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TWI551820B - 具回收光之發光二極體照明系統 - Google Patents

具回收光之發光二極體照明系統 Download PDF

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TWI551820B
TWI551820B TW100111566A TW100111566A TWI551820B TW I551820 B TWI551820 B TW I551820B TW 100111566 A TW100111566 A TW 100111566A TW 100111566 A TW100111566 A TW 100111566A TW I551820 B TWI551820 B TW I551820B
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肯尼斯 李
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瓦維安股份有限公司
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Description

具回收光之發光二極體照明系統
本申請案根據美國專利法35 U.S.C.119條(e)項主張2010年4月1日(編號為61/320,070)以及2010年9月13日(編號為61/382,189)所申請的兩件美國臨時申請案的優先權，這兩件臨時申請案所揭露的全部內容合併參考於本案中。
本發明是有關於一種光照明系統(light illumination system)，且特別是有關於一種發光二極體(light emitting diode,LED)照明系統。
對於許多照明應用(illumination application)來說，如發光二極體照明應用，顏色的變化能夠經由使用發射出特定顏色光線的各種顏色發光二極體元件來達成。一般來說，會使用三原色(primary color)發光二極體元件來產生所需顏色的影像。上述三原色即為紅色、綠色以及藍色(RGB)。也就是說，會使用紅色、綠色與藍色發光二極體元件來產生所需顏色的影像。在部分應用中，亦會使用除了RGB以外的其他原色發光二極體，如黃色、青綠色(cyan)以及洋紅色(magenta)發光二極體元件，來產生顏色更飽滿並且更明亮的影像。
許多發光二極體照明應用，如投射式顯示器(projection display)，便需要能夠在小範圍有效發射區域(effective emitting area)中提供高階亮度(high level of brightness)的照明系統。上述高階亮度通常能夠經由增加更多的發光源(light source)來實現。然而，這些傳統做法不僅在發光源整合空間有限時在技術上難以達成，而且因為整合及使用多個發光源可能會非常昂貴，在經濟效益上也是不切實際的。增加亮度的一種替代做法為使用較大的透鏡來嘗試儘可能地聚集更多光線。 這樣做也可能是非常不切實際的，因為要將較大的精準透鏡製造出來並且整合至照明系統中可能會相當地昂貴。
因此，亟需提供一種照明系統與方法，以便用簡單又經濟的方式來增加現有發光源光輸出量(light output)。
根據本發明的一種觀點，一種發光二極體照明系統包括至少一個發光二極體元件以及具有一個透射孔(transmissive aperture)的一個回收反射鏡(recycling reflector)，並且發射光(emitted light)能通過透射孔。回收反射鏡具有一個曲面(curved surface)，並且曲面適於將入射光(impinging light)反射回發光二極體元件，以提高通過透射孔的光輸出量。
根據本發明的另一種觀點，一種發光二極體照明系統包括一個發光二極體陣列(LED array)以及具有一個透射孔的一個回收反射鏡，並且發射光能通過透射孔。發光二極體陣列具有至少一對相同顏色的發光二極體元件，並且這些發光二極體元件對於發光二極體陣列的一中心點呈對稱排列。回收反射鏡具有一個曲面，並且曲面適於將入射光反射回這些發光二極體元件，以提高通過透射孔的光輸出量。
根據本發明的又一種觀點，上述的回收反射鏡具有一個光軸(optical axis)，並且光軸通過發光二極體陣列的中心點，而曲面則包括一個球面(spherical surface)，並且球面適於將來自於這些發光二極體元件的其一的發射光反射回這些發光二極體元件的另一，以提高通過透射孔的光輸出量。
簡單來說，本發明揭露了一種有效率的回收方案，此方案能夠混 合有色的發光二極體元件，並且能夠降低光展量(etendue)。光回收方法包含(1)提供具有一個弧形反射面(curved reflective surface)的一個回收反射鏡，或者是(2)將有色的發光二極體元件排列成對應於發光二極體封裝(package)的中心點/回收反射鏡的光軸至少其中之一的一個對稱圖案，以實質上增加光輸出量。
圖1繪示出根據本發明一個實施例的一種具有一個回收反射鏡的發光二極體照明系統。照明系統2能夠與本案圖式中所示的任何一種發光二極體陣列合併使用。照明系統2包括一個發光二極體封裝(晶片)4、用以驅動發光二極體封裝(晶片)4的一個驅動電路(driver circuit)3、定位於發光二極體封裝(晶片)4前面的一個回收反射鏡6，其例如為一個回收環(recycling collar)，以及能讓發光二極體封裝4所發射出的光線通過的一個透射孔8。
一般來說，發光二極體封裝4會包括至少一個發光二極體元件10以及一個基板12，其中發光二極體元件10固定在基板12上，並且具有能夠發射出光線的一個發光區域。舉例來說，此發光二極體封裝4可從麻薩諸塞州比勒利卡的發光裝置公司(Luminus Devices,Inc.of Billerica,Massachusetts)處購得。發光二極體元件10的排列，使得回收反射鏡6的透射孔8的光軸16會通過發光二極體元件10的中心點20(請參考圖2)，並且中心點20實質上亦會位於回收反射鏡6的曲率中心附近。這些發光二極體元件10最好是排列在相同的平面上，並且緊密地定位，以最小化這些發光二極體元件10的任兩個發光區域之間的任一個間隙。這些發光二極體元件10能夠發射出諸如紅色、綠色以及藍色等單一顏色的光線，或者是發射出白色光線。光線的發射角通常會小於或等於180度。發光二極體封裝4亦可包括位於發光二極體元件前面的一個保護窗(protection window)(未繪示)以及從後方接觸基板12的一個散熱鰭片(heat sink)(未繪示)。
回收環(回收反射鏡6)以呈凹面的方式對應於發光二極體元件 10彎曲。內表面14為一個反射面，使得發光二極體入射在內表面14上的光線會被反射回光源，即發光二極體元件10。可經由在回收環(回收反射鏡6)的外表面進行塗佈或者是經由具有緊貼在回收環(回收反射鏡6)的一個單獨的反射鏡來提供反射面。根據一個較佳實施例，回收環(回收反射鏡6)為外型對應於發光二極體元件10中心點20的球形，以便以等倍數(unit magnification)將發光二極體元件10所輸出的光線反射回去。因此，實際上便會成為將影像形成於發光二極體元件10本身上的一個成像系統。這種做法的好處在於入射至內球面反射面(內表面14)上的全部發光二極體元件10所發射出的光線實質上都會被反射回光源，即發光二極體元件10。
如所屬技術領域中具有通常知識者所能體認到的，未通過傳統照明系統透射孔的任何發光二極體元件所發射出的光線總是會浪費掉。然而，經由使用曲面反射面(內表面14)，本發明能夠回收即將浪費掉的大量光線。舉例來說，在其透射孔尺寸能攫取到大約20%發射光線的一個照明系統中，回收環(回收反射鏡6)能夠裝集到多出20%的發射光線。這種做法的好處在於能將已攫取到的光線產量提高100%，以便大量提高亮度。
圖2繪示出根據本發明另一個實施例的一種四色發光二極體元件10的發光二極體陣列18。特別的是，發光二極體陣列18包括發射出紅色光線的一個紅色發光二極體元件R、發射出藍色光線並且對於中心點20呈對稱地排列在相對角落的一個藍色發光二極體元件B、以及發射出綠色光線並且對於發光二極體陣列18的中心點20呈對稱地排列在相對角落的兩個綠色發光二極體元件G1、G2。發光二極體陣列18的排列，使得回收反射鏡6的光軸16會通過中心點20，並且中心點20實質上亦會位於回收反射鏡6的曲率中心附近。
雖然發光二極體陣列18繪示為具有四個發光二極體元件，但是本發明可使用至少一個發光二極體元件，只要入射在曲面反射面(內表 面14)上的光線會反射回發光二極體元件即可。另外，在使用一對發光二極體元件的情況下，雖然這對發光二極體元件最好是發射出相同顏色的光線，但是他們亦能發射出不同顏色的光線，即便是效率可能會較低。此外，在陣列中的各個發光二極體元件的尺寸可以如圖7中所示不同於任何其他的發光二極體元件。
值得注意的是，雖然各個發光二極體元件繪示為正方形，但是亦可以是矩形。發光二極體陣列18的整個發光面積最好是應該要具有與要投射的影像相同的長寬比(aspect ratio)。舉例來說，為了要投射出長寬比為9：16的一個高解析度電視影像，發光二極體陣列18的整個發光面積應該要具有一樣是9：16的尺寸。同樣地，發光二極體陣列18的尺寸還可以是4：3、1：1、2.2：1等其他常見的長寬比。
在圖2的實施例中，兩個綠色發光二極體元件G1、G2互相成像於彼此的位置上。特別的是，來自於發光二極體元件G1並且入射於內反射面(內表面14)上的任何光線都會反射回呈對稱定位的發光二極體元件G2，而且反之亦然。為了要使呈對稱排列的相同顏色發光二極體元件能夠運作良好，驅動電路3會同時驅動相同顏色的發光二極體元件(例如G1、G2)。因此，這樣的排列方式提供了較高的光回收效率。另一方面，來自於藍色發光二極體元件B的光線會成像於紅色發光二極體元件R上，而且反之亦然。因此，對於這兩個顏色來說，回收效率會較低。
為了要提高具有多種顏色發光二極體元件的效率，可以使用圖3A中所示的對稱配置。於此實施例中，紅色晶片(發光二極體元件R)對應於中心點20呈對稱排列。如此一來，紅色晶片便會以高回收效率互相成像。同樣地，藍色晶片(發光二極體元件B)與綠色晶片(發光二極體元件G)亦會對應於中心點20呈對稱排列，並且將會以高回收效率互相成像。圖3B繪示出圖1的回收環(回收反射鏡6)與圖3A的發光二極體陣列的一種立體圖。
圖4A、4B與5繪示出相同顏色發光二極體元件(晶片)10對應於中心點20呈對稱放置的其他配置型態。在圖4A與4B中，四個綠色發光二極體元件G、兩個紅色發光二極體元件R以及兩個藍色發光二極體元件B對應於中心點20呈對稱放置。在圖5中，四個綠色、四個紅色以及四個藍色發光二極體元件10對應於中心點20呈對稱放置。圖4A、4B與5中所示的實施例可為需要非常高亮度的特定照明應用的特殊需求。
圖6繪示出根據本發明一個實施例的一種九個呈對稱排列的發光二極體元件的發光二極體陣列。在圖6中，中央的發光二極體元件X排列於其他對應於中心點20呈對稱排列的發光二極體元件所形成的周圍內。在繪示出的實施例中，周圍有四個綠色發光二極體元件G、兩個紅色發光二極體元件R以及兩個藍色發光二極體元件B。中央的發光二極體元件X所發射出的顏色可為獨立於其他發光二極體元件的任何顏色。其顏色可為紅色、藍色、綠色或白色，或者是為了要達成用於特殊影像應用所需要輸出的任何其他顏色。中央的發光二極體元件X將會成像於其本身上，因為來自於發光二極體元件X並且入射於反射面(內表面14)上的光線將會反射回發光二極體元件X本身。
圖7繪示出一種發光二極體陣列，其中由至少一個發光二極體元件(晶片)C1所製成的一種顏色的發光二極體可定位在中心點。而另一種顏色的發光二極體元件C2則可放置在如圖所示對應於中心點20呈對稱的任何地方。同樣地，又一種顏色的發光二極體元件C3可放置在如圖所示對應於中心點20呈對稱的任何地方。發光二極體元件C1的尺寸可根據特殊輸出需要而如圖所示大於、小於或者是等於其他的發光二極體元件。同樣地，對於發光二極體元件C2與C3而言，可增加更多相同或者是其他顏色的發光二極體元件/晶片，以提高所需顏色的輸出量。
圖8A繪示出一種具有用來做為一個回收反射鏡的一個離散光學 元件(discrete optics element)22的照明系統。離散光學元件22為由玻璃、丙烯酸(acrylic)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)或者是其他類似材料所製成的一個非波導光學透明體(non waveguiding optically transparent solid)。
光學透明體(離散光學元件22)具有一個側壁24、曲面反射面(內表面26)以及能讓發光二極體元件所發射出的光線通過的一個透射孔28。曲面反射面(內表面26)最好是外型對應於中心點20的球形。在圖式中所示的實施例中，透射孔28為一個透鏡，其可為取決於所需光線輪廓的一個準直透鏡或者是一個聚焦透鏡。或者，透射孔28可單純為能讓光線通過的一個垂直平面(flat vertical surface)。
如圖1中所示，發光二極體元件10的排列，使得光學透明體(離散光學元件22)的透射孔28的光軸16會通過發光二極體元件10的中心點20(請參考圖2)，並且中心點20實質上亦會位於光學透明體(離散光學元件22)的曲率中心附近。在圖8中所繪示的實施例中，僅為了示意目的而繪示出圖2的RGGB發光二極體陣列。所屬技術領域中具有通常知識者將能體認到，本實施例能夠使用具有呈對稱排列發光二極體元件的任何發光二極體陣列，諸如本應用的圖2至7中的這些發光二極體陣列。
在如圖所示的實施例中，由於光學透明體(離散光學元件22)的折射率(index of refraction)實質上會大於1(例如為1.5)，這樣的設計會向內折射來自於發光二極體元件10的發射光，使其僅落在反射面(內表面26)上或者是透射孔28上。據此，側壁24不僅不會旋光(optically inactive)，也不會以任何形式導引光線。
如圖所示，來自於發光二極體元件G1並且入射於球面反射面(內表面26)上的光線會朝向呈對稱排列的發光二極體元件G2反射回去，並且反之亦然。
圖8B繪示出一種具有圖8A的非導引光學透明體(non-guiding optically transparent solid)的照明系統的立體圖。
圖9繪示出一種例示的回收照明系統30，其中的發光二極體陣列所輸出的光線耦合至一個導波光導管(waveguide light pipe)32中。換句話說，導波光導管32即用來做為本發明的回收反射鏡。由於光導管32的尺寸較小，此實施例對於需要尺寸相對較小的照明系統可能會特別有用。
發光二極體元件10緊貼於一個散熱鰭片42。導波光導管32具有一個反射面34以及能讓發光二極體元件所發射出的光線通過的一個透射孔36。反射面34可為光導管32的外表面上的一層反射塗層，或者是緊貼在光導管32外側的一個單獨的反射鏡35的一部分。如圖1中所示，發光二極體元件10的排列，使得光導管32的光軸16會通過發光二極體元件10的中心點20(請參考圖2)。
反射面34會將部分的光線反射回發光二極體元件10，其中的一部分將會接著朝向透射孔36反射回去，藉以提高光輸出總量。綜合後的效果(net effect)會提高單位發光面積的光輸出量，也相當於增加了亮度。
然而，在圖9中所示的實施例中，進入光導管32的光線在多重反射(multiple reflections)之後會失真(scrambled)。當使用了彩色的發光二極體元件時，光線的顏色將會在回收的過程中混合在一起，因而會降低回收效率。
圖10A繪示出本發明的一種實施例，其中光導管44的一個反射面38被製成具有調整過曲率的凹面(對應於發光二極體元件10)，使得來自於相同顏色發光二極體元件10的光線會對稱地互相成像於光導管44中心光軸16周圍的對方身上。特別地是，來自於一個發光二極體元件10並且入射至球面反射面(內表面26)上的光線會朝向呈對稱排列的相同顏色發光二極體元件10反射回去，並且反之亦然(如圖10A中 的箭頭所示)。位於輸出端的透射孔40允許光線以降低後的光展量耦合至系統外。圖10B繪示出圖10A的一種具有導波光導管的照明系統的立體圖。
在一個實施例中，反射凹面(反射面38)的曲率半徑(radius of curvature)實質上等於光導管的長度。換句話說，反射面38為外型對應於發光二極體陣列18中心點20的球形。光展量的降低允許輸出與成像面板(imaging panel)有效耦合。
與於此所揭露的其他形式回收反射鏡一樣，本實施例能夠將具有呈對稱排列的發光二極體元件的任何發光二極體陣列，諸如本應用的圖2至7中的這些發光二極體陣列，與光導管32合併使用。
圖11繪示出根據本發明一個實施例的一種包含有一個回收反射鏡的例示投影系統。發光二極體陣列18包含有呈對稱排列的彩色發光二極體元件10。一個回收反射鏡50提高了光輸出量，並且光線接著通過一個複眼透鏡(fly eye lens)52以及中繼透鏡(relay lens)54。光線接著會傳遞至一個投影引擎(projection engine)56，其包括有一個分光鏡(beam splitter)57、諸如矽基液晶(liquid crystal on silicon,LCoS)晶片與數位光源處理(digital light processing,DLP)晶片的一個成像面板58以及一個投影鏡頭(projection lens)60。在投影引擎56中，分光鏡57將光線導引至成像面板58。來自於成像面板58的成像光線回傳至分光鏡57，並且接著通過投影鏡頭60，以將根據本發明提高亮度後的成像光線顯示在一個螢幕(未繪示)上。
上述揭露內容僅用以舉例說明，並非本發明的全部技術內容。任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的範圍內，將能對上述敘述設想出許多更動、變化與潤飾。熟知此技術領域者，應能體認出於此所述特定實施例的其他等效實施例。亦即，本發明的範圍並不限於上述說明內容。
2、30‧‧‧照明系統
3‧‧‧驅動電路
4‧‧‧發光二極體封裝
6、50‧‧‧回收反射鏡
8、28、36、40‧‧‧透射孔
10、B、C1、C2、C3、G、G1、G2、R、X‧‧‧發光二極體元件
12‧‧‧基板
14、26‧‧‧內表面
16‧‧‧光軸
18‧‧‧發光二極體陣列
20‧‧‧中心點
22‧‧‧離散光學元件
24‧‧‧側壁
32、44‧‧‧光導管
34、38‧‧‧反射面
35‧‧‧反射鏡
42‧‧‧散熱鰭片
52‧‧‧複眼透鏡
54‧‧‧中繼透鏡
56‧‧‧投影引擎
57‧‧‧分光鏡
58‧‧‧成像面板
60‧‧‧投影鏡頭
圖1繪示出根據本發明一個實施例的一種具有一個回收反射鏡的發光二極體照明系統。
圖2繪示出根據本發明一個實施例的一種四個發光二極體元件具有至少一對顏色對呈陣列排列的發光二極體陣列。
圖3A繪示出根據本發明一個實施例的一種六個發光二極體元件呈陣列排列的發光二極體陣列。
圖3B繪示出一種具有圖3A的發光二極體陣列的照明系統的立體圖。
圖4A繪示出根據本發明一個實施例的一種八個發光二極體元件呈陣列排列的發光二極體陣列。
圖4B繪示出根據本發明一個實施例的另一種八個發光二極體元件的發光二極體陣列。
圖5繪示出根據本發明一個實施例的一種十二個發光二極體元件呈陣列排列的發光二極體陣列。
圖6繪示出根據本發明一個實施例的一種九個發光二極體元件呈陣列排列的發光二極體陣列。
圖7繪示出根據本發明一個實施例的一種五個發光二極體元件呈陣列排列的發光二極體陣列。
圖8A繪示出根據本發明一個實施例的一種用來做為一個回收反射鏡非導引光學透明體。
圖8B繪示出一種具有圖8A的非導引光學透明體的照明系統的立體圖。
圖9繪示出根據本發明一個實施例的一種具有一個導波光導管的發光二極體照明系統。
圖10A繪示出根據本發明一個實施例的一種發光二極體照明系統，其中的一個導波光導管具有一個曲面反射面。
圖10B繪示出圖10A的一種具有導波光導管的照明系統的立體圖。
圖11繪示出根據本發明一個實施例的一種包含有一個回收反射鏡的例示投影系統。
2‧‧‧照明系統
3‧‧‧驅動電路
4‧‧‧發光二極體封裝
6‧‧‧回收反射鏡
8‧‧‧透射孔
10‧‧‧發光二極體元件
12‧‧‧基板
14‧‧‧內表面
16‧‧‧光軸

Claims (10)

  1. 一種發光二極體(LED)照明系統，包含：至少四個LED元件之一陣列，該等至少四個LED元件的至少兩個LED元件係為相同顏色，其中至少一LED元件係為不同顏色，且其中該陣列具有一中心點；以及一回收反射鏡，其具有面向該陣列之一向內曲面，該回收反射鏡因此適於將入射光反射回該等LED元件，該向內曲面更包括能讓發射之光線通過的一透射孔；其中該透射孔係以通過該陣列之該中心點的一光軸為中心；其中該陣列係至少實質上位於面向該陣列之該向內曲面之曲率的中心；及其中係為相同顏色的該等至少兩個LED元件於該陣列之該中心點的相對側上係相對於彼此對角相立，使得來自相同顏色之LED元件的一者且由該回收反射鏡反射的光，返回到相同顏色之LED元件的另一者。
  2. 如請求項1的LED照明系統，其中該向內曲面係為半球形。
  3. 如請求項1的LED照明系統，其中該等LED元件係環繞該LED陣列的該中心點對稱配置，且第三LED元件及第四LED元件各發射不同於相同顏色之該等LED元件的一不同顏色光。
  4. 如請求項3的LED照明系統，其中該LED陣列包括至少三列發射出三種不同顏色(C1,C2,C3)光線的該等LED元件，並且該等LED元件所發射出的顏色係以下列規則排列：在第n列中為C2；在第n+1列中為C3,C1,C3；以及 在第n+2列中為C2。
  5. 如請求項3的LED照明系統，其中該LED陣列包括至少三列該等LED元件，並且該等LED元件所發射出的顏色係以下列規則排列：在第n列中為C1,C3；在第n+1列中為C2,C2；以及在第n+2列中為C3,C1。
  6. 如請求項5的LED照明系統，其中該C2的顏色為綠色。
  7. 如請求項3的LED照明系統，其中該LED陣列包括至少三列該等LED元件，並且該等LED元件所發射出的顏色係以下列規則排列：在第n列中為C1,C2,C3；在第n+1列中為C2,X,C2；以及在第n+2列中為C3,C2,C1，其中X為C1,C2,C3或白色。
  8. 如請求項3的LED照明系統，其中該LED陣列包括至少四列該等LED元件，並且該等LED元件所發射出的顏色係以下列規則排列：在第n列中為C1,C3；在第n+1列中為C2,C2；在第n+2列中為C2,C2；以及在第n+3列中為C3,C1。
  9. 如請求項3的LED照明系統，其中該LED陣列包括至少四列該等LED元件，並且該等LED元件所發射出的顏色係以下列規則排列：在第n列中為C2,C2；在第n+1列中為C3,C1；在第n+2列中為C1,C3；以及在第n+3列中為C2,C2。
  10. 如請求項3的LED照明系統，其中該LED陣列包括至少四列該等LED元件，並且該等LED元件所發射出的顏色係以下列規則排列：在第n列中為C1,C1；在第n+1列中為C3,C2,C2,C3；在第n+2列中為C3,C2,C2,C3；以及在第n+3列中為C1,C1。
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