TWI769212B - 具有發光二極體及可變透鏡之陣列 - Google Patents

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Abstract

本發明描述一種發光二極體陣列模組(50)，其包括至少兩個發光二極體(10)及一透鏡(55)，其中該透鏡(55)包括一個共同透鏡分段，其中該共同透鏡分段包括至少部分涵蓋垂直於該透鏡(55)之一軸之多個區段(56)，其中該等區段(56)塑形該透鏡(55)之一不均勻表面，其中該等發光二極體(10)經配置以照明一參考平面中之至少兩個非重疊目標區域(112、113、122)，且其中該等區段(56)經配置使得至少一個發光二極體(10)照明該等目標區域(112、113、122)之一個各別目標區域(112、113、122)。本發明進一步描述一種閃光燈，其包括至少一個發光二極體陣列模組(50)。

Description

具有發光二極體及可變透鏡之陣列
本發明係關於一種具有發光二極體及可變透鏡之陣列。本發明進一步係關於一種包括LED陣列模組之一或多者之閃光燈。
自適應閃光燈需要高於習知閃光燈之光束塑形控制，以便將通量導引至場景之特定區域中。達成此之一個方式係具有小LED之一陣列及每LED之不同光學件(透鏡陣列)。雖然此可保持小的厚度，但需要較大橫向面積來容納所有透鏡。針對空間受限的用途(諸如行動電話閃光燈系統)，此較大面積通常係不可接受的。
本發明之一目的係提供一種具有尤其適於一行動電話之一閃光燈之減小的橫向面積之發光二極體(LED)陣列模組。 在獨立技術方案中描述本發明。附屬技術方案包括較佳實施例。 根據一第一態樣，提供一種發光二極體(LED)陣列模組。該LED陣列模組包括至少兩個發光二極體及一透鏡。該透鏡包括一個共同透鏡分段。該共同透鏡分段包括至少部分涵蓋垂直於該透鏡之一軸之多個區段。該等區段塑形該透鏡之一不均勻表面。該等發光二極體經配置以照明一參考平面中之至少兩個非重疊目標區域。該等區段經配置使得至少一個發光二極體照明該等目標區域之一個各別目標區域。該等目標區域大小相同。 與其中不同透鏡分段經指派至各別LED之透鏡陣列相比較，共同透鏡分段實現橫向大小之一減小。透鏡可為(例如)一菲涅爾(Fresnel)透鏡或一部分TIR透鏡或其等之一組合。可尤其較佳的是，菲涅爾透鏡係一折反射菲涅爾透鏡。區段可為圍繞軸配置之環結構，或可僅包括此一環結構之一扇形。在一閉合環結構之情況中，環結構可較佳為旋轉對稱的(例如圓形或任何類型之離散旋轉對稱性(如橢圓形、二次形狀(quadratic shape)等))。共同分段之區段經配置使得由LED之一者發射之通量經主要成像至各別目標區域，以便實現一場景之一均勻照明。因此，各別目標區域相較於各別目標區域周圍之目標區域而接收各別LED之實質上更多通量。因此，透鏡經配置使得藉由確保由各別目標區域自LED接收之光相較於由周圍目標區域自同一LED接收之光增加來增大光分佈之對比度。區段提供一變化輪廓(不均勻表面)，其中輪廓可取決於區段至軸之距離。 至少兩個LED可為包括至少兩個分段之一分段式或多接面LED。 一個LED可經成像至一個各別目標區域。替代地，兩個、三個或更多個LED可經成像至同一目標區域。可存在兩個、三個、四個或更多個目標區域。參考平面中之目標區域描述由LED發射之光成像所依之一立體角。因此，目標區域之大小及至參考平面之距離描述可憑藉LED陣列模組照明之一視場。參考平面可(例如)經配置為與透鏡相距1 m，且目標區域可具有至少400 mm×400 mm之一大小。在一圓形或旋轉對稱透鏡之情況中，軸可(例如)為光軸。 區段之至少一部分可包括由一頂點接合之一內側表面及一外側表面，其中內側表面或外側表面之至少一者相對於軸之一定向取決於至少在至軸之一界定距離內之頂點與軸之間之一距離而變化。 改變區段之一部分或所有之內側表面及/或外側表面之定向(例如相對於一共同平面中之軸之各別側表面之角度)實現由LED發射之光之一定製成像。在一徑向對稱透鏡之情況中，界定距離可(例如)跨透鏡之一部分或整個直徑延伸。 內側表面、外側表面及頂點可界定包括由一頂點接合之一內側表面及一外側表面之區段之至少部分之一三角形截面。遠離頂點之內側表面及外側表面之端點可虛擬地(例如)藉由包括軸之一平面中之一直線而連接。 三角形截面之內側表面可圍封相對於垂直於軸之一平面之一角度。角度可隨著至軸之距離增加而減小。角度可隨著各區段減小或兩個、三個或更多個區段可圍封與軸之同一角度。 區段可提供如包括軸之平面中之鋸齒狀截面。各齒之特徵在於一三角形截面，其中三角形之邊可為直的或彎曲的。三角形截面之特徵可在於(例如)三個內角，其中內角之總和係180°。在此情況中，虛擬三角形之邊可為直的。區段之一部分可替代地或另外包括一內側表面或一外側表面，該內側表面或該外側表面在包括軸之平面中係彎曲的。 區段可圍繞軸閉合，以便塑形如上文所述之一環結構。 區段可相對於軸為旋轉對稱的。區段可(例如)為同心環結構或橢圓環結構，其中軸經配置於橢圓形之兩個軸之中心點中。 至少兩個發光二極體可經配置於垂直於軸之一平面中。透鏡可經配置以取決於第一發光二極體至軸之一距離將由一第一發光二極體發射之光成像至一第一各別目標區域。第一各別目標區域可相對於透鏡之中心與第一發光二極體點對稱配置。 透鏡及尤其是區段可經配置使得由參考平面中之所有目標區域接收及由至少一個發光二極體發射之一通量之至少15%、更佳20%係由各別目標區域接收。由各別目標區域接收之通量係由各別目標區域之一相鄰大小相同的目標區域自至少一個發光二極體接收之一通量之至少130%、更佳至少150%。 透鏡及尤其是區段實現各別目標區域與經指派至除至少一個發光二極體以外之圍繞各別目標區域配置之目標區域之間之一增大對比度。可較佳的是，各別目標區域接收由參考平面中之所有目標區域接收之通量之至少30%，且其中由各別目標區域接收之通量係由周圍或相鄰目標區域之任一者接收之通量之至少170%或甚至200%。 發光二極體可依一規則陣列圖案配置。發光二極體可(例如)依一矩形圖案配置。發光二極體之一者之一中心可經配置於軸上。 中心經配置於軸上之一發光二極體可經配置於陣列之一中心中。其他LED可圍繞中心LED依一矩形或六邊形圖案配置。軸上之LED可替代地或另外由一圓形形狀LED環繞。 根據一進一步態樣，提供一種閃光燈。該閃光燈可包括如上文所述之一個、兩個、三個或更多個發光二極體陣列模組。 應瞭解，本發明之一較佳實施例亦可為附屬技術方案與各自獨立技術方案之任何組合。 下文定義進一步有利實施例。 自下文中描述之實施例將明白本發明之此等及其他態樣，且將參考該等實施例闡明本發明之此等及其他態樣。
現將藉由圖描述本發明之各種實施例。 圖1展示一習知LED陣列模組40之一截面之一主要略圖。習知LED陣列模組40包括在平行於一標準圓形對稱菲涅爾透鏡41之一平面中依一規則矩形3×3圖案配置之九個LED 10(亦參見圖6)。截面係跨3×3陣列之第二行截取。陣列之行經配置於y軸2上或平行於y軸2配置，且陣列之列經配置於x軸1上或平行於x軸1配置。截面展示y軸2及z軸3之平面。 圖2展示由習知LED陣列模組40之一中心LED發射之光之光線追蹤模擬。中心LED係圖1中所示之中間之LED 10。光線追蹤模擬展示，由中心LED發射之大多數光經聚焦或成像至經配置於參考平面中之所有目標區域之中心中之一目標區域(類似關於圖7所示及所論述)。 圖3展示由經配置於習知LED陣列模組40之第三行及第一列中之習知LED陣列模組40之一邊角LED 31發射之光之光線追蹤模擬(圖6中所示之陣列中之LED之配置)。邊角LED 31經配置於3×3陣列之右上角中。由邊角LED 31發射之光應憑藉標準菲涅爾透鏡41成像至經配置於如圖4中所示之參考平面中之左下角中之邊角LED 31之目標區域113。圖4展示在此實例中經配置為與標準菲涅爾透鏡41之表面相距1 m之參考平面中之邊角LED 31之照明分佈之一模擬影像231。圖4展示習知LED陣列模組40之期望的視場。視場包括彼此接近配置之九個目標區域，其中各目標區域對應於LED陣列之一個LED(或各LED經指派至一個各別目標區域)。在模擬影像231之右側處提供之數字指示沿著參考平面中之y軸2之目標區域113之一大小。在模擬影像231下方提供之數字指示沿著參考平面中之x軸1之目標區域113之一大小。在1 m之界定距離處之參考平面中之目標區域之大小相對於陣列之中心界定一立體角。影像或圖案之亮度隨著參考平面中之各別位置處之通量增大而增大。模擬影像231展示，由邊角LED 31發射之大多數通量在視場之中心附近，且因此在經指派至邊角LED 31之目標區域113之外部接收。因此，由習知LED陣列模組40提供之通量經非均勻地分佈於參考平面中。 一替代配置可能將提供菲涅爾透鏡之一陣列，其中一個菲涅爾透鏡與一個LED對準。此一配置將改良期望場景之照明，但同時將增大習知LED陣列模組40之橫向延伸，此係因為各LED需要與具有經調適成像性質之一分離透鏡分段對準。 圖5展示一LED陣列模組50之一第一實施例之一截面之一主要略圖。一般構形類似於關於圖1所論述之構形。在此情況中，LED陣列模組50包括一透鏡55，該透鏡55係包括圍繞一軸(其中在此情況中，該軸與z軸3相同)配置之多個旋轉對稱區段56(參見圖6)之一菲涅爾類型透鏡。區段形狀或提供透鏡55之一不均勻表面，其中在此實施例中，不均勻表面經配置於LED 10之附近。各區段56 (除了中心區域之外)包括經配置為較靠近軸之一內側表面及經配置為較遠離軸之一外側表面。內側表面藉由一頂點與外側表面接合。因此，不均勻表面之截面包括鋸齒狀結構。鋸齒相對於軸之定向在自軸之一界定範圍內變化，以便將陣列之各LED 10成像至各別目標區域112、113、122。至少部分藉由鋸齒之定向判定之區段之折射及反射(全內反射)性質與透鏡55之各別部分自其接收最多光(參見圖2及圖3中之光線追蹤模擬)之LED一致。 圖6展示LED陣列模組50之第一實施例之一俯視圖之一主要略圖，其中9個LED在透鏡55下方之一平面中依一規則矩形陣列配置。LED 11經配置於陣列之第一行及第一列(左上角)中。LED 32經配置於陣列之第三行及第二列中。中心LED 22經配置於陣列之第二行及第二列中。LED 22之中心經進一步配置於LED陣列模組50之軸上，該軸在此情況中亦係透鏡55之光軸。 圖7展示參考平面中之第一實施例之一中心LED 22之一模擬通量。影像或圖案之亮度隨著通量增大而增大。3×3陣列之中心LED 22之影像222與中心LED 22之各別或對應目標區域122完美對準，其中中心LED 22之對應目標區域122經配置於LED陣列模組50之期望的視場之中心中。因此，透鏡之修改基本上不影響由中心LED 22發射之光依場景之各別立體角之成像。 圖8展示參考平面中之第一實施例之一側LED 32之通量。側LED 32經配置於3×3陣列之第三行及第二列中。側LED 32之影像232與側LED 32之各別目標區域112對準。 圖1中所示之標準菲涅爾透鏡41將使大多數通量在視場之中心附近成像，使得目標區域122將相較於經指派至側LED 32之目標區域112而接收更多通量。 圖9展示參考平面中之LED陣列模組50之第一實施例之一邊角LED 31之通量。邊角LED 31經配置於LED陣列模組50之第三行及第一列中，類似於上文關於一習知LED陣列模組40及圖3及圖4所論述。圖4與圖9之一比較展示，由邊角LED 31發射之更多光經接收於經指派至邊角LED 31之目標區域113中(目標區域關於透鏡55之中心與經指派的LED點對稱配置)。因此，由LED陣列模組50提供之通量經配置以於在此情況中再次由九個大小相同的目標區域界定之視場中提供一基本上均勻通量，其中各目標區域經指派至或對應於一個LED 11、12、13、21、22、23、31、32、33。 此原理亦適用於包括(例如) 1×3 LED陣列、4×4 LED陣列、3×5 LED陣列及類似陣列之LED陣列模組50之其他實施例。透鏡55可取決於LED陣列中之LED之數目及配置而調適。因此，若僅使LED 11、21、31成像，則可能僅使用(例如)圖6中所示之透鏡55之上半部分。在此情況中，區段56將僅部分(180°)涵蓋垂直於透鏡55之軸。 圖10展示LED陣列模組50之一第二實施例之一截面之一主要略圖。LED陣列模組50包括3×5 LED 10之一陣列，其中截面係跨LED 10之陣列之第三列截取。區段56在一俯視圖(未展示)中係閉合的及橢圓形的，以便實現參考平面中之一均勻光分佈，且尤其是期望的場景之一均勻照明。外區段56之內側表面(自透鏡55之中間或中心開始計數之區段5至14)類似於關於圖5所論述係直的。外區段56之外側表面係彎曲的。內側表面、頂點及外側表面界定一三角形截面(用一直線連接遠離頂點之內側表面及外側表面之端點)，其中內角之總和大於180°。曲率可根據應在期望的視場或參考平面內提供之期望的光圖案調適。曲率可(例如)取決於區段與軸之間之距離而變化。在一替代實施例中，內側表面之截面可為彎曲的，或內側表面及外側表面之截面可為彎曲的。 雖然已在圖式及前述描述中詳細繪示且描述本發明，但此繪示及描述應被視為闡釋性的或例示性的且非限制性的。 在閱讀本發明之後，熟習此項技術者將明白其他修改。此等修改可涉及此項技術中已知且可作為本文中已描述之特徵的替代或補充而使用之其他特徵。 熟習此項技術者可自對圖式、揭示內容及隨附發明申請專利範圍之一研究而理解且實現所揭示實施例之變動。在發明申請專利範圍中，字詞「包括」不排除其他元件或步驟，且不定冠詞「一(a)」或「一個(an)」不排除複數個元件或步驟。在互異之附屬請求項中列舉特定措施之純粹事實並不指示無法有利使用此等措施之一組合。 發明申請專利範圍中之任何元件符號不應被解釋為限制其之範疇。
1‧‧‧x軸2‧‧‧y軸3‧‧‧z軸10‧‧‧發光二極體(LED)11‧‧‧LED第一行及第一列/LED12‧‧‧LED第一行及第二列/LED13‧‧‧LED第一行及第三列/LED21‧‧‧LED第二行及第一列/LED22‧‧‧LED第二行及第二列/LED23‧‧‧LED第二行及第三列/LED31‧‧‧LED第三行及第一列/LED32‧‧‧LED第三行及第二列/LED33‧‧‧LED第三行及第三列/LED40‧‧‧習知發光二極體(LED)陣列模組41‧‧‧標準菲涅爾透鏡50‧‧‧發光二極體(LED)陣列模組55‧‧‧透鏡56‧‧‧區段112‧‧‧LED第三行及第二列之目標區域113‧‧‧LED第三行及第一列之目標區域122‧‧‧LED第二行及第二列之目標區域222‧‧‧LED第二行及第二列之影像231‧‧‧LED第三行及第一列之影像232‧‧‧LED第三行及第二列之影像
現將藉由實例基於參考隨附圖式之實施例描述本發明。 在圖式中： 圖1展示一習知LED陣列模組之一截面之一主要略圖 圖2展示由習知LED陣列模組之一中心LED發射之光之光線追蹤模擬 圖3展示由習知LED陣列模組之一邊角LED發射之光之光線追蹤模擬 圖4展示參考平面中之邊角LED之通量 圖5展示一LED陣列模組之一第一實施例之一截面之一主要略圖 圖6展示一LED陣列模組之第一實施例之一俯視圖之一主要略圖 圖7展示參考平面中之第一實施例之一中心LED之通量 圖8展示參考平面中之第一實施例之一側LED之通量 圖9展示參考平面中之第一實施例之一邊角LED之通量 圖10展示LED陣列模組之一第二實施例之一截面之一主要略圖 在圖中，通篇相同元件符號指代相同物件。圖中之物件未必按比例繪製。
1‧‧‧x軸
2‧‧‧y軸
11‧‧‧LED第一行及第一列/LED
12‧‧‧LED第一行及第二列/LED
13‧‧‧LED第一行及第三列/LED
21‧‧‧LED第二行及第一列/LED
22‧‧‧LED第二行及第二列/LED
23‧‧‧LED第二行及第三列/LED
31‧‧‧LED第三行及第一列/LED
32‧‧‧LED第三行及第二列/LED
33‧‧‧LED第三行及第三列/LED
50‧‧‧發光二極體(LED)陣列模組
55‧‧‧透鏡
56‧‧‧區段

Claims (19)

  1. 一種發光二極體陣列模組，其包括：一軸共同透鏡(axial common lens)，其具有包括多個區段(a multitude of sections)之一鋸齒圖案(sawtooth pattern)，其圍繞垂直於該透鏡之一光軸而對稱配置，該鋸齒圖案包含用於各鋸齒之由一頂點(peak)接合(joined)之一內側表面及一外側表面，各鋸齒之一定向基於到該光軸之一界定距離而變化；及至少二個發光二極體，其配置於垂直該光軸之一平面中且經組態以在由該透鏡成像時照明一參考平面中之至少二個非重疊目標區域，該鋸齒圖案係經配置使得該至少二個非重疊目標區域之一第一者係相對於該透鏡之中心與該至少二個發光二極體之一第一者點對稱配置。
  2. 如請求項1之發光二極體陣列模組，其中該透鏡經配置使得由該參考平面中之該等非重疊目標區域之所有區域接收並由該至少二個發光二極體之至少一者發射之一通量之至少15%係由一各別目標區域接收，且其中由該各別目標區域接收之該通量係由該各別目標區域之一相鄰、大小相同的目標區域自該至少二個發光二極體之該至少一者接收之一通量之至少130%。
  3. 如請求項1之發光二極體陣列模組，其中該內側表面、該外側表面及該頂點界定該多個區段之至少部分之一三角形截面。
  4. 如請求項3之發光二極體陣列模組，其中該三角形截面之特徵在於三個內角，其中該等內角之總和係180°。
  5. 如請求項1之發光二極體陣列模組，其中該多個區段之至少部分包括該內側表面及該外側表面之至少一者，其在包括該光軸之一平面中係彎曲的。
  6. 如請求項1之發光二極體陣列模組，其中該多個區段圍繞該光軸閉合。
  7. 如請求項4之發光二極體陣列模組，其中該等三角形截面之該內側表面圍封(enclose)相對於垂直於該光軸之一平面之一角度，且其中該角度隨著至該光軸之距離增大而減小。
  8. 如請求項6之發光二極體陣列模組，其中該多個區段係旋轉對稱的。
  9. 如請求項1之發光二極體陣列模組，其中該至少兩個發光二極體依一規則陣列圖案配置。
  10. 如請求項9之發光二極體陣列模組，其中該至少兩個發光二極體依一矩形圖案之部分配置。
  11. 如請求項9之發光二極體陣列模組，其中該至少兩個發光二極體之一 者之一中心經配置於該光軸上。
  12. 一種閃光燈，其包括：至少一個發光二極體陣列模組，其包含：一軸共同透鏡，其具有包括多個區段之一鋸齒圖案，其圍繞垂直於該透鏡之一光軸而對稱配置，該鋸齒圖案包含用於各鋸齒之由一頂點接合之一內側表面及一外側表面，各鋸齒之一定向基於到該光軸之一界定距離而變化；及至少二個發光二極體，其配置於垂直該光軸之一平面中且經組態以在由該透鏡成像時照明一參考平面中之至少二個非重疊目標區域，該鋸齒圖案係經配置使得該至少二個非重疊目標區域之一第一者係相對於該透鏡之中心與該至少二個發光二極體之一第一者點對稱配置。
  13. 如請求項12之閃光燈，其中該透鏡經配置使得由該參考平面中之該等非重疊目標區域之所有區域接收並由該至少二個發光二極體之至少一者發射之一通量之至少15%係由一各別目標區域接收，且其中由該各別目標區域接收之該通量係由該各別目標區域之一相鄰、大小相同的目標區域自該至少二個發光二極體之該至少一者接收之一通量之至少130%。
  14. 如請求項12之閃光燈，其中該內側表面、該外側表面及該頂點界定該多個區段之至少部分之一三角形截面。
  15. 如請求項14之閃光燈，其中該三角形截面之特徵在於三個內角，其 中該等內角之總和係180°。
  16. 如請求項12之閃光燈，其中該多個區段之至少部分包括該內側表面及該外側表面之至少一者，其在包括該光軸之一平面中係彎曲的。
  17. 如請求項12之閃光燈，其中該多個區段圍繞該光軸閉合。
  18. 如請求項12之閃光燈，其中該至少兩個發光二極體依一規則陣列圖案配置。
  19. 如請求項12之閃光燈，其中該至少兩個發光二極體之一者之一中心經配置於該光軸上。
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