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TWI524035B - 產生閃光之發光二極體燈具 - Google Patents

產生閃光之發光二極體燈具 Download PDF

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TWI524035B
TWI524035B TW099108549A TW99108549A TWI524035B TW I524035 B TWI524035 B TW I524035B TW 099108549 A TW099108549 A TW 099108549A TW 99108549 A TW99108549 A TW 99108549A TW I524035 B TWI524035 B TW I524035B
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light
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塞吉 拜惠森
馬克 巴特渥斯
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飛利浦露明光學公司
皇家飛利浦電子股份有限公司
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Description

產生閃光之發光二極體燈具
本發明係關於使用發光二極體(LED)之燈具，且明確而言，係關於一種產生一LED燈具的一閃光外觀之技術。
圖1係一種習知覆晶LED晶粒10的一橫截面圖，該覆晶LED晶粒10被安裝於一子基板12上且由一半球形透鏡14所囊封。所發射的光產生一朗伯(Lambertian)型樣。該LED晶粒10的底部上的電極16被結合至該子基板12上的金屬墊，該等金屬墊係藉由通孔而連接至該子基板12的底部上的穩健結合墊18，以焊接至一印刷電路板。該子基板12可具任何尺寸。可以一個或一個以上磷光體層覆蓋該LED晶粒10，從而使得結構20可輸出包括白色在內的任何彩色光。此等輸出各種色彩之結構20可購自受讓人。
在光發射的美學關乎所以的某些應用中，需要產生一引人注目的光發射。
本文描述一種新穎的LED透鏡，該透鏡對於一人類觀察者產生一閃光效果。
LED晶粒(的面積)係在1 mm2之數量級，且在該晶粒的整個表面所發射的光會結合以形成非相干光。此光不會閃光。閃光是一種特性，其致使在光源或該觀察者移動時，所發射的光的亮度外觀呈現快速變化。
一與閃光相關的特性被稱為散斑，其中該人眼中的桿細胞及錐細胞會偵測到一相干光源(例如，一雷射)的不同亮度，而亮度不同係歸因於視網膜上所觀察的光的相長干涉與相消干涉。散斑係一種極有趣味的美學效果，而由於LED的非相干本質，無法以LED來觀察。
為了產生根據本發明的一實施例的一閃光及散斑效果，在一LED晶粒的上方貼附一特殊透鏡，其中該晶粒以一朗伯型樣發射(光)。該透鏡一般為半球形(圓頂形)且係主要由一陣列極小的互連微鏡片模製而成。每個微鏡片將於其輸入表面處所接收的LED光於其輸出表面處塑形成一大體上點光源，因此該LED晶粒在該半球形微鏡片陣列上成像為一陣列之明亮點光源。來自每個微鏡片的發射光將為定向的，因此隨著該觀察者相對於該光源移動，該觀察者將看到一個較任何其他光源明亮之點光源。
在一實施例中，該LED晶粒大體上係正方形，其尺寸為每側約1 mm。該等微鏡片被配置在與該LED晶粒相隔大約5 mm的一半球形區域上方，其中該半球形的一直徑為約10 mm，且每個微鏡片的一直徑為約1至1/100 mm。該等微鏡片的數目為100至10,000或更多。本文亦描述其他形狀的透鏡及微鏡片。
隨著該觀察者相對於該光源移動，該光源將仿佛閃光。此外，由於每個微鏡片產生該LED晶粒的一大體上點光源影像，假定該LED發射一狹窄波長範圍的光，則該觀察者(眼中)的桿細胞及錐細胞將看到由一單一微鏡片所發射的部分相干光。該點光源大體上產生光的平面波。不同的桿細胞及錐細胞偵測經歷不同程度之相長干涉及相消干涉的光，從而造成所感知的光具有一有趣的粒度，該粒度隨著該觀察者的眼睛相對於該光源移動而改變。
在一模製透鏡的一實踐性實施例中，該等微鏡片不會產生完美的點光源，且一實際可達成的點光源在該LED晶粒的面積(約0.04 mm2的面積)的約1/25之數量級。這等同於藉由一微鏡片而進行之約0.2倍的實際放大倍率。然而，應將術語「大體上點光源」解讀為比該LED晶粒之面積小約1/9的任何LED影像尺寸面積(放大倍數為0.33或更小)。
在一實施例中，該透鏡的內表面包括一陣列之凸透鏡且外表面包括一散射表面，諸如一合適的粗糙表面。該粗糙表面可藉由模製或其他方式產生。該內透鏡於該外表面處產生點光源，且由該外表面所產生的散射造成該等點光源得以由相對於該透鏡之隨意角檢視。
該透鏡可為一單一完整的透鏡或兩個或兩個以上同心透鏡。
在多個圖中相似或相同的元件標有相同的數字。
在圖2中，圖1中的該LED晶粒10及囊封半球形透鏡14(一朗伯透鏡)係由一基座22所支撐。該基座22可為一擴大的子基板12(圖1)或該LED晶粒10可安裝於該子基板12上，然後將該子基板12安裝於一較大的基座22上。該基座22具有底部電極24，該等底部電極24被電連接至該LED晶粒10上的陽極電極及陰極電極。在一實施例中，該LED晶粒10發射具有一狹窄波長的光，諸如藍色、綠色、琥珀色、紅色或其他色彩。該LED晶粒10的上方亦可形成有一磷光體層，從而所發射的光具有紅色、綠色及藍色組成(或藍色及黃色組成)，以產生白光。
一模製外透鏡26被貼附於該LED晶粒10的上方。該外透鏡26可為聚矽氧、塑膠、玻璃或任何適合的聚合物或其他材料。熟悉此項技術者可在不需過度實驗下模製一任何形狀的透明透鏡。
在一實施例中，該LED晶粒10的側為1mm，且該通常為半球形外透鏡26的直徑為約10mm。然而，實際上，具任何直徑的外透鏡26仍將執行閃光功能。
該外透鏡26係由一陣列之互連微鏡片所形成，在一實施例中，各個微鏡片具一通常為冰淇淋甜筒的形狀。圖3中展示一微鏡片28。來自該LED晶粒10(朗伯)的發射光係由所有微鏡片大體上相同地塑形。來自該LED晶粒10的光線30被展示為由該微鏡片28所折射，其中發生折射係歸因於該微鏡片28的形狀及空氣與該透鏡材料的折射率不同。該微鏡片28的形狀係使得LED光被聚焦於該微鏡片28的外表面上的一點31處(該外表面係在內透鏡的焦距處)。以垂直於一微鏡片28觀察該微鏡片28的一觀察者將感知到該微鏡片28正輸出一遠遠亮於該外透鏡26上任何其他處的光點，因此隨著在該外透鏡26表面上方的所感知之亮度點根據該觀察者對於燈具40的視角而變化而產生一種閃光效果。
該外透鏡26主要具有一內陣列之透鏡34及一對應的外陣 列之透鏡36。在一實施例中，每個內透鏡為凸面的且每個外透鏡為凸面的。可採用其他微鏡片形狀以於該外透鏡26的外表面處產生該LED晶粒10的一大體上點光源影像。
若該等點光源影像足夠小，則該外透鏡26會產生一散斑效果。該觀察者(眼中)的桿細胞及錐細胞(作為視網膜的部分)看到由每個微鏡片所發射的一部分相干光，其中不同的桿細胞及錐細胞偵測經歷不同程度的相長干涉及相消干涉的光，從而導致所感知的光具有一粒度，而該粒度會隨著該觀察者的眼睛相對於該燈具40移動而變化。由該1mm2晶粒進行約0.25倍放大(或更小)而得之一點光源影像足以產生有趣的散斑。假定一LED晶粒為1mm2，0.25的放大倍數可產生一約0.06mm2的LED晶粒影像區域。
視網膜上的散斑解析度的限度為艾瑞盤半徑(Airy disk radius)，其係方程式x=1.22 λf/d中的x，其中λ為光的波長，f為該透鏡的焦距，且d為孔徑的直徑。f/d為一透鏡的f數(光圈值)，對於人眼，其平均為f/5.7(假定瞳孔直徑為3mm)。一般而言，最小的光點約為該透鏡的f數(以微米為單位)，因此一f/16的透鏡可產生一直徑約為16微米之光點。
在一實施例中，該外陣列之透鏡36藉由一光散射表面(諸如藉由一模製的任意陣列之稜鏡或藉由合適的粗糙化)取代。因此，圖2中的透鏡可具有小的、成任意角度之面的一外表面。通常散射面較內透鏡多。該等內透鏡於該外表面處產生點光源，且由該外表面所產生的散射會造成該 點光源得以由相對於該透鏡之任意角度檢視。該等散射面亦可再細分該等點光源。
圖4係具有一陣列之微鏡片28的外透鏡26的一俯視平面圖。由於每個外微鏡片的高寬比隨著該透鏡在接近邊緣處變得更垂直而發生變化，一實際由上而下之視圖看上去將不同。由於一圓形微鏡片28的直徑可僅為1/10mm，在一直徑為10mm的外透鏡26中，可有10,000個以上微鏡片28。該外透鏡26主要發射一半球形陣列的明亮光點，因此隨著該觀察者的視角改變，會看到不同的亮點，以產生閃光及散斑效果。即使由100個微鏡片組成的一陣列將產生閃光及散斑。
圖5係一燈具44之橫截面圖，該燈具44具有一側發射透鏡46，該透鏡46具有使光內部反射朝向諸側之一中央錐形凹槽48。該等微鏡片50以與圖2中的微鏡片28相同的方式作用。實際上可使用任何形狀的具有若干微鏡片之透鏡，且該形狀取決於特殊應用。
圖6繪示由一內透鏡部分54及一外透鏡部分56(其二者之間存在一空氣間隙58)所形成的一透鏡52。透鏡部分54及56產生類似於圖2中的微鏡片28所產生之點光源的點光源。取代一空氣間隙58，可用聚矽氧或其他透明材料填充該間隙58並將該等透鏡部分黏附在一起以便於處理。表面56亦可為一散射表面，而非一透鏡。
圖6亦繪示被連接至該基座22電極的驅動電子元件60，該電極可將120 VAC轉變成一直流電以控制該LED晶粒10。該燈具係可用作一裝飾性旋入式燈泡。
在一實施例中，該基座22上安裝有一陣列之與圖2、5或6中的燈具相同的閃光燈具，以產生一更好的閃光效果。若該等燈具足夠明亮，則亦可用於照明。該基座22亦可為一印刷電路板。
亦可將透鏡26、46或52製成任何尺寸，且一單一透鏡可圍繞多個LED晶粒10，以達成更明亮的光輸出。一般而言，該透鏡的直徑為該LED晶粒之寬度的10倍或更小；然而，該直徑可為任何實際尺寸而仍可達成一閃光效果。
在其他實施例中，可偏移或圖案化該等內透鏡及外透鏡以遮蔽該LED晶粒的可視性。對於不同的應用要求，遠場圖案可係最佳化的。
業已對本發明作了詳盡描述，熟悉此項技術者將理解經提供本揭示文件，在不脫離本文所述的精神及發明性概念下，可對本發明做出各種修改。因此，本發明未意欲將本發明之範疇限於所圖解及描述的具體實施例。
10．．．LED晶粒
12．．．子基板
14．．．半球形透鏡
16．．．電極
18．．．結合墊
20．．．結構
22．．．基座
24．．．底部電極
26．．．外透鏡
28．．．微鏡片
30．．．光線
31．．．點
34．．．透鏡
36．．．透鏡
40．．．燈具
44．．．燈具
46．．．側發射透鏡
48．．．中央圓錐形凹槽
50．．．微鏡片
52．．．透鏡
54．．．內透鏡部分
56．．．外透鏡部分
58．．．間隙
60．．．驅動電子元件
圖1係一發射一朗伯型樣的習知LED光源的一橫截面圖。
圖2係一LED燈具的一橫截面圖，該LED燈具會隨著一觀察者相對於該燈具移動而閃光。
圖3係圖2的透鏡中的一單一微鏡片部分的一透視圖。
圖4係具有若干微鏡片的一半球形透鏡的一由上而下之平面圖。
圖5係一類似於圖2的燈具之LED燈具之一橫截面圖，但其中該透鏡為一側發射透鏡。
圖6係一LED燈具的一橫截面圖，其中該透鏡係由相隔的內透鏡及外透鏡所形成。
10．．．LED晶粒
20．．．結構
22．．．基座
24．．．底部電極
26．．．外透鏡
28．．．微鏡片
31．．．點
34．．．透鏡
36．．．透鏡
40．．．燈具

Claims (15)

  1. 一種光源，其包括：一發光裝置，其被貼附(affixed)至一基座；及一透鏡，其被貼附至該基座，該透鏡被定位於該發光裝置的上方以接收來自該發光裝置的光，該透鏡包括一陣列之互連的微鏡片(lenslets)，每一微鏡片具有接收來自該發光裝置的光之一輸入表面及傳輸(transmit)該光的一輸出表面，每個微鏡片經塑形(shaped)以聚焦來自該發光裝置的該光，使得該發光裝置的一影像實質上在該微鏡片的外表面顯示為一點光源(point light source)。
  2. 如請求項1之光源，其中該透鏡實質上為半球形(hemispherical)且實質上圍繞該發光裝置。
  3. 如請求項1之光源，其中有100個以上微鏡片構成該透鏡。
  4. 如請求項1之光源，其中該透鏡的一直徑大約等於該發光裝置的寬度的10倍或較小。
  5. 如請求項1之光源，其中每一微鏡片的內表面包括一凸面透鏡(convex lens)，該凸面透鏡實質上將該發光裝置的該影像聚焦於該微鏡片的該外表面。
  6. 如請求項5之光源，其中每一微鏡片的該外表面包括一凸面外透鏡。
  7. 如請求項5之光源，其中該透鏡的一外表面包括一光散射表面。
  8. 如請求項1之光源，其中每一微鏡片的內表面包含一凸面內透鏡。
  9. 如請求項1之光源，其中該透鏡被模製成一單件式片(unitary piece)。
  10. 如請求項1之光源，其中該透鏡包括一內透鏡層及一外透鏡層，該內透鏡層的一部分及該外透鏡層的一對應部分之一組合每一微鏡片。
  11. 如請求項1之光源，其中該透鏡的直徑為10mm或更小，且該透鏡實質上圍繞該發光裝置。
  12. 如請求項1之光源，其包含接收來自該發光裝置一第一波長之光，並發出一第二波長的光。
  13. 如請求項1之光源，其中該等微鏡片經塑形使得當該發光裝置被供能時，由一觀察者(viwer)察覺到散斑(speckle)。
  14. 如請求項1之光源，其中該透鏡之下(underlying)僅有一單一發光裝置。
  15. 一種藉由一光源而執行之方法，該光源包括一發光裝置及上覆(overlying)於且實質上圍繞該發光裝置之一透鏡，該透鏡包括至少100個微鏡片，該方法包括：藉由該發光裝置產生一實質上朗伯光發射(Lambertian light emission)；藉由每個微鏡片接收來自該發光裝置的光；藉由每個微鏡片，實質上聚焦該發光裝置的一影像為在該透鏡的一外表面處之一實質上點光源影像，其中有100個以上微鏡片構成該透鏡。
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