TW201741691A - 光源系統 - Google Patents

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Abstract

一種光源系統，包括一發光二極體光源、一凸透鏡以及一導光柱，導光柱設置於發光二極體光源及凸透鏡之間。導光柱包括一出光部及一集光部，集光部連接至出光部。出光部具有一導光柱出光面，導光柱出光面係朝向凸透鏡。集光部具有一內反射表面，內反射表面包括至少一橢圓曲面，此橢圓曲面具有一第一焦點和一第二焦點。第二焦點位於第一焦點和凸透鏡之間，且第二焦點位於導光柱內部。

Description

光源系統
本發明是有關於一種光源系統，且特別是有關於一種包含導光柱之光源系統。
目前市面上的高光強度照明系統大部分應用於投射燈或是快速移動的動車上，例如是火車、高鐵...等，而這些照明系統目前仍多數使用傳統的熱光源，因此其設計方式大部分以金屬材質的拋物面反射杯或橢圓面反射杯搭配透鏡進行設計。
然而，傳統的熱光源不利於節能的需求，且金屬材質的反射杯使得照明系統的整體重量與體積都較大。
本發明係有關於一種光源系統，導光柱的出光部有助於提高出光效率，導光柱的集光部之內反射表面包括至少一橢圓曲面，橢圓曲面的第二焦點位於在導光柱內部，因此第二焦點的位置較容易確認，進而有利於凸透鏡的設置。
根據本發明之一方面，提出一種光源系統，包括一發光二極體光源、一凸透鏡以及一導光柱，導光柱設置於發光二極體光源及凸透鏡之間。導光柱包括一出光部及一集光部，集光 部連接至出光部。出光部具有一導光柱出光面，導光柱出光面係朝向凸透鏡。集光部具有一內反射表面，內反射表面包括至少一橢圓曲面，此橢圓曲面具有一第一焦點和一第二焦點。第二焦點位於第一焦點和凸透鏡之間，且第二焦點位於導光柱內部。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
10、20‧‧‧光源系統
100‧‧‧發光二極體光源
200‧‧‧凸透鏡
210‧‧‧凸透鏡入光面
220‧‧‧凸透鏡出光面
300、2300‧‧‧導光柱
310‧‧‧出光部
320‧‧‧集光部
330‧‧‧導光柱出光面
340‧‧‧內反射表面
350‧‧‧導光柱入光面
400‧‧‧導光柱支架
500‧‧‧基板
600、700‧‧‧光型
F1‧‧‧第一焦點
F2‧‧‧第二焦點
L、L’‧‧‧光線
L1‧‧‧第一長度
L2‧‧‧第二長度
OA‧‧‧光軸
W1‧‧‧第一最大剖面寬度
W1-1‧‧‧出光部剖面寬度
W2‧‧‧第二最大剖面寬度
W2-1‧‧‧集光部剖面寬度
第1圖繪示依照本發明一實施例之光源系統的示意圖。
第2A~2B圖分別繪示依照本發明一實施例之光源系統沿X-Y平面及Y-Z平面的剖面示意圖。
第3圖繪示依照本發明一實施例之光源系統的光路示意圖。
第4A~4B圖分別繪示依照本發明一實施例之光源系統沿X-Y平面及Y-Z平面的光路示意圖。
第5圖繪示依照本發明一實施例之光源系統沿垂直於光軸OA的方向之光型示意圖。
第6A~6B圖分別繪示依照本發明另一實施例之光源系統沿X-Y平面及Y-Z平面的剖面示意圖。
第7A~7B圖分別繪示依照本發明另一實施例之光源系統沿X-Y平面及Y-Z平面的光路示意圖。
第8圖繪示依照本發明另一實施例之光源系統沿垂直於光軸OA的方向之光型示意圖。
在本發明中，提出一種光源系統，導光柱的出光部 有助於提高出光效率，導光柱的集光部之內反射表面包括至少一橢圓曲面，橢圓曲面的第二焦點位於在導光柱內部，因此第二焦點的位置較容易確認，進而有利於凸透鏡的設置。
以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。
請參照第1和2A~2B圖，第1圖繪示依照本發明一實施例之光源系統10的示意圖，第2A~2B圖分別繪示依照本發明一實施例之光源系統10沿X-Y平面及Y-Z平面的剖面示意圖。需注意的是，部分元件於某些圖式中係省略以更清楚呈現本發明之實施例之細部結構。
如第1圖所示，光源系統10包括一發光二極體光源100、一凸透鏡200以及一導光柱300，導光柱300設置於發光二極體光源100及凸透鏡200之間。導光柱300包括一出光部310及一集光部320，集光部320連接至出光部310。出光部310具有一導光柱出光面330，導光柱出光面330係朝向凸透鏡200。集光部320具有一內反射表面340，內反射表面340包括至少一橢圓曲面，此橢圓曲面具有一第一焦點F1和一第二焦點F2。第二焦點F2位於第一焦點F1和凸透鏡200之間，且第二焦點F2位於導光柱300內部。
一些實施例中，發光二極體光源100位於靠近第一焦點F1處。一些其他實施例中，發光二極體光源100可實質上位於第一焦點F1處。一些實施例中，凸透鏡200的焦點位於靠近第二焦點F2處。一些其他實施例中，凸透鏡200的焦點可實質上位於第二焦點F2處。
如第1圖所示，光源系統10具有一光軸OA，光軸OA例如是沿如第1圖所示的Y方向延伸。實施例中，如第1圖所示，出光部310沿垂直於光軸OA的方向具有一第一最大剖面寬度W1，集光部320沿垂直於光軸OA的方向具有一第二最大剖面寬度W2，第一最大剖面寬度W1大於第二最大剖面寬度W2。
一實施例中，第一最大剖面寬度W1例如可以小於3倍的第二最大剖面寬度W2，也就是W1<W2*3。
實施例中，出光部310的導光柱出光面330係為一平面或朝向凸透鏡200突出的一圓弧表面。舉例而言，如第1圖所示的實施例中，出光部310的導光柱出光面330係為朝向凸透鏡200突出的圓弧表面。
實施例中，導光柱出光面330的面積實質上大於出光部310和集光部320之接面的面積。實施例中，導光柱出光面330的形狀例如可以是圓形或多邊形，但不以此為限。投射光束的邊界形狀會近似於導光柱出光面330的形狀，因此可以經由改變導光柱出光面330的形狀來對投射光束的圖型進行調整。一些實施例中，導光柱出光面330例如可垂直於光軸OA。一些其他實施例中，導光柱出光面330例如亦可微幅偏移光軸OA的垂直面。根據本發明之實施例，從導光柱出光面330投射出的光線之出光量例如是發光二極體光源100發出的光線之出光量的65%以上。
實施例中，如第1圖所示，出光部310沿光軸OA的方向具有一第一長度L1，集光部320沿光軸OA的方向具有一第二長度L2，第一長度L1小於第二長度L2。
根據本發明之實施例，出光部310的結構有助於收集雜散光，進而提高出光效率。
實施例中，如第1圖所示，集光部320更具有一導光柱入光面350。導光柱入光面350係朝向發光二極體光源100，且導光柱入光面350係為朝向集光部320內部內凹的一圓弧表面。實施例中，發光二極體光源100可以設置於圓弧表面的導光柱入光面350所形成的凹槽中。
圓弧表面的導光柱入光面350可以增加收光效率，也就是增加收進導光柱300裡的光量。並且，相較於平面的導光柱入光面設計，若是欲提高導光柱300的收光量，則平面的導光柱入光面需要設置靠近發光二極體光源100但又需要避免接觸，不但製作困難，且發光二極體光源100和平面的導光柱入光面中間的空隙也容易漏掉大角度的光線。因此，根據本發明之實施例之圓弧表面的導光柱入光面350可以降低組裝工藝的難度。
一實施例中，導光柱入光面350例如是朝向集光部320內部內凹的一球形曲面，而發光二極體光源100可以位於球形曲面的焦點處。如此一來，光線通過導光柱入光面350進入集光部320不會發生折射。
實施例中，凸透鏡200係為一平凸透鏡或一雙凸透鏡，且凸透鏡200係為一球面透鏡或一非球面透鏡。實施例中，凸透鏡200的材質可以是玻璃或塑膠。舉例而言，如第1圖所示的實施例中，凸透鏡200係為平凸透鏡。一些實施例中，凸透鏡200例如是魚眼透鏡。根據本發明之實施例，從凸透鏡200的凸透鏡出光面220投射出的光線之出光量例如是發光二極體光源 100發出的光線之出光量的40%以上。
實施例中，如第2A~2B圖所示，光源系統10更可包括一基板500，發光二極體光源100設置於基板500上。實施例中，發光二極體光源100和導光柱300彼此係分隔開來。實施例中，基板500例如是印刷電路基板(PCB)。
如第1和2A~2B圖所示的實施例中，集光部320的內反射表面340整體為橢圓曲面，且導光柱300沿光軸OA方向的各個剖面均具有對稱形狀。
請參照第3圖，其繪示依照本發明一實施例之光源系統10的光路示意圖。如第3圖所示，發光二極體光源100位於靠近第一焦點F1處，且凸透鏡200的焦點位於第二焦點F2處，如此一來，可以將發光二極體光源100的發光能量重新整理，使發光二極體光源100所發出的大部分光線可經由導光柱300而聚焦於第二焦點F2處，而凸透鏡200可以蒐集導光柱300所發出的光線並將光線以小發光角度的方式投射出光源系統10，而達到超高光強度的投射效果。
詳細來說，如第3圖所示，發光二極體光源100所發出的大部分光線L經由集光部320的內反射表面340的反射而匯集至第二焦點F2處，接著從出光部310的導光柱出光面330射出並由凸透鏡200的凸透鏡入光面210進入凸透鏡200。由於凸透鏡200的焦點實質上位於第二焦點F2處，於是從凸透鏡200的凸透鏡出光面220投射出的光線L’之發光角度非常小，也就是說，光線L’幾乎是平行光且準直投射出凸透鏡200的凸透鏡出光面20。換言之，經由集光部320的橢圓曲面之內反射表面340 搭配出光部310的導光柱出光面330之設計，可以將光線有效聚焦至凸透鏡200的焦平面，達到產生具有小發光角度之準直且高強度的發光效果，其光學利用率可以高達65%以上。
由於光源系統之設計是令凸透鏡200的焦點靠近或實質上位於橢圓曲面的第二焦點處，若是第二焦點位於導光柱300之外，則需要額外考慮光線穿過導光柱300與空氣交界處的表面而產生折射的影響，才能夠確認第二焦點的實際位置，因此第二焦點位於導光柱300之外的設計會不利於焦點位置的確認，進而不利於凸透鏡200的設置。相對來說，根據本發明之實施例，第二焦點F2位於在導光柱300內部，因此第二焦點F2的位置較容易確認，進而有利於凸透鏡200的設置。
第4A~4B圖分別繪示依照本發明一實施例之光源系統10沿X-Y平面及Y-Z平面的光路示意圖，第5圖繪示依照本發明一實施例之光源系統10沿垂直於光軸OA的方向之光型示意圖。如第3圖所示的光路示意圖實際上可視作等同於如第4A圖所示的沿X-Y平面的光路示意圖。
如第4A~4B圖所示，當導光柱300沿光軸OA方向(Y方向)的各個剖面均具有對稱形狀時，也就是說，導光柱300沿垂直於光軸OA的方向(例如是X方向和Z方向)之剖面寬度均相同時，光線L經由內反射表面340的反射而匯集至第二焦點F2後，接著從凸透鏡200的凸透鏡出光面220投射出的光線L’之發光角度均非常小。也就是說，無論是從平行於光軸OA的任何平面(例如是X-Y平面或Y-Z平面)來看，光線L’幾乎是平行光且準直投射出凸透鏡200的凸透鏡出光面220。更進一步，如第5圖 所示，光線L’的光型600實質上為圓形。
第6A~6B圖分別繪示依照本發明另一實施例之光源系統20沿X-Y平面及Y-Z平面的剖面示意圖。需注意的是，部分元件於某些圖式中係省略以更清楚呈現本發明之實施例之細部結構。本實施例中與前述實施例相同或相似之元件係沿用同樣或相似的元件標號，且相同或相似元件之相關說明請參考前述，在此不再贅述。
如第6A~6B圖所示，光源系統20包括發光二極體光源100、凸透鏡200以及導光柱2300，導光柱2300設置於發光二極體光源100及凸透鏡200之間。導光柱2300包括一出光部310及一集光部320，集光部320連接至出光部310。出光部310具有一導光柱出光面330，導光柱出光面330係朝向凸透鏡200。集光部320具有一內反射表面340，內反射表面340包括至少一橢圓曲面，此橢圓曲面具有一第一焦點F1和一第二焦點F2。第二焦點F2位於第一焦點F1和凸透鏡200之間，且第二焦點F2位於導光柱2300內部。
一些實施例中，集光部320的內反射表面340可更包括一額外的橢圓曲面、一圓弧面、一拋物面、一雙曲面以及上述之任意組合。如第6A~6B圖所示的實施例中，集光部320的內反射表面340沿Y-Z剖面具有兩個相對配置的橢圓曲面，且導光柱2300沿光軸OA方向的各個剖面具有不對稱形狀。
舉例而言，本實施例中，如6A~6B圖所示，出光部310沿垂直於光軸OA的方向(例如是X方向)具有一第一最大剖面寬度W1，出光部310沿垂直於光軸OA的方向(例如是Z方向) 更具有一出光部剖面寬度W1-1，出光部剖面寬度W1-1的延伸方向不同於第一最大剖面寬度W1的延伸方向，出光部剖面寬度W1-1小於第一最大剖面寬度W1。舉例而言，如6A~6B圖所示，第一最大剖面寬度W1沿X方向延伸，而出光部剖面寬度W1-1沿Z方向延伸。
舉例而言，本實施例中，如6A~6B圖所示，集光部320沿垂直於光軸OA的方向(例如是X方向)具有一第二最大剖面寬度W2，集光部320沿垂直於光軸OA的方向(例如是Z方向)更具有一集光部剖面寬度W2-1，集光部剖面寬度W2-1的延伸方向不同於第二最大剖面寬度W2的延伸方向，集光部剖面寬度W2-1小於第二最大剖面寬度W2。舉例而言，如6A~6B圖所示，第二最大剖面寬度W2沿X方向延伸，而集光部剖面寬度W2-1沿Z方向延伸。
第7A~7B圖分別繪示依照本發明另一實施例之光源系統20沿X-Y平面及Y-Z平面的光路示意圖，第8圖繪示依照本發明另一實施例之光源系統20沿垂直於光軸OA的方向之光型示意圖。
如第7A~7B圖所示，當導光柱2300沿光軸OA方向(Y方向)的各個剖面具有不對稱形狀時，也就是說，導光柱2300沿垂直於光軸OA的不同方向(例如是X方向和Z方向)之剖面寬度不相同時，光線L經由內反射表面340的反射而匯集至第二焦點F2後，接著從凸透鏡200的凸透鏡出光面220投射出的光線L’之發光角度在垂直於光軸OA的不同方向會不相同。舉例而言，如第7B圖所示，從平行於光軸OA的X-Y平面來看，光線L’幾 乎是準直投射出凸透鏡200的凸透鏡出光面220；然而如第7A圖所示，從平行於光軸OA的Y-Z平面來看，光線L’投射出凸透鏡200的凸透鏡出光面220後具有較為發散的發光角度。更進一步，如第8圖所示，光線L’的光型700實質上為長方形。
根據第5和8圖的結果可看出，可以經由調整導光柱沿光軸OA方向的各個剖面形狀，進而達到調整發光光型的效果。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，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。
10‧‧‧光源系統
100‧‧‧發光二極體光源
200‧‧‧凸透鏡
210‧‧‧凸透鏡入光面
220‧‧‧凸透鏡出光面
300‧‧‧導光柱
310‧‧‧出光部
320‧‧‧集光部
330‧‧‧導光柱出光面
340‧‧‧內反射表面
350‧‧‧導光柱入光面
F1‧‧‧第一焦點
F2‧‧‧第二焦點
L1‧‧‧第一長度
L2‧‧‧第二長度
OA‧‧‧光軸
W1‧‧‧第一最大剖面寬度
W2‧‧‧第二最大剖面寬度

Claims (12)

  1. 一種光源系統，包括：一發光二極體光源；一凸透鏡；以及一導光柱，設置於該發光二極體光源及該凸透鏡之間，該導光柱包括：一出光部，該出光部具有一導光柱出光面，該導光柱出光面係朝向該凸透鏡；及一集光部，連接至該出光部，該集光部具有一內反射表面，該內反射表面包括至少一橢圓曲面，該橢圓曲面具有一第一焦點和一第二焦點，其中該第二焦點位於該第一焦點和該凸透鏡之間，該第二焦點位於該導光柱內部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光源系統，其中該發光二極體光源位於該第一焦點處。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光源系統，其中該光源系統具有一光軸，該出光部沿垂直於該光軸的方向具有一第一最大剖面寬度，該集光部沿垂直於該光軸的方向具有一第二最大剖面寬度，該第一最大剖面寬度大於該第二最大剖面寬度。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光源系統，其中該第一最大剖面寬度小於3倍的該第二最大剖面寬度。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之光源系統，其中該出光部沿垂直於該光軸的方向更具有一出光部剖面寬度，該出光部剖面寬度的一延伸方向不同於該第一最大剖面寬度的一延伸方向，該出光部剖面寬度小於該第一最大剖面寬度。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之光源系統，其中該集光部沿垂直於該光軸的方向更具有一集光部剖面寬度，該集光部剖面寬度的一延伸方向不同於該第二最大剖面寬度的一延伸方向，該集光部剖面寬度小於該第二最大剖面寬度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光源系統，其中該光源系統具有一光軸，該出光部沿該光軸的方向具有一第一長度，該集光部沿該光軸的方向具有一第二長度，該第一長度小於該第二長度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光源系統，其中該集光部更具有一導光柱入光面，該導光柱入光面係朝向該發光二極體光源，該導光柱入光面係為朝向該集光部內部內凹的一圓弧表面。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之光源系統，其中該導光柱入光面係為朝向該集光部內部內凹的一球形曲面。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之光源系統，其中該集光部的該內反射表面更包括一額外的橢圓曲面、一圓弧面、一拋物 面、一雙曲面以及上述之任意組合。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之光源系統，其中該出光部的該導光柱出光面係為一平面或朝向該凸透鏡突出的一圓弧表面。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之光源系統，其中該凸透鏡係為一平凸透鏡或一雙凸透鏡，且該凸透鏡係為一球面透鏡或一非球面透鏡。
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