TWI449861B - 發光二極體優化照明裝置 - Google Patents

Description

發光二極體優化照明裝置

本發明係有關於一種發光二極體優化照明裝置，尤指一種可以增加中央部位的光強，以降低因週邊光源衰減所致之光暈現像的照明技術。

依據目前所知，功率發光二極體LED之冷白效率已經達到每瓦160流明，此效率的里程碑，正式宣告發光二極體LED照明已經是未來照明光源的主流選項。雖然發光二極體具有優秀的發光效率，可惜卻具有極差的光學特性，包括強指向性、高光通量密度(點光源)、大角度最佳出光光形，暫不論其他的熱傳(高熱通量密度)與電性(恆壓穩流)。單論發光二極體LED的光學特性帶來的光學設計的障礙，近年來，已吸引眾多學者與專家投入研究開發，包括光源、封裝體、折射式、反射式……等各部位的光學設計研究，經過幾年來的累積，逐步建立了以發光二極體LED非成像光學(non-image optics)設計方法為基礎的光學設計方法，以成熟化LED照明的應用科學學門。

高功率LED光源的發展，不同於過去Lamp與SMD形式應用在背光、指示器或號誌顯示等時，常以多樣多量的低功率應用為模式，取而代之的是朝向極少樣極多量的方向在前進，觀察CREE、Nichia、OSRAM、Philips、Seoul與Bridgelux等等的國際大廠的發展，可明顯看出此高功率的發展趨勢。

高功率LED會如此發展的原因在於光取出效率以及信頼性的設計考量，不同傳統的lamp與SMD型式，高功率LED在於每瓦效率非常具指標性，為因應最佳外部光取出效率，最佳效果的封裝角度很自然落在120度左右的大角度封裝形式，此結果可以從表1.1中的各國際大廠封裝產品的角度值推敲而得；另外，為了兼顧LED膠體信賴性問題，難以作成任意形狀的封裝外形以進行任意角度的配光；有鑑於此兩大設計考量，高功率LED才會發展著專注於最佳光效與信賴性的封裝設計。

把高功率LED視作光源點，運用至照明設計時，會有LED角度不符使用的問題發生，例如需要小角度的投射燈，需要蝠狀角度的路燈，這類各種對稱/非對稱的配光需求，如果單純從封裝體端要解決，無疑是一項非常有礙於LED照明發展的一項盲點，因為這雖然是最節省成本的直觀想法，但卻非常難以實現，甚至可能根本無法實現；有鑑於LED照明發展的迅速，與其去投入極高的成本與極長的時間去改變LED本質上的缺陷，不如順從這種特質，利用間接的方式進行改善設計以滿足實際的照明需求，達到最小開發成本以及最快開發速度的商業化需求；近年來，LED照明的主要設計，已不謀而同的把配光的設計，延伸至外加的配光裝置，例如光學透鏡或光學反射杯，可以在兼顧整體出光效率與信賴性的情況下，進行LED各式照明配光設計的需求；此種LED照明模式已行之數年，並已有大量的成功的商品化產品問市，早已是一項不需質疑的共同標準形式。

此類外加配光裝置的方式，一般通稱為LED二次光學，常見二次光學的形式會有反射式與折射式(或同時運用)，其中，折射式即為全反射式的透鏡設計(total inter reflection lens,TIR)，雖然該習用結構係利用透鏡來提升照明效果，但因其透鏡都是直接罩設在開口處，對於陣列LED直射式燈頭式的照明燈具而言，可將小透鏡接近LED，但是對於長筒反射式照明燈具，會因開口較大，使得透鏡必須更隨設計變大，如此不僅會增加成本，而且會增加體積重量，甚至影響整體的美感。

按，習知反射杯式手電筒的具體結構如圖1所示，其代表性專利如本國新型第M334262號『具光束調整的LED燈具』、新型第M379697號『聚焦型手電筒』；及新型第M410176號『LED聚光結構改良』等專利所示，該等專利之反射杯100係包括一腔室101，及分別位於腔室101之前端及後端的開口105與基部104，於腔室101內壁形成弧錐形反射部102，該弧錐形反射部102的圓徑自基部104逐漸向開口105增大，並以透光罩103覆罩在開口105處，發光二極體107則固定在基部104中央的圓孔106位置。

該等專利之發光二極體107光源經反射杯100所投射出來的光學效果，很難避免產生光暈的現象，尤其是小角度的集光反射杯設計，在無法讓光線在空氣中直接轉彎的情況下，反射杯的高度與頂面開口形成的幾何物理限制，故產生光暈現象是再自然不過了；該等專利的結構設計除了能量的浪費之外，同時會造成視覺品味上的不舒服，與一般認知中的照明有所差距，因此，該等專利確實有再改善的必要性。

再者，隨著高功率LED應用全面化的趨勢以及迫切的需求日趨漸增，所以如何提升高功率LED手電筒的照明效能，實已成為相關技術領域業者所急欲解決與挑戰的重點課題。緣是，因鑑於上述習用結構所產生的缺失以及對高功率LED手電筒的迫切需求下，因此，本發明人乃積極努力研究，經潛心開發，終於研發出一種確具實用功效的本發明。

本發明主要目的在於提供一種發光二極體優化照明裝置，主要係透過反射杯的優化技術以及透鏡的折射調光能力，藉以調整高中低角度光束的方向，進而使高中低角度的光束可被調整為準直狀態，故可增加中央部位的光強，以降低因週邊光源衰減所致的光暈現象，因而具有效提升照明效果、維持美觀以及降低成本等特點。達成上述目的之技術手段，係包括反射杯、透光罩、透光柱、透鏡，及發光二極體，反射杯之腔室前端具有開口，腔室後端則具有基部，並於腔室內壁形成弧錐形反射部，透光罩周緣在覆罩在開口處，透光柱第一端連接透光罩，其第二端則伸入至腔室內而臨近基部，透鏡設置在透光柱的第二端，使透鏡懸置在腔室內部而臨近基部且對正基部中央，發光二極體則固定在基部中央且對正透鏡，發光二極體所發出之光線中，一部份經由錐形反射部反射後而由開口向外射出，一部份經由透鏡及透光柱後而由開口向外射出，俾能增加中央部位的光強，以降低因週邊光源衰減所致的光暈現象，而可有效提升照明效果。

壹．本發明基本實施例

請參看圖2至5所示，本實施例係達成本發明主要目的之具體實施例，係包括一反射杯10、一透光罩20、一透光柱21、一透鏡22，及至少一發光二極體30等之技術特徵。反射杯10包括一腔室11、一位於腔室11之前端的開口12、一位於腔室11後端的基部13，並於腔室11內壁形成一弧錐形反射部110，該弧錐形反射部110的圓徑自基部13逐漸向開口12增大，透光罩20周緣連接開口12之口緣而覆罩在開口12處，透光柱21第一端連接透光罩20，其第二端則伸入至腔室11內而臨近基部13，透鏡22設置在透光柱21的第二端，使透鏡22懸置在腔室11內部而臨近基部13，且對正基部13中央，發光二極體30係固定在基部13中央，且對正透鏡22，發光二極體30所發出之光線中，一部份經由錐形反射部110反射後而由開口12向外射出，一部份經由透鏡22及透光柱21後而由開口12向外射出，如此即可增加中央部位的光強，以降低因週邊光源衰減所致的光暈現像，而可效提升照明效果。

貳．技術特徵的具體實施

請參看圖3、5所示，本發明於一種具體的實施例中，透光柱21係與透鏡22的外徑相同，且透光罩20中央具有一穿孔200，該透光柱21呈管狀，該第二端與該透鏡22相接而呈封閉，該第一端與該透光罩20中央相接並經由該穿孔200而呈開放。再者，為方便製造之目的，本發明之透光罩20、透光柱21及透鏡22以同一材質(如PMMA材質)一體成型製成，使透鏡22相對發光二極體30的端面具有一曲率半徑。另，為增加反射杯10的光源反射效果，反射杯10係以ABS材質加工而成，該弧錐形反射部110的表面電鍍有銀、鋁、鐵、銅、鋅或鎂等材料，且發光二極體30為發光二極體(CREE XPE)。又，反射杯10之基部13為一供發光二極體30穿置的圓孔13a，圓孔13a與開口12的圓徑比例約為1：5。且為罩設反射杯10，以達到商品化之目的，本發明更包含一與反射杯10之後端結合的殼體40，並於殼體40內部具有一供電池置放的電池室41，且反射杯10係以螺紋結構與殼體40做結合，如圖3所示。

參．本發明實驗量測與結果分析

請參看圖2至5所示，本發明經優化設計後之反射杯10的內徑尺寸為4mm，外徑為20mm，深度為20mm，至於透光柱21之內徑為4.5mm，外徑為18mm，圓柱深度為15mm，圓柱寬度為4.5mm。優化設計之目的在於改善傳統手電筒光型不均的情況。此外，本申請人委託工研院量測單位使用分佈光度計量測傳統手電筒與本發明優化設計後之反射杯10樣品的各角度照度值。量測的光學概念是以光源或燈具的光度中心為中心，光度探頭在一定的距離下繞中心轉動即可測量得到燈具的光強分佈曲線如附件圖1所示。雖然本發明優化的反射杯10樣品之中央照度值已然提升1倍，光暈範圍也明顯降低許多。但是，如果把低角度的NS光線加上，很明顯因為反射杯10開口率的關係，此區域的光束無法進行配光設計。

基於前述需求目的，本發明係以一懸置的透鏡22置於低角度光所經過的區域，至於曲率半徑的設置，本發明選擇Conic非曲球面型模式，藉由Conic與Radius的參數設定，以得到更彈性的透鏡22外形設計來調整光束，因此，藉由透鏡22的折射調光能力，改變不同的透鏡22曲率半徑，以調整低角度光束的方向，因此，低角度光是藉由透鏡22曲率半徑而改變，進而將低角度的光束調整成準直狀態。

為驗證本發明反射杯10優化設計的結果，中高低角度的光束都已優化為準直狀態，並由附件圖2可以輕易觀察到，罩設透光罩20並不會改變光束的準直效果，同時透光罩20可以兼具保護以及支撐懸空透鏡22的效果。接著把透光罩20材料設定成PMMA，以同樣的模擬光學模型進行光線追跡，就強度值的分佈來看，光形的聚光效果提升，中央強度值從4081 cd提昇至4483 cd，同時，在光束角度正負12度的區域，收光的效果亦有提升，且最外圍的光暈效果進一步獲得改善。

再經由機台量測角度的結果來進行角度差異的比較，優化後的本發明樣品角度結果如附件圖3所示，與傳統手電筒量測的結果附件圖4比對後，可觀察出全寬半強的角度是接近的，兩者的比對圖如附件圖5所示，表示本發明樣品並不影響產品優化前後的發光角度；觀察附件圖6，可發現在角度正負20~30度區間時，傳統手電筒的光強曲線係標示為方形圖標，本發明的光強曲線則標示為圓形圖標。由附件圖6得知，傳統手電筒的光強曲線比本發明樣品的光強曲線還要高，表示傳統手電筒的能量在此20~30度區間所佔的相對百分比較高，並可推得20~30度區間在1米處的半徑值各為368mm與571mm，也就是，傳統手電筒在1米處的照明範圍368~571mm之間所佔的照度值相對高。相對地，觀察本發明光強曲線的分佈，相較於傳統手電筒較低許多，且接近於零，此種分佈相當於光形在大於20度之處，光強在10度之內快速下降，請參考附件圖7所示，可以推得在1米處半徑368mm之後的照度值會快速下降，形成亮暗分別的cut-off現象，如附件圖8的照度分佈狀況，此狀況能讓光暈現象較為減輕；另外，觀察附件圖8與附件圖9，可發現在半徑571mm之後的照度相對於半徑571mm之內是極為微弱，相當於換算成正負40度以上的光是極為微弱，再從附件圖5的光強分佈可以觀察到，在正負40度上的光強是接近0.001以下，這意味在半徑571mm以外的光強度是中央最強處的千分之一以下，人眼在同時觀察相差千倍的亮度差異，是無法觀察出差異處(視覺寬容度)，所以本發明樣品在40度之後的光強分佈是視為模擬與量測的雜訊，不列入影響產品光學性能的有效量測值。

在光照度比較的部分，將量測數值正規化後，兩者比較如附件圖6，可發現在使用同一顆CREE XPE的發光二極體30時，比較傳統的反射杯與本發明反射杯10樣品，本發明反射杯10樣品在亮度上提升了25%，這是優化反射杯10加透鏡22組合在光型優化後的另一項意外的發現；另外針對光型的比較，點亮裝置後，再拍攝beam pattern；傳統手電筒的beam pattern，如附件圖10所示，可看到，除了中心亮點以外，外圍有產生許多的光暈且有產生光分離多層次光圈，這對於光型的表現來說，是不佳的；經過優化反射杯後的beam pattern如附件圖11所示，光暈的情況已改善許多，光分離的多層次光圈也減少許多，再加上優化的透鏡22設置，beam pattern如附件圖12，光暈的改善更為明顯且均勻，僅中央點亮度微降，但比起傳統手電筒的光型，已明顯改善光暈現象，並提昇照度結果，得到更佳光學性能表現的手電筒。

肆．結論

本發明係利用優化設計技巧，分次優化反射杯、透鏡的曲率與尺寸，以降低光線所造成的多層次光圈，並把本發明樣品實測結果與傳統手電筒進行探討與比較，總結出下列的論述：

1.本發明以傳統反射杯式LED手電筒進行逆向建模，並比較模擬與實際量測的差異，確定本發明所提的模擬方法是精確可信的，進而從已建立的精確光學模型，本發明於是提出LED反射杯優化設計方法的光學模型。

2.藉由本發明的優化設計，在不改變傳統手電筒的角度(約20度)的條件下，即可降低原本不佳的光分離多層次光圈光形，成功優化目視的效果，在一米量測距離下，發現傳統手電筒反射杯在角度20~30度時的光強能量大於優化後的反射杯，因而造成光暈現象產生，本發明經優化後的反射杯可將20~30度的光正確的導向產品需求的20度內，增加中央光強，降低週邊失光所致的光暈現象。

3.比較模擬與實際做出的改良型樣品結果發現，模擬的角度為8度，原樣樣品實測為10度，模擬的照度值約為2400lux，實測的照度值約為1550lux，大約有65%準確度，因在實務上也存在製造的變異及公差值例如改良型樣品的材料與鍍膜材質等等，另外兩者角度上有些許差異性，在小角度的情況下對於照度也會有一定的影響；定性方面(角度)已經符合一般照明LED正負兩度的精確度，但在定量(照度)方面還有待改善提升。

4.在使用同一顆CREE XPE發光二極體的情況下，比較傳統手電筒反射杯與經優化後的本發明樣品，本發明樣品在照度上可提升25%，不僅改善了目視，也讓光源透過優化後的反射杯加透鏡組合，使其光路徑重新配置，將原本失去的光收在要求的範圍內，以增加LED手電筒的光使用效能。

以上所述，僅為本發明之一可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。

10,100．．．反射杯

11,101．．．腔室

110,102．．．弧錐形反射部

12,105．．．開口

13,104．．．基部

13a,106．．．圓孔

20,103．．．透光罩

200．．．穿孔

21．．．透光柱

22．．．透鏡

30,107．．．發光二極體

40．．．殼體

41．．．電池室

圖1係習用結構的分解示意圖。

圖2係本發明基本結構的組合示意圖。

圖3係本發明基本結構的分解示意圖。

圖4係本發明基本結構的側視示意圖。

圖5本發明基本結構的剖視示意圖。

附件：圖1係分佈光度計測量原理圖；圖2係懸置透鏡的優化模擬圖；圖3係本發明的角度量測圖；圖4係傳統手驗筒的角度量測圖；圖5係本發明與手電筒角度比較圖；圖6係本發明與傳統手電筒光強度比較圖；圖7夾角20至30度與1米處所交會的幾何關係圖；圖8係傳統手電筒的光照圖；圖9係本發明反射杯照度結果圖；圖10係傳統手電筒的的光照圖；圖11係本發明優化反射杯的光照圖；圖12係本發明優化反射杯及透鏡組合的光照圖。

10．．．反射杯

11．．．腔室

110．．．弧錐形反射部

12．．．開口

13．．．基部

13a．．．圓孔

20．．．透光罩

200．．．穿孔

21．．．透光柱

22．．．透鏡

30．．．發光二極體

40．．．殼體

41．．．電池室

Claims (9)

1. 一種發光二極體優化照明裝置，其包括：一反射杯，其包括一腔室，分別位於該腔室之前端及後端的一開口及一基部，及該腔室內壁形成一弧錐形反射部，該弧錐形反射部的圓徑自該基部逐漸向該開口增大；一透光罩，其周緣連接該開口之口緣而覆罩在該開口處；一透光柱，其具有相反的一第一端及一第二端，該第一端連接該透光罩，該第二端伸入至該腔室內而臨近該基部；一透鏡，其設置在該透光柱的該第二端，使該透鏡懸置在該腔室內部，臨近該基部，且對正該基部中央；及至少一發光二極體，其固定在該基部中央，且對正該透鏡；該發光二極體所發出之光線中，一部份經由該錐形反射部反射後而由該開口向外射出，一部份經由該透鏡及該透光柱後而由該開口向外射出；其特徵在於，該反射杯之內徑尺寸與外徑尺寸及深度尺寸的比例為1：5：5，該透光罩之圓徑與該透光柱之長度的比例為1.2：1，該透光罩之圓徑與該透光柱之外徑及該透鏡之圓徑的比例為4：1：1，該反射杯之該基部為一供該發光二極體穿置的圓孔，該圓孔與該開口的圓徑比例為1：5。
2. 如請求項1所述之發光二極體優化照明裝置，其中，該透光柱與該透鏡的外徑相同。
3. 如請求項1所述之發光二極體優化照明裝置，其中，該透光罩中央具有一穿孔，該透光柱呈管狀，該第二端與該透鏡相接而呈 封閉，該第一端與該透光罩中央相接並經由該穿孔而呈開放。
4. 2或3所述之發光二極體優化照明裝置，其中，該透光罩、該透光柱及該透鏡以同一材質一體成型。
5. 如請求項4所述之發光二極體優化照明裝置，其中，該材質為PMMA。
6. 如請求項1所述之發光二極體優化照明裝置，其中，該反射杯以ABS材質加工而成，該弧錐形反射部的表面電鍍有銀、鋁、鐵、銅、鋅或鎂。
7. 如請求項1所述之發光二極體優化照明裝置，其中，該發光二極體為發光二極體(CREE XPE)。
8. 如請求項1所述之發光二極體優化照明裝置，其中，該透光罩圓徑為18mm，該透光柱長度為15mm，該透光柱之外徑及該透鏡的圓徑同為4.5mm。
9. 如請求項1所述之發光二極體優化照明裝置，其更包含一與該反射杯後端結合的殼體，該殼體內部具有一供電池置放的電池室。