TWI470168B - 使用內反射器之發光二極體光源 - Google Patents

Description

使用內反射器之發光二極體光源

本發明關於光源，尤指一種用於燈具應用之具有固態發光裝置的光源。

固態發光裝置，例如發光二極體(LED，Light emitting diode)，其為取代習用光源(例如白熱燈泡、鹵素燈及日光燈)最有吸引力的候選者。LEDs要比白熱燈泡與鹵素燈實質上具有較高的光線轉換效率，且比所有這三種習用光源皆具有更長的壽命。此外，現在某些種類的LEDs比螢光光源具有更高的轉換效率，並且在實驗室中已可展現出還要更高的轉換效率。最後，LEDs需要比日光燈要低的電壓，並不含有汞或其它有潛在危險的材料，因此可提供多種安全性與環境性的好處。

近年來，固態裝置已經用於取代高強度氣體放電(HID，High-intensity discharge)燈，可於需要能源效率及/或光線強度時可提供大面積之上較高的光線亮度。這些區域包括道路、停車場、通道、大型公共區域及其它戶外應用。為了在這些應用當中增加光線強度，通常在一個封裝體中安排有一個以上的固態光發光裝置。一種固態發光裝置的示例為包含一p-n接合面的發光半導體晶片。一種封裝體的示例為將發光裝置的集合配置在一基板上，並包覆在螢光材料中，以產生寬頻譜的白光。此封裝體有時候被稱為LED陣列(LED array)。通常會附接一散熱槽至該LED陣列來散逸由該等發光裝置產生的熱量。

在為了不同的照明需求設計燈具中的彈性仍成為設計高亮度應用之模組化固態發光裝置的挑戰之一，且在這些裝置當中燈具設計的模組化解決方案有其優點。例如，既有的街燈與燈具係設計成接受更多的習用照明。因此需要一種取代習用照明之LED式的裝置。

在本發明一種態樣中，揭示一種具有一燈桿與附接至該燈桿的一頭部之燈具。該頭部包括一光源，其包含複數個固態發光裝置、一光學元件及一反射器，其配置成將由該等固態發光裝置放射的光線反射至該光學元件以自該頭部產生一光線散佈模式(light distribution pattern)。

在本發明另一種態樣中，揭示一種具有一燈桿與附接至該燈桿的一頭部之燈具。該頭部包括一光源，其包含配置成放射朗伯光線(Lambertian light)的複數個固態發光裝置、一光學元件及一反射器，其配置成轉換該朗伯光線成視準光線，並導引該視準光線朝向該光學元件。

在本發明另一種態樣中，揭示一種具有一燈桿與附接至該燈桿的一頭部之燈具。該頭部包括一墊材、一相對於該墊材的放射孔、一附接至該墊材的反射器、一設置在該發射孔中的光學元件及一設置在該反射器與該光學元件之間的光源，其中該光源包含配置成照射該反射器的複數個固態光源。

可瞭解到本發明之其它態樣對於本技術專業人士而言將可由以下的詳細說明而立即地瞭解，其中藉由例 示僅顯示與說明一種光源的示例性組態。將可瞭解到本發明包括一種光源的之其它與不同的態樣，且其一些細節可在多種其它態樣中修改，其皆不背離本發明之精神與範圍。因此，此處之圖式與詳細說明在性質上皆應視為例示性，而非限制性。

以下本發明將參照附屬圖式進行更為完整的說明，其中顯示了本發明之多種態樣。但是本發明可具體實施成許多不同型式，且不能夠視為被限制於整份說明書中所提供的本發明之多種態樣。而是這些態樣係提供使得本發明將可完善與完整，且將可完整傳達本發明之範圍給本技術專業人士。在該等圖式中例示之本發明的該等多種態樣可能並非依比例繪製。另外，該等多種特徵之尺寸為了清楚起見可能增加或縮減。此外，一些圖式可為了清楚起見而被簡化。因此，該等圖式應未描述給定設備(例如裝置)或方法之所有該等組件。

本發明之多種態樣將在此處參照圖式做說明，其為本發明之理想化組態的示意性例示。因此，該等例示之該等形狀將由於例如製造技術及/或公差而有差異。因此，在本說明書中所提供的本發明之多種態樣不應視為限制於此處所例示與描述之元件(例如區域、疊層、區段、基板等)的該等特定形狀，而是包括由於例如製造所產生的形狀之變化。例如，所例示或描述為一長方形的一元件在其邊緣處，可具有圓形或彎曲的特徵及/或一梯度集中度，而並非每個元件之間有分散的變化。因此，在該等圖式中所例示的該等元件在性質上為示意性，且 它們的形狀並非要例示一元件的準確形狀，且並非要限制本發明之範圍。

將可瞭解到當一元件，例如區域、疊層、區段、基板或類似者，其被稱為「在(on)另一元件上」，其可直接位在另一元件上，或亦可存在介於其中的元件。相反地，當一元件被稱為「直接在(directly on)另一元件上」，即不存在介於其中的元件。另將可瞭解到，當一元件被稱為「形成」(formed)在另一元件上時，其可在另一元件或一介於其中的元件上成長、沉積、蝕刻、附著、連接、耦合、或另外製備或製造。

再者，相對的術語，例如「下方」或「底部」及「上方」或「上部」等，在此處係用於描述一個元件與另一元件的關係，如該等圖式當中所例示者。將瞭解到相對術語除了在該等圖式中所描述的該方向之外，係要涵蓋一裝置的不同方向。例如，如果在該等圖式上的設備被轉向，則描述為在其它元件之「下方」側上的元件之方向即為在該等其它元件的「上方」側。因此該用語「下方」根據該設備的特定方向可同時涵蓋「下方」與「上方」的方向。同樣地，如果在該圖式中一設備被轉向，被描述為「低於」或「在其它元件之下」之元件的方向即為在該等其它元件「之上」。因此該用語「低於」或「在其下」可同時涵蓋在其上方及其下方的方向。

除非另有定義，此處所使用的所有術語(包括技術與科學術語)皆為本發明所屬的技術中一般專業人士所共同瞭解的相同意義。另將可瞭解到術語，例如那些在常用字典中所定義者，必須解譯成其意義符合於在相關技術與本發明之內文中之意義。

如此處所使用者，單數形式「一」(「a」、「an」)及該(「the」)係亦包括複數形式，除非在文中另有明確指明。將可更瞭解到在本說明書中將使用的術語「包含」(「comprises」及/或「comprising」)指定存在有所述的特徵、整數、步驟、作業、元件及/或組件，但並不排除存在或加入一或多個其它特徵、整數、步驟、作業、元件、組件及/或其群組。該術語「及/或」(and/or)包括該等相關所列出之項目之一或多種的任何及所有的組合。

以下配合該等附屬圖式提出的該實施方式係要做為本發明之多種態樣的說明，而並非要代表可實施本發明之所有態樣。該實施方式包括特定的細節，目的在於提供本發明之完整瞭解。但是，本技術專業人士將可瞭解到本發明可不使用這些特定細節來實施。在一些例證中，熟知的結構及組件以方塊圖型式顯示，藉此避免混淆本發明之該等觀念。

本發明揭示一種用於改裝習用照明系統的裝置與方法，例如像是路燈，其具有頭部，包括包含複數個固態發光裝置的一光源、一光學元件及一反射器，其配置成將由該等固態發光裝置放射的光線反射至該光學元件以自該頭部產生一光線散佈模式。自該等固態發光裝置放射的該光線可為朗伯光線。該朗伯光線可用於照射該反射器。該反射器可用於轉換該朗伯光線為視準光線，並導引該視準光線朝向該光學元件。該光學元件可配置成由該視準光線產生該光線散佈模式。

例如但非限制，「路燈」(street light)可代表提供任何種類照明至街道、道路、人行道、隧道、公園、室外設施、停車場等的任何照明系統。一「燈桿」(pole)可代 表用於支撐一照明系統的任何結構，其包括但不限於例如一燈柱、高隔間支撐、壁掛式、懸掛式懸吊夾具、支撐架體、天花板安裝或類似者。一「熱管理系統」(thermal management system)可包含一散熱槽、熱散佈器、熱鰭片、導熱管、熱介面材料、主動式空氣流動裝置等其中至少一者。

一種固態發光裝置的示例為一LED。該LED為本技術中所熟知，因此將僅簡短地討論而提供本發明之完整說明。第一圖為例示一LED示例的概念性橫截面側視圖。一LED為注入或摻雜有雜質的半導體材料。這些雜質加入「電子」及「電洞」至該半導體，其可相對自由地在該材料中移動。根據雜質的種類，該半導體的一摻雜區域可具有顯著的電子或電洞，其分別被稱為n型或p型半導體區域。在LED應用中，該半導體包括一n型半導體區域及一p型半導體區域。在該等兩個區域之間的接面處產生一逆電場，其造成該等電子及電洞移動遠離該接面而形成一主動區域。當橫跨該p-n接面施加一足以克服該逆電場之正向電壓時，電子與電洞即被強迫進入該主動區域並結合。當電子結合於電洞時，它們即落入較低的能量階，並以光的型式釋放能量。

請參照第一圖，該LED 101包括一基板102、一在該基板102上的磊晶層結構104及在該磊晶層結構104上的一對電極106與108。該磊晶層結構104包含夾在兩個相反摻雜的磊晶區域之間的一主動區域116。在此示例中，一n型半導體區域114形成在該基板102上，及一p型半導體區域118形成在該主動區域116上，但是該等區域可為反向。也就是說，該p型半導體區域118 可形成在該基板102上，而該n型半導體區域114可形成在該主動區域116上。本技術專業人士將可立即瞭解到整份發明文件中所述之該等多種觀念可被延伸至任何適當的磊晶層結構。額外的疊層(未示出)亦可被包括在該磊晶層結構104中，其包括但不限於緩衝層、成核層、接觸與電流散佈層、以及光線提取層。

該等電極106、108可形成在該磊晶層結構104的該表面上。該p型半導體區域118暴露於該上表面處，因此該p型電極106可立即形成於其上。但是，該n型半導體區域114埋入在該p型半導體區域118與該主動區域116之下。因此，為了在該n型半導體區域114上形成該n型電極108，該主動區域116與該p型半導體區域118的一部份被移除，以在其下方暴露該n型半導體區域114。在移除該磊晶層結構104的此部份之後，即可形成該n型電極108。

一或多個LEDs可用於建構一發光元件。如配合第二圖將要說明之具有多個固態發光裝置(例如LEDs)設置在一單一基板上的一發光元件有時候被稱為「LED陣列」。但是本技術專業人士將可立即瞭解到本發明並不限於LED陣列，且可延伸至任何適當的LED裝置或其它適當的固態光源。現在將參照第二圖提供一LED裝置的示例。第二圖為例示發光元件200的一示例之概念性上視圖。在此示例中，一發光元件200配置具有設置在一基板202上的多個LEDs 201。該基板202可由任何可提供該等LEDs 201機械性支撐的適當材料製成。較佳地是，該材料為導熱性，用於將來自該等LEDs 201的熱量散逸掉。該基板202可包括一介電層(未示出)，以 提供該等LEDs 201之間的電氣絕緣。該等LEDs 201可由一導電電路層、打線接合或這些或其它方法之組合在該介電層上並聯及/或串聯地電氣耦合。

該發光元件200可配置成產生白光。白光可使得該LED裝置用於直接取代現今在白熱燈泡、鹵素燈、日光燈、HID與其它適當燈具中使用的習用光源。至少有兩種常用來產生白光的方式。一種方式係使用放射多種波長(例如紅光、綠光、藍光、琥珀色或其它色彩)之個別LEDs，然後混合所有的色彩來產生白光。另一種方式為使用一螢光材料或其它材料來轉換自一藍光或紫外光(UV，Ultra-violet)LED所放射的單色光成為寬頻譜的白光。但是本發明可利用其它LED與螢光材料的組合來實施以產生不同顏色的光線。

現在將參照第三圖提供一LED裝置的示例。第三A圖為例示一白光LED裝置的示例之概念性上視圖，而第三B圖為第三A圖中該白光LED裝置的概念性橫截面側視圖。該白光LED裝置300所示具有一基板302，其可用於支撐多個LEDs 301。該基板302之配置方式類似於配合第二圖所示者或以某個其它適當方式配置。在此示例中，該基板包括沿著該周緣的複數槽縫310。一螢光材料308可沉積在由一環狀或其它形狀或環繞該基板302的該上表面或任何形狀(例如使用該等槽縫310)、或其它邊界309向外圍延伸所定義的一凹穴內。該環狀邊界309可利用一適當模具形成，或另與該基板302獨立地形成，並使用一黏著劑或其它適當方式附接至該基板302。該螢光材料308例如可包括懸浮在一環氧樹脂、 矽膠或其它載體中的螢光粒子，或可由溶解在該載體中的一可溶性螢光材料構成。

在另一種白光放射元件的組態中，每個LED可具有其本身的螢光層。如本技術專業人士將可立即瞭解到可使用多種LED與其它發光單元的組態來產生一白光放射元件。再者如前所述，本發明並不限於產生白光的固態發光裝置，而是可延伸至產生其它顏色光線的固態發光裝置。

現在將提供一路燈之多種態樣。但是本技術專業人士將可立即瞭解到這些態樣可被延伸至其它裝置而皆不背離本發明之精神與範圍。概言之，路燈可設計成改善在道路上的能見度且增加安全性，而仍可有效率地使用能源。一種路燈設計可考慮對於一特定光線散佈模式提供一指定的照明位準。照明工程協會(IES，Illumination Engineering Society)已經建立了一系列的橫向散佈模式，指定為I、II、III、IV與V類。高強度氣體放電(HID，High intensity discharge)燈可做為路燈的光源。另外，LEDs可為取代HID燈之有吸引力的候選者。

第四圖為應用固態發光裝置至一路燈400的示例。該路燈400可包括一燈桿410與附接至該燈桿的一頭部420。一示例性頭部420可參照第五圖所述。該頭部420可包括一光源，其包括複數個固態發光裝置430、一光學元件440及一反射器450，其配置成將由該等固態發光裝置430放射的光線反射至該光學元件440以由該頭部產生一光線散佈模式425。

在一種態樣中，自該等固態發光裝置430放射的該光線可為朗伯模式光線。在這種態樣中，該朗伯模式光 線可用於照射該反射器450。另外，該反射器可用於轉換該朗伯模式光線成視準光線(collimated light)，並導引該視準光線朝向該光學元件440。在一種態樣中，該光學元件440可配置成自該視準光線產生該光線散佈模式425。

在另一種態樣中，在選擇固態發光裝置430的一陣列大小與該光學元件440的該等性質所要考慮的該等特性當中，包含有該燈桿410的高度415，及該應用所需要的該照明模式/強度425。

在操作中，一LED路燈可由一LED(或LED陣列)、一反射器與光學元件來實施。在一種路燈的態樣中，可安裝一反射器至該路燈的該頭部之該墊材(the ceiling)，並設置一LED(或LED陣列)在該頭部之內，以向上朝向該反射器發射光線。因此，該反射器可用於產生方向向下朝向一道路或類似者之一視準光束。在一種態樣中，該視準光束可模擬一點狀光源，其使得該橫向散佈模式(例如I、II、III、IV或V類)由設置在該LED(或LED陣列)下方的一光學元件之設計所決定。該光學元件可為一具有一擴散膜的玻璃板，或某種其它適當光學元件。

第五圖所示為關聯於一路燈之一頭部500的示例性橫截面。該頭部包括一光源，其包含複數固態發光裝置510、一光學元件520及一反射器530，其配置成反射由該等固態發光裝置510放射的光線至該光學元件520以自該頭部產生一光線散佈模式。

在一種態樣中，該頭部500可包括一墊材(a ceiling)540，且該反射器530可附接至該墊材540。在另 一種態樣中，該頭部500可包括一放射孔550，且該光學元件520可設置在該放射孔550中。另外，在這種態樣中，該放射孔在該頭部500中可放置成相對於該墊材540。另外，該發光裝置510可放置在該墊材540與位於該放射孔550中的該光學元件520之間。在一種態樣中，該光學元件520可為具有一擴散膜之實質上透明的板。在另一種態樣中，該光學元件520可為平板型。在一種態樣中，該反射器530可為拋物線型。在這種態樣中，該發光裝置510可設置於該拋物線型反射器530的焦點處。

在此提供一路燈的多種態樣使得本技術專業人士可實施本發明。在整份說明書中所提供的該路燈的多種修改及其它的組態對於本技術專業人士將可立即瞭解到，且此處所揭示的該等概念可被延伸到其它照明應用中。因此，該等申請專利範圍並非要限制於整份說明書所提出的一路燈之該等多種態樣，而係要根據符合該等申請專利範圍之用語的完整範圍。因此例如根據本發明可配置出任何種類與對於任何照明目的之照明燈具。所有在結構上與功能上同等於本技術專業人士已知或稍後得知之此份說明書中整個所描述之一種光源的該等多種態樣之該等元件者皆在此以參照方式明確加入，並係要由該等申請專利範圍所涵蓋。再者，此處所揭示者皆並非要奉獻給公眾，不論這些揭示內容是否明確地在該等申請專利範圍中所列述。在此沒有主張的元件係要以35 U.S.C §112之條文的第六段解釋，除非該元件使用片語「用於...之裝置」(means for)或在方法式申請專利範圍時的片語「用於...之步驟」所明確敘述。

101‧‧‧LED

102‧‧‧基板

104‧‧‧磊晶層結構

106、108‧‧‧電極

114‧‧‧n型半導體區域

116‧‧‧主動區域

118‧‧‧p型半導體區域

200‧‧‧發光元件

201‧‧‧LED

202‧‧‧基板

300‧‧‧白光LED裝置

301‧‧‧LED

202‧‧‧基板

308‧‧‧螢光材料

309‧‧‧邊界

310‧‧‧槽縫

400‧‧‧路燈

410‧‧‧燈桿

415‧‧‧高度

420‧‧‧頭部

425‧‧‧光線散佈模式(照明模式/強度)

430‧‧‧固態發光裝置(發光裝置)

440‧‧‧光學元件

450‧‧‧反射器

500‧‧‧頭部

510‧‧‧固態發光裝置

520‧‧‧光學元件

530‧‧‧反射器

540‧‧‧墊材

550‧‧‧放射孔

本發明之多種態樣係藉由示例而非藉由限制來例示，其中附屬圖式包括：第一圖為例示一LED的示例之概念性橫截面側視圖；第二圖為例示一發光元件的示例之概念性平面圖；第三A圖為例示一白色光源的示例之概念性上視圖；第三B圖為第三A圖中該白色光源的概念性橫截面側視圖；第四圖為應用固態發光裝置至一路燈的示例；及第五圖為一路燈之頭部的概念性橫截面圖。

400‧‧‧路燈

410‧‧‧燈桿

415‧‧‧高度

420‧‧‧頭部

425‧‧‧光線散佈模式

430‧‧‧固態發光裝置

440‧‧‧光學元件

450‧‧‧反射器

Claims (42)

1. 一種光源，其包含：一燈桿；及一附接至該燈桿的頭部，其中該頭部包含：一發光元件，其包含複數個固態發光裝置，一光學元件，及唯一的單一、連續的反射器，其配置成將由該等固態發光裝置放射的光線反射至該光學元件以自該頭部產生一光線散佈模式。
2. 如申請專利範圍第1項之光源，其中該頭部包含一墊材，且其中該反射器附接至該墊材。
3. 如申請專利範圍第2項之光源，其中該頭部包含一放射孔，且其中該光學元件設置在該放射孔中。
4. 如申請專利範圍第1項之光源，其中該頭部包含一墊材及相對於該墊材的一放射孔，且其中該反射器附接至該墊材，且該光學元件設置在該放射孔中。
5. 如申請專利範圍第4項之光源，其中該發光元件設置在該反射器與該光學元件之間。
6. 如申請專利範圍第1項之光源，其中該光學元件包含具有一擴散膜的一透明板。
7. 如申請專利範圍第1項之光源，其中該光學元件為平板型。
8. 如申請專利範圍第1項之光源，其中該反射器為拋物線型。
9. 如申請專利範圍第8項之光源，其中該發光元件設置在該拋物線型反射器的焦點中。
10. 如申請專利範圍第1項之光源，其中由該等固態發光 裝置放射的該光線為朗伯模式光線，且其中該反射器另配置成藉由轉換該朗伯模式光線為視準光線並導引該視準光線朝向該光學元件而反射該朗伯模式光線。
11. 如申請專利範圍第1項之光源，其中該光源為一路燈。
12. 一種光源，其包含：一燈桿；及一附接至該燈桿的頭部，其中該頭部包含：一發光元件，其包含配置成放射朗伯模式光線的複數個固態發光裝置，一光學元件，及唯一的單一、連續的反射器，其配置成轉換該朗伯模式光線為視準光線，並導引該視準光線朝向該光學元件。
13. 如申請專利範圍第12項之光源，其中該頭部包含一墊材，且其中該反射器附接至該墊材。
14. 如申請專利範圍第12項之光源，其中該頭部包含一放射孔，且其中該光學元件設置在該放射孔中。
15. 如申請專利範圍第12項之光源，其中該頭部包含一墊材及相對於該墊材的一放射孔，且其中該反射器附接至該墊材，且該光學元件設置在該放射孔中。
16. 如申請專利範圍第15項之光源，其中該發光元件設置在該反射器與該光學元件之間。
17. 如申請專利範圍第12項之光源，其中該光學元件包含具有一擴散膜的一透明板。
18. 如申請專利範圍第12項之光源，其中該光學元件為 平板型。
19. 如申請專利範圍第12項之光源，其中該反射器為拋物線型。
20. 如申請專利範圍第19項之光源，其中該發光元件設置在該拋物線型反射器的焦點中，且其中該拋物線型反射器產生視準光線。
21. 如申請專利範圍第12項之光源，其中該光學元件配置成自該視準光線產生一光線散佈模式。
22. 如申請專利範圍第12項之光源，其中該光源為一路燈。
23. 一種光源，其包含：一燈桿；及一附接至該燈桿的頭部，其中該頭部包含：一墊材，一相對於該墊材的放射孔，附接至該墊材的唯一的單一、連續的反射器，一設置在該放射孔中的光學元件，及一設置在該反射器與該光學元件之間的發光元件，其中該發光元件包含安排成照射該反射器之複數個固態發光裝置。
24. 如申請專利範圍第23項之光源，其中該光學元件包含具有一擴散膜的一透明板。
25. 如申請專利範圍第23項之光源，其中該光學元件為平板型。
26. 如申請專利範圍第23項之光源，其中該反射器為拋物線型。
27. 如申請專利範圍第26項之光源，其中該發光元件設 置在該拋物線型反射器的焦點中。
28. 如申請專利範圍第23項之光源，其中該反射器利用由該等固態發光裝置放射的朗伯模式光線進行照射。
29. 如申請專利範圍第28項之光源，其中該反射器配置成轉換該朗伯模式光線為視準光線。
30. 如申請專利範圍第29項之光源，其中該光學元件配置成自該視準光線產生一光線散佈模式。
31. 如申請專利範圍第23項之光源，其中該光源為一路燈。
32. 一種光源，其包含：一頭部，其中該頭部包含：一發光元件，其包含複數個固態發光裝置，一光學元件，及唯一的單一、連續的反射器，其配置成將由該等固態發光裝置放射的光線反射至該光學元件以自該頭部產生一光線散佈模式。
33. 如申請專利範圍第32項之光源，其中該頭部包含一墊材，且其中該反射器附接至該墊材。
34. 如申請專利範圍第32項之光源，其中該頭部包含一放射孔，且其中該光學元件設置在該放射孔中。
35. 如申請專利範圍第32項之光源，其中該頭部包含一墊材及相對於該墊材的一放射孔，且其中該反射器附接至該墊材，且該光學元件設置在該放射孔中。
36. 如申請專利範圍第35項之光源，其中該發光元件設置在該反射器與該光學元件之間。
37. 如申請專利範圍第32項之光源，其中該光學元件包含具有一擴散膜的一透明板。
38. 如申請專利範圍第32項之光源，其中該光學元件為平板型。
39. 如申請專利範圍第32項之光源，其中該反射器為拋物線型。
40. 如申請專利範圍第39項之光源，其中該發光元件設置在該拋物線型反射器的焦點中。
41. 如申請專利範圍第32項之光源，其中由該等固態發光裝置放射的該光線為朗伯模式光線，且其中該反射器另配置成藉由轉換該朗伯模式光線成視準光線並導引該視準光線朝向該光學元件而反射該朗伯模式光線。
42. 如申請專利範圍第32項之光源，其中該光源為一路燈。