TWI407043B - 發光二極體光源模組及其光學引擎 - Google Patents

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TWI407043B
TWI407043B TW097142449A TW97142449A TWI407043B TW I407043 B TWI407043 B TW I407043B TW 097142449 A TW097142449 A TW 097142449A TW 97142449 A TW97142449 A TW 97142449A TW I407043 B TWI407043 B TW I407043B
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Yen Chu Teng
Chia Chen Chang
Wei Hung Wu
Shang Te Tu
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Advanced Optoelectronic Tech
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Description

發光二極體光源模組及其光學引擎
本發明係關於一種光學引擎，特別是關於一種以發光二極體(Light Emitting Diode；LED)為光源且具輕量化散熱裝置之光學引擎。
由於發光二極體具耗電少、能量轉換效率高、壽命長以及不會造成汞污染等優越特性，使發光二極體成為取代傳統照明之首選。譬如：組合式大功率發光二極體路燈所需的耗電量為傳統白熾路燈的1/4，壽命更長達10倍，而此一優異之節能功效已廣泛地受到矚目，而且各地均正有計劃地採用以取代傳統路燈。
欲使發光二極體有更廣泛之應用，則需開發出使用便利之燈具，為此一些發光二極體應用燈具紛紛被開發出。美國專利公開號第US2006/0,291,201A1號揭示利用一側向準直發光器(Side Emitting Collimator)，其係將一光源模組發出的光線，透過一透鏡模組將光線做全反射從側向射出，再利用一反射機構將光線反射向上，形成平行光線射向被照物，其中一光源配合一透鏡模組，而該光源模組係以一金屬散熱塊散熱，藉以降低發光二極體溫度。
另，美國專利公開號第US2007/0,217,192A1號揭示一種發光板及發光裝置(Illuminating Panel and Illuminating Device)，其係以多個發光二極體組成一個發光源，並利用反射罩將光源集中向前射出，讓光線能夠集中投射到被照物。發光板係將發光源與反射罩安裝於一基板上所組成。
又，美國專利公開號第US2007/0,201,225A1號揭示一種能產生寬光束之發光二極體裝置(LED DEVICE FOR WIDE BEAM GENERATION)，其係於各以矩陣的排列方式排列於印刷電路版上之發光二極體上方，加上一個光學透鏡。之後，再將組合之模組放置於一個具有散熱功能的載板。最後，在該模組之表面蓋上一個塑膠蓋而完成一光學引擎。
本發明提供一種發光二極體光源模組及其光學引擎，發光二極體光源模組可利用光機電整合之光學引擎依光通量所需而任意配置數量。發光二極體光源模組具系統化之電源，故讓使用者可直接連接市電使用。光學引擎之散熱裝置具可依照散熱需求而彈性增減散熱鰭片之設計，且片狀之散熱鰭片使散熱裝置輕量化。
本發明一實施例之發光二極體光源模組之光學引擎包含一散熱裝置、一二極體燈條及一光學元件。散熱裝置包含一基板與複數散熱鰭片，該等散熱鰭片係直立焊接於該基板之一表面。該二極體燈條係固定於該基板之另一表面，使該二極體燈條得藉該散熱鰭片散熱。該光學元件具一容置該二極體燈條之容置空間，而其係用於將該二極體燈條之發光形成一預定光型。
本發明一實施例之發光二極體光源模組包含一框體及複數個前述之光學引擎。該框體包含複數個反射板，該等反射板係沿垂直於其縱向之方向凸設於該框體之一表面，且相鄰之該等反射板間係鏤空。該等光學引擎係相對應地安設於該等鏤空之處，其中該光學引擎之側向光可藉由其兩側之該反射板往該光學引擎之正向光軸方向反射。
相較於習知之一光源配合一模組之搭配模式，本發明可直接運用於多排發光二極體之光源。又，比較使用習知之金屬散熱塊，本發明之散熱裝置具輕量化及大有效散熱面積等之優點。再者，本發明揭示之光學引擎之各組 件，無需使用精密模具加以製作，故具低成本之優點。
100‧‧‧發光二極體光源模組
102‧‧‧框體
104‧‧‧光學引擎
106‧‧‧反射板
106a‧‧‧斜面
106b‧‧‧垂直面
402‧‧‧散熱裝置
404‧‧‧二極體燈條
406‧‧‧光學元件
408‧‧‧基板
410‧‧‧散熱鰭片
412‧‧‧表面
414‧‧‧表面
416‧‧‧開孔
418、420‧‧‧螺絲孔
422‧‧‧電路板
424‧‧‧發光二極體
426‧‧‧開孔
428、430‧‧‧固定裝置
702‧‧‧容置空間
802‧‧‧第一曲面
804‧‧‧第二曲面
806‧‧‧第一側面
808‧‧‧第二側面
810、812‧‧‧入射光
1502‧‧‧固定部
1600‧‧‧驅動裝置
1602‧‧‧功率因素校正控制器
1604‧‧‧交直流電源轉換器
1606‧‧‧定電流電路
1700‧‧‧發光二極體光源模組
1702‧‧‧框體
1704‧‧‧安裝面
1706‧‧‧支撐件
1708‧‧‧掏槽
1800‧‧‧發光二極體光源模組
1802‧‧‧框體
1804、1806‧‧‧支座
1808‧‧‧支桿
1810‧‧‧支撐件
圖1顯示本發明一實施例之發光二極體光源模組之立體示意圖；圖2顯示本發明一實施例之反射板之示意圖；圖3顯示本發明另一實施例之反射板之示意圖：圖4顯示本發明一實施例之光學引擎之爆炸圖；圖5顯示本發明一實施例之光學引擎之組合圖；圖6顯示圖5之光學引擎之右側視圖；圖7顯示圖5之光學引擎之前視圖；圖8至圖14顯示本發明其他實施例之光學元件之導光結構示意圖；圖15顯示本發明一實施例之散熱裝置之示意圖；圖16顯示本發明一實施例之發光二極體燈條之驅動裝置之示意圖；圖17顯示本發明另一實施例之發光二極體光源模組之立體示意圖；及圖18顯示本發明又一實施例之發光二極體光源模組之立體示意圖。
圖1顯示本發明一實施例之發光二極體光源模組100之立體示意圖。發光二極體光源模組100包含一框體102及複數個光學引擎104。框體102之一表面上凸設複數長條形之反射板106，其係在垂直於其縱向之方向上間隔排列。該等反射板106間隔處具用於容置光學引擎104之鏤空，此配置使各光學引擎104之側向光可藉由位於其兩側之反射板106往光學引擎104之正向光軸方向反射。
參照圖2及圖3，反射板106之反射面可為兩斜面106a或為一斜面106a及一垂直面106b所構成。斜面106a之角度係配合光學引擎104之側向光之發光狀況，使該側向光得藉由位於其兩側之反射板106往二極體光學引擎104之正向光軸方向反射，其中反射板106之反射面可以鋁拋光所形成。
本發明揭示之發光二極體光源模組100係以一框體102及排列鎖固於框體102上之複數個光學引擎104做簡單之組合而形成。發光二極體光源模組100可依光通量需求很容易地加以擴充，只消選用合適大小之框體102，並將光學引擎104鎖固於其上即可。框體102可以沖壓製成，亦可以利用鋁擠型件組合而成。
參照圖4及圖5，光學引擎104包含一散熱裝置402、一二極體燈條404與一光學元件406。散熱裝置402包含一基板408與複數散熱鰭片410，而該散熱鰭片410與該基板408係兩分離件。該散熱鰭片410係為片狀板材，其可以包含鋁或銅等具有高導熱係數之材質以沖壓方式製成。該等散熱鰭片410係等間距、面面相對且直立之排列方式固著於該基板408之一表面412上，藉此以提供光學引擎104足夠之對流散熱面積。基板408長軸兩側分別包含兩開孔416，透過該開孔416使光學引擎104得鎖固於發光二極體光源模組100之一框體102上。此外，靠近基板408長軸兩端部處另包含兩螺絲孔(418和420)，其係分別用於鎖固二極體燈條404與光學元件406。
參照圖4至圖6，二極體燈條404係為複數個發光二極體424沿一長條形電路板422之縱向排列設置而成，複數個發光二極體424可排成包含至少一列。該電路板422可為金屬核心電路板(Metal Core Printed Circuit Board)。二極體燈條404之兩端各具有開孔426，其係用於將該二極體燈條404鎖固於基板408之表面414上。
參照圖4至圖7，光學元件406係設於二極體燈條404之發光側且以固定裝置 428固定於基板408上，光學元件406係一長條狀之導光結構，具有一容置空間702，其係用於容置二極體燈條404(如圖7所示)，該容置空間702於組裝後，注入一封裝膠體(包含矽膠及環氧樹脂)，以達成防水之目的。該封裝膠體之折射率介於發光二極體424所用之封裝膠體與光學元件406之折射率，如此可降低菲涅爾損失(Fresnel Loss)與臨界角度損失(Critical Angle Loss)，以提高光學取出效率。本案實施例中，該固定裝置428包含螺絲。
參照圖6，光學元件406之導光結構可為一對稱之結構，其係包含複數長條狀之曲面。基於不同介質間折射率不同而可產生全反射之現象，上述之曲面之組合可使指向性高的發光二極體424之發光改變部份光之光路，因而降低炫光之產生、獲得面積較大和均勻之光照及形成所需之光型。
圖8至14顯示本發明其他實施例之光學元件之導光結構示意圖。參照圖8，長條狀導光結構包含一第一曲面802、一第二曲面804、一第一側面806及一第二側面808，而該第一側面806及該第二側面808係均為傾斜面。第一曲面802以及該第二曲面804分別自該二極體燈條404之兩側向該二極體燈條404中央處凹陷，並於該二極體燈條404中央處上方相連接，其中該第一曲面802以及該第二曲面804於該連接處以一角度與該二極體燈條404之正向光軸所在平面相切，該正向光軸定義為垂直該發光二極體424所在平面的方向。發光二極體所發射出的光線照射於第一曲面802、第二曲面804、第一側面806及第二側面808上，由於入射角大於臨界角之緣故，使該照射光因反射而轉向。以例言，照射第一曲面802之入射光810經全反射後，改變其前進方向而自第一側面806射出；照射第二側面808之入射光812經全反射後，自第二曲面804正向射出。自第一側面806與第二側808射出之側向光線可由反射板106反射成正向光線。
依照所需之輸出光型，改變光學元件406之導光結構之截面形狀(如圖8至14所示)，可使發光二極體所發射出的光形成該輸出之光型。輸出之光型之設計可依照道路照明規範中之國內住宅區幹道、其他國家快速道路及商業區幹道等路燈光型要求。導光結構除包含複數曲線外，亦可設計為單一形狀，如圖13所示之方形或如圖14所示之弧形。
圖15顯示本發明一實施例之散熱裝置402之示意圖。散熱裝置402包含一基板408與複數散熱鰭片410，而該散熱鰭片410與該基板408係兩分離件。該等散熱鰭片410可等間距地排列在基板408上。基板408與散熱鰭片410包含使用鋁或銅等具有高導熱係數之材質。散熱鰭片410可藉由焊接的方式，將位於散熱鰭片410一邊緣上且該與散熱鰭片410呈一角度之一固定部1502焊接在基板408上，此焊接的方式包含表面黏著技術(Surface Mount Technology；SMT)。散熱鰭片410可以沖壓的方式製成，而基板408則可用鋁擠型加工的方式成型。由於散熱鰭片410無須通過擠型模具，因此其厚度可較薄。例如：鋁擠型加工所製成的散熱鰭片之厚度一般皆大於1公釐，而本案實施例之散熱鰭片410之厚度則可小於1公釐。
散熱裝置402可因不同情況與需求可任意地客製化，例如要求高度較高的散熱鰭片之情況，生產者只要製作出符合高度要求之散熱鰭片後，將其焊接在基板408上即可。而且，根據實驗的結果，相較於由鋁擠型散熱模組，散熱裝置402在相同的散熱面積下可節省約30%的所需材料，故其製造成本較低。
本案實施例中，發光二極體燈條100是以固定裝置430鎖固定在基板408相對於散熱鰭片410安設之表面(如圖4所示)，其中發光二極體燈條100與基板408間則可塗佈導熱膏(未繪示)，以減少發光二極體燈條100與基板408間的熱阻(Thermal Resistance)。鎖固發光二極體燈條100之該固 定裝置430包含螺絲。
圖16顯示本發明一實施例之發光二極體燈條100之驅動裝置1600之示意圖。發光二極體燈條100之驅動裝置1600包含功率因素校正控制器1602、交直流電源轉換器1604及定電流電路1606，其係用以將95~230伏特之市電轉換成一提供發光二極體燈條100之直流定電流，其中利用功率因素校正控制器1602以提高電能轉換效率，並減低對公眾供電網路及發光二極體燈條100的危害，而該功率因素校正控制器1602可為主動式(Active)或被動式(Passive)功率因素校正控制器。本發明提供發光二極體燈條100一種系統化、整合化之驅動裝置1600，使用者僅需給予100~230伏特之交流電即可點亮。
圖17顯示本發明另一實施例之發光二極體光源模組1700之立體示意圖。發光二極體光源模組1700包含一框體1702及複數個光學引擎104。該框體1702為一板狀件，其包含複數個與該光學引擎104相對應之掏槽1708。各該掏槽1708使安裝後之光學引擎104之發光二極體(未繪示)得外露於安裝面1704之相對面。該框體1702之一邊側，位在光學引擎104之縱向處，可設置用於支撐該發光二極體光源模組1700之支撐件1706。框體1702之材質係金屬，其包含鋁、銅、鐵、鐵合金、鋁鎂合金及不銹鋼等。
圖18顯示本發明又一實施例之發光二極體光源模組1800之立體示意圖。發光二極體光源模組1800包含一框體1802及複數個光學引擎104。框體1802包含兩支座1804、1806，各該光學引擎104軸向兩端分別固定於兩分開、平行設置之支座1804、1806上，即組合成發光二極體光源模組1800。此種發光二極體光源模組1800具設計簡單(只需將光學引擎104兩端分別固定)、擴充容易(支座1804、1806長度可任意裁減，無需額外加工)及重量輕等之優點。如需加強支座1804與支座1806間之支撐強度，則可依照所需 設置至少一支桿1808。支座1804、1806係金屬，以使用輕質金屬材質為較佳；支桿1808宜使用強度較高之金屬，以提供較大之支撐強度。如此之配合設計，可使發光二極體光源模組1800具輕量化之優點。兩支座1804、1806之一者更可設置一用於支撐該發光二極體光源模組1800之支撐件1810。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
402‧‧‧散熱裝置
404‧‧‧二極體燈條
406‧‧‧光學元件
408‧‧‧基板
410‧‧‧散熱鰭片
412‧‧‧表面
414‧‧‧表面
416‧‧‧開孔
418、420‧‧‧螺絲孔
422‧‧‧電路板
424‧‧‧發光二極體
426‧‧‧開孔
428、430‧‧‧固定裝置

Claims (23)

  1. 一種發光二極體光源模組之光學引擎，包含：一散熱裝置，包含一基板與複數散熱鰭片，該等散熱鰭片係直立焊接於該基板之一表面；一二極體燈條，係固定於該基板之另一表面，使該二極體燈條得藉該散熱鰭片散熱；以及一光學元件，具一容置該二極體燈條之容置空間，該光學元件係用於將該二極體燈條之發光形成一預定光型；其中該容置空間於組裝後注入一封裝膠體，該封裝膠體之折射率介於該二極體燈條之發光二極體所用之封裝膠體之折射率與該光學元件之折射率。
  2. 根據請求項1之光學引擎，其中該散熱鰭片係以沖壓方式來製成之片狀板材。
  3. 根據請求項1之光學引擎，其中該散熱鰭片係以鋁或銅沖壓製成。
  4. 根據請求項1之光學引擎，其中該散熱鰭片及該基板係以金、銀、鎳金合金、鎳鈀金合金、錫、錫銀合金、錫銅合金、及錫銀銅合金之其中一者焊接。
  5. 根據請求項1之光學引擎，其中該基板與該散熱鰭片間係以表面黏著技術焊接。
  6. 根據請求項1之光學引擎，其中該二極體燈條之電路板係金屬核心電路板。
  7. 根據請求項1之光學引擎，其更包含一用以驅動該二極體燈條之驅動裝置。
  8. 根據請求項1之光學引擎，其中該光學元件包含一長條狀之導光結構，該導光結構具分別自該二極體燈條之兩側向該二極體燈條中央處凹陷且相連接之一第一曲面及一第二曲面，其中該第一曲面以及該第二曲面於該連接處以一角度與該二極體燈條之正向光軸所在平面相切。
  9. 根據請求項1之光學引擎，其中該導光結構另包含一第一側面及一第二側面，而該第一側面及該第二側面係均為傾斜面。
  10. 一種發光二極體光源模組，包含：一框體，包含複數個反射板，該等反射板係沿垂直於其縱向之方向凸設於該框體之一表面，相鄰之該等反射板間係鏤空；以及複數個光學引擎，相對應地安設於該等鏤空之處，其包含：一散熱裝置，包含一基板與複數散熱鰭片，該等散熱鰭片係直立焊接於該基板之一表面；一二極體燈條，係固定於該基板之另一表面，使該二極體燈條得藉該散熱鰭片散熱；及一光學元件，具一容置該二極體燈條之容置空間，該光學元件係用於將該二極體燈條之發光形成一預定光型；其中該容置空間於組裝後注入一封裝膠體，該封裝膠體之折射率介於該二極體燈條之發光二極體所用之封裝膠體之折射率與該光學元件之折射率其中該光學引擎之側向光可藉由其兩側之該反射板往該光學引擎之正向光軸方向反射。
  11. 根據請求項10之發光二極體光源模組，其中該反射板之反射面為兩斜面或一斜面和一垂直面之組合。
  12. 根據請求項11之發光二極體光源模組，其中該反射面係以鋁拋光所形成。
  13. 根據請求項10之發光二極體光源模組，其中該框體係以沖壓製成或為鋁擠型件組合而成。
  14. 根據請求項12之發光二極體光源模組，其中該散熱鰭片係以沖壓方式來製成之片狀板材。
  15. 根據請求項10之發光二極體光源模組，其中該散熱鰭片係以鋁或銅沖壓製成。
  16. 根據請求項10之發光二極體光源模組，其中該散熱鰭片及該基板係以金、銀、鎳金合金、鎳鈀金合金、錫、錫銀合金、錫銅合金、及錫銀銅合金之其中一者焊接。
  17. 根據請求項10之發光二極體光源模組，其中該基板與該散熱鰭片間係以表面黏著技術焊接。
  18. 根據請求項10之發光二極體光源模組，其中該二極體燈條之電路板係金屬核心電路板。
  19. 根據請求項10之發光二極體光源模組，其更包含一用以驅動該二極體燈條之驅動裝置。
  20. 根據請求項10之發光二極體光源模組，其中該光學元件包含一長條狀之導光結構，該導光結構具分別自該二極體燈條之兩側向該二極體燈條中央處凹陷且相連接之一第一曲面及一第二曲面，其中該第一曲面以及該第二曲面於該連接處以一角度與該二極體燈條之正向光軸所在平面相切。
  21. 根據請求項10之發光二極體光源模組，其中該導光結構另包含一第一側面及一第二側面，而該第一側面及該第二側面係均為傾斜面。
  22. 根據請求項10之發光二極體光源模組，其中該框體係一具與該等光學引擎相對應之掏槽之板狀件。
  23. 根據請求項10之發光二極體光源模組，其中該框體包含兩支座，該等支 座分開設置，該等光學引擎之兩端分別固定於該支座上。
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