TWI417473B - 適用於半導體燈的光學裝置 - Google Patents

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Description

適用於半導體燈的光學裝置
本發明是有關於一種電發光裝置，且特別是有關於一種利用發光二極體(light emitting diode,LED)的電發光裝置。
發光二極體是半導體二極體的光源(semiconductor diode based light source)，當二極體被施予順向偏壓時(切換為開啟)，電子能在裝置中與電洞再結合而以光子形式釋放能量。這個效應稱為電致發光(electroluminescence)且光的顏色(對應於光子的能量)是視半導體的能隙(energy gap)而定。當作為光源時，發光二極體較白熾光源呈現出許多優點。這些優點包括低能耗、長壽命、強度提升、小尺寸、快速切換及較好的耐久性與可靠度。
然而，作為光源的發光二極體有其缺點。其中一個缺點是從發光二極體晶片射出的光集中在與發光二極體晶片表面的垂直或正交方向上，例如，發光二極體的光是在直向方向較強且在側邊方向劇烈縮減。為了讓發光二極體的光更像在全部方向具均勻光射出強度的傳統白熾光源，因而使用反射體來將發光二極體的光從直向導引至側向。然而，導引光線僅利於側向方向而犧牲在直向方向的光，並不足以成為有效率的均勻廣角光源。
因此，提供一種能夠從發光二極體晶片均勻地在大部份方向射出光的發光二極體燈泡是重要的課題。
本發明提供一種光學裝置，以使半導體燈能成為均勻的廣角光源。
本發明提出一種適用於半導體燈(semiconductor based lamp)的光學裝置。此光學裝置包括一基座以及一光導引元件。基座用於架設一半導體發光裝置，光導引元件具有一開口及位於開口旁之一反射面。開口配置於半導體發光裝置正上方，反射面導引從半導體發光裝置射出的部分光線發散地朝向側方及下方，且不被二次反射地離開光學裝置。其中，光學裝置的高度為H，被定義為從光導引元件的頂端至半導體發光裝置的底部，光學裝置的最大寬度為F，半導體發光裝置的直徑為D，且H/D<4，F/D<4。
本發明另提出一種適用於半導體燈的光學裝置。此光學裝置包括一基座與一光導引元件。基座用於架設一或多個發光二極體。光導引元件具有一開口及位於開口旁之一反射面。開口設置於所述發光二極體正上方，反射面導引從所述發光二極體射出的部分光線發散地朝向側方及下方，且不被二次反射地離開光學裝置。其中，光學裝置的高度為H，被定義為從光導引元件的頂端至半導體發光裝置的底部，光學裝置的最大寬度為F，發光二極體的直徑為D，且H/D<4，F/D<4。
本發明之光學裝置中，由於光導引元件的開口可讓部份光線通過，而反射面可讓部份光線反射，所以能讓光線均勻地往多個方向傳遞。因此，本發明之光學裝置可讓半導體燈成為均勻的廣角光源。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
本發明揭露適用於半導體燈的光學裝置。此光學裝置將半導體燈的指向性光擴展至廣角度的方向上，使得半導體燈的光型圖(light emitting pattern)類似於傳統白熾燈泡。
圖1為本發明實施例的適用於發光二極體燈的光學裝置100之立體圖。光學裝置100包括基座110，而發光二極體裝置115架設於基座110上。發光二極體裝置115可以在單一個半導體基板上形成，或是以發光二極體陣列形成。發光二極體裝置115亦可為其他半導體發光裝置，例如半導體發光裝置除了可為發光二極體裝置，亦可為雷射二極體發光裝置。一形狀例如呈錐形(cone-shaped)的光導引元件120例如是藉由三個腳架130穩固在基座110，腳架130可以在光導引元件120之外或是之下。腳架130可以是刀形(knife-shaped)，並且刀尖(knife edge)朝向光導引元件120的中心軸，藉以避免遮蔽光。或者是，腳架130也可由細金屬線所製成，以避免遮蔽光。使用金屬來建構光導引元件120及腳架130的好處是能適當地將發光二極體裝置115產生的熱散去。
請再參考圖1，光導引元件120具有位於其中央的開口125，開口125設置於發光二極體裝置115的正上方。
圖2繪示圖1中的光學裝置100的工作機制。開口125的直徑小於發光二極體裝置115的直徑，從發光二極體裝置115中央射出的光210直接穿過開口125，從發光二極體裝置115週遭射出的光221a、222a、223a、224a由錐形光導引元件120反射為側面光221b、222b、223b、224b。因此，光學裝置100能讓發光二極體裝置115射出直向光210及側面光221b、 222b、223b、224b。
此外，圖2顯示光223a及224a與發光二極體裝置115呈一垂直角度。儘管沒有如垂直方向的光223a及224a一樣強，發光二極體裝置115也在非垂直方向射出光221a及222a。這些光的總合(包含垂直方向的光223a、224a及非垂直方向的光221a、222a)形成從發光二極體裝置115發出的光源，且此光源具有能在更多方向上相對均勻分散的光型圖。
圖3繪示光學裝置100的尺寸考量以達成均勻的光型圖。光學裝置100的高度H是從光導引元件120的頂端至發光二極體裝置115的底部。光學裝置100的寬度F大體而言是光導引元件120的直徑。為了將光學裝置100改造成能容納於傳統白熾燈泡的有限空間中，高度H與發光二極體裝置115的直徑D的比值(即H除以D)，以及寬度F與發光二極體裝置115的直徑D的比值(即F除以D)，必須二者皆小於4。當發光二極體裝置115的直徑D等於或大於燈泡直徑的四分之一，上述比值會更加重要。一般來說，光導引元件120的直徑F與發光二極體裝置115的直徑D之間的比值介於0.7至2之間。在一實施例中，開口125的直徑E與發光二極體裝置115的直徑D之間的比值應當小於0.7。雖然圖3未示，但圖1顯示發光二極體裝置115架設在基座110。在較佳實施例中，基座110尺寸是大於發光二極體裝置115的尺寸。
圖4A至4G繪示數個能適用於圖1的發光二極體燈的光導引型態。如圖4A，光導引元件120包含由塑膠、玻璃或金屬材料所製成之一錐形板結構410。反射面412由鍍於錐形板結構410的底部的反射材料所構成。
另一方面，圖4B繪示實心結構420之錐形表面，且錐形 表面鍍有反射層以形成反射面412。實心結構420留有開口125以允許光能直接在直向方向射出。
如圖4C，光導引元件403包含環繞中央開口125的一平環430，且反射面412更延伸至平環430的底面。
如圖4D，光導引元件404包括面向底部(bottom facing)的一反射面440，其係作為反射面412的外環。藉由此外加面向底部的反射面440，部份光(如光442)可被導引朝下。因此，此光導引元件404所形成的光型圖係更為廣角。
如圖4E，反射面450的一主部份是接近水平放置，使得更多射出的光得以反射朝下。環繞水平反射面450的傾斜面452讓更多光反射朝下。
如圖4F，藉由突出元件460將發光二極體裝置115墊高。突出元件460具有側反射面462。光465被反射二次，一次是被面向底部的反射面440反射，另一次是被側反射面462反射。如此的結構亦有助於達到較為廣角的光型圖(global pattern)。
如圖4G，一具有霧狀表面的半透明蓋體470包覆具有光導引元件120的一發光二極體光源，藉以更強化射出光強度的均勻性。如此的發光二極體光源更能類似於傳統白熾燈泡。
圖5A及5B繪示根據本發明圖5C及圖5D的發光二極體燈的模擬結果。如圖5A，圓極座標圖(circular polar plot)500在圓角刻度(circular angular scale)506上顯示遠場(far-field)分佈(光強度分佈)502及504，其中0度係代表其軸向(on-axis direction)，180度係代表0度之相反方向，而其餘方向則為離軸角度(off-axis angle)。在傳統發光二極體裝置中，即使配置有光導引元件，其180度方向之光線仍會受到光源(發光 二極體)的阻擋。然而，在本發明之較佳實施例中，部分光線可形成側向延伸，使得180度仍有光強產生。如圖5C，發光二極體裝置115的直徑是20公釐(mm)，光導引元件405的寬度是32mm，光導引元件405的開口125的直徑是12mm，光導引元件405的頂端及發光二極體裝置115表面之間的距離是8mm。遠場分佈502顯示發光二極體裝置115之下的光具有相當大的強度，遠場分佈504顯示光亦射至發光二極體裝置115上方。
如圖5B，當使用顯示於圖5D的具有霧狀表面的蓋體570(類似於圖4G的具有霧狀表面的蓋體470)時可得到圓極座標圖520，遠場分佈522顯示光型圖接近圓形，其意指發光二極體燈射出之光線均勻地分佈於所有方向。
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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此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‧‧‧光學裝置
110‧‧‧基座
115‧‧‧發光二極體裝置
120‧‧‧光導引元件
125‧‧‧開口
130‧‧‧腳架
210、221a、222a、223a、224a、442、465‧‧‧光
221b、222b、223b、224b‧‧‧側面光
403、404、405‧‧‧光導引元件
410‧‧‧錐形板結構
412‧‧‧反射面
420‧‧‧實心結構
430‧‧‧平環
440‧‧‧反射面
450‧‧‧反射面
452‧‧‧傾斜面
460‧‧‧突出元件
462‧‧‧側反射面
470‧‧‧具有霧狀表面的半透明蓋體
500、520‧‧‧圓極座標圖
502、504‧‧‧遠場分佈
506‧‧‧圓角刻度
570‧‧‧具有霧狀表面的蓋體
D‧‧‧直徑
E‧‧‧直徑
F‧‧‧寬度
H‧‧‧高度
圖1為根據本發明實施例的適用於發光二極體燈的光學裝置之立體圖。
圖2繪示圖1中的光學裝置的工作機制。
圖3繪示達成均勻光分散圖案的光學裝置的尺寸考量。
圖4A至4G繪示數個能用於圖1的發光二極體燈的光導引型態。
圖5A及5B繪示本發明圖5C及圖5D的發光二極體燈的模擬結果。
100．．．光學裝置
110．．．基座
115．．．發光二極體裝置
120．．．光導引元件
125．．．開口
130．．．腳架

Claims (19)

  1. 一種光學裝置，適用於半導體燈，該光學裝置包括：一基座，用於架設一半導體發光裝置；以及一光導引(light-redirecting)元件，具有一開口及位於該開口旁之一反射面，其中，該開口設置於該半導體發光裝置正上方，該反射面導引從該半導體發光裝置射出的部分光線發散地朝向側方(lateral directions)及下方，且不被二次反射地離開該光學裝置，其中，該光學裝置的高度為H，其係被定義為從該光導引元件的頂端至該半導體發光裝置的底部，該光學裝置的最大寬度為F，該半導體發光裝置的直徑為D，且H/D<4，F/D<4。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該半導體發光裝置包括至少一發光二極體。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，更包括多個腳架，其中該光導引元件藉由該些腳架穩固在該基座。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該反射面為錐形(cone-shaped)並環繞該開口。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該光導引元件係由一金屬薄板形成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該反射面藉由鍍上反射材料於一塑膠材料上而形成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該光導引 元件藉由一錐形實心材料所形成，該錐形實心材料具有位在中間的一開口及鍍有一光反射材料的一外表面。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，更包括一具有霧狀表面的半透明蓋體(frosted semi-transparent cover)，包覆該半導體發光裝置及該光導引元件。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該光導引元件更具有另一連接於該反射面的頂端並面向該基座的反射面，以導引部分光線朝下。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該光導引元件更具有一連接於該反射面的底端並圍繞該開口的平環，且該平環塗有一反射材料。
  11. 一種光學裝置，適用於半導體燈，該光學裝置包括：一基座，用於架設一或多個發光二極體；以及一光導引(light-redirecting)元件，具有一開口及位於該開口旁之一反射面，其中，該開口設置於所述發光二極體正上方，該反射面導引從所述發光二極體射出的部分光線發散地朝向側方(lateral directions)及下方，且不被二次反射地離開該光學裝置，其中，該光學裝置的高度為H，其係被定義為從該光導引元件的頂端至該半導體發光裝置的底部，該光學裝置的最大寬度為F，該發光二極體的直徑為D，且H/D<4，F/D<4。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之光學裝置，更包括多個腳架，其中該光導引元件藉由該些腳架穩固在該基座。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之光學裝置，其中該反射面為錐形(cone-shaped)並環繞該開口。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之光學裝置，其中該光導引元件係由一金屬薄板形成。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之光學裝置，其中該反射面藉由鍍上反射材料於一塑膠材料上而形成。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之光學裝置，其中該光導引元件藉由一錐形實心材料所形成，該錐形實心材料具有位在中間的一開口及鍍有一光反射材料的一外表面。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之光學裝置，更包括一具有霧狀表面的半透明蓋體(frosted semi-transparent cover)，包覆所述發光二極體及該光導引元件。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之光學裝置，其中該光導引元件更具有另一連接於該反射面的頂端並面向該基座的反射面，以導引部分光線朝下。
  19. 如申請專利範圍第11項所述之光學裝置，其中該光導引元件更具有一連接於該反射面的底端並圍繞該開口的平環，且該平環塗有一反射材料。
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