TW201326890A - 均光透鏡 - Google Patents

Abstract

一種均光透鏡，用於一光源，均光透鏡包含一導光本體與一反射體，導光本體具有一側面、一入光面與一出光面，入光面設有一容置槽，出光面設有一錐形槽，反射體設於側面。當光源發射一光線時，光線由容置槽的第一側壁折射至錐形槽的第二側壁，光線再由第二側壁全反射至側面，並且由反射體將光線反射至第二側壁，然後由第二側壁折射而穿出導光本體。如此可讓光源之光線向外擴散，可有效的提升光源的使用效率。

Description

均光透鏡

本發明係關於一種均光透鏡，特別是一種具有全反射效果之均光透鏡。

照明設備為生活中不可或缺，而隨著技術的發展，具有更好照度及更省電的照明工具也逐漸應運而生。目前最常使用的照明光源為發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)。發光二極體為一種半導體元件，發光二極體具有省電、耐用、低發熱量及環保等多項優點，所產生之光源為冷光源，具有使用壽命長、低功率消耗及無產生紫外線輻射的特點，因此，發光二極體逐漸地逐步取代傳統光源的應用。

由於上述的發光二極體特性，各國政府皆大力推薦使用發光二極體燈具改良結構來取代傳統耗電能的鎢絲燈泡。尤其在提倡「節能減碳」的宣導訴求下，發光二極體的省電優越性便開始受到重視。在石化能源日漸短缺與環保意識高漲的今日，善用發光二極體已經是各界關切的焦點，因此坊間各種發光二極體照明設備如雨後春筍般推陳出新。

過去由於發光二極體之亮度還無法取代傳統之照明光源，但隨著技術領域之不斷提升，目前已研發出高照明輝度之發光二極體(高功率LED)，其足以取代傳統之照明光源。然而，發光二極體由於發光面積小，所發出之光源趨近為點狀光源，故當發光二極體做為一般光源輸出時，其光源會有輸出不均勻之情況發生，尤其需要在短距離內就達到均勻亮度之光源的應用，將會使發光二極體之使用受到限制。

目前習知技術已開始使用一導光元件將發光二極體所發出的光線予以導引並且擴散，使發光二極體的不均勻光輸出收斂在一定區域範圍內，使其達到局部區域內較為均勻的光源輸出。然而，目前所見的導光元件之出光面中心向外之亮度將大幅度的衰減，並不能有效且均勻的擴散發光二極體所射出的光線。故，利用目前習用的導光元件對發光二極體進行光學改善，依舊無法徹底的解決光線分布不均勻之問題。

鑒於以上的問題，本發明提供一種均光透鏡，為使發光二極體之光線得以均勻擴散，解決習用導光元件之出光面中心向外的亮度大幅度衰減之問題。

本發明之均光透鏡，適用於一光源，均光透鏡包含一導光本體與一反射體，導光本體具有環繞之一側面，以及相對之一入光面與一出光面，其中側面介於入光面與出光面之間，且側面分別與入光面與出光面相銜接，而反射體環設於側面。入光面設有一容置槽，容置槽具有一第一側壁，出光面設有一錐形槽，錐形槽具有一第二側壁。光源鄰近於入光面並發射一光線，光線穿過第一側壁折射至導光本體內，且光線傳遞至該第二側壁，光線再由第二側壁以全反射方式將光線傳遞至側面，光線由側面之反射體反射至第二側壁，最後光線穿透第二側壁以自出光面射出。

本發明另揭露一種均光透鏡，包含一導光本體及一反射體，導光本體具有環繞之一側面及相對之一入光面與一出光面，側面介於入光面與出光面之間，且側面分別與入光面與出光面相銜接，入光面設有一容置槽，出光面設有一錐形槽，反射體環設於側面，光線由第二側壁反射至反射體，光線再由反射體反射至第二側壁，光線再折射而自出光面射出。

容置槽具有以一第一函數形成y=L₁(x)之一第一側壁，錐形槽具有以一第二函數y=L₂(x)形成之一第二側壁，光源以一距離d鄰近於入光面並發射一光線，光源之邊長為L，光線以一第一折射率n₁之一第一入射角α₁穿過第一側壁，光線以導光本體之一第二折射率n₂之一折射角α₂折射至第二側壁，第一入射角α₁與折射角α₂之一第一法線與導光本體之一中心軸具有一第一夾角θ₁，第一法線與第一函數之交點具有一座標(x₁,y₁)，光線由第二側壁之一第二入射角β₁反射，第二入射角β₁之一第二法線與導光本體之一中心軸具有一第二夾角θ₂，

其中，

β₁=tan^-1[L₁’(x₁)]+sin^-1{(n₁/n₂)sin*-[tan^-1[(L/2+x₁)/(d+y₁)]+tan^-1[L₁’(x₁)]]}-tan^-1[L₂’(x₂)]。

本發明之功效在於，藉由容置槽之第一側壁與錐形槽之第二側壁之斜率的相互配合設計，使得光源所產生的光線由第一側壁折射至第二側壁後，光線會由第二側壁全反射至側面而向外擴散，以達均光之效果，且藉由第二側壁全反射有效降低光能量的耗損，並且藉由側面之反射體以讓光線再反射至第二側壁而穿出導光本體，更提升光源的使用效率。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。

請參閱第1A圖至第1D圖，其係為本發明第一較佳實施例之均光透鏡之立體示意圖、側視示意圖、俯視示意圖與第1C圖之A-A方向剖面示意圖。

如圖所示，本發明第一較佳實施例之均光透鏡用於一光源200，本發明之光源200為發光二極體，且發光二極體由側邊發光，熟悉此項技術之人員可依照實際使用需求，而對應改變光源200的種類，並不以此為限。

本實施例之均光透鏡包含一導光本體100及一反射體300，其中導光本體100之材料可為一壓克力或是玻璃等有機透光物質，讓光源200之光線可於均光透鏡內折射而擴散。導光本體100具有相對之一入光面102與一出光面104及環繞之一側面106，側面106介於入光面102與出光面104之間，且側面106的邊緣分別與入光面102與出光面104的邊緣相銜接，光源200則設置鄰近於入光面102之位置。

入光面102設有一容置槽110，容置槽110具有一第一側壁112，容置槽110可為錐形，錐形端點的朝向出光面104，故容置槽110的剖面形狀為一三角形，三角形之底部位於入光面102位置。出光面104設有一錐形槽120，錐形槽120的端點的朝向入光面102，出光面104之錐形槽120具有一第二側壁122。由於容置槽110為錐形，錐形的端點的朝向出光面104，因此大部分的光線將穿過第一側壁112後將向上傳遞至第二側壁122，第二側壁122將光線全反射之導光本體100之側面106。反射體300環設於導光本體100之側面106，當光源200發射一光線時，光線會在穿透第一側壁112，並且於導光本體100內進行折射擴散，之後光線將於第二側壁122產生全反射，使光線完全反射至導光本體100之側面106。接著，光線將在側面106由反射體300反射，使光線反射至第二側壁122，最後光線再由第二側壁122折射而穿出導光本體100。

另外，當光線在導光本體100內傳遞時，光線將在第二側壁122產生全反射作用，使光線由第二側壁122反射至側面106。此時，光線因為全反射的緣故，因此光線能量衰減較少，故光線可傳遞較遠，如此可讓光線於導光本體100內擴散較遠。

光源200所發出的光線最後將由導光本體100之側面106所設置的反射體300反射，之後光線再傳遞至第二側壁122，以一角度入射於第二側壁122，最後經由第二側壁122折射後穿出導光本體100，如此光線則會發散出去。如此可讓光線以更較廣的範圍擴散，以有效的提升光源200的使用效率。

請參閱第2A圖，其係為本發明第一較佳實施例之光路徑示意圖。如圖所示，本發明之導光本體100具有一中心軸C，導光本體100之中心底部設為原點o(0,0)，因此中心軸C以及為座標軸之Y軸，而導光本體100底部的水平線亦即為X軸。

光源200為邊長長度L之發光二極體，光源200之中心位於導光本體100下方一距離d的位置。當光源200發射光線至第一側壁112時，光線於第一側壁112產生一交點A(x₁,y₁)，而光線將穿過第一側壁112而折射。第一側壁112由一函數方程式y=L₁(x)所形成，而在A(x₁,y₁)具有一第一法線N₁、一第一入射角α₁與一折射角α₂，第一法線N₁與中心軸C的夾角為θ₁，空氣的之折射率為第一折射率n₁，導光本體100之折射率為第二折射率n₂。

光線由第一側壁112折射後，光線以一第二入射角β₁傳遞至第二側壁122，光線於第二側壁122產生一交點B(x₂,y₂)，第二側壁122由一函數方程式y=L₂(x)所形成，而在B(x₂,y₂)具有一第二法線N2，第二法線N2與中心軸C的夾角為θ₂，光線於交點B產生一反射角β₂，並且將光線傳遞至導光本體100之側面106，再經由反射體300將光線反射。反射後的光線將穿過第二側壁122，再由第二側壁122折射後發出。

而當光線在第一側壁112折射時，依據司乃爾定律，可得知：n₁sinα₁=n₂sinα₂，故可得知α₂=sin^-1[(n₁/n₂)sinα₁]。

請一併參閱第2B圖，其係為本發明第一較佳實施例之法線角度關係圖。由圖2A可知，本發明之第一法線N₁與中心軸C的夾角為θ₁，第二法線N2與中心軸C的夾角為θ₂，將θ₁、θ₂與中心軸C並列，再將由第一側壁112折射的光線一同並列，如圖2B所示，此圖如同將A點與B點重疊。折射的光線與第一法線N₁的夾角亦即為折射角α₂，折射的光線與第二法線N2的夾角亦即為第二入射角β₁。而第一法線N₁與第二法線N2的夾角為θ₃，θ₃的數值為θ₁與θ₂之和。

因此，β₁的數值為α₂加上θ₃，亦即β₁的數值為α₂、θ₁與θ₂的數值之和，亦即β₁=θ₁+θ₂+α₂。而再考慮角度方向性的情形下，α₂和β₁以第一法線N₁與第二法線N2為正負號的起始線，θ₁和θ₂以垂直線為正負號的起始線，而順時針方向為負，逆時針方向為正，則β₁為負，α₂為負，θ₁為負，θ₂為正。因此(-β₁)=(-θ₁)+(θ₂)+(-α₂)，亦即β₁=θ₁-θ₂+α₂。

請一併參閱第2C圖，其係為第2A之局部放大圖。由第1A圖示可知，光源200的長度為L，光源200之中心位於導光本體100下方一距離d的位置。由光源200發出之入射之光線在交點A與第一法線N₁的夾角為第一入射角α₁，而光源200發出之入射之光線在交點A與交點A垂直線的夾角為γ，垂直線平行於中心軸C，垂直線與第一法線N₁的夾角為為θ₁。由圖示可知，tanγ=[(L/2+x₁)/(d+y₁)]，γ=tan^-1[(L/2+x₁)/(d+y₁)]。另外，由第2C圖示可知，數值γ=數值α₁+數值θ₁，而數值α₁=數值γ-數值θ₁，而再考慮角度方向性的情形下，若以第一法線N₁為判斷角度正負號的起始線，而順時針方向為負，逆時針方向為正，α₁為負，θ₁為負，則(-α₁)=γ-(-θ₁)，α₁=-(γ+θ₁)。亦即α₁=-[tan^-1[(L/2+x₁)/(d+y₁)]+θ₁]。

請一併參閱第2D圖，其係為本發明較佳實施例之第一側壁112的部分曲線示意圖。此圖為第2A圖的局部示意圖。由第2A圖可知，光源200所發之入射光線於第一側壁112產生交點A(x₁,y₁)，而且光線將穿過第一側壁112而折射，第一側壁112之函數方程式y=L₁(x)，而在A(x₁,y₁)具有第一法線N₁，入射光線與第一法線N₁之夾角為第一入射角α₁，而折射光線與第一法線N₁之夾角為折射角α₂，第一法線N₁與中心軸C的夾角為θ₁。

方程式y=L₁(x)在交點A(x₁,y₁)的一切線T之方程式為L₁’(x₁)。切線T與第一法線N₁相互垂直，故由圖示可知，切線T與X軸的夾角亦為θ₁。θ₁為切線T與X軸的夾角，而切線T的斜率為tanθ₁，因此tanθ₁=L₁’(x₁)，故θ₁=tan^-1[L₁’(x₁)]。同理可知，θ₂=tan^-1[L₂’(x₂)]。故，綜合第2A圖至第2D圖可知：

β₁=θ₁-θ₂+α₂=θ₁-θ₂+sin^-1[(n₁/n₂)sinα₁]=tan^-1[L₁’(x₁)]+sin^-1{(n₁/n₂)sin*-[tan^-1[(L/2+x₁)/(d+y₁)]+tan^-1[L₁’(x₁)]]}-tan-¹[L₂’(x₂)]。

當β₁大於等於均光透鏡的臨界角θ_c時，可形成全反射，若均光透鏡的材料以PMMA為例，PMMA的折射率為n₂=1.4935，而空氣的折射率為1，故可知以PMMA均光透鏡的臨界角θ_c約為42.034度，意即β₁大於42.034度時將產生全反射。

本發明據此設計第一側壁112與第二側壁122之函數方程式，可讓光線於由第一側壁112發射至第二側壁122時可產生全反射，如此不但可讓光源之光線向外擴散，更可避免向外擴散之光線能量衰減太快，如此可有效的提升光源的使用效率。

請一併參閱第3圖，其係為本發明第二較佳實施例之導光本體100的剖面示意圖。此實施例不同於第一實施例在於容置槽110之剖面形狀的不同。

本實施例之容置槽110之剖面形狀為一梯形，梯形具有一上底與一下底，下底位於入光面102，下底大於上底。由本實施例對照第一實施例來看，兩實施例的第一側壁112斜率皆相同，僅容置槽110底部面積大小之差異。而改變容置槽110底部面積則會影響導光本體100中間亮度的差異，故本發明可依據實際需求而設置容置槽110底部面積。

請一併參閱第4圖，其係為本發明第三較佳實施例之導光本體100的側視圖。如圖所示，本發明更包含複數個固定柱130，設於導光本體100之底部，此實施例以三個固定柱130為範例做說明。

固定柱130用於抵設於光源200的周圍，使光源200與導光本體100之間產生有一間距，如此可讓光源200具有一散熱空間，並且讓光線發射之第一側壁112時，具有較為良好的入射角，故可讓本發明之均光透鏡能更有效的利用光源200。另外，固定柱130的高度可因實際設計需求對應進行調整。

綜上所述，本發明之均光透鏡藉由容置槽之第一側壁與錐形槽之第二側壁之斜率的相互配合設計，使入射光線於第二側壁產生全反射，並藉由反射體的反射，讓光線可由導光本體中心向外擴散，並且藉由第二側壁的全反射以減少光線擴散後能量的衰減，如此可均勻的將光線擴散，故可提升光源的使用效率。

雖然本發明之實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及數量當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．導光本體

102．．．入光面

104．．．出光面

106．．．側面

110．．．容置槽

112．．．第一側壁

120．．．錐形槽

130．．．固定柱

122．．．第二側壁

200．．．光源

300．．．反射體

第1A圖為本發明第一較佳實施例之均光透鏡之立體示意圖。

第1B圖為本發明第一較佳實施例之均光透鏡之側視示意圖。

第1C圖為本發明第一較佳實施例之均光透鏡之俯視示意圖。

第1D圖為第1C圖之A-A方向剖面示意圖。

第2A圖為本發明第一較佳實施例之光路徑示意圖。

第2B圖為本發明第一較佳實施例之法線角度關係圖。

第2C圖為第2A之局部放大示意圖。

第2D圖為本發明第一較佳實施例之第一側壁的局部放大示意圖。

第3圖為本發明第二較佳實施例之導光本體的剖面示意圖。

第4圖為本發明第三較佳實施例之導光本體的側視示意圖。

100．．．導光本體

102．．．入光面

104．．．出光面

106．．．側面

110．．．容置槽

112．．．第一側壁

120．．．錐形槽

122．．．第二側壁

200．．．光源

300．．．反射體

Claims (12)

1. 一種均光透鏡，適用於一光源，包含：一導光本體，具有環繞之一側面及相對之一入光面與一出光面，該側面介於該入光面與該出光面之間，且該側面分別與該入光面與該出光面相銜接，該入光面設有一容置槽，該容置槽具有一第一側壁，該出光面設有一錐形槽，該錐形槽具有一第二側壁，該光源鄰近於該入光面並發射一光線；以及一反射體，環設於該側面；其中，該光線穿過該第一側壁並折射至該導光本體內，且該光線傳遞至該第二側壁，該第二側壁全反射該光線至該側面，該反射體將該光線由該側面將反射至該第二側壁，該光線穿透該第二側壁並自該出光面射出。
2. 如請求項第1項所述之均光透鏡，其中該容置槽之剖面形狀為一三角形，該三角形之底部位於該入光面。
3. 如請求項第1項所述之均光透鏡，其中該容置槽之剖面形狀為一梯形，該梯形具有一上底與一下底，該下底重合該入光面，該下底之長度相對大於該上底之長度。
4. 如請求項第1項所述之均光透鏡，更包含複數個固定柱，設於該導光本體上。
5. 一種均光透鏡，適用於一光源，包含：一導光本體，具有環繞之一側面及相對之一入光面與一出光面，該側面介於該入光面與該出光面之間，且該側面分別與該入光面與該出光面相銜接，該入光面設有一容置槽，該容置槽具有以一第一函數形成y=L₁(x)之一第一側壁，該出光面設有一錐形槽，該錐形槽具有以一第二函數y=L₂(x)形成之一第二側壁，該光源以一距離d鄰近於該入光面並發射一光線，該光源之邊長為L，該光線以一第一折射率n₁之一第一入射角α₁穿過該第一側壁，該光線以該導光本體之一第二折射率n₂之一折射角α₂折射至該第二側壁，該第一入射角α₁與該折射角α₂之一第一法線與該導光本體之一中心軸具有一第一夾角θ₁，該第一法線與該第一函數之交點具有一座標(x₁,y₁)，該光線由該第二側壁之一第二入射角β₁反射，該第二入射角β₁之一第二法線與該導光本體之一中心軸具有一第二夾角θ₂；以及一反射體，環設於該側面；其中，該光線穿過該第一側壁並折射至該導光本體內，且該光線傳遞至該第二側壁，該第二側壁全反射該光線至該側面，該反射體將該光線由該側面將反射至該第二側壁，該光線穿透該第二側壁並自該出光面射出；其中，β₁=tan^-1[L₁’(x₁)]+sin^-1{(n₁/n₂)sin*-[tan^-1[(L/2+x₁)/(d+y₁)]+tan^-1[L₁’(x₁)]]}-tan^-1[L₂’(x₂)]。
6. 如請求項第5項所述之均光透鏡，其中該第一夾角θ₁=tan^-1[L₁’(x₁)]。
7. 如請求項第5項所述之均光透鏡，其中該第二夾角θ₂=tan^-1[L₂’(x₂)]。
8. 如請求項第5項所述之均光透鏡，其中該折射角α₂=sin^-1[(n₁/n₂)sinα₁]。
9. 如請求項第5項所述之均光透鏡，其中該第一入射角α₁=-(γ+θ₁)，γ=tan^-1[(L/2+x₁)/(d+y₁)]。
10. 如請求項第5項所述之均光透鏡，其中該容置槽之剖面形狀為一三角形，該三角形之底部位於該入光面。
11. 如請求項第5項所述之均光透鏡，其中該容置槽之剖面形狀為一梯形，該梯形具有一上底與一下底，該下底重合該入光面，該下底之長度相對大於該上底之長度。
12. 如請求項第5項所述之均光透鏡，更包含複數個固定柱，設於該導光本體上。