TWI764931B - 用於導致旋轉對稱光束圖形之非旋轉對稱光源的非旋轉對稱透鏡 - Google Patents

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Abstract

一種光源包含一發光二極體或裝置(LED)及安裝於該LED上方之一光學器件。該LED發射圍繞一第一軸非旋轉對稱之一第一輻射圖形。該光學器件收集該第一輻射圖形且投射圍繞一第二軸旋轉對稱且具有與該第二軸成斜角之一峰值強度之一第二輻射圖形。

Description

用於導致旋轉對稱光束圖形之非旋轉對稱光源的非旋轉對稱透鏡
本發明係關於一種用於非旋轉對稱發光二極體或裝置(LED)之非旋轉對稱光學器件。
一發光二極體或裝置(LED)通常為從其頂部表面發射光之一表面發射器。該頂部表面通常為正方形或矩形。當一旋轉對稱次級透鏡經放置於一或多個LED之頂部上時，所得輻射圖形係非完全旋轉對稱的。換言之，從輻射圖形按各種角度取得之輻射圖形切片具有不同發光強度剖面。此發生之程度取決於頂部發射表面及次級透鏡之精確形狀。 一5側發射LED係從其頂部表面以及其垂直側表面發射光之一高功率LED。特定言之當與一次級透鏡組合時，高功率LED之所得輻射圖形亦係非完全旋轉對稱的。 US 2012/0113621 A1揭示一種LED封裝，其包括二者皆提供於一基板上之一LED及具有一腔之一透鏡，其中該LED在該腔中。LED發射一輻射圖形，該輻射圖形在垂直於頂部發射表面之平面中相對於LED之發光表面之中心軸對稱。不同平面具有不同光分佈。 US 2016/141472 A1揭示一種發光裝置封裝，其包含：一封裝主體；一框架，其經定位於封裝主體上；一光源，其安裝於框架上；一透鏡，其經定位於封裝主體上；及一波長轉換單元，其在封裝主體與透鏡之間部分定位於封裝主體上。若使用一不對稱光源(該光源之短軸長度不同於長軸長度)，則波長轉換單元可提供宛如不對稱光源具有與長軸長度相同之短軸長度之效應。
在本發明之一或多個實例中，一種光源包含一發光二極體或裝置(LED)及安裝於該LED上方之一光學器件。該LED發射圍繞一第一軸非旋轉對稱之一第一輻射圖形。該光學器件收集該第一輻射圖形且投射圍繞一第二軸旋轉對稱之一第二輻射圖形。
圖1展示依相對於一發光二極體或裝置(LED) 102之頂部發射表面之各種方向及角度量測之LED 102之一輻射圖形100之一作圖(依虛線)。LED 102具有一頂部發射表面及側發射表面。頂部發射表面為包含奇數數目或偶數數目個邊緣之一正多邊形。例如，LED 102為立方體且具有一正方形頂部發射表面及矩形側發射表面。 圍繞一中心軸104 (例如，Z軸)繪製輻射圖形100，該中心軸104為LED 102之光學軸或機械軸。光學軸為在光學輻射圖形之形心之方向上穿過頂部發射表面之中心之軸。機械軸為在發射器主體之對稱軸或垂直於頂部發射表面之方向上穿過頂部發射表面之中心之軸。 圖2展示在各種方向上從輻射圖形100 (圖1)獲得之輻射圖形切片。輻射圖形100包含在從頂部發射表面之中心至頂部發射表面之邊緣之中點之第一方向(例如，軸向方向)上獲得之一第一組實質上類似之發光強度剖面、在從頂部發射表面之中心至頂部發射表面之邊角之第二方向(例如，對角線方向)上獲得之一第二組實質上類似之發光強度剖面、及在任何對之相鄰第一及第二方向之間的中間發光強度剖面。 例如，在平行於發射器之四個側之一第一者之平面中(例如，沿著X軸)量測0°輻射圖形切片202。相對於0°輻射圖形切片45°離軸量測45°輻射圖形切片204。在平行於鄰近於發射器之第一側之發射器之一第二側(或一第四側)之平面中(例如，沿著Y軸)量測90°輻射圖形切片206。相對於0°輻射圖形切片135°離軸量測135°輻射圖形切片208。0°輻射圖形切片202及90°輻射圖形切片206具有實質上類似之發光強度剖面。45°輻射圖形切片204及135°輻射圖形切片208具有實質上類似之發光強度剖面，其大於0°輻射圖形切片202及90°輻射圖形切片206之發光強度剖面。一軸向方向(0°、90°、180°、或270°)與一相鄰對角線方向(45°、135°、225°、或315°)之間的中間輻射圖形切片具有從軸向方向上之切片之發光強度剖面增大至在對角線方向上之切片之發光強度剖面之中間發光強度剖面。 如上文描述，輻射圖形100圍繞中心軸104非旋轉對稱。換言之，無法藉由圍繞中心軸104旋轉一單一切片之發光強度剖面產生輻射圖形100。 通常配合LED 102使用一習知旋轉對稱光學器件。當LED 102具有一非旋轉對稱輻射圖形時，旋轉對稱光學器件收集該圖形且投射一非旋轉對稱輸出光束。 圖3展示光源302之一二維陣列300。例如，光源302經配置為一3乘6網格。各光源302包含一非旋轉對稱LED 102及一圓頂狀透鏡。陣列300非常適用於諸如監視器及TV之背光、嵌燈及照明器具之應用。在此等應用中，混合來自相鄰光源302之光以便提供一均勻發光表面係重要的。 圖4展示安裝於一底板482上之光源302。各光源302依一朗伯(Lambertian)圖形483發光。光源302照明一漫射螢幕484之背部。漫射螢幕484可為一LCD背光中之一漫射器。亦展示各光源302之漫射亮度剖面485及其半高全寬(FWHM)。在螢幕484之前部處之近場光輸出具有明顯之亮點，除非光源302經放置為足夠靠近在一起。因此，此一背光需要光源302之一相對高之密度，導致一昂貴之背光。 圖5、圖6、圖7、圖8及圖9展示本發明之實例中之一非旋轉對稱光學器件500之各種視圖。非旋轉對稱光學器件500經安裝於非旋轉對稱LED 102上方。光學器件500收集來自LED 102之輻射圖形100且投射圍繞其中心軸502(圖6)旋轉對稱之一輻射圖形，該中心軸502為光學器件500之機械軸或光學軸。換言之，經投射輻射圖形在從LED之頂部發射表面之中心至沿著頂部發射表面之周邊之點之所有方向上具有相同發光強度剖面。在本發明之一些實例中，光學器件500為在遠場中具有偏離中心軸502 50º至80º或70º至80º內之峰值發射(Ipeak )之一廣角發射透鏡。光學器件600可經設計使得沿著中心軸502之光發射(I0 )為峰值發射之5%至33%。因此，具有光學器件500之各LED 102之亮度剖面相較於圖4中之亮度剖面485更展開。光學器件500經安裝於LED 102上方以使軸104及502實質上重合。 參考圖6、圖7及圖8，在本發明之一個特定實例中，光學器件500包含一主體602、在主體602之頂部處之一可選凹窩604及在主體602之底部處之一內腔606。主體602可為自由形式的或藉由方程式定義。例如，主體602可具有類似於一碟形圓頂之一形狀，其具有小於其跨徑之一揚高。凹窩604可具有一倒錐之形狀。該倒錐之橫截面可為一平滑曲線而非一直線。內腔606可為自由形式的或具有一錐體或一尖拱形之形狀。內腔606提供一空間來容納LED 102。光學器件500及LED 102 (在圖6中依虛線展示)可相對於彼此固定(諸如安裝於一共同基板上)，故LED 102實質上定位於內腔606內側。 主體602、凹窩604及內腔606之至少一者具有圍繞中心軸502非旋轉對稱之一光學表面。光學表面包含在LED 102之第一方向上(即，從頂部發射表面之中心至頂部發射表面之邊緣之中點)之一第一表面輪廓、在LED 102之第二方向上(即，從頂部發射表面之中心至頂部發射表面之邊角)之一第二表面輪廓及任何對之相鄰第一及第二表面輪廓之間的中間表面輪廓。 例如，圖5突顯一旋轉對稱主體之外形504及一非旋轉對稱主體602之外形506。一非旋轉對稱主體602具有一光學表面，其中光學表面之0°及90°橫截面具有一最小表面輪廓，光學表面之45°及135°橫截面具有一最大表面輪廓，一軸向方向(0°、90°、180°或270°)與一對角線方向(45°、135°、225°或315°)之間的中間橫截面具有從最小表面輪廓增大至最大表面輪廓之中間表面輪廓。或者，非旋轉對稱主體602具有一光學表面，其中光學表面之0°及90°橫截面具有一最大表面輪廓，光學表面之45°及135°橫截面具有一最小表面輪廓，一軸向方向(0°、90°、180°或270°)與一對角線方向(45°、135°、225°或315°)之間的中間橫截面具有從最小表面輪廓增大至最大表面輪廓之中間表面輪廓。 圖9覆蓋在本發明之實例中之一非旋轉對稱主體602之部分橫截面。橫截面902為在一軸向方向上之最小表面輪廓，橫截面908為在一對角線方向上之最大表面輪廓，且橫截面904及906為軸向方向與對角線方向之間的中間表面輪廓。 非旋轉對稱光學表面抵消非旋轉對稱LED 102之效應以產生旋轉對稱之一輸出光束。圖10展示在本發明之實例中之一光源之一實質上旋轉對稱輸出光束1000，其中一非旋轉對稱光學器件500安裝於一非旋轉對稱LED 102上方。相比之下，圖11展示一光源之非旋轉對稱輸出光束1100，其中一旋轉對稱光學器件安裝於一非旋轉對稱LED 102上方。輸出光束1100之非均勻性沿著LED 102之對角線方向高度可見。如從此等圖可見，輸出光束1100中存在之非均勻性已在輸出光束1000中減小。 圖12展示本發明之實例中之陣列300之一輻射圖形1200，其中光源302為裝配有非旋轉對稱光學器件500之非旋轉對稱LED 102。輻射圖形1200在光源302之網格內具有一均勻分佈。相對之下，圖13展示陣列300之一輻射圖形1300，其中光源302為裝配有旋轉對稱光學器件之非旋轉對稱LED 102。輻射圖形1300具有來自將光源302(未展示)之非旋轉對稱輸出光束相加之非均勻性及週期性變動。此等效應在特定背光、嵌燈及照明器具應用中係不可接受的。當光源之節距增大且各光源個別地照明背光、嵌燈或照明器具之特定區域時，非均勻性及週期性變動變得更明顯。 在本發明之實例中，主體702、凹窩704及內腔706之光學表面組合以提供具有一實質上高斯剖面之一輻射圖形。圖14展示本發明之實例中之為裝配有非旋轉對稱光學器件600之非旋轉對稱LED 102之五個光源302之作圖。在一些實例中，光源302具有具大於光源302之間的節距(例如，120 mm)之一FWHM (例如，140 mm)之高斯剖面，故個別高斯剖面平滑地相加以給定一平坦及均勻最終分佈1402。 圖15展示在本發明之實例中之具有安裝至一底板1590之光源1502之一背光。各光源1502包含一非旋轉對稱LED 102及安裝於LED 102上之一非旋轉對稱、廣角發射光學器件500。如之前提及，光源1502之亮度剖面1592相較於圖4中之亮度剖面485更展開。因此，在圖15之背光中之光源1502之節距可大於圖4中之光源302之節距，同時達成在漫射螢幕484處之相同近場光輸出均勻性。此導致一較不昂貴之背光。 圖16展示一液晶顯示器1602之一側視圖，其具有一LCD螢幕1604 (其具有可控制RGB像素)、一漫射器1606及一背光1608，該背光1608用於混合來自紅色、綠色及藍色LED 1610或白色LED 1610之光以產生白光。背光1608為一漫反射箱。LED 1610具有使用上述技術製成之側發射透鏡。 所揭示實施例之特徵之各種其調適及組合在本發明之範疇內。數種實施例被隨附發明申請專利範圍所涵蓋。
100‧‧‧輻射圖形 102‧‧‧發光二極體(LED) 104‧‧‧中心軸 202‧‧‧0°輻射圖形切片 204‧‧‧45°輻射圖形切片 206‧‧‧90°輻射圖形切片 208‧‧‧135°輻射圖形切片 300‧‧‧二維陣列 302‧‧‧光源 482‧‧‧底板 483‧‧‧朗伯圖形 484‧‧‧漫射螢幕 485‧‧‧漫射亮度剖面 500‧‧‧非旋轉對稱光學器件 502‧‧‧中心軸 504‧‧‧外形 506‧‧‧外形 602‧‧‧非旋轉對稱主體 604‧‧‧凹窩 606‧‧‧內腔 902‧‧‧橫截面 904‧‧‧橫截面 906‧‧‧橫截面 908‧‧‧橫截面 1000‧‧‧輸出光束 1100‧‧‧輸出光束 1200‧‧‧輻射圖形 1300‧‧‧輻射圖形 1402‧‧‧最終分佈 1502‧‧‧光源 1590‧‧‧底板 1592‧‧‧亮度剖面 1602‧‧‧液晶顯示器 1604‧‧‧LCD螢幕 1606‧‧‧漫射器 1608‧‧‧背光 1610‧‧‧發光二極體(LED) X‧‧‧軸 Y‧‧‧軸 Z‧‧‧軸
在圖式中： 圖1展示依相對於一發光二極體或裝置(LED)之頂部發射表面之各種方向及角度量測之LED之一輻射圖形之一作圖。 圖2展示在各種方向上從圖1之輻射圖形獲得之輻射圖形切片。 圖3展示各具有安裝於一非旋轉對稱LED上之一旋轉對稱光學器件之光源之一二維陣列。 圖4展示一螢幕402上之圖4之光源之發射圖形及其重疊亮度剖面。 圖5展示本發明之實例中之一非旋轉對稱光學器件之一俯視圖。 圖6展示在本發明之實例中之沿著一LED之一軸向方向之圖5之光學器件之一橫截面視圖。 圖7及圖8展示在本發明之實例中之圖5之光學器件之俯視及仰視等角視圖。 圖9展示在本發明之實例中之圖5之光學器件之一非旋轉對稱主體之部分橫截面。 圖10展示在本發明之實例中之具有圖5之非旋轉對稱光學器件之一非旋轉對稱LED之旋轉對稱輸出光束。 圖11展示具有旋轉對稱光學器件之一非旋轉對稱LED之非旋轉對稱輸出光束。 圖12展示在本發明之實例中之裝配有圖5之非旋轉對稱光學器件之圖4之陣列之一輻射圖形。 圖13展示裝配有旋轉對稱光學器件之圖3之陣列之一輻射圖形。 圖14展示在本發明之實例中之在近場中裝配有圖5之非旋轉對稱光學器件之光源之高斯剖面之相加。 圖15展示在本發明之實例中之裝配有圖5之非旋轉對稱光學器件之光源之廣角發射圖形及其在一螢幕上之重疊亮度剖面。 圖16展示在本發明之實例中之在一背光中使用具有側發射透鏡之LED之一液晶顯示器之一側視圖。 相同元件符號在不同圖式中之使用指示類似或相同元件。
104‧‧‧中心軸
202‧‧‧0°輻射圖形切片
204‧‧‧45°輻射圖形切片
206‧‧‧90°輻射圖形切片
208‧‧‧135°輻射圖形切片

Claims (11)

  1. 一種光源，其包括：一發光二極體，其經組態以自一實質正方形之頂部發射表面及複數個實質矩形側發射表面發射光，每一側發射表面聯接(adjoining)該頂部發射表面之一對應邊且大致正交於該頂部發射表面，該經發射之光形成圍繞該頂部發射表面之一中心軸非旋轉對稱(non-rotationally symmetric)之一第一輻射圖形，該第一輻射圖形包括：在一第一平面中之一第一發光強度剖面，該第一平面包括該中心軸及從該中心軸至該頂部發射表面之一邊緣之一中點之一第一方向；在一第二平面中之一第二發光強度剖面，該第二平面包括該中心軸及垂直於該第一方向之一第二方向，該第二發光強度剖面與該第一發光強度剖面實質相同；及在一對角線平面中之一對角線發光強度剖面，該對角線平面包括該中心軸及從該中心軸至該頂部發射表面之一角落之一對角線方向，該對角線發光強度剖面大於該第一發光強度剖面及該第二發光強度剖面；及一光學器件，其經安裝於該發光二極體上方，該光學器件經組態以收集該第一輻射圖形，且作為回應而投射一第二輻射圖形，該光學器件包括一主體，其具有在該主體之一底部處形成一內腔 以容納該發光二極體之一底部表面，該底部表面包括：一第一表面輪廓，其在該第一平面中；一第二表面輪廓，其在該第二平面中，該第二表面輪廓與該第一表面輪廓實質相同；及一對角線表面輪廓，其在對角線平面中，該對角線表面輪廓不同於該第一表面輪廓及該第二表面輪廓；該第二輻射圖形圍繞該中心軸旋轉對稱且具有在一遠場中與該中心軸成斜角遠離(angled away)之一峰值強度。
  2. 如請求項1之光源，其中該光學器件係一透鏡。
  3. 如請求項1之光源，其中該光學器件包括在該主體之頂部處之一凹窩(dimple)。
  4. 如請求項1之光源，其中該峰值強度在該遠場中偏離該中心軸約50度至約80度而發生。
  5. 如請求項1之光源，其中該複數個實質矩形側發射表面包括四個側發射表面。
  6. 一種照明設備，其包括一光源網格，其中該等光源各為請求項1之該光源且其之第二輻射圖形組合以在該網格內形成一均勻分佈。
  7. 如請求項6之照明設備，其中該等第二輻射圖形之至少一者具有一實質上高斯(Gaussian)剖面。
  8. 一種照明設備，其包括：一發光二極體，其經組態以自一實質正方形之頂部發射表面及複數個實質矩形側發射表面發射光，每一側發射表面聯接該頂部發射表面之一對應邊且大致正交於該頂部發射表面，該經發射之光形成隨著圍繞該頂部發射表面之一中心軸之方位角(azimuthal)方向之一函數變化之一第一輻射圖形，該第一輻射圖形沿著對應至該頂部發射表面之各個邊之多個方位角方向具有多個最小值(minima)，該第一輻射圖形沿著對應至該頂部發射表面之對角線之多個方位角方向具有多個最大值(maxima)；及一透鏡，其經組態以接收該第一輻射圖形，且作為回應而投射一第二輻射圖形，該第二輻射圖形圍繞該中心軸實質旋轉對稱，該第二輻射圖形具有與該中心軸成斜角遠離之一峰值強度，該透鏡包括圍繞該中心軸旋轉非對稱之一光學表面。
  9. 如請求項8之照明設備，其中該透鏡包括面向該發光二極體之一底部表面及相對於該底部表面之一頂部表面，圍繞該中心軸旋轉非對稱 (rotationally non-symmetric)之該光學表面包括該底部表面。
  10. 一種照明設備，其包括：一第一發光二極體，其經組態以自一第一頂部發射表面及複數個第一側發射表面發射光，每一第一側發射表面聯接該頂部發射表面之一對應邊，該經發射之第一光形成隨著圍繞該第一頂部發射表面之一第一中心軸之方位角方向之一函數變化之一第一輻射圖形，該第一輻射圖形沿著對應至該第一頂部發射表面之多個邊之多個方位角方向具有多個最小值，該第一輻射圖形沿著對應至該第一頂部發射表面之多個對角線之多個方位角方向具有多個最大值；一第一透鏡，其經組態以接收該第一輻射圖形，且作為回應而投射一第二輻射圖形，該第二輻射圖形圍繞該第一中心軸實質旋轉對稱，該第二輻射圖形具有與該第一中心軸成斜角遠離之一峰值強度，該第一透鏡包括圍繞該第一中心軸非旋轉對稱之至少一光學表面；一第二發光二極體，其經組態以自一第二頂部發射表面及複數個第二側發射表面發射第二光，該第二頂部發射表面與該第一頂部發射表面實質平行，每一第二側發射表面聯接該第二頂部發射表面之一對應邊，該經發射之第二光形成隨著圍繞該第二頂部發射表面之一第二中心軸之方位角方向之一函數變化之一第三輻射圖形，該第三輻射圖形沿著對應至該第二頂部發射表面之多個邊之多個方位角方向具有多個最小值，該第三輻射圖形沿著對應至該第二頂部發射表面之多個對角線之多個方位角方向具有多個最大值；及 一第二透鏡，其經組態以接收該第三輻射圖形，且作為回應而投射一第四輻射圖形，該第四輻射圖形圍繞該第二中心軸實質旋轉對稱，該第四輻射圖形具有與該第二中心軸成斜角遠離之一峰值強度，該第二透鏡包括圍繞該第二中心軸旋轉非對稱之至少一光學表面。
  11. 如請求項10之照明設備，其中該第一發光二極體及該第二發光二極體經定位以使該第二輻射圖形及該第四輻射圖形重疊以形成一大致均勻照明圖形。
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