TW200923270A - Surface light illumination device with light power side emitting LEDs - Google Patents

Description

200923270 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於使用固態發光裝置的表面光照明的領域， 特別是獲得具有同質光分佈和高系統效率的表面光照明裝 置。 ' 【先前技術】 使用固態發光裝置例如發光二極體（LED)的照明系統日 益普及。LED是表面光照明應用的理想光源，因為其相較 於白熾光（例如，燈泡）具有多項優點，例如使用壽命較 長、每瓦發光效率較高、體積較小、耗電量較低、更為穩 健等。 〜 在發光應用中主要有兩種方法用於產生表面光照明。第 一種方法使用間接照明，其係使從LED發出的光耦合到— 波導中且經由一輸出耦合結構而耦合輸出到周圍環境中。 該等LED在這種情況下可以是高或低功率咖，而該等輸 出耦合結構可以是例如微結構、擴散材料或白漆。 然而’這種方法由於光的輸入、輸出耦合其一般系統效 率低，且光學路徑長。使用高功率將導致設計龐雜， &在發光應用中並不理想，特別是在消費產品方面。 第二種方法是基於由表面陣列LED連同一用於產生同質 光分佈的光學元件之直接照明。在這種方法中使用的該等 led通常是低功率LED，而該光學元件通t是散光器或其 他一些光散射微結構。然而，這種方法的缺點是它只能使 用低功率LED。如果使用高功率LED，該裝置將變厚重而 132989.doc 200923270 無法運用在發光應用中，特別是在消費產品方面。使用高 功率LED在此方法中也將導致不必要的眩光’並且光分佈 將不同質。因為只有低功率LED可使用’所以該系統的光 通量通常是相對較低。為了獲得南通;g; ’需要具有更多 LED的較大表面，其導致大型且龐雜的設計，這無法運用 在發光應用中，特別是在消費產品方面。 【發明内容】

本發明的一個目的是解決或至少減少以上提出的問題， 並提供一種具有同質光分佈和設計自由度的薄型且有效之 表面發光照明系統。 該目的藉由使用高功率側發光LED連同波導、光轉合結 構和一根據請求項1配置的平板裝配件而達成。較佳的實 施例由該等附屬請求項界定。 根據本發明的第一觀點提供一種照明系統，其包括：至 少一包括一波導的發光襞置，該波導包括一第一表面、一 對向於該第—表面的第二表面，以及至少—介在該第一和 二表面之間的光耦合側壁結構；i少一設置在由該第 -和該第二表面界定的平面之間的側發射光源，使得從該 至少-側發射光源的發射的光被耗合輸人該波導並從該第 —表面耦合輸出，以及一平 / 板裝配件，其中該至少一發光 裝置係設置在該平板裝配件 中此配置將提供一具有高光 通里之表面發光照明系統， 八 口為该側發射LED具有同質光 刀佈。其亦提供設計自由度。 該照明系統可能包括至少— 九搞合側壁結構形成該波導 I32989.doc 200923270 的-外部。這將引導來自遍佈該波導的該側發射 到周圍環境。 & 該照明系統可能包括-波導，其包括輸出耗合結構。該 輸出耦合結構將提供來自該發光裝置的同質光分佈。 該照明系統可能包括至少-由光反射或光^㈣製成 的光耦合側壁結構，或塗覆光反射或光擴散材料’或是一 利用TIR效應的平面拋光表面。該等材料或塗層將提高照 射在該光耦合側壁結構上的該發射光的反射或擴散性。 該照明系統可能包括該至少一光耦合側壁結構的至少一 者，其係該輸出耦合結構的一部分。 該照明系統可能包括一波導，其包括數個光耦合結構。 這些結構將有助於產生同質照明。 該照明系統可能包括光耦合結構，該等是由光反射或光 擴散材料製成，或塗覆光反射或光擴散材料，或是一利用 TIR效應的平面拋光表面，或是一半反射材料。該等材料 或塗層將提高照射在該等光耦合結構上的該發射光的反射 或擴散性。 5亥照明系統可能包括光耦合結構，其係該輸出耦合結構 的一部分。 該照明系統可能包括一光源，其包括以下至少—者發 光二極體（LED)、有機發光二極體（〇leD)。該等不同的 LED都具有不同的光特性並可用於不同應用。 該照明系統可能包括一光源，其發射對應紅外光、可見 光或紫外光光譜的波長之至少一者的光。 132989.doc 200923270 該照明系統可能包括至少 狀分佈在該平板裝配件中的 光通量’數個發光裝置可以 而設置在該平板裝配件中。 一發光裝置，其包括以幾何形 至少兩個發光裝置。為了提高 最適合於特定應用的不同形狀 該照明系統可能包括一幾何形狀，纟至少是以下的一 者：列、圓形或矩陣。該幾何形狀也可包括非對稱型式、 波型或其他藝術及具體應用的形狀。該照明系統可能包括 一幾何形狀，其係在該平板裝配件的一平面中。 曰：照明系統可能包括一曲面。這意味著例如該形狀可以 是三維的’例如為球面、波形或包括-三維表面的任何1 他形狀。 八 應注意本發明涉及在申請專利範圍中記述的特徵之 可能組合。 【實施方式】 以上以及本發明的額外物件、特徵和優點經由以下說明 #本發明的較佳實施例的不限制的詳細描述將有更好的理 解，參考所附圖式，其中相同參考數字將用於相似元件。 、所有該等圖式都具有高度示意性，π —定按比例繪製， 並且圖中僅顯示闡明本發明之必要部分，其他部分則予以 省略或僅為提示。 圖1顯示一般側發射LED結構100的剖面側視圖。該側發 射LED結構包括：„LED晶粒⑽，其於運作中能夠依據使 用的該半導電材料的成分而發射一特定顏色的光；一由破 或 < 何其他耐熱及光學透明的材料製造的砂漏狀透鏡 I32989.doc 200923270 04，一鑲嵌片103 ;以及一外部封裝板1〇1，其由一散熱 器或一印刷板製成，其中可具有或不具有附加的散熱器， 其上安裝有該鑲嵌片103。 當該側發射LED運作時，它通常從該透 鏡10 4的側邊（因 匕名為側發射）發出其大部分的光丨，然而取決於該透鏡 1〇4的構造，某些光也可能從該透鏡1〇4的頂部1〇5發出。 為了防止任何光從該透鏡的頂部丨〇5發出，一反射元件或 塗層可施加在該透鏡的頂部1〇5上。該透鏡1〇4的形狀也可 能加以改變以製成其他輻射型式。 出自該側發射LED結構1 〇〇的該發射光可以是紅外光、 可見光或近紫外光光譜中之任一者。 圖2顯不本發明的一實施例的剖面側視圖。在此實施例 中，一或多個高功率側發射[ΕΕ)結構2〇3與波導2〇7 一起使 用，其由彼此對向設置的一第一2〇9和一第二21〇表面製 成，以形成一光模組201。從設置在該光模組2〇丨中心的該 高功率側發射LED發射的該光會因其構造而有效地耦合輸 入該等波導207。該光㈣經由該等波導2()3中的該等反射 側壁208耦合輸出到周圍環境中。 該等波導2〇7的該等侧壁雇可以由—反射材料例如金屬 製成或塗覆。該等侧壁2G8的表面也可製成粗链化以充當 -散光器’或製成一平面拋光表面以利用全内反射(丁⑻ 效應。 該第- 209和第二21〇表面可由非透明材料(例如反射材 料，例如金屬）’或由半透明或透明材料製成。 132989.doc 200923270 在該側發射LED 203之上的該部分2〇5可由擴散或反射材 料製成或塗覆’以增強耦合該光輪入該等波導。然而，部 分205也可由一透明材料製成以允許來自在底下的該側發 射LED 203的光傳輸。 該光模組201配置允許具有高亮度的精巧設計，相當適 合於製造具有同質光分佈的高效率表面光照明系統。 其他類型的LED裝置，例如蝙蝠翼形led或朗伯LED， 該等具有略微不同的光輻射樣式，可用於替代該側發射 LED作為在該光模組2〇 1中的光源。 圖3顯示本發明的另一實施例的剖面側視圖。在此實施 例中’一或多個高功率側發射Led結構303搭配波導307 — 起使用，s亥波導307具有第一 311和第二312表面，以及輸 出耦合結構309。從設置在該光模組3〇1中心的該高功率側 發射LED發射的光藉由其構造而有效地耦合輸入該等波導 307。§亥光然後藉由在該等波導3〇7中的該等反射側壁3〇8 以及該等輸出耦合結構309而耦合輸出到周圍環境中。在 此實施例中亦同樣可將該等波導3〇7的該等側壁3〇8由一反 射材料例如金屬製成或塗覆。該等側壁3〇8的表面也可製 成粗糙化以充當一散光器，或製成一平面拋光表面以利用 全内反射（TIR)效應。 該第- 311和第二312表面可由非透明材料（例如反射材 料，例如金屬）或由半透明或透明材料製成。 該輸出耦合結構309搭配一透明或半透明第二表面η〗， 一起設計用以在該光模組3〇1的整個輸出表面之^產生丄 132989.doc 200923270 同質光分佈3 13。在此實摊仏丨+ 貝死例中，在該側發射LED 203之上 的該部分310可製成透明的，a ^ 允許來自在底下的該側發射 LED 203的光傳輸，或者塑士 +丄 $&成+透明的以促使耦合光既輸 入該等波導且輸出到周圍環境中。 該光模組3 01配置能夠靼如国，丄+ _ J兴如圖2中表示的該實施例同樣具 有精巧的設計，但是具有—更 尺·大且更有效的發光表面。s亥 光模組3 0 1設計最好是传用g 士 ^ α 1取疋便用具有同質光分佈的高效率之表 面光照明系統。 /、他類型的LED裝置，例如編竭翼形LED或朗伯LED， 該等具有略微不同的光輕射樣式，可用於替代該側發射 LED作為在該光模組30 1中的光源。 圖4顯示圖3中所示的該光模組的光學模擬。該光模組 4〇1可製成具有不同長度和厚度，且整體外形可加以改變 (例如，圓形、橢圓形、矩形等)以因應不同應用。這允許 相當大的設計自由度，特別是如果該光模組是要用在消費 產品中，此點尤其重要。 圖5顯示兩個具有不同形狀的光模組的頂視圖。在圖& 中的該光模組501顯示圖4中的該圓形光模組的光學模擬頂 視圖，而在圖5b中的該光模組503顯示一類似但為正方形 的光模組之光學模擬頂視圖。由此展現了本發明的設 由度。 圖6顯示本發明的另一實施例。該圖顯示一表面光照明 裝置601係如何由設置在一燈具或平板裝配件6〇3中的三個 光模組605構成之剖面側視圖，如結合圖2或3所述。嗜平 132989.doc 200923270 牛6G3可由各種材料製成，例如塑膠、金屬或特定 需的任何其他合適材料。通氣孔607可設置在相鄰 於3亥光模系且605以利用tir 3田士 & 、 扪用UR原理重新弓丨導光束並散放餘熱， 冷卻該光模組6 〇 5。

圖7顯示兩個表面光照明裝置μ、，的頂視圖。圖乃 顯不一表面光照明裝置701，其中有十六個圓形光模組7〇5 以正方形樣式没置在一燈具或平板裝配件期中，而圖几 顯示一表面光照明裝置7()2，其中有十六個正方形光模組 706以正方形樣式設置在一平板裝配件中。該等光模組 可以以不同楔式設置，彼此之間具有不同間距，以得到適 於不同應用所需的的光分佈。該平板裝配件的形狀也可視 該應用而形成不同形狀。 圖8顯示本發明的另一實施例的剖面側視圖。在此實施 例中’一或多個高功率側發射led結構8〇3搭配具有第一 809和第二81〇表面的波導8〇7、光耦合結構8ιι以及輸出耦 合結構812一起使用。從設置在該光模組801中心的該高功 率側發射LED發射的該光藉由其構造而有效地耦合輸入該 等波導807。該光然後藉由在該等波導8〇7中的該等反射侧 壁808、該等光耦合結構811以及該等輸出耦合結構812而 耦合輸出到周圍環境中。在此實施例中，該等波導8〇7的 該等側壁808亦可由一反射材料例如金屬製成或塗覆。該 等側壁808的表面也可製成粗糙化以充當一散光器，或製 成一平面拋光表面以利用全内反射（TIR)效應。 該第一 809和第二8 10表面可由非透明材料（例如反射材 132989.doc 12 200923270 料’例如金屬）或由半透明或透明材料製成。 該專光輕合結構811和該等輸出耦合結構812搭配一透明 或半透明第二表面810，一起設計用以在該光模組8〇1的整 個輸出表面之上產生一同質光分佈813。在此實施例中， 在該側發射LED 803之上的該部分805可製成透明的，允許 來自在底下的該側發射LED 803的光傳輸，或者製成半透 明的以促使耦合光既輸入該等波導且輸出到周圍環境中。

此光模組801配置允許具有同質光分佈的高效率的表面 光照明系統的精巧設計。 圖6和7中表示的本發明的該等實施例中所示的該表面光 照明裝置相車交於-般使用的表面光照明裝置有<艮多優點。 本發明所獲得的該等優點是該表面光照明裝置能夠使用高 功率側發射LED，由於表面光照明具有薄型裝置的好處了 ^而有可能根據需要實現理想的同質光分佈，它提供熱問 題少而設計自由度大的高效率系統/裝置。 例性實施例而說明，但是 更、修改等。因此該等描 明所附之申請專利範圍所 雖然本發明已經參考其具體示 熟習此項技術者應知很多不同變 述的實施例並不意為限制由本發 界定。 【圖式簡單說明】 圖1顯示-普通側發射發光二極體結構的剖面圖。 圖2顯示一發光裝置的剖面圖。 圖3顯示一具有輸出輕合結構的發光裝置的剖面圖 圖4顯示-在光學模擬中的發光裝置的剖面圖。 132989.doc 200923270 圖5 a顯示一在光學模擬中的圓形發光裝置的頂視圖。 圖5b顯示一在光學模擬中的正方形發光裝置的頂視圖。 圖6顯示一表面光照明發光裝置的剖面圖。 圖7a顯示一在一平板裝配件中具有圓形發光裝置的表面 光照明系統的頂視圖。 圖7b顯示一在一平板裝配件中具有正古 、’止方形發光裝置的表 面光照明系統的頂視圖。 圖8顯示一具有光耦合結構和輸出耦合結構的發光裝置 的剖面圖。 【主要元件符號說明】 100 普通側發射LED結構 101 外部封裝 102 LED晶粒 103 鑲嵌片 104 砂漏狀透鏡 105 透鏡的頂部 106 大部分光 201 光模組 203 高功率側發射LED結構 205 部分 207 波導 208 反射側壁 209 第一表面 210 第二表面 132989.doc -14- 200923270 i

301 光模組 303 高功率側發射LED結構 307 波導 308 反射側壁 309 輸出柄合結構 310 部分 311 第一表面 312 第二表面 313 同質光分佈 401 光模組 501 光模組 503 光模組 601 表面光照明裝置 603 平板裝配件 605 三個光模組 607 通氣孑L 701 表面光照明裝置 702 表面光照明裝置 703 平板裝配件 704 平板裝配件 705 十六個圓形光模組 706 平板裝配件 801 光模組 803 側發射LED 132989.doc 15- 200923270 805 部分 807 波導 808 反射側壁 809 第一表面 810 第二表面 811 光輛合結構 812 輸出柄合結構 813 同質光分佈 132989.doc - 16-

Claims (1)

1. 200923270 十、申請專利範圍： 1. 一種照明系統，其包括： -至少—發光裝置（201)，其包括： -一波導（207)，該波導包括一第一（2〇9)表面、一對 向於該第一表面之第二（21〇)表面，以及至少一介在該第 一（209)和該第二（21〇)表面之間之光耦合側壁結構 (208)； -至少一設置在由該第一（209)和該第二（2 1〇)表面界 定之平面之間之側發射光源（2〇3)，使得從該至少一側發 射光源（203)發射之光被耦合輸入該波導並從該第二表面 (210)雜合輸出；以及一平板裝配件（7〇3)，其中該至少 一發光裝置（705)係設置在該平板裝配件（7〇3)中。 2·如請求項1之照明系統，其中該至少一光耦合側壁結構 (2〇8)形成該波導（2〇7)之一外部。 3.如請求項1或2之照明系統，其中該波導（3〇7)包括輸出耦 合結構（309)。 4·如凊求項1或2之照明系統’其中該至少一光耦合側壁結 構（208)由光反射或光擴散材料製成，或塗覆光反射或光 擴散材料，或是一利用TIR效應之平面拋光表面。 5 _如凊求項1或2之照明系統’其中該至少一光耦合側壁結 構（208)之至少一者係該等輸出耦合結構（3〇9)之一部 分。 6.如請求項1或2之照明系統，其中該波導（8〇7)包括數個光 耦合結構（811)。 132989.doc 200923270 1 ·如清求項5之照明系統，其中該光耦合結構（811)由光反 射或光擴散材料製成，或塗覆光反射或光擴散材料，或 疋一利用TIR效應之平面拋光表面，或是一半反射材 料。 8.如清求項5之照明系統，其中該光耦合結構（811)係該等 輸出耦合結構（812)之一部分。 9_如請求項1或2之照明系統，其中該光源（203)包括以下之 至少一者：發光二極體（LED)、有機發光二極體 (OLED)。 I 〇·如請求項i或2之照明系統，其中該光源（2〇3)發射對應於 紅外光、可見光或紫外光光譜之波長之至少一者的光。 II _如請求項1或2之照明系統’其中該至少一發光裝置包括 以幾何形狀分佈在該平板裝配件（703)中之至少兩個發光 裝置（705；)。 12. 如請求項1〇之照明系統，其中該幾何形狀係以下之至少 一者.列、圓形或矩陣。 13. 如請求項10之照明系統，其中該幾何形狀係在該平板裝 配件（703)之一平面中。 14. 如請求項12之照明系統，其中該平面係膏曲的。 132989.doc