TWI592092B - 光學透鏡及ｌｅｄ燈具 - Google Patents

Description

光學透鏡及LED燈具

本發明係關於一種光學元件，尤其是一種使用在LED燈具中，用以改變LED配光方向與範圍的光學透鏡。

集魚燈是架設於漁船二側，用以在夜間捕魚時點亮以吸引魚群靠近的燈源。目前的集魚燈多為高壓放電式的傳統燈具(例如鹵素燈)，不僅耗電量高，且燈具內含汞，使得照明光線中的紫外光易對皮膚與眼睛造成傷害。再者，傳統集魚燈的照明範圍相當分散，包含朝天空、甲板及液面等多處照射，而朝天空照射的部分並非水上作業所需，故傳統集魚燈浪費了許多能源在不需要的地方。

另一方面，LED燈具因具有耗電量低、照明範圍集中、不含汞而不會產生紫外光等特點，近年來已有業者使用LED燈具取代傳統燈具來作為集魚燈。然而，LED燈具照明範圍集中的優點卻衍生了其他問題；即，使用一般LED燈具呈傾斜地朝液面下照射，其照明範圍幾乎難以包含甲板，造成甲板上的光線不足，故需要額外設置專用於甲板照明的燈具，使得整體而言的節能效果有限，且設備的購置及維修費用反而增加。

有鑑於此，習知的LED燈具確實仍有加以改善之必要。

本發明提供一種光學透鏡，可使用在LED燈具中，用以改變LED配光方向與範圍，使該LED燈具用作集魚燈時，可以針對水上作 業所需的提供照明，使照明範圍涵蓋甲板及液面等處而不向天空照射。

本發明的一種LED燈具，包含：一燈座；數個發光二極體，該數個發光二極體設於該燈座中；及數個光學透鏡，包含：一座體，該座體由實心可透光材質製成，該座體具有相對的一第一表面及一第二表面，該第一表面設有一光源結合部，及一導光體，該導光體由實心可透光材質製成，該導光體連接於該座體的第二表面，該導光體與該座體的第二表面之間無容裝氣體的空間，該導光體的表面具有向外凸出的一集中弧面及一轉向弧面，該集中弧面與該光源結合部相對，該轉向弧面連接該集中弧面與該座體的第二表面，該集中弧面及該轉向弧面係位於該發光二極體之發散角的範圍內，該數個光學透鏡設於該燈座中，各該光學透鏡由其座體的光源結合部結合對應的發光二極體，一第一中心線通過各該光學透鏡的導光體的集中弧面及二轉向弧面中心，在該第一中心線的方向上，任二相鄰的光學透鏡的間距為30~35mm；一第二中心線正交於該第一中心線，在該第二中心線的方向上，任二相鄰的光學透鏡的間距為25~30mm。

其中，該導光體的表面具有另一轉向弧面，該二轉向弧面分別連接在該集中弧面的相對二側。

其中，該二轉向弧面呈對稱地設於該集中弧面的相對二側。

其中，該集中弧面呈曲率均等的型態。

其中，該光源結合部的中心位置與該集中弧面的中心位置直線相對。

其中，該轉向弧面呈曲率均等的型態。

其中，該轉向弧面的中心位置與該光源結合部的中心位置的連線與水平線夾60~70度角。

其中，該集中弧面為該導光體上最遠離該座體的部位。

其中，該座體由該第一表面圈圍形成一容置空間，該光源結 合部位於該容置空間中。

其中，該數個發光二極體排列成二維矩陣型態，該數個光學透鏡的座體相連成一板體。

其中，該燈座中具有一環牆，該數個發光二極體設於該環牆中；在該第一中心線的方向上，位於最外緣的光學透鏡的導光體的集中弧面的中心至該環牆的間距為15mm以上；在該第二中心線的方向上，位於最外緣的光學透鏡的導光體的集中弧面的中心至該環牆的間距為12mm以上。

據此，將使用本發明光學透鏡的LED燈具用作集魚燈時，該LED燈具所消耗的能源可相當精準地使用在需要的地方，且船上並不需要額外設置燈具來提供甲板上的照明，故可在不額外增加耗能的前提下，使照明範圍涵蓋甲板及液面等處，滿足水上作業的照明需求，確實達到節能及降低設備購置與維修費用等功效。

1‧‧‧座體

11‧‧‧第一表面

12‧‧‧第二表面

13‧‧‧光源結合部

2‧‧‧導光體

21‧‧‧集中弧面

22‧‧‧轉向弧面

3‧‧‧發光二極體

4‧‧‧燈座

41‧‧‧環牆

5‧‧‧板體

B‧‧‧漁船

D1、D2、D3、D4‧‧‧間距

F‧‧‧支撐架

L1‧‧‧第一中心線

L2‧‧‧第二中心線

R1、R2‧‧‧半徑

S‧‧‧容置空間

θ‧‧‧夾角

第1圖：本發明光學透鏡的局部剖視立體結構示意圖。

第2圖：本發明光學透鏡的側剖結構示意圖。

第3圖：本發明光學透鏡組裝發光二極體的側剖結構示意圖。

第4圖：本發明光學透鏡的其中一配光曲線圖。

第5圖：本發明光學透鏡的俯視結構示意圖。

第6a圖：本發明光學透鏡的集中弧面半徑與配光曲線的關係圖。

第6b圖：本發明光學透鏡的轉向弧面半徑與配光曲線的關係圖。

第7圖：本發明LED燈具的立體結構示意圖。

第8圖：本發明LED燈具的局部俯視結構示意圖。

第9圖：本發明LED燈具的局部側視結構示意圖之一。

第10圖：本發明LED燈具的局部側視結構示意圖之二。

第11圖：本發明LED燈具組裝在漁船上的前視結構示意圖。

第12圖：本發明LED燈具組裝在漁船上的俯視結構示意圖。

第13a圖：本發明LED燈具仰角對甲板上平均及最大照度的關係圖。

第13b圖：本發明LED燈具仰角對液面上平均及最大照度的關係圖。

第14a圖：多個本發明的LED燈具在液面上的光照度分布圖。

第14b圖：多個本發明的LED燈具在甲板上的光照度分布圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1、2圖，其係本發明光學透鏡的一實施例，該光學透鏡大致上包含一座體1及一導光體2，該導光體2連接於該座體1的表面。

該座體1具有相對的一第一表面11及一第二表面12，請配合參照第3圖，該第一表面11設有一光源結合部13以供結合一發光二極體3。在本實施例中，該座體1呈盒狀而由該第一表面11圈圍形成一容置空間S，該光源結合部13位於該容置空間S中。該光源結合部13的型態則可以依據所欲結合的發光二極體3的外型作調整，例如，當所欲結合的發光二極體3呈半球狀時，該光源結合部13可設為內凹的半球狀凹槽，以供容置結合該發光二極體3；此為本領域中具有通常知識者可以理解，故不以圖式所揭露之型態為限。

請參照第1、3圖，該導光體2連接於該座體1的第二表面12，該導光體2的表面具有向外凸出的一集中弧面21，該集中弧面21為該導光體2上最遠離該座體1的部位，且該集中弧面21與該光源結合部13相對。如此，當該光源結合部13處結合有發光二極體3時，該發光二 極體3所發出的0度光線(以中心直射光線定義為0度光線，向側端遞增光線角度，水平光線則定義為90度光線)可通過該集中弧面21而向外照射出去。較佳地，該光源結合部13的中心位置與該集中弧面21的中心位置直線相對，使該發光二極體3所發出的0度光線通過該集中弧面21的中心，使該集中弧面21能導引光線對稱地朝中央集中。又，該集中弧面21較佳呈曲率均等的型態，以提供更加均勻的導光效果。

該導光體2的表面另具有向外凸出的至少一轉向弧面22，該轉向弧面22連接該集中弧面21與該座體1的第二表面12，以由該轉向弧面22將部分的光線集中導向該導光體2的斜側端。在本實施例中，該轉向弧面22的數量可選擇設有二個，該二轉向弧面22分別連接在該集中弧面21的相對二側，使該導光體2可以同時將光線集中導向中央與二斜側端。較佳地，各該轉向弧面22亦可選擇設為曲率均等的型態，該二轉向弧面22可呈對稱地設於該集中弧面21的相對二側。

請參照第4圖，其係本發明光學透鏡的其中一配光曲線圖。該導光體2的集中弧面21的中心位置對應為圖中P1點，而P1點所通過的曲線即為由該導光體2的集中弧面21所導引集中的配光範圍，其中P1點所對應的最大光強度(下稱「中間最大光強度」)約為82 candela，最大光強度角為0度。又，該導光體2的其中一轉向弧面22的中心位置對應為圖中P2點，而P2點所通過的曲線即為該轉向弧面22所導引集中的配光範圍，其中P2點所對應的最大光強度(下稱「側端最大光強度」)約為68 candela，最大光強度角(下稱「側端最大光強度角」)則約為62度。

續請參照第5、6a圖，由該光學透鏡的俯視圖觀之，該導光體2的集中弧面21具有投影於該座體1的第二表面12的一半徑R1，第6a圖為該半徑R1與配光曲線的關係圖；由第6a圖可知，該半徑R1與中間最大光強度呈正相關，而對側端最大光強度沒有明顯的影響。

另請參照第5、6b圖，由該光學透鏡的俯視圖觀之，該導光體2的轉向弧面22具有投影於該座體1的第二表面12的一半徑R2，第6b圖為該半徑R2與配光曲線的關係圖；由第6b圖可知，該半徑R2與側端最大光強度呈正相關，與側端最大光強度角呈負相關，而對中間最大光強度沒有明顯的影響。其中，為避免該導光體2的側端最大光強度角太小而不符合水上作業所需，各該轉向弧面22的中心位置與該光源結合部13的中心位置的連線較佳選擇與水平線夾60~70度角，以提供更符合水上作業所需的照明型態。

據由前述結構，請參照第3、7圖，本發明可以提供一種LED燈具，該LED燈具包含一燈座4及數個發光二極體3，該燈座4中具有一環牆41，該數個發光二極體3設於該燈座4的環牆41中，該數個發光二極體3可排列成二維矩陣型態。其中，該燈座4中另設有控制該數個發光二極體3明滅的構件及構成燈具的其他必要構件等，而各構件之間的結合關係與電連接關係，均為所屬技術領域中具有通常知識者所能夠輕易了解並實施，於此即不加以贅述。

該LED燈具另包含數個前述的光學透鏡，該數個光學透鏡設於該燈座4中，各該光學透鏡由其座體1的光源結合部13結合對應的發光二極體3。其中，為提升組裝時的便利性與效率，該數個光學透鏡的座體1可直接相連成一板體5，再將該板體5結合於該燈座4中的適當位置，使該數個光學透鏡的導光體2能準確地對位在對應的發光二極體3上，從而導引各該發光二極體3所產生的光線向預期的方向集中。

請參照第7、8圖，為避免從其中一發光二極體3通過其對應的光學透鏡所導出的光線射入相鄰的光學透鏡中，從而造成該數個發光二極體3的光線相互影響，故任二相鄰的光學透鏡間距不可過小。即，由各該光學透鏡的俯視圖觀之，該導光體2投影於該座體1的第二表面12 時，定義一第一中心線L1通過各該光學透鏡的導光體2的集中弧面21及二轉向弧面22中心，在該第一中心線L1的方向上，任二相鄰的光學透鏡的間距(D1)為30~35mm；另定義一第二中心線L2正交於該第一中心線L1，在該第二中心線L2的方向上，任二相鄰的光學透鏡的間距(D2)為25~30mm。

同理，請參照第7、9圖，在該第一中心線L1(標示於第8圖中)的方向上，位於最外緣的光學透鏡的導光體2的集中弧面21的中心至該燈座4的環牆41的間距(D3)約保持有15mm以上。請參照第7、10圖，在該第二中心線L2(標示於第8圖中)的方向上，位於最外緣的光學透鏡的導光體2的集中弧面21的中心至該燈座4的環牆41的間距(D4)則約保持有12mm以上。

請參照第11、12圖，將本發明的LED燈具用作集魚燈而安裝在漁船B上時，該漁船B的甲板二側可設有數個支撐架F，數個LED燈具被架設在該支撐架F上，以由該數個LED燈具同時對甲板及液面等處提供照明(圖中二點鏈線所圈圍的範圍表示該數個LED燈具所共同提供的照明範圍)，從而一次性地滿足水上作業的照明需求。在本實施例中，可選擇使LED燈具架設在距離甲板約2.5m高處，而LED燈具距離液面約4.5m高，相鄰的LED燈具的間距則約為0.4m。

其中，各該LED燈具的中心與鉛錘線的夾角θ(即各該LED燈具的仰角)對甲板上或液面上的平均照度及最大照度都會有直接的影響。即，請參照第13a、13b圖，第13a圖為該夾角θ與甲板上平均及最大照度的關係圖，第13b圖為該夾角θ與液面上平均及最大照度的關係圖；由第13a、13b圖可知，為能符合水上作業的照明需求，各該LED燈具的中心與鉛錘線的夾角θ較佳選擇為10~20度。

請參照第14a、14b圖，第14a圖為多個本發明的LED燈具 在液面上的光照度分布圖，第14b圖則為多個本發明的LED燈具在甲板上的光照度分布圖。當懸掛20盞2000W的傳統燈具時，傳統燈具在15平方公尺的液面範圍裡可產生的最大照度約為6076lux，平均照度則約為1779lux，至液面下1公尺處的光穿透率約為84%；由第14a圖可知，同樣的漁船採用20盞675W的本發明LED燈具時，在15平方公尺的液面範圍裡可產生的最大照度約為15257lux，平均照度則約為2438lux，至液面下1公尺處的光穿透率可高達94%左右。

另一方面，20盞2000W的傳統燈具在甲板上的最大照度約為1726lux，平均照度為5940lux；由第14b圖可知，同樣的漁船採用20盞675W的本發明LED燈具時，則可以在甲板上產生約29782lux的最大照度，且平均照度也高達5968lux。

因此，一樣是20盞燈，傳統燈具的總功率高達40000W，而本發明的LED燈具則只使用了13500W，且平均照度與最大照度不管在液面上還是甲板上都能達到甚至超越傳統燈具的標準，故本發明的LED燈確實能夠在滿足水上作業照明需求的前提下，有效地節省用電量。

綜上所述，將使用本發明光學透鏡的LED燈具用作集魚燈時，該LED燈具所消耗的能源可相當精準地使用在需要的地方，同時提供集魚及工作照明，使得船上不再需要額外設置燈具來照明甲板，故可在不額外增加耗能的前提下，使照明範圍涵蓋甲板及液面等處，滿足水上作業的照明需求，確實達到節能及降低設備購置與維修費用等功效。

惟，將使用本發明光學透鏡的LED燈具用作集魚燈，只是本發明的其中一使用例，本發明的光學透鏡還可應用於其他種類的燈具中，以改變該燈具中發光二極體的配光方向與範圍。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，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之內，相對上述 實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，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。

1‧‧‧座體

11‧‧‧第一表面

12‧‧‧第二表面

13‧‧‧光源結合部

2‧‧‧導光體

21‧‧‧集中弧面

22‧‧‧轉向弧面

S‧‧‧容置空間

Claims (11)

1. 一種LED燈具，包含：一燈座；數個發光二極體，該數個發光二極體設於該燈座中；及數個光學透鏡，包含：一座體，該座體由實心可透光材質製成，該座體具有相對的一第一表面及一第二表面，該第一表面設有一光源結合部，及一導光體，該導光體由實心可透光材質製成，該導光體連接於該座體的第二表面，該導光體與該座體的第二表面之間無容裝氣體的空間，該導光體的表面具有向外凸出的一集中弧面及一轉向弧面，該集中弧面與該光源結合部相對，該轉向弧面連接該集中弧面與該座體的第二表面，該集中弧面及該轉向弧面係位於該發光二極體之發散角的範圍內，該數個光學透鏡設於該燈座中，各該光學透鏡由其座體的光源結合部結合對應的發光二極體，一第一中心線通過各該光學透鏡的導光體的集中弧面及二轉向弧面中心，在該第一中心線的方向上，任二相鄰的光學透鏡的間距為30~35mm；一第二中心線正交於該第一中心線，在該第二中心線的方向上，任二相鄰的光學透鏡的間距為25~30mm。
2. 如申請專利範圍第1項所述之LED燈具，其中，該導光體的表面具有另一轉向弧面，該二轉向弧面分別連接在該集中弧面的相對二側。
3. 如申請專利範圍第2項所述之LED燈具，其中，該二轉向弧面呈對稱地設於該集中弧面的相對二側。
4. 如申請專利範圍第1項所述之LED燈具，其中，該集中弧面呈曲率均等的型態。
5. 如申請專利範圍第4項所述之LED燈具，其中，該光源結合部的中心位置與該集中弧面的中心位置直線相對。
6. 如申請專利範圍第1項所述之LED燈具，其中，該轉向弧面呈曲率均等的型態。
7. 如申請專利範圍第6項所述之LED燈具，其中，該轉向弧面的中心位置與該光源結合部的中心位置的連線與水平線夾60~70度角。
8. 如申請專利範圍第1項所述之LED燈具，其中，該集中弧面為該導光體上最遠離該座體的部位。
9. 如申請專利範圍第1項所述之LED燈具，其中，該座體由該第一表面圈圍形成一容置空間，該光源結合部位於該容置空間中。
10. 如申請專利範圍第1項所述之LED燈具，其中，該數個發光二極體排列成二維矩陣型態，該數個光學透鏡的座體相連成一板體。
11. 如申請專利範圍第1項所述之LED燈具，其中，該燈座中具有一環牆，該數個發光二極體設於該環牆中；在該第一中心線的方向上，位於最外緣的光學透鏡的導光體的集中弧面的中心至該環牆的間距為15mm以上；在該第二中心線的方向上，位於最外緣的光學透鏡的導光體的集中弧面的中心至該環牆的間距為12mm以上。