TWI381135B - 光學透鏡以及照明裝置 - Google Patents

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Tien Pao Chen
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光學透鏡以及照明裝置
本發明涉及光學系統，尤其涉及一種用於形成非對稱光場的光學透鏡以及使用該光學透鏡的照明裝置。
隨著半導體照明技術的發展，發光二極體(Light emitting diode,LED)的光效不斷提高，目前逐步取代傳統光源。一種新型發光二極體可參見Daniel A.Steigerwald等人在文獻IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics,Vol.8,No.2,March/April 2002中的Illumination With Solid State Lighting Technology一文。
針對LED光源，如何有效地分配LED發出的光能係該LED光源中光學系統設計要解決的關鍵問題。目前的LED光源所形成的照明區域大多為圓形，有時為了更節能且實現更大區域的照明，例如路燈，需要將照明區域調整為非對稱光場，如光線主要分佈在沿道路的延伸方向，而儘量避免光線分佈在垂直道路的延伸方向，以造成光線的浪費。所以，有必要提供一種用於形成非對稱光場的照明裝置。
下面將以實施例說明一種用於形成非對稱光場的光學透鏡以及使用該光學透鏡的照明裝置。
一種光學透鏡，用於對光源發出的光線進行調整，其包括一個主體，該主體具有一個第一表面以及一個與第一 表面相對的第二表面，該第一表面上設置有一方形凹槽，該方形凹槽的側面為柱面，其底面為一對稱曲面，該方形凹槽的底面作為該光學透鏡的入光面以使光源射出的光線經由該方形凹槽的底面射入該主體，該第二表面包括一個非對稱的馬鞍形非球面，該第二表面作為該光學透鏡的出光面，該方形凹槽的底面及該第二表面用以對光源發出的光線進行調整以形成非對稱光場。
一種照明裝置，包括一個光源以及一個光學透鏡，該光源包括一個基板以及設置在該基板上的發光元件，該光學透鏡相對該發光元件的出光面設置。該光學透鏡包括一個主體。該主體具有一個第一表面以及一個與第一表面相對的第二表面，該第一表面上設置有一方形凹槽，該方形凹槽的側面為柱面，其底面為一對稱曲面，該方形凹槽的底面作為該光學透鏡的入光面以使該發光元件射出的光線經由該方形凹槽的底面射入該主體，該第二表面包括一個非對稱的馬鞍形非球面，該第二表面作為該光學透鏡的出光面，該方形凹槽的底面及該第二表面用以對光學元件發出的光線進行調整以形成非對稱光場。
相較於目前技術，該光學透鏡中方形凹槽的底面與該馬鞍形第二表面對光源射出的光線具有校正作用，即該光源射出的光線進入該光學透鏡的主體後，由於該方形凹槽的底面的面形特徵可使進入的光線射向該第二表面上的預定位置，並且由於該第二表面的面形特徵可使入射至其上的光線按預定光路射出，從而形成非對稱光場， 因此，具有該種光學透鏡的照明裝置，可使光源發出的光線形成非對稱光場，從而滿足實際需要。
下面將結合附圖，以對本發明實施例作進一步的詳細說明。
請參閱圖1與圖2，本發明第一實施例提供的一種照明裝置10，其包括光源11以及一個光學透鏡12。
該光源11包括一個基板111以及設置在該基板111上的發光元件112。優選地，該基板111的剖示圖呈U型，且具有一個內表面1111，該發光元件112設置在該基板111的內表面1111上。對於本領域的技術人員來說，該發光元件112可為任意光源，如鹵素燈，或發光二極體等。當然，該基板111也可以為平板狀。
該光學透鏡12具有一個具有方形輪廓的主體，該主體具有一個第一表面121以及一個與該第一表面121相對的第二表面122。該第一表面121為平面，其與該基板111的內表面1111相對，以圍合形成一個收容空間，從而收容該發光元件112。第一表面121上設置有一方形凹槽13。該方形凹槽13具有側面131與底面132。在本實施例中，該方形凹槽13位於該光學透鏡12的第一表面121的中心，且該方形凹槽的側面131為垂直於第一表面121的柱面，該底面132為一個對稱曲面。該第二表面122包括一個非對稱的馬鞍形非球面1222。一般地，該方形凹槽13的底面132作為該發光元件112發出的光線的入光面。該光學透鏡12用於對該發光元件112發出的光線進行調整以形成 非對稱光場。
在本實施例中，一個經過該方形凹槽13的底面132的中心且沿垂直該馬鞍形非球面延長的方向的平面與該方形凹槽13的底面132相交形成一個第一曲線S 1，與該光學透鏡12的第二表面122相交形成一個第二曲線S 2，該第一曲線S 1與該第二曲線S 2均符合下列運算式(1)：Z=MY+NY 2+PY 3 (1)
其中，M，N，P均不為0。
該第一曲線S 1與該第二曲線S 2均具有一個最高點與一個最低點。在本實施例中，該第一曲線S 1的最高點與最低點分別位於該第一曲線S 1的兩端。該第二曲線S 2的最高點不位於該第二曲線S 2的兩端，也不位於該第二曲線S 2的幾何中心軸上。該第二曲線S 2的最低點位於該第二曲線S 2的其中一端。並且，該第一曲線S 1的幾何中心軸與該第二曲線S 2的幾何中心軸不在同一直線上。
當然，該第二曲線S 2的最高點與最低點也可以分別位於該第二曲線S 2的兩端。
該方形凹槽13的底面132以及該光學透鏡12所包括的馬鞍形非球面第二表面122包括的馬鞍形非球面1222均符合下 列運算式(2)：Z=A 1 X 2+A 2 X 4+A 3 X 6+A 4 X 8+B 1 Y+B 2 Y 2+B 3 Y 3+B 4 Y 4+B 5 Y 5+B 6 Y 6+B 7 Y 7+B 8 Y 8+B 9 Y 9 (2)
其中，A 1，A 2，A 3，A 4中至少有一個不為0，B 1，B 3，B 5，B 7，B 9中至少有一個不為0，B 2，B 4，B 6，B 8，中至少有一個不為0。
由公式(2)可知，該光學透鏡12的函數運算式為X的偶函數，Y的奇函數。該光學透鏡12的中方形凹槽13的底面132與該馬鞍形第二表面122對設置在該方形凹槽13中的發光元件112射出的光線具有校正作用，即該發光元件112射出的光線進入該光學透鏡12的主體後，由於該方形凹槽13的底面132的面形特徵可使進入的光線射向該第二表面122上的預定位置，並且由於該第二表面122的面形特徵可使射至其上的光線按預定光路射出，則其可形成沿Y軸對稱，沿X軸不對稱的非對稱光場。
具體地，在本實施例中，運算式(2)的各係數取值如下表所示：
進一步地，該發光元件112與該方形凹槽13的底面132相對設置。且該發光元件112放置於原點，其座標為(X，Y)=(0，0)，且該發光元件112的出光面與該光學透鏡12的第一表面121在同一表面。該方形凹槽13的底面132作為該發光元件112的入光面。該發光元件112發出的光線經過該光學透鏡12後，所形成的光場的照度圖以及坎德拉圖可分別參見圖3與圖4所示。由圖3與圖4可知，該發光元件112發出的光經過光學透鏡12後，該照明裝置10形成的光場為沿Y軸對稱，而沿X軸不對稱的非對稱光場。
當然，該發光元件112也可以分別放置在凹槽13中，且該發光元件112的出光面也可以與該第一表面121不在同一平面上。
對於本領域技術人員來講，用該照明裝置10作為路燈照 明時，僅需將該光學透鏡12的第一表面121與所需照明的物體表面平行，如路面，則可得到如圖3所示的非對稱光場。
請參閱圖5與圖6，本發明第二實施例提供的一種照明裝置20，其與第一實施例提供的照明裝置10的結構基本相同。該照明裝置20包括一個光源21以及一個光學透鏡22。該光源21包括一個基板211以及設置在該基板211上的發光元件212。該光學透鏡22的第一表面221上開設有一個方形凹槽23。該方形凹槽23具有側面231與底面232。該方形凹槽的側面231為垂直於第一表面221的柱面，該底面232為一個對稱曲面。該光學透鏡22的第二表面222為一個非對稱的馬鞍形非球面。
該照明裝置20與照明裝置10不同之處在於，該方形凹槽23的底面232以及該光學透鏡23的第二表面222均符合下列運算式(3)：Z=A 1 X 2+A 2 X 4+A 3 X 6+A 4 X 8+B 1 Y+B 2 Y 2+B 3 Y 3+B 4 Y 4+B 5 Y 5+B 6 Y 6+B 7 Y 7+B 8 Y 8+B 9 Y 9 (3)
其中，A 1，A 2，A 3 A 4中至少有一個不為0，B 1，B 3，B 5，B 7，B 9中至少有一個不為0，B 2，B 4，B 6，B 8，中至少有一個不為0。
具體地，在本實施例中，運算式(3)的各係數取值如下表所示：
進一步地，該發光元件212與該凹槽23的底面232相對設置。且該發光元件212放置於原點，其座標為(X，Y)=(0，0)，且該發光元件212的出面與該光學透鏡22的第一表面221在同一表面。該凹槽23的底面232即作為光學透鏡的入光面。該發光元件212發出的光線經過該光學透鏡22後，所形成的光場的照度圖以及坎德拉圖可分別參見圖7與圖8所示。由圖7與圖8可知，該發光元件212發出的光經過光學透鏡22後，該照明裝置20形成的光場為沿Y軸對稱，而沿X軸不對稱的非對稱光場。
當然，該發光元件212也可以分別放置在凹槽23中，且其出光面也可以與該第一表面221不在同一個平面上。
可理解地，上述運算式(2)、(3)的各係數取值也不限於上述實施例所示，也可以取其他值，從而得到不同 形狀的非對稱光場。
綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之申請專利範圍內。
10、20‧‧‧照明裝置
11、21‧‧‧光源
111、211‧‧‧基板
1111‧‧‧內表面
112、212‧‧‧發光元件
12、22‧‧‧光學透鏡
121、221‧‧‧第一表面
122、222‧‧‧第二表面
1222‧‧‧馬鞍形非球面
13、23‧‧‧方形凹槽
131、231‧‧‧側面
132、232‧‧‧底面
圖1係本發明第一實施例提供的照明裝置的結構示意圖。
圖2係圖1所示照明裝置沿II-II的剖面圖。
圖3係圖1的發光元件經過光學透鏡所形成的光場的照度模擬圖。
圖4係圖1中的發光元件經過光學透鏡所形成的光場的坎德拉圖。
圖5係本發明第二實施例提供的照明裝置的結構示意圖。
圖6係圖5所示照明裝置沿VI-VI的剖面圖。
圖7係圖5的發光元件經過光學透鏡所形成的光場的照度模擬圖。
圖8係圖5的發光元件經過光學透鏡所形成的光場的坎德拉圖。
10‧‧‧照明裝置
111‧‧‧基板
112‧‧‧發光元件
121‧‧‧第一表面
122‧‧‧第二表面
1222‧‧‧馬鞍形非球面

Claims (19)

  1. 一種光學透鏡，用於對光源發出的光線進行調整，其包括一個主體，該主體具有一個第一表面以及一個與第一表面相對的第二表面，該第一表面上設置有一方形凹槽，該方形凹槽的側面為柱面，該方形凹槽的底面為一對稱曲面，該方形凹槽的底面作為該光學透鏡的入光面以使光源射出的光線經由該方形凹槽的底面射入該主體，該第二表面包括一個非對稱的馬鞍形非球面，該第二表面作為該光學透鏡的出光面，該方形凹槽的底面及該第二表面用以對光源發出的光線進行調整以形成非對稱光場，一個經過該方形凹槽的底面的中心且沿垂直於該馬鞍形非球面延長的方向的平面與該凹槽的底面相交形成一個第一曲線，與該光學透鏡的第二表面相交形成一個第二曲線，該第一曲線與該第二曲線均符合下列運算式：Z=MY+NY 2+PY 3其中，M，N，P均不為0。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中，該第一曲線與該第二曲線均具有一個最高點與一個最低點。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光學透鏡，其中，該第一曲線的最高點與最低點分別位於該第一曲線的兩端。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之光學透鏡，其中，該第一曲線的幾何中心軸與該第二曲線的幾何中心軸不在同一直線上。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中，該方形凹槽的底面符合下列運算式： Z=A 1 X 2+A 2 X 4+A 3 X 6+A 4 X 8+B 1 Y+B 2 Y 2+B 3 Y 3+B 4 Y 4+B 5 Y 5+B 6 Y 6+B 7 Y 7+B 8 Y 8+B 9 Y 9其中，A 1，A 2，A 3，A 4中至少有一個不為0，B 1，B 3，B 5，B 7，B 9中至少有一個不為0，B 2，B 4，B 6，B 8，中至少有一個不為0。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之光學透鏡，其中，該方形凹槽的底面的函數的各係數如下表所示：
  7. 如申請專利範圍第5項所述之光學透鏡，其中，該方形凹槽的底面的函數的各係數如下表所示：
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中，該馬鞍形非球面符合下列運算式：Z=A 1 X 2+A 2 X 4+A 3 X 6+A 4 X 8+B 1 Y+B 2 Y 2+B 3 Y 3+B 4 Y 4+B 5 Y 5+B 6 Y 6+B 7 Y 7+B 8 Y 8+B 9 Y 9其中，A 1，A 2，A 3，A 4中至少有一個不為0，B 1，B 3，B 5，B 7，B 9中至少有一個不為0，B 2，B 4，B 6，B 8，中至少有一個不為0。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之光學透鏡，其中，該馬鞍形非球面的函數的各係數如下表所示：
  10. 如申請專利範圍第8項所述之光學透鏡，其中，該馬鞍形非球面的函數的各係數如下表所示：
  11. 一種照明裝置，包括一個光源以及一個光學透鏡，該光源包括一個基板以及設置在該基板上的發光元件，該光學透鏡相對該發光元件的出光面設置，其特徵在於，該光學透鏡包括一個主體，該主體具有一個第一表面以及一個與第一表面相對的第二表面，該第一表面上設置有一方形凹槽，該方形凹槽的側面為柱面，該方形凹槽的底面為一對稱 曲面，該方形凹槽的底面作為該光學透鏡的入光面以使該發光元件射出的光線經由該方形凹槽的底面射入該主體，該第二表面包括一個非對稱的馬鞍形非球面，該第二表面作為該光學透鏡的出光面，該方形凹槽的底面及該第二表面用以對光學元件發出的光線進行調整以形成非對稱光場，一個經過該方形凹槽的底面的中心且沿垂直於該馬鞍形非球面延長的方向的平面與該凹槽的底面相交形成一個第一曲線，與該光學透鏡的第二表面相交形成一個第二曲線，該第一曲線與該第二曲線均符合下列運算式：Z=MY+NY 2+PY 3其中，M，N，P均不為0。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中，該第一曲線與該第二曲線均具有一個最高點與一個最低點。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之照明裝置，其中，該第一曲線的最高點與最低點分別位於該第一曲線的兩端。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之照明裝置，其中，該第一曲線的幾何中心軸與該第二曲線的幾何中心軸不在同一直線上。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中，該發光元件的出光面與該光學透鏡的第一表面在同一水平面上。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中，該方形凹槽的底面符合下列運算式：Z=A 1 X 2+A 2 X 4+A 3 X 6+A 4 X 8+B 1 Y+B 2 Y 2+B 3 Y 3+B 4 Y 4+B 5 Y 5+B 6 Y 6+B 7 Y 7+B 8 Y 8+B 9 Y 9其中，A 1，A 2，A 3，A 4中至少有一個不為0，B 1 ，B 3，B 5，B 7，B 9中至少有一個不為0，B 2，B 4，B 6，B 8，中至少有一個不為0。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之照明裝置，其中，該發光元件設置在原點，該發光元件的座標(X，Y)為(0，0)。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中，該馬鞍形非球面符合下列運算式：Z=A 1 X 2+A 2 X 4+A 3 X 6+A 4 X 8+B 1 Y+B 2 Y 2+B 3 Y 3+B 4 Y 4+B 5 Y 5+B 6 Y 6+B 7 Y 7+B 8 Y 8+B 9 Y 9其中，A 1，A 2，A 3，A 4中至少有一個不為0，B 1，B 3，B 5，B 7，B 9中至少有一個不為0，B 2，B 4，B 6，B 8，中至少有一個不為0。
  19. 如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中，該基板的剖面呈U型，該基板具有一個內表面，該基板的內表面與該光學透鏡的第一表面相對。
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