TWI418853B - 光學透鏡模組及其發光裝置 - Google Patents

Description

光學透鏡模組及其發光裝置

本發明係有關於一種光學透鏡模組，尤指一種具有泛光效果且提高光形均勻度的光學透鏡模組及其發光裝置。

近年來，在顯示和照明光學設備中，效率高且使用壽命長之發光二極體之需求大大增加。例如，現有之發光二極體可包括一個或多個半導體發光元件，該半導體發光元件可用於發出混合三種基色(RGB)所形成之白光，藉以提供照明。

然而，發光二極體乃為一種指向性光源，故發光二極體之發光特性會形成如同聚光燈一般的點光源照明效果，而照明區域之外便會形成暗區，故與傳統照明燈具(如日光燈、白熾燈泡或省電燈泡)之「全光源」照明效果相當不同；而在傳統作法上，可於發光二極體的光軸前方設置光學元件，藉以調整其照明範圍，但目前僅能達到縮小暗區之範圍，依舊無法解決亮暗區域的問題。緣此，發光二極體所製成之燈具較常運用在局部照明之特定用途上，諸如商業投影、聚光、指示等方面，而仍無法應用於辦公或家庭用照明之用途。

另一方面，有文獻提出以一種特定的透鏡，利用鍍膜的方式形成反射膜，以將光線均反射至約與光軸垂直的角度，以形成光線分佈於±90°的範圍；但是此種透鏡犧牲0～±70°及±120°～±180°的光能量分佈，使得光形分佈不均，故亦會形成光照的死角。

因此，如何有效的提高發光二極體產品的照光角度與光形均勻度，以符合使用上的需求，實為研發的重要目標。

本案發明人有鑑於上述習用的技術於實際施用時的缺失，且積累個人從事相關產業開發實務上多年之經驗，精心研究，終於提出一種設計合理且有效改善上述問題之結構。

本發明實施例提供一種光學透鏡模組，係包括：一透鏡本體，其具有一中心軸；一設於該透鏡本體的底部之入射面；一設於該透鏡本體的頂部之折射面，且該折射面係對應於該入射面，該折射面包括一折射弧面及設於該折射弧面旁側之輔助折射面；一外側折射面，其設於該透鏡本體的側部；以及一部分穿透部分反射單元，其設於該透鏡本體的頂部且覆蓋於該折射面之上；其中，透過該入射面進入該透鏡本體並入射於該折射面的光係經過該折射面而形成偏離該中心軸的折射光，該折射光係部分穿透該部分穿透部分反射單元，而部分的折射光則經由該部分穿透部分反射單元的反射再由該外側折射面射出該透鏡本體；其中透過該入射面進入該透鏡本體並直接入射於該部分穿透部分反射單元的光線係經由該部分穿透部分反射單元的反射由該外側折射面射出該透鏡本體；其中透過該入射面進入該透鏡本體並入射於該外側折射面的光線係直接經由該外側折射面的折射而射出該透鏡本體。

本發明實施例更提供一種發光裝置，係包括：一座體，其上設有一發光元件；一組裝於該座體上且對應該發光元件之光學透鏡模組，該光學透鏡模組包括：一透鏡本體，其具有一中心軸；一設於該透鏡本體的底部之入射面；一設於該透鏡本體的頂部之折射面，且該折射面係對應於該入射面，該折射面包括一折射弧面及設於該折射弧面旁側之輔助折射面；一外側折射面，其設於該透鏡本體的側部；以及一部分穿透部分反射單元，其設於該透鏡本體的頂部且覆蓋於該折射面之上；其中，該發光元件所發出之光線係透過該入射面進入該透鏡本體並入射於該折射面，該光線係經過該折射面而形成偏離該中心軸的折射光，該折射光係部分穿透該部分穿透部分反射單元，而部分的折射光則經由該部分穿透部分反射單元的反射再由該外側折射面射出該透鏡本體；其中該發光元件所發出之光線係透過該入射面進入該透鏡本體並直接入射於該部分穿透部分反射單元，該光線係經由該部分穿透部分反射單元的反射由該外側折射面射出該透鏡本體；其中該發光元件所發出之光線係透過該入射面進入該透鏡本體並入射於該外側折射面，該光線係直接經由該外側折射面的折射而射出該透鏡本體。

本發明可利用具有特定結構之透鏡本體與部分穿透部分反射單元所組合形成之光學透鏡模組，使光線產生大角度的偏折，藉以提高發光裝置的可視角度，更可保持光形的均勻度，故可使發光裝置發出均勻的泛光效果。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

本發明提出一種光學透鏡模組及其發光裝置，其可利用光學透鏡模組的光學作用將光線形成大角度的泛光態樣，並可提高光形分佈之均勻性，故可將具有指向性的發光光源的光線調整為達成符合應用標準之全向光型、泛光照明之發光裝置。

請參考圖1、圖1A，其係顯示本發明第一實施例之光學透鏡模組1；其中本發明之光學透鏡模組1係至少包括透鏡本體10、設於透鏡本體10上之入射面11、折射面12與外側折射面13及組裝於該透鏡本體10上之部分穿透部分反射單元14。

在本具體實施例中，透鏡本體10上設有底部101及頂部102，且透鏡本體10之中心軸100貫穿底部101及頂部102，而透鏡本體10較佳為一種圓柱對稱之結構體，故所述的入射面11、折射面12與外側折射面13均係相對於中心軸100而形成圓柱對稱。換言之，本發明所繪製的圖式均為二維的視圖，但光學透鏡模組1實質上乃為一種對稱成型的結構；以下將詳細說明第一實施例之具體結構。

透鏡本體10可利用射出成型、壓鑄等方式所製成，故透鏡本體10較佳為單一的光學元件，但亦可為耦合為一體的光學元件；透鏡本體10可為透光(或稱透明)材質，例如，但不限於聚甲基丙烯酸甲脂(polymethylmethacrolate，PMMA)、聚碳酸脂(ploycarbonate，PC)、PC/PMMA混合樹脂、聚醚醯亞胺(polyetherimide，PEI)、矽樹脂、碳氟聚合物、玻璃等等，而所製成的透鏡本體10之折射率約介於1.35至1.7，但不以此為限。

所述之透鏡本體10在其底部101及頂部102上分別設有入射面11及折射面12，且透鏡本體10之側部更設有外側折射面13，入射面11係向上凹設於透鏡本體10，其為光線射入透鏡本體10的表面；而折射面12則可用於折射光線，使光線偏離中心軸100；而外側折射面13則再一次地折射光線，使光線可由透鏡本體10之側部射出透鏡本體10。而在本具體實施例中，折射面12係對應於入射面11，折射面12則包括一折射弧面121及設於折射弧面121的旁側之輔助折射面122，折射弧面121係為向下凹設於透鏡本體10所成型。

另一方面，部分穿透部分反射單元14係設於透鏡本體10的頂部102且覆蓋於該折射面12之上，部分穿透部分反射單元14可為一種金屬膜，例如利用金屬膜的膜厚、導電係數控制部分穿透部分反射單元14之反射/穿透的比例，舉例來說，金在500nm波長下的反射率為47.7%，鋁在800nm波長下的反射率為86.7%；或部分穿透部分反射單元14可為介電質膜，利用多層介電質膜提供部分穿透部分反射的光學作用。因此，本發明係利用部分穿透部分反射單元14將部分光線反射而由外側折射面13射出，使 整體光形達成泛光照明的態樣。

請參考圖1A，在本具體實施例中，入射面11至少包括一圓弧面111，其主要讓光線得以進入透鏡本體10(為PMMA材質)；另一方面，入射面11可包括圓弧面111與設於圓弧面111的旁側之一階態樣的階梯狀結構112，而入射面11係藉由高折射率之透鏡本體10與一低折射率之介質，例如空氣、其他氣體或其他透明樹脂所界定者。

另外，本實施例之輔助折射面122為一階態樣之階梯狀結構，而折射面12同樣藉由高折射率之透鏡本體10與一低折射率之介質，例如空氣、其他氣體或其他透明樹脂所界定者。前述之「高」、「低」乃為比較之意，亦即透鏡本體10之折射率係高於其他介質的折射率。

另一方面，外側折射面13係為由透鏡本體10的底部101延伸至透鏡本體10的頂部102的平滑曲面，光線可由外側折射面13向外部折射，使光線可朝向大角度的方向射出，以達到全向光的目的。

圖1A繪製出本發明之光線軌跡，請參考軌跡E1，其中光線由入射之圓弧面111的焦點F發出，以透過入射面11進入透鏡本體10並入射於折射面12，光線經過折射面12而形成偏離該中心軸100的折射光，該折射光係部分穿透該部分穿透部分反射單元14(如軌跡E11所示)，而部分的折射光則經由該部分穿透部分反射單元14的反射再由外側折射面13射出透鏡本體10(如軌跡E12所示)。請參考軌跡E2，其顯示光線由入射之圓弧面111的焦點F發出，以透過入射面11直接入射於部分穿透部分反射單 元14，光線直接經由部分穿透部分反射單元14的反射，由外側折射面13射出透鏡本體10；再者，請參考軌跡E3，其中光線由入射之圓弧面111的焦點F發出，以透過入射面11進入透鏡本體10，並直接經由外側折射面13的折射而射出該透鏡本體10。因此，本發明可利用光學透鏡模組1將光線導向大角度的方向，以達成泛光型態的發光態樣。

以圖1A所示之光線軌跡配合圖1B、圖1C，由於光線可經過折射面12的折射、部分穿透部分反射單元14的反射與外側折射面13的折射，使光線偏折進而分佈於±90°(度)至±180°(度)間，較佳為±90°(度)至±160°(度)間，以產生大角度之泛光角度；另外，由於部分穿透部分反射單元14不會犧牲其他角度的光能量，故本發明之光形分佈較為均勻。

請參考圖2，其為本發明之第二實施例，其與第一實施例不同之處在於，外側折射面13包括由透鏡本體10的底部101延伸的第一平滑曲面131、由透鏡本體10的頂部102延伸的第二平滑曲面132及連接該第一、第二平滑曲面131、132的水平連接段133；而部分穿透部分反射單元14的反射率為55%(即穿透率為45%)。圖2A及圖2B即顯示前述實施例之極座標光形圖與剖面光形圖，其中可知有大角度之光偏折，其介於±90°(度)至±160°(度)間，使視角(view angle)大於±160°(度)；另外，光形相當均勻，使0°(度)至±135°(度)之間的光強度均在最大光強度的60%以上。

另一方面，圖2C、圖2D顯示第二實施例之第一變化 態樣之極座標光形圖與剖面光形圖，其中部分穿透部分反射單元14的反射率為50%(即穿透率為50%)；圖2E、圖2F顯示第二實施例之第二變化態樣之極座標光形圖與剖面光形圖，其中部分穿透部分反射單元14的反射率為30%(即穿透率為70%)；圖2G、圖2H顯示第二實施例之第三變化態樣之極座標光形圖與剖面光形圖，其中部分穿透部分反射單元14的反射率為60%(即穿透率為40%)。根據上述不同反射率之部分穿透部分反射單元14所進行的光形測試，均可達到泛光的照明，且達到均勻的光形，而不會有某些角度的亮度過低的問題；再者，根據上述實施例，在本發明中，部分穿透部分反射單元14的反射率係約介於30%至60%之間，較佳則約為55%。

請參考第三圖，其顯示本發明之第三實施例，其與第一、第二實施例不同之處在於，入射面11包括圓弧面111與設於圓弧面111的旁側之兩階態樣的階梯狀結構112；而折射弧面112與輔助折射面122之間更設有一凸出折射部123，使折射弧面112的旁側具有凹凸狀結構；另外，外側折射面13則包括由透鏡本體10的底部101延伸的第一平滑曲面131、由第一平滑曲面131延伸之第一水平連接段133A、由透鏡本體10的頂部102延伸的第二平滑曲面132、由該第二平滑曲面132延伸之第二水平連接段134及連接該第一、第二水平連接段133A、134的第三平滑曲面135。

請參考圖3A、圖3B，其顯示部分穿透部分反射單元14的反射率為50%(即穿透率為50%)之極座標光形圖 與剖面光形圖；圖3C、圖3D顯示第三實施例中，部分穿透部分反射單元14的反射率為30%(即穿透率為70%)的極座標光形圖與剖面光形圖；圖3E、圖3F顯示第三實施例中，部分穿透部分反射單元14的反射率為60%(即穿透率為40%)之極座標光形圖與剖面光形圖。根據上述不同反射率之部分穿透部分反射單元14所進行的光形測試，第三實施例之結構可達到泛光的照明，達成泛光型態的發光態樣，並形成均勻的光形，而不會有某些角度的亮度過低的問題。

請參考圖4，其顯示本發明之發光裝置，其中，發光元件21，如發光二極體係設置於座體20上，而本發明之光學透鏡模組1則組裝於座體20上。圖4係將前述第二實施例之光學透鏡模組1則組裝於座體20上，並使入射面11對應於發光元件21；較佳地，發光元件21係設於圓弧面111的焦點位置，且透鏡本體10與座體20之間形成對應入射面11的容置空間22，容置空間22及部分穿透部分反射單元14與透鏡本體10之間所形成的空間則填充有折射率較透鏡本體10為低之介質，使光線由密介質傳遞至疏介質時產生大角度的折射，進而使光線可有效地偏折於透鏡本體10的側面，以形成較大的泛光角度，且可提高全向性(Omni Directional)的光形均勻度。

值得說明的是，本發明之發光裝置並不限定於第二實施例之光學透鏡模組1，亦可將第一、第三實施例之光學透鏡模組1應用於發光裝置；另外，光學透鏡模組1與座體20的組合方式可為卡合固定、焊接、黏合等等，但不 以此為限。本發明之優點如下：

1、本發明可解決指向性的發光光源無法達到廣泛角度之光照的問題。本發明可利用部分穿透部分反射單元與透鏡本體之結構的配合，使指向性的發光光源所發出之光線可被部分穿透部分反射單元反射，再由透鏡本體的側部向外偏折射出，故整體而言，本發明可達成泛光照明的目的，例如，光線偏折角度可約介於±90°(度)至±180°(度)之間。

2、另外，本發明不會犧牲其他角度的光能量，以達到較為均勻的光形分佈，例如，介於0°(度)至±135°(度)之間的光強度均可達最大光強度的60%以上；因此，本發明可提供均勻的光照態樣。

以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效技術變化，均包含於本發明之範圍內。

1．．．光學透鏡模組

10．．．透鏡本體

100．．．中心軸

101．．．底部

102．．．頂部

11．．．入射面

111．．．圓弧面

112．．．階梯狀結構

12．．．折射面

121．．．折射弧面

122．．．輔助折射面

123．．．凸出折射部

13．．．外側折射面

131．．．第一平滑曲面

132．．．第二平滑曲面

133．．．水平連接段

133A．．．第一水平連接段

134．．．第二水平連接段

135．．．第三平滑曲面

14．．．部分穿透部分反射單元

20．．．座體

21．．．發光元件

22．．．容置空間

F．．．焦點

E1、E11、E12、E2、E3．．．軌跡

圖1係為本發明第一實施例之光學透鏡模組的示意圖。

圖1A係為光線進入本發明第一實施例的軌跡示意圖。

圖1B係為應用本發明第一實施例之光學透鏡模組所產生之極座標光形圖。

圖1C係為應用本發明第一實施例之光學透鏡模組所產生之剖面光形圖。

圖2係為本發明第二實施例之光學透鏡模組的示意圖。

圖2A及圖2B顯示應用第二實施例所產生之極座標光形圖與剖面光形圖，其中反射率為55%。

圖2C及圖2D顯示應用第二實施例所產生之極座標光形圖與剖面光形圖，其中反射率為50%。

圖2E及圖2F顯示應用第二實施例所產生之極座標光形圖與剖面光形圖，其中反射率為30%。

圖2G及圖2H顯示應用第二實施例所產生之極座標光形圖與剖面光形圖，其中反射率為60%。

圖3係顯示本發明第三實施例之光學透鏡模組的示意圖。

圖3A及圖3B顯示應用第三實施例所產生之極座標光形圖與剖面光形圖，其中反射率為50%。

圖3C及圖3D顯示應用第三實施例所產生之極座標光形圖與剖面光形圖，其中反射率為30%。

圖3E及圖3F顯示應用第三實施例所產生之極座標光形圖與剖面光形圖，其中反射率為60%。

圖4係為將本發明第二實施例之光學透鏡模組與座體、發光元件組合為發光裝置的示意圖。

1．．．光學透鏡模組

10．．．透鏡本體

101．．．底部

102．．．頂部

11．．．入射面

111．．．圓弧面

112．．．階梯狀結構

12．．．折射面

121．．．折射弧面

122．．．輔助折射面

13．．．外側折射面

131．．．第一平滑曲面

132．．．第二平滑曲面

133．．．水平連接段

14．．．部分穿透部分反射單元

Claims (30)

1. 一種光學透鏡模組，係包括：一透鏡本體，其具有一中心軸；一設於該透鏡本體的底部之入射面；一設於該透鏡本體的頂部之折射面，且該折射面係對應於該入射面，該折射面包括一折射弧面及設於該折射弧面旁側之輔助折射面；一外側折射面，其設於該透鏡本體的側部；以及一部分穿透部分反射單元，其設於該透鏡本體的頂部且覆蓋於該折射面之上；其中，透過該入射面進入該透鏡本體並入射於該折射面的光線係經過該折射面而形成偏離該中心軸的折射光，該折射光係部分穿透該部分穿透部分反射單元，而部分的折射光則經由該部分穿透部分反射單元的反射再由該外側折射面射出該透鏡本體；其中透過該入射面進入該透鏡本體並直接入射於該部分穿透部分反射單元的光線係經由該部分穿透部分反射單元的反射由該外側折射面射出該透鏡本體；其中透過該入射面進入該透鏡本體並入射於該外側折射面的光線係直接經由該外側折射面的折射而射出該透鏡本體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡模組，其中該入射面至少包括一圓弧面。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光學透鏡模組，其中該入射面係藉由高折射率之該透鏡本體與一低折射率之介質所界定者。
4. 如申請專利範圍第2項所述之光學透鏡模組，其中該折射面係藉由高折射率之該透鏡本體與一低折射率之介質所界定者。
5. 如申請專利範圍第2項所述之光學透鏡模組，其中該入射面更包括設於該圓弧面旁側之一階態樣的階梯狀結構。
6. 如申請專利範圍第5項所述之光學透鏡模組，其中該輔助折射面係為一階態樣之階梯狀結構。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光學透鏡模組，其中該外側折射面係為由該透鏡本體的底部延伸至該透鏡本體的頂部的平滑曲面。
8. 如申請專利範圍第6項所述之光學透鏡模組，其中該外側折射面包括由該透鏡本體的底部延伸的第一平滑曲面、由該透鏡本體的頂部延伸的第二平滑曲面及連接該第一、第二平滑曲面的水平連接段。
9. 如申請專利範圍第2項所述之光學透鏡模組，其中該入射面更包括設於該圓弧面旁側之兩階態樣的階梯狀結構。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光學透鏡模組，其中該輔助折射面係為一階態樣之階梯狀結構，且該折射弧面與該輔助折射面之間更設有一凸出折射部。
11. 如申請專利範圍第10項所述之光學透鏡模組，其中該外側折射面包括由該透鏡本體的底部延伸的第一平滑曲面、由該第一平滑曲面延伸之第一水平連接段、由該透鏡本體的頂部延伸的第二平滑曲面、由該第二平滑曲面延伸之第二水平連接段及連接該第一、第二水平連接段的第三平滑曲面。
12. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡模組，其中該入射面、該折射面與該外側折射面均係相對於該中心軸而形成圓柱對稱。
13. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡模組，其中該部分穿透部分反射單元至少包括一金屬膜或一介電質膜。
14. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡模組，其中該部分穿透部分反射單元的反射率係介於30%至60%之間。
15. 如申請專利範圍第14項所述之光學透鏡模組，其中該部分穿透部分反射單元的反射率係為55%。
16. 一種發光裝置，其包括：一座體，其上設有一發光元件；一組裝於該座體上且對應該發光元件之光學透鏡模組，該光學透鏡模組包括：一透鏡本體，其具有一中心軸；一設於該透鏡本體的底部之入射面；一設於該透鏡本體的頂部之折射面，且該折射面係對應於該入射面，該折射面包括一折射弧面及設於該折射弧面旁側之輔助折射面；一外側折射面，其設於該透鏡本體的側部；以及一部分穿透部分反射單元，其設於該透鏡本體的頂部且覆蓋於該折射面之上；其中，該發光元件所發出之光線係透過該入射面進入該透鏡本體並入射於該折射面，該光線係經過該折射面而形成偏離該中心軸的折射光，該折射光係部分穿透該部分穿透部分反射單元，而部分的折射光則經由該部分穿透部分反射單元的反射再由該外側折射面射出該透鏡本體；其中該發光元件所發出之光線係透過該入射面進入該透鏡本體並直接入射於該部分穿透部分反射單元，該光線係經由該部分穿透部分反射單元的反射由該外側折射面射出該透鏡本體；其中該發光元件所發出之光線係透過該入射面進入該透鏡本體並入射於該外側折射面，該光線係直接經由該外側折射面的折射而射出該透鏡本體。
17. 如申請專利範圍第16項所述之發光裝置，其中該入射面至少包括一圓弧面，該發光元件係設於該圓弧面的焦點位置。
18. 如申請專利範圍第17項所述之發光裝置，其中該透鏡本體與該座體之間形成對應該入射面的容置空間，該容置空間中填充有折射率較該透鏡本體為低之介質，以藉由高折射率之該透鏡本體與低折射率之該介質界定該入射面。
19. 如申請專利範圍第17項所述之發光裝置，其中該部分穿透部分反射單元與該透鏡本體之間形成一空間，該空間中填充有折射率較透鏡本體為低之介質，以藉由高折射率之該透鏡本體與低折射率之該介質界定該折射面。
20. 如申請專利範圍第17項所述之發光裝置，其中該入射面更包括設於該圓弧面旁側之一階態樣的階梯狀結構。
21. 如申請專利範圍第20項所述之發光裝置，其中該輔助折射面係為一階態樣之階梯狀結構。
22. 如申請專利範圍第21項所述之發光裝置，其中該外側折射面係為由該透鏡本體的底部延伸至該透鏡本體的頂部的平滑曲面。
23. 如申請專利範圍第21項所述之發光裝置，其中該外側折射面包括由該透鏡本體的底部延伸的第一平滑曲面、由該透鏡本體的頂部延伸的第二平滑曲面及連接該第一、第二平滑曲面的水平連接段。
24. 如申請專利範圍第17項所述之發光裝置，其中該入射面更包括設於該圓弧面旁側之兩階態樣的階梯狀結構。
25. 如申請專利範圍第24項所述之發光裝置，其中該輔助折射面係為一階態樣之階梯狀結構，且該折射弧面與該輔助折射面之間更設有一凸出折射部。
26. 如申請專利範圍第25項所述之發光裝置，其中該外側折射面包括由該透鏡本體的底部延伸的第一平滑曲面、由該第一平滑曲面延伸之第一水平連接段、由該透鏡本體的頂部延伸的第二平滑曲面、由該第二平滑曲面延伸之第二水平連接段及連接該第一、第二水平連接段的第三平滑曲面。
27. 如申請專利範圍第16項所述之發光裝置，其中該入射面、該折射面與該外側折射面均係相對於該中心軸而形成圓柱對稱。
28. 如申請專利範圍第16項所述之發光裝置，其中該部分穿透部分反射單元至少包括一金屬膜或一介電質膜。
29. 如申請專利範圍第16項所述之發光裝置，其中該部分穿透部分反射單元的反射率係介於30%至60%之間。
30. 如申請專利範圍第29項所述之發光裝置，其中該部分穿透部分反射單元的反射率係為55%。