TW201530044A - 具光色混合腔之高光束準直性發光模組 - Google Patents

Abstract

一種具光色混合腔之高光束準直性發光模組包含燈座、光源組件、光學透鏡與反射杯。光源組件位於燈座上。光學透鏡覆蓋光源組件。光學透鏡包含第一出光部、入光部與第二出光部。第一出光部內凹形成圓環形凹面，且凹面之非球面曲率由光學透鏡的中心往外側逐漸減小。反射杯圍繞光學透鏡。當光源組件發光時，凹面折射光源組件之偏藍白光與偏黃白光，接著由反射杯反射偏藍白光與偏黃白光，使得偏藍白光與偏黃白光進行多次混光且經反射杯反射而匯聚朝同一方向發出白光。因此，可讓發光模組在高準直性的光學設計中能同時維持較高的光色均勻表現。

Description

具光色混合腔之高光束準直性發光模組

本發明是有關一種發光模組，且特別是有關一種具光色混合腔之高光束準直性發光模組。

在日常生活中，照明設備為不可或缺的重要工具。現有的照明設備多半以傳統燈泡或燈管作為光源。在這些燈管或燈泡中，較為常見的有日光燈管、鎢絲燈泡與鹵素燈泡。由於傳統鎢絲燈泡發光時需消耗大量的電能，因此近年來應用發光二極體(Light-Emitting Diode；LED)為光源的照明設備已越來越受歡迎。LED光源與鎢絲燈泡相較，具有壽命長、耗電量低、耐震、亮度高等優點。此外，LED光源可由藍色發光晶片覆蓋黃色螢光粉製作，當藍色發光晶片發光時，藍光進入黃色螢光粉並將其激發，使得LED光源中心晶片較密集區域易發出偏藍白的光線而外圍晶片較少之區域易發出偏黃白的光線，尤其以集成式之LED封裝類型更為明顯。

習知以LED作為光源的燈具可由燈座與光源組 成，並選擇性加上反射杯或透鏡，例如手電筒、路燈、車燈等照明設備。若燈具以燈座、光源與反射杯組成時，雖能提將光源的光線由反射杯反射，提升光束準直性，但並無法解決LED光源中央偏藍白光而外圍偏黃白光的現象，導致光色均勻性不佳。此外，若燈具以燈座、光源與透鏡組成時，雖能利用透鏡或反射杯之微結構設計散射中央偏藍白與外圍偏黃白的光線，提升光色均勻性，但燈具的光線會因散射而發散，導致光束準直性不佳。

也就是說，習知LED燈具難以同步提升光色均勻性與光束準直性，使得燈具的光學表現受到侷限，無法滿足消費者需求。

本發明之一技術態樣為一種具光色混合腔之高光束準直性發光模組。

根據本發明一實施方式，一種發光模組包含燈座、光源組件、光學透鏡與反射杯。光源組件位於燈座上。光學透鏡覆蓋光源組件。光學透鏡包含第一出光部、入光部與第二出光部。第一出光部內凹形成圓環形凹面。凹面之非球面曲率由光學透鏡的中心往外側逐漸減小。入光部內凹形成圓環形之容置空間，用以容置光源組件。第二出光部為側面，位於第一出光部與入光部之間。側面之一端與第一出光部相連接，側面之另一端與入光部相連接。反射杯圍繞光學透鏡。反射杯為具有第一開口及第二開口之中 空結構。第一開口口徑大於第二開口。光學透鏡由反射杯之第二開口中穿出。當光源組件發光時，光源組件發出第一顏色光與圍繞第一顏色光的第二顏色光。凹面折射第一顏色光與第二顏色光，使得第一顏色光與第二顏色光進行一次混光。反射杯反射凹面折射的第二顏色光，使得反射杯反射的第二顏色光與凹面折射的第一顏色光進行二次混光甚至多次以上之混光。

在本發明一實施方式中，上述凹面具有第一非球面曲率之第一曲面以及第二非球面曲率之第二曲面，且第一曲面的一端係與第二曲面的一端相連接。第一非球面曲率與第二非球面曲率由光學透鏡的中心往外側逐漸減小。

在本發明一實施方式中，上述光源組件為發光二極體或有機發光二極體。

在本發明一實施方式中，上述第一顏色光為偏藍白光，第二顏色光為偏黃白光。

在本發明一實施方式中，上述第一顏色光與第二顏色光的一次混光位置位於光學透鏡中。

在本發明一實施方式中，上述第一顏色光與第二顏色光的二次混光位置位於光學透鏡與反射杯之間。

在本發明一實施方式中，上述凹面折射第一顏色光的非球面曲率大於凹面折射第二顏色光的非球面曲率。

在本發明一實施方式中，上述光學透鏡之凹面具有端點。端點位於該光學透鏡軸線處並正對光源組件，且端點與光源組件間具有間距。

在本發明一實施方式中，上述入光部朝向第一出光部內凹，且第一出光部朝向入光部內凹。

在本發明一實施方式中，上述凹面折射的第一顏色光由反射杯的第一反射位置反射，凹面折射的第二顏色光由反射杯的第二反射位置反射，且第一反射位置與光學透鏡之軸線間的距離大於第二反射位置與光學透鏡之軸線間的距離。

在本發明上述實施方式中，由於凹面具有由光學透鏡的中心往外側逐漸減小的非球面曲率，因此當光源組件發光時，光源組件發出的第一顏色光(例如偏藍白光)與第二顏色光(例如偏黃白光)可先由凹面折射至反射杯，使得第一顏色光與第二顏色光可先進行一次混光。接著，由凹面折射的第二顏色光可由反射杯反射，使得反射杯反射的第二顏色光與凹面折射的第一顏色光進行二次混光。也就是說，本案之發光模組係利用光學透鏡與反射杯的搭配性設計，使第一顏色光與第二顏色光於發光模組中進行多次混光後，經反射杯反射而匯聚朝同一方向出光。因此，本發明之具光色混合腔之高光束準直性發光模組可同步提升光色均勻性與光束準直性。

100‧‧‧發光模組

110‧‧‧燈座

112‧‧‧散熱片

120‧‧‧光源組件

122‧‧‧基板

124‧‧‧發光晶片

126‧‧‧封裝膠

130‧‧‧光學透鏡

131‧‧‧第一曲面

133‧‧‧第二曲面

132‧‧‧凹面

134‧‧‧第一出光部

136‧‧‧入光部

137‧‧‧容置空間

138‧‧‧第二出光部(側面)

140‧‧‧反射杯

142‧‧‧第一開口

144‧‧‧第二開口

2-2‧‧‧線段

D‧‧‧方向

H‧‧‧間距

L‧‧‧軸線

L1‧‧‧第一顏色光

L2‧‧‧第二顏色光

P‧‧‧端點

R1‧‧‧一次混光位置

R2‧‧‧二次混光位置

R3‧‧‧第一反射位置

R4‧‧‧第二反射位置

第1圖繪示根據本發明一實施方式之具光色混合腔之高光束準直性發光模組的立體圖。

第2圖繪示第1圖之發光模組沿線段2-2的剖面圖。

第3圖繪示第2圖之發光模組的局部放大圖。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

在本文中，所謂「光束準直性」可意指當發光模組發光時，光線集中的程度，也就是光線朝同方向出光的能力。

在本文中，所謂「光色均勻性」意指當發光模組發光時，LED光源組件所發出靠中心區域之第一顏色光(例如偏藍白光)與靠外側區域之第二顏色光(例如偏黃白光)在發光模組中的光色混合程度。

第1圖繪示根據本發明一實施方式之具光色混合腔之高光束準直性發光模組100的立體圖。第2圖繪示第1圖之發光模組100沿線段2-2的剖面圖。同時參閱第1圖與第2圖，發光模組100包含燈座110、光源組件120、光學透鏡130與反射杯140。其中，光源組件120位於燈座110上。光學透鏡130覆蓋光源組件120。光學透鏡130包含第一出光部134、入光部136與第二出光部138。其中， 第一出光部134內凹形成圓環形凹面132，且凹面132具有由光學透鏡130的中心往外側逐漸減小的非球面曲率。此凹面132可稱為全內反射(Total Internal Reflection；TIR)面。凹面132可由複數個具非球面曲率的曲面組成，且曲面的數量並不用以限制本發明。舉例來說，在本實施方式中，凹面132具有第一非球面曲率之第一曲面131以及第二非球面曲率之第二曲面133，且第一曲面131的一端係與第二曲面133的一端相連接。第一非球面曲率131與第二非球面曲率133由光學透鏡130的中心往外側逐漸減小。

入光部136內凹形成圓環形之容置空間137，用以容置光源組件120。第二出光部138為側面，位於第一出光部134與入光部136之間。側面138之一端與第一出光部134相連接，側面138之另一端與入光部136相連接。此外，入光部136朝向第一出光部134內凹，且第一出光部134朝向入光部136內凹。

光學透鏡130的材質可以包含玻璃或塑膠，但並不用以限制本發明。反射杯140圍繞光學透鏡130。反射杯140為具有第一開口142及第二開口144之中空結構。第一開口142的口徑大於第二開口144的口徑。光學透鏡130由反射杯140之該第二開口144中穿出。

光源組件120可以為發光二極體(Light Emitting Diode；LED)或有機發光二極體。光源組件120可電性連接外部電源並提供電流至發光晶片124。當光源組件120發光時，光源組件120所發出的光線可由光學透鏡130折射， 並由反射杯140反射。此外，燈座110可具有複數個散熱片112，且燈座110的材質可以為金屬，例如銅、鋁或鐵。當光源組件120發光時，燈座110可將熱傳導至散熱片112以降低光源組件120的溫度。

在本實施方式中，光源組件120包含藍色發光晶片124、具有複數個黃色螢光粉之封裝膠126及基板124。封裝膠126的材質可以包含環氧樹脂。由於含黃色螢光粉之封裝膠126覆蓋藍色發光晶片124，因此當發光晶片124發光時，越靠近光源組件120之中心，其藍色發光晶片124與封裝膠126所激發出的光線偏藍白光，而越接近光源組件120周邊因所射出的藍色光線較弱，而使其與封裝膠126所激發的光線偏黃白光。對此，光源組件120可發出第一顏色光L1與圍繞第一顏色光L1的第二顏色光L2。其中，第一顏色光L1為靠近光源組件120中心所發出的偏藍白光，而第二顏色光L2為接近光源組件120周邊所發出的偏黃白光。但在其他實施方式中，光源組件120所採用的發光晶片124與封裝膠126之組合並不限於此。舉例來說，光源組件120亦可採用UV發光晶片124與具紅、綠、藍三色螢光粉之封裝膠126，並不用以限制本發明。此外，發光晶片124可以選用紅、綠、藍(R、G、B)等單色光晶片之組合，依設計者需求而定。

應瞭解到，上述第一顏色光L1與第二顏色光L2僅代表光源組件120從中心往外側的光色變化大致可區分為偏藍白光與偏黃白光，實際上光源組件120從中心往外 側的光色變化是逐漸改變的。

在以下敘述中，已敘述過的元件連接關係與材料將不在重複贅述，合先敘明。為了方便說明，在以下敘述中，將以對準光學透鏡130軸線L之發光晶片124所發出的光線為例作說明。

具體而言，當光源組件120發出第一顏色光L1與第二顏色光L2後，由光學透鏡130的凹面132將第一顏色光L1(例如偏藍白光)與第二顏色光L2(例如偏黃白光)藉由凹面132設計折射到一次混光位置R1，使得第一顏色光L1與第二顏色光L2進行一次混光。在一次混光後，第一顏色光L1與第二顏色光L2已接近白光。在本實施方式中，第一顏色光L1與第二顏色光L2的一次混光位置R1位於光學透鏡130中。接著，由凹面132折射的第二顏色光L2可被反射杯140反射而匯聚，而凹面132的非球面曲率設計使第一顏色光L1可折射到二次混光位置R2，使得反射杯140反射的第二顏色光L2與凹面132折射的第一顏色光L1進行二次混光。在二次混光後，可更加確保第一顏色光L1與第二顏色光L2更趨近於白光。然而，第一顏色光L1與第二顏色光L2的混光次數並不以兩次為限，並不用以限制本發明。

在本實施方式中，第一顏色光L1與第二顏色光L2的二次混光位置R2位於光學透鏡130與反射杯140之間。反射杯140所圍繞的區域可視為發光模組100的光色混合腔。

第3圖繪示第2圖之發光模組100的局部放大圖。同時參閱第2圖與第3圖，由於凹面132之第一曲面131的第一非球面曲率與第二曲面133的第二非球面曲率由光學透鏡130的中心往外側逐漸減小，且第二顏色光L2在第一顏色光L1外圍，因此凹面132折射第一顏色光L1的非球面曲率大於凹面132折射第二顏色光L2的非球面曲率。第一顏色光L1由凹面132折射後，第一顏色光L1會由反射杯140的第一反射位置R3反射。第二顏色光L2由凹面132折射後，第二顏色光L2會由反射杯140的第二反射位置R4反射。其中，第一反射位置R3與光學透鏡130之軸線L間的距離大於第二反射位置R4與光學透鏡130之軸線L間的距離。也就是說，反射杯140的第二反射位置R4較第一反射位置R3靠近光學透鏡130。

待第一顏色光L1與第二顏色光L2均由反射杯140反射後，第一顏色光L1與第二顏色光L2可匯聚而大致朝同一方向D出光，因此可提高發光模組100的光束準直性。由於第一顏色光L1與第二顏色光L2已於光學透鏡130中進行一次混光，且第一顏色光L1與第二顏色光L2還於光學透鏡130與反射杯140之間進行二次混光，因此當第一顏色光L1與第二顏色光L2朝方向D出光時，第一顏色光L1與第二顏色光L2已混光成均勻白光，因此能提高發光模組100的光色均勻性。本發明之具光色混合腔之高光束準直性發光模組100係利用光學透鏡130與反射杯110的搭配性設計，使第一顏色光L1與第二顏色光L2於發光模 組100中進行多次混光後，經反射杯110反射而匯聚朝同一方向D出光。因此，發光模組100可同步提升光色均勻性與光束準直性。

此外，光學透鏡130之凹面132具有端點P。端點P位於該光學透鏡130軸線L處並正對光源組件120，且端點P與光源組件120間具有間距H。如此一來，光源組件120的發光位置能至少提高至端點P，因此可更提高發光模組100的光束準直性，且能減少整體發光模組100的體積(例如反射杯110的體積)，節省空間與成本。

再者，此發光模組100之光學系統由於能透過中央光學透鏡130之折射能力將光線扭轉於第一出光部134之凹面132，因此等同於鄰近光學透鏡130底部之光源組件120之發光面被虛擬抬升至第一出光部134並向反射杯110放光，配合設計第一出光部134之高度正好等同於反射杯110之焦點高度，如此將可以輕易地讓光線進行準直性之匯聚，所需之光學系統設計尺寸也將大幅縮小。上述反射杯110之焦點意指當光源在反射杯110中的某一位置時，反射杯110能把光源的光線全部集中往外同方向出光，則此位置便可稱為反射杯110的焦點。本案透過光源組件120與光學透鏡130的搭配，使光源組件120的光線可抬升至光學透鏡130之第一出光部134才出光，即光源抬升至反射杯110焦點位置，能避免光線散射而損失光源的能量。

本發明之具光色混合腔之高光束準直性發光模組與習知燈具相較，由於凹面之非球面曲率由光學透鏡的中 心往外側逐漸減小，因此當光源組件發光時，光源組件發出的第一顏色光(例如偏藍白光)與第二顏色光(例如偏黃白光)可先由凹面折射至反射杯，使得第一顏色光與第二顏色光可先進行一次混光。接著，由凹面折射的第二顏色光可由反射杯反射，使得反射杯反射的第二顏色光與凹面折射的第一顏色光進行二次混光。

也就是說，本案之發光模組係利用光學透鏡與反射杯的搭配性設計，使第一顏色光與第二顏色光可於發光模組中進行多次混光後，經反射杯反射而匯聚朝同一方向出光，可同步提升發光模組的光色均勻性與光束準直性。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧發光模組

110‧‧‧燈座

120‧‧‧光源組件

122‧‧‧基板

124‧‧‧發光晶片

126‧‧‧封裝膠

130‧‧‧光學透鏡

131‧‧‧第一曲面

132‧‧‧凹面

133‧‧‧第二曲面

134‧‧‧第一出光部

136‧‧‧入光部

137‧‧‧容置空間

138‧‧‧第二出光部(側面)

140‧‧‧反射杯

142‧‧‧第一開口

144‧‧‧第二開口

D‧‧‧方向

L‧‧‧軸線

L1‧‧‧第一顏色光

L2‧‧‧第二顏色光

R1‧‧‧一次混光位置

R2‧‧‧二次混光位置

Claims (10)

1. 一種具光色混合腔之高光束準直性發光模組，包含：一燈座；一光源組件，位於該燈座上；一光學透鏡，覆蓋該光源組件，該光學透鏡包含：一第一出光部，該第一出光部內凹形成一圓環形凹面，且該凹面之非球面曲率由該光學透鏡的中心往外側逐漸減小；一入光部，該入光部內凹形成一圓環形之容置空間，用以容置該光源組件；以及一第二出光部，為一側面，位於該第一出光部與該入光部之間，且該側面之一端與該第一出光部相連接，該側面之另一端與該入光部相連接；以及一反射杯，圍繞該光學透鏡，該反射杯為具有一第一開口及一第二開口之中空結構，其中該第一開口口徑大於該第二開口，該光學透鏡由該反射杯之該第二開口中穿出；其中當該光源組件發光時，該光源組件發出一第一顏色光與圍繞該第一顏色光的一第二顏色光，該凹面折射該第一顏色光與該第二顏色光，使得該第一顏色光與該第二顏色光進行一次混光；該反射杯反射該凹面折射的該第二顏色光，使得該反射杯反射的該第二顏色光與該凹面折射的該第一顏色光進行二次混光。
2. 如請求項1所述之發光模組，其中，該凹面具有一 第一非球面曲率之一第一曲面以及一第二非球面曲率之一第二曲面，且該第一曲面的一端係與該第二曲面的一端相連接，其中該第一非球面曲率與第二非球面曲率由該光學透鏡的中心往外側逐漸減小。
3. 如請求項1所述之發光模組，其中該光源組件為發光二極體或有機發光二極體。
4. 如請求項3所述之發光模組，其中該第一顏色光為偏藍白光，該第二顏色光為偏黃白光。
5. 如請求項1所述之發光模組，其中該第一顏色光與該第二顏色光的一次混光位置位於該光學透鏡中。
6. 如請求項5所述之發光模組，其中該第一顏色光與該第二顏色光的二次混光位置位於該光學透鏡與該反射杯之間。
7. 如請求項1所述之發光模組，其中該凹面折射該第一顏色光的非球面曲率大於該凹面折射該第二顏色光的非球面曲率。
8. 如請求項1所述之發光模組，其中該光學透鏡之該凹面具有一端點，該端點位於該光學透鏡軸線處並正對該 光源組件，且該端點與該光源組件間具有一間距。
9. 如請求項1所述之發光模組，其中該入光部朝向該第一出光部內凹，且該第一出光部朝向該入光部內凹。
10. 如請求項1所述之發光模組，其中該凹面折射的該第一顏色光由該反射杯的一第一反射位置反射，該凹面折射的該第二顏色光由該反射杯的一第二反射位置反射，且該第一反射位置與該光學透鏡之軸線間的距離大於該第二反射位置與該光學透鏡之軸線間的距離。