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TW201516468A - 透鏡組合及使用該透鏡組合的光源裝置 - Google Patents

透鏡組合及使用該透鏡組合的光源裝置 Download PDF

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TW201516468A TW102138622A TW102138622A TW201516468A TW 201516468 A TW201516468 A TW 201516468A TW 102138622 A TW102138622 A TW 102138622A TW 102138622 A TW102138622 A TW 102138622A TW 201516468 A TW201516468 A TW 201516468A
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Li-Ying Wanghe
Yi Hung
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Hon Hai Prec Ind Co Ltd
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Abstract

一種透鏡組合，包括一第一透鏡以及第二透鏡，該第一透鏡包括入光面以及與該入光面相對的出光面，該第二透鏡包括複數呈同心圓排佈於該第一透鏡出光面中心區域的環狀微透鏡單元，每一微透鏡單元包括一內壁面以及外壁面，該第二透鏡的複數微透鏡單元的內壁面與外壁面之間構成的夾角大小沿微透鏡單元的徑向自第一透鏡出光面的中心朝向第一透鏡出光面的周緣逐漸增加。本發明還涉及一種使用該透鏡組合的光源裝置。

Description

透鏡組合及使用該透鏡組合的光源裝置
本發明涉及一種透鏡組合及使用該透鏡組合的光源裝置。
發光二極體（light emitting diode，LED）作為一種高效的發光源，具有環保、省電、壽命長等諸多特點已經被廣泛的運用於各種領域，特別係背光照明領域。在背光照明領域，為了均勻光線，LED光源通常會搭配擴散透鏡使用，使LED光源的光線能以較大角度出射，從而達到大面積照明的效果。
然而，在實際使用中，LED光源發出的光線經過透鏡的擴散之後，由於出射光線仍然集中在LED光源的光軸附近，出射光場中心區域的能量過高，光場分佈不均勻。當將所述LED光源及透鏡應用於背光照明中時，會影響整體出光效果。
有鑒於此，有必要提供一種能獲得均勻出光效果的透鏡組合及使用該透鏡組合的光源裝置。
一種透鏡組合，包括一第一透鏡以及位於該第一透鏡頂部的第二透鏡，該第一透鏡包括一入光面以及與該入光面相對的一出光面，該入光面用於接收一發光二極體光源的發射光束，該出光面用於將射入至該第一透鏡內的光線射出，該第二透鏡用於發散該第一透鏡的出射光，該第二透鏡包括複數呈同心圓排佈於該第一透鏡出光面中心區域的環狀微透鏡單元，每一微透鏡單元包括一內壁面以及與內壁面連接、且用於發散光線的外壁面，該第二透鏡的複數微透鏡單元的內壁面與外壁面之間構成的夾角大小沿微透鏡單元的徑向自第一透鏡出光面的中心朝向第一透鏡出光面的周緣逐漸增加。
一種光源裝置，包括一發光二極體光源及與該發光二極體光源配合的透鏡組合，該透鏡組合包括一第一透鏡以及位於該第一透鏡頂部的第二透鏡，該第一透鏡包括一入光面以及與該入光面相對的一出光面，該入光面用於接收一發光二極體光源的發射光束，該出光面用於將射入至該第一透鏡內的光線射出，該第二透鏡用於發散該第一透鏡的出射光，該第二透鏡包括複數呈同心圓排佈於該第一透鏡出光面中心區域的環狀微透鏡單元，每一微透鏡單元包括一內壁面以及與內壁面連接、且用於發散光線的外壁面，該第二透鏡的複數微透鏡單元的內壁面與外壁面之間構成的夾角大小沿微透鏡單元的徑向自第一透鏡出光面的中心朝向第一透鏡出光面的周緣逐漸增加，該發光二極體光源面向該透鏡組合的第一透鏡的入光面設置，發光二極體光源出射的光線由該第一透鏡的入光面射入至第一透鏡內，其中經由第一透鏡的出光面的中心區域出射的光線並被位於第一透鏡頂部的第二透鏡朝向第一透鏡的出光面周緣發散。
與習知技藝相比，本發明中該第一透鏡的出光面上設置了第二透鏡，由該第一透鏡的出光面的中心區域出射的光線經由該第二透鏡的微透鏡單元的外壁面朝向第一透鏡的出光面周緣發散，從而降低了光場中心區域的能量，消除了光場中央的亮點，並形成了均勻的光場分佈。
圖1係本發明第一實施例的光源裝置的立體結構示意圖。
圖2係圖1所示光源裝置中透鏡組合的倒置立體結構示意圖。
圖3係圖1所示光源裝置沿III-III線方向的剖視示意圖。
圖4係圖3中IV部分的放大示意圖。
圖5係圖1所示的光源模組不包括第二透鏡時的光強分佈。
圖6係圖1中所示光源裝置的光強分佈。
圖7係本發明第二實施例的光源裝置中透鏡組合的部分剖面示意圖。
請參閱圖1至圖3，本發明第一實施例的光源裝置1包括一發光二極體光源4以及與該發光二極體光源4配合使用的透鏡組合10。該透鏡組合10包括一第一透鏡2以及位於該第一透鏡2頂部的第二透鏡3。該第二透鏡3包括多個環狀微透鏡單元31。該等環狀微透鏡單元31由內至外逐圈排佈於該第一透鏡2的頂部。
該第一透鏡2包括一入光面24以及與該入光面24相對設置的出光面20。該第一透鏡2具有一貫穿其出光面20和入光面24的光軸X。該第一透鏡2的入光面24和出光面20均關於該第一透鏡2的光軸X旋轉對稱。該發光二極體光源4的發射光束由該第一透鏡2的入光面24射入至該第一透鏡2內，並經由該第一透鏡2的出光面20射出。該第二透鏡3用於發散該第一透鏡2的出射光束。
該第一透鏡2還包括連接該第一透鏡2的入光面24與出光面20的一環形的安裝面23。該第一透鏡2的入光面24位於該安裝面23的中心。該入光面24自該環形的安裝面23的內緣朝向該第一透鏡2內部凹陷。該第一透鏡2的入光面24與安裝面23共同圍設出一容置空間25用於收容該發光二極體光源4。該發光二極體光源4收容於該容置空間25內並正對該透鏡組合10的第一透鏡2的入光面24設置。該發光二極體光源4的光軸（未標示）與該第一透鏡2的光軸X重合。
該第一透鏡2的入光面24係一內凹的曲面。在本實施例中，該第一透鏡2的入光面24係橢球面的一部分，該入光面24的長軸位於該第一透鏡2的光軸X上。在其他實施例中，該第一透鏡2的入光面24係球面或抛物面的一部分。
該第一透鏡2的出光面20係一外凸的曲面。該出光面20包括自該環形的安裝面23的外周緣垂直向上延伸的第一輔助出光面21以及自該第一輔助出光面21的頂緣向上並向內彎曲延伸的第二主出光面22。該第一透鏡2的第二主出光面22正對入光面24的中心區域係一大致平坦的水平面221。該多個環形微透鏡單元31緊密排佈於該第一透鏡2的第二主出光面22的水平面221上。該發光二極體光源4發出並射入到該第一透鏡2內部的光線中，大部分光線經由該第一透鏡2的第二主出光面22射出第一透鏡2之外，少部分光線經由該第一輔助出光面21射出第一透鏡2之外。該第一輔助出光面21係一圓柱面，該第二主出光面22自該圓柱面的頂端緣向上並向內彎曲形成。
沿該第一透鏡2的出光面20中心朝向該出光面20外周緣的方向上，該第一透鏡2的出光面20與入光面24之間的距離先逐漸增加後逐漸減小，即沿與該第一透鏡2的光軸X垂直的徑向向外，該第一透鏡2的厚度先逐漸增加後逐漸減小。
請同時參閱圖1和圖4，每一環狀微透鏡單元31包括內壁面311以及與該內壁面311連接、且用於發散光線的外壁面312。每一微透鏡單元31均環繞該第一透鏡2的光軸X設置。
該第二透鏡3的多個環狀微透鏡單元31呈同心圓排列於該第一透鏡2的第二主出光面22的水平面221上。該多個環狀微透鏡單元31的圓心位於該第一透鏡2的光軸X上。在本實施例中，該第二透鏡3共包括十個環繞該第一透鏡2的光軸X設置的環狀微透鏡單元31。
每一微透鏡單元31的外壁面312相對該光軸X平行設置。每一微透鏡單元31的內壁面311相對該光軸X傾斜設置。在本實施例中，每一微透鏡單元31的外壁面312均係圓柱面，每一微透鏡單元31的內壁面311均係凹弧面。在其他實施例中，該內壁面311係相對該光軸X傾斜的斜面，該外壁面312係相對該光軸X平行的柱面。
沿第一透鏡2的光軸X向遠離第一透鏡2的方向，每一微透鏡單元31的內徑逐漸增加。該第二透鏡3的多個微透鏡單元31緊密排列在一起，即任意兩個相鄰微透鏡單元31中，位於內圈的微透鏡單元31的外壁面312與位於外圈的微透鏡單元31的內壁面311相連接並圍設出一環形的凹槽313。沿該第一透鏡2的光軸X朝向遠離第一透鏡2的方向，該環形凹槽313的寬度逐漸增加。該環形凹槽313的橫截面大致呈V形。
每一微透鏡單元31的橫截面均係三角形，進一步來說，每一微透鏡單元31的橫截面均係直角三角形。每一環狀微透鏡單元31的內壁面311和外壁面312之間構成一夾角θ。沿與該第一透鏡2的光軸X垂直的徑向向外，該第二透鏡3的微透鏡單元31的內壁面311與外壁面312構成的夾角θ逐漸增大。
相鄰兩微透鏡單元31的外壁面312之間的距離D均相等，沿與該第一透鏡2光軸X垂直的徑向向外，該第二透鏡3的多個微透鏡單元31的外壁面312的高度逐漸遞減。在本實施例中，相鄰兩微透鏡單元31的外壁面312之間的距離D係0.3mm，位於最內圈的微透鏡單元31的外壁面312的高度係0.19mm，位於最外圈的微透鏡單元31的外壁面312的高度係0.02mm 。
請參閱圖5，當該第一透鏡2的出光面20上未設置第二透鏡3時，該發光二極體光源4的光線經過由第一透鏡2的入光面24進入到第一透鏡2內。而由該第一透鏡2出光面20出射的光線並未被其他光學元件發散，光場中心區域的能量過高，並在光場中央形成了亮點（hot spot），整個光場的能量分佈不均勻。
請參閱圖6，當該第一透鏡2的出光面20上設置了該第二透鏡3時，該發光二極體光源4的光線經過由第一透鏡2的入光面24進入到第一透鏡2內，其中由第一透鏡2的第二主出光面22的中心區域出射的光線被位於第一透鏡2頂部的第二透鏡3的微透鏡單元31的外壁面312朝向第一透鏡2的周緣方向發散，最終降低了光場中心區域的能量，消除了光場中央的亮點（hot spot），並形成了均勻的光場能量分佈。
具體地，由於內圈的微透鏡單元31的外壁面312的高度大於外圈的微透鏡單元31的外壁面312的高度，故第一透鏡2內部集中於光軸X附近的光線能夠更多地射向內圈微透鏡單元31的外壁面312上，同時由於該微透鏡單元31的外壁面312均係相對該第一透鏡2的光軸X平行的圓柱面，該第一透鏡2內部集中於光軸X附近並射向內圈的微透鏡單元31的外壁面312上的光線在外壁面312上的入射角較大，該等光線最終被內圈的微透鏡單元31的外壁面312朝向第一透鏡2的周緣大角度折射；外圈的微透鏡單元31的外壁面312的高度小於內圈的微透鏡單元31的外壁面312的高度，這係因為第一透鏡2內部光軸X外側的光線密度相對光軸X附近的光線密度小很多，即射向外圈的微透鏡單元31的外壁面312上的光線密度較小，而該第一透鏡2內位於光軸X外側並射向外圈的微透鏡單元31的外壁面312上的光線在外壁面312上的入射角較小，該等光線最終外圈的微透鏡單元31的外壁面312朝向第一透鏡2的周緣小角度折射。
請參閱圖7，與圖3所示的光源裝置1不同地，本發明第二實施例的光源裝置（未標示）中，該第二透鏡3a的多個微透鏡單元31a的外壁面312a的高度均相等。沿與該第一透鏡2的光軸X垂直的徑向向外，相鄰兩微透鏡單元31a的外壁面312a之間的距離D逐漸增加。
可以理解地，該第二透鏡3、3a可以與該第一透鏡2一體成型。較佳地，該第二透鏡3、3a和該第一透鏡2的材質係PMAA塑膠（聚丙烯酸甲酯）、PC塑膠（聚碳酸酯）或玻璃中的一種，該第二透鏡3、3a和該第一透鏡2藉由注塑的方式一體成型。
1‧‧‧光源裝置
2‧‧‧第一透鏡
3、3a‧‧‧第二透鏡
4‧‧‧發光二極體光源
10‧‧‧透鏡組合
20‧‧‧出光面
21‧‧‧第一輔助出光面
22‧‧‧第二主出光面
23‧‧‧安裝面
24‧‧‧入光面
25‧‧‧容置空間
31、31a‧‧‧微透鏡單元
221‧‧‧水平面
311‧‧‧內壁面
312、312a‧‧‧外壁面
313‧‧‧凹槽
無
1‧‧‧光源裝置
2‧‧‧第一透鏡
3‧‧‧第二透鏡
10‧‧‧透鏡組合
20‧‧‧出光面
21‧‧‧第一輔助出光面
22‧‧‧第二主出光面
221‧‧‧水平面

Claims (10)

  1. 一種透鏡組合，包括第一透鏡以及設置於該第一透鏡頂部的第二透鏡，該第一透鏡包括入光面以及與該入光面相對設置的出光面，該入光面用於接收一發光二極體光源的發射光線，該第二透鏡用於發散由該第一透鏡的出光面所出射的光線，其改良在於：該第二透鏡包括複數呈同心圓排佈於該第一透鏡出光面中心區域的環狀微透鏡單元，每一微透鏡單元包括內壁面以及與內壁面連接的外壁面，該第二透鏡的複數微透鏡單元的內壁面與外壁面之間構成的夾角大小沿微透鏡單元的徑向自第一透鏡出光面的中心朝向第一透鏡出光面的周緣逐漸增加。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡組合，其中所述第一透鏡具有一光軸，每一微透鏡單元均環繞該第一透鏡的光軸設置，每一微透鏡單元的外壁面相對該光軸平行設置，每一微透鏡單元的內壁面相對該光軸傾斜設置。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡組合，其中每一微透鏡單元的內壁面係凹弧面，每一微透鏡單元的外壁面係柱面。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡組合，其中每一微透鏡單元的內徑沿光軸向遠離第一透鏡出光面的方向逐漸增加。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的透鏡組合，其中每一微透鏡單元的橫截面均係三角形。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡組合，其中任意兩個相鄰微透鏡單元中，位於內圈的微透鏡單元的外壁面與位於外圈的微透鏡單元的內壁面相連接。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的透鏡組合，其中相鄰兩微透鏡單元的外壁面之間的距離均相等，沿與該第一透鏡光軸垂直的徑向向外，該第二透鏡的多個微透鏡單元的外壁面的高度逐漸遞減。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的透鏡組合，其中該第二透鏡的多個微透鏡單元的外壁面的高度相等，沿與該第一透鏡光軸垂直的徑向向外，相鄰兩微透鏡單元的外壁面之間的距離逐漸增加。
  9. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡組合，其中該第一透鏡還包括連接其入光面與出光面的環形安裝面，該第一透鏡的入光面位於該環形安裝面的中心並自該環形安裝面的內緣朝向第一透鏡內部凹陷，該第一透鏡的入光面和出光面均關於該第一透鏡的光軸旋轉對稱，該第一透鏡的出光面包括自該環形的安裝面的外緣垂直向上延伸的第一輔助出光面和自該第一輔助出光面的頂緣向上並向內彎曲延伸的第二主出光面，該第二透鏡位於該第二主出光面的中心區域並與第一透鏡一體成型。
  10. 一種光源裝置，包括一發光二極體光源及與該發光二極體光源配合的透鏡組合，其中所述透鏡組合係如申請專利範圍第1至9項中任一項所述的透鏡組合，該發光二極體光源面向該透鏡組合的第一透鏡的入光面設置，發光二極體光源出射的光線由該第一透鏡的入光面射入至第一透鏡內，其中經由第一透鏡的出光面的中心區域出射的光線並被位於第一透鏡頂部的第二透鏡朝向第一透鏡的出光面周緣發散。
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