TWI507640B - 可控制光束角之導光元件及燈具 - Google Patents

可控制光束角之導光元件及燈具 Download PDF

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Weihsuan Chen
Chunhau Lai
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Description

可控制光束角之導光元件及燈具
本發明是有關於一種導光元件，且特別是有關於一種可控制光束角之導光元件及燈具。
傳統的燈具主要是由燈泡與反射燈杯所組成。反射燈杯主要的功能是用來反射光並改變燈泡所發出之光場。為使反射燈杯達到反射的效果，通常會在反射燈杯表面鍍上一層高反射的金屬膜。然而，透過鍍膜的方式來改變光型的變化性不大，且成本較高，在應用上較受限。
另外一種傳統燈具是透過光源搭配二次光學元件，來達到改變光型的目的。然而，此種架構必須在二次光學元件中央設置凹孔，並且將光源放置在凹孔中來達到調整光型之目的。因此，二次光學元件必須配合不同形式或不同數量的光源來改變整個元件架構的設計，因而導致成本的增加。
因此，亟需一種可改變光束角之導光元件，以解決上述問題。
因此，本發明之一態樣是在提供一種可控制光束角 之導光元件及燈具，其中導光元件係利用光的全反射特性來控制光的行進方向，藉此達到調整導光元件所輸出之光束角的目的。故此導光元件的應用可符合各種燈光角度照射需求，同時可減少能量損耗。
本發明之另一態樣是在提供一種可控制光束角之導光元件及燈具，透過改變導光元件的第一反射面及第二反射面延伸線的夾角角度以及導光元件的長度，來調整光在導光元件內的行進方向，順利達到控制輸出光束角的目的。
根據本發明之上述目的，提出一種可控制光束角之導光元件，適用以導引光線。其中光線可在導光元件中進行全反射，以產生預設光束角。導光元件為環狀錐台並具有一長度及一全反射角，且導光元件包含入光面、出光面、第一反射面及第二反射面。入光面具有第一外周緣及第一內周緣。第一外周緣與第一內周緣之間具有一間距。出光面相對入光面，且出光面之面積大於入光面。其中出光面具有第二外周緣及第二內周緣。第一反射面連接第一外周緣及第二外周緣。第二反射面連接第一內周緣及第二內周緣。其中第一反射面與第二反射面之延伸線形成一夾角。其中，夾角<全反射角，且長度>預設距離/tan(全反射角)。
依據本發明一實施例，上述之預設距離為間距的一半。
依據本發明一實施例，上述之導光元件為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)導光元件，全反射角為42.16度。
依據本發明另一實施例，上述之導光元件為聚碳酸樹脂(PC)導光元件，全反射角為38.97度。
依據本發明又一實施例，上述之出光面為粗糙面、霧面或具有網點之表面。
依據本發明再一實施例，上述之出光面為斜面或弧面。
依據本發明再一實施例，上述之第一反射面平行於導光元件之中心線，第二反射面則相對於中心線呈傾斜。
依據本發明再一實施例，上述之第二反射面平行於導光元件之中心線，第一反射面則相對於中心線呈傾斜。
依據本發明再一實施例，上述之第一反射面及第二反射面均相對於導光元件之中心線呈傾斜。
根據本發明之上述目的，另提出一種燈具包含導光元件及光源。導光元件為環狀錐台並具有一長度及一全反射角，且導光元件包含入光面、出光面、第一反射面及第二反射面。入光面具有第一外周緣及第一內周緣。第一外周緣與第一內周緣之間具有一間距。出光面相對入光面，且出光面之面積大於入光面。其中出光面具有第二外周緣及第二內周緣。第一反射面連接第一外周緣及第二外周緣。第二反射面連接第一內周緣及第二內周緣。其中第一反射面與第二反射面之延伸線形成一夾角。光源所產生之光線係由入光面進入導光元件中，並且由出光面射出，產生預設光束角。其中，光源與第一外周緣之間的水平距離為預設距離。其中，夾角<全反射角，且長度>預設距離 /tan(全反射角)。光源所產生之光線係由入光面進入導光元件中，並且由出光面射出，產生預設光束角。
100‧‧‧導光元件
100a‧‧‧中心線
110‧‧‧貫穿孔
110a‧‧‧第一開口
110b‧‧‧第二開口
112‧‧‧入光面
112a‧‧‧第一外周緣
112b‧‧‧第一內周緣
114‧‧‧出光面
114a‧‧‧第二外周緣
114b‧‧‧第二內周緣
116‧‧‧第一反射面
118‧‧‧第二反射面
200‧‧‧導光元件
200a‧‧‧中心線
210‧‧‧第一反射面
230‧‧‧第二反射面
300‧‧‧導光元件
300a‧‧‧中心線
310‧‧‧第一反射面
330‧‧‧第二反射面
400‧‧‧導光元件
410‧‧‧第一反射面
412‧‧‧出光面
412a‧‧‧第一外周緣
430‧‧‧第二反射面
450‧‧‧貫穿孔
450a‧‧‧垂直段
450b‧‧‧斜面段
500‧‧‧燈具
510‧‧‧光源
θ‧‧‧夾角
A‧‧‧間距
D‧‧‧預設距離
L‧‧‧長度
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1A圖係繪示依照本發明第一實施方式的一種可控制光束角之導光元件之立體圖。
第1B圖係繪示依照本發明第一實施方式的一種可控制光束角之導光元件的剖面圖。
第2圖係繪示依照本發明第二實施方式的一種可控制光束角之導光元件的剖面圖。
第3圖係繪示依照本發明第三實施方式的一種可控制光束角之導光元件的剖面圖。
第3A圖係繪示依照本發明第三實施方式的一種聚甲基丙烯酸甲酯的導光元件的光場強度分布圖。
第3B圖係繪示依照本發明第三實施方式的一種聚碳酸樹脂的導光元件的光場強度分布圖。
第4圖係繪示依照本發明第四實施方式的一種可控制光束角之導光元件的剖面圖。
第5圖係繪示依照本發明一實施方式的一種燈具之示意圖。
請參照第1A圖及第1B圖，其係分別繪示依照本 發明第一實施方式的一種可控制光束角之導光元件之立體圖及剖面圖。在本實施方式中，導光元件100適用以導引光線在導光元件100中進行全反射，以使光線產生不同之光束角。在此所指之光線係來自於一光源，例如發光二極體。導光元件100為一環狀錐台而具有貫穿孔110。
導光元件100為環狀錐台，並具有長度L及全反射角θT 。在此所指的長度為導光元件100平行於中心線100a的垂直高度。導光元件100包含入光面112、出光面114、第一反射面116以及第二反射面118。其中，貫穿孔110在入光面112中形成第一開口110a，且入光面112具有第一外周緣112a及第一內周緣112b。第一外周緣112a及第一內周緣112b之間具有間距A。出光面114及入光面112位於導光元件100的相對兩側，且出光面114之面積大於入光面112之面積。其中，貫穿孔110在出光面114中形成第二開口110b，且出光面114具有第二外周緣114a及第二內周緣114b。
第一反射面116連接第一外周緣112a及第二外周緣114a。第二反射面118連接第一內周緣112b及第二內周緣114b。光線從入光面112進入導光元件100後，會在第一反射面116及第二反射面118產生全反射，而由出光面114射出。其中，第一反射面116與第二反射面118之延伸線形成一夾角θ。為了達到控制光束角的目的，在本發明之實施方式中，定義夾角θ<全反射角θT ，且長度L>預設距離D/tan(全反射角θT )。其中，預設距離D可定義為光源設 置位置到第一外周緣112a的水平距離。在一實施例中，出光面114可為粗糙面、霧面或具有網點之表面，以引導光線出光。
在一實施例中，導光元件100之全反射角θT 係依據導光元件100的材質不同而不同。當導光元件100為聚甲基丙烯酸甲酯之導光元件時，全反射角θT 為42.16度。當導光元件100為聚碳酸樹脂之導光元件時，全反射角θT 為38.97度。請參照下表1，其係分別以聚甲基丙烯酸甲酯及聚碳酸樹脂為導光元件100之材料，並且改變長度L及夾角θ等參數，所得之對應光束角。其中，表1所使用之光源本身的光束角為120度。其中，在此實施例中，係將光源設置在間距A的中間，因此預設距離D=間距A/2。也就是說，光源是放置在第一外周緣112a及第一內周緣112b的中間。欲陳明者，光源的位置係可以任意調整，以符合實際使用需求。
由表1可知，當導光元件100之材料為聚甲基丙烯酸甲酯時，在夾角θ小於全反射角θT ，長度L大於(A/2)/tanθT 的條件下，產生的光束角為60度，確實可達到縮減光型之效果。當導光元件100之材料為聚碳酸樹脂時，在夾角θ小於全反射角θT ，長度L大於(A/2)/tanθT 的條件下，產生的光束角為70度，同樣可達到縮減光型之效果。同時，表1也呈現了不論是聚甲基丙烯酸甲酯或是聚碳酸樹脂的導光元件，在長度L小於(A/2)/tanθT ，或是夾角θ大於全反射角θT 的情況下，導光元件100所產生之光束角仍為原本光源之光束角120度。這表示，若要改變導光元件100之光束角，可將導光元件100限定在夾角θ<全反射角θT ，且長度L>(間距A/2)/tan(全反射角θT )的條件下。
欲陳明者，表1的數據係以第1B圖所示之導光元件100所量測之數據。第1B圖所呈現之導光元件100的第一反射面116係平行於導光元件100之中心線100a，且第二反射面118係相對於中心線100a呈傾斜的實施方式，但本發明並不以此為限。而且，光源設置的位置亦不以間距A的中間為限。
請參閱第2圖，其係繪示依照本發明第二實施方式的一種可控制光束角之導光元件的剖面圖。第2圖所示之導光元件200之第二反射面230平行於導光元件200之中心線200a，第一反射面210則相對於中心線200a呈傾斜。另請搭配參考表2，表2係依據此種結構的導光元件200分別以聚甲基丙烯酸甲酯及聚碳酸樹脂為材料，改變長度L 及夾角θ等參數，所測得之對應光束角。其中，表2所使用之光源本身的光束角為120度。其中，在此實施例中，係將光源設置在間距A的中間，因此預設距離D=間距A/2。欲陳明者，光源的位置係可以任意調整，以符合實際使用需求。
由表2可知，當導光元件200之材料為聚甲基丙烯酸甲酯時，在夾角θ小於全反射角θT ，長度L大於(A/2)/tanθT 的條件下，產生的光束角為60度，確實可達到縮減光型之效果。當導光元件200之材料為聚碳酸樹脂時，在夾角θ小於全反射角θT ，長度L大於(A/2)/tanθT 的條件下，產生的光束角為70度，同樣可達到縮減光型之效果。同時，表2也呈現了不論是聚甲基丙烯酸甲酯或是聚碳酸樹脂的導光元件，在長度L小於(A/2)/tanθT ，或是夾角θ大於全反射角θT 的情況下，導光元件200所產生之光束角仍為原本光源之光束角120度。這表示，若要改變導光元 件200之光束角，可將導光元件200限定在夾角θ<全反射角θT ，且長度L>(間距A/2)/tan(全反射角θT )的條件下。
請參閱第3圖，其係繪示依照第三實施方式的一種可控制光束角之導光元件的剖面圖。第3圖所示之導光元件300的第一反射面310及第二反射面330均相對於導光元件300中心線300a呈傾斜。另請搭配參考表3，表3係依據此種結構的導光元件300分別以聚甲基丙烯酸甲酯及聚碳酸樹脂為材料，改變長度L及夾角θ等參數，所測得之對應光束角。其中，表3所使用之光源本身的光束角為120度。其中，在此實施例中，係將光源設置在間距A的中間，因此預設距離D=間距A/2。欲陳明者，光源的位置係可以任意調整，以符合實際使用需求。
由表3可知，當導光元件300之材料為聚甲基丙烯酸甲酯時，在夾角θ小於全反射角θT ，長度L大於(A/2)/tanθT 的條件下，產生的光束角為45度，確實可達到 縮減光型之效果。當導光元件300之材料為聚碳酸樹脂時，在夾角θ小於全反射角θT ，長度L大於(A/2)/tanθT 的條件下，產生的光束角為50度，同樣可達到縮減光型之效果。同時，表3也呈現了不論是聚甲基丙烯酸甲酯或是聚碳酸樹脂的導光元件，在長度L小於(A/2)/tanθT 的情況下，不論夾角θ為何，導光元件300所產生之光束角仍為原本光源之光束角120度。
請同時參閱第3A圖及第3B圖所示，第3A圖及第3B圖分別繪示依照本發明第三實施方式的一種聚甲基丙烯酸甲酯及聚碳酸樹脂的導光元件的光場強度分布圖。由第第3A圖、第3B圖及表3可知，聚甲基丙烯酸甲酯及聚碳酸樹脂的導光元件在長度L為大於(A/2)/tanθT 之30mm，且夾角θ為43度的條件下，所產生的光束角分別為90度及93度，雖然可以達到縮減光型的效果，但此光場在導光元件的中央處是變暗的，若要將此種條件的導光元件運用至燈具上，並不能夠滿足一般燈具的照明及使用需求。因此，為了要達到改變導光元件300之光束角，並且滿足燈具之光場需求，在本實施例中，可將導光元件300限定在夾角θ<全反射角θT ，且長度L>(間距A/2)/tan(全反射角θT )的條件下。
綜上所述，不論導光元件的第一反射面與第二反射面相對於中心線的位置改變為何，其入光面的面積皆小於出光面的面積。同時，在符合前述夾角θ<全反射角θT ，且長度L>預設距離D/tan(全反射角θT )的條件下，導光元 件皆可達到改變光束角之目的。此外，在一實施例中，出光面可為斜面或弧面，以達到不同出光之效果。
另請參照第4圖，其係繪示依照本發明第四實施方式的一種可控制光束角之導光元件的剖面圖。本實施方式的導光元件400與前述各實施方式的導光元件結構類似，同樣具有間距A、長度L、全反射角θT 、第一反射面410及第二反射面430。較不同的地方是，導光元件400之貫穿孔450與導光元件400的交界處係由垂直段450a及斜面段450b所構成。其中，第二反射面430係定義在斜面段450b的位置上。在本實施方式的長度L為導光元件400的斜面段450b的垂直高度。在一實施例中，垂直段450a可以用來固定光源，但不以此為限。其他各條件之定義皆與其他實施方式相同，故在此不贅述。
請參照第5圖，其係繪示依照本發明一實施方式的一種燈具之示意圖。本實施方式之燈具500包含光源510及導光元件400。欲陳明者，本實施方式係以導光元件400作為示例，其他實施方式的導光元件亦可與光源510搭配使用。此外，為了配合環狀錐台形狀的導光元件，在一實施例中，光源510可為環狀發光二極體，但不以此為限。此外，如第5圖所示，光源510設置在導光元件400之出光面412上，且光源510與第一外周緣412a間的水平距離為預設距離D，此預設距離D會隨著光源510擺放的位置不同而改變。
由上述本發明實施方式可知，本發明之優點是透過 改變第一反射面及第二反射面延伸線的夾角角度，以及導光元件的長度，加上利用光的全反射特性以控制光的行進方向，來調整導光元件所輸出之光型，以符合各種燈光角度照射需求，同時可減少能量損耗。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此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‧‧‧導光元件
110‧‧‧貫穿孔
110a‧‧‧第一開口
110b‧‧‧第二開口
112‧‧‧入光面
112a‧‧‧第一外周緣
112b‧‧‧第一內周緣
114‧‧‧出光面
114a‧‧‧第二外周緣
114b‧‧‧第二內周緣
116‧‧‧第一反射面
118‧‧‧第二反射面

Claims (10)

  1. 一種可控制光束角之導光元件，具有一長度及一全反射角，且該導光元件包含：一入光面，具有一第一外周緣及一第一內周緣，其中該第一外周緣與該第一內周緣之間具有一間距；一出光面，相對該入光面，且該出光面之面積大於該入光面，其中該出光面具有一第二外周緣及一第二內周緣；一第一反射面，連接該第一外周緣及該第二外周緣；以及一第二反射面，連接該第一內周緣及該第二內周緣，且該第二反射面係由該第一內周緣向內延伸至該第二內周緣，其中該第一反射面與該第二反射面之延伸線形成一夾角；其中，該夾角<該全反射角，且該長度>一預設距離/tan(全反射角)。
  2. 如請求項1所述之可控制光束角之導光元件，其中該預設距離為該間距的一半。
  3. 如請求項1所述之可控制光束角之導光元件，其中該導光元件為一聚甲基丙烯酸甲酯導光元件，該全反射角為42.16度。
  4. 如請求項1所述之可控制光束角之導光元件，其中該導光元件為一聚碳酸樹脂導光元件，該全反射角為38.97 度。
  5. 如請求項1所述之可控制光束角之導光元件，其中該出光面為粗糙面、霧面或具有網點之表面。
  6. 如請求項1所述之可控制光束角之導光元件，其中該出光面為斜面或弧面。
  7. 如請求項1所述之可控制光束角之導光元件，其中該第一反射面平行於該導光元件之一中心線，該第二反射面則相對於該中心線呈傾斜。
  8. 如請求項1所述之可控制光束角之導光元件，其中該第二反射面平行於該導光元件之一中心線，該第一反射面則相對於該中心線呈傾斜。
  9. 如請求項1所述之可控制光束角之導光元件，其中該第一反射面及該第二反射面均相對於該導光元件之一中心線呈傾斜。
  10. 一種燈具，包含：一導光元件，具有一長度及一全反射角，且該導光元件包含：一入光面，具有一第一外周緣及一第一內周緣，其中該第一外周緣與該第一內周緣之間具有一間距； 一出光面，相對該入光面，且該出光面之面積大於該入光面，其中該出光面具有一第二外周緣及一第二內周緣；一第一反射面，連接該第一外周緣及該第二外周緣；以及一第二反射面，連接該第一內周緣及該第二內周緣，且該第二反射面係由該第一內周緣向內延伸至該第二內周緣，其中該第一反射面與該第二反射面之延伸線形成一夾角；以及一光源，其中該光源所產生之光線係由該入光面進入該導光元件中，並且由該出光面射出，產生一預設光束角，其中，該光源與該第一外周緣之間的水平距離為一預設距離；其中，該夾角<該全反射角，且該長度>該預設距離/tan(全反射角)。
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