專利名稱：具有發光陣列和聚光鏡的光源的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及光源，更具體地涉及包括排成陣列的發光元件并iU吏用聚光4竟(collection optic )的光源。
技術背景發光二極管(LED)器件的應用日益增大。例如，利用LED的光學 系統包括投影系統(如LCD和DLP投影儀)、劇場照明設備(如遮光罩)、 纖維光學照明器、或者汽車前燈設備。這種光學系統通常包括收集系統 (collection system),所述收集系統將光準直從而將其有效地傳遞到目 標。但是，所希望的是不斷改進包括LED的光學系統的效率，以及一般 而言的發光元件的效率。發明內容依照本發明的實施例，照明系統(light system)包括排成陣列的多 個發光元件，其中性能優良的發光元件位于該陣列的中心或靠近該中 心，性能較劣的發光元件位于距離該陣列的中心更遠的位置。該陣列可 以包括多組發光元件，具有性能較劣的發光元件的這些組比具有性能相 對優良的發光元件的那些組位于距離該陣列的中心更遠的位置。具有光 軸的聚光鏡與該陣列光耦合，從而使該光軸近似地位于該陣列的中心。 該聚光鏡可以是例如復合拋物形聚光器、聚光透鏡、矩形角變換器、菲 涅耳透鏡、利用全內反射面的截面(section)的透4竟，以及任何其他適 當的器件，并且通常，該聚光鏡對于平行于光軸發出的光線的傳輸效率 比對于不平行于光軸發出的光線的傳輸效率更高。
圖l說明本發明可以使用的光源。圖2說明如圖1中所示的光源，其具有位于該聚光鏡和目標之間的附 加的光學系統。圖3是說明作為光線與光軸之間夾角e的函數的光學系統的傳輸(throughput)效率的圖表。圖4A和4B分別說明發光元件的陣列的橫截面視圖和頂視圖，該陣列 由3 x 3排列的9個LED管芯組成。圖5說明由4 x 4排列的16個LED管芯組成的陣列的頂視圖。 圖6說明由5 x 5排列的25個LED管芯組成的陣列的頂碎見圖。
具體實施方式
依照本發明的實施例，包括發光元件陣列的照明系統將性能最佳的 發光元件置于該陣列的中心或靠近該中心，該陣列的中心與該聚光鏡的光軸對準。圖1說明本發明可以使用的光源100。光源100包括安裝在例如底 座104上的發光元件的陣列102，所述發光元件如發光二極管(LED)。 光源100包括聚光鏡106，圖中示出為復合拋物形聚光器。但是如果需 要，本發明也可以使用其他或附加的聚光鏡，如聚光透鏡、矩形角變換 器、菲涅耳透鏡、利用全內反射面(TIR)的截面的透鏡，以及任何其 他適當的器件。 一般來說，復合拋物形聚光器例如是具有反射壁的反射 器，所述反射壁相對于該陣列成角度從而通常將發光元件的陣列102所 發射的光進行準直。可選擇的是，至少對于第一部分，可以使用直的壁 道(wall tunnel),從而實現光的較好的空間分布。利用該準直光來照 亮目標110，該目標可以是被照亮或加亮的任何物體。圖1中所示的光 源100可以是完整的光源系統。可選擇的是，如圖2中所示，光源100 可以包括在聚光鏡106和目標110之間的一個或多個附加的光學系統 120。如圖1中所示，聚光鏡106包括光軸108,該光軸近似對準該陣列 102的中心。圖1中還示出了用作說明的從陣列102進入聚光鏡106的 光線109。所示的光線109相對于光軸108成角e。圖3是說明當光線進入系統時作為該光線和光軸之間夾角e的函數的光學系統的傳輸效率 的圖表。圖3中的圖表顯示出當角e增大時，光學系統的效率減小。當角e為零時，即因此當光線109靠近或平行于光軸108傳播時，獲得最高效率。圖4A和4B分別說明發光元件的陣列102的頂視圖和橫截面視圖， 該陣列由例如3x3排列的9個LED管芯組成。這些LED管芯放置于公共底座104上，該公共底座104具有用于LED的電連接。這些發光元件 可以是任何類型的LED或其他適當的照明元件(light element)。例如， 圖4A和4B中示出的LED可以是倒裝片，其具有在上述管芯一側形成 的n和p觸點，因此不需要接線器。底座104具有可以焊接到管芯接觸 墊(contact pad)的對應的接觸墊。底座104可以連接到電路板、引線 框或其他支承組件，并且如果需要可以進一步連接到散熱片。LED可以 是磷光體變換的以產生例如白光。形成LED的例子，以及不同的彩色磷 光體的例子在美國專利號為6133589; 6274399; 6274924; 6291839; 6525335; 6576488; 6649440;和6885035中記載，所有這些專利在此 引入作為參考。但是應當理解，本發明可以使用任何適合的LED或者其 他發光元件。實際上，發光元件，如LED在性能方面有不同，所述性能諸如亮 度和/或效率或對于系統的關鍵性能標準的任何其他參數。舉例來說，可 以作為性能標準的其他參數包括所希望的角發射、顏色、偏振或溫度依 賴性。但是，如圖3的圖表中所示，光學系統的效率隨發射光的光線與 光軸之間的角0的減小而增大。這樣，該光學系統對于平行于光軸發出 的光線的傳輸效率比不平行于光軸發出的光線的傳輸效率更高。由于聚 光鏡106的光軸108與陣列102的中心對準，因此通常在該陣列的中心 區域產生靠近或平行于光軸108而傳播的光線。因此，為了增大光源100的效率，將性能優良的發光元件置于陣列 102的中心，使其成為產生靠近或平行于光軸108的光線的性能優良的 發光元件。出于說明性的目的，在圖4B中標出陣列102中的三種分開的LED 位置。如圖4B中所示，陣列102的中心位置標為位置1、陣列102的第 二區域標為位置2，陣列102的第三區域標為位置3。陣列102的中心 區域l位于該陣列的中心，其與光軸108對準。第二區域2相對于中心 區域1正交地定位，并且比中心區域l離陣列102的中心和光軸108更 遠。第三區域3沿著對角線來定位，因此比中心區域1和第二區域2離 陣列102的中心更遠。依照本發明，具有相對于陣列102中發光元件的其余部分來說性能 優良的發光元件安裝在陣列102的中心區域1。四個性能次佳的發光元 件安裝在陣列102的第二區域2。最后，四個性能最差的發光元件位于離中心最遠的位置，即陣列102中的第三區域3。這樣，具有最佳性能 的發光元件位于光軸108上或靠近該光軸，而性能較劣的發光元件位于 離光軸108較遠。在這種構造中，從例如位于中心區域1的性能最佳的射:'，、",、'、、 由于在安裝之前必須已知每個發光元件的性能，因此在將該發光元件安裝到底座104之前測試每個發光元件的性能。舉例來說，可以當LED 管芯在晶片形式時就對其進行測試。可選擇的是，LED芯片可以首先安 裝在連接的底座的陣列上，其很容易測試，稍后進行切分(singulated) 并安裝在最終的底座104上。在一個實施例中，可以測試一大批發光元 件，并且基于性能將其組織成三組；性能最佳、性能次佳和性能較劣(the third best)。來自性能最佳組的發光元件安裝在不同陣列的中心區域1 中，而來自性能次佳組的發光元件安裝在第二區域2中，來自性能較劣 組的發光元件安裝在第三區域3中。應該理解，陣列102中的區域數量是說明性的。例如，可以將陣列 102分成中心區域1以及包括位置2和3這兩者的次級區域。在這一實 施例中，具有最佳性能的發光元件安裝在中心區域1中，其余發光元件 安裝在中心區域l的外面，即在次級區域2、 3中。此外，本發明中所用的陣列可以大于3 x2。例如，圖5說明由4x 4排列的16個LED管芯組成的陣列220。圖5包括根據性能的LED位 置的標號，類似于圖4B中所示。4個性能最佳的LED安裝在通常用數 字1指示的中心區域中，而具有次佳性能的8個LED安裝在通常用數字 2指示的第二區域中。4個具有較劣性能的LED安裝在通常用數字3指 示的第三區域中。圖6說明由5 x 5排列的25個LED管芯組成的另 一個LED陣列250。 LED位置的優先權用數字來指示。在陣列250中，存在6個特殊的位置。 如上面所討論的，LED安裝在陣列250中，性能最佳的LED位于具有 最高級的位置，即，最靠近中心，性能最差的LED位于具有最低級的位 置，即，離中心最遠。盡管出于指導的目的結合特定實施例說明了本發明，但是本發明不 限于此。可以在不背離本發明范圍的情況下進行各種修改和改變。應該 理解，本發明可以與更大的LED陣列一起使用，或者與其他陣列布局一起使用，如非正方形排列，例如2x3,或直線排列，例如！X3。因此:所附的權利要求的精神和范圍不應當限制于上面的描述。
權利要求
1.一種照明系統，其包括多個發光元件，其排成陣列，該陣列包括中心區域，第一發光元件位于該中心區域，第一發光元件相對于在該陣列中的其余發光元件具有優良的性能；以及第二區域，其在該中心區域的外面，該第二區域包含第二組發光元件，該第二組發光元件相對于第一發光元件具有較低的性能。
2. 如權利要求1所述的照明系統，其中性能包括下面至少一個 亮度、效率、角發射、顏色、偏振和溫度依賴性。
3. 如權利要求1所述的照明系統，進一步包括具有光軸的聚光 鏡，該聚光鏡與該陣列光耦合，光軸近似地位于該陣列的中心區域的中
4. 如權利要求3所述的照明系統，其中該聚光鏡對于平行于光 軸發出的光線的效率比對于不平行于光軸發出的光線的效率更高。
5. 如權利要求3所述的照明系統，其中該聚光鏡是下面的一個 或多個聚光透鏡、復合拋物形聚光器、矩形角變換器、菲涅耳透鏡， 以及利用全內反射面的截面的透鏡。
6. 如權利要求1所述的照明系統，其中該中心區域包含單個發 光元件。
7. 如權利要求1所迷的照明系統，其中該中心區域包含多個發光元件，這些發光元件中的每個發光元件相對于在該陣列中的其余發光 元件都具有優良的性能。
8. 如權利要求1所迷的照明系統，其中該陣列進一步包括第三 區域，其位于第二區域的外面，該第三區域比第二區域離中心區域更遠， 該第三區域包含第三組發光元件，該第三組發光元件相對于第 一發光元 件和第二組發光元件具有較低的性能。
9. 如權利要求8所迷的照明系統，該陣列是方陣列，第二區域 相對于中心區域正交地定位，第三區域相對于中心區域呈對角線地定 位。
10. 如權利要求9所述的照明系統，其中該陣列是3 x 3和4 x 4 陣列之一。
11. 如權利要求8所迷的照明系統，該陣列進一步包括第四區域，其比第三區域離中心區域更遠，第四區域包含第四組發 光元件，第四組發光元件相對于第一發光元件、第二組發光元件和第三組發光元件具有較低的性能；第五區域，其比第四區域離中心區域更遠，第五區域包含第五組發 光元件，第五組發光元件相對于第一發光元件、第二組發光元件、第三 組發光元件和第四組發光元件具有較低的性能；以及第六區域，其比第五區域離中心區域更遠，第六區域包含第六組發 光元件，第六組發光元件相對于第一發光元件、第二組發光元件、第三 組發光元件、第四組發光元件和第五組發光元件具有較低的性能。
12. 如權利要求11所述的照明系統，其中該陣列是5x5陣列。
13. 如權利要求1所述的照明系統，其中該陣列是非方形陣列。
14. 一種光源，其包括 聚光鏡，其具有光軸；以及發光元件的陣列，其與該聚光鏡光耦合，該陣列具有與光軸對準的 中心區域，該中心區域包括第一發光元件，第一發光元件比安裝在該陣 列中心區域外面的發光元件具有優良的性能。
15. 如權利要求14所述的光源，其中性能包括下面至少一個亮 度、效率、角發射、顏色、偏振和溫度依賴性。
16. 如權利要求14所述的光源，其中該聚光鏡對于平行于光軸發 出的光線的效率比對于不平行于光軸發出的光線的效率更高。
17. 如權利要求14所述的光源，其中該聚光鏡是下面的一個或多 個聚光透鏡、復合拋物形聚光器、矩形角變換器、菲涅耳透鏡，以及 利用全內反射面的截面的透鏡。
18. 如權利要求14所述的光源，其中該陣列具有比中心區域離光 軸更遠的第二區域，該第二區域包括第二組發光元件，該第二組發光元 件相對于該陣列中的其余發光元件具有優良的性能，該陣列具有比第二 區域離光軸更遠的至少一個附加的區域，該至少一個附加的區域包括在 該陣列中的其余發光元件。
19. 如權利要求14所述的光源，其中該中心區域包括多個發光元裝的發光元件都具有優l的性能。
20. —種方法，其包括確定多個發光元件的性能；以及通過將第 一發光元件安裝在陣列的中心或靠近該中心并將第二組發光元件安裝在比第一發光元件離該陣 列的中心更遠的地方來產生發光元件的陣列，該第二組發光元件相對于 第 一發光元件具有較低的性能。
21. 如權利要求20所述的方法，進一步包括使具有光軸的聚光鏡與發光元件的陣列光耦合，該光軸與該陣列的中心近似對準。
22. 如權利要求20所述的方法，進一步包括將第三組發光元件安 裝在比第二組發光元件離該陣列的中心更遠的地方，該第三組發光元件 相對于第二組發光元件具有較低的性能。
23. 如權利要求20所述的方法，其中性能包括下面至少一個.'發 光元件的亮度、效率、角發射、顏色、偏振和溫度依賴性。
24. 如權利要求20所述的方法，進一步包括將多個第一發光元件 安裝在靠近該陣列的中心，每個第一發光元件相對于在該陣列中的其余 發光元件具有優良的性能。
25. 如權利要求20所述的方法，其中第 一發光元件安裝在該陣列 的中心。
全文摘要
一種照明系統，其包括排成陣列的多個發光元件，如發光二極管。一個或多個發光元件置于該陣列的中心區域。位于該中心區域的發光元件相對于該陣列中的其余發光元件具有優良的性能，所述性能諸如亮度和/或效率。第二區域在中心區域的外面，即距離該陣列的中心更遠，該第二區域包括第二組發光元件，其相對于該陣列中的任何附加的發光元件都具有優良的性能。該陣列可以包括距離該陣列的中心更遠的附加區域，附加區域包括具有較低性能的發光元件。具有光軸的聚光鏡與該陣列光耦合，因此，該光軸近似位于該陣列的中心。
文檔編號G03B21/20GK101278231SQ200680036051
公開日2008年10月1日 申請日期2006年9月27日 優先權日2005年9月30日
發明者G·哈伯斯, S·J·A·比爾休曾 申請人:飛利浦拉米爾德斯照明設備有限責任公司