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CN102798002B - 具外部透镜的光源装置及光源系统 - Google Patents

具外部透镜的光源装置及光源系统 Download PDF

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CN102798002B CN201210240808.8A CN201210240808A CN102798002B CN 102798002 B CN102798002 B CN 102798002B CN 201210240808 A CN201210240808 A CN 201210240808A CN 102798002 B CN102798002 B CN 102798002B
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Abstract

本发明提供一种具外部透镜的光源装置及光源系统。光源装置包含透镜及设置于其下方的光源。透镜具有相对的出光顶面及底面；底面上形成内凹的孔洞，并由内壁面及内顶面所共同围成；其中，光线自内顶面出射投影于出光顶面的对应范围均为平面。光源具有朝向孔洞的发光区域，发光区域出射的光线于底面上的投影范围为孔洞的开口所包含。光源系统包含多个光源装置呈蜂巢状排列，并在蜂巢状排列中呈彼此相间隔设置的状态。

Description

具外部透镜的光源装置及光源系统
技术领域
本发明涉及一种光源装置及其组合成的光源系统；具体而言，本发明涉及一种具外部透镜的光源装置及其组合成的光源系统。
背景技术
在许多的技术领域中，特别是显示技术及照明设备的领域，光源的相关设计向来是重要的一环。传统上往往采用灯泡及灯管作为光源，然而随着发光二极管技术的成熟，由于其具有省电环保及体积小等优势，已逐渐成为市场上的主流。
在实际的利用上，为了增加发光面积，如图1所示，传统上会在发光二极管芯片30上加设一片透镜10，并罩住发光二极管芯片30。如图1所示，透镜10的内部挖空形成一腔体11，以容纳发光二极管芯片30。透镜10的顶端则形成一个凹槽13位于发光二极管芯片30的正上方。在此设计中，通过透镜10的外表面15来改变光线的出光角度，以取得较大的出光范围。
然而在上述设计中，其所产生的光线分布往往会形成同心的环状强光区，因而有不均匀的状况。此外，由于发光二极管芯片30被完全罩在腔体11内，因此易有散热不良的状况。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种光源装置及其组合形成的光源系统，具有较高的发光均匀性。
本发明的一目的在于提供一种光源装置及其组合形成的光源系统，具有良好的散热性。
光源装置主要包含透镜及光源。透镜具有相对的出光顶面及底面，而出光顶面及底面之间则连接有外壁面。底面上形成一朝发光顶面内凹的孔洞。孔洞由内壁面及内顶面所共同围成，内顶面连接内壁面的顶端；而内壁面的底端则围成孔洞于底面上的开口。光线自内顶面出射投影的对应范围均为平面。
光源设置在孔洞的开口下方，并具有朝向孔洞的发光区域，发光区域出射的光线于底面上的投影范围为孔洞的开口所包含。因此发光区域出射的光线较佳地可完全或接近完全经开口射入孔洞中。通过此一设计，自内顶面射出的光线可顺利通过内顶面并出射至出光顶面投影的对应范围，降低产生全反射的机会，以避免于中央产生暗点，并减少于暗点外环产生环状强光带的状况，提升光均匀性。
本发明同时提供一种光源系统，包含多个光源装置。多个光源装置呈蜂巢状排列，且在蜂巢状排列中呈彼此相间隔设置的状态。从另一个角度来看，三个相邻的光源装置即会围成一个六角形且未设置光源装置的六角形区域；且每个光源装置同时也会被六个这样的六角形区域所围绕。
附图说明
图1为传统光源装置的示意图；
图2为本发明光源装置的实施例元件爆炸图；
图3A为光源装置的实施例剖视图；
图3B为光源装置的实施例剖视图；
图4为光源装置的实施例光路示意图；
图5A为本发明光源装置的实施例光强度分布图；
图5B为发光顶面或内顶面采用凹面设计的光强度分布图；
图6为光源装置的实施例剖视尺寸示意图；
图7A为具有底面微结构的实施例示意图；
图7B为光强度剖面分布比较图；
图7C为具有顶面微结构的实施例示意图；
图8为透镜的另一实施例示意图；
图9为透镜的另一实施例示意图；
图10为本发明光源系统的实施例示意图。
其中，附图标记
100透镜                110出光顶面
111顶面微结构          130底面
131底面微结构          150外壁面
170孔洞                171内壁面
173内顶面              175开口
190支脚                200光源装置
300光源                310发光区域
400六角形区域          500基板
具体实施方式
本发明提供一种光源装置；在较佳实施例中，光源装置为以发光二极管为光源的装置；然而，在不同实施例中，光源装置亦可采用其他具有发光区域的光源。此外，本发明并提供一种光源系统，包含多个上述的光源装置。通过调整光源装置的排列顺序及方向，可产生较佳的发光效果。
如图2及图3A所示，光源装置主要包含透镜100及光源300。透镜100具有相对的出光顶面110、底面130以及自底面130延伸至与出光顶面110相连接的外壁面150。在此实施例中，出光顶面110及底面130均为圆形；然而在不同实施例中，出光顶面110及底面130亦可均为六角形或其他多边形；亦可出光顶面110为圆形而底面130为六角形或相反设置。出光顶面110较佳地小于底面130，且外壁面150较佳则形成为外凸的曲面，使透镜100的整体形成为外凸的形状。透镜100较佳地由透明的材质形成，例如透明塑料或玻璃；然而在不同实施例中，透镜100亦可由透光的材质形成，其中亦可依不同设计需求而包含不同种类的粒子等内含物。
如图3A所示，底面130上形成一朝出光顶面110内凹的孔洞170；其中孔洞170较佳地呈炮弹形。孔洞170由内壁面171及内顶面173所共同围成，内顶面173连接内壁面171的顶端，亦即为孔洞170中较接近出光顶面110的部分；而内壁面171的底端则围成孔洞170于底面130上的开口175。内顶面173及开口175较佳为圆形，但在不同实施例中，内顶面173及开口175亦可为六角形或其他形状。如图3A所示，内顶面173及自其出射光线至出光顶面110的对应范围或内顶面173于出光顶面110的投影范围较佳地均为平面；换言之，内顶面173及自其出射光线至出光顶面110的对应范围或内顶面173于出光顶面119的投影范围较佳为相互平行面。但在不同实施例中，内顶面173亦可采朝出光顶面110内凹的凹面的设计，如图3B所示。
如图2及图3A所示，光源300设置于透镜100的底面130下方，并对应于孔洞170。在较佳实施例中，光源300设置于孔洞170的开口175下方。光源300较佳为发光二极管；而在不同实施例中，光源300亦可为其他形式具指向性或部分指向性的发光装置。光源300具有朝向孔洞170的发光区域310，自发光区域310出射的光线于底面130上的投影范围为孔洞170的开口175所包含。通过此一设计，自发光区域310射出的光线较佳地可完全或接近完全经开口175射入孔洞170中。
此外，在此实施例中，光源装置另包含有基板500，光源300设置于基板500上，且透镜100亦为基板500所支撑；换言之，透镜100并未直接连接于光源300上。在较佳实施例中，基板500为软式或硬式电路板。光源300的发光区域310与透镜100的底面130间较佳夹有一间隙，此间隙可帮助散热，并提供空气层作为光传递的界面层。然而在不同实施例中，透镜100亦可直接连接于光源300的外侧或其他部分，而使孔洞170的开口175对应于光源300的发光区域310。在此实施例中，透镜100包含有多支脚190设置于底面130外侧，并连接于外壁面150。支脚190设置于基板500之上，并连接基板500，使底面130及基板500间具有足以容纳光源300的空间。
如图4所示，当光源300自发光区域310产生光线后，即经开口175入射于孔洞170中，并依光线行径方向不同而分别经内壁面171及内顶面173进入透镜100中。如上所述，自内顶面173出射光线至出光顶面110投影的对应范围为平面而非凹面，并与内顶面173相互为平行面；此外，自内顶面173入射透镜100的光线大部分的入射方向均接近垂直于内顶面173(即入射角接近0度)，因此自内顶面173射出的光线可顺利通过内顶面173并出射至出光顶面110投影的对应范围，而降低产生全反射的机会，以避免于中央产生暗点，并减少于暗点外环产生环状强光带的状况，提升光均匀性。
图5A及图5B为采用不同设计时的光强度分布图，其中各颜色所代表的光强度自强至弱依序为白、紫、蓝、绿、黄、红。图5A为内顶面173及光线自其出射至出光顶面110投影的对应范围均采用平面设计，而图5B的内顶面173及光线自其出射至出光顶面110的投影位置均采用凹面设计。可清楚见到图5A中央部分的光强度分布明显较采用另一设计时为强，并可减少单一环状部分光线特别强的状况。
在如图3A及图4所示的较佳实施例中，外壁面150及内壁面171均为越靠近该出光顶面110时越朝中央靠近，亦即外壁面150及内壁面171上距离出光顶面110愈短的位置则距离透镜100中心处愈近。此外，外壁面150为外凸的环形弧状曲面，而内壁面170则朝外壁面150方向凹入的环形弧状曲面。通过此一设计，当光线经内壁面171进入透镜100并产生折射后，可降低其在出射外壁面150时的可能性。此外，外壁面150及内壁面171上均可依需求设置有微结构，以对光路进行调整。
另一方面，在较佳实施例中，外壁面150及内壁面171的曲率均为朝出光顶面131渐增；换言之，即越接近出光顶面131时曲率越大。外壁面150朝出光顶面131的曲率渐增率较佳地较内壁面171朝出光顶面131的曲率渐增率为大。此外，外壁面150的平均曲率大于内壁面171的平均曲率，以增加发光范围的广度。在较佳实施例中，外壁面150及内壁面171的剖面曲线分别为采用不同参数的二次贝兹曲线(Bezier Curve)；然而在不同实施例中，外壁面150及内壁面171的剖面曲线亦可采用其他不同的曲线进行设计。
如图6所示，出光顶面110的最大半径r与底面130的最大半径R的比值r/R介于0.5到0.7之间。在较佳实施例中，出光顶面110为平面，然而在不同实施例中，出光顶面110亦可为曲面或具有微结构。此外，当出光顶面110及底面130为圆形时，最大半径即为圆形的半径；但当出光顶面110或底面130为六角形或其他多边形时，则最大半径即为最长对角线的一半。另一方面，孔洞170开口175的半径D与出光顶面110的最大半径r比值D/r介于0.2到0.4之间。内顶面173的半径d与孔洞170在底面130上开口175半径D的比值d/D则介于0.05到0.25之间。开口175及内顶面173较佳地为圆形；然当开口175或内顶面173为六角形或其他多边形时，最大半径即为最长对角线的一半。此外，当出光顶面110及底面130为圆形时，上述比值d/D较佳介于0.05到0.2之间。通过上述的设计，可进一步提升发光的均匀度，并减少产生环状强光带的状况。
在图7A所示的实施例中，底面130上设置有多个底面微结构131。在此较佳实施例中，底面微结构131为金字塔状的凹穴；然而在不同实施例中，底面微结构131亦可为其他凹或凸的不同形状。如图7B所示的强度分布图，相较于未设置底面微结构131的状况，底面130在加设底面微结构131后，可进一步减少在不同位置上亮度的落差，以提升发光的均匀度。此外，如图7C所示，出光顶面110上亦可设置多个顶面微结构111，其亦可为其他凹或凸的不同形状，但顶面微结构111的设置位置较佳地在光线自内顶面173出射至出光顶面110的对应范围外，或至少在内顶面173于出光顶面110的投影范围外，以降低在中央部分产生暗点的机会。
图8所示为光源装置中透镜100的另一实施例。在此实施例中，透镜100的支脚190至少部分设置于底面130之下，亦即未突出或仅部分突出于底面130边缘外。支脚190自底面130朝离开底面130的方向突出。如同之前的实施例中，光源300设置于支脚190所围成的范围内。通过此一设计，可减少支脚190对于发光强度分布的影响。
在图9所示的实施例中，透镜100的出光顶面110及底面130均为六角形，也连带使外壁面150沿着六角形的各侧边弯曲。在此实施例中，透镜100具有三个支脚190，并分别设置对应于六角形中不相邻的侧边中点。换言之，六角形中每两个相邻的侧边只会有一个侧边具有支脚190，以减少对于发光均匀性的影响。然而在不同实施例中，支脚190的数量及设置位置仍可随设计需求而改变。
本发明同时提供一种光源系统，较佳包含多个如图9所示的光源装置200。如图10所示，多个光源装置200呈蜂巢状排列，且在蜂巢状排列中呈彼此相间隔设置的状态。换言之，在蜂巢状的排列中，光源装置200采用跳格的方式设置，每一光源装置200的六边均未直接与相邻的光源装置200邻接。从另一个角度来看，三个相邻的光源装置200即会围成一个六角形且未设置光源装置200的六角形区域400；且每个光源装置200同时也会被六个这样的六角形区域400所围绕。
在此较佳实施例中，由于每个光源装置200具有三个支脚190，且分别设置相间隔的侧边上，因此六角形区域400可能由光源装置200中具有支脚190的侧边所围绕，也可能由不具有支脚190的侧边所围绕。如图10所示，对于同一个六角形区域400，较佳地由相邻三个光源装置200中均具有支脚190的侧边所围绕；相对而言，同时亦会有六角形区域400是由均无支脚190的侧边所围绕。换言之，当六角形区域400所对应的一个光源装置200侧边有支脚190时，所对应的另外两个光源装置200侧边较佳也需有支脚190。相对地，当六角形区域400所对应的一个光源装置200侧边没有支脚190时，所对应的另外两个光源装置200侧边较佳地也不设有支脚190。通过此一排列设置方式，可使光源系统整体的发光均匀性提升。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (18)

1.一种光源装置，其特征在于，包含：
一透镜，具有相对的一出光顶面及一底面，该底面上内凹形成一孔洞；其中该孔洞由一内壁面及一内顶面所围成，并于该底面上有一开口，该内顶面及该内顶面于该出光顶面投影的对应范围均为平面；以及
一光源，设置于该开口下方，并对应于该孔洞；其中该光源的一发光区域出射的光线于该底面上的投影范围为该开口所包含。
2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，其中该透镜包含一外壁面，其为该底面延伸至与该出光顶面相连，并围绕该孔洞，该外壁面及该内壁面上距离该出光顶面愈短的位置则距离该透镜中心处愈近。
3.根据权利要求2所述的光源装置，其特征在于，其中该外壁面及该内壁面为弧状曲面，该外壁面及该内壁面的曲率均为朝该出光顶面渐增。
4.根据权利要求3所述的光源装置，其特征在于，其中该外壁面朝该出光顶面的曲率渐增率较该内壁面朝该出光顶面的曲率渐增率为大。
5.根据权利要求3所述的光源装置，其特征在于，其中该外壁面的平均曲率大于该内壁面的平均曲率。
6.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，其中该出光顶面的最大半径与该底面的半径的比值介于0.5到0.7之间。
7.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，其中该孔洞于该底面上开口的半径与该出光顶面的最大半径的比值介于0.2到0.4之间。
8.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，其中该内顶面的半径与该孔洞于该底面上开口半径的比值介于0.05到0.25之间。
9.根据权利要求8所述的光源装置，其特征在于，其中当该出光顶面及该底面为圆形时，该比值介于0.05到0.2之间。
10.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，其中该底面具有多个底面微结构。
11.根据权利要求10所述的光源装置，其特征在于，其中该底面微结构为金字塔状的凹穴。
12.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，其中该出光顶面形成有多个顶面微结构。
13.根据权利要求12所述的光源装置，其特征在于，其中该顶面微结构的设置位于该内顶面于该出光顶面投影的对应范围外。
14.根据权利要求2所述的光源装置，其特征在于，其中该透镜包含多支脚，这些支脚位于该底面外侧，并连接该外壁面，该光源设置于这些支脚围绕的范围内。
15.根据权利要求2所述的光源装置，其特征在于，其中该透镜包含多支脚，这些支脚至少部分位于该底面之下，该光源设置于这些支脚围绕的范围内。
16.根据权利要求14或15所述的光源装置，其特征在于，其中该出光顶面及该底面形成为六角形，该支脚对应于该六角形的侧边中点。
17.一种光源系统，其特征在于，包含多个根据权利要求16所述的光源装置；其中这些光源装置呈蜂巢状排列且在蜂巢状排列中相间隔设置，使相邻三个该光源装置之间围成一六角形区域。
18.根据权利要求17所述的光源系统，其特征在于，其中每一光源装置具有三个该支脚分别设置于该底面所形成六角形的不相邻侧边，该六角形区域由相邻三该光源装置中均有该支脚的侧边所围绕；或由该六角形区域由相邻三该光源装置中均无该支脚的侧边所围绕。
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