TWI437190B - 發光二極體發光裝置 - Google Patents

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Description

發光二極體發光裝置
本發明係關於一種包含複數個發光二極體之發光裝置。
目前對於儘可能不引入注目之室內整合發光裝置有日益增加的需求。此使建築師及室內設計師能夠創造出明顯區分一建築或室內與另一建築或室內的風格。
同時，歸因於LED出眾的性質(在談及功率消耗、耐久性、尺寸等時)，希望基於發光二極體(LED)之發光裝置替代傳統螢光發光燈具。
然而，歸因於熱管理問題(需要大的冷卻系統)及所用光學系統(通常將漫射體置於距LED一定距離置處或將塊狀漫射體置於LED之上)，現有的基於LED之發光裝置通常過厚。再者，現有LED發光裝置通常為非透明的。總體而言，現有LED發光裝置通常並非很不顯眼的。
本發明之一目標在於克服該等問題，且提供一種改良之發光裝置，該發光裝置特定言之可被製造成薄的且不顯眼的。
根據以下描述將顯而易見之此等及其他目標係藉由一發光裝置來達成，該發光裝置包含一光導板及複數個LED，該等LED係容納於配置於光導平面中之孔中，其中至少一孔具有一用於將來自該孔中任何LED之光耦合輸入至光導中的第一側面及一用於自光導耦合輸出光之第二相對側 面，且其中該等孔經配置以使得所有第一側面面對一個方向。
第二耦合輸出面較佳為反射性的且關於光導平面傾斜。該傾斜的反射性元件可(例如)為裸面，其後有空氣隙縫及反射器，此等全部關於光導平面以約45度配置，在此情況下，在沿光導板法線之方向中自光導耦合輸出光。
在第一與第二相對面之間的孔的側壁亦較佳經調適以(例如)藉由全內反射(TIR)來反射任何入射光。
因此，來自特定LED之光不能穿透另一孔，因為第一耦合輸入面處於陰影側，第二耦合輸出面為反射性的，且剩餘面藉由TIR來反射所有光。因此，歸因於在發光裝置之其他光源處之吸收或散射，不會損失光，其確保良好的光效率。此外，光導(且因此，發光裝置)之厚度可為極小的，較佳為約3 mm或更小，其主要受LED自身之厚度的限制。再者，因為僅LED及第二耦合輸出面必須為非透明的，所以發光裝置之大部分區域可為透明的，此使得當發光裝置關閉時發光裝置更容易與環境協調。藉由將LED部分地置於傾斜之反射性耦合輸出面下方，可進一步增強透明性質。
該等孔較佳係根據交錯分布而配置於光導平面中。該等孔更佳經配置以使得自一列孔耦合輸入之光不會碰到下一列孔之第二耦合輸出面。此允許對發光裝置之光混合性質的改良。根據本發明之光導中之光混合使得發光裝置能抵抗LED之間的通量差及色差以及每平方公尺少許LED之失 效。
為實現防眩光要求，例如在發光裝置用作室內辦公照明之情況下，較佳使發光裝置之光準直化。根據一實施例，此可藉由每LED提供一準直儀來達成。舉例而言，至少一LED可包含一準直儀。該準直儀可例如為其中置有LED晶粒之反射杯，或置於LED晶粒上之TIR光學元件。或者，或作為補充，至少一孔可具有一整合準直儀。舉例而言，形成光導之整體部分之一塊漸縮之光導材料可用作TIR準直儀。與LED或孔整合之準直儀可用於在水平方向(其在光導平面中)與垂直方向(其垂直於光導平面)中使光準直化。
在另一實施例中，至少一孔具有用於在水平方向(在光導平面中)中使光準直化之梯形形狀。在一替代實施例或一補充實施例中，光導可具有用於在垂直方向中使光準直化之楔形形狀。該等兩個後述實施例之優點在於，當光穿過光導時，光會愈來愈準直，從而增加總的準直。
用於提供準直之上述實施例亦可經組合以達成所要的準直。總體而言，藉由在光導板平面中(而非離開發光燈具之光的方向中，該方向將需要較厚的系統)將光混合且使光準直化，可達成極薄的發光裝置。
現將關於圖1a－1b描述根據本發明之一基本實施例之發光裝置。發光裝置(表示為10)包含一透明光導板12。光導12之一側具備複數個孔14，其各容納一發光二極體(LED)16。孔14可為穿透光導12之整個厚度之孔或在光導 12之一側上之孔。LED 16可為側發射型LED或傾斜約90度之頂發射型LED。此外，LED 16較佳為大約60 mW之低功率LED，以降低發光裝置10之總功率消耗。再者，該等LED不產生很多熱，從而避免對於熱管理構件(諸如散熱片)之需要。再者，該等LED通常較小，其容許較薄的發光裝置10。
在一典型實施例中，光導12之厚度約為1.2 mm，孔14之底部面積約為2.8－3.5 mm×5.5 mm，且LED 16高度約為0.8 mm且寬度為2.8 mm。每平方公分光導12提供約一個LED 16。應注意，LED效率之改良及/或較高功率LED的使用將容許較大LED間隔，同時保持發光裝置之光輸出為相同的。
每一孔14具有一第一耦合輸入側面18，其用於將來自孔14中LED 16之光耦合輸入至光導12中。在每一孔14之相對面上，提供一第二耦合輸出側面20，其用於自光導12耦合輸出光。耦合輸出面20較佳為關於光導板12之平面以約45度配置之裸面，其後有一空氣隙縫及一鏡面，如圖1b中可見，在此情況下在沿光導12法線之方向中自光導12耦合輸出光。將在裸面上藉由全內反射(TIR)反射大部分入射光而無損失。在TIR面後之鏡面反射剩餘的光以避免光進入下個孔。視應用而定，耦合輸出面20可將光耦合輸出至光導12之任一面或兩面。在耦合輸入面18與相對之耦合輸出面20之間的每一孔14之剩餘側壁22a、22b(例如)經調適以藉由TIR來反射任何入射光。藉由適當地定向側壁22，使 其與光之平均方向平行，可達成TIR。視情況，具有開孔(open hole)14之光導12之側面可由一透明板(未展示)覆蓋，以避免灰塵或其類似物在孔14中的堆積。
孔14進一步經配置以使得所有耦合輸入側面18面對一個方向(在圖1a中"向上")。因此，所有相對之耦合輸出側面20面對相反的方向(在圖1a中"向下")。
在發光裝置10之操作期間，由一LED 16發射之光經由其中容納有一個LED 16之孔14之耦合輸入側面18被耦合輸入至光導12中。該光隨後直接(如例示性光線軌跡24a所示)或在由至少另一孔14之側壁22反射後(如例示性光線軌跡24b所示)，經由其他孔14之耦合輸出側面20自光導12耦合輸出。
因此，來自特定LED 16之光不會穿透另一孔14，因為耦合輸入側面18係在陰影側，耦合輸出側面20為反射性的且剩餘側壁22藉由TIR來反射所有光。因此，歸因於在發光裝置10之其他光源處之吸收或散射，光不會損失，其確保良好的光效率。此外，光導12(且因此，發光裝置10)之厚度可極小，其主要受到LED 16自身之厚度的限制。
在發光裝置10中光混合之程度由孔14之間的距離(亦即，孔密度)來控制。如圖1a中所示，在特定位置處進入光導12之光可在各個耦合輸出側面20處離開光導12。若存在高的孔密度(亦即，孔14之間的距離短)，則大部分來自特定LED 16之光將經由與特定LED 16之耦合輸入側面18相對的(另一孔14之)耦合輸出側面20被耦合輸出。另一方 面，若孔密度為低的(亦即，孔14之間的距離長)，則來自特定LED 16之光將擴展至許多耦合輸出側面20且來自許多LED 16之光將在其離開光導12之前被混合。
此外，光混合性質可藉由根據如圖1a中所示之交錯分布來配置孔14而得以改良。離開之光可具有有限的射出角度範圍，藉此，光不會碰到大多數相鄰列之耦合輸出側面20(若該等側面20在該範圍外部)。實情為，光被迫在其被耦合輸出之前在光導12中進一步傳播，從而導致在光導12之平面中的進一步混合。舉例而言，若射出角度範圍約為中心80度，則處於45度之任何耦合輸出側面20(如圖1a中之交錯分布)應為"不可見的"。射出角度範圍係(例如)由光導12之材料之折射率，由LED之發射形式及/或由孔中之準直儀(若存在)確定的。
為了符合對發光裝置10之防眩光要求(亦即，自光導耦合輸出之光不應具有過大的射出角度)，較佳使發光裝置10之光準直化。根據一實施例，此可藉由每LED提供一專用準直儀來達成。在圖2a－2b中說明之例示性準直儀26為TIR準直儀，該TIR準直儀係由形成光導之整體部分之一塊光導材料製造的。例示性準直儀26為漸縮的，以便在水平方向(在光導12之平面中)中與垂直方向(垂直於光導12之平面)中使光準直化。亦即，愈靠近耦合輸入面18，準直儀26變得愈寬且變得愈厚。然而，亦設想了僅在一個方向中漸縮之準直儀。光在離開孔14之前得以準直化。在耦合輸入面18處，準直儀26較佳與光導12光學接觸。或者，或作 為補充，準直儀可與LED整合。舉例而言，準直儀可為其中置有LED晶粒之反射杯或置於LED晶粒上之TIR光學元件。包含於LED中之準直儀亦可用於在水平方向與垂直方向中或僅一個方向中使光準直化。
在圖3a中所示之另一實施例中，孔14可具有梯形形狀以在水平方向中使孔14外的光準直化。亦即，孔之寬度朝向耦合輸入側面18漸縮，從而導致側壁22傾斜。因此，與具有非傾斜側壁22之情況(如圖1a中)相比，當由傾斜側壁22反射之光穿過光導12時，光在水平方向中變得更準直。此實施例之優點在於，在光導12中進一步傳播之光將與準直側壁22有更多的相互作用。因此，與光與僅一個準直儀26有相互作用之上述替代物相比，光將為更準直的。亦應注意，傾斜側壁22可為彎曲的而非直的(如圖3a中)以提供甚至更佳之準直。梯形孔較佳與整合於每一孔中且漸縮之個別準直儀26組合以便僅在垂直方向中使光準直化(圖3b)，從而導致在垂直方向與水平方向中之總的準直。
在一替代實施例或一補充實施例中，如圖4中所示，光導可具有楔形形狀28以在垂直方向中使光準直化。亦即，光導12之楔形形狀28在耦合輸入側面18所面對之方向中變薄，從而在光導12中創造"傾斜的"表面。因此，與不具有楔形形狀28之情況(如圖1b中)相比，當由楔形形狀28反射之光穿過光導12時，光在垂直方向中變得更準直。為了保持恆定之光導厚度，楔形形狀28較佳為重複出現的，且在每一楔形形狀28之高端處提供反射性耦合輸出邊緣30(處 於約45度)。
在圖3及圖4之裝置中，孔較佳為通孔，以避免任何光圍繞孔之準直結構。當準直儀僅用於孔內部時(如圖2中)，孔不須為通孔。
根據本發明之LED發光裝置之應用包括：室內照明，諸如辦公照明或氣氛照明或裝飾照明；室外照明，諸如建築物、標誌等之照明。
熟習此項技術者認識到，本發明絕不受上述較佳實施例的限制。相反，在隨附之申請專利範圍之範疇內，眾多修改及變更為可能的。舉例而言，如圖2－4中所說明之上述用於提供準直之構件可以各種方式予以組合以達成所要的準直。再者，並非每一孔均必須含有一LED，一些孔可(例如)僅用於光之耦合輸出。再者，不用於光之耦合輸入之孔可具有三角形形狀而非梯形形狀，因為該孔不需要耦合輸入面。再者，根據本發明之LED發光裝置適合地且有利地為按尺寸切割的發光裝置，以使得可自較大發光裝置切割出具有所要的形狀及尺寸之發光裝置。在此種按尺寸切割的裝置中，LED較佳經並聯連接。
10‧‧‧發光裝置
12‧‧‧光導板/光導
14‧‧‧孔
16‧‧‧發光二極體/LED
18‧‧‧第一耦合輸入側面/耦合輸入面
20‧‧‧第二耦合輸出側面/耦合輸出面
22a‧‧‧側壁
22b‧‧‧側壁
24a‧‧‧光線軌跡
24b‧‧‧光線軌跡
26‧‧‧準直儀
28‧‧‧楔形形狀
30‧‧‧反射耦合輸出邊緣
圖1a為一根據本發明之一基本實施例之發光裝置的俯視圖，圖1b為圖1a中之發光裝置之一部分的放大橫截面側視圖，圖2a為每LED具有一準直儀之根據本發明之一實施例的 發光裝置之俯視圖，圖2b為圖2a之一例示性準直儀之放大透視圖，圖3a為具有梯形狀孔之根據本發明一實施例的發光裝置之俯視圖，圖3b為圖3a之一例示性準直儀之放大透視圖，及圖4為具有一具有重複出現的楔形形狀之光導之根據本發明一實施例的發光裝置之橫截面側視圖。
10‧‧‧發光裝置
12‧‧‧光導板/光導
14‧‧‧孔
16‧‧‧發光二極體/LED
18‧‧‧第一耦合輸入側面/耦合輸入面
20‧‧‧第二耦合輸出側面/耦合輸出面
22a‧‧‧側壁
22b‧‧‧側壁
24a‧‧‧光線軌跡
24b‧‧‧光線軌跡

Claims (9)

  1. 一種發光二極體(LED)發光裝置(10)，其包含：- 一光導板(12)，及- 複數個LED(16)，其容納於配置於光導平面中之孔(14)中，其中至少一孔具有一用於將來自該孔中任何LED之光耦合輸入至該光導中之第一側面(18)及一用於自該光導耦合輸出光之第二相對側面(20)，且其中該等孔經配置以使得所有第一側面面對一個方向，其中該等孔係根據一交錯分布而配置於該光導平面中。
  2. 如請求項1之裝置，其中至少一第二相對側面為反射性的且相對於該光導平面傾斜。
  3. 如請求項1之裝置，其中在該第一與第二相對側面之間的該等孔之側壁(22)經調適以反射任何入射光。
  4. 如請求項1之裝置，其中該光導具有約3mm或更小之一厚度。
  5. 如請求項1之裝置，其中該等孔係經配置以使得自一列孔耦合輸入之光不會碰到下一列孔之第二相對側面。
  6. 如請求項1之裝置，其中至少一LED包含一準直儀。
  7. 如請求項1之裝置，其中至少一孔具有一整合之準直儀(26)。
  8. 如請求項1之裝置，其中至少一孔具有一梯形形狀，其用於在相對於該光導平面之水平方向中使光準直化。
  9. 如請求項1之裝置，其中該光導具有一楔形形狀(28)，其用以在相對於該光導平面之垂直方向中使光準直化。
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