TWI457517B - Ｌｅｄ陣列調焦發光裝置及形成聚焦光束的方法 - Google Patents

Description

LED陣列調焦發光裝置及形成聚焦光束的方法

本發明是有關於一種LED發光裝置，特別是指一種可調變聚焦光束尺寸的LED陣列調焦發光裝置。

聚光燈長久以來已被廣泛應用於不同的場合。例如舞台的照明、照相，或是攝影等，都需要利用聚光燈來照明舞台上的表演者，或是利用聚光燈照明舞台上特定區域的演出者，或是需要讓光束照射在選定或特定區域內，因此，聚光燈一般均需要有較小的光束角度。

與一般泛光照明(floodlight)相較，在相同的總光輸出率條件下，典型的聚光燈可在一特定的區域內提供一較小角度且高光強度的聚焦照明。理想的聚光燈為可在選定區域中表現出均勻的光強度且可令照射區域及未照設區域形成明顯的區隔，換句話說，聚焦光束需有一明顯的邊界，甚至是光束內的照度也需要有明顯的邊界。此外，光束的光譜分布也須有高度的均勻性、沒有可見光顏色變異(visible color variation)，避免未聚焦光束邊緣因為顏色差異所造成的邊緣效應(fringing effect).此外，部份聚光燈的用途還需要可以調整聚焦光束的顏色，如同可調整白光的色溫度一般使用。

而調焦式聚光燈則利用可調變的光束角度調整聚焦光束的尺寸而有更多的功能。在一定距離的照射範圍內，調焦式聚光燈可提供較大範圍且具有高光強度及光均勻性的聚焦光束尺寸，而不需要再藉由其它的聚光燈共同輔助。習知常用的聚光燈光源為白熾燈泡或是高強度氣體放電(HID)燈泡，且可視光源所需的色溫及顏色選用不同種類的HID燈泡；此外，使用白熾燈泡或是高強度氣體放電(HID)燈泡為聚光燈燈源的一個重點在於其僅會在小區域發光，因此，一般均假設聚光燈的燈源為點光源，以簡化後續欲調整聚焦光束尺寸所需要之相關光學元件的設計。

典型用以調整聚焦光束尺寸的光學元件包括反射鏡(reflectors)、光擾頻器(light scramblers)、光隨機產生器(light randomizers)、光圈(apertures)，及一個或多個透鏡(lens)。利用調整光源跟反射鏡的位置、調整光圈的尺寸及光圈與該光源的相對位置、或是調整該些用於收集自該燈源發出之光的透鏡(例如聚焦透鏡、準直透鏡)的相對位置來調整光束的角度及尺寸以得到均勻且具有明顯邊界的聚焦光束。

參閱圖1，美國US4519020號專利(以下簡稱020’專利)揭示一種如圖1所示之調焦式舞台燈結構(VARIABLE MAGNIFICATION STAGE LIGHT)，具有一鑲嵌在一反射座(102)內的光源(101)、一光圈(103)、分別架設在第一固定架(105)及第二固定架(107)的第一透鏡(104)及第二透鏡(106)、一可供該第一固定架(105)滑移的滑軌(108)，及一用以握持移動該第一固定架(105)的旋扭(109)。該光源(101)選自白熾燈泡或是高強度氣體放電燈泡，該反射座(102)一般呈碗狀，用以導引該光源(101)發出的光可實質向外朝向其它的光學元件發出，特別是當該光源(101)為使用前述之白熾燈泡或是高強度氣體放電燈泡(HID)時，由於該些燈泡發光時會朝向四面發出，因此更需要利用該反射座(102)將朝向四面發出的光反射而導引向外發出。該光圈(103)是用以令發出的光形成一具有明顯邊界的光束，值得一提的是，於020’專利的其它實施例中，該光圈(103)是扮演調整該聚光燈的聚焦光束尺寸及光束角度的重要角色，而圖1所示的光圈(103)為一混合型光圈，是利用分別架設在該第一固定架(105)及第二固定架(107)的第一透鏡(104)及第二透鏡(106)調整該聚光燈的聚焦光束尺寸及光束角度，並可利用該第一固定架(105)於該滑軌(108)移動，調整該第一透鏡(104)的位置以達到所要的聚焦光束尺寸及光束角度。而在020’專利揭示的其它實施例可知，該光源(101)仍為使用白熾燈泡或是高強度氣體放電燈泡，不同處則在還可使用其它的移動裝置調整一個或多個透鏡與該光源(101)及反射座(102)的相對位置，使其如同該光圈(103)的作用，而可得到一沿該光軸行進的聚焦光束。而由020’專利揭示的實施例可知，其光學元件的設計均是假設該光源(101)發出的光是點光源為設計基礎。

雖然前述以白熾燈泡或是高強度氣體放電燈泡為主的調焦式舞台燈結構可以提供具有不同聚焦尺寸及角度的高亮度且均勻性佳的聚焦光束，然而所使用的白熾燈泡或是高強度氣體放電燈泡卻有許多的缺點，例如高強度氣體放電燈泡的壽命短，尤其是用於高強度照明時壽命更短，因此需要時常進行燈泡的更換、會產生大量的熱，因此會耗費更多的電力；此外，不論是利用白熾燈泡或是高強度氣體放電燈泡所得的聚焦光束均為混合波長的光，因此，當需要調整聚焦光束的顏色或色溫時，都還需要增加額外的濾光片來進行調整。而該濾光片不僅會增加結構的複雜度及成本，也會降低出光效率。

參閱圖2，為了解決前述使用白熾燈泡或是高強度氣體放電燈泡為光源的問題，美國US6,866,401號專利(以下簡稱401’專利)則揭示一種可調焦聚光燈模組(ZOOMABLE SPOT MODULE)，具有一基材(202)、多個分別獨立封裝並固設於該基材(202)的LED燈(201)，一封裝座(203)、一平板(205)、複數個固設在該平板(205)的聚焦/準直透鏡(204)、多個支撐件(206)和支撐孔(207)，及一封裝殼(208)；該基材(202)固定在該LED封裝座(203)，且該封裝座(203)可移動的穿設在該封裝殼(208)的一表面，該平板(205)固設在該封裝殼(208)相對該封裝座(203)的另一表面，使該些透鏡(204)位在該些LED燈(201)的上方。該平板(205)可選自透明材料或是具有擴散功能的擴散器，該封裝座(203)可藉由該些支撐件(206)和支撐孔(207)調整該些透鏡(204)與該些LED燈(201)的距離，以調整聚焦光束的尺寸。

由前述401’專利的揭示可知，由於該每一個LED燈(201)均為獨立封裝，所以任兩相鄰LED燈(201)的間隔相對較大(至少為5-10mm或更大)，因此，為了得到均勻的聚焦光束則需要更多的光學透鏡，如此不僅會增加光學元件的設計難度，也會增加整體元件的複雜度及成本，圖2所示僅為401’專利揭示之一個實施例，其結構較為簡單，但是，當該些LED燈(201)若為發出不同波長之光，圖2所示的結構並無法有效的將其混成均勻的聚焦光束，而是需要再增加額外的光學元件，例如，需再增加具有較大數值孔徑的光圈或是具有較大直徑的透鏡，才可將分佈在空間的不同波長的光收集、結合形成均勻的聚焦光束，而這些額外的光學元件同樣也會增加元件的複雜度及成本。而且，事實上，401’專利揭示的多個分別獨立封裝分散在該基材(202)的LED燈(201)並不可視為點光源，因為，每一個獨立封裝的LED燈(201)所發出的光均會呈現高斯分佈(Gaussian Distribution)，因此，多個獨立封裝並分布在空間的LED燈(201)，其相鄰的區域發出的光強度會小於其它區域的光強度，而會導致發出光束的均勻性變差，因此，以401’專利揭示的可調焦聚光燈模組結構並無法有效解決習知光源(101)非點光源之問題。

LED燈由於可靠度佳、壽命長，因此，與白熾燈泡或是高強度氣體放電燈泡相較更適用於照明之光源，而且LED燈本身即可提供不同的光色及色溫，不需使用額外的濾光片，然而，在聚光燈的多數用途中，單一LED燈的發光亮度並不足夠，所以都需要利用多個LED燈同時作用方可達到需求之亮度，而如前述401’專利，當將多個獨立封裝的LED燈(201)排列在一起作為聚光燈的光源時，會由於該些LED燈(201)在空間的分佈而形成分散光，因此需要更多的光學元件將分散的光聚集，才可得到高強度且均勻性佳的聚焦光束，並無法有效解決聚光燈之光源非點光源之問題。

因此，本發明之目的，即在提供一種LED陣列調焦發光裝置，用於提供沿光軸行進並可調變光束聚焦尺寸的光。

此外，本發明之另一目的，為一種提供聚焦光束的方法。

於是，本發明一種LED陣列調焦發光裝置，用於提供沿光軸行進並朝向標的物的聚焦光束，包含：一基板、至少一LED陣列、一光學單元，及一光圈。

該LED陣列設置於該基板，並具有多數個未獨立封裝的LED晶片，該些LED晶片沿該光軸側向分布於一發光區域且可發出相同或不同波長範圍的光，且該些LED晶片的發光面與該發光區域為彼此橫向設置。

該光學單元用於收集並調整自該LED陣列發出之光沿該光軸行進。

該光圈是令經由該光學單元收集並調整後發出的光通過，並讓通過該光圈的光形成一聚焦光束。

此外，本發明一種提供聚焦光束的方法，包含以下五個步驟。

準備一LED陣列調焦發光裝置，包括一基板，及至少一設置於該基板的LED陣列，該LED陣列具有多數個未獨立封裝的LED晶片，且該些LED晶片會發出相同或不同波長範圍的光。

提供電流至該些LED晶片，令該些LED晶片發光。

令自該些LED晶片發出之光通過一光圈。

再令通過該光圈的光通過一光學單元，得到一聚焦光束。

控制該些LED晶片與該光學單元的距離調整該聚焦光束的尺寸。

本發明之功效在於：利用具有多數個可發出不同波長且未獨立封裝之LED晶片所組成的LED陣列搭配光學單元，即可得到一可簡易調整聚焦光束尺寸及角度的LED陣列調焦發光裝置，此外，還可快速調整輸出光的波長及強度，而更便於使用。

本文中所提到的所有專利、專利申請案、文章、書籍、說明書、刊物及文件，在此一併作為本案整體之參考的用途。對於該任一經合併之刊物、文件及事物與本發明之本文兩者間於定義上或專有名詞的使用上有不一致或相衝突的範圍，本發明所使用的專有名詞或定義應勝於前述刊物、文件及事物。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式與具體例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

本發明為提供一種LED陣列調焦發光裝置，用於提供沿光軸行進並朝向標的物的聚焦光束，包含一基板、至少一LED陣列、一光學單元，及一光圈。

該LED陣列含有多個群組，該每一個群組具有多個可發出相同波長的LED晶片，且該些群組發出的波長都不相同，並可經由電子控制器獨立控制，因此，可快速的切換及調整該LED陣列所欲發出的光色、發出之白光的色溫，及光輸出功率。此外，本發明實施例為使用緊密封裝(densely packed)LED陣列，具有多個可發出不同波長且也是緊密封裝的LED晶片，因此，可使用比習知更少的光學元件即可達到聚焦的效果。較佳地，任兩相鄰的LED晶片的距離介於0.05~0.2mm之間，更佳地，任兩相鄰的LED晶片的距離為0.1mm。

該光學單元及光圈可收集自該LED燈發出之光並改變輸出光之光型，以提升光偶合效率及均勻性，此外，還可用以調整輸出光束的尺寸。

該光學單元具有一透鏡、一擾頻器(scrambler)/隨機產生器(randomizer)、一反射件、一集光透鏡，及一聚焦/準直透鏡。該透鏡裝設在該LED陣列表面用以提升光取出率，該擾頻器/隨機產生器用以將該LED陣列發出之光均勻化，該反射件環圍該LED陣列及該擾頻器/隨機產生器，用以準直該LED陣列發出之光線，該光圈設置在該反射件末端，用以去除不必要的光線，該集光透鏡設置在該光圈之後，用以收集通過該光圈的光，於本實施例該集光透鏡是使用平凸透鏡且可沿著該光軸調整位置，該聚焦/準直透鏡設置在該集光透鏡之後，用以將光束聚焦，於本實施例是使用凸透鏡，該聚焦/準直透鏡可沿著該光軸調整位置，而得到具有不同聚焦尺寸的聚焦光束。

要說明的是，前述之LED陣列調焦發光裝置也可視需求而加以調整，例如可使用發出相同或不同波長的光的LED晶片，或是該光學單元可具有散射元件、漫射元件或均一化元件；此外，該擾頻器及隨機產生器在某些用途也非必要使用之元件，而在其它實施例中，則可使用額外的光學元件以達到更佳的調焦範圍及效果。

參閱圖3A、3B，圖3A是本發明LED陣列調焦發光裝置的一個實施例的方塊圖，圖3B則為該實施例的結構示意圖。

該LED陣列調焦發光裝置包含一具有多個LED晶片的LED陣列(301)、一罩設於該LED陣列(301)出光面的半球型透鏡(302)、一設置於該半球型透鏡(302)之後的擾頻器(303)、一環圍該LED陣列(301)與擾頻器(303)的反射件(304)，一設置在該反射件(304)末端的光圈(305)、一設置在該光圈(305)之後的集光透鏡(306)，及一設置在該集光透鏡(306)之後的聚焦透鏡(307)。於本實施中該集光透鏡(306)為平凸透鏡(plano-convex lens)，該聚焦透鏡(307)為雙凸透鏡(double-convex lens)。

該些LED晶片發出的光線呈朗伯分布(Lambertian distribution)。而由於該些LED晶片一般具有較高的折射率(GaAs-based LED晶片折射率為3.4；GaN-based LED晶片折射率為2.3)，因此於該半球形透鏡(302)與該些LED晶片之間具有折射率低於該些LED晶片的矽膠填充劑，用以減低全反射以提升光取出率。由於該些LED晶片均為非獨立封裝，因此可緊密靠置且佔據的面積較小，較佳地，該LED陣列(301)的尺寸介於8-15mm，甚至當該LED陣列(301)具有100個LED晶片時，其佔據的尺寸也不大於25mm，因此，可將該LED陣列(301)發出之光視為點光源。

此外，該當LED陣列(301)為佔據一圓形區域時，其直徑不大於25mm。而圖3B所示之LED陣列調焦發光裝置的總長度約為6~12英吋(150~300mm)，其長度的變化取決於所需光束之聚焦尺寸或放大倍率。

當分歧的光線自該LED陣列(301)及半球型透鏡(302)向外發出時會通過該固設於反射件(304)內的擾頻器(303)，而經由該反射件(304)與該擾頻器(303)作用後則會將該些LED晶片發出具有不同波長的光線混合，形成一均勻化的光束，而位在該反射件(304)末端的光圈(305)則是用以將均勻化後不必要的光線去除，而得到一均勻性更佳且具有明顯邊界之光束向外發出，接著，通過該光圈(305)的光束則會被該具有高數值孔徑(焦距比(f-number)不大於1)的集光透鏡(306)收集後向外發出，之後再通過位於光軸上的聚焦透鏡/準直透鏡(307)即可得到一聚焦光束。該集光透鏡(306)及聚焦透鏡/準直透鏡(307)可以沿與該光軸平行的方向移動(如圖3B箭頭所示方向)以調整向外發出之聚焦光束的尺寸及角度及聚焦光束的邊界清晰度。圖3B所示之光學單元係以該LED陣列模組(301)，發出之光為點光源為設計基礎，所有光學單元之元件均沿該光軸設置，與習知利用白熾燈泡或是高強度氣體放電燈泡的調焦式舞台燈結構類似。

參閱圖4A及4B，圖4A是本發明LED陣列調焦發光裝置另一實施例的方塊圖，圖4B則為該實施例的結構示意圖。

圖4B所示的LED陣列調焦發光裝置為用以產生一沿光軸並朝向影像面(409)行進的聚焦光束，包含一具有多個LED晶片的LED陣列模組(401)、一罩設該LED陣列模組(401)出光面的半球型透鏡、一設置於該LED陣列模組(401)之後的集光透鏡(402)、一設置於該集光透鏡(402)之後的擾頻器(403)、一設置在該擾頻器(403)之後的光圈(404)，且該擾頻器(403)與該光圈(404)彼此緊鄰設置在一平面(408)上，及一具有三個依序設置在該光圈(404)之後的調焦透鏡(405、406、407)的調焦系統。

當分散的光線經由該具有半球形透鏡之LED陣列(401)發出後會立即被該集光透鏡(402)收集後再朝向該擴散器/擾頻器(403)發出，接著通過該擴散器/擾頻器(403)的光會通過該光圈(404)將不必要的光線去除，以形成一具有明顯邊界的光束，該光圈(404)除了可將不必要的光線去除之外還可用以控制光束的形狀，例如當該光圈(404)的通孔形狀為圓形，則通過該光圈(404)照設到該影像面(409)的聚焦光束則呈圓形，該光圈(404)的通孔形狀若為方形，則通過該光圈(404)照設到該影像面(409)的聚焦光束則呈方形；接著令通過該光圈(404)的光束再依序通過該三個調焦透鏡(405~407)後即可將光束放大投射至該影像面(409)。該些調焦透鏡(405~407)的有效聚焦長度可沿該光軸移動其中任兩個調焦透鏡(405~407)的相對距離而加以調整，且該兩個被移動的透鏡可同時或分開移動。也就是說，通過該擴散器(403)及光圈(404)的光束的放大倍率可藉由該調焦系統加以調整，此外，經過該光圈(404)投射至該影像面(409)的圖像清晰度也可藉由該調焦系統加以調整，也就是說，圖4A、4B所示的LED陣列裝置可以比圖3A、3B所示之LED陣列裝置具有更大的光束尺寸調整範圍。

參閱圖5A、5B，圖5A、5B是圖3A及3B所示之LED陣列本身(除了半球形透鏡外沒有其他光學元件)的發光強度極座標圖及直角座標圖；圖6A、6B則是圖3A及3B所示之LED發光裝置得到的較大聚焦光束尺寸的光強度分布圖；圖6C、6D則是以圖3A及3B所示之LED發光裝置得到的較小聚焦光束尺寸的光強度分布圖。

參閱圖7A、7B，圖7A、7B是利用圖3A及3B所示之LED發光裝置所得之不同聚焦尺寸的聚焦光束照射到影像面的照片，其中，相機的設定及與該影像面的距離均相同。由照片可看出，大聚焦光束尺寸約為小聚焦光束尺寸的兩倍。圖3A及3B用於圖7A、7B相片所使用的LED陣列(301)為具有螢光粉的藍色LED晶片，因此該LED陣列(301)的每一LED晶片均可向外發出白光，故可不需考量混光及光均勻性的問題。

為了了解圖7A、7B相片之聚焦光束的光均勻性及光強度，因此進一步利用影像處理軟體image J對圖7A、7B相片進行分析。圖8A、8B為將圖7A、7B利用image J軟體，沿著通過該聚焦光束中心水平線的相對亮度及均勻性分析結果。由結果可知，無論聚焦光束的尺寸為何，在聚焦光束邊界內均具有極高的光均勻性。此外，由圖8A、8B也可得知，其相對亮度在低像素區的數值會快速下降，這是因為該光圈(305)會阻斷通過的光，因此通過該光圈(305)後再經由該聚焦透鏡(307)發出的光會形成如圖3B所示，與該光軸夾一角度α而呈圓錐型的光束。影響該角度α的原因有很多，例如LED陣列(301)的尺寸、光圈(305)的大小、光學元件的排列、半球形透鏡(302)、集光透鏡(306)、聚焦透鏡(307)的特性、擾頻器(303)、反射件(304)等，均會影響光束的角度α。而此角度α則可藉由調整該LED陣列(301)與該集光透鏡(306)和聚焦透鏡(307)的距離加以控制。

參閱圖9，圖9顯示包含可發出R、G、B三個不同波長之LED晶片的LED陣列所發出之聚焦光束的照片。該具有RGB三原色的LED陣列可藉由分別調整每一顏色而可發出不同顏色的光或是具有不同色溫的白光。為了得到具有高發光強度及光均勻性的聚焦光束，因此光學元件的設計必須提供極佳的混光特性，若混光性不佳，則聚焦光束的顏色及強度的均勻性均會不佳。而本發明由於每一個LED晶片均裝設在該LED陣列中，因此該些LED晶片發出之光線於發出該LED陣列前已先經過均勻的混光才向外發出，所以，具有更好的光均勻性。圖9顯示為黑白照片，雖然無法看出聚焦光束的顏色變異性，但是仍可看出該聚焦光束具有極佳的光均勻性。

參閱圖10A~10C，圖10A~10C是利用具有R、G、B三個不同波長之LED晶片的LED陣列，並分別利用其R、G、B三個顏色為光源所得之聚焦光束的相對亮度圖。由結果可知，無論是以何種顏色為光源所得的聚焦光束均具有極佳的光均勻性，此表示當將三色光源混合後之聚焦光束在各個位置均會具有高光色均勻性及亮度均勻性。

參閱圖11A、11B，圖11A是本發明LED陣列的一實施例的正面視圖，而圖11B則為該LED陣列的剖視圖。該LED陣列含有48個可發出紅光(R)、藍光(B)、綠光(G)，或其他波長混合的LED晶片，或是可發出藍光的LED晶片搭配螢光粉而可發出白光，該些LED晶片區分成多個群組且每一個群組的電流都可獨立調控，而可用以調整該LED陣列發出之光的光色及亮度。於本實施中該LED陣列含有可發出紅光(R)、藍光(B)、綠光(G)的LED晶片，因此可產生全波長範圍的光。此外，當該LED陣列利用發出藍光的LED晶片加上螢光粉而發出白光時，可進一步藉由增加發出紅光的LED晶片數量來調整該LED陣列發出之色溫。要說明的是，該LED陣列含有的LED晶片數量可視需求而加以調整，從9個到100個甚至更多均可。該些未封裝的LED晶片的尺寸約為0.5~2mm，較佳地，該些未封裝的LED晶片的長x寬尺寸為1mmx1mm；而該LED陣列的尺寸大小則依據所包含的LED晶片數量而定，較佳地，該LED陣列發光面的直徑介於8~25mm。而由圖11B可看出該LED陣列還具有一蓋覆該些LED晶片用以提升該些LED晶片光取出率的半球形透鏡。

參閱圖12，圖12為本發明LED陣列調焦發光裝置另一實施例之剖視圖，其僅顯示主要的光學元件結構且該些光學元件結構為沿一光軸方向排列。該LED陣列調焦發光裝置包含一封裝殼(1211)、一設置於該封裝殼(1211)中，具有多個LED晶片的LED陣列(1201)，一罩設該些LED晶片的半球形透鏡(1202)、一反射件(1203)、一光擾頻器(1204)，該LED陣列(1201)設置在該反射件(1203)底面，該光擾頻器(1204)位於該反射件(1203)中並與該LED陣列(1201)間隔設置、一設置於該反射件(1203)頂面的光圈(1205)，和依序設置於該光圈(1205)之後的一平凸透鏡(1206)，及一雙凸透鏡(1207)，該平凸透鏡(1206)架設於一固設在該封裝殼(1211)內的第一承載座(1208)，該雙凸透鏡(1207)架設於一第二承載座(1209)上，且該第二承載座(1209)可與一移動單元(1210)相配合移動而用以調整該雙凸透鏡(1207)與該平凸透鏡(1206)的相對位置，以調整聚焦光束之尺寸。於本實施例中該光擾頻器(1204)為一光擴散元件，當光自該LED陣列(1201)發出後會經由該光擾頻器(1204)及反射件(1203)的作用，形成一均勻化的光朝向該光圈(1205)行進，利用該光圈(1205)去除不必要的光線形成更均勻的光束後，再令該光束通過該平凸透鏡(1206)及雙凸透鏡(1207)後即可得到該聚焦光束，而該聚焦光束的尺寸則可利用調整該雙凸透鏡(1207)與該平凸透鏡(1206)的相對位置加以調整。

參閱圖13，圖13為本發明LED陣列調焦發光裝置的封裝結構實施例，包含一LED陣列(1301)及一連接該LED陣列(1301)的帶狀纜線，且該LED陣列(1301)係設置在一散熱塊(1302)上。該散熱塊(1302)是由具有高導熱特性的材質構成，利用散熱塊的導熱性可令該LED陣列(1301)產生之熱能經由該散熱塊(1302)的傳導快速向外界逸出。

參閱圖14A、14B及圖15A、15B，圖14A是本發明LED陣列調焦發光裝置一實施例的內部結構圖，圖14B是本發明LED陣列調焦發光裝置的另一實施態樣，圖15A、15B則為該LED陣列調焦發光裝置的外觀示意圖。

參閱圖14A、14B，LED陣列(14A01)會經由電子接腳(electrical pins)與帶狀纜線(14A02)的一端電連接，該帶狀纜線(14A02)的另一端則與一電路板(14A05)電連接，用以提供電流驅動不同群組的LED晶片，且該電路板(14A05)位於散熱塊(14A03)的後端。此外，該LED陣列調焦發光裝置還具有一直流電纜線連接器(14A06、14B06)、電源開關(14B08)，及一用以控制聚焦光束亮度的控制鈕(14A07、14B07)，而該直流電纜線連接器、電源開關，及控制鈕也可見於圖15B。

要說明的是，該LED陣列調焦發光裝置也可再進一步具有其他的控制介面，例如可用以控制該LED陣列發出之光色或是色溫的開關或旋鈕，或是可具有一電子控制介面，如此可將該LED陣列調焦發光裝置發出之聚焦光束的亮度、光色或其它變化，經由電腦或其它電子控制形式加以控制。該散熱風扇(14A04、14B04)可用以提昇散熱效果，此外，為了增加該散熱塊(14A03)周圍空氣的流通以進一步提升散熱性，其封裝殼還可具有如圖15A、15B所示的穿孔。

值得一提的是，本發明之LED陣列調焦發光裝置雖然可利用LED晶片的配置而提供多種不同光色，但是仍可再配合例如濾波片轉輪(color filter wheel)等裝置提供不同的光色及空間分布型態。

參閱圖16，圖16為本發明LED陣列調焦發光裝置具有一濾波片轉輪(1602)的部份結構示意圖，該濾波片轉輪(1602)設置於類似圖3所示之光學元件(1601)之後並位於光路徑上，可依箭頭(1603)指示方向轉動，而用以改變通過該濾波片轉輪(1602)之光束的光色。此外該濾波片轉輪(1602)也可裝設具有不同形狀的光圈，而可用以進一步改變光束的形狀。又值得一提的是，當該轉輪的尺寸較小時則可用於取代如圖3B所示之光圈(305)，如此則可利用該轉輪進行光色的選擇，或是提供不同形狀及尺寸的光圈來調整聚焦光束的尺寸及形狀。

本發明利用具有多數個可發出不同波長且未獨立封裝之LED晶片所組成的LED陣列搭配光學單元，即可得到一可簡易調整聚焦光束尺寸及角度的LED陣列調焦發光裝置，此外，還可快速調整輸出光的波長及強度，而更便於使用，故確實可達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例與具體例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內

301．．．LED陣列

302．．．半球形透鏡

303．．．擾頻器

304．．．反射件

305．．．光圈

306．．．集光透鏡

307．．．聚焦透鏡

401．．．LED陣列

402．．．集光透鏡

403．．．擾頻器

404．．．光圈

405．．．調焦透鏡

406．．．調焦透鏡

407．．．調焦透鏡

408．．．平面

409．．．影像面

1201．．．LED陣列

1202．．．半球形透鏡

1203．．．反射件

1204．．．光擾頻器

1205．．．光圈

1206．．．平凸透鏡

1207．．．雙凸透鏡

1208．．．第一承載座

1209．．．第二承載座

1210．．．移動單元

1211．．．封裝殼

1301．．．LED陣列

1302．．．散熱塊

14A01．．．LED陣列

14A02．．．帶狀纜線

14A03．．．散熱塊

14A04．．．風扇

14B04．．．風扇

14A05．．．電路板

14A06．．．直流電纜線連接器

14B06．．．直流電纜線連接器

14A07．．．控制鈕

14B07．．．控制鈕

14B08．．．電源開關

1601．．．光學元件

1602．．．濾波片轉輪

1603．．．箭頭

α．．．角度

圖1是一剖視示意圖，說明習知典型聚光燈結構的剖視結構；

圖2是一剖視示意圖，說明習知利用多個單獨封裝LED燈的聚光燈結構；

圖3A是一方塊圖，說明本發明LED陣列調焦發光裝置一實施例的元件及功能；

圖3B是一結構示意圖，輔助說明圖3A；

圖4A一方塊圖，說明本發明LED陣列調焦發光裝置的另一實施例的元件及功能；

圖4B是一結構示意圖，輔助說明圖4A；

圖5A是一燭光極座標圖，說明如圖3B所示之LED陣列調焦發光裝置僅具有半球形透鏡的空間燭光極座標；

圖5B是一燭光直角座標圖，說明如圖3B所示之LED陣列調焦發光裝置僅具有半球形透鏡的燭光直角座標；

圖6A是一空間燭光極座標圖，說明如圖3B所示之LED陣列調焦發光裝置除了半球形透鏡外還具有該集光透鏡及聚焦透鏡之空間燭光極座標；

圖6B是一空間燭光直角座標圖，說明如圖3B所示之LED陣列調焦發光裝置除了半球形透鏡外還具有該集光透鏡及聚焦透鏡之空間燭光直角座標；

圖6C是一空間燭光極座標圖，說明圖3B所示之LED陣列調焦發光裝置，利用該些透鏡調整後之聚焦光束的空間燭光極座標；

圖6D是一空間燭光直角座標圖，說明圖3B所示之LED陣列調焦發光裝置，利用該些透鏡調整後之聚焦光束的之空間燭光直角座標；

圖7A是說明利用調整圖3B之光學元件在不同位置下所得具有較大聚焦光束尺寸的照片；

圖7B是利用調整圖3B之光學元件在不同位置下所得具有較小聚焦光束尺寸的照片；

圖8A是一光均勻性圖，說明圖7A之發光均勻性；

圖8B是說明圖7B之發光均勻性；

圖9是一可發出白光之LED陣列所得之聚焦光束照片；

圖10A~10C是說明調整圖9所使用的紅、黃、綠光LED晶片所得之白光的光均勻性圖；

圖11A是一示意圖，說明本發明LED陣列的結構；

圖11B是圖11A的側視圖；

圖12是一剖視圖，說明本發明LED陣列調焦發光裝置的一實施例；

圖13是一示意圖，說明本發明LED陣列調焦發光裝置的封裝結構實施例；

圖14A是一側視圖，說明本發明LED陣列調焦發光裝置一實施例的內部結構；

圖14B是一示意圖，說明圖14A具有風扇的實施態樣；

圖15A及15B皆是側視示意圖，輔助說明圖14A；及

圖16是一示意圖，說明如圖3所示之LED陣列調焦發光裝置還含有一濾波片轉輪的實施態樣。

301．．．LED陣列

302．．．半球形透鏡

303．．．擾頻器

304．．．反射件

305．．．光圈

306．．．集光透鏡

307．．．聚焦透鏡

α．．．角度

Claims (22)

1. 一種LED陣列調焦發光裝置，用於提供沿光軸行進並朝向標的物的光，包含：一基板；至少一設置於該基板的LED陣列，該LED陣列具有多數個未獨立封裝的LED晶片，該些LED晶片沿該光軸側向分布於一發光區域且可發出相同或不同波長範圍的光，且該些LED晶片的發光面與該發光區域為彼此橫向設置：一光學單元，用於收集並調整自該LED陣列發出之光沿該光軸行進；及一光圈，令經由該光學單元收集並調整後發出的光通過，並令通過該光圈的光形成一聚焦光束。
2. 依據申請專利範圍第1項所述的LED陣列調焦發光裝置，其中，該發光區域實質呈圓型且直徑不大於25mm。
3. 依據申請專利範圍第1項所述的LED陣列調焦發光裝置，其中，該發光區域的尺寸不大於25mm。
4. 依據申請專利範圍第1項所述的LED陣列調焦發光裝置，其中，該光學單元包括一鄰近該些LED晶片的發光表面的透鏡、一片用於收集自該光學單元發出之光的集光透鏡，及一片用於將該集光透鏡發出之光聚焦或準直成一聚焦光束而朝向該標的物的聚焦透鏡。
5. 依據申請專利範圍第4項所述的LED陣列調焦發光裝置，其中，該基板與該聚焦透鏡的距離介於6~12 inch。
6. 依據申請專利範圍第4項所述的LED陣列調焦發光裝置，還包含一移動單元，用以調整該光學單元與該集光透鏡及聚焦透鏡之間的距離。
7. 依據申請專利範圍第1項所述的LED陣列調焦發光裝置，其中，該光學單元具有三個調焦透鏡。
8. 依據申請專利範圍第7項所述的LED陣列調焦發光裝置，還包含一鄰近該些LED晶片發光面的透鏡。
9. 依據申請專利範圍第7項所述的LED陣列調焦發光裝置，還包含一調整單元，用以調整其中任一個調焦透鏡或同步調整其中任兩個調焦透鏡，與該些LED晶片發光面的相對位置。
10. 依據申請專利範圍第1項所述的LED陣列調焦發光裝置，其中，該LED陣列會發出不同波長範圍的光。
11. 依據申請專利範圍第10項所述的LED陣列調焦發光裝置，其中，該些LED晶片會發出亮度均勻且不同波長範圍的光。
12. 依據申請專利範圍第1項所述的LED陣列調焦發光裝置，其中，該光學單元具有一半球形透鏡。
13. 依據申請專利範圍第1項所述的LED陣列調焦發光裝置，還包含一反射件，用以反射自該些LED晶片發出並朝向該光圈方向行進的光。
14. 依據申請專利範圍第1項所述的LED陣列調焦發光裝置，還包含一散射元件、一漫射元件或一均一化元件。
15. 依據申請專利範圍第1項所述的LED陣列調焦發光裝置，還包含一電子控制器及至少一介面，該電子控制器用以提供電流至該用以接收電腦或人為指令的介面，該介面用以控制該電子控制器提供之電流以調整該些LED晶片的發光亮度。
16. 依據申請專利範圍第1項所述的LED陣列調焦發光裝置，還包含一與該些LED晶片連接的散熱塊。
17. 依據申請專利範圍第1項所述的LED陣列調焦發光裝置，其中，任兩相鄰之LED晶片的距離介於0.05~0.2mm。
18. 依據申請專利範圍第14項所述的LED陣列調焦發光裝置，其中，任兩相鄰之LED晶片的距離為0.1mm。
19. 依據申請專利範圍第1項所述的LED陣列調焦發光裝置，其中，該每一個LED晶片均未獨立封裝且尺寸為0.5~2mm。
20. 依據申請專利範圍第19項所述的LED陣列調焦發光裝置，其中，該每一個LED晶片面積為1mm x 1mm。
21. 依據申請專利範圍第1項所述的LED陣列調焦發光裝置，其中該LED陣列發出之光與該光軸成一角度定義出一圓錐區，且於該圓錐區內的光為實質均勻。
22. 一種形成聚焦光束的方法，包含：準備一LED陣列調焦發光裝置，包括一基板，及至少一設置於該基板的LED陣列，該LED陣列具有多數個未獨立封裝的LED晶片，且該些LED晶片會發出相同或不同波長範圍的光；提供電流至該些LED晶片，令該些LED晶片發光；令自該些LED晶片發出之光通過一光圈；再令通過該光圈的光通過一光學單元，得到一聚焦光束；及控制該些LED晶片與該光學單元的距離調整該聚焦光束的尺寸。