CN101278231B - 具有发光阵列和聚光镜的光源 - Google Patents

Abstract

一种照明系统，其包括排成阵列的多个发光元件，如发光二极管。一个或多个发光元件置于该阵列的中心区域。位于该中心区域的发光元件相对于该阵列中的其余发光元件具有优良的性能，所述性能诸如亮度和/或效率。第二区域在中心区域的外面，即距离该阵列的中心更远，该第二区域包括第二组发光元件，其相对于该阵列中的任何附加的发光元件都具有优良的性能。该阵列可以包括距离该阵列的中心更远的附加区域，附加区域包括具有较低性能的发光元件。具有光轴的聚光镜与该阵列光耦合，因此，该光轴近似位于该阵列的中心。

Description

具有发光阵列和聚光镜的光源

技术领域

本发明一般地涉及光源，更具体地涉及包括排成阵列的发光元件并且使用聚光镜(collection optic)的光源。

背景技术

发光二极管(LED)器件的应用日益增大。例如，利用LED的光学系统包括投影系统(如LCD和DLP投影仪)、剧场照明设备(如遮光罩)、纤维光学照明器、或者汽车前灯设备。这种光学系统通常包括收集系统(collection system)，所述收集系统将光准直从而将其有效地传递到目标。但是，所希望的是不断改进包括LED的光学系统的效率，以及一般而言的发光元件的效率。

发明内容

依照本发明的实施例，照明系统(light system)包括排成阵列的多个发光元件，其中性能优良的发光元件位于该阵列的中心或靠近该中心，性能较劣的发光元件位于距离该阵列的中心更远的位置。该阵列可以包括多组发光元件，具有性能较劣的发光元件的这些组比具有性能相对优良的发光元件的那些组位于距离该阵列的中心更远的位置。具有光轴的聚光镜与该阵列光耦合，从而使该光轴近似地位于该阵列的中心。该聚光镜可以是例如复合抛物形聚光器、聚光透镜、矩形角变换器、菲涅耳透镜、利用全内反射面的截面(section)的透镜，以及任何其他适当的器件，并且通常，该聚光镜对于平行于光轴发出的光线的传输效率比对于不平行于光轴发出的光线的传输效率更高。

附图说明

图1说明本发明可以使用的光源。

图2说明如图1中所示的光源，其具有位于该聚光镜和目标之间的附加的光学系统。

图3是说明作为光线与光轴之间夹角θ的函数的光学系统的传输(throughput)效率的图表。

图4A和4B分别说明发光元件的阵列的横截面视图和顶视图，该阵列由3×3排列的9个LED管芯组成。

图5说明由4×4排列的16个LED管芯组成的阵列的顶视图。

图6说明由5×5排列的25个LED管芯组成的阵列的顶视图。

具体实施方式

依照本发明的实施例，包括发光元件阵列的照明系统将性能最佳的发光元件置于该阵列的中心或靠近该中心，该阵列的中心与该聚光镜的光轴对准。

图1说明本发明可以使用的光源100。光源100包括安装在例如底座104上的发光元件的阵列102，所述发光元件如发光二极管(LED)。光源100包括聚光镜106，图中示出为复合抛物形聚光器。但是如果需要，本发明也可以使用其他或附加的聚光镜，如聚光透镜、矩形角变换器、菲涅耳透镜、利用全内反射面(TIR)的截面的透镜，以及任何其他适当的器件。一般来说，复合抛物形聚光器例如是具有反射壁的反射器，所述反射壁相对于该阵列成角度从而通常将发光元件的阵列102所发射的光进行准直。可选择的是，至少对于第一部分，可以使用直的壁道(wall tunnel)，从而实现光的较好的空间分布。利用该准直光来照亮目标110，该目标可以是被照亮或加亮的任何物体。图1中所示的光源100可以是完整的光源系统。可选择的是，如图2中所示，光源100可以包括在聚光镜106和目标110之间的一个或多个附加的光学系统120。

如图1中所示，聚光镜106包括光轴108，该光轴近似对准该阵列102的中心。图1中还示出了用作说明的从阵列102进入聚光镜106的光线109。所示的光线109相对于光轴108成角θ。图3是说明当光线进入系统时作为该光线和光轴之间夹角θ的函数的光学系统的传输效率的图表。图3中的图表显示出当角θ增大时，光学系统的效率减小。当角θ为零时，即因此当光线109靠近或平行于光轴108传播时，获得最高效率。

图4A和4B分别说明发光元件的阵列102的顶视图和横截面视图，该阵列由例如3×3排列的9个LED管芯组成。这些LED管芯放置于公共底座104上，该公共底座104具有用于LED的电连接。这些发光元件可以是任何类型的LED或其他适当的照明元件(light element)。例如，图4A和4B中示出的LED可以是倒装片，其具有在上述管芯一侧形成的n和p触点，因此不需要接线器。底座104具有可以焊接到管芯接触垫(contact pad)的对应的接触垫。底座104可以连接到电路板、引线框或其他支承组件，并且如果需要可以进一步连接到散热片。LED可以是磷光体变换的以产生例如白光。形成LED的例子，以及不同的彩色磷光体的例子在美国专利号为6133589；6274399；6274924；6291839；6525335；6576488；6649440；和6885035中记载，所有这些专利在此引入作为参考。但是应当理解，本发明可以使用任何适合的LED或者其他发光元件。

实际上，发光元件，如LED在性能方面有不同，所述性能诸如亮度和/或效率或对于系统的关键性能标准的任何其他参数。举例来说，可以作为性能标准的其他参数包括所希望的角发射、颜色、偏振或温度依赖性。但是，如图3的图表中所示，光学系统的效率随发射光的光线与光轴之间的角θ的减小而增大。这样，该光学系统对于平行于光轴发出的光线的传输效率比不平行于光轴发出的光线的传输效率更高。由于聚光镜106的光轴108与阵列102的中心对准，因此通常在该阵列的中心区域产生靠近或平行于光轴108而传播的光线。

因此，为了增大光源100的效率，将性能优良的发光元件置于阵列102的中心，使其成为产生靠近或平行于光轴108的光线的性能优良的发光元件。

出于说明性的目的，在图4B中标出阵列102中的三种分开的LED位置。如图4B中所示，阵列102的中心位置标为位置1、阵列102的第二区域标为位置2，阵列102的第三区域标为位置3。阵列102的中心区域1位于该阵列的中心，其与光轴108对准。第二区域2相对于中心区域1正交地定位，并且比中心区域1离阵列102的中心和光轴108更远。第三区域3沿着对角线来定位，因此比中心区域1和第二区域2离阵列102的中心更远。

依照本发明，具有相对于阵列102中发光元件的其余部分来说性能优良的发光元件安装在阵列102的中心区域1。四个性能次佳的发光元件安装在阵列102的第二区域2。最后，四个性能最差的发光元件位于离中心最远的位置，即阵列102中的第三区域3。这样，具有最佳性能的发光元件位于光轴108上或靠近该光轴，而性能较劣的发光元件位于离光轴108较远。在这种构造中，从例如位于中心区域1的性能最佳的发光元件以近似平行于该光轴而发出的光没有被聚光镜106的反射壁反射。

由于在安装之前必须已知每个发光元件的性能，因此在将该发光元件安装到底座104之前测试每个发光元件的性能。举例来说，可以当LED管芯在晶片形式时就对其进行测试。可选择的是，LED芯片可以首先安装在连接的底座的阵列上，其很容易测试，稍后进行切分(singulated)并安装在最终的底座104上。在一个实施例中，可以测试一大批发光元件，并且基于性能将其组织成三组；性能最佳、性能次佳和性能较劣(thethird best)。来自性能最佳组的发光元件安装在不同阵列的中心区域1中，而来自性能次佳组的发光元件安装在第二区域2中，来自性能较劣组的发光元件安装在第三区域3中。

应该理解，阵列102中的区域数量是说明性的。例如，可以将阵列102分成中心区域1以及包括位置2和3这两者的次级区域。在这一实施例中，具有最佳性能的发光元件安装在中心区域1中，其余发光元件安装在中心区域1的外面，即在次级区域2、3中。

此外，本发明中所用的阵列可以大于3×2。例如，图5说明由4×4排列的16个LED管芯组成的阵列220。图5包括根据性能的LED位置的标号，类似于图4B中所示。4个性能最佳的LED安装在通常用数字1指示的中心区域中，而具有次佳性能的8个LED安装在通常用数字2指示的第二区域中。4个具有较劣性能的LED安装在通常用数字3指示的第三区域中。

图6说明由5×5排列的25个LED管芯组成的另一个LED阵列250。LED位置的优先权用数字来指示。在阵列250中，存在6个特殊的位置。如上面所讨论的，LED安装在阵列250中，性能最佳的LED位于具有最高级的位置，即，最靠近中心，性能最差的LED位于具有最低级的位置，即，离中心最远。

尽管出于指导的目的结合特定实施例说明了本发明，但是本发明不限于此。可以在不背离本发明范围的情况下进行各种修改和改变。应该理解，本发明可以与更大的LED阵列一起使用，或者与其他阵列布局一起使用，如非正方形排列，例如2×3，或直线排列，例如1×3。因此，所附的权利要求的精神和范围不应当限制于上面的描述。

Claims (22)

1.一种照明系统，其包括：

多个发光元件，其排成阵列，该阵列包括：

中心区域，第一发光元件位于该中心区域，第一发光元件相对于安装在中心区域的外面的发光元件具有优良的性能；以及

第二区域，其在该中心区域的外面，该第二区域包含第二组发光元件，该第二组发光元件相对于第一发光元件具有较低的性能，

其中该阵列进一步包括第三区域，该第三区域位于第二区域的外面，该第三区域比第二区域离中心区域更远，该第三区域包含第三组发光元件，该第三组发光元件相对于第一发光元件和第二组发光元件具有较低的性能。

2.如权利要求1所述的照明系统，其中性能包括下面至少一个：亮度、效率、角发射、颜色、偏振和温度依赖性。

3.如权利要求1所述的照明系统，进一步包括具有光轴的聚光镜，该聚光镜与该阵列光耦合，光轴近似地位于该阵列的中心区域的中心。

4.如权利要求3所述的照明系统，其中该聚光镜对于平行于光轴发出的光线的效率比对于不平行于光轴发出的光线的效率更高。

5.如权利要求3所述的照明系统，其中该聚光镜是下面的一个或多个：聚光透镜、复合抛物形聚光器、矩形角变换器、菲涅耳透镜，以及利用全内反射面的截面的透镜。

6.如权利要求1所述的照明系统，其中该中心区域包含单个发光元件。

7.如权利要求1所述的照明系统，其中该中心区域包含多个发光元件，这些发光元件中的每个发光元件相对于安装在中心区域的外面的发光元件都具有优良的性能。

8.如权利要求1所述的照明系统，该阵列是方阵列，第二区域相对于中心区域正交地定位，第三区域相对于中心区域呈对角线地定位。

9.如权利要求8所述的照明系统，其中该阵列是3×3和4×4阵列之一。

10.如权利要求1所述的照明系统，该阵列进一步包括：

第四区域，其比第三区域离中心区域更远，第四区域包含第四组发光元件，第四组发光元件相对于第一发光元件、第二组发光元件和第三组发光元件具有较低的性能；

第五区域，其比第四区域离中心区域更远，第五区域包含第五组发光元件，第五组发光元件相对于第一发光元件、第二组发光元件、第三组发光元件和第四组发光元件具有较低的性能；以及

第六区域，其比第五区域离中心区域更远，第六区域包含第六组发光元件，第六组发光元件相对于第一发光元件、第二组发光元件、第三组发光元件、第四组发光元件和第五组发光元件具有较低的性能。

11.如权利要求10所述的照明系统，其中该阵列是5×5阵列。

12.如权利要求1所述的照明系统，其中该阵列是非方形阵列。

13.一种光源，其包括：

聚光镜，其具有光轴；以及

发光元件的阵列，其与该聚光镜光耦合，该阵列具有与光轴对准的中心区域，该中心区域包括第一发光元件，第一发光元件比安装在第二区域中的发光元件具有优良的性能，

其中该阵列进一步包括第三区域，该第三区域位于第二区域的外面，该第三区域比第二区域离中心区域更远，该第三区域包含第三组发光元件，该第三组发光元件相对于第一发光元件和第二组发光元件具有较低的性能。

14.如权利要求13所述的光源，其中性能包括下面至少一个：亮度、效率、角发射、颜色、偏振和温度依赖性。

15.如权利要求13所述的光源，其中该聚光镜对于平行于光轴发出的光线的效率比对于不平行于光轴发出的光线的效率更高。

16.如权利要求13所述的光源，其中该聚光镜是下面的一个或多个：聚光透镜、复合抛物形聚光器、矩形角变换器、菲涅耳透镜，以及利用全内反射面的截面的透镜。

17.如权利要求13所述的光源，其中该中心区域包括多个发光元件，这些发光元件中的每个发光元件相对于在该阵列的中心区域外面安装的发光元件都具有优良的性能。

18.一种排列光源的方法，其包括：

确定多个发光元件的性能；以及

通过将第一发光元件安装在阵列的中心或靠近该中心并将第二组发光元件安装在比第一发光元件离该阵列的中心更远的地方来产生发光元件的阵列，该第二组发光元件相对于第一发光元件具有较低的性能，

其中该阵列进一步包括在比第二组发光元件离该阵列的中心更远的地方安装第三组发光元件，该第三组发光元件相对于第二组发光元件具有较低的性能。

19.如权利要求18所述的方法，进一步包括使具有光轴的聚光镜与发光元件的阵列光耦合，该光轴与该阵列的中心近似对准。

20.如权利要求18所述的方法，其中性能包括下面至少一个：发光元件的亮度、效率、角发射、颜色、偏振和温度依赖性。

21.如权利要求18所述的方法，进一步包括将多个第一发光元件安装在靠近该阵列的中心，每个第一发光元件相对于在该阵列中的所述第一发光元件以外的发光元件具有优良的性能。

22.如权利要求18所述的方法，其中第一发光元件安装在该阵列的中心。

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