TWI548838B - 光學元件及具有該光學元件之照明裝置 - Google Patents

Description

光學元件及具有該光學元件之照明裝置

本發明係有關於一種光學元件及具有該光學元件之照明裝置，特別是指入光表面設有微結構的光學元件及具有該光學元件之照明裝置。

隨著發光二極體(light-emitted diode,LED)電視的背光模組不斷朝向大尺寸、重量輕、厚度薄以及高性能等等的各種需求，如何進一步提升這些設計需求已成為近年來LED電視背光模組發展的新趨勢。目前，當LED背光模組使用的發光二極體含有螢光粉時以及因為LED很接近擴散板，在光線通過背光透鏡而容易於擴散板產生不均勻的成像並且產生黃圈現象，影響電視的顯示品質。

如第1圖所示，在習知技術之背光透鏡100中，為解決上述的問題，發光孔102是由單一曲面104來改變LED 106光線的反射以及折射，通常下半段103的發光孔102係為直升(陡升)形狀(即斜率較大)，使偏黃的光線105往背光透鏡100的兩側而向目標投射區域之外的方向打出去，以減少黃圈的問題；雖然上述方式可解決一部分黃圈的效應，但偏黃的光線105往外投射時將會造成一部分光線的浪費。再者，背光模組大都排列多個LED， 同時需要搭配多個背光透鏡100，因此，這些被直接打出去偏黃的光線105可能影響其他背光透鏡的目標投射區域的光斑，從而可能造成其光斑的色度不均勻。此外，下半段103的發光孔102係為直升狀態，一部分的光線打到發光孔102的側壁反射之後，直接朝向發光孔102的頂部110穿過去而造成成像的光斑會有中心亮點，必須額外將出光表面的中心作成凹面108來避免中心亮點，需要較高的成本以及較複雜的製程步驟。

因此需要發展一種新式的光學元件以及照明裝置以解決上述問題。

本發明之一目的在於提供一種光學元件及具有此光學元件之照明裝置，藉由至少在入光表面的環形上設有複數個具有弧面的微結構，以減少黃圈現象、提升光線利用率並且解決光學元件造成中心亮點的問題。

為達成上述目的，本發明之一較佳實施例提供一種光學元件，包括：本體，該本體的底部形成一凹型空間；入光表面，係由該本體的該凹型空間所定義，以供一光線入射，並且該入光表面具有一環形區域，其中該入光表面至少在該環形區域上設有複數個微結構，每一該些微結構具有一弧面；以及出光表面，形成於該本體的外表面，其中該外表面的底緣鄰接該本體的底部的外緣。

在一實施例中，每一該些微結構係由該本體朝向該凹型空間凹陷或是凸出而形成。

在一實施例中，每一該些微結構的該弧面係由每一該些微結 構在該本體與該凹型空間之間的交界面所定義，並且在該交界面處的任一該些微結構的弧面高度表示為H，在該交界面處的任一該些微結構的弧面寬度表示為W，其中0.01毫米≦H≦0.2毫米，且0.01毫米≦W≦0.8毫米。

在一實施例中，每一該些微結構的該弧面係由每一該些微結構在該本體與該凹型空間之間的交界面所定義，並且在該交界面的任一該些微結構的弧面高度H除以該任一該些微結構的弧面寬度W的比值表示為R，其中0.003≦R≦1.2。

在一實施例中，該些微結構從該凹型空間觀之係為複數個同心圓形狀。

在一實施例中，該些微結構係為格紋狀。

在一實施例中，該些微結構在該入光表面上係為規則排列或是不規則排列。

在一實施例中，該凹型空間具有一開口，以通過該開口口緣的平面定義為基準面，相對於該基準面位在同一高度位置的任一該些微結構具有相同的幾何結構。

在一實施例中，該凹型空間具有一開口，以該開口口緣的幾何中心定義為基準點，以通過該開口口緣的平面定義為基準面，以通過該基準點並垂直該基準面的直線定義為基準軸，以通過該基準軸的一平面定義為截面，在該截面上以該基準軸劃分該入光表面形成一第一區域及一第二區域，在該第一區域中具有該些微結構分布之處形成一微結構分布區段，該微結構分布區段的兩端中較接近該基準軸的一端定義為該第一端點，該第一端點與該基準點的連線與該基準面形成該些微結構的分布角度 θ，其中，20度≦θ≦90度。

在一實施例中，20度≦θ≦60度。

在一實施例中，該微結構分布區段的兩端中較遠離該基準軸的一端定義為一第二端點，該第二端點沿著該基準軸的方向至該基準面的距離定義為H_L，其中0毫米≦H_L≦5毫米。

在一實施例中，該凹型空間具有一開口，以該開口口緣的幾何中心定義為基準點，以通過該開口口緣的平面定義為基準面，以通過該基準點並垂直該基準面的直線定義為基準軸，以通過該基準軸的一平面定義為截面，在該截面上以該基準軸劃分該入光表面形成一第一區域及一第二區域，在該第一區域中具有該些微結構分布之處形成一微結構分布區段，該微結構分布區段首末兩端的連線與該基準面形成該些微結構的傾斜角度α，其中10度≦α≦80度。

在一實施例中，30度≦α≦60度。

在一實施例中，該凹型空間具有一開口，以該開口口緣的幾何中心定義為基準點，以通過該開口口緣的平面定義為基準面，以通過該基準點並垂直該基準面的直線定義為基準軸，該出表面在該基準軸與該出光表面相交處具有一平坦部。

在一實施例中，該平坦部為光滑表面。

在一實施例中，該入光表面具有鄰接該環形區域的一凹形區域，且該環形區域與該凹形區域的交接處形成轉折，該環形區域較該凹形區域接近該本體的底部，該凹形區域係由該本體凹陷而形成。

在一實施例中，該凹形區域在與該環形區域的該交接處形成 一第一開口，且該環形區域較遠離該凹形區域處形成一第二開口，其中該環形區域的該第二開口大於該凹形區域的該第一開口。

在一實施例中，該入光表面具有鄰接該環形區域的一凹形區域，且該凹形區域為光滑表面，該環形區域較該凹形區域接近該本體的底部，該凹形區域係由該本體凹陷而形成。

在一實施例中，該入光表面具有鄰接該環形區域的一凹形區域，且該凹形區域為霧化表面，該環形區域較該凹形區域接近該本體的底部，該凹形區域係由該本體凹陷而形成。

在一實施例中，該凹型空間具有一開口，以通過該開口口緣的平面定義為基準面，該凹型空間的開口口緣的直徑為D_I，該入光表面的高度為H_I，其中0.2≦H_I/D_I≦3，該入光表面的高度H_I為該入光表面上任一點沿著垂直該基準面的方向至該基準面的距離的最大值。

在一實施例中，該凹型空間具有一開口，以通過該開口口緣的平面定義為基準面，該凹型空間的開口口緣的直徑為D_I，該入光表面的高度為H_I，其中0.2≦H_I/D_I≦3，該入光表面的高度H_I為該入光表面上任一點沿著垂直該基準面的方向至該基準面的距離的最大值。

在一實施例中，其中0.2≦H_I/D_I≦0.8。

在一實施例中，該本體的底部具有一底面，該底面係自該入光表面的底緣向外延伸且與該出光表面直接或間接連接，該底面外緣的直徑為D_O，該出光表面的高度為H_O，其中0.2≦H_O/D_O≦0.8，該出光表面的高度H_O為該出光表面上任一點沿著垂直該基準面的方向至該基準面的距離的最大值。

在一實施例中，該凹型空間具有一開口，以通過該開口口緣的平面為基準面，該凹型空間的該開口口緣為非圓形，以該開口口緣上相距最遠的兩點的連線的方向為一第一方向，在該第一方向上該開口口緣兩側距離的最大值為第一方向寬度D₁，以垂直該第一方向為一第二方向，在該第二方向上該開口口緣兩側距離的最大值為該開口口緣的第二方向寬度D₂，該入光表面的高度為H_I，其中0.2≦H_I/D₁≦3，0.2≦H_I/D₂≦3，該入光表面的高度H_I為該入光表面上任一點沿著垂直該基準面的方向至該基準面的距離的最大值。

在一實施例中，該本體的該外表面包含一反射面，該反射面的底緣與該本體的底部的外緣鄰接，且該反射面的頂緣與該出光表面的外緣直接或間接連接。

在一實施例中，該入光表面具有鄰接該環形區域的一凹形區域、一凸形區域或一平坦區域三者之一，該環形區域較該凹形區域、該凸形區域或該平坦區域接近該本體的底部，該凹形區域係由該本體凹陷而形成。

在一實施例中，該本體的材質係為透明材質。

在一實施例中，這種照明裝置包括光學元件以及發光二極體，該發光二極體的發光面朝向該光學元件的該入光表面。在一實施例中，該發光二極體係為多晶發光二極體。

在一實施例中，這種照明裝置包括光學元件、光源以及一擴散板，該擴散板設於該光學元件的該出光表面的外側，以供從該出光表面射出的光線射入。

基於上述，藉由本發明之光學元件及具有此光學元件之照明裝置的設計，可產生以下功效：

1.發光二極體發出的光線可被入光表面上的微結構打散，並重新混和，從而減少黃圈現象。

2.本發明是透過微結構來將偏黃的光打散並混光，這些偏黃的光線仍可往目標投射區域投射而不會浪費，因此本發明除可減少黃圈現象之外，還可提高光線利用率。

3.當本發明的光學元件應用在背光模組而排列多個時，可避免將這些偏黃的光直接往外投射而影響其他光學元件的目標投射區域的光斑。這些偏黃的光直接往外投射可能影響其他光學元件的目標投射區域的光斑，從而可能造成其光斑的色度不均勻的問題。

4.藉由這些微結構可將從發光二極體兩側發出的光線打散而較不易直接往出光表面的頂部中央處穿過，而可減少中心亮點的問題。

20‧‧‧照明裝置

100‧‧‧背光透鏡

102‧‧‧發光孔

103‧‧‧下半段

104‧‧‧單一曲面

105‧‧‧光線

106‧‧‧LED

108‧‧‧凹面

110‧‧‧頂部

200a、200b、200c、200d‧‧‧光學元件

202‧‧‧本體

204‧‧‧入光表面

206‧‧‧出光表面

208‧‧‧底面

210‧‧‧凹型空間

212‧‧‧微結構

213‧‧‧交界面

214‧‧‧弧面

215‧‧‧轉折

216‧‧‧外表面

217‧‧‧台階面

218‧‧‧台階面

220‧‧‧開口

222‧‧‧開口口緣

224‧‧‧微結構分布區段

226‧‧‧平坦部

228‧‧‧環形區域

230‧‧‧凹形區域

232‧‧‧第一開口

234‧‧‧第二開口

236‧‧‧凸形區域

238‧‧‧平坦區域

302‧‧‧光源

302a‧‧‧發光二極體

304‧‧‧擴散板

306‧‧‧電路板

400‧‧‧反射面

61‧‧‧第一方向

62‧‧‧第二方向

A‧‧‧基準軸

B‧‧‧基準面

D₁‧‧‧第一方向寬度

D_I‧‧‧直徑

D₂‧‧‧第二方向寬度

D_O‧‧‧直徑

H‧‧‧弧面高度

H_I‧‧‧高度

H_L‧‧‧距離

H_O‧‧‧高度

H_P‧‧‧距離

Lw1‧‧‧光線

Lw2‧‧‧光線

Lw3‧‧‧光線

Ly‧‧‧光線

Ly1‧‧‧光線

Ly2‧‧‧光線

Ly3‧‧‧光線

O‧‧‧基準點

P1‧‧‧第一端點

P2‧‧‧第二端點

P3‧‧‧交點

R1‧‧‧第一區域

R2‧‧‧第二區域

S‧‧‧截面

W‧‧‧弧面寬度

α‧‧‧傾斜角度

β‧‧‧夾角

θ‧‧‧分布角度

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的圖式作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的圖式僅僅是本發明的一些實施例，對於本發明所屬技術領域中具有通常知識者來講，還可以根據這些圖式獲得其他的圖式。

第1圖是習知技術的背光透鏡的剖視圖。

第2圖是繪示本發明一實施例的照明裝置的剖視圖。

第3圖是繪示第2圖中的光學元件的立體示意圖。

第4圖是繪示第2圖中的光學元件的局部立體視圖。

第5圖是繪示第2圖的局部放大圖。

第6圖是繪示第2圖中的光學元件的仰視圖。

第7A圖是繪示本發明一實施例的光路示意圖。

第7B圖是繪示第7A圖的局部放大圖。

第8圖是繪示本發明次一實施例的光學元件的剖視圖。

第9圖是繪示本發明又一實施例的光學元件的剖視圖。

第10圖是繪示本發明另一實施例的光學元件的剖視圖。

第11圖是繪示第10圖中的光學元件的設計參數示意圖。

第12圖是第10圖中的光學元件的配光曲線圖。

第13圖是第10圖中的光學元件的照度圖。

第14圖是繪示本發明又一實施例的光學元件的剖視圖。

第15圖是繪示第14圖中的光學元件的凹型空間開口口緣示意圖。

第16圖是繪示本發明再一實施例的光學元件的剖視圖。

第17圖是繪示本發明次一實施例的光學元件的剖視圖。

第18圖是繪示本發明另一實施例的光學元件的剖視圖。

下面將結合本發明實施例中的圖式，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，然而所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。此外，為了便於說明或理解本發明，本文中類似或相同的元件在不同圖式或不同實施例中是使用相同或類似的元件符號。

請參照第2圖至第4圖所示，其中第2圖是本發明一實施例的照明裝置20的剖視圖。第3圖是繪示第2圖中的光學元件200a的立體示意圖。第4圖是繪示第2圖中的光學元件200a的局部立體側視圖。如第2至第4圖所示，在一實施例中，照明裝置20包括光學元件200a以及光源302，其中光學元件200a又常被稱為透鏡，光源302例如為發光二極體302a，光學元件200a包括本體202、入光表面204以及出光表面206，發光二極體302a的發光面朝向光學元件200a的入光表面204，且在此實施例中發光二極體302a所發出的光線在中央偏白色，在左右兩側的光線則偏黃色。在一實施例中，本體202的材質係為透明材質。本體202的材質例如是選自於聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)、矽膠(silicone)以及玻璃(glass)所組成的群組。自本體202的底部形成一凹型空間210，在一實施例中此凹型空間210類似吊鐘的形狀。入光表面204係由本體202的凹型空間210所定義。換句話說，從本體202的底部形成了凹型空間210，凹型空間210的內壁面形成了入光表面204。入光表面204可供光線入射，並且入光表面204具有環形區域228，其中入光表面204至少在環形區域228上設有複數個微結構212，每一微結構212具有一弧面214，在一實施例中，弧面214為圓弧的一部分。換句話說，入光表面204除了在環形區域228上可設有複數個微結構212外，還可以在其他的區域設置微結構，例如第8圖所示的入光表面204。如第2圖所示，出光表面206形成於本體202的外表面216，其中外表面216的底緣鄰接本體202的底部的外緣。在此實施例中，外表面216還包含與出光表面206相接的一台階面217。此外，本發明光學元件的入光表面204與出光表面206尚有其他態樣，於後說明。

請參照第2圖、第4圖和第5圖所示，其中第5圖是繪示第2圖的局部放大圖。如圖所示，在一實施例中，每一微結構212可由本體202朝向凹型空間210凹陷或是凸出而形成。在第2圖所示的實施例中，微結構212係由本體202朝向凹型空間210凹陷而形成。每一微結構212的弧面214係由每一微結構212在本體202與凹型空間210之間的交界面213所定義，並且在交界面213處的任一微結構212的弧面高度表示為H，在交界面213處的任一微結構212的弧面寬度表示為W，H與W可為任意的尺寸，其中較佳為0.01毫米≦H≦0.2毫米。在一較佳實施例中，0.01毫米≦W≦0.8毫米。在另一較佳實施例中，在交界面213的任一微結構212的弧面高度H除以任一微結構212的弧面寬度W的比值表示為R，其中較佳為0.003≦R≦1.2。

請參照第2圖和第6圖所示，其中第6圖是繪示第2圖中的光學元件200a的仰視圖，如第6圖所示，這些微結構212從凹型空間210觀之可為複數個同心圓形狀。此外，這些微結構212可例如是格紋狀，格紋狀可例如是第2圖所示的四邊形格紋狀，但不限於此，也可為三邊形格紋狀、五邊形格紋狀、六邊形格紋狀或其他多邊形。這些微結構212在入光表面204上可例如是第2圖所示的規則排列，但不限於此，也可是不規則排列，規則排列的好處在於較易產生出均勻的光斑。微結構212可例如是第2圖所示的凹透鏡微結構，但也可是凸透鏡微結構所組成。此外如第2圖所示，在一實施例中，凹型空間210具有一開口220，以通過開口口緣222的平面定義為基準面B，相對於基準面B位在同一高度位置的任一微結構212具有相同的幾何形狀。

需要說明的是，雖然習知的霧化表面也具有微結構，但與本 發明的微結構212不同。本發明的微結構212具有弧面214，且此弧面214是可用肉眼或是放大鏡等器具明確辨識出來。此外本發明的微結構212是可在設計初期控制幾何結構，如第5圖所示，在此實施例中，此弧面214是圓弧的一部分，且在設計時即可用繪圖軟體精確地繪製其曲率半徑、弧面高度、寬度或是相鄰微結構212之間的距離或是複數個同心圓形狀、格紋狀、等佈列方式，而這些幾何結構都會影響光線的折射或反射等作用，此外亦可利用光學模擬軟體進行模擬以便掌握光學效果。但霧化表面的微結構是無法用肉眼或是放大鏡等器具明確辨識出具有弧面的，霧化表面的微結構是一種粗糙化的表面，雖可用加工方式控制其粗糙化的程度，但卻無法在設計初期即用繪圖軟體精準的決定每一個微結構的幾何形狀，因此在光學設計上也比較不方便。此外，一般而言，光滑表面因未設有微結構雖然效率高但是無法將光打散(均勻化)，相對地，本發明的入光表面204的微結構212和習知的霧化表面都可將光打散從而達到均勻化的功效，然而本發明的微結構212更可因具有弧面214而可用繪圖軟體精確地控制其幾何結構，所以相較習知的光滑表面以及霧化表面較便於在均勻化的需求和光效率的需求之間取得平衡，以滿足設計目標。

此外，本發明所指的微結構是一種相對的概念，亦即本發明的微結構212與本體202相比是微小的，具體來說，如第2圖和第5圖所示，微結構212的弧面寬度W與本體202的底面208外緣的直徑D_O的比值W/D_O是介於0.0001和0.14之間。

參考第2圖、第7A圖和第7B圖所示，其中第7A圖是繪示本發明一實施例的光路示意圖，第7B圖是繪示第7A圖的局部放大圖。在此實 施例中，入光表面204、出光表面206和發光二極體302a所發出的光相對基準軸A大致呈左右對稱，故第7A圖和第7B圖僅繪示基準軸A的左側區域(亦即第一區域R1)的光路示意。如第7A圖和第7B圖所示，藉由入光表面204在環形區域228上至少設有複數個微結構212，每一微結構212具有一弧面214，發光二極體302a發出的光線可被這些微結構212打散，並且重新混合光線，藉此可達到光線均勻化的功效，具體來說，這些微結構212可將從發光二極體302a由兩側發出而偏黃的光線Ly打散，然後被打散的偏黃光線Ly1、Ly2、Ly3可分別和從發光二極體302a靠近中央所發出偏白的光線Lw1、Lw2、Lw3在擴散板304處混合而被中和，從而減少黃圈現象。這種減少黃圈現象的做法與習知不同，習知的背光透鏡是透過發光孔的下半段為直升狀而把偏黃的光直接往目標投射區域以外的方向投射而浪費掉，但本發明的做法是透過微結構212來將偏黃的光Ly打散後經混光，這些偏黃的光Ly1、Ly2、Ly3仍可往目標投射區域投射而不會浪費，因此本發明除可減少黃圈現象之外還可提高光線利用率。因此，當本發明的光學元件200a應用在背光模組而排列多個時，可避免將這些偏黃的光直接往外投射而影響其他光學元件的目標投射區域的光斑(這些偏黃的光直接往外投射可能影響其他光學元件的目標投射區域的光斑，從而造成其光斑的色度不均勻的問題)。此外，藉由這些微結構212可將從發光二極體302a兩側發出的光線打散而較不易直接往出光面頂部中央處穿過，而可改善中心亮點的問題。相對地，習知技術的背光透鏡因其發光孔下半部為直升狀態，所以較易將光反射而從出光面頂部中央處穿過，而造成中心亮點。

如第2圖所示，在一實施例中，凹型空間210具有一開口220， 以開口口緣222的幾何中心定義為基準點O，以通過開口口緣222的平面定義為基準面B，以通過基準點O並垂直基準面B的直線定義為基準軸A，以通過基準軸A的一平面定義為截面S，在截面S上以基準軸A劃分入光表面204形成第一區域R1及第二區域R2。如第2圖和第6圖所示，在此實施例中，光學元件200a的開口口緣222為圓形，基準點O即為圓心，基準軸A即為入光表面204和出光表面206的對稱軸，且這些微結構212是圍繞基準軸A一圈而分布在入光表面204的環形區域228上，此外基準軸A貫穿出光表面206的中心。另外，發光二極體302a的底面與本體202的底面208齊平。

如第2圖和第5圖所示，在一實施例中，在第一區域R1中具有這些微結構212分布之處形成一微結構分布區段224，微結構分布區段224的兩端中較接近基準軸A的一端定義為第一端點P1，第一端點P1與基準點O的連線與基準面B形成這些微結構212的分布角度θ，在一實施例中，20度≦θ≦90度。在一較佳實施例中，20度≦θ≦60度，在第2圖的最佳實施例中，θ=42度。在本發明的光學元件200a中，適當地調整分布角度θ可有效消除黃圈現象。如第7A圖和第7B圖的光路示意圖所示，由於發光二極體302a在兩側所發光的光偏黃中央偏白，其中兩側偏黃的光線Ly造成黃圈現象，本發明的這些微結構212主要是針對這些偏黃的光線Ly，將其打散而起均勻化的作用，但在某些條件下，若微結構212的分布角度θ太大的話，則會打散中央偏白的光線Lw1、Lw2、Lw3，可能使中央的光效率降低，因此，在光學設計時會特別控制分布角度θ的大小。

如第2圖所示，在一實施例中，微結構分布區段224的兩端中較遠離基準軸A的一端定義為第二端點P2，第二端點P2沿著基準軸A的方向 至基準面B的距離定義為H_L，其中0毫米≦H_L≦5毫米。在第2圖的實施例中，H_L約為0.65毫米，且發光二極體302的厚度約等於H_L。換句話說，發光二極體302a可容納於凹型空間210中，且入光表面204在臨近發光二極體302a左右兩側的部分是光滑表面，但不以此限，亦可為霧化表面。

如第2圖和第5圖所示，在一實施例中，在第一區域R1中具有這些微結構212分布之處形成一微結構分布區段224，微結構分布區段224首末兩端的連線與基準面B形成這些微結構212的傾斜角度α，亦即微結構分布區段224首末兩端的連線與基準面B所形成的夾角為傾斜角度α，在一實施例中，10度≦α≦80度。請一併參考第8圖所示，若傾斜角度α增加至大於80度時，被微結構212打散的光線Ly1、Ly2、Ly3會往遠離基準軸A的方向偏移，而往兩側散出，成為雜散光而降低光線利用率。在一實施例中，30度≦α≦60度，由於從發光二極體302a左右兩側所發出的光線Ly偏黃，傾斜角度α在30度到60度的範圍內時，這些微結構212可對偏黃的光線Ly起較直接的作用，也就是說，在光學設計上，要讓發光二極體302a左右兩側所發出偏黃的光線和較接近中央發出偏白的光線相互混和，會較為簡便，從而利於減少黃圈現象。在第2圖的較佳實施例中，這些微結構212的傾斜角度α約為44度。

如第2圖和第4圖所示，在此實施例中，入光表面204具有位在下半部的環形區域228以及鄰接環形區域228並位於上半部的凹形區域230，環形區域228較凹形區域230接近本體202的底部，凹形區域230係由本體202凹陷而形成，換句話說，凹型空間210係由環形區域228以及凹形區域230所圍繞。在一實施例中，環形區域228與凹形區域230的交接處形成轉折 215，但也可不形成轉折，如第9圖所示的實施例。如第2圖和第4圖所示，具體來說，凹形區域230在與環形區域228的交接處形成第一開口232，且環形區域228較遠離凹形區域230處形成第二開口234，其中環形區域228的第二開口234大於凹形區域230的第一開口232。環形區域228與凹形區域230的交接處形成轉折215的好處在於，可使入光表面206有兩個區段可以分別去設計，而可針對兩個部份的光，分別做更有彈性的調整，進而便於讓這兩個部份的光做混光，以符合設計目標。環形區域228的第二開口234大於凹形區域230的第一開口232可使這些微結構212的傾斜角度α較容易設計成30度≦α≦60度。如第2圖和第4圖所示，在此實施例中，凹形區域230為光滑表面，然而，凹形區域230亦可為霧化表面，詳見以下的說明。

請參照第10圖所示，第10圖是繪示本發明另一實施例的光學元件200b的剖視圖，入光表面204具有環形區域228以及鄰接環形區域228的凹形區域230，且環形區域228設有這些微結構212，凹形區域230為霧化表面，環形區域228較凹形區域230接近本體202的底部，凹形區域230係由本體202凹陷而形成，且在此實施例中，環形區域228上的微結構212亦有作霧化處理。入光表面204不限於此，亦可如第8圖所示在環形區域228和凹形區域230都設有複數個微結構212。如第2圖所示，在一實施例中，凹型空間210的開口口緣222的直徑為D_I，入光表面204的高度為H_I，其中0.2≦H_I/D_I≦3，入光表面204的高度H_I為入光表面204上任一點沿著垂直基準面B的方向至基準面B的距離的最大值。在一實施例中，0.2≦H_I/D_I≦0.8，具體來說在第2圖的實施例中H_I/D_I約為0.56，在第10圖的實施例中H_I/D_I約為0.69。H_I/D_I的比值會影響凹型空間210的形狀，當H_I/D_I大於1時，凹型空間210會趨於尖 聳，當H_I/D_I小於1時，凹型空間210會趨於扁平。習知技術的背光透鏡其H_I/D_I大都大於1，而趨於尖聳，這可便於將其發光孔下半段設計成直升狀態，但在本發明第2圖和第10圖所示的實施例中卻將H_I/D_I設計成小於1而可使環形區域228的傾斜程度較為和緩，減小這些微結構212的傾斜角度α，從而可避免光往兩側直接散出，進而可增加光線利用率。

如第2圖和第4圖所示，在一實施例中，本體202的底部具有一底面208，底面208係自入光表面204的底緣向外延伸且與出光表面206直接或間接連接，在第2圖至第4圖中所示的實施例中，底面208是透過一台階面217而與出光表面206間接連接，換句話說，在此實施例中，外表面216包含了出光表面206以及台階面217，也可以說本體202是由外表面216、底面208以及入光表面204所包圍。在第2圖的實施例中台階面217具有接近垂直的轉折。如第2圖所示，底面208外緣的直徑為D_O，出光表面206的高度為H_O，其中0.2≦H_O/D_O≦0.8，出光表面206的高度H_O為出光表面206上任一點沿著垂直基準面B的方向至基準面B的距離的最大值。如第2圖所示，此類光學元件200a為扁平狀，較適合背光模組、廣告看板、平板燈和路燈等需要大發光角度的應用領域。

如第2圖所示，在一實施例中，出光表面206在基準軸A與出光表面206的相交處具有一平坦部226。在一實施例中，以基準點O至出光表面206的平坦部226上任一點的連線與基準軸A所形成的夾角β表示為平坦部226的涵蓋角度，其中0度≦β≦20度。在一實施例中，出光表面206的平坦部226與入光表面204相對應。由於入光表面204在至少環形區域228設有複數個微結構212，而可減少中心亮點，因此出光表面206可具有平坦部226而 不需要形成凹面，從而可有效簡化光學元件200a之製程並降低生產成本。在一實施例中，平坦部226可例如是光滑表面，更進一步的，如第2圖所示的實施例，出光表面206可例如是光滑表面，而使整個出光表面206都未設置任何的微結構，如此這可進一步的簡化製程。

請再參照第10圖所示，第10圖所示的光學元件200b與第2圖所示的光學元件200a主要差異在於，光學元件200b的環形區域228和凹形區域230都有霧化處理，但光學元件200a則無，此外光學元件200b的凹型空間210較為尖聳，光學元件200a的則較為扁平。以下詳列第10圖的光學元件200b的設計參數，由於光學元件200b和光學元件200a的設計參數定義方式相同，故請一併參見第2圖和第5圖，光學元件200b的微結構212弧面寬度W約為0.30毫米、微結構212弧面高度H約為0.04毫米、微結構212弧面的曲率半徑約為0.31(在此實施例各微結構212弧面的曲率半徑均同，但不在此限，也可不同)、這些微結構212的分布角度θ約為42度、這些微結構212的傾斜角度α約為47度、H_L約為0.56毫米、凹型空間210的開口口緣222直徑D_I約為5.76毫米，入光表面204的高度H_I約為3.96毫米、底面208外緣的直徑D_O約為21.06毫米，出光表面206的高度H_O約為5.34毫米，以上設計參數皆符合前述的相關數值範圍。此外光學元件200b的出光表面206在與基準軸A的相交處也具有一平坦部226，微結構212也排列為複數個同心圓狀。

請參照第10圖和第11圖所示，其中第11圖是繪示第10圖的光學元件200b的設計參數示意圖。在第10圖的實施例中，入光表面204和出光表面206均是以基準軸A為旋轉對稱軸形成旋轉對稱，同時也以基準軸A為對稱軸形成左右對稱，以基準面B和截面S所相交的一直線為一直角座標系 的X軸，以基準軸A為此直角座標系的Y軸，且第二區域R2為此直角座標系的第一象限，第一區域R1為此直角座標系的第二象限，其中第一象限的X坐標和Y坐標均為正值，第二象限的X坐標為負值，Y坐標為正值，在入光表面204上包含具有下列座標的點：(0,3.96)、(0.48,3.86)、(0.99,3.48)、(1.48,2.85)、(1.74,2.21)、(1.84,1.63)、(2.12,1.43)、(2.35,1.22)、(2.55,0.99)、(2.73,0.74)、(2.84,0.56)；在出光表面206上包含具有下列座標的點：(0,5.34)、(-3.22,5.18)、(-4.42,4.90)、(-5.56,4.42)、(-6.62,3.73)、(-7.54,2.86)、(-8.14,2.13)、(-8.61,1.30)。

請參照第12圖和第13圖所示，其中第12圖是第10圖的光學元件200b的配光曲線圖，第13圖是第10圖的光學元件200b的照度圖。藉由第12圖之配光曲線圖，可知本發明的光學元件200b的發光角度可符合背光模組、廣告看板或平板燈等需要大發光角度的應用領域。透過第13圖之照度圖，可知本發明的光學元件200b可產生照度分布均勻的光。

如第2圖所示，在一實施例中，照明裝置包括光學元件200a、發光二極體302a以及電路板306，發光二極體302a的發光面朝向光學元件200a的入光表面204。光學元件200a和發光二極體302a均可設置於電路板306的頂面上，也可以說光學元件200a的底面208、發光二極體302a的底面和電路板的頂面均與基準面B齊平。基準軸A通過發光二極體302a底面的幾何中心並且與該發光二極體302a的底面垂直。發光二極體302a可為單晶或多晶發光二極體。值得一提的是，由於高亮度的需求越來越普遍，因此市場上採用多晶發光二極體也越來越多，但採用多晶發光二極體時，晶片成像的問題會更容易發生，也更為嚴重，然而，本發明在入光表面204的環形區域228 設有微結構212而可將發光二極體302a的光線打散而均勻化，除了可減少黃圈現象外，也可有效減少晶片成像的問題。

在一實施例中，照明裝置20包括光學元件200a、光源302以及擴散板304，擴散板304設於光學元件200a的出光表面206的外側，以供從出光表面206射出的光線射入。擴散板302與基準軸A的交點P3至該基準面B的距離為H_P，其中15毫米≦H_P≦500毫米，在此實施例中，H_P=45毫米。此照明裝置20可用應用於背光模組、廣告看板或平板燈等領域，亦即在此類應用領域中，此照明裝置20可作為背光源。值得一提的是，在此類應用領域中，除了在亮度和色度上需要均勻之外，薄型化也是市場的趨勢，因此也需要大發光角度，而本發明入光表面204因具有微結構212而可把光打散，所以恰好可符合這些需求。

請參照第14圖和第15圖所示，其中第14圖是繪示本發明又一實施例的光學元件200c的剖視圖，第15圖是繪示第14圖中的光學元件200c的凹型空間210開口口緣222示意圖。在第14圖所示的實施例中，基準軸A、基準面B以及入光表面204高度H_I的定義方式和第2圖所示的實施例相仿。亦即，光學元件200c的凹型空間210具有一開口220，以開口口緣222的幾何中心定義為基準點O，以通過開口口緣222的平面定義為基準面B，以通過基準點O並垂直基準面B的直線定義為基準軸A，入光表面204的高度H_I為入光表面204上任一點沿著垂直基準面B的方向至基準面B的距離的最大值。如圖所示，第14圖的光學元件200c類似第2圖的光學元件200a，但光學元件200c的出光表面206非對稱於基準軸A，此外光學元件200c的凹型空間210的開口口緣222為非圓形，而可如第15圖所示的橢圓形。此類的光學元件200c可應用 於路燈，所以常稱為路燈透鏡。更具體來說，以開口口緣222上相距最遠的兩點的連線的方向為一第一方向61，在第一方向61上開口口緣222兩側距離的最大值為第一方向寬度D₁，以垂直第一方向為一第二方向62，在第二方向62上開口口緣222兩側距離的最大值為開口口緣222的第二方向寬度D₂，其中0.2≦H_I/D₁≦3，0.2≦H_I/D₂≦3。請參照第16圖所示，其是繪示本發明再一實施例的光學元件200d的剖視圖。第16圖的光學元件200d的入光表面204和第2圖的光學元件200a的入光表面204類似，光學元件200d和200a的差異在於，光學元件200d的出光表面208為平坦狀，此外，光學元件200d的外表面216還包含一反射面400，反射面400的底緣與本體202的底部的外緣鄰接，且反射面400的頂緣與出光表面206的外緣可直接或間接連接，在第16圖的實施例中，反射面400的頂緣是透過一台階面218而與出光表面206間接連接，且台階面218形成接近直角的轉折。在此實施例中，光學元件200d呈杯狀，在一實施例中，反射面400d可例如為全反射面或塗佈反射層，而可將光線反射至出光表面206。光學元件200d可讓光線集中，而可應用於杯燈、投射燈，因此又常稱為杯燈透鏡。

入光表面204還有其他的實施態樣，請一併參照第17圖和第18圖所示，如圖所示，入光表面204具有一環形區域228以及鄰接環形區域228的一凹形區域230、凸形區域236或平坦區域238三者之一，且環形區域228設有這些微結構212，環形區域228較凹形區域230、凸形區域或平坦區域接近本體202的底部，凹形區域230係由本體202凹陷而形成。換句話說，入光表面204的環形區域228不限於和凹形區域223鄰接，也可和凸形區域236(如第17圖所示)或平坦區域238(如第18圖所示)鄰接。

簡單來說，本發明提供一種光學元件及具有此光學元件的照明裝置，藉由至少在入光表面的環形區域上設有複數個具有弧面的微結構，以消除黃圈現象、提高光線利用率並且解決中心亮點的問題。

雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神與範圍內，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。

20‧‧‧照明裝置

200a‧‧‧光學元件

202‧‧‧本體

204‧‧‧入光表面

206‧‧‧出光表面

208‧‧‧底部

210‧‧‧凹型空間

212‧‧‧微結構

214‧‧‧弧面

215‧‧‧轉折

216‧‧‧外表面

217‧‧‧台階面

220‧‧‧開口

222‧‧‧開口口緣

226‧‧‧平坦部

228‧‧‧環形區域

230‧‧‧凹形區域

232‧‧‧第一開口

234‧‧‧第二開口

302‧‧‧光源

302a‧‧‧發光二極體

304‧‧‧擴散板

306‧‧‧電路板

A‧‧‧基準軸

B‧‧‧基準面

D_I‧‧‧直徑

D_O‧‧‧直徑

H_I‧‧‧高度

H_L‧‧‧距離

H_O‧‧‧高度

H_P‧‧‧距離

O‧‧‧基準點

P1‧‧‧第一端點

P2‧‧‧第二端點

P3‧‧‧交點

R1‧‧‧第一區域

R2‧‧‧第二區域

S‧‧‧截面

β‧‧‧夾角

θ‧‧‧分布角度

Claims (29)

1. 一種光學元件，包括：一本體，自該本體的底部形成一凹型空間；一入光表面，係由該本體的該凹型空間所定義，以供一光線入射，並且該入光表面具有一環形區域，其中該入光表面至少在該環形區域上設有複數個微結構，每一該些微結構具有一弧面；以及一出光表面，形成於該本體的外表面，其中該外表面的底緣鄰接該本體的底部的外緣。
2. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，其中每一該些微結構係由該本體朝向該凹型空間凹陷或是凸出而形成。
3. 如申請專利範圍第2項所述的光學元件，其中每一該些微結構的該弧面係由每一該些微結構在該本體與該凹型空間之間的交界面所定義，並且在該交界面處的任一該些微結構的弧面高度表示為H，在該交界面處的任一該些微結構的弧面寬度表示為W，其中0.01毫米≦H≦0.2毫米，且0.01毫米≦W≦0.8毫米。
4. 如申請專利範圍第2項所述的光學元件，其中每一該些微結構的該弧面係由每一該些微結構在該本體與該凹型空間之間的交界面所定義，並且在該交界面的任一該些微結構的弧面高度H除以該任一該些微結構的弧面寬度W的比值表示為R，其中0.003≦R≦1.2。
5. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，其中該些微結構從該凹型空間觀之係為複數個同心圓形狀。
6. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，其中該些微結構係為格紋 狀。
7. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，其中該些微結構在該入光表面上係為規則排列或是不規則排列。
8. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，其中該凹型空間具有一開口，以通過該開口口緣的平面定義為基準面，相對於該基準面位在同一高度位置的任一該些微結構具有相同的幾何結構。
9. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，其中該凹型空間具有一開口，以該開口口緣的幾何中心定義為基準點，以通過該開口口緣的平面定義為基準面，以通過該基準點並垂直該基準面的直線定義為基準軸，以通過該基準軸的一平面定義為截面，在該截面上以該基準軸劃分該入光表面形成一第一區域及一第二區域，在該第一區域中具有該些微結構分布之處形成一微結構分布區段，該微結構分布區段的兩端中較接近該基準軸的一端定義為該第一端點，該第一端點與該基準點的連線與該基準面形成該些微結構的分布角度θ，其中20度≦θ≦90度。
10. 如申請專利範圍第9項所述的光學元件，其中20度≦θ≦60度。
11. 如申請專利範圍第9項所述的光學元件，其中該微結構分布區段的兩端中較遠離該基準軸的一端定義為一第二端點，該第二端點沿著該基準軸的方向至該基準面的距離定義為H_L，其中0毫米≦H_L≦5毫米。
12. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，其中該凹型空間具有一開口，以該開口口緣的幾何中心定義為基準點，以通過該開口口緣的平面定義為基準面，以通過該基準點並垂直該基準面的直線定義為基準軸，以通過該基準軸的一平面定義為截面，在該截面上以該基準軸劃分該入光表面 形成一第一區域及一第二區域，在該第一區域中具有該些微結構分布之處形成一微結構分布區段，該微結構分布區段首末兩端的連線與該基準面形成該些微結構的傾斜角度α，其中10度≦α≦80度。
13. 如申請專利範圍第12項所述的光學元件，其中30度≦α≦60度。
14. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，其中該凹型空間具有一開口，以該開口口緣的幾何中心定義為基準點，以通過該開口口緣的平面定義為基準面，以通過該基準點並垂直該基準面的直線定義為基準軸，該出光表面在該基準軸與該出光表面相交處具有一平坦部。
15. 如申請專利範圍第14項所述的光學元件，其中該平坦部為光滑表面。
16. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，其中該入光表面具有鄰接該環形區域的一凹形區域，且該環形區域與該凹形區域的交接處形成轉折，該環形區域較該凹形區域接近該本體的底部，該凹形區域係由該本體凹陷而形成。
17. 如申請專利範圍第16項所述的光學元件，其中該凹形區域在與該環形區域的該交接處形成一第一開口，且該環形區域較遠離該凹形區域處形成一第二開口，其中該環形區域的該第二開口大於該凹形區域的該第一開口。
18. 如申請專利範圍第1~15項中任一項所述的光學元件，其中該入光表面具有鄰接該環形區域的一凹形區域，且該凹形區域為光滑表面，該環形區域較該凹形區域接近該本體的底部，該凹形區域係由該本體凹陷而形成。
19. 如申請專利範圍第1~15項中任一項所述的光學元件，其中該入光表面具有鄰接該環形區域的一凹形區域，且該凹形區域為霧化表面，該環形區域較該凹形區域接近該本體的底部，該凹形區域係由該本體凹陷而形成。
20. 如申請專利範圍第1~6項中任一項所述的光學元件，其中該凹型空間具有一開口，以通過該開口口緣的平面定義為基準面，該凹型空間的開口口緣的直徑為D_I，該入光表面的高度為H_I，其中0.2≦H_I/D_I≦3，該入光表面的高度H_I為該入光表面上任一點沿著垂直該基準面的方向至該基準面的距離的最大值。
21. 如申請專利範圍第20項所述的光學元件，其中0.2≦H_I/D_I≦0.8。
22. 如申請專利範圍第21項所述的光學元件，其中該本體的底部具有一底面，該底面係自該入光表面的底緣向外延伸且與該出光表面直接或間接連接，該底面外緣的直徑為D_O，該出光表面的高度為H_O，其中0.2≦H_O/D_O≦0.8，該出光表面的高度H_O為該出光表面上任一點沿著垂直該基準面的方向至該基準面的距離的最大值。
23. 如申請專利範圍第1~6項中任一項所述的光學元件，其中該凹型空間具有一開口，以通過該開口口緣的平面為基準面，該凹型空間的該開口口緣為非圓形，以該開口口緣上相距最遠的兩點的連線的方向為一第一方向，在該第一方向上該開口口緣兩側距離的最大值為第一方向寬度D₁，以垂直該第一方向為一第二方向，在該第二方向上該開口口緣兩側距離的最大值為該開口口緣的第二方向寬度D₂，該入光表面的高度為H_I，其中0.2≦H_I/D₁≦3，0.2≦H_I/D₂≦3，該入光表面的高度H_I為該入光表面上任一點 沿著垂直該基準面的方向至該基準面的距離的最大值。
24. 如申請專利範圍第1~15項中任一項所述的光學元件，其中該本體的該外表面包含一反射面，該反射面的底緣與該本體的底部的外緣鄰接，且該反射面的頂緣與該出光表面的外緣直接或間接連接。
25. 如申請專利範圍第1~15項中任一項所述的光學元件，其中該入光表面具有鄰接該環形區域的一凹形區域、一凸形區域或一平坦區域三者之一，該環形區域較該凹形區域、該凸形區域或該平坦區域接近該本體的底部，該凹形區域係由該本體凹陷而形成。
26. 如申請專利範圍第1~17項中任一項所述的光學元件，其中該本體的材質係為透明材質。
27. 一種照明裝置，包括：一如申請專利範圍第1~15項中任一項所述的光學元件；以及一發光二極體，該發光二極體的發光面朝向該光學元件的該入光表面。
28. 如申請專利範圍第27項所述的照明裝置，其中該發光二極體係為多晶發光二極體。
29. 一種照明裝置，包括：一如申請專利範圍第22項所述的光學元件；一光源，該光源的發光面朝向該光學元件的入光表面；以及一擴散板，設於該光學元件的該出光表面的外側，以供從該出光表面射出的光線射入。