TWI451590B - 具有發光陣列及集光儀器之光源 - Google Patents

Description

具有發光陣列及集光儀器之光源

本發明一般而言係關於光源，且更特別言之係關於包括配置在一陣列中及具有一集光儀器之發光元件。

發光二極體(LED)裝置具有日漸增加之應用。例如，可使用LED的光學系統包括投射系統(例如LCD及DLP投射器)、劇場照明固定件(例如遮光布)、光纖光學照明器或汽車頭燈固定件。此等光學系統通常包括一集光系統，其準直欲有效地轉移到一目標之光。然而，一般需求持續改進包括LED及發光元件之光學系統的效率。

依據本發明之一具體實施例，一光系統包括複數個配置在一陣列中之發光元件，其中最佳效能之發光元件位於陣列中心或靠近其中心，且次佳效能之發光元件位於遠離陣列中心。該陣列可包括多群之發光元件，其中具有次佳效能之發光元件群係比具有相對最佳效能之發光元件群位置更遠離陣列中心。一具有一光學軸之集光儀器係光學耦合至該陣列，使得該光學軸係位於將近陣列中心處。該集光儀器可例如為一複合拋物線集光器、一聚光透鏡、一矩形角轉換器、一夫瑞乃(Fresnel)透鏡、一使用全內反射表面之區段的透鏡、及任何其他適當裝置，且一般而言，該集光儀器對於平行光學軸發射之光線，比非平行光學軸發射之光線具有更高的發射效率。

依據本發明之一具體實施例，一包括一發光元件之陣列的光系統將最佳效能發光元件定位在陣列中心上或其附近，陣列中心係對準集光儀器之光學軸。

圖1顯示可用於本發明之光源100。光源100包括一安裝於如子基板104之發光元件(例如發光二極體(LED))的陣列102。光源100包括一集光儀器106，顯示為一複合拋物線集光器。然而，其他或額外集光儀器可視需要用於本發明，諸如一聚光透鏡、一矩形角轉換器、一夫瑞乃透鏡、一使用全內反射表面(TIR)之區段的透鏡、及任何其他適當裝置。一般而言，複合拋物線集光器係例如一反射器，其具有在一相對於該陣列之一角度處的反射壁，一般準直由發光元件之陣列102發射的光。或者是，可使用一直壁隧道(至少用於第一區段)來達到光的更佳空間分布。已準直光係用來照明目標110，其可為欲照亮或突顯之任何物件。圖1所示的光源100可為完整的光源系統。或者是，如圖2所示，光源100可在集光儀器106及目標110間包括一或多個額外光學系統120。

如圖1所示，集光儀器106包括一光學軸108，其係將近對準陣列102的中心處。圖1同時顯示從陣列102進入集光儀器106之示範性光線109。光線109係顯示相對於光學軸108呈一角度θ。圖3係顯示當光線進入一光學系統時，該系統之輸出效率成為光線及光學軸間之角度θ的函數之圖。圖3中之圖表顯示隨著角度θ增加，光學系統的效率降低。當角度θ係零時且係因此當光線109行進靠近或平行於光學軸108時，可發現最大效率。

圖4A及4B分別顯示發光元件之陣列102之俯視圖及斷面圖，其係由例如在3x3配置中之9個LED晶粒組成。LED晶粒係置於一共同子基板104上，其具有用於LED之電連接。發光元件可為任何類型之LED或其他過當的光元件。例如，圖4A及4B中顯示之LED可為覆晶，其具有形成於晶粒之一側上之n及p接觸，以致無須導線連接器。子基板104具有可焊接至晶粒接觸墊之對應接觸墊。子基板104可連接至一電路板、一引線框架或其他支撐組件，且視需要進一步連接至一熱槽。LED可轉換以產生例如白色光的磷光體。形成LED以及不同色彩磷光體的範例係揭示於美國專利第6,133,589；6,274,399；6,274,924；6,291,839；6,525,335；6,576,488；6,649,440及6,885,035號中，上述所有皆以引用方式併入本文。然而，應理解任何適合LED或其他發光元件皆可用於本發明。

實際上，發光元件(諸如LED)在效能方面有所變化，如亮度及/或效率或用於系統係關鍵效能標準的任何其他參數。舉例說明，其他可為效能標準的參數包括需求角發射、色彩、偏光或溫度相依。然而，如圖3之圖表中所示，一光學系統之效率隨著所發射光線及光學軸間的角度θ增加而降低。因此，該光學系統對於平行光學軸發射之光線，具有比非平行光學軸發射之光線更高的發射效率。以集光儀器106的光學軸108對準陣列102的中心，行進靠近或平行於光學軸108之光線一般係在陣列的中心區產生。

因此，為了增加光源100之效率，最佳效能之發光元件係定位在陣列102的中心，使得係由最佳效能之發光元件來產生靠近或平行於光學軸108之光線。

為了說明目的，陣列102中三個分離LED位置係標示在圖4B中。如圖4B中所示，陣列102的一中心區係標示為位置1，陣列102的一第二區係標示為位置2，並且陣列102的一第三區係標示為位置3。陣列102中之中心區1係位於陣列102的中心，其對準光學軸108。第二區2係相對於中心區1垂直地定位，且係比中心區1更遠離陣列102之中心及光學軸108。第三區3沿對角線定位，且因此比中心區1及第二區2二者更遠離陣列102的中心。

依據本發明，具有比陣列102中該等發光元件之剩餘者更佳效能之發光元件係安裝在陣列102的中心區1處。四個次佳效能的發光元件係安裝在陣列102的第二區2處。最後，四個具有最差效能之發光元件係定位在最遠離中心之位置處，即，陣列102之第三區域3。因此，具有最佳效能之發光元件係定位在光學軸108上或接近其光學軸，而次佳效能之發光元件係遠離光學軸108定位。在此一組態中，自最佳效能發光元件(如在中心區1處)發射將近平行於光學軸之光，係未藉由集光儀器106之反射壁反射。

因為在安裝前必須知道各發光元件的效能，各發光元件的效能係在發光元件安裝於子基板104前測試。舉例說明，LED晶粒可依晶圓形式測試。或者是，LED晶片可首先安裝在一已連接子基板之陣列上(其係易於測試)，後續在最後子基板104上分離及安裝。在一具體實施例中，一大批發光元件可基於效能分成三群來測試及組織；最佳效能、次佳效能及第三佳效能。來自最佳效能群之發光元件係安裝在不同陣列的中心區1中，而來自次佳效能群之發光元件係安裝在第二區2中，並且來自第三佳效能群之發光元件係安裝在第三區域3中。

應該理解陣列102中之區數係示範性。例如，陣列102可分成中心區1及包括位置2及3二者的次要區。在此具體實施例中，具有最佳效能的發光元件係安裝在中心區1中，並且剩餘之發光元件係安裝在中心區1外，即次要區域2、3中。

再者，用於本發明的陣列可大於3x2。例如，圖5顯示一由在4x4配置中之16個LED晶粒組成的陣列220。圖5包括基於效能用於LED之位置的標號，其類似圖4B中所示。四個最佳效能之LED係安裝在大體上以數字1指示的中心區中，而具有次佳效能之八個LED係安裝在大體上由數字2指示的第二區中。具有較差效能的四個LED係安裝大體上由數字3指示的第三區中。

圖6顯示一由在5x5配置中之25個LED晶粒組成的另一LED陣列250。LED位置之優先選擇係由數字指示。在陣列250中有六個唯一位置。如上述，LED係安裝在陣列250中，其中具有最佳效能之LED在具有最高等級之位置處(即最靠近中心)，而最差效能之LED在具有最低等級之位置，即最遠離中心。

雖然本發明係基於說明目的結合一些特定的具體實施例來說明，但本發明不限於特定具體實施例。在不脫離本發明範疇下可對本發明進行各種調適與修改。應該理解本發明可配合更大LED陣列或其他陣列組態使用，例如非方形配置(例如2x3)，或線性配置(例如1x3)。因此，隨附申請專利範圍之精神與範疇不受限於以上說明。

1．．．中心區

2．．．第二區

3．．．第三區

100．．．光源

102．．．陣列

104．．．子基板

106．．．集光儀器

108．．．光學軸

109．．．光線

110．．．目標

120．．．光學系統

220．．．陣列

250．．．陣列

圖1顯示可用於本發明之一光源。

圖2顯示一如圖1所示之光源，其具有一在集光儀器及目標間之額外光學系統。

圖3係一顯示一光學系統之輸出效率成為光線及光學軸間之角度θ的函數之圖。

圖4A及4B分別顯示一發光元件之陣列之斷面圖及俯視圖，其係由在3x3配置中之9個LED晶粒組成。

圖5顯示一陣列之俯視圖，其係由在4x4配置中之16個LED晶粒組成。

圖6顯示一陣列之俯視圖，其係由在5x5配置中之25個LED晶粒組成。

100．．．光源

102．．．陣列

104．．．子基板

106．．．集光儀器

108．．．光學軸

109．．．光線

110．．．目標

Claims (25)

1. 一種發光系統，其包含：複數個發光元件，其係配置在一陣列中，其中該等發光元件在一參數內有所變化，其中該參數對於該等發光元件係固有且係一用於該發光系統之效能標準，該陣列包含：一中心區，其係定位一第一發光元件，該第一發光元件在該參數內具有比該陣列中該等發光元件之剩餘者更佳的固有效能；及一第二區，其係在該中心區之外，該第二區含有一第二群發光元件，其在該參數內具有比該第一發光元件更低之效能。
2. 如請求項1之發光系統，其中該參數包括亮度、效率、角發射、色彩、偏光及溫度相依中至少一者。
3. 如請求項1之發光系統，其進一步包括一具有一光學軸之集光儀器，該集光儀器係光學耦合至該陣列，該陣列具有之該光學軸位於將近該陣列之該中心區的中心處。
4. 如請求項3之發光系統，其中該集光儀器對於平行於該光學軸發射的光線，具有比非平行於該光學軸發射之光線更高的效率。
5. 如請求項3之發光系統，其中該集光儀器係一聚光透鏡、一複合拋物線集光器、一矩形角轉換器、一夫瑞乃透鏡、一使用全內反射表面之區段的透鏡中一或多個。
6. 如請求項1之發光系統，其中該中心區含有一單一發光 元件。
7. 如請求項1之發光系統，其中該中心區含有複數個發光元件，其在該參數內各具有比該陣列中該等發光元件之該剩餘者更佳之效能。
8. 如請求項1之發光系統，其中該陣列進一步包含一第三區，其係在該第二區外，該第三區係比該第二區域更遠離該中心區，該第三區含有一第三群發光元件，其在該參數內具有比該第一發光元件及該第二群發光元件更低之效能。
9. 如請求項8之發光系統，該陣列係一方形陣列，該第二區係相對於該中心區垂直地定位，且該第三區係相對於該中心區呈對角線定位。
10. 如請求項9之發光系統，其中該陣列係一3x3及一4x4陣列中之一。
11. 如請求項8之發光系統，該陣列進一步包含：一第四區，其係比該第三區更遠離該中心區，該第四區含有一第四群發光元件，其在該參數內具有比該第一發光元件、該第二群發光元件、及該第三群發光元件更低的效能；一第五區，其係比該第四區更遠離該中心區，該第五區含有一第五群發光元件，其在該參數內具有比該第一發光元件、該第二群發光元件、該第三群發光元件及該第四群發光元件更低的效能；及 一第六區，其係比該第五區更遠離該中心區，該第六區含有一第六群發光元件，其在該參數內具有比該第一發光元件、該第二群發光元件、該第三群發光元件、該第四群發光元件、及該第五群發光元件更低的效能。
12. 如請求項11之發光系統，其中該陣列係一5x5陣列。
13. 如請求項1之發光系統，其中該陣列係一非方形陣列。
14. 一種包含一集光儀器(collection optic)及一發光元件陣列之光源，其中，該集光儀器具有一光學軸；及其中，該發光元件陣列係光學耦合至該集光儀器，其中該等發光元件在一參數內有所變化，其中該參數對於該等發光元件係固有且係一用於該光源之效能標準，該陣列具有一與該光學軸對準的中心區，該中心區包含一第一發光元件，其在該參數內對於安裝在該陣列之中心區外的發光元件係固有地具有更佳效能。
15. 如請求項14之光源，其中該參數包括亮度、效率、角發射、色彩、偏光及溫度相依中至少一者。
16. 如請求項14之光源，其中該集光儀器對於平行於該光學軸發射的光線，具有比非平行於該光學軸發射之光線更高的效率。
17. 如請求項14之光源，其中該集光儀器係一聚光透鏡、一複合拋物線集光器、一矩形角轉換器、一夫瑞乃透鏡、一使用全內反射表面之區段的透鏡中之一或多個。
18. 如請求項14之光源，該陣列具有一第二區，其係比該中 心區更遠離該光學軸，該第二區包含一第二群發光元件，其在該參數內具有比該陣列中該等發光元件之該剩餘者更佳的效能，該陣列具有至少一額外區，其係比該第二區更遠離該光學軸，該至少一額外區包含該陣列中該等發光元件之該剩餘者。
19. 如請求項14之光源，該中心區包含複數個發光元件，其在該參數內各具有比安裝於該陣列之該中心區外的發光元件更佳之效能。
20. 一種發光方法，其包括：決定複數個發光元件中每一發光元件就一參數之效能，其中該參數對於該發光元件係固有且係一效能標準；及產生一發光元件之陣列，其係藉由將一第一發光元件安裝在陣列的一中心處或靠近該中心，且將一在該參數內固有地具有比該第一發光元件更低效能之第二群發光元件，安裝於比該第一發光元件更遠離該陣列之該中心。
21. 如請求項20之方法，其進一步光學耦合一具有一光學軸之集光儀器至該發光元件之陣列，該光學軸係將近與該陣列之該中心對準。
22. 如請求項20之方法，其進一步包含將一在該參數內具有比該第二群發光元件更低效能之第三群發光元件，安裝於比該第二群發光元件更遠離該陣列之該中心。
23. 如請求項20之方法，其中該參數包括亮度、效率、角發 射、色彩、偏光及溫度相依中至少一者。
24. 如請求項20之方法，進一步包含將複數個第一發光元件安裝靠近該陣列之該中心，第一發光元件之每一個在該參數內具有比該陣列中該等發光元件之該剩餘者更佳之效能。
25. 如請求項20之方法，其中該第一發光元件係安裝在該陣列的該中心。