TWI436002B - 發光燈泡 - Google Patents

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Description

發光燈泡
本發明係關於一種燈具，且特別是關於一種發光燈泡。
發光二極體(LED)由於其發光效率已達1501 m/w以上，而且不含水銀又環保，已逐漸被採用來作為照明的主要光源。然而，目前利用LED光源的LED燈泡，如果要做為取代「鎢絲燈泡」或所謂「省電燈泡」，其技術上尚有下列困難點：
一．　發光角太小：
發光角(Beam Angle)是指燈泡在空間內的有效照明角度，一般「鎢絲燈泡」或所謂「省電燈泡」，其發光角皆可達300度以上。然而目前市場所見LED燈泡，其發光角皆在120度發光角左右，少有超過180度發光角。習知LED發光燈泡發光角較小的原因，其一為LED發光屬於半空間發光角，其類似Lambertian光源，其發光角只有120度(以其半亮度角計算，詳述如下)。不如「鎢絲燈泡」或「省電燈泡」具有全空間發光角。一般理想的Lambertian光源，其光亮度Iv 隨與LED發光平面之法線間所夾發光角度θ增加而減少(其中I0 為發光角度θ為0度時之最高亮度)，其關係式為：
I V (θ )=I O Cosθ ...(1)
其示意圖為圖1中所示。定義其可用之發光角θF 為亮度角θH (於此角度時，其亮度Iv (θH )亮度為I0 之一半)的兩倍，由式(1)可看出θF =2xθH =2x60=120度。
如圖2所示，另一原因為LED燈泡的外型結構限制其發光角在180度內。由於一般的LED燈泡，為了散熱，必須在其燈泡電源輸入端頭部21至LED 20間佈滿散熱鰭片22做為散熱用。這些散熱鰭片22的材質大都以散熱佳的金屬材料為主，如：鋁、銅等或其合金，另外也有利用導熱尚佳的氮化鋁或氧化鋁陶瓷。但這些材料皆為不透光材質，因此LED燈泡僅能於前端部23利用透光材質做為光線輸出，導致光源LED 20所產生之光僅於前方180度內有光線輸出。
雖然目前一習知技術在LED發光燈泡內利用二次光學結構，而可以製造出300度發光角的LED燈泡，但其結構複雜，出光效率低，均勻度不佳。其示意結構如圖3所示。
如圖3所示，LED 31分佈在整個對應圓周上，二次光學結構30之材質為白色反光體，第一層反射板32及第二層反射板33設置於習知LED發光燈泡中。如圖3中所示，LED 31所發出的光線，部份經第一層反射板32反射為燈頭方向光34，另一部份光線經第二層反射板33反射為側面方向光35，另有大部份光線經由其它方式直射為正面方向光36，藉此形成具有300度出光角的LED燈泡。但其結構複雜，出光效率低，均勻度不佳。
二．　發光不均勻：
由於LED發光燈泡，其所需功率約在5W~10W左右，才能達到500~1000lm的光通亮，而單晶片LED的功率及導熱問題難以達到上述要求。因此，通常LED發光燈泡皆使用複數晶片來達到上述需求。然而，這些晶片的亮度及色度互有差異，因此造成LED發光燈泡上的光斑或黃圈等不勻現象，不像「鎢絲燈泡」或「省電燈泡」，其表面發光非常均勻。
三．　出光效率不佳：
目前LED晶片，其發光效率雖已達1501 m/w，未來更可達2501 m/w，但是目前的燈泡整體發光效率約只有50%~60%的晶片效率，也就是說只有75 1 m/w~901 m/w而已。整體燈泡出光效率低的原因，主要有三個因素：(1)電子電路效率(目前已達80%，未來可達90%)；(2)溫度因素(由於晶片發光效率隨溫度增加而遞減，一般每增加10℃，其發光效率約降2%)；(3)燈泡結構出光率低(一般約為80%以下)。
四．　散熱效果不佳：
習知LED發光燈泡，其結構如圖2中所示，其中散熱鰭片22散熱區部份的面積與前端部23出光區部份面積的總和為不變值。如果散熱區增大，則出光區面積減少，反之散熱區減少，出光區才能增加，因此其取捨皆困難。一般大都選擇約各50%為主。因此出光區限制了散熱區，結果為散熱效果不佳，造成出光率減少，LED 20壽命縮短。另有一問題，如圖4中所示，由於裝置習知LED發光燈泡所使用之燈具之燈罩41，限制了其散熱區42的空氣對流，因而造成散熱極差。如圖4中所示，玻璃燈罩41造成熱空氣集中在習知LED發光燈泡的散熱區42部份而無法散熱。而習知LED發光燈泡的發光區43雖然空氣對流較佳，卻也無法幫助散熱，因而造成LED晶片溫度非常高。
五．　重量太重：
習知LED發光燈泡，如圖2所示，由於必須設置散熱鰭片22以幫助散熱，造成其重量約在150 g左右，相較於一般「鎢絲燈泡」約只有50 g左右明顯重量太重。
六．　外觀不佳：
一般「鎢絲燈泡」或「省電燈泡」，其發光區為一個完整的球狀，外型美觀、順暢。然而如圖2所示之習知LED發光燈泡，其發光區外尚有一大部份的散熱區，造型奇特，不易為一般家庭照明所接受。
七．　金屬散熱區易造成觸電危險：
習知LED發光燈泡正逐漸採用高壓直流LED或交流LED做為電源，但其輸入電源皆利用交流電整流後直接輸入。如果其散熱片為金屬材料，則易因接地端反插而觸電。因此必須利用隔離變壓器來防止，但也增加了功率損失及成本增加。
八．　價格太貴：
目前LED晶片價格已降到300~400 lm/USD，即每一塊美金的流明數已達300~400 lm，未來可達1000 lm/USD。雖然目前一個1000流明的燈泡晶片只需2.5~3.3美金，但是因為整體效率只有50%~60%出光效率，因此實際使用LED晶片之成本仍要5~7美元，再加上散熱鰭片及電子電路，每個成本尚達10美元以上，因此無法普遍使用。
本發明所欲解決之技術問題與目的：
綜合以上所述，本發明提出一個全新的發光燈泡結構，具有發光均勻及散熱良好等優點。
本發明解決問題之技術手段：
本發明為解決習知技術之問題，所採用之技術手段係提供一種發光燈泡，包括一光源以及一罩體。光源用以發出光。罩體界定一內部空間，並且光源係設置於罩體內並與該罩體導熱連接。罩體由導熱材料所製成並可反射光源所發出之光至內部空間。其中，罩體上形成複數穿孔，以使設置於罩體內的光源所發出之光自穿孔射出。
本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。
本說明書中所提及之一數目以上或以下，係包含數目本身。且應瞭解的是，本說明書揭示執行所揭示功能之某些方法、流程，存在多種可執行相同功能之與所揭示結構有關之結構，且上述之結構通常可達成相同結果。
本發明之一實施例，其如圖5中所示的結構，其中本發明之發光燈泡包含一燈泡電源輸入端頭50、一光源、一電路板52、一殼體53、以及與殼體53連結並可結合為一體裝置之一罩體54。
光源用以發出光，並包含至少一發光二極體(LED)51、一有機發光二極體(OLED)或其他例如雷射等發光光源。罩體54界定一內部空間，光源係設置於罩體54內並與罩體54導熱連接。罩體54由導熱材料所製成並可反射光源所發出之光至內部空間。其中，罩體54上形成複數穿孔55，以使設置於該罩體54內的光源所發出之光自穿孔55射出。
如LED 51等之光源係裝置於電路板52上，只要電路板52與罩體54之間具良好之導熱連接(含直接及間接)，電路板52無論設置於罩體54內側或罩體54外側皆可透過罩體54而經由空氣散熱。
詳細而言，若電路板52置於罩體54內側，光源之LED 51及電路板52所產生的熱係直接透過罩體54而經由空氣散熱。若電路板52置於罩體54外側(如圖5之實施例所示)，一方面，光源之LED 51及電路板52所產生的熱可直接透過罩體54而經由空氣散熱，另一方面，由於電路板52裝置於殼體53內並與殼體53導熱連接，而殼體53與罩體54導熱連接，光源之LED 51所產生的熱亦可以經由電路板52所包含的鋁基板導熱到殼體53，再傳導至發光燈泡罩體54，最後經由空氣散熱。
在某些實施例中，若電路板52與罩體54之間無直接的導熱連接，光源之LED 51及電路板52所產生的熱亦可僅經由電路板52所包含的鋁基板導熱到殼體53，再傳導至發光燈泡罩體54，最後經由空氣散熱。
另外，該用以提供電源輸入之電源輸入端頭50與發光燈泡的殼體53銜接，並用以提供光源所需之點亮驅動，亦作為支撐整個燈泡之用。
罩體54界定一內部空間，如LED 51之光源係設置於罩體54內。發光燈泡罩體54可反射LED 51所發出之光。於本實施態樣中，罩體54實質上為球殼狀。燈泡罩體54由導熱材料所製成且較佳為導熱性良好的金屬為主，如鋁、銅等或其合金。球殼狀罩體54亦做為發光燈泡的發光面，因此其上佈置有非常眾多的複數穿孔55，以使設置於罩體54內的光源所發出之光自穿孔55射出。發光燈泡的球殼狀罩體54之內側較佳塗覆有白色反光塗料56，以反射(或稱漫射)該光源所發出之光至內部空間。白色反光塗料56必須選擇反射率佳及白度高的塗料。目前常用的白色反光塗料56包含反射特性較佳的硫酸鋇(Ba2 SO4 )、聚四氟乙烯(Teflon)或二氧化鈦(TiO2 )，其反射率可達98%，白度也可達99%。反光塗料56是一種漫射性反光材料，因此光線由LED 51發射到球殼狀罩體54內壁後，經過白色反光塗料56後，幾乎全部漫射回到罩體54之內部空間內，其光吸收損失非常小。為了增加發光燈泡罩體54的美觀及防止觸電，發光燈泡球殼狀罩體54的外側亦塗覆有白色電絕緣塗料57。因此，可使整個發光燈泡罩體54如習知省電燈泡呈現均勻粉白色，而且因為電絕緣塗料57的電氣絕緣性，也防止了觸電的危險。
本發明的結構，採用光學積分球(Integrating Sphere)的原理為出發點。光學積分球的原理中最重要者係利用球面型結構特性，藉由光線在球殼狀罩體54內側多次反射，藉此將光線完全均勻化。換句話說，如果一個點光源置於球面上的任一點，則球面上任一單位面積上的光通量(light flux)皆相同。換句話說，該點光源的光通量被平均分配到整個球面上，因此其單位面積光通量幾乎相同。如果各點的光漫射角度也相同，則各點的光亮度(每單位立體角內的光通量)也相同。由於罩體54內側塗佈有白色反光塗料56，其漫射程度非常良好，因此可以符合上述的條件，即燈殼內側各點的光亮度將非常均勻。以上所述的理論，可以利用圖6來說明。
如圖6中所示，半徑為R0 的積分球，光源LED 61置於球殼狀罩體62的球面上任一點位置，則球殼狀罩體62之該點位置上，其dA面積所受到LED 61的光通量可由下述數學式導出。
假設LED為Lambertiam點光源，因此其光亮度為角度θ的函數，其大小可假設為I(θ)=IO Cosθ，則由該點光源LED 61照射到球殼狀罩體62之該點位置上的光通量dL =I(θ)d Ω，其中d Ω為由LED 61到球殼狀罩體62之該點位置之dA面積所張開的立體角，且R為發光點61到點62 dA面積之距離。其中：
以上述公式代入dL =I(θ)d Ω，可推導出：
因此可得出：
透過運算推導，可得知在球面上任何單位面積上的光通量皆相同。因此，如果該小面積dA為微細穿孔，則不論該微細穿孔的位置，其光輸出光通量皆相同。
但習知LED發光燈泡結構中，如圖7所示，LED 71係置於發光燈泡罩體72之半球的中心點Ro。若考慮球面上任一點面積dA，其光通量為：
因此可得出：
由式(4)可看出，該球面上單位面積的光通量將隨角度θ而變化，而其關係為Cosθ關係。當θ=60時，該球面上單位面積的光通量已減為50%，一般稱此角為半亮度角θH 。該半亮度角θH 的兩倍，通常稱為發光角θF =2θH 。由此可知，其發光角為120度。然而本發明發光燈泡的發光角，由式(3)可看出，與角度θ無關，因此其發光角為全方位，也可說是發光角為360度。比較(3)式與(4)式可看出，本發明發光燈泡為完全均勻發光，而習知LED發光燈泡為不均勻發光。
如圖6中所示，如果該點dA不是穿孔，而是罩體之殼壁，則該光通量dL將因殼壁上的白色反射物質而產生漫射反射(Scattering)。由於塗覆殼壁上的反射物質為白色反光塗料，例如硫酸鋇(Ba2 SO4 )、聚四氟乙烯(Teflon)或二氧化鈦(TiO2 )等白色反射物質，因這些白色反射體，在可見光範圍之反射率(reflection) r非常高，且其頻譜反射率(Spectra-reflectivity) R(λ)非常平坦，所以其反射光幾乎維持原來的色度。也就是說，其白度非常高，一般白度可達99%，而其反射率r也可達98%左右。反射率r的高低，會影響燈泡的出光效率。如果反射率r為理想100%，則燈泡的光效率也可達100%，但如果反射率r<100%，則燈泡的出光率將會下降，其關係將以圖8來說明。
如圖8所示，假設LED 81為Lambertian點光源，其發出的光通量為Li。罩體82上佈有複數細微穿孔83。假設細微穿孔83的直徑大小為d，其分佈密度的間距(pitch)為P，則定義全部穿孔83的開孔率：
假設發光燈泡的罩體上形成之穿孔83為均勻分佈，則LED 81光源所發出的光通量Li經過所有穿孔83後，其第一次透過的光通量L1 =a*Li，而第一次剩餘的光通量Lr1 =Li-aLi=(1-a)Li。第一次剩餘光通量Lr1 再經由罩體82反射回到罩體82之內部空間。假設罩體82的反射率為r，則其第一次反射光通量為r(1-a)Li。這些反射光通量將平均反射到球壁，在經過所有細穿孔83產生第二次透過的光通量L2 =a*r(1-a)Li。同理，第二次剩餘的光通量Lr2 =r(1-a)Li-ar(1-a)Li=r(1-a)2 Li。第二次剩餘光通量Lr2 再經殼壁反射回罩體82之內部空間，反覆反射穿出，以此類推，可得總出光量L為：
定義出光效率：
由式(5)可得出，如果反射率r愈高則出光效率η也愈大。例如，假設發光燈泡罩體82設計為穿孔83直徑大小d=0.8 mm，其分佈間距P=1 mm，則其開孔率：
如果所塗白色反光塗料反射率r=0.98，則由式(5)，其出光效率
也就是說此發光燈泡的有效出光率為98%。由此可看出本發明的LED燈泡的出光率效率非常高。但如果開孔率a=0.3，則其出光率η=95.5%。開孔率a較小，其整體混光效果愈好，但出光效率會稍微下降，因此開孔率a必須做適當的選擇。
本發明發光燈泡中，該整體球殼狀罩體皆以高度導熱材料為主體而製成，例如鋁、銅等，或其合金，亦可以另一種高度導熱材料如氮化鋁或氧化鋁等陶瓷材料所製成或是其複合材料所製成。這些發光燈泡之罩體可以利用一體成型或分開沖壓方式形成。穿孔的形成如果為金屬罩體，可以利用沖壓方式或利用壓鑄方式形成。如果為陶瓷材料，可以利用模具燒結形成。
LED發光的效率及壽命，主要取決於晶片接面溫度(junction Temperature) Tj的高低。一般而言，Tj溫度愈低，其發光效率愈高，壽命也愈長。接面溫度的高低，取決於LED晶粒到電路載板的導熱，電路載板到殼體的導熱，最後由殼體經空氣散熱等機制。目前由於高功率LED晶粒的包裝導熱技術已大大改進，其晶粒到電路載板的溫昇皆可控制在10℃以內。而電路板目前皆已利用鋁基板為材料，其導熱率也非常高，因此其間溫昇也很小。因此整個熱傳過程中，溫昇的主要來源或瓶頸，主要是殼體對空氣的散熱機制。
對室內照明用LED發光燈泡，罩體對空氣的散熱機制主要為空氣對流及輻射兩個機制。而空氣對流的散熱機制，其關係式為：
Pa =ha AΔT...(6)
式(6)中，Pa 為罩體與空氣對流的熱功率，ha 為對流散熱係數，A為罩體的有效面積，ΔT為罩體與外界空氣溫差。一般對流散熱係數ha 為罩體結構形狀的因素及空氣流速的因素。罩體有效面積A與結構形狀有關。習知LED發光燈泡，為了增加有效面A，大都利用鰭片的結構，但鰭片的結構中，當深度加大後，其效果也漸減少。而LED發光燈泡在最嚴苛情況下，只有自然對流，因此鰭片效果甚小。另外，輻射散熱機制，其關係式為：
式(7)中，Pr為罩體輻射功率，ε為罩體材質的輻射率(Emissivity)，σ為Stefan-Boltzman常數=5.6×10-8 。其中，Ta為空氣溫度，當Ta假設為300k時，(7)式可以改寫為：
由式(8)中可看出，罩體輻射率ε 會影響輻射的散熱效率。一般而言，全黑體(Black-Body)輻射率為1.0，而全反射體輻射率為0。通常純鋁金屬的輻射率約為0.1以下，因此罩體需塗以某些塗料，譬如：硫酸鋇塗料，則其輻射率可以增加到0.9左右，因此該輻射散熱效果極佳。
而在完全無風狀態下，可假設空氣對流係數ha 5.0。利用式(6)與(8)，可以估計LED發光燈泡的溫昇。例如一個10 W的LED燈泡，若其球殼直徑為10cm，則電路板至罩體溫昇為ΔT，則由：
P=Pa +Pr =(ha+hr)AΔT
如果LED晶片接面到電路板溫昇為10℃，且如上電路板至罩體溫昇為29℃，則LED晶片接面溫度Tj =25℃+29℃+10℃=64℃。一般LED的接面溫度，在85℃以下，其發光效率及壽命皆可以維持相當高水準。
但習知LED發光燈泡，其球殼狀罩體之面積中一半做為散熱鰭片，另一半做為光面積，則其有效面積A只有一半。雖然習知LED發光燈泡之散熱鰭片具有增加面積效果，但在完全無風，空氣自然對流時，該鯺片作用很小，並且反而使得輻射機制降低。因此，在同樣功率時，其溫昇可能達到60℃左右，則其接面溫度Tj =25℃+60℃+10℃將達95℃，其發光率率及壽命將下降很多。
在本發明中，例如圖5及8所示，由於利用發光燈泡整個罩體54、82做為導熱及散熱，因此發光燈泡罩體54、82中須為良導熱體。但是良導熱體一般皆為不透光體，因此必須在整個罩體54、82上設置眾多的穿孔55、83做為出光用。因這些穿孔55、83可能導致灰塵或雜物等進入燈殼內，導致LED 51、81或殼內所塗的白色反光塗料56變質，因此可以在整個發光燈泡的罩體54、82之外側覆蓋有一透光層，做為保護作用。透光層可以為塑膠膜或其他透明矽膠材料。其實施方法，可以利用薄膜貼上或濺鍍一層透明膜等方法。其示意圖，如圖9中所示。
如圖9所示，透光層91覆蓋於罩體92之外側，以供光源之LED 90所發出之光經由穿孔93穿過透光層91射出。透光層91必須緊貼覆蓋罩體92的外壁，以減小中間空氣層，並避免導熱能力減小。當然透光層91可以為完全透明形態(clear type)或霧狀(diffuse type)形態。如果為霧狀形態，必須選擇其透光率夠好的材質使用。
本發明的發光燈泡尚可以利用控制穿孔的分佈密度，得到不同的「配光曲線」(Beam-Angle Distribution)。圖10為本發明的另一實施例，其所有出光用之穿孔104只有在α角度內有佈置，在其他角度則沒有佈置。因此，本發明發光燈泡之LED 101的所有光通量L，將平均分配到α角度內的立體角內輸出。由於，球殼狀罩體103內側塗佈有高反射率的白色反光塗料，因此LED 101所發出的光線102將直接打到未置有穿孔104的球殼狀罩體103內側之高反射率白色反光塗料上，並被漫射回到球殼狀罩體103之內部空間內，最後平均由分配在α角內的穿孔104輸出。此α角度可大可小，如果α角度小表示此發光燈泡的配光曲線的光角也愈小，並代表此發光燈泡光線愈集中。因此，在同一距離下的正前方處的照度(illuminance)也愈大。這種發光燈泡可以使用在某些僅需要小範圍照明的使用情況。
本發明的另一實施例，如圖11中所示，發光燈泡的罩體112上形成之穿孔113為非均勻分佈，並利用改變穿孔113之分佈密度，改變發光燈泡之LED 111所發出之光的「配光曲線」。穿孔113的分佈密度在位置A、B兩處最密，因此此發光燈泡在A、B位置的光通量將最大。
以上所述，本發明中的燈泡罩體，皆以球殼狀為說明，但在實際應用中，也可以做成實質上為橢圓球體或其他立體形狀。按照上述積分球理論，如果罩體為球狀體，則對一個Lambertian點光源，其在球面上任一處的光通量分佈皆相同。但如果不為球殼狀，則其光通量分佈將有差異。如圖12中所示，其罩體122實質上為一個橢圓球殼狀，穿孔123的密度如於罩體122上為均勻，則光源LED 121所發出之光到達A點及B點後，A點的單位面積光通量將大於B點的單位面積光通量。因此，若為得到均勻的單位面積光通量，則可利用出光穿孔123的密度調整，來得到均勻的單位面積光通量。以圖12中所示之實施例而言，在B點處的穿孔123密度必須大於A點處的穿孔123密度分佈。因此，利用穿孔123密度的調整，配合光通量在橢圓球殼狀罩體122上的分佈，可以得到均勻的光通量輸出。
如前所述，目前習知發光燈泡的問題之一為其發光不均勻，並且其發光不均勻包含亮度不均勻及色度不均勻。而本發明可克服此問題，以達到均勻的亮度及色度，茲說明其原理如下。圖13代表目前習知LED發光燈泡的結構。其中，LED1及LED2為不同的兩顆LED晶片，其置於罩體半球直徑上不同位置上。習知LED發光燈泡之LED1及LED2在發光燈泡罩體131之位置A及位置B的合成亮度及色度可透過如下三刺激值運算。
假設LED1所發光的光通量的三個刺激值為X1 、Y1 、Z1 ，且LED2所發光的光通量的三個刺激值為X2 、Y2 、Z2 ，並假設各LED1及LED2為Lambertian點光源，則LED1在發光燈泡罩體之位置A上小面積ds上的光通量之三個刺激值為dX1A 、dY1A 、dZ1A ，其中：
同理LED1在燈泡位置B上小面積ds上的光通量之三個刺激值為dX1B 、dY1B 、dZ1B ，其中：
同理，LED2在燈泡位置A上小面積ds上的光通量之三個刺激值為dX2A 、dY2A 、dZ2A ，其中：
同理，LED2在燈泡位置B上小面積ds上的光通量之三個刺激值為dX2B 、dY2B 、dZ2B ，其中：
因此，LED1及LED2在位置A小面積ds上之合成光通量之三刺激值為：
同理，LED1及LED2在位置B小面積ds上之合成光通量之三刺激值為：
利用CIE1939所規定的色度定義，在位置A及位置B之色度座標(x,y)各為：
因為四個參數的變化，造成xA ≠xB ，且yA ≠yB 。除非X1 =kX2 ，Y1 =kY2 ，Z1 =kZ2 (k為比值)，則可得到xA =xB ，yA =yB 。即當LED1及LED2本身色度一樣時，則其在不同位置的混合色度也一樣。但由式(9)及式(10)仍可看出dYA 及dYB 仍然不等，也就是說無法得到均勻亮度。然而不同LED很難控制在同樣的色度，僅能利用分類來得到，經分類之LED晶片之價格將十分昂貴。然而利用本發明之發光燈泡，即可解決上面的問題，茲說明如下。
如圖14所示，本發明發光燈泡之光源包含複數LED1及LED2。假設發光燈泡之球殼狀罩體141之半徑為R0 ，LED1及LED2置於球殼狀罩體141之不同位置。假設LED1所發光的光通量之三刺激值為X1 、Y1 、Z1 ，LED2所光的光通量之三刺激值為X2 、Y2 、Z2 ，並假設LED1及LED2為Lambertian光源，則由前式(2)中之原理可推導得知，LED1在燈泡位置A上小面積ds上之光通量之三刺激值dX1A 、dY1A 、dZ1A 為：
同理，LED1在燈泡位置B上小面積ds上之光通量之三刺激值dX1B 、dY1B 、dZ1B 為：
同理，LED2在位置A上小面積ds上之光通量之三刺激值dX2A 、dY2A 、dZ2A 為：
LED2在位置B上小面積ds上之光通量之三刺激值dX2B 、dY2B 、dZ2B 為：
因此，LED1及LED2在位置A之合成光通量之三刺激值dXA 、dYA 、dZA 為：
同理LED1及LED2在位置B之合成光通量之三刺激值dXB 、dYB 、dZB 為：
因此，由式(11)及式(12)可看出，dXA =dXB 、dYA =dYB ，且dZA =dZB 。因此在A點及B點之亮度及色度皆相同。因為以上所考慮之A點及B點為任意點，因此可以得到整個球殼上的任一點皆有相同的亮度及色度。
利用色度座標的原理，由式(11)可得到球殼上任一點之色座標(x,y)為：
由式(13)可看出，如果LED2與LED2之原始色座標不同，則其在球殼上任一點之色座標為其混色的結果。
利用本發明之結構，可以利用不同顏色之LED來混合出所需的色度，而其在球殼狀罩體內側之球面上任一點之色度及亮度仍然可保持均勻。因此本發明之另一實施例如圖15中所示，其中發光燈泡的光源可包含一白光LED W或包含不同顏色LED，例如包含一至少包含紅光、綠光、藍光LED R、G、B的組合。利用不同顏色之LED組合，可以調整不同的燈泡色溫。而本發明之結構，不會因LED的色度及亮度不同或位置不同而產生混色及亮度的不均勻性，也就是說，燈殼上任一點的色度及亮度可以視為所有LED的高度混合後的結果。
綜合以上所述，本發明在於提出一個全新的發光燈泡，改善前述先前技術之諸多缺失。本發明之發光燈泡除具有發光均勻及散熱良好外更具有其他多項優點。前述習知技術之八項缺失，本發明之發光燈泡經改善後較佳可以達到下述優點：
一．本發明發光燈泡之發光角可達300度以上，與目前「鎢絲燈泡」或「省電燈泡」，幾乎相等。
二．本發明發光燈泡之發光均勻度佳，幾乎可與「省電燈泡」一樣。
三．本發明發光燈泡之出光效率可達95%，整體效率可由目前60%左右，提高到85%左右。
四．本發明發光燈泡之散熱效果可約為習知LED發光燈泡結構的兩倍，因此溫升可以降低一半，提高效率及壽命。
五．本發明發光燈泡之整體重量可約與一般「鎢絲燈泡」相當。
六．本發明發光燈泡之外觀可與一般「鎢絲燈泡」相似，整個球殼狀罩體之球面均勻發光，無發光死角。當不通電時，其外觀可為霧狀純白色，非常美觀。
七．本發明發光燈泡之罩體可完全電絕緣，無觸電危險，可以不必如習知LED發光燈泡使用隔離變壓器，降低電子損耗，提高電子電路轉換效率。
八．因本發明發光燈泡之結構簡單，出光效率提高，導熱效果佳，電子電路可降低成本，因而總成本可降低甚多。
另外本發明發光燈泡尚可能得到下列額外之優點：
一．本發明發光燈泡利用控制眾多出光穿孔在球殼狀罩體上的分佈密度及範圍，可以達到不同配光曲線分佈，例如「崁燈」的小角度單方向出光。因而利用本發明發光燈泡之結構，可以製造出不同用途的燈泡。
二．本發明發光燈泡之整個罩體可以為金屬結構，則其耐摔程度更高。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。
20．．．LED
21．．．電源輸入端頭部
22．．．散熱鰭片
23．．．前端部
30．．．二次光學結構
31．．．LED
32．．．第一層反射板
33．．．第二層反射板
34．．．燈頭方向光
35．．．側面方向光
36．．．正面方向光
41．．．燈罩
42．．．散熱區
43．．．發光區
50．．．電源輸入端頭
51．．．LED
52．．．電路板
53．．．殼體
54．．．罩體
55．．．穿孔
56．．．反光塗料
57．．．電絕緣塗料
61．．．LED
62．．．罩體
71．．．LED
72．．．罩體
81．．．LED
82．．．罩體
83．．．穿孔
90．．．LED
91．．．透光層
92．．．罩體
93．．．穿孔
101．．．LED
102．．．光線
103．．．罩體
104．．．穿孔
111．．．LED
112．．．罩體
113．．．穿孔
121．．．LED
122．．．罩體
123．．．穿孔
131．．．罩體
141．．．罩體
LED1．．．LED
LED2．．．LED
R．．．紅光LED
G．．．綠光LED
B．．．藍光LED
W．．．白光LED
圖1係理想Lambertian光源示意圖；
圖2係一習知LED燈泡示意圖；
圖3係具有二次光學結構的另一習知LED燈泡示意圖；
圖4係一習知LED燈泡裝配示意圖；
圖5係本發明之發光燈泡第一較佳實施例示意圖；
圖6係本發明之發光燈泡第一較佳實施例之光路徑示意圖；
圖7係一習知LED燈泡之光路徑示意圖；
圖8係本發明之發光燈泡罩體之開孔率示意圖；
圖9係本發明之發光燈泡第二較佳實施例示意圖；
圖10係本發明之發光燈泡第三較佳實施例示意圖；
圖11係本發明之發光燈泡第四較佳實施例示意圖；
圖12係本發明之發光燈泡第五較佳實施例示意圖；
圖13係習知LED燈泡之多LED之光路徑示意圖；以及
圖14係本發明發光燈泡之第六較佳實施例具多LED之示意圖；以及
圖15係本發明發光燈泡之第七較佳實施例應用多色LED之示意圖。
50‧‧‧電源輸入端頭
51‧‧‧LED
52‧‧‧電路板
53‧‧‧殼體
54‧‧‧罩體
55‧‧‧穿孔
56‧‧‧反光塗料
57‧‧‧電絕緣塗料

Claims (19)

  1. 一種發光燈泡，包括：一光源，用以發出光；以及一罩體，界定一內部空間，其中該光源係設置於該罩體內並與該罩體導熱連接，並且該罩體由導熱材料所製成並反射該光源所發出之光至該內部空間；其中該罩體上形成複數穿孔，以使設置於該罩體內的該光源所發出之光自該等穿孔射出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光燈泡，其中該光源包含至少一發光二極體(LED)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光燈泡，其中該罩體為鋁、銅或其合金材料所製成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光燈泡，其中該發光燈泡的罩體為陶瓷材料所製成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光燈泡，其中該發光燈泡的該罩體之內側塗覆反光塗料。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光燈泡，其中該發光燈泡的該罩體之外側塗覆有電絕緣塗料。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之發光燈泡，其中該發光燈泡的該罩體上形成之該等穿孔為均勻分佈。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之發光燈泡，其中該發光燈泡的該罩體上形成之該等穿孔為非均勻分佈。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之發光燈泡，其中該發光燈泡的該罩體實質上為球殼狀。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之發光燈泡，其中該發光燈泡的該罩體實質上為橢圓球殼狀。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之發光燈泡，其中該發光燈泡的該罩體之一外側覆蓋有一透光層。
  12. 如申請專利範圍第2項所述之發光燈泡，其中該光源包含複數LED。
  13. 如申請專利範圍第2項所述之發光燈泡，其中該發光燈泡的光源可包含一白光LED或一至少包含紅光、綠光、藍光LED的組合。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之發光燈泡，其中該發光燈泡包含一電路板，該光源係裝置於該電路板上，且該電路板與該罩體導熱連接。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之發光燈泡，其中該發光燈泡更包含一殼體，該電路板裝置於該殼體內並與該殼體導熱連接，並且該殼體與該罩體導熱連接。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之發光燈泡，其中該殼體與該罩體結合為一體。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之發光燈泡，其中該電路板包含一鋁基板。
  18. 如申請專利範圍第5項所述之發光燈泡，其中該反光塗料包含硫酸鋇(Ba2 SO4 )、聚四氟乙烯(Teflon)或二氧化鈦(TiO2 )。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之發光燈泡，其中該光源包含至少一有機發光二極體(OLED)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9157624B2 (en) 2013-03-14 2015-10-13 Bby Solutions, Inc. Modular LED bulb with user replaceable components
TWI477715B (zh) * 2013-05-31 2015-03-21 Lite On Technology Corp 照明裝置
US20150009674A1 (en) * 2013-07-03 2015-01-08 GE Lighting Solutions, LLC Structures subjected to thermal energy and thermal management methods therefor
KR20160030225A (ko) * 2013-07-10 2016-03-16 골든아이 인코퍼레이티드 자냉식 광원
CN103574366A (zh) * 2013-11-07 2014-02-12 韦胜国 一种led灯泡
US10261362B2 (en) 2015-09-01 2019-04-16 Manufacturing Resources International, Inc. Optical sheet tensioner
WO2017213753A1 (en) * 2016-06-10 2017-12-14 Magic Leap, Inc. Integrating point source for texture projecting bulb
US10193018B2 (en) * 2016-12-29 2019-01-29 Intel Corporation Compact low power head-mounted display with light emitting diodes that exhibit a desired beam angle
CN212361634U (zh) * 2020-06-23 2021-01-15 漳州立达信光电子科技有限公司 一种球泡灯
US11242974B1 (en) * 2020-12-09 2022-02-08 Emeryallen, Llc LED lamp with high transmittance opaque diffuser

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5101578B2 (ja) * 2008-08-13 2012-12-19 太一節能系統股▲分▼有限公司 発光ダイオード照明装置
DE102008047933A1 (de) * 2008-09-19 2010-04-15 Osram Gesellschaft mit beschränkter Haftung Beleuchtungsvorrichtung mit einer Leuchtdiode
US8047679B2 (en) * 2009-09-30 2011-11-01 Edison Opto Corporation LED lamp with 360-degree illumination

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