专利名称：照明单元结构与照明光源结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种照明技术，且特别涉及一种照明单元结构与照明光源结构。
背景技术：
人造的照明光源在日常生活中是不可欠缺的产品，例如用在没有日光处以照明对象或所处环境，还可以将图像投射到屏幕，以供观看等等。随着科技的发展，照明技术也随着改变。
例如应用在投影仪的光源是由超高亮度灯泡，例如UHP，以短弧放电发出光源，透过抛物面反射灯罩，将四射的光导正成相互平行的准直(collimating)光，再以两组阵列凸透镜将光混合均匀，才能经光阀控制投射到大屏幕上，而得到良好的图像质量。
另外，发光源、发光二极管LED所发射出的光呈四射全立体角，且每一面所发射出的光并不均匀，除了内部电流密度不均造成发光不均外，表面的电极也会遮光，形成明显不均的发光体，再者，呈四射的全立体角，要能有效导正所有光准直成为相互平行的光也是相当困难的，因此，若要获得超高亮度准直并且具均匀的光源是一大挑战。为了改进这些照明条件，一种传统的设计如图1所示。
图1为传统的一种照明光源结构示意图。此传统的光源结构包括利用多个T1规格的炮弹形灯泡121，尺寸为直径3mm或5mm，以组合成长方形阵列120。在出光面之处，为了使所有不均匀的单一灯泡相互混合，而设置有一个反射部110，其是由四个反射面111所组成的管状物。通过反射面111的反射作用，可以将不均匀的光，在一个程度下混合。然而，其每一个灯泡显然有轴对称之不均匀分布光强度，以及在四个相邻灯泡121之间隔区域没有出光。这会导致严重暗区，以形成明暗交错之不均匀的光源，虽经管状物反射，但混合效果不佳。
另一种传统设计，如图2所示，是以密集的多个发光二极管(LED，Light Emitting Diode)所组成的光源122a、122b，施以高电流驱动，以获得较高的光通量。再以外侧抛物反射面124a、124b，将四射的光导正成相互平行的准直光。其中密集的LED受高电流驱动会产生高温，而降低发光效率，LED其发光不均匀，经过轴对称之反射镜导正之光源亦不会均匀。
然而，上述的传统设计仍有其缺点，例如光强度不均匀或是产生高温而影响质量。制造者仍继续在研发，以设计出较佳的光源。
发明内容
本发明提供一种照明单元结构，可以同时有效地导引发散的光，达到准直光，且具有反射混光，达到均匀的双重效果。
本发明又提供一种照明光源结构，使用多个照明单元组合成阵列，以达到面发光的效果。其中，照明单元的元件不会密集在一起，以减少产生高温的问题，且照明单元之间可以紧密组合，以减少相邻二照明单元之间的不发光区域。
根据本发明的观点(aspect)，一种照明单元结构，包括点状发光体，具有发光轴。初阶锥形反射面(conoid-like reflective surface)，有缩口端与开口端。该点状发光体位于该缩口端，且该发光轴朝向该开口端以发散射出光。该初阶锥形反射面与该发光轴有一个初阶夹角。末阶锥形反射面，有缩口端与开口端。其中该末阶锥形反射面的该缩口端与该初阶锥形反射面的该开口端耦合。该末阶锥形反射面与该发光轴有一个末阶夹角，该初阶夹角大于该末阶夹角。
根据本发明之一实施例的照明单元结构，上述该初阶锥形反射面与该末阶锥形反射面，例如皆是多个面构成角锥状面(multi-face pyramid-likesurface)。又，角锥状面例如是正四方锥形面或长方锥形面。
根据本发明之一实施例的照明单元结构，上述该初阶锥形反射面与该末阶锥形反射面，例如皆是圆锥状面(cone-like surface)。
根据本发明之一实施例的照明单元结构，其还包括至少一个中间阶锥形反射面，有缩口端与开口端，以使耦合于该初阶锥形反射面的该开口端与该末阶锥形反射面的该缩口端之间，其中该中间阶锥形反射面与该发光轴有一个中间阶夹角，介于该初阶夹角与该末阶夹角之间。
根据本发明的观点(aspect)，一种照明光源结构，包括多个如前述之照明单元结构，以构成发光阵列；以及线路结构，连接到该发光阵列，以驱动该些照明单元结构使之发光。
为让本发明之上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1为传统的一种照明光源结构示意图。
图2为传统的另一种照明光源结构示意图。
图3为依据本发明一实施例的照明光源结构剖面示意图。
图4为依据本发明的照明光源结构对应图4的俯视示意图。
图5为依据本发明的照明单元的结构剖面示意图。
图6为依据本发明的照明单元的另一种结构剖面示意图。
图7为依据本发明的照明单元的另一种结构剖面示意图。
图8为依据图4的设计，对单元测量的光强度随发光角度的分布。
图9为依据图4的设计，光强度随位置的分布。
图10为根据本发明实施例的电路布局示意图。
图11A为根据本发明另一个实施例的俯视示意图。
图11B为在图11A沿着I-I的剖面示意图。
主要元件标记说明110反射部111反射面
120光源阵列 121炮弹形灯泡120a、120bLED光源122a、122bLED124a、124b反射罩 126a、126b光路径128合光元件 129合光面130基底电极部132封装发光部134材料层134a锥形反射面136材料层136a锥形反射面138光路径 140光源阵列150发光轴200发光体202、204锥状反射面 190a～190d电极片300光源阵列 302锥状反射面304锥状平面 306锥状曲面308混成锥状面具体实施方式
在综合考虑传统照明光源的问题，本发明提出另一种新颖设计，以提高照明质量。本发明的照明光源是由多个照明单元，以一种阵列方式组合而成。照明单元可以紧密组合在一起以构成所要的发光面。然而，照明单元的发光体不是紧密在一起的，可避面产生过高温度而影响发光效率。以下举一些实施例，作为本发明的描述，但是本发明不受限于所举的实施例。
图3是依据本发明的一个实施例，为照明光源的剖面示意图。图4是依据本发明对应图3的实施例，为照明光源的俯视示意图。于图3与图4，照明光源的阵列，其一边例如是由四个照明单元所构成。一个照明单元包括点状(point-like)发光体，例如是LED，包括基底电极部130与封装发光部132。点状发光体，是以一个中心点，在一个立体角范围内辐射地发出光。于此点状发光体，沿着主要投射方向，定义发光轴150(见图5)。在点状发光体的周围，根据此实施例如图3与图4，例如设置有二阶的反射面134a、136a。通过二阶的反射面134a、136a的角度安排，由点状发光体发出的大部份光，沿着所示的光路138，会被反射面134a、136a做一次或多次反射，因此被导正大部分沿着光轴射出，成为准直光，同时也因一次或多次反射而产生混光均匀。
二阶的锥状反射面134a、136a，其各阶例如可以是四面角锥状(four-face pyramid-like)，有缩口端(convergent opening end)与开口端(divergent opening end)，其中该点状发光体位于该缩口端，且该发光轴朝向该开口端以发散射出光。一般而言，锥状面可由多面所构成的角锥状面，较佳地还例如是在水平截面的形状是正四方形或是长方形。为了有密合的效果，另外三角形由几种边形混合也可以。然而，如果不考虑密合，锥状面也可以是圆形、椭圆形、或光滑曲线形的锥状结构。一些变化的设计将在后面叙述。
本发明以配合四方形LED晶粒，设计多层四面锥形反射面，例如是反射镜，除了将侧向光多次反射逐级导正光为准直，且混光均匀，两两相邻光出口的间隔缩减为零，而获得无接缝阵列光源，提供高密度准直且均匀的光源，适合于高指向性用的灯源，如投影机用光源、扫描器(scanner)用光源、舞台用投射灯、探照灯等，其体积小、重量轻、没有高温危险等应用。
反射面134a、136a的设置可以通过多种不同方式达成。然而为了将多个点状发光体有效地且坚固地组合成所要的面状发光源，较佳的是其反射面134a、136a分别可通过两材料层134、136提供。在材料层134上在预定的位置，形成可提供角锥状反射面134a、136a的开口。发光体可以稳固设置在材料层134上，且通过开口发出光线。另外，第二阶的材料层136，设置于第一阶的材料层134上，其上下阶的开口相互耦合。在这样的设计下，不同发光单元的发光体不是以密集的方式组合的。然而，如果必要，对于一个发光单元的点状发光体，其数量也可以是多个。
要注意的是，如果是以角锥状反射面的设计，因为是有规则且可密合的形状，因此第二阶的角锥状反射面136a的开口端，是相互紧密连接的。如此也可进一步减少不发光的间隔区域。这也是依据本发明设计，可以达到的另一功效。
以下就以含二阶的角锥状反射面的设计，做设计条件的说明。图5为角锥状反射面的剖面示意图。点状发光体的发光轴以虚线150表示。另外，本发明所提到的各种设计角度是定义成与发光轴150的夹角。因此，第一阶(又称为初阶)角锥状反射面134a，其与发光轴150的夹角定义为θ1，而第二阶(又称为末阶)角锥状反射面136a与发光轴150的夹角定义为θ2。θ1要大于θ2。一般，θ1是约在30～40度的范围，而θ2约在4～7度的范围。又，实际设计上，角度θ1与θ2是配合角锥状反射面134a、136a的厚度一起考虑。较佳地，第一阶角锥状反射面134a的厚度比第二阶角锥状反射面136a的厚度小。至于，最外周缘与发光轴150的夹角定义为θ3。由于水平周缘如果不是圆形的话，其周缘与发光轴150的夹角值会依位置而变化。为方便定义与设计，可取其最小或最大的夹角为θ3。由于发光体随角度的发光强度大部分(例如取所要的光强度随角度分布的半高宽度)约都落在一个角度内，也就是说，依实际应用上对光的准直程度的需求，因此可依其设定此θ3的值，例如是8～16度的范围。由于几何关系(geometricrelation)，以及各阶之间要正形投影(conformal)耦合，θ1、θ2与θ3的设定，同时也决定于光轴方向的各层厚度。
另外，图5是以二阶的角锥状反射面为例做说明。然而，实际的阶数也不限定于二阶。角锥状反射面的设计原则可适用于二阶以上的设计。由低阶到高阶，其夹角递减。图6例如是以三阶为例做说明。此时，于第二阶上再加入第三阶。此时，第三阶又称末阶，其与发光轴150的夹角定义为θ4。然而，θ3是针对末阶而言，其考虑原则仍相同。另外，θ1、θ2与θ4要符合上述的递减关系，即是θ1＞θ2＞θ4。由于各阶之间要正形投影耦合，角度也同时决定在光轴方向的各层厚度。
如前述，锥状反射面的水平截面的形状，除了四方形或长方形外，也可以有不同的形状。图7是以圆形锥状反射面的一实施例。发光体200仍位于下面的缩口端。其是由圆形的二锥状反射面202、204所构成。圆形锥状反射面的设计，虽然密合度比前述图4的结构差，然而仍可使发光体不必密集组合。发光体分散后，至少可以避免产生高温。
图8为依据图4的设计，对单元测量的光强度随发光角度的分布。图8中，对于正四方形的设计而言，三条曲线是代表沿着X、Y与45度的对角线方向的测量结果，其在三个方向的光强度分布随与发光轴夹角的分布大致上相同，且半高宽度约在15度。这表示准直效果佳且均匀。图9为依据图4的设计，光强度随位置的分布。图9中，粗线代表沿水平轴的位置的光强度分布，淡线代表沿垂直轴的位置的光强度分布。其结果显示本照明的设计，在位置均匀度上也可以达到良好的均匀度。
另外，本发明利用多个照明单元组成面状的照明光源。以LED为例，其必须由偏压所驱动。也就是说，阵列的每一个LED，都必需施加偏压。就电路设计上，由于LED仅需要正负的二电极即可，可以有多种不同电路布局。图10为根据本发明实施例的电路布局示意图。于图10，以3x3的阵列为例，其电极结构例如是依次连接的电极片190a～190d，其中LED(圆形标示)连接于相邻二电极片之间。外部高电压VH施加于电极片190a，而低电压(或是接地电压)VL连接于电极片190d。其对等的电路如图10中的下图所示，是构成串接的LED。对于实际的结构，例如图10中的右图所示，将电极片190a、190b设置在材料层上，且与基底电极部130连接。图10所示的仅是电路布局的一种可能，但不是唯一的选择。一般所属技术领域的技术人员，应可以依实际的需要设计电路。
另外，应当考虑前述图7的圆锥式设计，为了避免相邻二单元有不发光区域的存在，其上面锥状反射面，可以采用混成锥状面的设计，例如是图11A～11B所示的结构。末阶的锥状反射面308的缩口端与初阶锥状反射面302的开口端仍是以圆形耦合。然而，末阶锥状反射面308的开口端形状是规则的四边形，例如是正方形或矩形。本实施例是以正方形为例。在图11A中，由于末阶锥状反射面308的开口端与缩口端不是相似的形状，其是由锥状平面304与锥状曲面306所混合构成。末阶锥状反射面308的平面304较佳地是由四个锥状平面304(三角形面)所构成，其中每一个例如是如图3的锥状平面的一部分。另外末阶锥状反射面308的曲面306以四个角落分别为一个共同点，与初阶锥状反射面302的开口端的周缘所构成的平滑曲面。在沿着图11A的I-I线的剖面结构如图11B所示，其角度关系仍符合前述，例如图5所描述的关系。又，本发明也不受限于图11A的设计。例如依相同设计原则，也可以安排末阶锥状反射面的缩口端与开口端都是四边形，例如正方形或矩形，而初阶锥状反射面的开口端也是四边形与末阶锥状反射面的缩口端耦合，而初阶锥状反射面的缩口端则例如为圆形。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种照明单元结构，其特征是包括点状发光体，具有发光轴；初阶锥形反射面，有缩口端与开口端，其中该点状发光体位于该缩口端，且该发光轴经过该点状发光体朝向该开口端，其中该初阶锥形反射面与该发光轴有一个初阶夹角；以及末阶锥形反射面，有缩口端与开口端，其中该末阶锥形反射面的该缩口端与该初阶锥形反射面的该开口端耦合，其中该末阶锥形反射面与该发光轴有一个末阶夹角，该初阶夹角大于该末阶夹角。
2.根据权利要求1所述的照明单元结构，其特征是该初阶锥形反射面与该末阶锥形反射面皆是多个面构成角锥状面。
3.根据权利要求2所述的照明单元结构，其特征是该角锥状面是正四方锥形面或长方锥形面。
4.根据权利要求1所述的照明单元结构，其特征是该初阶锥形反射面与该末阶锥形反射面皆是圆锥状面。
5.根据权利要求1所述的照明单元结构，其特征是该初阶锥形反射面的该开口端是圆形与该末阶锥形反射面的该缩口端是圆形耦合，并且该末阶锥形反射面是由圆形的该缩口端与规则四边形的该开口端所形成的混成锥状面。
6.根据权利要求1所述的照明单元结构，其特征是该初阶锥形反射面的该开口端与该末阶锥形反射面的该缩口端是规则四边形耦合，该末阶锥形反射面的该开口端也是规则四边形，并且该初阶锥形反射面是由圆形的该缩口端与规则四边形的该开口端所形成的混成锥状面。
7.根据权利要求1所述的照明单元结构，其特征是还包括至少一个中间阶锥形反射面，有缩口端与开口端，以使耦合于该初阶锥形反射面的该开口端与该末阶锥形反射面的该缩口端之间，其中该中间阶锥形反射面与该发光轴有一个中间阶夹角，介于该初阶夹角与该末阶夹角之间。
8.根据权利要求1所述的照明单元结构，其特征是该初阶锥形反射面在该发光轴方向的延伸长度比该末阶锥形反射面在该发光轴方向的延伸长度小。
9.根据权利要求1所述的照明单元结构，其特征是对于该末阶锥形反射面的该开口端的周缘的任一点与该点状发光体所构成的线，其中该线与该发光轴的最大夹角或是最小夹角为预定角度，以决定该末阶锥形反射面的该开口端的大小。
10.根据权利要求9所述的照明单元结构，其特征是该预定角度范围为8～16度。
11.根据权利要求1所述的照明单元结构，其特征是该初阶锥形反射面的该初阶夹角的范围为30～40度。
12.根据权利要求1所述的照明单元结构，其特征是该末阶锥形反射面的该末阶夹角的范围为4～7度。
13.根据权利要求1所述的照明单元结构，其特征是该初阶锥形反射面与该末阶锥形反射面分别形成于初阶物质层与末阶物质层中。
14.根据权利要求1所述的照明单元结构，其特征是该点状发光体包括发光二极管。
15.一种照明光源结构，其特征是包括多个如权利要求1所述的照明单元结构，以构成发光阵列；以及线路结构，连接到该发光阵列，以驱动该些照明单元结构使发光。
16.根据权利要求15所述的照明光源结构，其特征是该角锥状面是正四方锥形面或长方锥形面。
17.根据权利要求15所述的照明光源结构，其特征是该初阶锥形反射面与该末阶锥形反射面皆是圆锥状面。
18.根据权利要求15所述的照明光源结构，其特征是还包括至少一个中间阶锥形反射面，有缩口端与开口端，以使耦合于该初阶锥形反射面的该开口端与该末阶锥形反射面的该缩口端之间，其中该中间阶锥形反射面与该发光轴有一个中间阶夹角，介于该初阶夹角与该末阶夹角之间。
19.根据权利要求15所述的照明光源结构，其特征是对于该末阶锥形反射面的该开口端的周缘的任一点与该点状发光体所构成的线，其中该线与该发光轴的最大夹角或最小夹角为预定角度，以决定该末阶锥形反射面的该开口端的大小。
20.根据权利要求15所述的照明光源结构，其特征是上述点状发光体为发光二极管。
21.根据权利要求15所述的照明光源结构，其特征是该初阶锥形反射面与该末阶锥形反射面分别形成于初阶物质层与末阶物质层中，而该线路结构形成于该初阶物质层上。
22.根据权利要求15所述的照明光源结构，其特征是该初阶锥形反射面的该开口端是圆形并且与该末阶锥形反射面的该缩口端圆形耦合，并且该末阶锥形反射面是由圆形的该缩口端与规则四边形的该开口端所形成的混成锥状面。
23.根据权利要求15所述的照明光源结构，其特征是该初阶锥形反射面的该开口端与该末阶锥形反射面的该缩口端是规则四边形耦合，该末阶锥形反射面的该开口端也是规则四边形，并且该初阶锥形反射面是由圆形的该缩口端与规则四边形的该开口端所形成的混成锥状面。
全文摘要
一种照明单元结构，包括点状发光体，具有发光轴。初阶锥形反射面，有缩口端与开口端。该点状发光体位于该缩口端，且该发光轴朝向该开口端以发散射出光。该初阶锥形反射面与该发光轴有一个初阶夹角。末阶锥形反射面，有缩口端与开口端。其中该末阶锥形反射面的该缩口端与该初阶锥形反射面的该开口端耦合。该末阶锥形反射面与该发光轴有一个末阶夹角，该初阶夹角大于该末阶夹角。
文档编号F21W131/00GK1904465SQ20051008714
公开日2007年1月31日 申请日期2005年7月27日 优先权日2005年7月27日
发明者韩伟国, 谭瑞敏, 陈进龙, 廖锡卿 申请人:财团法人工业技术研究院