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CN102338347A - 适用于半导体灯的光学装置 - Google Patents

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Abstract

一种适用于半导体灯的光学装置，包括一基座、一透明本体以及一反射面。基座用于架设一半导体发光装置于其上，而透明本体封装半导体发光装置。反射面覆盖在透明本体的一顶端的一预定区域，且反射面具有曝露透明本体的一开口。从半导体发光装置射出的光穿过反射面的开口。

Description

适用于半导体灯的光学装置
技术领域
本发明是有关于一种电发光装置，且特别是有关于一种利用发光二极管(light emitting diode，LED)的电发光装置。
背景技术
发光二极管是半导体二极管的光源(semiconductor diode based lightsource)，当二极管被施予顺向偏压时(切换为开启)，电子能在装置中与空穴再结合而以光子形式释放能量。这个效应称为电致发光(electroluminescence)且光的颜色(对应于光子的能量)是视半导体的能隙(energy gap)而定。当作为光源时，发光二极管较白炽光源呈现出许多优点。这些优点包括低能耗、长寿命、强度提升、小尺寸、快速切换及较好的耐久性与可靠度。
然而，作为光源的发光二极管有其缺点。其中一个缺点是从发光二极管晶片射出的光集中在与发光二极管晶片表面的垂直或正交方向上，例如，发光二极管的光是在直向方向较强且在侧边方向剧烈缩减。为了让发光二极管的光更像在全部方向具均匀光射出强度的传统白炽光源，因而使用反射体来将发光二极管的光从直向导引至侧向。然而，导引光线仅利于侧向方向而牺牲在直向方向的光，并不足以成为有效率的均匀广角光源。
因此，提供一种能够从发光二极管晶片均匀地在大部份方向射出光的发光二极管灯泡是重要的课题。
发明内容
本发明提供一种光学装置，以使半导体灯能成为均匀的广角光源。
本发明提出一种适用于半导体灯(semiconductorbased lamp)的光学装置。此光学装置包括一基座、一透明本体以及一反射面。基座用于架设一半导体发光装置于其上，而透明本体封装半导体发光装置。反射面覆盖在透明本体的一顶端的一预定区域，且反射面具有曝露透明本体的一开口。从半导体发光装置射出的光穿过反射面的开口，同时，部分射出光借助反射面导引至侧面朝下及介于其间的方向。
本发明另提出一种适用于半导体灯的光学装置。此光学装置包括一基座、一透明本体及一反射面。基座用于架设一或多个发光二极管，而透明本体封装所述发光二极管。反射面覆盖在透明本体的一顶端的一预定区域，且反射面具有曝露透明本体的一开口。从所述发光二极管射出的光穿过反射面的开口。
本发明的光学装置中，由于反射面的开口可让部份光线通过，而反射面可将部份光线反射，所以能让光线均匀地往多个方向传递。因此，本发明的光学装置可让半导体灯成为均匀的广角光源。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1为根据本发明实施例的适用于半导体灯的光学装置的剖面图。
图2绘示图1中的光学装置的工作机制。
图3A绘示在图1中的光学装置中的光行进路径。
图3B绘示新增至图1中的光学装置的部份及相关的光行进路径。
图4A及图4B绘示图1的光学装置的一些设计变化。
图5A至图5D绘示本发明的发光二极管灯的模拟结果。
【主要元件符号说明】
100：光学装置    110：发光装置    120：基座    130：透明本体
135：边界      140：反射面     142：倾斜区域    145：开口    202：边界
210、215、218、220、225、310、315、320、325、330、335、350、355、450、455、460、465：光
360：平台      365：反射侧壁   400：光学装置    430：透明本体
432：凸形区域  435、437：边界  440：反射面
480：具有雾状表面的半透明盖体  500、520、540、560：圆极座标图
502、504、522、542、544、562：远场分布        506：圆角刻度
θ：入射角
具体实施方式
本发明揭露适用于半导体灯的光学装置，此光学装置将半导体灯的指向性光扩展至广角度的方向上，使得半导体灯的光型图类似于传统白炽灯泡。
图1为本发明实施例的适用于半导体灯的光学装置100的剖面图。光学装置100包括架设于基座120的半导体发光装置110。常见种类的半导体发光装置110是发光二极管，发光装置110可以是一个发光二极管或一个发光二极管阵列所形成。发光装置110的发光面被透明本体130所封装，而反射面140形成在透明本体130的顶端。反射面140可具有位于反射面140外环的倾斜区域142。较佳地，反射面140是透明本体130的顶端表面的一部份，其镜反射从发光装置110的光至具高光强度的广角度。反射面140可由镀于透明本体130顶端的金属层或借助在透明本体130顶端黏上薄层的板金所形成。
请再参考图1，反射面140具有一开口145，其大致曝露透明本体130的中央部份，因此发光装置110的中央区域亦被暴露。开口145容许发光装置110提供的光直接照耀至透明本体130外。
如图1所示，透明本体130在开口145中的边界135具有一特别的凹形轮廓，其与反射面140一起设计，以借助称为全内反射(total internalreflection)的光学现象来反射发光装置110提供的部份光至侧面方向。
图2绘示全内反射的机制。当光穿过介于不同反射系数(n1及n2)材料的边界202时，光210将在边界202发生部份折射(如光218)及部份反射(如光215)。然而，如果入射角θ大于一临界角，光220将停止穿过边界202，而是在内部被完全反射回去(如光225)，亦即发生全内反射。上述的临界角是指光线接近与边界平行，亦即入射角等于临界角时，光被折射而沿边界行进。全内反射只会发生在当光从较高折射系数(n1为较高折射系数)的介质行进至较低折射系数(n2为较低折射系数)的介质。举例来说，当光从玻璃传递至空气时可能会发生，但从空气传递至玻璃时不会发生。制作透明本体130的材料可以是玻璃或透明聚合物，如丙烯酸树脂(acrylics)、聚碳酸酯(polycarbonate)、氯乙烯(poly(vinyl chloride))、聚乙烯(polyethylene)、聚对苯二甲酸乙二酯(terephthalate，PET)。
图3A绘示在图1中的光学装置100中的光行进路径。如图3A，从发光装置110的外部区域射出的光310以较小入射角入射边界135时，部份光310被折射成光315。如此的折射光315是直接从发光装置110传出。
请再参考图3A，从发光装置110的中央区域射出的另一光320以较大的入射角入射边界135而产生全内反射。因此，光320自边界135及反射面140依序反射，并在侧面方向从透明本体130射出而成为光325。明显地，边界135沿着开口145尺寸的轮廓设计决定了直接射至直向方向的光(以光315表示)的量，以及射至侧面方向的光(以光325表示)的量。一般来说，开口145的尺寸小于发光装置110的尺寸。
图3B除了绘示图1的光学装置100之外，还绘示了相关的光行进路径。如图3B，发光装置100是借助平台360呈载。平台360具有倾斜的反射侧壁365，到达反射面140的光330被反射成侧面光束335。到达反射面140的倾斜区域142的另一光350被反射向下，然后再被平台360的反射侧壁365反射，最后成为具有较小朝下角度的侧面光束355。
图4A及图4B绘示图1的光学装置100的一些设计变化。如图4A，光学装置400具有与图1的光学装置100相同的发光装置110，但是封装发光装置110的透明本体430的中央从反射面440的开口突出。突出的中央区域的剖面呈现二个由边界435、437围住的凸形区域432。边界435面向远离中央的方向，并且较佳的是设计成平直的。边界437面向朝向中央的方向，并且较佳的是设计成弯曲的。光460被弯曲的边界437全内反射而成为离开透明本体430的光465。明显地，弯曲的边界437的作用与图3A的凹形边界135相同。光450经由平直的边界435折射而成为光束455。借助控制边界435、437可优化光学装置400的光型图。
如图4B，光学装置400具有一具有雾状表面的半透明盖体480，其包覆整个光学装置400。具有雾状表面的半透明盖体480可增加射出光的均匀性。
图5A绘示本发明图3B的发光二极管灯的模拟结果。如图5A，圆极座标图(circular polar plot)500在圆角刻度(circular angular scale)506上显示远场(far-field)分布(光强度分布)502及504，其中0度代表其轴向(on-axis direction)，180度代表0度的相反方向，而其余方向则为离轴角度(off-axis angle)。在传统发光二极管装置中，即使配置有光导引元件，其180度方向的光线仍会受到光源(发光二极管)的阻挡。然而，在本发明的较佳实施例中，部分光线可形成侧向延伸，使得180度仍有光强产生。如图3B，发光装置110的直径是20公厘(mm)，透明本体130的直径是38mm，透明本体130的顶端与发光装置110的表面之间的距离是8mm。远场分布502显示发光装置110之下的光具有相当大的强度，远场分布504显示光亦射至发光装置110上方。
如图5B，当类似于图4B的具有雾状表面的盖体480的一具有雾状表面的盖体盖住图3B的发光二极管灯时，可得到圆极座标图520。远场分布522显示光型图接近圆形，其意指发光二极管灯射出的光线均匀地分布于所有方向射出。
图5C及图5D绘示本发明图4A及图4B的发光二极管灯的模拟结果。如图5C，圆极座标图540在圆角刻度506上显示远场分布(光强度分布)542及544，其中0度代表其轴向(on-axis direction)，180度代表0度的相反方向，而其余方向则为离轴角度(off-axis angle)。如图4A，发光装置110的直径是20mm，透明本体130的直径是38mm，透明本体130的顶端与发光装置110的表面之间的距离是11.83mm。远场分布542显示在发光装置110的上角度约在135度及225度的光强度非常高，远场分布544显示光亦射至发光装置110上方。
如图5D，当具有雾状表面的盖体480盖住于如图4B显示的发光二极管灯可得到圆极座标图560，远场分布562显示光型图接近圆形，其意指发光二极管灯射出的光线均匀地分布于所有方向射出。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视申请专利范围所界定的内容为准。

Claims (10)

1.一种光学装置，适用于半导体灯，其特征在于该光学装置包括：
一个基座，用于架设一个半导体发光装置；
一个透明本体，封装该半导体发光装置；以及
一个反射面，覆盖在该透明本体的顶端的一个预定区域，该反射面具有曝露该透明本体的一个开口，
其中，从该半导体发光装置射出的光穿过该反射面的该开口。
2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于：该半导体发光装置包括至少一个发光二极管。
3.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于：该开口位于该透明本体的中央区域。
4.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于：该透明本体具有一个或多个凹形边界，其位于被该开口所曝露的区域。
5.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于：该透明本体具有一个或多个凸形边界，其位于被该开口所曝露的区域。
6.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于：该透明本体稳固在该基座。
7.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于：该透明本体由选自于玻璃或聚合物的材料所制成。
8.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于：该反射面更包括一个倾斜区域，其导引从该半导体发光装置射出的光朝下。
9.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于：该反射面由镀于该透明本体的表面上的反射材料形成。
10.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于更包括一个具有雾状表面的半透明盖体，其包覆该基座及该透明本体。
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