TW202040054A - Illumination apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本發明是有關於一種光學裝置,且特別是有關於一種照明裝置。The present invention relates to an optical device, and particularly relates to a lighting device.
發光二極體(Light-Emitting Diode,LED)透過電子與電洞的結合而將電能轉換成光能,其能量轉換效率較高,且占據體積較小,因此逐漸成為照明裝置的主流。然而,由於發光二極體光源面積小,發光角度較侷限,因此具有較強的指向性,一旦作為道路照明燈具之發光源時,往往由於光強度過於集中而有眩光刺眼的問題,如此容易造成路人及駕駛人的眼睛不舒適。因此,如何設計出一個能滿足所需照明效果且能抑制眩光的照明裝置,成為值得研發的課題。Light-Emitting Diode (LED) converts electrical energy into light energy through the combination of electrons and holes. Its energy conversion efficiency is high and it occupies a small volume, so it has gradually become the mainstream of lighting devices. However, due to the small area of the light-emitting diode and the limited light-emitting angle, it has strong directivity. Once used as the light-emitting source of road lighting fixtures, it often has the problem of glare due to excessive concentration of light, which is easy to cause The eyes of passersby and drivers are uncomfortable. Therefore, how to design a lighting device that can meet the required lighting effects and suppress glare has become a subject worthy of research and development.
本發明的一實施例中,提供一種照明裝置,其架構有助於提升照明均勻度及改善眩光問題。In an embodiment of the present invention, a lighting device is provided, the structure of which helps to improve the uniformity of lighting and improve the glare problem.
本發明的一實施例提出一種照明裝置,包括發光元件、多個光纖、第一固定件、第二固定件以及光耦合組件。多個光纖中每一光纖具有入光端與出光端。第一固定件固定光纖的入光端。第二固定件固定光纖的出光端。光耦合組件用來將來自發光元件的光耦合至多個光纖中。An embodiment of the present invention provides a lighting device including a light-emitting element, a plurality of optical fibers, a first fixing part, a second fixing part, and an optical coupling assembly. Each optical fiber in the plurality of optical fibers has a light input end and a light output end. The first fixing member fixes the light incident end of the optical fiber. The second fixing member fixes the light exit end of the optical fiber. The optical coupling component is used to couple the light from the light-emitting element to multiple optical fibers.
基於上述,在本發明的實施例的照明裝置中,由於採用了多條光纖來改變高指向性光源所發出光束的空間分佈,形成視覺上分散光源的效果,以改善眩光問題。Based on the above, in the illuminating device of the embodiment of the present invention, multiple optical fibers are used to change the spatial distribution of the light beam emitted by the high-directivity light source, forming the effect of visually dispersing the light source to improve the glare problem.
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉實施例,並配合所附圖式作詳細說明如下。In order to make the above-mentioned features and advantages of the present invention more comprehensible, the following specific embodiments are described in detail in conjunction with the accompanying drawings.
圖1為本發明的一實施例之照明裝置10的爆炸示意圖。圖2繪示圖1中的照明裝置10的剖面示意圖。請先參考圖1、圖2,本實施例的照明裝置10包括發光元件100、光耦合組件110、空間光調變器120、第一固定件130、第二固定件150以及數個光纖140。光耦合組件110包括反射片111、分色鏡(dichroic mirror)112以及波長轉換元件113,並且光耦合組件110可用來將來自發光元件100的光耦合至光纖140中。在一些實施例中,照明裝置10為戶外的道路照明裝置,例如路燈。FIG. 1 is an exploded schematic diagram of a
發光元件100用以提供照明光束L1。在一些實施例中,發光元件100可包括發光二極體以及二次透鏡,發光二極體用以發出照明光束L1。二次透鏡用於增加照明光束L1的發散角。發光元件100可包含單一光源或多個光源。在一些實施例中,發光元件100發出的照明光束L1為藍光;在另一些實施例中,發光元件100發出的照明光束L1為可見光(白光)、紫外光或紅外光。The
發光元件100可配置於反射片111中。反射片111可為不透光材質所構成,但不以此為限。在一些實施例中,反射片111具有開孔111H,來自發光元件100的照明光束L1經由開孔111H穿遞至光耦合組件110中。在另一些實施例中,開孔111H用以設置發光元件100。在一些實施例中,照明裝置10另包括光學元件111C,其可配置於開孔111H中。光學元件111C可為具高透光性之一透鏡,例如具有負屈光率而為凹透鏡,以進一步發散來自發光元件100之照明光束L1。並且,光學元件111C具有一朝向發光元件100的凹面,其用以設置發光元件100。但本發明不限於此,光學元件111C亦可視系統需求而為凸透鏡、平板透光元件或等厚度彎曲板狀元件。此外,光學元件111C可由透明材質構成,更進一步地,透明材質中可摻雜光散射粒子,或者透明材質可具有不規則或粗糙的表面,因而具有光擴散效果。The
光耦合組件110之反射片111、分色鏡112以及波長轉換元件113依序設置於發光元件100之出光側,更進一步來看,反射片111、分色鏡112以及波長轉換元件113形成一個光耦合腔。波長轉換元件113位於反射片111與第一固定件130之間,且用以將照明光束L1轉換成轉換光束L2。其中,轉換光束L2的波長不同於照明光束L1的波長,換言之,波長轉換元件113可將第一波段之照明光束L1轉換為第二波段之轉換光束L2。舉例來說,在一些實施例中,照明光束L1為藍光,且轉換光束L2為黃光,因此,波長轉換元件113將照明光束L1降頻。簡言之,當發光元件100發射藍光照明光束L1照射波長轉換元件113時,波長轉換元件113中的螢光物質將藍光照明光束L1降頻為黃光轉換光束L2,並部分透射藍光照明光束L1,如此一來,自波長轉換元件113射出的黃光轉換光束L2與藍光照明光束L1混合後,能提供白光效果。為了實現光致發光(Photoluminescence;PL),波長轉換元件113可為一螢光粉層或一螢光片,其成分可包含釔鋁石榴石(yttrium aluminum garnet, YAG)、鎢酸鈣、鎢酸鎂、矽酸鋅、氧化釔、氧化鑭、鋁酸鹽、磷酸鹽、氮化物、硫化物或其他光轉換材料(Luminescence Conversion Materials)。The
波長轉換元件113除了轉換部分照明光束L1的頻段並透射部分照明光束L1之外,還會散射照明光束L1及轉換光束L2,而造成能量損耗。為了提高光束傳輸效率,在一些實施例中,分色鏡112配置於反射片111與波長轉換元件113之間,其中分色鏡112適於讓來自發光元件100及波長轉換元件113發散的照明光束L1穿透,且適於將波長轉換元件113發散的轉換光束L2反射回波長轉換元件113。由上述可知,分色鏡112可將波長轉換元件113發散出的黃光轉換光束L2向波長轉換元件113反射,反射片111則可將來自波長轉換元件113及分色鏡112的藍光照明光束L1向波長轉換元件113反射。The
為了確保光束傳輸效率,在一些實施例中,反射片111與分色鏡112之間的間距可與照明光束L1之波長或光學元件111C之曲率相關。在一些實施例中,分色鏡112與波長轉換元件113之間的間距則趨近零,換言之,兩者緊貼設置。In order to ensure the beam transmission efficiency, in some embodiments, the distance between the
為了提供較佳之反射效果,在一些實施例中,反射片111之背對發光元件100的表面可具有反射膜或分色膜(dichroic film),其中分色膜可以是用以反射藍光的分色膜。分色鏡112之背對發光元件100的表面可具有分色膜,其可用以反射第二頻段之轉換光束L2,但讓第一頻段之照明光束L1通過,例如用以反射黃光,但讓藍光通過,但本發明不以此為限。在其他實施例中,亦可於反射片111及分色鏡112之面對發光元件100的表面形成反射鍍膜或具高反射率的光學膜層。值得注意的是,分色鏡112於藍光波段需具有高穿透率,以確保發光元件100所發出的藍光照明光束L1能向外傳播,在此情況下,分色鏡112之材料可為玻璃或環氧樹酯、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate,PET)塑膠材料,但不以此為限。此外,反射片111、分色鏡112例如呈平板狀,但也可以根據實際需求而呈彎曲狀。In order to provide a better reflection effect, in some embodiments, the surface of the
由上述可知,光耦合組件110可用來將照明光束L1及轉換光束L2引導耦合至下一個光學元件中,例如空間光調變器120或光纖140中,並將發光元件100所發出的藍光照明光束L1轉換為白光效果,且藉由光學元件111C可增加光束的發散角。It can be seen from the above that the
每一光纖140具有一入光端與一出光端。第一固定件130固定光纖140的多個入光端,第二固定件150則固定光纖140的多個出光端。為提供卡固效果,第一固定件130具有多個第一孔洞130H,光纖140的入光端分別插置於第一孔洞130H中。第二固定件150則具有多個第二孔洞150H,且光纖140的出光端分別插置於第二孔洞150H中。在一些實施例中,各第一孔洞130H或各第二孔洞150H分別具有對稱軸,各第一孔洞130H之對稱軸與第一固定件130對應之切面法向量平行,各第二孔洞150H之對稱軸與第二固定件150對應之切面法向量平行,換言之,各光纖140係垂直插置於第一固定件130、第二固定件150之表面,因而分別與第一固定件130、第二固定件150之表面垂直。但本發明不以此為限,在另一些實施例中,各光纖140亦可不與第一固定件130、第二固定件150之表面垂直。Each
此外,在本實施例中,光纖140的延伸範圍是在燈具內而長度不會過長,因此可以降低光損失。In addition, in this embodiment, the extension range of the
為了進一步降低發光元件100發出照明光束L1的指向性,光纖140於第一固定件130之分佈範圍可小於光纖140於第二固定件150之分佈範圍,意即光纖140在第一固定件130緊密配置,光纖140在第二固定件150則是分散配置。需要特別說明的是,光纖140於第一固定件130或第二固定件150的分佈範圍是指光纖140在第一固定件130或第二固定件150的切面上所形成的最大投影面積。在一些實施例中,第一固定件130之尺寸小於第二固定件150之尺寸,第一固定件130之第一孔洞130H的數量小於等於第二固定件150之第二孔洞150H的數量。在此情況下,第一孔洞130H在第一固定件130之分佈範圍小於第二孔洞150H在第二固定件150之分佈範圍,意即第一固定件130之第一孔洞130H的排列方式相較第二固定件150之第二孔洞150H的排列方式緊密。換言之,依據第二固定件150之第二孔洞150H之配置位置可決定照明裝置10之照明均勻度,甚至光形。In order to further reduce the directivity of the illuminating light beam L1 emitted by the light-emitting
為了進一步調整照明裝置10之光形,可將空間光調變器120設置於光耦合組件110及光纖140之間,其中,空間光調變器120用以分別調變光纖140的入光量,以改變照明裝置10所提供之光形。在一些實施例中,空間光調變器120與光耦合組件110之波長轉換元件113相鄰設置,在另一些實施例中,空間光調變器120與波長轉換元件113之間的間距趨近零,換言之,兩者緊貼設置。類似地,在一些實施例中,第一固定件130與空間光調變器120相鄰設置,在另一些實施例中,第一固定件130與空間光調變器120之間的間距趨近零,換言之,兩者緊貼設置。空間光調變器120可電性耦接至處理器,以藉由處理器之高速運算來指示空間光調變器120之操作情形。處理器可包括微控制器(microcontroller)、微處理器(Microprocessor)、中央處理器(Central Processing Unit,CPU)或其他積體電路,並可進一步整合為系統單晶片(System On A Chip,Soc)或特殊應用積體電路(Application-Specific Integrated Circuit,ASIC)。In order to further adjust the light shape of the illuminating
空間光調變器120上包括數個畫素120P。空間光調變器120的各畫素120P可分別包括光開關(Optical Switch,OS),光開關可視系統需求而以不同方式實現,例如傳統機械光開關、微機電系統(Micro Electro-Mechanical System,MEMS)光開關、熱光開關或液晶光開關。當光開關以液晶方式實現時,空間光調變器120的各畫素120P即為液晶面板上的各畫素。第一固定件130之各第一孔洞130H設置的位置可分別對應於空間光調變器120之畫素120P的位置。舉例來說,由於光纖140的入光端可如同空間光調變器120的畫素排列成矩陣形態,而光纖140的出光端在依據對光形的實際需求而作適當的排列與分佈,例如呈圓形、橢圓形、環狀或其他幾何形狀的分佈。The spatial
當光束自光耦合組件110之波長轉換元件113射向空間光調變器120時,空間光調變器120可依據處理器的指示而控制各畫素120P之光穿透率,影響輸入至光纖140的光量,進而決定照明裝置10之光形。在一些實施例中,各畫素120P之光穿透率可與時間相關。在另一些實施例中,各畫素120P可具有不同之光穿透率,換言之,各畫素120P之光穿透率與位置相關。在一些實施例中,提高空間光調變器120中位於中心區域之畫素120P之光穿透率而降低邊緣區域之畫素120P之光穿透率,可達成中心光強度較強的集中光形,且配光曲線之邊緣光形為較明確之曲線。在另一些實施例中,可適應性降低空間光調變器120中位於中心區域之畫素120P之光穿透率而提高邊緣區域之畫素120P之光穿透率,而提供較為均勻的光形。When the light beam is emitted from the
請一併參考圖3A至圖3D。圖3A至圖3C繪示圖1中的照明裝置10的光形示意圖,其中四邊形格子代表被照明的地面G,而照明裝置10配置於燈桿12上而離地面G有一段距離而對地面G提供照明,以在地面G上產生光形(如地面G上的曲線)。圖3D繪示圖3A中的照明裝置10光形的局部放大示意圖,其中曲線S1至曲線S7的照度分別為10、5、2、1、0.5、0.2、0.1呎燭光(footcandle,fc)。當圖1中的空間光調變器120之畫素120P之光穿透率呈適當的分佈,且光纖140及第二固定件150之第二孔洞150H的配置位置呈適當的分佈時,可形成二方向型配光設計,如此一來,可符合台灣標準(CNS)的15233標準、中國城市道路照明設計標準CCJ45-2015以及北美照明學會道路標準(Illuminating Engineering Society of North America,IESNA)的Type II、Type III、Type IV標準。其中,二方向型配光設計中的二個方向分別對應路寬方向Y以及道路方向X,且二方向型配光設計是指光型分佈以路寬方向Y為對稱軸,但未以道路方向X為對稱軸,因此光型分佈於地面G上呈現非完全對稱的光型分佈,而沿道路方向X發出高光度配光。二方向型配光設計可使地面G上的光能量均勻。並且,由上述可知,藉由空間光調變器120,照明裝置10可切換至不同光形,而無須更換第二固定件150,而可增加照明裝置10照明上的彈性。Please refer to Figure 3A to Figure 3D together. 3A to 3C are schematic diagrams showing the light shape of the
請參照圖4,圖4繪示本發明又一實施例的照明裝置40的剖面示意圖。本實施例的照明裝置40與圖1所述實施例的照明裝置10兩者結構相似,且功能與功效都類似,因此相同符號代表相同元件。本實施例與圖1所述的實施例不同之處在於,照明裝置40沒有設置空間光調變器120。在此情況下,照明裝置40仍可藉由多條光纖140來降低發光元件100之指向性,或者,藉由二次透鏡、光學元件111C之折射與反射片111、分色鏡112之反射,而發散發光元件100發出的光束。換言之,照明裝置10之空間光調變器120可選擇性設置。Please refer to FIG. 4. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a lighting device 40 according to another embodiment of the present invention. The illuminating device 40 of this embodiment and the illuminating
請參照圖5,圖5繪示本發明又一實施例的照明裝置50的剖面示意圖。本實施例的照明裝置50與圖1所述實施例的照明裝置10兩者結構相似,且功能與功效都相同,因此相同符號代表相同元件。本實施例與圖1所述的實施例不同之處在於,照明裝置50之光耦合組件510僅包括反射片111,而沒有包括分色鏡112以及波長轉換元件113。對應地,照明裝置50之發光元件100提供白光波段的照明光束L1。換言之,當發光元件100提供特定波段的照明光束L1時,波長轉換元件113可能是不必要的,在此情況下,僅需反射片111,即可將空間光調變器120、第一固定件130、第二固定件150或光纖140朝發光元件100反射的照明光束L1再次導向光纖140。換言之,照明裝置10之分色鏡112及波長轉換元件113可選擇性設置。Please refer to FIG. 5. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a
在圖2中,藉由將光纖140分散配置於第二固定件150上可降低發光元件100發出照明光束L1的指向性,以改善眩光問題。但本發明不限於此,舉例來說,請參照圖6,圖6繪示本發明又一實施例的照明裝置60的剖面示意圖。本實施例的照明裝置60與圖1所述實施例的照明裝置10兩者結構相似,且功能與功效都相同,因此相同符號代表相同元件。本實施例與圖1所述的實施例不同之處在於,照明裝置60之第二固定件150的第二孔洞150H中分別可配置光學元件650C。光學元件650C可為具高透光性之一透鏡,且光學元件650C的表面曲率亦可視實際需求而調整,以改變照明裝置60所提供之光形。舉例來說,為了提高照明裝置10照明之均勻度,位於中心區域之光學元件650C之表面曲率可經適當設計而具有發散效果,位於邊緣區域之光學元件650C之表面曲率可經適當設計而具有會聚效果。或者,位於中心區域之光學元件650C之表面曲率可經適當設計而具有較高之發散效果,位於邊緣區域之光學元件650C之表面曲率可經適當設計而具有較低之發散效果。換言之,依據第二孔洞150H中的光學元件650C之表面曲率可決定照明裝置10之照明均勻度,甚至光形。In FIG. 2, by distributing the
綜上所述,本發明採用了多條光纖來改變高指向性光源發出光束的空間分佈,形成視覺上分散光源的效果,因此可降低光強度過於集中的問題,以改善眩光問題。再者,透過二次透鏡、光學元件之折射與反射片(或分色鏡)之反射來擴散光束,因此可以增加發光源面積,進一步降低眩光。並且,透過固定件之第二孔洞之結構設計,可調整光纖出光處的位置分佈及方向,而可提升照明的均勻度,進而達成所需配光曲線之光形,例如達成二方向型配光設計。透過第二孔洞內的光學元件,可調整照明裝置之照明均勻度,甚至光形。透過空間光調變器可進一步調整照明裝置的照明效果,例如可達到符合交通法規的道路照明光形。如此一來,即能夠增加用路人的視覺舒適度,且不違背道路規範的要求。In summary, the present invention uses multiple optical fibers to change the spatial distribution of the light beams emitted by the highly directional light source, forming the effect of visually dispersing the light source, thus reducing the problem of excessive light intensity and improving the glare problem. Furthermore, the light is diffused through the reflection of the secondary lens, the refraction of the optical element and the reflection sheet (or dichroic mirror), so the area of the light source can be increased, and the glare can be further reduced. Moreover, through the structural design of the second hole of the fixing member, the position distribution and direction of the optical fiber can be adjusted, and the uniformity of the illumination can be improved, thereby achieving the light shape of the required light distribution curve, such as a two-directional light distribution design. Through the optical element in the second hole, the illumination uniformity and even the light shape of the illuminating device can be adjusted. Through the spatial light modulator, the lighting effect of the lighting device can be further adjusted, for example, a road lighting light shape that complies with traffic laws can be achieved. In this way, it can increase the visual comfort of passers-by without violating the requirements of road regulations.
雖然本發明已以實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明的精神和範圍內,當可作些許的更動與潤飾,故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。Although the present invention has been disclosed in the above embodiments, it is not intended to limit the present invention. Anyone with ordinary knowledge in the technical field can make some changes and modifications without departing from the spirit and scope of the present invention. The scope of protection of the present invention shall be determined by the scope of the attached patent application.
10、40、50、60:照明裝置
12:燈桿
100:發光元件
110、510:光耦合組件
111:反射片
112:分色鏡
111H:開孔
111C、650C:光學元件
113:波長轉換元件
120:空間光調變器
120P:畫素
130:第一固定件
130H:第一孔洞
140:光纖
150:第二固定件
150H:第二孔洞
D1:間距
L1:照明光束
L2:轉換光束
G:地面
X:道路方向
Y:路寬方向10, 40, 50, 60: lighting device
12: Light pole
100: light-emitting
圖1為本發明的一實施例之照明裝置的爆炸示意圖。 圖2繪示圖1中的照明裝置的剖面示意圖。 圖3A至圖3D繪示圖1中的照明裝置的光形示意圖。 圖4繪示本發明又一實施例的照明裝置的剖面示意圖。 圖5繪示本發明又一實施例的照明裝置的剖面示意圖。 圖6繪示本發明又一實施例的照明裝置的剖面示意圖。Fig. 1 is an exploded schematic diagram of a lighting device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the lighting device in FIG. 1. 3A to 3D are schematic diagrams showing the light shape of the lighting device in FIG. 1. 4 is a schematic cross-sectional view of a lighting device according to another embodiment of the invention. 5 is a schematic cross-sectional view of a lighting device according to another embodiment of the invention. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a lighting device according to another embodiment of the invention.
10:照明裝置 10: Lighting device
100:發光元件 100: light-emitting element
110:光耦合組件 110: Optical coupling components
111:反射片 111: reflective sheet
112:分色鏡 112: dichroic mirror
111H:開孔 111H: Opening
111C:光學元件 111C: Optical components
113:波長轉換元件 113: wavelength conversion element
120:空間光調變器 120: Spatial light modulator
120P:畫素 120P: pixel
130:第一固定件 130: The first fixing part
140:光纖 140: Fiber
L1:照明光束 L1: Illumination beam
L2:轉換光束 L2: Conversion beam
150:第二固定件 150: second fixing
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