TWI739831B - 晶粒上光學準直件 - Google Patents

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瑞克 尼吉甘普
馬克 史戴騰波爾
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荷蘭商露明控股公司
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Abstract

本發明揭示一種用於發光二極體或裝置(LED)之主光學件，其包含在一經截頭複合抛物面聚光器(CPC)之頂部上之一斜楔。該CPC包含由一傾斜拋物線段繞一軸旋轉界定之一輸入面及一下部外表面。該下部外表面之底端與該輸入面之周邊接合。該斜楔包含該下部外表面上之一上部外表面，及由該下部外表面及該上部外表面包圍之一內部錐形表面。該上部外表面係由一傾斜直線繞該軸旋轉界定。該內部錐形表面係由一平滑曲線繞該軸旋轉界定。該內部錐形表面具有位於該軸處且在該下部外表面內之一頂點。該內部錐形表面之頂端與該上部外表面接合以界定一輸出孔隙。

Description

晶粒上光學準直件
本發明係關於半導體發光二極體或裝置(LED)，且更特定言之係關於用於LED之晶粒上光學件。
在發光二極體或裝置(LED)照明應用中，光學件設計在一LED晶粒周圍以對將光引導至何處達成某個控制程度。光學件通常與LED晶粒分開安裝。為了精簡此兩級組裝，一包覆成型光學件經設計以將光學件與LED晶粒整合。包覆成型光學件之一實例係成型在該晶粒上方之半球圓頂，其提高了LED晶粒之提取效率但不使光改向。另一實例係側發射器包覆成型光學件，其提高了提取效率並將來自LED晶粒之光改向以使輻射圖案自朗伯(Lambertian)變形為側發射。
圖1圖解說明一習知LED封裝100。封裝100包含一散熱片102、LED晶粒104(僅標記一個)、LED晶粒104上之主光學件106(僅標記一個)及安裝在散熱片102上之一次光學件108。LED晶粒104可包含一LED及一波長轉換器，諸如LED上之一陶瓷磷光體。主光學件106係半球圓頂包覆成型件，其等有助於自LED晶粒104提取光但不使經提取光改向。次光學件108係一反射器，其如圖式上之強度圖塊圖中所示般將經提取光準直。注意，0度對應於垂直於LED晶粒104之頂表面之一方向。
本發明之一或多個實例提供了一種與LED晶粒進行光學接觸並基本上將來自該晶粒之光準直之光學件。該光學件的大小類似於習知半球圓頂包覆成型件。該光學件包含一經截頭複合拋物面聚光器(CPC)及該經截頭CPC之頂部上之一斜楔。
該經截頭CPC包含由一傾斜拋物線段繞一對稱軸旋轉界定之一輸入面及一下部外表面。該下部外表面之底端接合該輸入面之周邊。
該斜楔包含該下部外表面上之一上部外表面，及由該下部外表面及該上部外表面包圍之一內部錐形表面。該上部外表面係由一傾斜直線繞該對稱軸旋轉界定。該內部錐形表面係由一參數曲線繞該對稱軸旋轉界定。該內部錐形表面具有位於該對稱軸處且在該下部外表面內之一頂點。該內部錐形表面之頂端與該上部外表面接合以界定一輸出孔隙。
100:LED封裝
102:散熱片
104:LED晶粒
106:主光學件/半球圓頂包覆成型件
108:次光學件
200:(LED)封裝
206:光學件
302:經截頭三維複合拋物面聚光器(CPC)
304:三維斜楔
306:圓形輸入面
308:下部外表面
310:拋物線段
312:對稱軸
314:拋物面
316:光學軸
318:焦點
320:上部外表面
322:內部錐形表面
324:直段
328:平滑曲線
330:頂點
332:輸出孔隙
334:中間表面
336:外圓周
338:內圓周
600:複合拋物面聚光器(CPC)
700:斜楔
702:起始點
704:終點
706:控制點
708:控制點
在圖式中：
圖1圖解說明一習知發光二極體或裝置(LED)封裝。
圖2圖解說明本發明之實例中之一LED封裝。
圖3-1及3-2分別圖解說明本發明之實例中之圖2之一光學件之一橫截面圖及一等角視圖。
圖4圖解說明穿過本發明之實例中之圖2之光學件之光線追蹤。
圖5圖解說明圖2之光學件具有類似於本發明之一些實例中之一習知半球包覆成型件之尺寸。
圖6圖解說明一全高緊湊型拋物面聚光器(CPC)之設計，該CPC經切割以形成一經截頭CPC，其形成本發明之實例中之圖2之光學件之部分。
圖7圖解說明疊加在本發明之實例中之圖2之光學件之經截頭CPC上之一斜楔之設計。
圖8、9及10分別圖解說明本發明之實例中之圖2之光學件之強度圖塊中之遠場強度分佈、橫截面中之遠場強度分佈及正向強度分佈。
不同圖式中相同元件符號之使用指示類似或相似元件。
相關申請案的交叉參考
此申請案主張2016年5月12日申請之美國臨時專利申請案第62/335,334號及2016年7月5日申請之歐洲專利申請案第16178038.2號之優先權。美國臨時專利申請案第62/335,334號及歐洲專利申請案第16178038.2號併入在本文中。
圖2圖解說明本發明之實例中之一發光二極體或裝置(LED)封裝200。封裝200包含散熱片102、LED晶粒104及LED晶粒104上之光學件206(僅標記一個)。不同於主光學件106，光學件206將來自LED晶粒104之光準直。光學件206可被印刷至LED晶粒104上。替代地，光學件206經獨立製造或製造為一陣列，且光學件206獨立地或作為一陣列附接至LED晶粒104。
光學件206之光束圖案基本上偏離圓形圖案，該圓形圖案係一類朗伯(Lambertian)發射之特性。光學件206可為一些應用中之單獨光學件或在其他應用中將光改向至一次光學件上之一主光學件。在任一情況中，更有效率地使用光使得減少LED晶粒之數目或電功率的量。
圖3-1及3-2分別圖解說明本發明之實例中之光學件206之一橫截面圖及一等角視圖。一經截頭三維複合拋物面聚光器(CPC)302形成光學件206 之底部及下部，而一個三維斜楔304形成光學件206之上部及內部。
經截頭CPC 302包含一圓形輸入面306及一下部外表面308。輸入面306與LED晶粒104進行光學接觸。輸入面306經大小調整以覆蓋LED晶粒104。輸入面306可具有匹配或稍微超過LED晶粒104之發射面之最長尺寸之一直徑。圓形輸入面306之周邊與下部外表面308之底端接合。
下部外表面308係由一拋物線段310繞一對稱軸312旋轉界定。此亦可被描述為兩個對稱拋物線段繞對稱軸312旋轉。拋物線段310係具有一光學軸316之一拋物面314(以虛線展示)之部分，該光學軸316在對稱軸312沿著光學軸316向上行進時偏離對稱軸312。拋物面314之底端在拋物面314之焦點318處截斷，該焦點位於輸入面306之一遠端邊緣處。拋物面314之上端在小於一全CPC之高度之一經截頭高度處截斷。
斜楔304係藉由旋轉一斜楔狀橫截面形成之一光學組件，該橫截面繞對稱軸312自一較厚下端至一較薄頂端漸縮。斜楔304包含在經截頭CPC 302之下部外表面308上之一上部外表面320及由上部外表面320及下部外表面308包圍之一內部錐形表面322。上部外表面320係由一直段324(如一直線)繞對稱軸312旋轉界定。直段324在本發明之其他實例中可為彎曲的。直段324在對稱軸312沿著直段324向上行進時偏離對稱軸312。上部外表面320之頂端與內部錐形表面322接合以界定一輸出孔隙332。
內部錐形表面322係由一平滑曲線328繞對稱軸312旋轉界定。平滑曲線328在本發明之其他實例中可為一直線。平滑曲線328可為一貝齊爾曲線(Bezier curve)或一平滑曲線之另一數學表示。平滑曲線328之至少大部分在對稱軸312沿著平滑曲線328向上行進時偏離對稱軸312。平滑曲線328之一短頂端部分在對稱軸312沿著平滑曲線328向上行進時朝對稱軸312轉 向。內部錐形表面322具有位於對稱軸312上且在下部外表面308內之一頂點330。頂點330可位於輸入面306上或稍微高於輸入面306。
一中間表面334跨越下部外表面308之較大上端與上部外表面320之較小下端之間的間隙。中間表面334可為具有接合至下部外表面308之上端之一外圓周336及接合至上部外表面320之下端之一內圓周338之一環形物。
在本發明之一些實例中，光學件206係可相當於LED晶粒104之半球圓頂包覆成型件106之一緊湊型設計。此允許光學件206在針對半球圓頂包覆成型件106設計之許多應用中使用。
圖4圖解說明穿過本發明之實例中之光學件206之光線追蹤。斜楔304之平滑曲線328(為了清楚起見標記在相對側上)將一些光線在遠離對稱軸312之方向上朝斜楔304之直段324(為了清楚起見標記在相對側上)反射。直段324因此將光線改向沿著對稱軸312。一些其他光線直接由直段324沿著對稱軸反射，但是接著因此由平滑曲線328稍微發散。
圖5圖解說明光學件206具有基本上與本發明之一些實例中之半球圓頂包覆成型件106相同之高度及寬度。對於具有一任意單位(arb.單位)之一側及1.4 arb.單位之一對角線之一正方形LED晶粒104，半球圓頂包覆成型件106通常具有1.4 arb.單位之一高度及2.5 arb.單位之一寬度(直徑)。對於此一正方形LED晶粒104，光學件206具有1.4 arb.單位之一高度及2.5 arb.單位之一寬度(直徑)。
圖6圖解說明一全高CPC 600之設計，該全高CPC 600經切割以形成本發明之實例中之一經截頭CPC 302。注意，圖6中之術語顛倒，因為CPC 600通常用於聚光而非發射光。全高CPC 600具有1.4100 arb.單位之一輸出大小以完全覆蓋LED晶粒104，具有2.5387 arb.單位之一輸入大小以包圍半球 圓頂包覆成型件106之高度，具有90度之一輸出角以自發射一朗伯(Lambertian)圖案之LED晶粒104儘可能多地收集光，且具有0 arb.單位之一圓錐長度。基於此等參數，全高CPC 600具有57度之一輸入角(即，可接受角)及2.9560 arb.單位之一全長。注意，圓錐長度係可添加至傾斜拋物面之一選用直線段。圓錐長度值取決於輸出角之選擇且對於以上參數而言為0。全高CPC 600在小於半球圓頂包覆成型件106之高度之一經截頭高度處截頭，諸如自0.4 arb.單位至1.2 arb.單位之範圍，以提供使斜楔304在經截頭CPC 302之頂部上之空間。經截頭高度可基於具有各種經截頭高度之光學件206之光線追蹤而選擇。
圖7圖解說明疊加在經截頭CPC 302(以虛線展示)上以形成本發明之實例中之光學件206之斜楔700之設計。斜楔700之疊加部分形成斜楔304。如上所述，斜楔304係藉由將直段324及平滑曲線328繞對稱軸312旋轉界定。當被界定為一貝齊爾曲線(Bezier curve)時，平滑曲線328可具有一起始點702、一終點704及兩個控制點706、708。起始點702經選擇，因此所得斜楔304具有類似於半球圓頂包覆成型件106之高度及寬度。例如，起始點702位於Z方向上的1.3574 arb.單位及Y方向上的1.1574 arb.單位處，且終點704位於原點處。控制點706使平滑曲線328之一小頂端部分在對稱軸312沿著平滑曲線328向上行進時朝對稱軸312轉向。控制點706具有-132.71度之一正切角、0.15490 arb.單位之一正切長度及0.55519之一重量。控制點708使得平滑曲線328之大部分在對稱軸312沿著平滑曲線328向上行進時轉向遠離對稱軸312。控制點708具有6.5244度之一正切角、0.82236 arb.單位之一正切長度及0.54747之一重量。注意，起始點及終點之正切模式描述了曲線328接近控制點706及708有多近，其可經自由地界 定或自動地界定以平滑擬合至曲線之剩餘部分。
直段324具有起始點702(與平滑曲線328共用)及一終點710。為了避免一銳邊緣沿著輸出孔隙332(圖3)之周邊，斜楔304可繞起始點702修圓。隨著斜楔304形成在經截頭CPC 302之頂部上，終點710具有經截頭CPC 302之經截頭高度。直段324係自起始點702延伸至LED晶粒104之一側處之一終點712之一線之部分。換言之，斜楔700之底端位於LED晶粒104之頂表面內部。
圖8、9及10分別圖解說明本發明之實例中之光學件206之強度圖塊中之遠場強度分佈、橫截面中之遠場強度分佈及正向強度分佈。光學件206具有255.68流明之一總聚光功率、7.3533之一聚光效率及158.75坎德拉之一最大強度。此等數字基本上類似於半球圓頂包覆成型件106，其具有263.07流明之一總聚光功率、7.5658之一聚光效率及72,267坎德拉之一最大強度。不同於半球圓頂包覆成型件106，圖8展示光學件206具有一高準直度。不同於一全高CPC或具有與半球圓頂包覆成型件106相同的高度之一經截頭CPC，圖9及10展示光學件206不具有一暗中心。因此，光學件206具有效能優於半球圓頂包覆成型件106、一全高CPC或具有與半球圓頂包覆成型件106相同的高度之一經截頭CPC之一緊湊型設計。
所揭示之實施例之特徵之各種其他調適及組合在本發明之範疇內。以下申請專利範圍涵蓋數個實施例。
104‧‧‧LED晶粒
206‧‧‧光學件
302‧‧‧經截頭三維複合拋物面聚光器(CPC)
304‧‧‧三維斜楔
306‧‧‧圓形輸入面
308‧‧‧下部外表面
310‧‧‧拋物線段
312‧‧‧對稱軸
314‧‧‧拋物面
316‧‧‧光學軸
318‧‧‧焦點
320‧‧‧上部外表面
322‧‧‧內部錐形表面
324‧‧‧直段
328‧‧‧平滑曲線
330‧‧‧頂點
332‧‧‧輸出孔隙

Claims (15)

  1. 一種光學件，其包括：一輸入面；由一拋物線段繞一對稱軸旋轉界定之一下部外表面，該拋物線段包括具有一光學軸之一拋物線之一部分，該光學軸在該對稱軸沿著該光學軸向上行進時偏離該對稱軸，其中該下部外表面之一底端與該輸入面之一周邊接合；在該下部外表面上之一上部外表面，該上部外表面係由一線繞該對稱軸旋轉界定，該線在該對稱軸沿著該線向上行進時偏離該對稱軸；具有一環形物之一中間表面，該環形物具有與該下部外表面之一上端接合之一外圓周及與該上部外表面之一下端接合之一內圓周；及由該下部外表面及該上部外表面包圍之一內部錐形表面，該內部錐形表面係由一平滑曲線繞該對稱軸旋轉界定，該平滑曲線之至少大部分在該對稱軸沿著該平滑曲線向上行進時轉向遠離該對稱軸，其中：該內部錐形表面具有位於該對稱軸處且在該下部外表面內之一頂點；及該內部錐形表面之頂端與該上部外表面接合以界定一輸出孔隙。
  2. 如請求項1之光學件，其中該下部外表面包括一經截頭三維複合拋物面聚光器。
  3. 如請求項2之光學件，其中： 該下部外表面之該底端形成該經截頭三維複合拋物面聚光器之一輸出面；該經截頭三維複合拋物面聚光器包括相對該輸出面之一輸入面；該經截頭三維複合拋物面聚光器之該輸出面完全覆蓋具有1 arb.單位之一側及1.41 arb.單位之一對角線之一LED晶粒；及該經截頭三維複合拋物面聚光器具有2.54 arb.單位之一輸入直徑、1.41 arb.單位之一輸出直徑、57度之一輸入角、90度之一輸出角、2.96 arb.單位之一全長及0.4 arb.單位至1.2 arb.單位之一經截頭高度。
  4. 如請求項1之光學件，其中繞該對稱軸旋轉之一線係一直線。
  5. 如請求項4之光學件，其中：該輸入面完全覆蓋具有1 arb.單位之一側及1.41 arb.單位之一對角線之一LED晶粒；及該平滑曲線係一貝齊爾曲線(Bezier curve)，其具有一端點；一起始點，該起始點定位在相距該端點之一Z方向上之1.35 arb.單位及一Y方向上之1.16 arb.單位；及兩個控制點。
  6. 一種發光二極體(LED)封裝，其包括：一LED晶粒；及該LED晶粒上之一光學件，該光學件包括：一輸入面；由一拋物線段繞一對稱軸旋轉界定之一下部外表面，該拋物線段 包括具有一光學軸之一拋物線之一部分，該光學軸在該對稱軸沿著該光學軸向上行進時偏離該對稱軸，其中該下部外表面之一底端與該輸入面之一周邊接合；在該下部外表面上之一上部外表面，該上部外表面係由一線繞該對稱軸旋轉界定，該線在該對稱軸沿著該線向上行進時偏離該對稱軸；具有一環形物之一中間表面，該環形物具有與該下部外表面之一上端接合之一外圓周及與該上部外表面之一下端接合之一內圓周；及由該下部外表面及該上部外表面包圍之一內部錐形表面，該內部錐形表面係由一平滑曲線繞該對稱軸旋轉界定，該平滑曲線之至少大部分在該對稱軸沿著該平滑曲線向上行進時轉向遠離該對稱軸。
  7. 如請求項6之封裝，其中該內部錐形表面具有一位於該對稱軸處且在該下部外表面內之一頂點，且該內部錐形表面之頂端與該上部外表面接合以界定一輸出孔隙。
  8. 如請求項6之封裝，其中：該下部外表面包括一經截頭三維複合拋物面聚光器；該下部外表面之該底端形成該經截頭三維複合拋物面聚光器之一輸出面；該經截頭三維複合拋物面聚光器包括相對該輸出面之一輸入面；該經截頭三維複合拋物面聚光器之該輸出面完全覆蓋具有1 arb.單 位之一側及1.41 arb.單位之一對角線之一LED晶粒；及該經截頭三維複合拋物面聚光器具有2.54 arb.單位之一輸入直徑、1.41 arb.單位之一輸出直徑、57度之一輸入角、90度之一輸出角、2.96 arb.單位之一全長及0.4 arb.單位至1.2 arb.單位之一經截頭高度。
  9. 如請求項6之封裝，其中：該輸入面完全覆蓋具有1 arb.單位之一側及1.41 arb.單位之一對角線之一LED晶粒；及該平滑曲線係一貝齊爾曲線(Bezier curve)，其具有一端點；一起始點，該起始點定位在相距該端點之一Z方向上之1.35 arb.單位及一Y方向上之1.16 arb.單位；及兩個控制點。
  10. 如請求項6之LED封裝，其進一步包括一散熱片，其中該LED晶粒安裝在該散熱片上。
  11. 一種用於製造發光二極體或裝置(LED)封裝之方法，其包括：提供一LED晶粒；及在該LED晶粒上印刷一主光學件，其包括：形成包括一個三維複合拋物面聚光器之該主光學件之底部及下部，該光學件包含：一輸入面；及由一拋物線段繞一對稱軸旋轉界定之一下部外表面，該拋物線段包括具有一光學軸之一拋物線之一部分，該光學軸在該對稱 軸沿著該光學軸向上行進時偏離該對稱軸，其中該下部外表面之一底端與該輸入面之一周邊接合；形成該主光學件之上部及內部，其包含：在該下部外表面上之一上部外表面，該上部外表面係由一線繞該對稱軸旋轉界定，該線在該對稱軸沿著該線向上行進時偏離該對稱軸；及具有一環形物之一中間表面，該環形物具有與該下部外表面之一上端接合之一外圓周及與該上部外表面之一下端接合之一內圓周；及由該下部外表面及該上部外表面包圍之一內部錐形表面，該內部錐形表面係由一平滑曲線繞該對稱軸旋轉界定，該平滑曲線之至少大部分在該對稱軸沿著該平滑曲線向上行進時轉向遠離該對稱軸。
  12. 如請求項11之方法，其中內部錐形表面具有一位於該對稱軸處且在該下部外表面內之一頂點，且該內部錐形表面之頂端與該上部外表面接合以界定一輸出孔隙。
  13. 如請求項11之方法，其中：該下部外表面包括一經截頭三維複合拋物面聚光器；該下部外表面之該底端形成該經截頭三維複合拋物面聚光器之一輸出面；該經截頭三維複合拋物面聚光器包括相對該輸出面之一輸入面； 該經截頭三維複合拋物面聚光器之該輸出面完全覆蓋具有1 arb.單位之一側及1.41 arb.單位之一對角線之一LED晶粒；及該經截頭三維複合拋物面聚光器具有2.54 arb.單位之一輸入直徑、1.41 arb.單位之一輸出直徑、57度之一輸入角、90度之一輸出角、2.96 arb.單位之一全長及0.4 arb.單位至1.2 arb.單位之一經截頭高度。
  14. 如請求項11之方法，其中：該輸入面完全覆蓋具有1 arb.單位之一側及1.41 arb.單位之一對角線之一LED晶粒；及該平滑曲線係一貝齊爾曲線(Bezier curve)，其具有一端點；一起始點，該起始點定位在相距該端點之一Z方向上之1.35 arb.單位及一Y方向上之1.16 arb.單位；及兩個控制點。
  15. 如請求項11之方法，其進一步包括將該LED晶粒安裝在一散熱片上。
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