TWI463095B

TWI463095B - Rectangular light of the LED secondary optical lampshade

Info

Publication number: TWI463095B
Application number: TW100110067A
Authority: TW
Original assignee: Univ Nat Yunlin Sci & Tech
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2014-12-01
Also published as: TW201314127A

Description

具矩形光照之LED二次光學燈罩

本發明係關於一種光學燈罩方面之技術領域，尤指一種可產生照度均勻且光形呈矩形的照明，以滿足特定光形及光照均勻度要求高的需求，以及具有製作成本低及檢測容易之具矩形光照之LED二次光學燈罩者。

一般習知具矩形光照之LED光學燈罩，如台灣公告第M364866號及台灣公開第201022592號專利所示。然而，由於其之入光面及出光面之凸柱面的曲率係採用歪像公式(Anamorphic formula)與複曲面公式(Toric formula)之自由曲面公式設計而成，其於實際生產及檢測上係非常不容易，而會使製作成本大幅增加。而且，其所產生的矩形光照的照度較不均勻，而僅適用在光照均勻度要求不高的路燈、車燈及照相閃光燈等照明設備，而不適用於光照均勻度要求高的室內照明(如檯燈、工作燈……等)、室外照明(如投射燈、照景燈……等)、平面顯示器背光源及微投影顯示器光源等。

有鑒於此，本發明人乃針對上述之諸多問題，而深入構思，且積極研究改良試做而開發設計出本發明。

本發明之主要目的係在於提供一種可產生照度均勻且光形呈矩形的照明，以滿足特定光形及光照均勻度要求高的需求，以及具有製作成本低及檢測容易之具矩形光照之LED二次光學燈罩者。

本發明所述之具矩形光照之LED二次光學燈罩係為一透明鏡片，其包括一出光面及一入光面，該出光面係面向照射區域，且具有沿x軸方向並排之N個凸柱面，N≧2，該凸柱面於x軸及y軸方向皆具有一弧度，該入光面係面對N-1個LED光源，且具有至少一凹弧面，該凹弧面於x軸及y軸方向皆具有一弧度，該出光面的凸柱面與該入光面係利用球面公式及斜向入射公式設計而成，使該LED光源的光線可依據該入光面的不同曲率而改變發散角度，然後以斜向入射的方式折射到該出光面，再經該出光面之複數凸柱面投射出來，以使其因此使能產生照度均勻且光形呈矩形的光照，以適用於光照均勻度要求高的室內照明(如檯燈、工作燈……等)、室外照明(如投射燈、照景燈……等)、平面顯示器背光源及微投影顯示器光源等。特別是，其之出光面的凸柱面與該入光面係利用球面公式及斜向入射公式設計而成，所以係可易於生產製作及檢測容易，相對的係可大幅降低成本。

在本發明中該N可為2、3、4或5，其中該LED光源為兩個時係沿x軸方向間隔設置，該LED光源為三個時係沿y軸方向間隔設置，該LED光源為四個時係呈陣列設置。

在本發明中該LED光源為兩個及四個時該入射面係具有兩個沿x軸方向並排之凹弧面。藉以使投射出的光照更為均勻。

請參閱第一~八圖所示，係為本發明所述之具矩形光照之LED二次光學燈罩的第一實施例，其中係指出該光學燈罩10係為一透明鏡片，其包括一出光面11及一入光面12。

該出光面11係面向照射區域，且具有沿x軸方向並排之兩個凸柱面13，該凸柱面13於x軸及y軸方向皆具有一弧度。

該入光面12係面對一LED光源20，且為於x軸及y軸方向皆具有一弧度之凹弧面狀。

該出光面11之凸柱面13與該入光面12係利用球面公式及斜向入射公式設計而成，使該LED光源20的光線可依據該入光面12的不同曲率而改變發散角度，然後以斜向入射的方式折射到該出光面11，再經該出光面11之複數凸柱面13投射出來，以使其因此使產生照度均勻且光形呈矩形的光照。

請參閱第九~十二圖所示，係該球面公式及該斜向入射公式的來源：

(1)R_x 曲率：

由三角形ABC之外角公式：U =(I -I' )+U'

第十圖之第二曲面從Snell’s law得到關係式，U”為LED最大之發散角：

n sin(90°-U' -θ)=sin(90°-θ-U" )

θ為第二曲面之圓切線通過點E並與邊YH之夾角，因此U’可得到：

第九圖之第一曲面同理可從Snell’s law得到：

sinI =n sinI'

將第四式代回第一式可得到，並由數值解解得I：

由三角形QGC與三角形B’GC之GC邊相等：

R _x sinI' =(R _x -M' )sinU'

由三角形EYH與三角形ESH之EH邊相等：

x tan θ=(T -x )tanU"

三角形B’KL之B’K邊：

三角形EHL與三角形EHS之EH邊相等：

[F" -(R _x -d )-x ]tanU" =[F' -(R _x -d )-x ]tanU'

SP之距離可得到：

整理上式並可解方程式得到R_x 曲率，由第5式解得I可代回第4式解得I’，第二式中U’’決定則可解得U’並代入，解答得兩解，唯有取負號R_x 大於0，取正號R_x 會小於0：

其中

(2)R_y 曲率：

由第十一、十二圖中第一曲面的三角形ADD’外角公式：

V' =V +J -J'

V”為LED最大發散角，光經過第二曲面由Snell’s law可得到V’：

n sinV' =sinV"

同理第一曲面也可由snell’s law得到關係式：

將第2及第3式代回第1式，V為可假設出射後發散角度，因此可找出J之數值：

由OC邊及CD’邊之和等於N’：

由三角形HWS與HWD’之HW邊相同：

T tanV" =[N' -(N" -T )]tanV'

將第5式代入第6式，整理可得N”：

由OW邊與WS邊之合等於N”：

N" =R _y -d _y +T

將第7式代回第8式解得R_y ，並從第4式之數值解找到第3式之J’、V”及V’由第2式所決定：

在本發明中，經該光學燈罩10投射出來之矩形光照的x軸(長度)大於y軸(寬度)，且其之角度比例最佳為7：4，當經過適當的曲率調整與xy方向大小比率，係可以隨意調整此角度的比例變化，如7：1、7：2或7：3等。而且，在該光學燈罩10的設計中，係可依需要變更上述公式中的各項光學參數，然後藉由電腦軟體進行模擬試驗，以使其之光照能符合所預期的使用效果。

請參閱第十三~十五圖所示係為本發明的第二實施例，其之結構與第一實施例大致相同，差別在於該第二實施例之出光面11具有沿x軸方向並排之三個凸柱面13，該入光面12係面對兩個沿x軸方向間隔設置之LED光源20。

請參閱第十六~十八圖所示係為本發明的第三實施例，其之結構與第一實施例大致相同，差別在於該第三實施例之出光面11具有沿x軸方向並排之四個凸柱面13，該入光面12係面對三個沿y軸方向間隔設置之LED光源20。在本實施例中，該入光面12亦可面對一個LED光源20或是面對三個沿x軸間隔設置之LED光源20，而且該面對三個沿x軸間隔設置之LED光源20的入光面12係可具有有沿x軸方向並排之三個凹弧面(圖中未示)。

請參閱第十九~二十一圖所示係為本發明的第四實施例，其之結構與第二實施例大致相同，差別在於該第四實施例之入光面12具有沿x軸方向並排之兩個凹弧面14。藉此係可使投射出的光照更為均勻。

由於本發明之出光面11的凸柱面13與該入光面12係利用球面公式及斜向入射公式設計而成，所以可以使該LED光源的光線依據該入光面12的不同曲率而改變發散角度，然後以斜向入射的方式折射到該出光面11，再經該出光面11之複數凸柱面13投射出來，以使其因此使能產生照度均勻且光形呈矩形的光照，以適用於光照均勻度要求高的室內照明(如檯燈、工作燈……等)、室外照明(如投射燈、照景燈……等)、平面顯示器背光源及微投影顯示器光源等。特別是，其之出光面11的凸柱面13與該入光面12係利用球面公式及斜向入射公式設計而成，所以係可易於生產製作及檢測容易，相對的係可大幅降低成本。

綜上所述，由於本發明具有上述優點及實用價值，而且並未曾有見過相同或類似之技術發表或公開於前，故本發明已符合發明專利之新穎性及進步性要件，爰依法提出申請。

10．．．光學燈罩

11．．．出光面

12．．．入光面

13．．．凸柱面

14．．．凹弧面

20．．．LED光源

第一圖為本發明第一實施例之前側的立體示意圖。

第二圖為本發明第二實施例之後側的立體示意圖。

第三圖為本發明之前側視圖。

第四圖為第三圖的A-A剖面示意圖。

第五圖為第三圖的B-B剖面示意圖。

第六圖為本發明第一實施例的使用狀態示意圖。

第七圖為本發明第一實施例的光形圖。

第八圖為本發明第一實施例的配光曲線圖。

第九圖及第十圖為本發明第一實施例計算R_x 公式的示意圖。

第十一圖及第十二圖為本發明第一實施例計算R_y 公式的示意圖。

第十三圖為本發明第二實施例的使用狀態示意圖。

第十四圖為本發明第二實施例的光形圖。

第十五圖為本發明第二實施例的配光曲線圖。

第十六圖為本發明第三實施例的使用狀態示意圖。

第十七圖為本發明第三實施例的光形圖。

第十八圖為本發明第三實施例的配光曲線圖。

第十九圖為本發明第四實施例的使用狀態示意圖。

第二十圖為本發明第四實施例的光形圖。

第二十一圖為本發明第四實施例的配光曲線圖。

10．．．光學燈罩

11．．．出光面

12．．．入光面

13．．．凸柱面

20．．．LED光源

Claims

一種具矩形光照之LED二次光學燈罩，係為一透明鏡片，其包括一出光面及一入光面，該出光面係面向照射區域，且具有沿x軸方向並排之N個凸柱面，N≧2，該凸柱面於x軸及y軸方向皆具有一弧度，該入光面係面對N-1個LED光源，且具有至少一凹弧面，該凹弧面於x軸及y軸方向皆具有一弧度，該出光面的凸柱面與該入光面係利用球面公式及斜向入射公式設計而成，使該LED光源的光線可依據該入光面的不同曲率而改變發散角度，然後以斜向入射的方式折射到該出光面，再經該出光面之複數凸柱面投射出來，以使其因此使能產生照度均勻且光形呈矩形的照明。
如申請專利範圍第1項所述之具矩形光照之LED二次光學燈罩，其中該N=2。
如申請專利範圍第1項所述之具矩形光照之LED二次光學燈罩，其中該N=3，該兩個LED光源係沿x軸方向間隔設置。
如申請專利範圍第3項所述之具矩形光照之LED二次光學燈罩，其中該入光面具有兩個沿x軸方向並排設置的凹弧面。
如申請專利範圍第1項所述之具矩形光照之LED二次光學燈罩，其中該N=4，該三個LED光源係沿x軸方向間隔設置。
如申請專利範圍第5項所述之具矩形光照之LED二次光學燈罩，其中該入光面具有三個沿x軸方向並排設置的凹弧面。
一種具矩形光照之LED二次光學燈罩，係為一透明鏡片，其包括一出光面及一入光面，該出光面係面向照射區域，且具有沿x軸方向並排之N個凸柱面，N≧4，該凸柱面於x軸及y軸方向皆具有一弧度，該入光面係面對一個LED光源，且該入光面於x軸及y軸方向皆具有一弧度，該出光面的凸柱面與該入光面係利用球面公式及斜向入射公式設計而成，使該LED光源的光線可依據該入光面的不同曲率而改變發散角度，然後以斜向入射的方式折射到該出光面，再經該出光面之複數凸柱面投射出來，以使其因此使能產生照度均勻且光形呈矩形的照明。
一種具矩形光照之LED二次光學燈罩，係為一透明鏡片，其包括一出光面及一入光面，該出光面係面向照射區域，且具有沿x軸方向並排之四個凸柱面，該凸柱面於x軸及y軸方向皆具有一弧度，該入光面係面對三個沿y軸方向間隔排列之LED光源，且該入光面於x軸及y軸方向皆具有一弧度，該出光面的凸柱面與該入光面係利用球面公式及斜向入射公式設計而成，使該LED光源的光線可依據該入光面的不同曲率而改變發散角度，然後以斜向入射的方式折射到該出光面，再經該出光面之複數凸柱面投射出來，以使其因此使能產生照度均勻且光形呈矩形的照明。
如申請專利範圍第1至8項中任一項所述之具矩形光照之LED二次光學燈罩，其中：該出光面的凸柱面及該入光面係利用如下所示之公式設計而成(R_x 為x軸方向之弧面的曲率，R_y 為y軸方向之弧面的曲率)：
如申請專利範圍第9項所述之具矩形光照之LED二次光學燈罩，其中經該光學燈罩投射出來的矩形光照的x軸(長度)大於y軸(寬度)。
如申請專利範圍第9項所述之具矩形光照之LED二次光學燈罩，其中經該光學燈罩投射出來的矩形光照的x軸(長度)與y軸(寬度)的比例係由變更該球面公式中的各項光學參數，並藉由電腦軟體進行模擬試驗求得。