TW201231874A - Tube luminescent retrofit using light emitting diodes - Google Patents

Description

201231874 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明之實施例-般係關於照明系統的領域，且更明確 言之，係關於基於LED的光學單元。 【先前技術】 隨著發光二極體(LED)的效率(以每瓦特流明為單位量 測）及光通量（以流明為單位量測）増加，且價格下降，預期 明及基於LED的燈很快將是直到現在主導的基於管 發光（叫之燈的重要替代品’且與其等處在—競爭性水 平，以提供大面積照明。此等燈通常以15爱米至24米長 管’具有5/8英寸、1英寸、U5英寸或甚至更長之直徑的 形式在辦公樓中找到，此等燈等沿著該管之長度提供均句 的輝度。一典型TL光通量輸出密度係3〇〇〇流明/米管長 度。對於LED改裝亦可找到較低值。 當前的LED燈藉由將大量LED置於一基板上的一線性陣 列中而製造’其中每-LED由—透鏡包圍，該透鏡經組態 以將由該LED發射的光以垂直於該led陣列且平行於咳美 板之平面的一方向重新引導至一彎曲反射表面上。圖^繪 示US 2005/0265042中揭示的一此種燈30。如所展示，該 燈30包含兩個LED陣列，其中每一LED陣列包括沿著對應 反射表面31之長度而以一列安置於一基板2〇上的Led 因為如圖1中所展示，該反射表面31係彎曲的，以一水平 方向入射於其上的光以垂直方向反射，藉此提供照明。 此一配置之一缺點在於提供一彎曲反射表面引起製造上 159154.doc 201231874 的難度。另一缺點在於由於光需要經過對應的透鏡，從該 透鏡出去’且接著由該反射表面反射，由該等LED之各者 發射的一些光丟失。 此項技術中需要可改良上文描述之至少一些問題的—解 決方案。 【發明内容】 根據本發明之一態樣，提供一種光學單元。該單元包含 安置於—表面上的一 LED，及包圍該LED的一單片模組。 該單片模組包含一重新引導部分及一第一擴散部分，其中 該第一擴散部分經組態以擴散入射於其上的光，且該重新 引導部分經組態以重新引導由該led發射的至少一第一部 分光，以入射於該第一擴散部分上。 根據本發明之另一態樣，一種揭示包括兩個或兩個以上 此類光學單元的燈。在一實施例中，該兩個或兩個以上此 類單元可以一列配置於例如一管狀箱中，藉此一起形成一 線性光源°在另—實施例中，許多此類單元可以-栅格或 以任意其他圖案配置，藉此一起形成一區域光源。該燈可 進一步包含一選用蓋，其可例如提供由該等單元產生之光 的額外擴散。 根據本發明之又一態樣，揭示包括由一單一單片模組包 圍的至少兩個LED的一燈（「擠製塑材」（extruded profile))。 如本文中所使用，術語「單片」用於描述一模組，其中 具有功能性的該模組之一部分（例如，該光擴散部分）係 159154.doc 201231874 具有另一功能性的該模組之另一部分（例如，光傳播部分） 的一構成整體之部件，或換言之，不同光學性質在一單— 本體之不同部分上實現。 *本發明係、基於認識％，將該第一擴散部分製造為該單片 模組之重新引導部分之—構成整體之部件允許明顯簡化該 光學系統的製造，同時保留所要的功能性。提供該第一擴 散部分可接著I包括例如冑自&塗料.塗覆於一透鏡之適當 表面，或例如使用2K模壓，其中該透鏡可經利用以重新引 導由该LED發射的光，以入射於該白色塗料或塑膠上。 在一實施例中，該重新引導部分進一步經組態以導引由 »亥LED發射的一第二部分光，以不入射於該第一擴散部分 上。此實施例假設由該LED發射的一些光可在沒有由該第 一擴散部分擴散性地反射時從該單片模組「洩漏出」。在 一實施例中，此「洩漏出」的光可包括由該LED發射的5% 至10%的光，然而，可進一步調整此百分比，以例如獲得 點焭之單το的充分均勻外觀。為具有最高眩光縮減的最大 效率，此百分比應儘可能低。然而，為最小化點的不均勻 度，來自S亥洩漏出的光及來自由該擴散部分擴散之光的該 燈之每單位表面總流明量應較佳地在觀察表面上的各處相 同。 在戌漏出光之處的部分及形狀（例如，該單片模組之頂 部中央’該模組之角落，等等）及該等洩漏光線的量及方 向亦可按照均勻源輝度而最佳化。對於該單片模組之一純 粹折射性的重新引導部分，此可藉由將計算的波紋 159l54.doc 201231874 (c〇rrugati〇n)(例如，類㈣結構的微透鏡，削以「全像擔 散器」的結構或具有一定荔夕名由八从 、 疋義之角度分佈的其他微結構）仔 細地添加至該模組之外部表面的選擇性位置處而完成。若 該模組之料部表面係—鏡面，料添加類似結構，但除 此之外，該鏡面可被局部製造地或多或少透明以得到所要 種類的洩漏。或者或另夕卜可藉由將一個或多個同中心琿 引入該重新引導部分之内部表面及/或外部表面上，及= 在該内部表面與該外部表面之間延伸而達成光;戈漏的控 制。若該重新引導部分旋轉對稱，則該等同中心環的中央 可經調適以與該重新引導部分的一對稱軸重合。此等環可 允許更容易地修改光學器件。因此，該等環的對稱性較佳 地與該等光學器件（即，該重新引導部分）及/或併入此等光 學器件之燈的對稱性關聯，而非與對應LED的對稱性關 聯。當s ’在其他實施例中’該等環可相對於該對應咖 之光束場型之對稱軸而製造為對稱的。 此外，在該選用擴散蓋與該模組之間可存在一額外的體 積擴散器及/或表面擴散器，以更進一步改良所提供的照 月的均勻度。S亥額外的體積及/或表面擴散器可具有分別 在其體積或表面上改變的一最佳形狀及/或光學性質。若 該模組之該重新引導部分係透明的’則該模組亦可在主體 (bulk)中或在表面上含有散射元件’以誘發光洩漏。 在目標為最佳點均勻度的一實施例中，該第二部分可包 含由該LED發射之少於45°/。的光。此實施例有利地指定可 擴散由該LED發射之大部分光（55%或更多）。 159154.doc 201231874 在目標為最佳效率但並非最佳點均勻度的一實 該第二部分可包含由該LED發射的少於5%至1〇%的光。此 實施例有利地指定由該等LED發射之大部分光（9〇%或更 夕）可與從β亥模組「’/¾漏出」的一較小分率的光擴散。 在一實施例中，該單片模組可進一步包含一第二擴散部 分，且該重新引導部分可進一步經組態以重新引導由該 LED發射之-第三部分的光，以人射於該第：擴散部分 上，使㈣重新引導的第一部分光的平均方向之一投射 (至女裝4LED的「背部平面」表面上）及該重新引導的第 三部分光的平均方向之一投射（至安裝該咖的「背部平 面」表面上）形成0度與180度之間的—角度。此實施例指

定可重新引導由該LED發射之一此伞,,L 些先，例如不僅引導至該 模組之相對側的表面，而且 M再他方向引導。此對於從包 含例如以一矩形圖案配置 ^ ^ 如或更多此等單元之燈獲得 均句的照明係尤其有利的，所有 區域光源。 有44㈣此-起形成- 一實她例中，該單片模組可關於與該LED之-光束場 里的一對稱軸重合的該單 一 亥早片摈組的-對稱軸旋轉對稱。 如本文令所使用，術語「 έ士槿之射轉對稱，，、。構」指相對於繞該 的-結構。在一實施例中…有角度的旋轉具有對稱性 t. ，該單片模組相對於繞該模組之 對稱軸可以所有角度的旋 棋祖之 一圓形頂部輪廓。在另—實_ ϋ此’具有 祉组之該對稱軸僅以特 于於繞

S 用度的碇轉而可為旋轉對稱 I59I54.doc •7- 201231874 的，因此，具有一非圓形但對稱的頂部輪廓。例如，具有 相對於90度之旋轉的旋轉對稱性的一單片模組可能具有一 正方形頂部輪廓。 此外，如本文中所使用，術語一 LED之「光束場型」指 λ ED之強度分佈，其給出空間所有方向上的每立體角的 通量。 在一實施例中，該LED可包含一發光晶粒及安置於該發 光晶粒上且經組態以密封該晶粒的一圓頂，其中該單片模 組安置於該圓頂上。此實施例指定可包含該單片模組作為 次要光學器件」，其中如本文中所使用，此術語指並不 包含於一 LED封裝中的光學元件。相比之下，術語「主要 光學器件」通常指包含於一 LED封裝内的元件，諸如一發 光晶粒、安置於該晶粒上且經組態以保護該晶粒的一圓 頂，等等。 在一實施例中，該LED可包含一發光晶粒，且該單片模 組可直接安置於該晶粒上。相比先前的實施例，此實施例 假設可包含該單片模組作為一 LED封裝中的「主要光學器 件」。 ° 在其他實施例中，該LED可包含許多發光晶粒，其等具 有安置於其等上或直接在該單片模組上的圓頂。 在一實施例中，該重新引導部分可經組態以藉由全内反 射而重新引導光。相比於用鏡面重新引導光的一些先前技 術實施’此實施例提供在導引由該LED發射之光上具有最 小損失之優點的重新引導部分。 159154.doc 201231874 晉施例中，該第—擴散部分包含—材料，其具有安 :於:：片模組之該重新引導部分之部件上的擴散性質。 此一材料可例如為白色塗料或白色塑膠。 在一實施例中，該單元可進—舟勹 At 平j $步包含—擴散蓋，其經組 也以擴散性地透射入射於其上的光 «V尤，其中該第一擴散部分 可經組態以擴散性地反射射 + 丹上的先，以入射於該擴 散蓋上。此實施例提供由一擴散性透射蓋的額外擴散。在 一較佳實施例中，由該LED發射之該第—部分光的每一光 束在從該單;?t直接透射出或經由該蓋而從該單元擴散性地 透射出之前僅由該第一擴散部分擴散性地反射一次。以此 方式反射的光允許將光損失保持於一最小值。 在一實施例中，該LED可包括可發射具有65或更多流明 之光通量的光的一高功率LED❶在燈中包含高功率的LED 允a午使用較少LED以獲得來自該等燈的所要的輝度輸出， 藉此減小該等燈的成本及複雜性。再者，因為可發射此等 通量的高功率的LED晶粒包含一單片模組通常具有大於 lxl mm2之大小’其中經修改以包含一峰部的該模組之該 内部表面對於此等LED係尤其有利的。然而，雖然本文中 揭示之實施例可使用高功率的LED而尤其有益，當然，本 發明之教示亦可用具有小於65流明之光通量的LED實施。 在一實施例中，該單片模組可包括一内部表面及一外部 表面’使得該内部表面經調適以形成一腔室，其中該腔室 經調適以至少部分包圍該LED ,該内部表面經調適以折射 由該LED發射之該第一部分光的至少一第一光份額，以入 159154.doc •9- 201231874 =:1 卜：表面上:在入射於該第-擴散部分上之前)，該 ° ‘調適以糟由全内反射而將入射於其上之今第 部分光的該第-光份額反射，且該内部表面包括一； 該峰部可考慮由該㈣表面的兩個部分H 經調適以在該㈣之中央上方。在多種實施例中，二 疋之橫截面圖（取用該橫截面以便包含該LED之 型的一對稱軸），㈣個部分可包括例如以—角度接^ 该内部表面的兩個線性部分（即，該兩個線性部分形成小 ;度@角度），兩個凸曲線、兩個凹曲線或兩個部分 之各者(其係一線性部分)、_凸曲線、或一凹曲線的任意 組合’其中視需要，該峰部可進—步為圓形的。在—些實 施例中，該峰部可視作該單片模組之該内部表面的-「頭 部」’而該内表面鄰接該峰部之部分可㈣「肩部」。然 而’在其他實施例中，該峰部可視作該内部表面的—「頭 部」，沒有在該單片模組之該内部表面中纟有任 部」。 ^ 如本文中所使用’包括—峰部的—單片模組之—内部表 面的’X月!·生概必意欲涵蓋該内部表面經調適以繞一 形 成-腔室的所有實施例，該腔室具有非球形、大體上凸起 的形狀。術語「大體上凸m描述大體上係凸起的一 形狀，雖然其可包含-些凹入或線性部分，諸如圖16中展 示之内部表面。與此等定義符合，包括一峰部的該内部表 面之概必並不涵蓋形成—圓頂形腔室的内部表面(因為圓 頂係球形的’並不是非球形），且並不涵蓋形成-矩形腔 159154.doc 201231874 室(咖經調適以沿著矩形的一側安置)的内部表面(因為該 矩形並非「實質上凸起」）。 此—單片模組可用於將由該LED發射的光從實質上垂直 的方向重新引導為實質上水平或向下水平（「向後」）的方 向。亦可使用此一模組作為一入輕合結構，其經調適以將 由該led發射的光耗合至__光導巾，在此料卜該模組 可為該光導的一構成整體之部件。 該單片模組之内部表面具有一峰部的構想係基於認識 到’當該模組的厚度減小至該LED之發射表面的大小可與 該模組之厚度相當的地步時，該LED可不再視作從該發射 表面之中央的一單一點處發射光的一點光源。取而代之， 當決定允許由該LED發射且入射於該外料s上的所有光 束藉由TIR而反射的該模組的形狀時，必須特別注意該 LED之發射表面延伸的大小1纽意該㈣之發射表面 延伸的大小時’從接近該led之發射表面的邊緣發射的光 束可以此一角度進入該模組，使得該模組之該外部表面處 未滿足一 TIR條件，且此等光束將從該模组逸出或茂露 出。因此，應注意確保從接近該LED之發射表面之邊緣處 發射的光束以仍然滿足該TIR條件的一方式入射於該模組 之該外部表面上。在沒有增加該模組之整體厚度時，此種 注意包含相對於該模組之最大厚度及該模組之該外部表面 的形狀而調整該内部表面的形狀，使得由該LED發射且入 射於該内部表面上的所有光束，甚至從接近該LED之發射 表面之邊緣發射的光束可由該内部表面以此等角度折射，

S 159154.doc 201231874 使得該LED之該外部表面上折射的光束之入射角將滿足該 TIR條件。只有此時由該led發射的所有光束可實質上包 含於該單片模組中。 於先前技術實施中使用的一圓頂形内部表面（在下文中 描述且繪示於圖5中）就最小光洩漏方面並非最佳的，此係 因為從接近該LED之邊緣發射的一些光束可從該模組之該 外部表面洩漏出，如圖13B及圖丨3D中展示，且在下文中 更詳細解釋。相比之下，根據本發明之實施例的在該]LED 上方包含一峰部的一内部表面係更佳的，此係因為只有此 種非圓頂形表面才可相對於該外部表面的形狀及該模組之 最大厚度而決定一形狀，使得由該LED發射之所有光束將 由該内部表面以此等角度折射，使得該模組之該外部表面 上折射的光束之入射角將滿足該TIR條件。 在一實施例中，並非該整個單片模組，但僅該模組之該 内部表面可關於經調適以與該LED之—光束場型之一對稱 軸重合的該内部表面的一對稱軸旋轉對稱（即，經調適以 包圍該LED的該腔室可製造地旋轉對稱），且反之亦然。 在-實施例中’在該單元之-橫截面中，該橫截面包含 該led之該光束場型的對稱軸，該峰部在沿著該led之該 光束場型之對稱軸的一點處。因此，該模組之該内部表= 將包含在該LED上方的沿著該LED之該光束場型之對稱轴 的一單一峰部。 在下文中，本發明之-實施例將以進一步細節描述。然 而應瞭解，此實施例不可詮釋為限制本發明之保護的範 159154.doc •12- 201231874 圍。 【實施方式】 在所有圖中，轉製的尺寸僅為例證，且並不反映真實 的尺寸或比率。所有圖係示意性的，且並不按比例緣製。 之厚度相對於其他尺寸而誇大。再者，為明確起 見，有時從圖中省略諸如LED晶片、電線、基板、外 等的細節。 在下文的描述中閣明許多特定細節，以提供對本發明的 更詳盡的理解。然而，對於熟f此項技術者將為顯而易 見，本發明可在沒有一個或多個此等特定細節時實踐。在 其他執行實例中，沒有描述熟知的特徵部，以避免模糊本 發明。 圖2A繪示根據本發明之一實施例的一光學單元2〇〇A的 二維圖。如所展示，該單元200A包含一 LED 210，該LED 210由一模組215A包圍且安置於與該模組215A之一底表面 205相同的平面上（例如’一印刷電路板的頂表面）。該模組 215A的侧表面220A經製造使得其等擴散性地反射入射於 該等侧表面220A上的光。該模組215A之主體係一重新引 導及光傳播結構，其經組態以導引由該LED 21 0發射的 光，以入射於該等侧表面220A上。 因為經組態以擴散性地反射光的該模組215 A部分係該模 組215 A之該（該等）側表面，而經組態以將光導引於該擴散 部分上的該模組215A之部分係該模組215A的主體，此一 模組21 5A據說可為包含一光擴散部分（即，該等表面220 A) 159154.doc -13- 201231874 及一光重新引導部分（即’該模組215A之主體，及該模組 215A除該等表面220A外之剩餘部分）的一單片模組，其中 該擴散部分及該重新引導部分係一單一本體的構成整體之 部分。熟習此項技術者將意識到，因為「光擴散」亦為 「光的重新引導」’該擴散部分亦重新引導入射於其上的 光。然而，對於本文中提供的討論，該擴散部分與該重新 引導部分之間的差異在於，雖然該擴散部分不僅擴散光而 且重新引導光，但是該重新引導部分重新引導光但不擴散 光。 在圖2A中展示之實施例中，該模組215A之該重新引導 部分可為一透鏡，其經設計以將由該LED 21〇發射的入射 於該等擴散表面220A上的光路徑改變為主要沿著該單元 200A或可併入該單元200A之一燈的橫向方向（用箭頭242及 244展示）。 在其他實施例中，該模組215A可具有不同形狀，以將由 該LED 2 10發射的光導引於其他方向，例如，垂直於該橫 向方向，以當彼此鄰接放置時允許混合不同模組之間的 光。此外’該模組21 5 A之表面及/或側壁可最佳化以重新 引導該光，以在該等擴散表面之整個長度上提供所要的輝 度。一個此實施例展示於圖2B中，其繪示根據本發明之另 一實施例的一光學單元200B的三維圖。在圖2B中，具有 與圖2A中相同參考數字的元件繪示與圖2a中相同的元 件。因此，上文-關於此等元件的所有討論在此亦為適當 的’且為簡短起見並不重複。 159154.doc • 14· 201231874 該單元2〇〇B與該單元200A不同在於該模組215B相對於 繞一軸255旋轉的所有角度係圓形對稱的，其中該軸255係 該LED 210之一光束場型的對稱軸。該單元2〇叩與該單元 200A進一步不同在於該模組21炤之擴散部分係展示為表 面220B的表面，且該模組215B的主體經組態以將由該led 210發射的光導引於在所有侧上圍繞該LED 21〇的表面 220B上’而不是將該光大部分導引於該等側表面22〇A 上。 如圖2A及圖2B之該等三維圖中所展示，該等模組215A 及215B兩者可相對於展示為一平面250的一平面而對稱。 為更詳細解釋該等單元2〇〇A及200B的操作，此等單元的 一橫截面側視圖繪示於圖2C中。沿著該平面250取用圖2C 之該橫截面，使得該單元200A的橫截面與該單元200B的 橫截面看起來相同。因此，在圖2C中，用一斜線符號列出 的元件數字（例如，「215八/2158」）意欲指示該元件可屬於 該單元200A或屬於該單元200B，且以下描述適用於單元 200A及單元單元2〇〇B兩者。 在操作中’該LED 210發射入射於該模組215A上的光（作 為一頂部發射的LED或一側面發射的LED)。在多種實施例 中’該LED 210可包括一高功率LED，其可提供具有65或 更大流明之光輸出的光。如圖2C中所展示，該LED 210可 包含用一圓頂214遮蓋的一LED晶粒212。該LED晶粒212經 組態以回應於一驅動信號而發射光。作為該LED晶粒212 使用的材料主要決定該LED 210之特性，諸如光的色彩、 159154.doc 15 201231874 亮度及/或強度。該LED晶粒212可使用的可能材料包含無 機半導體，s#如GaN、InGaN ' GaAs、AlGaAs或有機半導 體’諸如’基於Alq3的小分子半導體，或例如基於聚（對伸 苯基伸乙烯）及聚苐之衍生物的聚合半導體。 該圓頂214通常經組態以保護該LED晶粒212免受環境因 素及/或決定該LED之特性，諸如最大化該LED之總光通 量，同時仍然擬合於某一外包體中，或匹配最大數量之應 用的LED之強度分佈。在多種實施例中，該圓頂214可實 際上具有與圖2C中繪示之半圓頂不同的適宜於該led 210 之應用的特定需求的一形狀。 如圖2C中用一間隙235所展示，在所繪示之實施例中， 該模組215A包圍該LED 210而未與該LED 210實體接觸。 因此，該間隙235係該LED 210之圓頂214與該模組215A之 間的間隙。該間隙235可為空氣，或可用具有適宜光學性 質的一材料填充。在後一情況中，此可能需要該模組215A 的一不同形狀。在一替代實施例中（未展示於圖2C中），該 模組215A亦可與該LED210實體接觸。 雖然圖2C繪示該LED 210包含用該圓頂214遮蓋的該發 光晶粒212，在沒有包含該圓頂214作為該LED 210之一部 件If况中亦可實施該單元2〇〇A。取而代之，該模組21 5 A 自身亦可用於執行該發光晶粒212上該圓頂的功能。在此 等實施例中，該模組215A可稱為包含該led 2 10及該模組 215A之LED封裝的一「主要」光學組件，且可直接安置 於該發光晶粒212上（即，與該晶粒接觸’該LED 210與該 159154.doc .16- 201231874 模組215A之間沒有間隙，諸如該間隙235)，或可具有一間 隙（例如類似於該間隙235)地包圍該晶粒212。 如圖2C中所展示，在操作中，該led晶粒212發射光， 示意性地展示為光線251及252，光首先入射於該模組215A 上。接著該模組215 A之該重新引導部分經組態以折射及反 射大部分光（例如多於80%至9〇%)，以入射於該等擴散表 面220A上。圖2C繪示該光線251入射於該表面220A上的一 ...占261處’且3亥光線252入射於該表面220A上的一點262 處。繼而，該等表面220A以不同的垂直方向將入射於其等 上的光擴散性地反射’如源自該等點261及262，用箭頭示 意性展示。 此操作可例如藉由追蹤該光線252而繪示。該光線252具 有二個片段252a、252b及252c。 該片段252a繪示由該LED晶粒212發射的光線252在填充 該間隙235之材料與該模組215A之間邊界處折射之前的一 片段。注意，為不混亂該等圖式，雖然此並不繪示於圖2C 中，取決於該圓頂214與填充該間隙235之材料之間的邊界 處各自材料的折射率，該片段25以亦可在該邊界處折射。 該片段252b繪示該光線252在填充該間隙235之材料與該 模組21 5A之間的邊界處折射且由該模組215A之該重新引 導部分導引以入射於該表面22〇A之該點262處之後該光線 252之一片段。 在一較佳實施例中，該模組215A之該重新引導部分可由 不吸收由該LED 210發射之光的一材料製成，且經設計以 159154.doc •17· 201231874 基於全内反射原理而導引由該LED 21〇發射的光。例如， 該模組215Α之該重新引導部分可由透明ρΜΜΑ、聚碳酸 酿、玻璃或可相比的材料製造。在其他實施例中，該模組 215Α之該重新引導部分亦可用中空的或用透明材料填充之 鏡面表面實施（例如，金屬性的或介電性的）。 該片段252c繪示該光線252在其由該表面22〇入擴散性地 反射之後的該光線252之一光份額。在一實施例中，該表 面220 A可包括安置於該模組215A之表面上的一平面白色 材料’且例如由白色塑膠、白色塗料或類似物組成。 雖然圖2C繪示待引導至該單元2〇〇a之右側上的表面 220A上的光線，類似的例證及描述可沿用至該單元2〇〇a 之其他側上的表面220A。 係一單片模組（包括一擴散部分及一重新引導部分）的該 模組215 A與先前技術實施相比而言，先前技術中由一 LED 發射的光由一透鏡重新引導至一擴散器上，該擴散器係一 不同元件，諸如圖1中繪示的一分離的彎曲表面。與圖 結構相比較，藉由例如將白色塗料塗覆至該重新引導結構 之適當部分’或例如使用一 2K模壓程序而製造一單元（其 中該擴散部分係該重新引導結構的一構成整體之部件）可 使得具有諸如2〇〇A之單元的器具、系統及/或燈的製造明 顯更簡單。再者’為最小化光學損失，安裝該單片單元及 該LED的安裝平面之底表面2〇5及/或相關（即，接近該 LED)部件亦可藉由將白色塗料或2κ模壓施用於此等部件 而轉換為—反射擴散表面。此可減小對該燈之其他表面的 159154.doc 201231874 光學需求，使得可接著出於例如最佳機械或熱性質而最佳 化该等需求。若該單片模組實施為圓形模組2丨5B，或若其 實施為模組215A，但具有三個、四個或更多擴散性反射表 面220A，則此減小需求的優點進一步增強，使得該模組 215A之頂表面及底表面之各者具有一多邊形的形狀。 為最小化光損失，該模組21 5 A可以此一方式設計，使得 在光從該單το 200A逸出之前或在入射於遮蓋該單元2〇〇A 的一選用蓋（未作圖式）上之前，該光較佳地僅由該擴散表 面220A反射一次。為儘可能達到此最適佳化，該模組 21 5A的該重新引導部分可具有一光束場型，其之最大可能 的分率命中該模組215A之該擴散部分。在一實施例中，該 選用蓋可包括一透明材料，使得該蓋僅透射入射於其上的 光。或者’該選用蓋可包括一擴散性透射層，其經組態以 擴散性地透射入射於其上的光，藉此改良由該單元2〇〇八提 供的照明之均勻度。 如本文中所使用，術語「擴散性地反射」及其衍生物指 多於80%至90%的光被準朗伯反射，且術語「擴散性地透 射」及其衍生物扣多於40%至60%的光被準朗伯透射。較 佳地，該選用蓋之擴散性質應最佳化以將所透射的光的量 最大化’同時仍然滿足均勻度的需求。 該模組215A之該重新引導部分可經設計以導引由該led 210產生之大部分光，以入射於該表面22〇A上。視需要， 該模組215A之底部之至少一部分可製造地至少部分反射 性，以防止會降低該單元200A之效率的光吸收。 159154.doc ,Λ 201231874 由該LED 210產生的待入射於該表面22〇A上的光之最佳 分率取決於利用該單元200 A之一特定裝置之輝度均勻度與 效率之間的可接受權衡。例如，對於包含例如配置於一列 t的兩個或兩個以上單元2〇〇A的一燈，為具有最高眩光縮 減的最大效率，由該等LED 210之各者產生的1〇〇%的光可 入射於該等各自表面220A上。 在其他實施例令，該模組2 1 5 A之該重新引導部分可包含 一個或多個片段（圖2C中未繪示），由該LED 21〇發射之一 部分光可從其「洩漏出」（即，逸出該模組2丨5 A而未經導 引以入射於該表面220A上）。在—進一步實施例令，該洩 漏出的光可入射於可遮蓋該模組215人的一選用擴散蓋（圖 2C中未繪示）上。此一選用擴散蓋可經組態以擴散性地透 射入射於其上的光（類似於上文描述之選用擴散蓋）。 雖然上文圖2C的描述參考單元2〇〇A的元件，對於熟習 此項技術者將為顯而易見 小幅修改的類似教示可應用於 單元200B。該模組215β相對於繞該轴255的所有角度的旋 轉而旋轉對稱。因此’沿著包含軸255的任意平面取用的 該單元200B之任意橫截面將看起來像沿著圖2c中展示之 平面250取用的橫截面。對於此等橫截面之各者，在分析 如何在該模組215B中導引由該 21〇發射的光時，可應 用類似的推理。此 一實施例對於具有許多單元200B的區域 燈可為尤其有益的’其中例如4個或9個單元200B可配置於 一正方形柵格中 元200B可配置於 ，以一起作為一區域光源’或例如6個單 二角形栅格中’以亦一起作為一區域光 159154.doc -20- 201231874 源’如圖4D至圖4E中所展示’及在下文中更詳細描述。 圖3 Α繪示根據本發明之又一實施例之一光學單元3〇〇的 三維圖，且圖3B繪示該光學單元300之一橫截面側視圖。 如圖3A及圖3B中所展示，該單元3〇〇包含一 led 310及具 有擴散性反射表面320的一模組3 15。該LED 3 1 〇可類似於 上文所描述的該LED 210。因此，上文參考該led 210的 所有討論在此中可應用於該LED 310，且為簡短起見不在 此重複。 該單元300及該模組3 15分別類似於該單元200八及該模組 215A’因此上文參考單元2〇〇a及該模組215A的所有討論 可在此分別應用於該單元3〇〇及該模組315，但亦具有一些 差異。 一個差異在於，該模組315之形狀尤其有益於藉由將許 夕LED 3 10置於一列中且使得一單一模組3丨5包圍所有該等 LED 310而形成一所謂的「擠壓」分佈而製造線性光源， 如具有下文中描述的一燈4〇〇F的圖4F及圖4G中所展示。 再次，藉由使用一擠製型材，可製造性可明顯簡化，且製 也車义不叩貝。庄意，白色擴散側表面可共同擠壓，以允 f在連續程序中製造光學器件。此外’該選用擴散蓋亦 可在相同程序中共同擠壓》 上文描述的兩個或兩個以上單元2〇〇A、2〇叩及/或3〇〇可 J用；燈中，以例如提供大面積的照明。圖4A及圖4B 繪示將光學單元（諸如單元200A及300)配置於一燈中的一 -例示性方式，圖4C至圖4E繪示將該等光學單元200B配

S I59154.doc •21· 201231874 置於-燈中的-些例不性方式，且圖4F至圖4G繪示根據本 發明之多種實施例將該等單元3〇〇配置於一燈中的一實例 之不同圖。 圖4A至圖4E分別提供燈4〇〇八至4〇犯的俯視圖。如可從 圖2A至圖2C、圖3A及圖3B看到，該等單元2〇〇A、2〇〇B及 300之頂部輪廓分別與其等内部包含的該等單片模組 215A、215B及315之頂部輪廓重合。因此在圖4A至圖4E 中，不明確地識別該等單片模組2丨5 A ' 2丨5B及3丨5，但該 等單元200A、200B及300之條狀部分意欲繪示其等内部包 含的單片模組之擴散部分。 圖4A繪不四個光學單元（諸如該單元2〇〇A或該單元3〇〇) 可以一列安置於一基板405A上，其申對於該等單元之各 者，該等擴散部分位於該燈4〇〇a之一橫向方向。換言之， 圖4A繪不該等擴散部分之各者之長轴平行於該燈4〇〇八之 縱向方向。以此方式配置的該等單元2〇〇A或3〇〇可一起作 為一線性光源。基於對稱性考慮，該等白色表面上的最大 輝度將在圖2A之平面250中。因為該等擴散器以兩個不中 斷的列對準，且具有鄰近的較短側，圖4八之組態將或多或 少展示兩個平行線的外觀。將該等單元配置於一線中允許 光從一單元洩漏至鄰接單元’此可幫助將鄰近LED之間的 任何色彩/通量差異平均化。 圖4B繪示四個光學單元（諸如該單元2〇〇a或該單元3〇〇) 可以一列安置於一基板405B上，其中對於該等單元之各 者’該等擴散部分位於該燈400B之一縱向方向。換言之， 159154.doc 22- 201231874 圖4B、，會不3亥等擴散部分之各者之短軸平行於該燈扣〇B之 縱向方向。以此方式配置的該等單元2〇〇A或3〇〇可一起作 為一線性光源。基於對稱性考慮’該等白色表面上的最大 輝度將在圖2A之平面250中。當該等擴散性反射表面將以 間斷的列與鄰近較長側對準時，圖4B之組態將或多或少 展示一條線的外觀。按照輝度分佈，在此一配置中突出該 線源之線性方向。另一方面，若個別地定址，則此一配置 亦可允許明確地將所定義的像素切換成開啟及關閉。 圖4c繪示四個光學單元200B可以一列安於一 彻C上’其中對於該等單元之各者，該單片模組之㈣新 引導部分經組態以將由對應LED發射的光以繞該LED的所 有方向導引《以此方式配置的該等單元200B亦可一起作為 一線性光源。 圖4D繪示九個光學單元2〇〇B可以一正方形柵格安置於 一基板405D上，其中對於該等單元之各者，該單片模組之 該重新引導部分經組態以將由對應LED發射的光以繞該 LED的所有方向導引。以此方式配置的該等單元2〇〇b可一 起作為一區域光源。 圖4E繪示六個光學單元2〇〇B可以三角形柵格安置於一 基板405E上，其中對於該等單元之各者，該單片模組之該 重新引導部分經、组態以將由對應LED發射的&以繞該咖 的所有方向導引。以此方式配置的該等單元2〇犯亦可一起 作為一區域光源。 最後，圖4F繪示該等單元3〇〇可以一列配置於一燈4〇〇ρ 159154.doc •23· 201231874 中同時利用包圍所有該等單元300之所有該等[ED 3 10的 一單一模組315(即，擠製型材圖4g繪示此一配置的三 維圖。如上文所描述，實施一擠製型材可藉由共同擠壓所 有擴散側表面及在一單一連續程序中的一選用擴散蓋而允 許簡化可製造性’且降低該燈的整體成本。 圖4A至圖4G意欲提供一些示意性例證實施例，且熟習 此項技術者將思識到可具有將該等單元2〇〇A、2〇〇B及/或 300配置於一燈中的許多種其他方式。例如，分別繪示於 圖4A及圖4B中的該等燈400A及400B中的擴散部分並不必 需具有一長軸及一短軸，因為在其他實施例中，此等擴散 部分亦可為正方形。 具有最佳化入耦合結構的TIR光學器件 上文描述的該等光學單元利用單片模組，以依一實質上 垂直的方向重新引導由一LED發射的至少一光份額光束’ 以藉：TIR將入射於該等模組之外部表面上的光束反射而 在一實質上水平向下或水平的方向上傳播。如本文中所使 用術„。單片模組之「内部表面」指分別繪示於圖2C及 圖3B中的表面29丨及391，而術語一單片模組之「外部表 面」指分別繪示於圖2C及圖3B中的表面292及392。 EP 0 945 673 A1揭示基於TIR的一光導（繪示於圖5中）以 將由-頂部發射的LED發射的光束以_實質上垂直的方向 導引，以在一水平及/或水平向下的方向上傳播。如圖5中 所展示，在一頂部發射的LED 53〇上方具有一倒三角形之 形狀的一通孔550的一光導520安置於一基板54〇上。如圖$ 159154.doc •24- 201231874 中所展示’該光導520具有圍繞該LED 530的一圓頂形内部 表面570、一頂表面510及從該内部表面570徑向延伸的一 對相對的反射表面580，以形成一徑向反射表面，其中該 通孔550的側550A用於藉由TIR將由該LED發射的光以該光 導的一縱向方向重新引導。 圖5中繪示之光導的一個問題在於所得的結構相對較 厚，此對於需要較薄組建高度的應用或該入耦合結構係該 光導之部件的應用係非所要的，且因此，該厚度應出於可 製造性原因而受限制。再者，似乎未注意到led發射表面 的延伸大小’此可導致光未控制地從該光導洩漏，如下文 中所解釋。又一問題在於在需要額外的側鏡面以將光耦合 至該光導中之處’所展示的對稱性增加複雜性。 下文描述藉由修改包圍一 LED的一單片模組之一内部表 面之形狀而幫助改良至少一些此等問題之一途徑。上文描 述之實施例對於頂部發射的LED係尤其有利的。圖6A繪示 根據本發明之一實施例具有一單片模組615之一修改的内 部表面的一光學單元6〇〇的一橫截面側視圖。在該光學單 元600之一對稱平面上取用橫截面，該對稱平面類似於圖 2A及圖2B中展示之該等光學單元2〇〇a及2〇〇b之平面250。 因此，圖6A中展示之橫截面側視圖類似於圖2c中展示之 橫截面側視圖。 在一實施例中’類似於該等光學單元200A/200B及該光 予單元300可於上文描述的該等燈400A至400F中使用該 光學單TC600。在其他實施例中，該模組615可為一光導的

S 159154.doc -25- 201231874 部件，其中該模組將用於將由該LED發射的所有光耦合至 一較長塊透明材料中，將該光導引遠離該LED之位置，如 圖6B中示意性展示。 如圖6A中所展示，該光學單元600包含一 LED 610(該 LED 610包括一 LED晶粒612及一圓頂614)及該單片模組 615。該LED 610、該LED晶粒612及該圓頂614可分別相似 於上文描述的該LED 210、該LED晶粒212及該圓頂214。 因此，上文參考此等元件的所有討論可在此應用，為簡短 起見，不在此重複。該模組615亦包含擴散性反射側表面 620，擴散性反射側表面620類似於圖2A及圖2C中繪示及 描述的側表面220A，且因此，上文關於該等擴散側表面的 所有討論可應用於此，且將不重複。 包括具有一内部表面691 (該内部表面691形成繞該LED 610的一腔室）及一外部表面692之一本體的該模組61 5類似 於模組215 A ’因此上文關於該模組21 5 A的所有討論可應 用於此，但亦具有一些差異。 一個差異在於’該内部表面691具有在該LED 610上方的 一尖銳峰部638。角度639繪示該峰部638之一開口角度， 在下文中更詳細描述。 如圖6A中用一腔室635所展示’在所繪示之實施例中， 該模組615之該内部表面691包圍該LED 610，沒有與該 LED 610實體接觸。因此，該腔室635係該LED 610之圓頂 614(或右不存在該圓頂614，且用作「主要光學器件」的 忒模組615係該LED封裝的一部件，則該晶粒6丨2)與該模組 159154.doc -26- 201231874 615之間圍封的空間。類似於上文描述之該間隙235，在多 種實施例中，可用空氣或用具有適宜光學性質的一材料填 充該腔室635。在用具有適宜光學性質的一材料填充該腔 室635情況中，此可能需要一不同形狀的模組615。

在操作中’該LED晶粒612以一實質上垂直（即，向上）的 方向發射光，該光意欲由該模組615之該重新引導部分以 一實質上水平及/或水平向下（或向後）的方向重新引導。如 本文中所使用，術語「水平向下」用於描述朝向安置該 LED aa粒之位置的方向。該重新引導可藉由追蹤由該[ED 晶粒612發射之光束的一者、一光線651而繪示，如圖6八中 所展示。 如所展示’該光線651包含三個片段：651a、651b及 651c。該片段65 la繪示由該LED晶粒012發射的光線651在 填充該腔室635之材料與該内部表面691之間的邊界處折射 之前的該光線651之一片段。注意，為不混亂該等圖式， 雖然此並不繪示於圖6A中，取決於該圓頂614與填充該腔 室035之材料之間的邊界處各自材料的折射率，該片段 65^亦可在該邊界處折射。該片段651]3繪示該光線651在 填充該腔室635之材料與該内部表面691之間之邊界處折射 且入射於該外部表面692上的該光線651之一片段。最後， 該片段651 c繪示該光線65 1藉由TIR而在該外部表面692反 射’因此將該光線65 1從在一實質上垂直的傳播方向重新 引導為以一實質上水平或向後的方向傳播。 塑型該内部表面691以包含該峰部638允許操作該光學單 159154.doc -27- 201231874 元600，其中p务 匕在該内部表面691處折射之後入射於該外部 表面692上的ttj分 田該LED晶粒612發射之所有光束可藉由tir 在該外°卩表面692處反射。與圖5中繪示的結構相比較， 所得的結構係有利的’此係因為來自該模組615的未受控 制之光Λ漏明顯減少，同時最小化該結構的整體厚度，此 係因為該模組中不需要包含圖5之結構中所作出的重新引 導光的孔，且因為不需要將該模組615之厚度增加到可將 該LED視作—點源發射體的地步。 現將參考圖7至圖12解釋包圍一LED的一單片模組之一 内。卩表面包含在該LED上方之一尖銳峰部的優點，及可如 何達到該内部表面的此一形狀。因為是描述類似於該模組 615的一單片模組之重新引導功能，在下文中此一模組稱 為一「重新引導結構」。 圖7提供圖8至圖12之描述中使用的一光學單元7〇〇的一 不意性例證。如所展示，該光學單元7〇〇包含一LED 71〇及 具有一内部表面791及一外部表面792的一重新引導結構 715。在一實施例中’該LED 71〇及該重新引導結構了^可 分別相似於上文所描述之該Led 6 10及該模組615，且因此 不在此重複其等之詳細描述。 雖然在圖7中該内部表面791展示為一圓頂，此並非與解 釋圖8至圖12中展示之結果的目的相關，且實際上，如下 文中所解釋，該内部表面791之形狀可為不同的。類似 地’雖然展示該外部表面792具有一沙漏的形狀，取決於 例如所要的輻射場型’此形狀亦可為不同的。該内部表面 159154.doc •28- 201231874 791僅展示以繪示「内部表面」係該重新引導結構7丨5部分 包圍該LED 710的表面，而展示該外部表面792以繪示「外 部表面」係經調適以將入射於其上的光束藉由TIR反射的 TIR表面。虛線732與733之間的一角度在本文中稱為該重 新引導結構715的一「壓紋角度」。 在圖8至圖12之討論中，該LED 71〇視作一「點源」發射 體（即’由該LED晶粒發射的所有光束視作源自一單一 點），其以該LED 710係一圓形而續示於圖7中，或該led 710視作一「延伸源」發射體（即，由該lED晶粒發射的光 線視作並非源自一單一點，而是來自該晶粒之發射表面的 不同點），其以該LED 710係一虛線的矩形而繪示於圖7 中。 在解釋圖8、圖9、圖丨丨及圖12時使用的座標系統展示有 X軸及丫軸，其中該座標系統之點（〇,〇)視作在該1£〇 71〇之 發射表面的中央（其係一點源，或一延伸源發射體），該χ軸 用於以任意長度單位指示位置，且該y軸用於指示該重新 引導結構715之厚度「t」，亦以任意長度單位量測。如本 文中所使用，術語該重新引導結構的「厚度」指在y軸方 向上量測的從該X軸（通常從安置該LED 71〇及該重新引導 結構715的基板）至該外部表面792的距離。因此，圖9中繪 不的厚度Uax展示該重新引導結構715之厚度在其最大值 (厚度=最大厚度）的.點’且圖9中緣示的厚度t〇展示該重新 引導結構715之厚度在丨最小值，在本文中稱為一重新引 導、、、。構的一起始厚度」。至於圖9中繪示的沙漏形重新引 159I54.doc •29· 201231874 導結構’該起始厚度恰好沿著該LED 710之光束場型的對 稱轴量測（即’在該Led 710之中央上方）。該起始厚度可 例如由該LED腔室的高度（即，包圍該LED晶粒912之圓頂 914的高度），及該重新引導結構715之材料（其具有必需的 機械特性）的最小材料厚度給出，或由製造的原因而給 出。 注意，如本文中所使用，術語「最大厚度」中的詞語 「最大」指該重新引導結構在其最大值時的厚度，且該 最大厚度」貫際上是該重新引導結構將允許入射於該外 部表面792上的所有光束藉由TIR反射的厚度之最小值。 使用斯奈耳（Snell)定律及光傳播定律，可建立一組適當 的二角方程式，該等三角方程式描述從該LED之發射表面 上：不同點以不同角度發射'行進至由該重新引導結構之 内部表面及外部表面形成的邊界處的光之光路徑。包含關 等内。P表面及外部表面形成之邊界的不同側上之材 料折射率㈣訊’㈣於以此項技術中已知的—方式的内 部表面形狀的資訊’可決定該外部表面Μ的一形狀，其 ^允許人射於該外部表面792上的所有光束經由服而反 射。 在下文的討論中， 射率η的一材料製成 一折射率的一材料圍 假定該重新引導結構715由具有一折 ’且由空氣圍繞（即，由具有等於！的 繞）。 為計算剛好滿足TIR條件 τ °卩表面，起始點將在索 LED 710的中央上方。當該重 新引導結構71 5的折射率等方 159154.doc 201231874 1.49(例如，該重新引導結構715由pMMA製造）且該led 710視作一點源發射體時，該沙漏配置的壓紋角度可經計 算為等於95.7度。彳自以下計算該外部表面的下一座標點 (x，y)

Kx) = t。+ ‘y) ώ (1) 在方程式（1)中，t0表示該重新引導結構715之起始厚 度，eTIR係滿足TIR條件的最小入射角，且係從該 710的發射角。對於位於（〇,〇)的一點源，pRay直接與該外部 表面的座標相關，且該外部表面的方程式變為： yW = + /〇Χ tan - arctan(^))dx ^2) 圖8提供當該LED 710視作一點源發射體時，滿足該TIR 條件的該外部表面792之此一形狀的橫截面（x，y(x))的一計 算結果°在圖8之模擬中，該重新引導結構71 5致使該内部 表面791形成包圍該LED 71〇的一圓頂腔室，或致使該led 71 〇次入該重新引導結構7丨5内。如本文中所使用，術語 「浸入」用於描述該内部表面791與該LEd 710直接接觸的 一實施例。如從圖1〇之模擬結果的檢驗中變得清楚，在此 情況中’若在重新引導之後所得的光束場型意圖是基本上 準直’則該外部表面792亦可經選擇以基本上為一拋物線 (具有一最小高度’以滿足TIR條件）。 基於該TIR條件，在背部平面上方的最薄重新引導結構 715(見上文的方程式（2))，該LED 710之中央上方的起始厚 度^將具有該重新引導結構715的最大厚度： I59154.doc 31 201231874 max.thickness == t0 e 丨1 (3 ) 其中 fc = ^1/(7¾2 — 1) 然而’該LED 7 10無法始終視作一點源發射體。當該 LED 710之發射表面的大小與該重新引導結構715之起始厚 度可相當時，此考慮變得尤其重要。對於具有一給定大小 (source一size)的發射表面的一 LED 710，以該LED 71〇之中 央上方的一高度h，從該發射表面的入射角（在該外部表 792上)將分佈於™—^)之間，此在等於該發射表 面之大小的一高度處將導致發射角從該LED 710中央上方 的-26度至+26度分佈《此意指該重新引導結構715之該壓 紋角度將減小至55度（對於由PMMA製成的重新引導結構 71 5)，以滿足該TIR條件。如可容易地從圖7中繪示之該壓 紋角度與該重新引導結構715的最大厚度之間之關係的一 簡單幾何檢查中變得清楚，該壓紋角度越小，則該重新引 導結構71 5的最大厚度越大。因此，為仍然滿足的TIR條 件’一減小的壓紋角度導致該重新引導結構7 1 5的厚度明 顯增加。方程式（2)將在此改變，以將該延伸源發射的位置 包含於 J:ta 如-a 血(=^i))办⑷ 此情況繪示於圖9中，當該LED 710視作一浸入式延伸源 發射體（圖9中的虛線）時，提供滿足該TIR條件的該外部表 面792的一橫截面形狀的一計算結果。出於比較，圖 159154.doc -32- 201231874 8(即，該LED 710視作一點源發射體）的模擬結果亦包含於 圖9中（圖9中的實線）。 當該LED 710視作浸入該重新引導結構715内時，該重新 引導結構71 5之最大厚度的解仍然可書面分析，展示源大 小及光學器件大小的相依性： max. thickness -^~=-；-- _ / c、 sinif-arctanffSHTfliEf))( 5 ) 2 ' C{) r 圖9繪示當僅該重新引導結構715之該外部表面792經最 佳化以確保入射於該外部表面792上的所有光束藉由TIR反 射時’當該LED 710之發射表面的大小增加時該重新引導 結構71 5之厚度必須增加，使得該LED 710可能不再視作一 點源發射體。圖10中繪示當該LED 710可能不再視作一點 源發射體時，其之發射表面的大小應恰好為多大。 圖10繪示該等光學器件之大小與該LED 710之發射表面 之大小的相依性，其中術語「光學器件之厚度」指該重新 引導結構71 5之最大厚度。圖1〇中的χ軸用於指示該重新引 導結構715之起始厚度（即，tc)與該LED 710之發射表面的 大小之間的比率’而y軸用於指示當該LED 71 〇視作一延伸 源發射體時該重新引導結構715之最大厚度與當該led 71〇 視作一點源發射體時該重新引導結構715之最大厚度之間 的比率（即，值之間的比率根據上文提供的方程式（5)及方 程式（3)而計算）。 圖1 0中的點A繪示當該發射表面之大小約為該重新引導 釔構715之起始厚度的兩倍大時（即，沿著圖10之χ軸描繪

S 159154.doc •33· 201231874 的比率等於0.5) ’對比於當該LED 71〇可視作一點源發射 體時滿足TIR條件必需的最大厚度，該重新引導結構之最 大尽度*日加約3倍。此意指當比率tG/s〇urce—size等於〇 5 時，具有小於根據上文提供的方程式（5)計算的值的一最大 厚度的該重新引導結構715將對於所有人射角無法滿足TIR 條件’且將洩漏出一些光。 圖10進一步繪示當該重新引導結構715之該起始厚度相 對於該LED 710之該發射表面的大小而增加時，延伸源與 點源發射體之光學器件大小之間的比率減小。目此，如圖 10中用一點B所展示，當該重新引導結構715之言亥起始厚度 比該LED 710之該發射表面的大小大25倍時，冑比於當該 LED 7 10可視作-點源時的最大厚度，該重新引導結構的 最大厚度僅需要增加約125倍，以滿足該TIR條件。

圖1 〇中的點C對應於圖9中描繪的該起始光學器件之厚度 與該源大小之間的比率等於15的情況，因為在圖9中，t。 展示為等於1.5的長度單位，而該延伸源的一半展示為等 於0.5的長度單位。圖9僅繪示該延伸源的一半，因為如上 文所描述，點（〇,〇)與—LED的中央重合。如圖1〇中用點C 所繪示，對於該起始光學器件厚度與該源大小之間的此 比率，對該延伸源與對該點源所計算的光學器件之厚度 間的比率略微小於。此亦可從圖9中虛線的最大厚^ 實線的最大厚度的比較而清楚。 又 基於圖10，可推斷當該重新引導結構715製造地充分 時，任意LED 710可視作一點源，且可決定該外部表面7 159154.doc -34· 201231874 的形狀，使得將對於入射於其上的所有光束滿足TIR條 件。然而，如在[先前技術]章節中所描述，可能期望將該 重新引導結構71 5製造地儘可能薄。為此，對比於圖9中描 述的浸入式LED，利用一圓頂形内部表面79 1 (即，該内部 表面791經塑型以便形成繞該LED 710的一圓頂）允許減小 該重新引導結構715的整體厚度，同時仍然滿足該TIR條 件。此繪示於圖11中’當該LED 710視作一延伸源發射體 且該内部表面791形成包圍該LED 1 710的一圓頂腔室時（圖 11中的點虛線），提供滿足該TIR條件的該外部表面792的

一橫截面形狀的一模擬結果。出於比較，圖8(即，該LED 710視作一點源發射體）及圖9(即，該led 710視作一延伸 源發射體）的模擬結果亦包含於圖llf (在圖u中分別為實 線及虛線）。 當該LED 710視作由一圓頂形内部表面791包圍時，該重 新引導結構715之最大厚度的解無法再書面分析。取而代 之，該外部表面792之方程式將對於所有人射光束滿足丁伙 條件，給定該内部表面791之該圓頂的形狀需要用數學求 解’其内容如下： ~ tQ+ ^ (θΤί1{ - arctan (i^)) dx ( 6 ) 在方程式⑹中，（Xc，yc)係該光線在入射於該外部表面上 的（X，)0之前與該圓頂界面相 的=圏1⑽楚，對比於浸人式延伸源的情況_中 利用-圓頂形内部表面791允許減小該重新引導

S 159154.doc -35- 201231874 結構715的整體厚度，但該整體厚度仍然明顯大於該點源 的情況（圖11中的實線）。只有藉由將該内部表面791超過一 圓頂形狀而塑型（即，藉由建立在該LED 71〇上方的一峰 部），在沒有未受控制之洩漏且該重新引導結構715之厚度 上具有最小增加時，該等光束才可充分在該内部表面邊界 處折射，以在該外部表面792處藉由TIR反射。當該内部表 面791如圖6A中所展示般塑型時（此一表面可稱為「峰部 形」表面）’接著類似於圖U中展示之模擬的數值模擬將 得出該外部表面792的一形狀，其最接近該點源情況的該 外部表面792之形狀，即，該重新引導結構715具有最小整 體厚度。 類似於該圓頂形内部表面，該峰部形内部表面79丨之該 重新引導結構715的最大厚度之解無法書面分析，但可: 為一數值解而獲得。 為计算該内部腔室的形狀，該内部表面的傾斜應經定向 以便將從該源表面之邊緣發射的光線「旋轉」至來自中央 的光線（因為該外部TIR表面最初在此處設計）的方向。換 言之，該内部表面的傾斜應經定向，使得從該源發射表面 之邊緣發射的光線將由該内部表面以此一角度折射，使得 其等將呈現為好像從該源發射表面之中央發射。如本文中 所使用，在從該發射表面之邊緣發射的光線之「旋轉」的 内文中，術語「旋轉」用於描述由於該内部表面形狀上的 變化，此等光線在與該内部表面的邊界處折射之後其等方 向上的變化。 159154.doc -36 · 201231874 接著對應的方程式變為 ηδ^ΙΙ(αιη»«-(χιηηβ·^>,ίηη«-)— «加时(¾咖 y 丨w)) = M^n(s?urc~^^)+«tnwcXjBW,yfB^}) ⑺ 在方程式（7)中， “inner 係該内部表面的傾斜與X軸在座標 (xinner，yinner)處形成的角度’ atargetS該源之邊緣光線在折 射率為η的媒體中的目標角度（即，由從該源之中央位置處 發射的光線定義的角度）。該内部表面的形狀可接著整合 為 firmer ~~Υ〇~Ι〇 co^(.ainner(.Xinner>yinner^) dx ( 8 ) 在方程式（8)中，y〇係對於本文中所描述的雙面類型的重 新引導結構而在該LED之中央上方的該内部腔室的起始高 度（即’從X軸至該内部腔室之峰部（諸如該峰部638)在乂轴 方向上量測的距離）。注意，取決於總源大小/光學器件厚 度比率，當到達該源的邊緣時，該傾斜增加，使得該腔室 將減小至零厚度。為避免此，該傾斜可經選擇為小於必 需’且該外部表面將需要修改，導致該等光學器件的一略 微較厚的解。然而，該厚度的增加比一圓頂形内部表面小 很多，此係因為在該源之中央上方的該外部表面的起始傾 斜已明顯減小。 此繪示於圖12中，當該LED 710視作一延伸源發射體且 該内部表面791形成包圍該LED 710的一峰部形腔室（圖12 中的點虛線，方程式（7)及（8)的解）時，提供滿足該TIR條 件的該外部表面792的橫截面形狀的模擬結果。出於比

S 159154.doc -37- 201231874 較，圖8(即，該LED 710視作一點源發射體）及圖9(即，該 LED 710視作一延伸源發射體）的模擬結果亦包含於圖12中 (在圖12中分別為實線及虛線）。因此，此數值模擬得出該 外部表面792的一形狀，其最接近對於該點源情況的該外 部表面792之形狀，即，該重新引導結構715具有最小整體 厚度。 熟習此項技術者將意識到，取決於例如最終的輻射場型 及機械約束，該重新引導結構可描述為與本文的例示性實 施例中繪示的形狀不同的形狀。《而，不管該重新引導結 構的特定形狀’減小該LED上方中央不同的陡峭的壓紋角 度係當該LED視作一延伸源時，冑於該重新引導結構之最 終厚度最重要的考慮。藉由將進人的光隸該源的邊緣 「旋轉」至可在該重新引導結構之該外部表面處更容易滿 足o TIR條件的—方向，該峰部形内部表面有效地對此縮 減有貢獻。該峰部形内部表面應具有_平均開口角度（諸 如繪示於圖6A中的開口备；# μ/=. 们開角度639)，使得在類似圖0Λ中展示 之：截面的一橫截面圖中’在該峰部㈣與該LED晶粒612 =緣之間繪出的一直線將不與該内部表面叫目交。對 二内部表面的—起始高度y。，此條件内容為： 汗 口角度=2ainner(0, y〇)=2 atan(源大小/2~。） 此外，為允許從該源之邊緣發 邶志工 ^ 城町的九束「旋轉」，該内 ° 之角度將對於起始高度# > β n=1 4Q6, ^ 门沒寺於遠源大小且折射率 η 1·49的一内部表面而在中央： 2a<nner(〇，源大小）=74度（代 管對於—圓頂形給出的180度 159154.doc •38· 201231874 的解）。 在實際中，當藉由例如注射模製製造時一重新引導結 構’可出現該内部表面中的該峰部實際上恰好在頂部是圓 形的情況（如在圖16中繪示的一些例示性結構中所展示）， 而非如上文所描述設計的具有一開口角度的一尖銳峰部。 在此一情況中’該開口角度可事實上等於180度（因為該峰 部自身在該重新引導結構之該内部表面的中央形成一圓 頂）。然而’熟習此項技術者仍然將意識到如何將本發明 中揭示的教示應用於關於將一適當峰部引入一重新引導結 構的内部表面’即使當該峰部在實際中係圓形時。 該内部表面的一第二部件可當然由機械約束及已從該等 LED以最終目標方向發射的光線之最小菲涅爾反射而給 出。記住此等起始點，可利用光學光線追蹤軟體以找到整 體的權衡。 圖13A至圖13D繪示給定相同最大厚度及相同的重新引 導結構715的起始厚度，及相同的該外部表面792的形狀， 當利用一圓頂形内部表面791時，從接近該lEd 710之發射 表面的邊緣發射的光束可如何洩漏出（見圖13B及圖13D)。 相比之下’當利用一峰部形内部表面79丨時，將在該外部 表面792藉由TIR反射相同的光束（見圖13A及圖13C)。因 此，相對於該外部表面792塑型該内部表面79丨允許在該内 邛表面791處折射，且入射於該外部表面792上的所有光束 達成在該外部表面792處藉由TIR反射。 回到圖6A中緣示的該光學單元，對於需要一些光從該光 159l54.doc •39· 201231874 學單元600洩漏出的應用’可根據本發明之一實施例將額 外結構引入至遠模組615 ’該等額外結構允許相對於該 LED 610的預定位置控制光洩漏《為此，圖丨4繪示類似於 該光學單元600的一光學單元1400之平面250中的一橫截面 側視圖。該光學單元1400包含分別類似於上文描述之該 LED 610及該模組615的一 LED 1410及一單片模組1415。 因此’為簡短起見’該LED 1410及該模組1430的描述不在 此重複。圖6A中描繪之該光學單元6〇〇與該光學單元14 之間的主要差異在於該光學單元14〇〇亦包含在該模組丨4i 5 之一外部表面1492上的環1403 ^該等環1403經調適以提供 對由該LED 1410發射的一部分光束的受控制洩漏。或者或 另外’控制從該重新引導結構的光洩漏亦可藉由在該模組 之該外部表面中引入不同波紋而達成，如圖丨5中示意性地 展示。 上文描述的實施例均已繪示包含用一圓頂遮蓋一發光晶 粒的LED。該等光學單元6〇〇及1400亦可在沒有包含圓頂 614及1414時實施。取而代之，該單片模，组自身可用於執 行該發光晶粒上該圓頂的功能。在此等實施例中，該單片 模組可稱為一「主要」光學組件。 此外’亦可使上文描述的光學單元相對於所有角度而旋

轉對稱，及/或雖然該等繪示的實施例搭配頂部發射的leD 使用係尤其有利的，本發明之教示亦可應用於與侧面發射 的LED使用。 再者’雖然本文中描述的實施例均包含該單片模組之該 159154.doc 201231874 内部表面中的一尖銳峰部，該内部表面包括一不同形狀之 峰部的實施例亦在本發明的範圍内。圖16繪示根據本發明 之多種實施例具有包括不同形狀之峰部的内部表面的單片 模組。 雖然一單片模組之該修改的内部表面之描述在上文參考 S亥光學單元200A而提供，類似於參考圖6八至圖丨6而提供 的考慮亦可經應用以修改該等光學單元2〇〇B及3〇〇，使得 其等的内部表面亦將包含一峰部。因為熟習此項技術者將 容易地意識到如何將參考圖6A至圖16而提供的考慮調適為 其他形狀的單片模組’此等調適的詳細討論在此並非必 要。 雖然如文主要探討本發明的實施例，在未脫離本發明的 基本範圍時，可設計本發明的其他實施例及進一步實施 例。因此’本發明之範圍由下文的申請專利範圍決定。 【圖式簡單說明】 圖1緣示根據先前技術的一基於LED之燈； 圖2 A繪示根據本發明之一實施例的一光學單元的三維 圖； 圖2B繪示根據本發明之另一實施例的一光學單元的三維 圖； 圖2C繪示圖2A及圖2B之該等光學單元之一橫截面側視 圖； 圖3 A繪示根據本發明之又一實施例之一光學單元的三維 T2J · 圆， 159154.doc -41 · 201231874 圖3B繪示圖3A之光學單元之一橫截面側視圖； 圖4A至圖4E繪示根據本發明之多種實施例將圖2a、圖 2B及圖3A之光學單元配置於一燈中的一些例示性方式； 圖4F繪示根據本發明之—實施例將圖3A之光學單元配 置於一燈中、同時利用包圍所有LED的一單一單片模組的 一實例； 圖4G繪示圖4F之配置的三維圖； 圖5繪示根據先前技術的一光導； 圖6A繪示根據本發明之一實施例的一光學單元的三維 圖，其具有包圍一 LED之一單片模組的一最佳化内部表 面； 圖6B繪示根據本發明之一實施例的圖6A之光學單元的 一橫截面側視圖； 圖7提供於圖8至圖12之描述中使用的一光學單元的一示 意圖； 圖8提供當LED視作一點源發射體時滿足TIR條件的一重 新引導結構之外部表面之一橫截面形狀的一計算結果； 圖9提供當LED視作一浸入式延伸源發射體時滿足tir條 件的一重新引導結構之外部表面之一橫截面形狀的一計算 結果； 圖10繪示光學器件的大小對於滿足TIR條件的上文描述 之重新引導結構的LED之發射表面大小的相依性； 圖11提供當L E D視作一點源發射體或一浸入式延伸源或 由重新引導結構之一圓頂形内部表面包圍的一延伸源時， 159154.doc -42- 201231874 滿足TIR條件的一重新引導結構之外部表面的一橫截面形 狀的計算結果之一比較； 圖12提供具有不同入耦合腔室的最小厚度之TIR重新引 導結構的不同橫截面的計算結果之一比較； 圖13 A至圖13〇繪示相對於繞一 LED形成一圓頂腔室的一 重新引導結構與根據本發明之一實施例的形成LED上方具 有-尖銳峰部的-腔室的—重新引導結構之間的光茂漏的 差異； 圖14繪示根據本發明之一實施例的一光學單元的平面 6 5 0中具有控制之光冰漏的一橫截面側視圖； 圖15繪不根據本發明之另一實施例的一 。一 70予早το的平面 650中具有控制之光洩漏的一橫截面側視圖；及 圖16繪示根據本發明之多種實施例包括 的内部表面。 【主要元件符號說明】 10 發光二極體 20 基板 30 發光二極體燈 31 反射表面 200A 光學單元 200B 光學單元 205 模組的底表面 210 發光二極體 212 發光二極體晶粒 159154.doc .43- 201231874 214 圓頂 215A 模組 215B 模組 220A 模組的側表面/擴散表面 220B 表面 235 間隙 242 橫向方向 244 橫向方向 250 平面 251 光線 252 光線 252a 光線的片段 252b 光線的片段 252c 光線的片段 255 發光二極體之光束場型的對稱軸 261 點 262 點 291 單片模組之内部表面 292 單片模組之外部表面 300 光學單元 310 發光二極體 315 模組 320 擴散性反射表面 391 單片模組之内部表面 159154.doc -44- 201231874 392 單片模組之外部表面 400A 燈 400B 燈 400C 燈 400D 燈 400E 燈 400F 燈 405A 基板 405B 基板 405C 基板 405D 基板 405E 基板 510 頂表面 520 光導 530 頂部發射的發光二極體 540 基板 550 通孔 550a 通孔側 570 圓頂形内部表面 580 反射表面 600 光學單元 610 發光二極體 612 發光二極體晶粒 614 圓頂 -45- 159154.doc 201231874 615 單片模組 635 腔室 638 尖銳峰部 639 開口角度 651 光線 651a 光線的片段 651b 光線的片段 651c 光線的片段 691 模組的内部表面 692 模組的外部表面 700 光學單元 710 發光二極體 715 重新引導結構 732 虛線 733 虛線 791 重新引導結構的内部表面 792 重新引導結構的外部表面 1400 光學單元 1403 環 1410 發光二極體 1414 圓頂 1415 單片模組 1492 模組的外部表面 159154.doc -46-

Claims (1)

1. 201231874 七、申請專利範圍： 1. 一種光學單元，其包括： 一發光裝置（LED)，其安置於一表面上；及 單片模組，丨包圍該LED，且包括一重新引導部分 及一第一擴散部分， 其中： 該第一擴散部分經組態以擴散入射於其上的光，及 該重新引導部分經組態以重新引導由該LED發射的至 丨’第一部分光，以入射於該第一擴散部分上。 2. 如請求項1之單元，其中該重新引導部分進一步經組態 以重新引導由該LED發射的-第二部分光，以不入射於 該第一擴散部分上。 3. 如明求項2之單元，其中該第二部分光包括由該LED發射 的少於45%的光。 4_如前述請求項中任一項之單元，其中： 該單片模組進一步包括一第二擴散部分，及 該重新引導部分進一步經組態以將由該LEd發射的一 第三部分光入射於該第二擴散部分上，使得該重新引導 的第一部分光在該表面上的一投射與該重新引導的第三 部分光在該表面上的一投射形成介於〇度至I 8〇度之間的 一角度。 5.如請求項1至3中任一項的單元，其中該單片模組係相對 於與該LED之一光束場型的一對稱軸重合的該單片模組 之一對稱軸旋轉對稱。 S 159154.doc 201231874 6.如請求項1至3中任一項的單元，其中該led包括一發光 晶粒及安置於該發光晶粒上的一圓頂，且其中該單片模 組安置於該圓頂上。 7·如請求項1至3中任一項的單元，其中該LED包括一發光 晶粒，且該單片模組直接安置於該晶粒上。 8.如請求項1至3中任一項的單元，其中該重新引導部分經 組態以藉由全内反射來重新引導光。 9.如請求項丨至3中任一項的單元，其中該第一擴散部分包 括塗覆於該重新引導部分之部件上的擴散性材料。 10.如請求項1至3中任一項的軍矛，苴、接 ^ ,. 哨叼早兀，其進一步包括一擴散 蓋，該擴散蓋經組態以擴散性地透射入射於其上的光， 其中該第一擴散部分經組態以擴散性地反射入射於其上 的至少一部分光，以入射於該擴散蓋上。 其中該單片模組包括一 11.如請求項1至3中任一項的單元， 内部表面及一外部表面，且其令 其中該腔室經調適 s亥内部表面經調適以形成一腔室 以至少部分包圍該LED， 琢内部表面經調適以折射由該L E D發射之該第一部分 光的至少一第一光份額，以入射於該外部表面上，刀 該外部表面經調適以藉由全内反射而將 該第一部分光的該第-光份額反射，及 …、上的 3亥内部表面包括一峰部。 12’如π求項11之單元’其中該内部表面係相對於 與該LED之一本击+日別L 1調適以 先束％型的一對稱軸重合的該内 159154.doc 201231874 -對稱轴旋轉對稱，或該單片模組係相對於經調適以與 該^之該光束場型之該對稱轴重合的該單片模组的-對稱軸旋轉對稱。 13. 14. 15. 如請求们2之單元，其中在該單片模組之—橫截面中， 該《面包含該LED之該光束場型的該對稱轴該峰部 在沿著該LED之該光束場型之該對稱軸的一點處。 -種包括如前述請求項中任一項之兩個或兩個以上單元 的燈。 一種燈，其包括： 安置於一表面上的一第一發光裝置（LED)及一第二發 光裝置（LED);及 一單片模組，其包圍該第一 LED及該第二led，且包 括一重新引導部分及一第一擴散部分， 其中： 該第一擴散部分經組態以擴散入射於其上的光，及 該重新引導部分經組態以重新引導由該第一 LED及該 第二LED之各者發射的至少一第一部分光，以入射於該 第一擴散部分上。 159154.doc