TWI394271B - 發光二極體燈系統 - Google Patents

Description

發光二極體燈系統

本發明係關於一發光二極體燈系統，其具有用於產生被被定向、較佳可變之照明輻射的準直結構，本發明亦關於一種LED燈單元。

近年來，關於設計及製造無機固態LED之技術已快速改良，達到了可製造出效率超過40 lm/Watt之發射白光之無機LED的發展階段。該效率明顯超越傳統白色白熾燈(16 lm/Watt)及大多數鹵素燈(30－35 lm/Watt)之效率。同時單個LED元件之效率已增長至顯著超過100 lm/Watt之水平。

LED技術之缺點繼續為相當高之成本及由於操作中LED發熱而對於溫度管理之需求。另一在現在及將來會影響LED之廣泛可用性的主要問題是每一LED元件之燈的相對有限數量。若需要一具有高亮度之光源，則會產生問題，例如因為所發射之光必須聚焦於一小尺寸之反射鏡內。此應用之一為吾人所熟知之實例為用於機動車輛之前燈。對於此應用而言，經常使用發射約1500流明之H7鹵素燈(55 W)。此程度之光能以30 Mcd/m² 以上亮度輻射。在一氙氣高強度放電燈(Xenon－HID lamp)之情況下，亮度甚至可達約80 Mcd/m² 之值。比較起來，一具有1 mm² 輻射表面及發射50流明白光之LED元件僅可達到8 Mcd/m² 亮度，其比一鹵素燈低許多倍，且比一習知高強度放電燈甚至低更多。

美國專利號第6,402,347號描述了一種裝置，其中在一共有板上配置單獨之LED元件且每一元件具有一準直上部。一連接至各自之LED之夫瑞奈透鏡(Fresnel lens)使得來自每一單獨LED之光束被引入一共有次級光學系統。該裝置用於投影儀。該系統之缺點存在於其展示出總計約60%，由自不同光學界面之反射引起之高損耗。

此外，從美國專利號第6,547,400 B1號可瞭解到一種燈裝置，其包含一光傳導塊，該光傳導塊呈中空體形且具有反射內牆及類似矩陣而配置之點光源(諸如LED元件)。由該等點光源輻射之光束之較強部分被引入導向塊且聚焦於該處。然而，由該等點光源輻射之光束之相當大的部分未由該光傳導塊收集。此顯著降低了該裝置之發光效率。此外，依本人之觀點，該裝置不能產生(例如)車輛前燈所需要之特殊發光圖案。

與之相比較，本發明之目標為提供一特別用於汽車應用之發光二極體燈系統，藉助該系統可產生一給定之發光圖案，且若需要，則該圖案可變化。

此目標藉由一用於產生被定向照明輻射之發光二極體燈系統達成，該系統具有複數個各自具有一準直儀之LED燈元件，一LED元件指派至該等LED燈元件之每一者。該等LED燈元件經配置為一確定圖案，從而產生(例如)由不同亮度區域組成之給定發光圖案。一次級光學裝置在待被照明之空間內映射該發光圖案。因此在該種光輻射裝置中每一準直儀指派至每一LED元件。複數個LED燈元件在兩個維度上配置在一起，例如以矩陣或蜂巢形圖案，以使得較佳地其一起僅照射一個共有之次級光學裝置。

下文假定該等LED元件為無機固體，因為其目前可用且具有足夠強度。儘管這樣，當然可能替代性地使用其他電致發光元件，例如雷射二極體、其他發光半導體元件或有機LED，只要其效能是令吾人滿意的。因此術語LED或LED元件在此文獻中應被理解為所有種類之相應電致發光元件的同義詞。

除了一簡單LED與一經指派之準直儀，可使用其他LED燈元件，例如彼等具有一輻射入一腔室內之LED元件者。此情況下準直儀被配置於腔室內一輻射開口處。然而對於本發明重要的僅是複數個LED燈元件一起形成一發光圖案，而每一LED燈對總體發光圖案之照明具有確切之貢獻。

因此本發明不同於習知設計，根據習知設計複數個LED元件一起產生漫射輻射，接著其僅部分地由一次級光學元件收集並聚焦；因此本發明脫離迄今為止被追隨之發展趨勢，其中藉由重疊光束而形成一發光圖案。相反地，它遵循自待指派至各自之LED燈元件的單獨發光表面來組合發光圖案之原理。其藉由在一單獨準直儀幫助下準直每一單獨LED燈元件之輻射而達成。如此在光源處就已避免輻射損耗。經如此準直之輻射隨後以一高得多的良率引入次級光學元件。

根據本發明之一有利實施例，該等LED燈元件此外以此方式加以配置及/或組態：使得自該等LED元件輻射之光可以一精確方式耦合入次級光學元件。可為彼目的而選擇一配置，其中準直儀之所有向外耦合孔徑(意即其發光開口)聚焦於一共有點，例如次級光學之透鏡之耦合開口。為此目的，可將準直儀之縱向軸設計為向LED燈元件之一基礎表面上之法線傾斜，或將複數個LED燈元件以其基礎表面形成一彎曲表面之方式配置成彼此相鄰。

根據本發明之配置亦提供其他設計選項：本發明之一有利實施例提出一控制裝置，藉助該裝置可為設定發光圖案之目的而在該配置內單獨地控制單獨LED燈元件及/或LED燈元件組。因此，依靠該等LED燈元件或元件組之不同連接，可藉由(例如)開啟或關閉LED燈元件或改變其亮度來產生一可變發光圖案。

存在另一設計可能性，即在發光二極體燈系統內配置具有不同發光特徵的LED燈元件，該發射特徵係關於由相關LED燈元件輻射之光。該等發光特徵可在(例如)輻射波長範圍之方面不同。例如，顏色可自紫外線，通過人眼可知覺之顏色，一直變化至紅外線。不同發光特徵之另一可能性為發光強度對施加於該LED元件上之電壓的依賴性。同樣地，該等發光特徵可藉由選擇LED元件上一螢光層之厚度而設定。具有相同發光特徵之裝置較佳地根據範圍配置或配置為一組(多組)。

視柵格(其中配置LED燈元件)之所需要的精細度，LED燈元件中具有複數個LED元件可能係有利的。可因此實現減少用於準直儀之建構消耗。此外，具有相同及不同發光特徵之LED元件可組合於一個LED燈元件中。

LED燈元件之基於範圍的配置亦提供設計及維護方面之優勢：這是因為根據本發明之另一有利實施例，複數個LED燈元件組合為一個總成單元。這不僅使控制及接觸該等LED燈元件所必需之努力簡單化，而且便利了(至少部分)損壞之總成單元的替換。

根據本發明之該發光二極體燈系統之應用範圍是廣泛的。根據本發明之一有利實施例，該發光二極體燈系統為一用於車輛之燈系統。因此上述提及之優勢可在汽車領域中有利地使用。

舉例而言，依靠如所發明之發光二極體燈系統，使用發光圖案，有可能產生一具有清晰之明亮－黑暗邊界("截斷線"(cut－off))之近光(low beam)。依靠其功效，昂貴之防眩目、透鏡或反射鏡系統均變得多餘。此外，藉由以一特殊、由範圍決定之方式控制該發光二極體燈系統，可產生一近光，或(若需要)一遠光(high beam)或霧燈光。該系統一額外優勢為對建構該系統而言特殊次級光學將並非不可缺少的，而亦可使用諸如非球面透鏡之次級光學元件，該等元件用於具有習知燈之習知反射鏡系統或投影儀系統中。

根據本發明之另一有利實施例，該等LED燈元件以在該發光圖案之某些區域內發射紅外輻射(IR－radiation)之方式組態及配置。該紅外輻射較佳發生於黑暗區域，意即，明亮－黑暗邊界上方，且可用於支持紅外夜視裝置(IR－night vision devices)。另外(或額外地)，亦可在該處配置用於霧燈光及/或遠光之LED元件。

本發明之另一有利實施例提出以一透明材料至少部分地填充光輻射裝置或總成單元之準直儀。此處該透明材料可用作LED元件之光學黏結劑。無論如何，其為準直儀提供了穩定性，因而亦便利了一基於範圍之互換。此外，由該等LED燈元件發射之光輻射激發之一螢光物質可塗覆於該透明材料之上或該透明材料內。

本發明之另一有利實施例存在於用於一發光二極體燈系統之LED燈單元內，該系統包含複數個LED燈元件，其中該等LED燈元件之每一者包含一個準直儀與一個LED元件，從而使得每一LED燈元件指派有一個準直儀，且其中該等LED燈元件相互穩定地連接在一確定之配置中，從而產生一給定發光圖案。該種LED燈單元便利了發光二極體燈系統之設計及組裝，因為對於組裝為發光二極體系統而言，僅需要一個接觸介面及一個與次級光學系統之介面。此處，亦可將複數個LED元件配置於一個LED燈元件中。

此外，該燈元件又可有利地由複數個子單元建構。此可有利地藉由將複數個具有相同功能之LED燈元件組合於子單元中而達成。該功能性分類之一優勢在於對於數個功能顯著對等之LED燈元件而言，其僅具有一個機械介面及/或電介面。此便利了單獨部分之取代，例如彼等特別受壓力影響之部分，並且減少LED燈單元修復之成本。

自下文描述之實施例，本發明之此等及其它態樣將變得顯而易見，且將依靠非限制性之實例並參考該等實施例而對本發明之該等態樣加以說明。

圖1展示一包含43個單獨LED燈元件2之燈單元1。其在一二維陣列中根據一指定之發光圖案，以在運作中產生一確定之明亮－黑暗區域的方式加以整理。為此目的，在中心配置三個LED燈元件3，其發射趨向於黃色之光譜。圖1中其由一稀疏交叉影線圖案表示。與其相比，具有高藍色含量之LED燈元件4配置於邊緣區域且以緊密影線之符號表示。該等LED燈元件之間及下方，LED燈元件5由於其黃色及藍色兩者之中間輻射特徵而被組合。黃色LED燈元件3之列及藍色LED燈元件4之列的上方(意即線6上方)，燈單元1形成一明亮－黑暗邊界，其中配置於線6上方之LED燈元件7不輻射任何可見光。其可輻射紅外光且可用於支持夜視裝置。

為說明本發明提供之設計可能性，燈元件2之基礎表面經形成以使得其在縱向列8內為菱形(diamond－shaped)，從而形成燈單元1所說明之一中心軸。如此可獲得線6之偏斜路徑。

LED燈元件3、4、5一起產生車輛前燈所需要之一發光圖案，而一高亮度中心區域直接位於明亮－黑暗邊界上。該等LED元件3、4、5之每一者藉由形成整體圖案之各自部分而貢獻其作用。因此為機動車輛確定之前燈之發光圖案並非藉由重疊來自複數個光系統之錐形光束而形成，而是將經嚴格確定且照亮個別空間區域的錐形光束大體上彼此相鄰地添加，從而形成一發光圖案。

圖2展示包含入個LED燈元件2之一部分燈單元1。每一LED燈元件2包含一指派有一準直儀10之LED元件9。原則上，該等準直儀10可具有任意形狀。尤其為吾人所青睞的為具有截去頂端之棱錐形狀的準直儀，其具有可使該等LED燈元件直接鄰接彼此(較佳在每一側上均鄰接)的橫截面或基礎表面。特別為吾人所青睞的是，此等係具有矩形或平行四邊形形狀之橫截面的截去頂端之棱錐形狀的準直儀10(如圖2所示)，從而能夠將LED燈元件2直接彼此相鄰地配置以節約空間。然後，另外可輕易地將相鄰LED燈元件2之複數個準直儀10組合以形成一柵格。

在根據本發明之配置中，不僅可能為每一燈元件2提供單獨之輻射特徵，而且也可能個別地控制每一LED照明元件2且單獨地調節其亮度，甚至在運作期間。這樣允許了可變發光圖案之產生。此外，每一LED燈元件2可個別地或作為一組一同形成小子單元的燈元件的一部分而被替換。此情況主要發生在複數個LED燈元件2之功能性組合情形中，例如形成一個紅外子單元(IR－sub－unit)。

當然，除了該處所示之LED燈元件2，亦可配置另一設計之LED燈元件。例如，具有準直儀以及配置有一或多個LED元件之腔室的LED燈元件之腔室之出口表面可代替LED元件9。

圖3展示燈單元1與作為次級光學元件之透鏡11的相互作用。燈單元1產生之影像由該透鏡以圍繞一水平軸反射之方式在一待被照明之空間中投射。因此燈單元1配置於相對於圖1而言圍繞水平軸旋轉180°之位置中。

總之，吾人再次指出圖中及描述中所說明之此等系統及方法僅為實施例之實例，其可由熟習此項技術者加以相當大程度之修改而不脫離本發明之框架。

此外，吾人指出為了完備性，不定冠詞"a"或"an"之使用並不排除複數個相關項目之存在。

1．．．燈單元

2．．．LED燈元件

3,4,5．．．LED燈元件

6．．．線

7．．．LED燈元件

8．．．縱向列

9．．．LED元件

10．．．準直儀

11．．．透鏡/次級光學裝置

圖1展示一根據本發明之燈單元；圖2展示作為燈單元之一組成部分之LED燈元件的配置；圖3展示一燈單元與一次級光學系統之相互作用。

1．．．燈單元

2．．．LED燈元件

3,4,5．．．LED燈元件

6．．．線

7．．．LED燈元件

8．．．縱向列

Claims (12)

1. 一種用於產生定向照明輻射之發光二極體燈系統，其包含：複數個LED燈元件(2)，該等LED燈元件之每一者均包含具有一LED元件(9)之一準直儀(10)，該等LED燈元件(2)以一規定方式配置於一發光平面內以用於產生一特定之發光圖案；及一共同次級光學裝置(11)，其在待被照明之空間內映射該發光圖案。
2. 如請求項1之發光二極體燈系統，其特徵在於該等LED燈元件(2)以使得由該等LED燈元件(2)輻射之光可特定地導向並且耦合入該共同次級光學裝置(11)的方式而配置及/或設計。
3. 如請求項1或2之發光二極體燈系統，其特徵為一控制裝置，藉助該配置內之單獨的LED燈元件(2)及/或LED燈元件(2)組可被單獨地控制以設定該發光圖案。
4. 如請求項1或2之發光二極體燈系統，其中具有由相關LED燈元件(2)輻射之光之不同發光特徵之LED燈元件(2)。
5. 如請求項1或2之發光二極體燈系統，其中複數個LED元件配置在一LED元件(2)中。
6. 如請求項1或2之發光二極體燈系統，其中複數個LED燈元件(2)組合在一個總成單元中。
7. 如請求項1或2之發光二極體燈系統，其中該發光二極體 燈系統為一車輛燈系統。
8. 如請求項1或2之發光二極體燈系統，其中藉助該發光圖案產生一具有一規定之明亮-黑暗截斷線的近光。
9. 如請求項1或2之發光二極體燈系統，其中在該發光圖案之某些區域內發射紅外輻射。
10. 如請求項1或2之發光二極體燈系統，其中該等LED燈元件(2)之該等準直儀(10)至少部分地由一透明材料填充。
11. 一種用於如上述請求項中任一項之發光二極體燈系統的LED燈單元(1)，其包含複數個LED燈元件(2)，該等LED燈元件之每一者包含具一LED元件(9)之一準直儀(10)，該等LED燈元件(2)於一規定配置中互連以用於產生一特定之發光圖案。
12. 如請求項11之用於發光二極體燈系統的LED燈單元(1)，其被細分為複數個子單元，每一子單元具有分離之機械介面及/或電介面。