CN101063518A - 反射式投光装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种反射式投光装置，其包含一具有反光特性的导光罩以及至少一指向性光源，所述的导光罩具有一类菲涅尔(Fresnel)结构的反射面，所述的类菲涅尔结构是采用菲涅尔透镜原理，将几何反射曲面转换为等效反射面的结构，可为平面、曲面其中的一或其组合，将所述的具有类菲涅尔结构的反射面设置在所述的导光罩的底部，所述的光源设置在所述的导光罩的侧壁，调整光源的发光方向与所述的类菲涅尔结构具有一定配合角度，可将反射光导向一定角度射出所述的导光罩；从而达到产生高效率与高准直性平行光线的目的。

Description

反射式投光装置

技术领域

本发明涉及的是一种投光装置，特别涉及的是一种采用菲涅尔透镜原理，将几何反射曲面转换为等效反射面，并配合控制发光角度的光源，产生高效率与高准直性平行光线的投光装置。

背景技术

传统灯具的光源可概分为点光源与线光源两种类型，钨丝灯与省电灯泡属于点光源，而日光灯管则属于线光源，以上这两种光源发光时，都是将光线以放射状方式向外发射，缺点在于体积较大，而由于发光二极管(LED)具有体积小的主要优点，近年来持续被研发应用在照明工具上，更由于发光效率不断被提升，故发光二极管灯具已形成未来主要照明灯具的趋势；发光二极管属于平面光源，其发光角度有限，故一般发光二极管灯具是采用直下式或反射式发光，而且目前单颗发光二极管的亮度尚无法满足灯具需求，必须采用多颗发光二极管以提供足够的亮度。

请参阅图1所示，美国专利6502956号“Light emitting diodelamp withindividual LED lenses”，所述的专利提出一种直下式灯具，其是在电路板10上设置有复数个发光二极管14，所述的结构虽可提高出光效率，但伴随而来的是极为严重的眩光，造成观看者的不舒适，再者，若有单颗或部分发光二极管14损坏时，即会立即被观察到。

请参阅图2所示，美国专利6871993号“Integrating LED illumination system formachine vision systems”，所述的专利提出一种使用在机器视觉***的照明***，以作为条形码扫描***，例如便利商店使用的价格条形码机器，其动作原理是将发光二极管发出的光线聚焦在目标物，再由机械视觉***收集反射的图像数据，如图2所示，所述的***10主要包含一反射镜12以及一发光二极管数组14，所述的反射镜12具有一可为椭圆、抛物线和双曲线的聚焦反射表面13，所述的发光二极管数组14包含一基座26以及设置在所述的基座26上的复数个发光二极管16，所述的发光二极管16是位于所述的反射镜12的焦点区域内部且朝向所述的聚焦反射表面13照射；所述的专利的主要作用在于使数组的复数个发光二极管16形成一聚焦光线，其应用范围局限于扫描***，并不适用在照明灯具。

请参阅图3所示，美国专利5136483号“Illuminating device”，所述的专利提出一种车辆灯具，其包含一反射罩16、复数个平放在反射罩16内部环形侧壁的发光二极管14，以及散热鳍片19，所述的发光二极管14发出的光线会经反射罩16的曲面底部反射产生平行光线；由于发光二极管14是平放在反射罩16内部的侧壁上，其发光角度范围仅有一小部份可被反射罩16反射产生平行光，至于其它发光角度范围的光线，部份是以非需求的光线角度散射出反射罩16，另有部分光线则在反射罩16内部多次反射而无法射出，因此，其出光效率不佳，且无法产生高准直性的平行光线，而上述问题虽可经由改变反射罩16设计而获得改善，但其设计难度极高且能获致的改善空间并不高。

请参阅图4所示，美国专利5838247号“Solid state light system”，所述的专利所揭露的灯具40，其包括复数倾斜设置的发光二极管12、一具有倾斜角度A的反射机构44所构成，所述的反射机构44可为圆锥状或角锥状，凭借发光二极管12与反射机构44两者倾斜角度相互配合，可形成平行在轴向36的反射光，如此提高出光效率，惟其缺点在于所述的反射机构44是为一平面，并无法与发光二极管12的发光角度准确配合，因此仍无法使所有反射光完全平行在轴向36射出，再者，为配合反射机构44的倾斜度，必须设置大量的发光二极管12，不仅成本高、浪费能源，且导致灯具的体积极为庞大，而其灯具的外型也固定无变化性。

发明内容

有鉴于现有技术的缺失，本发明的主要目的在于，提出一种反射式投光装置，将几何反射曲面转换为等效反射面，并配合控制发光角度的光源，可产生高效率与高准直性平行光线。

本发明的次要目的在于，提出一种反射式投光装置，可提高出光效率。

本发明的另一目的在于，提出一种反射式投光装置，其反射导光罩的外型不受限制，具有可变化性。

本发明的又一目的在于，提出一种反射式投光装置，可避免眩光。

为达到上述目的，本发明提出一种反射式投光装置，其包含：

一导光罩，其具有一类菲涅尔(Fresnel)结构的反射面；

至少一光源，其出光方向与前述所述的反射面的类菲涅尔结构具有一定配合角度，可将反射光导向一定角度射出所述的导光罩，此配合角度是依据光反射原理，也即光投射角度等于光反射角度的原理而设计，是指能将光源的光投射到菲涅尔(Fresnel)结构的角度，例如若以等效抛物面的菲涅尔(Fresnel)结构实施时，光源放在等效抛物面的菲涅尔抛物面的焦距上，调整光源的投射配合角度，使光能投射到菲涅尔(Fresnel)结构上，达到反射光平行输出的目的。

较佳地，所述的复数光源分别与所述的反射面的类菲涅尔结构具有不同的配合角度，可产生至少一种角度的反射光射出所述的导光罩。

较佳地，所述的导光罩是由具有反光特性的材质构成。

较佳地，所述的导光罩之内侧壁设有反光层。

较佳地，所述的反光层是由铝或无电解镍等金属材质电镀形成。

较佳地，所述的类菲涅尔结构是为平面。

较佳地，所述的类菲涅尔结构是为曲面。

较佳地，所述的类菲涅尔结构是为平面与曲面的组合。

较佳地，所述的类菲涅尔结构是以环绕一中心的方式设置。

较佳地，所述的类菲涅尔(Fresnel)结构是以左右对称的方式设置。

较佳地，所述的类菲涅尔结构是以平行延伸的方式设置。

较佳地，所述的反射面的垂直剖面为左右对称的斜面，在所述的斜面上设有类菲涅尔结构。

较佳地，所述的反射面的垂直剖面为左右对称的曲面，在所述的曲面上设有类菲涅尔结构。

较佳地，所述的反射面的垂直剖面为左右对称的斜面与曲面的组合，在所述的斜面或曲面上设有类菲涅尔结构。

较佳地，所述的光源是为指向性光源。

较佳地，所述的光源为发光二极管。

较佳地，所述的导光罩包含：

一底部，是供设置所述的具有类菲涅尔结构的反射面；

至少一侧壁，是设置在前述底部的侧边，所述的侧壁是供设置光源。

较佳地，所述的侧壁是环绕所述的底部周围设置，使所述的导光罩具有一多边形***。

较佳地，所述的侧壁是环绕所述的底部周围设置为一封闭的圆环形，使所述的导光罩具有一圆柱形外形。

本发明凭借控制光源出光角度搭配类菲涅尔结构的出光方式，其具有以下优点：

光源所发出的所有光线可以完全经由导光罩所具有的类菲涅尔结构反射，可产生高准直性的平行光线。

光源所发出的所有光线可以完全经由导光罩所具有的类菲涅尔结构反射，具有良好的出光效率。

导光罩外型变化富弹性。

可避免产生眩光。

可缩小灯具体积。

附图说明

图1至图4是现有发光二极管照明装置或灯具专利的结构示意图；

图5是本发明第一较佳实施例的结构示意图；

图5A是抛物面镜反射光聚焦的示意图；

图6是本发明第二较佳实施例的结构示意图；

图7是本发明第三较佳实施例的结构示意图；

图8与图9是本发明两种不同立体实施结构示意图；

图10是本发明第四较佳实施例的结构示意图；

图11是本发明第五较佳实施例的结构示意图；

图12A、图12B、图12C是显示距离仿真灯具不同距离时的照度分布图。

附图标记说明：10、110、110a、110b、210、310、410-导光罩；11、111、111a、111b、211、411-底部；12、112、112a、112b、212、312、412a～412c-出光口；13、113、113a、113b、213、413-侧壁；20、20a～20d-光源；30、30a～30d-类菲涅尔结构；31、31a～31c-反射面；214、215、40-曲面延伸方向；Lc-轴向；L1、L1a～L1c-射出光；L2、L2a～L2d-反射光；θ、θa～θc-角度。

具体实施方式

以下将参照随附的图式来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效。

请参阅图5所示，本发明提供的一种反射式投光装置，其包含一导光罩10以及至少一光源20，所述的导光罩10是由具有反光特性的材质构成，在所述的导光罩10之内侧壁可设置反光层(图中未示出)以提高光反射率，所述的反光层的材质可采用现有应用在平面显示器的反射型扩散膜片，或可由铝或无电解镍等金属材质电镀形成，所述的光源20是以采用具有一定出光角度的指向性光源为佳，例如发光二极管，所述的导光罩10具有一底部11与至少一出光口12，本发明的一特征在于，所述的导光罩10的底部11设置有类菲涅尔(Fresnel)结构30，所述的类菲涅尔结构30是由复数反射面31构成而呈现锯齿状，所述的反射面31可为平面也可为具有曲度的曲面，且各反射面31可为具有不同角度的平面或不同曲度的曲面，将所述的光源20倾斜一角度θ设置在所述的出光口12***的导光罩10的侧壁13上缘，使光源20具有一定的出光角度，所述的类菲涅尔结构30的每一反射面31搭配光源20的出光角度，可使光源20投射至类菲涅尔结构30上的射出光L1完全形成与轴向Lc平行的反射光L2射出所述的导光罩10，使达到最佳的出光效率。

前述光源20与所述的类菲涅尔结构30的每一反射面31的配合角度(也就是所说的入射角度)，是依据光反射原理，也即光投射角度等于光反射角度的原理而设计，再者，如图5A所示，当一平行在主轴的近轴光线(paraxialrays)Ra入射在凹面抛物面镜Pa上，反射后必通过焦点F，换言的，平行主轴的光均可聚在焦点上，根据上述原理，可撷取抛物面镜曲率，并利用Matlab(MatrixLaboratory)数学计算软件将其转换为等效平板菱镜(prism)，也即本发明的菲涅尔(Fresnel)结构，其型态可参考图5所示所述的类菲涅尔结构30；据此，若以等效抛物面的菲涅尔(Fresnel)结构实施时，将光源20放在所述的类菲涅尔结构30呈抛物面的反射面31的焦距上，调整光源20的投射配合角度，使光源20投射到反射面31上，即可达到反射光平行输出的目的。

至于所述的光源20的设置位置则是依出光口12位置以及类菲涅尔结构30结构而定，并不限于图示导光罩10的侧壁13上缘，而所述的导光罩10结构也会根据光源20与类菲涅尔结构30设置位置的改变而不同，此处所示导光罩10的结构仅供说明而已。

在此简要说明菲涅尔(Fresnel)透镜的结构，其是为一种具有平凸或平凹透镜收敛或发散光线透性的光学组件，表面形成如锯齿形的同心环，其原理是将传统的球面或非球面镜片的曲面分割成许多同心环，再将每一同心环移至同一平面上而形成，若平移延伸，则可在平面上形成平行的锯齿行列，其最主要优点在于具有良好的聚焦能力，故被广泛应用在光学仪器上；本发明根据上述菲涅尔透镜的聚焦原理发展出『类菲涅尔(Fresnel)结构』，配合发光二极管出光角度，将其应用在发光二极管灯具，可提高发光二极管灯具的出光效率。

以图5所示实施例的反射原理为基础，可衍生如图6所示结构，所述的导光罩110具有一底部111与出光口112，以轴向Lc为中心轴，设置类菲涅尔结构30、30a与光源20、20a，所述的轴向Lc右侧的光源20与类菲涅尔结构30的配合方式与图5所示实施例相同，其可产生一与轴向Lc平行的反射光L2，调整所述的光源20a与类菲涅尔结构30a的反射面31a配合，倾斜一角度θa设置在所述的出光口112***的所述的导光罩110的侧壁113上缘，所述的光源20a的射出光L1a投射在反射面31a后所产生的反射光L2a的方向与轴向Lc平行，换言的，不同角度或位置的光源20、20a均可凭借与不同结构的类菲涅尔结构30、30a配合，而将反射光L2、L2a朝向同一出光口112射出所述的光罩110，使达到最佳出光效率；同理，当所述的类菲涅尔结构30、30a的结构相同，光源20、20a的倾斜角度θ、θa相同时，自然也可产生与轴向Lc平行的反射光L2、L2a。

以图6所示实施例的反射原理为基础，可衍生如图7所示结构，所述的导光罩210具有一底部211与出光口212，以轴向Lc为中心轴设置类菲涅尔结构30b、30c，本实施例的特点在于所述的类菲涅尔结构30b、30c是设置在一曲面214、215上，且是由复数反射面31b、31c构成而呈现锯齿状，配合所述的反射面31b、31c的方向，将光源20b、20c倾斜不同角度θb、θc设置在所述的出光口212***的所述的导光罩210的侧壁213上缘，同样地，光源20b、20c的射出光L1b、L1c投射在类菲涅尔结构30b、30c的反射面31b、31c后，可产生与轴向Lc平行的反射光L2b、L2c，朝向同一出光口212射出所述的光罩210；当然，若所述的类菲涅尔结构30b、30c的结构相同、所述的曲面214、215的曲度相同，且所述的光源20b、20c的倾斜角度θb、θc相同时，自然可产生与轴向Lc平行的反射光L2b、L2c，其原理与前述各不同实施例相同，在此不予赘述。

请续参阅图8与图9所示，其分别显示依据图6所示导光罩110实施例所衍生的两种不同立体态样，如图8所示，所述的导光罩110a呈立体长矩形，具有一底部111a与一出光口112a，在所述的出光口112a外部设有对称的两侧壁113a，光源20、20a则设置在所述的两侧壁113a的上缘，所述的光源20、20a分别具有一倾斜角度θ、θa配合设置在所述的底部111a的类菲涅尔结构30d(图中虚线示意处)，至于所述的类菲涅尔结构30d的构造则可依所需设置如图5至图7所示的类菲涅尔结构30、30a～30c，以平行所述的光源20、20a设置的延伸方向A，呈平行条列状设置在所述的底部111a。

如图9所示，所述的导光罩110b呈立体圆柱形(图中是显示其轴断面)，其具有一底部111b与环绕中心轴Lc的侧壁113b，在所述的环绕的侧壁113b中央形成一出光口112b，同样地，所述的光源20配合设置在所述的底部111b的类菲涅尔结构(图中未示出)，具有一倾斜角度θ设置在所述的侧壁113b的上缘，至于所述的类菲涅尔结构的构造则可依所需设置如图5至图7所示的类菲涅尔结构30、30a～30c，且是以环绕中心轴Lc呈环状的方式设置在所述的底部111b。

根据上述不同实施例可知，本发明的特征在于，无论类菲涅尔结构为何种态样，只要光源具有与类菲涅尔结构配合的发光角度，即可产生所需的反射光方向，可将不同位置光源调整具有相同发光角度，或将不同发光角度光源配合不同反射面的类菲涅尔结构，均可产生单一方向、高效率且高准直性的平行光线。

据此，请参阅图10与图11所示不同组合实施例，如图10所示，其是结合图5与图7的结构，在导光罩310内设置不同结构的类菲涅尔结构30、30c，配合相对应的光源20、20c，即可形成朝向同一出光口312射出的反射光L2、L2c；再如图11所示所述的导光罩410具有多层侧壁413，形成不同的出光口412a～412c，所述的侧壁413可提供设置不同角度的光源20a～20d，配合不同结构的类菲涅尔结构30a～30c或几何曲面40，并能获致平行的反射光L2a～L2d，使形成单一光束射出所述的导光罩410，同理，若改变光源20a～20d的出光方向，配合不同结构的类菲涅尔结构30a～30c，则可产生复数的不同角度的反射光射出所述的导光罩。

另必须强调说明的是，关于上述本发明不同较佳实施例结构，是经发明人凭借专业软件***实其确实具有可行性；已知市面上有许多光学照明仿真分析程序与软件，例如Photopia、OptiBPM、OSLO等等，其中，Photopia是为一种照明灯具设计所广泛应用的光度分析程序，可提供操作者根据实体原型作出虚拟灯具，透过计算机塑型测试多种设计可能，不必重新制作模型，可为非影像光学设计作出综合性效能评估，评估灯具效能；如图12A～图12C所示，其分别显示距离仿真灯具600mm、700mm、800mm三种不同距离时的感光屏幕(detector)照度分布图，其是设定一直径290mm，焦距100mm的抛物面镜，利用撷取抛物面镜的曲率等效成一平板齿型反射罩，来得到轻小薄型化的优势，由图面可知，在距离灯具出光600mm～800mm的照度分布图都约为直径250mm，由此模拟结果可预估光线为一准直出射光。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (20)

1、一种反射式投光装置，其特征在于：其包含：

一导光罩，其具有一底部以及至少一出光口，所述的底部是供设置至少一类菲涅尔结构的反射面，在所述的出光口的***形成所述的导光罩的侧壁；

至少一指向光源，是设置在前述导光罩的侧壁。其出光方向与前述所述的反射面的类菲涅尔结构具有一定的配合角度，将反射光导向一定角度射出所述的导光罩。

2、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的指向性光源为复数个，所述的复数光源出光方向分别与所述的类菲涅尔结构具有不同的配合角度，产生至少一种角度的反射光射出所述的导光罩。

3、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的指向性光源为复数不同出光角度的光源，所述的底部上设置复数不同结构的类菲涅尔结构，产生复数不同角度的反射光射出所述的导光罩。

4、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的导光罩是由具有反光特性的材质构成。

5、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的导光罩之内侧壁设有反光层。

6、如权利要求5所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的反光层是为反射型的扩散膜片。

7、如权利要求5所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的反光层是由铝或无电解镍金属材质电镀形成。

8、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的类菲涅尔结构是为平面。

9、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的类菲涅尔结构是为曲面。

10、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的类菲涅尔结构是为平面与曲面的组合。

11、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的类菲涅尔结构是以环绕一中心的方式设置。

12、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的类菲涅尔结构是以左右对称的方式设置。

13、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的类菲涅尔结构是以平行延伸的方式设置。

14、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的反射面的垂直剖面为左右对称的斜面，在所述的斜面上设有类菲涅尔结构。

15、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的反射面的垂直剖面为左右对称的曲面，在所述的曲面上设有类菲涅尔结构。

16、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的反射面的垂直剖面为左右对称的斜面与曲面的组合，在所述的斜面或曲面上设有类菲涅尔结构。

17、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的指向性光源为发光二极管。

18、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的侧壁是环绕所述的底部周围设置，使所述的导光罩具有一多边形***。

19、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的侧壁是环绕所述的底部周围设置为一封闭的圆环形，使所述的导光罩具有一圆柱形外形。

20、如权利要求1所述的反射式投光装置，其特征在于：所述的导光罩具有复数侧壁以形成复数的出光口。

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