產生環形光場的裝置的製作方法

2023-06-04 05:45:21

專利名稱：產生環形光場的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及照明用的照明裝置，且特別是有關於產生環形照明區域的設計。
背景技術：
美國專利4770514、 5485317、 5757557和6819506皆是提供光源準直化的光學元件設計的方法，將原本具有發散性朗伯遜光場分布改變並增加效率，但光場分布的最強處仍在中央區域。
美國專利公開號20070091602是利用多個發光二極體與可造成不同照射散角的光學元件，將多個光場疊加達成所需的照明區域大小，如圖1B與圖1C。但此專利採用的光學元件為透射式光學元件，如圖1A，易造成大角度的光線損失，使得效率降低。另外，本篇專利並未提及如何設計產生環形光場的光學元件，若欲達成該篇專利所述的目的，產生環形光場分布的元件顯然為必要零元件。

發明內容
本發明的目的是提供一種產生環形照明區域的方法。利用改變曲率半徑或是錐面係數可以達成不同半徑的環形照明區域。
本發明提出兩種產生環形照明區域的裝置，其簡述如下 一種產生環形照明區域的反射式裝置，包括 一發光二極體可產生一光束；以及一光學反射面，可反射該光束以形成一環形照明區域，其中該反射面可以為雙曲面、橢圓面或是拋物面。 一種產生環狀照明區域的全反射式裝置，包括 一發光二極體，可產生一光束； 一光學元件，包含一入射面、 一全反射面以及一出射面；其中該光束的一第一部分可經由該入射面直接穿透至該出射面而形成一環形區域，且該光束的一第二部分可經由該入射面至該全反射面全反射至該出射面而形成該環形區域。
4再者，本發明還提出一種產生環形照明區域的方法，包括下列步驟:選定所使用的一光學反射面，其中該反射面為一雙曲面、 一橢圓面或是一拋物面；根據所選擇的該反射面，決定該反射面一錐面係數；以及根據該錐面係數找出該反射面相對應的一曲率半徑。
為了能還進一步了解本發明特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制。


圖1A、圖1B、圖1C所繪示為現有技術，美國公開號20070091602;圖2A、圖2B、圖2C所繪示為第一種實施例的示意圖與結果，其中圖2A所繪示為光學面為雙曲面的設計；圖2B為實施例1的環形光場示意圖；圖2C為實施例1的錐面係數為-2;
圖3A、圖3B、圖3C所繪示為第二種實施例的示意圖與結果；其中圖3A為所繪示為光學面為橢圓面的設計；圖3B為在1. 5米處的照射光場為環形分布；圖3C為實施例2的錐面係數為-0. 8;圖4所繪示為第二種實施例形成環形分布光場的條件；圖5A、圖5B、圖5C所繪示為第三種實施例的示意圖與結果；其中圖5A為光學面為拋物面的設計；圖5B為實施例2的環形光場示意圖；圖5C為實施例2的錐面係數為-l;圖6所繪示為第四種實施例的示意圖。圖號說明
10 發光二極體 20 光學反射面
30 塑料材料的光學元件40 全反射面50 入射面 60 出射面
具體實施例方式
一個光學面可由方程式Jc = ~~, e +1>,/'來表示'其中x
l+〃i-(i+A:)cy
為光軸方向，c為曲率，K為錐面係數，a,為非球面係數。當不考慮非球面係數時，不同的錐面係數形成不同的曲面類型，-1<^"<0為橢圓面，^" = -1為拋物面，1為雙曲面。本發明利用設計此光學面為反射面，可以將發光二極體原本的朗伯遜光場分布改變成環形分布，並且通過改變曲
率半徑可以改變環形的大小與位置。
請參照圖2A，其所繪示為光學面為雙曲面的設計，發光二極體10發出的光部分經過光學元件的反射光學面20為雙曲面而反射後，光束集中落在半徑1和半徑2之間的區域，而直接射出沒經過反射面的光因為發光二極體10具有發散性，因此落在中心至半徑1之間區域的光只有極少部分，因此在1.5米處的照射光場為環形分布。請參照圖2C，本實施例的錐面係數為-2，由圖中的表格可見，當曲率半徑為2.25公分時，環形光場分布由半徑l為O. 16米至半徑2為0.96米的位置，寬度為0.8米；當曲率半徑為2. 5公分時，環形光場分布由半徑1為0. 2米至半徑2為0. 98米的位置，寬度為0.78米；當曲率半徑為2.75公分時，環形光場分布由半徑1為0.24米至半徑2為1米的位置，寬度為0.76米。由此可知改變反射面的曲率半徑可以改變環形半徑1和半徑2的大小，在中心點到半徑l之間，仍然會有光線入射至該區域，但其能量遠低於半徑1至半徑2之間區域。其中半徑1和半徑2的定義為環形照明區域中照度最大值一半的處與原點的距離，圖2B為本實施例的環形光場示意圖。在本實施例中，當曲率半徑增加，環形分布會遠離中心向外擴張，因此可利用改變曲率半徑來達到所需要的環形大小與位置。
請參照圖3A，其所繪示為光學面為橢圓面的設計，發光二極體10發出的光經過光學元件的光學反射面20為橢圓面，則光束經過反射會先在第一聚焦點聚焦後發散，未經過反射面反射而直接出射的光束因為發光二極體10具有發散性，因此落在中心至半徑1之間區域的光只有極少部分，且其能量遠低於半徑1至半徑2之間區域，因此在1.5米處的照射光
場為環形分布，如圖3B。本實施例的錐面係數為-0.8，請參照圖3C，當曲率半徑為2. 25公分時，環形光場分布由半徑1為0. 65米至半徑2為0. 97米的位置，寬度為0.32米；當曲率半徑為2.5公分時，環形光場分布由半徑1為0.56米至半徑2為0.84米的位置，寬度為0.28米；當曲率半徑為2. 75公分時，環形光場分布由半徑1為0. 48米至半徑2為0. 72米的位置，寬度為0.24米，其中半徑1和半徑2的定義為環形照明區域中照度最大值一半的處與原點的距離。由此可知改變反射面的曲率半徑可以改變環形半徑1和半徑2的大小，在本實施例中，當曲率半徑增加，環形
分布會往中心收縮，因此可利用改變曲率半徑來達到所需要的環形大小與位置。再者，不同的錐面係數範圍可計算出相對應的曲率半徑範圍以達到環形的照射光場分布，如圖4，當錐面係數介於-0.99至-0.9時，曲率半徑必須小於1. 2公分或是大於9. 4公分才能形成環形的照射光場。因此通過設計不同的錐面係數和曲率半徑可以改變投影區域的環形照射光場的大小與位置。
請參照圖5A，其所繪示為光學面為拋物面的設計，發光二極體10發出的光部分經過光學元件的光學反射面20為拋物面而反射後，光束集中落在半徑1和半徑2之間的區域，而直接射出沒經過反射面的光因為發光二極體10具有發散性，因此落在中心至半徑1之間區域的光只有極少部分，因此在1.5米處的照射光場為環形分布。請參照圖5C，本實施例的錐面係數為-1，由圖中的表格可見，當曲率半徑為8公分時，環形光場分布由半徑l為0.2米至半徑2為0.57米的位置，寬度為0.37米；當曲率半徑為9公分時，環形光場分布由半徑1為0. 28米至半徑2為0. 68米的位置，寬度為0.4米；當曲率半徑為10公分時，環形光場分布由半徑1為0.35米至半徑2為0.78米的位置，寬度為0.43米。由此可知改變反射面的曲率半徑可以改變環形半徑1和半徑2的大小，在中心點到半徑1之間，仍然會有光線入射至該區域，但其能量遠低於半徑1至半徑2之間區域。其中半徑1和半徑2的定義為環形照明區域中照度最大值一半的處與原點的距離，圖5B為本實施例的環形光場示意圖。在本實施例中，當曲率半徑增加，環形分布會遠離中心向外擴張，因此可利用改變曲率半徑來達到所需要的環形大小與位置。
以上三種設計皆為反射面，因此能改變的參數僅有錐面係數和曲率， 若是將元件改為塑料材料的光學元件30，雖然光束是穿透元件但可利用全
反射原理達到反射的效果。其中全反射面40同樣可設計為雙曲面、橢圓 面或是拋物面。在相同的曲率半徑和錐面係數下，可以通過改變出射面60 的斜率或是曲率，則可達到不同的環形大小與位置，如圖6，發光二極體 10發出的光束通過入射面50進入塑料材料的光學元件30，該光束一第一 部分的光直接由出射面60穿透射出，而該光束的一第二部分的光由全反 射面40反射後再經由出射面60射出，投影至1. 5米遠處時集中在半徑1 和半徑2之間的區域，在中心點到半徑l之間，仍然會有光線入射至該區 域，但其能量遠低於半徑1至半徑2之間區域，因此形成環形分布。若是 將出射面60設計為平面時，則可僅通過改變入射面50的斜率或是曲率， 將集中在中間的光束導向環形區域，以增加光學效率。若是要控制出射面 60的斜率或是曲率，則必須根據所用的材料特性，考慮光線在元件內全反 射的狀況，以提升效率。
因此，本發明的優點是提供一種產生環形光場的光學元件的設計方 法，並且具有體積小和提升光學效率的特性。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限 定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作 各種的還動與潤飾，因此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。
8
權利要求
1.一種產生環形照明區域的反射式裝置，其特徵在於包括一發光二極體，其可產生一光束；以及一光學反射面，其可反射該光束以形成一環形照明區域，其中該反射面可以為雙曲面、橢圓面或是拋物面。
2. 如權利要求1所述的產生環形照明區域的反射式裝置，其特徵在 於，該光學反射面為橢圓面時，其曲率半徑小於5. 1公分或大於9. 4公分。
3. 如權利要求1所述的產生環形照明區域的反射式裝置，其特徵在於，該光學反射面為雙曲面時，其曲率半徑大於4.2公分。
4. 如權利要求1所述的產生環形照明區域的反射式裝置，其特徵在 於，該光學反射面為拋物面時，其曲率半徑小於1公分或大於7公分。
5. —種產生環形照明區域的方法，其特徵在於包括選定所使用的一光學反射面，其中該反射面為一雙曲面、 一橢圓面或是一拋物面；根據所選擇的該反射面，決定該反射面一錐面係數；以及 根據該錐面係數找出該反射面相對應的一曲率半徑。
6. —種產生環狀照明區域的全反射式裝置，其特徵在於包括 一發光二極體，其可產生一光束；一光學元件，包含一入射面、 一全反射面以及一出射面； 其中該光束的一第一部分經由該入射面直接穿透至該出射面而形成一環形區域，且該光束的一第二部分可經由該入射面至該全反射面全反射至該出射面而形成該環形區域。
7. 如權利要求6所述的產生環形照明區域的全反射式裝置，其特徵在於，該全反射面為雙曲面、橢圓面或是拋物面。
8. 如權利要求6所述的產生環形照明區域的全反射式裝置，其特徵 在於，該入射面對稱於光軸的曲面或是斜面。
9. 如權利要求6所述的產生環形照明區域的全反射式裝置，其特徵在於，該出射面對稱於光軸的曲面或是斜面。
全文摘要
本發明為一種產生環形光場的裝置，是一種產生環形照明區域的反射式裝置，包括一發光二極體，其可產生一光束；以及一光學反射面，其可反射該光束以形成一環形照明區域，其中該反射面可以為雙曲面、橢圓面或是拋物面。
文檔編號F21V7/04GK101660709SQ200810146399
公開日2010年3月3日 申請日期2008年8月27日 優先權日2008年8月27日
發明者劉家佑 申請人:建興電子科技股份有限公司