CN101297238B - 具有不同二次光学器件的多个发光二极管 - Google Patents

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Abstract

组合用于产生不同光分布图案的、具有相关联的二次光学的多个发光二极管晶片(LED)，以产生具有期望图案的有效光源。通过示例的方式，第一LED可包括产生在中心处具有最大强度的光分布图案的透镜，而第二LED可使用产生其最大强度围绕由第一LED产生的光分布图案的最大强度的光分布图案的透镜。然后，可以组合来自LED的光以产生期望的照明图案。如有需要，可使用例如具有不同光分布图案的附加LED和透镜。此外，可使用可变电流驱动器，以改变流到不同LED的电流量，以使得可根据需要改变该组合照明图案。

Description

具有不同二次光学器件的多个发光二极管
技术领域
本发明总体上涉及发光二极管，并且具体地涉及具有多个发光二极管来产生期望照明轮廓的装置，其中发光二极管具有不同的二次光学器件(secondary optics)。
背景技术
发光二极管(LED)装置具有不断增加的应用。尤其对能够生产白光(包括R、G和B分量)的装置感兴趣，这是因为它们替代传统光源(如灯泡)的潜力。
然而，一些应用具有即使利用LED相对小的尺寸也难以克服的空间和照明问题。例如，诸如用于小相机(例如，在移动电话中)的闪光、点光、或闪光灯之类的一些应用需要在目标上的大量光，但是仅仅有更小的空间可用于装置。因为来自闪光的光分布必须满足许多规格，所以这样的应用尤其有问题。例如，对于相机闪光，通常期望增加其效率，以使得相机视场中心的照明强度比朝向相机视场边缘的照明强度略大。典型地，在视场的水平边缘处，照明强度水平应该是中心值的大约60％，而在角落处，大约30％的值是可接受的。为了增加照明强度水平并修改分布，一般使用二次光学器件，即，LED和场景之间的光学器件。如果没有二次光学器件，从LED发出的光的仅仅一部分(例如，20％)会到达视场区域，而在使用传统二次光学器件的情况下，大约40％的光到达场景。利用传统的闪光模块，不能将该值40％增加更多。如果想要增加该值，例如，通过对光进行准直(collimate)，会不利地影响其它规格。例如，如果设计二次光学器件来将光的该部分增加到大大超过40％，则边缘处的照明强度将减少，导致画面角落变暗。
对于具有可变聚焦范围的应用，遇到了其它问题。例如，对于通常称为缩放透镜相机的多焦相机，期望使用可变的照明轮廓，来容纳不同的聚焦范围。具有为固定距离优化的照明轮廓的发光装置的使用在这样的应用中是无效的。尽管可以使用机械解决方案，如增加或减少源/光距离，但是这样的解决方案难以实现并且是昂贵的。此外，包括电机械装置将需要额外的空间，由此限制了LED装置的空间节省优势。
发明内容
根据本发明的实施例，组合用于产生不同光分布图案的、具有相关联的二次光学器件的多个发光二极管管芯(LED)，以产生具有期望图案的组合照明。在一个实施例中，第一LED可包括如下透镜，其产生在中心处具有最大强度的光分布图案，同时第二LED可使用如下透镜，其产生这样的光分布图案，其最大强度围绕由第一LED产生的光分布图案的最大强度。例如，如有需要，可使用具有不同光分布图案的附加LED和透镜。可通过组合来自LED的光来产生期望的照明图案。在一个实施例中，可使用可变电流驱动器，来改变到一个或多个LED的电流量，以便可根据需要来改变该组合的照明强度。
附图说明
图1是示出使用三个相同发光二极管(LED)(每个都使用相同的二次光学器件)和使用三个相同LED而不使用二次光学器件的传统闪光模块的照明强度的图示。
图2图示出视场并标识出图1中引用的垂直、水平和对角线边缘。
图3A示出根据本发明的实施例的、包括具有不同二次光学器件的多个LED的装置的侧视图，其中每个LED产生不同的光分布图案。
图3B示出类似于图3A中所示的装置的侧视图，其中整体地形成光学器件。
图4是示出例如图3A所示的、具有三个具有不同类型的二次光学器件的LED的装置的照明强度的图示。
图5示出具有利用可变驱动器电流元件进行控制的多个LED管芯(每个都具有不同的二次光学器件)的装置的示意图。
图6和7示出两个LED的光分布图案的照明强度。
图8示出具有强中心峰值的组合照明图案。
图9示出具有近似均匀的光分布的组合照明图案。
图10示出具有宽的光分布的组合照明图案。
图11示出可使用本发明的蜂窝电话主体。
图12A示出具有根据本发明来使用而形成的发光二极管装置的阵列的单片装置。
图12B示出附加了光学元件的、沿着线A-A的图12的单片装置的简化横截面视图。
具体实施例
图1是示出传统闪光模块的照明强度的图示，其中水平轴表示相对于场景(其中使用对称光学器件)中心的距离，并且垂直轴表示照明强度。传统地，闪光模块包括具有单个透镜的单个LED、没有二次光学器件的多个LED、或者每个都具有各自的但相同的二次光学器件的多个LED。图1示出了第一曲线12，其说明了每个都具有相同透镜的三个LED的照明强度。光到达场景的部分是大约40％，并且满足光分布规格，即，在视场边缘处的照明强度小于中心处。在图1中，标有“V”的位置对应于垂直视场边缘，“H”对应于水平视场边缘，“D”对应于在视场边缘对角线上的位置。图2以示例的方式图示了视场，并标识出垂直、水平和对角线边缘。图1还示出了曲线14，其说明了没有二次光学器件的三个LED的照明强度，并指示仅仅大约20％的光到达场景。利用传统的闪光模块，不能再增加该值40％太多而不会不利地影响其他规格，即，视场边缘处的照明强度。
图3A示出了根据本发明的实施例的装置100的侧视图。装置100包括多个发光二极管(LED)管芯102、104和106(有时称为LED 102、104和106)，每个都具有不同类型的二次光学器件。因此，第一类型的透镜103被安装到LED管芯102，第二类型的透镜105被安装到LED管芯104，并且第三类型的透镜107被安装到LED106。透镜103、105和107被配置为从它们各自的LED 102、104和106产生不同的光分布图案。LED 102、104和106在基座(submount)101上彼此相近，但隔开适合于区分每个LED管芯的光学中心的距离。尽管在图3A中示出了三个LED102、104和106，但应当理解，根据本发明的实施例，可使用更少(例如，两个)或更多(例如，四个或更多个)的LED。如有需要，可使用多个基座。
可分离地形成或交替地形成图3A所示的透镜103、105和107，如图3B所示，类似于图3A所示的装置100的装置100’可使用整体形成的透镜103’、105’和107’，例如，它们可通过注模、浇铸和转塑或其它合适的方式来形成。
LED 102、104和106和基座101可以是例如在此通过引用并入全文的、授予Bhat等人的美国专利No.6885035中讨论的类型。如可从图3A看出，p和n接触点110p和110n位于LED 102、104和106的同一侧上，其经常被称为倒装芯片或倒装设计。在与接触点相对的一侧上，由LED 102、104和106生成的光耦合离开LED。例如，LED 102、104和106可以是III氮化物类型，其具有包括但不限于GaN、AlGaN、AlN、GaInN、AlGaInN、InN、GaInAsN和GaInPN的成分。典型的基底材料是蓝宝石、碳化硅SiC、或III氮化物，因为在这些基底上易于成核并生长高质量的III氮化物晶体。LED 102、104和106或在LED 102、104和106和各自的透镜103、105和107之间的联结材料(未示出)可包括磷覆层，以产生期望的白光。例如，蓝色泵吸LED管芯可覆盖有黄磷，以产生蓝光和黄光的混合光，其看起来是白色。
接触点110n和110p例如通过金凸点114电连接到位于基座101之上或之中的金属印迹112。由此，因为LED 102、104和106具有倒装设计，所以例如通过凸点108形成的电接触位于基座101与LED 102、104和106的底面之间。基座101上的凸点108和金属印迹112之间的互连产生LED和基座之间的电连接，同时提供用于在操作期间从LED带走热量的热路径。尽管所示的实施例涉及金凸点，但该互连可由基本金属、金属合金、半导体金属合金、焊料、热及电导软膏(paste)或化合物(例如，环氧物)、LED管芯和基座之间的相异金属之间的低熔结点(例如，Pd-In-Pd)、或焊料点来构成。
基座101可由Si或陶瓷(如高温共烧陶瓷)或其他合适的材料(如薄膜铝或其它热封装材料)来形成。可在基座上包括可选的介电层，例如SiO2(未示出)，用于在LED管芯和基座基底之间的电绝缘。如有需要，可在基座101上、或在基座101上的电路112中安装其它装置。例如，可在基座101上安装静电放电(ESD)保护电路。
图4是类似于图1的图，并示出了具有三个LED的装置的照明强度，其中LED例如图3所示、具有不同类型的二次光学器件。图4用虚线示出了各个LED的照明强度，用实线示出了照明强度的总和。为便于比较，用点划线12示出了传统装置的照明强度。
如图4中的曲线122所示，一个LED包括产生在中心处具有最大值的照明的光学器件，并具有相对高的准直度，例如，从第一LED发出的光的94％到达场景。如曲线124和126所示，与其它两个LED相关的光学器件产生具有这样的照明图案，其最大强度围绕由第一LED(例如，曲线122)产生的光分布图案的最大强度。曲线124和126所示的、由第二和第三LED产生的照明图案可具有环形、方形、椭圆形或其它合适的形状。曲线126所示的、由第三LED产生的分布图案具有也至少部分围绕由第二LED产生的分布图案(曲线124所示)的最大强度。此外，曲线124和126所示的分布图案也具有高的准直度，例如，从其它两个LED发出的光的59％和41％分别到达场景。曲线128示出了三个LED的照明强度的总和。因为从LED发出的光的高准直度，与传统系统中(其是近似为40％)相比，更多量的光(例如，近似为62％)到达场景。
采用如图3A、3B和4所示、具有产生准直光的不同光学器件的LED的一个重要的优点是，需要较少的电流来实现与传统系统相同的照明强度，或者说，使用与传统系统相同的电流可实现较高的照明水平。在本例中，使用具有三个相同透镜的传统系统而获得的、由曲线12示出的照明分布是通过以最大电流操作所有三个LED而获得的。另一方面，在第一LED以仅仅46％的最大电流来操作的同时可产生由曲线122说明的照明强度，而另两个LED以70％的最大电流来操作的同时可产生由曲线124和126示出的照明强度。如可从图4看到的，尽管以减少了的电流来操作LED，但是由曲线128示出的、所得到的总照明强度近似与由以最大电流操作的传统系统产生的、由曲线12示出的照明强度相同。因此，当在每单位瓦特功率的场内勒克斯(Lux)平均数方面进行比较时，这意味着如图4所示，本发明比传统系统更有效1.5倍。因此，使用本发明的实施例，可节省电池电力。
在本发明的另一实施例中，可利用可变驱动器电流来单独寻址LED102、104和106，以控制所产生的光的强度。以此方式，可根据需要，产生不同的光分布图案。
在一个实施例中，LED连接到主电流驱动器，并且使用分离的电流调节器和用于每个LED的开/关切换器来分离地控制LED。可替换地，可变驱动器电路包括多个分离的可调整电流驱动器。每个分离的可调整电流驱动器连接到并控制一个或多个LED。一般来说，根据本公开，设计用于独立控制经过多个LED的电流、以调整由各个LED产生的照明强度的可变电流驱动器电路，是在本领域技术人员的能力范围内的。
图5示出了具有连接到LED管芯152、154和156的可变电流驱动器电路160的装置150的一个实施例的示意图。装置150可类似于如图3A所示的装置100，其中另外利用可变电流驱动器电路160来独立控制每个LED。如图5所示，装置150包括限流器和充电器157、能量存储电路158(如电池、电容器或超电容器)、以及升压驱动器159。升压驱动器159通过可变电流驱动器电路160中的电路162耦连到LED管芯152、154和156的阳极和阴极，以确保提供适当的正向(forward)电压。被示出为可变电流驱动器电路160的一部分的控制电路164分别经由控制元件166、167和168连接到LED 152、154和156，并来独立地控制分别经过LED 152、154和156的电流。例如，控制电路164可以是在移动电话(或其它应用)本身的CPU中设置的控制器。例如，控制元件166、167、168可以是具有运算放大器和参考电阻器的、使得能够进行有源电流控制的FET，但当然，如有需要，可使用其它电路。改变或控制流过电路的电流量的电路元件是公知的。例如，可使用电子开关或可编程驱动器，例如I2C接口。控制电路164可检测另一元件(如相机中的透镜170)的状态，并作为响应，将适当的信号提供给控制元件166、167和168，以调整流经LED的电流量。
应理解，尽管将每个LED 152、154和156示出为独立地由分离的控制元件166、167和168分别控制，但可由每个可变驱动器电流元件控制超过一个的LED。例如，LED 154和156可由相同的控制元件来控制。可替换地，多个LED可由每个控制元件来控制，例如，产生相同或相似光分布图案的多个LED可由相同的控制元件来控制。
图6到10示出了具有多个LED管芯的装置的操作，其中每个LED管芯具有不同类型的透镜，并独立地由可变驱动器电流元件来控制。然而，为了简化起见，与图5所示的三个LED相反，图6到10示出了具有两个LED(例如，LED 152和154)的装置。根据本公开，本领域技术人员将清楚根据本发明实施例的、具有三个或更多个LED的装置的操作。
图6和7分别示出了相对于分布角、以任意单位的LED 152和154的照明强度。如可在图6和7中看到的那样，LED 152上的透镜生成在中心处具有相对强的峰值，但在边缘处急剧下降的照明图案，而LED 154上的透镜生成环形的照明图案，其有时被称为蝙蝠翼光分布图案。
通过组合来自LED 152和LED 154的照明图案并改变LED 152和154的照明强度(例如，通过经由可变电流驱动器元件162和164来改变电流来进行)，可产生不同的照明图案。例如，如图8所示，通过分别如曲线202和204所示，向LED 152提供比LED 154更多的电流，产生具有强的中心峰值和相对小的照明场的组合照明图案，其如曲线206所示。当期望照射位于相对远处的对象，例如当长焦透镜期望进行相机闪光时，此照明图案可能尤其有利。在一个实施例中，不向LED 154提供电流，并且向LED 152提供所有可用的电池电流，以产生仅仅具有强的中心峰值的照明。
可替换地，通过如图9中的各个曲线212和214所示，向LED 152和LED 154提供近似相同的电流，产生相对平衡的照明图案，其如曲线216所示。当在“正常”透镜条件(即，不使用长焦也不使用广角)下使用闪光时，此照明图案可能尤其有利。
在另一配置中，分别如图10中的曲线222和224所示，向LED 152提供比LED 154更少的电流。所得的照明图案(如曲线226所示)具有宽的光分布图案。对于例如广角或微距性能，此照明图案可能尤其有利。
当然，其它组合照明图案是可能的。例如，近似平坦的分布图案是可能的，即，其中在视场上提供相同的照明强度。此外，如有需要，可使用仅仅一个LED，例如产生强的中心峰值照明的LED 152，来提供聚焦光束，以例如用作闪光灯或点光灯。取决于本发明的期望应用，例如，蜂窝电话闪光、汽车上的头灯或阅读灯、或者可携式摄像机照明系统，其它优化也是可能的。
此外，应理解，将LED附接到各种透镜的方法可改变。例如，在一个实施例中，可将装置100的透镜103、105和107安放、粘连或适当地直接连接到下层LED，其然后可被安装到最终应用的结构(例如，图11中所示的蜂窝电话主体300)中。可替换地，可将透镜103、105和107安放、粘连或相反形成到最终应用的结构中(例如，蜂窝电话主体300中)，然后，例如，可使用粘连材料或通过搭扣(snap)装置来将LED附连到该结构上。
尽管总体上作为在基座上安装的分离的LED装置而描述了本发明，但本发明可使用单个单片装置。图12A通过示例的方式示出了单片装置400，其上形成了发光二极管的阵列。装置400示出了总共9个发光二极管，但如有需要，可使用更多或更少的装置，如图12A所示，将沿着阵列周长的发光二极管402例如串联/并联地耦接在一起，并由触点403驱动。如有需要，可串联耦接所有的发光二极管装置402。由触点405分离地驱动中心发光二极管装置404。由此，可独立于到其余装置402的电流来控制到中心装置404的电流。在通过引用在此并入的U.S.6547249中更详细地公开了生产合适的单片装置。
图12B示出了沿着图12A中的线A-A的装置400的简化横截面视图，其中附加了光学元件410。如图12B所示，光学元件410可包括分别用于不同的发光二极管装置402和404的分离的透镜元件412和414。在一个实施例中，单个透镜元件可用于所有的发光二极管装置402和404，在此情况下，仅仅通过到阵列中不同发光二极管装置的可变电流来控制照明强度。
尽管结合指导目的的具体实施例示出了本发明，但本发明不限于此。可进行各种改编和修改，而不会脱离本发明的范围。此外，尽管主要将本发明描述为作为用于紧凑相机的闪光灯，但本发明可用于其它应用，例如用于其它类型相机的闪光灯，或者作为包括但不限于闪光灯或点光灯的应用中的稳态光源。因而，所附权利要求的精神和范围不应限于前述说明。

Claims (15)

1.一种照明设备，包括：
至少一个基座；
第一发光二极管管芯和第二发光二极管管芯，安装在所述至少一个基座上；
光学地耦连到所述第一发光二极管管芯的第一类型的透镜和光学地耦连到所述第二发光二极管管芯的第二类型的透镜，其中与所述第二类型的透镜产生的光分布图案相比，所述第一类型的透镜产生在中心处具有更大强度峰值的光分布图案；
电学地耦连到所述第一发光二极管管芯和所述第二发光二极管管芯中的至少一个的可变驱动器电流电路，所述可变驱动器电流电路提供电流，该电流可发生改变以改变所述可变驱动器电流电路电学地耦连到的所述第一发光二极管管芯和所述第二发光二极管管芯中的至少一个的照明强度；以及
可调整透镜，其中所述可变驱动器电流电路耦连到所述可调整透镜，并且响应于所述可调整透镜的调整而改变流到所述第一发光二极管管芯和所述第二发光二极管管芯中的至少一个的电流。
2.如权利要求1所述的照明设备，其中所述第一类型的透镜产生在中心处具有最大照明强度且近似准直的第一光分布图案，并且所述第二类型的透镜产生这样的第二光分布图案，该第二光分布图案的最大照明强度围绕该第一光分布图案的最大照明强度。
3.如权利要求1所述的照明设备，其中与所述第一类型的透镜产生的光分布图案相比，所述第二类型的透镜产生具有更大分布角的光分布图案。
4.如权利要求1所述的照明设备，其中所述第一类型的透镜和所述第二类型的透镜是整体形成的。
5.如权利要求1所述的照明设备，还包括安装在所述至少一个基座上的第三发光二极管管芯以及光学地耦连到所述第三发光二极管管芯的第三类型的透镜，其中与所述第三类型的透镜产生的光分布图案相比，所述第一类型的透镜产生在中心处具有更大强度峰值的光分布图案。
6.如权利要求1所述的照明设备，还包括安装到所述至少一个基座的多个附加发光二极管管芯、以及耦连到所述多个附加发光二极管管芯的一个或多个类型的透镜，其中与耦连到所述多个附加发光二极管管芯的所述一个或多个类型的透镜产生的光分布图案相比，所述第一类型的透镜产生在中心处具有更大强度峰值的光分布图案。
7.如权利要求1所述的照明设备，其中所述可变驱动器电流电路向所述第一发光二极管管芯提供第一可变电流，以改变由所述第一发光二极管管芯产生的光的照明强度，并向所述第二发光二极管管芯提供第二可变电流，以改变由所述第二发光二极管管芯产生的光的照明强度。
8.如权利要求1所述的照明设备，其中所述可变驱动器电流电路包括电学地耦连到所述第一发光二极管管芯的第一可变驱动器电流元件和电学地耦连到所述第二发光二极管管芯的第二可变驱动器电流元件、以及电学地耦连到所述第一可变驱动器电流元件和所述第二可变驱动器电流元件的控制电路。
9.如权利要求1所述的照明设备，其中所述可变驱动器电流电路向所述第一发光二极管管芯和所述第二发光二极管管芯中的至少一个提供脉冲电流，以产生照明闪光。
10.如权利要求1所述的照明设备，其中所述基座包括在所述至少一个基座的表面上或在所述至少一个基座内部形成的至少一个金属印迹，其中所述第一发光二极管管芯和所述第二发光二极管管芯之一电连接到所述金属印迹。
11.如权利要求1所述的照明设备，其中所述第一发光二极管管芯和所述第二发光二极管管芯中的至少一个为倒装类型，使多个电触点中的全部都位于底面上，其中所述多个电触点位于所述至少一个基座和所述底面之间。
12.如权利要求1所述的照明设备，还包括蜂窝电话主体，其中所述第一类型的透镜和所述第二类型的透镜耦连到所述蜂窝电话，并且其中所述基座、所述第一发光二极管管芯和所述第二发光二极管管芯耦连到所述蜂窝电话，以便所述第一类型的透镜光学地耦连到所述第一发光二极管管芯并且所述第二类型的透镜光学地耦连到所述第二发光二极管管芯。
13.一种照明方法，包括：
从第一发光二极管管芯产生光；
使用与所述第一发光二极管管芯相关联的透镜、生成在中心处具有最大强度的第一光分布图案；
从至少一个附加发光二极管管芯产生光；以及
使用与所述至少一个附加发光二极管管芯相关联的透镜，生成其最大强度围绕所述第一光分布图案的最大强度的第二光分布图案；
其中组合所述第一光分布图案和所述第二光分布图案，以产生组合的光分布图案；以及
改变提供到所述第一发光二极管管芯和所述至少一个附加发光二极管管芯中的至少一个的电流从而改变所述组合的光分布图案，其中响应于相机中的可调整透镜的调整来执行改变电流。
14.如权利要求13所述的照明方法，其中单个的透镜与所述第一发光二极管管芯和所述至少一个附加发光二极管管芯相关联。
15.如权利要求13所述的照明方法，其中分离的透镜与所述第一发光二极管管芯和所述至少一个附加发光二极管管芯相关联。
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