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TWI630345B - 照明裝置 - Google Patents

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TWI630345B
TWI630345B TW106145722A TW106145722A TWI630345B TW I630345 B TWI630345 B TW I630345B TW 106145722 A TW106145722 A TW 106145722A TW 106145722 A TW106145722 A TW 106145722A TW I630345 B TWI630345 B TW I630345B
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lighting device
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陳光宇
王嚴璋
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

一種照明裝置，包括一外管、一內管以及一光源。外管具有一反射內壁。內管設置於外管內且與外管共軸，其中內管具有一反射外壁，外管與內管之間形成一環狀光通道，環狀光通道具有分別對應於外管兩端的一入光口與一出光口，且內管的一區段從出光口處延伸出。光源設置於入光口處，光源發出的光線經由入光口進入環狀光通道，並被外管的反射內壁與內管的反射外壁多次反射後由出光口離開照明裝置。

Description

照明裝置
本發明是有關於一種裝置，且特別是有關於一種照明裝置。
一般而言，在照明的使用上，若照明區域的亮度呈現較一致的均勻性，將有助於使用者對於照明區域的觀察。然而，常見的照明裝置(例如內視鏡照明裝置)的照射範圍主要集中在照明裝置正前方的區域，使得正前方區域的亮度過高而遠離正前方區域的較大視角區域的亮度則快速降低，導致照明區域的亮度均勻性不佳，進而影響使用者對於照明區域的觀察結果。
本發明提供一種照明裝置，具有均勻的照明亮度。
本發明一實施例提出一種照明裝置，包括一外管、一內管以及一光源。外管具有一反射內壁。內管設置於外管內且與外管共軸，其中內管具有一反射外壁，外管與內管之間形成一環狀光通道，環狀光通道具有分別對應於外管兩端的一入光口與一出光口，且內管的一區段從出光口處延伸出。光源設置於入光口處，光源發出的光線經由入光口進入環狀光通道，並被外管的反射內壁與內管的反射外壁多次反射後由出光口離開照明裝置。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A為本發明的一實施例之照明裝置的示意圖。圖1B為本發明的一實施例之照明裝置的沿著中心軸的剖面示意圖。請參照圖1A與圖1B，本實施例的照明裝置100包括一外管110、一內管120以及一光源130。外管110具有一反射內壁112。內管120設置於外管110內且與外管110共軸，其中內管120具有一反射外壁122，外管110與內管120之間形成一環狀光通道CH，環狀光通道CH具有分別對應於外管兩端的一入光口I與一出光口O，且內管120的一區段120a從出光口O處延伸出。光源130設置於入光口I處，光源130發出的光線L經由入光口I進入環狀光通道CH，並被外管110的反射內壁112與內管120的反射外壁122多次反射傳遞後由出光口O離開照明裝置100。在本實施例中，由於內管120的區段120a從出光口O處延伸出，使得較多的光線L會往遠離內管120的方向射出照明裝置100，因此光線L在離開照明裝置100時的發散角較大，可提升較大視角區域的亮度，使光線L不過度集中於照明裝置100正前方的區域。如此一來，本發明的實施例的照明裝置100可具有均勻的照明亮度。
在本實施例中，光源130為多個不連續的點型發光元件，其例如是由多個發光二極體(light-emitting diode，LED)所組成。在其他實施例中(未繪示)，光源也可以是連續的面型發光元件，其例如是由有機發光二極體(organic light-emitting diode，OLED)所構成。此外，光源130可包括一導光光纖束或一光導，連接至環狀光通道CH的入光口I處。也就是說，發光元件可不直接設置於環狀光通道CH的入光口I處，而是藉由導光光纖束或光導將發光元件發出的光線導引至環狀光通道CH的入光口I處，然本發明不以此為限。
在本實施例中，外管110與內管120的材質例如是金屬，且外管110的反射內壁112與內管120的反射外壁122例如是平滑表面，使光線L在外管110的反射內壁112與內管120的反射外壁122的反射方式為鏡面反射。在其他實施例中，外管110的反射內壁112與內管120的反射外壁122例如是粗糙表面，使光線L在外管110的反射內壁112與內管120的反射外壁122的反射方式為擴散式反射。
圖2為本發明的一實施例之照明裝置的沿著中心軸的剖面示意圖。請參照圖2，本實施例的照明裝置200與圖1B所示的照明裝置100大致上相同，要注意的是，照明裝置200更包括一光擴散結構240，設置於環狀光通道CH內，且光擴散結構240具有對應於環狀光通道CH的環狀形狀。具體來說，光擴散結構240可使通過的光線發散，因此當光源130發出的光線L通過光擴散結構240後，光線L可更分散而均勻化。舉例來說，光擴散結構240可為透光材質且具有一粗糙表面。光擴散結構240也可以包括散射材料，分散於光擴散結構240內。此外，光擴散結構240亦可以包括一全像擴散片，然本發明不以此為限。
圖3為本發明的一實施例之照明裝置的沿著中心軸的剖面示意圖。請參照圖3，本實施例的照明裝置300與圖2所示的照明裝置200大致上相同，要注意的是，照明裝置300更包括一折光結構350，設置於環狀光通道CH的出光口O處且連接於外管110。折光結構350為一環狀結構。折光結構350的外徑與外管110的外徑相同，且折光結構350在與外管110連接處的內徑小於折光結構350在遠離外管110的一端的內徑。此外，折光結構350在與外管110連接處的內徑大於內管120的外徑，也就是說，在出光口O處，折光結構350與內管120之間具有間距。另外，折光結構350在遠離外管110的一端的內徑小於或等於外管110的外徑。應理解，此處提到的內徑為構件的內表面相對於照明裝置300的中心軸的半徑，而外徑為構件的外表面相對於照明裝置300的中心軸的半徑。在本實施例中，折光結構350在遠離外管110的一端的內徑小於外管110的外徑，因此折光結構350的剖面形狀為梯形。在其他實施例中(例如圖6所示)，折光結構350在遠離外管110的一端的內徑也可以等於外管110的外徑，因此折光結構350的剖面形狀也可以為三角形，然本發明不以此為限。
在本實施例中，折光結構350為透明材質。光源130發出的光線L經過外管110的反射內壁112與內管120的反射外壁122多次反射後，被折光結構350折射或是在折光結構350內部發生全反射而往更遠離內管120的方向離開照明裝置300。折光結構350的材質例如玻璃、塑膠、壓克力或其他適當的透明材質。由於折光結構350可進一步將光線L向外偏折而離開照明裝置300，使光線L在離開照明裝置300時的發散角更大，因此照明裝置300可具有更均勻的照明亮度。此外，折光結構350連接於外管110且具有與外管110相同的外徑，也就是說，照明裝置300具有連續且完整的外輪廓，而在出光口O的一端不具有外管110與內管120之間的落差，將有利於例如內視鏡照明的應用上。然而，在其他實施例中(未繪示)，折光結構350也可以不具有與外管110相同的外徑。
在本實施例中，照明裝置300同時設置了折光結構350與光擴散結構240。然而，在其他實施例中(未繪示)，照明裝置也可以僅設置折光結構350而不設置光擴散結構240。
圖4為本發明的一實施例之照明裝置的沿著中心軸的剖面示意圖。請參照圖4，本實施例的照明裝置400與圖3所示的照明裝置300大致上相同，要注意的是，照明裝置300的光擴散結構240設置於環狀光通道CH內，且較靠近入光口I處，而照明裝置400的光擴散結構440設置於折光結構350上且接近環狀光通道CH的出光口O處。在一實施例中，光擴散結構440與折光結構350為一體成型。
圖5為本發明的一實施例之照明裝置的沿著中心軸的剖面示意圖。請參照圖5，本實施例的照明裝置500與圖3所示的照明裝置300大致上相同，要注意的是，照明裝置500更包括一攝影裝置560，設置於內管120中靠近區段120a的一端內。此外，照明裝置500還包括封口結構570、封口結構580與封口結構590。封口結構570將折光結構350與內管120之間的間隙封住，封口結構580將光源130與環型光通道CH的入光口I之間的間隙封住，而封口結構590將位於光源130一側的內管120封住。其中，封口結構570與封口結構580可固定外管110與內管120之間的間距。
圖6為本發明的一實施例之照明裝置的設計示意圖。為清楚描述，圖6僅繪示部分構件，且省略繪示外管110與內管120的厚度。請參照圖6，若本實施例的照明裝置600的內管120的半徑為r1，外管110的半徑為r2，外管110與內管120之間的管徑差為D，折光結構350的長度為H，折光結構350與內管120之間在出光口O處的間距為a，且區段120a從出光口O處延伸出的長度為b。在一實施例中，滿足下列關係式：0.5≦H/D≦2，0.04≦a/D≦0.33，0＜b≦7a+0.1D，且b≦H，其中D=r2-r1，然本發明不以此為限。
圖7A為使用發光二極體作為照明裝置的非相干性輻照度(incoherent irradiance)的分布圖。圖7B為使用發光二極體與二次光學透鏡作為照明裝置的非相干性輻照度的分布圖。圖7C為本發明的一實施例之照明裝置300的非相干性輻照度的分布圖。請同時參照圖7A、圖7B以及圖7C，由非相干性輻照度的分布圖可知，相較於僅使用發光二極體作為照明裝置以及使用發光二極體與二次光學透鏡作為照明裝置而言，本發明的實施例的照明裝置300的輻照度的分布較為平均。若將發光裝置正前方區域的中央亮度定為100%，則僅使用發光二極體作為照明裝置（如圖7A）的照明區域中，亮度為中央亮度的80%處的視角為39.6度，而此照明裝置的視野(field of view，FOV)為56.6度；使用發光二極體與二次光學透鏡作為照明裝置（如圖7B）的照明區域中，亮度為中央亮度的80%處的視角為42.2度，而此照明裝置的視野為60.3度；本發明的實施例的照明裝置300的照明區域中，亮度為中央亮度的80%處的視角為93.8度，而此照明裝置300（如圖7C）的視野為134度。也就是說，本發明的實施例的照明裝置300具有較均勻的照明亮度，且可適用於視野較大的照射範圍。
須說明的是，根據國際標準ISO 8600的檢測方法：取得發光裝置正前方區域的中央亮度；取得視野的角度的70%處的亮度；將視野的角度的70%處的亮度除以正前方區域的中央亮度，以計算出亮度均勻性。由於本發明的實施例的亮度均勻性為80%，因此，前述提到的視野(field of view，FOV) 的角度的計算方式為：將發光裝置正前方區域的中央亮度定為100%；找出亮度為中央亮度的80%處，並將此中央亮度的80%處相對於中央軸的視角定為視野的角度的70%；再將此視角除以70%，以得到視野的角度。
請同時參考圖2、圖3及圖7C。在圖2實施例的照明裝置200的照明區域中，亮度為中央亮度的80%處的視角為69.4度，而此照明裝置200的視野為99.1度。在圖3實施例的照明裝置300的照明區域中，亮度為中央亮度的80%處的視角為93.8度，而此照明裝置300的視野為134度。由此可知，藉由折光結構與光擴散結構的設置，可以進一步的提升照明裝置的均勻度。
綜上所述，在本發明的實施例的照明裝置中，由於內管的一區段從出光口處延伸出，光源所發出的光線被外管的反射內壁與內管的反射外壁多次反射後，較多的光線會往遠離內管的方向射出照明裝置，因此光線在離開照明裝置時的發散角較大，可提升較大視角區域的亮度，使光線不過度集中於照明裝置正前方的區域。如此一來，本發明的實施例的照明裝置可具有較均勻的照明亮度。再者，本發明的實施例的光擴散結構可使通過的光線發散，因此當光源發出的光線通過光擴散結構後，光線可更分散而均勻化。另外，光源發出的光線在通過折光結構後，可被折光結構折射或是在折光結構內部發生全反射而進一步往遠離中心軸的方向離開照明裝置，因此本發明的實施例的照明裝置可具有更均勻的照明亮度。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300、400、500、600‧‧‧照明裝置
110‧‧‧外管
112‧‧‧反射內壁
120‧‧‧內管
120a‧‧‧區段
122‧‧‧反射外壁
130‧‧‧光源
240、440‧‧‧光擴散結構
350‧‧‧折光結構
560‧‧‧攝影裝置
570、580、590‧‧‧封口結構
CH‧‧‧環狀光通道
I‧‧‧入光口
O‧‧‧出光口
L‧‧‧光線
圖1A為本發明的一實施例之照明裝置的示意圖。 圖1B為本發明的一實施例之照明裝置的沿著中心軸的剖面示意圖。 圖2為本發明的一實施例之照明裝置的沿著中心軸的剖面示意圖。 圖3為本發明的一實施例之照明裝置的沿著中心軸的剖面示意圖。 圖4為本發明的一實施例之照明裝置的沿著中心軸的剖面示意圖。 圖5為本發明的一實施例之照明裝置的沿著中心軸的剖面示意圖。 圖6為本發明的一實施例之照明裝置的設計示意圖。 圖7A為使用發光二極體作為照明裝置的非相干性輻照度(incoherent irradiance)的分布圖。 圖7B為使用發光二極體與二次光學透鏡作為照明裝置的非相干性輻照度的分布圖。 圖7C為本發明的一實施例之照明裝置300的非相干性輻照度的分布圖。

Claims (22)

  1. 一種照明裝置，包括： 一外管，具有一反射內壁； 一內管，設置於該外管內且與該外管共軸，其中該內管具有一反射外壁，該外管與該內管之間形成一環狀光通道，該環狀光通道具有分別對應於該外管兩端的一入光口與一出光口，且該內管的一區段從該出光口處延伸出；以及 一光源，設置於該入光口處，該光源發出的光線經由該入光口進入該環狀光通道，並被該外管的該反射內壁與該內管的該反射外壁多次反射後由該出光口離開該照明裝置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的照明裝置，其中該外管與該內管的材質為金屬。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的照明裝置，其中該光源包括一導光光纖束或一光導。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的照明裝置，其中該光源包括至少一發光二極體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的照明裝置，其中更包括一光擴散結構，設置於該環狀光通道內。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的照明裝置，其中該光擴散結構為透光材質且具有一粗糙表面。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的照明裝置，其中該光擴散結構包括散射材料，分散於該光擴散結構內。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的照明裝置，其中該光擴散結構包括一全像擴散片。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的照明裝置，其中更包括一折光結構，設置於該環狀光通道的該出光口處且連接於該外管，該光線透過該折光結構往遠離該內管的方向離開該照明裝置。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的照明裝置，其中該折光結構的外徑與該外管的外徑相同，且該折光結構在與該外管連接處的內徑小於該折光結構在遠離該外管的一端的內徑。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的照明裝置，其中該折光結構在與該外管連接處的內徑大於該內管的外徑。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的照明裝置，其中該折光結構在遠離該外管的一端的內徑小於或等於該外管的外徑。
  13. 如申請專利範圍第9項所述的照明裝置，其中該內管的半徑為r1，該外管的半徑為r2，該外管與該內管之間的管徑差為D，該折光結構的長度為H，則0.5≦H/D≦2，其中D=r2-r1。
  14. 如申請專利範圍第9項所述的照明裝置，其中該內管的半徑為r1，該外管的半徑為r2，該外管與該內管之間的管徑差為D，該折光結構與該內管之間在該出光口處的間距為a，則0.04≦a/D≦0.33，其中D=r2-r1。
  15. 如申請專利範圍第9項所述的照明裝置，其中該內管的半徑為r1，該外管的半徑為r2，該外管與該內管之間的管徑差為D，該折光結構的長度為H，該折光結構與該內管之間在該出光口處的間距為a，該區段從該出光口處延伸出的長度為b，則0＜b≦7a+0.1D，且b≦H，其中D=r2-r1。
  16. 如申請專利範圍第9項所述的照明裝置，其中更包括一光擴散結構，設置於該環狀光通道內。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的照明裝置，其中該光擴散結構為透光材質且具有一粗糙表面。
  18. 如申請專利範圍第16項所述的照明裝置，其中該光擴散結構包括散射材料，分散於該光擴散結構內。
  19. 如申請專利範圍第16項所述的照明裝置，其中該光擴散結構包括一全像擴散片。
  20. 如申請專利範圍第16項所述的照明裝置，其中該光擴散結構設置於該折光結構上且接近該環狀光通道的該出光口處。
  21. 如申請專利範圍第16項所述的照明裝置，其中該光擴散結構與該折光結構為一體成型。
  22. 如申請專利範圍第1項所述的照明裝置，其中更包括一攝影裝置，設置於該內管中靠近該區段的一端內。
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