TWI732665B

TWI732665B - 具有全內反射面的光學模組

Info

Publication number: TWI732665B
Application number: TW109129150A
Authority: TW
Inventors: 唐德龍; 鄭伊凱
Original assignee: 雷笛克光學股份有限公司
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2021-07-01
Also published as: TW202208782A

Abstract

一種光學模組，其具有包括透鏡及全內反射擋牆的透鏡組件，透鏡具有第一出光側、第一入光側及漏光側，第一入光側與第一出光側沿第一方向佈置且彼此相對，漏光側連接於第一入光側及第一出光側之間。全內反射擋牆與透鏡沿第二方向佈置，全內反射擋牆具有第二出光側、第二入光側、第一全內反射面及第二全內反射面，第二出光側與第一出光側沿第二方向並排佈置，第二入光側與漏光側鄰接，第二入光側、第二全內反射面與第一全內反射面沿第二方向間隔佈置，第一及第二全內反射面位於第二入光側與第二出光側之間。第一方向與第二方向相異且相交。

Description

具有全內反射面的光學模組

本發明關於一種光學模組，特別是指一種具有全內反射面的光學模組。

有鑑於水銀燈或鹵素燈具有高耗能、壽命短、維護成本高等缺點，現有技術的路燈紛紛改用發光二極體(light-emitting diode，LED)作為光源。LED路燈雖然具有低能耗、低維護成本等優點，但LED所發出的光線具有較強方向性，而具有照度不均勻的問題。為改善此缺陷，現有技術通常透過加設透鏡組件的手段來提升LED路燈照度均勻度。然而，現有技術的透鏡組件雖然可以改善照度均勻性，但卻衍伸出桿後餘光的問題。進一步來說，一般LED路燈的透鏡組件的設計是要將光線導引以照明到路燈前的範圍，但部分光線通過透鏡組件時，仍會由透鏡組件的非出光側射出，這些側漏光線會照射到路燈後的範圍形成桿後餘光，導致LED所發出的光線無法有效地用於照明，即光學效率差。

為改善桿後餘光所導致的光學效率差，現有技術於透鏡組件中採用以增設消除桿後餘光的透鏡凸塊或者截光支架或擋板的方式。但是，這些方式仍無法有效消除桿後餘光，從而無法有效提升光學效率。其中，加裝截光支架或擋板更是衍生成本增加的問題。

是以，現有技術的LED路燈仍存在著因無法有效消除桿後餘光所導致的光學效率不佳的技術缺陷。

本「先前技術」段落只是用來幫助瞭解本發明內容，因此在「先前技術」中所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。此外，在「先前技術」中所揭露的內容並不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，也不代表在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。

本發明提供一種具有全內反射面的光學模組，能夠有效消除桿後餘光並提升光學效率。

本發明所提供的具有全內反射面的光學模組包括透鏡組件。透鏡組件包括透鏡以及全內反射擋牆，透鏡具有第一出光側、第一入光側以及漏光側，第一入光側與第一出光側沿第一方向佈置且彼此相對，漏光側連接於第一入光側以及第一出光側之間。全內反射擋牆與透鏡沿第二方向佈置，且全內反射擋牆具有第二出光側、第二入光側、第一全內反射面以及第二全內反射面，第二出光側與第一出光側沿第二方向並排佈置，第二入光側與漏光側面對面鄰接，第二入光側、第二全內反射面與第一全內反射面沿第二方向依序間隔佈置，且第一全內反射面與第二全內反射面配置於第二入光側與第二出光側之間。第一方向與第二方向相異且相交。

在本發明的一實施例中，上述之透鏡組件中，透鏡的第一入光側朝第一出光側凹陷形成入光凹部。

在本發明的一實施例中，上述之透鏡組件中，透鏡的第一出光側朝遠離第一入光側的方向突出形成凸面。

在本發明的一實施例中，上述之透鏡組件中，全內反射擋牆具有相鄰的第一全內反射凹部以及第二全內反射凹部，第一全內反射凹部與第二全內反射凹部朝第二出光側之方向延伸，且第一全內反射凹部包括第一全內反射面，第二全內反射凹部包括第二全內反射面。

在本發明的一實施例中，上述之透鏡組件的全內反射擋牆中，第一全內反射面與第二全內反射面個別斜向延伸於第二入光側與第二出光側之間。

在本發明的一實施例中，上述之透鏡組件的全內反射擋牆中，第二出光側包括多個光擴散結構。

在本發明的一實施例中，上述之透鏡組件中，透鏡的第一出光側與全內反射擋牆的第二出光側朝向第一方向。

在本發明的一實施例中，上述之透鏡組件中，透鏡的第一入光側適於配置發光元件，發光元件具有發光部，發光元件適於從發光部發出朝第一全內反射面前進的第一側漏光線以及朝第二全內反射面前進的第二側漏光線，第一側漏光線朝第一全內反射面前進並到達第一全內反射面上的第一反射點，發光部沿第二方向朝第一全內反射面延伸交於第一全內反射面上的第一交會點，第一反射點與發光部連接形成第一線段，第一交會點與發光部連接形成第二線段，第一線段與第二線段之間的一第一夾角介於0°至25°之間，第二側漏光線朝第二全內反射面前進並到達第二全內反射面上的第二反射點，發光部沿第二方向朝第二全內反射面延伸交於第二全內反射面上的第二交會點，第二反射點與發光部連接形成第三線段，第一交會點與發光部連接形成第四線段，第三線段與第四線段之間的第二夾角介於0°至45°之間。

在本發明的一實施例中，上述之透鏡組件中，第一側漏光線於第一入光側依序經反射及折射進入透鏡後，依序通過漏光側、第二入光側及第二全內反射面而到達第一全內反射面，第一側漏光線被第一全內反射面反射而從第二出光側離開全內反射擋牆，第二側漏光線於第一入光側經折射而進入透鏡後，依序通過漏光側及第二入光側而到達第二全內反射面，第二側漏光線被第二全內反射面反射而從第二出光側離開全內反射擋牆。

在本發明的一實施例中，上述之具有全內反射面的光學模組更包括基板，透鏡組件配置於基板上。

在本發明的一實施例中，上述之第一方向與第二方向彼此垂直。

在本發明的一實施例中，上述之透鏡組件的數量為多個，這些透鏡組件呈矩陣排列。

在本發明的一實施例中，上述之多個透鏡組件包括多個第一透鏡組件，這些第一透鏡組件沿第三方向依序佈置構成第一透鏡組件列，這些第一透鏡組件中任兩相鄰的第一透鏡組件的兩透鏡彼此間隔，這些第一透鏡組件的全內反射擋牆沿第三方向依序連接，第三方向、第一方向以及第二方向相異且相交。

在本發明的一實施例中，上述之第一透鏡組件列中，位於兩端的兩第一透鏡組件的兩全內反射擋牆分別具有斜端壁，斜端壁與其所連接的第二入光側之間形成鈍角。

在本發明的一實施例中，上述之多個透鏡組件包括多個第二透鏡組件，這些第二透鏡組件沿第三方向依序佈置構成第二透鏡組件列，這些第二透鏡組件中任兩相鄰的第二透鏡組件的兩透鏡彼此間隔，這些第二透鏡組件的全內反射擋牆沿第三方向依序連接，且第二透鏡組件列與第一透鏡組件列彼此平行。

在本發明的一實施例中，上述之第三方向、第一方向以及第二方向彼此垂直。

本發明的具有全內反射面的光學模組中，由於全內反射擋牆與透鏡沿第二方向佈置，全內反射擋牆具有第二出光側、第二入光側、第一全內反射面以及第二全內反射面，第二入光側與透鏡的漏光側面對面鄰接，第二入光側、第二全內反射面與第一全內反射面沿第二方向依序間隔佈置，且第一全內反射面與第二全內反射面配置於第二入光側與第二出光側之間，使得發光元件發出的第一側漏光線以及第二側漏光線可由全內反射擋牆的第二出光側射出、與由第一出光側離開透鏡的照明光線一同作為照明用途，而不會構成路燈的桿後餘光(即消除桿後餘光的問題)，從而避免光線側漏造成浪費並有效提高照明亮度與光學效率。

為讓本發明之上述和其他目的、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:光學膜組

200:透鏡組件

200a:第一透鏡組件

200b:第二透鏡組件

210:透鏡

211:第一出光側

212:第一入光側

213:漏光側

214:入光凹部

215:第一入光壁

216:第二入光壁

220:全內反射擋牆

221:第二出光側

2211:光擴散結構

222:第二入光側

223:第一全內反射面

224:第二全內反射面

225:第一全內反射凹部

226:第二全內反射凹部

227:第一表面

228:第二表面

229:斜端壁

300:發光元件

301:發光部

400:基板

A1:第一夾角

A2:第二夾角

A3:第三夾角

A4:第四夾角

B:區域

IL:照明光線

IP1:第一交會點

IP2:第二交會點

LS1:第一線段

LS2:第二線段

LS3:第三線段

LS4:第四線段

LL1:第一側漏光線

LL2:第二側漏光線

RP1:第一反射點

RP2:第二反射點

X:第一方向

Y:第二方向

Z:第三方向

圖1為根據本發明一實施例的具有全內反射的光學模組的外觀示意圖；圖2為根據本發明一實施例的具有全內反射的光學模組的上視平面示意圖；圖3為根據本發明一實施例的具有全內反射的光學模組的側視剖面示意圖；圖4為圖3中B區域的放大圖，其中示意性地繪示發光元件的光線路徑；圖5為與圖4中的第一側漏光線相關的第一角度的示意圖；圖6為與圖4中的第二側漏光線相關的第二角度的示意圖；以及圖7為與圖4中的第一側漏光線相關的第三角度及與圖4中的第二側漏光線相關的第四角度的示意圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前、後、頂、底等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

圖1至3分別為根據本發明一實施例的具有全內反射的光學模組100的外觀、上視平面以及側視剖面示意圖。圖4為圖3中B區域的放大圖。如圖1至4所示，本發明一實施例的具有全內反射的光學模組100包括透鏡組件200，透鏡組件200包括透鏡210以及全內反射擋牆220。透鏡210具有第一出光側211、第一入光側212以及漏光側213，第一出光側211與第一入光側212彼此相對，且第一入光側212與第一出光側211沿第一方向X佈置，漏光側213連接於第一入光側212與第一出光側211之間。全內反射擋牆220與透鏡210沿第二方向Y佈置，全內反射擋牆220具有第二出光側221、第二入光側222、第一全內反射面223以及第二全內反射面224。第二出光側221與第一出光側211沿第二方向Y並排佈置，第二入光側222與漏光側213面對面鄰接，第二入光側222、第二全內反射面224與第一全內反射面223沿第二方向Y依序間隔佈置，即第二全內反射面224配置於第二入光側222與第一全內反射面223之間，且第一全內反射面223與第二全內反射面224配置於第二入光側222與第二出光側221之間。第一方向X與第二方向Y相異且相交。此外，在本實施例中，透鏡組件200的數量為多個，也就是說，具有全內反射的光學模組100包括多個透鏡組件200，但本發明不以此為限；在其他實施例中，透鏡組件200的數量也可以是一個。

接續上述說明，在本實施例中，發光元件300適於配置於每一透鏡組件200的透鏡210的第一入光側212，發光元件300適於從其發光部301發出光線，發光元件300可為但不僅限於發光二極體元件。為簡便說明，以下以單一透鏡組件200及對應的發光元件300進行說明，發光元件300發出的光線由第一入光側212進入透鏡210後可由第一出光側211離開透鏡210，或者由漏光側213離開透鏡210並到達第一全內反射面223或第二全內反射面224。進一步來說，發光元件300發出的光線包括照明光線IL、第一側漏光線LL1以及第二側漏光線LL2，由第一入光側212進入透鏡210後由第一出光側211離開透鏡210的光線為照明光線IL，由第一入光側212進入透鏡210後由漏光側213離開透鏡210並到達第一全內反射面223的光線為第一側漏光線LL1，由第一入光側212進入透鏡210後由漏光側213離開透鏡210並到達第二全內反射面224的光線為第二側漏光線LL2。

接續上述說明，照明光線IL由第一出光側211離開透鏡210後可提供所需要的照明用途。第一側漏光線LL1由透鏡210的漏光側213離開透鏡210後，進一步由第二入光側222進入全內反射擋牆220、穿過第二全內反射面224並到達第一全內反射面223；第一側漏光線LL1被第一全內反射面223反射而朝第二出光側221前進，最後由第二出光側221離開全內反射擋牆220。第二側漏光線LL2由透鏡210的漏光側213離開透鏡210後，進一步由第二入光側222進入全內反射擋牆220並到達第二全內反射面224；第二側漏光線LL2被第二全內反射面224反射而朝第二出光側221前進，最後由第二出光側221離開全內反射擋牆220。由全內反射擋牆220的第二出光側221射出的第一側漏光線LL1以及第二側漏光線LL2可與由第一出光側211離開透鏡210的照明光線IL一同作為照明用途，避免光線側漏形成桿後餘光造成浪費，從而有效提高照明亮度與光學效率。

接續上述說明，進一步說明，第一全內反射面223以及第二全內反射面224可有效將由漏光側213射出的第一側漏光線LL1以及第二側漏光線LL2導引沿第一方向X前進並由第二出光側221射出，從而有效消除桿後餘光。

圖5為與圖4中的第一側漏光線相關的第一角度的示意圖。圖6為與圖4中的第二側漏光線相關的第二角度的示意圖。請同時配合參看圖3至6，發光元件300發出的第一側漏光線LL1於第一全內反射面223上的第一反射點RP1被反射，第一反射點RP1與發光元件300的發光部301的直線連線為第一線段LS1，發光元件300的發光部301沿第二方向Y朝第一全內反射面223延伸並與第一全內反射面223相交於第一交會點IP1，第一交會點IP1與發光元件300的發光部301的直線連線為第二線段LS2，第一線段LS1與第二線段LS2之間形成以發光部301為頂點的第一夾角A1，第一夾角A1介於0°至25°之間；舉例而言，第一夾角A1可為5°、10°、15°或20°等，但本發明不以此為限。此外，發光元件300發出的第二側漏光線LL2於第二全內反射面224上的第二反射點RP2被反射，第二反射點RP2與發光元件300的發光部301的直線連線為第三線段LS3，發光元件300的發光部301沿第二方向Y朝第二全內反射面224延伸並與第二全內反射面224相交於第二交會點IP2，第二交會點IP2與發光元件300的發光部301的直線連線為第四線段LS4，第三線段LS3與第四線段LS4之間形成以發光部301為頂點的第二夾角A2，第二夾角A2介於0°至45°之間；舉例而言，第二夾角A2可為5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°或40°等，但本發明不以此為限。

進一步請參看圖3及4所示，在本實施例中，照明光線IL於第一入光側212經折射而進入透鏡210後，由第一出光側211離開透鏡210；第一側漏光線LL1於第一入光側212依序經反射及折射而進入透鏡210後，依序通過漏光側213、第二入光側222及第二全內反射面224並到達第一全內反射面223，然後被第一全內反射面223反射而從第二出光側221離開全內反射擋牆220；第二側漏光線LL2於第一入光側212經折射而進入透鏡210後，依序通過漏光側213及第二入光側222而到達第二全內反射面224，然後被第二全內反射面224反射而從第二出光側221離開全內反射擋牆220。進一步說明，第一全內反射面223能夠將在第一入光側212經反射與折射作用的第一側漏光線LL1反射而導向第二出光側221以供照明使用，第二全內反射面223則是能夠將在第一入光側212僅經折射作用的第二側漏光線LL2反射而導向第二出光側221以供照明使用。

接續上述說明，在本實施例中，第一全內反射面223斜向延伸於第二入光側222與第二出光側221之間，且第二全內反射面224斜向延伸於第二入光側222與第二出光側221之間與第二全內反射面224也就是說，第一全內反射面223及第二全內反射面224為個別斜向延伸於第二入光側222與第二出光側221之間的斜面。

接續上述說明，在本實施例中，全內反射擋牆220具有相鄰的第一全內反射凹部225以及第二全內反射凹部226，第一全內反射凹部225與第二全內反射凹部226朝第二出光側221之方向延伸，且第一全內反射凹部225包括第一全內反射面223，第二全內反射凹部226包括第二全內反射面224。進一步而言，全內反射擋牆220具有與第二出光側221相對設置的底側，第二入光側222連接於第二出光側221與底側之間，第一全內反射凹部225及第二全內反射凹部226間隔凹設於底側上。此外，在本實施例中，第一全內反射凹部225與第二全內反射凹部226大致呈倒V型，第一全內反射凹部225包括第一全內反射面223以及第一表面227，第一全內反射面223之一端與第一表面227之一端相接，第一全內反射面223位於第一表面227與第二入光側 222之間，第二全內反射凹部226包括第二全內反射面224以及第二表面228，第二全內反射面224之一端與第二表面228之一端相接，第二全內反射面224位於第二表面228與第二入光側222之間，但本發明不以此為限。

接續上述說明，在本實施例中，透鏡210的第一入光側212朝第一出光側211凹陷形成入光凹部214，發光元件300配置於第一出光側211的入光凹部214，照明光線IL於第一入光側212的入光凹部214經折射後進入透鏡210，第一側漏光線LL1於第一入光側212的入光凹部214經反射及折射後進入透鏡210，第二側漏光線LL2於第一入光側212的入光凹部214經折射後進入透鏡210。進一步來說，入光凹部214具有相接的一第一入光壁215以及一第二入光壁216，第一入光壁215與第一出光側211位置相對，第二入光壁216與漏光側213位置相對；照明光線IL於第一入光壁215經折射後直接進入透鏡210；第一側漏光線LL1於第一入光壁215反射後朝第二入光壁216前進，然後於第二入光壁216折射並進入透鏡210；第二側漏光線LL2於第二入光壁216折射後直接進入透鏡210。

進一步請參看圖1、3及4所示，在本實施例中，透鏡210的第一出光側211朝遠離第一入光側212的方向突出形成凸面，可達到集中光線效果，但本發明不以此為限；在其他實施例中，第一出光側211可依據需求而具有凹面或其他形狀的表面。另外，在本實施例中，第二入光側222與漏光側213直接連接，以提高光學效率避免損耗。

進一步請參看圖1至4所示，在本實施例中，舉例來說，透鏡210的第一出光側211與全內反射擋牆220的第二出光側221朝向第一方向X。此外，第一方向X與第二方向Y彼此垂直，但本發明不以此為限；在其他實施例中，第一方向X與第二方向Y也可以為非垂直。另外，在本實施例中，具有全內反射的光學模組100還可包括基板400，透鏡組件200配置於基板400 上。進一步來說，基板400與透鏡組件200可以例如是一體成型，舉例來說，以透光材料以如射出成型之製程技術製作完成，透光材料例如是聚碳酸酯(polycarbonate)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethaerylate)或矽氧烷聚合物(siloxane polymer)。基板400與透鏡組件200之材料可為相同也可為相異。

圖7為與圖4中的第一側漏光線相關的第三角度及與圖4中的第二側漏光線相關的第四角度的示意圖。請進一步配合參看圖4至7，在本實施例中，第一側漏光線LL1到達第一反射點RP1的路徑稱為第一光路，第二側漏光線LL2到達第二反射點RP2的路徑稱為第二光路。舉例來說，當內反射擋牆的材質為聚碳酸酯時，第一光路與第一全反射面223於第一反射點RP1的法線之間的第三夾角A3小於39°，第二光路與第二全反射面224於第二反射點RP2的法線之間的第四夾角A4小於39°。再舉例來說，當內反射擋牆的材質為聚甲基丙烯酸甲酯時，第一光路與第一全反射面223於第一反射點RP1的法線之間的第三夾角A3小於42°，第二光路與第二全反射面224於第二反射點RP2的法線之間的第四夾角A4小於42°。

進一步請參看圖1至2所示，在本實施例中，透鏡組件200的數量可為多個。本實施例中的多個透鏡組件200呈矩陣排列。進一步來說，本實施例中的多個透鏡組件200可包括多個第一透鏡組件200a，這些第一透鏡組件200a沿第三方向Z排列依序佈置構成第一透鏡組件列，任兩相鄰的第一透鏡組件200a的透鏡210彼此間隔，這些第一透鏡組件200a的全內反射擋牆220沿第三方向Z依序連接，第三方向Z、第一方向X以及第二方向Y相異且相交。此外，本實施例中的多個透鏡組件200可排列成一個以上的透鏡組件列，舉例來說，本實施例中的多個透鏡組件200還可包括多個第二透鏡組件200b，這些第二透鏡組件200b沿第三方向Z排列依序佈置構成第二透鏡組件列，任兩相鄰的第二透鏡組件200b的透鏡210彼此間隔，這些第二透鏡組件 200b的全內反射擋牆220沿第三方向Z依序連接，所述一個以上的透鏡組件200列即包括第一透鏡組件列以及第二透鏡組件列。另外，本實施例中的第一透鏡組件列以及第二透鏡組件列彼此平行，但在其他實施例中，第一透鏡組件列以及第二透鏡組件列也可不平行。進一步的，在本實施例中，第三方向Z、第一方向X以及第二方向Y彼此垂直，但本發明不以此為限。

接續上述說明，在本實施例的第一透鏡組件列中，第一透鏡組件列兩端的兩第一透鏡組件200的兩全內反射擋牆220分別具有斜端壁229，斜端壁229與其連接的第二入光側222之間的夾角為鈍角，並且第一透鏡組件列中的第一透鏡組件200a的全內反射擋牆220整體呈梯形。藉由斜端壁229的設置，可進一步減少光線從第一透鏡組件列的兩端漏出朝第一方向X以外的方向前進之情形，從而提高光學效率避免浪費。

進一步請參看圖1至4所示，在本實施例的第二透鏡組件列中，第二透鏡組件200b的全內反射擋牆220的第二出光側221包括光擴散結構2211，光擴散結構2211的數量為一個以上，在本實施例中，光擴散結構2211為凸條，但本發明對於光擴散結構2211的形式或種類不予以為限。此外，本實施例中，雖然是以第二透鏡組件200b的全內反射擋牆220的第二出光側221具有光擴散結構2211，而第一透鏡組件200a的全內反射擋牆220的第二出光側221不具有光擴散結構2211作為例示，但應可理解，在其他實施例中，第一透鏡組件200a的全內反射擋牆220的第二出光側221也可具有光擴散結構2211。藉由光擴散結構2211的設置，可使從第二出光側221射出的第一側漏光線LL1以及第二側漏光線LL2均勻化。

綜上所述，在本發明實施例的具有全內反射面的光學模組中，由於全內反射擋牆與透鏡沿第二方向佈置，全內反射擋牆具有第二出光側、第二入光側、第一全內反射面以及第二全內反射面，第二入光側與透鏡的漏光側面對面鄰接，第二入光側、第二全內反射面與第一全內反射面沿第二方向依序間隔佈置，且第一全內反射面與第二全內反射面配置於第二入光側與第二出光側之間，使得發光元件發出的第一側漏光線以及第二側漏光線可由全內反射擋牆的第二出光側射出、與由第一出光側離開透鏡的照明光線一同作為照明用途，而不會構成桿後餘光(即消除桿後餘光的問題)，從而避免光線側漏造成浪費並有效提高照明亮度與光學效率。

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，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和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」、「第三」、「第四」等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。