TWI579487B - 二次光學元件及光源模組 - Google Patents

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Description

二次光學元件及光源模組
本發明是有關於一種二次光學元件及光源模組，且特別是有關於一種可使照度均勻化的二次光學元件及應用所述二次光學元件的光源模組。
發光二極體(Light Emitting Diode，LED)因其反應速度快、體積小、省電、低污染、高可靠度、適合量產等優點而被廣泛地應用於照明及背光源等領域中。在LED照明中，由於LED的出光場型為朗伯特(Lambertian)場型，此出光場型於目標照射平面上會呈現非均勻的照度，而當人眼的視野內存在極高的輝度或輝度對比時，將使人眼產生不舒適感。因此，如何改善眩光以及使照度均勻化為非常重要的議題。
在習知技術中，用以改善眩光的照明設備包括側入式平板燈以及傳統格柵燈，其利用導光結構設計或是反射罩的設計來控制出光場型並消彌視野內的高輝度或高輝度對比，然其缺點為出光效率不高。是以，如何改善眩光以及使照度均勻化，並具有 高出光效率，實為一重要的研發課題。
本發明提供一種二次光學元件，其可改善眩光以及使照度均勻化。
本發明提供一種光源模組，其具有高出光效率。
本發明的一種二次光學元件適於配置在發光元件的上方。二次光學元件包括入光面、出光面以及連接面，其中入光面包括第一入光面以及第二入光面。第二入光面環繞第一入光面，且第一入光面為一朝出光面凹陷的曲面。出光面與入光面相對且包括第一出光面以及第二出光面。第二出光面環繞第一出光面。第一出光面為平面或朝入光面凹陷的自由曲面。第二出光面為自由曲面。第二出光面的直徑大於第二入光面的直徑，且連接面連接於第二入光面與第二出光面之間。
在本發明的一實施例中，上述的第一入光面、第二入光面、第一出光面以及第二出光面共用同一中心軸。
在本發明的一實施例中，上述的第一入光面為圓弧面。發光元件具有光射出面。光射出面位於第一入光面的下方，且光射出面與第一入光面在垂直於光射出面的方向上的最大距離小於第一入光面的曲率半徑。
在本發明的一實施例中，上述的第一入光面的直徑大於光射出面的寬度。
在本發明的一實施例中，上述的連接面與第二入光面在二次光學元件內的夾角落在125度至145度的範圍內。
本發明的一種光源模組包括多個發光元件以及多個上述的二次光學元件。
基於上述，本發明的上述實施例的二次光學元件藉由第一入光面及連接面的設計控制出光場型，以改善眩光，並藉由第二出光面的自由曲面設計實現照度均勻化。並且，上述二次光學元件可應用在高出光效率的架構(如直下式光源模組)中，從而達到改善眩光、使照度均勻化以及具有高出光效率的目的。
為讓本發明的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。
100‧‧‧光源模組
110‧‧‧發光元件
120、120A‧‧‧二次光學元件
122‧‧‧入光面
122a‧‧‧第一入光面
122b‧‧‧第二入光面
124‧‧‧出光面
124a、124a’‧‧‧第一出光面
124b‧‧‧第二出光面
126‧‧‧連接面
130‧‧‧電路板
140‧‧‧光學膜片
AA‧‧‧截面積
D1‧‧‧方向
H‧‧‧最大距離
O‧‧‧中心軸
R‧‧‧參考平面
RR‧‧‧參考平面
R122a、R122b、R124a、R124a’、R124b‧‧‧直徑
S110‧‧‧光射出面
T124、T126‧‧‧厚度
W110‧‧‧寬度
X‧‧‧截線
θ‧‧‧夾角
圖1是依照本發明的一實施例的一種光源模組的爆炸示意圖。
圖2是圖1中的二次光學元件的第一種剖面示意圖。
圖3是圖1中的二次光學元件的俯視示意圖。
圖4是圖1中的二次光學元件的仰視示意圖。
圖5是圖1中的二次光學元件的第二種剖面示意圖。
圖1是依照本發明的一實施例的一種光源模組的爆炸示意圖。圖2是圖1中的二次光學元件的第一種剖面示意圖。圖3是圖1中的二次光學元件的俯視示意圖。圖4是圖1中的二次光學元件的仰視示意圖。請參照圖1及圖2，光源模組100包括多個發光元件110以及多個二次光學元件120，其中各二次光學元件120設置在其中一個發光元件110的上方，用以改變發光元件110的光場型並使照度均勻化。舉例而言，各發光元件110例如是發光二極體，而各二次光學元件120例如是二次透鏡。
光源模組100可進一步包括電路板130，其中發光元件110設置在電路板130上且例如呈陣列排列。各二次光學元件120對應其中一個發光元件110設置在電路板130上，且發光元件110位於二次光學元件120與電路板130之間。二次光學元件120可透過黏著層、卡榫或固定件等固定在電路板130上。另外，依據不同的設計需求，光源模組100還可進一步包括至少一光學膜片140設置在光源模組100的出光側，如二次光學元件120的上方。舉例而言，光學膜片140為擴散片時，可使光源模組100的輝度均勻化。
請參照圖2至圖4，二次光學元件120包括入光面122、出光面124以及連接面126，其中入光面122包括第一入光面122a以及第二入光面122b。第二入光面122b環繞第一入光面122a，且第一入光面122a為一朝出光面124凹陷的曲面。
發光元件110具有光射出面S110。光射出面S110位於第 一入光面122a的下方，且第一入光面122a的直徑R122a大於光射出面S110的寬度W110。進一步而言，本實施例使第一入光面122a的正投影完全覆蓋光射出面S110的正投影，以使第一入光面122a涵蓋發光元件110的出光範圍。具體地，光射出面S110的寬度W110例如為3mm，而第一入光面122a的直徑R122a為6.58mm。
第一入光面122a例如為圓弧面。藉由使光射出面S110與第一入光面122a在垂直於光射出面S110的方向D1上的最大距離H小於第一入光面122a的曲率半徑，來自光射出面S110的大部分光束進入二次光學元件120後的傳遞路徑會因斯乃爾定律(Snell's law)而偏折，從而達到匯聚的效果。舉例而言，第一入光面122a的曲率半徑例如為5.148mm。
在本實施例中，第二入光面122b可設計為不同型態或可透過於第二入光面122b上設置其他構件以與繪示於圖1中的電路板130相接合。本發明不用以限定第二入光面122b的型態。
出光面124與入光面122相對且包括第一出光面124a以及第二出光面124b。第二出光面124b環繞第一出光面124a，且第一入光面122a、第二入光面122b、第一出光面124a以及第二出光面124b例如共用同一中心軸O。
在本實施例中，第一出光面124a例如為平面，而第二出光面124b為自由曲面。所述自由曲面的設計是為了使出光照度均勻化，例如縮減各發光元件110所對應的目標照射平面上的區域照度差異。需說明的是，自由曲面的方程式及方程式中的各參數 值可因不同設計需求而定。並且，第二出光面124b與第一出光面124a佔據出光面124的比例(或第二出光面124b與第一出光面124a的直徑)也可視需求而定。在本實施例中，第一出光面124a的直徑R124a例如相同於第二入光面122b的直徑R122b，但不限於此。此外，直徑R122b、R124a例如皆為10mm，而第二出光面124b的直徑R124b例如為25.3mm。
連接面126連接於第二入光面122b與第二出光面124b之間。在本實施例中，連接面126在垂直於光射出面S110的一參考平面R上的截線X為直線。由於第二出光面124b的直徑R124b大於第二入光面122b的直徑R122b，因此連接面126在平行於光射出面S110的一參考平面RR上的截面積AA由第二入光面122b往第二出光面124b的方向(即方向D1)漸增。
透過連接面126的斜面設計，傳遞至連接面126的光束因全反射原理會再被傳遞至出光面124，從而使發光元件110的出光角度能再次被收歛。連接面126與第二入光面122b在二次光學元件120內的夾角θ的設計可控制光束自第一出光面124a與第二出光面124b出光的比例。在本實施例中，連接面126與第二入光面122b在二次光學元件120內的夾角θ例如落在125度至145度的範圍內。此外，連接面126在方向D1上的厚度T126例如為9.5mm，而出光面124在方向D1上的厚度T124例如為1.05mm。
相較於側入式平板燈或傳統格柵燈，本實施例在出光效率相對高的直下式光源模組中設置二次光學元件120，以控制發光 元件110的出光場型，並消彌視野內的高輝度或是高輝度對比。是以，本實施例可改善眩光、使照度均勻化以及具有高出光效率。
圖5是圖1中的二次光學元件的第二種剖面示意圖。請參照圖5，本實施例的二次光學元件120A大致相同於圖2至圖4的二次光學元件120，且相同的元件以相同的標號表示，於此便不再贅述。主要差異在於，第一出光面124a’為朝入光面122凹陷的自由曲面，其中自由曲面的方程式及方程式中的各參數值可因不同設計需求而定。並且，第二出光面124b與第一出光面124a’的面積比例(或直徑)也可視需求而定。在本實施例中，第一出光面124a’的直徑R124a’(參見圖2及圖3)例如相同於第二入光面122b的直徑R122b，但不限於此。
綜上所述，本發明的上述實施例的二次光學元件藉由第一入光面及連接面的設計控制出光場型，以改善眩光，並藉由第二出光面的自由曲面設計實現照度均勻化。並且，上述二次光學元件可應用在高出光效率的架構(如直下式光源模組)中，從而達到改善眩光、使照度均勻化以及具有高出光效率的目的。
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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
110‧‧‧發光元件
120‧‧‧二次光學元件
122‧‧‧入光面
122a‧‧‧第一入光面
122b‧‧‧第二入光面
124‧‧‧出光面
124a‧‧‧第一出光面
124b‧‧‧第二出光面
126‧‧‧連接面
AA‧‧‧截面積
D1‧‧‧方向
H‧‧‧最大距離
O‧‧‧中心軸
R‧‧‧參考平面
RR‧‧‧參考平面
S110‧‧‧光射出面
T124、T126‧‧‧厚度
X‧‧‧截線
θ‧‧‧夾角

Claims (6)

  1. 一種二次光學元件，適於配置在一發光元件的上方，該二次光學元件包括一入光面、一出光面以及一連接面，其中該入光面包括一第一入光面以及一第二入光面，該第二入光面環繞該第一入光面，且該第一入光面為一朝該出光面凹陷的曲面，該出光面與該入光面相對且包括一第一出光面以及一第二出光面，該第二出光面環繞該第一出光面，該第一出光面為一平面或一朝該入光面凹陷的自由曲面，而該第二出光面為一自由曲面，該第二出光面的直徑大於該第二入光面的直徑，且該連接面連接於該第二入光面與該第二出光面之間，其中該連接面與該第二入光面在該二次光學元件內的夾角落在125度至145度的範圍內，其中該第一入光面為一圓弧面，該發光元件具有一光射出面，該光射出面位於該第一入光面的下方，且該光射出面與該第一入光面在垂直於該光射出面的一方向上的最大距離小於該第一入光面的曲率半徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的二次光學元件，其中該第一入光面、該第二入光面、該第一出光面以及該第二出光面共用同一中心軸。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的二次光學元件，其中該第一入光面的直徑大於該光射出面的寬度。
  4. 一種光源模組，包括：多個發光元件；以及 多個二次光學元件，其中各該二次光學元件配置在其中一發光元件的上方且包括一入光面、一出光面以及一連接面，其中該入光面包括一第一入光面以及一第二入光面，該第二入光面環繞該第一入光面，且該第一入光面為一朝該出光面凹陷的曲面，該出光面與該入光面相對且包括一第一出光面以及一第二出光面，該第二出光面環繞該第一出光面，該第一出光面為一平面或一朝該入光面凹陷的自由曲面，而該第二出光面為一自由曲面，該第二出光面的直徑大於該第二入光面的直徑，且該連接面連接於該第二入光面與該第二出光面之間，其中該連接面與該第二入光面在該二次光學元件內的夾角落在125度至145度的範圍內，其中該第一入光面為一圓弧面，該發光元件具有一光射出面，該光射出面位於該第一入光面的下方，且該光射出面與該第一入光面在垂直於該光射出面的一方向上的最大距離小於該第一入光面的曲率半徑。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的光源模組，其中該第一入光面、該第二入光面、該第一出光面以及該第二出光面共用同一中心軸。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的光源模組，其中該第一入光面的直徑大於該光射出面的寬度。
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