TWI529419B - 多晶片發光二極體之去焦光學件 - Google Patents

多晶片發光二極體之去焦光學件 Download PDF

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Description

多晶片發光二極體之去焦光學件
本發明主要探討一種用於一LED的光學件。更特定言之，在本文中揭示之多種發明方法及裝置係關於一種用於混合來自一多晶片LED之光輸出的去焦光學件。
數位照明技術，即，以半導體光源(諸如發光二極體(LED))為基礎的照明對傳統螢光燈、HID燈及白熾燈提供一可行替代。LED的功能優點及益處包含高的能量轉換及光學效率、耐久性、低操作成本及許多其他優點及益處。在LED技術中的最新進展已提供有效及穩健的全光譜照明源，其等在許多應用中實現多種照明效果。體現此等源之一些器具特徵為一照明模組，其包含可產生不同色彩(例如紅色、綠色及藍色)的一個或多個LED，以及用於獨立地控制該等LED的輸出以產生多種色彩及色彩變化之照明效果的一處理器，例如，如美國專利第6,016,038號及第6,211,626號中詳細討論，該等專利以引用之方式併入本文中。
多晶片LED(含有多個LED晶片的LED封裝)提供相對高位準的光輸出。然而，必須有效地混合來自一多晶片LED之多種LED晶片之光輸出，以便最小化非期望的可見假影，諸如可在由該多晶片LED輸出之光束圖案的邊緣周圍可見之色環/色帶。當前用於混合來自該多晶片LED之多種LED晶片的光輸出的方法包含紋理化及/或一長型複合拋物線集光器(CPC)。紋理化包含在一光學件表面上增添紋理，以使通過該紋理化光學件表面的光散射。紋理化可容許在一光束圖案之中央區域中達成令人滿意之色彩混合，但該光束圖案之邊緣仍常常展現色環/色帶。此外，對一光學表面增添紋理通常使光輸出之光束角增加至一令人不滿意的度數，且在生產中極難維持及控制紋理化。一CPC的使用可提供來自一多晶片LED之光輸出的令人滿意之混合，但亦可使該光輸出之光束角增加至一令人不滿意的度數。
因此，本技術中存在一需要，以令人滿意地混合來自一多晶片LED封裝之光輸出，同時維持一期望光束角及有效封裝尺寸。
本發明探討用於令人滿意地混合來自一多晶片LED之光輸出的發明方法及裝置。例如，可提供一去焦光學件，其具有一外部反射體及一內部反射體，其等協作以提供光輸出之混合。該外部反射體圍繞該內部反射體且具有一凹入內表面，該凹入內表面圍繞該去焦光學件之一中央軸。該內表面具有在相對於該去焦光學件之該中央軸的一個或多個旋轉角度位置處變化的一輪廓。換句話說，該內表面之輪廓在繞該中央軸的某一角度範圍內可具有某些設計參數，以在該角度範圍內實行所期望的反射參數。例如，該內表面可包含繞該中央軸跨越約四十五度的一第一輪廓，及鄰近該第一輪廓且繞該中央軸跨越約四十五度之與該第一輪廓相異的一第二輪廓。
該去焦光學件之該內部反射體包含一凸起表面，當該去焦光學件與一多晶片LED組合使用時，該凸起表面面對一多晶片LED。該凸起表面將來自該多晶片LED且照射於其上的大多數光輸出向外重新引導朝向該外部反射體之內表面。視需要，該凸起表面之輪廓可在相對於該去焦光學件之該中央軸的一個或多個角度位置處變化。換句話說，該凸起表面之輪廓在繞該中央軸的某一角度範圍內可具有某些設計參數，以在該範圍內實行所期望的反射參數。該凸起表面之輪廓的變化可視需要出現於與該內表面之輪廓出現的變化類似的角度位置。
透過適當地選擇該內表面之輪廓、該凸起表面之該(該等)輪廓及該等輪廓存在所處之角度範圍之設計參數，可達成來自一多晶片LED之光輸出之適當混合，同時維持一令人滿意的光束角度及有效的封裝尺寸。
一般而言，在一態樣中，本發明係關於一種用於混合來自一多晶片LED之光輸出的去焦光學件，該去焦光學件包含圍繞一內部反射體及一中央軸的一外部反射體。該外部反射體包含繞該中央軸而設置的一凹入內表面。該凹入內表面將照射於其上的大多數光輸出重新引導朝向一照明區域。該凹入內表面在相對於該中央軸之一第一角度位置定義一第一凹入表面輪廓，及在相對於該中央軸之一第二角度位置定義一第二凹入表面輪廓。該第一凹入表面輪廓與該第二凹入表面輪廓相異。該內部反射體具有面對該多晶片LED的一凸起表面，該凸起表面將照射於其上的大多數光輸出重新引導朝向該外部反射體。該凸起表面在該第一角度位置定義一第一凸起輪廓，及在該第二角度位置定義一第二凸起輪廓。該第一凸起輪廓與該第二凸起輪廓相異。
在一些實施例中，該外部反射體包含繞該中央軸而設置的一凹入第二內表面。該第二內表面係比該內表面更遠離該多晶片LED而定位。在此等實施例之一些版本中，該第二內表面在該第一角度位置定義一第三凹入表面輪廓，且在該第二角度位置定義一第四凹入表面輪廓。該第三凹入表面輪廓與該第一凹入表面輪廓相異，且該第四凹入表面輪廓與該第二凹入表面輪廓相異。
在一些實施例中，該凹入內表面在相對於該中央軸的一第三角度位置定義一第三凹入表面輪廓。該第三凹入表面輪廓與該第一凹入表面輪廓相異，且與該第二凹入表面輪廓相異。在此等實施例之一些版本中，該凹入內表面在相對於該中央軸的一第三角度位置亦具有該第二凹入表面輪廓，且該第二角度位置係插在該第一角度位置與該第三角度位置之間。在此等實施例之一些版本中，該第三角度位置從該第一角度位置偏移約一百八十度。
一般而言，在另一態樣中，本發明係關於一種以LED為基礎的照明單元，其包含至少一多晶片LED及一去焦光學件。該多晶片LED包含複數個LED晶片，且該等LED晶片之各者發射具有一主LED光輸出軸的一LED光輸出。該去焦光學件包含一外部反射體、一內部反射體及一中央軸。該外部反射體圍繞該內部反射體且圍繞該多晶片LED。該外部反射體包含繞該中央軸而設置的一凹入內表面，該凹入內表面將照射於其上之大多數光輸出重新引導朝向一照明區域。該凹入內表面在相對於該中央軸的一第一角度位置定義一第一凹入表面輪廓，且在相對於該中央軸的一第二角度位置定義一第二凹入表面輪廓。該第一凹入表面輪廓與該第二凹入表面輪廓相異。該內部反射體包含面對該多晶片LED的一凸起表面，該凸起表面將照射於其上之大多數光輸出重新引導朝向該外部反射體。該凸起表面與每一光輸出軸交叉，且在該第一角度位置定義一第一凸起輪廓，且在該第二角度位置定義一第二凸起輪廓。該第一凸起輪廓與該第二凸起輪廓相異。
在一些實施例中，經重新引導朝向該照明區域的至少百分之八十的光輸出係在一個十五度的光束角內重新引導。
在一些實施例中，該凹入內表面在該第一角度位置具有一第一焦點，該第一焦點係定位於在該第一角度位置之該凹入內表面之一基部與最接近該第一角度位置之該凹入內表面之該基部的該LED光輸出軸之間。在此等實施例之一些版本中，該凹入內表面在該第二角度位置具有一第二焦點，該第二焦點係定位於在該第二角度位置之該凹入內表面之基部與最接近該第二角度位置之該凹入內表面之基部的該LED光輸出軸之間。
在一些實施例中，該外部反射體包含繞該中央軸而設置的一凹入第二內表面，其係比該內表面更遠離該多晶片LED而定位。在此等實施例之一些版本中，該第二凹入內表面在該第一角度位置定義一第三凹入表面輪廓，且在該第二角度位置定義一第四凹入表面輪廓。該第三凹入表面輪廓與該第一凹入表面輪廓相異，且該第四凹入表面輪廓與該第二凹入表面輪廓相異。
在一些實施例中，該凹入內表面在相對於該中央軸之一第三角度位置定義一第三凹入表面輪廓。該第三凹入表面輪廓與該第一凹入表面輪廓及該第二凹入表面輪廓相異。
一般而言，在另一態樣中，一種用於混合來自一多晶片LED的光輸出的去焦光學件包括圍繞一內部反射體及一中央軸的一雙層級外部反射體。該外部反射體包含繞該中央軸而設置的一下部凹入內表面，及比該下部凹入內表面更呈放射狀地繞該中央軸而設置的一上部凹入內表面。該下部凹入內表面及該上部凹入內表面之各者將照射於其上的大多數光輸出重新引導朝向一照明區域。該下部凹入內表面包含複數個下部凹入內表面區段，每一區段具有與該等下部凹入內表面區段之至少一鄰近者相異的一下部焦點。該上部凹入內表面包含複數個上部凹入內表面區段，每一區段具有與該等上部凹入內表面區段之至少一鄰近者相異且與該等下部凹入內表面區段之至少一鄰近者相異的一上部焦點。該內部反射體包含面對該多晶片LED的一凸起表面。該凸起表面將照射於其上的大多數光輸出向外重新引導朝向該外部反射體。
在一些實施例中，該凸起表面包括複數個凸起表面區段，每一區段具有與該等凸起表面區段之至少一鄰近者相異的一凸起焦點。
在一些實施例中，每一下部凹入內表面區段繞該中央軸延伸至少十五度。
在一些實施例中，每一下部凹入內表面區段與一對應上部凹入內表面區段實質上成角度地對準。
在一些實施例中，每一上部區段之該上部焦點係比該中央軸更遠離該上部區段而定位。
在一些實施例中，每一下部區段之該下部焦點係比該中央軸更接近該下部區段而定位。
在一些實施例中，提供至少四個上部凹入內表面區段，且提供至少四個下部凹入內表面區段。
如在本文中出於本發明之目的而使用，術語「LED」應理解為包含任意電致發光二極體或可回應於一電信號而產生輻射的其他類型之基於載子注入/接面的系統。因此，該術語LED包含但不限於回應於電流而發射光之多種以半導體為基礎的結構、發光聚合物、有機發光二極體(OLED)、電致發光條及類似物。特定言之，術語LED指可經組態以在紅外線光譜、紫外線光譜及可見光譜之多種部分(一般包含從約400奈米至約700奈米之輻射波長)之一者或多者中產生輻射的所有類型之發光二極體(包含半導體發光二極體及有機發光二極體)。LED的一些實例包含但不限於多種類型之紅外線LED、紫外線LED、紅色LED、藍色LED、綠色LED、黃色LED、琥珀色LED、橙色LED及白色LED(在下文中進一步討論)。亦應理解，LED可經組態及/或經控制以產生輻射，該輻射具有一給定光譜(例如，窄頻寬、寬頻寬)的多種頻寬(例如，半高全寬，或FWHM)及在一給定總體色彩分類中的多種主波長。
例如，經組態以產生基本上白光的一LED(例如一白色LED)之一實施方案可包含許多晶粒，其等分別發射不同之電致發光光譜，該等電致發光光譜組合在一起混合以形成基本上白光。在另一實施方案中，一白光LED可與一磷光體材料相關聯，該磷光體材料將具有一第一光譜之電致發光轉換成一不同第二光譜。在此實施方案之一實例中，具有一相對短波長及窄頻寬光譜之電致發光「泵激(pump)」該磷光體材料，該磷光體材料繼而輻射具有一稍微較寬光譜之較長波長輻射。
亦應理解，術語LED並不限制一LED之實體及/或電封裝類型。例如，如上文中所討論，一LED可指具有經組態以分別發射不同輻射光譜(例如，其可或不可個別控制)的多個晶粒之一單一發光器件。另外，一LED可與被視為該LED(例如一些類型的白色LED)之一整合部分的一磷光體相關聯。一般而言，術語LED可指封裝式LED、非封裝式LED、表面安裝式LED、板載晶片式LED、T封裝安裝式LED、放射狀封裝式LED、功率封裝式LED、包含一些類型之包裝及/或光學元件(例如，一擴散透鏡)的LED，等等。
術語「光源」應理解為指多種輻射源之任一者或多者，包含但不限於以LED為基礎的源(包含如上文定義之一個或多個LED)、白熾源(例如白熾燈、鹵素燈)、螢光源、磷光發光源、高強度放電源(例如，鈉蒸氣燈、汞蒸氣燈及金屬鹵化物燈)、雷射、其他類型之電致發光源、焦熱發光源(例如，火焰)、蠟燭發光源(例如，汽燈罩、碳弧輻射源)、光致發光源(例如，氣體放電源)、使用電子飽足的陰極發光源、電解發光源、結晶發光源、顯象管(kine)發光源、熱發光源、摩擦發光源、聲致發光源、輻射發光源及發光聚合物。
一給定光源可經組態以產生在可見光譜內、在可見光譜外或在兩者之一組合內的電磁輻射。因此，術語「光」及「輻射」在本文中可交替使用。再者，一光源可包含一個或多個濾光器(例如，彩色濾光器)、透鏡或其他光學組件作為一整合組件。另外，應理解，光源可經組態以用於多種應用，包含但不限於指示、顯示及/或照明。一「照明源」係經特定組態以產生具有一足夠強度來有效照亮一內部或外部空間之輻射的一光源。在此內文中，「足夠強度」指在該空間或環境中產生足夠之在可見光譜中之輻射功率(通常利用單位「流明」來表示來自一光源的在所有方向上的總光輸出，以輻射功率或「光通量」表示)，以提供周圍照明(即，可被間接感知的光，及例如在全部或部分被感知之前可反射離開多種中介表面之一者或多者的光)。
在本文中使用之術語「照明器具」或「照明器」指以一特定外型因數、總成或封裝之一個或多個照明單元的一實施方案或配置。在本文中使用之術語「照明單元」指包含相同或不同類型之一個或多個光源的一裝置。一給定照明單元可具有用於該(該等)光源的多種安裝配置、圍封體/外殼配置及形狀及/或電連接組態及機械連接組態之任一者。再者，一給定照明單元視需要可與有關於該(該等)光源之操作的多種其他組件(例如，控制電路)相關聯(例如，包含、耦接至及/或與其一起封裝)。一「以LED為基礎的照明單元」指單獨包含如上文所討論之一個或多個以LED為基礎之光源或組合其他不以LED為基礎之光源的一照明單元。一「多通道」照明單元指包含經組態以分別產生不同輻射光譜之至少兩個光源的以LED為基礎的或不以LED為基礎的照明單元，其中每一不同源光譜可稱為該多通道照明單元的一「通道」。
應瞭解，前述概念及在下文中更詳細討論之額外概念(假設此等概念並不互相矛盾)之所有組合預期為在本文中揭示之發明標的之一部分。特定言之，出現於本發明之末尾之所主張的標的之所有組合預期為在本文中揭示之發明標的之一部分。亦應瞭解，在本文中所明確利用之術語(其亦可出現於以引用之方式併入的任何揭示內容中)應符合與本文揭示之特定概念最為一致的一意義。
在圖式中，相同參考符號概係指在不同面向綜觀之相同部件。此外，該等圖式係為強化闡釋本發明原理之用，無需按比例繪製。
多晶片LED提供相對高位準之光輸出。必須有效地混合來自一多晶片LED之多種LED晶片之光輸出，以便最小化可在由該多晶片LED輸出之光束圖案之邊緣周圍可見的色環/色帶之存在率。當前用於混合來自該多晶片LED之多種LED晶片之光輸出的方法具有一個或多個缺點。例如，當前的方法可引起光束圖案之邊緣仍展現實質色環及/或對於一給定應用可使光輸出之光束角增加至一令人不滿意的度數。因此，申請者意識到且瞭解提供一種用於混合光輸出而同時達成一期望之光束角的去焦光學件將是有益的。在本文中提供之該去焦光學件包含：一外部反射體，其具有擁有一變化之輪廓的一凹入內表面；及一內部反射體，其具有擁有一視需要變化之輪廓的一凸起表面。透過適當地選擇該內表面之輪廓、該凸起表面之該(該等)輪廓及該等輪廓存在所處的旋轉角度範圍的設計參數，可達成來自一給定多晶片LED封裝之光輸出的適當混合，同時維持一令人滿意的光束角及有效的封裝尺寸。
更一般而言，申請者已認識到且瞭解，具有滿意地混合來自一多晶片LED封裝之光輸出的一去焦光學件將是有益的。
在下文詳細之描述中，出於解釋且並非限制之目的，闡明揭示特定細節之代表性實施例，以提供對所主張之發明的一徹底理解。然而，受益於本發明之一般技術者應瞭解脫離本文中揭示之特定細節的根據本教示之其他實施例仍在隨附申請專利範圍內。此外，可省略熟知的裝置及方法的描述，以便不模糊代表性實施例之描述。此等方法及裝置明顯在所主張之發明之範圍內。
參考圖1，在一實施例中，一以LED為基礎的照明單元100包含一去焦光學件110之一第一實施例。該去焦光學件110係展示為自該以LED為基礎之照明單元100的一多晶片LED 101分解開。該多晶片LED 101包含由一LED圓蓋102圍繞的四個個別LED晶片103A至103D。該等LED晶片103A至103D之各者可發射具有獨特於該等LED晶片103A至103D之至少另一者之一光譜的光。該等LED晶片103A至103D係安裝於一安裝基部106上。在一些實施例中，該多晶片LED 101可為一XLamp MC-E LED光源，其可從Cree公司(Durham,NC)購得。然而，受益於本發明之一般技術者將意識到，其他多晶片LED可與本文中描述之該去焦光學件110組合而利用。例如，該去焦光學件110可經組態以與具有多於四個或少於四個個別LED晶片、具有相對於彼此以一不同關係而配置的個別LED晶片、具有替代的安裝組態及/或具有替代的LED圓蓋組態之多晶片LED搭配使用。受益於本發明的一般技術者將意識到及瞭解到，基於在此之教示而設計一去焦光學件所考慮之多種設計參數促使來自一多晶片LED之個別晶片之光輸出令人滿意地混合，同時維持一令人滿意的光束角。
該去焦光學件110可相對於多晶片LED 101而貼附在適當位置且可視需要包含對準結構，以幫助相對於多晶片LED 101以一期望定向貼附去焦光學件110。在一些實施例中，在該去焦光學件110之基部與該安裝基部106之間之界面處可利用一黏著劑，以將該去焦光學件110貼附至該安裝基部106。亦可在該去焦光學件110與該安裝基部106、該多晶片LED 101及/或其他結構之間利用替代或額外耦接。在一些實施例中，可使用機械貼附方法而附接該去焦光學件110，該等方法包含但不限於與該安裝基部106上的對應結構介接之彈簧、緊固件、懸垂結構及類似物。此可互換地包含從安裝基部106向上延伸的與去焦光學件110上的結構對應之結構。
該去焦光學件110之一外部反射體之一凹入上部內表面126之若干部分在圖1中可見，且在圖1中可實質上看到該上部內表面126之輪廓相對於繞該去焦光學件110之一中央軸111的旋轉角而變化。該去焦光學件110之該中央軸111係實質上位於本文中描述之所有內部凹入反射表面之中央的一軸。視需要，該去焦光學件110之該中央軸111亦可實質上位於本文中所描述之該內部反射體140之凸起表面之中央。現參考圖2及圖3而以額外細節描述該去焦光學件110之若干態樣。圖2繪示沿著圖1之截面線2-2而獲取的圖1之以LED為基礎之照明單元的一截面圖，且圖3繪示沿著圖1之截面線3-3而獲取的一截面圖。截面線3-3及截面線2-2係共面的，且均延伸穿過中央軸111。該截面線3-3相對於繞中央軸111的旋轉角自截面線2-2偏移約四十五度。
特定參考圖2，外部反射體之上部內表面126在相對於該中央軸111的一第一角度位置定義一第一上部內表面輪廓126A，且在相對於該中央軸111的一第二角度位置定義一第二內表面輪廓126B。該第一角度位置及該第二角度位置彼此偏移一百八十度。該第一上部內表面輪廓126A及該第二上部內表面輪廓126B共用一共同曲率，且彼此並不相異。然而，該第一上部內表面輪廓126A及該第二上部內表面輪廓126B具有相異的焦點。該第一上部內表面輪廓126A具有比該中央軸111更遠離該上部內表面輪廓126A且比LED晶片103C的一LED光輸出軸104C更遠離該上部內表面輪廓126A的一焦點127A。每一LED光輸出軸104A至104D係發源於一對應LED晶片103A至103D之發光部分之中央的一軸，且以遠離該安裝基部106及實質上垂直於該安裝基部106的一方向定向。該第二上部內表面輪廓126B具有比該中央軸111更遠離該上部內表面輪廓126B且比LED晶片103B之LED光輸出軸104B更遠離該上部內表面輪廓126B的一焦點127B。
該去焦光學件110之外部反射體亦包含一下部凹入內表面122，其係耦接至該凹入上部內表面126且定位為比該凹入上部內表面126更接近該多晶片LED 101。該下部凹入內表面122在相對於該中央軸111之第一角度位置定義一第一下部內表面輪廓122A，及在相對於該中央軸111之第二角度位置定義一第二下部內表面輪廓122B。該第一下部內表面輪廓122A及該第二下部內表面輪廓122B共用一共同曲率，且彼此並不相異。然而，該第一下部內表面輪廓122A及該第二下部內表面輪廓122B具有相異的焦點。該等第一及第二下部內表面輪廓122A及122B具有比上部內表面輪廓126A及126B更大的一曲率。該第一下部內表面輪廓122A具有比該中央軸111更接近該下部內表面輪廓122A且比LED晶片103B之LED光輸出軸104B更接近該下部內表面輪廓122A的一焦點123A。該第二下部內表面輪廓122B具有比該中央軸111更接近該下部內表面輪廓122B且比LED晶片103C之LED光輸出軸104C更接近該下部內表面輪廓122B的一焦點123B。
一內部反射體140係由外部反射體之上部內表面126及下部內表面122圍繞。該內部反射體140具有面對該多晶片LED 101的一凸起表面142。該多晶片LED 101與每一LED晶片103A至103D的中央軸104A至104D交叉，且與中央軸111交叉。該凸起表面142在相對於該中央軸111的第一角度位置定義一第一凸起輪廓142A，且在第二角度位置定義一第二凸起輪廓142B。該第一凸起輪廓142A及該第二凸起輪廓142B共用一共同曲率，且彼此並不相異。該第一凸起輪廓142A及該第二凸起輪廓142B亦共用沿著中央軸111而定位的一共同焦點143A。該內部反射體140係由在凸起表面142與外部反射體之下部內表面122之間延伸的支撐支柱144A及144B支撐。在替代實施例中，可以其他方式支撐該內部反射體140。例如，一個或多個支撐支柱可自去焦光學件110之其他部分延伸，及/或其他支撐結構可自去焦光學件110、多晶片LED 101及/或安裝基部106延伸。
在圖2中亦展示從LED晶片103B放射之例示性光線B1及B2及從LED晶片103C放射之光線C1及C2之光線蹤跡。光線B1及C1在上部內表面輪廓126A上之大致相同點處直接照射於上部內表面輪廓126A上。上部內表面輪廓126A反射光線B1及C1，使得光線B1比光線C1更朝外地反射。光線B2及C2在大致相同點處直接照射於凸起表面輪廓142A上，且向外反射朝向上部內表面輪廓126A。該等光線B2及C2接著由上部內表面輪廓126A反射，使得光線C2比光線B2更朝外地反射。實際上，凸起表面輪廓142A用於反轉來自LED晶片103B及103C的影像，藉此促使從LED晶片103C放射且直接入射於凸起表面輪廓142A上之一點的一光線比從LED晶片103C放射且入射於相同點上之一光線更朝外地從該去焦光學件110放射。
特定參考圖3，其繪示該上部內表面126在相對於該中央軸111之一第三角度位置定義一第三上部內表面輪廓126C，且在相對於該中央軸111的一第四角度位置定義一第四上部內表面輪廓126D。該第三角度位置及該第四角度位置彼此偏移一百八十度。第三及第四角度位置以一第一旋轉方向從第一及第二角度位置各自偏移約四十五度。該第三上部內表面輪廓126C及該第四上部內表面輪廓126D共用一共同曲率，且彼此並不相異。然而，該第三上部內表面輪廓126C及該第四上部內表面輪廓126D相異於第一上部內表面輪廓126A及第二上部內表面輪廓126B。特定言之，該第三上部內表面輪廓126C及該第四上部內表面輪廓126D具有比該第一上部內表面輪廓126A及該第二上部內表面輪廓126B更大的一曲率。
另外，該第三上部內表面輪廓126C及該第四上部內表面輪廓126D具有彼此相異且與第一及第二上部內表面輪廓126A及126B相異的焦點。該第三上部內表面輪廓126C具有比該中央軸111更遠離該第三上部內表面輪廓126C且比該LED光輸出軸104C更遠離該第三上部內表面輪廓126C的一焦點127C。該第四上部內表面輪廓126D具有比該中央軸111更遠離該第四上部內表面輪廓126D且比該LED光輸出軸104A更遠離該第四上部內表面輪廓126D的一焦點127D。
該下部內表面122在相對於該中央軸111的第三角度位置定義一第三下部內表面輪廓122C，且在相對於該中央軸111的第四角度位置定義一第四下部內表面輪廓122D。該第三下部內表面輪廓122C及該第四下部內表面輪廓122D共用一共同曲率且彼此並不相異。然而，該第三下部內表面輪廓122C及該第四下部內表面輪廓122D相異於該第一下部內表面輪廓122A及該第二下部內表面輪廓122B。特定言之，該第三下部內表面輪廓122C及該第四下部內表面輪廓122D具有比該第一下部內表面輪廓122A及該第二下部內表面輪廓122B更大的一曲率。
另外，該第三下部內表面輪廓122C及該第四下部內表面輪廓122D具有彼此相異且與第一及第二下部內表面輪廓122A及122B相異的焦點。第三及第四下部內表面輪廓122C及122D亦具有比上部內表面輪廓126C及126D更大的一曲率。該第三下部內表面輪廓122C具有比該中央軸111更接近該下部內表面輪廓122C且比該LED光輸出軸104A更接近該下部內表面輪廓122C的一焦點123C。該第四下部內表面輪廓122D具有比該中央軸111更接近該下部內表面輪廓122D且比該LED光輸出軸104C更接近該下部內表面輪廓122D的一焦點123D。
該內部反射體140之凸起表面142在相對於該中央軸111的第三角度位置定義一第三凸起輪廓142C，及在該第四角度位置定義一第四凸起輪廓142D。該第三凸起輪廓142C及該第四凸起輪廓142D共用一共同曲率且彼此並不相異。該第三凸起輪廓142C及該第四凸起輪廓142D亦共用沿著該中央軸111而定位的一共同焦點143B。在圖3中亦展示從LED晶片103A放射之例示性光線A1、A2及A3以及從LED晶片103C放射之光線C3、C4及C5之光線蹤跡。光線A1及C3在上部內表面輪廓126C之大致相同點處直接照射於上部內表面輪廓126C上。上部內表面輪廓126C反射光線A1及C3，使得光線A1比光線C3更朝外地反射。光線A2及C4在大致相同點處直接照射於凸起表面輪廓142B上，且向外反射朝向上部內表面輪廓126C。該等光線A2及C4接著由上部內表面輪廓126C反射，使得光線C4比光線A2更朝外地反射。光線A3及C5在下部內表面輪廓122C之大致相同點處直接照射於下部內表面輪廓122C。下部內表面輪廓122C反射光線A3及C5，使得光線A3比光線C5更朝外地反射。
在一些實施例中，該去焦光學件110可經設計使得從該多晶片LED 101放射之直接入射於凸起表面142上之光的光通量實質上等於從該多晶片LED 101放射之直接入射於外部反射體之下部內表面122及上部內表面126上之光的光通量。相應地，來自該多晶片LED 101的大致一半的光(以光通量表示)將藉由該凸起表面142而「反轉」，藉此使來自該多晶片LED 101的光較好地混合。可設計該凸起表面142、該上部表面126及/或該下部表面122的一個或多個表面輪廓，使得在該區段中的大致一半的光通量直接入射於該下部內表面122及該上部內表面126上，且另一半直接入射於該凸起表面142上。
如在圖1中整體繪示，上部內表面輪廓126A及126B之各者繞該中央軸111延伸約四十五度，藉此建立兩個表面輪廓區段。圖1之截面線2-2係沿著對應於內表面輪廓126A之區段的大致中間且沿著對應於內表面輪廓126B之區段的大致中間而獲取。換句話說，對應於該等內表面輪廓126A及126B的該等區段之各者在該截面線2-2的每一側上延伸約二十二點五度。該等下部表面輪廓122A及122B之各者同樣繞該中央軸111延伸約四十五度。圖1之截面線2-2亦係沿著對應於該內表面輪廓122A之區段的大致中間且沿著對應於該內表面輪廓122B之區段的大致中間而獲取，此意謂此等區段與各自對應於內表面輪廓126A及126B的區段實質上對準。
繼續參考圖1，該等上部內表面輪廓126B及126C之各者亦繞該中央軸111延伸約四十五度，藉此建立兩個表面輪廓區段。對應於該上部內表面輪廓126A之區段的一側鄰接對應於該內表面輪廓126C的一區段。同樣，對應於該上部內表面輪廓126B之區段的一側鄰接對應於該內表面輪廓126D的一區段。圖1之截面線3-3係沿著對應於該內表面輪廓126C之區段的大致中間且沿著對應於該內表面輪廓126D之區段的大致中間而獲取。該等下部表面輪廓122C及122D之各者同樣繞該中央軸111延伸約四十五度。圖1之截面線3-3亦係沿著對應於該內表面輪廓122C之區段的大致中間且沿著對應於該內表面輪廓122D之區段的大致中間而獲取，此意謂此等區段與各自對應於內表面輪廓126C及126D的區段實質上對準。
該等凸起表面輪廓區段142A、142B、142C及142D之各者亦繞該中央軸111延伸約四十五度，藉此建立四個表面輪廓區段。對應於該凸起表面輪廓142A之區段的一側鄰接對應於該凸起表面輪廓142C的一區段。同樣，對應於該凸起表面輪廓142B之區段的一側鄰接對應於該凸起表面輪廓142D的一區段。圖1之截面線2-2係沿著對應於該凸起表面輪廓142A之區段的大致中間且沿著對應於該凸起表面輪廓142B之區段的大致中間而獲取。圖1之截面線3-3係沿著對應於該凸起表面輪廓142C之區段的大致中間且沿著對應於該凸起表面輪廓142D之區段的大致中間而獲取。
在結合圖1所展示及討論之實施例中，去焦光學件110亦含有四個額外上部表面輪廓區段、四個額外對應且對準的額外下部表面輪廓區段及四個額外對應且對準的凸起表面輪廓區段。該等額外區段之各者可為約四十五度。在一些實施例中，交替的上部表面輪廓區段可共用一共同輪廓。換句話說，在總共存在八個上部表面輪廓區段之情況下，每一上部表面輪廓區段將由兩個上部表面輪廓區段側接，該兩個上部表面輪廓區段共用與其等側接的該區段相異之一共同輪廓。同樣，在一些實施例中，交替的下部輪廓區段及/或凸起表面輪廓區段可共用一共同輪廓。在一些實施例中，來自去焦反射體之光輸出可維持在五度至二十度之光束角內。在此等實施例之一些版本中，來自去焦反射體之光輸出可維持於小於或等於二十度之光束角。
已參考去焦反射體100而詳細描述特定輪廓、輪廓區段、輪廓區段配置及其他設計參數。然而在其他實施例中，可改變該等設計參數之一個或多個態樣以達成一期望光輸出及/或與一給定多晶片LED介接。例如，在替代實施例中，一個或多個輪廓區段可繞一中央軸延伸大於或小於四十五度。另外，例如，在替代實施例中，一個或多個區段可比一個或多個其他區段繞一中央軸延伸更大或更小的度數。另外，例如，在替代實施例中，可提供比上部輪廓區段更多的下部輪廓區段。另外，例如，在替代實施例中，該內部反射體140可在相對於該中央軸111的每一角度位置具有一共同凸起表面輪廓。另外，儘管在圖1中描繪輪廓區段之間的相異轉變，亦預期該等輪廓可逐漸變化。例如，在一些實施例中，可在一第一角度位置提供上部內表面輪廓126A，且可在從該上部內表面輪廓126A偏移約二十度的一第二角度位置提供上部內表面輪廓126C。隨著該上部內表面輪廓126A逐漸轉變至該上部內表面輪廓126C，可在該第一角度位置與該第二角度位置之間提供一個或多個相異的輪廓。
現參考圖4，以示意形式繪示具有一去焦光學件210的一第二實施例的一以LED為基礎的照明單元200的一第二實施例。展示一多晶片LED 201的兩個個別LED晶片203B及203C，其等由一LED圓蓋202圍繞。該等LED晶片203B及203C係安裝於一安裝基部206上，且每一LED晶片具有一各自的光輸出軸204B及204C。該去焦光學件210係繞該多晶片LED 201而貼附在適當位置。一單一層級的外部反射體具有一內表面224，該內表面224在相對於該去焦光學件210的一中央軸211的一第一角度位置具有一第一內表面輪廓224A。該內表面224亦在相對於該去焦光學件210的一中央軸211之一第二角度位置定義一第二內表面輪廓224B。該第一內表面輪廓224A及該第二內表面輪廓224B共用一共同曲率且彼此並不相異。然而，該第一內表面輪廓224A及該第二內表面輪廓224B確實具有相異的各自的焦點225A及225B。
一內部反射體240係由該內表面224圍繞，且其具有面對該多晶片LED 201且與LED晶片203B及203C之中央軸交叉的一凸起表面242。該凸起表面242在第一角度位置定義一第一凸起表面輪廓242A，且在第二角度位置定義一第二凸起表面輪廓242B。第一及第二輪廓242A及242B共用一共同曲率，且彼此並不相異，且亦共用一共同焦點243。儘管未描繪，在相對於該中央軸211的一個或多個角度定向處，該內表面224具有與內表面輪廓224A及224B相異的一輪廓。凸起表面242亦可視需要在相對於該中央軸211的一個或多個角度定向處具有與第一及第二凸起表面輪廓242A及242B相異的一輪廓。
雖然已在本文中描述及繪示若干發明實施例，但是一般技術者將容易預想用於執行在本文中描述之功能及/或獲得本文描述之結果及/或一個或多個優點的多種其他構件及/或結構，且此等變動及/或修改之各者係視為在本文中所描述之發明實施例之範圍內。更一般而言，熟習此項技術者將容易地瞭解，在本文中所描述之所有參數、尺寸、材料及組態意謂為例示性的，且實際參數、尺寸、材料及/或組態將取決於使用發明教示之(多個)特定應用。熟習此項技術者僅僅使用例行試驗即可認識到或可確定本文描述之特定發明實施例的許多等效物。因此，應理解，前述實施例僅經由實例而提出，且在隨附申請專利範圍及其等效物之範圍內，可用除了明確描述及主張之外的方式實踐發明實施例。本發明之發明實施例係關於本文中描述之每一個別特徵、系統、物品、材料、套組及/或方法。再者，若此等特徵、系統、物品、材料、套組及/或方法並不相互矛盾，則兩個或多個此等特徵、系統、物品、材料、套組及/或方法之任意組合包含於本發明之發明範圍內。
如在本文中所定義及使用，所有定義應理解為對詞典定義、以引用之方式併入文件中的定義及/或所定義之術語的一般意義的控制。
除非明確指示相反，如在本文中之說明書及請求項中所使用，不定冠詞「一」及「一個」應理解為意謂「至少一個」。
如在本文中之說明書及請求項中所使用，片語「及/或」應理解為意謂經結合之元件之「任一者或兩者」，即，在一些情況下連結存在且在其他情況下分離存在的元件。用「及/或」列出的多個元件應以相同的方式解釋，即，經連結之元件之「一個或多個」。除由「及/或」子句明確識別之元件之外，可視需要存在其他元件，無論與明確識別之此等元件相關或不相關。因此，作為一非限制性實例，當結合開放式語言諸如「包括」使用時，對於「A及/或B」的參考在一實施例中可僅指A(視需要包含除B以外的元件)；在另一實施例中可僅指B(視需要包含除A以外的元件)；在又一實施例中可指A及B兩者(視需要包含其他元件)；等等。如在本文中之說明書及請求項中所使用，「或」應理解為具有與上文定義之「及/或」相同的意義。例如，當在一列表中分離項目時，「或」或「及/或」應解譯為包含性的，即，包含許多或一列表之元件的至少一個元件，但亦包含一個以上元件，且視需要包含額外未列出的項目。除非明確指示相反，術語諸如「僅一個」或「恰好一個」或「由...組成」當使用於請求項中時將指包含許多或一列表之元件中之恰好一個元件。一般而言，如在本文中所使用之術語「或」當在排他性術語(諸如「任一者」、「之一者」、「僅一個」或「恰好一個」)之前時應僅解譯為指示排他性替代(即，「一個或另一個，但並非兩者」)。當使用於請求項中時，「基本上由...組成」應具有如專利法領域中使用之一般意義。
如在本文中之說明書及請求項中所使用，參考一個或多個元件之一列表的片語「至少一個」應理解為意謂從該列表之元件之任意一個或多個元件選擇的至少一個元件，但並不必要地包含明確列入該元件列表內之每個元件之至少一個，且並不排斥該元件列表中的元件的任意組合。此定義亦容許除在該列表之元件中片語「至少一個」所指之明確識別的元件之外，可視需要存在其他元件，無論是否與此等明確識別之元件相關或不相關。因此，作為一非限制性實例，「A及B之至少一者」(或者，等效地，「A或B之至少一者」，或等效地，「A及/或B之至少一者」)在一實施例中可指至少一個，視需要包含多於一個，為A，但不存在B(且視需要包含除B以外的元件)；在另一實施例中，指至少一個，視需要包含多於一個，為B，但不存在A(且視需要包含除A以外的元件)；在又一實施例中，指至少一個，視需要包含多於一個，為A，且指至少一個，視需要包含多於一個，為B(且視需要包含其他元件)；等等。
亦應理解，除非明確指示相反，否則在本文中所主張之包含多於一個步驟或動作的任意方法中，該方法之步驟或動作之順序並不必要地限制於敘述該方法之步驟或動作的順序。另外，在請求項中括弧之間出現的任意參考數字或其他字元僅出於方便而提供，且並不意欲以任何方式限制請求項。
在請求項中以及在上文之說明書中，所有過渡性片語，諸如「包括」、「包含」、「帶有」、「具有」、「含有」、「涉及」、「持有」、「由...構成」及類似片語應理解為開放式的，即，意謂包含但並不限於。僅過渡性片語「由...組成」及「基本上由...組成」應分別為封閉式或半封閉式的過渡性片語，如在美國專利局專利審查程序手冊第2111.03章節中所闡明。
100．．．以發光二極體為基礎的照明單元/去焦反射體
101．．．多晶片發光二極體
102．．．發光二極體圓蓋
103A．．．發光二極體晶片
103B．．．發光二極體晶片
103C．．．發光二極體晶片
103D．．．發光二極體晶片
104A．．．光輸出軸
104B．．．光輸出軸
104C．．．光輸出軸
106．．．安裝基部
110．．．去焦光學件
111．．．中央軸
122A．．．第一下部內表面輪廓
122B．．．第二下部內表面輪廓
122C．．．第三下部內表面輪廓
122D．．．第四下部內表面輪廓
123A．．．焦點
123B．．．焦點
126．．．凹入內表面
126A．．．第一上部內表面輪廓
126B．．．第二上部內表面輪廓
126C．．．第三上部內表面輪廓
127A．．．焦點
127B．．．焦點
140．．．內部反射體
142．．．凸起表面
142A．．．第一凸起輪廓
142B．．．第二凸起輪廓
142C．．．第三凸起輪廓
142D．．．第四凸起輪廓
144A．．．支撐支柱
144B．．．支撐支柱
200．．．以LED為基礎的照明單元
201．．．多晶片發光二極體
202．．．發光二極體圓蓋
203B．．．發光二極體晶片
203C．．．發光二極體晶片
204B．．．光輸出軸
204C．．．光輸出軸
206．．．安裝基部
210．．．去焦光學件
211．．．中央軸
222A．．．凹入內表面
222B．．．凹入內表面
226A．．．凹入內表面
226B．．．凹入內表面
240．．．內部反射體
242．．．凸起表面
242A．．．第一凸起表面輪廓
242B．．．第二凸起表面輪廓
A1．．．光線
A2．．．光線
C1．．．光線
C2．．．光線
圖1繪示具有去焦光學件之一第一實施例之一以LED為基礎的一照明單元的一第一實施例的一透視圖；該去焦光學件係展示為自該以LED為基礎的照明單元之一多晶片LED分解開；
圖2繪示沿著圖1之截面線2-2獲取的圖1之以LED為基礎的照明單元之一截面圖；
圖3繪示沿著圖1之截面線3-3獲取的圖1之以LED為基礎的照明單元之一截面圖；及
圖4繪示具有一去焦光學件之一第二實施例之一以LED為基礎的照明單元的一第二實施例的一截面圖。
100．．．以發光二極體為基礎的照明單元/去焦反射體
101．．．多晶片發光二極體
102．．．發光二極體圓蓋
103B．．．發光二極體晶片
103C．．．發光二極體晶片
104B．．．光輸出軸
104C．．．光輸出軸
106．．．安裝基部
110．．．去焦光學件
111．．．中央軸
122A．．．第一下部內表面輪廓
122B．．．第二下部內表面輪廓
123A．．．焦點
123B．．．焦點
126A．．．第一上部內表面輪廓
126B．．．第二上部內表面輪廓
127A．．．焦點
127B．．．焦點
140．．．內部反射體
142．．．凸起表面
142A．．．第一凸起輪廓
142B．．．第二凸起輪廓
144A．．．支撐支柱
144B．．．支撐支柱

Claims (20)

  1. 一種用於混合來自一多晶片LED的光輸出之去焦(defocused)光學件，其包括：一內部反射體(interior reflector)，其具有一中央軸(central axis)；及一外部反射體(outer reflector)，其圍繞該內部反射體及該中央軸，該外部反射體具有繞該中央軸而設置的一凹入內表面(concave inner surface)，該凹入內表面將照射於其上的該光輸出之大多數重新引導朝向一照明區域，其中該凹入內表面在相對於該中央軸的一第一角度位置定義一第一凹入表面輪廓，且在相對於該中央軸的一第二角度位置定義一第二凹入表面輪廓，其中該第一凹入表面輪廓與該第二凹入表面輪廓相異，而使在該第一角度位置之該凹入內表面的曲率(curvature)不同於在該第二角度位置之該凹入內表面的曲率，該內部反射體具有面對該多晶片LED的一凸起表面，該凸起表面將照射於其上的該光輸出之大多數重新引導朝向該外部反射體，及其中該凸起表面在該第一角度位置定義一第一凸起輪廓，且在該第二角度位置定義一第二凸起輪廓，該第一凸起輪廓與該第二凸起輪廓相異。
  2. 如請求項1之去焦光學件，其中該外部反射體包含繞該中央軸而設置的一凹入第二內表面，該第二內表面係比 該內表面更遠離該多晶片LED而定位。
  3. 如請求項2之去焦光學件，其中該第二內表面在該第一角度位置定義一第三凹入表面輪廓，且在該第二角度位置定義一第四凹入表面輪廓，該第三凹入表面輪廓與該第一凹入表面輪廓相異，且該第四凹入表面輪廓與該第二凹入表面輪廓相異。
  4. 如請求項1之去焦光學件，其中該凹入內表面在相對於該中央軸的一第三角度位置定義一第三凹入表面輪廓，該第三凹入表面輪廓與該第一凹入表面輪廓及該第二凹入表面輪廓相異。
  5. 如請求項4之去焦光學件，其中該凹入內表面在相對於該中央軸的一第三角度位置具有該第二凹入表面輪廓，且其中該第二角度位置係插在該第一角度位置與該第三角度位置之間。
  6. 如請求項5之去焦光學件，其中該第三角度位置從該第一角度位置偏移約一百八十度。
  7. 一種以LED為基礎的照明單元，其包括：至少一個多晶片LED，其包括複數個LED晶片，該等LED晶片之各者發射具有一主LED光輸出軸的一LED光輸出；及一去焦光學件，該去焦光學件具有一中央軸且包括一外部反射體及一內部反射體，該外部反射體圍繞該內部反射體及該多晶片LED，該外部反射體具有繞該中央軸而設置的一凹入內表面，該凹入內表面將照射於其上的 該光輸出之大多數重新引導朝向一照明區域，其中該凹入內表面(122、126、222、226)在相對於該中央軸的一第一角度位置定義一第一凹入表面輪廓，且在相對於該中央軸(111、211)的一第二角度位置定義一第二凹入表面輪廓，其中該第一凹入表面輪廓與該第二凹入表面輪廓相異，而使在該第一角度位置之該凹入內表面的曲率不同於在該第二角度位置之該凹入內表面的曲率，該內部反射體具有面對該多晶片LED(101、201)的一凸起表面(142、242)，該凸起表面(142、242)將照射於其上的該光輸出之大多數重新引導朝向該外部反射體，及其中該凸起表面(142、242)與每一該光輸出軸(104A至104D)相交，且在該第一角度位置定義一第一凸起輪廓，且在該第二角度位置定義一第二凸起輪廓，該第一凸起輪廓與該第二凸起輪廓相異。
  8. 如請求項7之以LED為基礎的照明單元，其中經重新引導朝向該照明區域之該光輸出之至少百分之八十係在一個十五度光束角內重新引導。
  9. 如請求項7之以LED為基礎之照明單元，其中該凹入內表面在該第一角度位置具有一第一焦點，該第一焦點係定位於該第一角度位置之該凹入內表面的一基部與最接近該第一角度位置之該凹入內表面的該基部的該LED光輸出軸之間。
  10. 如請求項9之以LED為基礎之照明單元，其中該凹入內表面在該第二角度位置具有一第二焦點，該第二焦點係定位於該第二角度位置之該凹入內表面之該基部與最接近該第二角度位置之該凹入內表面之該基部的該LED光輸出軸之間。
  11. 如請求項7之以LED為基礎之照明單元，其中該外部反射體包含繞該中央軸而設置的一凹入第二內表面，該第二內表面係比該內表面更遠離該多晶片LED而定位。
  12. 如請求項11之以LED為基礎之照明單元，其中該第二凹入內表面在該第一角度位置定義一第三凹入表面輪廓，且在該第二角度位置定義一第四凹入表面輪廓，該第三凹入表面輪廓與該第一凹入表面輪廓相異，且該第四凹入表面輪廓與該第二凹入表面輪廓相異。
  13. 如請求項7之以LED為基礎之照明單元，其中該凹入內表面在相對於該中央軸的一第三角度位置定義一第三凹入表面輪廓，該第三凹入表面輪廓與該第一凹入表面輪廓及該第二凹入表面輪廓相異。
  14. 一種用於混合來自一多晶片LED的光輸出之去焦光學件，其包括：一內部反射體，其具有一中央軸；及一雙層級(bi-level)外部反射體，其圍繞該內部反射體及該中央軸；該外部反射體具有繞該中央軸而設置的一下部凹入內表面及比該下部凹入內表面更呈徑向地(radially)繞該中央軸而設置的一上部凹入內表面，該下 部凹入內表面及該上部凹入內表面之各者將入射於其上的該光輸出之大多數重新引導朝向一照明區域；該下部凹入內表面包括複數個下部凹入內表面區段，該等下部凹入內表面區段之各者具有與該等下部凹入內表面區段的至少一鄰近者相異的一下部焦點(lower focal point)；該上部凹入內表面包括複數個上部凹入內表面區段，該等上部凹入內表面區段之各者具有與該等上部凹入內表面區段之至少一鄰近者相異且與該等下部凹入內表面區段之至少一鄰近者相異的一上部焦點(upper focal point)；該內部反射體具有面對該多晶片LED的一凸起表面，該凸起表面將照射於其上的該光輸出之大多數向外重新引導朝向該外部反射體。
  15. 如請求項14之去焦光學件，其中該凸起表面包括複數個凸起表面區段，該等凸起表面區段之各者具有與該凸起表面區段之至少一鄰近者相異的一凸起焦點。
  16. 如請求項14之去焦光學件，其中每一該下部凹入內表面區段繞該中央軸而延伸至少十五度。
  17. 如請求項14之去焦光學件，其中每一該下部凹入內表面區段與一對應上部凹入內表面區段實質上成角度地對率。
  18. 如請求項14之去焦光學件，其中每一該上部區段之該上部焦點係比該中央軸更遠離該上部區段而定位。
  19. 如請求項18之去焦光學件，其中每一該下部區段之該下部焦點係比該中央軸更接近該下部區段而定位。
  20. 如請求項14之去焦光學件，其中提供至少四個上部凹入內表面區段，且提供至少四個下部凹入內表面區段。
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