TWI482995B - 集光裝置及照明設備 - Google Patents

Description

集光裝置及照明設備

本發明是有關於一種集光裝置及照明設備，且特別是有關於一種具有導光板之集光裝置及照明設備。

電力的發展為人類帶來極大的便利性，日常生活、工作、開車或娛樂設備均離開不了電力。對一般人民而言，電費的支出為一筆不可少的家庭固定支出，對政府而言，如何穩定地供應電力，以維持工業及民生所需則是每年盛夏所需面臨的問題。故如何節省電力，誠為全民該有的共識。以日常生活當中的照明設備而言，居家的照明是每一個空間至少需要一盞照明設備，倘若一個三房二廳一廚一衛的家庭，則至少需要七盞照明設備，又以辦公室而言，由於是高度使用視力的場所，為了保護工作者的視力，更需要安裝多盞照明設備，而現代化住宅由於室內採光不足，即使在白天仍然需要開燈，故不論是一般家庭或者企業經營者，除了需要一筆為數不小的電費支出以外，燈具的耗損及更換亦是不可少。

如今，在能源短缺的環境下，太陽光卻是人類取之不盡、用之不絕的天然資源，有心人士無不期望開發具有高轉換效率的太陽能板，以將太陽光有效收集並轉換成電力，進而取代現有的電力設備，然而太陽能板的體積大、成本非常的高，無法真正實現綠色照明。況且，一般燈泡的能源效率約為15%，日光燈約為25%左右，若以太陽能轉為電能則因太陽能電池只有5～10%的轉換效率，使用上受到限制。因此，開發兼具環保、無污染且無耗材的自然光集光裝置及照明設備，以取代現有以電力發光的照明設備，實乃時勢所趨。

本發明提供一種經濟的集光裝置及照明設備，其收集太陽光做為照明光源，以節省電力。

本發明提供一種無污染的集光裝置及照明設備，能減少天然資源的消耗及二氧化碳的排放。

本發明提供一種無耗材的集光裝置及照明設備，能使照明設備的成本降低。

本發明提出一種集光裝置，其包括一導光板、一反射薄膜以及一第一集光結構。導光板具有一入光面、一反射面以及一出光面，入光面與反射面相交而形成導光板之一第一內角，且出光面與反射面相交而形成導光板之一第二內角，其中第一內角小於第二內角。反射薄膜覆蓋於反射面或鄰近反射面的下方。第一集光結構配置於入光面上，而一光源的光線經由第一集光結構折射而入射至導光板內，並由反射面和反射薄膜反射後而最終到達出光面。

本發明提出一種照明設備，包括一導光板、一反射薄膜以及第一集光結構。導光板具有一入光面、一反射面以及一出光面，該入光面與該反射面相交而形成該導光板之一第一內角，且該出光面與該反射面相交而形成該導光板之一第二內角，其中該第一內角小於該第二內角。反射薄膜覆蓋於該反射面或鄰近反射面的下方。第一集光結構配置於該入光面上，而一光源的光線經由該第一集光結構折射而入射至該導光板內，並由該反射面和反射薄膜反射後而最終到達該出光面。收集器用以收集由該出光面射出的光線。傳輸組件其一端耦接於該收集器。透光體位於該傳輸組件的另一端，其中該收集器所收集的光線經由該傳輸組件傳輸至該透光體，以提供一照明。

在本發明之一實施例中，上述之第一集光結構包括多個第一菱鏡單元，該些第一菱鏡單元分別具有一第一頂角以及相對於該第一頂角的一第一底面，而各該第一頂角相距於該第一底面具有一第一高度。

在本發明之一實施例中，上述之第一集光結構包括菲涅爾透鏡。

在本發明之一實施例中，上述之集光裝置更包括一第二集光結構，配置於該第一集光結構與該導光板之間。

在本發明之一實施例中，上述之第二集光結構包括多個第二菱鏡單元，該些第二菱鏡單元分別具有一第二頂角以及相對於該第二頂角的一第二底面，而各該第二頂角相距於該第二底面具有一第二高度。

在本發明之一實施例中，上述之各該第一頂角與各該第二頂角彼此相對配置或交錯配置。此外，第一頂角的角度介於20度～80度之間。第一頂角的角度小於第二頂角的角度。第一高度大於第二高度。

在本發明之一實施例中，上述之第二集光結構包括菲涅爾透鏡。

在本發明之一實施例中，上述之導光板為一透光材料，其材質包括玻璃或塑膠。

在本發明之一實施例中，上述之導光板包括楔形板，該楔形板的頂角為該第一內角，該第一內角的角度介於1～30度之間。

在本發明之一實施例中，上述之反射薄膜包括完全反射薄膜或具有全反射及部分反射特性的薄膜。

在本發明之一實施例中，上述之反射薄膜之材質包括有機材料或無機材料。

在本發明之一實施例中，上述之導光板的入光面的面積大於出光面的面積。

在本發明之一實施例中，上述光源包括自然光或發光模組。

在本發明之一實施例中，上述集光裝置更包括一收集器以及一傳輸組件，該收集器收集由該出光面射出的光線，而被收集的該光線經由該傳輸組件傳輸。

在本發明之一實施例中，上述傳輸組件包括光纖線路。

在本發明之一實施例中，上述透光體包括楔形導光板。

基於上述，本發明的集光裝置及照明設備可將太陽光或其他自然光導入室內做為室內照明光源或做為其他可利用的光源，無須使用電力及燈具，具有節省電力、環保、無耗材、減少天然資源的消耗及二氧化碳的排放等優點，能真正實現綠色照明。

為讓本發明之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。

本實施例將介紹一種具有導光板的集光裝置，可將太陽光或其他自然光導入室內做為室內照明光源或做為其他可利用的光源，無須使用大型的透鏡、太陽能電池來轉換成照明所需的電力，易於安裝在大樓(住家)的牆面或屋頂上，只要自然光充足的情況下，即可收集光線並將光線傳輸至大樓(住家)的室內需要照明之處。以下將針對集光裝置的導光板、反射薄膜、第一集光結構、第二集光結構、收集器、傳輸組件等構件做詳盡的說明，但本發明不以下述的二實施例為限。

圖1A及圖1B分別繪示本發明一實施例之集光裝置的導光板的示意圖。請參考圖1A及圖1B，導光板100具有一入光面102、一反射面104以及一出光面106。入光面102與反射面104相交而形成導光板100之一第一內角θ1，且出光面106與反射面104相交而形成導光板100之一第二內角θ2，其中第一內角θ1小於第二內角θ2。舉例而言，導光板100為一透光材料，其材質包括玻璃或塑膠。導光板100例如是狹長的楔形板(wedge plate)，楔形板的頂角(即第一內角θ1)的角度介於1～30度之間，較佳介於1～5度之間。

由於導光板100為透光材料，因而光源(自然光或光源模組)的光線L得以一入射角入射至導光板100內，並由反射面104反射而最終到達出光面106。反射薄膜110例如是完全反射薄膜(如圖1A所示)或具有全反射及部分反射特性的薄膜(如圖1B)，其覆蓋於反射面104。反射薄膜110的材質例如是有機材料或無機材料，製作方式可以是貼附、塗佈或物理/化學沈積等製程。本實施例採用反射薄膜110可增加光的利用效率，但反射薄膜110的厚度、折射率可依據不同的條件來調整，本發明不加以限制。此外，根據全反射定律，當光線L由較高折射率的介質進入到較低折射率的介質，且入射角大於臨界角時，因為沒有折射發生，故稱之為全反射。由此可知，當導光板100內的光線L符合全反射定律時，光線L將以至少一次的全反射由反射面104和反射薄膜110直接或間接地到達出光面106，最後由出光面106出射，以達到集光的效果。

再者，圖1C繪示另一實施例的反射薄膜110，其配置於鄰近反射面104的下方，反射面104和反射薄膜110相隔一適當間距，同樣能藉由反射薄膜110來增加光的利用效率。因此，反射薄膜110的配置方式不受上述二實施例的限制。

值得注意的是，為了達到收集大量光線的效果，本實施例中導光板100的入光面102的面積及反射面104的面積盡可能放大，而出光面106的面積相對於入光面102的面積盡可能縮小，使得入射於導光板100內的光線總量能隨著入光面102的面積增加而增加，同時出射於導光板100外的發光強度(單位面積的光通量)也隨著出光面106的面積縮小而增加。此外，導光板100的入光面102上可依照集光的程度配置或形成第一集光結構及/或第二集光結構，以加強光收集效率，第一/第二集光結構可以是多菱鏡結構或聚光透鏡(例如是菲涅爾透鏡，Fresnel lens)。以下二實施例將以具有菱鏡結構的導光板為例，配合圖式進行詳盡的說明，但本發明不以下述的二實施例為限。

圖2A及圖2B分別繪示本發明一實施例之集光裝置的示意圖及局部放大圖。請參考圖2A，第一集光結構120配置於導光板100的入光面102上，其包括多個第一菱鏡單元122，例如是平行排列且相連的多個三角柱形的菱鏡體。這些第一菱鏡單元122分別具有第一頂角α以及相對於第一頂角α的第一底面D1，而各個第一頂角α相距於第一底面D1具有一第一高度H1(例如2～4公釐)。接著，請參考圖2B，除了配置第一集光結構120以增加集光效果外，更可配置第二集光結構130於第一集光結構120與導光板100之間，第二集光結構130包括多個第二菱鏡單元132，例如是平行排列且相連的多個三角柱形的菱鏡體。這些第二菱鏡單元分別具有第二頂角β以及相對於第二頂角β的第二底面D2，而各個第二頂角β相距於第二底面D2具有一第二高度H2(例如1～2公釐)。第二高度H2通常小於第一高度H1。

詳盡而言，在組合及固定第一/第二集光結構120、130時，可選擇以下列的方式排列或對齊的方位。第一菱鏡單元122的第一頂角α與第二菱鏡單元132的第二頂角β彼此相對，而第一頂角α的角度通常小於第二頂角β的角度，但本發明不以此為限。舉例而言，若第一頂角α的角度為銳角，通常介於20度~80度之間，較佳的角度介於30度~40度之間，而第二頂角β的角度為鈍角，通常介於95~105之間。

在上述的二實施例中，光源的光線L可經由第一集光結構120(多菱鏡結構或聚光透鏡)折射而入射至導光板100內，並由反射面104反射後而直接或間接地到達出光面106。此外，光源的光線L亦可經由第一/第二集光結構120、130(多菱鏡結構或聚光透鏡)多次折射而入射至導光板100內，並由反射面104反射後而直接或間接地到達出光面106。無論如何，最後由出光面106出射的光線都可被收集而成為可利用的照明，以下實施例將介紹光線經由導光板射出後，經由收集器收集並以傳輸組件傳輸至所欲照明之處，以提供所需的照明。

再者，圖2C繪示另一實施例的第一/第二集光結構120、130，其將第一菱鏡單元122的第一頂角α與第二菱鏡單元132的第二頂角β彼此交錯配置，亦即第一頂角α與第二頂角β不需相對配置。因此，頂角配置方式不受上述二實施例的限制。

圖3繪示本發明一實施例之照明設備的方塊圖。請參考圖3，照明設備包括集光裝置200、收集器210、傳輸組件220以及透光體230。其中，收集器210收集由集光裝置200的導光板射出的光線，而被收集的光線經由傳輸組件220傳輸。收集器例如是光耦合器，其耦接於傳輸組件220的一端，而傳輸組件220例如是可讓光線沿著管線的路徑傳輸的光纖線路。透光體230位於傳輸組件220的另一端，例如是楔形導光板，同樣具有入光面、反射面以及出光面等結構，但是透光體230是上述導光板的集光原理的逆向使用，主要是將光纖線路傳輸的光線恢復成可供照明的自然光。因此，透光體230的出光面的面積應盡量大於入光面的面積，恰好與上述導光板的集光效果相反，如此可得到均勻發光的照明。上述的透光體230亦可以其他的透光裝置取代，本發明不加以限制。

綜上所述，由於本發明的集光裝置及照明設備可將太陽光或其他自然光導入室內做為室內照明光源或做為其他可利用的光源，無須使用電力及燈具，具有節省電力、環保、無耗材、減少天然資源的消耗及二氧化碳的排放等優點，能真正實現綠色照明。只要自然光充足的情況下，即可收集光線並將光線傳輸至大樓(住家)的室內需要照明之處，兼具實用性及開創性。

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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．導光板

102．．．入光面

104．．．反射面

106．．．出光面

θ1．．．第一內角

θ2．．．第二內角

L．．．光線

110．．．反射薄膜

120．．．第一集光結構

122．．．第一菱鏡單元

130．．．第二集光結構

132．．．第二菱鏡單元

α．．．第一頂角

β．．．第二頂角

D1．．．第一底面

D2．．．第二底面

H1．．．第一高度

H2．．．第二高度

200．．．集光裝置

210．．．收集器

220．．．傳輸組件

230．．．透光體

圖1A及圖1B分別為本發明一實施例之集光裝置的導光板的示意圖。

圖1C繪示另一實施例的反射薄膜的示意圖。

圖2A及圖2B分別為本發明一實施例之集光裝置的示意圖及局部放大圖。

圖2C繪示另一實施例的第一/第二集光結構的局部放大圖。

圖3為本發明一實施例之照明設備的方塊圖。

100．．．導光板

102．．．入光面

104．．．反射面

106．．．出光面

120．．．第一集光結構

122．．．第一菱鏡單元

θ1．．．第一內角

θ2．．．第二內角

L．．．光線

α．．．第一頂角

D1．．．第一底面

H1．．．第一高度

Claims (37)

1. 一種集光裝置，包括：一導光板，具有一入光面、一反射面以及一出光面，該入光面與該反射面相交而形成該導光板之一第一內角，且該出光面與該反射面相交而形成該導光板之一第二內角，其中該第一內角小於該第二內角；一反射薄膜，覆蓋於該反射面或鄰近該反射面的下方；以及一第一集光結構，配置於該入光面上，而一光源的光線經由該第一集光結構折射而入射至該導光板內，並由該反射面和該反射薄膜反射後而最終到達該出光面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置，其中該第一集光結構包括多個第一菱鏡單元，該些第一菱鏡單元分別具有一第一頂角以及相對於該第一頂角的一第一底面，而各該第一頂角相距於該第一底面具有一第一高度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置，其中該第一集光結構包括菲涅爾透鏡。
4. 如申請專利範圍第2項所述之集光裝置，更包括一第二集光結構，配置於該第一集光結構與該導光板之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述之集光裝置，其中該第二集光結構包括多個第二菱鏡單元，該些第二菱鏡單元分別具有一第二頂角以及相對於該第二頂角的一第二底面，而各該第二頂角相距於該第二底面具有一第二高度。
6. 如申請專利範圍第5項所述之集光裝置，其中各該第一頂角與各該第二頂角彼此相對配置或交錯配置。
7. 如申請專利範圍第6項所述之集光裝置，其中該第一頂角的角度介於20度～80度之間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之集光裝置，其中該第一頂角的角度小於該第二頂角的角度。
9. 如申請專利範圍第5項所述之集光裝置，其中該第一高度大於該第二高度。
10. 如申請專利範圍第4項所述之集光裝置，其中該第二集光結構包括菲涅爾透鏡。
11. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置，其中該導光板為一透光材料，其材質包括玻璃或塑膠。
12. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置，其中該導光板包括楔形板，該楔形板的頂角為該第一內角，該第一內角的角度介於1～30度之間。
13. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置，其中該反射薄膜包括完全反射薄膜或具有全反射及部分反射特性的薄膜。
14. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置，其中該反射薄膜之材質包括有機材料或無機材料。
15. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置，其中該導光板的該入光面的面積大於該出光面的面積。
16. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置，其中該光源包括自然光或發光模組。
17. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置，更包括一收集器以及一傳輸組件，該收集器收集由該出光面射出的光線，而被收集的該光線經由該傳輸組件傳輸。
18. 如申請專利範圍第17項所述之集光裝置，其中該傳輸組件包括光纖線路。
19. 一種照明設備，包括：一導光板，具有一入光面、一反射面以及一出光面，該入光面與該反射面相交而形成該導光板之一第一內角，且該出光面與該反射面相交而形成該導光板之一第二內角，其中該第一內角小於該第二內角；一反射薄膜，覆蓋於該反射面或鄰近該反射面的下方；一第一集光結構，配置於該入光面上，而一光源的光線經由該第一集光結構折射而入射至該導光板內，並由該反射面和該反射薄膜反射後而到達該出光面；一收集器，用以收集由該出光面射出的光線；一傳輸組件，其一端耦接於該收集器；以及一透光體，位於該傳輸組件的另一端，其中該收集器所收集的光線經由該傳輸組件傳輸至該透光體，以提供一照明。
20. 如申請專利範圍第19項所述之照明設備，其中該第一集光結構包括多個第一菱鏡單元，該些第一菱鏡單元分別具有一第一頂角以及相對於該第一頂角的一第一底面，而各該第一頂角相距於該第一底面具有一第一高度。
21. 如申請專利範圍第19項所述之照明設備，其中該第一集光結構包括菲涅爾透鏡。
22. 如申請專利範圍第20項所述之照明設備，更包括一第二集光結構，配置於該第一集光結構與該導光板之間。
23. 如申請專利範圍第22項所述之照明設備，其中該第二集光結構包括多個第二菱鏡單元，該些第二菱鏡單元分別具有一第二頂角以及相對於該第二頂角的一第二底面，而各該第二頂角相距於該第二底面具有一第二高度。
24. 如申請專利範圍第23項所述之照明設備，其中各該第一頂角與各該第二頂角彼此相對配置或交錯配置。
25. 如申請專利範圍第24項所述之照明設備，其中該第一頂角的角度介於20度～80度之間。
26. 如申請專利範圍第25項所述之照明設備，其中該第一頂角的角度小於該第二頂角的角度。
27. 如申請專利範圍第23項所述之照明設備，其中該第一高度大於該第二高度。
28. 如申請專利範圍第22項所述之照明設備，其中該第二集光結構包括菲涅爾透鏡。
29. 如申請專利範圍第19項所述之照明設備，其中該導光板為一透光材料，其材質包括玻璃或塑膠。
30. 如申請專利範圍第19項所述之照明設備，其中該導光板包括楔形板，該楔形板的頂角為該第一內角，該第一內角的角度介於1～30度之間。
31. 如申請專利範圍第19項所述之照明設備，其中該反射薄膜包括完全反射薄膜或具有全反射及部分反射特性的薄膜。
32. 如申請專利範圍第19項所述之照明設備，其中該反射薄膜之材質包括有機材料或無機材料。
33. 如申請專利範圍第19項所述之照明設備，其中該導光板的該入光面的面積大於該出光面的面積。
34. 如申請專利範圍第19項所述之照明設備，其中該光源包括自然光或光源模組。
35. 如申請專利範圍第19項所述之照明設備，更包括一收集器以及一傳輸組件，該收集器收集由該出光面射出的光線，而被收集的該光線經由該傳輸組件傳輸。
36. 如申請專利範圍第35項所述之照明設備，其中該傳輸組件包括光纖線路。
37. 如申請專利範圍第19項所述之照明設備，其中該透光體包括楔形導光板。