JP6850816B2

JP6850816B2 - ダイ上平行光学系

Info

Publication number: JP6850816B2
Application number: JP2018559317A
Authority: JP
Inventors: ブルーメン，パスカル; ファン−リーロップ，マールテン; ナイカンプ，リック; ステルテンプール，マルク; コーネリッセン，ヒューホ
Original assignee: ルミレッズホールディングベーフェー
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2037-05-09
Also published as: KR102359811B1; EP3485521A1; EP3485521B1; CN110382951A; EP3485521A4; KR20190005984A; CN110382951B; JP2019529962A

Description

関連出願との相互参照

本願は、２０１６年５月１２日出願の米国仮特許出願第６２／３３５，３３４号及び２０１６年７月５日出願の欧州特許出願第１６１７８０３８．２号の優先権を主張する。米国仮特許出願第６２／３３５，３３４号と欧州特許出願第１６１７８０３８．２はここに参照援用する。

本開示は半導体発光ダイオードまたはデバイス（ＬＥＤｓ）に関し、より具体的にはＬＥＤのためのダイ上光学系に関する。

発光ダイオードまたはデバイス（ＬＥＤ）照明アプリケーションにおいて、光学系はＬＥＤダイの周りにデザインされ、光をどこに向けるかの制御をある程度達成する。光学系はＬＥＤダイとは離れて取り付けられることが多い。この２段階アセンブリを減らすため、光学系とＬＥＤダイとを集積するオーバーモールド光学系が設計される。オーバーモールド光学系の一例は、ダイの上にモールドされた半球状ドームである。これはＬＥＤダイの取り出し（ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）効率を高めるが、光をリダイレクト（ｒｅｄｉｒｅｃｔ）しない。他の例は、サイドエミッタ・オーバーモールド光学系であり、取り出し効率を高め、ＬＥＤダイからの光をリダイレクトして、ランバート型（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）からサイドエミッタ型へ放射パターンを変形させる。

図１は従来のＬＥＤパッケージ１００を示す。パッケージ１００は、ヒートシンク１０２と、ＬＥＤダイ１０４（１つのみにラベルを付した）と、ＬＥＤダイ１０４上の主光学系１０６（１つのみにラベルを付した）と、ヒートシンク１０２に取り付けられた副光学系１０８とを含む。ＬＥＤダイ１０４は、ＬＥＤと、そのＬＥＤ上のセラミック蛍光体などの波長コンバータとを含んでいてもよい。主光学系１０６は、ＬＥＤダイ１０４からの光を抽出（ｅｘｔｒａｃｔ）する役に立つが抽出された光をリダイレクト（ｒｅｄｉｒｅｃｔ）する半球状ドーム型オーバーモールドである。副光学系１０８は、図に強度スライス図として示したように、抽出された光をコリメートする反射器である。０°はＬＥＤダイ１０４の上面に対して垂直な方向に対応する。

本開示の１つまたは複数の例は、ＬＥＤダイと光学的に接触し、前記ダイからの光を実質的に平行化する光学系を提供する。光学系のサイズは従来の半球状ドーム型オーバーモールドと同様である。光学系は、切り取られた複合放物面集光器（ＣＰＣ）と、その上の傾斜ウェッジとを含む。

切り取られたＣＰＣは、入力面と、対称軸を中心に回転された傾斜パラボラセグメントによって画定される下部外面とを含む。下部外面の下端は入力面の縁と交わる。

傾斜ウェッジは、下部外面の上の上部外面と、下部外面および上部外面によって囲まれた内側円錐面とを含む。上部外面は、対称軸を中心に回転した傾斜直線によって画定される。内側円錐面は、対称軸の周りを回転するパラメトリック曲線によって画定される。内部円錐面は対称軸にあり下部外面内にある頂点を有する。内部円錐面と上部外面との上端は交わり、出力開口を確定する、内部円錐面とを有する。

図中、
従来の発光ダイオードまたはデバイス（ＬＥＤ）パッケージを示す図である。本開示の一例におけるＬＥＤパッケージを示す図である。本開示の例における図２の光学系を示す横断面図である。本開示の例における図２の光学系を示す等角投影図である。本開示の例における図２の光学系を通るレイトレーシングを示す図である。本開示の幾つかの例において、図２の光学系が従来の半球状オーバーモールドと同様の寸法を有することを示す図である。本開示の例における図２の光学系の一部を形成する切断されたＣＰＣを形成するために切断された全高コンパクトパラボリックコンセントレータ（ＣＰＣ）のデザインを示す図である。本開示の例における図２の光学系の切断されたＣＰＣにスーパーインポーズされた傾斜ウェッジのデザインを示す図である。本開示の例における、強度スライスにおけるファーフィールド強度分布を示す図である。本開示の例における、断面におけるファーフィールド強度分布を示す図である。本開示の例における、図２の光学系のファーフィールド強度分布を示す図である。異なる図面で同じ参照番号を用いて、同様の又は同一の要素を示す。

図２は、本開示の例における発光ダイオードまたはデバイス（ＬＥＤ）パッケージ２００を示す図である。パッケージ２００は、ヒートシンク１０２と、ＬＥＤダイ１０４と、ＬＥＤダイ１０４上の光学系２０６（１つのみにラベルを付した）とを含む。主光学系１０６とは異なり、光学系２０６はＬＥＤダイ１０４からの光を平行にする（ｃｏｌｌｉｍａｔｅ）。光学系２０６はＬＥＤダイ１０４上に印刷されていてもよい。あるいは、光学系２０６は個別に作られ、または配列として作られ、光学系２０６は個別に、または配列としてＬＥＤダイ１０４に取り付けられる。

光学系２０６のビームパターンは、ランバート型発光の特徴である円形パターンから大幅にずれる。光学系２０６は、幾つかのアプリケーションでは唯一の光学系であってもよく、他のアプリケーションでは副光学系に光をリダイレクトする主光学系であってもよい。いずれの場合でも、ＬＥＤダイの数や電力の量を減らすように、光をより効率的に使用する。

図３−１および図３−２は、それぞれ、本開示の例における光学系２０６を示す横断面図および等角投影図である。切断された３次元コンパウンドパラボリックコンセントレータ（ＣＰＣ）３０２は、光学系２０６の底部およびカブを形成し、一方、３次元傾斜ウェッジ３０４は光学系２０６の上部および内部を形成する。
切断されたＣＰＣ３０２は円形入力面３０６と下部外面３０８とを含む。入力面３０６はＬＥＤダイ１０４と光学的に接触している。入力面３０６はＬＥＤダイ１０４をカバーする大きさである。入力面３０６は、ＬＥＤダイ１０４の発光面の最大寸法と一致するまたはそれを少し上回る寸法を有する。円形入力面３０６の外周は下部外面３０８の下端と交わる。

下部外面３０８は、対称軸３１２の周りに回転したパラボラセグメント３１０により確定される。これは、対称軸３１２の周りに回転された２つの対称パラボラセグメントとしても説明され得る。パラボラセグメント３１０は、光学軸３１６に沿って上に移動したとき、対称軸３１２から離れるように傾いた光学軸３１６を有する（点線で示す）パラボラ３１４の一部である。パラボラ３１４の底端は、パラボラ３１４の焦点３１８で切り取られている。これは入力面３０６の遠縁（ｆａｒｅｄｇｅ）にある。パラボラ３１４の上端は、全ＣＰＣの高さより低い切断された高さで切り取られている。

傾斜ウェッジ３０４は、対称軸３１２を中心としてより厚い下端からより薄い上端に向かって先細になる傾斜くさび形断面を回転させることによって形成される光学部品である。傾斜ウェッジ３０４は、切り取られたＣＰＣ３０２の下部外面３０８の上の上部外面３２０と、上部外面３２０および下部外面３０８により囲まれた内部円錐面３２２とを含む。下部外面３２０は、対称軸３１２の周りに回転したセグメント３２４により確定される。セグメント３２４は、直線状であるが、本開示の他の例では曲がっていてもよい。直線状セグメント３２４は、それに沿って上向きに移動したとき、対称軸３１２から離れるように傾いている。上部外面３２０と内部円錐面３２２との上端は交わり、出力開口３３２を確定する。

内部円錐面３２２は、対称軸３１２の周りに回転した線３２８により確定される。線３２８は、平滑曲線であるが、本開示の他の例では直線であってもよい。平滑曲線３２８は、ベジェ曲線であってよく、その他の平滑曲線の数学的表現であってもよい。少なくもと平滑曲線３２８の大部分は、それに沿って上向きに移動したとき、対称軸３１２から離れていく。平滑曲線３２８の短い上端部は、平滑曲線３２８に沿って上向きに移動したとき、対称軸３１２に向かってもよい。内部円錐面３２２の頂点３３０は、下部外面３０８内の対称軸３１２上にある。頂点３３０は、入力面３０６に接触して又は少し上に有る。

中間面３３４は、下部外面３０８のより大きい上端と、上部外面３２０のより小さい下端との間のギャップをブリッジする。中間面３３４は、下部外面３０８の上端に交わる外周３３６と、上部外面３２０の下端と交わる内周３３８とを有する環帯であってもよい。

本開示のいくつかの例では、光学系２０６は、ＬＥＤダイ１０４の半球状ドームオーバーモールド１０６に匹敵するコンパクトデザインを有する。これにより、光学系２０６は、半球状ドームオーバーモールド１０６のために設計された多くのアプリケーションで使用することができる。

図４は、本開示の例における光学系２０６を通るレイトレーシングを示す。傾斜ウェッジ３０４の平滑曲線３２８（明瞭のため反対側にラベルを付した）は、対称軸３１２から離れた光線の一部を、傾斜ウェッジ３０４の直線状セグメント３２４（明確のため反対側にラベルを付した）に向けて反射する。直線状セグメント３２４は、ついで、対称軸３１２に沿って光線をリダイレクトする。いくつかの他の光線は、対称軸に沿って直線状セグメント３２４によって直接反射されるが、その後、平滑曲線３２４によってわずかに発散される。

図５は、本開示のいくつかの例において、光学系２０６が、半球状ドームオーバーモールド１０６と実質的に同じ高さおよび幅を有することを示す。１任意単位の一辺と１．４任意単位の対角線とを有する正方形ＬＥＤダイ１０４の場合、半球状ドームオーバーモールド１０６は、典型的には、１．４任意単位の高さと、２．５任意単位の幅（直径）とを有する。かかる正方形ＬＥＤダイ１０４の場合、光学系２０６は１．４任意単位の高さと、２．５任意単位の幅（直径）とを有する。

図６は、本開示の例では、切り取られたＣＰＣ３０２を形成するように切り取られる全高ＣＰＣ６００のデザインを示す。ＣＰＣ６００は一般的に、光を放射するためでなく、光を集めるために用いられるので、図６の用語は逆になっている全高ＣＰＣ６００は、ＬＥＤダイ１０４を完全に覆うため１．４１００任意単位の出力サイズと、２．５３８７任意単位ないしほぼ半球状ドームオーバーモールド１０６の高さの入力サイズと、ランバートパターンを放射するＬＥＤダイ１０４からできるだけ多くの光を集める９０°の出力角と、０任意単位のコア長さとを有する。これらのパラメータに基づき、全高ＣＰＣ６００は、５７°の入力角（すなわち、受容角）と、２．９５６０任意単位の全長とを有する。円錐の長さは、傾斜した放物線に追加することができる任意的な直線状セグメントであることに留意されたい。円錐長の値は、出力角の選択に依存し、上記のパラメータの場合は０です。全高ＣＰＣ６００は、半球状ドームオーバーモールド１０６の高さよりも小さい切り取り高さ、例えば０．４ないし１．２任意単位で切り取られ、切り取られたＣＰＣ３０２の上に、傾斜したウェッジ３０４のためのスペースを提供する。切り取られた高さは、さまざまな切り取り高さを有する光学系２０６のレイトレーシングに基づいて選択され得る。

図７は、本開示の例において光学系２０６を形成するために、切り取られたＣＰＣ３０２（点線で示す）に重ね合わされた傾斜ウェッジ７００のデザインを示す。傾斜したウェッジ７００の重ね合わされた部分が、傾斜したウェッジ３０４を形成する。上述したように、傾斜したウェッジ３０４は、直線状セグメント３２４および平滑曲線３２８を対称軸３１２の周りに回転させることによって画定される。ベジェ曲線として確定されるとき、平滑曲線３２８は、始点７０２、終点７０４、および２つの制御点７０６，７０８を含む。始点７０２は、得られる傾斜したウェッジ３０４が、半球状ドームオーバーモールド１０６と同様の高さおよび幅を有するように選択される。例えば、始点７０２はＺ方向の１．３５７４任意単位に位置し、Ｙ方向の１．１５７４任意単位に位置し、終点７０４は原点に位置する。制御点７０６により、平滑曲線３２８の短い上端部は、平滑曲線３２８に沿って上向きに移動したとき、対称軸３１２に向かってもよい。制御点７０６の接線角度は−１３２．７１度であり、接線の長さは０．１５４９０任意単位であり、加重は０．５５５１９である。制御点７０８により、平滑曲線３２８の大部分は、それに沿って上向きに移動したとき、対称軸３１２から離れる。制御点７０８の接線角度は６．５２４４度であり、接線の長さは０．８２２３６任意単位であり、加重は０．５４７４７である。開始点と終了点の接線モードは、曲線３２８が、制御点７０６と７０８にどれほど接近しているか記述し、これは曲線の残りの部分に滑らかにフィットするように自由に確定するか、または自動的に確定することができることに留意されたい。

直線状セグメント３２４は、（平滑曲線３２８と共有される）始点７０２および終点７１０を有する。出力開口３３２（図３）の周辺に沿った鋭いエッジを回避するために、傾斜したウェッジ３０４を始点７０２の周りで丸めることができる。傾斜したウェッジ３０４は、切り取られたＣＰＣ３０２の頂部に形成されるので、端点７１０は切り取られたＣＰＣ３０２の切り取り高さを有する。直線状セグメント３２４は、ＬＥＤダイ１０４の側面の始点７０２から終点７１２に延在する線の一部である。言い換えれば、傾斜ウェッジ７００の下端は、ＬＥＤダイ１０４の上面の内側に位置する。

図８、９および１０は、本開示の例における、強度スライスにおけるファーフィールド強度分布と、断面におけるファーフィールド強度分布と、光学系２０６のファーフィールド強度分布を示す。光学系２０６は、２５５．６８ルーメンの合計収集パワー、７．３５３３の収集効率、および１５８．７５カンデラの最大強度を有する。これらの数値は半球状ドームオーバーモールド１０６とほぼ同様である。これは、２６３．０７ルーメンの合計収集パワー、７．５６５８の収集効率、および７２，２６７カンデラの最大強度を有する。半球状ドームオーバーモールド１０６とは異なり、図８は、光学系２０６が高度のコリメーションを有することを示している。半球状ドームオーバーモールド１０６と同じ高さを有する切り取りＣＰＣ及び全高ＣＰＣとは異なり、図９および図１０は、光学系２０６がダークセンターを有さないことを示している。したがって、光学系２０６は、半球状ドームオーバーモールド１０６、全高ＣＰＣ、または半球状ドームオーバーモールド１０６と同じ高さを有する切り取りＣＰＣより優れた性能を有するコンパクトな設計を有する。

開示された実施形態の他の様々な適合および特徴の組み合わせは、本発明の範囲内である。多数の実施形態は、以下の特許請求の範囲によって包含される。

Claims

光学系であって、
入力面と、
対称軸を中心として回転したパラボラセグメントにより確定される下部外面であって、前記パラボラセグメントは、光軸に沿って上向きに移動するとき、前記対称軸から離れる方向に傾斜する光軸とパラボラの一部を有し、前記下部外面の下端は前記入力面の縁と交わる、下部外面と、
前記下部外面の上の上部外面であって、前記上部外面は前記対称軸を中心に回転される線により確定され、前記線は前記線に沿って上向きに移動するとき前記対称軸から離れる方向に傾斜している、上部外面と、
環帯を含む中間面であって、前記下部外面の上端とつながる外周と、前記下部外面の下端とつながる内周とを有する、中間面と、
前記下部外面と前記上部外面により囲まれた内部円錐面であって、前記内部円錐面は前記対称軸を中心として回転される平滑曲線により確定され、前記平滑曲線の少なくとも過半部分は前記平滑曲線に沿って上向きに移動するとき前記対称軸から離れ、前記内部円錐面は前記対称軸にあり前記下部外面内にある頂点を有し、前記内部円錐面と前記上部外面との上端は交わり、出力開口を確定する、内部円錐面と
を有する光学系。
下部外面は切り取られた３次元複合放物面集光器を含む、
請求項１に記載の光学系。
前記入力面は、１任意単位の側面と１．４１任意単位の対角線とを有するＬＥＤダイを完全に覆い、
前記切り取られた３次元複合放物面集光器は、２．５４任意単位の入力直径、１．４１任意単位の出力直径、５７度の入力角、９０度の出力角、２．９６任意単位の全長、０．４ないし１．２任意単位の切り取り高さを有する、
請求項２に記載の光学系。
前記上部外面と前記内部円錐面とは３次元の傾斜したウェッジを含む、
請求項１に記載の光学系。
前記入力面は、１任意単位の側面と１．４１任意単位の対角線とを有するＬＥＤダイを完全に覆い、
前記平滑曲線はベジェ曲線であり、終点と、始点からＺ方向の１．３５任意単位、Ｙ方向に１．１６任意単位にある前記始点と、２つの制御点とを有する、
請求項４に記載の光学系。
ＬＥＤダイと、
前記ＬＥＤダイ上の光学系とを有し、前記光学系は、
入力面と、
対称軸を中心として回転したパラボラセグメントにより確定される下部外面であって、前記パラボラセグメントは、光軸に沿って上向きに移動するとき、前記対称軸から離れる方向に傾斜する光軸とパラボラの一部を有し、前記下部外面の下端は前記入力面の縁と交わる、下部外面と、
前記下部外面の上の上部外面であって、前記上部外面は前記対称軸を中心に回転される線により確定され、前記線は前記線に沿って上向きに移動するとき前記対称軸から離れる方向に傾斜している、上部外面と、
環帯を含む中間面であって、前記下部外面の上端とつながる外周と、前記下部外面の下端とつながる内周とを有する、中間面と、
前記下部外面と前記上部外面により囲まれた内部円錐面であって、前記内部円錐面は前記対称軸を中心として回転される平滑曲線により確定され、前記平滑曲線の少なくとも過半部分は前記平滑曲線に沿って上向きに移動するとき前記対称軸から離れ、前記内部円錐面は前記対称軸にあり前記下部外面内にある頂点を有し、前記内部円錐面と前記上部外面との上端は交わり、出力開口を確定する、内部円錐面と
を有する光学系とを有する、
発光ダイオード（ＬＥＤ）パッケージ。
前記内部円錐面は前記対称軸にあり、前記下部外面内にある頂点を有し、前記内部円錐面の上端と前記上部外面とが交わり出力開口を確定する、
請求項６に記載のＬＥＤパッケージ。
前記下部外面は切り取られた３次元複合放物面集光器を含み、
前記入力面は、１任意単位の側面と１．４１任意単位の対角線とを有するＬＥＤダイを完全に覆い、
前記切り取られた３次元複合放物面集光器は、２．５４任意単位の入力直径、１．４１任意単位の出力直径、５７度の入力角、９０度の出力角、２．９６任意単位の全長、０．４ないし１．２任意単位の切り取り高さを有する、
請求項６に記載のＬＥＤパッケージ。
前記入力面は、１任意単位の側面と１．４１任意単位の対角線とを有するＬＥＤダイを完全に覆い、
前記平滑曲線はベジェ曲線であり、終点と、始点からＺ方向の１．３５任意単位、Ｙ方向に１．１６任意単位にある前記始点と、２つの制御点とを有する、
請求項８に記載のＬＥＤパッケージ。
ヒートシンクをさらに有し、
前記ＬＥＤダイは前記ヒートシンクに取り付けられる、
請求項６に記載のＬＥＤパッケージ。
発光ダイオードまたはデバイス（ＬＥＤ）パッケージを生産する方法であって、
ＬＥＤダイを設けるステップと、
前記ＬＥＤダイ上に主光学系を印刷するステップであって、
３次元複合放物面集光器を有する前記主光学系の底部および下部を形成するステップであって、前記３次元複合放物面集光器は、
入力面と、
対称軸を中心として回転したパラボラセグメントにより確定される下部外面であって、前記パラボラセグメントは、光軸に沿って上向きに移動するとき、前記対称軸から離れる方向に傾斜する光軸とパラボラの一部を有し、前記下部外面の下端は前記入力面の縁と交わる、下部外面とを有する、形成するステップと
３次元傾斜ウェッジを有する前記主光学系の上部および内部を形成するステップであって、前記３次元傾斜ウェッジは、
前記下部外面の上の上部外面であって、前記上部外面は前記対称軸を中心に回転される線により確定され、前記線は前記線に沿って上向きに移動するとき前記対称軸から離れる方向に傾斜している、上部外面と、
環帯を含む中間面であって、前記下部外面の上端とつながる外周と、前記下部外面の下端とつながる内周とを有する、中間面と、
前記下部外面と前記上部外面により囲まれた内部円錐面であって、前記内部円錐面は前記対称軸を中心として回転される平滑曲線により確定され、前記平滑曲線の少なくとも過半部分は前記平滑曲線に沿って上向きに移動するとき前記対称軸から離れる、形成するステップと
を含む方法。
前記内部円錐面は前記対称軸にあり、前記下部外面内にある頂点を有し、前記内部円錐面と前記上部外面との上端がつながり出力開口を確定する、
請求項１１に記載の方法。
前記下部外面は切り取られた３次元複合放物面集光器を含み、
前記入力面は、１任意単位の側面と１．４１任意単位の対角線とを有するＬＥＤダイを完全に覆い、
切り取られた前記３次元複合放物面集光器は、２．５４任意単位の入力直径、１．４１任意単位の出力直径、５７度の入力角、９０度の出力角、２．９６任意単位の全長、０．４ないし１．２任意単位の切り取り高さを有する、
請求項１１に記載の方法。
前記入力面は、１任意単位の側面と１．４１任意単位の対角線とを有するＬＥＤダイを完全に覆い、
前記平滑曲線はベジェ曲線であり、終点と、始点からＺ方向の１．３５任意単位、Ｙ方向に１．１６任意単位にある前記始点と、２つの制御点とを有する、
請求項１１に記載の方法。
前記ＬＥＤダイをヒートシンク上に取り付けるステップをさらに含む、
請求項１１に記載の方法。