专利名称：照明装置的光学元件及其设计方法
技术领域：
本发明有关一种照明装置的光学元件及其设计方法，尤指一种直接以LED发光件的光线进行模拟试验以同步设计完成入光面及出光面的面型，使该出光面上未有设计用参考点，且入光面与LED间保留有空气间隙，且在通过原原点的X-Z面上以LED发光件的光轴为中心在Y角80度的范围内该入光面与出光面面的斜率为正负相反。
背景技术：
固态照明发光(Solid State Lighting)元件已被广泛使用作为照明装置的光源， 其应用领域包含手电筒、台灯、车灯如车前灯及车尾灯组、道路照明灯具、或其他电子产品的辅助照明装置等。在固态发光元件的应用上，以LED道路照明灯具为例说明，目前市面上的固态照明灯具已有多件先前技术揭示相关的技术，如中国台湾专利TW^^604、中国台湾 Tff 公开编号 2004028899, ψ 国台湾 Tff 公开编号 200507293, US Pub. No. US2005/0243570、 US6,940, 660、US6，940，660、US Pub. No. US2007/0201225、CN101144863A、CN101556022A 等。 然，现有固态照明灯具的使用大致上会产生下列的缺点及问题1.灯具照明角度不足，导致道路照度均勻度不佳。2.道路侧(SS，Street side)、房屋侧(HS, house side)的照明比例(CU Ratio, Coefficient of Utilization Ratio)不佳，如 HS : SS = 0. 5 : 0.5。3.路灯间距小于传统路灯，表示同一距离须设置较多的路灯。4、灯具须采用机械配光，导致组装复杂化问题。5、需要截光器以降低房屋侧的眩光。又针对道路侧、房屋侧间照明比例(CU Ratio)不佳的问题，美国专利 US7, 618，163提供一解决方案，其揭示一种可将LED光线导向期望边照明的照明装置(LED apparatus for illumination toward a preferential side)，该 US7，618，163 的设计方式及所完成的光学元件，即其所揭示的secondary lens 20，具有下列特征1.其光学元件(secondary lens 20)的复合式出光面M是包含一主要外围面(principal perimeter surface) 38 ；该主要外围面38向内通过一相对于中心轴(central axis)沈具有大于180度的峰线/山脊线(ridgeline) 42 而接合一中间区(middle region) 50 ；该中间区50具一参考点(reference point) 48 及一绕在该参考点48外的凹陷(concavity)46 ；再由一非主要外围面(non-principal perimeter surface) 39接合在该中间区50及主要外围面38的外，因此该复合式出光面M 是由一主要外围面38、一峰线42、一中间区50 (含一参考点48及一凹陷46)及一非主要外围面39构成。2.在设计其secondary lens 20的复合式出光面M的面型时，其并不把LED 18 光线经过LED 18的第一级镜片(primary lens) 16的折射作为模拟试验的变动因素，即完全不考虑LED第一级镜片16的折射对光形的影响。3.其 secondary lens 20 具有一入光面(inner surface) 32 包围并以胶(gel)黏在LED第一级镜片16上，或该secondary lens 20亦可直接与LED 18成型为一体而不具有LED第一级镜片16 ；由此可知，在组装时，该secondary lens 20是与LED 18胶合成一体，即其入光面32等同于LED第一级镜片16的出光面，因此该secondary lens 20可视为不具有入光面32，且该入光面32对复合式出光面M的设计并不具有任何影响。4.见其第 7 栏第 1-4 行(及 US7, 618，163 的图 16)，该 secondary lens 20 的复合式出光面M的面型是利用多条目标镜片设计曲线(target lens design curves) 如40A-40E构成；见第7栏第39-43行，每一目标镜片设计曲线40A-40E的成型是用以沿着一单方向满足单一或简单组的镜片执行条件(each target lens design curves is shaped to satisfy a single or simple set of lens performance criteria along a single direction)；见第7栏第44-57行，在设计该secondary lens 20的复合式出光面M的面型时，是先设定(define)多条由参考点(reference point)48向外延伸的目标镜片设计曲线(target lens design curves)，如图16、17C、18C及19C中所示的目标镜片设计曲线40A-40E，即目标镜片设计曲线40A-40E相交于参考点(reference point) 48 ； 再利用NURBS (non-uniform，rational B-splines)，一众所周知的数学平滑连续趋近用于 CAD M^tMMijZVrR^i^^BMM^l^ (a mathematical smoothing approach used for CAD-system surfacing and other computer graphics applications)，示· 片设计曲线40A-40E之间产生平滑连续面(smooth surface)以完全该secondary lens 20 的复合式出光面对。由上可知，US7，618，163在设计其光学元件(secondary lens 20)时，是单独且直接地设计完成该secondary lens 20的复合式出光面M的面型，并未配合该secondary lens 20的入光面32以同时设计一对应配合的入光面32 ；又该复合式出光面M是先设定多条由参考点48向外延伸的目标镜片设计曲线40A-40E，再利用NURBS技术以在多条目标镜片设计曲线40A-40E间产生一平滑连续面而完成其复合式出光面对，故US7，618，163至少有下列缺点1.依据其设计技术及其secondary lens 20的复合式出光面M的面型而言，其所产生的光形为包含道路侧及房屋侧的二椭圆状光形(如其图20所示)，基本上不可能达成路灯所需的近矩形光形，致影响该照明装置10的使用效能。2.其光学元件(secondary lens 20)的入光面32与LED 18的第一级镜片16间是胶合成一体或直接制作成型为一体，因此在装作照明装置10时，即须分别备妥该光学元件(secondary lens 20)及LED 18且先利用胶(gel)予以组装成一体，因此额外增加一胶合组装程序，无法在最后的现场组装作业一次完成。3.以一路灯而言，应包含多组照明装置10，但当其光学元件(secondary lens 20)与各LED 18之间胶合组装完成后，该光学元件(secondary lens 20)与LED 18之间即无法再行拆解，不利于日后的维修或更换。另，在本发明有关的光学领域中，基本上已存在多种用以设计一透镜，如 US7, 618，163的secondary lens 20，的光学面的曲面公式，如搜寻网络百科辞典 Wikipedia中即有自由曲面成型(Freeform surface modelling)的说明，或非球面多项公式(Polynomial Asphere)、XY 轴多项公式(XY Polynomial)或云规曲面公式(Spline Surface)等，该等曲面成型公式皆可视为自由技术，即任何人均得自由选用，但设计者可利用该等自由技术并因应个人设计需要而自行再研发与他人不同的透镜光学面的结构；然，以光学领域技术而言，纵然一新设计完成的透镜光学面的结构上有部分构成要件 (element/limitation)相同于先前技术，但只要不是全部构成要件都完全相同或只要有一主要构成要件不同，则应视为不相同的设计，例如申请且公告在前(申请日为2002年11 月27日，公告日2005年1月4日)的德国OSRAM公司所拥有的美国专利US 6，837，605即巳揭示一透镜如图15A-E所示(图15A-E是依据US 6，837，605的图1所示的镜片4画出)， 而由其向外凸出的弧型出光面上如图14C-E所示，即可检知一峰线(ridgeline)的存在，且该峰线在出光面上的设立位置即位于中间区；而该峰线的存在及设立位置即可视为等同于 US7, 618，163所揭示secondary lens20的复合式出光面M上的峰线42及其设立位置；但因US7，618，163的复合式出光面M上尚有其他构成要件(element/limitation)如设有一包含一参考点48及一凹陷46之中间区50，因此US7，618，163经实体审查后仍可核准为一美国发明专利。由上可知，在以固态发光元件如LED发光件为光源的照明装置应用技术中，发展一种结构简单、光的利用率及使用效率增加、均勻性良好、生产组装容易且成本低，且更与 US7，618，163不同的照明装置，确实有其需要性。
发明内容
本发明主要目的乃在于提供一种照明装置的光学元件及其设计方法，供搭配LED 发光件使用，其中该光学元件是包含一面向LED的凹槽式入光面及一面向目标区的凸起式出光面，其中该入光面与出光面的面型是直接利用LED发光件的光线进行模拟试验而同步设计成型，且该出光面上未设任何参考点，并满足下列条件在通过原点的X-Z面上(其中 X轴垂直于道路方向，Z轴垂直于道路面)以LED发光件的光轴为中心轴在γ角80度的范围内，其入光面与出光面面的斜率为正负相反；藉以有利于成型模具的设计，并达成向道路侧前倾的矩形光形、照明角度足、道路照度均勻度佳、照明比例(CU Ratio)佳、不需要截光器来降低房屋侧的眩光、不须采用机械配光且组装简化等优点。本发明再一目的乃在于提供一种照明装置的光学元件及其设计方法，其中当该光学元件搭配LED发光件使用时，该光学元件的入光面与LED发光件之间保留有一空气间隙， 且该光学元件与LED发光件二者之间不需胶合成一体或直接制作成一体成型体，因此有利于光学元件及LED发光件的个别制程及后续的组装作业，亦有利于日后的维修或更换。本发明另一目的乃在于提供一种照明装置的光学元件及其设计方法，其中该光学元件进一步可包含多个该入光面及出光面，如利用相对应的四个入光面及出光面并以阵列或交错排列为一复合式光学元件(multi-lens unit)，藉以简化生产及组装作业并降低生产成本。本发明的照明装置的光学元件的设计方法，包含下列步骤提供一 LED发光件，如一具半球面第一镜片(primary lens/cover lens)的LED 发光件，并以该LED发光件的点光源为坐标原点，即x = y = z = 0，其中X轴是垂直于道路方向(即由房屋侧HS向道路侧SS)，Y轴是平行于道路方向，Z轴是向下垂直于道路面；再从光学领域自由技术中选择一适当的曲面公式，如非球面多项公式 (Polynomial Asphere)、XY 轴多项公式(XY Polynomial)或云规曲面(Spline Surface),供作为模拟试验的依据；再针对一特定光形的需要，如本发明欲产生一非对称蝠翼(kitwing)光形且道路侧(SS)照明比例(CU Ratio)大于房屋侧(HS)的照明比例，于该曲面公式中选择并变换多个参数值以针对LED发光件光源所发出的光线进行模拟试验，以同时决定并满足该光形条件的入光面及出光面的曲面面型；再根据上述的入光面及出光面的曲面面型，开设塑胶射出成型模具；再利用塑胶射出成型工艺制造该光学元件。
图1是本发明的光学元件一实施例的一出光面视角立体示意图；图2是图1所示实施例的出光面正视示意图；图3-7是图2所示实施例中剖线A-A、D_D、E_E、F_F、G-G的剖面示意图；图8是本发明光学元件一实施例中入光面与出光面面的斜率为正负相反的侧视说明图；图9是本发明光学元件图另一实施例中入光面与出光面面的斜率为正负相反的侧视说明图；图10是本发明的复合式光学元件一实施例的出光面视角立体示意图；图11是图10所示实施例的出光面正视示意图；图12是本发明的光学元件所产生非对称等照度图，其中包含非对称且状似蝠翼 (batwing)的光形B及光形C示意图；图13是本发明光学元件的房屋侧道路侧照明比例(CU Ratio)示意图；图14A为本发明光学元件(图8所示实施例)的具前倾矩形光形的照度图；图14B为本发明光学元件(图9所示实施例)的具前倾矩形光形的照度图；图15A-B分别是美国专利US 6837605所揭示透镜的立体及正视示意图(图15A-B 是依据US 6，837，605的图1所示的镜片4画出)；图15C-E分别是美国专利US 6837605所揭示透镜的弧型出光面上存在一峰线 (ridgeline)的说明图(图15C-E是图15B中剖线M_M、N_N、0-0的剖面示意图)。附图标记说明Ula-光学元件；2-LED发光件；3-原点；4-光轴；5-斜度；6-斜度；7-空气间隙； 10-入光面；11-中间部；12-内凹槽；13-内凹槽较深的房屋侧(HS) ；14-内凹槽较浅的道路侧(SS) ；20-出光面；30-外围部。
具体实施例方式为使本发明更加明确详实，将本发明的结构、技术特征及设计方法配合下列图示详述如后参考图1-7所示，其分别是本发明的光学元件一实施例的出光面视角立体透视示意图、一上视平面示意图及其结构中五个不同位置的剖面示意图。本发明的光学元件1如图1-7所示，是用以搭配至少一固态发光件如LED发光件2使用，以构成一照明装置如当作路灯使用。
该光学元件1是一光学元件本体，包含一面向LED发光件2的凹槽式入光面10及一面向目标区的凸起式出光面20，使LED发光件2所发出的光线以光轴4(即Z轴)如图8 所示为中心轴向上方投射(但当作路灯使用时方向为向下方投射)，发散的各光线即以不同方向或角度经过一空气层，即空气间隙7如图3-7所示，由该入光面10的某一处进入该光学元件1，即不同方向的光线由该入光面10上的不同处进入，经过该光学元件1本体的折射后，再由出光面20的某一处向外投射，即光线由该出光面20上的不同处以不同方向向外投射。为容易说明本发明的光学元件1的结构及技术特征，在此先说明该光学元件1的设计方法，该设计方法包含下列步骤提供一 LED发光件2，如图3-7所示，该LED发光件2可为一具有半球面第一镜片 (primary lens/cover lens)的LED发光件，并以该LED发光件2的点光源为坐标原点3， 即该原点3的坐标为χ = y = ζ = 0如图1、2所示；其中，X轴是垂直于道路方向(即由房屋侧HS向道路侧SQ，Y轴是平行于道路方向，Z轴是向下垂直于道路面；再从光学领域自由技术中选择一适当的曲面公式，如非球面多项公式 (Polynomial Asphere)如下列式(1),XY轴多项公式(XY Polynomial)如下列式(2)，或云规曲面(Spline Surface)，供作为模拟试验的依据；
权利要求
1.一种照明装置的光学元件，供搭配LED发光件使用，其中该光学元件包含一面向LED 的入光面及一面向目标区的出光面；其特征在于，该入光面与出光面的面型是依下列步骤成型提供一 LED发光件并以其点光源为坐标原点，即X = y = Z = 0，其中X轴是由房屋侧向道路侧而垂直于道路方向，Y轴是平行于道路方向，Z轴是向下垂直于道路面； 再从光学领域自由技术中选择一曲面公式供作为模拟试验的依据； 再针对一光形条件道路侧(SS)照明比例(CU Ratio)大于房屋侧(HS)的照明比例， 于该曲面公式中选择并变换多个参数值以针对LED发光件所发出的光线进行模拟试验，以同步设计成型并满足该光形条件的入光面及出光面的面型；其中该入光面与出光面的面型满足下列条件在通过原点的X-Z面上，以LED发光件的光轴为中心轴在Y角80度的范围内，其入光面与出光面的斜率为正负相反； 其中该入光面与LED发光件之间保留有一空气间隙。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，该曲面公式是选自下列组群非球面多项公式、XY轴多项公式、云规曲面中的一种，其中非球面多项公式为XY轴多项公式为
3.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，以LED发光件的光轴为中心轴在γ 角80度的范围内，该入光面的斜率为负值10°时，该出光面的斜率为正值6°。
4.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，以LED发光件的光轴为中心轴在γ 角80度的范围内，该入光面的斜率为负值10°时，该出光面的斜率为正值9°。
5.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，该入光面是一X轴对称但Y轴不对称且中间部相对缩小的葫芦形凹槽。
6.根据权利要求5所述的光学元件，其特征在于，该入光面的葫芦形凹槽的凹槽深度是沿着X轴不均勻。
7.根据权利要求5所述的光学元件，其特征在于，该入光面的葫芦形凹槽是由凹槽深度较大的房屋侧逐渐延伸至凹槽深度较小的道路侧。
8.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，该出光面为弧状凸起，且凸起高度是沿着X轴不均勻。
9.根据权利要求8所述的光学元件，其特征在于，该出光面的弧状凸起是由凸起高度较小的房屋侧逐渐延伸至凸起高度较大的道路侧。
10.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，该光学元件是包含多个所述的出光面及相对应的入光面，且该多个出光面及相对应的入光面是以阵列或交错排列在光学元件上以形成一复合式光学元件。
11.一种照明装置的光学元件的设计方法，用以设计权利要求1到10任一项所述的光学元件，其特征在于，包含下列步骤提供一 LED发光件，并以该LED发光件的点光源为坐标原点，即X = y = Z = 0，其中X 轴是垂直于道路方向，即由房屋侧HS向道路侧SS，Y轴是平行于道路方向，Z轴是向下垂直于道路面；再从光学领域自由技术中选择一曲面公式供作为模拟试验的依据；再针对一光形条件，于该曲面公式中选择并变换多个参数值，以针对LED发光件的光源所发出的光线进行模拟试验，以同时决定并满足该光形条件的入光面及出光面的曲面面型；再根据上述的入光面及出光面的曲面面型，开设塑胶射出成型模具；再利用塑胶射出成型工艺制造该光学元件。
12.根据权利要求11所述的设计方法，其特征在于，该曲面公式是选自下列组群非球面多项公式、XY轴多项公式、云规曲面中的一种，其中非球面多项公式为
全文摘要
一种照明装置的光学元件及其设计方法，该光学元件包含面向LED的入光面及面向目标区的出光面，其设计方法为以LED点光源为坐标原点；再从光学领域自由技术中选择一适当的曲面公式如非球面多项公式、XY轴多项公式或云规曲面公式等作为模拟试验依据；再针对一特定的光形需要，于该曲面公式中选择并变换多个参数值以针对LED发光件所发出的光线进行模拟试验，以同步决定入光面及出光面的面型；该出光面上未有任何参考点，LED发光件与入光面间保留有空气间隙，在通过原点的X-Z上以LED发光件的光轴为中心轴在γ角80度的范围内，其入光面与出光面的斜率为正负相反。该照明装置作为路灯光照理想且组装简单。
文档编号F21V5/00GK102313241SQ201010216009
公开日2012年1月11日 申请日期2010年7月2日 优先权日2010年7月2日
发明者倪靖琮, 林容生 申请人:中盟光电股份有限公司