TWI723810B - 光學裝置以及照明裝置 - Google Patents

Abstract

一種光學裝置包括導電腔體、第一光學模組、第二光學模組以及第三光學模組。導電腔體具有入光端。第一光學模組、第二光學模組以及第三光學模組固定於導電腔體中，其中第一光學模組鄰近入光端且位於入光端與第二光學模組之間，且第二光學模組位於第一光學模組與第三光學模組之間。導電腔體、第一光學模組以及第二光學模組共同圍設出第一共振空間。導電腔體、第二光學模組以及第三光學模組共同圍設出第二共振空間。還提供一種照明裝置。

Description

光學裝置以及照明裝置

本發明是有關於一種電子裝置，且特別是有關於一種光學裝置以及照明裝置。

現有的照明裝置大多採用反射方式，將光源發出的光束投射到照明裝置的外部，藉此增加照明的亮度、光投射的距離或照明的範圍等。然而，由於光源大多具有大的發散角，因此隨著光投射距離的增加，被照物每單位面積所接收到的光源能量密度會大幅降低。為解決上述缺點，現有技術主要透過使用更大功率的光源來滿足照明需求，然而這種方式會耗費更多的能源。

本發明提供一種光學裝置，其有助於放大輸出光的能量。

本發明提供一種照明裝置，其可在不耗費更多的能源的情況下滿足照明需求。

本發明的一種光學裝置包括導電腔體、第一光學模組、 第二光學模組以及第三光學模組。導電腔體具有入光端。第一光學模組固定於導電腔體中且鄰近入光端。第二光學模組固定於導電腔體中。第一光學模組位於入光端與第二光學模組之間。導電腔體、第一光學模組以及第二光學模組共同圍設出第一共振空間。第三光學模組固定於導電腔體中。第二光學模組位於第一光學模組與第三光學模組之間。導電腔體、第二光學模組以及第三光學模組共同圍設出第二共振空間。

在本發明的一實施例中，導電腔體的材質包括導電材料。

在本發明的一實施例中，導電腔體的入光端具有用於容納光源的光源容置孔。

在本發明的一實施例中，第一光學模組為光聚焦模組。

在本發明的一實施例中，第二光學模組以及第三光學模組的任一個包括讓光束部分穿透部分反射的一光學元件。

在本發明的一實施例中，第三光學模組為透鏡或保護蓋。

在本發明的一實施例中，第一光學模組的邊緣、第二光學模組的邊緣以及第三光學模組的邊緣皆固定在導電腔體的側壁上。

在本發明的一實施例中，第一光學模組、第二光學模組以及第三光學模組的材質為玻璃或塑膠。

在本發明的一實施例中，第一共振空間與第二共振空間中的光傳遞介質的折射率為1。

本發明的一種照明裝置包括光源以及光學裝置。光源適 於輸出光束。光學裝置設置於光束的傳遞路徑上且包括導電腔體、第一光學模組以及第二光學模組。導電腔體具有入光端。光源設置於入光端。第一光學模組固定於導電腔體中且鄰近入光端。第二光學模組固定於導電腔體中。第一光學模組位於入光端與第二光學模組之間。導電腔體、第一光學模組以及第二光學模組共同圍設出第一共振空間。

基於上述，在本發明實施例的光學裝置中，藉由一個或多個共振空間對光束進行共振放大，因此本發明實施例的光學裝置有助於放大輸出光的能量。此外，本發明實施例的照明裝置藉由一個或多個共振空間的設置可在不耗費更多的能源的情況下滿足照明需求。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

1:照明裝置

10:發光二極體光源

100:線路板

102:發光二極體

12:光學裝置

120:導電腔體

122:第一光學模組

124:第二光學模組

126:第三光學模組

A:區域

B、B1、B2:光束

O:光源容置孔

S120:側壁

SP1:第一共振空間

SP2:第二共振空間

X1:入光端

X2:出光端

圖1是依照本發明實施例的一種照明裝置的剖面示意圖。

圖2是依照本發明實施例的一種照明裝置的上視示意圖。

實施方式中所提到的方向用語，例如：「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方 向用語是用來說明，而並非用來限制本發明。在附圖中，各圖式繪示的是特定示範實施例中所使用的方法、結構及/或材料的通常性特徵。然而，這些圖式不應被解釋為界定或限制由這些示範實施例所涵蓋的範圍或性質。舉例來說，為了清楚起見，各膜層、區域及/或結構的相對尺寸、厚度及位置可能縮小或放大。

在實施方式中，相同或相似的元件將採用相同或相似的標號，且將省略其贅述。此外，不同示範實施例中的特徵在沒有衝突的情況下可相互組合，且依本說明書或申請專利範圍所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本專利涵蓋之範圍內。另外，本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名分立(discrete)的元件或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限，也並非用以限定元件的製造順序或設置順序。

圖1是依照本發明實施例的一種照明裝置1的剖面示意圖。請參照圖1，照明裝置1包括光源10以及光學裝置12。

光源10適於輸出光束B。光源10可為發光二極體光源、雷射光源或上述兩者的組合。以發光二極體光源為例，光源10可包括線路板100以及至少一個發光二極體102。線路板100可為印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)、軟性印刷電電路板(Flexible Printed Circuit,FPC)或任何適於承載線路的基材。

當照明裝置1應用於一般照明時，發光二極體102可為白光發光二極體。或者，發光二極體102可為藍色發光二極體搭 配至少一層色轉換層(未繪示)。色轉換層適於吸收短波長的光束(如藍光)並放出長波長的光束(如黃光、紅光或綠光)。舉例來說，色轉換層的材質可包括螢光粉、量子點或上述兩個的組合。

色轉換層可覆蓋於發光二極體102上，使得發光二極體102位於色轉換層與線路板100之間。當光源10包括多個發光二極體102時，多個發光二極體102可共用同一個色轉換層，或者，多個發光二極體102可不共用同一個色轉換層，例如多個發光二極體102上可分別覆蓋有多個色轉換層。多個色轉換層結構上分離且可被激發出相同顏色或不同顏色的光束。舉例來說，多個色轉換層可分別被激發出紅光、綠光及藍光，以混合出白光，即光束B的顏色為白色，然而光束B的顏色可依據不同的需求而變，且可依所需的光束B的顏色去調整發光二極體102的具體架構。

在設置有色轉換層的架構下，色轉換層的形狀可為半球狀，以提供匯聚光的效果，但不以此為限。在一實施例中，可於色轉換層上進一步設置保護層，以隔絕空氣及水氣對於色轉換層的負面影響。在設置有保護層的架構下，保護層的形狀可為半球狀，以提供匯聚光的效果，如此，色轉換層的形狀可為也可不為半球狀。另外，在未設置有色轉換層的架構下，也可於發光二極體102上設置半球狀的保護層，以提供匯聚光的效果。

光學裝置12設置於光束B的傳遞路徑上且適於放大光射出的能量以及調整光射出的光形等。詳細而言，光學裝置12包括導電腔體120、第一光學模組122、第二光學模組124以及第三光 學模組126。

導電腔體120適於固定光源10、第一光學模組122、第二光學模組124以及第三光學模組126。導電腔體120可為一體成型的單體式結構，也可為由多個片件組裝而成的多件式結構，且多個片件可具有相同或不同的材質。導電腔體120除了適於固定光源10、第一光學模組122、第二光學模組124以及第三光學模組126之外，還可作為光電效應(Photoelectric effect)中接收光子並放出電子的物體，因此導電腔體120的材質包括適於發生光電效應的導電材料，且較佳為導電性佳的材料。舉例來說，導電腔體120的材質可包括金屬、合金、石墨烯或上述至少兩者的組合，但不以此為限。

導電腔體120具有入光端X1以及與入光端X1相對的出光端X2。光源10設置於入光端X1，使得光源10輸出的光束B經由入光端X1進入導電腔體120，且光束B經由出光端X2自導電腔體120輸出。

在本實施例中，導電腔體120的入光端X1具有用於容納光源(如所述一個或多個發光二極體102)的光源容置孔O，且發光二極體102設置於光源容置孔O中。然而，導電腔體120與光源10的相對設置關係不以此為限。舉例來說，光源10可整體設置於光源容置孔O中，但不以此為限。

應說明的是，導電腔體120的設計參數(如導電腔體120的形狀及/或尺寸、光源容置孔O的形狀及/或尺寸等)可依需求調 整，而不以圖1所顯示的為限。

第一光學模組122、第二光學模組124以及第三光學模組126固定於導電腔體120中。圖1示意性繪示出第一光學模組122的邊緣、第二光學模組124的邊緣以及第三光學模組126的邊緣皆固定在導電腔體120的側壁S120上，但光學模組與導電腔體之間的固定方式及/或相對配置關係不以此為限。舉例來說，第一光學模組122、第二光學模組124以及第三光學模組126可以卡固、鎖固、黏合或其他合適的方式固定於導電腔體120中。當導電腔體120由多個片件組裝而成時，多個光學模組可以卡固、鎖固、黏合或其他合適的方式固定於相鄰的兩個片件之間。

第一光學模組122鄰近入光端X1且位於入光端X1與第二光學模組124之間，且第一光學模組122的下表面(如第一光學模組122面向光源10的表面)與導電腔體120的底面接觸且鄰近導電腔體120的光源容置孔O設置。第二光學模組124位於第一光學模組122與第三光學模組126之間。導電腔體120、第一光學模組122以及第二光學模組124共同圍設出第一共振空間SP1，而導電腔體120、第二光學模組124以及第三光學模組126共同圍設出第二共振空間SP2。在本實施例中，第一共振空間SP1與第二共振空間SP2中的光傳遞介質的折射率為1。換句話說，第一共振空間SP1與第二共振空間SP2中的光傳遞介質可為空氣，且第一共振空間SP1與第二共振空間SP2中可不設置填充材料。在一些實施例中，第一共振空間SP1與第二共振空間SP2之間的距 離或位置可依需求而調整。此外，也可依需求而增加或減少共振空間。

光源10輸出的光束B經由第一光學模組122進入第一共振空間SP1。第一光學模組122可為光聚焦模組，以將光源10輸出的光束B匯聚至第一共振空間SP1中。光聚焦模組可包括一個或多個透鏡。所述一個或多個透鏡的每一個可為球面或非球面透鏡。此外，所述一個或多個透鏡的每一個的材質可為玻璃或塑膠。

第二光學模組124以及第三光學模組126的任一個包括讓光束部分穿透部分反射的一光學元件。所述光學元件可為一個或多個透鏡或保護蓋。具體地，可依實際需求(如應用範疇)選擇第二光學模組124以及第三光學模組126的元件，且第二光學模組124的元件種類及/或數量可相同或不同於第三光學模組126的元件種類及/或數量。舉例來說，第二光學模組124可為包括一個或多個透鏡的光聚焦模組。當第三光學模組126用於增加光投射的距離時，第三光學模組126可為包括一個或多個透鏡的光聚焦模組。另一方面，當第三光學模組126用於增加照明的範圍時，第三光學模組126可為包括一個或多個透鏡的光擴展模組，且所束光擴展模組的屈光度可為負。再者，第三光學模組126也可為保護蓋，以保護位於其下的元件。保護蓋的材質可為玻璃或塑膠。此外，保護蓋可為平面或曲面基材。

進入第一共振空間SP1的光束B的一部分(簡稱第一部分)經由第二光學模組124自第一共振空間SP1輸出至第二共振 空間SP2，而進入第一共振空間SP1的光束B的另一部分(簡稱第二部分)可經由第一共振空間SP1進行共振放大，在累積足夠能量後經由第二光學模組124自第一共振空間SP1輸出至第二共振空間SP2。

所述第一部分例如可以是進入第一共振空間SP1的光束B的60%，而所述第二部分例如可以是進入第一共振空間SP1的光束B的40%，但所述第一部分以及所述第二部分各自的百分比可依不同的設計需求改變，且可藉由調整第一光學模組122以及第二光學模組124的設計參數(如曲率、折射率、與其他元件的距離等)來改變所述第一部分以及所述第二部分各自的百分比。舉例來說，可藉由調整第一光學模組122的設計參數，來控制光束B傳遞至第二光學模組124的不同區域(如中心區域跟周邊區域)的光能量分布。此外，可藉由調整第二光學模組124的設計參數，來控制第一部分(直接穿出第二光學模組124的光束)的百分比以及第二部分(被第二光學模組124反射的光束)的百分比。

在第一共振空間SP1中，第二部分被第二光學模組124反射至導電腔體120的側壁S120，側壁S120基於光電效應而將光子轉換成電子。此電子最終以可見光的形式釋放能量，因而產生閃光。透過第一光學模組122、第二光學模組124以及導電腔體120的設計，可使光束B(光子)在第一共振空間SP1中來回多次反射/衝擊/碰撞，而激發出更多的電子逃離原來的軌道，因而達到 類似於雷射共振腔的光能量放大的效果，使得自第一共振空間SP1輸出的光束B1的能量超過進入第一共振空間SP1的光束B的能量。欲達到共振放大的效果，光源10所發出光束B的頻率及相位盡可能調整為一致或大部分一致(即達到同調性的特性)。

類似地，經由第二光學模組124進入第二共振空間SP2的光束B1的一部分(簡稱第三部分)經由第三光學模組126自第二共振空間SP2輸出至光學裝置12的外部，而進入第二共振空間SP2的光束B1的另一部分(簡稱第四部分)可經由第二共振空間SP2進行共振放大，在累積足夠能量後經由第三光學模組126自第二共振空間SP2輸出至光學裝置12的外部，使得自第二共振空間SP2輸出的光束B2的能量超過進入第二共振空間SP2的光束B1的能量。藉此，自光學裝置12輸出的光束B2的能量可超過光源10輸出的光束B的能量。

所述第三部分例如可以是進入第二共振空間SP2的光束B1的60%，而所述第四部分例如可以是進入第二共振空間SP2的光束B1的40%，但所述第三部分以及所述第四部分各自的百分比可依不同的設計需求改變，且可藉由調整第二光學模組124以及第三光學模組126的設計參數(如曲率、折射率、與其他元件的距離等)來改變所述第三部分以及所述第四部分各自的百分比。相關的說明請參考前述，與此不再重述。

圖2是依照本發明實施例的一種照明裝置1的上視示意圖。在圖2中，第三光學模組126的區域A表示的是百分之六十 的光束由此區通過，但區域A的輸出光束的百分比不以此為限。在另一實施例中，區域A的輸出光束的百分比可以是1%至99%。

應說明的是，雖然在圖1的照明裝置1中，示意性繪示出光學裝置12具有兩個共振空間，但光學裝置所具有的共振空間的數量不以此為限。由於每一個共振空間皆有助於放大光出射的能量，因此光學裝置可僅具有一個共振空間(如第一共振空間)。在此架構下，光學裝置可不包括第三光學模組126，而有助於縮減光學裝置整體的體積。在又一實施例中，光學裝置也可具有三個以上的共振空間。在此架構下，光學裝置可包括更多個光學模組，使每一個共振空間由兩個相鄰的光學模組與導電腔體120共同圍設而成。如此，有助於增加光投射的距離或增加照射的範圍。

另外，因應不同的光學設計的需要，可搭配不同形狀的鏡片。因此，所有的光學模組的形狀不僅限於某一形狀，其可以是圓形、正方形、長方形、橢圓形、單面凸出形、雙面凸出形、單面凸出且單面凹陷、一面有紋路(如坑紋)且另一面沒紋路的、雙面都有紋路的、平面形的、單面是平面而另一面有弧度的、三角形的、多邊形的或是其他形體。在一些實施例中，光學模組的材質除了玻璃、塑膠之外，也可以是透明或半透明的聚合物(polymer)，甚至也可以使用液體形成光學模組。在一些實施例中，部分光學的材料可依需要而添加各種不同的礦石元素或顏色材料並成型，從而可生產出具有不同顏色的光學輸出的照明裝置。換句話說，可以不用藉由不同顏色的發光元件進行混光，而是在生 產光學鏡片時添加不同的礦物質或顏色材料，利用光學鏡片中的不同礦物質或顏色材料來改變輸出光的顏色。在一些實施例中，也可因應不同用途和設計，而在每一個光學模组之間，增加某一形狀的鏡片，或是減少某一形狀的鏡片。甚至直接只需一組光學鏡片，配合金屬的共振腔便可。但亦可能需增加相當數量的光學模组，或鏡片，形成原設計的需求而增减。舉例來說，也可以參考望遠鏡的部分原理，修改或增加光學模組的設計。

再者，共振空間可以是以不同的形狀來形成，或可能增設某一種附件，如金屬的遮光罩或是有反射功能的零配件。零配件的材料可能是金屬、陶瓷、塑膠、石墨烯或各種礦石等不同的材料製造的。光學模组的材料可能是一般的玻璃，也可能是特殊配方調配而成的光學鏡片，也可能是塑膠材質(如PC材質)，也可能是陶瓷或石英製成的，或更先進的材料。所有的光學模组配合使用的鏡片、高度、寬度或厚度可皆不同，但不限於此。

在一些實施例中，照明裝置可具有無線充電功能。在一些實施例中，照明裝置可具有中央遙控系統。在一些實施例中，照明裝置可由5G網路操控或監測，以節省能源。在一些實施例中，照明裝置可以透過太陽能或無線傳輸充電或供電。

綜上所述，在本發明實施例的光學裝置中，基於量子光學的原理，首先利用共振空間把發光二極體光源的輸出功率放大，增强至更高的能階，使得電子與光子產生碰撞，而每一次的碰撞，便能產生更多的能量。因此，本發明實施例的光學裝置有 助於放大輸出光的能量。此外，本發明實施例的照明裝置藉由一個或多個共振空間的設置可在不耗費更多的能源(不增加發光二極體光源的輸出功率)的情況下滿足照明需求(如增加照明的亮度、光投射的距離或照明的範圍等)，或者可透過精密的光學設計調整光源的寬度和距離，以滿足使用者的需求。另外，由於自照明裝置輸出的光束的相位及頻率為一致或大部分一致，因此自照明裝置輸出的光束的光強度可較均一。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

1:照明裝置

10:光源

100:線路板

102:發光二極體

12:光學裝置

120:導電腔體

122:第一光學模組

124:第二光學模組

126:第三光學模組

B、B1、B2:光束

O:光源容置孔

S120:側壁

SP1:第一共振空間

SP2:第二共振空間

X1:入光端

X2:出光端

Claims (10)

1. 一種光學裝置，包括：一導電腔體，具有一入光端；一第一光學模組，固定於該導電腔體中且鄰近該入光端；一第二光學模組，固定於該導電腔體中，其中該第一光學模組位於該入光端與該第二光學模組之間，且該導電腔體、該第一光學模組以及該第二光學模組共同圍設出一第一共振空間；以及一第三光學模組，固定於該導電腔體中，其中該第二光學模組位於該第一光學模組與該第三光學模組之間，且該導電腔體、該第二光學模組以及該第三光學模組共同圍設出一第二共振空間，其中該第一光學模組的下表面與該導電腔體的底面接觸且鄰近該導電腔體的光源容置孔設置。
2. 如請求項1所述的光學裝置，其中該導電腔體的材質包括導電材料。
3. 如請求項1所述的光學裝置，其中該光源容置孔位於該導電腔體的該入光端且用於容納一光源。
4. 如請求項1所述的光學裝置，其中該第一光學模組為光聚焦模組。
5. 如請求項1所述的光學裝置，其中該第二光學模組以及該第三光學模組的任一個包括讓光束部分穿透部分反射的一光學元件。
6. 如請求項1所述的光學裝置，其中該第三光學模組為透鏡或保護蓋。
7. 如請求項1所述的光學裝置，其中該第一光學模組的邊緣、該第二光學模組的邊緣以及該第三光學模組的邊緣皆固定在該導電腔體的側壁上。
8. 如請求項1所述的光學裝置，其中該第一光學模組、該第二光學模組以及該第三光學模組的材質為玻璃或塑膠。
9. 如請求項1所述的光學裝置，其中該第一共振空間與該第二共振空間中的光傳遞介質的折射率為1。
10. 一種照明裝置，包括：一光源，適於輸出一光束；以及一光學裝置，設置於該光束的一傳遞路徑上且包括：一導電腔體，具有一入光端，該光源設置於該入光端；一第一光學模組，固定於該導電腔體中且鄰近該入光端；以及一第二光學模組，固定於該導電腔體中，其中該第一光學模組位於該入光端與該第二光學模組之間，且該導電腔體、該第一光學模組以及該第二光學模組共同圍設出一第一共振空間，其中該第一光學模組的下表面與該導電腔體的底面接觸且鄰近該導電腔體的光源容置孔設置。

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