CN101532642B - 发光单元 - Google Patents

Abstract

一种发光单元包含至少一条形集光体及至少一发光二极管模块。条形集光体具有一端部，发光二极管模块具有一电路板及复数个发光二极管。这些发光二极管设置于电路板上，发光二极管模块与条形集光体对应设置，这些发光二极管发出的光线入射条形集光体混光后，由条形集光体的端部的一出光面射出。

Description

发光单元

技术领域

本发明关于一种发光单元，特别关于一种具有集光体的发光单元。

背景技术

由于发光二极管(Light Emitting Diode，LED)具有高亮度及省电等优点，因此，随着发光二极管的技术逐渐成熟，其应用领域也越来越广泛，例如照明设备及其它电子装置的光源。

请参照图1所示，一种习知的发光单元1包含复数个发光二极管11及一壳体H1。发光单元1藉由这些发光二极管11排列在同一平面上，以使这些发光二极管11所发出的光线由点光源集聚形成一面光源。但，发光单元1并未对这些发光二极管11所发出的光线进行混光，因此，当某些发光二极管11损坏时，不仅发光单元1的亮度会降低，且在损坏的发光二极管11处亦会形成明显的暗区；而且因为发光二极管11彼此的寿命不一致，因此在使用一段时间后，容易于出光面产生亮度与色度不均匀的现象降低产品的质量。

另外，请参照图2所示，另一种习知的发光单元2包含一发光二极管21及一出光体23。发光二极管21设置于出光体23的端部，出光体23为可透光材质，发光二极管21所发出的光线先射入出光体23后才射出，故可由点光源转变为线光源。然而，由于发光二极管21设置于出光体23的端部，因此，发光二极管21的数量受限于出光体23的端部面积而无法增加，进而也造成出光体23的亮度无法提升。

因此，如何设计一种能均匀混光且可提高亮度的发光单元，实属目前重要课题之一。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明的目的为提供一种能均匀混光且可提高亮度的发光单元。

于是，为达上述目的，依据本发明的一种发光单元包含至少一条形集光体及至少一发光二极管模块。条形集光体具有一端部，发光二极管模块具有一电路板及复数个发光二极管。这些发光二极管设置于电路板上，发光二极管模块与条形集光体对应设置，这些发光二极管发出的光线入射条形集光体混光后，由条形集光体的端部的一出光面射出。

承上所述，因依据本发明的一种发光单元利用一条形集光体来使复数个发光二极管所发出的光进行混光，并产生聚光(condense)效果，以提高发光单元的亮度。藉此，可避免这些发光二极管间的些许波长差异、老化或损坏所产生的影响，故对于这些发光二极管中的芯片，不但可以放宽挑选的波峰波长规格，并可以延长使用上的质量与使用寿命，进而降低材料成本。

附图说明

图1为习知的一种发光单元的示意图；

图2为习知的另一种发光单元的示意图；

图3为本发明第一实施例的一种发光单元的示意图；

图4A为本发明的发光单元的发光二极管平行于条形集光体的长轴方向的光形分布图，图4B为本发明的发光单元的发光二极管垂直于条形集光体的长轴方向的光形分布图；

图5A至图5C为本发明第一实施例的发光单元不同变化态样示意图；

图6A至图6E为本发明第一实施例的发光单元的条形集光体其它变化态样示意图；

图7A为本发明第二实施例的发光单元示意图，图7B为发光单元沿图7A中A-A直线的剖面图；

图8A为本发明第二实施例的发光单元一变化态样示意图，图8B为发光单元沿图8A中B-B直线的剖面图；

图9A为本发明第二实施例的发光单元另一变化示意图，图9B为发光单元沿图9A中C-C直线的剖面图；

图10A为本发明第二实施例的发光单元又一示意图，图10B为发光单元沿图10A中D-D直线的剖面图；

图11A为本发明第三实施例的发光单元示意图，图11B为发光单元沿图11A中E-E直线的剖面图；

图12A为本发明第三实施例的发光单元另一变化态样示意图，图12B为本发明第三实施例的发光单元又一变化态样示意图；

图13A为本发明第四实施例的一种发光单元的示意图，图13B及图13C为本发明第四实施例的发光单元不同变化态样示意图；

图14A至图14C为本发明第四实施例的发光单元应用于直下式背光模块的不同排列方式示意图；

图14D至图14G为本发明第四实施例的发光单元的变化态样应用于直下式背光模块的不同排列方式示意图；

图15为本发明第五实施例的发光单元的示意图；

图16为本发明第五实施例的发光单元应用于直下式背光模块的排列方式示意图；以及

图17A至图17C为本发明第五实施例的发光单元的不同变化态样示意图。

【主要组件符号说明】

1、2、3、3a～3h、4、4a～4c、5、5a、5b、6、6a、6b、7、7a～7c、8、8a～8c：发光单元

11、21、322、422、522、622：发光二极管

23、63、73、83：出光体

31、31a～31f、41、41a～41c、51、51a、61、71、81：条形集光体

311、411：端部

312、412、412a、412c、612、712：出光面

313、413：入光面

314：导光结构

315、315a：开孔

316、416：光转向面

317、317a、317b：缺口

418、418a～418c：空腔

32、42、52、52a、52b、62、72、82：发光二极管模块

321、421、521、521a、521b、621、721：电路板

323：棱镜膜片

323a：透镜

631：表面

64：反射层

65：滤光片

66：荧光转换材料

67：光学传感器

88：导光板

A-A、B-B、C-C、D-D、E-E：直线

C：连接件

d1：第一距离  d2：第二距离

D：扩散膜片

H1、H2：壳体

L1、L2：长轴方向

具体实施方式

以下将参照相关图式，说明依据本发明的一种发光单元，其中相同组件以相同标号表示。

第一实施例

请参照图3所示，本发明第一实施例的一种发光单元3包含至少一条形集光体31及至少一发光二极管模块32。其中，发光单元3可应用于手电筒、交通号志灯，投影笔或探照灯等照明装置。

条形集光体31具有一端部311，条形集光体31的材料例如为聚苯乙烯(polystyrene，PS)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯树脂(methylstyrene，MS)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)或玻璃至少其中之一。条形集光体31的截面形状例如为四边形、三角形、多边形、凸多边形、凹多边形、圆形或椭圆形，于本实施例中，条形集光体31的截面以四边形为例作说明。

发光二极管模块32与条形集光体31对应设置，其中，对应设置例如为邻设或嵌入等设置方式，于本实施例中以邻设为例作说明。发光二极管模块32平行于条形集光体31的长轴方向L1，发光二极管模块32具有一电路板321及复数个发光二极管322，其中，电路板321例如为一玻璃基板、一树脂基板、一陶瓷基板或一金属基板，而该等发光二极管322设置于电路板321上，且该等发光二极管322可利用串联、并联或串并联方式相互电性连接。该等发光二极管322可选自红色发光二极管、绿色发光二极管、蓝色发光二极管、黄色发光二极管、白色发光二极管、紫外光发光二极管及其组合所构成的群组，而且发光二极管322可为一发光二极管晶粒或一已封装的发光二极管。其中，该等发光二极管322所发出的光线可为同色光或混合光(例如：白光)。

该等发光二极管322发出的光线射入条形集光体31后，藉由全反射于条形集光体31中行进并先行混光，再由条形集光体31的端部311的出光面312射出。其中，出光面312的出光功率会大于该等发光二极管322的总发光功率的60％，藉此，除可提高发光单元3的亮度外，由于发光单元3的发光二极管模块32所发出的光线可先藉由条形集光体31内的全反射原理进行均匀混光，所以可避免该等发光二极管322间无法避免的些许波长差异所产生的影响，并发出均匀的光线。并对于该等发光二极管322中的芯片，可以放宽挑选的波峰波长规格，进而降低材料成本。

另外，请同时参照图3、图4A及图4B，为使该等发光二极管322所发出的光线较易于条形集光体31内产生全反射而传递，可选用平行于条形集光体31的一长轴方向L1具有一第一光形分布(如图4A的虚线所示)，而垂直于条形集光体31的长轴方向(即入射图面的方向)则具有一比第一光形分布窄的第二光形分布(如图4B的虚线所示)的发光二极管322。

接着，请参照图5A所示，发光单元3a为了提高发光二极管322发出的光线于条形集光体31a内的全反射率，条形集光体31a的一入光面313上更可具有复数个导光结构314，导光结构314分别对应各发光二极管322设置，其中导光结构314的形状非限制性，端以能散射发光二极管322发出的光线，以提高光线于条形集光体31内的全反射率而可传递光线为优先考虑。于此值得一提的是，导光结构314亦可为一微结构，例如为一微透镜结构、一微菱镜结构或一粗糙面结构。

其中，相邻的二发光二极管322相距一第一距离d1，且二发光二极管322所发出的光线于出光面312上各具有一光强度中心点，该等光强度中心点彼此相距一第二距离d2，第一距离d1大于第二距离d2。藉此，可使发光单元3a产生聚光(condense)效果。

请参照图5B所示，发光单元3b若条形集光体31上未设置导光结构，为了提高光线于条形集光体31内的全反射率，亦可利用一棱镜膜片323设置于发光二极管322与条形集光体31之间，或者，请参照图5C所示，于发光单元3c中透镜323a亦可设置于各发光二极管322之上，其中透镜323a以三角菱镜为例。

请参照图6A所示，发光单元3d亦可具有复数个发光二极管模块32，条形集光体31b则具有一开孔315，该等发光二极管模块32设置于条形集光体31b的复数侧。因此，藉由开孔315与条形集光体31b之间的结构与折射率差异作为光转向面316，将该等发光二极管322所发出的光线的光形与光强度做空间的能量分配，使出射条形集光体31b的光线更加均匀。其中，开孔315以一三角形开孔315为例，需注意者，开孔315的形状非限制性，端以能使出射条形集光体31b的光线更加均匀为优先考虑。

另外，请参照图6B所示，发光单元3e亦可具有不同开孔315a形状的条形集光体31c(例如开孔形状为一菱形)作为光转向面316，并将发光二极管模块32设置于条形集光体31c的两侧，藉此光线可由发光单元3e的两侧出射。

请参照图6C所示，发光单元3f具有二条形集光体31d，且该等条形集光体31d分别具有一缺口317来作为光转向面316，藉此除了可使出射条形集光体31d的光线更加均匀外，更可让光线由发光单元3f的两侧出射，以增加发光单元3f的应用范围。

请参照图6D所示，条形集光体31e具有不同形状的缺口317a来形成光转向面316，同样可使出射发光单元3g的光线更加均匀。请参照图6E所示，条形集光体31f亦可利用波浪形状的缺口317b，藉由空气与条形集光体31f之间折射率的差异，将发光二极管模块32所发出的光线的光型与光强度做空间的能量分配，使出射发光单元3h的光线更加均匀。

第二实施例

请同时参照图7A及图7B所示为本发明第二实施例的发光单元4，其中图7B为发光单元4沿图7A中A-A直线的剖面图。发光单元4包含一条形集光体41及复数个发光二极管模块42，条形集光体41具有一端部411、一出光面412、一入光面413及一光转向面416。发光单元4与第一实施例的差异在于：条形集光体41为圆柱体，并具有一空腔418，且该等发光二极管模块42以嵌入方式对应设置于空腔418内。如此一来，该等发光二极管422所发出光线同样由入光面413射入，并由光转向面416转向，再由出光面412射出。

藉此，可利用不同的形状条形集光体41，来增加发光单元4的应用范围。

另外，请同时参照图8A及图8B所示为第二实施例的发光单元4a的另一变化态样示意图，其中图8B为发光单元4a沿图8A中B-B直线的剖面图。发光单元4a的条形集光体41a为长条型圆锥体，而空腔418a位于条形集光体41a横截面面积较小的一端，该等发光二极管模块42同样以嵌入方式对应设置于空腔418a内。藉由于空腔418a中容置较多的发光二极管422，可以提高发光单元4a的亮度，且利用条形集光体41a不同的形状，亦可增加发光单元4a的应用范围。

请同时参照图9A及图9B所示为第二实施例的发光单元4b的又一变化态样示意图，其中图9B为发光单元4b沿图9A中C-C直线的剖面图。发光单元4b的条形集光体41b由一圆柱体及一立方体所组成。其中，条形集光体41b同样具有一空腔418b位于条形集光体41b立方体的一端。该等发光二极管模块42则对应空腔418b的位置，邻设于条形集光体41b。

请同时参照图10A及图10B所示为本发明第二实施例发光单元4c的再一变化态样示意图，其中图10B为发光单元4c沿图10A的D-D直线的剖面图。条形集光体41c亦具有一空腔418c，且空腔418c为真空或充填有一气体、一流体或一胶体。另外，若空腔418c充填流体或胶体，则流体或胶体内可具有复数个扩散粒子。藉此，利用气体、流体或胶体与条形集光体41c之间折射率的差异，将发光二极管模块42所发出的光线的光形与光强度做空间的能量分配，使光线由出光面412c出射发光单元4c时混光更加均匀。

第三实施例

请同时参照图11A及图11B所示为本发明第三实施例的发光单元5，其中图11B为发光单元5沿图11A的E-E直线的剖面图。发光单元5包含一条形集光体51及复数个发光二极管模块52，发光单元5与第一实施例的差异在于：条形集光体51穿设发光二极管模块52，发光二极管模块52的该等发光二极管522垂直于条形集光体51的长轴方向L1设置。其中，各发光二极管模块52的电路板521的形状例如中空环形、半环形、中空方形、中空长方形或ㄇ形，于本实施例以中空方形为例作说明。

另外，请参照图12A所示为第三实施例的发光单元5a的另一变化态样示意图。发光二极管模块52a的电路板(例如为软性电路板)521a呈螺旋状环绕于条形集光体51a，该等发光二极管522环绕条形集光体51a排列设置。藉此，同样可增加发光单元5a的出光强度。另外，请参照图12B所示，于发光单元5b中，发光二极管模块52b呈螺旋状的电路板521b，亦可面对于条形集光体51a作环绕，该等发光二极管522设置于条形集光体51a与电路板521b之间。

第四实施例

请参照图13A所示，本发明第四实施例的发光单元6与第一实施例发光单元3的差异在于：发光单元6更包含一出光体63。出光体63的材料可利用与条形集光体61相同的材料，例如为PS、PC、MS、PMMA或玻璃至少其中之一。出光体63的截面可例如为四边形、三角形、多边形、凸多边形、凹多边形、圆形或椭圆形，于本实施例中，出光体63的截面同样以四边形为例作说明。

出光体63与条形集光体61的出光面612连接，由出光面612射出的光线入射出光体63，且出光体63的一长轴方向L2与条形集光体61的长轴方向L1垂直。另外，出光体63的表面631可形成一粗化结构(例如喷砂于出光体63的表面631)、一网点印刷结构或一微结构(例如为一微透镜结构或一微菱镜结构)，以使光线由表面631出射。

另外，出光体63与条形集光体61之间可藉由一连接件C作连接，连接件C可例如为具有斜角的三角菱镜，或是一反射罩(图中未显示)，以导引光线至出光体63。当然，在制作上亦可将条形集光体61与出光体63一体成型，甚至出光体63、条形集光体61与连接件C三者可藉由射出成型方式一体成型。连接件C功能将条形集光体61射出的光线折射，以使光线进入出光体63中。

承上所述，各发光二极管622发出的光线先于条形集光体61中混光，再由条形集光体61的出光面612射入出光体63，并经由出光体63的表面射出。藉此，由于发光单元6的发光二极管模块62所发出的光线可先于条形集光体61中均匀混光，进而可使出光体63拟似成一发光条，并发出均匀的光线。

请参照图13B所示，发光单元6a的出光体63的长轴方向L2亦可与条形集光体61的长轴方向L1平行，同样利用连接件C连接。因此，各发光二极管622发出的光线于条形集光体61中混光后，由出光面612射出并经连接件C折射射入出光体63，再经由出光体63的表面射出。

请参照图13C所示为本实施例的发光单元的另一变化态样。发光单元6b更可包含一反射层64、至少一滤光片65、至少一荧光转换材料66及至少一光学传感器(photosensor)67。其中，反射层64设置于条形集光体61相对于出光面612的另一端部，滤光片65、荧光转换材料66及光学传感器67设置于条形集光体61出光面612上，于此以光学传感器67邻设于滤光片65为例。

藉由反射层64的设置可使条形集光体61的出光集中于出光面612，而滤光片65可为一多层镀膜，用以滤掉不想要的波长范围的光线，使得条形集光体61出光的色彩饱和度增加。荧光转换材料66可为一荧光转换层或一荧光体胶带，用以改变出光颜色，其中滤光片65与荧光转换材料66的位置可以互换。另外，设置光学传感器67则可对该等发光二极管622的出光作回授控制，例如藉由改变电流值，以改变发光二极管622的出光强度与颜色。

请参照图14A至图14C所示为以发光单元7作为一直下式背光模块的光源时，条形集光体71、发光二极管模块72及出光体73的排列方式可具有的变化。需注意者，以下图示中条形集光体71、发光二极管模块72及出光体73之间的结构已于前述实施例的条形集光体61、发光二极管模块62及出光体63具有相同的功效及技术特征，于此不再赘述。如图14A所示，复数个发光单元7以单行复数列的方式排列，作为直下式发光模块的光源。如图14B所示，复数个发光单元7以双行复数列的方式排列，作为直下式发光模块的光源。如图14C所示，复数个发光单元7同样以双行复数列的方式排列，但两行的该等发光单元7以该等条形集光体71与发光二极管模块72分别位于两侧，且同一列的该等条形集光体71与发光二极管模块72分别位于出光体73上下两侧的方式排列，以作为直下式发光模块的光源。

请参照图14D所示，发光单元7a可具有二出光体73，且条形集光体71具有二出光面712，该等出光体73分别设置并连结于条形集光体71的该等出光面712。其中，复数个发光单元7a以单行复数列的方式排列，可作为直下式发光模块的光源。

发光单元7b亦可应用如图14E的排列方式以作为直下式发光模块的光源。请参照图14E所示，发光单元7b亦可具有二出光体73、二条形集光体71及至少二发光二极管模块72，该等出光体73、该等条形集光体71及该等发光二极管模块72交错连接成一多边形。其中，复数个发光单元7b以单行复数列的方式排列，可作为直下式发光模块的光源。

另外，发光单元7c亦可应用如图14F的排列方式以作为直下式发光模块的光源。请参照图14F所示，发光单元7c中的出光体73沿设于条形集光体71的长轴方向L1。其中，复数个发光单元7c以单行复数列的方式排列，作为直下式发光模块的光源。

另外，请参照图14G所示，发光单元7应用于直下式发光模块时，更可包含一壳体H2，条形集光体71及发光二极管模块72设置于壳体H2，且出光体73的出光侧上可设置至少一扩散膜片D或至少一菱镜膜片，于此以一扩散膜片D为例作说明。另外，需注意者，发光二极管模块72中的电路板721除了可以立设于条形集光体71的一侧且立设于壳体H2以外，电路板721也可以平躺设置在壳体H2上，发光单元7、7a、7b及7c中的条形集光体71及发光二极管模块72的位置可以互换。

第五实施例

请参照图15所示为本发明第五实施例的发光单元8的俯视图。发光单元8与第一实施例发光单元3的主要差异在于：发光单元8更包含一导光板88，而出光体83的出光面面对导光板88。其中需注意者，以下图示中条形集光体81、发光二极管模块82及出光体83之间的结构已于前述实施例中叙明，于此省略表示，以避免图面表示不清。

藉由导光板88的设置，条形集光体81、发光二极管模块82及出光体83即可形成一侧光式发光模块，且出光体83出射的光线可经由导光板88更均匀地混光。另外，为使出光更为均匀，导光板88的出光侧亦可设置至少一扩散膜片或至少一菱镜膜片。

请参照图16所示，藉由复数个发光单元8作排列，发光单元8亦可应用于直下式背光模块中。请参照图17A至图17C所示为发光单元8a、8b及8c的不同变化态样。发光单元8a、8b及8c的结构除增加一导光板88外，其它如条形集光体81、发光二极管模块82及出光体83之间的结构，利用与第四实施例的发光单元7b、7c及7d相同的结构，于此不再赘述。另外，发光单元8a、8b及8c亦可利用如图16的排列方式以应用于直下式发光模块中。其中，需注意者，发光单元8、8a、8b及8c中的条形集光体81及发光二极管模块82的位置可以互换。

综上所述，因依据本发明的一种发光单元利用一条形集光体来使复数个发光二极管模块所发出的光进行混光，并产生聚光效果，以提高发光单元的亮度。藉此，可避免该等发光二极管间的些许波长差异所产生的影响，故对于该等发光二极管中的芯片，可以放宽挑选的波峰波长规格，进而降低材料成本。于实施例中，发光单元更可具有一出光体让均匀混光后的光线出射。藉由条形集光体与出光体的不同排列方式，本发明的发光单元可应用于直下式发光模块及侧光式发光模块。又，本发明的发光单元更可藉由一滤光片来提高条形集光体出光的色彩饱和度，并藉由一光学传感器来对发光二极管的亮度与颜色作回授检测。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的权利要求范围中。

Claims (17)

1.一种发光单元，包含：

至少一条形集光体，具有一长轴，该长轴的一端具有一出光面；

至少一发光二极管模块，具有一电路板及复数个发光二极管，这些发光二极管设置于该电路板上，该发光二极管模块与该条形集光体对应设置，这些发光二极管发出的光线入射该条形集光体混光后，由该条形集光体的该出光面射出；

其中该条形集光体具有一入光面及一光转向面，其中二发光二极管相距一第一距离，且发出的光线由该入光面射入且由该光转向面转向，并由该出光面射出；以及

该两发光二极管所发出的光线于该出光面上各具有一光强度中心点，这些光强度中心点彼此相距一第二距离，该第一距离大于该第二距离。

2.如权利要求1所述的发光单元，其中该条形集光体于该出光面的出光功率大于这些发光二极管的总发光功率的60％。

3.如权利要求1所述的发光单元，其中该条形集光体具有复数个导光结构，各该导光结构对应各该发光二极管设置。

4.如权利要求1所述的发光单元，其中这些发光二极管于平行或垂直该条形集光体的该长轴的方向排列设置，或环绕该条形集光体排列设置。

5.如权利要求1所述的发光单元，其中该发光单元具有复数个该发光二极管模块，且该条形集光体具有一空腔、一缺口或一开孔。

6.如权利要求1所述的发光单元，更包含：

一反射层，设置于该条形集光体相对于该出光面的另一端。

7.如权利要求1所述的发光单元，更包含：

至少一滤光片，设置于该条形集光体的该出光面。

8.如权利要求1所述的发光单元，更包含：

至少一光学传感器，设置于该条形集光体的该出光面。

9.如权利要求1所述的发光单元，更包含：

至少一荧光转换材料，设置于该条形集光体的该出光面。

10.如权利要求1所述的发光单元，更包含：

至少一出光体，该条形集光体射出的光线入射该出光体。

11.如权利要求10所述的发光单元，其中该出光体沿设于该条形集光体的该长轴的方向。

12.如权利要求10所述的发光单元，其中该出光体的一长轴方向与该条形集光体的该长轴的方向垂直。

13.如权利要求10所述的发光单元，其中该出光体的至少一表面具有一粗化结构、一网点印刷结构或一微结构。

14.如权利要求10所述的发光单元，更包含：

一导光板，设置于该出光体的一出光面。

15.如权利要求1所述的发光单元，更包含：

二出光体，该条形集光体具有另一出光面，这些出光体分别设置于该条形集光体的这些出光面。

16.如权利要求1所述的发光单元，其中该条形集光体具有一空腔，该空腔为真空或充填有一流体或一胶体。

17.如权利要求16所述的发光单元，其中所述空腔充填有一气体。

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