TWI697138B - Led投射裝置及其控制偏斜光場角度之方法 - Google Patents

Led投射裝置及其控制偏斜光場角度之方法 Download PDF

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Abstract

本發明係一種LED投射裝置及其控制偏斜光場角度之方法，其包含一基板、至少一LED封裝體及一鏡頭；基板為一電路板，LED封裝體設於基板，且各LED封裝體包含至少一LED晶片、一封裝透鏡及一反射杯；封裝透鏡包覆一LED晶片；反射杯與封裝透鏡相接合，且一LED晶片設於反射杯內。藉由出光視角之參數及偏軸角度之計算方法算出LED光線射出型態，將LED封裝體布局於基板上，創作出LED晶片之光線透過封裝透鏡呈一配合鏡頭之影像角度，進而投射出一近矩形光型，在不改變原有LED封裝體外觀的前提下，達到較佳之畫面均勻度，減少畫面四周暗區的面積，有效利用LED效能。

Description

LED投射裝置及其控制偏斜光場角度之方法
本發明係涉及一種發光二極體(LED)光源的投射裝置及其控制偏斜光場角度之方法，尤指一種運用改變發光角度的LED封裝體投射近矩形光源及預測發出光之光場分布方法。
發光二極體(LED)是將電能轉換成光能的發光裝置，其具有省電、壽命長等優點，因此近年逐漸發展至被普遍用作照明用途。並用於配合攝像頭或攝影機，增益照明作為補充光源。接著經過攝像頭或攝影機採擷之圖片或影片，普遍會於顯示器中播放或觀看，從智慧手機、大螢幕電視、投影機到電影院播放幾乎畫面比例都逐漸扁平化；請參閱圖9所示，顯示器之屏幕70的長寬比例為適應人眼視角，該長寬比例自4：3演變至16：9，但因為LED所提供光源所投射出的亮區71均為圓形，較難使得顯示器之屏幕70有均勻的光線產生，請參閱圖9A所示，若將LED光源亮區71全框住，會出現手電筒效應，畫面均勻度不佳，四周出現大量暗區72，但充分利用發光效能；請參閱圖9B所示，若僅取特定照度以上之亮區71，畫面均勻度較佳，但仍有暗區72以及產生浪費的光源73，發光效能中等；請參閱圖9C所示，若僅取光照以內之感光區域，畫面均勻度最佳，但發光效能較差，浪費的光源73更多；因此，LED所提供的光源如未經過處理，會產生上述無法充分運用光源的問題。
因此，為了改善上述問題，現有技術針對補足LED光場(FOV，Field Of View)有二種方式，請參閱圖10所示，例如當使用四顆雙列直插封裝 DIP(Dual Inline-pin Package)LED80時，為了補足光場，可將各雙列直插封裝LED80等圓心角的平均配置於同一基板上，並且將各雙列直插封裝LED80的二接腳81精準的剪角及精準的彎曲以取得所需的投射光源82角度，但因為工序複雜，品質不穩定的關係，很難精準控制；請參閱圖11所示，當使用表面安裝元件SMD(Surface Mounted Devices)LED90時，因為所投射出的光源92均為同方向，而為了補足光場，需要在機構91上形成特定角度使得不同位置之SMD LED90所投射出的光源92分別朝向所預設之位置以達到均勻投射之目的，但因為設計困難且浪費空間，額外還需加上使用線路與連接器，導致工序複雜且品質不穩定，同樣很難精準控制。
此外，現有一種如台灣發明公告號I567329所述之具矩形光型之一次光學發光源，具有一基板、一LED晶片及一封裝膠體，LED晶片設於基板，封裝膠體包覆於LED晶片以將其固定，封裝膠體之X軸向的剖面自基板依序具有一對第一彎折段、一對第二彎折段及一頂段，各第一彎折段係為相對設置並自基板延伸而與第二彎折段接合，各第二彎折段亦為相對設置並與頂段之一端接合，且第一彎折段、第二彎折段及頂段分別為弧形，而封裝膠體之Y軸向的剖面為弧形，其中X軸與Y軸相互垂直，且X軸與Y軸夾設形成之平面，係平行於基板供以設置LED晶片之平面。藉此，LED晶片之光線透過該封裝膠體射出而形成一矩形光型，以達到於點亮發光源時，即可形成指定之矩形照明光型；但因為封裝體採用X軸與Y軸不對稱的設計，因此模具相對較複雜，成本也較高。
因此，現有技術的LED投射裝置，其整體構造及製造方法存在有如前述的問題及缺點，實有待加以改良。
有鑒於現有技術的缺點及不足，本發明提供一種LED投射裝置及其控制偏斜光場角度之方法，其可採用單顆多晶片LED或多顆單晶片LED，藉由計算求出LED封裝體的出光視角，進而改變LED晶片於封裝體內設置位置，達到所欲形成光場形狀之目的。
為達上述之發明目的，本發明所採用的技術手段為設計一種LED投射裝置，其包含：一基板；至少一LED封裝體，其設於該基板，且各該至少一LED封裝體包含：至少一LED晶片，其設於該LED封裝體內；一封裝透鏡，該封裝透鏡包覆該至少一LED晶片；一反射杯，該反射杯與該封裝透鏡相接合，且該至少一LED晶片設於該反射杯內；一鏡頭，其平行於該基板設置；其中，各該LED晶片之光線透過各該封裝透鏡呈一配合該鏡頭之影像角度投射而出形成一非圓形光型，各該LED晶片於各該封裝透鏡內的位置偏離各該反射杯的中心位置。
為達到上述的發明目的，本發明進一步提供一種LED控制偏斜光場角度之方法，其中出光視角(Va)之參數係藉由具有如下a至n步驟之參數計算方法而求出者：a.確定該封裝透鏡型式；b.選用三種LED晶片大小(Cs)；c.均封裝同一曲率透鏡；d.利用數據得到關係式出光視角比率f(Cs)；f(Cs)=-0.0007×Cs2+0.06×Cs+0.4667； e.沿用該封裝透鏡型式；f.任選用一種LED晶片大小(Cs)及選用三種LED晶片位移量(Ds)；g.均封裝同一曲率透鏡；h.以Ds=0之視角為100%；i.利用數據得到關係式出光視角比率f(Ds)；f(Ds)=0.3125×Ds2-0.875×Ds+1；j.沿用該封裝透鏡型式；k.任選用一種LED晶片大小(Cs)及選用基材到封裝透鏡頂端高度(H)；l.Ds=0；m.利用數據得到關係式出光視角比率f(H)；f(H)=-44.444×H2+108.89×H+83.556；n.Va=f(H)×f(Cs)×f(Ds)。
為達到上述的發明目的，本發明進一步提供一種控制偏斜光場角度之方法，依照基材到封裝透鏡頂端高度(H)和LED晶片位移量(Ds)計算出偏軸角度(Voc)之參數，藉由具有如下a至c步驟之參數計算方法而求出者：a.利用基材到封裝透鏡頂端高度(H)和透鏡底部與基材接觸之圓半徑(a)算出透鏡曲率(R)角，其由下述公式所確定：R=(H2+a2)/2H；b.LED晶片位移後正向光射出透鏡時，與透鏡之入射角(θ1)，其由下述公式所確定，其中A代表反函數(arc)：θ1=Asin(Ds/R)；c.Voc=Asin(1.5sinθ1)。
本發明的優點在於，藉由計算出各LED封裝體之光線射出型態，搭配LED封裝體布局於基板上，創作製造出LED晶片之光線透過封裝透鏡 呈一配合鏡頭之影像角度，進而投射出形成一近矩形光型，在創作的過程中可採用單顆LED封裝體具有多顆LED晶片亦或是多顆單LED晶片封裝體，在不改變原有LED封裝體外觀的前提下，達到較佳之畫面均勻度，減少畫面四周暗區的面積，有效利用LED的效能。
進一步而言，所述之LED投射裝置，其中各該封裝透鏡之外觀為對稱形狀。
進一步而言，所述之LED投射裝置，其中當該至少一LED晶片的數量為偶數個時，該LED晶片的位置成對等距偏離各該反射杯的中心位置。
進一步而言，所述之LED投射裝置，其中該鏡頭設於該基板上。
10:基板
20:LED封裝體
21:LED晶片
22:封裝透鏡
23:反射杯
24:光場
25:光源
30:鏡頭
40:攝影機
50:基材
70:屏幕
71:亮區
72:暗區
73:浪費光源
80:雙列直插封裝LED
81:接腳
90:表面安裝元件LED
91:機構
Va:出光視角
Cs:LED晶片大小
Ds:位移量
H:基材到封裝透鏡頂端高度
Voc:偏軸角度
a:透鏡底部與基材接觸之圓半徑
圖1係本發明之立體外觀圖。
圖2係本發明之單顆多晶片LED投射光型示意圖。
圖3係本發明之多顆單晶片LED投射光型示意圖。
圖4及圖5係本發明之投射示意圖。
圖6為本發明之光場圖。
圖7為本發明之光源投射角度示意圖。
圖8為本發明之計算式輔助示意圖。
圖9至圖11係現有技術之示意圖。
以下配合圖式以及本發明之較佳實施例，進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段。
請參閱圖1及圖2所示，本發明之LED投射裝置包含一基板10、至少一LED封裝體20及一鏡頭30。
基板10在本實施例中為一印刷電路板PCB(Printed Circuit Board)。
請參閱圖1及圖3所示，鏡頭30平行於基板10設置，在本實施例中，鏡頭30貫穿基板10且設於基板10上，為一攝影機鏡頭30部份構造，結構包含透鏡、電路板、固定器、濾光片、感測器、數字信號處理芯片等部件之總成，為現有技術的攝影機鏡頭30。
請參閱圖1及圖2所示，LED封裝體20設於基板10，且各LED封裝體20包含至少一LED晶片21、一封裝透鏡22及一反射杯23，在本實施例中，LED晶片21可為一般可見光LED亦或是紅外光LED(IR LED)。
封裝透鏡22包覆LED晶片21，在本實施例中，封裝透鏡22之外觀為對稱形狀，且用以將LED晶片21藉由密封劑黏固包覆於其中，並且以多次折射控制LED晶片21發射光照角度。
反射杯23與封裝透鏡22相接合，且LED晶片21設於反射杯23內，在本實施例中，LED晶片21之光線透過封裝透鏡22呈一配合鏡頭30之影像角度投射而出形成一非圓形光型，所謂非圓形光型在本發明是朝向投射近矩形的形狀；LED晶片21於封裝透鏡22內的位置偏離反射杯23的中心位置，當LED晶片21的數量為偶數個時，LED晶片21的位置成對等距偏離各反射杯23的中心位置；在此詳加說明，請參閱圖2A所示，兩顆LED晶片21所形成光場24變形成近橢圓形，請參閱圖2B所示，四顆LED晶片21所形成橢圓形近矩形光場24，四角變形成較接近直角的形狀，請參閱圖2C所示，六顆LED晶片21所形成近矩形光場24，四角變形成更接近直角的形狀，但不以此為限，其他數量之偶數LED，均可依擺放空間左右對稱設計。
請參閱圖3所示，為本發明的另一種實施例，當LED晶片21的數量只有一個時，可藉由多顆LED封裝體20採用左右成對偶數排列的方式，且LED晶片21偏離反射杯23的中心位置；當使用於攝影機40時，請參閱圖3A所示，二顆LED封裝體20以中央鏡頭30十字標記為中心，成對等距偏離十字標記，LED晶片21所發出的光線向右射出達到垂直方向之被照物平面形成光場24，攝影鏡頭30以感光元件之比例為4：3、16：10或16：9之區域，攝影成像完整程序；請參閱圖3B所示，四顆LED封裝體20以中央鏡頭30十字標記為中心，成對等距偏離十字標記，LED晶片21所發出的光線向右射出達到垂直方向之被照物平面形成光場24，攝影鏡頭30以感光元件之比例為4：3、16：10或16：9之區域，攝影成像完整程序；請參閱圖3C所示，六顆LED封裝體20以中央鏡頭30十字標記為中心，成對等距偏離十字標記，LED晶片21所發出的光線向右射出達到垂直方向之被照物平面形成光場24，攝影鏡頭30以感光元件之比例為4：3、16：10或16：9之區域，攝影成像完整程序；由以上所述得知，隨著LED封裝體20數量的增加及分布狀態的改變，可以增加光場24的均勻程度。
請參閱圖6所示，在此針對上述單顆LED晶片21安裝於反射杯23中，以不同偏斜角度、不同出光視角以及不同數量的LED封裝體20所投射出光場24做進一步說明；請參閱圖6A及圖6B所示，當同樣使用兩顆LED封裝體20欲投射出矩形光場24時，以小出光視角且偏斜角度較大(圖6A)的方式所投射出之光場24較以大出光視角且偏斜角度較小(圖6B)的方式所投射出之光場24所佔有感光元件之面積較大較接近矩形，相對來說留在四周的暗區72較少；請參閱圖6C及圖6D所示，當同樣使用四顆LED封裝體20時，以大出光視角且偏斜角度較小(圖6D)的方式所投射出之光場24較以小出光視角且偏斜角度較大(圖6C)的方式所投射出之光場24所佔有感光元件之面積較大較接近矩形，相對來說留在四周的暗區72較少，此外，四顆LED封裝體20經排列所形成的光場24較兩顆LED 封裝體20所形成的光場24又更接近矩形；由此可知，使用者可依據需求藉由改變LED封裝體20的偏斜角度、出光視角及數量搭配出所需之光場24型態。
本發明之LED投射裝置控制偏斜光場角度之方法，其中出光視角Va(View Angle)即半功率角、偏軸角度Voc(View Angle Off Axis)即最亮點與正中心之夾角，H(Height)即基材到透鏡頂端高度，Cs(Chip Scale)即晶片大小(寬度)，出光視角之參數係藉由以下步驟之參數計算方法而求出：
步驟一：求出晶片Cs大小與出光視角Va大小的關係式。
因為晶片Cs大小會影響出光視角Va的大小，所以藉由先確定封裝型式，選用三種LED晶片大小，均正常封裝同一曲率的封裝透鏡22，利用數據得到一元二次方程式關係式的出光視角比率f(Cs)，舉例來說，當LED晶片大小為10mil、20mil及40mil時，經由數據結果求得關係式為：f(Cs)=-0.0007×Cs2+0.06×Cs+0.4667。
步驟二：求出晶片位移量Ds大小與出光視角Va大小的關係式。
因為位移量Ds大小會影響出光視角Va的大小，所以藉由先確定封裝型式，選用一種LED晶片大小，三種位移量，均正常封裝同一曲率的封裝透鏡22，利用數據得到一元二次方程式關係式的出光視角比率f(Ds)，舉例來說，當LED晶片大小為10mil，且位移量有0mm、0.4mm及0.8mm時，以Ds=0之視角為100%，經由數據結果求得關係式為：f(Ds)=0.3125×Ds2-0.875×Ds+1。
步驟三：求出基材50到封裝透鏡22頂端高度H與出光視角Va大小的關係式。
因為基材50到封裝透鏡22頂端高度H會影響出光視角Va的大小，所以藉由先確定封裝型式，選用一種LED晶片大小，三種LED封裝體20高度，利用數據得到一元二次方程式關係式的出光視角比率f(H)，舉例來說，當 LED晶片大小為10mil，且LED封裝體20高度有1.3mm、1.9mm及2.8mm時，以Ds=0，經由數據結果求得關係式為：f(H)=-44.444×H2+108.89×H+83.556。
步驟四：將步驟一至步驟三之關係式整理可得出：Va=f(H)×f(Cs)×f(Ds)。
請參閱圖8所示，欲將LED晶片21所發出的光源達到近似理想散射(Lambertian reflectance)的結果，是根據各個方向發光強度的比例，再試算出整體光源的偏軸角度Voc調整而成；而本發明之LED投射裝置控制偏斜光場角度之方法，以LED晶片21設置於對稱支架內(如圖8A)，不對稱的放置於支架上(如圖8B)，其中偏軸角度Voc之參數係藉由以下步驟及參數計算方法而求出：
步驟一：算出透鏡曲率(R)角。
用基材50到封裝透鏡頂端高度(H)和透鏡底部與基材50接觸之圓半徑(a)算出透鏡曲率(R)角，其關係式為：R=(H2+a2)/2H。
步驟二：算出透鏡之入射角(θ1)。
LED晶片21位移後正向光射出透鏡時，與透鏡之入射角θ1，其由下述公式所求出，其中A代表反函數(arc)：θ1=Asin(Ds/R)。
根據snell's law：n1sinθ1=n2sinθ2。
Voc=Asin(1.5sinθ1)。
請參閱圖7所示，依據前述計算所得出的結果可分為三大類，當半功率角(2θ1/2)等於60度的狀態下，可從圖7A至圖7C的圖示得知，偏軸角度越大，也等同LED晶片21位移量Ds越多，則所投射出之光源25也就越傾斜，同樣的情形當半功率角(2θ1/2)等於90度及120度的狀態下，可從圖7D至圖7F以及圖 7G至10I得知，偏軸角度越大，也等同LED晶片21位移量Ds越多，則所投射出之光源25也就越傾斜。
本發明使用時，藉由前述之方法計算統整出不同的LED晶片21位移量及不同的封裝透鏡22型態所產生不同角度及範圍的光源25，如圖7A至圖7I，從中選擇合適的規格組合與數量之LED晶片21，搭配LED封裝體20布局於基板10上，設計出LED晶片21之光線透過封裝透鏡22呈一配合鏡頭30之影像角度，進而投射出形成一近矩形光型，在設計的過程中可採用單顆LED封裝體20具有多顆LED晶片21亦或是多顆單LED晶片21的LED封裝體20，達到較佳之畫面均勻度，減少畫面四周暗區72的面積。
前述過程中，由於各封裝透鏡22之外觀為對稱形狀，即採用原有模具即可達到改變光場24之設計，具有簡省成本之功效。
前述過程中，請參閱圖4所示，在同一片基板10上，透過LED封裝體20所發出具有一定角度的光，即可構建所欲形成之光場24形狀，相較於圖7所示之現有技術，達到製程工序及整體結構更簡單之目的。
前述過程中，請參閱圖5所示，在同一片基板10上，當LED封裝體20為表面安裝元件(SMD，surface mount devices)LED時，透過LED封裝體20所發出具有一定角度的光，即可構建所欲形成之光場24形狀，相較於圖8所示之現有技術，不需透過彎折或分割基板10即可構建所欲形成之光場24形狀，達到製程工序及整體結構更簡單之目的。
以上所述僅是本創作之較佳實施例而已，並非對本創作做任何形式上的限制，雖然本創作已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾作為等同變化的等效時施例，但凡是未脫離本創作技術方案的內容，依據本創作的技術實質對以上實 施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本創作技術方案的範圍內。
10‧‧‧基板
20‧‧‧LED封裝體
22‧‧‧封裝透鏡
30‧‧‧鏡頭

Claims (6)

  1. 一種LED投射裝置，其包含：一基板；至少一LED封裝體，其設於該基板，且各該至少一LED封裝體包含：至少一LED晶片，其設於該LED封裝體內；一封裝透鏡，該封裝透鏡包覆該至少一LED晶片；一反射杯，該反射杯與該封裝透鏡相接合，且該至少一LED晶片設於該反射杯內；一鏡頭，其平行於該基板設置；其中，各該LED晶片之光線透過各該封裝透鏡呈一配合該鏡頭之影像角度投射而出形成一非圓形光型，各該LED晶片於各該封裝透鏡內的位置偏離各該反射杯的中心位置。
  2. 如請求項1所述之LED投射裝置，其中各該封裝透鏡之外觀為對稱形狀。
  3. 如請求項1或2所述之LED投射裝置，其中當該至少一LED晶片的數量為偶數個時，該LED晶片的位置成對等距偏離各該反射杯的中心位置。
  4. 如請求項3所述之LED投射裝置，其中該鏡頭設於該基板上。
  5. 一種LED控制偏斜光場角度之方法，其應用於請求項1至4中任一項之LED投射裝置，其中出光視角(Va)之參數係藉由具有如下a至n步驟之參數計算方法而求出者：a.確定該封裝透鏡型式；b.選用三種LED晶片大小(Cs)；c.均封裝同一曲率透鏡；d.利用數據得到關係式出光視角比率f(Cs)； f(Cs)=-0.0007×Cs2+0.06×Cs+0.4667；e.沿用該封裝透鏡型式；f.任選用一種LED晶片大小(Cs)及選用三種晶片位移量(Ds)；g.均封裝同一曲率透鏡；h.以Ds=0之視角為100%；i.利用數據得到關係式出光視角比率f(Ds)；f(Ds)=0.3125×Ds2-0.875×Ds+1；j.沿用該封裝透鏡型式；k.任選用一種LED晶片大小及基材到封裝透鏡頂端高度(H)；l.Ds=0；m.利用數據得到關係式出光視角比率f(H)；f(H)=-44.444×H2+108.89×H+83.556；n.Va=f(H)×f(Cs)×f(Ds)。
  6. 一種LED控制偏斜光場角度之方法，其應用於請求項1至4中任一項之LED投射裝置，依照基材到封裝透鏡頂端高度(H)和LED晶片位移量(Ds)計算出偏軸角度(Voc)之參數，藉由具有如下a至c步驟之參數計算方法而求出者：a.利用基材到封裝透鏡頂端高度(H)和透鏡底部與基材接觸之圓半徑(a)算出透鏡曲率(R)角，其由下述公式所確定：R=(H2+a2)/2H；b.LED晶片位移後正向光射出透鏡時，與透鏡之入射角(θ1)，其由下述公式所確定，其中A代表反函數(arc)：θ1=Asin(Ds/R)；c.Voc=Asin(1.5sinθ1)。
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