TWI583031B - 光源模組與透鏡 - Google Patents

Description

光源模組與透鏡

本發明是有關於一種光源模組與透鏡。

隨著光電技術的演進，各種不同的發光機制不斷地被研發出來，其中發光二極體（light-emitting diode, LED）在近年來更有逐漸取代傳統白熾燈泡與螢光燈管的趨勢。

由於發光二極體所發出的光具有朗伯光型，其特性為光會過於集中在光軸附近，所以一般使用透鏡使光能被擴散。在現有技術中，光源放置在透鏡開口處的下方，一部分的光線會進入開口，以形成發散的折射光線，另一部分的光會從開口旁的平坦底部入射，經過折射後，在被照射面（例如液晶顯示面板）上對應於透鏡的位置產生一環亮圈。如此，將使光源模組所提供的光源有不均勻的現象。

美國專利第7798679號提供一種發光元件，美國專利公開第2014/0117394號提出一透鏡鏡與發光模組，美國專利第8992053號提出一種照明透鏡，而美國專利公開第2015/0055347號提出一透鏡鏡與發光模組。

本發明提供一種光源模組，其能夠提供較為均勻的照明。

本發明提供一種透鏡，其能夠均勻地導引光線。

本發明的一實施例的光源模組包括一透鏡及一發光元件。透鏡包括一入光凹槽、一出光曲面及一高度單調遞增表面。出光曲面相對於入光凹槽，而高度單調遞增表面具有連接於入光凹槽的一第一端與靠近出光曲面的一第二端。當以透鏡的光軸定義為z座標軸，且以入光凹槽的凹陷方向為z座標軸的正方向時，高度單調遞增表面的z座標從第一端至第二端呈現單調遞增。發光元件配置於入光凹槽的一側，其中第二端的z座標與發光元件之靠近透鏡的頂部的z座標的差值除以透鏡的半徑所得到的比值是落在-0.1至0.1的範圍內。

本發明的一實施例的透鏡包括一入光凹槽、一出光曲面、一高度單調遞增表面及一環狀平面。出光曲面相對於入光凹槽，而高度單調遞增表面具有連接於入光凹槽的一第一端與靠近出光曲面的一第二端。當以透鏡的光軸定義為z座標軸，且以入光凹槽的凹陷方向為z座標軸的正方向時，高度單調遞增表面的z座標從第一端至第二端呈現單調遞增。環狀平面連接於高度單調遞增表面與出光曲面之間。

在本發明的一實施例中，入光凹槽具有位於光軸上的一底面及連接於底面與高度單調遞增表面之間的的彎曲側面。

在本發明的一實施例中，入光凹槽更具有連接於彎曲側面與高度單調遞增表面之間的一環狀表面，環狀表面實質上平行於光軸，且環狀表面與彎曲側面的連接處的z座標與發光元件之靠近透鏡的頂部的z座標的差值除以透鏡的半徑所得到的比值是落在-0.1至0.1的範圍內。

在本發明的一實施例中，當發光元件所發出的入射至入光凹槽的光的行進方向與光軸的夾角θ1是落在0度至5度的範圍內時，入光凹槽將光折射後的行進方向與光軸的夾角θ1’與夾角θ1的比值小於1。

在本發明的一實施例中，高度單調遞增表面為相對於光軸傾斜的環狀傾斜面。

在本發明的一實施例中，高度單調遞增表面為粗糙表面。

在本發明的一實施例中，高度單調遞增表面為一環狀階梯表面，其包括多個實質上垂直於光軸的環狀水平面與多個實質上平行於光軸的環狀鉛直面，且這些環狀水平面與這些環狀鉛直面從第一端往第二端交替配置。

在本發明的一實施例中，環狀鉛直面在平行於光軸的方向上的寬度與環狀水平面在透鏡的徑向上的寬度的比值是落在從0.01至0.3的範圍內。

在本發明的一實施例中，出光曲面在光軸處形成一錐形凹陷。

在本發明的一實施例中，透鏡更包括一環狀平面及一環狀側壁面。環狀平面連接於高度單調遞增表面與出光曲面之間。環狀側壁面連接環狀平面與出光曲面。

在本發明的一實施例中，部分發光元件所發出的光在通過入光凹槽後，被高度單調遞增表面往遠離光軸的方向反射。

在本發明的實施例的光源模組與透鏡中，由於透鏡具有高度單調遞增表面，可以將部分發光元件所發出的光反射至遠離透鏡的光軸的方向，因此可以有效避免透鏡上方的亮圈的產生。如此一來，透鏡變能夠較為均勻地導引發光元件所發出的光，而使光源模組能夠提供較為均勻的照明。

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。

圖1A為本發明的一實施例的光源模組的剖面示意圖，而圖1B為圖1A中的透鏡的下視圖，其中圖1A所繪示的透鏡剖面為沿著圖1B的I-I線的剖面。請參照圖1A與圖1B，本實施例的光源模組100包括一透鏡200及一發光元件110。透鏡200包括一入光凹槽210、一出光曲面220及一高度單調遞增表面230。出光曲面220相對於入光凹槽210，而高度單調遞增表面230具有連接於入光凹槽210的一第一端E1與靠近出光曲面220的一第二端E2。當以透鏡200的光軸A定義為z座標軸，且以入光凹槽210的凹陷方向為z座標軸的正方向時，高度單調遞增表面230的z座標從第一端E1至第二端E2呈現單調遞增，其中此處的「單調遞增」即為數學上的「單調遞增」，其包含從第一端E1至第二端E2為嚴格遞增（即只有遞增的行為）的可能性，或包括從第一端E1至第二端E2有部分是不遞增也不遞減，而另一部分是嚴格遞增的可能性。在圖1A中，高度單調遞增表面230的z座標從第一端E1至第二端E2即呈現嚴格遞增。在本實施例中，高度單調遞增表面230為相對於光軸傾斜的環狀傾斜面。此外，在本實施例中，高度單調遞增表面230為粗糙表面，而其所謂的「高度單調遞增」是考慮了高度單調遞增表面230的巨觀行為，而不考慮粗糙表面在微觀上所呈現的不規則行為。在本實施例中，此粗糙表面例如為一利用射出成型法製作而成的噴沙面。然而，在其他實施例中，高度單調遞增表面230亦可以是一光滑表面。在本實施例中，透鏡200的材質例如為呈現透明的塑膠或玻璃。

發光元件110配置於入光凹槽210的一側，其中第二端E2的z座標與發光元件110之靠近透鏡200的頂部112的z座標的差值除以透鏡200的半徑L所得到的比值是落在-0.1至0.1的範圍內。在本實施例中，發光元件110例如為發光二極體，而發光元件110的頂部112例如為發光二極體的封膠的頂部。

在本實施例中，入光凹槽210具有位於光軸A上的一底面212及連接於底面212與高度單調遞增表面230之間的的彎曲側面214。在本實施例中，底面212為一平面。然而，在其他實施例中，底面212可以是一凹面或一凸面。在本實施例中，當發光元件110所發出的入射至入光凹槽210的光B1的行進方向與光軸A的夾角θ1是落在0度至5度的範圍內時（例如是落在底面212的範圍內時），入光凹槽210將光折射後的行進方向與光軸A的夾角θ1’與夾角θ1的比值小於1。

此外，在本實施例中，入光凹槽210更具有連接於彎曲側面214與高度單調遞增表面230之間的一環狀表面216。環狀表面216實質上平行於光軸A，且環狀表面216與彎曲側面214的連接處E3的z座標與發光元件110之靠近透鏡200的頂部112的z座標的差值除以透鏡200的半徑L所得到的比值是落在-0.1至0.1的範圍內。

在本實施例中，出光曲面220在光軸A處形成一錐形凹陷222。此外，在本實施例中，透鏡200更包括一環狀平面240及一環狀側壁面250。環狀平面240連接於高度單調遞增表面230與出光曲面220之間，而環狀側壁面250連接環狀平面240與出光曲面220。在另一實施例中，透鏡200亦可不具有環狀平面240，而高度單調遞增表面230的第二端E2直接連接環狀側壁面250。

在本實施例中，發光元件110所發出的部分的光B1先被底面212折射，然後再被出光曲面220往遠離光軸A的方向偏折。底面212對光B1的效果是聚光、發散光或使光B1平行於光軸A，端看底面212是採用凹面、凸面或平面及其彎曲的程度而定。

發光元件110所發出的部分的光B2會被彎曲側面214往遠離光軸A的方向折射，然後再被出光曲面220往遠離光軸A的方向折射。

在本實施例中，發光元件110可配置於一承載板120上，而承載板120之朝向透鏡200的表面122可設有反射層或反射片，以形成反射面。在本實施例中，發光元件110所發出的部分的光B3先被彎曲側面214往遠離光軸A的方向折射，然後被出光曲面220部分反射至環狀平面240。接著，光B3在穿透環狀平面240後被表面122（即反射面）反射回透鏡200，以達到光的再利用。

部分發光元件110所發出的光B4在通過入光凹槽210後，被高度單調遞增表面230往遠離光軸A的方向反射。在本實施例中，部分發光元件110所發出的光B4（即從發光元件110所發出的側向光）先通過環狀表面216後，被高度單調遞增表面230往遠離光軸A的方向反射，例如是反射至環狀側壁面250，而後由環狀側壁面250出射。在另一實施例中，若高度單調遞增表面230為光滑表面，則高度單調遞增表面230可將來自環狀表面216的光B4往遠離光軸A的方向全反射。

在本實施例的光源模組100與透鏡200中，由於透鏡200具有高度單調遞增表面230，可以將部分發光元件110所發出的光B4反射至遠離透鏡200的光軸A的方向。亦即，這樣的設置可使近軸光線導引至透鏡200外側，減少近軸處光線集中，因此可以有效避免透鏡200上方的亮圈的產生。如此一來，透鏡200變能夠較為均勻地導引發光元件110所發出的光，而使光源模組100能夠提供較為均勻的照明。經由上述設置，例如可進一步擴大光源模組100所提供的光的發散角達約150度。此外，經由上述配置，可使發光元件110盡量配置於入光凹槽210內，以減少光源模組100的整體高度。

在本實施例中，入光凹槽210、高度單調遞增表面230、環狀平面240、環狀側壁面250及出光曲面220例如是相對於光軸A為軸對稱，但本發明不以此為限。在本實施例中，在環狀平面240上亦可設有支撐腳260，其可抵靠承載板120，以使透鏡200達到穩固的定位。在另一實施例中，彎曲側面214亦可直接連接至高度單調遞增表面230的第一端E1，也就是入光凹槽210亦可不具有環狀表面216。

圖2為本發明之另一實施例之光源模組的剖面示意圖。請參照圖2，本實施例之光源模組100a與圖1A之光源模組100類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例之光源模組100a的透鏡200a中，高度單調遞增表面230a為一環狀階梯表面，其包括多個實質上垂直於光軸A的環狀水平面232a與多個實質上平行於光軸A的環狀鉛直面234a，且這些環狀水平面232a與這些環狀鉛直面234a從第一端E1往第二端E2交替配置。其中，環狀水平面232a即為z座標不遞增也不遞減的部分，而環狀鉛直面234a為z座標遞增的部分，因此高度單調遞增表面230a的z座標從第一端E1至第二端E2呈現單調遞增。

在本實施例中，環狀鉛直面234a在平行於光軸A的方向上的寬度W1與環狀水平面232a在透鏡200a的徑向上的寬度W2的比值是落在從0.01至0.3的範圍內。

在本實施例中，從環狀表面216入射的光B4會被環狀水平面232a往遠離光軸A的方向反射至表面122（即反射面），然後被表面反射122，以達到光的再利用。因此，高度單調遞增表面230a亦可有效防止透鏡200a上方的亮圈的產生。

在另一實施例中，彎曲側面214亦可直接連接至高度單調遞增表面230a的第一端E1，也就是入光凹槽210亦可不具有環狀表面216。

圖3為圖1A之光源模組的發光強度（luminous intensity）極座標分佈圖，而圖4為圖1A之光源模組的照度（illuminance）分佈圖。請先參照圖3與圖1A，在圖3中，圓周上的0度方向是指+z方向，而圓周上的180度方向是指-z方向，而徑向方向代表發光強度（luminous intensity）。從圖3可看出，光源模組100具有大發光角度。請再參照圖4，圖4的橫軸代表與z軸垂直的任意兩個彼此互相垂直的軸上的座標，而橫座標為0處為z軸通過之處，縱軸則為照度。從圖4可看出，光源模組100具有大的發光角度。

圖5為圖1A中的θ1與R1的關係曲線圖。請參照圖1A與圖5，其中θ1為從發光元件110所發出的光（例如光B1、B2、B3或B4）與光軸A的夾角，而R1為在某一θ1角時發光元件110至入光凹槽210的表面（例如底面212、彎曲側面214或環狀表面216）的距離。從圖5可知，隨著θ1從0度至90度，R1為先遞增後遞減。

圖6為圖1A中的θ1與θ2/θ1的關係曲線圖。請參照圖1A與圖5，其中θ1為從發光元件110所發出的光（例如光B1、B2、B3或B4）與光軸A的夾角，而θ2為在某一θ1角的光從出光曲面220出射的方向與光軸A的夾角。從圖6可知，當θ1從5度遞增至8度時，θ2/θ1（即θ2除以θ1）為遞增，而當θ1從大於8度處開始遞增時，θ2/θ1為遞減。

圖7為圖1A中的θ1與R2的關係曲線圖。請參照圖1A與圖7，其中θ1為從發光元件110所發出的光（例如光B1、B2、B3或B4）與光軸A的夾角，而R2為在某一θ1角時發光元件110至出光曲面220的距離。從圖7可知，隨著θ1從0度至90度，R2為遞增。然而，當θ1從0度至38度時，R2的每單位角度的遞增程度逐漸增加（即R2對θ1的一階導數逐漸增加）；然而，當θ1從38度至70幾度時，R2的每單位角度的遞增程度逐漸減少（即R2對θ1的一階導數逐漸減少）。換言之，θ1等於38度處為曲線的反曲點。

上述圖5至圖7所指出的參數值只是光源模組100的其中一個例子，而本發明不以此為限。

綜上所述，在本發明的實施例的光源模組與透鏡中，由於透鏡具有高度單調遞增表面，可以將部分發光元件所發出的光反射至遠離透鏡的光軸的方向，因此可以有效避免透鏡上方的亮圈的產生。如此一來，透鏡變能夠較為均勻地導引發光元件所發出的光，而使光源模組能夠提供較為均勻的照明。

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。

100、100a‧‧‧光源模組
110‧‧‧發光元件
112‧‧‧頂部
120‧‧‧承載板
122‧‧‧表面
200、200a‧‧‧透鏡
210‧‧‧入光凹槽
212‧‧‧底面
214‧‧‧彎曲側面
216‧‧‧環狀表面
220‧‧‧出光曲面
222‧‧‧錐形凹陷
230、230a‧‧‧高度單調遞增表面
232a‧‧‧環狀水平面
234a‧‧‧環狀鉛直面
240‧‧‧環狀平面
250‧‧‧環狀側壁面
A‧‧‧光軸
B1、B2、B3、B4‧‧‧光
E1‧‧‧第一端
E2‧‧‧第二端
E3‧‧‧連接處
L‧‧‧半徑
R1、R2‧‧‧距離
W1、W2‧‧‧寬度
z‧‧‧座標軸
θ1、θ1’、θ2‧‧‧夾角

圖1A為本發明的一實施例的光源模組的剖面示意圖。 圖1B為圖1A中的透鏡的下視圖。 圖2為本發明之另一實施例之光源模組的剖面示意圖。 圖3為圖1A之光源模組的發光強度極座標分佈圖。 圖4為圖1A之光源模組的照度分佈圖。 圖5為圖1A中的θ1與R1的關係曲線圖。 圖6為圖1A中的θ1與θ2/θ1的關係曲線圖。 圖7為圖1A中的θ1與R2的關係曲線圖。

100‧‧‧光源模組

110‧‧‧發光元件

112‧‧‧頂部

120‧‧‧承載板

122‧‧‧表面

200‧‧‧透鏡

210‧‧‧入光凹槽

212‧‧‧底面

214‧‧‧彎曲側面

216‧‧‧環狀表面

220‧‧‧出光曲面

222‧‧‧錐形凹陷

230‧‧‧高度單調遞增表面

240‧‧‧環狀平面

250‧‧‧環狀側壁面

A‧‧‧光軸

B1、B2、B3、B4‧‧‧光

E1‧‧‧第一端

E2‧‧‧第二端

E3‧‧‧連接處

L‧‧‧半徑

R1、R2‧‧‧距離

z‧‧‧座標軸

θ 1、θ 1’、θ 2‧‧‧夾角

Claims (13)

1. 一種光源模組，包括：一透鏡，包括：一入光凹槽；一出光曲面，相對於該入光凹槽；以及一高度單調遞增表面，具有連接於該入光凹槽的一第一端與靠近該出光曲面的一第二端，其中當以該透鏡的光軸定義為z座標軸，且以該入光凹槽的凹陷方向為z座標軸的正方向時，該高度單調遞增表面的z座標從該第一端至該第二端呈現單調遞增；以及一發光元件，配置於該入光凹槽的一側，其中該第二端的z座標與該發光元件之靠近該透鏡的頂部的z座標的差值除以該透鏡的半徑所得到的比值是落在-0.1至0.1的範圍內，當該發光元件所發出的入射至該入光凹槽的光的行進方向與該光軸的夾角θ 1是落在0度至5度的範圍內時，該入光凹槽將該光折射後的行進方向與該光軸的夾角θ 1’與該夾角θ 1的比值小於1。
2. 如申請專利範圍第1項所述的光源模組，其中該入光凹槽具有位於該光軸上的一底面及連接於該底面與該高度單調遞增表面之間的彎曲側面。
3. 如申請專利範圍第2項所述的光源模組，其中該入光凹槽更具有連接於該彎曲側面與該高度單調遞增表面之間的一環狀表面，該環狀表面實質上平行於該光軸，且該環狀表面與該彎曲 側面的連接處的z座標與該發光元件之靠近該透鏡的該頂部的z座標的差值除以該透鏡的半徑所得到的比值是落在-0.1至0.1的範圍內。
4. 如申請專利範圍第1項所述的光源模組，其中該高度單調遞增表面為相對於該光軸傾斜的環狀傾斜面。
5. 如申請專利範圍第4項所述的光源模組，其中該高度單調遞增表面為粗糙表面。
6. 如申請專利範圍第1項所述的光源模組，其中該高度單調遞增表面為一環狀階梯表面，其包括多個實質上垂直於該光軸的環狀水平面與多個實質上平行於該光軸的環狀鉛直面，且該些環狀水平面與該些環狀鉛直面從該第一端往該第二端交替配置。
7. 如申請專利範圍第6項所述的光源模組，其中該環狀鉛直面在平行於該光軸的方向上的寬度與該環狀水平面在該透鏡的徑向上的寬度的比值是落在從0.01至0.3的範圍內。
8. 如申請專利範圍第1項所述的光源模組，其中該出光曲面在該光軸處形成一錐形凹陷。
9. 如申請專利範圍第1項所述的光源模組，其中該透鏡更包括：一環狀平面，連接於該高度單調遞增表面與該出光曲面之間；以及一環狀側壁面，連接該環狀平面與該出光曲面。
10. 如申請專利範圍第1項所述的光源模組，其中部分該發光元件所發出的光在通過該入光凹槽後，被該高度單調遞增表面往遠離該光軸的方向反射。
11. 一種透鏡，包括：一入光凹槽；一出光曲面，相對於該入光凹槽；一高度單調遞增表面，具有連接於該入光凹槽的一第一端與靠近該出光曲面的一第二端，其中當以該透鏡的光軸定義為z座標軸，且以該入光凹槽的凹陷方向為z座標軸的正方向時，該高度單調遞增表面的z座標從該第一端至該第二端呈現單調遞增，其中該高度單調遞增表面為一環狀階梯表面，其包括多個實質上垂直於該光軸的環狀水平面與多個實質上平行於該光軸的環狀鉛直面，且該些環狀水平面與該些環狀鉛直面從該第一端往該第二端交替配置；以及一環狀平面，連接於該高度單調遞增表面與該出光曲面之間。
12. 如申請專利範圍第11項所述的透鏡，其中該高度單調遞增表面為相對於該光軸傾斜的環狀傾斜面。
13. 如申請專利範圍第11項所述的透鏡，其中該環狀鉛直面在平行於該光軸的方向上的寬度與該環狀水平面在該透鏡的徑向上的寬度的比值是落在從0.01至0.3的範圍內。