TWI503507B - An optical lens for a lighting device - Google Patents

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TWI503507B
TWI503507B TW101137746A TW101137746A TWI503507B TW I503507 B TWI503507 B TW I503507B TW 101137746 A TW101137746 A TW 101137746A TW 101137746 A TW101137746 A TW 101137746A TW I503507 B TWI503507 B TW I503507B
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林宜潔
吳智傑
何彥緯
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玉晶光電股份有限公司
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    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F21V5/04—Refractors for light sources of lens shape
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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Description

用於照明裝置的光學透鏡
本發明係有關於一種用於照明裝置的光學透鏡。
我國第M397532號專利揭露了一種路燈光學透鏡，其主要以透鏡的外曲面來達成出光矩形分佈的效果。再者，我國第M378351號專利揭露了一種LED光源用透鏡，其主要以透鏡的外曲面形狀來達成偏移照明區域以及滿足出光分佈的需求。又，我國第M380480號專利揭露了一種路燈用之非對稱式LED透鏡，其同樣是以透鏡的外曲面形狀來達成偏移照明區域以及滿足出光分佈的需求。
然而，前述之先前技術均未揭露透過透鏡的內曲面形狀的設計來達成出光矩形分佈的技術。
如第十五圖至第十六圖所示，習知的LED路燈在馬路上的等照度分佈近似橢圓形，且角落處的照度較小，會有光線不足的情況，其照度並不均勻。
如第十七圖所示，傳統路燈的燈具高度為8公尺，照射範圍為24公尺×16公尺時(如虛線範圍所示)，其照於路面的光通量為5000流明(Lm)，中心照度為28.0勒克斯(Lux)。由第十五圖至第十六圖可知，角落照度在1~3勒克斯，有偏暗的情況，且角落偏暗，會影響到照射均勻度的問題，而此種傳統路燈的光線利用率約在60%，其照射均勻度則約在0.4左右，其不僅均勻度較低，還有光線利用 率不足的問題。
本發明之主要目的在於提供一種用於照明裝置的光學透鏡，其可利用透鏡的內曲面，達到提昇光線利用率及照射均勻度的效果。
為了達成前述目的，依據本發明所提供之一種用於照明裝置的光學透鏡，包含有：一本體，於其底部形成一底面，頂部形成一出光面，由該底面向上凹設開口朝下的一長凹槽，該長凹槽係供一光源置入，且定義該長凹槽之長軸徑向上的槽壁為一入光面；於該本體定義位於底面且兩端交接於該本體表面的一第一軸線以及一第二軸線，該第一軸線與該第二軸線垂直，且該第一軸線較該第二軸線長；該長凹槽之長軸係平行於該第二軸線，且該長凹槽之兩端分別具有一第一槽端面與一第二槽端面，該第一槽端面與該第二槽端面係與該第二軸線相交，且該第一槽端面及該第二槽端面與該底面的交界係分別形成一第一交接線以及一第二交接線；該入光面由至少一曲面部組成，該至少一曲面部係與該底面交接而形成一第一線段以及一第二線段，該第一線段及該第二線段分別位於該長凹槽的長軸兩側，且該至少一曲面部在該第二軸線上的兩側係為對稱，又該第一線段與該第二線段在該第二軸線的兩側係為對稱；其中，該第一線段兩端之直線連線係定義為一第一虛擬線，該第一交接線兩端的最短距離係定義為一第一距 一線段上的任一點i與該第一虛擬線的距離係定義為SAGi，且使SAGi滿足下式：
較佳地，該第一槽端面的高度係小於該第二槽端面的高度。
較佳地，該第二交接線兩端的最短距離係定義為一第二距離，且該第一距離小於或等於該第二距離。
較佳地，該第一槽端面係為平面或曲面，該第二槽端面係為平面或曲面。
較佳地，該第一槽端面與該第二槽端面均垂直於該本體之底面。
較佳地，該第一槽端面與該第二槽端面的表面均面向該長凹槽內且面向下而呈傾斜狀，而各以其表面交接於該底面。
較佳地，該至少一曲面部係為橢圓曲面、球面、非球面或前述三者的組合。
較佳地，該至少一曲面部在數量上係為二，該二曲面部分別位於該第一軸線之兩側，且不相對稱。
較佳地，該出光面相對於該第一軸線之兩側係不對稱。
較佳地，該本體於該出光面與該底面之間係形成一環面。
為了詳細說明本發明之構造及特點所在，茲舉以下之較佳實施例並配合圖式說明如後，其中：如第一圖至第五圖所示，本發明第一較佳實施例所提供之一種用於照明裝置的光學透鏡1，主要具有：一本體10，於其底部形成一底面11，頂部形成一出光面19，由該底面11向上凹設開口朝下的一長凹槽12，該長凹槽12係置入一光源(圖中未示)，且定義該長凹槽12在長軸的徑向上之槽壁為一入光面13。於該本體10定義位於底面且兩端交接於該本體10表面的一第一軸線A1以及一第二軸線A2，該第一軸線A1與該第二軸線A2垂直，且該第一軸線A1較該第二軸線A2長。於本實施例中，該光源係以LED(發光二極體)為例。此外，於本實施例中，該出光面19係以相對於該第一軸線A1之兩側呈不對稱為例，其對稱與否係可依照射區域的需求為準來進行設計。其中，於該長凹槽12內設置光源乃是已知之先前技術，容不以圖式表示之。
該長凹槽12之長軸係平行於該第二軸線A2，且該長凹槽12之兩端分別具有一第一槽端面121以及一第二槽端面122，該第一槽端面121與該第二槽端面122係與該第二軸線A2相交，且該第一槽端面121及該第二槽端面122與該底面11的交界係分別形成一第一交接線111以及一第二交接線112。於本實施例中，該第一槽端面121係可為平面或曲面，該第二槽端面122亦可為平面或曲面，而均以平面為例。此外，於本實施例中，該第一槽端面121與 該第二槽端面122均垂直於該本體10之底面11。又，於本實施例中，該第一槽端面121的高度係小於該第二槽端面122的高度。
該入光面13由二曲面部131所組成，該二曲面部131係於該長凹槽12的兩側分別與該底面11交接，而於交接處於該長凹槽12的一側聯合形成一第一線段L1，以及於該長凹槽12的另一側聯合形成一第二線段L2。該二曲面部131在該第二軸線A2上的兩側係為對稱，且該第一線段L1與該第二線段L2位於該長凹槽12的長軸兩側，且在該第二軸線A2的兩側係為對稱。於本實施例中，該二曲面部131分別位於該第一軸線A1之兩側，且不相對稱。該二曲面部131雖在本實施例中以不對稱的形態舉例，但亦可為對稱的型態，端視照射區域的需求而定。各該曲面部131係可為橢圓曲面、球面、非球面或前述三者的組合，而於本實施例中以橢圓曲面為例。
該第一線段L1兩端之直線連線係定義為一第一虛擬線V1，該第一交接線111兩端的最短距離係定義為一第一距離D1，該第一線段L1上的任一點i與該第一虛擬線V1的距離係定義為SAGi，且使SAGi滿足下述之式(1)：
須注意的是，上述以第一線段L1為例來定義出該第一虛擬線V1，然而可以理解的是，藉由對稱關係可知，第二線段L2亦可定義出對稱於該第一虛擬線V1的另一虛擬線(圖中未示)。
於本實施例中，該本體10於該出光面19與該底面11之間係形成一環面17。這個環面17的設計可使該本體10的大小符合目前的規格，但並不以設置環面17為必要，此乃由於某些規格可能不需要該環面17的配合設置。
此外，於本實施例中，該第二交接線112兩端的最短距離係定義為一第二距離D2，且以該第一距離D1小於或等於該第二距離D2為例。其中該第一距離D1小於該第二距離D2的設計，主要是因為燈具是置於道路的一旁，為了該燈具具有偏光效果而讓照射區域偏移至道路中央，因此必須使該第一距離D1小於該第二距離D2。此種設計是為了能符合照明區域的需求。
又，前述之第一槽端面121高度小於第二槽端面122高度的設計，即代表該入光面13在該第一槽端面121的一側較低，在該第二槽端面122的一側較高，因此該入光面13在與該出光面19的距離在該第一槽端面121的一側較大，而在該第二槽端面122的一側較小。因此當光線由該入光面13進入該本體11而產生折射再由該出光面19射出時，在該第一槽端面121的一側的光線射出後所照射的範圍即較大，進而使照射在道路上的寬度較大。
由上可知，為了使被照射區域的照度均勻，必須以上述不對稱的設計來符合需求。
在滿足式(1)的情況下，即代表該入光面13在該第二軸線A2方向的曲率變化不大，因此該光源(圖中未示)射出的光線在經過該入光面13折射後光束仍然集中，之後再透 維持在集中狀態，因此可以照射到較遠的地方，例如角落處，進而解決了角落光線不足的問題，角落照度提昇，且整體均勻度也獲得提昇。
值得說明的一點是，在將本第一實施例做為路燈例時，該第一交接線111是位於朝向道路中央的一側，而該第二交接線112則是位於遠離道路中央的一側，該第一軸線A1平行於道路長度的方向，而該第二軸線A2平行於道路寬度的方向。
如第一圖及第二圖配合第四圖所示，本第一實施例中，該第一距離D1為3毫米(mm)，該第二距離D2為3.5毫米，該第一槽端面121(參照第一圖)的高度為1.5毫米，該第二槽端面122(參照第一圖)的高度為2.5毫米，該第二軸線A2的長度為10.5毫米，該第一軸線A1的長度為15毫米。由於最大的SAGi在本實施例中為0.05毫米，因此代入式(1)中的|SAGi/第一距離|×100後，計算而得的結果為1.67，小於2.8，因此滿足式(1)。
第五圖顯示了本第一實施例的照度模擬狀態，以燈桿高度10公尺，路寬8公尺，路長40公尺(如虛線範圍所示)，燈具出光光通量10,000流明，道路範圍內的光通量為7,500流明，亦即光線利用率為75%，優於習知技術的光線利用率60%；本第一實施例之均勻度為0.54，也優於習知技術的均勻度0.4。茲並整理上述數據及對應的條件如下述表1。
表1
由此可知本第一實施例利用了透鏡的內曲面，且確實達到了提昇照射均勻度的效果。
須再補充的一點是，該第一槽端面121與該第二槽端面122也可以其表面面向該長凹槽12內且面向下而呈傾斜狀，而各以其表面交接於該底面11。如此可以方便製造時的脫模。
請再參閱第六圖至第七圖，本發明第二較佳實施例所提供之一種用於照明裝置的光學透鏡2，主要概同於前揭第一實施例，不同之處在於：該入光面23僅由一曲面部231組成，且該第一線段L1與該第二線段L2係向該長凹槽22內彎曲。
於本第二實施例中的最大SAGi為0.075，代入式(1)中的|SAGi/第一距離|×100後，即可得其結果為2.5，小於2.8，因此滿足式(1)。
本第二實施例的相關實施數據係可如下述表2所載。
由此可見，本第二實施例的光線利用率為74.3%，優於習知技術的光線利用率60%；本第二實施例之均勻度為0.50，也優於習知技術的均勻度0.4。
本第二實施例之其餘結構及所能達成的功效均概同於前揭第一實施例，容不再予贅述。
請再參閱第八圖至第九圖，本發明第三較佳實施例所提供之一種用於照明裝置的光學透鏡3，主要概同於前揭第一實施例，不同之處在於：該入光面33僅由一曲面部331組成，且該第一線段L1與該第二線段L2係向該長凹槽32內彎曲。
於本第三實施例中的最大SAGi為0.0375，代入式(1)中的|SAGi/第一距離|×100後，即可得其結果為1.25，小於2.8，因此滿足式(1)。
本第三實施例的相關實施數據係可如下述表3所載。
由此可見，本第三實施例的光線利用率為75.0%，優於習知技術的光線利用率60%；本第三實施例之均勻度為0.55，也優於習知技術的均勻度0.4。
本第三實施例之其餘結構及所能達成的功效均概同於前揭第一實施例，容不再予贅述。
請再參閱第十圖至第十一圖，本發明第四較佳實施例所提供之一種用於照明裝置的光學透鏡4，主要概同於前揭第一實施例，不同之處在於：該入光面43僅由一曲面部431組成，且該第一線段L1與該第二線段L2係向該長凹槽42外彎曲。
於本第四實施例中的最大SAGi為0.075，代入式(1)中的|SAGi/第一距離|×100後，即可得其結果為2.5，小於2.8，因此滿足式(1)。
本第四實施例的相關實施數據係可如下述表4所載。
由此可見，本第四實施例的光線利用率為73.9%，優 於習知技術的光線利用率60%；本第四實施例之均勻度為0.50，也優於習知技術的均勻度0.4。
本第四實施例之其餘結構及所能達成的功效均概同於前揭第一實施例，容不再予贅述。
請再參閱第十二圖至第十三圖，本發明第五較佳實施例所提供之一種用於照明裝置的光學透鏡5，主要概同於前揭第一實施例，不同之處在於：該入光面53僅由一曲面部531組成，且該第一線段L1與該第二線段L2係向該長凹槽52外彎曲。
於本第五實施例中的最大SAGi為0.0375，代入式(1)中的|SAGi/第一距離|×100後，即可得其結果為1.25，小於2.8，因此滿足式(1)。
本第五實施例的相關實施數據係可如下述表5所載。
由此可見，本第五實施例的光線利用率為75.0%，優於習知技術的光線利用率60%；本第五實施例之均勻度為0.55，也優於習知技術的均勻度0.4。
本第五實施例之其餘結構及所能達成的功效均概同於 前揭第一實施例，容不再予贅述。
請再參閱第十四圖，本發明第六較佳實施例所提供之一種用於照明裝置的光學透鏡6，主要概同於前揭第一實施例，不同之處在於：該入光面63僅由一曲面部631組成，且該第一線段L1與該第二線段L2係為直線。
於本第六實施例中的最大SAGi為0，代入式(1)中的|SAGi/第一距離|×100後，即可得其結果為0，小於2.8，因此滿足式(1)。
本第六實施例的相關實施數據係可如下述表6所載。
由此可見，本第六實施例的光線利用率為75.0%，優於習知技術的光線利用率60%；本第六實施例之均勻度為0.58，也優於習知技術的均勻度0.4。
本第六實施例之其餘結構及所能達成的功效均概同於前揭第一實施例，容不再予贅述。
茲再將前述第一~六實施例的數據資料再整合於同一表格內，藉此可供比較各實施例的各項數據及其所達成的 效果。
由上可知，前述之六個實施例在實施時，其光線利用率均為75%左右，最低的也在73.9%，遠高於習知技術的光線利用率60%；本發明之均勻度也至少在0.5以上，高於習知技術的均勻度0.4。此外，前述六個實施例均滿足式(1)。因此可以確知，本發明具有提昇照射均勻度及光線利用率的效果。
1‧‧‧用於照明裝置的光學透鏡
10‧‧‧本體
11‧‧‧底面
111‧‧‧第一交接線
10‧‧‧本體
11‧‧‧底面
111‧‧‧第一交接線
112‧‧‧第二交接線
12‧‧‧長凹槽
121‧‧‧第一槽端面
122‧‧‧第二槽端面
13‧‧‧入光面
131‧‧‧曲面部
17‧‧‧環面
19‧‧‧出光面
2‧‧‧用於照明裝置的光學透鏡
22‧‧‧長凹槽
23‧‧‧入光面
231‧‧‧曲面部
3‧‧‧用於照明裝置的光學透鏡
32‧‧‧長凹槽
33‧‧‧入光面
331‧‧‧曲面部
4‧‧‧用於照明裝置的光學透鏡
42‧‧‧長凹槽
43‧‧‧入光面
431‧‧‧曲面部
5‧‧‧用於照明裝置的光學透鏡
52‧‧‧長凹槽
53‧‧‧入光面
531‧‧‧曲面部
6‧‧‧用於照明裝置的光學透鏡
63‧‧‧入光面
631‧‧‧曲面部
A1‧‧‧第一軸線
A2‧‧‧第二軸線
D1‧‧‧第一距離
D2‧‧‧第二距離
L1‧‧‧第一線段
L2‧‧‧第二線段
SAGi‧‧‧第一線段上的任一點與第一虛擬線的距離
V1‧‧‧第一虛擬線
第一圖係本發明第一較佳實施例之立體圖。
第二圖係本發明第一較佳實施例之底視圖。
第三圖係本發明第一較佳實施例之側視圖。
第四圖係第二圖之局部放大圖，顯示最大的SAGi的位置及狀態。
第五圖係本發明第一較佳實施例之照度模擬示意圖。
第六圖係本發明第二較佳實施例之底視圖。
第七圖係第六圖之局部放大圖，顯示最大的SAGi的位置及狀態。
第八圖係本發明第三較佳實施例之底視圖。
第九圖係第八圖之局部放大圖，顯示最大的SAGi的位置及狀態。
第十圖係本發明第四較佳實施例之底視圖。
第十一圖係第十圖之局部放大圖，顯示最大的SAGi的位置及狀態。
第十二圖係本發明第五較佳實施例之底視圖。
第十三圖係第十二圖之局部放大圖，顯示最大的SAGi的位置及狀態。
第十四圖係本發明第六較佳實施例之底視圖。
第十五圖係習知技術之示意圖，顯示路燈照射於道路的狀態。
第十六圖係習知技術之又一示意圖，顯示路燈照射於道路之照明範圍。
第十七圖係習知技術之再一示意圖，顯示路燈照射之等照度分佈狀態。
1‧‧‧用於照明裝置的光學透鏡
10‧‧‧本體
12‧‧‧長凹槽
122‧‧‧第二槽端面
13‧‧‧入光面
131‧‧‧曲面部
17‧‧‧環面
19‧‧‧出光面
A1‧‧‧第一軸線
L1‧‧‧第一線段

Claims (10)

  1. 一種用於照明裝置的光學透鏡，包含有：一本體，於其底部形成一底面，頂部形成一出光面，由該底面向上凹設開口朝下的一長凹槽，該長凹槽係供一光源置入，且定義該長凹槽之長軸徑向上的槽壁為一入光面；於該本體定義位於底面且兩端交接於該本體表面的一第一軸線以及一第二軸線，該第一軸線與該第二軸線垂直，且該第一軸線較該第二軸線長；該長凹槽之長軸係平行於該第二軸線，且該長凹槽之兩端分別具有一第一槽端面與一第二槽端面，該第一槽端面與該第二槽端面係與該第二軸線相交，且該第一槽端面及該第二槽端面與該底面的交界係分別形成一第一交接線以及一第二交接線；該入光面由至少一曲面部組成，該至少一曲面部係與該底面交接而形成一第一線段以及一第二線段，該第一線段及該第二線段分別位於該長凹槽的長軸兩側，且該至少一曲面部在該第二軸線上的兩側係為對稱，又該第一線段與該第二線段在該第二軸線的兩側係為對稱，該第一線段與該第二線段係向該長凹槽內彎曲；其中，該第一線段兩端之直線連線係定義為一第一虛擬線，該第一交接線兩端的最短距離係定義為一第一距離，該第一線段上的任一點i與該第一虛擬線的距離係定義為SAGi，且使SAGi滿足下式：
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之用於照明裝置的光學透鏡，其中：該第一槽端面的高度係小於該第二槽端面的高度。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之用於照明裝置的光學透鏡，其中：該第二交接線兩端的最短距離係定義為一第二距離，且該第一距離小於或等於該第二距離。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之用於照明裝置的光學透鏡，其中：該第一槽端面係為平面或曲面，該第二槽端面係為平面或曲面。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之用於照明裝置的光學透鏡，其中：該第一槽端面與該第二槽端面均垂直於該本體之底面。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之用於照明裝置的光學透鏡，其中：該第一槽端面與該第二槽端面的表面均面向該長凹槽內且面向下而呈傾斜狀，而各以其表面交接於該底面。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之用於照明裝置的光學透鏡，其中：該至少一曲面部係為橢圓曲面、球面、非球面或前述三者的組合。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之用於照明裝置的光學透鏡，其中：該至少一曲面部在數量上係為二，該二曲面部分別位於該第一軸線之兩側，且不相對稱。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述之用於照明裝置的光學透鏡，其中：該出光面相對於該第一軸線之兩側係不對 稱。
  10. 依據申請專利範圍第1項所述之用於照明裝置的光學透鏡，其中：該本體於該出光面與該底面之間係形成一環面。
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