TWI237404B - Light-source - Google Patents

Description

1237404 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種依據申請專利範圍第1項前言之光源， 特別是一種光源’其中該半導體晶片發出可見之電磁輻 射。 本專利文件主張德國專利申請案1 〇 3 1 9 2 7 4.3號之優先 權，其所揭示之內容此處作爲參考。 【先前技術】 習知之大部份之光源都具有白熾燈，弧光燈或高壓燈。 在其操作時電能之大部份都轉換成熱，這對周圍之構件或 組件會造成問題。爲了在CIE-色塊位置上產生特定彩色之 光，通常須使用光學濾波器，使不期望之彩色成份廣泛地 被濾除。但各別之光源之效率因此會下降。 另有其它形式之光源，其中使用發光二極體（LEDs)，其 所具有之優點例如壽命較長，快速之反應能力和較高之電 性上之效率。又，藉由不同彩色之LEDs之組合可產生特 定彩色之混合彩色之光。濾色器因此未必需要。 LCD-顯示器（其具有發射光譜不同之LEDs)之背景照明用 之光源例如已描述在US 6540 3 77中，其中發出紅-，綠-和 藍光之LEDs互相混合地配置在一種共同之平面上。LEDs 之電磁輻射在該光源操作時在一種共同之光錐中發出且藉 由漫射材料而相混合。 上述光源之缺點是：由其每一立體角所發出之光強度會 受到L E D s之最大之發射強度所限制’其可使用性亦會受 1237404 到限制。此外，當期望均勻之光時，則另須考慮由不同之 LEDs所發出之電磁輻射之充份之混合性。 【發明內容】 本發明之目的特別是發展一種以發出可見之電磁輻射所 用之半導體晶片爲主之光源，其具有一由每一立體角所發 出之高的光強度，其不會受到該半導體晶片之最大發射強 度所限制。本發明之目的亦包含：該光源中各半導體晶片 之電磁輻射（其具有不同之輻射光譜）能簡單地且有效地混 合。 上述目的以具有申請專利範圍第1項特徵之光源來達成。 本發明之光源之有利之其它形式描述在申請專利範圍第 2至35項中。 本發明之上述形式之光源中具有主光學元件之半導體晶 片配置在至少二個在位置上互相隔開之組中，使各組在半 導體晶片操作時可發出各別之光錐。各組之各別之光錐藉 由次（Secondary)光學元件而重疊成一種共同之唯一之光 錐。 此處所謂光錐是指任意形式之體積，其藉由該光源之光 來照明，其中不包含以下之區域：該區域中在至該光源之 距離相同之情況下較某一數量級還大之亮度小於最大之亮 度。 藉由半導體晶片之不同組之各別光錐之重疊，則可使不 同之半導體晶片之輻射達成相加性之混合作用。於是在技 術上可簡易地使具有不同發射光譜之半導體晶片之輻射達 1237404 成一種較佳之混合作用。此外，每一立體角所發出之光強 度可藉由各別光錐之重疊而大大地增高且與各別之半導體 晶片之最大之光強度無關。 在一較佳之實施形式中，各組之各別之光錐藉由次光學 元件而重疊成一種共同之光錐（其具有一種儘可能一致之彩 色位置）。該共同之光錐之彩色位置位於CIE-色塊之白色 區中時特別有利。 在另一有利之實施形式中，至少一組具有只有一種晶片 種類之半導體晶片。 另外’只有一種晶片種類之半導體晶片只包含在一組 中。這在期望一種儘可能均勻之光之輻射（其具有一致之彩 色位置）時特別有利。 在另一有利之實施形式中，多個半導體晶片具有第一， 第二和第三晶片，須選取這些晶片之發射外觀，以便藉由 不同晶片種類之半導體晶片所發出之輻射之重疊而產生白 光。 特別有利的是第一晶片種類發出綠色輻射，第二晶片種 類發出紅色輻射且第三晶片種類發出藍色輻射，即，各晶 片種類之半導體晶片之各別之發射光譜具有輻射束，其波 長位於綠色，紅色或藍色範圍中。 有利的方式是第一晶片種類之半導體晶片配置在第一組 中，第二和第三晶片種類之半導體晶片配置在第二組中， 其中第二組之不同之晶片種類之半導體晶片均勻地混合而 配置著。 1237404 另一方式是一種晶片種類之半導體晶片有利地配置於一 特定之組中且各組在位置上互相隔開，即，不相重疊地配 置著。 次光學元件（藉此使各別之光錐相重疊）較佳是具有至少 一選擇性反射單元，其可透過至少一各別之光錐之輻射且 可反射另一各別之光錐之輻射。藉由該選擇性反射單元， 則可使至少二個各別之光錐相重疊。 該選擇性反射單元可特別有利地含有一種雙向色性之層 系統。 在一較佳之實施形式中，該次光學元件具有至少一聚合 光圈立方體，其以至少一選擇性反射單元爲主。該聚合光 圈立方體具有至少二個光輸入端，其中分別射入一光錐。 入射至該聚合光圈立方體中之各光錐在該立方體之內部中 藉由該選擇性反射單元而相重疊且共同由該聚合光圈立方 體之光輸出端發出。該入射之光錐可以是一種直接由一組 半導體晶片而來之各別之原始光錐或可爲一種光錐（其中已 重疊多個此種各別之光錐）。 各別光錐之開口角度介於0和60。時特別有利，較佳是 介於0和40°之間，特別是介於〇和20°之間，其中包含 各邊界値。如上所述，所謂光錐此處不是指以數學形式來 表不之光錐而是可具有多於一個之開口角度。若情況如 此，則上述之描述適用於最大之開口角度。 由於各別光錐之發散性是由主光學元件而限制在上述之 範圍’則可達成一種較高之亮度或光源之每一立體角所發 1237404 出之光強度可較高。 特別是爲了使主光學元件所發出之光錐達成 開口角度，則該主光學元件之光輸出端特別有 一種光輸入面或光輸入口，其尺寸小於或等於 之一倍。特別有利的是該光輸入面或光輸入·口 是晶片發射面之1.5倍，特別是1.1倍或1.05 ί 光輸入面或光輸入口之尺寸較佳是大於該晶 不是較該晶片發射面小很多。 該主光學元件之上述之光輸入端不只適用於 散性大大地減小，且亦可使該主光學元件大大 因此可製造一種緊密之光源，其所發出之亮度i 較佳是配置至少一組主光學元件之至少一部 輸出端緊密地聚集。各輸出端較佳是無間隙地 因此可得到較高之亮度且使各別之光錐達成一 勻性’因此該共同之光錐亦可達成較佳之均勻1 在一種有利之實施形式中，全部之組之半導 在一種共同之平面中。這樣可使半導體晶片之 簡化。 有利之方式是半導體晶片和各主光學元件至 至少在一部份之組中以矩陣之形式（即，規則i 列和各行中。 在該光源之一較佳之實施形式中，該主光學 光學集中器，其須相對於該光源而配置著，使 中器輸出端現在是光輸入端。與集中器之一般 一種較小之 利的是具有 晶片發射面 之尺寸最多 片發射面或 使光錐之發 地微小化， 丨交高。 份，使其光 相鄰接著。 種較佳之均 體晶片配置 安裝大大地 少一部份或 包）配置在各 兀件是一種 其原來之集 使用情況相 1237404 比較時（與上述所用之槪念”原來”之集中器輸出端相關”）， 目前該半導體晶片之光在相反方向中經由該集中器而傳 送。因此，該光未被集中而是以較小之發散性經由現在作 爲光輸出端用之原來之光輸入端而離開該集中器。所謂” 原來”此處又涉及實際上”用作集中器”。 該集中器是CPC-, CEC-或CHC形式之集中器時特別有 利，以下均是指一種集中器，其反射壁至少一部份及/或至 少廣範圍地具有以下之形式：複合式拋物線集中器 (compound parabolic concentrator, CPC)，複合式橢圓开多集 中器（compound elliptic concentrator，CEC)及/或複合式雙曲 線集中器（compound hyperbolic concentrator，CHC)。此種形 式之主光學元件可使光之發散性有效地減小，於是可使每 一立體角所發出之光強度增大。 除了上述之CPC-, CEC-或CHC形式之集中器之外，該集 中器較佳是具有多個使光輸入端與光輸出端相連所用之側 壁，光輸入端和光輸出端之間直接相連之線沿著各側壁而 以直線方式延伸。各側壁可有利地具有直線延伸之側壁以 取代以拋物線-，橢圓形·或雙曲線方式而彎曲之側壁，使 主光學元件例如具有一種平截頭棱錐體或截錐體之基本形 式。 該集中器在光輸入端之此側上之區域中較佳是具有規則 之多角形形式之橫切面，特別是一種正方形之橫切面。在 光輸出端之此側上之區域中，該集中器同樣是具有規則之 多角形形式之橫切面，特別是三角形-，四角形-，六角形_ -10 - 1237404 或八角形之橫切面。在上述各區域之間該橫切面由一種形 式轉換成另一種形式。該集中器之光輸入端因此可依據一 般形式之半導體晶片來調整且例如可形成該光輸出端’使 多個主光學元件之光輸出端規則地且無間隙地配置著。使 用這些主光學元件可使半導體晶片以較大之間距而互相配 置著，此時由此種配置所發出之光錐不會顯示出間隙。由 於各個半導體晶片之間存在著間距，則由這些晶片所產生 之熱可較佳地被排除。 在有利之實施形式中，該集中器具有一種定義一中空區 所用之基體，其內壁對所屬之半導體晶片所發出之光具有 反射性及/或其內壁設有一種層或層序列，較佳是金屬層， 其對所屬之半導體晶片所發出之光具有反射性。 另外，該集中器是一種介電質集中器時是有利的，其基 體是一由折射率適當之介電質材料所構成之整體，使經由 光輸入端所入射之光在該集中器中經由該整體之連接該光 輸入端和光輸出端所用之側面邊界面上之全反射而反射至 周圍之介質中。這樣所具有之優點是：由於該集中器中之 反射而不會發生光損耗。 該介電質集中器具有一種透鏡式拱形之界面以作爲光輸 出端時特別有利，該界面例如以球形或非球形之形式而形 成拱形。因此可使光錐之發散性進一步縮小。光輸出端較 佳是以非球形之透鏡形式而形成拱形，這樣可將該晶片發 射面之大小考慮進來。球形之透鏡對於點形之光源是最佳 的且在非點形之光源時就光錐發散性之縮小而言具有一種 -11 - 1237404 劣化很多之特性。 在另一實施形式中，該介電質集中器有利之方式是至少 一部份設有一種層或一種層序列，較佳是設有金屬層，其 對各別之半導體晶片所發出之光具有反射性。這在該半導 體晶片包裝至該集中器之材料中時是有利的，這樣可使該 輻射（其在該集中器之第一部份中未滿足全反射之條件）不 會在側面上由該集中器射出。 該集中器較佳是在其主發射方向中配置於該半導體晶片 之後且在晶片發射面和該集中器之光輸入端之間存在一種 間隙。這樣可有利地在廣範圍中免除固體材料或黏性材 料。 因此，特別是可使特殊之輻射（其在特別大之角度中相對 於該半導體晶片之主輻射方向而射出且使一種各別之光錐 擴張成太大）不會入射至光輸入端而是在側面由該輸入端經 過且甚至未入射至該集中器中。在介電質集中器之情況 中，在越多之輻射成份反射至該光輸入端之界面時，該間 隙可使其在光輸入端上之入射角越大。因此，已到達該集 中器中之光之高發散性之成份會減弱。 在上述關係中特別有利的是：當該主光學元件具有一個 或多個反射器元件時。須配置這些反射器元件及/或使其具 有一種形式，使光輻射之一部份（其不是直接由半導體晶片 到達該集中器中）可在該集中器上反射多次且以較小之相對 於半導體晶片之主輻射方向之角度而轉向至該集中器之光 輸入端。這樣可使到達該集中器中之光之強度提高。 -12- 1237404 該集中器之基體適當之方式是由透明玻璃，透明晶體或 透明塑料所構成。在由透明塑料構成時該集中器較佳是以 濺鍍壓製-及/或濺鍍澆注方法而製成。 特別有利的是：該基體之材料相對於一由半導體晶片所 發出之輻射（特別是由藍色-或UV光譜區而來之電磁輻射） 具有抵抗性。該材料例如具有矽樹脂（Silicon)或由其所構 成。 該半導體晶片在一有利之實施形式中是一種發出電磁輻 射之二極體’較佳是具有至少近似於lambertic發射特性之 二極體，特別是一種薄膜發光二極體晶片。 一種薄膜發光二極體晶片之特徵特別是如下所述者： -在一產生輻射之磊晶層序列之面向一載體元件之第一主 面上施加一種反射層，其使該磊晶層序列中所產生之電磁 輻射之至少一部份反射回到該磊晶層序列中； -該磊晶層序列之厚度是在20 um之範圍中或更小，特別 是在10 um之範圍中； -該磊晶層序列含有至少一種半導體層，其至少一面含有 一種混合結構，在理想情況下該混合結構會使磊晶層序列 中之光形成一種近似於ergo die之分佈，即，其具有一種 儘可能ergod1C之隨機雜散特性。 薄膜發光二極體晶片之基本原理例如已描述在I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16)，18. October 1993, 2174-2176中，其已揭示之內容此處作爲參考。 一種薄膜發光二極體晶片很近似於LamberUc表面發射 -13- 1237404 器且因此特別適合使用於一已對準之光源中。 在該光源之較佳之實施形式中，各個半導體晶片分別配 置在一載體上，其在載體上分別由一框架所圍繞。框架中 或框架上施加該主光學元件，其由框架所支撐及/或藉由框 架以相對於晶片發射面而被調整。 載體之至少一些部份或一部份及/或各載體和框架可有利 地互相以單件方式來形成。 在該光源之另一實施形式中，該載體之面向該半導體晶 片之發射方向之表面之空著的面及/或該框架之內面對由各 別半導體晶片所發出之輻射而言具有反射性。又，這些面 至少一部份設有一種層或層序列，其較佳是設有金屬層， 其對由各別半導體晶片所發出之輻射而言具有反射性。 特別有利的是以單件方式互相形成多個主光學元件。這 樣可使各主光學元件之製造大大地簡化且使其安裝在光源 中時亦大大地簡化，這樣可使製造成本下降。 【實施方式】 該光源之其它優點和實施形式以下將依據第丨至7圖中 之實施例來描述。 各圖式之實施例中’相同或作用相同之組件分別以相同 之爹考付號來表7Π；。 第1圖所示之具有半導體晶片3和主光學元件5之配置 (以下簡稱爲晶片主光學元件2)中，該半導體晶片3施加 在第一載體12上。主光學元件5在其主發射方向中配置 在半導體晶片3之後。第一載體1 2又施加在第二載體1 5 -14- 1237404 上，第二載體1 5用作其操作時由半導體晶片3 熱之散熱片。 第一載體1 2例如是一種電路板（P C B)，其可能 可能之材料已爲此行之專家所熟知，此處因此不 第二載體1 5例如由銅所構成。 該半導體晶片3例如是一種薄膜發光二極體晶 像一般部份一樣設計而成。此外，磊晶層序列 InxAlyGa 卜 x.yN 或 InxGayAlu.yP，其中 〇‘χ€1，〇 x + y ^ 1之至少一種材料爲主來構成，其晶片發射 連接至該主光學元件5之光輸入端17。 該主光學元件5是一種三維之CPC-形式之集中 輸入端1 7和光輸出端1 8是圓形的。光經由光輸J 進入，其形式是由半導體晶片3而發出之至該主 5中之可見之電磁輻射。該輻射須反射至使光輸； 光輸出端1 8相連接所用之壁上，使光之發散性 小（以線16來表示）。由光輸出端18所發出之光 有一種小於20Q之開口角度（例如，大約9ϋ)，而 片具有一種近似1 a m b e r t i c之發射特性。 該主光學元件5之基體在功能上就像中空體一 壁設有一種對該半導體晶片所發出之光具有反 料’例如’設有一種金屬層，其由A1構成。製 所用之材料可以是塑料（例如，聚碳酸鹽），該基 藉由濺鍍澆注法而由該材料製成。 如第2圖所示’半導體晶片3另由框架13所圍 所產生之 之構造和 再說明。 片，其可 可以系統 ^ y ^ 1 且 面4直接 器，其光 \端1 7而 光學元件 k端1 7與 大大地減 錐例如具 半導體晶 樣，其內 射性之材 成該基體 體例如可 繞，藉此 ‘15- 1237404 可使該主光學元件5被固定及/或相對於該半導體晶片3來 調整。該框架之一部份例如以澆注物質來塡入。 在第2圖所示之具有半導體晶片3和主光學元件5之配 置中，該CPC形式之集中器不同於第1圖所示之例子而在 其垂直於其主輻射方向中具有一種正方形形式之橫切面， 使其光輸入端（未顯示）和光輸出端1 8是正方形的。因此， 該主光學元件5之形式可依據該半導體晶片3之晶片發射 面之形式來調整。這樣所具有之優點特別是：多個此種元 件2之輸出端能以無間隙之方式配置在任意大之平面中。 在第3a，3b圖之配置中，該主光學元件5是一種CPC-形 式之介電質集中器，其基體例如由一種透明之塑料（例如， 聚碳酸鹽）所構成。 _光輸入端1 7具有正方形之形式，光輸出端1 8則具有規 則之八角形之形式（與該主光學元件5相鄰之右邊分別以俯 視圖來顯示），其間該主光學元件5之橫切面形式由正方形 轉換成八角形。 在光輸入端1 7和該半導體晶片3之晶片發射面4之間存 在一種氣隙1 9。這樣可使到達該主光學元件5中之光之高 發散成份減弱，就像本說明書中一般部份所述之作用方式 一樣。 第3b圖中除了第3a圖中之元件之外另外顯示該晶片-主 光學兀件2之框架13。該框架13之內壁20和該第一載體 1 2之則側是由一種反射材料所製成，使輻射之至少一部份 (其未直接到達該主光學元件5中）可在其上被反射多次， -16- 1237404 該部份之光因此相對於該主光學元件5之軸成一較小之角 度而轉向至該主光學元件之光輸入端17。該框架13可與 該第一載體12以單一部份構成，這當然不排除一由多個 部份構成之形式，其組件由不同之材料所構成。 另一方式是該半導體晶片3亦能埋入至該主光學元件5 之材料中或其晶片發射面與該光輸入端1 7具有實際之接 觸區。 該主光學元件5之基體之使光輸入端17與光輸出端18 相連所用之側面之至少一部份可設有一種反射層（例如， A1)，使射入至光輸入端17中之光輻射（其未滿足該側面上 所需之全反射條件）在該反射層上廣泛地被反射。這特別是 在該側面之與光輸入端1 7相鄰之部份（因此是最接近該半 導體晶片3之部份）中是適當的。 第6圖所示之主光學元件5不同於第1至3b圖所示之主 光學元件而具有側壁，其以直線形式由光輸入端1 7延伸 至光輸出端18。該主光學元件5是一種介電質集中器，其 具有截錐體形式之基本形式，其中光輸出端18不是平坦 的而是以非球形之透鏡形式向外形成拱形。若與球形之拱 形相比較，則該拱形例如隨著至該主光學元件之光軸之距 離之增加而變小，以考慮以下之情況：該光錐（其發散性經 由該主光學元件而變小）不是一種點形之光源而是一種具備 某種範圍之光源。 如第6圖所示之主光學元件相較於第1至3b圖所示之主 光學元件5所具有之優點是：其可使光錐之發散性可相比 -17- 1237404 擬地減小且同時使主光學元件5之構造高度大大地減小。 第6圖所示之主光學元件之其它優點是：其由於直線形之 側面而可更簡單地藉由濺鍍方法（例如，濺鍍澆注或濺鍍壓 製）來製成。 光輸入端例如具備一種光輸入面，其大小就像一可由該 主光學元件來使用之半導體晶片之晶片發射面一樣大。因 此，可特別良好地使用該主光學元件之使該發散性減小時 所具備之特性。特別有利的是該光輸入面最多是該晶片發 射面之1 . 5倍。 亦可使用該具有半導體晶片之主光學元件，其晶片發射 面大於該光輸入面，但這樣對已發射之光強度和光密度而 言會造成較小之效果。一種例子中所進行之模擬已顯示： 就稍大之晶片發射面而言，可在15°之立體角中發出之光 強度大約較該晶片發射面（其稍小於該光輸入面）中發出者 大約小1 0 %。 特別是藉由濺鍍方法可使多個主光學元件以單件方式而 形成，如第7圖所示。各主光學元件5在本實施例中藉由 載體板50而互相連接，其中該載體板靠近該光輸出端18 而配置著，使各主光學元件5之平截頭棱錐體形式之部份 由該載體板50之其中一側開始且在另一側形成透鏡形式 之元件，其外表面分別形成各主光學元件5之光輸出端1 8。 不同於第6，7圖所示之主光學元件5之實施例，各主光 學元件5亦可具有截錐體形式之基本形式或橫切面是長方 形之基本形式以取代平截頭棱錐體之基本形式。同樣亦可 -18- 1237404 使第6，7圖中所示之各主光學元件之正方形之橫切面朝 向該光輸出端1 8而轉換成一種具有多於4個角之橫切面 形式，其類似於第3 a, 3 b圖之實施例中所示者。 又，亦可形成各主光學元件，使電磁輻射之發散性在平 行於該主光學元件之主發射方向而延伸之不同平面中受到 不同大小之衰減。例如，一已發射之光錐之開口角度在一 平面中大約是7°且在一與該平面相垂直之平面（沿著主發 射線之該切面）中大約是10°。 CPC-, CEC-或CHC-形式之介電質集中器亦可具有一種透 鏡形式之成拱形之光輸出端使光錐之發散性進一步下降。 該集中器亦可由一種具有反射內壁之中空體所構成以取代 介電質集中器，一透鏡在該集中器之發射方向中配置於該 集中器之光輸出端之後。例如，該透鏡設置在該光輸出端 上。 在該光源之第4 a圖所示之實施例中，多個晶片-主光學 元件2配置在三個位置上互相隔開之組1 〇 1，1 02，1 03中。 晶片-主光學元件2例如可依據第1至3 b圖之例子中之 一種或多種來形成。 各晶片-主光學元件2配置在每一組中且各主光學元件5 之光輸出端以無間隙之方式互相連接。以此種方式可發出 一種均勻之光錐，雖然各個半導體晶片之間較大之間距是 可能的，但這對半導體晶片在操作時所產生之熱之排出是 有利的。 每一組101，102，103都具有只有一種晶片種類之半導 1237404 體晶片。第一組1 01發出綠光，第二組102發出紅光且第 三組103發出藍光，如各字母G，R或Β所示。由每一組101， 102，103中分別發出各別之光錐，如箭頭201，202，203 所示。 藉由二個選擇性之反射單元3 1，3 2，則各別之光錐20 1， 202，203可疊加成一種共同之光錐211，因此，首先藉由 第一選擇性之反射單元3 1使第二各別光錐202處於第一各 別光錐20 1之輻射通道中。第一選擇性之反射單元3 1可透 過第一各別光錐201之綠光且可反射第二各別光錐202之 之紅光，使二個各別光錐疊加成一種中間-光錐2 1 0。 同樣地，藉由第二選擇性之反射單元32使第三各別光錐 203和該中間-光錐210疊加成一種共同之光錐21 1。第二 選擇性之反射單元32可透過該中間-光錐210之光且可反 射該第三各別光錐103之光或反之亦可，使光源1可有二 種不同之光輸出端。 在該共同之光錐211中發出CIE-色塊中彩色位置一致之 均勻之光。該彩色位置因此可藉由各組分別發出之光強度 (即，藉由施加至不同組101，102，103之半導體晶片上之 操作電壓之大小）來控制。特別是可產生白光，但亦可由三 個各別光錐201，202，203之光之彩色來產生其它任意之 每一種混合彩色。 各選擇性之反射單元3 1，3 2例如是雙向色性之層系統， 即，其可反射該光譜之一部份且可透過其餘之光譜區。各 選擇性之反射單元3 1，32具有多個由高-和低折射率之材 -20- 1237404 料所形成之狀態，各材料例如可藉由濺鍍而施加在箔基板 若各選擇性之反射單元分別積體化於一種聚合光圈立方 體61，62中，其中第一聚合光圈立方體61之光輸出端直 接連接至第二聚合光圈立方體62之光輸入端。除了各選 擇性反射單元之外，該聚合光圈立方體可由適當之可透光 之材料（例如，聚碳酸鹽之類的透明之塑料）所構成。另一 方式是該聚合光圈立方體亦可省略，使該次（Secondary)光 學元件由各聚合光圈立方體和情況需要時其所屬之載體系 統所構成。 與第4a圖所示之實施例不同之處是，第4b圖所示之光 源之聚合光圈立方體具有三個光輸入端和一個光輸出端， 其中整合著二個選擇性反射單元31，32。各別之光錐201， 2 02，203依據相同之技術原理如上所述藉由各選擇性反射 單元31，32而相重疊。 在第4c圖所示之光源中，與前述各實施例不同之處是： 全部之晶片-主光學元件2配置在一種共同之平面中，例 如，配置在一種共同之載體（未顯示）上。因此可使其安裝 大大地簡化。第一各別之光錐20 1藉由一種鏡面（例如，一 種金屬鏡面）而處於所期望之輻射通道中。第一選擇性反射 單元3 1可透過該組1 0 1之綠光且可反射該組1 02之紅光。 第二選擇性反射單元32可透過該組101或102之綠光或紅 光且可反射該組102之藍光。 各光源顯示在第5 a，5 b圖中，其中各晶片-主光學元件2 -21 - 1237404 整體上配置在二個位置上互相隔開之組1 0 1，1 02中。第一 組1 0 1因此只具有一種晶片種類之半導體晶片，其發出以 字母G表示之綠光。第二組1 02具有第二種和第三種晶片 種類之半導體晶片，其中第二種晶片種類發出紅光且第三 種晶片種類發出藍光，其以字母組合R/B來表示。 第二組1 02之不同晶片種類之半導體晶片均勻地互相混 合而配置著，使其各別光錐1 02中之輻射之至少一部份可 相混合。 當由飽和之綠光，紅光和藍光產生白光時，則所需之光 之總強度中包含6 5 %之綠光，2 8 %之紅光和7 %之藍光。另 外，若考慮相對應之不同彩色之發光二極體晶片之光強度 之値，則需要該發出綠光超過5 0 %之半導體晶片。 上述之分佈對應於第5a，5b圖中所示之光源中不同晶片 種類之半導體晶片之數目。例如，當半導體晶片幾乎全部 以其最大功率來操作時，則利用這些光源可產生白光。這 在第4a至4c圖中所示之實施例中亦屬此種情況，當各別 晶片種類之半導體晶片之數目相對應地調整時。 該光源特別適用於投影系統（其例如用來投射不同之影像） 中，此乃因藉此可使典形之長方形-或正方形之橫切面之角 隅較以傳統之光源來進行時受到更好之照明，其中通常另 外又需使用其它光圈。 本發明依據上述實施例所作之說明當然不是對本發明之 一種限制。因此，當多個半導體晶片配屬於一種主光學元 件時，其亦屬本發明之範圍。本發明亦包含：光源具有至 -22- 1237404 ， 少一冷凝器透鏡，藉此使該共同之光錐-或一個-或多個各 別之光錐之發散性減小。以下之情況亦屬本發明，即：在 發射方向中在該主光學元件之旁有另一光學元件配置於每 一半導體元件之後，使由該半導體晶片所發出之輻射之發 散性減小。須注意：本發明主要之外觀是在相反方向中使 用一種集中器’使發光二極體晶片之輻射之發散性減小。 如上所述，該光源較佳是使用一種發出可見光之半導體 晶片。但亦可使用各種發出紅外線或紫外線（UV)之半導體 晶片。在此種情況下藉由發光材料而產生可見之輻射，其 藉由選擇性之反射單元而疊加成所期望之光錐。 除了各選擇性之反射單元之外，亦可使用其它裝置（例 如，棱鏡）使各別之光錐重疊。 又，本發明包含各實施例和各申請專利範圍之特徵之每 一新的特徵和每一種組合，當此種組合未明顯地顯示在各 實施例和各申請專利範圍中時亦同。 【圖式簡單說明】 第1圖本發明之光源中具有主光學元件之半導體晶片之 切面圖。 第2圖本發明之另一光源中具有半導體晶片和主光學元 件之配置之透視圖。 第3a圖本發明又另一光源中具有半導體晶片和主光學元 件之配置之透視圖。 第3 b圖另設有一框架之第3 a圖中具有半導體晶片和主 光學元件之配置之切面之透視圖。 -23- 1237404 第4 a至4 c圖光源之第一，第二和第三實施例之俯視圖 第5 a，5 b圖光源之第四和第五實施例之俯視圖。 第6圖主光學元件之另一實施例之三維空間圖。 第7圖以單件方式互相形成之主光學元件之一實施例之 三維空間圖。 主要之寥1考付號表· 2 晶片-主光學元件 3 半導體晶片 4 晶片發射面 5 主光學元件 12 第一載體 13 框架 15 第二載體 17 光輸入端 18 光輸出端 19 氣隙 20 內壁 31，32 反射單元 50 載體板 61，62 聚合光圈立方體 101〜103 組 201〜203 光錐 210，21 1 光錐 -24-

Claims (1)

1237404 拾、申請專利範圍： 第9 3 1 1 1 1 8 4號「光源」專利案 (94年4月修正） 1. 一種光源，其包含 -多個半導體晶片和至少二個（較佳是三個）不同之發出電 磁輻射之具有不同發射光譜之晶片種類，每一半導體晶 片都具有一種晶片發射面以發出該輻射， -多個主光學元件，其中每一半導體晶片設有一主光學元 件，其分別具有一光輸入端和一光輸出端，藉此使該半 導體晶片操作時所發出之輻射之至少一部份之發散性減 小， 其特徵爲= -各半導體晶片和主光學元件配置在至少二個位置上互相 隔開之組中，使各組在半導體晶片操作時發出各別之光 錐， -各組之各別之光錐藉由一種次光學元件而疊加成一種共 同之光錐。 2. 如申請專利範圍第1項之光源，其中各組之各別之光錐 藉由一種次光學元件而疊加成一種共同之光錐，其具有 一種共同之彩色位置。 3. 如申請專利範圍第2項之光源，其中該共同之光錐之彩 色位置位於CIE-色塊之白色區域中。 4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光源，其中至少 一組具有晶片種類只有一種之半導體晶片。 1237404 5 ·如申請專利範圍第1至3項中任一項之光源，其中一種 晶片種類之半導體晶片只包含在其中一組中。 6 ·如申請專利範圍第1至3項中任一項之光源，其中多個 半導體晶片具有第一，第二和第三種晶片種類，其發射 光譜使得當不同晶片種類之半導體晶片所發出之輻射相 疊加時可產生白光。 7 ·如申請專利範圍第6項之光源，其中第一晶片種類發出 綠輻射，第二晶片種類發出紅輻射且第三晶片種類發出 藍輻射。 8·如申請專利範圍第6項之光源，其中第一晶片種類之半 導體晶片配置在第一組中，第二晶片種類和第三晶片種 類之半導體晶片配置在第二組中，其中第二組之不同晶 片種類之半導體晶片互相混合而配置著。 9.如申請專利範圍第7項之光源，其中第一晶片種類之半 導體晶片配置在第一組中，第二晶片種類和第三晶片種 類之半導體晶片配置在第二組中，其中第二組之不同晶 片種類之半導體晶片互相混合而配置著。 1 〇·如申請專利範圍第1至 3項中任一項之光源，其中一晶 片種類之半導體晶片分別配置在一特定之組中。 1 1 ·如申請專利範圍第1至 3項中任一項之光源，其中該次 光學元件具有至少一選擇性之反射單元，其可透過至少 一各別光錐之輻射且可反射另一各別光錐之輻射且藉由 至少二個各別之光錐而相重疊。 1 2.如申請專利範圍第1 1項之光源，其中該選擇性之反射單 1237404 元含有一種雙向色性之層系統。 1 3 ·如申請專利範圍第11項之光源，其中該次光學元件具有 至少一聚合光圈立方體，其以至少一選擇性之反射單元 爲主。 1 4 ·如申請專利範圍第1 2項之光源，其中該次光學元件具有 至少一聚合光圈立方體，其以至少一選擇性之反射單元 爲主。 1 5 ·如申請專利範圍第1至3項中任一項之光源，其中各別 光錐之開口角度介於0和60°之間，較佳是介於0和400 之間，特別是介於0和200之間，其中包含各邊界値。 1 6 ·如申請專利範圔第1至3項中任一項之光源，其中至少 一組之主光學元件之至少一部份配置成使其光輸出端緊 密地封裝，較佳是以無間隙之方式互相連接著。 17·如申請專利範圍第1至3項中任一項之光源，其中半導體 晶片和該主光學元件配置在一種共同之平面中。 18·如申請專利範圍第1至3項中任一項之光源，其中半導體 晶片和該主光學元件至少一部份-或在分組（partial group) 中成矩陣形式而配置著。 1 9 ·如申請專利範圍第1至3項中任一項之光源，其中該光輸 出端具有一光輸入面或一光輸入口，其尺寸小於或等於 晶片發射面之2倍，較佳是小於或等於晶片發射面之1.5 倍。 20 ·如申請專利範圍第1至3項中任一項之光源，其中該主光 學元件是一種光學集中器，光輸出端是原來之集中器輸 1237404 出端，使在與一般使用一集中器以進行聚焦時光可在相 反方向中經由該集中器且因此不會被集中，而是以較小 之發散性經由該光輸出端以離開該集中器。 2 1 ·如申請專利範圍第20項之光源，其中該光學集中器是一 種CPC-，CEC-或CHC-形式之集中器。 22. 如申請專利範圍第20項之光源，其中該光學集中器具有 使光輸入端與光輸出端相連所用之側壁，.須形成這些側 壁，使直接在各側壁上延伸之各連接線可在光輸入端和 光輸出端之間直線地延伸。 23. 如申請專利範圍第20項之光源，其中該光學集中器在光 輸入端之此側上之一區域中具有一種規則之多角形形式 之橫切面，較佳是正方形之橫切面，且在光輸出端之此 側上之一區域中同樣具有一種規則之多角形形式之橫切 面，較佳是三角形-，四角形-，六角形-或八角形之橫切 面。 24. 如申請專利範圍第20項之光源，其中該光學集中器具有 一種界定一中空區所用之基體，其內壁可反射一由半導 體晶片所發出之光及/或其內壁設有一種層或層序列，較 佳是金屬層，其可反射一由半導體晶片所發出之光。 25. 如申請專利範圍第20項之光源，其中該光學集中器是一 種介電質集中器，其基體是一由折射率適當之介電質材 料所構成之整體，使經由光輸入端所入射之光在該材料 中經由該整體之使光輸入端與光輸出端相連接所用之側 面之界面上之全反射而反射至周圍之介質中。 1237404 26.如申請專利範圍第25項之光源，其中該光輸出端是該整 體之一種透鏡形式之成拱形之界面。 27 ·如申請專利範圍第26項之光源，其中該光輸出端是以非 球形之透鏡形式而成拱形。 28·如申請專利範圍第25項之光源，其中該介電質集中器至 少一部份設有一種層或層序列，較佳是金屬層，其可反 射各別半導體晶片所發出之光。 29.如申請專利範圍第20項之光源，其中該集中器在其主發 射方向中配置在該半導體晶片之後且在晶片發射面和該 集中器之光輸入端之間形成一種間隙。 3 0 ·如申請專利範圍第20項之光源，其中該間隙未具備固體 材料或黏合性之材料。 3 1 ·如申請專利範圍第29項之光源，其中每一半導體晶片都 設有一個或多個反射元件，其須配置成一種形式及/或具 有一種形式，使光輻射之一部份（其未直接由半導體晶片 到達該集中器中）在該反射器元件上反射多次且以一種對 該半導體晶片之主發射方向成較小角度之方式而轉向至 該集中器之光輸入端。 32.如申請專利範圍第30項之光源，其中每一半導體晶片都 設有一個或多個反射元件，其須配置成一種形式及/或具 有一種形式，使光輻射之一部份（其未直接由半導體晶片 到達該集中器中）在該反射器元件上反射多次且以一種對 該半導體晶片之主發射方向成較小角度之方式而轉向至 該集中器之光輸入端。 1237404 3 3 ·如申請專利範圍第2 1項之光源，其中該集中器之基體由 透明之玻璃，透明之晶體或透明之塑料所構成且該基體 較佳是以濺鍍壓製-及/或濺鍍澆注方法而製成。 34·如申請專利範圍第！至3項中任一項之光源，其中該半導 體晶片是一種發出電磁輻射之二極體，較佳是其具有一 種至少近似於朗伯（lambertic)發射特性之二極體，其特別 是一種薄膜發光二極體。 3 5 ·如申請專利範圍第1至3項中任一項之光源，其中該半導 體晶片配置在每一載體上，各晶片在載體上分別由一種 框架所圍繞，框架上或框架中施加該主光學元件且各主 光學元件由框架所固定及/或藉由該框架使該主光學元件 可相對於晶片發射面來調整. 36·如申請專利範圍第35項之光源，其中至少一些載體及/或 該載體和該框架是以單一部份構成。 37·如申請專利範圍第35項之光源，其中該框架之內面及/或 該載體之面向半導體晶片之發射方向之表面之空著的面 •對由各別半導體晶片所發出之光而言具有反射性及/或 -至少一部份設有一種層或層序列，較佳是金屬層，其 對由各別半導體晶片所發.出之光而言具有反射性。 3 8.如申請專利範圍第36項之光源，其中該框架之內面及/或 該載體之面向半導體晶片之發射方向之表面之空著的面 -對由各別半導體晶片所發出之光而言具有反射性及/或 -至少一部份設有一種層或層序列，較佳是金屬層，其 對由各別半導體晶片所發出之光而言具有反射性。 1237404 3 9.如申請專利範圍第1至3項中任一項之光源，其中多個主 光學元件以單一部份互相形成。