ИСТОЧНИК СВЕТА СО СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЙ МАТРИЦЕЙ И СОБИРАЮЩЕЙ ОПТИКОЙ Российский патент 2011 года по МПК G03B21/20 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение в целом относится к источникам света, а более точно, к источникам света, которые включают в себя светоизлучающие элементы, скомпонованные в матрице, и которые используют собирающую оптику.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Устройства на светоизлучающих диодах (СИД, LED) имеют постоянно растущее применение. Например, оптические системы, которые могут использовать СИД, включают в себя проекционные системы (такие, как проекторы на LCD (жидкокристаллическом дисплее) и DLP (с цифровой обработкой цвета)), театральную осветительную арматуру (такую как миниатюрные декорации), волоконно-оптические осветительные приборы или переднюю осветительную арматуру автомобилей. Такие оптические системы типично включают в себя систему сбора, которая коллимирует свет, чтобы он эффективно передавался на мишень. Однако желательно все время улучшать эффективность оптических систем, которые включают в себя СИД, и светоизлучающих элементов вообще.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Осветительная система в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения включает в себя множество светоизлучающих элементов, скомпонованных в матрице, с демонстрирующими лучшую эффективность светоизлучающими элементами, расположенными в или возле центра матрицы, и демонстрирующими худшую эффективность светоизлучающими элементами, расположенными дальше от центра матрицы. Матрица может включать в себя многочисленные группы светоизлучающих элементов, где группы со светоизлучающими элементами, имеющими худшее качество функционирования, расположены дальше от центра матрицы, чем группы светоизлучающих элементов, имеющих относительно лучшее качество функционирования. Собирающая оптика, имеющая оптическую ось, оптически связана с матрицей из условия, чтобы оптическая ось располагалась приблизительно в центре матрицы. Собирающая оптика, например, может быть параболоторическим фоконом, конденсорной линзой, прямоугольным угловым преобразователем, линзой Френеля, линзой, использующей участки поверхностей с полным внутренним отражением, и любым другим уместным устройством и, как правило, имеет более высокую отдачу пропускания для лучей, испускаемых параллельно оптической оси, чем для лучей, испускаемых не параллельно оптической оси.

ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 иллюстрирует источник света, который может использоваться с настоящим изобретением.

Фиг.2 иллюстрирует источник света, такой как показанный на фиг.1, с дополнительной оптической системой между собирающей оптикой и мишенью.

Фиг.3 - график, иллюстрирующий пропускную способность оптической системы в качестве функции угла θ между лучом и оптической осью.

Фиг. 4A и 4B иллюстрируют соответственно вид в разрезе и вид сверху матрицы светоизлучающих элементов, которая состоит из девяти кристаллов СИД в компоновке 3×3.

Фиг.5 иллюстрирует вид сверху матрицы, состоящей из шестнадцати кристаллов СИД в компоновке 4×4.

Фиг.6 иллюстрирует вид сверху матрицы, состоящей из двадцати пяти кристаллов СИД в компоновке 5×5.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения осветительная система, которая включает в себя матрицу светоизлучающих элементов, позиционирует демонстрирующие наилучшую эффективность светоизлучающие элементы в или возле центра матрицы, который совмещен с оптической осью собирающей оптики.

Фиг.1 иллюстрирует источник 100 света, который может использоваться с настоящим изобретением. Источник 100 света включает в себя матрицу 102 светоизлучающих элементов, таких как светоизлучающие диоды (СИД), например, смонтированные на подложке 104. Источник 100 света включает в себя собирающую оптику 106, проиллюстрированную в качестве параболоторического фокона. Однако другая или дополнительная собирающая оптика может использоваться с настоящим изобретением, если требуется, такая как конденсорная линза, прямоугольный угловой преобразователь, линза Френеля, линза, использующая участки поверхностей полного внутреннего отражения (TIR), и любое другое уместное устройство. Вообще, параболоторическим фоконом, например, является рефлектор с отражательными стенками, которые находятся под углом по отношению к матрице, чтобы в целом коллимировать свет, испускаемый матрицей 102 светоизлучающих элементов. В качестве альтернативы может использоваться туннель с прямыми стенками, по меньшей мере для первого участка, чтобы достигать лучшего пространственного распределения света. Коллимированный свет используется для освещения мишени 110, которая может быть любым объектом, который должен освещаться или подсвечиваться. Источник 100 света, показанный на фиг.1, может быть полной системой источника света. В качестве альтернативы, как проиллюстрировано на фиг.2, источник 100 света может включать в себя одну или более дополнительную оптическую систему 120 между собирающей оптикой 106 и мишенью 110.

Как проиллюстрировано на фиг.1, собирающая оптика 106 включает в себя оптическую ось 108, которая центрирована приблизительно по центру матрицы 102. К тому же на фиг.1 показаны иллюстративные лучи 109, которые проникают в собирающую оптику 106 из матрицы 102. Лучи 109 проиллюстрированы в качестве имеющих угол θ по отношению к оптической оси 108. Фиг.3 - график, иллюстрирующий пропускную способность оптической системы в качестве функции угла θ между лучом и оптической осью, когда луч проникает в систему. График на фиг.3 показывает, что по мере того, как угол θ возрастает, отдача оптической системы снижается. Максимальная отдача обнаруживается, когда угол θ является нулевым и, таким образом, когда лучи 109 проходят близко к или параллельно оптической оси 108.

Фиг. 4A и 4B иллюстрируют вид сверху и вид в разрезе соответственно матрицы 102 светоизлучающих элементов, например, которая состоит из девяти кристаллов СИД в компоновке 3×3. Кристаллы СИД размещены на общей подложке 104, которая имеет электрические соединения для СИД. Светоизлучающие элементы могут быть любым типом СИД или другим уместным световым элементом. Например, СИД, показанные на фиг. 4A и 4B, могут быть перевернутыми микросхемами, которые имеют n и p контактов, сформированных на одной стороне кристаллов, с тем чтобы не потребовались проводные соединители. Подложка 104 имеет соответствующие контактные площадки, которые могут припаиваться к контактным площадкам кристаллов. Подложка 104 может присоединяться к печатной плате, рамке с внешними выводами или другой опорной сборке и дополнительно присоединяться к радиатору, если требуется. СИД, например, могут быть люминофором, приспособленным, чтобы вырабатывать белый свет. Примеры формирования СИД, а также разноцветных люминофоров, описаны в патентах США под № 6133589; 6274399; 6274924; 6291839; 6525335; 6576488; 6649440; и 6885035, все из которых включены в материалы настоящей заявки посредством ссылки. Должно быть понятно, однако, что любой подходящий СИД или другой светоизлучающий элемент может использоваться с настоящим изобретением.

На практике светоизлучающие элементы, такие как СИД, варьируются по качеству функционирования, такому как яркость и/или отдача, или любому другому параметру, который является ключевым критерием качества функционирования для системы. В качестве примера, другие параметры, которые могут быть критерием качества функционирования, включают в себя требуемое угловое излучение, цвет, поляризацию или температурную зависимость. Как проиллюстрировано на графике по фиг.3, однако, отдача оптической системы повышается по мере того, как уменьшается угол θ между лучами испускаемого света и оптической осью. Таким образом, оптическая система имеет более высокую отдачу пропускания для лучей, испускаемых параллельно оптической оси, чем для лучей, испускаемых не параллельно оптической оси. С оптической осью 108 собирающей оптики 106, совмещенной с центром матрицы 102, лучи света, которые проходят близко к или параллельно оптической оси 108, большей частью выпускаются в центральной области матрицы.

Соответственно, для повышения отдачи источника 100 света демонстрирующие лучшую эффективность светоизлучающие элементы расположены в центре матрицы 102, с тем чтобы именно демонстрирующие лучшую эффективность светоизлучающие элементы формировали лучи близко к или параллельно оптической оси 108.

Для иллюстративных целей, три отдельные позиции СИД в матрице 102 помечены на фиг.4B. Как проиллюстрировано на фиг.4B, центральная область матрицы 102 помечена как позиция 1, вторая область матрицы 102 помечена как позиция 2, а третья область матрицы 102 помечена как позиция 3. Центральная область 1 в матрице 102 расположена в центре матрицы, который совмещен с оптической осью 108. Вторая область 2 расположена под прямым углом относительно центральной области 1 и дальше от центра матрицы 102 и оптической оси 108, чем центральная область 1. Третья область 3 расположена вдоль диагонали и поэтому дальше от центра матрицы 102, чем и центральная область 1, и вторая область 2.

В соответствии с настоящим изобретением светоизлучающий элемент с лучшим качеством функционирования относительно оставшейся части светоизлучающих элементов в матрице 102 смонтирован в центральной области 1 матрицы 102. Четыре следующих по эффективности светоизлучающих элемента смонтированы во второй области 2 матрицы 102. В заключение, четыре светоизлучающих элемента с наихудшим качеством функционирования расположены в позиции, самой дальней от центра, то есть третьей области 3 в матрице 102. Таким образом, светоизлучающие элементы с наилучшим качеством функционирования расположены на или возле оптической оси 108, тогда как демонстрирующие худшую эффективность светоизлучающие элементы расположены дальше от оптической оси 108. В такой конфигурации свет, испускаемый приблизительно параллельно оптической оси из демонстрирующего наилучшую эффективность светоизлучающего элемента, например, в центральной области 1 не отражается отражательными стенками собирающей оптики 106.

Так как качество функционирования каждого светоизлучающего элемента должно быть известно до монтажа, качество функционирования каждого светоизлучающего элемента проверяется до того, как светоизлучающий элемент будет смонтирован на подложку 104. В качестве примера, кристаллы СИД могут проверяться при формировании подложки. В качестве альтернативы, микросхемы СИД сначала могут монтироваться на матрице соединенных подложек, которые легко проверяются позже по отдельности, будучи окончательно смонтированными на подложку 104. В одном из вариантов осуществления большая партия светоизлучающих элементов может проверяться и организовываться на основании качества функционирования в три группы: наилучшие исполнители, вторые лучшие исполнители и третьи лучшие исполнители. Светоизлучающие элементы из группы наилучших исполнителей монтируются в центральных областях 1 разных матриц, тогда как светоизлучающие элементы из группы вторых лучших исполнителей монтируются во второй области 2, а светоизлучающие элементы из группы третьих лучших исполнителей монтируются в третьей области 3.

Должно быть понятно, что количество областей в матрице 102 является иллюстративным. Например, матрица 102 может быть разделена на центральную область 1 и вторичную область, которая включает в себя обе позиции, 2 и 3. В этом варианте осуществления светоизлучающий элемент с наилучшим качеством функционирования монтируется в центральной области 1, а оставшаяся часть светоизлучающих элементов монтируется вне центральной области 1, то есть во вторичной области 2, 3.

Более того, матрица, используемая в настоящем изобретении, может быть большей, чем 3×2. Например, фиг.5 иллюстрирует матрицу 220, состоящую из шестнадцати кристаллов СИД в компоновке 4×4. Фиг.5 включает в себя метки для местоположений СИД, основанных на качестве функционирования, подобные показанным на фиг.4B. Четыре демонстрирующих наилучшую эффективность СИД смонтированы в центральной области, в целом указанной номером 1, наряду с тем, что восемь СИД со вторым по качеству функционированием смонтированы во второй области, в целом указанной номером 2. Четыре СИД с худшим качеством функционирования смонтированы в третьей области, в целом указанной номером 3.

Фиг.6 иллюстрирует другую матрицу 250 СИД, состоящую из двадцати пяти кристаллов СИД в компоновке 5×5. Преимущество размещения СИД указано номерами. В матрице 250 есть шесть уникальных позиций. Как обсуждено выше, СИД смонтированы в матрице 250 с демонстрирующими наилучшую эффективность СИД в позициях с наивысшим рангом, то есть самых близких к центру, а демонстрирующие наихудшую эффективность СИД - в позициях с самым низким рангом, то есть самых отдаленных от центра.

Хотя настоящее изобретение проиллюстрировано в связи с отдельными вариантами осуществления для пояснительных целей, настоящее изобретение не ограничено ими. Различные переделки и модификации могут быть произведены, не выходя за рамки объема изобретения. Должно быть понятно, что настоящее изобретение может использоваться с большими матрицами СИД или с другими матричными конфигурациями, такими как неквадратные компоновки, например 2×3, или линейные компоновки, например 1×3. Поэтому сущность и объем, определяемые прилагаемой формулой изобретения, не должны ограничиваться вышеизложенным описанием.

Заявленное изобретение относится к источникам света. Заявленная осветительная система включает в себя множество светоизлучающих элементов, таких как светоизлучающие диоды, скомпонованные матрицей. Один или более светоизлучающих элементов расположены в центральной области матрицы. Светоизлучающие элементы в центральной области имеют лучшее качество функционирования, такое как яркость и/или эффективность, относительно оставшейся части светоизлучающих элементов в матрице. Вторая область, которая находится вне центральной области, то есть дальше от центра матрицы, включает в себя группу светоизлучающих элементов, которые имеют лучшее качество функционирования относительно любых дополнительных светоизлучающих элементов в матрице. Матрица может включать в себя дополнительные области дальше от центра матрицы, которые включают в себя светоизлучающие элементы с более низким качеством функционирования. Собирающая оптика, имеющая оптическую ось, оптически связана с матрицей из условия, чтобы оптическая ось располагалась приблизительно в центре матрицы. Технический результат - улучшение эффективности оптических систем, которые включают в себя СИД и светоизлучающие элементы вообще. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Осветительная система, содержащая:
множество светоизлучающих элементов, скомпонованных в матрице, причем каждый из светоизлучающих элементов относится к общему виду, но проявляет индивидуальные характеристики качества функционирования, при этом матрица содержит:
центральную область, в которой расположен по меньшей мере один первый светоизлучающий элемент, который имеет лучшее качество функционирования относительно каждого из оставшейся части светоизлучающих элементов в матрице; и
вторую область, которая находится вне центральной области, причем вторая область содержит вторую группу светоизлучающих элементов, имеющих более низкое качество функционирования относительно упомянутого первого светоизлучающего элемента.

2. Осветительная система по п.1, в которой качество функционирования включает в себя, по меньшей мере, одно из яркости, эффективности, углового излучения, цвета, поляризации и температурной зависимости.

3. Осветительная система по п.1, дополнительно содержащая собирающую оптику, имеющую оптическую ось, причем собирающая оптика является оптически связанной с матрицей, с оптической осью, расположенной приблизительно по центру центральной области матрицы.

4. Осветительная система по п.3, в которой собирающая оптика имеет более высокую эффективность для лучей, испускаемых параллельно оптической оси, чем для лучей, испускаемых не параллельно оптической оси.

5. Осветительная система по п.3, в которой собирающая оптика является одним или более из конденсорной линзы, параболоторического фокона, прямоугольного преобразователя угла, линзы Френеля и линзы, использующей участки поверхностей полного внутреннего отражения.

6. Осветительная система по п.1, в которой центральная область содержит одиночный светоизлучающий элемент.

7. Осветительная система по п.1, в которой центральная область содержит множество светоизлучающих элементов, каждый из которых имеет лучшее качество функционирования относительно оставшейся части светоизлучающих элементов в матрице.

8. Осветительная система по п.1, в которой матрица дополнительно содержит третью область, которая находится вне второй области, причем третья область является более отдаленной от центральной области, чем вторая область, и третья область содержит третью группу светоизлучающих элементов, имеющих более низкое качество функционирования относительно упомянутого первого светоизлучающего элемента и второй группы светоизлучающих элементов.

9. Осветительная система по п.8, в которой матрица является квадратной матрицей, вторая область является расположенной под прямым углом относительно центральной области, третья область является расположенной по диагонали относительно центральной области.

10. Осветительная система по п.9, в которой матрица является одной из матрицы 3×3 и 4×4.

11. Осветительная система по п.8, в которой матрица дополнительно содержит:
четвертую область, которая является более отдаленной от центральной области, чем третья область, причем четвертая область содержит четвертую группу светоизлучающих элементов, имеющих более низкое качество функционирования относительно упомянутого первого светоизлучающего элемента, второй группы светоизлучающих элементов и третьей группы светоизлучающих элементов;
пятую область, которая является более отдаленной от центральной области, чем четвертая область, причем пятая область содержит пятую группу светоизлучающих элементов, имеющих более низкое качество функционирования относительно упомянутого первого светоизлучающего элемента, второй группы светоизлучающих элементов, третьей группы светоизлучающих элементов и четвертой группы светоизлучающих элементов;
шестую область, которая является более отдаленной от центральной области, чем пятая область, причем шестая область содержит шестую группу светоизлучающих элементов, имеющих более низкое качество функционирования относительно упомянутого первого светоизлучающего элемента, второй группы светоизлучающих элементов, третьей группы светоизлучающих элементов, четвертой группы светоизлучающих элементов и пятой группы светоизлучающих элементов.

12. Осветительная система по п.11, в которой матрица является матрицей 5×5.

13. Осветительная система по п.1, в которой матрица является неквадратной матрицей.

14. Источник света, содержащий:
собирающую оптику, имеющую оптическую ось; и
матрицу светоизлучающих элементов, оптически связанную с собирающей оптикой, причем каждый из светоизлучающих светодиодов относится к общему виду, но проявляет индивидуальные характеристики качества функционирования, при этом матрица имеет центральную область, которая совмещена с оптической осью, при этом центральная область содержит по меньшей мере один первый светоизлучающий элемент, который имеет лучшее качество функционирования относительно каждого из светоизлучающих элементов, смонтированных вне центральной области матрицы.

15. Источник света по п.14, в котором качество функционирования включает в себя, по меньшей мере, одно из яркости, эффективности, углового излучения, цвета, поляризации и температурной зависимости.

16. Источник света по п.14, в котором собирающая оптика имеет более высокую эффективность для лучей, испускаемых параллельно оптической оси, чем для лучей, испускаемых не параллельно оптической оси.

17. Источник света по п.14, в котором собирающая оптика является одним или более из конденсорной линзы, параболоторического фокона, прямоугольного преобразователя угла, линзы Френеля и линзы, использующей участки поверхностей полного внутреннего отражения.

18. Источник света по п.14, в котором матрица содержит вторую область, которая является более отдаленной от оптической оси, чем центральная область, причем вторая область содержит вторую группу светоизлучающих элементов, имеющих лучшее качество функционирования относительно оставшейся части светоизлучающих элементов в матрице, при этом матрица содержит, по меньшей мере, одну дополнительную область, которая является более отдаленной от оптической оси, чем вторая область, причем эта, по меньшей мере, одна дополнительная область содержит упомянутую оставшуюся часть светоизлучающих элементов в матрице.

19. Источник света по п.14, в котором центральная область содержит множество светоизлучающих элементов, каждый из которых имеет лучшее качество функционирования относительно светоизлучающих элементов, смонтированных вне центральной области матрицы.

20. Способ изготовления матрицы светоизлучающих элементов, содержащий этапы, на которых
проверяют множество светоизлучающих элементов, относящихся к общему типу, для определения качества функционирования каждого из светоизлучающих элементов; и
изготавливают матрицу светоизлучающих элементов посредством того, что монтируют, по меньшей мере, один первый светоизлучающий элемент в или около центра матрицы и монтируют вторую группу светоизлучающих элементов, каждый из которых имеет более низкое качество функционирования относительно упомянутого первого светоизлучающего элемента, дальше от центра матрицы, чем упомянутый первый светоизлучающий элемент.

21. Способ по п.20, дополнительно содержащий этап, на котором оптически связывают собирающую оптику, имеющую оптическую ось, с матрицей светоизлучающих элементов, причем оптическая ось является приблизительно совмещенной с центром матрицы.

22. Способ по п.20, дополнительно содержащий этап, на котором монтируют третью группу светоизлучающих элементов, имеющих более низкое качество функционирования относительно второй группы светоизлучающих элементов, дальше от центра матрицы, чем вторая группа светоизлучающих элементов.

23. Способ по п.20, в котором качество функционирования включает в себя, по меньшей мере, одно из яркости, эффективности, углового излучения, цвета, поляризации и температурной зависимости светоизлучающих элементов.

24. Способ по п.20, дополнительно содержащий этап, на котором монтируют множество первых светоизлучающих элементов возле центра матрицы, причем каждый из первых светоизлучающих элементов имеет лучшее качество функционирования относительно оставшейся части светоизлучающих элементов в матрице.

25. Способ по п.20, в котором упомянутый первый светоизлучающий элемент монтируют в центре матрицы.