TWI343463B - Light engine - Google Patents

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TWI343463B
TWI343463B TW094126390A TW94126390A TWI343463B TW I343463 B TWI343463 B TW I343463B TW 094126390 A TW094126390 A TW 094126390A TW 94126390 A TW94126390 A TW 94126390A TW I343463 B TWI343463 B TW I343463B
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Description

1343463 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種包含一腔室之光引擎，至少一孔徑及 許多LED元件位於該腔室内。 【先前技術】 存在對高度強烈且高度光亮之局部光源的普遍需要是為 了（例如）將該光耦合成一光纖或耦合成複數個光纖，進而 允許遠離單一光源傳輸光至若干遠程位置，例如至許多汽 鲁 4前燈/尾燈等等，或者（例如）根據某些所要規格，為了使 發射光束成形及/或準直，直接發射非常明亮之集中光束 至外界中或一些光導實施例中或準直元件令。一實例為包 含單一強光源之光引擎，例如HID燈。用通常包含至少一 拋物面鏡及一準直透鏡之二級光學器件，將來自光源之光 投射及聚焦至供光傳輸用之光纖陣列上。後者之實例包括 顯示器背光及汽車前燈。最近幾年，由於當與傳統光源相 比較時LED光源之一些熟知優點，人們對使用LED光源代 • 替傳統光源之興趣已顯著增加。 過去十年，關於LED(尤其是固態無機LED)之設計及製 造之技術已迅速改良達到現可在稍超過4〇流明/瓦之效率 下製造無機白色發光led的程度。此明顯優於傳統白熾燈 (最夕1 6流明/瓦）及大部分鹵素燈（最多3 〇_3 5流明/瓦）。來 自單一 LED晶粒之流明輸出（jumen 〇叫叫現已增加至遠超 過100流明且預期幾年内在每LED晶粒27瓦之輸入功率下 應可旎達到75流明/瓦之效率，從而得出2〇〇流明/LED。另 I04000.doc 1343463 一方面’在通往可預知之未來中用於照明目的之普通lEd 應用的道路上，每個LED晶粒之有限發光輸出仍存在有待 克服之困難。普通照明源必須產生在5004〇〇〇流明範圍内 之光通量供家庭用’且產生在1000-3000流明範圍内之光 通量供辦公用，意即普通白熾及螢光照明源之電流輸出。 當自高達幾十個LED晶粒輸出之光與單一燈具結合時，此 僅可用LED來完成’從而產生所謂之光引擎。在其自身 内’此應該不成問題’然而，當需要高亮度光源時，其開 始成為問題’因為（例如）來自所有經組合之Led之發射光 必須借助於小尺寸緊密準直元件加以校準。後者之熟知實 例為汽車前燈。在此，人們通常利用發射約丨5〇〇流明之H7 鹵素燈（55 W輸入功率）。在約3〇 Mcd/m2之亮度下發射此 等流明。在使用氙HID燈的情況下，可達成亮度增至約8〇 Mcd/m2。相反，當使單_ 1 mm2 lED晶粒發射5〇流明白光 時’其為使用當前可用之技術可達成之最好效果，單一晶 粒之受度僅為8 Mcd/m2，仍比鹵素燈之亮度低幾倍且比習 知HID燈之亮度低一數量級。當需要多個LED晶粒時，歸 因於相鄰晶粒間之必要間距，情況顯著變壞。 於US 6,402,347中揭示LED光引擎（亦稱為，，光產生器"）之 一實例，其能夠將自各種L£D晶粒輸出之光結合在一起以 達成發射光之單一集中（準直）光束。其中，將個別LED元 件安裝在一背板上，每一該等LED元件均配備有一準直圓 頂。鄰近對準之菲涅耳（Fresnel)透鏡用於將個別led光束 投射至單一輸出元件上，例如光學光導。該系統之一主要 I04000.doc 1343463 問題為巨大光損失，歸因於來自各種光學介面之反射，其 可總計高達約60%,該光引擎之其它缺點為：其主體、及 對二級光學器件之精確對準的需要、該光引擎之成本增 加。到目前為止，該LED光引擎之尺寸及成本遠超過一般 高強度光源之尺寸及成本。 【發明内容】 因此’本發明之一目的係提供一基於led之光引擎，其 製造更容易、更廉價，具有緊密尺寸，且展示比已知基於 LED之光引擎更好之效能。 為此，本發明提供一包含一腔室之光引擎，至少一孔徑 及許多LED元件位於該腔室内部，其中該腔室之所有内表 面被有效地實現為在所要波長區域（尤其是可見區域、uv 區域及/或紅外線區域）内對光基本上非吸收之高反射性表 面，較佳為漫反射性（亦稱為”白反射性，，）表面。術語"高反 射性"應被理解為反射率接近1〇〇% ,較佳295%，更佳 之98%。 根據本發明，若未被LED元件佔用之所有内表面（包括 L E D元件間之表面積）為高反射性表面，則或許在多次、可 能無數次反射之後’基本上所有由LED元件發射之光將通 過該孔徑離開該腔室。此種光在腔室内部多次反射之現象 被認為疋内部光再#環"。在該構造中，每一内腔室表面 有效為發射性表面，無論其自身發射光（此係led元件之表 面的情況）還疋反射光。根據本發明之光引擎不包含來自 先前技術光引擎之内部二級光學器件，且因此製造更便 104000.doc 1343463 攀
可具備外部二級光學器 ，以使來自光引擎之發 且。必要時，根據本發明之光引擎 件，較佳提供於接近光引擎孔徑處 射光束成形及/或準直。
:以此種方式設計、構造為"積光球”或所謂”烏而伯利 特⑼Mcht)球"之腔室中，到目前為止由腔室内咖發射 之先的最大部分將確實通過孔徑離開腔室。顯然整個光 W之效率最終取決於腔室之内表面之可達到的反射率。 ，官内表面之反射h可能達到正好職，但是仍可相 當好地接近該極限。在下文中，證明用根據本發明之光引 擎可達到異常優良之效m最終達到之值將始終取決 於光引擎之精確構造參數，諸如腔室内之led裝填密度、 led之反射率及孔徑開口與光引擎曝露於光之整個内表面 積相比之尺寸n應選擇精確構造參數以適合所要應 用0 在下文中，假設LED為固態無機晶粒，因為此等晶粒當 刖可用且具有充足發光強度 '然@，可使用任何其它電致 發光元件’例如’雷射二極體、其它類型半導體發光元件 或有機LED，只要此等元件釋放充足效能。因此，下文中 將認為術語"LED"是任何類型之適當電致發光元件之同義 詞0 附屬項及隨後說明揭示本發明之特別有利實施例及特 徵。 内表面之反射率可基本上以任何方式達成。唯一關鍵在 於反射率足夠高’較佳298。/。。較佳地，可藉由在腔室壁 I04000.doc 1343463 之内表面上分佈漫反射材料來實現高反射性表面。例如， 内表面可塗有適當材料，該材料呈足夠厚之顆粒/黏合劑 塗層的形態。 在本發明之特別較佳實施例中，漫反射材料封圍於腔室 •^之内表面與至少在所要波長區域中透明之蓋板之間。漫 反射材料因而，，夾於”腔室壁之内表面與透明蓋板之間。該 構造允許使用漫反射材料，諸如反射性乾粉，較佳為自由 流動粉末。適宜之反射性白色粉末可包含諸如八丨2〇3、 YB〇3、BaS04、Τι02、焦磷酸鈣、函代磷酸鈣、Mg〇之無 機顆粒，或此等顆粒之混合物。沒有任何有機黏合劑材料 會增加粉末顆粒之反射率及避免隨時間流逝之逐漸變色。 尤其推薦使用平均顆粒直徑為5_15μηι之焦磷酸鈣是因為其 廉價及現成可用性；化學純度；耐高溫（>1〇〇〇!>c)性；當 ”大’力1 /〇 w/w Alon-C奈米顆粒（意即德國DegUssa GmbH的 A丨2〇3奈米顆粒）混合時其表現為自由流動粉末之能力，該 能力可用於致能用乾粉顆粒輕鬆填充腔室壁之内表面與蓋 板之間相對狹窄之空間；及在9〇(rc退火後其經證實之對 於可見光之非吸收特性。關於焦磷酸鈣粉末，反射粉末層 應較佳具有至少2 mm之厚度以達到至少98_99%之反射 率。 關於將輸入功率轉化成光，為了獲得最大可能效率，需 要產生於LEDit件内部之盡可能多的光實際上離開led進 入腔室内部。由於發生在LED晶粒表面與環境間之邊界層 處的内反射，此並非沒有問題。因此，在本發明之較佳實 I04000.doc 1343463 施例中，光引擎包含用於增強由led元件發射至腔室内之 光之外搞合（outcoupling)的外輕合構件。 •. 外耦合構件可包括例如由聚矽氧樹脂及/或一些有機聚 ， 合材料製得之透明圓頂，每一該等透明圓頂以光學方式連 接至一相關LED元件之發光表面。較佳地當蓋板用於覆 蓋腔室壁，LED元件及/或LED裝置體安裝於該腔室壁上， 並用於覆蓋/夾住漫反射白色材料時，該等圓頂通過蓋板 中之孔伸出。LED元件周圍該等透明圓頂之存在促進來自 # LED晶粒之光外耦合。另一方面，其存在可不利影響光引 擎内腔室内部可實現之内部光再循環之效率。視LED特性 及有關波長而定，光吸收可發生於該等圓頂之底部，該等 圓頂位於相關LED元件内部或直接鄰接於相關LED元件。 此外，光引擎内部上之高反射性塗層僅存在於位於該等圓 頂之間的内壁表面積上，該等圓頂具有比相關LED晶粒自 身之截面顯著更大之截面。 因此，在一替代性實施例中，完全省略LED圓頂。於是 鲁 白反射塗層可應用於LED晶粒元件之間，且當與使用圓頂 之情況比較將覆蓋内壁表面積之實質上更大部分。由於來 自裸LED晶粒之光外耦合本質上效率更低，曝露之LED晶 粒表面較佳由透明散射塗層所覆蓋，該塗層與晶粒處於光 學接觸，或直接將微觀結構應用於LED晶粒表面。此等後 者方法促進來自LED晶粒之光外搞合。 在-最佳實施例中，覆蓋反射材料之透明蓋板亦覆蓋 LED元件，且外耦合構件包括許多透明外耦合元件，每一 104000.doc • 10-
件自相關LED元件之發光表面延伸至透明蓋 板。藉此，光皋谈曰“ k、π主达明盍 九千透明外耦合元件自身可組成蓋板之部分。 八而卜耦D 70件杈佳具有在外耦合元件與透明蓋板間之 處比在外轉合元件與相關LED元件間之介面處更寬之 橫截面:例如，透明外輕合㈣可具有圓錐形、拋物線或 錐形形4，其以在面向遠離相關led元件之方向中變寬之 =面為特徵。該形態確保透明外Μ合元件不僅有助於外輕 合產生於LED晶粒中之光並如同光導體__般通過透明蓋板 將光傳導至腔室内部巾，而且有助於充當led之準直儀， 限制LED之發射角。
基本上可使用任何LED元件，例如由光轉換物質（通常稱 作螢光或僅"碟光體”塗層）所塗覆之LED晶粒。該等led之 磷光體塗層確保將LED以一定波長發射之光的至少一部分 轉換成不同波長，因此總體上發射具有所要波長特性（即 一定顏色）之光。光學干擾層可配置於LED晶粒與塗覆在 LED晶粒表面上之磷光體之間，其用以促進產生於LED晶 粒内部之光傳輸至磷光體層中並用以減少經磷光體轉換之 光自磷光體層傳輸至LED晶粒中。 在使用磷光體轉換LED的情況下，諸如磷光顆粒之光轉 換物質可分佈於反射材料上或反射材料中，例如白反射粉 末，其作為粒子/黏合劑塗層分佈於腔室壁之内表面上或 作為無黏合劑乾粉層夹於腔室壁之内表面與透明蓋板之 間》從加工/裝填觀點，此不僅更容易、更廉價，而且提 供阻礙磷光體飽和現象之策略且應有助於提高來自晶粒之 104000.doc 1343463 流明輸出。通過例如簡單混合乾粉而在漫反射白色粉末中 併入磷光體，簡化了 led元件之製造且避免高光強度下之 . 填光體飽和’因為較大量磷光體可接著擴展越過相對大的 - 表面積°漫反射白色粉末層或漫反射粒子/黏合劑塗層t 之碟光體之量及定位可經最優化以便獲得適宜之色點。在 此情況下，亦可使用無磷光體元件。 另外或其他，可使用具有不同波長特性（例如紅色、綠 色、藍色）之LED元件，其按需要定位於光引擎内。當利用 • 根據本發明之光引擎時，足夠色彩混合之問題自動得到解 決，因為自外部不可直接觀察到個別LED晶粒且由内部光 再循環過程處理内部色彩混合。 孔徑基本上可由腔室壁中之簡單開口組成。稍後將詳細 論述孔徑參數對光引擎效能之影響。光導體元件可配置於 接近孔徑處、孔徑中或孔徑上，例如光纖或類似物，產生 於光引擎中之光被限制在其中。在本發明之較佳實施例 中，光束形成元件配置於孔徑中或接近孔徑處。例如呈透 Φ 1兄®錐开，元件、錐體元件或抛物線元件形態之光準直元 件尤其受到#睞。言玄準直元件纟通過孔徑離開 < 光在已界 定發射角内準直及’或在已界定空間/角光強度分佈圖案内 成形。 --* V /八刁〜 損失最小，該等光學介面例如腔室内部與透明笔 /或腔室内部與外麵合構件之間及/或腔室内部：安置二 引擎孔k處之準直凡件之間及/或腔室内部與晶粒表 I04000.doc 12 之間的介面’較佳用一材料填充該腔室，該材料具有接 近’或更佳匹配透明蓋板之折射率及/或外耦合構件之折 射率及/或準直元件之折射率及/或LED元件之折射率的折 射率’且该材料因此對於可見光及/或對於產生於内部且 自led晶粒發射之光降低或甚至消除各種光學介面之"光 學可見性”。 該材料可為有機介質，諸如透明液體，特別是油；固體 樹脂，尤其是聚矽氧樹脂，其具有所要（匹配）折射率，且 其對於可見光及/或對於產生於内部且自LED晶粒發射之光 較佳為大體上非吸收的。當空腔内部之填充材料與光學元 件處於光學接觸時，該方法亦使來自定位於光引擎之孔徑 處之光學元件的菲涅耳（Fresnel)反射最小。當材料為亦用 於LED το件之前端冷卻之液體材料時，獲得一較佳實施 例。較佳地，為了增加流體之冷卻效應，接著在光引擎空 腔與一些額外外部冷卻裝置之間抽吸該液體材料使其成為 流體。 根據本發明之光引擎可用於任何led照明器應用，其特 徵在於該照明器具有有限面積之光輸出孔徑，其具有可調 整亮度及顏色之光(輸出光束，自該孔徑可將光傳輸至若干 遠程位置，尤其在諸如汽車前燈之汽車光系統中。藉由改 變傳送至光引擎内部個別LED元件之電功率可便利地調整 發射光輪出光束之亮度。在光引擎内部存在不同波長特性 LED元件（例如紅色、綠色及藍色LED元件）的情況下，亦 可藉由改變傳送至㈣L E D元件之電功率來調整發射光輸 I04000.doc 13 1343463 出光束之顏色。 【實施方式】 為清楚起見’已選擇圖中物件之尺寸且該等尺寸不一定 反映實際相對尺寸。 圖1及2表示根據本發明之光引擎之尤其較佳實施例，藉 此圖1表示通過整個光引擎之戴面，且圖2表示通過腔室壁 之放大裁面。
光引擎1包括-（例如）以矩形或圓柱形樣式建構之腔室 6。表面積為Aexit之開口或孔徑7位於腔室6之頂部且連接 至準直件8。LED元件13定位於腔室6之内壁1〇上距彼此 -定距離處’意即在特殊柵格中，沿著套且在與孔徑7相 對之内表面上。此等LED元件13經由外耦合元件15連接至 透明蓋板11。 忒透明盍板11定位於腔室6中距腔室6之内壁一定距離 處。透明蓋板丨1覆蓋腔室ό之所有壁10，包括具有孔徑7之 頂側以/曼反射白色粉末填充透明蓋板11與腔室6之壁1 〇 之内表面之間的間隙。白色粉末之適宜候選物為八丨2〇3、 Τι02、ΥΒ〇3 ' BaS04、焦磷酸鈣、鹵代磷酸鈣或Mg〇。透 明蓋板11之適宜材料包括PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯）、 PC(聚碳酸酯）、樹脂聚矽氧化合物，及玻璃。該構造確保 腔室6之所有未被LED晶粒佔有之内表面20為高反射性表 面。 在圖2中可詳細看到該等壁之構造。在此，在安裝塊】4 上安聢個別LED晶粒1 3，較佳地，該等安裝塊亦以LED晶 104000 doc 14 2周圍之反射頂面為特徵。透明截頂反向錐體或錐形物充 …學方式搞合於透明蓋板u之外麵合元件15。此外，
Si::合凡件15藉由樹脂或-些其他適宜之膠狀材料以 風子’耦合於LED晶粒13。代替用樹脂或類似材料以光 干方切此等外麵合元件⑽合於透明蓋板u，較佳亦可 將邊專外搞合元件直接形成為透明蓋板Η之部分。外轉合 疋件15朝著光引擎1之内部9導弓丨已發射光。圓錐形外心 :件15之截面在向遠離相關led晶粒13之方向中變寬。較 佳地’外耗合元件15以關於垂直線在5。與65。之間的傾角 為特徵’更佳以關於垂直線在2G。與5Q。之間的傾角為特 徵，最佳以關於垂直線約45。之傾角為特徵。 透明蓋板11與腔室6之非透明外壁1〇之内表面之間的距 離’意即漫反射粉末層12之厚度，較佳約為2-3_。粉末 層12提供腔室6之高反射性表面2〇，該等表面致能内部光 再循環。在孔徑7上配置一準直元件8，且其由(例如)透明 塑料材料製成’且接收自光引擎1之孔徑7發射之光。選擇 準直7L件8之形狀，以使得大體上沒有光以大於關於發射 光束之傳播方向所量測之準直半角、的角自準直元件名之 出口表面發射。 為了改良自透明蓋板丨丨至腔室6之内部中的光外耦合， 且為了簡化自腔室6至準直元件8中之光轉合，以固體或液 體媒介22填充整個腔室6之内部9，該媒介具有接近，或更 佳地匹配透明蓋板1丨之折射率且亦可能匹配準直元件8之 折射率的折射率。II此避免或至少減少在邊界介面蓋板" I04000.doc 15 1343463 與媒介22之間的邊界介面處及在準直元件8與媒介22之間 的界面處引發不良光損失之發射。在媒介22為液體媒介之 情況下，液體亦可用於前端LED冷卻目的，例如藉由在腔 室9與外部冷卻裝置之間抽吸液體媒介22。 圖3展示腔室6之壁1〇之内表面的稍微修改的構造。在 此’將LED晶粒13直接安裝在腔室壁1〇之内表面上。將一 光學接觸層16定位於每個LED晶粒13上。該接觸層16可包 含散射顆粒以促進自LED晶粒1 3之光外耦合。透明蓋板i i 以方塊形外柄合元件1 5 ’為特徵，其自透明蓋板11向晶 粒丨3伸出，充當延伸物或橋狀物’且提供與接觸層16之光 學接觸。透明蓋板11與壁丨〇之内表面間之間隙在此亦由反 射性白色乾粉12所填充。 圖4展示另外可能之構造。如圖3中—般，晶粒1 3定 位於内壁10上。為促進LED晶粒13通過LED晶粒表面發射 之光的外耦合，LED晶粒1 3較佳由與LED晶粒表面處於光 子接觸之透明散射層17所環繞，進而促進自LED晶粒13至 腔室6中之光外耦合。高度漫反射性白色顆粒/黏合劑層j 8 覆蓋内壁10之位於個別LED晶粒13間之表面。 在圖5中，可看到另外可能之構造，其中將裝置體 23安裝在外壁1〇之内表面上，每個LED裝置體具有一 [ED 晶粒元件（在圖中未展示）。LED晶粒元件自身封圍於LED 圓頂19中，其確保自LED晶粒發射之光之良好外耦合。具 有呈柵格圖案之適宜開口之蓋板21覆蓋LED裝置體23, LED圓頂19通過該等開口伸出。肖具有足夠厚度以得到高 16 I04000.doc
1343463 反射性塗層18之白色漫反射顆粒/黏合劑塗層丨8覆蓋蓋板 - 2丨在LED圓頂19之間的表面。 在圖6中展示光引擎2之另外實例構造。其與圖丨中所示 貫例間之基本差異係腔室6與圖1中光引擎丨之腔室構造不 同。在此，腔室6以底壁10為特徵，如圖丨所示之實例中一 樣在其上安裝個別LED。然而，側壁i〇,現自底壁丨〇向孔徑 7成圓錐形延伸。沒有LED定位於此等側壁i 〇.上。為得到 所要高反射性内表面20，透明蓋板11(至於底壁1〇)配置於 # 距側壁10’之内側約2·3爪爪之距離處，且透明蓋板11與側 壁10'之間的空間’以及LED安裝元件14、晶粒π及外耗合 元件15之間的底壁10與蓋板n之間的空間均由高反射性白 色粉末1 2所填充。此外’將準直元件8配置於孔徑7處。該 光引擎2優於光引擎1之優點在於其體積減小，詳言之，在 於其高度減小。另一方面’相對於腔室内壁之總面積， LED元件之數量更低，因為LED元件不佔有側壁10,。 在圖7中展示根據本發明之光引擎3之另外實施例。該光 _ 引擎3之外殼6以與光引擎2之外殼相同之幾何形狀為特 徵。然而，以圖5中所示之相同方式將LED元件安裝在基 底10上，意即支撐LED圓頂19之LED裝置體23，佔有基底 1 0，LED晶粒（在圖中未展示）封圍於該等LED圓頂中。以 白色漫反射塗層18覆蓋其上安裝了 LED之基底壁10之表面 以及LED裝置體23之側壁及頂部，僅讓伸出之圓頂19保持 不被塗覆。具有呈柵格圖案之適宜開口之透明蓋板111覆蓋 LED裝置體23，LED圓頂19通過該等開口伸出。該透明蓋 I04000.doc 1343463 板1 1'與外壁1 〇之内表面之間的空間由反射性白色乾粉12所 填充。以與圖6之光引擎2相同的方式建構具有配置於側壁 1 〇'之内表面與透明蓋板11之間的反射材料12之逐漸朝孔徑 7變窄的圓錐形側壁1〇,。 圖8展示根據本發明之光引擎4之另外實施例，關於外殼 6 ’其係以與圖7中所描述之實例相似之方式建構。然而不 同於圖7中之實例，在此既不使用透明蓋板11 '，也不使用 反射性白色乾粉丨2。實情為，圓錐形腔室壁1 〇,現亦在内側 由漫反射顆粒/黏合劑層丨8所覆蓋，以得到高反射性表面 20 °另外’白色漫反射顆粒/黏合劑層丨8存在於腔室壁！ 〇 之内表面上’且存在於LED裝置體23位於透明圓頂19之間 的表面上。 圖9展不根據本發明之光引擎5之另外實施例，其基本上 僅在腔室ό之外形上不同於圖1及圖6中之實例。腔室6之下 部為圓柱形或矩形，具有一基底壁1〇及側壁1〇，該等壁均 被按一定柵格圖案配置之LED元件13佔有。腔室6之上部 以圖6中之光引擎2之成圓錐形形成之側壁1 0,相同之方式朝 孔徑7成圓錐形逐漸變窄。腔室6之上部該圓錐形壁10|在内 邰未被LED元件i 3佔有，僅具有高反射性表面2〇。該高反 射^表面2 G再_人由配置於距壁1 Q、⑺,—距離處之透明蓋板 1及填充土 1 0、1 〇’之内表面與蓋板π之間的空間之白色反 射性粉末12形成。 在圖6至9所示之所有情況中，腔室6之内部9較佳由具有 k且折射率之固體或液體媒介所填充，如關於圖1之光 I04000.doc •18- 1343463 諺 弓丨擎1所描述。 …* π〜，丨部琛何
“大。此外"必須強調孔徑7不一定必須為側壁中之圓形 開口’且其不必具有光學元件8。任何㈣，較佳相對小 尺寸之側壁’彳完全不計構造，從而㈣孔徑7。此由圖 Μ中簡化*意圖之ΒΜ主形腔室6來展示。基本上，該腔室6 可具有任何基本表面幾何形狀’例如在相對側上之孔徑。 例如，人們亦可設想狹長之光引擎立方體，其兩個小表面 均向外界開放。此取決於光引擎之預期功能，及光引擎操 作之空間約束。 精確構造參數，諸如腔室幾何形狀、腔室中之LED元件 之數量、孔徑尺寸等，取決於諸如光引擎之最大尺寸及所 要輸出參數之約束。因此，下文描述可得到之輸出參數如 何取決於光引擎之構造參數：
認為圖1中描述之光引擎箱具有表面積為心化之單—孔 或出口 7’及包括出口表面積Aexil之總内部表面積 Aengine。假如將總數NLED個個別LED晶粒元件1 3(各具有~ (投射）平坦頂部區域ALED)安裝在光引擎〗之壁1〇之内表面 上。假定每個LED元件1 3具有反射率rled並自其晶粒區域 ALED發射流明通量(j)LED。反射率為Rwall之白色漫反射壁2〇 橫向存在於LED元件13周圍。 經由孔徑出口 7逸出至外部之在内部產生光之透射分率τ 由以下級數得出： I04000.doc 19 1343463 丁 _ —A 咖
A engine
A exit R A exit _
A
V exit engine 其中，”孔徑分率 等於
A engine A.
A
engine J R2 + av . 卞· Λ engine
Aengine f 1-RavO-f) (1) 藉此，Rav根據下式表示光引擎内壁表面之非出口部分 之平均内部反射率Rav Rav =^HgjVEDRLED +(Aenguie -Aexi, -NledAled]r wall Δ _ Δ engine ^cxi( (2) = ®ledRled +0~^led)r, 其中
’LED
N LED A LED
A engine -Ae
Xlt (3) 表不由LED元件13覆蓋之内部反射光引 jine ^ e n g i i
Aexit之分率。 以上方程式並不假定任何特殊形狀之内部光引擎壁。另 一方面’方程式⑴中之級數展開僅適用於小孔徑分率f。 在光引擎包含單一平坦發光表面之極端情况下，具有最大 值㈣.5,且根據界定十丨，因為在發光源之傳輸道路中 沒有反 '表面。在此情況下’方程式⑴錯誤地預測到 τ<ι，但是只要Rav>()_9()誤差仍非實f性的，可容 Rav>0.90° 勿運到 對於實際光弓丨擎’應較佳保持上限⑽〇4,但 本發明之光引擎之概㈣於『之較小值明顯更有興趣 如’體現為在其六面之僅—面 万形立方體的光 I04000.doc -20· 弓丨擎具有孔徑分率f=0.丨7。藉由使得立方體更為矩形化同 時保持其兩小面之僅一面開放，可容易獲得孔徑分率[之 幸父小值。在本發明之較佳實施例中，孔徑分率f應為 S0.15，更佳<0.1。例如’根據圖i之具有2 em直徑、3 cm 腔至長度及1 cm孔徑直徑之光引擎1具有孔徑分率f=〇.〇3。 在Rled-Rwall = Rav=i的情況下，對於任何任意小的孔徑 分率f ’不存在光損失且根據方程式（1)獲得T=1。當 時，理淪上將允許產生極高亮度等級。然而，實際上此係 不可能的，因為光損失決不可完全避免。 因此’亦關心對於光引擎1之孔徑出口 7處可獲得之亮度 作為系統參數之函數導出一方程式。亮度比率B表示相對 於個別LED晶粒元件丨3之亮度等級Bled加以標準化之孔徑 出口 7(假設不存在準直元件8)之亮度Bexit，其自下式得 出： ^ίΕρΦι.ΡΠ g _ ^exii _ A exit
Bled ^led
TNfPnA LED八LED 一 了 NLed Aled Aenfllnc ^ A.v；t A. A — Δ engine 八 exit
A exit f
Ravd-f) Θ 1-f
LED l-RavO-f)
'LED 0-f)e
LED 1 - (l - f )[θ LED R led + 0 - Θ LED )R wall ] (3) 當LED晶粒1 3及孔徑出口 7兩者均發射非準直光時（意即 具有0C = 9O。之藍伯遜（Lambertian)光）時，上式有效。 I04000.doc -21 - 1343463 另外，有盈之舉係導出第二亮度比率L(D之關係，其在 下文令亦稱為”亮度濃度因子"，且 电）:
B (θ〇) B screen (Sc) (4) 其表示發光出口表面（其可為準直元件8之投射發光出口 表面acoi)之亮度Bexit(ec)與表面積·‘之虛 構平坦瑩幕之營幕平均亮度ue)之比率，led元件13 以裝填密度eLED安裝在該虛構平坦螢幕上。在此，假想光
被發射為相對於光束之傳播方向在角度上侷限於準直半角 ec内之準直光束。對於非準直光，θε=9〇0。 亮度漠度因子L(ec)之認識表明，與僅以相同表面裝填密 度將nled個晶粒安裝於平坦發光螢幕上之更簡單情況相比 較’猎由將nled個晶粒一起以表面裝填密度％裝填在光 引擎1内部是否已達成淨光濃度。值咖)> i表明相對光 (亮度）濃縮且值L(ee)<〗表明相對光（亮度）稀釋。顯然，通 吊需要盡可能大，且必然高於1之L(D值。
在使光引擎1發射二維準直光的情況下，如圖^所示， 相關出口表面積變成安裝在光引擎1之孔徑開口 7上之準直 元件8的投射輸出表面、之表面積。按照集光率⑽— 規律’對於給定準直半角ec’在圖i中之光引擎k準直元 件8所需最小輸出表面積有關於孔徑7之輪出面積 Aex"，其係根據： (5) 八。。1=藏 且因此表明在漸減之1下，發射表面八⑶丨必然増大 I04000.doc (§) -22- i 1343463 營幕平均免度等級B（θε)有關於BLED(ec)，其係根 據： B screen (θ c ) = Θ LED B led (Θ c ) ⑹ 根據圖1在光引擎1之實施例令，個別led元件具有呈錐 體外耦。元件1 5形態之準直元件。因此，個別led之視發 光表面積亦增加，但只要滿足在平坦安裝螢幕上之LED裝 填密度約束 eLED <sin2(ec) ⑺ 此等表面積便可直接容納於安裝瑩幕（上文為導出方程 式⑷而界定之表面積為〜…之虛構平坦螢幕）上而無需擴 大螢幕。於是可認為螢幕表面積獨立於匕。 根據上文’且記住m方程式⑷中之u更表 示安裝在光引擎！之孔徑開σ7上之準直元件8之光輸出表 面處的亮度Bcol，由此可見L(0c)可獲 ^^ledVled Bc〇i Ac〇i sin2e„ ^ίΗϋΦίΡη APYit ^ screen ® LED ^ LED 、A LED -_sin θ〇Β (l-f)sin2(ec) eLED '"卜(l-,LEDRLE7T(r^^·] (8) 對於特殊情況ec=9〇。（藍伯遜光），圖Μ示對應於實際 條件之裝填密度θ，ο.()5且反射率Rwa||=G,98且Rl旧〇 5Τ〇 時，對於傳輸Τ及亮度比率Β作為孔徑分率f之函數之計算 值。 ^ 自圖U很明顯’當孔徑分率減少時，在出口可獲得之古 度比率Β增加’雖然光輸出顯著減少，光輸出與離開光;; 104000.doc -23 - 内。卩產生光之傳輸分率τ成比例。因為流明通量及亮 又在/、與孔從分率f之關係中表現出相反趨勢，所以根據下 式界定質量參數Q係有意義的： Q = BT =---- 〇LED(l-f)f _
HeLEDRLED+〇mf)r ⑼ 在圖11中，亦將質量參數Q緣製為孔徑分率f之函數。由 匕圖表，顯然Q在最佳孔徑分率處經歷最大值^ f。^之 值由下式得出：
η 1 — R ορ, (10) vav
Rav由方程式（2)給出。 」而，Q並不強烈取決於接近f=f〇pt之孔徑分率f^在高T 比咼B更為重要之情況下（例如當涉及到普通照明應用）， 建議選擇值f > fupt。當高B比高τ更為重要時，則反之。 圖12展示在裝填密度eLED = 〇 〇5時且對於ι=9〇。，對於 LED及Rwall之各種值，質里參數q因子作為孔徑分率f之函 數之。十介值。（I· 丨丨=〇.98且rled=〇.7; I!: Rwa丨丨= 〇·98且
Rled — 0.5; III: Rwall = 〇.90 且 RLED=〇.5)。對於在匕…周圍之孔 徑分率’質量參數q顯著下降，意即若反射率心印及R㈣丨丨 減少，則曲線變平。 此外’圊13展示在恒定Rwall = 〇.98及RLED = 〇,5時且對於 ec=9〇°，對於各種值eLED質量參數Q作為孔徑分率f之函數 之計算值。如可看出’質量參數q在裝填密度eLED漸增時 在f之整個範圍内增加。 圖14、15及16展示對於孔徑分率f之各種值（在圖14中具 I04000.doc • 24· 1343463 • 有值定裝填密度θ_=〇.()5)，及對於各種值θ咖（在圖15中 -具有恒S孔徑分率㈣.05且在圖16中具有定孔徑分率 f=〇.丨），在實際反射率RwaM=0.98及Rled=0 5時對於光濃度 . 因子L(0C)之計算值。在所有圖形中繪製之線受根據方程2
(7)之約束。 I 顯然，至少對於θ，普通照明應用），使用根據本發 明之光引擎允許在80%流明輸出（意即τ=0 度濃度，其數值高達因子5。同樣，可藉由孔徑分率 • t高亮度濃度因子L，但是以減少流明效率為代價。 如果想當然地總是選擇盡可能高之Rwa丨丨及rled，那麼主 要疋内壁上之LED元件之裝填密度01^〇影響作為孔徑分率f 之函數之效能。將總是不得不在一方面亮度與另一方面流 明效率之間尋找折衷。同樣亦必須考慮總需要流明輸出， 藉此使光引擎之尺寸與總光輸出直接成比例。 在尚流明效率是最重要的情況下’明智之舉係在低㊀㈤ «〇.〇1時選擇孔經分率卜0.10_0.12。此允許丁％〇8及卜 • °·。7,其—時仍比安裝壁之螢幕平均亮度亮七倍。 在㊀。減少但大體上保持下至㈣。時，亮度濃度因子咖） 減少。 在高亮度為最重要的情況下，明智之舉係選擇較高或若 可行甚至更大之LED裝填密度01^〇 % 〇〇5。為提高最大可 後付LED裝填密度，應提供對LED元件之冷卻，例如，如 以上建議藉由匹配折射率冷卻液體。在f % 〇_ i時，有較小 丁 = 〇,65但較高亮度比率B = 〇 3，其在ι=9〇。時仍比安裝壁之 IO4000.doc 1343463 螢幕平均亮度b=gled亮六倍。可藉由減少孔徑分率f下至 (例如）f=0.05來進-步增加亮度。^ w 〇1時，在％增加 時質量參數Q顯著改良。為自根據本發明之光引擎獲得最 大利益，因此在增加eLED高達eLED=010及超過‘=〇丨〇之 等級十分重要。 雖然已經以較佳實施例及其變體之形式揭示本發明，作 是應理解，在不脫離本發明之料的情況下，可對其料 多額外修改及變化。為了清晰起I，亦應理解貫穿本” 案對"―"之使用不排除複數個，且”包含"不排除其他步驟 或元件。 【圖式簡單說明】 :先前併同隨附圖式考量之詳細敘述可清楚瞭解本發明 之，、他目的及特徵。但須知所設計之圖式僅供闈釋之用， t無限制本發明之意。圖式中類似參考符號係指相同元 圖1展示根據本發明之光引擎之第—實 圖2展示根據圖丨之光弓丨擎 像； 施例； 之腔室之壁的一部分之放大影 圖3展示根據本發明之第二實施例之光引擎 之放大部分； 圖4展示根據本發明之第三實施例之光引擎之腔室 之放大部分； 圖5展示根據本發明之第四實施狀光引擎之腔室 之故大部分； 之腔室的壁 的壁 的壁 I04000.doc •26- 圖6展示根據本發明之光引擎之第五實施例； 圖7展示根據本發明之光引擎之第六實施例； 圖8展示根據本發明之光引擎之第七實施例； 圖9展示根據本發明之光引擎之第八實施例； 圖1 〇展不根據本發明之第九實施例之光引擎的腔室形狀 之簡化圖示； 圖1 1係έ兒明孔徑分率f對以下各項之影響的圖： -自光引擎發射之内部產生之光的分率τ; -亮度比率B ’其相對於個別led元件之亮度表示來自 經標準化光引擎之孔徑之發射光束之亮度； -品質參數Q。 圖12係對於内部反射壁表面及led表面之各種反射率展 示品質參數Q對孔徑分率f之依賴性的圖； 圖13係對於光引擎之内壁上之led元件的若干裝填密度 0LED展示品質參數Q對孔徑分率f之依賴性的圖； 圖14係對於各種孔徑分率f，展示光濃度因子l對準直角 之依賴性的圖； 圖1 5係對於特殊第一孔徑分率f之各種LED裝填密度 0LED，展示光濃度因子L對準直角ec之依賴性的圖； 圖1 6係對於特殊第二孔徑分率f之各種LED裝填密度 0LED，展示光濃度因子L對準直角ec之依賴性的圖。 【主要元件符號說明】 1、2、3、4、5 光引擎 6 腔室 I04000.doc -27- 1343463 7 8 9 10 10' 11 11' 12 孔徑 準直元件 内部 腔室壁/基底/基底壁 腔室壁/側壁 透明蓋板 透明蓋板 反射性乾粉
13 14 15、15 LED元件 安裝塊 外耦合構件/元件 16 接觸層 17 透明散射層 18 塗層 19 透明圓頂
20 2 1 高反射性表面 蓋板 孔 22 104000.doc -28-

Claims (1)

1343463 ，第094126390號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(100年2月）： .. 十、申請專利範圍： 匕Θ㈣ 1· 一種包含一腔室（6)之光引擎（1、2、3' 4 了至少一 孔徑（7)及複數個LED元件（13)定位於該腔室（6)内部，其 中該腔室（6)之所有内表面被有效地實現為在一所要波長 區域内對光大體上非吸收之高反射性表面（2〇)，且該等 尚反射性表面（20)係藉由一分佈於該等腔室壁（1〇、1〇,) 之内表面上之漫反射材料（12、18)來實現，其特徵為該 漫反射材料（12)被封圍於一透明蓋板（11、u，）與該等腔 室壁（10、10’）之該内表面之間。 2. 如請求項1之光引擎，其包含用於增強由該等led元件 (13)發射至該腔室（6)十之光的外耦合之外耦合構件（15、 1 5’、16、17 ' 19)。 3. 如請求項丨或2之光？丨擎，其争該漫反射材料（12)包含一 反射性乾粉（12)。 4. 如請求項2之光引擎，其中該透明蓋板⑴）覆蓋該等led 元件（13)，且該等外耗合構件（15、15|)包含許多透明外 耦合構件〇5、15|)，每一該等透明外耗合構件（15、⑺ 自相關LEDtl件（13)之-發光表面延伸至該透明蓋板 (11)。 Θ长項4之光引擎，其中該等透明外耦合元件⑴)具有 一在該外耗合元件（15)與該透明蓋板⑴）間之—介面處比 在該外搞合元件⑽與該相關咖元件〇3)間之一介面處 更寬之橫截面。 6.如請求項2之光引擎，其中該等外輕合構件⑽包含透明 104000-I000210.doc i 1343463 ;|C〇 - >. to ·： · ·： L·--'-- *一 · - · — ..........I 圓頂（19)，每一該等透明圓頂（19)以光學方式連接至·一 相關LED元件之一發光表面。 7. 如請求項6之光引擎，其中該等圓頂（19)通過一覆蓋該腔 室壁（10)之蓋板（1 Γ、21)中之孔（22)伸出，該等LED元件 安裝於該腔室壁（10)上。 8, 如凊求項1或2之光引擎’其中分佈於該等腔室壁（1〇、 10')之該内表面上之該反射材料（12)包含一光轉換物質。 9·如請求項1或2之光引擎，其中具有不同波長特性之LED 元件定位於該腔室内部。 10.如請求項1或2之光引擎，其包含一定位於該腔室（6)之該 孔徑（7)處的光準直元件。 Π·如請求項1或2之光引擎，其中該腔室（6)由一材料（22)所 填充’該材料（22)具有一接近’或較佳匹配該透明蓋板 (11、11’）及/或該等外耦合構件（15、15,、19)及/或該準 直元件（8)及/或該等LED元件（13)之折射率的折射率。 12·如請求項η之光引擎，其中該材料（22)係一亦可用於該 等LED元件（13)之前端冷卻之液體材料。 13. 如凊求項1或2之光引擎，其中一由該孔徑（？）之—表面積 (Aexit)與該光引擎（1、2、3、4、5)之一總内表面積 (Aengine)之比率所界定之孔徑分率（f)較佳為15，更佳 1 ’ s玄總内表面積（Aengine)包括S亥孔彳至（7)之該表面積 (Aexjt)。 14. 一種汽車光系統，其封圍有如前述請求項中任—項之光 引擎（1、2、 3、 4、 5)。 I04000-1000210.doc
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