述疊代公式(1)、(2)可求得第三疊代點B2之座標(xB2，yB2)。重覆上述步驟即可疊代出反射曲面221之各點座標。
值得注意的是，上述疊代法係依據光源210之光形來決定反射曲面221的形狀，也就是說，反射曲面221上各反射段之斜率並非固定。舉例來說，搭配本實施例之光源210時，疊代出之反射曲面221的各反射段之斜率係自靠近光源210之一側朝遠離光源210之一側漸增。
請參閱第6圖與第7圖。第6圖為第1圖之照明裝置照射於一被照面的剖面示意圖。第7圖為第1圖之光源經反射杯反射後的光強度 分佈示意圖。
如第6圖所示，上述之照明裝置200照射於一被照面20，被照面20為一平面。光源210之光軸L貫穿被照面20，而被照面20依據離光軸L之距離區分為一近軸區A1及至少一離軸區A2。進一步來說，相較之下，離軸區A2離光軸L較遠，而近軸區A1離光軸L較近，且近軸區A1內之被照面20至光源210的距離小於離軸區A2內之被照面20至光源210的距離。
再者，依據上述疊代法所形成之每一反射曲面221具有相異斜率之多個反射段。然為了方便說明僅取其中兩反射段作為說明。反射曲面221具有相異斜率之一第一反射段221a及一第二反射段221b。此處之相異斜率係指第一反射段221a之切線t1的斜率與第二反射段221b之切線t2的斜率相異。光強度較強之第一光束L1透過第一反射段221a反射至較遠離光源210之光軸L的一離軸區A2，且光強度較弱之第二光束L2透過第二反射段221b反射至較靠近光源210之光軸L的一近軸區A1，以令照明裝置200所發出之光線於離軸區A2內之光通量的強度大於照明裝置200所發出之光線於近軸區A1內之光通量的強度。也就是說，經反射杯220之反射曲面221反射後，光源210之光強度分佈圖由朗伯(Lambertian)光型(如第2圖所示)變成蝙蝠翼型(如第7圖所示)。
詳細來說，反射杯220將光源210照射於被照面20上之強度分佈改變成近軸區A1之光束的光強度小於離軸區A2之光束的光強度。舉例來說，經由反射杯220的反射，照明裝置200會於近軸區A1內形成一第三光束及於離軸區A2內內形成一第四光束。第三光束與光軸L共軸，而 第三光束之強度如第7圖中0度所示(約60百分比(%))。第四光束與光軸L具有一夾角，而第四光束之強度如第7圖中0度至正負90度間所示(約0百分比(%)至90百分比(%))。以令第四光束之光強度與第三光束之光強度的比 值關係呈現約為。並且，由於光源210至被照面20之離軸區A2的距 離與光源210至被照面20之近軸區A1的距離的比值亦接近，故在距 離較遠之離軸區A2(光通量強度需求較大之區域)提供光強度較大之光束，且在距離較近之近軸區A1(光通量強度需求較小之區域)提供光強度較小之光束。如此一來，將有助於使最後照射於被照面20之光場強度均勻化。
此外，由於反射杯220之穿槽222之橫切面的形狀及開口223的形狀皆為矩形，且透過反射區面221的設計可以改變光源210產生之光束的方向，故最後被照面20上被照明的區域亦會呈現均勻為矩形。由於感光元件的的成像面的形狀同為矩形，故被照明的區域的形狀能與感光元件的的成像面的形狀相匹配有助於改善影像曝光不均勻的問題。
上述之反射杯220係依據光源210之光強度分佈圖形成反射曲面221，以藉由反射曲面221將部分光束反射之近軸區A1以及將部分光束反射至離軸區A2而讓最後照射於被照面20之光束的光強度分佈變成蝙蝠翼型，但並不以此為限。請參閱第8圖。第8圖為根據本發明第二實施例的照明裝置照射於一被照面的剖面示意圖。本實施例與上述第1圖之實施例相似，故僅針對相異處進行說明。
本實施例之反射杯220之反射曲面221同樣係依上述疊代法形成。其差異在於本實施例所搭配之光源210的光強度分佈係較第1圖之實 施例之光源210更集中於被照面20之近軸區A1。在這種狀況下，由於近軸區A1與離軸區A2之光強度差異度更大，因此，必需讓所有經反射曲面221反射之光束皆反射至被照面20之離軸區A2，才能讓最後照射於被照面20之光強度變成蝙蝠翼型，進而讓最後照射於被照面20之光場強度均勻化。
舉例來說，如第8圖所示，光源210未經反射之光束直接照射至被照面20之近軸區A1，而經反射曲面221反射之第一光束L1與第二光束L2則透過反射曲面221反射至被照面20之離軸區A2，以令最後照射於被照面20之光通量的強度分佈均勻。
請參閱第8圖與第9圖。第9圖為根據本發明第三實施例的照明裝置照射於一被照面的剖面示意圖。本實施例與上述第8圖之實施例相似，故僅針對相異處進行說明。
本實施例與上述第8圖之實施例的差異在於，上述第8圖之實施例之反射杯220之反射曲面221的斜率較大，使得光源之210所射出之光線經反射曲面221反射至對側的離軸區A2，如第8圖所示之第一光束L1與第二光束L2分別經由第一反射段221a及一第二反射段221b反射至光軸L對側的被照面20之離軸區A2。本實施例之反射杯220之反射曲面221的斜率較小，使得光源之210所射出之光線經反射曲面221反射至反射曲面221同側的離軸區A2(如第9圖所示)。雖然上述兩個實施例的光的反射方向不同，但其反射的原理及相關的公式皆相同，在此不再贅述。
根據上述本發明所揭露的照明裝置及應用此照明裝置之攝影裝置，因反射曲面反射光源之部分光束，使最後照射於被照面之光束的光強度分佈變成蝙蝠翼型，進而讓最後照射於被照面之光場強度均勻化。
再者，由於反射杯之穿槽之橫切面的形狀及開口的形狀皆為匹配於感光元件的的成像面的形狀的矩形，故有助於改善影像曝光不均勻的問題。
此外，由於本案係利用反射的原理來調整光強度分佈，並無需透過高製作成本之透鏡，故能有效降低攝影裝置或照明裝置之製造成本。
雖然本發明的實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述的形狀、構造、特徵及數量當可做些許的變更，因此本發明的專利保護範圍須視本說明書所附的申請專利範圍所界定者為準。
20‧‧‧被照面
210‧‧‧光源
220‧‧‧反射杯
221‧‧‧反射曲面
221a‧‧‧第一反射段
221b‧‧‧第二反射段
222‧‧‧穿槽
223‧‧‧開口
A1‧‧‧近軸區
A2‧‧‧離軸區
L‧‧‧光軸
L1‧‧‧第一光束
L2‧‧‧第二光束
t1‧‧‧第一反射段之切線
t2‧‧‧第二反射段之切線

Claims (16)

  1. 一種照明裝置，包含：一光源，具有一光軸，該光源用以發出一第一光束及一第二光束，該第一光束與該光軸之夾角異於該第二光束與該光軸之夾角，且該第一光束之光強度大於該第二光束之光強度；以及一反射杯，具有一穿槽及形成該穿槽的多個反射曲面，該光源位於該穿槽，且該反射杯之該些反射曲面環繞該光源，每一該反射曲面具有相異斜率之一第一反射段及一第二反射段，該第一光束透過該第一反射段反射至較遠離該光源之該光軸的一離軸區，該第二光束透過該第二反射段反射至較靠近該光源之該光軸的一近軸區，以令該照明裝置所發出之光束於該離軸區內之光強度大於該照明裝置所發出之光束於該近軸區內之光強度。
  2. 如請求項1所述之照明裝置，其中該反射曲面具有多個反射段，該些反射段之斜率自靠近該光源之一側朝遠離該光源之一側漸增。
  3. 如請求項1所述之照明裝置，其中該反射曲面依疊代法形成，該疊代法之公式如下： 其中，xA、yA：該光源之座標，xB (0)、yB (0)：該反射曲面之第一點的座標，xB (1)、yB (1)：該反射曲面第二點的座標，m1：各該光束之斜率，m2：該反射曲面之各點的切線斜率。
  4. 如請求項3所述之照明裝置，其中該疊代法中之該反射曲面的斜率公式如下：m 1=tan(θ 1) (3) 其中，θ 1：各該光束與x軸間的夾角，θ p：反射後之各該光束與x軸間之較靠近光源側之夾角，m1：各該光束之斜率，m2：該反射曲面之各點的切線斜率。
  5. 如請求項1所述之照明裝置，更於該近軸區內形成一第三光束及於該離軸區內形成一第四光束，該第三光束與該光軸共軸，該第四光束與該光軸具有一夾角，該第四光束之光強度與該第三光束之光強度的比值為 ，其中θ為該夾角。
  6. 如請求項1所述之照明裝置，其中該反射杯具有對應該穿槽之一開口，該穿槽之橫切面的形狀及該開口的形狀為矩形。
  7. 如請求項1所述之照明裝置，更具有對應該光源之一被照面，該光源之該光軸貫穿該被照面，且該近軸區內之該被照面至該光源的距離小於該離軸區內之該被照面至該光源的距離。
  8. 如請求項7所述之照明裝置，其中該被照面為一平面。
  9. 如請求項1所述之照明裝置，其中該光源為一紅外線發光二極體。
  10. 一種照明裝置，包含：一光源，具有一光軸，該光源用以發出一第一光束及一第二光束，該第一光束與該光軸之夾角異於該第二光束與該光軸之夾角，且該第一 光束之光強度大於該第二光束之光強度；以及一反射杯，具有一穿槽及形成該穿槽的多個反射曲面，該光源位於該穿槽，且該反射杯之該些反射曲面環繞該光源，每一該反射曲面具有相異斜率之一第一反射段及一第二反射段，該第一光束透過該第一反射段反射至較遠離該光源之該光軸的一離軸區，該第二光束透過該第二反射段反射至該離軸區，以令該照明裝置所發出之光束於該離軸區內之光強度大於該照明裝置所發出之光束於該近軸區內之光強度。
  11. 如請求項10所述之照明裝置，其中該些反射曲面之斜率自靠近該光源之一側朝遠離該光源之一側漸增。
  12. 如請求項10所述之照明裝置，其中該反射曲面依疊代法形成，該疊代法之公式如下： 其中，xA、yA：該光源之座標，xB (0)、yB (0)：該反射曲面之第一點的座標，xB (1)、yB (1)：該反射曲面第二點的座標，m1：各該光束之斜率，m2：該反射曲面之各點的切線斜率。
  13. 如請求項12所述之照明裝置，其中該疊代法中之該反射曲面的斜率公式如下：m 1=tan(θ 1) (3) 其中，θ 1；各該光束與x軸間的夾角，θ p：反射後之各該光束與x軸間之較靠近光源側之夾角，m1：各該光束之斜率，m2：該反射曲面之各點的切線斜率。
  14. 如請求項10所述之照明裝置，其中更於該近軸區內形成一第三光束及於該離軸區內形成一第四光束，該第三光束與該光軸共軸，該第四光束與該光軸具有一夾角，該第四光束之光強度與該第三光束之光強度的比 值為，其中θ為該夾角。
  15. 如請求項10所述之照明裝置，其中該反射杯具有對應該穿槽之一開口，該些穿槽之橫切面的形狀及該開口的形狀為矩形。
  16. 一種攝影裝置，包含：一如請求項1或10所述之照明裝置，該照明裝置具有對應該光源之一被照面，其中該光軸貫穿該被照面，且於該被照面上形成該近軸區及該離軸區；以及一影像擷取元件，鄰近於該照明裝置，且該影像擷取元件用以擷取該被照面上之影像。
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