發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡的製作方法

2023-05-21 19:29:16 1

專利名稱：發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡的製作方法
技術領域：
本實用新型為發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡，它是一種具有雙凸面及至少有兩齣射面的透鏡結構，使得在兼顧亮度與低功率消耗兩個條件下，能獲得高品質的產品。
交通信號燈主要在規範車輛及行人，使交通更順暢並能確保行車安全，但到目前為止，白熾燈仍為主要的交通信號燈源。然而隨著發光二極體的產品發展漸趨成熟，人們便想到要以發光二極體來取代傳統的白熾燈。主要是因為發光二極體的優點為(1)消耗功率低(2)產品壽命長。但是在早期的發明對於亮度(光能量)和功率輸出上無法兩者兼顧。因為發光二極體在遠距離照明時，它本身的亮度無法達到要求。早期的作法是同時使用許多顆的發光二極體，但這又不能達到降低成本及節約能源的目的。所以以發光二極體為燈源的產品，大部分都不能被本行業所接受。目前一般的作法則是設計新的透鏡燈罩，利用其幾何光學的特性加強燈源本身的亮度。如利用燈罩將發光二極體光源所發出的發散光線收斂成平行光增加其亮度；另外一種方式則是讓光線通過一自行設計的燈罩用以加強亮度。
然而，以上的設計都有一個共同缺點，那就是光源單純地透過燈罩散射，其發散角度很大，因為沒有將散射的角度作最佳化處理，所以大部分的光線被浪費在觀察者視線的角度範圍外，如此也就無法達到最強亮度和最低功率消耗的目的。
本實用新型的主要目的是提供一種可兼顧高亮度與低功率消耗的發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡，其裝置利用發光二極體為光源的光線射出後，利用具有雙凸面的透鏡的入射面先將光線偏折使水平方向亮度分布收斂到所設計的視角，再經一出射面的偏折，將光線在垂直方向亮度分布收斂到所設計的視角，並且利用位於出射面中央位置的另一出射面的凸透鏡結構將經此部分的光線重新聚焦後再發散。如此不僅可以增加整個交通信號燈的光亮度，也可以將所有的光線均勻地分布在所設計的視角範圍之內。
本實用新型另一目的是提供一發光二極體交通信號燈的亮效率折射式透鏡，其採取球面透鏡設計，可容許較大光源誤差，因發光二極體不是點光源，本身有光源的孔徑大小，本設計採取球面的方式，故可以容許更大的誤差，使信號燈更趨理想狀態。
本實用新型的又一目的是提供一發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡，利用透鏡的偏折收斂，使其產生均勻分布的發光源，對觀察者眼睛不會有刺眼的感覺。
本實用新型再一目的是提供一發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡，此種光學設計允許的誤差極高，因為全部透鏡的設計都是利用球面來製作，不像非球面透鏡的誤差要求很小，這樣可有效降低生產成本。
為使審查員了解本實用新型的目的、特徵及功效，茲根據下述的附圖，作一詳細的說明。


圖1為透鏡座標位置的解說圖；圖2為整個交通信號燈折射式透鏡的立體圖；圖3為全部發光二極體位置排列圖；圖4A為本實用新型透鏡上單一透鏡元件的立體圖；圖4B為本實用新型透鏡上單一透鏡元件的剖面圖，其為Y-Z平面；圖4C為本實用新型透鏡上單一透鏡元件的剖面圖，其為X-Z平面；圖5為本實用新型透鏡上單顆發光二極體的工作圖。
X 水平方向軸 Y 垂直方向軸Z 光源方向軸(光軸) θ 水平視察視角ψ 垂直觀察視角 1 發光二極體2 透鏡 20 透鏡元件21 入射面 22 出射面23 出射面為了便於解說，首先將若干專用術語予以說明，如圖1所示，由光源發出後的光線其行進方向定義為正Z軸或稱為光軸。垂直光軸的平面定義為X-Y平面。而觀察視角的定義則為觀察者面向光源的方向與光軸(Z軸)的夾角，圖中的θ為水平觀察視角，代表觀察者面向光源方向與光軸在水平方向的夾角。ψ為垂直觀察袖角，代表觀察者面向光源方向與光軸在垂直方向的夾角。
如圖2所示，為本實用新型發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡的立體圖，該透鏡2是由複數組透鏡元件20所組成，每一組透鏡元件20設有一組光源與之對應，該光源為可產生電磁輻射光束的發光二極體，如圖3所示該發光二極體1的設置位置與圖2中每一組透鏡元件20相對應。請參閱圖4A、B、C所示，每一組透鏡元件20包括一入射面21及二個出射面22、23，該入射面21包含一垂直柱狀曲面陣列，該出射面22包含一水平柱狀曲面陣列，而出射面23則包含一凸面透鏡，藉此在光源的光線射出後，經入射面21先將光線偏折使水平方向亮度分布收斂到所設計的視角，再經出射面22將光線垂直方向亮度分布收斂到所設計的視角，最後再經中央位置的出射面23的凸面透鏡結構將此部分的光線重新聚焦後再發散，以增加信號燈的亮度，並將所有光線均勻地分布在所設計的觀察視角範圍內。
為了簡化說明，以下就利用單一組透鏡元件20及單顆發光二極體1來說明，但實際上，整體結構並不只有一顆發光二極體。參考圖5，以發光二極體1為光源置於透鏡元件20的入射面21的焦點上，該入射面21為垂直柱狀曲面，這能使大部分的光能量都進入透鏡元件20內部。光線經由垂直柱狀曲面後所產生的效應，可以將在水平方向的光線亮度分布壓縮在觀察視角一定的範圍內(如水平觀察視角正負9度)。其次，經由水平柱狀曲面的出射面22的偏折，則可以將在垂直方向的光線亮度分布壓縮在垂直觀察視角一定的範圍內(如垂直觀察視角正負3度內)。而位於出射面22中央位置的出射面23則為一凸面透鏡，則會將經此部分的光線重新聚焦後再發散。如此不僅可以增加整個交通信號燈的光亮度，也可以讓整個燈從遠處來觀察時，是一個非常均勻的發光源，且對觀察者不會有刺眼的感覺。
以上的光學系統裝置配置中，由於發光二極體光線亮度分布的角度(即發散角度)與透鏡元件20的入射面21的曲率對於能否讓大部分光能量從光源進入透鏡內部有很大的關係。當發光二極體的發散角度較大，那麼必須選擇曲率較大的入射面；反之，如果發散角度較小，則需選擇曲率較小的入射面。
本實用新型中以垂直柱狀曲面作為入射面21，除了考慮光能量可以有較少損失外，並同時考慮所需要的觀察視角，讓整個光學系統裝置看起來更精簡、更有效率。
其次，透鏡元件20的出射面23佔整體的光學系統裝置關鍵的地位，其曲率決定了光學系統裝置的均勻度和光亮度大小。因為採用此出射面23的凸面透鏡結構的聚焦，即多了一虛擬光源。這樣觀察者在觀看此信號燈時，不會只是看到一中心很亮而旁邊比較暗的光源，而造成刺眼不舒服的感覺。而是會形成一個由真實的光源和虛擬光源組成的發光平面，使光線均勻一致。
再者，出射面23的聚焦功能可將光能量聚焦後再重新分配在所要的觀察視角範圍內。以往的設計都只考慮光線發散，因發散角度都很大，所以有些光線沒有在觀察視角內而形成浪費，現在經由此出射面23就可以把這些光線匯聚後再發散到所要求的範圍內。
以上所述的發光二極體交通信號燈高效率折射式透鏡，僅為本實用新型的較佳實施例而已，並非用來限定本實用新型實施的範圍。即凡根據本實用新型申請專利範圍所作的均等變化及修飾，都為本實用新型專利範圍所函蓋。
權利要求1.一種發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡，此裝置至少包含(a)至少有一個光源用以產生電磁輻射光束；(b)至少有一個透鏡元件對應於前述的光源；其特徵在於，該透鏡元件包括一個入射面，包含一柱狀曲面，其形狀可以將入射光束電磁輻射波偏折到透鏡元件內部。複數個出射面對應於前述的入射面，包含一柱狀曲面、一凸面透鏡，每個出射面的形狀可將透鏡元件內部的光束電磁輻射波偏折成所需要的光束電磁輻射波。
2.如權利要求1所述的發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡，其特徵在於所述的光源為發光二極體。
3.如權利要求1所述的發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡，其特徵在於所述的入射面包含一柱狀曲面，而其凸面朝向前述的發射裝置，其中柱狀曲面的旋轉對稱軸定義成此入射面的方向。
4.如權利要求1述的發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡，其特徵在於所述的入射面的形狀可以偏折入射光束電磁輻射波進入透鏡內部，並且能收斂入射光束電磁輻射波發散的角度。
5.如權利要求1所述的發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡，其特徵在於所述的對應於前述入射面的複數個出射面至少包含兩個不同出射面。
6.如權利要求1所述的發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡，其特徵在於一出射面包含一柱狀曲面，而其曲面朝向光束電磁輻射波前進的方向，其中柱狀曲面的旋轉對稱軸定義成此出射面的方向。
7.如權利要求1所述的發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡，其特徵在於另一出射面包含一凸透鏡，此凸透鏡為球面的一部分，而其凸面朝向光束電磁輻射波前進的方向，其中凸透鏡的旋轉對稱軸定義成此出射面的方向。
8.如權利要求1所述的發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡，其特徵在於入射面的方向和包含一柱狀曲面的出射面的方向互相垂直，其方向一個為水平方向，另一個為垂直方向。
9.如權利要求1所述的發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡，其特徵在於透鏡元件的入射面和包含一柱狀曲面的出射面的安排，可以收斂入射光束電磁輻射波發散的角度，並且使光束電磁輻射波聚焦在入射面之前。
10.如權利要求1所述的發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡，其特徵在於該透鏡元件的入射面和包含一凸面透鏡的出射面的安排，可以改變入射光束電磁輻射波的前進方向，並且使光束電磁輻射波聚焦在出射面之後。
專利摘要一種發光二極體交通信號燈的高效率折射式透鏡,包含一產生電磁輻射光束的光源、至少有一組和光源相對應的透鏡元件;每一組透鏡元件包括一入射面及兩齣射面,入射面包含一垂直柱狀曲面陣列,出射面包含一水平柱狀曲面陣列,另一出射面包含一凸面透鏡,光源的光線射出後,光線在垂直與水平方向亮度分布會作偏折收斂到所設計的觀察視角內,最後一部分光線經包含凸面透鏡的出射面聚焦後再發散出去,可增加整個交通信號燈的光亮度。
文檔編號G08G1/095GK2374930SQ9921493
公開日2000年4月19日 申請日期1999年7月7日 優先權日1999年7月7日
發明者謝漢萍, 張宗閔, 莊庚翰, 遊如淵, 陳中榮 申請人:光磊科技股份有限公司