TWI435029B - 發光裝置 - Google Patents

Description

發光裝置

本發明是有關於一種發光裝置，且特別是有關於一種具有可收斂出光角度之透鏡的發光裝置。

發光二極體(LED)屬於半導體元件，其壽命長達十萬小時以上，且無須暖燈時間(idling time)。此外，發光二極體更具有反應速度快(約為10^-9 秒)、體積小、用電省、污染低、高可靠度、適合量產等優點，所以發光二極體所能應用的領域十分廣泛，如大型看板、交通號誌燈、手機、掃描器、傳真機之光源以及照明裝置等。

由於發光二極體的發光亮度與發光效率持續地提昇，同時白光的發光二極體也被成功地量產，所以逐漸有發光二極體被使用作為照明用途。然而，對於照明用的光源或是作為顯示器用的光源而言，往往為了滿足更高亮度的需求，而於發光裝置中設置多個發光二極體，以提供足夠的亮度。

圖1為習知一種具有多個光源的發光裝置示意圖，雖然組合使用多個光源可以增加發光裝置的整體亮度，但是，習知發光裝置100中，這些光源120自導光柱110的入光面110a入射後容易直接自導光柱110的頂面110b或自底面110c反射後直接自導光柱110頂面110b的前端110f出射，而無法被有效利用，並造成漏光問題。因此，習知發光裝置100具有光線利用率低落之問題。

本發明提供一種發光裝置，可有效利用光源所提供之光線，提高光利用率及出光均勻度。

本發明又提出一種發光裝置，其包括一導光柱以及多個光源。導光柱包括一反射層、一出光面以及一入光面，其中出光面相對於反射層，入光面連接反射層以及出光面。多個光源位於入光面旁，其中每一光源包括一發光二極體以及一透鏡。透鏡位於發光二極體與導光柱之間，其中透鏡由二平坦部以及二弧面部所構成以環繞一出光軸線，二平坦部彼此相對且二弧面部彼此相對，二平坦部彼此鄰接而於交界處構成一對齊出光軸線的稜線，二平坦部以稜線為基準分別面向反射層與出光面，使發光二極體所提供之部分光線經由透鏡之二平坦部分別朝向反射層與出光面。

在本發明之一實施例中，在上述之每一透鏡中，二平坦部於交界處形成一夾角θ，而夾角θ例如介於90度至120度之間。

在本發明之一實施例中，在上述之每一透鏡中，二平坦部其中一者與反射層位於出光軸線的同一側，且二平坦部另一者與出光面位於出光軸線的同一側。

在本發明之一實施例中，在上述之每一透鏡之二平坦部其中一者在沿著導光柱軸向的剖面上與反射層對齊，而二平坦部另一者在沿著導光柱軸向的剖面上與出光面對齊。

在本發明之一實施例中，在上述之每一透鏡之二弧面部分別鄰接於二平坦部之間，且二弧面部在沿著導光柱的軸向上分別位於反射層的兩側。

在本發明之一實施例中，在上述之每一透鏡中，面向反射層之二平坦部其中之一的法向量與反射層之間的夾角介於45度至60度之間。

在本發明之一實施例中，在上述之每一透鏡中，遠離反射層之二平坦部其中之一的法向量與出光面之間的夾角介於45度至60度之間。

在本發明之一實施例中，上述之光源的配置範圍小於入光面的面積，且光源的位置中心與導光柱的軸線對齊。

在本發明之一實施例中，在上述之每一透鏡中，透鏡具有一底面，二平坦部與二弧面部分別自稜線延伸至底面，且發光二極體位於底面的中心上。

在本發明之一實施例中，上述之入光面位於導光柱的端部，出光面位於導光柱的圓周面上，且圓周面具有一平行導光柱軸線的平面，反射層位於平面上構成反射平面。

基於上述，本發明之發光裝置中，在光源面向導光柱的透鏡上設置兩個彼此相對且在交界處形成稜線的二平坦部，而在透鏡的其餘部分設計為二弧面部。並且此二平坦部是以稜線為基準分別面向反射層與出光面，藉此二平坦部可以有效地收斂發光二極體射向反射層與出光面之光線的出光角度，使得朝向反射層以及出光層的光線可以有效地在導光柱中進行全反射並軸向傳遞，進而有助於提高發光裝置的發光均勻度及利用率。

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2繪示為本發明之一實施例的發光裝置之爆炸示意圖。請參照圖2，發光裝置200包括一導光柱210以及多個光源220，其中這些光源220位於該導光柱210的入光面210I旁，而每一光源220包括一發光二極體222以及一透鏡224，如圖2所示，發光二極體222、透鏡224以及導光柱210例如依序排列於導光柱210的軸線A1上。在本實施例中，多個光源220在導光柱210端面的配置範圍例如是小於入光面210I的面積，且多個光源220的位置中心與導光柱210的軸線A1對齊。

如圖2所示，導光柱210包括反射層210R、出光面210E以及入光面210I。具體來說，本實施例之導光柱210例如為一高遠大於其截面積的圓柱，而包括一圓周面212以及兩端部214，其中入光面210I位於端部214，而光源220則放置在此端部214旁。此外，反射層210R與出光面210E則位於圓周面212。在本實施例中，圓周面212的部分圓周上具有一平行導光柱210軸線A1被削平的平面212F或者是曲面，反射層210R位於圓周面212的平面212F上，且其例如為白色油墨層所構成的一擴散式反射層210R，而導光柱210相對於反射層210R之另一部分的圓周面212則實質上為出光面210E。換言之，發光裝置200是一種可提供線性光源的裝置。

特別的是，本發明藉由在沿著導光柱210軸線A1上，使光源220之透鏡224與導光柱210之反射層210R之間的相對位置及設置方向滿足特定關係，藉此提高發光裝置200整體的發光均勻度。更詳細來說，為清楚說明，以下將導光柱210中沿其直徑且通過反射層210R之剖面方向定義為縱方向D1，並將與縱方向D1垂直的方向定義為橫方向D2，下文將輔以圖3A之發光裝置200沿縱方向D1的剖面示意圖以及圖3B之發光裝置200的俯視透視圖，來詳細說明光源220之透鏡224的設計以及其與導光柱210之間的關係。

圖3A為圖2之發光裝置沿圖2之縱方向之剖面示意圖。如圖2與圖3A所示，各光源220中，發光二極體222所提供之光線在縱方向D1上的出光角度是藉由透鏡224之二平坦部224F來進行修正的。詳言之，為了使各發光二極體222在縱方向D1所發出的光線在進入導光柱210前可先適度地被收斂，以避免入射導光柱210之出光面210E以及反射層210之光線隨即出射的問題，發光裝置200需將透鏡224設置於發光二極體222及導光柱210之間，並使透鏡在縱方向具有特定的結構。具體而言，透鏡224由二平坦部224F以及二弧面部224A所構成以環繞一出光軸線A2，二平坦部224F彼此相對且二弧面部224A彼此相對，二平坦部224F彼此鄰接而於交界處構成一對齊出光軸線A2的稜線V。換言之，若以出光軸線A2為軸，自透鏡224之一面環繞該出光軸線A2依序為一平坦部224F、一弧面部224A、另一平坦部224F以及另一弧面部224A。並且，每一透鏡224具有一底面224B，而二平坦部224F與二弧面部224A以稜線V為共同頂點而分別自稜線V延伸至底面224B。發光二極體222則位於底面224B的中心上。藉此，發光二極體222所發出的光線透鏡224的底部入射，朝向由二平坦部224F以及二弧面部224A所構成的罩體出射，並自二平坦部224F以及二弧面部224A分別出射兩組出光角度不同的光線進入導光柱210，例如光線經由二平坦部224F而在縱方向D1出射的出光角度將小於光線經由二弧面部224A而在橫方向D2出射的出光角度。

此外，如圖3A所示，在沿著導光柱210通過反射層210R的縱方向D1上，每一透鏡224中的二平坦部224F是以稜線V為基準分別面向反射層210R與出光面210E，藉此，使發光二極體所提供之光線經由透鏡之二平坦部分別朝向反射層與出光面。如圖3A所示，二平坦部224F其中一者與反射層210R位於出光軸線A2的同一側，且二平坦部224F另一者與出光面210E位於出光軸線A2的同一側。舉例來說，每一透鏡224中，二平坦部224F於稜線V之交界處形成一夾角θ，此夾角θ例如介於90度至120度之間。

換句話說，在每一透鏡224中，與反射層210R位於出光軸線A2的同一側之二平坦部224Fa是以其法向量N1射向反射層210R的方式來設置，而面向反射層210R之二平坦部224Fa的法向量N1與反射層210R之間的夾角θ_N1 例如介於45度至60度之間。另一方面，與出光面210E位於出光軸線A2的同一側之二平坦部224Fb是以其法向量N2射向相對於反射層210R之出光面210E的方式來設置的，而遠離反射層210R之二平坦部224Fb的法向量N2與出光面210E之間的夾角θ_N2 介於45度至60度之間。

藉由上述光源220之透鏡224的設計以及與導光柱210相對位置的設置，本發明之發光裝置200中，發光二極體222所發出之光線的出光角度可藉由透鏡224的二平坦部224F收斂後再進入導光柱210中，如此一來，當發光二極體222的設置位置太靠近導光柱210的周緣時，可避免發光二極體222之光線因入射角度過大而使得光線入射導光柱210後隨即於界面出射而導致漏光的問題。換言之，二平坦部224F有助於收斂入射光的出光角度，使位於不同位置的多個發光二極體所發出的光線得以在導光柱210中順利傳遞，藉此可提高出光均勻度。所以，具有二平坦部224F之透鏡224的設置有助於提高發光裝置200整體的出光均勻度及利用率。

圖3B為本發明之一實施例中自沿圖2之導光柱出光面的一側透過導光柱透視底部反射層之發光裝置的俯視透視圖。如圖3B所示，透鏡224在面向反射層210R以及與其相對之出光面210E之處設置有彼此相對且一端相交成稜線V的二平坦部224F，以有效地收斂發光二極體222沿反射層210R剖面的出光角度。此外，透鏡224在沿橫方向D2上設置設置有二弧面部224A，且此二弧面部224A分別位於平坦部224的兩側，藉由在橫方向D2設置二弧面部224A，可以提升受到二平坦部224F收斂光型後而稍稍下降的發光效率。換言之，在橫方向D2設置二弧面部224A可讓收斂光的發光效率可以改善發光裝置因二平坦部224F收斂光型後造成整體發光效率下降的趨勢，而使得發光裝置在光的均勻性以及整體發光校率之間取得較佳的平衡。

圖4為本發明之發光裝置自導光柱端面觀察的側視圖。多個光源220整體的設置中心(例如圖4中三角形的中心)是與導光柱210的軸線A1對準的。每一透鏡224之二平坦部224F其中一者(如平坦部224Fa)在沿著導光柱210軸向的剖面上面向反射層210R，並與反射層210R對齊。另一方面，二平坦部224F另一者(如平坦部224Fb)在沿著導光柱210軸向的剖面上面向出光面210E，並與出光面210E對齊。如圖4所示，每一透鏡224之二弧面部224A是沿橫方向D2設置並分別鄰接於二平坦部224F之間，且二弧面部224A在沿著導光柱210的軸向的剖面上分別面向與反射層210R兩側相接的出光面210E側面。

整體而言，如圖5所示，本發明之發光裝置200藉由透鏡224之二平坦部224F有助於將光源220之光線在進入導光柱210前進行適度的收斂，當發光裝置200的入光面擺設多個光源220時，可以讓不同位置的光源220所發出的光線順利地進入導光柱210中，避免一入射導光板210隨即出射的現象，避免於導光柱210前端漏光。

圖6為本發明之發光裝置中光源的照度分佈示意圖。如圖6所示，曲線F為發光二極體222之光線經由透鏡224之二平坦部224F後的出光光形分佈圖，而曲線A為發光二極體222之光線經由透鏡224之二弧面部224A後的出光光形分佈圖。由圖6之曲線A與曲線F可知，藉由發光二極體222所發出之光線藉由透鏡224之二平坦部224F，確實可將出光角度自較發散的曲線A收斂成出光角度較小的曲線F。

圖7A為習知發光裝置之照度分布示意圖，而圖7B為對應圖7A之線段B1所繪之照度分布示意圖，其中此習知發光裝置的光源中不具有二平坦部及二弧面部之透鏡。圖8A為本發明一實施例之照明裝置的照度分布示意圖，而圖8B為對應圖8A之線段B2所繪之照度分布示意圖。請同時參照圖7A與圖8A，其X軸代表相對位置(mm)，Y軸代表照度(cd)，各區域RA-RC分別代表不同之照度值，其中區域RC的照度大於區域RB的照度，且區域RB的照度大於區域RA的照度。比較圖7A與圖8A可知，本發明之發光裝置200的光源220中，藉由設置具有二平坦部224F及二弧面部224A的透鏡224，並使二平坦部224F分別面向導光柱210之反射層210R以及相對於反射層210R的出光面210E，藉此可有效避免光線集中於導光柱210前端出射的問題，因此相較於習知發光裝置200，本發明之發光裝置200具有較均勻的照度。

並且，比較圖7B與圖8B可知，當照度均勻度定義為(照度最大值-照度最小值)/照度最大值時，圖7B之習知發光裝置200的照度均勻度為40.5%，而圖8B之本實施例之發光裝置200的照度均勻度為25.2%。因此，本實施例之發光裝置200之均勻性將習知的照明裝置之均勻性提升15%以上。

綜上所述，本發明之發光裝置中，在光源面向導光柱的透鏡上設置兩個彼此相對且在交界處形成稜線的二平坦部，而在其餘部分為二弧面部。藉由在朝向導光柱之反射層以及出光面的兩側分別設置二平坦部，藉此二平坦部可以有效地收斂發光二極體在縱向的出光角度，使得朝向反射層以及出光層的光線可以有效地在導光柱裡沿軸向傳遞，進而提高發光裝置的發光均勻度及利用率。所以，本發明的發光裝置具有理想的出光特性。

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．．．發光裝置

110、210．．．導光柱

120、220．．．光源

210R．．．反射層

210E．．．出光面

210I．．．入光面

212．．．圓周面

212F．．．平面

214．．．端部

222．．．發光二極體

224．．．透鏡

224A．．．弧面部

224B．．．底面

224F、224Fa、224Fb．．．平坦部

A、F．．．曲線

A1．．．軸線

A2．．．出光軸線

B1、B2．．．線段

D1．．．縱方向

D2．．．橫方向

V．．．稜線

θ．．．夾角

N1、N2．．．法向量

RA-RC．．．區域

圖1為一種習知具有多個光源的發光裝置示意圖。

圖2繪示為本發明之一實施例的發光裝置之爆炸示意圖。

圖3A為本發明之一實施例中沿圖2之縱方向剖面的透鏡之光學作用示意圖。

圖3B為本發明之一實施例中自沿圖2之導光柱出光面的一側透過導光柱透視底部反射層之發光裝置的俯視透視圖。

圖4為本發明之發光裝置自導光柱端面觀察的側視圖。

圖5為本發明之發光裝置的光路示意圖。

圖6為本發明之發光裝置中光源的照度分佈示意圖。

圖7A為習知發光裝置之照度分布示意圖，而圖7B為對應圖7A之線段B1所繪之照度分布示意圖。

圖8A為本發明一實施例之照明裝置的照度分布示意圖，而圖8B為對應圖8A之線段B2所繪之照度分布示意圖。

200．．．發光裝置

210．．．導光柱

220．．．光源

210R．．．反射層

210E．．．出光面

210I．．．入光面

212．．．圓周面

212F．．．平面

214．．．端部

222．．．發光二極體

224．．．透鏡

224A．．．弧面部

224B．．．底面

224F．．．平坦部

A1．．．軸線

A2．．．出光軸線

D1．．．縱方向

D2．．．橫方向

V．．．稜線

Claims (10)

1. 一種發光裝置，包括：一導光柱，包括一反射層、一出光面以及一入光面，其中該出光面相對於該反射層，該入光面連接該反射層以及該出光面；多個光源，位於該入光面旁，其中每一光源包括：一發光二極體：以及一透鏡，位於該發光二極體與該導光柱之間，其中該透鏡由二平坦部以及二弧面部所構成以環繞一出光軸線，該二平坦部彼此相對且該二弧面部彼此相對，該二平坦部彼此鄰接而於交界處構成一對齊該出光軸線的稜線，該二平坦部以該稜線為基準分別面向該反射層與該出光面，使該發光二極體所提供之部分光線經由該透鏡之該二平坦部分別朝向該反射層與該出光面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中在每一透鏡中，該二平坦部於交界處形成一夾角θ，該夾角θ介於90度至120度之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中在每一透鏡中，該二平坦部其中一者與該反射層位於該出光軸線的同一側，且該二平坦部另一者與出光面位於該出光軸線的同一側。
4. 如申請專利範圍第3項所述之發光裝置，其中每一透鏡之該二平坦部其中一者在沿著該導光柱軸向的剖面上與該反射層對齊，而該二平坦部另一者在沿著該導光柱軸向的剖面上與該出光面對齊。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中每一透鏡之該二弧面部分別鄰接於該二平坦部之間，且該二弧面部在沿著該導光柱的軸向的剖面上分別與位於該反射層兩側的出光面側面對齊。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中在每一光源中，面向該反射層之該二平坦部其中之一的法向量與該反射層之間的夾角介於45度至60度之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中在每一光源中，遠離該反射層之該二平坦部其中之一的法向量與該出光面之間的夾角介於45度至60度之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該些光源的配置範圍小於該入光面的面積，且該些光源的位置中心與該導光柱的軸線對齊。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中在每一透鏡中，該透鏡具有一底面，該二平坦部與該二弧面部分別自該稜線延伸至該底面，且該發光二極體位於該底面的中心上。
10. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該入光面位於該導光柱的端部，該出光面位於該導光柱的圓周面上，且該圓周面具有一平行該導光柱軸線的平面，該反射層位於該平面上構成反射平面。