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TW201702520A - 具有狹長輻射圖案之透鏡 - Google Patents

具有狹長輻射圖案之透鏡 Download PDF

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TW201702520A
TW201702520A TW105117249A TW105117249A TW201702520A TW 201702520 A TW201702520 A TW 201702520A TW 105117249 A TW105117249 A TW 105117249A TW 105117249 A TW105117249 A TW 105117249A TW 201702520 A TW201702520 A TW 201702520A
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麥可 大衛 坎拉斯
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皇家飛利浦有限公司
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Abstract

本發明形成一種狹長透鏡，其具有在該透鏡之發光表面上沿著長軸之一槽。該狹長透鏡可包含繞其周邊之一彎曲壁及該彎曲壁與該槽之間之一平滑過渡部。該槽可包含沿著該長軸及短軸兩者之一凹形狀，但該凹形狀之曲率半徑可在該長軸與該短軸之間不同。可由該槽之大小及此等曲率半徑控制照明圖案之偏心率。

Description

具有狹長輻射圖案之透鏡
本發明係關於發光裝置之領域，且特定言之係關於一種促進一狹長輻射圖案之產生之透鏡結構。
透鏡普遍用於更改由一光源產生之照明/輻射圖案之形狀。相機閃光燈、車頭燈、街道照明及等等通常需要狹長照明圖案。
2008年3月4日頒予Amano等人之「LIGHT-EMITTING DIODE AND VEHICULAR LAMP」之USP 7,339,200揭示一透鏡，其藉由增加來自一發光裝置之光沿著一軸之發散而提供用於一車燈之一狹長照明圖案。為了補償相較於偏心強度之在自發光源之中心觀察時之光之更大強度，透鏡包含繞發光裝置之一光學中心之一凹部分及在光學中心之任一側上之一凸部分，該凸部分具有比凹部分更大之一發射表面。所得透鏡係「花生狀」，凹部分對應於一花生殼之狹窄中心部分。
圖1A至圖1D繪示自發射一朗伯(Lambertian)輻射圖案之一單一光源提供一狹長照明圖案之一例示性花生狀透鏡100。圖1A係繪示具有分離兩個較大瓣120之一狹窄中心區域110之花生形狀之一透視圖。圖解未按比例且為了便於圖解及解釋可包含誇大特徵。在一些實施例中，較大瓣120與較小中心區域110之間之大小/體積之差異可實質上小於此等圖中繪示之差異。
圖1B繪示圖1A之花生狀透鏡之一俯視圖，而圖1C及圖1D分別繪 示沿著圖1B之視圖C-C及D-D獲取之截面圖。視圖C-C係沿著長軸130獲取且視圖D-D係沿著短軸140獲取。如圖1C中繪示，較大瓣120形成一凸表面且中心區域110形成一凹結構，如沿著橫截面C-C所觀察。如圖1D中繪示，中心區域110之橫截面形成一凸表面。此凸橫截面延伸達透鏡之穿過透鏡之長軸130的整個長度，包含較大瓣120，凸表面之半徑相應地改變。光源150可係一半導體發光裝置(LED)或複數個發光裝置且可配置於透鏡之一凹部內或位於透鏡之下表面上或附近。
圖2A及圖2B分別相對於各軸130、140繪示穿過透鏡100之光傳播。如所揭示，透鏡100包含一凹透鏡部分210及在凹透鏡210之各側上之兩個凸透鏡部分220。此等透鏡部分之各者提供相對於光源150之一光軸。凹透鏡部分210提供光軸201，且各凸透鏡部分220提供一光軸202。各光軸202自光源150延伸穿過凸透鏡部分220之曲率中心205。凹透鏡210用於使自光源150發射之光遠離光軸201分散，形成沿著長軸130之一狹長光發射圖案。各凸透鏡220用於使光朝向其各自光軸202會聚，此導致沿著長軸130之一狹長光發射圖案。藉由透鏡210、220之大小及曲率之恰當選擇，可形成一均勻照明之狹長光發射圖案。
透鏡100相對於短軸140之橫截面形成一凸透鏡240。沿著長軸130上之任何點獲取之橫截面形成如由虛線240'指示之一類似形狀之凸透鏡，大小相對於透鏡100沿著長軸130之高度及寬度。如所繪示，凸透鏡240用於聚集/準直來自光源150之光，形成沿著短軸140之一相對窄之光發射圖案。凸透鏡240'將類似地聚集/準直來自光源150之光，維持沿著短軸140之一較窄之光發射圖案。
由透鏡100形成之總體發射圖案在一軸上係長的且在另一軸上係窄的，形成一實質上矩形或卵形照明圖案。然而，透鏡100之複合形狀引入各尺寸上之參數之間之相互依賴。舉例而言，若期望相對於短 軸之一較寬照明圖案(圖2B)，可能需要減小凸透鏡240之曲率半徑。透鏡240之形狀之此改變可限制透鏡220之可行形狀。對透鏡之實體大小之約束以及形成一適合模具之方法亦可限制透鏡之形狀。
提供一種提供容許關於各軸中之照明圖案之形狀之較大獨立性之一狹長照明圖案之透鏡將係有利的。舉例而言，提供一種提供一實質上矩形或卵形照明圖案之透鏡(其具有該矩形/卵形之各尺寸之控制之更大獨立性)將係有利的。
為了更好地解決此等問題之一或多者，在本發明之一實施例中，形成一種狹長透鏡，其在透鏡之發光表面上具有沿著長軸之一狹長槽。狹長透鏡可包含繞其周邊之一彎曲壁及彎曲壁與槽之間之一平滑過渡部。槽可包含沿著長軸及短軸兩者之一凹形狀，但凹形狀之曲率半徑在長軸與短軸之間可能不同。可由槽之大小及此等曲率半徑控制照明圖案之偏心率。
可藉由以下方式形成一發光裝置：提供一發光元件及一狹長透鏡，該狹長透鏡具有一短軸、一長軸及來自發光元件之所要光發射穿過其中之一上表面；其中透鏡之上表面包含沿著長軸延伸之一槽，且透鏡之一周邊包含一彎曲壁。
槽可相對於發光元件之一光軸關於短軸及/或長軸對稱。可存在將槽結合至彎曲壁之一平滑過渡部，且彎曲壁之至少一部分可係反射性。
槽之下表面可具有沿著短軸之不同於沿著長軸之一曲率之一曲率，且可具有係實質上卵形之一周邊。依相同方式，透鏡之周邊可係實質上卵形。卵形周邊亦可在長尺寸或短尺寸中截短。
100‧‧‧花生狀透鏡
110‧‧‧狹窄中心區域
120‧‧‧瓣
130‧‧‧長軸
140‧‧‧短軸
150‧‧‧光源
201‧‧‧光軸
202‧‧‧光軸
205‧‧‧曲率中心
210‧‧‧凹透鏡部分
220‧‧‧凸透鏡部分
240‧‧‧凸透鏡
240'‧‧‧虛線/凸透鏡
300‧‧‧狹長透鏡
301‧‧‧光軸
305‧‧‧透鏡之周邊
310‧‧‧槽
315‧‧‧槽之周邊
315C‧‧‧平坦區域
315D‧‧‧凹形狀
316‧‧‧彎曲表面
317‧‧‧平滑過渡部
320‧‧‧上表面
325‧‧‧彎曲壁
326‧‧‧基底
330‧‧‧長軸
340‧‧‧短軸
350‧‧‧光源
401‧‧‧光軸
402‧‧‧光軸
404‧‧‧光軸
405‧‧‧曲率中心
407‧‧‧曲率中心
410A‧‧‧凹透鏡部分
410B‧‧‧凹透鏡部分
420‧‧‧凸透鏡部分
440‧‧‧凸透鏡部分
500‧‧‧透鏡
510‧‧‧槽
515C‧‧‧凹輪廓
515D‧‧‧凹輪廓
517‧‧‧彎曲部分
520‧‧‧上表面
525‧‧‧彎曲壁
530‧‧‧長軸
540‧‧‧短軸
600‧‧‧透鏡
605‧‧‧透鏡之周邊
610‧‧‧槽
615‧‧‧槽之周邊
680‧‧‧特徵
700‧‧‧透鏡
705‧‧‧透鏡之周邊
710‧‧‧槽
715‧‧‧槽之周邊
780‧‧‧特徵
800‧‧‧透鏡
810‧‧‧槽
880‧‧‧凸特徵
900‧‧‧透鏡
910‧‧‧槽
980‧‧‧凹特徵
C-C‧‧‧視圖
D-D‧‧‧視圖
參考隨附圖式進一步詳細且藉由實例解釋本發明，其中： 圖1A至圖1D繪示包含提供一實質上矩形或卵形照明圖案之一狹長透鏡之一例示性先前技術發光裝置。
圖2A至圖2B繪示具有代表性光線之圖1A至圖1D之發光裝置之橫截面。
圖3A至圖3D繪示根據本發明之態樣之包含一狹長透鏡之一例示性發光裝置。
圖4A至圖4B繪示具有代表性光線之圖3A至圖3D之發光裝置之橫截面。
圖5A至圖5D繪示根據本發明之態樣之包含一狹長透鏡之另一例示性發光裝置。
圖6A、圖6B、圖7A、圖7B、圖8及圖9繪示根據本發明之態樣之其他例示性狹長透鏡。
貫穿圖式，相同元件符號指示類似或對應特徵或功能。包含圖式係為了闡釋性目的且非旨在限制本發明之範疇。
在以下描述中，為了解釋而非限制之目的，闡述具體細節(諸如特定架構、介面、技術等)以提供對本發明之概念之一透徹理解。然而，熟習此項技術者將瞭解，可在脫離此等具體細節之其他實施例中實踐本發明。依相同方式，此描述之文字係針對如圖中繪示之例示性實施例且不旨在限制本發明超出明確包含於申請專利範圍中之限制。為了簡潔及清楚起見，省略眾所周知的裝置、電路及方法之詳細描述以免因不必要的細節使本發明之描述難理解。
為了便於解釋及理解，參考一「頂部發射」發光裝置指定方向及/或定向，其中(例如)假設光自一光源「向上」傳播，接著自與光源之位置相對之透鏡之一「上表面」出射。通常光源將係其中兩個表面將大於其他四個表面之一平行六面體。較大表面之一者指定為發光裝 置之「頂部」。四個較小表面係發光裝置之「側表面」，該等側表面通常發射較少光或不發射光。大多數光係自發光裝置之「頂部」發射。透鏡之「上表面」與發光裝置之「頂部」相對。
一些光可從透鏡之「側表面」，即透鏡之與發光裝置之「側表面」相對之部分出射。與經設計以產生穿過非與光源正對之表面發射實質上大多數光之側發射裝置之透鏡相比，本發明之透鏡經設計使得來自光源之實質上大多數光從上表面出射。
圖3A至圖3D繪示包含一光源350及根據本發明之態樣之一狹長透鏡之一例示性發光裝置。光源350可包含諸如一發光二極體之一單一發光元件或多個發光元件。
在所述實施例之任何者中，透鏡可由環氧樹脂、聚矽氧、溶膠-凝膠、玻璃或其等之化合物、混合物或混成物製成。在光源之波長下之折射率範圍可自1.4至2.2。分散於聚矽氧或矽酸鹽黏結劑中之具有小於100nm且較佳小於50nm之粒徑之高折射率奈米粒子可用來提高或調諧透鏡之折射率。材料之細節可見於美國公開案第20110062469號，該公開案經共同讓與且其全文以引用之方式併入。
在一項實施例中，光源可係具有範圍自0.2至6mm之一尺寸之一發光二極體(LED)。透鏡可具有範圍自LED之尺寸之1.5至50倍之一外部尺寸。透鏡之長尺寸對短尺寸之縱橫比範圍可自1.25至50。
圖3A繪示狹長透鏡300之一透視圖。圖3B繪示光經發射穿過其中之狹長透鏡300之一俯視圖。圖3C繪示沿著長軸330獲取之一截面圖C-C。圖3D繪示沿著短軸340獲取之一截面圖D-D。透鏡300之周邊305係具有長尺寸及短尺寸之一卵形形狀。周邊305具有沿著短尺寸之彎曲末端及沿著長尺寸之直線。在替代例中，直線可具有一凸曲率以便形成(例如)一橢圓形周邊。
如所繪示，透鏡300包含形成於上表面320中之一槽310。為了本 發明之目的，一槽經界定為沿著透鏡300之一軸之上表面320中之一凹陷，其比該透鏡之沿著該軸之長度短。槽310可具有一卵形形狀，具有一長尺寸及一短尺寸。槽之尺寸之比率可與透鏡300之長尺寸與短尺寸之比率相同或不同，且槽310之周邊315之形狀可類似於透鏡300之周邊305。如下文中進一步詳述，為了提供自光源350發射之光之一連續分散，透鏡300之周邊305可包含一彎曲壁325且彎曲壁325與槽310之間可存在一平滑過渡部317。類似地，槽310可包含彎曲表面316。為了便於解釋及理解，術語「上表面320」在本文中用來指槽310之表面、彎曲部分316及317之表面、及彎曲壁325之彎曲部分之表面，統稱為發射所要光之透鏡300之表面。
透鏡300包含一基底326，該基底326可包含用於容納光源350之一凹部；替代地，光源350可與基底齊平或稍微低於基底326。光源350可包含一反射體、一反射體杯或一反射體環。
熟習此項技術者將認知，可使用不連續表面，但一般言之，一平滑連續表面較佳提供不包含照明強度之突然轉變之一照明圖案。然而，若期望突然轉變，則不連續表面可提供所要照明圖案。透鏡300可經由提供透鏡300(包含槽310)之形狀之一模具形成。用於形成透鏡300之其他技術係可行的，包含由一預成型狹長透鏡研磨出槽310。
如圖3C及圖3D中繪示，槽310在光軸301處或附近引入透鏡300之一較低高度及在透鏡300之上表面320上引入一較高高度。
在圖3C之例示性橫截面C-C中，槽310之一下表面315在光軸301附近可幾乎平坦，接著朝向上表面320之較高高度向上彎曲316。此實質上平坦區域315C可比一較尖銳狀凸區域引入由光源350發射之光之更大損耗。依大於一臨界角擊中凹陷310之較平坦區域315C之光將經全內反射(TIR)遠離區域315C，藉此增加光在裝置中被吸收之可能性。
在圖3D之例示性橫截面D-D中，沿著短軸340之槽310之下表面315提供一凹形狀315D，其亦分散來自光源350之光，但空間上不那麼遠，此係因為與長軸330相比，凸瓣320沿著短軸340更緊密間隔。
光在透鏡300之中心區域中之分散度由槽310之形狀(長度、寬度、深度、形狀)(包含沿著各軸330、340之下表面315之曲率半徑)判定。沿著橫截面C-C之表面315包含三個曲率半徑：針對各彎曲部分316之一曲率半徑及針對中心部分315C之一曲率半徑，針對中心部分315C之曲率半徑可係非常大。沿著橫截面D-D之表面315包含凹部分315D之曲率半徑。在此實例中，沿著長軸330之分散度將更大，且在表面316處之全內反射可依偏離光軸301更遠之角度增大照明強度。
圖4A至圖4B分別繪示光相對於長軸330及短軸340穿過透鏡300之傳播。
如圖4A中繪示，沿著長軸330之橫截面形狀包括一凹透鏡410A及兩個凸透鏡部分420。凹透鏡部分410A將使光遠離光軸401分散，儘管程度比凸透鏡部分420更寬地隔開之情況小。兩個凸透鏡部分420使光朝向其等之對應光軸402會聚。
透鏡部分410A、420之總體效應係照明圖案沿著長軸330之一狹長化。狹長化之程度可由以下項目控制：針對透鏡部分410A、420之各者之光軸402之定向、曲率中心405以及曲率半徑及與沿著長軸330之輪廓的形狀有關之其他參數。
如圖4B中繪示，沿著短軸340之橫截面形狀包括一凹透鏡部分410B及兩個凸透鏡部分440。特別應注意，雖然凹透鏡部分410A(圖4A)及凹透鏡部分410B兩者由槽310(圖3)形成，但各透鏡部分410A、410B之形狀實質上彼此獨立。在此實例中，透鏡部分410A比連續彎曲之透鏡部分410B更平坦。
依相同方式，圖4B之兩個凸透鏡部分440可實質上與圖4A之凸透 鏡部分420不同。雖然在此實例中，透鏡部分440及420稍微類似，但熟習此項技術者將認知，形成此等透鏡部分420、440之表面320(圖3)不需要繞透鏡300均勻厚，亦不需要均勻高。熟習此項技術者將認知，可使用照明分析程式以判定在此等不同形狀之間過渡之適當形狀。
如在圖4A中，照明圖案相對於短軸340之範圍及均勻性可由以下項目控制：凸透鏡部分440之光軸404之定向、此等透鏡440之曲率中心407以及針對透鏡410B、440之各者之曲率半徑及與沿著短軸340之輪廓形狀有關之其他參數。
熟習此項技術者將認知，槽之特定形狀以及透鏡之總體形狀將係基於所要光照明圖案以及強度分佈。在一些實施例中，例如可期望在照明圖案之中心附近提供均勻強度，在各尺寸中依一給定偏軸角逐漸或更尖地漸縮。可使用習知光傳播及照明分析工具來判定各尺寸中產生所要照明圖案及強度分佈之形狀之一組合。
圖5A至圖5D繪示包含根據本發明之態樣之一狹長透鏡之另一例示性發光裝置。與包含一實質上卵形周邊及實質上卵形槽310之透鏡300相比，圖5A至圖5D之透鏡500包含一實質上橢圓形輪廓及實質上橢圓形槽510。
為了本發明之目的，術語卵形用來描述具有一彎曲周邊之一狹長形狀，包含橢圓形或其他形狀。為了便於解釋及理解，術語「上表面520」在本文中用來指槽510之表面、彎曲部分517之表面及彎曲壁525之彎曲部分之表面，統稱為輻射所要光之透鏡之表面。
如所繪示，無線性部分之彎曲壁525形成透鏡500之一實質上橢圓形周邊，且槽510亦具有實質上橢圓形周邊。在此實例中，下表面515提供長軸530上之一實質上連續凹輪廓515C及短軸540上之一實質上連續凹輪廓515D。沿著長軸530之輪廓515C可對應地提供來自透鏡 500之中心之一更分散發射圖案，其具有比透鏡300之較平坦輪廓315C更少的損耗。然而，熟習此項技術者將認知，在任一軸上之下表面515之部分可較少彎曲以增加透鏡500之中心處之光之強度。
如上文中提及，可使用習知光傳播分析工具來判定透鏡之形狀、槽之形狀、槽內之曲率半徑以及彎曲壁525之曲率半徑及形成彎曲壁525與槽510之間之平滑過渡部之曲率半徑。
圖6至圖9繪示根據本發明之態樣之具有槽之其他例示性狹長透鏡。此等例示性透鏡之各者包含增大由符合圖3A至圖3D及圖5A至圖5D之透鏡(300、500)以及符合本發明之原理之其他形狀之透鏡產生之光發射圖案之特徵。此等特徵可用於(例如)藉由進一步分散從可另外在無此等特徵之一透鏡上形成「亮區域」或「暗區域」之區域發射之光而提供一更均勻光分佈。熟習此項技術者將認知，可使用具有與所繪示之不同大小及形狀之更多或更少特徵以達成一所要照明圖案。
各特徵之尺寸(包含其曲率半徑、其在透鏡之主體上之位置及定向、及透鏡自身之主體之特性)將判定此等特徵可如何影響由具有此等特徵之透鏡提供之照明圖案。在各實施例中，可使用習知電腦輔助設計工具及/或光傳播分析工具來判定各增大/特徵之形狀及尺寸將對由透鏡產生之所得光發射圖案具有之效應。
在圖6A至圖6B中，特徵680被添加至包含一槽610之一透鏡600，該槽610具有形狀類似於透鏡600之周邊605之一周邊615；且在圖7A至圖7B中，特徵780被添加至具有一槽710之一透鏡700，該槽710具有形狀與透鏡700之周邊705不同之一周邊715。
在此等實例中，透鏡700包含一槽710，該槽710比透鏡600之槽610更短且更深，使得其影響透鏡之輪廓，如圖7B中繪示，其用於繪示槽相對於透鏡之主體之特定配置可取決於所要照明圖案而變動。特徵680及780可係凸坑，各具有作為球體之表面或一橢圓形之表面之一 部分之一表面。
在圖8中，一凸特徵880被添加於透鏡800之槽810之中心處，且在圖9中，一凹特徵(坑)980被添加於透鏡900之槽910之中心處。熟習此項技術者將認知，特徵880或980亦可係一平坦表面。特徵880及980可各具有作為球體之表面或一橢圓形之表面之一部分之一表面。
在圖6至圖9之各者中，特徵繪示為具有其中其等與透鏡之主體相交之尖銳邊緣；然而，熟習此項技術者將認知，自主體至各特徵之一平滑過渡部可提供一更均勻照明圖案。
雖然已在圖式及前述描述中詳細繪示且描述本發明，但此圖解及描述應視為闡釋性或例示性且非限制性；本發明不限於所揭示之實施例。
舉例而言，可在一實施例中操作本發明，其中透鏡之下表面以及彎曲壁之直立部分係反射性的，藉此減小非所要方向上之吸收損耗及/或光傳播。透鏡之凸區域與凹區域之間之過渡部(圖3C中之透鏡300之316)亦可係反射性的以增大此等區域中之全內反射(TIR)。亦可使用反射性材料完全或部分塗佈凹區域以增加全內反射。
從圖式、本發明及隨附申請專利範圍之一研究，熟習此項技術者在實踐本發明時可理解及實現所揭示實施例之其他變動。在申請專利範圍中，詞「包括」不排除其他元件或步驟，且不定冠詞「一(a或an)」不排除複數個。不應將申請專利範圍中之任何參考符號理解為限制範疇。
301‧‧‧光軸
310‧‧‧槽
315C‧‧‧平坦區域
316‧‧‧彎曲表面
317‧‧‧平滑過渡部
320‧‧‧上表面
325‧‧‧彎曲壁
326‧‧‧基底
350‧‧‧光源

Claims (15)

  1. 一種發光裝置，其包括：一發光元件；及一狹長透鏡，其具有一短軸、一長軸及來自該發光裝置之實質上大多數光發射穿過其中之一上表面；其中該透鏡之該上表面包含沿著該長軸延伸之一槽。
  2. 如請求項1之裝置，其中該槽相對於該發光元件之一光軸關於該短軸及該長軸之至少一者對稱。
  3. 如請求項1之裝置，其中該上表面包含該發光裝置之一彎曲壁之一表面。
  4. 如請求項3之裝置，其中一平滑過渡部將該槽結合至該彎曲壁。
  5. 如請求項3之裝置，其中該彎曲壁之至少一部分係反射性。
  6. 如請求項1之裝置，其中該槽之一下表面具有沿著該短軸之不同於沿著該長軸之一曲率之一曲率。
  7. 如請求項1之裝置，其中該槽之一周邊係實質上卵形。
  8. 如請求項1之裝置，其中該透鏡之一周邊係實質上卵形。
  9. 一種車燈，其包括：一發光裝置；及一透鏡，其包括：一狹長形狀，該透鏡具有一短軸及一長軸；一上表面，當一發光元件位於該透鏡之一基底處或下方時實質上大多數光穿過該上表面從該透鏡出射；及一彎曲壁，其將該上表面結合至該透鏡之該基底；其中該上表面包含沿著該短軸及該長軸之至少一者延伸之一槽。
  10. 一種透鏡，其包括：一狹長形狀，該透鏡具有一短軸及一長軸；及一上表面，當一發光元件位於該透鏡之一基底處或下方時實質上大多數光穿過該上表面從該透鏡出射；其中該上表面包含沿著該短軸及該長軸之至少一者延伸之一槽。
  11. 如請求項10之透鏡，其中該上表面包含將該上表面結合至該透鏡之該基底之一彎曲壁之一表面。
  12. 如請求項10之透鏡，其中該槽之一下表面沿著該短軸且沿著該長軸彎曲。
  13. 如請求項12之透鏡，其中該槽之該下表面具有沿著該短軸之不同於沿著該長軸之一曲率之一曲率。
  14. 如請求項10之透鏡，其進一步包括與該槽之一周邊相交之一內凹部分。
  15. 如請求項10之透鏡，其進一步包括該槽內之一凸起部分及一內凹部分之一者。
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