TW201506453A - 透鏡及使用該透鏡的光源裝置 - Google Patents

透鏡及使用該透鏡的光源裝置 Download PDF

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Abstract

一種透鏡，該透鏡包括第一透鏡以及與該第一透鏡配合的第二透鏡，該第一透鏡包括入光面以及與該入光面相對的出光面，所述第一透鏡具有一凹槽，該凹槽自第一透鏡的出光面中部朝向第一透鏡內部凹陷，該第二透鏡設置於該第一透鏡的凹槽內，所述第二透鏡包括與第一透鏡出光面貼合的入光面及與該入光面相對的出光面，該第二透鏡的折射率小於第一透鏡的折射率。本發明還涉及一種使用該透鏡的光源裝置。

Description

透鏡及使用該透鏡的光源裝置
本發明涉及一種透鏡及使用該透鏡的光源裝置。
發光二極體（light emitting diode，LED）作為一種高效的發光源，具有環保、省電、壽命長等諸多特點已經被廣泛的運用於各種領域，特別係背光照明領域。在背光照明領域，為了均勻光線，LED光源通常會搭配擴散透鏡使用，使LED光源的光線能以較大角度出射，從而達到大面積照明的效果。
然，在使用時該LED光源發出的光線經過透鏡的擴散之後，由於光線在LED光源的光軸附近比較集中，有時並不能完全消除光場中央的亮點以及光場邊緣出現黃暈的現象，不利於背光照明。
有鑒於此，有必要提供一種能夠使得光源裝置出光均勻的透鏡及使用該透鏡的光源裝置。
一種透鏡，該透鏡包括第一透鏡以及與該第一透鏡配合的第二透鏡，該第一透鏡包括入光面以及與該入光面相對的出光面，所述第一透鏡具有一凹槽，該凹槽自第一透鏡的出光面中部朝向第一透鏡內部凹陷，該第二透鏡設置於該第一透鏡的凹槽內，所述第二透鏡包括與第一透鏡出光面貼合的入光面及與該入光面相對的出光面，該第二透鏡的折射率小於第一透鏡的折射率。
一種光源裝置，包括至少一LED光源及與該至少一LED光源對應設置的至少一透鏡，每一透鏡包括第一透鏡以及與該第一透鏡配合的第二透鏡，該第一透鏡包括入光面以及與該入光面相對的出光面，所述第一透鏡具有一凹槽，該凹槽自第一透鏡的出光面中部朝向第一透鏡內部凹陷，該第二透鏡設置於該第一透鏡的凹槽內，所述第二透鏡包括與第一透鏡出光面貼合的入光面及與該入光面相對的出光面，該第二透鏡的折射率小於第一透鏡的折射率，每一LED光源與對應透鏡的第一透鏡的入光面正對設置。
與習知技藝相比，本發明中該透鏡包括第一透鏡以及與該第一透鏡配合的第二透鏡，該第一透鏡具有凹槽，該第二透鏡設置於該第一透鏡的凹槽內，該第一透鏡的折射率小於第二透鏡的折射率，使得光源發出的光線經過透鏡散射後兩側光強增強、中心光強被削弱，從而形成均勻的光場分佈，有效消除光場中央形成的亮點及光場邊緣的黃暈。
1‧‧‧透鏡
2‧‧‧第一透鏡
3‧‧‧第二透鏡
4‧‧‧LED光源
10、20‧‧‧光源裝置
21、31‧‧‧出光面
24‧‧‧安裝面
25、30‧‧‧入光面
26‧‧‧凹槽
27‧‧‧容置空間
33‧‧‧散射粒子
34‧‧‧微型凹槽
211‧‧‧出光曲面
212‧‧‧柱面
圖1係本發明第一實施例的透鏡的立體結構示意圖。
圖2係圖1所示透鏡的倒置立體結構示意圖。
圖3係圖1所示透鏡沿III-III線方向的剖視示意圖。
圖4係使用本發明第一實施例的透鏡的光源裝置的剖面示意圖。
圖5係習知技藝中一光源裝置的光強分佈曲線示意圖。
圖6係圖4中所示光源裝置的光強分佈曲線示意圖。
圖7係使用本發明第二實施例的透鏡的光源裝置的剖面示意圖。
請參閱圖1至圖3，本發明第一實施例的透鏡1包括第一透鏡2以及與該第一透鏡2配合的第二透鏡3，該第一透鏡2包括一入光面25以及與該入光面25相對設置的出光面21。該第一透鏡2具有一凹槽26，該凹槽26自該第一透鏡2的出光面21中央朝向該第一透鏡2的內部凹陷。該第二透鏡3位於該第一透鏡2的凹槽26內。
該第二透鏡3的折射率小於第一透鏡2的折射率。該第二透鏡3包括與第一透鏡2出光面21貼合的入光面30以及與該入光面30相對的出光面31。
該第一透鏡2還包括一連接該入光面25與出光面21的安裝面24。該第一透鏡2的安裝面24呈環形，該第一透鏡2的入光面25位於該安裝面24的中央並朝向該第一透鏡2內部凹陷。
該第一透鏡2的出光面21包括自該安裝面24的外周緣垂直向上延伸的柱面212及由該柱面212頂部周緣向內彎曲延伸的出光曲面211。該第一透鏡2的凹槽26位於該第一透鏡2的出光曲面211的中央。該第二透鏡3入光面30緊密貼合於該第一透鏡2的出光曲面211上。
該第一透鏡2的出光面21係一外凸的曲面。該第一透鏡2的入光面25係一內凹的曲面。該第一透鏡2的入光面25和出光面21均係軸對稱面。在本實施例中，該第一透鏡2的入光面25和出光面21均關於同一中心軸X對稱（即光入光面25和出光面21的中心軸重合）。該第一透鏡2的入光面25係一橢球面，該入光面25的長軸位於中心軸X上。在其他實施例中，該第一透鏡2的入光面25可以係球面或者抛物面。
該第一透鏡2的出光面21與第一透鏡2的入光面25之間的距離自第一透鏡2的出光面21的外周緣朝向該出光面21的中央先逐漸增加後逐漸減小，即該第一透鏡2的出光面21與該第一透鏡2的入光面25之間的距離自第一透鏡2的出光面21的柱面212朝向第一透鏡2的出光面21的出光曲面211中央先增加後減小。
該第二透鏡3覆蓋該第一透鏡2的出光面21的出光曲面211的部分。該第二透鏡3的形狀與該第一透鏡2的凹槽26的形狀相匹配。該第二透鏡3的形狀大致呈倒錐形。該第二透鏡3的出光面31與該第一透鏡2的出光曲面211的頂部平齊。該第二透鏡3的厚度自該第一透鏡2的出光面21的中央朝向出光面21的外周緣逐漸遞減。具體地，該第二透鏡3的厚度自該第一透鏡2的出光面21的出光曲面211中央朝向該第一透鏡2的出光面21的柱面212逐漸遞減，即該第二透鏡3的厚度沿垂直於中心軸X的徑向向外逐漸遞減。
該第一透鏡2的材質可係PC塑膠（聚碳酸酯）、PS塑膠（聚苯乙烯）或MS 樹脂（甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯），其折射率介於1.57~1.59。該第二透鏡3的材質PMMA塑膠（聚丙烯酸甲酯）或silicon塑膠（有機矽塑膠），其折射率介於1.41~1.49。
該第二透鏡3的成型方式如下：首先將原料（PMMA塑膠或silicon塑膠）填充於該第一透鏡2的凹槽26內直至填滿整個凹槽26，接著對原料進行擠壓以使得該原料頂部與第一透鏡2的出光面21的頂部平齊，最後對原料進行UV（紫外光）固化以形成第二透鏡3。採用這種填平方式來形成第二透鏡3能有效提升該第二透鏡3與第一透鏡2的密合度；且由於該第二透鏡3的折射率小於該第一透鏡2的折射率，光線經過該透鏡1折射後所形成的光場分佈中，光場中間區域的光分佈能得到有效的改善而變得更加的均勻。
請參閱圖4，本發明第一實施例的光源裝置10包括一透鏡1及面向該透鏡1的入光面25設置的LED光源4。該透鏡1的第一透鏡2的入光面25與第一透鏡2的環形的安裝面24共同圍設出一收容該LED光源4的容置空間27。該LED光源4收容於該容置空間27內。該LED光源4的光軸與該透鏡1的第一透鏡2的出光面21和該第一透鏡2的入光面25的中心軸X相重合。
該LED光源4發出的光線經過該透鏡1的第一透鏡2的入光面25折射進入第一透鏡2，其中射入該第一透鏡2內的大部分光線經過第一透鏡2的出光曲面211折射後進入到該透鏡1的第二透鏡3中並穿過該第二透鏡3折射入空氣中，而射入該透鏡1的第一透鏡2內的少部分光線則經過該第一透鏡2的柱面212折射進入空氣中。
LED光源4發出的光線m折射進入該透鏡1的第一透鏡2並朝向該透鏡1的第二透鏡3傳播時，由於該第一透鏡2的折射率較該第二透鏡3的折射率大，光線m容易在第一透鏡2與第二透鏡3的介面上發生全反射而被限制在第一透鏡2內。具體來說，在本實施例中該第一透鏡2的折射率係1.57，該第二透鏡3的折射率係1.49，則光線m在第一透鏡2與第二透鏡3的介面上的全反射臨界角θ0=71.63度；而當光線m在第一透鏡2與空氣的介面上的全反射臨界角θ1=39.57度。
由於該第二透鏡3呈倒錐形，LED光源4發出的光線m在第一透鏡2與第二透鏡3的介面上的入射角度θ隨著光線m與中心軸X的夾角的增加而逐漸增加，即該光線m在第一透鏡2與第二透鏡3的介面上的入射角度θ沿垂直於該LED光源4的光軸（該第一透鏡2的中心軸X）的徑向向外逐漸增加。且該第二透鏡3的周緣與LED光源4的出光面中心連線的夾角大於LED光源4發出的光線m在第一透鏡2與空氣的介面上的全反射臨界角度θ1。
當第一透鏡2的凹槽26中未設置第二透鏡3時，第一透鏡2內射向該出光曲面211的光線中入射角大於θ1的光線被全反射回到第一透鏡2的內部，使得從第二透鏡3兩側出射的光線變少，光線取出效率（light extraction efficiency）變低。當第一透鏡2的凹槽26中設置了該第二透鏡3後，光線m在第一透鏡2與第二透鏡3的介面上的全反射臨界角θ0係71.63度，與第一透鏡2的凹槽26中未設置第二透鏡3時相比，該第一透鏡2的凹槽26中設置第二透鏡3後使得經過第二透鏡3兩側出射的光線增多，即位於θ1=39.57度至θ0=71.63度之間的光線從該透鏡1的第一透鏡2折射進入至該透鏡1的第二透鏡3中，光線取出（light extraction）效率變高。
同時，與第一透鏡2的凹槽26中未設置第二透鏡3時相比，該第一透鏡2的凹槽26中設置第二透鏡3後由第一透鏡2的出光曲面211中央折射進入第二透鏡3中央（中心軸X附近區域）的光線並未減少，這係因為該等光線均位於全反射臨界角θ1內，故該等光線均由第一透鏡2的出光曲面211的中央折射進入第二透鏡3。但由於該第二透鏡3的厚度自該第一透鏡2的出光面21的中央朝向出光面21的外周緣逐漸遞減，這會阻擋部分從第一透鏡2的出光曲面211中央折射進入該第二透鏡3中央的光線，使得經過第二透鏡3中央出射的光線減少、光強被部分削弱。
請參閱圖5和圖6，從圖5中可以看出在第一透鏡2的凹槽26未設置該第二透鏡3時，LED光源4發出的光線經過第一透鏡2折射後形成的光場分佈中，光場中心（中心軸X附近區域）的光強比較強，而位於光場兩側的光強較弱。從圖6可以看出在第一透鏡2的凹槽26設置該第二透鏡3後，LED光源4發出的光線經過透鏡1折射後，透鏡1兩側的光強變強，而透鏡1中心的光強變弱，從而使得LED光源4射入透鏡1的光線從透鏡1出射後形成均勻的光場分佈，有效消除光場中央形成的亮點及光場邊緣的黃暈。
請參閱圖7，與圖4所述的光源裝置10不同之處在於，本發明第二實施例的光源裝置20中，該透鏡1的第二透鏡3中摻雜有散射粒子33以增強光線的散射效果。在本實施例中，該散射粒子33係螢光粉顆粒，該螢光粉顆粒用於散射和轉換LED光源4發出的光線。當該LED光源4發出藍光時，該螢光粉顆粒較佳係黃色螢光粉用以將部分藍光轉換係黃光並與剩餘藍光混合後形成白光。
進一步地，該透鏡1的第二透鏡3的頂部經過霧化處理以散射射向該第二透鏡3的光線，在本實施例中，經過霧化處理的第二透鏡3的頂部形成複數微米尺寸大小的微型凹槽34以增強光線散射效果。在其他實施例中，可以選擇蝕刻或光刻的方式在第二透鏡3的頂部形成複數微米尺寸大小的小孔或凸起以增強光線散射效果。
無
1‧‧‧透鏡
2‧‧‧第一透鏡
3‧‧‧第二透鏡
4‧‧‧LED光源
10‧‧‧光源裝置
21‧‧‧出光面
24‧‧‧安裝面
25‧‧‧入光面
26‧‧‧凹槽
27‧‧‧容置空間
211‧‧‧出光曲面
212‧‧‧柱面

Claims (10)

  1. 一種透鏡，該透鏡包括第一透鏡以及與該第一透鏡配合的第二透鏡，該第一透鏡包括入光面以及與該入光面相對的出光面，其改良在於：所述第一透鏡具有一凹槽，該凹槽自第一透鏡的出光面中部朝向第一透鏡內部凹陷，該第二透鏡設置於該第一透鏡的凹槽內，所述第二透鏡包括與第一透鏡出光面貼合的入光面及與該入光面相對的出光面，該第二透鏡的折射率小於第一透鏡的折射率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡，其中該第一透鏡的出光面係一外凸的曲面，該第一透鏡的入光面係一內凹的曲面，該第一透鏡的出光面和第一透鏡的入光面均係軸對稱面。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡，其中所述第一透鏡還包括一連接該第一透鏡的入光面與出光面的環形的安裝面，該第一透鏡的入光面位於環形安裝面的中央並朝向第一透鏡內部凹陷。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡，其中該第一透鏡的出光面與入光面之間的距離自出光面的周緣朝向出光面中央先增加後減小。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡，其中所述第二透鏡的出光面與該第一透鏡的出光面頂部平齊。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的透鏡，其中所述第二透鏡的厚度自該第一透鏡的出光面中部朝向第一透鏡的出光面周緣逐漸遞減。
  7. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡，其中所述第二透鏡中進一步包含有螢光粉顆粒。
  8. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡，其中所述第二透鏡的出光面經過霧化處理以散射射向該第二透鏡的光線。
  9. 如申請專利範圍第3項所述的透鏡，其中該第一透鏡的出光面包括自該第一透鏡的安裝面外周緣垂直向上延伸的柱面以及由該柱面頂部周緣向內彎曲延伸的出光曲面，該凹槽位於該第一透鏡的出光面的出光曲面中央。
  10. 一種光源裝置，包括至少一LED光源及與該至少一LED光源對應設置的至少一透鏡，其改良在於：所述透鏡係如申請專利範圍第2至9項中任一項所述的透鏡，每一LED光源與對應透鏡的第一透鏡的入光面正對設置。
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