CN1914527A - 固态发光器件 - Google Patents

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Abstract

光子发射器件(100)包括多个固态辐射源(104)以产生辐射。可以在阵列图形中设置固态辐射源。以相应阵列图形排列的聚光器(120)接收来自相应固态辐射源的辐射。由同样以相应阵列图形排列的多个光波导(130)接收集中辐射。每个光波导包括接收辐射的第一端(132)和输出辐射的第二端(133)。提供支撑结构(150)，稳定第一和第二端之间的多个光波导。在包括道路照明、电光源、图像投射和辐射激活的固化的各种应用中，光子发射器件可以提供放电灯设备的替换。

Description

固态发光器件
技术领域
本发明涉及一种照明或光设备及系统。更具体，本发明涉及可以替换当前光强度定向的光源的固态发光器件及系统。
背景技术
照明系统用于各种应用。家庭、医学、牙科和工业应用常常需要可被利用的光。类似地，飞行器、船舶和汽车应用常常需要高强度照明光束。
传统的照明系统使用电力灯丝或弧光灯，其有时包括聚焦透镜和/或反射表面，以将产生的照明直接变为光束。基于电力灯丝或弧光灯的常规光源如白炽或放电灯泡辐射360度的光和热。因此，对于车俩前灯应用，在传统前灯中所使用的反射/聚焦/聚集光学器件必须被设计和/或特别处理，以承受由高强度(和高热量)放电灯泡引起的持续热效应。此外，这些传统应用需要反射光学器件来提供基于工业需要的照明输出图形。
某些当前替换方法使用高功率LED的组作为光源。通过聚焦光学设备的帮助，将由这种光源发出的光导向单个光波导，例如大的锥形塑料滤光器，其将光传送到远离一个或多个源的位置。在另外其他方法中，可以用一捆单个滤光器替换单个光纤。这些当前系统是低效率的，在某些情况下有大约70％的所生成光的损失。在多光纤系统中，这些损失是由于在捆中的光纤之间的暗的裂缝间隔以及将光导向光纤捆的效率。
发明内容
根据本发明的第一实施例，一种光子发射器件包括多个固态辐射源，以产生辐射。可以以阵列图形设置固态辐射源。以相应的阵列图形排列的聚光器从相应的固态辐射源接收辐射。由同样以相应的阵列图形排列的多个光波导接收集中辐射。每个光波导包括接收辐射的第一端和输出辐射的第二端。提供支撑结构，稳定第一和第二端之间的多个光波导。
在示例性实施例中，辐射源是单个LED管芯或芯片，或激光二极管。波导可包括光纤，例如聚合物包层石英光纤。多个光波导的第一端接收从辐射源发射的辐射。当照明时，多个光波导的第二端可以被捆扎或排列，以形成单个辐射照明源。
聚光器可以是非成像聚光器，例如反射耦合器，其耦合并聚集从辐射源发射的光，以提供可用的发射来通过相应的光波导所导向。在示例性实施例中，每个聚光器光连通，并插入相应LED管芯和相应光波导的第一端之间。
根据本发明的另一实施例，光子发射器件包括固态光源，其包括产生辐射的多个固态辐射源。可以以阵列图形设置固态辐射源。以相应的阵列图形排列的聚光器从相应固态辐射源接收辐射。由同样以相应阵列图形排列的多个光波导接收集中辐射。每个光波导包括接收辐射的第一端和输出辐射的第二端。系统还包括耦接到固态光源的控制器，选择性地激活一个或多个单个LED管芯和/或多个LED管芯的组。
本发明的上述概述不旨在描述本发明的每个所说明实施例或每种实现。下面的附图和详细说明具体示出这些实施例。
附图说明
图1A示出了根据本发明的第一实施例的光子发射器件的透视图，图1B示出了其分解图。
图2示出了根据本发明的实施例布置在互连电路上的示例性LED管芯阵列的顶视图。
图3示出根据本发明的实施例的光子发射器件的侧视图。
图4示出根据本发明实施例的通过非成像聚光器耦合到光纤的各个LED管芯的近视图。
图5A-5F示出了根据本发明的替换实施例的替换光纤输出图形。
图6A示出了根据本发明的替换实施例的用于易操纵输出的选择性光纤输出图形，以及图6B和6C分别示出了用于易操纵输出的示例性条带和支撑结构实施方案。
图7示出了根据本发明的替换实施例的用于易操纵输出的另一替换输出图形，其中光纤的部分输出端具有成角度抛光的输出表面。
图8示出了根据本发明的实施例的用于光纤阵列连接器的替换结构。
图9A示出了根据本发明的另一实施例的适合于失常的光子发射系统。
图9B示出了根据本发明的另一实施例适合于失常的示例性控制器电路。
图10示出了光子发射器件的示例性实施方案，这里使用为“冷”前灯。
图11示出了固态发光器件的另一示例性实施方案，这里用作牙科固化装置的一部分。
图12示出了固态发光器件的另一示例性实施方案，这里用作辐射固化装置的一部分。
图13示出用于易操纵输出发射的替换实施例。
尽管本发明受各种改进和选择性形式影响，但是通过例子其细节在图中被示出和被详细描述。但是，应该理解，该意图并不是限制发明为所描述的特定实施例。相反，该意图是覆盖属于附加权利要求限定的本发明范围内的所有改进、等效权利以及替换。
具体实施方式
图1A示出了示例性结构中的固态发光器件100(在此也称为照明器件或光子发射器件)。在图1B中示出了发光器件100的分解图。通过“光”，它意味着电磁辐射具有处于电磁波谱的紫外光、可见光和/或红外光部分中的波长。在下述结构中，发光器件100可以具有可与常规高强度放电(HID)灯泡相比较的总体紧凑尺寸，因此对包括道路照明、点发光、背光、图像投影和辐射激活固化的各种应用中的灯装置提供替换。
发光器件100包括产生辐射的固态辐射源104的阵列。该辐射被聚光器120的相应阵列聚集和集中。然后该集中的辐射进入波导130的相应阵列中，波导130被支撑结构150支撑。现在将更详细地描述这些特征的每一个。
在示例性实施例中，固态辐射源104包括布置在阵列图形中的多个分立的LED管芯或芯片。分立的LED管芯104被分别安装并具有用于操作控制的独立电连接(而不是所有LED被它们的公共半导体基底互相电连接的LED阵列)。LED管芯可以产生对称辐射图形，以及在将电能转变为光时是有效的。因为许多LED管芯不是过度地热敏的，所以与许多类型的激光二极管相比，LED管芯可以仅仅利用适中的热沉(heat sink)充分地工作。在示例性实施例中，每个LED管芯与其最近邻间隔至少大于LED管芯宽度的距离。在进一步示例性实施例中，每个LED管芯与其最近邻间隔至少大于六个LED管芯宽度的距离。这些示例性实施例提供适合的热管理，如下面进一步详细说明。
此外，LED管芯104可以在-40°至125℃的温度下工作，以及与约10,000小时的大部份激光二极管寿命或大约2,000小时的UV弧光灯寿命相比较可以具有100,000小时范围内的工作寿命。在示例性实施例中，每个LED管芯可以具有约50流明(Lumen)或以上的输出强度。分立的大功率LED管芯可以是可从诸如Cree(如Cree的InGaN-基XBrightTM产品)和Osram买到的GaN基LED管芯。在一个示例性实施例中，LED管芯的阵列，每个具有约300μm×300μm发射面积(由Cree制造)，可用来提供集中的(小面积、大功率)光源。也可以利用其他发光表面形状如矩形或其他多边形形状。此外，在选择性的实施例中，所利用的LED管芯的发射层可以位于顶表面或底表面。
在某些示例性实施例中，可以利用多个仅仅蓝光或紫外光(UV)LED管芯。在其他示例性实施例中，一个或多个LED管芯优选可以在发光表面上涂敷荧光层(未示出)，如YAG:Ce荧光粉。荧光层可用于将LED管芯的输出转变为“白”光。例如。可以用YAG:Ce荧光粉(或类似)涂敷蓝色LED管芯。在该实例中，来自LED管芯的部分蓝光与荧光粉转变的黄光混合，以有效地产生“白”光。在另一实例中，RGB(红、绿、蓝)荧光粉的混合可用于将UV管芯输出转变为“白”光。在共同拥有和同时申请的申请名称为″Illumination System Using aPlurality of Light Sources″(U.S.申请No.10/726,222和U.S.公开No.2004-0149998-A1)中详细描述了荧光层布置和结构。
在选择性实施例中，可以在阵列中有选择地放置红、蓝和绿LED管芯的集合。所得的发射被光纤130的阵列聚集，以便当混合在一起时，观察者看到由光纤的输出端部发射的光是彩色光或“白”光。
在选择性实施例中，LED管芯阵列可以用垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列代替，该阵列通常可以提供可见区的输出，包括“白”光。
如图1B所示，来自LED管芯104的发射被多个聚光器120接收，聚光器120被布置为相应的阵列图形。在示例性实施例中，每个聚光器接收来自相应一个LED管芯104的辐射。在示例性实施例中，聚光器120包括布置在阵列中的非成像聚光器(也称为反射光耦合器)。聚光器120的反射表面的形状被设计成俘获由每个光源104发射的辐射的实质性部分，以保持功率密度。
此外，可以以基本上匹配光接收波导的接收角标准的方式设计该集中输出，以便辐射的实质性部分可用波导130俘获和通过其引导。在示例性实施例中，非成像聚光器120的阵列的每个非成像聚光器具有与二维(2-D)表面一致的内反射面，至少内反射面的第二部分与三维(3-D)表面一致。在共同拥有和待审、同时申请的专利申请名称″Reflective Light Coupler″(U.S.申请No.10/726,244)中详细地描述了这些及其他反射表面设计。
阵列120中的每个聚光器可以通过例如注入模塑、转移模塑、微复制、压印、冲压或热成型来形成。其中可以形成聚光器120(单个地或作为聚光器阵列的一部分)的基底或薄层可以包括各种材料如金属、塑料、热塑性材料、或多层光学薄膜(MOP)(如可以从3M公司St.Paul，MN获得的增强镜面反射器(ESR)膜)。用来形成聚光器120的基底材料可以涂敷有反射涂层，如银、铝或无机薄膜的反射多层叠层，或简单地抛光，以便增加其反射率。
此外，可以布置聚光器基底，使得聚光器的阵列可以被定向在LED管芯底下、周围或上面。在示例性实施例中，聚光器基底被布置在LED阵列上或紧邻LED阵列，以便可以形成在每个LED管芯104上滑动的阵列120的每个聚光器，以便聚光器的下开口123(参见图4)提供在LED管芯104的周边周围密闭配合。选择性的聚光器设计包括其上支撑LED管芯的基底上的反射涂层的附加使用。
图1B所示实施例的一方面是每个辐射源、相应聚光器和相应波导之间的一一对应。每个聚光器表面被设计成将来自相应LED管芯的各向同性发射转变为光束，这将满足相应光接收波导的接收角标准，在某些应用中，相应的LED管芯包括荧光粉涂敷的LED管芯。如上所述，该聚光器表面设计有助于保持从LED管芯发射的光的功率密度。
返回参考图1B，集中的输出辐射由多个光波导130接收，图1B示出光纤的阵列，每个波导具有输入端132和输出端133。本示例性实施例包括大线芯(例如，400μm至1000urn)聚合物包层石英光纤的阵列130(如市场上的贸易标识TECSTM，可以从3M公司St.Paul，MN获得)。在进一步示例性实施例中，每个光纤130可以包括具有约600μm至650μm的线芯直径的聚合物包层石英光纤。在示例性实施例中，光纤的纵向长度可以约为1至5英寸(2.5cm-12.5cm)长度。因为示例性光纤是非常柔软的，该短距离对紧密放置光纤、在输出端放置构图的光纤束仍然提供紧密型。此外，该短长度提供非常紧凑的器件，具有可与常规HID灯的尺寸相比较的尺寸。当然，在不导致输出的不利影响的条件下，在其他应用中可以增加光纤长度。
根据本发明的实施例也可以利用其他类型的光纤，如常规或专业化的玻璃光纤，取决于这种参数，例如LED管芯源的输出波长。例如，塑料光纤可能对涉及深蓝或UV光源应用的晒和/或漂白剂敏感。
另外，如本说明书所属领域的普通技术人员将明白，根据本教导也可以利用其他波导类型如平面型波导、聚合物波导、柔性聚合物波导等。
一旦由LED管芯发射的光被聚光器聚集和重定向到光接收光纤中，那么光纤可用来通过全内反射将光传输到特定位置，具有低的光损耗。但是，光接收光纤不仅仅用来通过将光纤从LED管芯阵列的较宽空间传输到更紧密空间或输出孔径处的空间，如紧密封装的光纤束，来传输光，而且来自(相对)分散的LED阵列的光可以被有效地集中为非常小的区域。此外，示例性光接收光纤线芯和覆层的光学设计，规定由于在输入端以及输出端处的光纤的数值孔径(NA)构形为从光纤束端部发出的光束。如在此所述，光接收光纤执行光集中和光束成形，以及光传输。
光纤132还可以包括光纤的一个或多个输出端133上的光纤镜头。类似地，光纤130的每个光接收端132还可以包括光纤镜头。在共同拥有和待审的美国专利公开号2004/0112877-A1和美国专利申请号10/670,630中描述了光纤镜头制造和实施方案。
光纤阵列连接器134可以用来支撑阵列130的每个光纤的第一端。在示例性实施例中，光纤阵列连接器134包括刚性材料如模制塑料材料，具有多个孔径，该孔径具有对应于聚光器120的图形。每个孔径容纳阵列130的光纤输入端132，以及在其处可以提供简单的键合。
在示例性实施例中，可以利用刚性或柔性互连电路层，以提供用于LED管芯104的热管理和电连接到LED管芯104。如图1B所示，互连电路层可以包括多层结构，如可以从3M公司Saint Paul，MN获得的3MTM柔性(或挠性)电路。例如，多层互连层可以包括由例如铜或其他热导电材料、电绝缘介质层114和构图的导电层113构成的金属安装基底112，其中LED管芯被连接到导电层113的键合焊盘(未示出)。电绝缘介质层114可以由各种适合的材料组成，包括聚酰亚胺、聚酯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸脂、聚砜或FR4环氧树脂复合物。导电层和导热层113可以包括各种适合的材料，包括铜、镍、金、铝、锡、铅及其组合物。
在示例性实施例中，如下面更详细地描述，LED管芯104的一个或多个组互相互连，但是与LED管芯的其他组分开，以提供失常的(pixilated)辐射输出。通孔(未示出)可用于贯穿介质层114。金属安装基底112可以被安装在热沉或热散逸组件140上。基底112可以通过电绝缘和导热材料层116与热沉140隔开。在示例性实施例中，热沉140还可以包括一系列热导体管脚，以在工作过程中进一步散逸来自LED管芯阵列的热量。
在一个示例性实施例中，每个裸LED管芯104可以位于介质表面114的凹陷部分中，直接在金属/电路层113上。在当前待审和共同拥有的申请名称″Illumination Assembly″(美国申请号10/727,220)中描述了互连电路的例子实施。
在另一实施例中，对于电互连可以利用基于更刚性的FR4环氧树脂的印刷电路板结构。在另一实施例中，可以根据需要，通过在适合的基底上构图导电环氧树脂或导电油墨制备低成本电路，以连接LED管芯阵列。
固态发光器件100还包括支撑结构。在图1B的示例性实施例中，支撑结构被配置为外壳150，具有输入孔径152和输出孔径154。外壳150为输入和输出端之间的波导130的阵列提供张力减轻，并可以防止外面光源损坏波导130。此外，外壳150可以提供刚性支撑，优选用于车辆应用，如下面更详细地描述的那些。选择性地，支撑结构还可以包括条带(banding)156，该条带156被布置与波导130的第二端的周边部分接触。条带156可以帮助以选定的输出图形分配波导130的输出端，如下面更详细描述。
此外，光纤阵列连接器134可以包括隆起部或缺口，以容纳外壳150的输入孔径152。尽管外壳150可以被键合或另外粘附到光纤阵列连接器134，但是在示例性实施例中，外壳150被锁扣装配在光纤阵列连接器134上。
在示例性结构方法中，光纤被首先载入光纤阵列连接器并键合到连接器。夹具(未示出)可以用来按行分组光纤，以具有有序的分组。该夹具可以包括多个部分，其从输入端至输出端重复地放置每个光纤。此外，该夹具可以被设计为光纤不互相跨越和具有用于输出端的可预测位置。为了固定输出端，利用刚性或柔性的条带，例如聚合物材料，以将光纤的位置固定在希望的输出图形内。
此外，在示例性实施例中，支撑结构可包括外客，其可以在光纤和条带上滑动，并可以固定到光纤阵列连接器。通过使用常规粘合剂或键合元件，条带可以被固定在外壳的输出孔径内。另外，该支撑结构可以包括遍及光纤束和围绕光纤束形成的包封材料。
另外，支撑结构150可以包括粘合材料，如键合环氧树脂，该粘合材料可以被应用于部分波导130，以便当粘合剂设置时，该波导被固定在希望的图形中。在其中波导是光纤的示例性实施例中，键合环氧树脂在对用于抛光的光纤的输出端提供支撑中也是有用的。键合环氧树脂或粘合剂可具有暂时或永久的设置。
整个定位(alignment)可以通过一个或多个定位管脚160提供，该一个或多个定位管脚160可用于将光纤阵列连接器134、聚光器阵列120、互连电路层110和热沉140定位在一起。在器件100的每个上述部件中可以形成一系列定位孔，如图2所示的定位孔162，以容纳定位管脚160。聚光器阵列120与互连电路层对准可以通过使用基准(未示出)来完成。
图2说明固态发光器件100的覆盖区。在该示例性结构中，在耦接到热沉140上的互连电路层110上，可以以基本上矩形阵列图形提供六十个(60)LED管芯104的阵列。当然，根据本发明，LED管芯的阵列可以包括基本上更大或更少数目的LED管芯104。但是，因为每个LED管芯具有约300微米的宽度，每个LED管芯104可与其最近邻间隔超过LED管芯宽度，本发明的固态光源可以提供高的总功率密度、紧凑的覆盖区(footprint)面积(约1in2至4in2或6.5cm2至26cm2)和适当的温度控制。输出端的覆盖区可以小于、等于或者大于输入端的。例如，在示例性实施例中，光纤133的输出端的覆盖区(见图1B)可以更紧凑，在大约0.1in2至1in2(0.65cm2至6.5cm2)的级别上。
图3中示出了固态发光器件100的侧视图。在该示例性实施例中，在热沉140上布置互连电路层110(具有在其上安装的LED管芯)，热沉140还包括在与输出孔径154相反方向上延伸的热散逸管脚142。此外，如上所述，外壳150可以包括突起153，以允许锁扣固定在光纤阵列连接器134上。聚光器120的阵列被布置在光纤阵列连接器134和互连层110之间。在该实施例中，光纤130被光纤阵列连接器134和条带156支撑，条带156被布置在外壳150的输出孔径154内。
如图4更详细所示，该固态发光器件的示例性结构包括减小光纤阵列的各个光纤131和聚光器阵列的各个聚光器121之间的未对准的光纤聚光器定位机构。具体，光纤阵列连接器134还可以包括在聚光器阵列基底的凹坑部分125中啮合的突起部分135。因此，光纤131被容纳在光纤阵列连接器134的孔径中。然后在聚光器基板上布置光纤阵列连接器，以致突起135被凹坑125容纳。以此方式，聚光器121的输出孔径126可以基本上与光纤131的输入端齐平。此外，利用该示例性设计，可以在同时抛光光纤的多个输入端，以便光纤端部相对于聚光器放置，为了足够的光耦合。此外，在图4的例子结构中，聚光器121的接收孔径123可以被紧邻相应的LED管芯104的发射面周边或围绕相应的LED管芯104的发射面周边布置。尽管未示出，位于聚光器基板和互连电路层之间的隔片可以在这两个元件之间设置适当的空间。然后聚光器基板可以被固定到隔片，或使用常规技术键合到互连电路层。
图4还示出了示例性多层互连110的截面，其包括将LED管芯104键合到互连层110的导电环氧树脂115。第一和第二电导电层113，111(可以包括，例如，镍和金，或其他导电材料)，提供到阵列中的每个LED管芯的电迹线，利用布置的介质层114(例如，聚酰亚胺)提供电绝缘。提供基板112(例如，铜)，以支撑导电和绝缘层，以及对热沉140提供导热性，以远离发射方向传导热量。
根据在此描述的原理，该固态发光器件可以在一个或多个方向上同时提供高度定向的和/或成形的输出发射。如图1A和1B所示，光纤阵列130的输出端133可以被构图，以提供矩形或正方形输出。图5A-5F说明用于光纤阵列的选择性可配置输出端图形，该输出端图形可以根据特定应用需要的照明类型来采用。
例如，图5A示出了六边形输出光纤图形133A，图5B示出了圆形输出光纤图形133B，图5C示出了环形输出光纤图形133C，图5D示出了三角形输出光纤图形133D，以及图5E示出了线形输出光纤图形133E。此外，如图5F所示，在选择性的示例性实施例中，可以提供分段的输出图形133F，其中对于特定的目标照明可以利用多个分开的光纤输出组。因为固定光纤输出端的条带可以由具有韧性的材料形成，如基于铅、锡和锌的材料和合金(或类似)，在某些应用中，光纤输出图形可以被重配置。
如图6A-6C所示，该固态发光器件的输出可以是易操纵的，以便可以同时或交替地照明一个或多个不同的方向。图6A示出了例如，在三个不同的组233A，233B和233C中布置的光纤输出端部233。例如，在正常条件下，固态发光器件可以通过端部233A可以在正向上提供输出照明。在车辆转向侧边的情况下，那么对应于输出光纤233B的LED管芯可以被激活(例如，通过触发例如转向信号指示器的信号，或通过将操纵轮转动设定量)，以便可以通过输出光纤233B在该侧向提供附加照明。类似地，如果转向另一侧，对应于输出光纤233C的LED管芯可以被激活，以便在另一侧向中可以提供附加照明。
另外，可以利用光纤的横向延伸输出布置提供易操纵的照明系统，如图5E所示，由此如下所述的失常(pixilation)控制电路(参见例如图9A和9B)可以从一侧至另一侧激活照明光纤块，例如，在转向或其他事件期间。以此方式，输出照明可以根据应用直接朝向(或远离)转向的方向。
以此方式，非机械方法可用于由该固态发光器件提供易操纵输出照明。另外，如本说明书中所给出的所属领域的普通技术人员将明白，可以利用更多或更少的光纤组。此外，该分组可以具有不同的相对取向，例如对于来自相同固态光源的高光束-低光束输出发射。
在图6B中，示出了可以用来稳定和支撑不同光纤组的结构。例如，在光纤的输出端提供条带256。条带256可以提供第一孔径254、第二孔径254A和第三孔径254B，其中布置在孔径254A和254b中的光纤将输出方向不同于布置孔径254中的光纤的光。此外，如图6C所示，条带256可以被连接到外壳250或与外壳250集成，作为固态发光器件的支撑结构中的一部分。
另外，如图7所示，该固态发光器件可以由光纤输出端的一个光纤束产生易操纵的光。例如，光纤输出端133可以被设置在相同的位置，如图6B的输出孔径254。在该示例性实施例中，确定为光纤输出端129的这些输出端部的一部分以不同的角度被成角度抛光，以至基本上不同于光纤输出端133的剩余部分的角度(例如，相对于光纤轴10至50度)。所得的发射将处于不同于光纤端133的输出的方向。因此，与相对于图6A-6C的上述应用相类似，当用作汽车前灯时，该固态发光器件可以在正向(通过输出端133)和侧向(通过输出光纤129)中都提供输出照明。
在提供易操纵照明的选择性实施例中，图13所示，从阵列连接器734延伸的光纤可以被包扎为多个偏离光纤束、中心光纤束730A和侧面光纤束730B和730C。由光纤束的输出端发射的光被多焦点透镜750接收，如非球面透镜，来自该偏离光纤束的输出变为希望的不同照明区751A，751B和751C。可以自动地和/或通过操作者控制来执行该易操纵照明。
在本发明的示例性实施例中，该固态发光器件可以用作照明源，例如在车辆前灯的应用中。例如，可以通过使用凸缘139来完成固定至现有前灯插座，图8所示。凸缘139可以被布置在光纤阵列连接器134的周边部分上。凸缘可以被设计成啮合在这种插座的锁定槽中。另外，凸缘可以形成在固态发光器件中的其他元件上，如外壳或聚光器基板上。
根据本发明的另一实施例，如图9A所示，提供一种照明系统300，允许可以用于孔径成形和/或动态光束移动的失常光控制。系统300包括固态光源301，其以类似于如上所述的固态光源100的方式构成。控制器304通过导线302和连接器310耦合到固态光源301，连接器310可以被连接到互连电路层。电源306被耦合到控制器304，以提供电源/电流到固态光源301。
在示例性实施例中，控制器304被配置为有选择地激活包含于固态光源301中的各个LED管芯或LED管芯组。此外，因为光接收波导与LED管芯以一一对应设置，照明系统300可以提供失常输出。这类失常控制允许控制不同的颜色(例如，用于RGB输出的红、绿和蓝)或类似颜色的(例如，白色)LED管芯。
图9B示出了可以对包含于固态发光器件中的LED管芯阵列提供失常的例子控制电路305。在该例子中，在LED管芯阵列中设置六十个LED管芯(LD1-LD60)，这些管芯被集合成每二十个LED管芯的三个大组(314A-314C)，每组进一步被分为较小的子分组或每五个LED管芯的沟道(例如，LD1-LD5)。总体，在该示例性实施例中，每个五个LED管芯的十二个沟道可以被分开地控制。在一个例子实施方案中，在RGB输出应用中，第一组LED管芯可以包括发红光的LED管芯，第二组LED管芯可以包括发蓝光的LED管芯以及第三组LED管芯可以包括发绿光的LED管芯。另外，在另一例子实施方案中，LED管芯的第一、第二和第三组可以包括发“白”光的LED管芯。
此外，该互连电路层也被设计成能为不同的LED管芯组提供分开的互连。根据在此描述的原理，也可以利用不同类型的LED管芯组，以及更大或更少数目的LED管芯。利用该结构，分开的RGB LED管芯沟道可以被驱动，以提供“白”或其他颜色输出。此外，由于LED管芯退化，特定的二极管沟道将失效或暗淡，在较高电流下，相邻沟道可能被驱动，以便输出照明看起来保持不变。因为互连层的(相对)宽LED管芯间隔和/或热管理能力，到某些LED管芯沟道的更大驱动电流将不会不利地影响总体性能。
此外，可以在互连电路层(或其它事宜的位置)上设置温度传感器(未示出)，来感应在或者靠近不同LED管芯沟道的温度变化。这样，控制电路305可用来变化特定沟道中的电流总量，以补偿由于提高的温度而在该沟道中的光输出中的通常减小。
更详细地，通过电源306电路305接收电压。该电压通过升压转换器芯片312A-312C和它们的相关电子设备(未示出)变为调整的输出电流/电压源。以此方式，来自电源306的电压变化可以被减轻，提供给LED管芯的电流/电压保持在调整级别。芯片312A-312C可以包括，例如，可以从National Semiconductor获得的LM2733芯片。在该示例性实施例中，在80-100mA下，驱动电压/电流参数可以约为20伏，因此为整个LED管芯阵列提供总共约1.0至1.2A。然后驱动电流/电压被提供给阵列内的不同LED管芯沟道。在该例子中，每个LED管芯正常地将需要约20mA偏置电流，偏压阈值随电流增加而增加，对于典型的GaN基LED管芯接近约4.0V。当然，不同的LED管芯效率或成分可能需要不同的偏压和驱动电平。
此外，在电路305中可以包括电阻器/电热调节器链316，以设置每个LED管芯沟道的总最大电流。此外，可以提供开关组318，包括相应数目的LED管芯沟道电子开关，由此每个LED管芯沟道被耦合/去耦合到地线(或电源，根据相对于LED管芯沟道的开关组排列)，以便激活每个特定的LED管芯沟道。开关组318可以被微控制器(未示出)或遥控开关(例如，转向信号)自动地控制，基于特定应用需要的照明参数。当然，该电路结构允许许多实施方案和取代，如本说明书给出的技术领域的普通技术人员所理解。例如，控制电路305可以被实现为利用相同的电流驱动所有LED管芯，或者给定的LED管芯沟道可以被自动地或依命令导通/截止。通过增加固定或可变电阻到开关组的开关脚，不同电流可以被施加到每个沟道。
图10示出了可以用于“冷”前灯应用中所利用的示例性固态发光器件401的示意图。例如，固态发光器件401被布置在汽车或其它车辆(未示出)的前灯隔离室402中，该固态发光器件401可以根据如上所述的实施例配置。通过可滑动啮合的凸缘439的使用，发光器件401可以被固定在隔室402中，该可滑动啮合的凸缘439被配置为在插座的狭槽438内滑动和锁定。因此，从光输出方向散发热量的热沉440位于分开的隔室404，例如汽车或其它车辆的内部发动机隔离室中。通过光学元件415光束成形的输出照明可以被集中/聚焦为基于需要的照明图形。光学元件415可以被设计成提供符合当前安全组织(例如，NHTSA)标准的选择的输出图形。例子光学元件可以包括非球面/变形的光学元件，和/或间断和/或非分析的(键槽(spline))光学元件。
利用该方法，可以避免使用在前灯隔室402中布置的复杂反射光学元件，此外，因为热量从隔室402散逸，因此不必特别热处理隔室402中的任意剩余的光学元件，因此避免由暴露于频繁的高强度热量可能引起的性能下降。此外，如果固态发光器件401设有输出光纤和输出孔径结构，如图6A-6C所示，可以完成易操纵的输出照明，不必利用当前由常规HID灯操纵输出时必须采用的移动镜子，灯泡和/或镜头机构。
在此描述的固态发光器件也可以用于其他应用。例如，图11示出了示意性牙科固化应用，在牙科固化设备500中包含固态发光器件501(具有与图1A和1B和/或其他实施例类似的结构)。该固态发光器件501可以被布置在牙科固化设备500的处理部分510中。此外，用来容纳和引导来自LED管芯或其他固态光产生源输出的输出光纤可以贯穿光传递臂525，该光传递臂525可以被直接放置在可固化材料上。在该应用中，可以根据接收该照明的材料的固化外表利用UV和/或蓝光辐射源。
在还一替换实施例中，图12示出示意性大批材料固化设备，如织物(web)固化台。例如，在粘合、带或基于织物的制造中，粘合剂常常是蓝光/UV可固化材料，其必须在不同的材料或基底上固化。在常规方法中，高强度放电和弧光灯常常用来执行固化工序。但是，这些常规灯辐射360度的光和热量，因此需要复杂的热交换和/或冷却机构。另外，在某些常规方法中，基底材料和UV固化剂必须适合于承受高强度热量。
图12提供在常规固化系统中发现的发热问题的一种解决办法，其中固化台600包括固态发光器件604(类似于如上所述的实施例构成)，固态发光器件的热散逸或热沉元件可以位于热交换单元602中。如上所述，通过适当的LED空间、导热互连电路和/或热沉，由固态发光器件的辐射源产生的热量从光输出的方向散逸。
此外，固态发光器件604可以发出高度集中的辐射到可辐射固化的材料，因此减小由固化的不足深度引起的有害效应。LED管芯或其他辐射产生源的集中输出可以被波导阵列聚集和引导，该波导阵列布置在张力减轻外壳630中，并传递给设置在基底652上的辐射可固化材料或配方650。基底652可以被布置在移动平台或输送带上，以提供用于大量材料的连续固化。如上面相对于图5A-5F所述，波导的输出端，例如光纤，可以被布置在大量不同的可重配置图形中，因此制成固态发光器件，特别适合于固化具有各种各样形状的材料和/或固化深度需要。
在还一应用中，在此描述的固态光源可用在投射系统中。由于提供失常输出的能力，LED管芯阵列可包括用于RGB输出的不同输出颜色LED管芯。此外，为了渐进的扫描，可以多路复用输出，以提供适宜的投射图像。此外，上述实施例的固态光源可用作LCD显示器的背光的源。具体地，当对于“白”发射使用磷涂敷的管芯时，失常的白色LED管芯可提供LCD显示器的增加的对比度。
尽管参考示例性优选实施例叙述了本发明，但是在不脱离本发明的范围的条件下，本发明可以以其他特定的形式体现。由此，应理解在此叙述和图示的实施例仅仅是示例性的，不应该被认为是限制本发明的范围。根据本发明的范围可以进行其他改变和改进。

Claims (47)

1.一种光子发射器件，包括：
多个固态辐射源，生成辐射；
多个聚光器，其中每个聚光器接收来自所述固态辐射源的相应一个的辐射；
多个光波导，其中多个光波导的每一个包括第一端和第二端，其中每个第一端接收来自相应聚光器的集中辐射；以及
支撑结构，稳定第一端和第二端之间的多个光波导。
2.如权利要求1的光子发射器件，其中多个固态辐射源包括多个LED管芯。
3.如权利要求2的光子发射器件，还包括：
互连电路层，提供到多个LED管芯的电连接，其中在其上捆扎LED管芯；
热沉；以及
热导粘合剂，将互连电路层热耦合到热沉。
4.如权利要求3的光子发射器件，其中互连电路层包括具有在其上构图的电互连电路的金属层，以及介质层。
5.如权利要求1的光子发射器件，其中多个波导包括多个聚合物波导。
6.如权利要求1的光子发射器件，其中多个波导包括多个光纤，该器件还包括光纤阵列连接器，以在预设图形中支撑多个光纤的第一端。
7.如权利要求6的光子发射器件，其中支撑结构包括外壳，其中外壳包括封闭光纤阵列连接器周边的第一孔径以及封闭光纤第二端的至少第一部分的第二孔径。
8.如权利要求7的光子发射器件，其中所述外壳还包括第三孔径，支撑光纤第二端的第二部分。
9.如权利要求7的光子发射器件，其中还包括条带，围绕并固定光纤第二端的至少第一部分。
10.如权利要求9的光子发射器件，其中条带包括聚合物材料，其在选定图形中至少固定多个光纤的第二端的第一部分。
11.如权利要求9的光子发射器件，其中光纤阵列连接器在图形中分组多个光纤的第一端，并且其中条带固定多个光纤的第二端的第一部分，使得沿着多个光纤的长度，多个光纤不交叉。
12.如权利要求8的光子发射器件，其中第一部分的第二端在第一方向上提供输出照明，并且第二部分的第二端在与第一方向不同的第二方向上提供输出照明。
13.如权利要求7的光子发射器件，其中外壳提供多个光纤的张力减轻。
14.如权利要求7的光子发射器件，其中第二孔径小于第一孔径。
15.如权利要求6的光子发射器件，其中支撑结构包括围绕并在至少部分光纤之间设置的模制环氧树脂。
16.如权利要求8的光子发射器件，其中多个光纤包括具有线芯和包层的聚合物包层石英光纤，所述光纤具有大约250微米至大约1000微米的线芯直径。
17.如权利要求3的光子发射器件，其中多个波导包括多个光纤，还包括：
光纤阵列连接器，在预设图形中支撑多个光纤的第一端；以及
薄层，支撑聚光器阵列，其中聚光器包括非成像反射耦合器。
18.如权利要求17的光子发射器件，还包括：
第一定位管脚，沿着照明器件的长度纵向设置，其中互连电路层、热沉、光纤阵列连接器和薄层每个包括容纳第一定位管脚的第一定位孔。
19.如权利要求17的光子发射器件，其中光纤阵列连接器的第一表面包括多个纵向设置的突起，其中薄层的第一表面包括相应的多个纵向设置的凹坑，啮合地匹配突起。
20.如权利要求6的光子发射器件，其中多个光纤的一部分具有成形的第二端，使得从成形的第二端发射的光沿着不同于从非成形的第二端发射的光的光路定向。
21.如权利要求8的光子发射器件，其中第二端的第二部分具有成形的第二端，使得从成形的第二端发射的光沿着不同于从非成形的第二端发射的光的光路定向。
22.如权利要求1的光子发射器件，还包括：
光学元件，在选择的光分配图形中聚集并分配来自光波导第二端的光辐射。
23.如权利要求2的光子发射器件，其中每个LED管芯与其最近邻相隔大于LED管芯宽度的间隔长度。
24.如权利要求2的光子发射器件，其中间隔长度大于或等于六个LED管芯宽度。
25.如权利要求2的光子发射器件，还包括：
互连电路层，提供到多个LED管芯的电连接，其中多个LED管芯以第一分组和第二分组排列，其中第一组LED管芯连接到互连电路层的第一部分并且第二组LED管芯连接到互连电路层的第二部分。
26.如权利要求25的光子发射器件，其中多个LED管芯还以第三组LED管芯排列，并且其中第三组LED管芯连接到互连电路层的第三部分。
27.如权利要求25的光子发射器件，其中第一组LED管芯的至少一个LED管芯的第一输出强度可控地与第二组LED管芯的至少一个LED管芯的第二输出强度分开。
28.如权利要求27的光子发射器件，其中多个光波导包括多个光纤，其中来自第一组LED管芯的发射与第一组光纤光连通，并且其中来自第二组LED管芯的发射与第二组光纤光连通。
29.如权利要求28的光子发射器件，其中第二组光纤的第二端在第二方向上发射辐射，该第二方向不同于由第一组光纤的第二端发射的辐射的第一方向。
30.如权利要求26的光子发射器件，其中第一组LED管芯包括红色发射LED管芯，其中第二组LED管芯包括蓝色发射LED管芯，以及其中第三组LED管芯包括绿色发射LED管芯。
31.如权利要求6的光子发射器件，其中光纤阵列连接器适于啮合在插座中。
32.如权利要求2的光子发射器件，其中多个LED管芯的至少一部分包括紫外线发射LED管芯。
33.如权利要求2的光子发射器件，其中每个LED管芯与磷材料光连通，以将每个LED管芯的输出发射转换为不同颜色的光。
34.一种汽车前灯，包括根据权利要求1的光子发射器件。
35.一种牙科固化设备，包括根据权利要求1的光子发射器件。
36.一种投射系统，包括根据权利要求1的光子发射器件。
37.一种LCD显示器，包括根据权利要求1的光子发射器件，其中该光子发射器件适于背光。
38.一种光子发射系统，包括：
固态光源，包括：
多个LED管芯，生成光辐射；
多个聚光器，其中每个聚光器接收来自相应一个所述LED管芯的照明；以及
多个光纤，其中多个光纤的每一个包括第一端和第二端，其中每个第一端接收来自相应聚光器的集中照明；以及
控制器，耦接到固态光源，以选择性地启动多个LED管芯的一个或多个组。
39.如权利要求38的光子发射系统，还包括：
互连电路层，提供到多个LED管芯的电连接，并电耦接到控制器；
热沉；以及
热导粘合剂，将互连电路层热耦合到热沉。
40.如权利要求38的光子发射系统，其中固态光源还包括：
光纤阵列连接器，在预设图形中支撑多个光纤的第一端；以及
薄层，支撑聚光器阵列。
41.如权利要求40的光子发射系统，还包括支撑结构，具有封闭光纤阵列连接器周边的第一孔径以及第二孔径，以稳定第一和第二端之间的多个光波导。
42.如权利要求38的光子发射系统，其中LED管芯阵列包括第一组红色发射LED管芯，第二组蓝色发射LED管芯，以及第三组绿色发射LED管芯。
43.如权利要求38的光子发射系统，其中控制器响应于触发信号，选择性地启动第一LED管芯沟道。
44.如权利要求38的光子发射系统，其中控制器向第一LED管芯沟道发送增大的驱动电流，以补偿来自第二LED管芯沟道的减小的发射输出。
45.如权利要求38的光子发射系统，其中控制器响应于增高的温度，向第一LED管芯沟道发送增大的驱动电流。
46.一种车辆前灯照明系统，包括位于第一车辆隔室中的固态光源，以产生选择的照明图形，其中由固态光源产生的热分散到远离第一隔室的位置。
47.如权利要求46的车辆前灯照明系统，其中选择的照明图形是易操纵的。
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