專利名稱：照明裝置的光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種照明裝置的光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法，尤指一種直接以LED發(fā)光件的光線進(jìn)行模擬試驗(yàn)以同步設(shè)計(jì)完成入光面及出光面的面型，使該出光面上未有設(shè)計(jì)用參考點(diǎn)，且入光面與LED間保留有空氣間隙，且在通過原原點(diǎn)的X-Z面上以LED發(fā)光件的光軸為中心在Y角80度的范圍內(nèi)該入光面與出光面面的斜率為正負(fù)相反。
背景技術(shù)：
固態(tài)照明發(fā)光(Solid State Lighting)元件已被廣泛使用作為照明裝置的光源， 其應(yīng)用領(lǐng)域包含手電筒、臺燈、車燈如車前燈及車尾燈組、道路照明燈具、或其他電子產(chǎn)品的輔助照明裝置等。在固態(tài)發(fā)光元件的應(yīng)用上，以LED道路照明燈具為例說明，目前市面上的固態(tài)照明燈具已有多件先前技術(shù)揭示相關(guān)的技術(shù)，如中國臺灣專利TW^^604、中國臺灣 Tff 公開編號 2004028899, ψ 國臺灣 Tff 公開編號 200507293, US Pub. No. US2005/0243570、 US6,940, 660、US6，940，660、US Pub. No. US2007/0201225、CN101144863A、CN101556022A 等。 然，現(xiàn)有固態(tài)照明燈具的使用大致上會產(chǎn)生下列的缺點(diǎn)及問題1.燈具照明角度不足，導(dǎo)致道路照度均勻度不佳。2.道路側(cè)(SS，Street side)、房屋側(cè)(HS, house side)的照明比例(CU Ratio, Coefficient of Utilization Ratio)不佳，如 HS : SS = 0. 5 : 0.5。3.路燈間距小于傳統(tǒng)路燈，表示同一距離須設(shè)置較多的路燈。4、燈具須采用機(jī)械配光，導(dǎo)致組裝復(fù)雜化問題。5、需要截光器以降低房屋側(cè)的眩光。又針對道路側(cè)、房屋側(cè)間照明比例(CU Ratio)不佳的問題，美國專利 US7, 618，163提供一解決方案，其揭示一種可將LED光線導(dǎo)向期望邊照明的照明裝置(LED apparatus for illumination toward a preferential side)，該 US7，618，163 的設(shè)計(jì)方式及所完成的光學(xué)元件，即其所揭示的secondary lens 20，具有下列特征1.其光學(xué)元件(secondary lens 20)的復(fù)合式出光面M是包含一主要外圍面(principal perimeter surface) 38 ；該主要外圍面38向內(nèi)通過一相對于中心軸(central axis)沈具有大于180度的峰線/山脊線(ridgeline) 42 而接合一中間區(qū)(middle region) 50 ；該中間區(qū)50具一參考點(diǎn)(reference point) 48 及一繞在該參考點(diǎn)48外的凹陷(concavity)46 ；再由一非主要外圍面(non-principal perimeter surface) 39接合在該中間區(qū)50及主要外圍面38的外，因此該復(fù)合式出光面M 是由一主要外圍面38、一峰線42、一中間區(qū)50 (含一參考點(diǎn)48及一凹陷46)及一非主要外圍面39構(gòu)成。2.在設(shè)計(jì)其secondary lens 20的復(fù)合式出光面M的面型時，其并不把LED 18 光線經(jīng)過LED 18的第一級鏡片(primary lens) 16的折射作為模擬試驗(yàn)的變動因素，即完全不考慮LED第一級鏡片16的折射對光形的影響。3.其 secondary lens 20 具有一入光面(inner surface) 32 包圍并以膠(gel)黏在LED第一級鏡片16上，或該secondary lens 20亦可直接與LED 18成型為一體而不具有LED第一級鏡片16 ；由此可知，在組裝時，該secondary lens 20是與LED 18膠合成一體，即其入光面32等同于LED第一級鏡片16的出光面，因此該secondary lens 20可視為不具有入光面32，且該入光面32對復(fù)合式出光面M的設(shè)計(jì)并不具有任何影響。4.見其第 7 欄第 1-4 行(及 US7, 618，163 的圖 16)，該 secondary lens 20 的復(fù)合式出光面M的面型是利用多條目標(biāo)鏡片設(shè)計(jì)曲線(target lens design curves) 如40A-40E構(gòu)成；見第7欄第39-43行，每一目標(biāo)鏡片設(shè)計(jì)曲線40A-40E的成型是用以沿著一單方向滿足單一或簡單組的鏡片執(zhí)行條件(each target lens design curves is shaped to satisfy a single or simple set of lens performance criteria along a single direction)；見第7欄第44-57行，在設(shè)計(jì)該secondary lens 20的復(fù)合式出光面M的面型時，是先設(shè)定(define)多條由參考點(diǎn)(reference point)48向外延伸的目標(biāo)鏡片設(shè)計(jì)曲線(target lens design curves)，如圖16、17C、18C及19C中所示的目標(biāo)鏡片設(shè)計(jì)曲線40A-40E，即目標(biāo)鏡片設(shè)計(jì)曲線40A-40E相交于參考點(diǎn)(reference point) 48 ； 再利用NURBS (non-uniform，rational B-splines)，一眾所周知的數(shù)學(xué)平滑連續(xù)趨近用于 CAD M^tMMijZVrR^i^^BMM^l^ (a mathematical smoothing approach used for CAD-system surfacing and other computer graphics applications)，示· 片設(shè)計(jì)曲線40A-40E之間產(chǎn)生平滑連續(xù)面(smooth surface)以完全該secondary lens 20 的復(fù)合式出光面對。由上可知，US7，618，163在設(shè)計(jì)其光學(xué)元件(secondary lens 20)時，是單獨(dú)且直接地設(shè)計(jì)完成該secondary lens 20的復(fù)合式出光面M的面型，并未配合該secondary lens 20的入光面32以同時設(shè)計(jì)一對應(yīng)配合的入光面32 ；又該復(fù)合式出光面M是先設(shè)定多條由參考點(diǎn)48向外延伸的目標(biāo)鏡片設(shè)計(jì)曲線40A-40E，再利用NURBS技術(shù)以在多條目標(biāo)鏡片設(shè)計(jì)曲線40A-40E間產(chǎn)生一平滑連續(xù)面而完成其復(fù)合式出光面對，故US7，618，163至少有下列缺點(diǎn)1.依據(jù)其設(shè)計(jì)技術(shù)及其secondary lens 20的復(fù)合式出光面M的面型而言，其所產(chǎn)生的光形為包含道路側(cè)及房屋側(cè)的二橢圓狀光形(如其圖20所示)，基本上不可能達(dá)成路燈所需的近矩形光形，致影響該照明裝置10的使用效能。2.其光學(xué)元件(secondary lens 20)的入光面32與LED 18的第一級鏡片16間是膠合成一體或直接制作成型為一體，因此在裝作照明裝置10時，即須分別備妥該光學(xué)元件(secondary lens 20)及LED 18且先利用膠(gel)予以組裝成一體，因此額外增加一膠合組裝程序，無法在最后的現(xiàn)場組裝作業(yè)一次完成。3.以一路燈而言，應(yīng)包含多組照明裝置10，但當(dāng)其光學(xué)元件(secondary lens 20)與各LED 18之間膠合組裝完成后，該光學(xué)元件(secondary lens 20)與LED 18之間即無法再行拆解，不利于日后的維修或更換。另，在本發(fā)明有關(guān)的光學(xué)領(lǐng)域中，基本上已存在多種用以設(shè)計(jì)一透鏡，如 US7, 618，163的secondary lens 20，的光學(xué)面的曲面公式，如搜尋網(wǎng)絡(luò)百科辭典 Wikipedia中即有自由曲面成型(Freeform surface modelling)的說明，或非球面多項(xiàng)公式(Polynomial Asphere)、XY 軸多項(xiàng)公式(XY Polynomial)或云規(guī)曲面公式(Spline Surface)等，該等曲面成型公式皆可視為自由技術(shù)，即任何人均得自由選用，但設(shè)計(jì)者可利用該等自由技術(shù)并因應(yīng)個人設(shè)計(jì)需要而自行再研發(fā)與他人不同的透鏡光學(xué)面的結(jié)構(gòu)；然，以光學(xué)領(lǐng)域技術(shù)而言，縱然一新設(shè)計(jì)完成的透鏡光學(xué)面的結(jié)構(gòu)上有部分構(gòu)成要件 (element/limitation)相同于先前技術(shù)，但只要不是全部構(gòu)成要件都完全相同或只要有一主要構(gòu)成要件不同，則應(yīng)視為不相同的設(shè)計(jì)，例如申請且公告在前(申請日為2002年11 月27日，公告日2005年1月4日)的德國OSRAM公司所擁有的美國專利US 6，837，605即巳揭示一透鏡如圖15A-E所示(圖15A-E是依據(jù)US 6，837，605的圖1所示的鏡片4畫出)， 而由其向外凸出的弧型出光面上如圖14C-E所示，即可檢知一峰線(ridgeline)的存在，且該峰線在出光面上的設(shè)立位置即位于中間區(qū)；而該峰線的存在及設(shè)立位置即可視為等同于 US7, 618，163所揭示secondary lens20的復(fù)合式出光面M上的峰線42及其設(shè)立位置；但因US7，618，163的復(fù)合式出光面M上尚有其他構(gòu)成要件(element/limitation)如設(shè)有一包含一參考點(diǎn)48及一凹陷46之中間區(qū)50，因此US7，618，163經(jīng)實(shí)體審查后仍可核準(zhǔn)為一美國發(fā)明專利。由上可知，在以固態(tài)發(fā)光元件如LED發(fā)光件為光源的照明裝置應(yīng)用技術(shù)中，發(fā)展一種結(jié)構(gòu)簡單、光的利用率及使用效率增加、均勻性良好、生產(chǎn)組裝容易且成本低，且更與 US7，618，163不同的照明裝置，確實(shí)有其需要性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要目的乃在于提供一種照明裝置的光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法，供搭配LED 發(fā)光件使用，其中該光學(xué)元件是包含一面向LED的凹槽式入光面及一面向目標(biāo)區(qū)的凸起式出光面，其中該入光面與出光面的面型是直接利用LED發(fā)光件的光線進(jìn)行模擬試驗(yàn)而同步設(shè)計(jì)成型，且該出光面上未設(shè)任何參考點(diǎn)，并滿足下列條件在通過原點(diǎn)的X-Z面上(其中 X軸垂直于道路方向，Z軸垂直于道路面)以LED發(fā)光件的光軸為中心軸在γ角80度的范圍內(nèi)，其入光面與出光面面的斜率為正負(fù)相反；藉以有利于成型模具的設(shè)計(jì)，并達(dá)成向道路側(cè)前傾的矩形光形、照明角度足、道路照度均勻度佳、照明比例(CU Ratio)佳、不需要截光器來降低房屋側(cè)的眩光、不須采用機(jī)械配光且組裝簡化等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明再一目的乃在于提供一種照明裝置的光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法，其中當(dāng)該光學(xué)元件搭配LED發(fā)光件使用時，該光學(xué)元件的入光面與LED發(fā)光件之間保留有一空氣間隙， 且該光學(xué)元件與LED發(fā)光件二者之間不需膠合成一體或直接制作成一體成型體，因此有利于光學(xué)元件及LED發(fā)光件的個別制程及后續(xù)的組裝作業(yè)，亦有利于日后的維修或更換。本發(fā)明另一目的乃在于提供一種照明裝置的光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法，其中該光學(xué)元件進(jìn)一步可包含多個該入光面及出光面，如利用相對應(yīng)的四個入光面及出光面并以陣列或交錯排列為一復(fù)合式光學(xué)元件(multi-lens unit)，藉以簡化生產(chǎn)及組裝作業(yè)并降低生產(chǎn)成本。本發(fā)明的照明裝置的光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，包含下列步驟提供一 LED發(fā)光件，如一具半球面第一鏡片(primary lens/cover lens)的LED 發(fā)光件，并以該LED發(fā)光件的點(diǎn)光源為坐標(biāo)原點(diǎn)，即x = y = z = 0，其中X軸是垂直于道路方向(即由房屋側(cè)HS向道路側(cè)SS)，Y軸是平行于道路方向，Z軸是向下垂直于道路面；再從光學(xué)領(lǐng)域自由技術(shù)中選擇一適當(dāng)?shù)那婀?，如非球面多?xiàng)公式 (Polynomial Asphere)、XY 軸多項(xiàng)公式(XY Polynomial)或云規(guī)曲面(Spline Surface),供作為模擬試驗(yàn)的依據(jù)；再針對一特定光形的需要，如本發(fā)明欲產(chǎn)生一非對稱蝠翼(kitwing)光形且道路側(cè)(SS)照明比例(CU Ratio)大于房屋側(cè)(HS)的照明比例，于該曲面公式中選擇并變換多個參數(shù)值以針對LED發(fā)光件光源所發(fā)出的光線進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以同時決定并滿足該光形條件的入光面及出光面的曲面面型；再根據(jù)上述的入光面及出光面的曲面面型，開設(shè)塑膠射出成型模具；再利用塑膠射出成型工藝制造該光學(xué)元件。


圖1是本發(fā)明的光學(xué)元件一實(shí)施例的一出光面視角立體示意圖；圖2是圖1所示實(shí)施例的出光面正視示意圖；圖3-7是圖2所示實(shí)施例中剖線A-A、D_D、E_E、F_F、G-G的剖面示意圖；圖8是本發(fā)明光學(xué)元件一實(shí)施例中入光面與出光面面的斜率為正負(fù)相反的側(cè)視說明圖；圖9是本發(fā)明光學(xué)元件圖另一實(shí)施例中入光面與出光面面的斜率為正負(fù)相反的側(cè)視說明圖；圖10是本發(fā)明的復(fù)合式光學(xué)元件一實(shí)施例的出光面視角立體示意圖；圖11是圖10所示實(shí)施例的出光面正視示意圖；圖12是本發(fā)明的光學(xué)元件所產(chǎn)生非對稱等照度圖，其中包含非對稱且狀似蝠翼 (batwing)的光形B及光形C示意圖；圖13是本發(fā)明光學(xué)元件的房屋側(cè)道路側(cè)照明比例(CU Ratio)示意圖；圖14A為本發(fā)明光學(xué)元件(圖8所示實(shí)施例)的具前傾矩形光形的照度圖；圖14B為本發(fā)明光學(xué)元件(圖9所示實(shí)施例)的具前傾矩形光形的照度圖；圖15A-B分別是美國專利US 6837605所揭示透鏡的立體及正視示意圖(圖15A-B 是依據(jù)US 6，837，605的圖1所示的鏡片4畫出)；圖15C-E分別是美國專利US 6837605所揭示透鏡的弧型出光面上存在一峰線 (ridgeline)的說明圖(圖15C-E是圖15B中剖線M_M、N_N、0-0的剖面示意圖)。附圖標(biāo)記說明Ula-光學(xué)元件；2-LED發(fā)光件；3-原點(diǎn)；4-光軸；5-斜度；6-斜度；7-空氣間隙； 10-入光面；11-中間部；12-內(nèi)凹槽；13-內(nèi)凹槽較深的房屋側(cè)(HS) ；14-內(nèi)凹槽較淺的道路側(cè)(SS) ；20-出光面；30-外圍部。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明更加明確詳實(shí)，將本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、技術(shù)特征及設(shè)計(jì)方法配合下列圖示詳述如后參考圖1-7所示，其分別是本發(fā)明的光學(xué)元件一實(shí)施例的出光面視角立體透視示意圖、一上視平面示意圖及其結(jié)構(gòu)中五個不同位置的剖面示意圖。本發(fā)明的光學(xué)元件1如圖1-7所示，是用以搭配至少一固態(tài)發(fā)光件如LED發(fā)光件2使用，以構(gòu)成一照明裝置如當(dāng)作路燈使用。
該光學(xué)元件1是一光學(xué)元件本體，包含一面向LED發(fā)光件2的凹槽式入光面10及一面向目標(biāo)區(qū)的凸起式出光面20，使LED發(fā)光件2所發(fā)出的光線以光軸4(即Z軸)如圖8 所示為中心軸向上方投射(但當(dāng)作路燈使用時方向?yàn)橄蛳路酵渡?，發(fā)散的各光線即以不同方向或角度經(jīng)過一空氣層，即空氣間隙7如圖3-7所示，由該入光面10的某一處進(jìn)入該光學(xué)元件1，即不同方向的光線由該入光面10上的不同處進(jìn)入，經(jīng)過該光學(xué)元件1本體的折射后，再由出光面20的某一處向外投射，即光線由該出光面20上的不同處以不同方向向外投射。為容易說明本發(fā)明的光學(xué)元件1的結(jié)構(gòu)及技術(shù)特征，在此先說明該光學(xué)元件1的設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法包含下列步驟提供一 LED發(fā)光件2，如圖3-7所示，該LED發(fā)光件2可為一具有半球面第一鏡片 (primary lens/cover lens)的LED發(fā)光件，并以該LED發(fā)光件2的點(diǎn)光源為坐標(biāo)原點(diǎn)3， 即該原點(diǎn)3的坐標(biāo)為χ = y = ζ = 0如圖1、2所示；其中，X軸是垂直于道路方向(即由房屋側(cè)HS向道路側(cè)SQ，Y軸是平行于道路方向，Z軸是向下垂直于道路面；再從光學(xué)領(lǐng)域自由技術(shù)中選擇一適當(dāng)?shù)那婀?，如非球面多?xiàng)公式 (Polynomial Asphere)如下列式(1),XY軸多項(xiàng)公式(XY Polynomial)如下列式(2)，或云規(guī)曲面(Spline Surface)，供作為模擬試驗(yàn)的依據(jù)；
權(quán)利要求
1.一種照明裝置的光學(xué)元件，供搭配LED發(fā)光件使用，其中該光學(xué)元件包含一面向LED 的入光面及一面向目標(biāo)區(qū)的出光面；其特征在于，該入光面與出光面的面型是依下列步驟成型提供一 LED發(fā)光件并以其點(diǎn)光源為坐標(biāo)原點(diǎn)，即X = y = Z = 0，其中X軸是由房屋側(cè)向道路側(cè)而垂直于道路方向，Y軸是平行于道路方向，Z軸是向下垂直于道路面； 再從光學(xué)領(lǐng)域自由技術(shù)中選擇一曲面公式供作為模擬試驗(yàn)的依據(jù)； 再針對一光形條件道路側(cè)(SS)照明比例(CU Ratio)大于房屋側(cè)(HS)的照明比例， 于該曲面公式中選擇并變換多個參數(shù)值以針對LED發(fā)光件所發(fā)出的光線進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以同步設(shè)計(jì)成型并滿足該光形條件的入光面及出光面的面型；其中該入光面與出光面的面型滿足下列條件在通過原點(diǎn)的X-Z面上，以LED發(fā)光件的光軸為中心軸在Y角80度的范圍內(nèi)，其入光面與出光面的斜率為正負(fù)相反； 其中該入光面與LED發(fā)光件之間保留有一空氣間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，該曲面公式是選自下列組群非球面多項(xiàng)公式、XY軸多項(xiàng)公式、云規(guī)曲面中的一種，其中非球面多項(xiàng)公式為XY軸多項(xiàng)公式為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，以LED發(fā)光件的光軸為中心軸在γ 角80度的范圍內(nèi)，該入光面的斜率為負(fù)值10°時，該出光面的斜率為正值6°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，以LED發(fā)光件的光軸為中心軸在γ 角80度的范圍內(nèi)，該入光面的斜率為負(fù)值10°時，該出光面的斜率為正值9°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，該入光面是一X軸對稱但Y軸不對稱且中間部相對縮小的葫蘆形凹槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)元件，其特征在于，該入光面的葫蘆形凹槽的凹槽深度是沿著X軸不均勻。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)元件，其特征在于，該入光面的葫蘆形凹槽是由凹槽深度較大的房屋側(cè)逐漸延伸至凹槽深度較小的道路側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，該出光面為弧狀凸起，且凸起高度是沿著X軸不均勻。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)元件，其特征在于，該出光面的弧狀凸起是由凸起高度較小的房屋側(cè)逐漸延伸至凸起高度較大的道路側(cè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，該光學(xué)元件是包含多個所述的出光面及相對應(yīng)的入光面，且該多個出光面及相對應(yīng)的入光面是以陣列或交錯排列在光學(xué)元件上以形成一復(fù)合式光學(xué)元件。
11.一種照明裝置的光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，用以設(shè)計(jì)權(quán)利要求1到10任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件，其特征在于，包含下列步驟提供一 LED發(fā)光件，并以該LED發(fā)光件的點(diǎn)光源為坐標(biāo)原點(diǎn)，即X = y = Z = 0，其中X 軸是垂直于道路方向，即由房屋側(cè)HS向道路側(cè)SS，Y軸是平行于道路方向，Z軸是向下垂直于道路面；再從光學(xué)領(lǐng)域自由技術(shù)中選擇一曲面公式供作為模擬試驗(yàn)的依據(jù)；再針對一光形條件，于該曲面公式中選擇并變換多個參數(shù)值，以針對LED發(fā)光件的光源所發(fā)出的光線進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以同時決定并滿足該光形條件的入光面及出光面的曲面面型；再根據(jù)上述的入光面及出光面的曲面面型，開設(shè)塑膠射出成型模具；再利用塑膠射出成型工藝制造該光學(xué)元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該曲面公式是選自下列組群非球面多項(xiàng)公式、XY軸多項(xiàng)公式、云規(guī)曲面中的一種，其中非球面多項(xiàng)公式為
全文摘要
一種照明裝置的光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法，該光學(xué)元件包含面向LED的入光面及面向目標(biāo)區(qū)的出光面，其設(shè)計(jì)方法為以LED點(diǎn)光源為坐標(biāo)原點(diǎn)；再從光學(xué)領(lǐng)域自由技術(shù)中選擇一適當(dāng)?shù)那婀饺绶乔蛎娑囗?xiàng)公式、XY軸多項(xiàng)公式或云規(guī)曲面公式等作為模擬試驗(yàn)依據(jù)；再針對一特定的光形需要，于該曲面公式中選擇并變換多個參數(shù)值以針對LED發(fā)光件所發(fā)出的光線進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以同步?jīng)Q定入光面及出光面的面型；該出光面上未有任何參考點(diǎn)，LED發(fā)光件與入光面間保留有空氣間隙，在通過原點(diǎn)的X-Z上以LED發(fā)光件的光軸為中心軸在γ角80度的范圍內(nèi)，其入光面與出光面的斜率為正負(fù)相反。該照明裝置作為路燈光照理想且組裝簡單。
文檔編號F21V5/00GK102313241SQ201010216009
公開日2012年1月11日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者倪靖琮, 林容生 申請人:中盟光電股份有限公司