TWI484121B - A light-emitting device, a down-illuminated lamp, and a light guide plate for a down-illuminated lamp - Google Patents

Description

發光裝置、下照式燈具及用於下照式燈具的導光板

本發明是有關於一種發光裝置，特別是指一種以發光二極體(LED)為光源的發光裝置，以及應用該發光裝置之結構的下照式燈具與用於下照式燈具的導光板。

參閱圖1、2，為台灣專利第I329182號專利案所揭露的一種照明裝置1，包含：一個大致呈碗狀的燈罩11、一個鎖固於該燈罩11內的承接座12、一個圍繞設置在該燈罩11與該承接座12之間的導光板13、一個附著於燈罩11的內表面的反射層14，以及數個安裝在該承接座12上並朝向該導光板13的發光二極體15。所述發光二極體15發出的光受到該導光板13的導光作用，並於該導光板13中混光後再被該反射層14朝下反射，反射光線同樣可在該導光板13中混光，最後光線向下通過該導光板13而朝下照明。

雖然該先前技術的照明裝置1能將光線朝下反射照明，但由於該導光板13及該反射層14對於光線的出光角度的控制性不佳，反射光線的反射角也相對較大，導致向下射出的光線呈現往外擴散的角度，無法集中在一般照明燈具所需要的角度範圍內。

因此，本發明之目的，即在提供一種反射效果佳、能控制出光角度的發光裝置、下照式燈具，及用於下照式燈具的導光板。

於是，本發明發光裝置，包含：一光源單元、一導光板，以及一反射片。該光源單元包括至少一發光二極體。該導光板設置在該光源單元的一側，並用於傳導該光源單元的光線，該導光板包括一個具有相對的一第一面與一第二面的導光本體，以及數個自該第一面突出的導光微結構。該反射片位於該導光板的一側，並與該導光板的第一面相對，該反射片將通過該導光板而來的光線再度朝該導光板反射而使光線向外射出，該反射片包括數個朝該導光板突出的反射微結構，每一反射微結構具有一個角度為δ的頂角，且90°≦δ≦170°。

本發明的反射微結構的頂角為δ，且90°≦δ≦170°，此種限定使反射微結構具有特殊形態，能夠有效地控制出光角度，使入射到反射微結構表面的光線能被以較集中的角度而朝該導光板的方向反射，使向下照射的光線集中在±35°的範圍內。其中，當δ小於90°時，容易造成入射光線朝遠離該導光板的方向反射，無法使光線有效地反射取出；當δ大於170°時，亦即接***面狀的180°，導致反射微結構的結構形狀不明顯，也無法有效達到控制出光角度的目的。

該反射片還包括一個具有數個突出部的基材，以及一披覆在該基材的底面的反射膜，所述反射微結構是由該基材的突出部及該反射膜共同形成。該基材的材料為高分子材料，較佳地為可反射光線的塑膠薄膜或者由薄片所構成的材料，或是可反射光線的塑膠薄膜或者由薄片與金屬板的層積體所構成的材料。其具體例為：聚乙烯(polyethylene)、聚苯乙烯、聚氯化乙烯、聚氯聯苯、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯(Polybutylene terephthalate，簡稱PBT)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，簡稱PET)、聚氨酯(Polyurethane)、聚醯胺(polyamide)、聚縮醛、聚二甲苯***、聚丙烯酸酯、聚醯胺醯亞胺(polyamide-imide)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)、聚醚醚酮(polyetheretherketone)、聚醯亞胺(polyimide)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，簡稱PTFE)等。該反射膜可以利用蒸鍍方式形成於該基材表面，該反射膜的材料為具有良好的光反射性的金屬，例如鋁、釹、矽、銀、鈦、鉻、鉬等金屬及其合金所構成。

上述反射微結構可經由滾輪押出、射出成型、塗膜(coating)賦形、轉印等方式製得。

本發明的導光板的導光微結構可以是長向延伸的方柱、梯形柱、圓形柱或三角柱，但其形狀不限於柱狀，導光微結構也可以為複數個前後左右設置並突出排列在該導光本體上，並且呈現金字塔狀、球狀、四方體、三角錐等形狀。

每一導光微結構具有一個自該第一面朝該反射片延伸並圍繞設置的結構圍面，以及一個連接在該結構圍面之一鄰近該反射片的端緣上的結構端面；定義每一導光微結構的結構圍面與該第一面的夾角為一個結構角θ，所述結構角θ是位於導光微結構的外部，且90°≦θ≦90°+θ_n ，所述θ_n 為光線由該導光板入射到空氣時所能產生全反射的臨界角；該結構端面的寬度為w，該導光微結構的高度為h，且0≦w≦h×tanθ_n 。又，對於不同的導光板材料而言，會有不同的臨界角θ_n ，但只要能知道導光板材料的臨界角θ_n ，即可依據上述關係式0≦w≦h×tanθ_n 來製作出具有適當h及w的導光微結構。對於方柱、梯形柱或四方體的微結構而言，其結構圍面及結構端面皆為平直表面；當導光微結構呈現頂端為尖端的形狀時，例如三角柱狀、三角錐狀時，其w=0，亦即不具有該結構端面。

所述導光本體及導光微結構可經由滾輪押出、射出成型、咬花方式、印刷式、非印刷式等製得；而該導光微結構可以為規則排列，也可以為不規則排列。

本發明的導光板所使用的樹脂包含：(甲基)丙烯酸酯系樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚碳酸酯樹脂、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚合物、丙烯腈-苯乙烯共聚合物及聚對苯二甲酸乙二酯所組成的群組。上述所謂的(甲基)丙烯酸酯系樹脂，是由(甲基)丙烯酸酯系單體所形成的聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacerylate，簡稱PMMA)，上述(甲基)丙烯酸酯系單體具體例包括：甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸異丙酯、正-丙烯酸丁酯，丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸異丙酯等單體，其中以甲基丙烯酸甲酯及丙烯酸甲酯為佳。

本發明的導光板可在樹脂中添加光擴散劑，所使用的光擴散劑可使導光板具有更好的光擴散霧化功能，使光線均勻柔和。所述光擴散劑的具體例：無機微粒子及有機微粒子；無機微粒子例如：硫酸鋇(BaSO₄ )、二氧化鈦(TiO₂ )等微粒子；而有機微粒子例如：聚苯乙烯樹脂、(甲基)丙烯酸樹脂、有機矽氧烷樹脂等形成的有機架橋微粒子。擴散劑可以並用2種以上。上述擴散劑的平均粒徑較佳為0.1~20微米的範圍較佳。擴散劑的含量在導光用樹脂中較佳為0.01~1000ppm(重量百分率)。

本發明的發光裝置可以為一個下照式燈具，當然，也可以應用在其它形式的燈具或可發光的設備。當該發光裝置為下照式燈具時，該導光板位於該反射片的下方，該導光板的第一面及第二面為上下相對，且該第一面朝向該反射片，該第二面朝下，所述導光微結構是自該第一面朝上突出。所述反射片的反射微結構則是朝下突出，該反射片將通過該導光板而來的光線再度朝該導光板反射而使光線向下射出。

本發明還提供一種用於下照式燈具的導光板，該導光板即包含上述結構。

本發明之功效：藉由該反射片設有反射微結構，具有良好的光反射效果，並且配合反射微結構適當的頂角設計，能將反射光線均勻地導向所要的出光角度。此外，導光板上的導光微結構設計，則可達到導光及充分混光的效果，並且也具有控制出光角度的功能。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。在本發明被詳細描述前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖3、4、5，本發明發光裝置之第一較佳實施例為一個下照式燈具，可以安裝在建築物天花板，並使光線往下照射，但實施時不限於此。所述發光裝置包含：一光源單元2、一導光板3，以及一反射片4。

該光源單元2包括至少一個發光二極體21，本實施例是設置數個發光二極體21，並且分成兩組而設置在該導光板3的左右兩側，位於同側的發光二極體21為前後排列。本發明不須限制所述發光二極體21的排列位置與排列方式，例如也可以設置在該導光板3的左側或者右側。

該導光板3用於傳導各個發光二極體21發出的光，使光線往該導光板3的上方傳導。該導光板3的材料沒有特殊限制，只要具有良好的導光效果即可。該導光板3包括一個平板狀的導光本體31，以及數個突出於該導光本體31的導光微結構32。該導光本體31具有一個朝上的第一面311，以及一個與該第一面311上下相對的第二面312，該導光本體31及導光微結構32的材料為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacerylate，簡稱PMMA)，該導光本體31及導光微結構32的形態可經由滾輪押出而得。

所述每一導光微結構32自該第一面311朝該反射片4突出，本實施例的導光微結構32是沿著前後方向而長向延伸的方柱，每一導光微結構32具有一個自該第一面311朝該反射片4延伸且前後左右四面圍繞設置的結構圍面321，以及一個連接在該結構圍面321之一鄰近該反射片4的端緣上的結構端面322。具體而言，所述導光微結構32是自該第一面311朝上突出，所述結構圍面321是自該第一面311朝上延伸，所述結構端面322連接在結構圍面321的頂緣。本實施例的導光微結構32為間隔設置，在相鄰的導光微結構32之間具有一平坦面320，所述平坦面320實際上就是該第一面311的局部表面。

定義每一導光微結構32的結構圍面321與該第一面311的夾角為一個結構角θ，所述結構角θ是位於導光微結構32的外部的夾角而非內部的夾角，且90°≦θ≦90°+θ_n ，所述θ_n 為光線由該導光板3入射到空氣時所能產生全反射的臨界角。此外，該結構端面322的寬度為w，導光微結構32的高度為h，且0≦w≦h×tanθ_n 。

在此先說明關於θ的限定：一般在成型導光微結構32時，主要是利用模具成型，但脫模時會有脫模角度的限制，因此該結構角θ恆大於等於90°。另外，一般期望該光源單元2的光線能在導光板3中多次反射行進後，再由該導光板3的上方射出，尤其是受到所述導光微結構32的導光傳播，使光線能充分受到導光、均勻化的作用。

參閱圖6，光線自該導光板3中朝上射向該第一面311時，由於圖中的光線A、B的入射角大於臨界角θ_n ，所以光線A、B入射到該第一面311時(也就是導光板3與空氣的界面)，將因為全反射而繼續傳播於該導光板3內，因此，在該導光板3中傳播的許多光線的角度都是大於臨界角θ_n 的。所以當入射角大於θ_n 的光線C、D朝導光微結構32與該第一面311的交界處入射時，為了使光線C、D都能進入導光微結構32內，則導光微結構32的大小至少必須涵蓋一臨界線L的右半邊的範圍，也就是說，該結構圍面321的左半段必須位於L的左半邊或至少位於L上，相對地，若是θ過大使得結構圍面如圖中假想線321’所示位於該臨界線L的右半邊，則導光微結構32的結構範圍太短，光線C、D將直接穿出界面而無法受到導光微結構32的導光作用。因此必須限定θ最大不能超過90°+θ_n ，才能使大部分光線經由該導光微結構32傳遞出去。

參閱圖7，接著說明該結構端面322的寬度w限制(由於圖7僅用於示意說明，w值會隨著不同設計而有不同的大小，因此圖7未標出w)：若該導光微結構如圖7假想線右半邊所示的三角柱或三角錐狀，此時其頂端為尖端，w=0；又因為上述的限定90°≦θ≦90°+θ_n ，因此結構端面322的寬度w最小值可以等於0，最大值不超過圖中的w1，亦即，w≦w1，而w1=h×tanθ_n ，所以可以得到w≦h×tanθ_n 。透過上述w、h及θ_n 的關係式，限定導光微結構32的形態，使光線充分進入導光微結構32內，並受到導光、混光後而均勻地往上射出。

參閱圖4、5，該反射片4位於該導光板3的上方，並將通過該導光板3而來的光線再度朝該導光板3反射而使光線向外射出，在本實施例中是將光線向下反射，以使光線最後能經由該導光本體31的第二面312射出。該反射片4包括一個具有數個突出部411的基材41，以及一披覆在該基材41的底面的反射膜42。本實施例的基材41材料為聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，簡稱PET)，本實施例的反射膜42材料為鍍鋁金屬。該基材41及該反射膜42共同組成該反射片4後，該反射片4包括數個由該基材41的突出部411及該反射膜42共同形成而且彼此間隔的反射微結構43，以及數個朝向該導光板3並且各別連接在相鄰的反射微結構43之間的平坦的反射面44，所述反射面44即為該反射膜42的表面。每一反射微結構43具有一個角度為δ的頂角，且90°≦δ≦170°，藉此使反射微結構43能夠有效地控制出光角度，受到反射微結構43反射的光線呈現較集中的角度而朝下反射，因而使照明光線集中，出光角度符合一般燈具的照明需求。而且本實施例的導光微結構32的結構端面322位於該反射片4的頂角上。

參閱圖8，接著以實際圖例說明頂角δ的角度限制，當入射光線E入射到頂角δ大於90°的反射微結構43時，可被朝下反射(如光線F)，但相同的入射光線E朝圖8假想線所示的頂角小於90°的反射微結構43’入射時，光線會被朝上反射(如光線G)，也就是說，當頂角太小時，光線無法被有效地往下反射並取出；因此本發明限定90°≦δ為佳。當然，由於入射光線的角度很多，對於某些角度的光線而言，還是會被反射微結構43朝上反射，但由於本發明的反射 片4設有平坦的反射面44，也可以輔助用於將光線朝下反射。另一方面，當δ大於170°時，亦即接***面狀的180°，導致反射微結構43的突出結構不明顯，自然就無法有效地控制出光角度，因此限定δ≦170°為佳。

參閱圖6、7、8，進一步舉例，本實施例的結構角θ=93°，導光本體31及導光微結構32的材料聚甲基丙烯酸甲酯的θ_n =42.15°，結構端面322的寬度w=100μm，導光微結構32的高度h=115μm，反射微結構43的頂角δ=100°。因為結構角θ=93°，而90°≦93°≦90°+42.15°，滿足式90°≦θ≦90°+θ_n ；因為w=100μm，h=115μm，100≦115×tan42.15°，故滿足式w≦h×tan θ_n ；因頂角δ=100°，故滿足式90°≦δ≦170°。

參閱圖9，定義光線通過該導光板3上的導光微結構32而進入空氣中的折射角為90-a，光線入射到反射微結構43表面的入射角為b，若光線被該反射微結構43反射後為正向朝下射出(如光線H)，則a=2b，且該反射微結構43的頂角δ=180°-2b。請參閱表1，列出a、b、δ間的關係，顯示本發明的反射片對於不同入射角度的光線，若要使其被反射微結構43反射後能正向朝下射出，使光線角度較為集中，則必須針對各種入射角的光線相應地改變δ的角度設計，如表1所示，針對各種不同入射角而調變的δ，皆為本發明限定的90°至170°的範圍內。

參閱3、4、5，本發明使用時，所述發光二極體21沿著導光微結構32的長度延伸方向而前後排列，發光二極體21的光線由導光板3的側邊進入該導光板3，導光板3具有將光線往上方傳導的功能，光線受到該導光板3充分的導光及混光作用後，同時受到導光微結構32控制光線往上折射角度，使光線向上射向該反射片4，該反射片4再將光線朝下反射，反射微結構43的頂角設計也能達到控制出光角度的目的，使向下照射的光線角度及照射範圍符合照明需求。需要說明的是，由於本實施例是以燈具為例，因此期望使出光角度符合照明需求，若本發明應用在其它種發光裝置，例如廣告燈箱，其出光角度需求可能會不同，但同樣可以透過本發明的反射片4設計獲得良好控制。

綜上所述，藉由反射片4設有反射微結構43，具有良好的光反射效果，並且配合反射微結構43適當的頂角設計，能將反射光線均勻地導向所要的出光角度，達到本發明的目的。

參閱圖10、11，本發明發光裝置之第二較佳實施例與該第一較佳實施例大致相同，不同的地方在於：本實施例的導光板3的導光微結構32為球狀，並且彼此間隔地前後 左右排列。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧光源單元

21‧‧‧發光二極體

3‧‧‧導光板

31‧‧‧導光本體

311‧‧‧第一面

312‧‧‧第二面

32‧‧‧導光微結構

321、321’‧‧‧結構圍面

322‧‧‧結構端面

320‧‧‧平坦面

4‧‧‧反射片

41‧‧‧基材

411‧‧‧突出部

42‧‧‧反射膜

43、43’‧‧‧反射微結構

44‧‧‧反射面

A、B、C、D、E、F、G、H‧‧‧光線

L‧‧‧臨界線

w、w1‧‧‧寬度

h‧‧‧高度

a‧‧‧折射角

b‧‧‧入射角

θ‧‧‧結構角

θ_n ‧‧‧臨界角

δ‧‧‧頂角

圖1是一種已知照明裝置的立體分解圖；圖2是該已知照明裝置的側視剖視圖；圖3是本發明發光裝置之一第一較佳實施例的立體示意圖；圖4是該第一較佳實施例的前視示意圖；圖5是該第一較佳實施例的局部前視放大圖；圖6是該第一較佳實施例的一導光板的局部放大示意圖，用於說明該導光板的結構角θ的設計；圖7是該導光板的局部放大示意圖，用於說明該導光板的結構設計；圖8是該第一較佳實施例的一反射片的局部放大示意圖，用於說明該反射片的結構設計；圖9是該第一較佳實施例的局部放大示意圖，同時顯示光線受到該導光板及該反射片的作用後的行進路線；圖10是本發明發光裝置之一第二較佳實施例的一導光板的前視示意圖；及圖11是該第二較佳實施例的導光板的俯視示意圖。

2．．．光源單元

21．．．發光二極體

3．．．導光板

31．．．導光本體

311．．．第一面

312．．．第二面

32．．．導光微結構

321．．．結構圍面

322．．．結構端面

320．．．平坦面

4．．．反射片

41．．．基材

411．．．突出部

42．．．反射膜

43．．．反射微結構

44．．．反射面

Claims (12)

1. 一種發光裝置，包含：一光源單元，包括至少一發光二極體；一導光板，設置在該光源單元的一側，並用於傳導該光源單元的光線，該導光板包括一個具有相對的一第一面與一第二面的導光本體，以及數個自該第一面突出的導光微結構；及一反射片，位於該導光板的一側，並與該導光板的第一面相對，該反射片將通過該導光板而來的光線再度朝該導光板反射而使光線經由該導光本體的第二面向外射出，該反射片包括數個朝該導光板突出的反射微結構，每一反射微結構具有一個角度為δ的頂角，且90°≦δ≦170°；其中，每一導光微結構具有一個自該第一面朝該反射片延伸設置的結構圍面，以及一個連接在該結構圍面的結構端面，其中該結構端面位於該反射片的頂角上。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中，所述反射微結構為間隔設置，該反射片還包括數個朝向該導光板並且各別連接在相鄰的反射微結構間的平坦的反射面。
3. 依據申請專利範圍第1或2項所述之發光裝置，其中，該反射片還包括一個具有數個突出部的基材，以及一披覆在該基材的表面的反射膜，所述反射微結構是由該基材的突出部及該反射膜共同形成。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之發光裝置，其中，該基材的材料為高分子材料，該反射膜的材料為金屬。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中，該導光板的導光微結構為間隔設置，在相鄰的導光微結構之間具有一平坦面。
6. 依據申請專利範圍第1或2項所述之發光裝置，其中，定義每一導光微結構的結構圍面與該第一面的夾角為一個結構角θ，所述結構角θ是位於導光微結構的外部，且90°≦θ≦90°+θ_n ，所述θ_n 為光線由該導光板入射到空氣時所能產生全反射的臨界角；該結構端面的寬度為w，該導光微結構的高度為h，且0≦w≦h×tan θ_n 。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之發光裝置，其中，該導光板的材料含有光擴散劑。
8. 依據申請專利範圍第6項所述之發光裝置，其中，所述導光微結構的形狀為梯形柱、方柱或三角柱。
9. 依據申請專利範圍第6項所述之發光裝置，其中，所述導光微結構為數個前後左右設置並突出排列在該導光本體上，並且為金字塔狀、四方體或三角錐形狀。
10. 一種下照式燈具，包含：一光源單元，包括至少一發光二極體；一導光板，設置在該光源單元的一側，並用於傳導該光源單元的光線，該導光板包括一個具有上下相對的一第一面與一第二面的導光本體，以及數個自該第一面朝上突出的導光微結構，每一導光微結構具有一個自該 第一面朝上延伸且圍繞設置的結構圍面，以及一個連接在該結構圍面的頂緣的結構端面；定義每一導光微結構的結構圍面與該第一面的夾角為一個結構角θ，所述結構角θ是位於導光微結構的外部，且90°≦θ≦90°+θ_n ，所述θ_n 為光線由該導光板入射到空氣時所能產生全反射的臨界角；該結構端面的寬度為w，該導光微結構的高度為h，且0≦w≦h×tan θ_n ；及一反射片，位於該導光板的上方，並將通過該導光板而來的光線再度朝該導光板反射而使光線向下射出，該反射片包括數個朝該導光板突出的反射微結構，每一反射微結構具有一個角度為δ的頂角，且90°≦δ≦170°。
11. 依據申請專利範圍第10項所述之下照式燈具，其中，所述導光微結構的形狀為梯形柱、方柱或三角柱。
12. 依據申請專利範圍第10項所述之下照式燈具，其中，所述導光微結構為數個前後左右設置並突出排列在該導光本體上，並且為金字塔狀、四方體或三角錐形狀。