CN103363335A - 发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发光装置，其包括一导光柱以及多个光源。导光柱包括一反射层、一出光面以及一入光面，其中出光面相对于反射层，入光面连接反射层以及出光面。多个光源位于入光面旁，其中每一光源包括一发光二极管以及一透镜。透镜位于发光二极管与导光柱之间，其中透镜由二平坦部以及二弧面部所构成以环绕一出光轴线，二平坦部彼此相对且二弧面部彼此相对，二平坦部彼此邻接而于交界处构成一对齐出光轴线的棱线，透镜的二平坦部以棱线为基准分别面向反射层与出光面，使发光二极管所提供的部分光线经由透镜的二平坦部分别朝向反射层与出光面。

Description

发光装置

技术领域

本发明是有关于一种发光装置，且特别是有关于一种具有可收敛出光角度的透镜的发光装置。

背景技术

发光二极管(LED)属于半导体元件，其寿命长达十万小时以上，且无须暖灯时间(idling time)。此外，发光二极管还具有反应速度快(约为10-9秒)、体积小、用电省、污染低、高可靠度、适合量产等优点，所以发光二极管所能应用的领域十分广泛，如大型看板、交通信号灯、手机、扫描仪、传真机的光源以及照明装置等。

由于发光二极管的发光亮度与发光效率持续地提升，同时白光的发光二极管也被成功地量产，所以逐渐有发光二极管被使用作为照明用途。然而，对于照明用的光源或是作为显示器用的光源而言，往往为了满足更高亮度的需求，而在发光装置中设置多个发光二极管，以提供足够的亮度。

图1为现有一种具有多个光源的发光装置示意图，虽然组合使用多个光源可以增加发光装置的整体亮度，但是，现有发光装置100中，这些光源120自导光柱110的入光面110a入射后容易直接自导光柱110的顶面110b或自底面110c反射后直接自导光柱110顶面110b的前端110f出射，而无法被有效利用，并造成漏光问题。因此，现有发光装置100具有光线利用率低的问题。

发明内容

本发明提供一种发光装置，可有效利用光源所提供的光线，提高光利用率及出光均匀度。

本发明提出一种发光装置，其包括一导光柱以及多个光源。导光柱包括一反射层、一出光面以及一入光面，其中出光面相对于反射层，入光面连接反射层以及出光面。多个光源位于入光面旁，其中每一光源包括一发光二极管以及一透镜。透镜位于发光二极管与导光柱之间，其中透镜由二平坦部以及二弧面部所构成以环绕一出光轴线，二平坦部彼此相对且二弧面部彼此相对，二平坦部彼此邻接而在交界处构成一对齐出光轴线的棱线，二平坦部以棱线为基准分别面向反射层与出光面，使发光二极管所提供的部分光线经由透镜的二平坦部分别朝向反射层与出光面。

在本发明的一实施例中，在上述的每一透镜中，二平坦部在交界处形成一夹角θ，而夹角θ例如介于90度至120度之间。

在本发明的一实施例中，在上述的每一透镜中，二平坦部其中一者与反射层位于出光轴线的同一侧，且二平坦部另一者与出光面位于出光轴线的同一侧。

在本发明的一实施例中，在上述的每一透镜的二平坦部其中一者在沿着导光柱轴向的剖面上与反射层对齐，而二平坦部另一者在沿着导光柱轴向的剖面上与出光面对齐。

在本发明的一实施例中，在上述的每一透镜的二弧面部分别邻接于二平坦部之间，且二弧面部在沿着导光柱的轴向上分别位于反射层的两侧的出光面侧面对齐。

在本发明的一实施例中，在上述的每一透镜中，面向反射层的二平坦部其中之一的法向量与反射层之间的夹角介于45度至60度之间。

在本发明的一实施例中，在上述的每一透镜中，远离反射层的二平坦部其中之一的法向量与出光面之间的夹角介于45度至60度之间。

在本发明的一实施例中，上述的光源的配置范围小于入光面的面积，且光源的位置中心与导光柱的轴线对齐。

在本发明的一实施例中，在上述的每一透镜中，透镜具有一底面，二平坦部与二弧面部分别自棱线延伸至底面，且发光二极管位于底面的中心上。

在本发明的一实施例中，上述的入光面位于导光柱的端部，出光面位于导光柱的圆周面上，且圆周面具有一平行导光柱轴线的平面，反射层位于平面上构成反射平面。

基于上述，本发明的发光装置中，在光源面向导光柱的透镜上设置两个彼此相对且在交界处形成棱线的二平坦部，而在透镜的其余部分设计为二弧面部。并且此二平坦部是以棱线为基准分别面向反射层与出光面，藉此二平坦部可以有效地收敛发光二极管射向反射层与出光面的光线的出光角度，使得朝向反射层以及出光层的光线可以有效地在导光柱中进行全反射并轴向传递，进而有助于提高发光装置的发光均匀度及利用率。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为一种现有具有多个光源的发光装置示意图；

图2为本发明的一实施例的发光装置的***示意图；

图3A为本发明的一实施例中沿图2纵方向的剖面示意图；

图3B为本发明的一实施例中自沿图2的导光柱出光面的一侧透过导光柱透视底部反射层的发光装置的俯视透视图；

图4为本发明的发光装置自导光柱端面观察的侧视图；

图5为本发明的发光装置的光路示意图；

图6为本发明的发光装置中光源的照度分布示意图；

图7A为现有发光装置的照度分布示意图，而图7B为对应图7A的线段B1所绘的照度分布示意图；

图8A为本发明一实施例的照明装置的照度分布示意图，而图8B为对应图8A的线段B2所绘的照度分布示意图。

附图标记说明：

200：发光装置；

210：导光柱；

220：光源；

210R：反光层；

210E：出光面；

210I：入光面；

212：圆周面；

212F：平面；

214：端部；

222：发光二极管；

224：透镜；

224A：弧面部；

224B：底面；

224F：平坦部；

A1：轴线；

A2：出光轴线；

D1：纵方向；

D2：横方向；

V：棱线；

RA-RC：区域；

B1-B2：线段。

具体实施方式

图2为本发明的一实施例的发光装置的***示意图。请参照图2，发光装置200包括一导光柱210以及多个光源220，其中这些光源220位于该导光柱210的入光面210I旁，而每一光源220包括一发光二极管222以及一透镜224，如图2所示，发光二极管222、透镜224以及导光柱210例如依序排列于导光柱210的轴线A1上。在本实施例中，多个光源220在导光柱210端面的配置范围例如是小于入光面210I的面积，且多个光源220的位置中心与导光柱210的轴线A1对齐。

如图2所示，导光柱210包括反射层210R、出光面210E以及入光面210I。具体来说，本实施例的导光柱210例如为一高远大于其截面积的圆柱，而包括一圆周面212以及两端部214，其中入光面210I位于端部214，而光源220则放置在此端部214旁。此外，反射层210R与出光面210E则位于圆周面212。在本实施例中，圆周面212的部分圆周上具有一平行导光柱210轴线A1被削平的平面212F或者是曲面，反射层210R位于圆周面212的平面212F上，且其例如为白色油墨层所构成的一扩散式反射层210R，而导光柱210相对于反射层210R的另一部分的圆周面212则实质上为出光面210E。换言之，发光装置200是一种可提供线性光源的装置。

特别的是，本发明凭借在沿着导光柱210轴线A1上，使光源220的透镜224与导光柱210的反射层210R之间的相对位置及设置方向满足特定关系，藉此提高发光装置200整体的发光均匀度。更详细来说，为清楚说明，以下将导光柱210中沿其直径且通过反射层210R的剖面方向定义为纵方向D1，并将与纵方向D1垂直的方向定义为横方向D2，下文将辅以图3A的发光装置200沿纵方向D1的剖面示意图以及图3B的发光装置200的俯视透视图，来详细说明光源220的透镜224的设计以及其与导光柱210之间的关系。

图3A为为本发明的一实施例中沿图2纵方向的剖面示意图。如图2与图3A所示，各光源220中，发光二极管222所提供的光线在纵方向D1上的出光角度是根据透镜224的二平坦部224F来进行修正的。详言之，为了使各发光二极管222在纵方向D1所发出的光线在进入导光柱210前可先适度地被收敛，以避免入射导光柱210的出光面210E以及反射层210的光线随即出射的问题，发光装置200需将透镜224设置于发光二极管222及导光柱210之间，并使透镜在纵方向具有特定的结构。具体而言，透镜224由二平坦部224F以及二弧面部224A所构成以环绕一出光轴线A2，二平坦部224F彼此相对且二弧面部224A彼此相对，二平坦部224F彼此邻接而于交界处构成一对齐出光轴线A2的棱线V。换言之，若以出光轴线A2为轴，自透镜224的一面环绕该出光轴线A2依序为一平坦部224F、一弧面部224A、另一平坦部224F以及另一弧面部224A。并且，每一透镜224具有一底面224B，而二平坦部224F与二弧面部224A以棱线V为共同顶点而分别自棱线V延伸至底面224B。发光二极管222则位于底面224B的中心上。藉此，发光二极管222所发出的光线透镜224的底部入射，朝向由二平坦部224F以及二弧面部224A所构成的罩体出射，并自二平坦部224F以及二弧面部224A分别出射两组出光角度不同的光线进入导光柱210，例如光线经由二平坦部224F而在纵方向D1出射的出光角度将小于光线经由二弧面部224A而在横方向D2出射的出光角度。

此外，如图3A所示，在沿着导光柱210通过反射层210R的纵方向D1上，每一透镜224中的二平坦部224F是以棱线V为基准分别面向反射层210R与出光面210E，藉此，使发光二极管所提供的光线经由透镜224的二平坦部224F分别朝向反射层210R与出光面210E。如图3A所示，二平坦部224F其中一者与反射层210R位于出光轴线A2的同一侧，且二平坦部224F另一者与出光面210E位于出光轴线A2的同一侧。举例来说，每一透镜224中，二平坦部224F于棱线V的交界处形成一夹角θ，此夹角θ例如介于90度至120度之间。

换句话说，在每一透镜224中，与反射层210R位于出光轴线A2的同一侧的二平坦部224Fa是以其法向量N1射向反射层210R的方式来设置，而面向反射层210R的二平坦部224Fa的法向量N1与反射层210R之间的夹角θN1例如介于45度至60度之间。另一方面，与出光面210E位于出光轴线A2的同一侧的二平坦部224Fb是以其法向量N2射向相对于反射层210R的出光面210E的方式来设置的，而远离反射层210R的二平坦部224Fb的法向量N2与出光面210E之间的夹角θN2介于45度至60度之间。

凭借上述光源220的透镜224的设计以及与导光柱210相对位置的设置，本发明的发光装置200中，发光二极管222所发出的光线的出光角度可通过透镜224的二平坦部224F收敛后再进入导光柱210中，如此一来，当发光二极管222的设置位置太靠近导光柱210的周缘时，可避免发光二极管222的光线因入射角度过大而使得光线入射导光柱210后随即于界面出射而导致漏光的问题。换言之，二平坦部224F有助于收敛入射光的出光角度，使位于不同位置的多个发光二极管所发出的光线得以在导光柱210中顺利传递，藉此可提高出光均匀度。所以，具有二平坦部224F的透镜224的设置有助于提高发光装置200整体的出光均匀度及利用率。

图3B为本发明的一实施例中自沿图2的导光柱出光面的一侧透过导光柱透视底部反射层的发光装置的俯视透视图。如图3B所示，透镜224在面向反射层210R以及与其相对的出光面210E之处设置有彼此相对且一端相交成棱线V的二平坦部224F，以有效地收敛发光二极管222沿反射层210R剖面的出光角度。此外，透镜224在沿横方向D2上设置有二弧面部224A，且此二弧面部224A分别位于平坦部224的两侧，通过在横方向D2设置二弧面部224A，可以提升受到二平坦部224F收敛光型后而稍稍下降的发光效率。换言之，在横方向D2设置二弧面部224A可让收敛光的发光效率可以改善发光装置因二平坦部224F收敛光型后造成整体发光效率下降的趋势，而使得发光装置在光的均匀性以及整体发光效率之间取得较佳的平衡。

图4为本发明的发光装置自导光柱端面观察的侧视图。多个光源220整体的设置中心(例如图4中三角形的中心)是与导光柱210的轴线A1对准的。每一透镜224的二平坦部224F其中一者(如平坦部224Fa)在沿着导光柱210轴向的剖面上面向反射层210R，并与反射层210R对齐。另一方面，二平坦部224F另一者(如平坦部224Fb)在沿着导光柱210轴向的剖面上面向出光面210E，并与出光面210E对齐。如图4所示，每一透镜224的二弧面部224A是沿横方向D2设置并分别邻接于二平坦部224F之间，且二弧面部224A在沿着导光柱210的轴向的剖面上分别面向与反射层210R两侧相接的出光面210E侧面。

整体而言，如图4和图5所示，本发明的发光装置200凭借透镜224的二平坦部224F有助于将光源220的光线在进入导光柱210前进行适度的收敛，当发光装置200的入光面摆设多个光源220时，可以让不同位置的光源220所发出的光线顺利地进入导光柱210中，避免一入射导光板210随即出射的现象，避免于导光柱210前端漏光。

图6为本发明的发光装置中光源的照度分布示意图。如如图6与图2所示，曲线F为发光二极管222的光线经由透镜224的二平坦部224F后的出光光形分布图，而曲线A为发光二极管222的光线经由透镜224的二弧面部224A后的出光光形分布图。由图6的曲线A与曲线F可知，凭借发光二极管222所发出的光线通过透镜224的二平坦部224F，确实可将出光角度自较发散的曲线A收敛成出光角度较小的曲线F。

图7A为现有发光装置的照度分布示意图，而图7B为对应图7A的线段B1所绘的照度分布示意图，其中此现有发光装置的光源中不具有二平坦部及二弧面部的透镜。图8A为本发明一实施例的照明装置的照度分布示意图，而图8B为对应图8A的线段B2所绘的照度分布示意图。请同时参照图7A至图7B与图8A至图8B，图7A与图8A中，X轴与Y轴代表发光装置发光面的相对位置。而图7B与图8B中，其X轴代表相对位置(mm)，Y轴代表照度(cd)，各区域RA-RC分别代表不同的照度值，其中区域RC的照度大于区域RB的照度，且区域RB的照度大于区域RA的照度。比较图2、图7A与图8A可知，本发明的发光装置200的光源220中，凭借设置具有二平坦部224F及二弧面部224A的透镜224，并使二平坦部224F分别面向导光柱210的反射层210R以及相对于反射层210R的出光面210E，藉此可有效避免光线集中在导光柱210前端出射的问题，因此相较于现有发光装置200，本发明的发光装置200具有较均匀的照度。

并且，比较图7B与图8B可知，当照度均匀度定义为(照度最大值-照度最小值)/照度最大值时，图7B的现有发光装置200的照度均匀度为40.5％，而图8B的本实施例的发光装置200的照度均匀度为25.2％。因此，本实施例的发光装置200的均匀度(即照度最大值与最小值的差值较小)小于现有照明装置的均匀度(即照度最大值与最小值的差值较大)，本实施例的发光装置200的均匀度可提升现有照明装置的均匀度约15％以上。

综上所述，本发明的发光装置中，在光源面向导光柱的透镜上设置两个彼此相对且在交界处形成棱线的二平坦部，而在其余部分为二弧面部。通过在朝向导光柱的反射层以及出光面的两侧分别设置二平坦部，藉此二平坦部可以有效地收敛发光二极管在纵向的出光角度，使得朝向反射层以及出光层的光线可以有效地在导光柱里沿轴向传递，进而提高发光装置的发光均匀度及利用率。所以，本发明的发光装置具有理想的出光特性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种发光装置，其特征在于，包括：

一导光柱，包括一反射层、一出光面以及一入光面，其中该出光面相对于该反射层，该入光面连接该反射层以及该出光面；

多个光源，位于该入光面旁，其中每一光源包括：

一发光二极管；以及

一透镜，位于该发光二极管与该导光柱之间，其中该透镜由二平坦部以及二弧面部所构成以环绕一出光轴线，该二平坦部彼此相对且该二弧面部彼此相对，该二平坦部彼此邻接而在交界处构成一对齐该出光轴线的棱线，该二平坦部以该棱线为基准分别面向该反射层与该出光面，使该发光二极管所提供的部分光线经由该透镜的该二平坦部分别朝向该反射层与该出光面。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，在每一透镜中，该二平坦部在交界处形成一夹角θ，该夹角θ介于90度至120度之间。

3.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，在每一透镜中，该二平坦部其中一者与该反射层位于该出光轴线的同一侧，且该二平坦部另一者与出光面位于该出光轴线的同一侧。

4.根据权利要求3所述的发光装置，其特征在于，每一透镜的该二平坦部其中一者在沿着该导光柱轴向的剖面上与该反射层对齐，而该二平坦部另一者在沿着该导光柱轴向的剖面上与该出光面对齐。

5.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，每一透镜的该二弧面部分别邻接于该二平坦部之间，且该二弧面部在沿着该导光柱的轴向的剖面上分别与位于该反射层两侧的出光面侧面对齐。

6.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，在每一光源中，面向该反射层的该二平坦部其中之一的法向量与该反射层之间的夹角介于45度至60度之间。

7.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，在每一光源中，远离该反射层的该二平坦部其中之一的法向量与该出光面之间的夹角介于45度至60度之间。

8.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，该些光源的配置范围小于该入光面的面积，且该些光源的位置中心与该导光柱的轴线对齐。

9.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，在每一透镜中，该透镜具有一底面，该二平坦部与该二弧面部分别自该棱线延伸至该底面，且该发光二极管位于该底面的中心上。

10.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，该入光面位于该导光柱的端部，该出光面位于该导光柱的圆周面上，且该圆周面具有一平行于该导光柱轴线的平面，该反射层位于该平面上构成反射平面。

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