Led光源的制作方法
【專利摘要】提出了一種照明模塊100以及包括這樣的模塊的照明設備200。該照明模塊包括安裝在襯底110上的LED120的陣列以及包圍該LED陣列以便在操作中使得該LED陣列近似于單個同質(zhì)光源的光學結(jié)構(gòu)130。該光學結(jié)構(gòu)包括被布置為提供作為偏向角度的函數(shù)的光強度輪廓的光學元件140，該偏向角度在-αmax和αmax之間是基本上恒定的并且在該范圍之外基本上為零角度，其中αmax是該光學元件所提供的最大偏向角度。這對于最優(yōu)化創(chuàng)建同質(zhì)光源和維持光源光展量之間的權衡而言是特別有利的。光學元件140附加的優(yōu)勢在于，除了兩個表面上的菲涅爾反射之外，其并沒有如漫射器的反向散射，這造成了非常低的光學損失。
【專利說明】LED光源
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及照明模塊和照明設備。更具體地，其涉及包括襯底和安裝在該襯底上的個體LED的陣列的模塊和設備。這樣的模塊和設備尤其在諸如下照燈、上照燈、墻壁照明設施、聚光燈等的照明應用中使用。
【背景技術】
[0002]從US2010/0103678已知給出了所提出種類的照明設備的一個實施例。該文獻公開了一種包括用于固定LED芯片陣列的基座(submount)的LED組件，其中該基座具有芯片焊盤(die pad)及其上表面上的導電軌線。形成陣列的LED芯片被安裝到相應的一個芯片焊盤上。該導電軌線被布置為向LED芯片提供電力，以使得它們在操作中發(fā)出可用于提供特定應用的照明分布的光線。該LED組件進一步包括覆蓋該LED芯片陣列的固態(tài)透鏡以及用于在近場中將LED的光發(fā)射進行混合的漫射器。換言之，在觀察該LED組件時，該漫射器在使得源自于離散LED芯片的光線并不像沒有漫射器的情況下那樣可清晰地個體辨識的嘗試中對LED芯片的發(fā)光進行混合。相反，當直接觀看該LED組件時，其近似于透鏡下的單個光源。該漫射器可以被提供為透鏡上方的球頂，其中該球頂可以包括諸如散射中心或微型透鏡的漫射微型結(jié)構(gòu)。
[0003]該方法的優(yōu)勢在于防止了遠場中的光學非同質(zhì)性。這樣的非同質(zhì)性源自于與燈具中通常采用的二級光學器件相結(jié)合的LED芯片的基座上的離散幾何位置，該二級光學器件在聚光燈照明應用的情況下例如是反射體。因此，如果不采取對抗措施，則在遠場照明圖案中會在照明分布的中心并且特別是在其外圍出現(xiàn)陰影線。許多照明設計者和用戶認為這樣的效果是惱人的。特別是在LED芯片發(fā)出不同顏色的光線時，這些陰影線是帶顏色的。該色彩使得它們更加容易被看到并且因此比所有LED芯片發(fā)出相同顏色光線的情況下的照明分布中更亮/更暗的調(diào)制更為惱人。
[0004]然而，US2010/0103678中所描述的解決方案的缺陷在于，其在機械和光學方面都加大了光源的尺寸。機械增大是由于包含LED芯片陣列的球頂?shù)奈锢泶笮〉脑?。而光學增大則是由于個體LED芯片所發(fā)射光線的散布的原因。雖然這造成了陣列中部填充離散LED芯片之間的“黑暗間隙”的LED芯片的虛擬尺寸，但是陣列外邊緣附近的LED芯片的虛擬尺寸使得光源的尺寸延伸至陣列的物理尺寸之外。如已知的，更大的光源尺寸使得用于獲取特定應用的照明分布的二級光學器件的使用和設計變得復雜化。特別是對于窄光束的聚光燈應用而言，小的光源是期望的，以保持可行且可用尺寸的二級光學器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目標是提供一種所提出類型的照明模塊，其至少部分緩解了以上所提到的缺陷。根據(jù)第一方面，該目標通過一種包括光學結(jié)構(gòu)的照明模塊而實現(xiàn)，該光學結(jié)構(gòu)包括被布置為當在照明模塊的操作中通過光學結(jié)構(gòu)觀察發(fā)光二極管時提供光強度輪廓(profile) I的光學元件，該光強度輪廓I作為偏向角度a的函數(shù)，該偏向角度a在-a _和+ a _之間是基本上恒定的并且在高于+ a _和低于-a _時基本上為零(g卩，在x = O時為< 10%，優(yōu)選地為<5%，更優(yōu)選地為< 1%的光亮強度)，其中a _是該光學元件所提供的最大偏向角度。本發(fā)明提供了一種設備，其使得光源同質(zhì)化，同時使得其尺寸的延伸最小化。該光學元件允許創(chuàng)建一種虛擬LED源，其在預定距離上基本上恒定的LED平面中提供照明E'。優(yōu)選地，該預定距離對應于LED陣列的節(jié)距(pitch)P。該光學元件的一個附加優(yōu)勢在于，除了光學結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面和外表面上的菲涅爾(Fresnel)反射之外,其并未像漫射器那樣表現(xiàn)出反向散射。因此，其使得光學損失非常低。
[0006]在一個實施例中，該光學結(jié)構(gòu)包括多個光學元件，其中每個光學元件依據(jù)其在該光學結(jié)構(gòu)上的位置而提供最大偏向角度a _。有利地，這允許對光學元件觀看陣列中的LED的幾何角度和相應距離進行調(diào)節(jié)。
[0007]在一個實施例中，通過光學元件的大小而對其最大偏向角度a _進行控制，允許易于使用工具加工用于創(chuàng)建注模光學結(jié)構(gòu)的預成形部分。
[0008]有利地，光學元件形成非球面的小透鏡。在一個實施例中，由非球面小透鏡所提供的最大偏向角度a _隨其大小線性增加。這允許在-a _和+ a _之間形成恒定的光強度輪廓。有利地，該小透鏡具有至少一個拋物線形狀的橫截面。
[0009]在一個實施例中，該光學元件位于該光學結(jié)構(gòu)面向發(fā)光二極管陣列的第一側(cè)面。
[0010]該光學元件可以具有凸面形狀或凹面形狀。有利地，這保護該光學元件免受不利環(huán)境影響，諸如可能使得其光學功能減弱的油脂或灰塵。
[0011 ] 在一個實施例中，該光學元件具有多邊形輪廓。有利地，這允許多個光學元件形成網(wǎng)格狀球頂。
[0012]在一個實施例中，該光學結(jié)構(gòu)進一步包括用于提供二級光學功能的光學部件。作為示例，該二級光學功能可以允許對在照明模塊的光學軸線附近所發(fā)射的光線進行光束整形，例如通過將從該模塊所發(fā)射的光線的中心部分進行集中。可替換地，可以通過將光學結(jié)構(gòu)的厚度t布置為使其取決于襯底上方的高度來提供第二光學功能。這樣的配置形成了在局部變化的光楔(optical wedge)，這允許對LED所發(fā)射的光束及其與關于照明模塊協(xié)同布置的諸如反射器之類的二級光學器件的交互進行控制。
[0013]在一個實施例中，該光學結(jié)構(gòu)進一步包括用于調(diào)節(jié)該照明模塊的光學性能的器件。例如，該光學結(jié)構(gòu)可以包括用于調(diào)節(jié)該結(jié)構(gòu)的譜傳輸特性的染料。有利地，這允許對照明模塊的光學效率進行調(diào)節(jié)和/或?qū)λl(fā)射光線的光譜進行調(diào)節(jié)，以便例如對顏色渲染特性進行控制。
[0014]根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供了一種照明設備，包括根據(jù)之前任意權利要求的照明模塊以及關于該照明模塊協(xié)同布置以便提供特定應用的照明分布的二級光學器件。有利地，當應用發(fā)出多種原色的LED時，這樣的照明設備允許創(chuàng)建沒有惱人的更亮/更暗的調(diào)制或者甚至帶色調(diào)制的照明分布。
[0015]本發(fā)明的這些和其它方面將參考隨后所描述的實施例進行闡述并且將因此是顯而易見的。然而，所要意識到的是，這些實施例并非被理解為對本發(fā)明的保護范圍加以限制。它們可以被單獨應用，也可以被組合應用。
【專利附圖】

【附圖說明】[0016]在以下結(jié)合附圖對示例性且優(yōu)選實施例的描述中公開了本發(fā)明進一步的細節(jié)、特征和優(yōu)勢。
[0017]圖1概略性示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的照明設備的截面圖。
[0018]圖2圖示性示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的照明模塊的頂部視圖。
[0019]圖3示出了沿圖2的照明模塊的直線AA'的截面圖。
[0020]圖4A、B、C和D圖示性示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的光強度輪廓。
[0021]圖5A圖示性示出了根據(jù)本發(fā)明的光學元件。
[0022]圖5B圖示性示出了根據(jù)本發(fā)明的光強度輪廓。
[0023]圖6示出了拋物線和球面光學元件之間的相對光強度輪廓的比較。
[0024]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的切線光線散布。
[0025]圖8示出了依據(jù)本發(fā)明的光學結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0026]圖9概略性示出了包括用于提供二級光學功能的光學部件的光學結(jié)構(gòu)的實施例?！揪唧w實施方式】
[0027]圖1概略性示出了諸如下照燈、上照燈、墻壁照明設施、聚光燈等之類照明設備200的截面圖。照明設備包括照明模塊100以及關于該照明模塊協(xié)同布置以便提供特定應用的照明分布的二級光學器件210。如圖2所示，依據(jù)照明應用的要求以及每個發(fā)光二極管(LED)的流明輸出，照明模塊100可以包括個體LED120的陣列。這些LED可以以能夠?qū)υ揕ED單獨或共同控制以發(fā)光的方式而被安裝在該模塊的襯底110中。此外，LED120可以以襯底形成到熱沉(未示出)的熱路徑的部分的方式進行安裝，以便在操作期間保持LED結(jié)溫而符合它們的規(guī)格。LED120可以是LED芯片，從而它們形成板載芯片系統(tǒng)?？商鎿Q地，LED可以是包括LED芯片的封裝,諸如舉例而言Philips Lumileds Lighting LUXEON Rebel。LED可以被布置為全部發(fā)射相同的光譜，作為直接以LED的pn結(jié)中創(chuàng)建的小帶寬光譜或者例如通過使用波長轉(zhuǎn)換器所創(chuàng)建的諸如白色光的大帶寬光譜，該波長轉(zhuǎn)換器即所謂的磷光體涂覆或pc-LED?？商鎿Q地，LED可以被布置為發(fā)出不同的原色(諸如舉例而言，紅色、綠色、藍色和琥珀色)，它們可以被混合以提供特定應用的照明分布(由通量分布以及光譜分布所指定)。
[0028]將LED120定位于例如閉合封裝陣列的密集陣列中是有利的，因為這減小了由該陣列所形成的整體光源的尺寸。較小的光源對照明設備200的二級光學器件210所形成的預定義照明分布具有有利影響。該二級光學器件可以通過適當成形的反射體來形成，諸如拋物線、分段或自由成形的金屬或金屬化反射體?？商鎿Q地，其可以由表現(xiàn)出TIR的大型透明光學部件來形成，諸如復合聚光器。然而，即使利用這樣密集封裝的陣列，其也由在操作中發(fā)射相對應數(shù)量的光束220的多個個體LED所組成。光束的集合形成了照明設備200所提供的照明分布。由于陣列中的LED120之間的物理距離，光束220在遠場照明圖案中產(chǎn)生了可見的更亮和更暗的線條。這些線條在它們作為圓環(huán)可見的照明分布外圍是尤其惱人的。此外，該照明分布還在經(jīng)由二級光學器件210所生成部分中表現(xiàn)出非均勻性。
[0029]為了對抗照明分布中這種光學產(chǎn)物的形成，通常將球頂130定位在LED陣列120的上方，其被布置為使得LED所發(fā)射的光線發(fā)生漫射。這樣的漫射球頂造成光束220似乎源自于擴展的虛擬LED源120a(圖2)的結(jié)果。[0030]如圖3概略性描繪的，將具有半徑L的漫射半球體130定位在具有個體大小s并且位于節(jié)距P上的LED120的陣列上使得所發(fā)射的光線在偏向角度α上進行散射(通過球頂中的微結(jié)構(gòu))或折射(通過球頂上的微透鏡)。通常，s處于lXl_2X2mm2的范圍之內(nèi)并且P處于2-6_的范圍之內(nèi)。偏向角度被限制為最大偏向角度α_，該數(shù)值取決于在漫射球頂中所應用的微結(jié)構(gòu)。因此，針對散射微結(jié)構(gòu)和微透鏡而言，作為偏向角度α的函數(shù)的光強度輪廓121通常分別具有圖4Α和C中所描繪的形式。因此，雖然在漫射球頂內(nèi)或漫射球頂上所應用的這種微結(jié)構(gòu)或微透鏡將LED發(fā)光表面的尺寸虛擬放大至陣列中LED120之間的“黑暗”區(qū)域而由此對創(chuàng)建同質(zhì)光源有所貢獻，但是這樣特有的貢獻明顯是次優(yōu)的。作為偏向角度的函數(shù)的光強度輪廓121的下降可以通過調(diào)節(jié)微結(jié)構(gòu)和微透鏡以表現(xiàn)更大的最大偏向角度α_而得到補償。例如，可以對散射中心的大小和折射率進行調(diào)節(jié)。可替換地，可以對微透鏡的曲率半徑和/或尺寸進行調(diào)節(jié)。然而，這實際上是以虛擬光源的尺寸為代價而改善光源的同質(zhì)性(圖4Β和D)。此外，為了將微結(jié)構(gòu)容納在提供這樣的更大偏向角度α 的球頂上，通常必須增加球頂尺寸L。
[0031]圖5A概略性描繪了根據(jù)本發(fā)明的光學元件140。對于隨后的討論而言，源自于位于O'處的LED120并且在A中與光學元件140相交且折射至焦點F的光射線的偏向角度α被定義為角度OFA=角度O' FA'。類似地，最大偏向角度amax被定義為角度OFB =角度O' FBi，角度O' FBi對應于僅與光學元件140相交的臨界光射線。因此，光學元件140的焦距f及其大小rmax( = 0B)滿足以下關系:
【權利要求】
1.一種照明模塊(100),包括: 襯底(110)， 安裝在所述襯底上的發(fā)光二極管(120)的陣列， 光學結(jié)構(gòu)(130)，包圍所述發(fā)光二極管以用于在操作中使得所述發(fā)光二極管的陣列近似于單個光源， 其特征在于 所述光學結(jié)構(gòu)包括光學元件(140)，被布置為當在所述照明模塊的操作中通過所述光學結(jié)構(gòu)觀察發(fā)光二極管時提供作為偏向角度a的函數(shù)的光強度輪廓1(125)，所述偏向角度a在-a _和+ a _之間是基本上恒定的，其中a _是由所述光學元件所提供的最大偏向角度。
2.根據(jù)權利要求1所述的照明模塊，其中所述光學結(jié)構(gòu)(130)包括多個光學元件(140)，其中每個光學元件依據(jù)其在所述光學結(jié)構(gòu)上的位置提供最大偏向角度a_。
3.根據(jù)權利要求2所述的照明模塊，其中所述光學元件(140)的最大偏向角度a.通過所述光學元件的大小進行控制。
4.根據(jù)之前任一項權利要求所述的照明模塊，其中所述光學元件(140)形成非球面的小透鏡。
5.根據(jù)權利要求4所述的照明模塊，其中所述光學元件(140)的最大偏向角度a.隨所述光學元件的大小線性增加。
6.根據(jù)權利要求5所述的照明模塊，其中所述光學元件(140)形成具有至少一個帶拋物線形狀的橫截面的小透鏡。
7.根據(jù)權利要求2至6中任一項所述的照明模塊，其中所述光學元件(140)位于所述光學結(jié)構(gòu)(130)面向所述發(fā)光二極管(120)的陣列的第一側(cè)(131)上。
8.根據(jù)權利要求2至7中任一項所述的照明模塊，其中所述光學元件(140)具有凸面形狀或凹面形狀。
9.根據(jù)權利要求2至7中任一項所述的照明模塊，其中所述多個光學元件(140)形成網(wǎng)格狀球頂。
10.根據(jù)權利要求9所述的照明模塊，其中所述光學元件(140)具有多邊形輪廓。
11.根據(jù)之前任一項權利要求所述的照明模塊，其中所述光學結(jié)構(gòu)(130)進一步包括用于提供二級光學功能的光學部件(135)。
12.根據(jù)之前任一項權利要求所述的照明模塊，其中所述光學結(jié)構(gòu)(130)進一步包括用于調(diào)節(jié)所述照明模塊(100)的光學性能的器件。
13.根據(jù)權利要求12所述的照明模塊，其中光學結(jié)構(gòu)(130)包括用于調(diào)節(jié)所述結(jié)構(gòu)的譜傳輸特性的染料。
14.一種照明設備(200)，包括根據(jù)之前任一項權利要求所述的照明模塊(100)，以及關于所述照明模塊協(xié)同布置以便提供專用照明分布的二級光學器件(210)。
【文檔編號】H01L33/58GK103636011SQ201280029661
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年6月15日 優(yōu)先權日:2011年6月17日
【發(fā)明者】W·A·G·蒂默斯, W·奧普特斯 申請人:皇家飛利浦有限公司