CN101598285A - 二极管折射式天顶灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二极管折射式天顶灯，它主要是由一纤维导光板，相对二侧形成入光面提供激光单元所发生光束进入，导光板一面为折射面，另面为反射面，反射面复设有阵列分布之粒状之多出凸出向折射面方向反射之反射元件，且其粒径为以反射面幅面中央为主，往入光面方向采等比级数方式递减，和其间距相反为递增，以及反射元件所属反射曲面，它可使反射出之光束路径可接近于折射面的垂直线，于是得到光束均匀投出及有效规范照明角度，另利用包封之边框实施散热机制以及形成结合部，而能顺利安装在天花板以对地面作用出一区域性投映照明。

Description

二极管折射式天顶灯

【技术领域】

本发明涉及一种二极管折射式天顶灯，尤指使用于室内天花板限定有投光角度以在地面投映一限定区域光辉之板状天顶灯。

【背景技术】

在节能减碳的风潮下，省电的照明设备为居家或办公室的照明主流，日光灯和LED灯都可以省电，但由于目前的LED灯是以点状矩阵分布，从外部观察它是点状分布之点光源，而且由于生产过程或材料质地误差，每一LED灯的发光效率和波长会有不均现象并且其演色性不佳，而传统日光灯发射的亮度均匀，而且新近实施三波长的技术，使其演色性和照度均匀柔和，因此在以LED为发光元件的实施，它必须经过光学机制以将光束转型才能达到适用于室内照明的功能。

一般在室内依地坪面积大小而决定了采用照明装置的数量多寡，如在办公室约在6-8平方米，需求有100W的照明设备，才能提供阅读使用，而且其照明的角度原则上采小于180度为原则，具指向作用者则规范在180度，以对照明面积规范出一特定的照明角度，经过角度规范照明则可满足利用光能量，避免光能量无谓的负担，然一般常态灯具难以规范角度。

LED照明的产业近年来被认为是有潜力的产业之一，主要是由于其体积轻薄短小，若能使用于照明的应用，则对居家空间会附有更大弹性的使用样态和冀望它能达到节能效果，但由于LED体积小，反应时间快，而且不具有传统日光灯汞的危害，它都是优点，但使用在居家照明的LED它必须是高功率，因此相对会发生废热，而且在灯具系统工作温度不可过高和其总温差不得高于15度，以避免质地因热而产生热应变劣化或电阻因素而恶性循环，使其效率损耗，若其效率损耗超过10％，则其投映之辉度明显下降，使在投映面积的总和光通量流明大幅降低。

目前相关以LED照明的设计有：美国第6540373B2案，它是由多颗LED二极管激光单元，以矩阵排列方式安排在一板块，该板块为天花板组成片体之一，得是可往下照射光量，但因该激光单元为点状光源，外观刺眼及流明或色温会因生产误差而不匀。

和美国第6355961案，它在矩阵排列的LED投射面，设有光整流装置意图将光点消散，另有美国第7311423B2案，它在传统日光灯的位置，代换LED相同有明显点状光源的问题。

在光源光束调变的技术，另有美国第2001/004613/A1案，它利用一混合室先将光源光束作用部反射之后，经一扩散组件作前置性扩展之后再进入导光板，并为其反射面作光束转向作为LED板影像背光使用，其使用场合不同，而且以前置混合及前置扩散方式，在进入导光板之前已大幅损失光通量，但提供LED背光使用，其亮度很均匀，不过在室内照明讲究节能，其前置光束整型作业之损耗，不利通常性实施。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种二极管折射式天顶灯，尤指使用于室内天花板限定有投光角度以在地面投映一限定区域光辉之板状天顶灯。

本发明是这样实现的，一种二极管折射式天顶灯，它包含有：一纤维导光板，一面为反射面，一面为折射面，反射面进一步设有反射元件，相对两侧各别设为入光面，多数激光元件以序列方式安排在每一入光面外侧，并将所发生光束作用在入光面；一边框，它提供激光元件结合并包封导光板，其中该边框为具导热能力，以将激光元件废热带出；一光学扩散板，结合在导光板的折射面；一反射板，结合在导光板的反射面；多数反射元件，结合在导光板的反射面，其为球面体往外凸出内圆形成内反射曲面，其粒径为以位于导光板幅面中央者为基准，越往入光面方向排列者之粒径为递减，且反射元件相邻之距离为以位于导光板幅面中央相邻距离为依据，越往入光面方向排列之相邻距离为递增；一电子驱动电路，提供激光元件工作电力需求。

本发明利用一板状之导光板，至少有两平行互对的入光面，提供序列之激光单元所发生光束以互对方式进入导光板，导光板形成有一光束放送之折射面，另一面为一反射面，反射面复设有以矩阵排列之多数反射元件，且反射元件的粒径为以幅面中央为基准，往入光面方向以等比级数递减，以及每一反射元件之间的间隙为以等比级数递增，原则上在幅面中央之反射元件粒径为2，递减到位于幅面周边的反射元件粒径为1，以及其相邻间隙为在反射幅面中央则为1，依序递增到位于幅面周边者为2之间距，其配合为因应激光单元所发射出之光束，在其光程进行中到达中央者为具渐层损耗，得在中央处增加反射元件密度，作强制性加强反射工作，使整个折射面放射出之光束流明均匀，并且该反射元件为凸出状并具有向内反射曲面，它可应对激光单元固定角度所发射光束，将其转向反射为接近折射面的垂直线，以让激光元件的光束路径转折接近90度，如是在天顶灯照明的角度上可有效规范向下投射，将其光通量导引为近全量往下照明。

本发明着重考虑到光总通量的有效指向利用，和使整个折射面可得到均匀放射，以及对激光单元废热可有效排除，而设计了一纤维导光板，至少两平行入光面提供序列安排之激光单元对应设计，激光单元所发生之光能则从两平行侧之入光面进入，在导光板作反射前进，进入入光面之光束分成多角向，基本上依据激光单元的发射角度大小，而可应对选择导光板尺寸大小，使用一般LED激光放射角度为在20～60度之间等多种规格，所放射之光束从导光板入光面进入之后，部份会作用于折射面，部份作用于反射面，其光束射达反射面之后，一反射面之法线而做反射光束往折射面方向行进，另在反射面设有反射元件，该反射元件设有反射曲面，该曲面相对于入光面进入之光束，它会有效转折，使其反射光束折射出之放射路向，可接近于折射面的垂直线，因此将激光单元所发生的光束能做接近90度的转型，使天顶灯照明角度可有效指向规范出一限定角度，并且使光通量不会无谓负担，而在激光单元对外直接利用边框作为导热机制，使其发生废热可得有效放散，和利用边框可形成结合部而利于安装在天花板以对地面照明，和各反射元件位于反射面的矩阵排列方式，其间距为中心为主往外以等比级数递增，和反射元件的粒径为以中心为主往外递减，如是可得到均匀亮度及规范照明角度。

本发明之边框具有锁接作用，它可提供激光单元序列安排，并经由组合方式而固定导光板。

本发明在导光板的反射面外表复设有一向内反射之反射板，以及在折射面往外可再复设有一光学扩散板，该光学扩散板进一步可设为增亮板(增光膜)。

本发明利用反射及折射原理，利用角度导引和因应光程不等的对应反射设计，让天顶灯可得照度流明均匀效果，并且可规范出投映面积，以及让光通量导引为有效利用。

本发明可形成均匀放射光束及有效规范投映面积，和可顺利结合在天花板，并自体散热。

【附图说明】

图1为本发明应用于室内天花板之示意图。

图2为本发明之结构侧视剖视图。

图3为本发明光束工作原理示意侧视图。

图4为本发明照明角位关系示意图。

图5为本发明反射元件安排关系比例分布示意图。

图6为本发明反射元件相对光束路径之对应图。

图7为本发明在照射光程1.6公尺之流明曲线图。

图8为本发明在照射光程2公尺之流明曲线图。

图9为本发明与传统荧光灯在光程1.6公尺面积X轴上所测得的流明曲线图。

图10为本发明与传统荧光灯在光程1.6公尺面积Y轴上所测得的流明曲线图。

图11为本发明与传统荧光灯在光程2公尺面积X轴上所测得的流明曲线图。

图12为本发明与传统荧光灯在光程2公尺面积Y轴上所测得的流明曲线图。

图13为本发明之边框直接实施为散热机制之示意图。

图14为本发明以二对边实施激光元件产生投映面积形状示意图。

图15为本发明以多对边实施激光元件产生投映面积形状示意图。。

元件符号说明：

1---导光板     10---天顶灯     100---入光面

11---反射面    12---折射面     13---反射元件

130---反射曲面 131---结合接口  2---反射板

20---反射表面  3---光学扩散板  4---LED激光单元

41---发光晶粒  42---基板       5---导热单元

6---边框       60---结合元件   61---上边框

62---下边框    63---垫片       64---扣唇

65---托板      66---结合部     67---槽体

7---驱动电源   8---轻钢架      80---隔板

81---挂钩      9---投映面积    91、92---矩形映框

L---光程       L₁、L₂---间距   n---法线

B---发射光束    Bn---照明光束    B₀、B₁、B₂、B₃---光束

B₁₀、B₂₀、B₃₀、B_3r---反射光束    B_1t、B_2t、B_3t---折射光束

B_1r---回馈光束  L₀---垂直线

【具体实施方式】

有关本发明之应用首先请参阅图1所示，本发明之天顶灯10是可应用室内的天花板，如具有轻钢架8的格局，它与隔板80相同面积而可轻易组合在轻钢架8，形成对地面的照明。

本发明之天顶灯10请参阅图2所示，其结构主要由一导光板1，导光板1的相对两侧平行对应各别形成入光面100，在入光面100的外部相对设有LED激光单元4，该激光单元4为多数序列状，激光单元4的外部可经由导热单元5作废热导出以形成废热散发路径，导光板1的上下两面各别形成折射面12及反射面11，激光单元4所发生的光束从入光面100进入后，会在折射面12跟反射面11之间作内部反射前进。

在反射面11的外表可复设有一反射板2，其机械固定组合关系为可利用边框6所设的上边框61、下边框62相对夹合导热单元5、LED激光单元4、导光板1、光学扩散板3、反射板2，并由结合元件60作为终极固定，边框6接受结合元件60作为终极固定，拆卸结合元件60之后可让上边框61、天顶灯10和导热单元5等彼此脱离，而利于维修激光单元4。

边框6至少一侧设有结合部66，它可做对外结合如吊挂或跨置使用。

请再参阅图3所示，相关本发明之光束作用原理主要为将LED激光单元4所发射之光束B₀，从导光板1的发射光束B₀进入，进入之后会在反射面11与折射面12之间由反射面11做反射前进及折射面12部分向内反射而前进，其中光束B₀依据激光单元4的发光晶粒41产制规格而定，如60度角，则其发射光束会呈现60度角从入光面100进入，又发光晶粒41是经由基板42结合，使多数的发光晶粒41能形成序列安排。

LED激光单元4所发生的光束B₀从入光面100进入之后，其一光束B₁会作用到反射面11，并依据反射面11的法线n而产生反射光束B₁₀，部份因反射面11的反射损耗而发生折射出的折射光束B_1t，折射光束B_1t可再交由一复设的反射板2内表所设反射表面20做反射并往导光板1的方向反射一回馈光束B_1r，因此从光束B₀进入之光束B₁，它会有前述的反射光束B₁₀及B_1r的情况，或有部分光束B₂它会作用在折射面12，由于折射面12可进一步形成有较高折射率，因此会有少部分形成内部反射光束B₂₀为之前进光，而从光束B₂经折射面12作用出之光束为折射光束B_2t，该折射出之光束B_2t则依据为照明其中一光束。

另一从入光面100进入之光束B₃它会作用在反射元件13的位置，且反射元件13具有向内反射曲面130，该反射曲面130会形成内部反射，而依据曲率之法线n而产生一反射光束B₃₀，该反射光束B₃₀则为大幅转向将激光单元4所传来光束B₀的行进角位作变化，使该反射光束B₃₀为可接近折射面12的垂直线L₀以规范出照明投映角度θ°∠(如图4所示)。

藉由该反射光束B₃₀的作用可将光束大幅集结接进于折射面12的垂直线L₀，使光通量被规范角度为全面往下放射，让光的总通量得到有效利用，不会往水平方向消耗。

另反射光束B₃₀它作用到折射面12的时候，会有部份反射为反射光束B_3r，部分经由不同介质而会形成一折射光束B_3t，该折射光束B_3t为密疏过程，因此会偏移法线n但该偏移不会明显影响投射角度之规范。

折射光束B_3t与前述折射光束B_2t皆为照明应用之光束，在导光板1所设折射面12的外表可复设有一光学扩散板3，该光学扩散板3可将折射出之光束B_3t、B_2t再做进一步之扩散，因此所形成之照明光束Bn它会形成亮度更为均匀，其中该光学扩散板3为一光学性的扩散材料或是增亮膜的应用。

反射元件13为以凸出的方式凸出过导光板1的上表面，该导光板1原则上是为光纤为导光作用，所形成的反射面11跟折射面12皆具有内反射能力，而反射元件13是采油墨印刷的方式，或一体结合的方式同体结合在导光板1的相关反射面11外表面。

其中反射元件13若以光学油墨印刷方式所形成者，则其结合接口131会形成一破坏结构的样态，让该结合接口131范围内的反射面11失去反射能力，则是如光束B₀进入之后，产生之前进光束B₃作用在反射曲面130的先前，首先它会通过结合接口131并形成散射均匀作用在反射曲面130的整个内曲面，并由该内曲面作指向性的反射光束B₃₀，则是结合接口131的破坏程度可决定反射光束B₃₀的单一路径光束强度，而且会将反射光束B₃₀形成前置扩散的操作，也形成更多角向均匀的反射，反射光束B₃₀各别经由折射面12之后而射出。

光学扩散板3为一扩散装置，它会将导光板1所折射过来的光束做二次的扩散，则是使整个导光板1的投射面所投射出的光束在外观上有细致的均匀分布效果。

依据本发明的实验，该发光的亮度与均匀照度皆能够满足甚至超过床头荧光灯，包括日光灯或PL灯或T5灯管的表现程度，本发明所使用实验的材料单颗LED为1W，以及总体照度量测有表面中心有13,460LUX，1.2公尺照明光程中心有1,100LUX，1.6公尺照明光程中心有510LUX。

它所表现的特征为具低功率损耗及均匀的表面亮度和极高的效率，并且结构坚实外型轻薄，适用于室内或办公室或特殊作业场合使用，甚至可作为高亮度的广告照明应用于公共空间。

本发明将光束转型其效果可极度将LED所产生的光束直接做转向并得到均匀扩散，且使用LED数量不多，相对减低能源消耗，并且依据一般的应用电路可设为摇控或调整亮度大小或改变色波或色温等调整，诸等调整为一般之调变电路技术，于此请容不再于赘述，基本上本发明所配合诸等调整及原本的特性，它可更适合于人类的视觉所接受。

请再配合图4所示，本发明之天顶灯10应用了驱动电源7获得电力使LED激光单元4工作之后，激光单元4所发生的光束会经由导光板1及反射板2或光学扩散板3的转型，让光束会从折射面12往外折射，并由于反射元件13的作用，使天顶灯10的照明角度可规范在一定的度角θ°∠，让光总通量集结在θ°∠度角规范之内投映于地表，又其投映的距离设为1.6或2.0公尺的实施下，其挥度能更满足并且与日光灯看齐。

请再参阅图5所示，本发明所应用之导光板1，在其反射面所设凸出状的反射元件13(请配合图3所示)，其中该反射元件13为可采印刷方式实施，或与导光板1一体成形，基本上它为圆凸状之球面粒状体，接合在反射面11的一侧，而其数组位置的安排为了在导光板1的幅面中间点能够得到较高机率的反射作用，因此以扩大体型概念及间隔密布的方式相对LED激光单元4所发生的光程L路径中，得到均等的转型效果，反射元件13的设置为以导光板1的幅面中间为基准，在该幅面中间所设的反射元件13较大，其粒径更可采等比级数的方式往外递减，进而使幅面中间的反射元件13其粒径可达2倍大于侧边邻近于入光面100的反射元件13粒径。

又相邻的反射元件13之间的距离，为每一反射元件13的圆切线相对距离，依据幅面中间者设为间距L₁，往外以等比级数的方式递增，使接近幅面近入光面100一侧边之相邻反射元件13的相对距离间距L2为递减，并可设定间距L₂两倍大于间距L₁，如是可得到由激光单元4所发生的光束在光程L的过程中，可得到渐层式的往中央被增量反射，使光程接近中央较为耗弱的能量可受到数与量的集中安排，而让折射面12发射出之照明光束为均等。

请再参阅图6所示，上述之反射元件13在导光板1的幅面安排，其线性位置对正于所属的LED激光单元4发射光束B的路径对正安排为佳。

请再参阅图7、图8所示，有关于本发明依据上述设计并依1W的LED实施48颗，系统电源要求110V，60Hz，75W电源规格所实作后的结果，经测试在投映面积的X轴跟Y轴和投映距离为在1.6及2公尺的情况下，各别取得其流明曲线。

请再参阅图9～图12所示，为本发明比对传统荧光灯的发光效率，并且比对测试在投光距离为1.6及2公尺的情况之下，测得两者各别所投映的面积之X轴、Y轴所得流明曲线图。

上述二种灯具各别实施试作的规格，本发明之天顶灯采用75W，传统荧光灯为90W的情况下工作比较，工作温皆在55℃时，各别在1.6公尺投射距离和1.2公尺投射距离经比对荧光灯的量测下，从0～1.5公尺之内，其流明度能满足阅读照明之光通量，并且其流明非常接近荧光灯，在不同轴甚至有超过。上述比对条件为利用本发明之天顶灯与传统荧光灯之比较。

其投映面之X、Y轴流明度测试比较取得之数值如表一、表二

表一    表二

请再参阅图13所示，本发明之天顶灯10它在侧向设有LED激光单元4，因此需考虑到结构位置及因激光单元4所发生废热而产生热因素损耗的问题，则利用一边框6为单体式，它内部形成有槽体67提供激光单元4所安装，边框6进一步设有扣唇64及托板65，相对之间夹合了导光板1、反射板2、光学扩散板3，另可利用一结合元件60作为锁固依据，而且边框6相同依据导光板1的四周边形成有四条，彼此利用任何角接的方式结合，另利用结合元件60可结合固定导光板1、反射板2、光学扩散板3，其中可间隔一垫片63做为缓冲，使结合元件60不会直接锁压到反射板2或导光板1。

在边框6的上端延伸设有散热鳍片68，其中该散热鳍片68设在朝上位置，避免占用轻钢架8的水平空间，若该水平空间足够，则散热鳍片68可设为水平状，甚至为了不影响轻钢架8的外观，该散热鳍片68可以设为朝下接触室内空气，以得更好的热交换。

其中之边框6为可采较高导热系数之金属材料如铝合金，以及槽体67与激光单元4之间可复设有导热胶形成固定依据及快速指向传热的效果。

轻钢架8是利用挂钩81勾结在室内天棚，在挂钩81的长度距离内形成为一空间，该空间可满足散热鳍片68的容置及散热空间的需求为前提。

边框6上方往上延伸形成之散热鳍片68，该散热鳍片68具有一高度，则在天顶灯10内部上方则形成凹池空洞，该凹池空洞位置可提供驱动电源7的容置，该驱动电源7所提供的电力经由电路连结到LED激光单元4，提供激光单元4作为电动依据，驱动电源7可同步接受结合元件60的锁固，又驱动电源7可经由板体连结方式结合在垫片63，得是锁固结合元件60的同时可定装驱动电源7的安装位置。

请再参阅图14、图15所示，本发明为在导光板1侧的入光面100实施LED激光单元4导入光束充斥前进及转型的的原理，其中入光面100为对边平行对称，因此激光单元4相同为对称，(如图2的方式)，而且该导光板1的入光面100至少为两侧平行，多者可设为四侧面皆设有入光面100并对应安排有激光单元4，本发明实作基本上以对称平行设置入光面100，即能满足投光面积照明需求。

上述在导光板1相对二侧实施二组相对LED激光单元4，它所发生之二发射光束B为成直线互射的状态，而当导光板1为方块形状以及照射角度规范在θ°∠时，投射出的照明光束基本上会形成一矩形映框91，加上散射作用后，其投映面积9会受矩形映框91的带领而形成椭圆形。

为了得到较均匀投映面积9的边廓形状，则在导光板1的各边侧皆实施了入光面100(如图15所示)，并对数组合了LED激光单元4之后，形成多数的发射光束B，且为多道互射，并根据所规范的照射角度θ°∠，则发生了交错的二矩形映框91、矩形映框92，再经散射作用而得到一轮廓形状为较接近圆的投映面积9。

入光面100的安排为依据导光板1的对称边之数量而定，如导光板1为对称多边形，每边皆实施有入光面100及LED激光单元4，则投映面积9即更接近圆形。

Claims (10)

1、一种二极管折射式天顶灯，其特征在于它包含有：一纤维导光板，一面为反射面，一面为折射面，反射面进一步设有反射元件，相对两侧各别设为入光面，多数激光元件以序列方式安排在每一入光面外侧，并将所发生光束作用在入光面；一边框，它提供激光元件结合并包封导光板，其中该边框为具导热能力，以将激光元件废热带出；一光学扩散板，结合在导光板的折射面；一反射板，结合在导光板的反射面；多数反射元件，结合在导光板的反射面，其为球面体往外凸出内圆形成内反射曲面，其粒径为以位于导光板幅面中央者为基准，越往入光面方向排列者之粒径为递减，且反射元件相邻之距离为以位于导光板幅面中央相邻距离为依据，越往入光面方向排列之相邻距离为递增；一电子驱动电路，提供激光元件工作电力需求。

2、根据权利要求1所述的二极管折射式天顶灯，其特征为该反射元件的粒径，为以位在反射面幅面中央者为依据，往外以等比级数的方式递减。

3、根据权利要求1所述的二极管折射式天顶灯，其特征为该反射元件的相邻间距，为以位在反射面幅面中央者为依据，往外以等比级数的方式递增。

4、根据权利要求1所述的二极管折射式天顶灯，其特征为该反射元件之粒径为位于导光板幅面中央者为两倍大于接近入光面之最外边者。

5、根据权利要求1所述的二极管折射式天顶灯，其特征为该反射元件之相邻间距为位于幅面中央者两倍小于接近入光面之外边者。

6、根据权利要求1所述的二极管折射式天顶灯，其特征为该反射元件为与导光板一体成形。

7、根据权利要求1所述的二极管折射式天顶灯，其特征为该反射元件为以光学油墨印制而成。

8、根据权利要求1项所述的二极管折射式天顶灯，其特征为该边框为以上边框和下边框经由结合元件所结合固定。

9、根据权利要求1所述的二极管折射式天顶灯，其特征为入光面为设在导光板每一侧边。

10、根据权利要求1的所述之二极管折射式天顶灯，其特征为该边框为一体成形，设有一槽体供激光元件所安装，一侧延伸有散热鳍片，内部形成有扣唇和托板以夹合导光板。

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