TW201610357A - 發光裝置及其透鏡 - Google Patents

Abstract

一種發光裝置包括至少一發光單元以及一透鏡。透鏡包括一入光部及一出光部。入光部具有一容置空間。發光單元設置於容置空間。入光部具有至少一楔形結構。出光部具有複數相鄰排列的扇形結構。其中，各扇形結構的頂點係位於出光部的中心。本發明另提供一種透鏡。

Description

發光裝置及其透鏡

本發明係關於一種發光裝置及其透鏡。

發光二極體(Light Emitting Diode,LED)因其壽命長、耗電量少、以及發熱度小等優點，被大量應用範圍於日常生活中的各項用品，其中，更以燈具應用最為常見。

一般而言，當發光二極體應用於發光裝置(例如燈具)時，由於一些光學特性的需要，例如使光線準直聚光或均勻散射，在封裝時就需要將具有光學結構的二次光學透鏡與發光二極體一同封裝，藉此就能使發光裝置達到所要的光學特性。

其中，當發光二極體的晶片呈現非正圓形且均勻對稱的排列時，為解決出光不均勻的問題，一般會搭配霧化、球形透鏡或鱗片式全反射透鏡。然而，若採用傳統的霧化透鏡或球形透鏡，由於是於各方向都產生等均勻擴散，所以會使得視角增加過大且雜散光增加過多；而採用鱗片式全反射透鏡，則會為了解決非圓形對稱性問題，使得全反射曲線的曲度的變化過大，反而使得光線無法全反射，造成效率上的損失。

因此，如何提供一種能夠解決因發光二極體的晶片排列非正圓形均勻對稱排列而產生的成像問題，並減少過多雜散光，並維持一定的發光效率的發光裝置及透鏡，實為當前重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種能夠解決因發光二極體的晶片排列非正圓形均勻對稱排列而產生的成像問題，並減少過多雜散光，並維持一定的發光效率的發光裝置及透鏡。

為達上述目的，依據本發明之一種發光裝置至少一發光單元以及一透鏡。透鏡包括一入光部及一出光部。入光部具有一容置空間。發光單元設置於容置空間。入光部具有至少一楔形結構。出光部具有複數相鄰排列的扇形結構。其中，各扇形結構的頂點係位於出光部的中心。在一實施例中，楔形結構的數量介於1~5。

在一實施例中，入光部具有一中心區及一邊緣區。中心區與容置空間對應設置。楔形結構位於邊緣區。

在一實施例中，入光部具有複數楔形結構。各楔形結構與設置發光單元的一平面的垂直距離，會隨著各楔形結構與中心區的垂直距離增加而減少。

在一實施例中，各扇形結構的弧的弧長相同。

在一實施例中，各弧的弧長與各扇形結構的高度的比值介於0.01至0.2。

在一實施例中，最外側的楔形結構於靠近出光部的一端具有一基部。各弧的弧長與基部的長度的比例係介於0.5~3。

在一實施例中，出光部具有至少一凹環。凹環的圓心為出光部的中心。

在一實施例中，出光部具有至少一凸環。凸環的圓心為該出光部的中心。

在一實施例中，出光部具有複數凸環。凸環的圓心為該出光部的中心。

為達上述目的，依據本發明之一種透鏡包括一入光部及一出光部。入光部具有至少一楔形結構。而出光部具有複數相鄰排列的扇形結構。其中，各扇形結構的頂點係位於出光部的中心。

在一實施例中，楔形結構的數量介於1~5。

在一實施例中，入光部具有一中心區及一邊緣區。中心區與容置空間對應設置。楔形結構位於該邊緣區。

在一實施例中，各扇形結構的弧的弧長相同。

在一實施例中，各弧的弧長與各扇形結構的高度的比值介於 0.01至0.2。

在一實施例中，最外側的同心圓結構於靠近出光部的一端具有一基部。各弧的弧長與基部的長度的比例係介於0.5~3。

在一實施例中，出光部具有至少一凹環。凹環的圓心為該出光部的中心。

在一實施例中，出光部具有至少一凸環。凸環的圓心為該出光部的中心。

在一實施例中，出光部具有複數凸環。凸環的圓心為該出光部的中心。

承上所述，本發明提供一種發光裝置及其透鏡，透過於透鏡的入光部設置楔形結構，並於出光部設置了複數扇形結構，當以球型座標來定義發光單元的出光方向時，具有扇形結構的透鏡在光學上僅擴散了在φ軸上的光線，而在視角的θ軸上則完全不會受到影響，進而減少過多雜散光的發生，並維持一定的發光效率。

1、1’、1a、1b、1c、1d、1e‧‧‧透鏡

11‧‧‧入光部

111‧‧‧中心區

112‧‧‧邊緣區

113‧‧‧入光面

114‧‧‧反射面

115、115a、115b‧‧‧基部

12、12c、12d、12e‧‧‧出光部

121、121a、121b‧‧‧弧

122c‧‧‧凹環

124d、124e‧‧‧凸環

2‧‧‧底板

A‧‧‧容置空間

B‧‧‧區塊

C‧‧‧區域

D、D1、D2‧‧‧(基部115的)長度

E‧‧‧發光裝置

F、F1、F2、F3‧‧‧扇形結構

H1、H2‧‧‧高度

h₁、h₂、h₃‧‧‧(楔形結構W的)垂直距離

L、L1、L2‧‧‧弧長

O‧‧‧(出光部12的)中心

O1‧‧‧頂點

S‧‧‧發光單元

W‧‧‧楔形結構

θ₁‧‧‧楔角角度

α₁、α₂‧‧‧角度

β₁、β₂、β₃‧‧‧發光角度

圖1A為依據本發明較佳實施例的發光裝置的立體示意圖。

圖1B為依據本發明另一實施例的發光裝置的立體示意圖。

圖2為圖1A所示的發光裝置的局部爆炸示意圖。

圖3A、圖3B為圖2的發光裝置的剖面示意圖。

圖4A為圖1所示的發光裝置的透鏡的外觀示意圖。

圖4B為圖4A的透鏡於A-A剖面線的剖面示意圖。

圖4C為圖4A的透鏡於俯視透視圖。

圖4D為圖4C所示的區域C的放大圖。

圖5為球型座標圖。

圖6A為依據本發明另一實施例的發光裝置的透鏡的俯視透視圖。

圖6B為依據本發明另一實施例的發光裝置的透鏡的俯視透視圖。

圖7A至圖7C為本發明發光裝置的透鏡的不同實施例的剖面示意圖。

圖8為依據本發明另一實施例的發光裝置的透鏡的剖面示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種發光裝置及其透鏡，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請先參考圖1A、圖1B、圖2、圖3A以及圖3B，圖1A、圖1B分別為本發明發光裝置的兩個不同實施例的立體示意圖。圖2為圖1A所示的發光裝置的局部爆炸示意圖。圖3A、圖3B為圖2的剖面示意圖。圖1A及圖1B例示了不同數量的發光單元S搭配透鏡的可能實施方式。

本實施例的發光裝置E，包括至少一發光單元S(本實施例係以六個發光單元S為例)以及透鏡1。此外，本實施例的發光裝置E更包括底板2。發光單元S以及透鏡1皆設置於底板2上，且在本實施例中，底板2可以為電路板。

此外，本實施例所搭配的發光裝置E可為指向性的燈具，例如可為Par燈或是MR16燈等。

需先說明的是，本實施例並不限制發光單元S之種類、數量及排列設置方式。就種類而言，發光單元S可為發光二極體封裝體、發光二極體晶片、鎢絲燈、或其他點狀或線狀的發光元件。就數量而言，雖圖面係繪製六個發光單元S，但其可為單個或多個，且單個係包含多個發光晶粒封裝為一個封裝體。就排列設置方式而言，發光單元S可設置於對應透鏡1的中心、或呈直線、圓形、弧形、十字形、陣列或其他形狀設置。其中，本實施例的發光裝置E當實施於排列形狀並非為正圓形的複數發光單元S時具有更佳的功效。

同樣請參考圖2至圖3B所示，於本實施例中，透鏡1具有入光部11和出光部12，且透鏡1於入光部11具有至少一楔形結構W(本實施例係以4個楔形結構W為例)，而出光部12則具有複數相鄰排列的扇形結構F。此外，入光部11具有容置空間A，以容置發光單元S。如此一來，發光單元S所發出光線透過透鏡1準直後離開發光裝置E。

須說明的是，當以外觀觀之時，當透鏡1具有複數楔形結構 W時，各楔形結構W的尖端所形成的原則相互為同心圓。當然，於其他實施例中，僅包括一楔形結構W的透鏡1’(如圖8所示)，楔形結構W的尖端形成一以透鏡1’的軸心為圓心的圓。

接著說明入光部11的詳細結構及入光方式。詳細請參考圖3A及圖3B所示，為了對應發光單元S的所發出的主區域光線和側邊區域光線，入光部11具有中心區111和邊緣區112。中心區111係接收主區域光線，而邊緣區112連接中心區且對應側邊區域光線。其中，主區域光線係與發光單元S垂直出射的光線夾預設角度範圍內的光線。在一些實施例中，預設角度為20~50度。補充說明的是，此處所敘述的「光源垂直出射的光線」係定義為從各該光源中心射出的光線。

此外，複數個相連的楔形結構W係設置於邊緣區112，由內向外依序排列，而各楔形結構W分別具有入光面113以及反射面114。側邊區域光線由各楔形結構W的入光面113入射，且被各入光面113對應的反射面114所反射，並從出光部12出射。另外，各楔形結構W與設置發光單元S的平面的垂直距離(最短距離)，會隨著各楔形結構W與中心區111的垂直距離增加而減少。此處的平面可為本實施例的底板2。此外，各楔形結構W尖端(入光面113及其對應的反射面114形成的端點)至少與相鄰的楔形結構W不共面。然此非限制性者，於其他實施例中，透鏡的各楔形結構的尖端所形成的平面皆不共面。

舉例而言，楔形結構W尖端的垂直距離，將會隨著遠離中心區111而減少，故較內圈的楔形結構W的垂直距離(本實施例為h₁)將會較外圈的楔形結構W的垂直距離長(本實施例為h₃，且h₁>h₃)。此外，本實施例的各該楔形結構W與平面的垂直距離的關係可以下述關係式表示之：h₁ h₂ h₃。

詳細而言，本實施例的入光部11的中心區111可以為一弧形透鏡，且邊緣區112係圍繞中心區111設置。從圖2及圖3A可清楚理解，本實施態樣的邊緣區112的複數個相連的楔形結構W將從內向外依序配置。邊緣區112的各該楔形結構W的數目小於6，較佳地介於1到5之間，圖中係以4個為例。此處的數量，將依據產品搭配的光源以及所需的指向 性作調整，一般而言，楔型結構W的數量越多，整體出光的指向性更佳。

各該楔形結構W的反射面114與下一個楔形結構W的入光面113連接，而最內側的楔形結構W的入光面113連接中心區111。換言之，各該楔形結構W係為相連並環繞中心區111設置。且最外側的楔形結構W的反射面114連接入光面113。

請繼續參照圖3A和圖3B，每一各該楔形結構W分別具有入光面113和反射面114。且，各楔形結構W的入光面113與反射面114的連接處形成一楔角(銳角)，並夾楔角角度θ₁。楔角角度θ₁的範圍為8度至15度，但楔角角度θ₁將依據楔形結構W而有所調整。另外，在本實施例中，最內側的楔形結構W的楔角尖端與發光單元S之中心及邊緣所夾的角度α₁會大於最外側的楔形結構W的楔角尖端與發光單元S中心及邊緣所夾的角度α₂。

楔形結構W分別對應發光單元S發出的光線範圍中的部分發光角度，而各該楔型結構W所對應的發光角度相同或不同。且，楔形結構W分別對應的各發光角度是介於5度到25之間。

且，每一各該楔形結構W的入光面113分別接收發光單元S所發出的一預設角度範圍內的光線，並利用各該楔形結構W的反射面114將所接收進來的光線進行全反射。簡言之，發光單元S的光線由入光面113進入，並被反射面114反射。

在本實施例中，每一楔形結構W負責將發光單元S的側邊區域的光線全反射。例如在圖3B中，最內側楔形結構W負責將發光角度β 1內的側邊區域的光線進行全反射、次一級楔形結構W負責將發光角度β 2內之側邊區域的光線進行全反射、而最外側的楔形結構W則負責將發光角度β 3內之側邊區域的光線進行全反射。發光角度β₁、β₂以及β₃大小可以相同或不同。

接著說明本實施例的透鏡1的出光部12的結構。請同時參考圖4A及圖4B所示，圖4A為圖1所示的發光裝置的透鏡的外觀示意圖，圖4B為圖4A的透鏡於A-A剖面線的剖面示意圖，圖4C為圖4A的透鏡於俯視透視圖。於本實施例中，出光部12具有複數相鄰排列的扇形結構F， 且各扇形結構F的頂點O1係位於該出光部12的中心O。其中，本實施例的複數個扇形結構F的弧121具有相同的弧長L，且各扇形結構F具有相同的面積，換言之，當以俯視的角度觀之時，各扇形結構F係將出光部12等分為多個區塊。透過尺寸相同的多個扇形結構F可使來自入光部11的光線能夠均勻的發散。

由於本實施例的發光裝置E的透鏡1於出光面具有扇形結構F的設計，當以球型座標來定義發光單元S的出光方向時(如圖5所示)，本實施例的發光裝置E的透鏡1係以位於球型座標的X-Y平面上為例(圖未示)，換言之，扇形結構F即位於球型座標的X-Y平面上，具有扇形結構F的透鏡1在光學上僅擴散了在φ軸上的光線，而在視角的θ軸上則完全不會受到影響，藉此可有效地解決當發光裝置E內的發光單元S的排列非正圓形均勻對稱排列時，所產生的成像問題。

進一步而言，如圖4B及圖4C所示，於本實施例中，最外側的楔形結構W於靠近出光部12的一端具有一基部115。其中，各弧121的弧長L與基部115的長度D的比例係介於0.5~3之間。於實際應用中，各弧的弧長與基部的長度的比例可調整如圖6A及圖6B所示。

以圖6A為例，透鏡1a具有較透鏡1的分佈較疏的扇形結構F1，其各扇形結構F1的弧121a的弧長L1與基部115a的長度D1的比例係為3。而於圖6B中，透鏡1b的具有較透鏡1的分佈較密的扇形結構F2，其各扇形結構F2的弧121b的弧長L2與基部115b的長度D2的比例係為0.5。換言之，關於上述各實施例的扇形結構的弧長與基部的長度的比例係於0.5~3之間，並依據實際的使用需求進行比例上的調整。

此外，同樣請參考圖4B所示，出光部12的扇形結構F於垂直弧121的方向上具有一高度(厚度)，由於本實施例的扇形結構F具有非平整的表面，進而使其具有非均勻的高度(圖4B係以高度H1、H2為例說明)。其中，本實施例的各扇形結構F的弧121的弧長L與各扇形結構F的高度H1、H2的比值係介於0.01至0.2。

承上述，透過本實施例的發光裝置E的結構設計，其係以入光部11為複數楔形結構W，使得來自發光單元S於球型座標r軸方向(如 圖5所示)形成由全反射產生的明暗帶，並以出光部12為複數扇形結構F的組合，於φ軸方向產生明暗帶。透過兩者結合形成的鱗片狀區塊B，能夠產生如鱗片狀透徑相同的外觀感覺(如圖4D所示，圖4D為圖4C的區域C的放大圖)，並且具有較習知的鱗片狀透鏡為佳的發光效率，換言之，本實施例的發光裝置E及其透鏡1既可以滿足使用者對於燈具外觀的要求，並能獲得較佳的光學效能。

接著，請一併參考圖7A至圖7C，分別為本發明發光裝置的透鏡的不同實施例的剖面示意圖。此些實施例將依據所須光發散角調整出光面的形態。

請先參考圖7A，本實施例的透鏡1c亦包含入光部11以及出光部12c，而與前述實施例相異處在於，本實施例的出光部12c具有至少一凹環122c。於實際應用時，透鏡1c的出光部12c亦可包含複數凹環122c，本發明於此不限。

請參考圖7B，本實施例的透鏡1d亦包含入光部11以及出光部12d，而與前述實施例相異處在於，本實施例的透鏡1d的出光部12d具有至少一凸環124d，且凸環124d的圓心為出光部12d的中心O。

請參考圖7C，本實施例的透鏡1e亦包含入光部11以及出光部12e，而與前述實施例相異處在於，本實施例的透鏡1e的出光部12e具有複數凸環124e，且各凸環124e的圓心為出光部12e的中心O。

需說明的是，以上各實施例的發光裝置亦可於其各自的透鏡上進行霧化的處理，此非本發明限制性者。此外，本發明的透鏡為了達到較佳的效果，亦可摻雜一些異質材料，例如可摻雜散射粒子或著色劑，以提升散射效果或改變出光顏色。

綜上所述，本發明提供一種發光裝置及其透鏡，透過於透鏡的入光部設置楔形結構，並於出光部設置了複數扇形結構，當以球型座標來定義發光單元的出光方向時，具有扇形結構的透鏡在光學上僅擴散了在φ軸上的光線，而在視角的θ軸上則完全不會受到影響，進而減少過多雜散光的發生，並維持一定的發光效率。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明 之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧透鏡

11‧‧‧入光部

12‧‧‧出光部

121‧‧‧弧

F‧‧‧扇形結構

O‧‧‧(出光部12的)中心

O1‧‧‧頂點

Claims (19)

1. 一種發光裝置，包括：至少一發光單元；以及一透鏡，包括一入光部及一出光部，該入光部具有一容置空間，該發光單元設置於該容置空間，該入光部具有至少一楔形結構，而該出光部具有複數相鄰排列的扇形結構，其中，各該扇形結構的頂點係位於該出光部的中心。
2. 如申請專利範圍第1項所述的發光裝置，其中該楔形結構的數量介於1~5。
3. 如申請專利範圍第1項所述的發光裝置，其中該入光部具有一中心區及一邊緣區，該中心區與該容置空間對應設置，且該楔形結構位於該邊緣區。
4. 如申請專利範圍第3項所述的發光裝置，其中該入光部具有複數楔形結構，各該楔形結構與設置該發光單元的一平面的垂直距離，會隨著各該楔形結構與該中心區的垂直距離增加而減少。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中各該扇形結構的弧的弧長相同。
6. 如申請專利範圍第5項所述之發光裝置，其中各該弧的弧長與各該扇形結構的高度的比值介於0.01至0.2。
7. 如申請專利範圍第5項所述之發光裝置，其中最外側的該楔形結構於靠近該出光部的一端具有一基部，各該弧的弧長與該基部的長度的比例係介於0.5~3。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該出光部具有至少一凹環，該凹環的圓心為該出光部的中心。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該出光部具有至少一凸環，該凸環的圓心為該出光部的中心。
10. 如申請專利範圍第9項所述之發光裝置，其中該出光部具有複數凸環，該些凸環的圓心為該出光部的中心。
11. 一種透鏡，包括：一入光部及一出光部，該入光部具有至少一楔形結構，而該出光部具 有複數相鄰排列的扇形結構，其中，各該扇形結構的頂點係位於該出光部的中心。
12. 如申請專利範圍第11項所述的透鏡，其中該楔形結構的數量介於1~5。
13. 如申請專利範圍第11項所述的透鏡，其中該入光部具有一中心區及一邊緣區，該中心區與該容置空間對應設置，且該楔形結構位於該邊緣區。
14. 如申請專利範圍第11項所述之透鏡，其中各該扇形結構的弧的弧長相同。
15. 如申請專利範圍第14項所述之透鏡，其中各該弧的弧長與各該扇形結構的高度的比值介於0.01至0.2。
16. 如申請專利範圍第14項所述之透鏡，其中最外側的該同心圓結構於靠近該出光部的一端具有一基部，各該弧的弧長與該基部的長度的比例係介於0.5~3。
17. 如申請專利範圍第11項所述之透鏡，其中該出光部具有至少一凹環，該凹環的圓心為該出光部的中心。
18. 如申請專利範圍第11項所述之透鏡，其中該出光部具有至少一凸環，該凸環的圓心為該出光部的中心。
19. 如申請專利範圍第18項所述之透鏡，其中該出光部具有複數凸環，該些凸環的圓心為該出光部的中心。