TWI579605B - 導光元件與應用此導光元件之光源裝置 - Google Patents
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- G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
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Description
本發明是有關於一種導光元件與應用此導光元件之光源裝置，特別是有關於一種可均勻化光線之導光元件與應用此導光元件之光源裝置。
光源裝置在人類的生活中扮演了重要的角色，舉凡各種建築物、交通工具或是裝飾品，皆可見到其應用。對於人類而言，光源裝置已不僅是一種提供照明的工具而已，光源裝置對於人類的生活具有強大的影響力。
目前常見的光源裝置包含有白熾燈、螢光燈和發光二極體(LED)燈等等...。傳統的白熾燈係將鎢絲通電，以產生高熱發光來進行照明。然而這種發光方式非常耗電，使得白熾燈漸漸被螢光燈所取代。
螢光燈係利用施加高電壓於電極上來發射電子，使得電子撞擊水銀蒸氣之原子，產生電離和激發現象。當水銀蒸氣原子從激發狀態回到原始狀態時，會發出波長為253.7奈米(nm)之電磁波，此波長屬於人眼不可見光之範圍。因此，再
利用各種不同之螢光物質來吸收此電磁波並將其轉換為可見光，即可使螢光燈發出各種不同的顏色。
雖然螢光燈具有比白熾燈更好的發光效率，但由
於內含汞蒸氣，在提倡環保節能的現代社會中，人們仍極思開發新的省電及符合環保需求的發光裝置來取代螢光燈，也因此，發光二極體照明模組被開發出來，並被人們寄予厚望。發光二極體在一適當的順向偏壓下，電子、電洞會被分別注入N、P兩端，接著電洞電子便會在P/N界面區域結合而使得發光二極體發光。此係因電子由高能量狀態掉回低能量狀態與電洞結合，將能量以光的形式釋放出來。
發光二極體具有比螢光燈更好的發光效率，因此
在節能方面的表現也超越螢光燈。然而，由於發光二極體的光線具有很高的方向性，因此應用發光二極體之光源裝置的光均勻性通常很差。
因此，需要一種新的導光元件與應用此導光元件
之光源裝置，以提供較均勻之光線。
本發明之一方面是在提供於一種導光元件與應用此導光元件之光源裝置。此導光元件具有錐狀鏤空部，此錐狀鏤空部可均勻發光二極體之光線，以使應用此導光元件之光源裝置提供較高均勻度之光線。
根據本發明之一實施例，此導光元件包含主體。主體具有上光學表面、下光學表面以及剖面錐狀鏤空部。下光學表面係相對於上光學表面。剖面錐狀鏤空部係位
於下光學表面且用以接收外部光線。上光學表面和下光學表面之至少一者具有第一微結構圖案。第一微結構圖案包含複數個高密度區域和複數個低密度區域，高密度區域和低密度區域交替設置，且高密度區域之微結構的密度高於低密度區域之微結構的密度。
根據本發明之另一實施例，此光源裝置包含導
光元件和光源。此導光元件包含主體。上光學表面、下光學表面以及剖面錐狀鏤空部。下光學表面係相對於上光學表面。剖面錐狀鏤空部係位於下光學表面且用以接收外部光線。光源係設置來透過剖面錐狀鏤空部來發射光線至主體內。上光學表面和下光學表面之至少一者具有第一微結構圖案。第一微結構圖案包含複數個高密度區域和複數個低密度區域。根據剖面錐狀鏤空部之表面斜率，低密度區域中最靠近剖面錐狀鏤空部之一者越接近光源。
根據本發明之再一實施例，此導光元件包含主
體。主體具有上光學表面、下光學表面以及剖面錐狀鏤空部。下光學表面係相對於上光學表面。剖面錐狀鏤空部係位於下光學表面且用以接收外部光線。上光學表面和下光學表面之至少一者描繪出具有不同密度之複數個區域之微結構圖案，此微結構圖案從剖面錐狀鏤空部向外放射分佈。
由上述說明可知，本發明實施例之導光元件係
利用錐狀鏤空部來折射及擴散光線，以將發光二極體之光線均勻地射出，如此應用此導光元件之光源裝置亦可提供較均勻之光線。
100、200、300、400、500、600‧‧‧光源裝置
110、210、310、410、510、610‧‧‧導光元件
112、412、512、612‧‧‧側面
114‧‧‧出光面
116‧‧‧底面
118、418、518、618‧‧‧側面
120‧‧‧發光二極體
120a‧‧‧出光面
414、514、614‧‧‧上光學表面
416、516、616‧‧‧下光學表面
BH1~BH3‧‧‧底端部
C1‧‧‧曲線
C2‧‧‧曲線
H1~H3‧‧‧錐狀鏤空部
L‧‧‧連線
MP‧‧‧微結構圖案
MPL‧‧‧低密度區域
MPH‧‧‧高密度區域
P‧‧‧目標點
Q‧‧‧底端部中心點
r1、r2‧‧‧直徑
TH1~TH3‧‧‧頂端部
θ‧‧‧頂角
α‧‧‧夾角
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，上文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：圖1係繪示根據本發明實施例之光源裝置的垂直剖面結構示意圖。
圖1a係繪示根據本發明實施例之錐狀鏤空部之剖面結構示意圖。
圖1b係繪示根據本發明實施例之發光二極體光線在導光元件中的路徑。
圖2係繪示根據本發明實施例之光源裝置的垂直剖面結構示意圖。
第2a圖係繪示根據本發明實施例之錐狀鏤空部之立體結構示意圖。
圖3係繪示根據本發明實施例之光源裝置的垂直剖面結構示意圖。
圖3a係繪示根據本發明實施例之錐狀鏤空部之剖面結構示意圖。
圖4a係繪示根據本發明實施例之光源裝置的俯視結構示意圖。
圖4b係繪示根據本發明實施例之光源裝置的垂直剖面結構示意圖。
圖4c係繪示根據本發明實施例之發光二極體之光線路徑與微結構區域之間的關係示意圖。
圖4d係繪示根據本發明實施例之發光二極體之光線路徑與微結構區域之間的關係示意圖。
圖4e係繪示根據本發明實施例之光源裝置的俯視結構示意圖。
圖4f係繪示根據本發明實施例之發光二極體之光線路徑與微結構區域之間的關係示意圖。
圖4g係繪示根據本發明實施例之發光二極體之光線路徑與微結構區域之間的關係示意圖。
圖5a係繪示根據本發明實施例之光源裝置之導光元件的仰視結構示意圖。
圖5b係繪示根據本發明實施例之光源裝置的垂直剖面結構示意圖。
圖5c係繪示根據本發明實施例之發光二極體之光線路徑與微結構區域之間的關係示意圖。
圖5d係繪示根據本發明實施例之發光二極體之光線路徑與微結構區域之間的關係示意圖。
圖5e係繪示根據本發明實施例之發光二極體之光線路徑與微結構區域之間的關係示意圖。
圖6a係繪示根據本發明實施例之光源裝置的俯視結構示意圖。
圖6b係繪示根據本發明實施例之光源裝置之導光元件的垂直剖面結構示意圖。
圖6c係繪示根據本發明實施例之發光二極體之光線路徑與微結構區域之間的關係示意圖。
請同時參照圖1和圖1a，圖1係繪示根據本發明實施例之光源裝置100的垂直剖面結構示意圖，圖1a係繪示根據本發明實施例之錐狀鏤空部H1之剖面結構示意圖。光源裝置100包含導光元件110與發光二極體120。本實施例之光源裝置100係使用發光二極體120來作為發光源，但本發明之實施例並不受限於此。發光二極體120具有發光面120a，以藉由發光面120a射出光線至導光元件110。
導光元件110之主體具有出光面114、底面116以及側面112、118，其中側面112、118係位於出光面114和底面116之間，底面116係相對於出光面114。在本實施例中，出光面114具有微結構，以使導光元件110內的光線從出光面114射出，但本發明之實施例並不受限於此。在本發明其他實施例中，底面116也可具有微結構來使導光元件100內的光線從底面116射出，以提供兩個照明方向。另外，雖然本實施例之導光元件110具有兩個側面，但本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，導光元件可僅具有一個側面，例如圓形導光元件。
導光元件主體具有錐狀鏤空部H1，此錐狀鏤空部H1具有底端部BH1和頂端部TH1。底端部BH1係位於
導光元件110之底面116，而頂端部TH1則靠近導光元件110之出光面114，並相對於底端部BH1。錐狀鏤空部H1之頂端部TH1具有直徑r1，而底端部BH1具有直徑r2，其中r2大於r1，意即頂端部TH1之鏤空部份的水平截面積係小於底端部BH1之鏤空部份的水平截面積。在本實施例中，錐狀鏤空部H1之側壁之剖面形狀為曲線C1，且此曲線C1係由複數條直線CL1和CL2所構成，其中直線CL1和CL2之斜率可為漸增、漸減或任意排列。另外，錐狀鏤空部H1之頂角θ(角錐張開的角度)係介於20度至65度之間。
發光二極體120係鄰設於錐狀鏤空部H1之底
端部BH1，以透過底端部BH1來發射光線至錐狀鏤空部H1內。請參照圖1b，其係繪示根據本發明實施例之發光二極體光線在導光元件中的路徑，其中虛線代表發光二極體光線在導光元件110內的路徑。從圖1b可了解，當發光二極體120之光線進入錐狀鏤空部H1後，發光二極體120之光線可透過錐狀鏤空部H1之側壁以不同角度進入導光元件中，如此可使發光二極體120之光線均勻地從導光元件110之出光面114發射至外部。
由上述說明可知，本發明實施例之導光元件110係利用錐狀鏤空部H1來均勻化發光二極體之光線，如此本發明實施例之光源裝置100即可提供均勻的光線。
請同時參照圖2和第2a圖，圖2係繪示根據本發明實施例之光源裝置200的垂直剖面結構示意圖，第2a
圖係繪示根據本發明實施例之錐狀鏤空部H2之立體結構示意圖。光源裝置200包含導光元件210與發光二極體120。導光元件210係類似於導光元件110，但不同之處在於導光元件210具有錐狀鏤空部H2。
此錐狀鏤空部H2具有底端部BH2和頂端部TH2。底端部BH2係位於導光元件210之底面116，而頂端部TH2則靠近導光元件210之出光面114，並相對於底端部BH2。錐狀鏤空部H2之頂端部TH2具有直徑r1，而底端部BH2具有直徑r2，其中r2大於r1，意即頂端部TH2之鏤空部份的水平截面積係小於頂端部TH2之鏤空部份的水平截面積。
在本實施例中，錐狀鏤空部H2為多邊形圓錐狀，但本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，錐狀鏤空部可為多邊形圓錐狀，且其側壁之剖面形狀可為曲線或直線C1。另外，錐狀鏤空部H2亦具有頂角θ。另外，底端部BH1跟頂端部TH1的橫截面形狀可相同或不相同。
發光二極體120係鄰設於錐狀鏤空部H2之BH2，以透過底端部來發射BH2光線至錐狀鏤空部H2內。當發光二極體120之光線進入錐狀鏤空部H2後，發光二極體120之光線可透過錐狀鏤空部H2之側壁以不同角度進入導光元件中，如此可使發光二極體120之光線均勻地從導光元件110之出光面114發射至外部。
由上述說明可知，本發明實施例之導光元件210係利用錐狀鏤空部H2來均勻化發光二極體之光線，如此本發明實施例之光源裝置200即可提供均勻的光線。
請參照圖3，其係繪示根據本發明實施例之光源裝置300的垂直剖面結構示意圖。光源裝置300包含導光元件310與發光二極體120。導光元件310係類似於導光元件110，但不同之處在於導光元件310具有錐狀鏤空部H3。
此錐狀鏤空部H3具有底端部BH3和頂端部TH3。底端部BH3係位於導光元件310之底面116，而頂端部TH3則靠近導光元件310之出光面114，並相對於底端部BH3。錐狀鏤空部H3之頂端部TH3具有直徑r1，而底端部BH3具有直徑r2，其中r2大於r1，意即頂端部BH3之鏤空部份的水平截面積係小於頂端部TH3之鏤空部份的水平截面積。
請參照圖3a，其係繪示根據本發明實施例之錐狀鏤空部H3之剖面結構示意圖。在本實施例中，錐狀鏤空部H3之側壁之剖面形狀為曲線C2。曲線C2上之目標點P與底端部BH3中心點Q係形成直線L。直線L與底端部BH3之間距有夾角α。當夾角α的角度增加時，目標點P所對應的切線斜率也會隨之增加。意即，曲線C2上之目標點P的斜率係隨著目標點P高度增加而隨著增加，進而形成如圖3a之曲線C2的形狀。
發光二極體120係鄰設於錐狀鏤空部H3之BH3，以透過底端部來發射BH3光線至錐狀鏤空部H3內。當發光二極體120之光線進入錐狀鏤空部H3後，發光二極體120之光線可透過錐狀鏤空部H3之側壁以不同角度進入導光元件中，如此可使發光二極體120之光線均勻地從導光元件310之出光面114發射至外部。
由上述說明可知，本發明實施例之導光元件310係利用錐狀鏤空部H3來均勻化發光二極體之光線，如此本發明實施例之光源裝置300即可提供均勻的光線。
請參照圖4a和圖4b，圖4a係繪示根據本發明實施例之光源裝置400的俯視結構示意圖，圖4b係繪示根據本發明實施例之光源裝置400的垂直剖面結構示意圖。光源裝置400係類似於光源裝置100，但不同之處在於光源裝置400包含導光元件410。導光元件410係類似於導光元件110。導光元件410之主體具有上光學表面414、下光學表面416、側面412、418以及錐狀鏤空部H1。側面412與418係位於上光學表面414與下光學表面416之間，且下光學表面416與上光學表面414彼此相對。
微結構圖案MP形成於上光學表面414上，以使導光元件410內的光線射出導光元件410外。如圖4a所示，微結構圖案MP包含複數個微結構，這些微結構包含高密度區域MPH以及低密度區域MPL。高密度區域MPH與低密度區域MPL係交替設置來形成同心圓。同心圓的中心係位於錐狀鏤空部H1的頂端部TH1上方。高密度區域MPH
具有較高密度之微結構，而低密度區域MPL具有較低密度之微結構。
請參照圖4c，圖4c係繪示發光二極體120之
光線路徑與區域MPH和MPL之間的關係示意圖。低密度區域MPL係對應高強度光線所射出之區域來形成，而高密度區域MPH係形成於毎兩相鄰之低密度區域MPL之間，藉此可達到光源裝置400的光線均勻化效果。再者，區域MPH和MPL的位置係根據錐狀鏤空部H1之表面的斜率來變化。如圖4d所示，圖4d之錐狀鏤空部H1的表面斜率不同於圖4c之錐狀鏤空部H1的表面斜率，因此圖4d之區域MPH和MPL的位置不同於圖4c之區域MPH和MPL的位置。具體而言，對應具有較低斜率之錐狀鏤空部H1的表面，最靠近剖面錐狀鏤空部H1之低密度區域MPL會較為靠近光源120。
回到圖4a，在此實施例中，區域MPH和MPL
中的微結構被設計具有相同的尺寸，但高密度區域MPH之微結構之間的間距小於低密度區域MPL之微結構之間的間距，藉此來形成微結構圖案MP。然而，本發明之實施例並不受限於此。在其他實施例中，區域MPH和MPL中的微結構可被設計具有不同的尺寸，以形成如圖4e所示之微結構圖案MP。
值得注意的是，在本發明其他實施例中，下光
學表面416可具有另一微結構圖案。例如，如圖4f所示，具有平均密度分佈之微結構圖案係形成於下光學表面416
上。在圖4f中，此微結構圖案的所有微結構區域MPA具有相同的密度。又例如，如圖4g所示，具有漸增密度分佈之微結構圖案係形成於下光學表面416上。在圖4g中，此微結構圖案之每一微結構區域MPB之密度係隨著錐狀鏤空部H1與每一微結構區域MPB間之距離增加而增加。
另外，因為漏光現象可能發生在錐狀鏤空部H1
的頂端部TH1，形成於頂端部TH1上方之微結構的密度係根據頂端部TH1的漏光強度來決定。
請參照圖5a和圖5b，圖5a係繪示根據本發明
實施例之光源裝置500之導光元件510的仰視結構示意圖，圖5b係繪示根據本發明實施例之光源裝置500的垂直剖面結構示意圖。光源裝置500係類似於光源裝置400，但不同之處在於光源裝置500包含具有微結構圖案MP之導光元件510。導光元件510係類似於導光元件410。導光元件510之主體具有上光學表面514、下光學表面516、側面512、518以及錐狀鏤空部H1。側面512與518係位於上光學表面514與下光學表面516之間，且下光學表面516與上光學表面514彼此相對。
請參照圖5c，圖5c係繪示發光二極體120之
光線路徑與區域MPH和MPL之間的關係示意圖。如圖5c所示，低密度區域MPL係對應高強度光線所射出之區域來形成，而高密度區域MPH係形成於毎兩相鄰之低密度區域MPL之間，藉此可達到光源裝置500的光線均勻化效果。
由於微結構圖案MP係形成於下光學表面516，錐狀鏤空部H1之頂端部TH1的漏光並未被考慮。
值得注意的是，在本發明其他實施例中，上光
學表面514可具有另一微結構圖案。例如，如圖5d所示，具有平均密度分佈之微結構圖案係形成於上光學表面514上。在圖5d中，此微結構圖案的所有微結構區域MPC具有相同的密度。又例如，如圖5e所示，具有漸增密度分佈之微結構圖案係形成於上光學表面514上。在圖5e中，此微結構圖案之每一微結構區域MPD之密度係隨著錐狀鏤空部H1與每一微結構區域MPD間之距離增加而增加。
請參照圖6a與圖6b，圖6a係繪示根據本發明
實施例之光源裝置600的俯視結構示意圖，圖6b係繪示根據本發明實施例之光源裝置600之導光元件610的垂直剖面結構示意圖。光源裝置600係類似於光源裝置400，但不同之處在於光源裝置600包含具有兩微結構圖案MP之導光元件610，其中此兩微結構圖案MP係形成於相對之表面。導光元件610係類似於導光元件410。導光元件610之主體具有上光學表面614、下光學表面616、側面612、618以及錐狀鏤空部H1。側面612與618係位於上光學表面614與下光學表面616之間，且下光學表面616與上光學表面614彼此相對。在本實施例中，兩微結構圖案MP係分別形成於光學表面614與下光學表面616上，以使光源裝置600可同時往上和往下發出光線。
請參照圖6c，圖6c係繪示發光二極體120之
光線路徑與區域MPH和MPL之間的關係示意圖。如圖6c所示，上光學表面614之高密度區域MPH係相對於下光學表面616之低密度區域MPL來形成，而上光學表面614之低密度區域MPL係相對於下光學表面616之高密度區域MPH來形成。換句話說，上光學表面614和下光學表面616之至少一者係描繪了從錐狀鏤空部H1向外放射分佈之不同密度的微結構圖案。高密度區域MPH和低密度區域MPL的排列達到光源裝置600在上光學表面614和下光學表面616上的光線均勻化效果。
由上述說明可知微結構圖案MP係用來改善錐
狀鏤空部H1所造成的光線分佈。另外，微結構圖案MP可形成於光源裝置之導光元件的兩相對表面，以使光源裝置可同時往上和往下發出光線。
雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，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。
400‧‧‧光源裝置
414‧‧‧上光學表面
MP‧‧‧微結構圖案
MPL‧‧‧低密度區域
MPH‧‧‧高密度區域
Claims (13)
- 一種導光元件，包含：一主體，具有：一上光學表面；一下光學表面，相對於該上光學表面；以及一剖面錐狀鏤空部，位於該下光學表面且用以接收外部光線；其中該上光學表面和該下光學表面之至少一者具有一第一微結構圖案，該第一微結構圖案包含複數個高密度區域和複數個低密度區域，該些高密度區域和該些低密度區域交替設置，且該些高密度區域之微結構的密度高於該些低密度區域之微結構的密度；其中該剖面錐狀鏤空部包含：一底端部，位於該主體之該下光學表面，且具有一第一鏤空截面積；以及一頂端部，相對於該底端部，且具有一第二鏤空截面積，其中該第二鏤空截面積係小於該第一鏤空截面積，且由該些高密度區域和該些低密度區域所形成之一同心圓之圓心係位於該頂端部上。
- 如請求項第1項所述之導光元件，其中該些高密度區域和該些低密度區域之微結構具有相同之尺寸，而該些高密度區域之微結構間的間距小於該些低密度區域之微結構間的間距。
- 如請求項第1項所述之導光元件，其中該些高密度區域之微結構的尺寸不同於該些低密度區域之微結構的尺寸。
- 如請求項第1項所述之導光元件，其中該上光學表面和該下光學表面中不具有該第一微結構圖案之另一者具有一第二微結構圖案，該第二微結構圖案包含複數個高密度區域和複數個低密度區域，該第二微結構圖案之該些高密度區域相對於該第一微結構圖案之該些低密度區域，該第二微結構圖案之該些低密度區域相對於該第一微結構圖案之該些高密度區域。
- 如請求項第1項所述之導光元件，其中該上光學表面和該下光學表面中不具有該第一微結構圖案之另一者具有一第二微結構圖案，該第二微結構圖案包含複數個微結構區域，該些微結構區域具有均勻密度分佈。
- 如請求項第1項所述之導光元件，其中該上光學表面和該下光學表面中不具有該第一微結構圖案之另一者具有一第二微結構圖案，該第二微結構圖案包含複數個微結構區域，每一該些微結構區域之密度隨著該剖面錐狀鏤空部與每一該些微結構區域間之距離增加而增加。
- 一種光源裝置，包含： 一如請求項1-6中任一項所述的導光元件；以及一光源，設置來透過該剖面錐狀鏤空部來發射一光線至該主體內。
- 一種光源裝置，包含：一導光元件，包含：一主體，具有：一上光學表面；一下光學表面，相對於該上光學表面；以及一剖面錐狀鏤空部，位於該下光學表面且用以接收外部光線；以及一光源，設置來透過該剖面錐狀鏤空部來發射一光線至該主體內；其中，該上光學表面和該下光學表面之至少一者具有一第一微結構案，該第一微結構圖案包含複數個高密度區域和複數個低密度區域；以及其中，該些低密度區域中最靠近該剖面錐狀鏤空部之一者與該剖面錐狀鏤空部之間的距離係預設為隨著該剖面錐狀鏤空部之一表面之一預設斜率的絕對值的降低而縮短。
- 如請求項第8項所述之光源裝置，其中該剖面錐狀鏤空部包含：一底端部，位於該主體之該下光學表面，且具有一第一鏤空截面積；以及 一頂端部，相對於該底端部，且具有一第二鏤空截面積，其中該第二鏤空截面積係小於該第一鏤空截面積，且由該些高密度區域和該些低密度區域所形成之一同心圓之圓心係位於該頂端部上。
- 如請求項第8項所述之光源裝置，其中該些高密度區域和該些低密度區域之微結構具有相同之尺寸，而該些高密度區域之微結構間的間距小於該些低密度區域之微結構間的間距。
- 如請求項第8項所述之光源裝置，其中該些高密度區域之微結構的尺寸不同於該些低密度區域之微結構的尺寸。
- 如請求項第8項所述之光源裝置，其中該上光學表面和該下光學表面中不具有該第一微結構圖案之另一者具有一第二微結構圖案，該第二微結構圖案包含複數個高密度區域和複數個低密度區域，該第二微結構圖案之該些高密度區域相對於該第一微結構圖案之該些低密度區域，該第二微結構圖案之該些低密度區域相對於該第一微結構圖案之該些高密度區域。
- 如請求項第8項所述之光源裝置，其中該上光學表面和該下光學表面中不具有該第一微結構圖案 之另一者具有一第二微結構圖案，該第二微結構圖案包含複數個微結構區域，該些微結構區域具有均勻密度分佈。
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