TW515913B - One-piece lens arrays for collimating and focusing light and LED light generators using same - Google Patents

Description

515913 五、發明說明（1) 一般指定的，建檔於1998年12月17日的荷蘭申請書，序

號PHN 17 233與建檔於1999年9月的荷蘭申請書，序號PHN 1 76 0 7 ’都有關於具有用於瞄準光線之單片鏡頭陣列的光 線產生器。 本發明有關於發光二極體（LED)光線產生器中，用於猫 準與對焦光線的鏡頭，尤其關於一用以瞄準並對焦光線的 單片鏡頭陣列，及使用該鏡頭陣列之L £ d光線產生器。 現行LED光線產生器的設計，由個別的LED光源陣列匯 集光線，並將其聚焦於一標的上，如光纖的入口孔徑，絕 大多數這些設計中，關鍵性的一點在於個別LED光源的瞄 準與對焦，以便製作出可用的光束。 許多LED光線產生器的設計使用許多個別且不同的光學 零件（瞄準器），每一個都能有效地抓取到L e d光源個別所 產生的廣泛發散的光線，為了實際使用的原因，瞒準器需 一致，如此可有平行的光軸，製造出彼此平行的瞒準光 束，第二鏡頭（會聚透鏡）將平行的瞄準光束會聚於預想的 才示的’第二鏡頭必須具有相當南角度的折射，以便將陣列 周圍的LED光源所產生之光束聚焦。 使用分開且不同的瞄準器於陣列的每一LED光源上，非 如預期地增加了光線產生器設計上的尺寸，複雜度，與成 本，這是因為瞄準器必須用龐大且固定用的硬體與間隔， 個別獨立地將其固定且對準，其在組裝的過程中，需要高 價的處理與對準步驟。 此外，會聚透鏡的南角度折射，由於在較高折射角度

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時，夫瑞奈損失（Fresnel loss)與光束散射 體的會聚效率。 ％ 而減少了整 因此，用以瞄準與/或對焦LED光線產生器的鏡頭，兩 用來減少光線產生器組裝時的處理與對準，以及允許= 益的光線產生器包裝，其具有實質上一致的光學功L。緊

用於發光二極體（LED)光線產生器的鏡頭陣列，包含L 光源陣列，鏡頭陣列包含統一形成的元件，其具有眾多〜 排於預定陣列的瞄準透鏡，透鏡放置於陣列中，如此^ = 一透鏡運作為對應L E D光源的瞄準器，陣列中的每一透母 鏡’根據其對應LED光源在LED陣列中的位置而最佳化。 一種LED光線產生器，包含一預定的“])光源陣列，即上 述鏡頭陣列，與一會聚透鏡，將瞄準光束聚焦於一預定 標的。 的 一種用於招牌與照明的發光系統，其包含用於引導光線 至一預定位置的光纖，與上述的LED光線產生器，光纖包 括形成光線產生器之預定標的的入口孔徑。 本發明的優點，性質，與各種額外的特性，顯得更為依 據圖示具體實施例的思考，該具體實施例現在依據隨同的 圖不詳細地敛述，其中： 圖1為鏡頭陣列的圖示，其依據本發明之具體實施例， 使用於一般發光二極體（LED)光線產生器； 圖2為LED光線產生器的圖示，其具有一會聚透鏡，尤其 適合與本發明之鏡頭陣列並用； 圖3A為參考系統之圖示，其用於以光學光線追蹤程式執

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行的計算，以說明使用於一般LED光線產生器的傳統透鏡 圖3 B為一系統之圖示，其用於以光學光線追蹤程式執一 的計算，以說明使用於一般LED光線產生器的傳統透鏡仃 統之效能； μ 圖4 Α為參考系統的角度分佈與積分分佈；以及 圖4B為改良系統之角度分佈與積分分佈； 應該瞭解的是附圖適用於說明本發明的觀念，而非表示 尺寸。 μ 圖1為顯示依據本發明具體實施例之鏡頭陣列丨〇，其用 於包含LED光源18之陣列17的一般發光二極體（LED)光線產 生器，鏡頭陣列1 0整合眾多瞄準透鏡1 4成為單個統一形成 元件1 2，其低價之生產可使用已知的光學塑膠成型法，透 鏡14以預定的方式置於陣列1〇中，使得每一LED光源18有 其獨有之瞄準器，陣列1 〇中的每一透鏡1 4依據其對應LED 光源18在LED陣列17中的位置，光學地最佳化，在鏡頭陣 列1 0之後有一會聚平面透鏡2 0，如夫瑞奈透鏡，用以對焦 光束B於一預定的標的2 2上，例如光纖的入口孔徑，或招 牌的光導管，或照明系統，會聚透鏡2 〇的配方可選擇為， 允許其與鏡頭陣列10中光學最佳化的透鏡14，有效地共同 運作。 如稍早所提，陣列10的每一透鏡14，其對應LED陣列17 中之LED光源1 8之定位，均光學最佳化，例如，位於鏡頭 陣列10的周圍24之透鏡14，其瞄準LED陣列17周圍26上的

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LED光源1 8，有其獨有特定的透鏡配方， 方，可定義一折射面2 8，使得透鏡丨4 ^ 、、見配 束Β部分投向選定的標的22，由於透鏡 J田丰先 體元ΓΪΓ!當獨立透鏡配方易於由塑膠成型技，二 4，即不會^額外的製造成本，因A，發明的

1〇允許使用各種不同的LED封裝，尺寸需求，總流明需求J 等等’進一步提供的資料，暴頁示了說明此原則的簡化計算 過程。 藉由提供其有利的獨有透鏡配方以光學最佳化鏡頭陣列 10中的每一獨立透鏡14的能力，允許在LED光線產生器16 中LED光源18的間隔為可變的，基於以下的原因，這點是 很重要的，對所有設計而言，瞄準器的效率與其尺寸互&有 抵銷，由於聚焦角度較小，較小的瞄準器效率較低，但卻 可增進會聚透鏡的效率（較大的瞄準器較有效率，但卻增 加聚焦角度’因為距離光線產生器中心軸更遠），再聲明 一點，瞄準器效率與會聚透鏡效率是互有消長的，全世界 傳統光線產生中’對所有LED光源而言，瞒準器的效率 (亦即，瞄準器透鏡的尺寸）僅能設計一次，然而，本發明 中鏡頭陣列1 0的每一透鏡1 4支瞄準器效率，卻可特別配合 (改變透鏡14”尺寸”的配方方式）其對應LED光源18的位 置，由於會聚透鏡2 0的會聚效率半徑有變異，配合可相反 地藉由改變陣列1 0中透鏡1 4的瞄準器效率，依據透鏡1 4所 對應的LED光源18相對會聚透鏡20的位置而完成 '因此， 本發明鏡頭陣列1 0的使用，可產生更高的總LED光線產生

515913 五、發明說明（5) 二效率例如，鏡頭陣列1 0周圍2 4的透鏡1 4，可以有需要 增大的出口孔從尺寸的透鏡配方，這可以提供鏡頭陣列^ ::〇線更夕的瞄準，藉此配合會聚透鏡2 〇周圍較低的 會聚效竿。 有了本發明的鏡頭陣列10，將更明白其他的優點，例 如，鏡頭陣列10也降低了光線產生器16的製造成本，因為 與傳統=離式瞄準透鏡單體相比，在組裝過程中，實際上 其需要較少的處理和瞄準’此外，發明的鏡頭陣列1 〇允 更緊密的光線產生器設計，肖實際上相同於較大傳統設； 的光學功能，因為不需要與傳統分離式的瞄準器透鏡元 相關的固定片和間隔。

會聚透鏡20與具有"光束導向"透鏡配方之透鏡14的鏡 頭陣列10並用，需要修正以有效地操作鏡頭陣列1〇，圖i 所描繪出鏡頭陣列10僅具有少量的光束導向功能，如此 會聚透鏡20的曲率可利用簡單的球面鏡得到修正，以更有 效地從來自鏡頭陣列1 〇的光線折射”受導向的"光束B 當鏡頭陣列10的透鏡14具有可製造實質光束導向的數量 之光學配方時，會聚透鏡可被建構為彎曲的夫瑞奈透鏡2 單片陣列，如圖2所示，由於會聚透鏡30為單獨統1"—形^^ 的元件，其也可由來自已知傳統光學塑膠成型法的塑膠， 以低成本製造’此外，會聚透鏡30的夫瑞奈透鏡可有^ 的焦距，會聚透鏡30亦可包含其他可最佳化光線匯集的修 正。 "" 現在應該很清楚的，本發明的鏡頭陣列丨〇有兩個分別的

第9頁 515913 五、發明說明（6) 4點㈢第疋成本’製造單獨形成的元件部分，相較許夕 部分是較低廉的，其取代了傳統光線產生器的設計，第t 個優點為效能’該整合允許以不需額外製造成本的方式， ^更複雜的光學没计，此可在鏡頭陣列1 〇瞄準且部分導 光Λ朝向光線產生器出口孔徑與會聚透鏡，然後完成取 焦的工作呀，改善光線的會聚，藉由劃分兩單體之間的 射角，可改進總效率。 诉 ^ =稍早所提的’用簡單的計算可得到發明中鏡頭陣列 車乂同效此，计异是用已知叫高階系統分析程式（AMP 、 光學光，追縱程式來執行，計算是對具非光束導向目苗準的器 / 糸統）傳統光線產生器透鏡系統’以及使用本發明 (改。糸統）之光線導向鏡頭陣列執行。 如圖3A所描緣的，參考系統4〇使用一平行板42與一楔 :’六射光束B，圖⑽所描繪的改良系統5〇則使用兩楔子 52，，所有板子與楔子都具有折射係數ι·5，楔子盥全 反射角是任意選取的，且除了便利外，無須特別指定盆 值，結果為使用一楔子與兩楔子以反射光束之比較的一般 特點’平行板被包括以代表不具導向功能的瞄準器，但 ΐ面i ί Π損t則被包括以估計看考瞒準器之：瑞奈損 失 > 考糸、、先之早獨楔子角度為39· 53。，導致全反射角 為33·18 、，改良系統之兩楔子角度均為25。，其亦導致 全反射角為33.18。，所有的楔子其入射面均垂直入射光 束的方向，再次地，這僅為了計算的便利性 算的任何重要特性。 叩个代衣冲

第10頁 515913 五、發明說明（7) 計算的結果顯示改良系統在兩方面較佔優勢，第一’參 考系統僅傳送了入射光的64 % (錐角2 X 4 °的縮短朗伯）， 而改良系統則傳送大約8 0 % ，或比參考系統多2 5 %的光線 (亦即，8 0/ 64 = 1. 25)，第二個優點則有點難以發現，但也 很重要，從參考系統射出的光束，較改良系統射出的寬闊 (因此總流量的每一單位密度較低），此代表優點的數值取 決於應用的特定幾何形狀，但至少可將增廣的倍率量化。 由於兩光束的增寬不對稱，不對稱的情況比參考系統的 更糟，所以要考慮總流量的整合，而量得的角度則從1 0 % 點到9 0 %點（亦即，光束的中央8 0 % )，參考系統與改良系 統的角度，分別是1 3. 7 °與1 0. 4 ° ，參考系統與改良系統 的角度分佈與積分分佈的圖形，顯示於圖4A與4B，游標 (π +π )標註積分分佈的量測範圍。 當上述的發明參考以上具體實施例說明時，可以有各種 修正與改變，而不背離本發明的精神，因此，這樣的修正 與改變應在附屬申請專利範圍的領域中。

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Claims (1)

1. 515913 六、申請專利範圍 1 ·用於包含LED光源（18)之陣列（17)之發光二極體（led) 光線產生器（1 6 )的鏡頭陣列（1 〇 )，鏡頭陣列（丨〇 )包含統一 幵乂成元件（12)，其具有許多安置於預定陣列的猫準透鏡 (14) ’透鏡（14)置於陣列（1〇)中，使得每一透鏡（14)均可 運作為相對應LED光源（18)的瞄準器，其特性為透鏡（14) 具有根據其相對應LED光源（18)在LED陣列（17)中的位置而 最佳化的光學特性。 ^ 2 ·如申請專利範圍第1項之鏡頭陣列（1 〇 )，其特性為， 鏡頭陣列（1 0 )中的一或多個―透鏡（1 4 )，具有透鏡的配方 可製造光線中瞄準光束折射部分投向預定的標的（22)。 3 ·如申請專利範圍第2項之鏡頭陣列（丨〇 ) _，其特性為， 一透鏡配方定義一折射表面（28)，將相關光線的瞄準光 折射部分投向預定的標的（2 2 )。 每 束 4·如申請專利範圍第1項之鏡頭陣列（丨〇 )，其特性為， 鏡頭陣列（10)的一或多個透鏡（1 4)，具有的透鏡配方，提 供一或多個透鏡（14)具有其選定的瞄準特性。 5· —種發光二極體（LED)光線產生器（丨，其包含· 預定的LED光源（18)之陣列（17)，每一 LED光源丨產 生發散光線； 統一形成的元件（12)，其定義眾多安置於預定陣 的瞄準透鏡（14)，使得每一透鏡（1 4)運作以瞄準由le])光 源（18)之相對應光線所產生的發散光線，成為瞄準光 透鏡（14)具有依據其對應LED光源（18)在1^1)陣列（17) 位置而最佳化的光學性質；以及

   定標的（22)之會聚透鏡（20 將目苗準光束對焦於預 3〇) 〇 6 ·如申明專利範圍第5項之光線產生器⑴），其特性 :、，鏡頭陣列U0)的一或多個透鏡(⑷具有的透鏡配方 w出光線之目田準光束折射部分投向預定的標的（2 2)。 •如申明專利範圍第6項之光線產生器（16 )，其特性 束 & ^透鏡配方定義了—折射面（28)，將光線相關福準光 π分投向預定的標的（22)。 •如申晴專利範圍第5項之光線產生器（丨6 )，其特性 二、陣列（1 〇 )之一或多個透鏡（1 4 )具有的透鏡配方，使得 —或多個透鏡（14)具有其獨有選定的瞄準特性。 9·如申請專利範圍第5或6項之光線產生器（16)，其特性 為，收集鏡（20)為一具有夫瑞奈光學性質的平面透鏡。 •如申凊專利範圍第5或6項之光線產生器（丨6 )，’其特 =、’收集鏡（30)為一具有夫瑞奈光學性質的統一形成彎

   第14頁 1 ·、用於招牌與照明用途的發光系統，該系統包含用以 曰2光線至預定位置的光纖，以及如申請專利範圍第9項 =:線產生器（1 6 )，其特性為光纖包含一入口孔徑，形成 光線產生器的預定標的（2 2 )。