TWI418862B - 導光圓柱 - Google Patents

Description

導光圓柱

本發明是有關於一種導光元件，且特別是有關於一種圓柱狀的導光元件。

隨著半導體技術的進步，發光二極體(light-emitting diode,LED)所能達到的功率越來越大，且所發出的光之強度越來越高，再加上發光二極體具有省電、使用壽命長、環保、啟動快速、體積小…等多種優點，使得發光二極體的應用層面越來越廣。此應用層面包括照明、交通號誌、顯示器、光學滑鼠…等。

然而，由於發光二極體是點光源，隨著發光強度越來越高，會使得強度極高的光都集中在一點上。當這樣的點光源用於一般照明用途時，容易使得直視此點光源的人眼感到不舒服，亦即產生眩光。一般而言，欲提升視覺舒適性，可將導光元件放置於發光二極體前，以均勻的分散光源而作為照明的用途。

在照明用途的應用上，常使用導光柱作為分散光源的導光元件，以將點光源轉換成為線光源。其中，導光圓柱的設計將關係著照明設備的光學效果。

本發明提供一種導光圓柱，有助於均勻地分散光線。

本發明另提出一種導光圓柱，可提高光利用率。

本發明提出一種導光圓柱，包括一圓柱狀體以及一輔助體。圓柱狀體包括兩端面以及一圓柱面，兩端面位於圓柱面的相對兩側，而圓柱面包括實質上相對的一出光區以及一導光區。輔助體鑲嵌於圓柱狀體中，輔助體鄰近導光區，且輔助體具有多個微結構。輔助體的折射率不同於圓柱狀體的折射率。

本發明另提出一種導光圓柱，其包括一圓柱狀體。圓柱狀體包括兩端面以及一圓柱面，兩端面位於圓柱面的相對兩側，而圓柱面包括實質上相對的一出光區以及一導光區。在導光圓柱平行兩端面的一橫剖面中，出光區的一輪廓為折曲狀且包括多條直線段。任兩條相鄰的直線段的延伸方向不同，以定義出多個指向外部的凸角以及多個指向內部的凹角。在導光圓柱平行兩端面的一橫剖面中，當導光區之中心點與出光區之中心點定義出一第一連線，出光區的輪廓上的一第一點與導光區之中心點的一第二連線與第一連線相交一第一夾角，出光區的輪廓上的一第二點與導光區之中心點的一第三連線與第二連線相交一第二夾角，且第一夾角自25度至35度而第二夾角自45度至50度時，位在第一點與第二點之間的凸角小於位在第一點與第二點之間的凹角，且凸角自140度至155度，而凹角自140度至160度。

基於上述，本發明在導光圓柱的圓柱狀體中嵌入一具有微結構的輔助體。所以，導光圓柱可以將光線導引至不同的方向而射出藉此提高使用導光圓柱之設備的出光均勻性。此外，本發明之導光圓柱的出光區具有折曲狀的輪廓，且折曲的線段與導光圓柱之主要出光方向呈現特定的關係。所以，本發明的導光圓柱有助於提高光線利用效率。

為讓本發明之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。

圖1A繪示為本發明之一實施例的導光圓柱的透視示意圖，而圖1B為圖1A的導光圓柱沿剖線I-I’的剖面示意圖。請同時參照圖1A與圖1B，導光圓柱100包括一圓柱狀體110以及一輔助體120。圓柱狀體110包括兩端面112以及一圓柱面114，其中圖1B所繪示的剖面例如平行於兩端面112。兩端面112位於圓柱面114的相對兩側，而圓柱面114包括實質上相對的一出光區114A以及一導光區114B。在本實施例中，圓柱狀體110以正圓形的柱狀體為例，不過在其他的實施方式中圓柱狀體110也可以是橢圓狀的柱狀體，亦即兩端面112也可以具有橢圓形的輪廓，或是近似圓形的柱狀體。輔助體120鑲嵌於圓柱狀體110中，輔助體120鄰近導光區114B，且輔助體120具有多個微結構122。此外，輔助體120的折射率不同於圓柱狀體110的折射率。

導光圓柱100應用於一照明設備或是一發光裝置時，點光源(未繪示)可以設置於兩端面112，而採用兩端面112作為入光面。光線由兩端面112入射導光圓柱100並在導光圓柱100中傳遞。此時，輔助體120的設置有助於將光線導引至不同的方向上，而使照明設備或是發光裝置的出均勻性更加提升。另外，除了微結構122有助於導引光線至不同行進方向外，輔助體120與圓柱狀體110具有不同的折射率也有助於改變光線的行進路徑。所以，輔助體120有助於提高導光圓柱100的導光作用以達到更理想的出光均勻性。

更進一步而言，導光圓柱100主要是導引入射的光線使光線均勻地由出光區114A射出。所以，本實施例還可以在相對於出光區114A的導光區114B附近配置一反射層130。反射層130的材質可以是具有鏡面反射作用、漫射反射作用或是擴散式反射作用的材料。

本實施例的設計係使得反射層130直接配置於輔助體120上。具體而言，反射層130配置於輔助體120遠離出光面114A的一側，而且輔助體120的微結構122配置於輔助體120接近於出光區114A的一側。也就是說，導光圓柱100的製作方式可以是先將反射層130配置於輔助體120的一側。然後，將輔助體120放置於一模具或是一模型中以將圓柱狀體110、輔助體102以及反射層130同時地採用擠出成型或是雙料射出成型的方式製作成導光圓柱100。當然，導光圓柱100的製作方式也可以採用其他的製程步驟及製作順序，本發明並不限定於此。在其他的實施例中，反射層130還可以共形地配置於輔助體120的微結構122上或是直接配置於導光區114B的外側。

舉例而言，圖2A繪示為本發明之另一實施例的導光圓柱的透視示意圖，而圖2B為圖2A的導光圓柱沿剖線II-II’的剖面示意圖。請同時參照圖2A與圖2B，導光圓柱200與導光圓柱100的差異主要在於反射層230在導光圓柱200中係直接配置於圓柱狀體110的導光區114B上。也就是說，反射層230並非貼附或是配置於輔助體120的外側。也就是說，反射層230可以在圓柱狀體110成型之後才貼附或是配置於圓柱狀體110上，或是反射層230可以與圓柱狀體110同時以射出或是擠出的方式成形。

值得一提的是，上述實施例的微結構122係為條狀的結構設計。不過，本發明並不特別地限制微結構122的型態。在一實施例中，微結構122的延伸方向也可以平行於導光圓柱100與200的延伸方向或是與導光圓柱100與200的延伸方向相交於特定的一夾角。另外，微結構122也可以是點狀的凸起結構或是網點等有助於改變光線行進方向的結構設計。

舉例而言，圖3繪示為本發明之另一實施例的導光圓柱的透視示意圖。請參照圖3，導光板300與導光板100的差異主要在於輔助體320的微結構322係為點狀的凸起結構。當然，微結構322呈現的型態僅為示意說明之用，在實際的結構上，每一個微結構322可以是圓柱狀、金字塔狀、角椎狀、半圓球狀、半橢圓球狀等形態。此外，上述實施例中，微結構122以及322係為規則地排列，不過在實際的結構設計上，微結構122以及322也可以呈現不規則地排列或是採用局部區域分佈密較高而局部區域分布密度較低的方式排列。微結構122及322的尺寸可以相同也可以不同。

此外，以上的實施例所揭露的結構都呈現輔助體120、320完全被圓柱狀體110包覆的態樣。不過，輔助體120、320也可以鑲嵌於圓柱狀體110的導光區114B外側。也就是說，輔助體120、320遠離微結構122、322的一面可以暴露於外而僅有微結構122、322鑲嵌於圓柱狀體110中。此時，反射層130、230可以選擇性地配置於輔助體120、320遠離圓柱狀體110的一側或是共形地配置於微結構122、322表面。

圖4繪示為本發明之一實施例的導光圓柱平行兩端面的一橫剖面。請參照圖4，導光圓柱400的橫剖面中，出光區414A的輪廓為折曲狀且出光區414A的輪廓包括多條直線段416以及多條弧線段418。此外，導光區414B上例如配置有反射層430。任兩條相鄰的直線段416的延伸方向不同，以定義出多個指向外部的凸角416A以及多個指向內部的凹角416B。也就是說，任兩條相鄰的直線段416的延伸方向不平行。各弧線段418配置於相鄰兩條直線段416之間並且弧線段418的凹向對應於凹角416B。

此外，凸角416A例如自140度至160度，而凹角416B也例如是自140度至160度。根據模擬計算的結果，將導光圓柱400的出光區414A輪廓設計為本實施例之態樣時，應用此導光圓柱400的照明裝置的平均發光效率可提升7.38%。也就是說，照明裝置採用的導光圓柱在出光區具有平滑輪廓時所呈現的平均出光亮度低於採用導光圓柱400的照明裝置。在出光均勻性的表現上，採用導光圓柱400的照明裝置相較於採用導光圓柱在出光區具有平滑輪廓的照明裝置提昇約38.45%。此外，在漏光的比例上，採用導光圓柱400的照明裝置相較於採用導光圓柱在出光區具有平滑輪廓的照明裝置降低約44.34%。

出光區414A的輪廓設計可以應用於前述的導光圓柱100、200或300或其他變化實施例中以有助於提升光利用率以及出光均勻性等特性。也就是說，圖4中所繪示的導光圓柱400中可以具有一輔助體420，其設計例如為前述的輔助體120或320或其他變化實施例。在此，輔助體420例如是鑲嵌於導光圓柱400之圓柱狀體(未標示)的外側，而反射層430配置於輔助體420遠離出光區414A的一側。不過，輔助體420也可以完整地被圓柱狀體(未標示)所包覆。同時，反射層430也可以配置於輔助體420接近出光區414A的一側。

此外，出光區414A的輪廓也可以採用其他的型態以達到高光線利用率以及均勻出光效果的特點。舉例而言，圖5繪示為本發明之另一實施例的導光圓柱平行兩端面的一橫剖面。請參照圖5，導光圓柱500具有彼此相對的出光區514A以及導光區514B，且導光圓柱500中配置有反射層430，其位在導光區514B中。當然，導光圓柱500還可具有鑲嵌於內的輔助體(未繪示)以提高其出光均勻性。

值得一提的是，在本實施例中，出光區514A的輪廓例如由多個直線段516所組成，且任何兩相鄰的直線段516彼此不平行。如此一來，這些直線段516將定義出多個指向外部的凸角516A以及多個指向內部的凹角516B。當然，相鄰兩直線段516之間可以採用一弧線段(未繪示)連接。也就是說，凸角516A以及凹角516B可以是圓角或是尖角。

一般而言，光線被反射層530反射後將以不同的角度射出。一但，光線行進至直線段516的入射角恰為全反射臨界角或是大於全反射臨界角時，光線將被全反射而無法被應用。在本實施例中，導光區514B之中心點C1與出光區514A之中心點C2例如定義出一第一連線L1。當光線的行進路徑與第一連線L1所夾角度越大，則此光線入射直線段516的角度越大，而越有可能發生全反射現象。因此，本實施例將出光區514A的輪廓中較有可能發生全反射現象的區域以一第一點P1以及一第二點P2定義出來。並且，本實施例提出以下原則來設置第一點P1以及第二點P2之間的凸角516A以及凹角516B以降低光線被全反射的機率。

詳言之，第一點P1與導光區514B之中心點C1的一第二連線L2相交第一連線L1於一第一夾角θ1，第二點P2與導光區514B之中心點C2的一第三連線L3相交第二連線L2於一第二夾角θ2。第一夾角θ1自25度至35度而第二夾角θ2自45度至50度時，位在第一點P1與第二點P2之間的凸角516A小於位在第一點P1與第二點P2之間的凹角516B，且在第一點P1與第二點P2之間，凸角516A自140度至155度，而凹角516B自140度至160度。由模擬計算可知，第一點P1以及第二點P2之間的凸角516A以及凹角516B以本實施例的原則配置時可有效降低光線被全反射的機率。

綜上所述，本發明的導光圓柱整合有圓柱體以及輔助體。輔助體具有多個微結構而可增進導光圓柱的導光作用。此外，圓柱體以及輔助體具有不同的折射率，而可使光線在導光圓柱中的行進路徑具有更多的變異性。如此一來，導光圓柱的出光均勻性可進一步地提升。更進一步而言，本發明的導光圓柱中出光區的輪廓可以為折曲狀，以更加提升導光圓柱的光利用率以及出光均勻性。

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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。

100、200、300、400、500．．．導光圓柱

110．．．圓柱狀體

112．．．端面

114．．．柱面

114A、414A、514A．．．出光區

114B、414B、514B．．．導光區

120、320、420．．．輔助體

122、322．．．微結構

130、230、430、530．．．反射層

416、516．．．直線段

416A、516A．．．凸角

416B、516B．．．凹角

418．．．弧線段

C1、C2．．．中心點

I-I’、II-II’．．．剖線

L1、L2、L3．．．連線

P1、P2．．．點

θ1、θ2．．．夾角

圖1A繪示為本發明之一實施例的導光圓柱的透視示意圖。

圖1B為圖1A的導光圓柱沿剖線I-I’的剖面示意圖。

圖2A繪示為本發明之另一實施例的導光圓柱的透視示意圖。

圖2B為圖2A的導光圓柱沿剖線II-II’的剖面示意圖。

圖3繪示為本發明之另一實施例的導光圓柱的透視示意圖。

圖4繪示為本發明之一實施例的導光圓柱平行兩端面的一橫剖面。

圖5繪示為本發明之另一實施例的導光圓柱平行兩端面的一橫剖面。

400．．．導光圓柱

414A．．．出光區

414B．．．導光區

420．．．輔助體

430．．．反射層

416．．．直線段

416A．．．凸角

416B．．．凹角

418．．．弧線段

Claims (12)

1. 一種導光圓柱，包括：一圓柱狀體，該圓柱狀體包括兩端面以及一圓柱面，該兩端面位於該圓柱面的相對兩側，而該圓柱面包括實質上相對的一出光區以及一導光區；以及一輔助體，鑲嵌於該圓柱狀體中，該輔助體鄰近該導光區，該輔助體具有多個微結構，且該輔助體的折射率不同於該圓柱狀體的折射率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之導光圓柱，更包括一反射層，直接配置於該導光區上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之導光圓柱，更包括一反射層，配置於該輔助體上。
4. 如申請專利範圍第3項所述之導光圓柱，其中該反射層共形地配置於該輔助體的該些微結構上。
5. 如申請專利範圍第1項所述之導光圓柱，其中該輔助體鑲嵌於該圓柱狀體的該導光區上，或是完全被該圓柱狀體包覆。
6. 如申請專利範圍第1項所述之導光圓柱，其中該輔助體的該些微結構包括多個條狀凸起、多個點狀凸起或是多個網點。
7. 如申請專利範圍第1項所述之導光圓柱，其中在該導光圓柱平行該兩端面的一橫剖面中，該出光區的一輪廓為折曲狀且包括多條直線段，任兩條相鄰的該些直線段的延伸方向不同，以定義出多個指向外部的凸角以及多個指向內部的凹角。
8. 如申請專利範圍第7項所述之導光圓柱，其中該出光區的該輪廓更包括多條弧線段，各該弧線段配置於相鄰兩條直線段之間並且該些弧線段的凹向對應於該些凹角。
9. 如申請專利範圍第7項所述之導光圓柱，其中當該導光區之中心點與該出光區之中心點定義出一第一連線，該出光區的該輪廓上的一第一點與該導光區之中心點的一第二連線與該第一連線相交一第一夾角，該出光區的該輪廓上的一第二點與該導光區之中心點的一第三連線與該第二連線相交一第二夾角，且該第一夾角自25度至35度而該第二夾角自45度至50度時，位在該第一點與該第二點之間的該些凸角小於位在該第一點與該第二點之間的該些凹角，且該些凸角自140度至155度，而該些凹角自140度至160度。
10. 一種導光圓柱，包括：一圓柱狀體，該圓柱狀體包括兩端面以及一圓柱面，該兩端面位於該圓柱面的相對兩側，而該圓柱面包括實質上相對的一出光區以及一導光區，其中，在該導光圓柱平行該兩端面的一橫剖面中，該出光區的一輪廓為折曲狀且包括多條直線段，任兩條相鄰的該些直線段的延伸方向不同，以定義出多個指向外部的凸角以及多個指向內部的凹角；以及在該導光圓柱平行該兩端面的一橫剖面中，當該導光區之中心點與該出光區之中心點定義出一第一連線，該出光區的該輪廓上的一第一點與該導光區之中心點的一第二連線與該第一連線相交一第一夾角，該出光區的該輪廓上的一第二點與該導光區之中心點的一第三連線與該第二連線相交一第二夾角，且該第一夾角自25度至35度而該第二夾角自45度至50度時，位在該第一點與該第二點之間的該些凸角小於位在該第一點與該第二點之間的該些凹角，且該些凸角自140度至155度，而該些凹角自140度至160度。
11. 如申請專利範圍第10項所述之導光圓柱，更包括一反射層，鄰近該導光區而設。
12. 如申請專利範圍第10項所述之導光圓柱，其中該出光區的該輪廓更包括多個弧線段，各該弧線段配置於相鄰兩條直線段之間並對應於該些凹角。