TWI471616B - Lens module for light emitting diode light source - Google Patents

Description

發光二極體光源用透鏡模組

本發明係有關一種發光二極體光源用透鏡模組，特別指一種具有偏移照明區域效果的透鏡模組。

近年來，為達到節約能源及符合環保之要求，照明設備之相關廠商與研發單位已逐漸將照明設備之光源改採用發光二極體(LED)。發光二極體係為一種固態之半導體元件，利用電流通過發光二極體內，使能量以光的形式釋放出來，具有體積小、反應速度快、耗電量低及低污染等優勢。

但，由於發光二極體相較於傳統燈源其光線發散角度較小，於照射時光線較集中，容易造成光源鄰近處及遠離處亮度的差異，無法使光源均勻的照射，因此很多燈具係利用二次光學原理，使用透鏡作二次折射改變發光二極體的光學性能，而不同用途的發光二極體需搭配不同的透鏡，以產生不同之燈光光線及效果。

目前應用於路燈的發光二極體在發光側罩設有發光二極體透鏡，使發光二極體光線經過透鏡後將光線射出於透鏡表面，形成偏移折射的光線，以調整光線投射於特定的方向。然而，一般路燈係設置於來往道路的兩側，依習知透鏡一般為簡單的球面或非球面曲面折射結構，所能提供之發光二極體光線產生偏移折射效果，無法有效的將光均勻擴散以照射於道路上，使其光線集中在路燈設置處的下方，造成道路照明效果不彰。

因此，為了改善此一缺點，台灣專利M420709，在 透鏡本體面對發光二極體的入光面設有一凹槽，且凹槽係由三個曲面所組成，藉由改良透鏡結構，當發光二極體光線經由該凹槽之曲面進入透鏡本體產生折射光線，並透過透鏡本體由出光面之橢圓凸體將光均勻散出，目的在使光均勻的擴散照射在道路上，擴大照射範圍減少眩光。

但，路燈通常設置於道路的一旁，因此在均勻出光的條件之外，還必需要有將出光偏移至道路側的偏光效果，使路燈照明光源使用率更高，更能妥善利用到所需被照射的道路位置。

於是，為解決上述缺失，本發明之目的係在提供一種發光二極體光源用透鏡模組，透過入光面形狀及發光二極體光源位置的搭配來產生偏光效果，滿足偏移照明區域及滿足出光分佈的要求。

本發明之另一目的係在提供一種發光二極體光源用透鏡模組，透過入光面形狀及發光二極體光源位置的搭配來增加發光二極體光源的利用率。為達上述之目的，本發明揭露一種發光二極體光源用透鏡模組，其包括：一發光二極體光源；一透鏡本體具有一出光面、一形成一凹槽的入光面，及該凹槽周圍的一底面，該凹槽供該發光二極體光源容置，該入光面朝向該發光二極體光源，該出光面遠離該發光二極體光源，該入光面與出光面係由複數曲面連接組成；又，該透鏡本體的底面位於一假想的基準面上，該發光二極體光源中心點在該基準面上的投影點為C點，該入光面及該基準面交界為一 封閉的第一曲線，該C點沿一第一方向的延伸線與該第一曲線交於A點、B點兩點，該A點與B點間的最短距離大於該第一曲線上任兩點的最短距離；且該入光面垂直距離該基準面的最遠處為Q點，前述各點間的最短距離滿足下列關係：Z1>Z2，及Z3>Y1；其中，Z1為A點與Q點間的最短距離，Z2為B點與Q點間的最短距離，Z3為C點與Q點間的最短距離，Y1為A點與C點間最短的距離。

又，該C點與A點、B點間滿足Y1<Y2的關係式，其中Y1為A點與C點間最短的距離，Y2為B點與C點間最短的距離。

其中，該出光面與該基準面交界為一封閉的第二曲線，該C點沿該第一方向的延伸線與該第二曲線交於D點、E點兩點，且D點與A點位於C點之一側，而E點與B點位於C點之另一側，該C點、D點與E點間滿足下列關係：Y3>Y4，其中，Y3為C點與D點間的最短距離，Y4為C點與E點間的最短距離；該A點、B點、E點和D點間滿足下列：Y5>Y6，其中，Y5為A點與D點間的最短距離，Y6為B點與E點間的最短距離。

其中，該C點沿垂直該第一方向之一第二方向的延伸線與該第一曲線交於F點、G點；又，該C點和A點的中點為H點，C點和B點的中點為K點，且該H點沿該第二方向的延伸線與該第一曲線交於I點、J點兩點，該K點沿該第二方向的延伸線與該第一曲線交於L點、M點兩點；該F點、G點、I點、J點、L點 及M點間滿足下列關係：X2<X1≦X3，其中X1為F點與G點間的最短距離，X2為I點與J點間的最短距離，X3為L點與M點間的最短距離。

又，該C點沿該第二方向的延伸線與該第二曲線交於N點、P點兩點，X4為N點與P點間的最短距離，其中X1與X4滿足下列關係：X4/X1>1。

其中，該透鏡本體具有和該基準面垂直，且貫穿A點、B點、C點三點之假想的一第一平面；及，與該基準面和該第一平面垂直，且貫穿C點之假想的一第二平面，該入光面相對於該第一平面兩邊對稱，相對於該第二平面兩邊不對稱。

其中，該第一曲線在該第一方向具有最長的兩點距離，該第二曲線在該第二方向具有最長的兩點距離。

其中，該出光面的周緣與該底面的相連處進一步具有一連接部，利用該連接部使該出光面之曲面設計在達到所需之出光分佈外，也可以使透鏡本體的大小符合所定之規格。

本案的優點在於，藉由透過入光面形狀及發光二極體光源位置的搭配來產生偏光效果，使照射出來的光偏移至道路中央或廣場中央，提高道路中央或廣場中央的寬度照明範圍，也增加發光二極體光源的利用率。

茲有關本發明之詳細內容及技術說明，現以實施例來做進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

請參閱圖1、圖2及圖3為本發明之第一實施例之 示意圖。本發明係一種發光二極體光源用透鏡模組，其包括：一發光二極體光源20；一透鏡本體10，該透鏡本體10具有一出光面11、一形成一凹槽14的入光面12，及該凹槽14周圍的一底面13，該凹槽14向該本體10內部凹陷且供該發光二極體光源20容置，該入光面12朝向該發光二極體光源20，該出光面11遠離該發光二極體光源20。實施上該入光面12與出光面14可由複數曲面連接組成，在第一實施例中，該出光面11由2個曲面連接而成，該入光面12由3個曲面連接而成(如圖3的曲面121、122及123)；由於光通過不同曲率的曲面的出光分佈會不同，藉由不同的曲面可以容易調整不同位置和不同方向的出光分佈，達成預定的出光要求。又，該透鏡本體10的底面13位於一假想的基準面S3上，該發光二極體光源20中心點在該基準面S3上的投影點為C點，該入光面12及該基準面S3交界為一封閉的第一曲線15，該C點沿一第一方向(Y-Y”)的延伸線與該第一曲線15交於A點、B點兩點，該A點與B點間的最短距離大於該第一曲線上任兩點的最短距離，且該入光面12垂直距離該基準面S3的最遠處為Q點。

另，該出光面11與該基準面S3交界為一封閉的第二曲線16，該C點沿該第一方向(Y-Y”)的延伸線與該第二曲線16交於D點、E點兩點，且D點與A點位於C點之一側，而E點與B點位於C點之另一側。

該C點沿垂直該第一方向(Y-Y”)之一第二方向(X-X”)的延伸線與該第一曲線15交於F點、G點，與 該第二曲線16交於N點、P點；該C點和A點的中點為H點，C點和B點的中點為K點，且該H點沿該第二方向(X-X”)的延伸線與該第一曲線15交於I點、J點兩點，該K點沿該第二方向(X-X”)的延伸線與該第一曲線15交於L點、M點兩點。

其中，該第一曲線15在該第一方向(Y-Y”)具有最長的兩點距離，該第二曲線16在該第二方向(X-X”)具有最長的兩點距離。該透鏡本體10具有和該基準面S3垂直，且貫穿A點、B點、C點三點之假想的一第一平面S1；及，與該基準面S3和該第一平面S1垂直，且貫穿C點之假想的一第二平面S2，該入光面12與出光面11相對於該第一平面S1兩邊對稱，相對於該第二平面S2兩邊不對稱。這裡要特別說明的是，該第一方向(Y-Y”)即路寬方向，Y側朝向道路中央，Y”側遠離道路中央，該第二方向(X-X”)即路長方向。

而，該出光面11、入光面12相對於該第一平面S1兩邊對稱，相對於該第二平面S2兩邊不對稱，是因為Y側及Y”側的需求照度不同，所以設計相對於該第二平面S2兩邊不對稱，使照射出的光偏向Y側，也因為在朝向X側與朝向X”側的照度需求相同，所以設計相對於該第一平面S1兩邊對稱。

在第一實施例的實際實施上：Y1=3.1mm，Y2=3.0mm，Y1為A點與C點間最短的距離，Y2為B點與C點間最短的距離；Z1=6.2 mm，Z2=3.1 mm，Z1為A點與Q點間的最短距離，Z2為B點與Q點間的最短距離；Z3=3.8mm，Z3為C點與Q點間的最短距離； Y3=6.2mm，Y4=4.0mm，Y3為C點與D點間的最短距離，Y4為C點與E點間的最短距離；Y5=3.1mm，Y6=1.0mm，Y5為A點與D點間的最短距離，Y6為B點與E點間的最短距離；X2=2.7mm，X1=3.4mm，X3=3.7mm，X1為F點與G點間的最短距離，X2為I點與J點間的最短距離，X3為L點與M點間的最短距離。

在本實施例中，滿足下列條件式：Z1>Z2；Z3>Y1；Y3>Y4；Y5>Y6；X2<X1<X3，然而實施上也可以設計X3=X1，所以X2<X1≦X3。及X4=14mm，X4為N點與P點間的最短距離，X4/X1=4.12，Y5/(Y3+Y4)=0.3。

本實施例中該出光面11在該基準面S3上的最大長度為14.5mm(X-X”的方向)，該出光面11的最高點到該基準面S3上的垂直距離為6.0mm。

請再參閱圖4，為第一實施例之光線圖，由圖可知，光線由該發光二極體光源20發出，透過該透鏡本體10的入光面12及出光面11的折射後，可將大部份的光線偏折至Y側射出。

圖5為第一實施例照射之光分佈等高線圖，是模擬燈桿高度8公尺，及具有多個發光二極體光源用透鏡模組之燈具在出光光通量≒10000 lm時的照射狀況，如圖所示，該燈具燈頭位置在(0,0)處，燈光照射集中在Y側，且照射的道路寬度(該第一方向(Y-Y”)的寬度)可達8公尺，長(該第二方向(X-X”)的長度)可達40公尺，整體均勻度(最小照度/平均照度)>0.4(0.4為台灣的標準規範)，所以此第一實施例的設計可有偏光效果，使光偏 移至道路中央，且照射有良好的均勻度。

請參閱圖6、圖7及圖8為本發明之第二實施例之示意圖。其和第一實施例類似，在本較佳實施例中，該出光面11由2個曲面連接而成，該入光面12由2個曲面連接而成；且在該出光面11在周緣附近且和該底面13相連處進一步具有一連接部111，該連接部111主要目的是要讓該出光面11之曲面設計在達到所需之出光分佈外，還可以使透鏡本體10的大小符合所定之規格，可裝設於燈具內。

在第二實施例的實際實施上：Y1=2.0mm，Y2=3.0mm；Z1=4.5mm，Z2=3.0mm，Z3=3.5mm；Y3=7.0mm，Y4=4.0mm；Y5=5.0mm，Y6=1.0mm；X1=3.0mm，X2=2.5mm，X3=3.5mm；X4=13.8mm，X4/X1=4.6，Y5/(Y3+Y4)=0.45。

在本實施例中，滿足下列條件式：Z1>Z2；Z3>Y1；Y3>Y4；Y5>Y6；X2<X1≦X3；及Y2>Y1。且本實施例中該出光面11在該基準面S3上的最長距離為14.5mm，該出光面11的最高點到該基準面S3上的垂直距離為5.5mm。

請再參閱圖9，為第二實施例之光線圖，由圖可知，光線由該發光二極體光源20發出，透過該透鏡本體10的入光面12及出光面11的折射後，可將大部份的光線偏折至Y側射出。

圖10為第二實施例照射之光分佈等高線圖，也是模擬燈桿高度8公尺，及具有多個發光二極體光源用透鏡模組之燈具在出光光通量≒10000 lm時的照射狀 況，如圖所示，該燈具燈頭位置在(0,0)處，燈光照射集中在Y側，且照射的道路寬度(該第一方向(Y-Y”)的寬度)可達14.4公尺，長(該第二方向(X-X”)的長度)可達38.4公尺，整體均勻度(最小照度/平均照度)>0.4。所以此第二實施例的設計可有偏光效果，使光偏移至道路中央，且照射有良好的均勻度。因為第二實施例的Y5/(Y3+Y4)比第一實施例大，所以照射在Y方向的長度也比較大，導致路寬方向照射範圍較大，適合用在照射寬度需要較大的地方，例如多線道道路。

請再參閱圖11、圖12及圖13為本發明之第三實施例之示意圖。其和第一實施例類似，在本較佳實施例中，該出光面11由2個曲面連接而成，該入光面12由2個曲面連接而成；且在該出光面11在周緣附近且和該底面13相連處進一步具有連接部111。

在第三實施例的實際實施上：Y1=2.2mm，Y2=5.0mm；Z1=5.5mm，Z2=3.5mm，Z3=4.0mm；Y3=7.5mm，Y4=6.5mm；Y5=5.3mm，Y6=1.5mm；X1=6.5mm，X2=5.0mm，X3=8.0mm；X4=14.5mm，X4/X1=2.23，Y5/(Y3+Y4)=0.38。

在本實施例中，滿足下列條件式：Z1>Z2；Z3>Y1；Y3>Y4；Y5>Y6；X2<X1≦X3；及Y2>Y1。且該出光面11在該基準面S3上的最長距離為14.5mm，該出光面11的最高點到該基準面S3上的垂直距離為8.0mm。

請再參閱圖14，為第三實施例之光線圖，由圖可知，光線由該發光二極體光源20發出，透過該透鏡本體10的入光面12及出光面11的折射後，可將大部份 的光線偏折至Y側射出。

圖15為第三實施例照射之光分佈等高線圖，是模擬燈桿高度18公尺，及具有多個發光二極體光源用透鏡模組之一燈具在出光光通量≒30000 lm時的照射狀況，如圖所示，該燈具燈頭位置在(0,0)處，燈光照射集中在Y側，且照射的道路寬度(該第一方向(Y-Y”)的寬度)可達36公尺，長(該第二方向(X-X”)的長度)可達36公尺，整體均勻度(最小照度/平均照度)>0.4，所以此第三實施例的設計可有偏光效果，使光偏移至道路中央，且照射有良好的均勻度。因為X4/X1的比例和第一、第二實施例不同，相比之下第三實施例的X4/X1較小，所以在路長方向的照射距離較第一、第二實施例短；但因為第三實施例Y5/(Y3+Y4)比例偏大，加上有一傾斜的仰角將光偏折向Y方向，所以照射在Y向的長度也比較大，導致路寬方向照射範圍較大，適合用在照射寬度需要較大但長度不用太長的地方，如廣場照明。

將前述三個實施例的透鏡本體10各數值整理如下表：

由表格可知，本案之發光二極體光源20的位置，及出光面11與入光面12形狀規格滿足下列條件：Z1>Z2；Z3>Y1；Y3>Y4；Y5>Y6；X2<X1≦X3；X4/X1>1；更進一步的也滿足Y2>Y1。

本案的優點在於，藉由透過入光面12形狀及發光二極體光源20位置的搭配來產生偏光效果，並將上述各條件的優點說明如下：其中Z1>Z2及Z3>Y1，主要功能讓發光二極體光源20中心距離Y側的入光面12較近，可使發光二極 體光源20和朝向Y側的部份光線直接通過入光面12及出光面11射出，此部份的光線折射角度小，光線不易分散，容易投射到遠處，因此Y側的照度會提高，達到偏光效果。另外一部份的光線經過入光面12折射後集中到Y側投射，提升Y側的出光量，降低Y”側的光量，提高發光二極體光源20在道路上的利用率。如果Z1<Z2或當Z3<Y1時，表示發光二極體光源20中心離Y側的入光面12較遠，由於發光二極體光源20本身射出的光線具有一定的角度範圍，所以當發光二極體光源20距離入光面太遠時，只會使用到一部份Y側的入光面，而使得射出的光則無法有效的被Y側的入光面12利用，進而無法將光導向Y側，使得偏光效果減弱。

該Y2>Y1主要功能是使發光二極體光源20位置較靠近Y側的入光面，發射出來的光源比較容易被入光面偏折到Y側投射出；設計Y3>Y4，Y5>Y6也是用以增加Y側的照射長度，使照射出來的光偏移至道路中央或廣場中央，提高道路中央或廣場中央的寬度照明範圍，也增加發光二極體光源的利用率。。

該X2<X1≦X3的主要功能是使發光二極體光源20射出的光偏移，使光線折射後偏移至Y側之路長方向(該第二方向(X-X”))的需求範圍上，提高發光二極體光源20在道路上的利用率。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修 飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

10‧‧‧透鏡本體

11‧‧‧出光面

111‧‧‧連接部

12‧‧‧入光面

13‧‧‧底面

14‧‧‧凹槽

15‧‧‧第一曲線

16‧‧‧第二曲線

20‧‧‧發光二極體光源

S1‧‧‧第一平面

S2‧‧‧第二平面

S3‧‧‧基準面

Y-Y”‧‧‧第一方向

X-X”‧‧‧第二方向

A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、P、Q‧‧‧點

X2、X1、X3、X4‧‧‧距離

Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6‧‧‧距離

Z1、Z2、Z3‧‧‧距離

圖1為本發明之第一實施例之俯視示意圖。

圖2為第一實施例之剖面示意圖。

圖3為第一實施例之透鏡本體的立體示意圖。

圖4為第一實施例之光線示意圖。

圖5為第一實施例照射之光分佈等高線圖。

圖6為本發明之第二實施例之俯視示意圖。

圖7為第二實施例之剖面示意圖。

圖8為第二實施例之透鏡本體的立體示意圖。

圖9為第二實施例之光線示意圖。

圖10為第二實施例照射之光分佈等高線圖。

圖11為本發明之第三實施例之俯視示意圖。

圖12為第三實施例之剖面示意圖。

圖13為第三實施例之透鏡本體的立體示意圖。

圖14為第三實施例之光線示意圖。

圖15為第三實施例照射之光分佈等高線圖。

10‧‧‧透鏡本體

11‧‧‧出光面

12‧‧‧入光面

13‧‧‧底面

14‧‧‧凹槽

20‧‧‧發光二極體光源

Y-Y”‧‧‧第一方向

A、B、C、D、E、Q‧‧‧點

Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Z1、Z2、Z3‧‧‧距離

Claims (10)

1. 一種發光二極體光源用透鏡模組，其包括：一發光二極體光源；一透鏡本體，具有一出光面、一形成一凹槽的入光面，及該凹槽周圍的一底面，該凹槽供該發光二極體光源容置，該入光面朝向該發光二極體光源，該出光面遠離該發光二極體光源；其中，該底面位於一假想的基準面上，該發光二極體光源中心點在該基準面上的投影點為C點，該入光面及該基準面交界為一封閉的第一曲線，該C點沿一第一方向的延伸線與該第一曲線交於A點、B點兩點，該A點與B點間的最短距離大於該第一曲線上任兩點的最短距離；且該入光面垂直距離該基準面的最遠處為Q點，前述各點間的最短距離滿足下列關係：Z1>Z2，及Z3>Y1；其中，Z1為A點與Q點間的最短距離，Z2為B點與Q點間的最短距離，Z3為C點與Q點間的最短距離，Y1為A點與C點間最短的距離。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源用透鏡模組，其中，該C點與A點、B點間滿足Y1<Y2的關係式，其中，Y1為A點與C點間最短的距離，Y2為B點與C點間最短的距離。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源用透鏡模組，其中，該出光面與該基準面交界為一封閉的第二曲線，該C點沿該第一方向的延伸線與該第二曲線交於D點、E點兩點，且D點與A點位於C點之一側，而E點與B點位於C點之另一側，該C點、D點與E點間滿足下列關係：Y3>Y4，其中，Y3為C點與D點間的最短 距離，Y4為C點與E點間的最短距離。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源用透鏡模組，其中，該出光面與該基準面交界為一封閉的第二曲線，該C點沿該第一方向的延伸線與該第二曲線交於D點、E點兩點，且D點與A點位於C點之一側，而E點與B點位於C點之另一側，該A點、B點、E點和D點間滿足下列：Y5>Y6，其中，Y5為A點與D點間的最短距離，Y6為B點與E點間的最短距離。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源用透鏡模組，其中，該C點沿垂直該第一方向之一第二方向的延伸線與該第一曲線交於F點、G點；又，該C點和A點的中點為H點，C點和B點的中點為K點，且該H點沿該第二方向的延伸線與該第一曲線交於I點、J點兩點，該K點沿該第二方向的延伸線與該第一曲線交於L點、M點兩點；該F點、G點、I點、J點、L點及M點間滿足下列關係：X2<X1≦X3，其中X1為F點與G點間的最短距離，X2為I點與J點間的最短距離，X3為L點與M點間的最短距離。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源用透鏡模組，其中，該出光面與該基準面交界為一封閉的第二曲線，該C點沿垂直該第一方向之一第二方向的延伸線與該第一曲線交於F點、G點，與該第二曲線交於N點、P點兩點，而X1為F點與G點間的最短距離，X4為N點與P點間的最短距離，且滿足下列關係：X4/X1>1。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源用透鏡模組，其中，該透鏡本體具有和該基準面垂直，且貫穿A點、 B點、C點三點之假想的一第一平面；及，與該基準面和該第一平面垂直，且貫穿C點之假想的一第二平面，該入光面相對於該第一平面兩邊對稱，相對於該第二平面兩邊不對稱。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源用透鏡模組，其中，該入光面係由複數曲面連接組成，該出光面係由複數曲面連接組成。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源用透鏡模組，其中，該第一曲線在該第一方向具有最長的兩點距離；且該出光面與該基準面交界為封閉的一第二曲線，該第二曲線在與該第一方向垂直之第二方向具有最長的兩點距離。
10. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源用透鏡模組，其中，該出光面的周緣與該底面的相連處進一步具有一連接部。