TWI506224B

TWI506224B - 照明裝置

Info

Publication number: TWI506224B
Application number: TW101103748A
Authority: TW
Inventors: Peter Brick
Original assignee: Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2015-11-01
Also published as: KR20130108652A; DE102011012297B4; US20140049943A1; US8998435B2; TW201235598A; CN103392142A; CN103392142B; KR101540873B1; WO2012113603A1; DE102011012297A1

Description

照明裝置

本發明涉及一種照明裝置。

文件WO 2010/076103 A2描述一種照明裝置。

本發明的目的是提供一種照明裝置，其具有頻帶特別狹窄之光譜發射性。

依據照明裝置之至少一實施形式，此照明裝置包括一種光源，其包括至少一發光二極體晶片。該光源在操作時產生光。該至少一發光二極體晶片是光源之產生光的元件。該光源例如可產生彩色光、多種彩色光或白光。該光源可包括相同形式之發光二極體晶片或不同形式之發光二極體晶片，其在操作時產生不同彩色之光。

依據照明裝置之至少一實施形式，此照明裝置包括第一光學元件，其在可預設之角度範圍中使光源發出之光達成準直(collimate)功能。

例如，第一光學元件是一種所謂光學聚光器(concentrator)。光學聚光器例如可以是一種拋物形光學聚光器、橢圓形光學聚光器或雙曲面形光學聚光器。

又，第一光學元件是由上述光學聚光器之組合所構成，使得第一光學元件之第一區段形成為拋物形光學聚光器，且相鄰的第二區段形成為雙曲面形光學聚光器。

第一光學元件例如亦可以是透鏡。又，第一光學元件可包括透鏡。例如，第一光學元件可由一反射光學元件及一透鏡的組合來形成。

第一光學元件使光源發出的光在可預設的角度範圍中達成準直功能，使光源之光所構成的光束在離開第一光學元件之後例如具有一可預設的開口角度。以此方式，則第一光學元件使通過的光之發散性下降。特別是就主延伸方向而言，第一光學元件形成為象限對稱或特別是形成為旋轉對稱。

依據照明裝置之至少一實施形式，此照明裝置包括第二光學元件，其至少使光源之最初未入射至第一光學元件之光反射回到該光源。即，該光源之未入射至第一光學元件之光(其例如由第一光學元件之光入射側的旁邊通過)由第二光學元件反射回到光源。該光在光源處例如可反射至該光源之組件(例如，載體)或反射到至少一發光二極體晶片。該光然後例如反射至第一光學元件之方向中且在該處可入射至第一光學元件。又，該光亦可入射到至少一發光二極體晶片中且在該處藉由所謂“光子再循環”而產生光。

依據照明裝置之至少一實施形式，此照明裝置包括第三光學元件，其至少以位置方式使光源發出的光之光譜頻寬變小。所謂光譜頻寬變小因此亦是指：光譜分佈中一尖峰之上升邊緣和下降邊緣被分成區段。這例如藉由帶通(band-pass)濾波器來達成。

由單色之發光二極體晶片所產生之光通常具有一種介於20奈米和40奈米之間的光譜半寬度值。第三光學元件可使該光譜半寬度值下降。該發光二極體晶片例如可以是一種產生白光之發光二極體晶片，且第三光學元件可在不同的位置使通過的光之光譜頻寬下降。因此，白光之寬的光譜例如可藉由第三光學元件而被狹窄化為一種光譜，其例如具有在藍光之範圍中的狹窄尖峰及在黃光之範圍中的狹窄尖峰。

以此方式，則第三光學元件至少依位置使光源發出的光之光譜頻寬變小。

依據照明裝置之至少一實施形式，第一光學元件具有一個光入射側，其面向該光源。該光源之光之至少一部份在光入射側上入射至第一光學元件。例如，特別是當第一光學元件形成為反射式中空體時，第一光學元件在光入射側上具有一開口，或當第一光學元件例如是一種以透明材料來形成的實心體時，第一光學元件具有一個光學入射面。在第一種情況下，第一光學元件例如是一種複合式拋物形聚光器(CPC)-反射器，其具有拋物形之外表面，該外表面在其內側例如以金屬來反射。在第二種情況下，第一光學元件例如是一種具有錐形區段之CPC，其以玻璃、PC、PMMA或其它塑料之類的透明材料來形成。

依據照明裝置之至少一實施形式，第二光學元件圍繞著第一光學元件之光入射側，特別是在橫向中完全圍繞著，使該光源之至少一大部份的未入射至第一光學元件的光入射至第二光學元件。上述的橫向因此是指：例如平行於至少一發光二極體晶片之輻射發出面而延伸之方向。換言之，第二光學元件在側面完全圍繞著第一光學元件之光入射側。

此處及以下的描述中，光之一“大部份”是指該光源之光之大於50%之部份，特別是大於該光源之光之75%。在理想情況下，光源之未入射至第一光學元件的全部的光都由第二光學元件反射，即，未入射的全部的光都入射至第二光學元件。第二光學元件因此可在橫向中以框形或環形而完全圍繞第一光學元件之光入射側。

依據照明裝置之至少一實施形式，第三光學元件配置在第一光學元件之遠離該光入射側之光發出側上。光學元件之光發出側是指：通過第一光學元件之光又發出時所在之側。例如，光發出側可包括一光發出口或以一光發出口來形成。依據此照明裝置之至少一實施形式，由第一光學元件之光發出側所發出之光之至少一大部份(理想方式是由光發出側所發出之全部的光)都經由第三光學元件發出。第三光學元件因此例如可在光發出側直接與第一光學元件接觸。依據照明裝置之至少一實施形式，此照明裝置包括：一個光源，其包括至少一個發光二極體晶片且在操作時產生光；第一光學元件，其使該光源發出的光在可預設的角度範圍中達成準直功能；第二光學元件，其至少使該光源之最初未入射至該第一光學元件的光反射回到該光源；及第三光學元件，其至少依位置方式使該光源發出的光之光譜頻寬變小。因此，第一光學元件具有光入射側，其面向該光源，且該光源之光之至少一部份在光入射側入射至第一光學元件，第二光學元件至少在側面完全圍繞著第一光學元件之光入射側，該光源之未入射至光學元件的至少一大部份的光入射至第二光學元件；且第三光學元件配置在第一光學元件之遠離該光入射側之光發出側上，其中由第一光學元件之光發出側發出之光的至少一大部份都經由第三光學元件發出。利用此處所述之照明裝置，則特別是可在狹窄之角度範圍中產生狹頻帶之光譜的光。此處，該照明裝置另外以下述的構想為基準：光源之發光二極體具有高的光導值(Etendue)。此光導值例如為E=Π x(sin 90°)² x(發光二極體晶片之光發出面)。在一平方毫米之光發出面中，此光導值因此大約是3.14。

第三光學元件至少依位置而使光源發出的光之光譜頻寬變小，此第三光學元件例如是一種干擾濾波器，其具有一受限的光導值E=Π x(sin α)² x(濾波器之光入射面之面積含量)。

α因此是最大之光入射角，藉此使光入射至第三光學元件之光入射面。例如，若α是15度且濾波器之光入射面是16平方毫米，則光導值1.07 x Π因此大約是3.4。

此種配置因此很近似於光導值-極限而進行操作。於是，光源之至少一發光二極體在操作時所產生的全部之光不易經由第三光學元件傳送。因此，吾人例如需要第一光學元件，其使光源發出的光在可預設的角度範圍中達成準直功能，其中光入射至第三光學元件之光入射面時所期望的最大角度是目標角度。於是，此關係a₁ x sin 90°=a₂ x sin(目標角度)成立，a₁ 例如是第一光學元件(其例如形成為CPC)之光入射面之半徑或第一光學元件之光入射口的半徑。a₂ 是第一光學元件之光發出口-或光發出面之半徑。

在條件“a₁ 應選擇成較例如光源之發光二極體晶片(其配置在第一光學元件之後)之邊長還大”下，特別是對較大的發光二極體晶片會有困難。於是，使光源在操作時所產生的光之儘可能多的部份耦合至第一光學元件已顯示是必要者。這在目前的照明裝置中例如可藉由第二光學元件來達成，該第二光學元件至少使光源之最初未入射至第一光學元件之光反射回到該光源中，此時藉由此種反射回來之光使該光另外亦可入射至第一光學元件。

依據照明裝置之至少一實施形式，第三光學元件包括一干擾濾波器或由一干擾濾波器所形成。干擾濾波器可特別良好地適用於使通過的光之光譜頻寬變小。然而，在使用干擾濾波器時會有以下的問題：濾波作用與通過的輻射之入射角度有很大的相關性。第一光學元件可有利地將入射角度變小，使形成為干擾濾波器之第三光學元件可預設地將光譜頻寬變小。

又，干擾濾波器之特徵是：其上不會發生光的吸收現象。光之未經過干擾濾波器之成份被反射且例如可經由第一光學元件而到達該光源之至少一發光二極體晶片，在該處可藉由光子再循環而再使用上述成份。例如，干擾濾波器可以是一種具有陡峭側緣之帶通濾波器。此干擾濾波器例如可藉由一層來形成，該層在第一光學元件之光發出側上可直接施加在第一光學元件之外表面上。此層亦可施加在該照明裝置之另一組件上。例如，此層是一種介電質層序列。該干擾濾波器另外亦可施加在一例如由玻璃構成的載體板上，該載體板配置在第一光學元件之光發出側之後。

依據照明裝置之至少一實施形式，該光源產生白光或多彩色之光且第三光學元件具有至少二個透射頻帶。例如，該光源產生一種具有紅光、綠光和藍光成份之光。第三光學元件於是可具有例如三個透射頻帶，其中可使狹窄頻帶光譜之紅光、藍光和綠光透過。該光之未透射的成份可反射回到光源。

依據照明裝置之至少一實施形式，該第一光學元件特別是使光源發出的光之大部份都在一種最大為正/負15度之角度範圍中達成準直功能。在此種情況下，光由第一光學元件以最多15度之入射角入射至第三光學元件。此種小的入射角在第三光學元件包括一干擾濾波器或藉由一干擾濾波器來形成時已顯示是特別有利的。

依據照明裝置之至少一實施形式，該第三光學元件使該光源發出的光之光譜至少依位置而狹窄化為最多10奈米之光譜頻寬的尖峰。此光譜頻寬例如依據尖峰之半值寬度來測得，其中光強度相對於波長來描繪。

依據照明裝置之至少一實施形式，該光源產生白光或多彩色之光且第三光學元件包括至少二個透射頻帶，其中由第三光學元件所濾波的光之尖峰的數目等於透射頻帶的數目。例如，每一尖峰都具有最多10奈米之光譜頻寬。因此，一尖峰可由多個尖峰組成。

依據照明裝置之至少一實施形式，對該第二光學元件進行調整，使所入射的光準確地反射。例如，該第二光學元件因此包括反射性金屬層，其面向該光源。在光入射側未入射至第一光學元件中而是入射至第二光學元件的光準確地被反射回到該光源之方向中。

依據照明裝置之至少一實施形式，該第二光學元件依位置而與第一光學元件之外表面直接相接觸。第二光學元件例如可形成為中空截錐體或中空平截頭稜錐體之形式，其中這些幾何元素之基面特別是具有與第一光學元件之光入射側上的光入射面或光入射口相同的形式。藉由幾何元素之面向第一光學元件之此側，則光學元件可依位置而與第一光學元件之外表面直接相接觸。因此，可選擇第二光學元件和第一光學元件之間的連接，使第一光學元件和第二光學元件之間的光不會漏出，即，在此種情況下，會在此二個光學元件之間形成無中斷的連接。在其面向光源之此側上，第二光學元件例如可直接與光源之一組件，例如，至少一發光二極體晶片用之載體，相接觸。以此方式，第二光學元件可完全圍繞該光源和第一光學元件之間之中間區。以此方式，光不會到達外部，此乃因當至少一發光二極體晶片發光時，光將入射至第一光學元件中或被第二光學元件反射。換言之，第二光學元件因此形成一種光箱，其在二個相對向的側面上具有光源或第一光學元件。

又，另提供一種顯示裝置。

依據顯示裝置之至少一實施形式，該顯示裝置包括至少一此處所述的照明裝置。即，對該照明裝置所設定的全部特徵亦揭示於該顯示裝置中。此外，該顯示裝置包括一成像元件，其由至少一照明裝置之光來進行背景照明或進行照明。此種成像元件例如可以是一種LCD-顯示器或微鏡面陣列。於是，該顯示裝置例如可以是螢幕或投影器。

由於該照明裝置之狹窄光譜頻帶之發射性，則上述顯示裝置可特別良好地適用於針對波長來對資訊進行編碼且因此特別適用於3維度的顯示。即，此處所述的顯示裝置特別良好地適用於3維度的顯示，特別是適用於以多波-三合透鏡(Triplets)為主之方法，例如，公司“Dolby”之方法“Dolby-3D”。

依據顯示裝置之至少一實施形式，該顯示裝置包括至少一光導，其中至少一照明裝置之光的至少大部份都入射至該光導中且至少一照明裝置之由該光導發出之光對該成像元件進行背景照明。即，在這樣所形成的顯示裝置中，例如一作為成像元件的LCD-顯示器不是直接由該照明裝置來進行背景照明而是光首先入射至大面積的光導中，然後再由該光導來對該成像元件進行背景照明。

依據此處所述的顯示裝置之至少一實施形式，該成像元件藉由至少一照明裝置來形成。例如，該顯示裝置包括多個照明裝置，其中每一照明裝置都設置有一可用來產生圖像之像素。

依據顯示裝置之至少一實施形式，該顯示裝置包括至少二個照明裝置，其產生黃色之光，其中各照明裝置之光之最大強度的波長互相不同，特別是相差至少10奈米。即，該照明裝置例如產生二種形式的紅光，其中該光之最大強度的尖峰稍微互相偏移。此種顯示裝置可特別良好地用於3維度的顯示，此乃因左眼和右眼所需的不同之部份圖像可藉由稍微互相偏移之波長來編碼。為了獲得3維度的圖像，例如可使用眼罩，其包含干擾濾波器。例如，左眼用之圖像資訊可藉由尖峰最大值為629奈米之紅光、尖峰最大值為532奈米之綠光、及尖峰最大值為446奈米之藍光來產生。右眼用之圖像則由尖峰波長為615奈米之紅光、尖峰波長為518奈米之綠光、及尖峰波長為432奈米之藍光來產生。圖像之頻道分離是藉由分離性敏銳之干擾濾波器來達成，其對每一眼睛過濾出適當的三組波長。

此處所述之照明裝置及顯示裝置以下將依據各實施例和所屬之圖式來詳述。

各圖式和實施例中相同-或作用相同的各組件分別設有相同的參考符號。各圖式和圖式的各元件之間的比例未必依比例繪出。反之，為了較佳地顯示及/或更容易理解，各別的元件可予放大地顯示出。

圖1顯示此處所述之照明裝置之一實施例。此照明裝置包括光源4。此光源4包括至少一發光二極體晶片41。此光源4亦可包括多個發光二極體晶片41，其可適合用來產生不同彩色的光。光源4之發光二極體晶片41之後配置著一第一光學元件1。此第一光學元件1目前構成為複合式拋物形聚光器(CPC)，其例如為反射式中空體之形式。在光入射側1a，該第一光學元件1具有光入射口，其直徑為2×a1，這較該發光二極體晶片41之面向該第一光學元件之光發出面者還大、或-在多個發光二極體晶片41之情況下-大於光發出面之總和。

來自發光二極體晶片41之光5、6在經由第一光學元件1時達成準直作用，使該光在通過之後以最大為+/-15度之開口角度形成光錐。該光因此在光發出側1b例如由光出口發出，該出口之直徑為2×a2。

發光二極體晶片41之光的一部份未入射至第一光學元件1。該光由第二光學元件2反射回到光源4，在該處例如入射至發光二極體晶片41且由該處又反射至第一光學元件1之方向中。

第二光學元件2直接與第一光學元件1之外表面相接觸且在第一光學元件1之光入射側1a的側面完全圍繞著第一光學元件1。例如，第二光學元件之面向光源4之面使反射可對準地形成。於此，第二光學元件將光源4和第一光學元件之間的中空區完全封閉(例如，請與圖3比較)，使除了第一光學元件1之光發出側1b之外該發光二極體晶片41之光不會向外發出。

又，照明裝置包括第三光學元件3，其目前形成為干擾濾波器。例如，該干擾濾波器在一載體板上形成為介電質層序列，其可在光發出側1b上例如與第一光學元件1直接相接觸。在第一光學元件1形成為實心體的情況下，第三光學元件3例如亦能以層的形式直接在光發出側1b施加在第一光學元件1上。

由第二光學元件2反射至發光二極體晶片41之光的反射在該處例如是在發光二極體晶片之外表面上以散射方式進行，使該光入射至第一光學元件1之機率提高。

與圖2比較下，將詳述此處所述之顯示裝置之第一實施例。該顯示裝置包括一照明裝置，就像其在圖1中所詳述者一樣。在該照明裝置之第一光學元件1之光發出側1b上配置光導7。此照明裝置之光在一邊緣處入射至該光導。光由光導7經由散射器8，然後例如入射至用來顯示該成像元件9之LCD-面板，該散射器8用來使發出的光均勻化。

在與圖3比較下，將詳述此處所述之顯示裝置之另一實施例。與圖2所示之顯示裝置不同，本實施例中在多個照明裝置10和平面式光導7之間配置一混合透鏡81，其是可選擇的(optional)。目前為了清楚之故，省略該成像元件9之圖示。照明裝置10因此可產生不同彩色和不同波長之單色光。例如，照明裝置可產生二種不同紅色色調、二種不同綠色色調和二種不同藍色色調的光。於是，不同的濾波器可配置在照明裝置10之後以產生光譜特別狹窄之光。亦可使用不同成份的白光或不同成份的多彩色光。因此，不同的照明裝置10例如可產生不同的紅色色調和不同的嶄新(mint)色調。

如圖3所示，各別的照明裝置之濾波器可配置在共同的載體板上。或是，該濾波器亦能以層的形式形成在該顯示裝置之其它組件之一(例如，混合透鏡81)、該光導7之輻射入射面或該照明裝置10之第一光學元件1之光發出側1b上。

與圖3不同，圖4顯示一顯示裝置，其中省略了光導7且該成像元件9直接由照明裝置之光來照明。因此，混合透鏡81或散射器8之使用分別是可選擇的(optional)。

參考圖5來描述一種顯示裝置，其中省略了該成像元件。此照明裝置10此處用作成像元件。例如，如上所述，待產生之圖像之各別的像素如上所述配屬於照明裝置10。

總之，此處所述之照明裝置由於狹窄頻帶之光的發射而特別良好地適用於特定的3維-顯示技術以產生移動式和非移動的3維圖像。然而，此處所述的照明裝置在其它的應用領域，例如，空間或物件之不褪色的特殊照明中，亦顯示是有利的。

本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各申請專利範圍-或不同實施例之各別特徵之每一種組合，當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示在各申請專利範圍中或各實施例中時亦屬本發明。

本專利申請案主張德國專利申請案10 2011 012 297.4之優先權，其已揭示的整個內容在此一併作為參考。

1‧‧‧第一光學元件

1a‧‧‧光入射側

1b‧‧‧光發出側

2‧‧‧第二光學元件

3‧‧‧第三光學元件

4‧‧‧光源

5、6‧‧‧光

7‧‧‧光導

8‧‧‧散射器

9‧‧‧成像元件

10‧‧‧照明裝置

41‧‧‧發光二極體晶片

81‧‧‧混合透鏡

圖1顯示此處所述之照明裝置一實施例之剖面圖。

圖2至圖5顯示此處所述之顯示裝置實施例之剖面圖。