TW201523033A - 全向發光二極體透鏡 - Google Patents

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TW201523033A TW103135688A TW103135688A TW201523033A TW 201523033 A TW201523033 A TW 201523033A TW 103135688 A TW103135688 A TW 103135688A TW 103135688 A TW103135688 A TW 103135688A TW 201523033 A TW201523033 A TW 201523033A
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傑詹卓伯斯 琴奈
湯瑪斯 克利尼
湯瑪斯 奈普
班傑明 雅德
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Ｇｅ照明解決方案公司
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Abstract

提供全向透鏡，其具有：殼，具有閉合端及開放端；周圍地配置於殼上的小面系列；及，配置於閉合端上的同心小面系列。

Description

全向發光二極體透鏡
本發明大致上關於發光二極體(LED)燈。更特別地，本發明關於具有在漫射器內部的類菲涅耳(Fresnel)環式薄透鏡之全向LED燈。
目前，LED燈及燈泡正取代傳統的熾熱燈及其它型式的燈。傳統的熾熱燈(例如燈絲燈泡)產生全向發光強度分佈。相反地，LED光源產生藍伯(Lambertian)分佈，其中，光在一半球中發射，以及，發光強度隨著發射的光射相對於垂直於發光平面的軸之角度的餘弦函數而降低。現有的LED燈使用各種光件形狀以產生全向光。這些光件包含漫射器、透鏡、反射器、及其組合。光學效率是LED燈的重要設計考慮，特別是對於嘗試取得均勻光分佈之全向燈。一般而言，愈多的光學元件將增加損失並因而降低光學效率。目前的解決之道嘗試藉由使用龐大且昂貴之厚的全內反射(TIR)透鏡、薄的TIR碟片、厚透鏡內部反射器、及LED的側向定位，以取得全向光分佈。
基於上述缺陷，需要光學系統，所述光學系統在符合EPA建立的能源之星要求的全向LED燈中結合類似於菲涅耳透鏡之薄TIR環式透鏡、及漫射器。具體而言，燈應呈現從圍繞燈0至135度的範圍中25%寬容度之內均勻的光強度分佈。對於例如但不限於燭台燈等A19、A21或類似型式的燈配置，全向透鏡及漫射器系統應良好工作。最後，透鏡及漫射器系統應具有85%以上的光學效率之低光學損失。
本發明的實施例包含具有設有閉合端及開放端的殼之全向透鏡、周圍地配置於殼上的小面系列；及配置於閉合端之同心小面系列。
在另一說明的實施例中，提供全向透鏡，包含具有閉合端及開放端的殼，殼具有折射區、全內反射側區及全內反射頂部區；以及配置在殼內的光源。全向透鏡又包含周圍地配置於殼上的第一系列小面、周圍地配置於殼上的第二系列小面、及配置於封閉端上的同心小面系列。
在又另一實施例中，提供燈系統，其包含漫射器、配置在漫射器內的全向透鏡、及耦合至漫射器的散熱器。
某些實施例的具體實施包含全向透鏡，具有殼，殼設有閉合端及開放端；周圍地配置於殼上的第一系列小面、周圍地配置於殼上的第二系列小面、及配置於封閉端上的同心小面系列。
於下述中參考附圖，說明本發明的其他特點及優點、以及本發明的各式各樣實施例之結構及操作。注意，本發明不侷限於此處所述的具體實施例。此處僅為了說明而呈現這些實施例。根據此處的教示，習於此技藝者將清楚其它實施例。
100‧‧‧全向透鏡
105‧‧‧側壁
106‧‧‧內表面
110‧‧‧閉合端
111‧‧‧內表面
115‧‧‧開放端
120‧‧‧小面
130‧‧‧周圍地配置的小面
140‧‧‧同心配置的小面
200‧‧‧理想點光源
800‧‧‧小面
805‧‧‧頂表面
810‧‧‧外離面
900‧‧‧燈系統
905‧‧‧漫射器
910‧‧‧散熱器
併入於此且形成說明書的一部份之附圖解釋本發明，又與說明一起用以解釋本發明的原理以及使習於此技藝者能夠製作及使用本發明。
圖1顯示舉例說明的全向透鏡之側視圖。
圖2顯示圖1之舉例說明的全向透鏡之剖面內部視圖。
圖3顯示圖1-2的全向透鏡之立體底部剖視圖。
圖4是圖1-3的全向透鏡的頂部視圖。
圖5及6顯示舉例說明的光線軌跡圖。
圖7顯示圖1-4的全向透鏡100之側視圖，顯示透鏡細節及角度。
圖8顯示第一系列周圍地配置的小面之放大細部圖。
圖9顯示可與燈系統中圖1-4的全向透鏡一起實施之漫射器實施例。
圖10顯示舉例說明之歸一化強度分佈表。
雖然此處以用於特定應用之說明的實施例來說明本發明，但是，應瞭解本發明不侷限於此。在瞭解此處提供的教示時，習於此技藝者將可認知到本發明的範圍內及在本發明具有顯著用途的其它領域中之其它的修改、應用、及實施例。
圖1顯示舉例說明的全向透鏡100之側視圖，圖2顯示圖1之舉例說明的全向透鏡100之剖面內部視圖，以及，圖3顯示圖1-2的全向透鏡100之立體底部剖視圖。在一實施例中，全向透鏡100包含殼，殼是圓柱，圓柱具有側壁105、閉合圓形端110及開放端115，側壁105具有平滑內表面106，閉合圓形端110具有平滑內表面111。
全向透鏡100包含圖1及2中所示之薄的類菲涅耳環式透鏡配置作為圍繞側壁105之第一系列周圍地配置的小面120。全向透鏡100也包含圖1及2中所示之薄的折射環式透鏡配置作為圍繞側壁105之第二系列周圍地配置的小面130、以及開放端115，第二系列周圍地配置的小面130係相鄰於第一系列周圍地配置的小面120。在一實施例中，全向透鏡100又包含配置於閉合端110上之同心配置的小面140系列。圖4顯示圖1-3的全向透鏡100的頂部視圖，又顯示同心配置的小面140。
將瞭解，雖然以圓柱之全向透鏡100來說明此處所述的實施例，但是，全向透鏡100可為圓柱形、球形或這些形狀的組合。全向透鏡100也具有任意形狀的曲線幾何形 狀。
再參考圖2，為了說明而顯示理想的點光源200。將瞭解，如此處所述般，點光源係指單獨地用以簡化小面表現之理想光源。相反地，例如固態光源等任何非理想的光源未呈現此簡單的表現。因此，將瞭解，當使用真實光源時，設計成完全地控制來自點的光之小面允許某些未受控的光逃離小面。在設計處理期間，此表現上的差異必須被列入考慮，以確保當使用真實光源時，產生所需的強度分佈。如同此處所使用般，「固態光源」(或SSL光源)包含但不限於發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)、聚合物發光二極體(PLED)、雷射二極體、雷射、等等。
圖5顯示光線軌跡圖500，其顯示通過第一系列周圍地配置的小面120及第二系列周圍地配置的小面130之來自理想的點光源200之光線。圖6顯示光線軌跡圖600，其顯示通過同心配置的小面140的系列之來自相同的理想點光源200之光線。
在一實施例中，第一系列周圍地配置的小面120及同心配置的小面140之系列是設計成全內反射來自理想點光源200之光線505的TIR小面。如此處又說明般，入射於與第一系列周圍地配置的小面120及同心配置的小面140系列相鄰之平滑內表面106、111上的來自點光源200的光線505，分別在第一系列周圍地配置的小面120及同心配置的小面140系列中被全內反射、以及從全向透鏡100 外部地及全向地反射之前，會被稍微折射，作為外部光線506。雖然來自於理想點光源的所有光線將由周圍配置的小面120向下反射，但是，當真實光源與全向透鏡100一起使用時，某些未受控制的光將在其它方向上逃離小面。
在一實施例中，第二系列周圍地配置的小面130是折射小面，設計成折射來自理想點光源200之光線510。又同此處所述般，入射於與第二系列周圍地配置的小面120相鄰之平滑內表面106上的來自點光源200的光線510會折射經過第二系列周圍地配置的小面130，以及從全向透鏡100外部地及全向地通過，作為外部光線511。
圖7顯示圖1-4的全向透鏡100之側視圖，顯示透鏡細節及角度。如同所示，全向透鏡100分成數個區。在一實施例中，這些區是光線505、510行經的角度。這些區包含折射區R、全內反射側區TIRSide、以及全內反射頂部區TIRTop。舉例而言，在R區中，來自點光源200的光線510在界定於R區內的角度內行進。舉例而言，R區的角度約為33.1°。此外，在TIRSide區中，來自點光源200的光線505在界定於TIRSide區內的角度內行進。舉例而言，TIRSide區的角度約為39.8°。此外，在TIRTop區中，來自點光源200的光線505在界定於TIRTop區內的角度內行進。舉例而言，TIRTop區的角度約為34.2°。須瞭解，此處界定的角度僅為舉例說明，說明來自理想點光源200的不同光線之表現。
舉例說明的角度取決於全向透鏡100的尺寸。彼此相 對之角度區的大小會控制通過各型式的小面之光的比例，並因而控制相對於透鏡被向上、向下、及側向導引的光量。假使整體強度分佈具有相對於向下光是太多的向上光時，TIRside區的尺寸會增加且TIRtop區的尺寸下降，以校正此現象。但是，一般而言，在各方向上的相對強度及因而三區的尺寸必須實質地類似，以便提供全向之整體強度分佈。
現在說明所述之全向透鏡100的尺寸之實例。又須瞭解，下述僅為舉例說而非其它實施例中可能的各種其它尺寸之限定。舉例而言，全向透鏡100包含具有約為15mm的直徑DSource之非理想光源。此外，第一系列周圍地配置的小面120中及同心地配置的小面140之系列中的各小面之厚度T約為2.2mm。此外，全向透鏡100的寬度W約為1.333*DSource，以及，高度H約為2.107*DSource。光源直徑DSource是任意的且由需要多少或多大的LED來提供所需的光量所決定。在舉例說明的實施例中，需要15mm的LED光源來提供所需的光量。DSource目前並未視覺上顯示在任何圖中。透鏡的整體尺寸由數個因素決定。相較於光源，透鏡愈大，則真實光源將表現得愈接近點光源。替代地，一般較佳的是使透鏡愈小，以致於有空間用於漫射器及其它燈組件。
圖8顯示第一系列周圍地配置的小面120之放大細部圖。下述說明應用於設計考量第一系列周圍地配置的小面120、及同心配置的小面140的系列，如此處所述般，這 二者都全內反射光線505。
為了說明之用，而敍述第一系列周圍地配置的小面120的一小面800。須瞭解，說明可用於第一系列周圍地配置的小面120、及同心配置的小面140的系列中之所有小面。在一實施例中，第一系列周圍地配置的小面120、及同心配置的小面140的系列中之各小面設計成將從點光源200進入的光線505反射離開小面800的頂表面805以及經過小面800的外離面810。從圖6將瞭解，在同心配置的小面140中的各對立面用以反射入射至其之進入的光線505，同時也作為用於入射及接著由相對立的面全內反射的光線505之離去面。
小面800將光線505收歛經過接近外離面810之大約焦點815，以致於光線506隨著離開全向透鏡100而散佈。在一實施例中，頂表面805的曲率及外離面810的角度界定大略焦點815的位置、光線506相對於外離面810的角度、以及光線506的散佈程度。舉例而言，藉由增加頂表面805與外離面810之間的角度，大略焦點的位置可以移離相鄰小面的尖端。類似地，藉由增加頂表面805的曲率而增加光線506的散佈程度，或是藉由平坦化頂表面805而降低光線506的散佈程度。如此處所述般，頂部表面使用TIR以反射光線505。各小面800的受光角(由小面高度界定)設定成撞擊頂表面805之來自理想化的點光源之所有的光線505將超過全向透鏡100中使用的材料之臨界角。舉例而言，對於聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA )臨界角為42.2°，以及對於聚碳酸酯，臨界角為39.1°。如此，根據使用的材料之臨界角而選取受光角。此外，頂表面805設計成離開外離面810的光線506錯過相鄰小面。
在舉例說明的實施例中，第二系列周圍地配置的小面130的各折射小面設計成將來自點光源200的光線收歛至比TIR小面800的大略焦點更遠離透鏡之大略焦點。各小面的背側(有時稱為牽引側)角度化成其較易將透鏡取出模。相對於其它折射小面，最上的折射小面被保留，以致於小面的牽引表面可以用至入射至其的TIR光及防止此光到達TIR小面上方。
圖9顯示可與燈系統900中圖1-4的全向透鏡一起實施之漫射器905的實施例。在一實施例中，全向透鏡100與非點光源一起實施，非點光源可為LED陣列。當全向透鏡100與非點光源一起使用時，由於真正的光線軌跡與點光源(光學表面是根據其而設計的)的光線軌跡顯著不同，所以，部份光以不受控制的方式(亦即，通常稱為洩漏)離開全向透鏡100。
在全向透鏡100設計期間，此效應必須被列入考慮，但是，藉由開始平滑化個別小面800造成的強度分佈中的任何尖銳的尖峰，此效應有助於降低來自光件的眩光。在某些情形中，洩漏的光不足以使分佈適當地平滑。如此，在一實施例中，例如漫射器905等漫射器元件實施成圍繞全向透鏡。圖9顯示燈系統900，其包含由弱漫射器905 圍繞的全向透鏡100。
為了說明，如同所示，散熱器910顯示為完成燈系統900。在一實施例中，漫光器的強度通常相當弱(亦即，從材料散佈具有小於60°的半峰全幅值(FWHM))，但是，在其它實施例中也可使用較重的漫光器。漫光器905可以成形為側邊角度化向下朝向燈系統900的基部，以致於如同離去光線915所示般，漫光器的平滑化效應不會防止光被導向燈的基部。在一實施例中，漫光器及散熱器的形狀可以隨著不同的應用或是美感而變。
圖10顯示圖1000，其顯示用於圖1的舉例說明的透鏡100及圖9的燈900之歸一化強度分佈。此圖顯示在圍繞燈0與135度之間的強度分佈與平均值相差小於20%並因而超過能源之星對於全向分佈的要求。藉由符合這些要求，固態燈900展示其將產生符合或超過其要取代的熾熱燈標準之全向標準發光強度分佈。
實施類似於菲涅耳透鏡之薄的TIR環式透鏡與漫光器的結合以用於符合EPA建立的能源之星全向性要求的全向LED燈。具體而言，燈呈現從圍繞燈0至135度的範圍中25%寬容度之內均勻的光強度分佈。對於例如但不限於燭台燈等A19、A21或類似型式的燈配置，全向透鏡及漫射器系統也良好工作。最後，透鏡及漫射器系統具有85%以上的光學效率之低光學損失。
須瞭解，「實施方式」一節而非「發明內容」及「摘要」等節，是要用以解釋申請專利範圍。「發明內容」及 「摘要」等節揭示發明人思及的本發明之一或更多但不是所有舉例說明的實施例，因而絕不是要限制本發明及後附的申請專利範圍。
120‧‧‧小面
505‧‧‧光線
506‧‧‧外部光線
800‧‧‧小面
805‧‧‧頂表面
810‧‧‧外離面
815‧‧‧焦點

Claims (20)

  1. 一種全向透鏡，包括：殼，具有閉合端及開放端；複數個小面，周圍地配置於該殼上；以及複數個同心小面，配置於該閉合端上。
  2. 如申請專利範圍第1項之全向透鏡，其中，周圍地配置於該殼上之該複數個小面包含周圍地配置於該殼上之第一複數個小面、以及周圍地配置於該殼上之第二複數個小面。
  3. 如申請專利範圍第2項之全向透鏡，其中，周圍地配置於該殼上之該第一複數個小面是全內反射小面。
  4. 如申請專利範圍第3項之全向透鏡，其中，周圍地配置於該殼上之該第一複數個小面的各小面包含頂表面及相對於該頂表面以一角度配置的外離面。
  5. 如申請專利範圍第2項之全向透鏡，其中，周圍地配置於該殼上之該第二複數個小面是折射小面。
  6. 如申請專利範圍第2項之全向透鏡，其中，該複數個同心小面是全內反射小面。
  7. 如申請專利範圍第6項之全向透鏡，其中，該複數個同心小面的各小面包含頂表面及相對於該頂表面以一角度配置的外離面。
  8. 一種照明裝置，包括：全向透鏡，具有殼，該殼設有閉合端及開放端，該殼具有折射區、全內反射側區及全內反射頂部區； 光源，配置在該殼內；第一複數個小面，周圍地配置於該殼上；第二複數個小面，周圍地配置於該殼上；以及複數個同心小面，配置於該閉合端上。
  9. 如申請專利範圍第8項之照明裝置，其中，周圍地配置於該殼上之該第一複數個小面是全內反射小面。
  10. 如申請專利範圍第9項之照明裝置，其中，周圍地配置於該殼上之該第一複數個小面的各小面包含頂表面及相對於該頂表面以一角度配置的外離面。
  11. 如申請專利範圍第9項之照明裝置，其中，該全內反射區界定來自該光源的光線進入周圍地配置於該殼上之該第一複數個小面的角度。
  12. 如申請專利範圍第8項之照明裝置，其中，周圍地配置於該殼上之該第二複數個小面是折射小面。
  13. 如申請專利範圍第10項之照明裝置，其中，該折射區界定來自該光源的光線進入周圍地配置於該殼上之該第二複數個小面的角度。
  14. 如申請專利範圍第8項之照明裝置，其中，該複數個同心小面是全內反射小面。
  15. 如申請專利範圍第14項之照明裝置，其中，該複數個同心小面的各小面包含頂表面及相對於該頂表面以一角度配置的外離面。
  16. 如申請專利範圍第14項之照明裝置，其中，該全內反射頂部區界定來自該光源的光線進入該複數個同心 小面的角度。
  17. 一種燈系統，包括：光源；全向透鏡，圍繞該光源配置，該全向透鏡具有閉合端和開放端的殼、周圍地配置於該殼上的複數個小面、及配置於該閉合端上的複數個同心小面；漫射器，圍繞該全向透鏡配置；及散熱組合，耦合至該光源。
  18. 如申請專利範圍第17項之燈系統，其中，該全向透鏡包括：殼，具有閉合端及開放端；第一複數個小面，周圍地配置於該殼上；第二複數個小面，周圍地配置於該殼上；以及複數個同心小面，配置於該閉合端上。
  19. 如申請專利範圍第18項之燈系統，其中，該第一複數個小面周圍地配置於該殼上，及該複數個同心小面、及該複數個同心小面是全內反射小面。
  20. 如申請專利範圍第18項之燈系統，其中，周圍地配置於該殼上之該第二複數個小面是折射小面。
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