JP2006352132A - 低減された画角を有する小型ｌｅｄパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】 より小さな寸法の発光ダイオードパッケージにおいて輝度を増すことのできる発光ダイオードシステムを提供する。
【解決手段】 本発明のLEDシステムは、光放射開口を含むハウジングと、ハウジング内に配置されている発光ダイオードと、光放射開口の少なくとも一部にわたって配置されている第１のフィルム層とからなり、第１のフィルム層が、発光ダイオードからの光を方向付けるように構成されている一軸平行化フィルムを含むことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、小型LEDパッケージに関し、より詳細には低減された画角を有する小型LEDパッケージに関する。

現行の発光ダイオード（LED）パッケージは、概して広い又は狭い視野（FOV）を有する。現在、これを達成するために、光源/光源ダイからの光を平行化するのにレンズが使用されている。これは、通常、LEDパッケージに付加的な高さ及び面積を加える。現在の問題は、平坦な側面と長円形の形状が製造のしやすさの点及びピックアンドプレース構成の点で好ましいことにより、光学レンズにより生じる望まれないドーム形状であることを含む。したがって光学レンズを利用することによって、全体のパッケージの厚みに対して、高さ及び寸法が付加される。

図１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、LEDの光を平行化する従来技術の方法を図解する。図１Ａに示すように、LED光源101は、レンズ110を介して光線105を放射する。同様に、図１Ｂは、他のレンズ110を介して光線105が放射され、及び反射カップ状体115で光線105が反射される光源101を図解する。同じく、図１Ｃは、レンズ110を介して、反射カップ状体115により反射され及びレンズ110によって屈折された光線105を放射するLED光源101を図解する。

大きなチップLEDでは、輝度を増すために放射光を平行化するのに大きなレンズが必要とされるために、増大した高さ及び寸法は、例えば９mm×９mmの１ワットLEDである大きなチップLEDにとって重要な問題である。輝度を増すことは、LEDのFOVを低減することにより結果生じるが、パッケージの高さを増すこととなる。同様に、１-２mmのより小さなLEDパッケージでは、パッケージの空間的な制限があり、レンズを有するLEDには、レンズの高さによる、設計上の問題が存在する。反射カップ状体が利用されるならば、それが穿孔カップ状体又であろうと穴を開けられたカップ状体であろうと、付加的な空間が必要とされる。

より小さな寸法のLEDパッケージの輝度を増す方法が必要とされている。

本発明の一実施形態は、光放射開口を含むハウジング及び、そのハウジング内に配置されている発光ダイオードを含む発光ダイオードシステムを提供する。第１のフィルム層が光放射開口を覆い、そのフィルム層は、発光ダイオードからの光を第１の軸に沿って方向付けるように構成されている一軸平行化フィルムを含む。

本発明の他の実施形態は、光を平行化する方法を提供する。その方法は、第１の平行化層に光を受容し、その受容された光の第１の部分を、第２の平行化層を介して第１の軸に沿って方向付けることを含む。

本発明の他の局面は、光を平行化するシステムを提供する。そのシステムは、第１の平行化層で光を受容する手段を含む。

本発明は、光放射開口を含むハウジングと、ハウジング内に配置されている発光ダイオードからなる発光ダイオードシステムに関する。第１のフィルム層は、光放射開口を覆い、第１の軸に沿って発光ダイオードからの光を方向付けるように構成されている。

図２は、本発明の一局面による発光ダイオード照明システム200の一形態を示す。発光ダイオード照明システム200は、ハウジング205、発光ダイオード210、基部215を含む。ハウジング205は、発光ダイオード210により発せられた光がハウジング205内から放射されるように構成されている光放射開口208を含む。ハウジング205は、発光ダイオード210がハウジング205内に配置されるように、発光ダイオード210を取り囲む。

一実施形態において、基部215は、ハウジング205に取り付けられている鏡面仕上げ層を含み、発光ダイオード210はその鏡面仕上げ層上に配置されている。鏡面仕上げ層は、鏡又は同様の反射表面のような任意の反射表面である。一実施形態において、反射仕上げ層は、光放射開口208を覆う第１及び第２のフィルム層230、240に向かって、入射光を方向付けるように構成されている溝付きの表面を含む。

発光ダイオード210は、複数の角度で光220を発する。その後、光220は、第１及び第２のフィルム層230、240により屈折される。θは、スネルの法則による臨界角を示し、第１のフィルム層230のような媒体に進入する光の角度がθよりも大きければ、その光は全反射（「TIR」）し、角度がθよりも小さければ、その光は屈折される。したがってスネルの法則は、媒体Ａの密度が媒体Ｂのものよりも高い場合、媒体Ａから媒体Ｂ中に進む光は、媒体Ａと媒体Ｂの間の平面の垂線に近接して焦点が合うということを示す。

第１及び第２のフィルム層230、240は、少なくともハウジング205の開口の一部及び光放射開口208を覆って配置されている。一実施形態では、第１及び第２のフィルム層が開口全体を覆うが、他の実施形態では、第１及び第２のフィルム層が開口の一部のみを覆う。第１及び第２のフィルム層が開口の一部のみを覆う実施形態では、第１及び第２のフィルム層は同じ部分を覆い、又は少なくとも部分的に開口の異なる部分を覆う。第１及び第２のフィルム層230、240は、それぞれ第１及び第２の軸に沿って、発光ダイオード210から発せられた光を方向付けるように構成されている一軸平行化フィルムを含む。したがって第１のフィルム層230により受容された光は、第１の軸に沿って方向付けられ、一方、第２のフィルム層240によって受容された光は第２の軸に沿って方向付けられる。第２の軸は第１の軸からオフセットされ、ずれている。一実施形態では、第１の軸はx軸であり、第２の軸はy軸である。一実施形態では、一軸平行化フィルムが光放射開口208に取り付けられている。一軸平行化フィルムは、透明接着剤又は光学ゲルのような任意の適切な技術を利用して光放射開口208に取り付けられる。

一実施形態では、一軸平行化フィルムとして、St. Paul, Minnesotaの3Mから入手可能なVikuiti Brightness Enhancement Film (BEF) III-10Tを使用することができる。一実施形態では、一軸平行化フィルムは、溝付き表面を有する透過フィルムからなる。例えば溝付き表面は、ある実施形態でプリズムのような特性を特徴付ける。フィルムが、発光ダイオードによって発生された光のおおよそ40％からおおよそ70％を中心に集めるように構成されていることが好ましいが、他の構成も予想される。フィルムが、環境要因に曝された場合に、変形に耐えるように構成されていることがさらに好ましい。環境要因には、限定することなく、暑さ、寒さ、ほこり、湿気が含まれる。清浄な、くずのない状態にフィルムを維持することは、光の抽出及び発光の輝度の最大化に役立つ。

このやり方での光の平行化は、発光ダイオードのFOVを低下させ、かつ有効FOV内での輝度を最大化するのに役立つ。

図３Ａ及び３Ｂは、本発明の一局面による第１のフィルム層230の一実施形態を示す。図３Ａは第１のフィルム層の平面図を310に示し、一方、図３Ｂは第１のフィルム層の側面図を示す。同様に、図３Ｃ及び３Ｄは、本発明の一局面による第２のフィルム層240の一実施形態を示す。図３Ｃは第２のフィルム層の平面図を320に示し、一方、図３Ｄは第２のフィルム層の側面図を示す。上記のように、フィルム層234及び240の軸は、90度又は他の任意の角度ずれている。

図４は、本発明の他の局面の発光ダイオード照明システム400の他の実施形態を示す。明快に示すために、発光ダイオード210には発せられた光を示していない。第１及び第２のフィルム層230、240、発光ダイオード210、ハウジング205、表面215に加えて、システム400は、発光ダイオード210から発せられた光線を拡散するように構成されている付加的な光ガイド450を含む。光ガイド450は、第２のフィルム層240により発せられた光を受容するように示されているが、他の実施形態では、光ガイド450を、第１及び第２のフィルム層230、240の間に配置することもでき、又は発光ダイオード210と第１のフィルム層230の間に配置することもできる。拡散器の配置は拡散器の効果に影響を与えるということを当業者は認識するであろう。光ガイド450は、ライナーを含む光を拡散するための任意の公知の用具からなる。

図５は、本発明の一局面による発光ダイオード照明システム500の側面を拡大して示す図である。発光ダイオード照明源210は、第１のフィルム層230の方向に光を発する。一実施形態では、発光ダイオード210は、適切な角度で第１のフィルム層230に入らない発せられた光に由来する喪失光555を低減するように寸法決めされている。例えば発光ダイオード210を第１のフィルム層と寸法が釣り合うように寸法決めすることによりそのような寸法決めをもたらすことができる。

さらに図５は、発光ダイオード210によって発せられた光の法線角570を示す。光560は、第１のフィルム層230によって屈折され、第１のフィルム層230から発せられて開口の中心に集められる。入射光575は許容され、反射表面を特徴付ける実施形態では、入射光575は第１のフィルム層の方へ反射されて戻される。しかしながら入射光580は、好ましくなく、ある実施形態では、第１のフィルム層が、照明する発光ダイオードに向かう反射されて戻される光を最小化するように構成されている。

光束583は、第１のフィルム層の一部分に入り、異なる場所で第１のフィルム層に再び入るように屈折されることを示している。発せられた光の大部分が、望ましい角度で屈折され、光が失われるのを最小化するので、このような屈折は、望まれる方向に発せられる光を増大させる傾向がある。例えば、第１のフィルム層に再び入る場合、光束583は、望ましい方向に屈折され（角度に依存する）、又は光束583は、発光ダイオードもしくは他の反射表面を支持する反射表面に向かって屈折されることがある。ほかの場合には、屈折後であっても、光束583は、喪失光束を結果生じることがあるが、少なくともいくらかの光束583は、望まれる方向に向かって平行化される。

図６は、本発明の他の局面の発光ダイオードシステム600の側面図である。システム600は、発光ダイオード210、ハウジング205、第１のフィルム層230を含む。さらにシステム600は反射器695を含む。

反射器695は、入射光の相当の部分を反射するように構成されている任意の表面である。一実施形態では、反射器695は鏡である。他の実施形態では、反射器695は鏡面仕上げ層である。さらに他の実施形態では、反射器695は溝付き表面からなる。一実施形態では、反射器695は傾斜した反射器である。一実施形態では、反射器695はハウジング205の下面601に沿って配置されている平坦な表面である。他の実施形態では、反射器695は、「傾斜反射器」と称される底部と上部を接続する傾斜した表面を備え、底部の小さな開口と上部602の大きな開口で特徴付けられる。さらに他の実施形態では、反射器695は、ハウジング内に穴が開けられた、又は穿孔されたカップ状体である。

図７は、本発明の一局面による光を平行化する方法700の一実施形態を示す。方法700は、ステップ710において、第１の平行化層に光を受容することによって開始される。一実施形態では、受容された光は、発光ダイオードパッケージによって発せられ又は発生される。一実施形態では、第１の平行化層は、第１のフィルム層230として実施される。受容された光は、第１の平行化層によって屈折され、第１及び第２の部分を含む少なくとも２つの部分に分離される。

受容された光の第１の部分は、ステップ720において、第１の軸に沿って第２の平行化層を介して方向付けられる。一実施形態において、第２の平行化層は、第２のフィルム層240として実施される。第２の平行化層は、第１の平行化層によって屈折された光を受容し、光の少なくとも一部を光源から離して方向付ける。

受容された光の第２の部分は、ステップ730において、第１の軸とずれている第２の軸に沿って第２の平行化層を介して方向付けられる。一実施形態では、第１の軸はx軸である。一実施形態では、第２の軸はy軸である。光を発する発光ダイオードからずれた角度の光を平行化することが望ましいとされる実施形態のような他の実施形態では、第１及び第２の軸に対して他の軸が選択される。第１及び第２の平行化層を介して受容された光を方向付けることによって光を平行化し、観察者によって認められるように、発光ダイオードから発せられた光の輝度が増大される。

図８は、本発明の一局面の光を平行化する方法800の他の実施形態を示す。方法800は、ステップ810において、第１の平行化層に光を受容することを含む。一実施形態では、ステップ810は、ステップ710として実施される。受容された光の第１の部分は、ステップ820において、第１の軸に沿って第２の平行化層を介して方向付けられる。一実施形態では、ステップ820は、ステップ720として実施される。光の第２の部分は、ステップ830において、第１の軸とずれている第２の軸に沿って第２の平行化層を介して方向付けられる。一実施形態では、ステップ830は、ステップ730として実施される。

受容された光の第３の部分は、ステップ840において、反射表面に向かって方向付けられる。一実施形態では、受容された光の第３の部分は、ハウジングに向かって反射して戻される。例えば、受容された光の第３の部分は、一実施形態では、鏡面層に向かって反射される。他の実施形態では、受容された光の第３の部分は、溝付き表面に向かって反射される。

一実施形態では、第１の平行化層に光を受容することが光を発生することを含む。他の実施形態では、受容された光の第１の部分を方向付けることに、受容された光が所定の角度を有する場合、受容された光を伝達することが含まれる。他の実施形態では、受容された光の第２の部分を方向付けることに、受容された光が所定の角度を有さない場合、受容された光を反射することが含まれる。

図９は、本発明の一局面の光を平行化する方法900の他の実施形態を示す。方法900は、ステップ900において、第１の平行化層に光を受容することを含む。一実施形態では、ステップ910は、ステップ710として実施される。受容された光の第１の部分は、ステップ920において、第１の軸に沿って第２の平行化層を介して方向付けられる。一実施形態では、ステップ920は、ステップ720として実施される。光の第２の部分は、ステップ930において、第１の軸とずれている第２の軸に沿って第２の平行化層を介して方向付けられる。一実施形態では、ステップ930は、ステップ730として実施される。

光は、ステップ940において、第１及び第２の平行化層に向かって、鏡面層から反射される。一実施形態では、鏡面層は、発光ダイオードを支持する平坦な表面である。他の実施形態では、鏡面層には傾斜が付けられている。さらに他の実施形態では、鏡面層は発光ダイオードを支持するカップ状体である。

図10は、本発明の一局面の光を平行化する方法1000の他の実施形態を示す。方法1000は、ステップ1010において、第１の平行化層に光を受容することを含む。一実施形態では、ステップ1010は、ステップ710として実施される。受容された光の第１の部分は、ステップ1020において、第１の軸に沿って第２の平行化層を介して方向付けられる。一実施形態において、ステップ1020は、ステップ720として実施される。光の第２の部分は、ステップ1030において、第１の軸とずれている第２の軸に沿って第２の平行化層を介して方向付けられる。一実施形態では、ステップ1030は、ステップ730として実施される。

方向付けられた光は、ステップ1040において、ライナー及び光ガイドの少なくとも一方により拡散される。ライナー及び/又は光ガイドを、発光ダイオードと第１の平行化層の間、第１の平行化層と第２の平行化層の間、発光ダイオードパッケージの外側の何れかに配置することができる。方法700、800、900、1000に関して記述したように、第１及び第２の平行化層を介して光を方向付けることによって、第１及び第２の平行化層により受容される光を結果平行化することができる。このような平行化は、第１及び第２の平行化層に向かって光束を方向付ける光源に関して最適に低減されたFOV並びに、低減されたFOVに基づく増大された有効輝度を結果生じる。

本明細書で開示した本発明の実施形態は、現在好ましいものと考えられるものであるが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変化及び変更をなすことが可能である。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲に示され、等価物の意味及び範囲内からの全ての変化は本発明の範囲内に含まれていることが意図されている。

以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。

１． 光放射開口208を含むハウジング205と、
ハウジング205内に配置されている発光ダイオード210と、
光放射開口208の少なくとも一部にわたって配置されている第１のフィルム層230とからなり、第１のフィルム層230が、発光ダイオード210からの光を方向付けるように構成されている一軸平行化フィルムを含む発光ダイオードシステム200。

２． 第１のフィルム層230が、第１の軸に沿って発光ダイオード210からの光を方向付けるように構成され、さらに
第１のフィルム層230上に配置されている第２のフィルム層240を含み、第２のフィルム層240が、第１の軸からずれている第２の軸に沿って発光ダイオード210からの光を方向付けるように構成されている一軸平行化フィルムを含む１項記載のシステム。

３． ハウジング205が傾斜した反射器695を含む１項記載のシステム。

４． 一軸平行化フィルムが溝付き表面からなり、一軸平行化フィルムが、発光ダイオード210によって発生された光のおおよそ40％からおおよそ70％を中央に集めるように構成されている１項記載のシステム。

５． 光を平行化する方法（700）であって、
第１の平行化層に光を受容させ（710）、
第１の軸に沿って第２の平行化層を介して受容された光の第１の部分を方向付け（720）、
第１の軸とずれている第２の軸に沿って第２の平行化層を介して光の第２の部分を方向付けることからなる方法。

６． 光が発光ダイオードパッケージにより発生され、受容された光の第１の部分が、第１の軸に沿って第２の平行化層を介して方向付けられ（820）、光の第２の部分が、第１の軸とずれている第２の軸に沿って第２の平行化層を介して方向付けられる（830）５項記載の方法。

７． ハウジングの反射表面に向けて受容された光の第３の部分を方向付ける（840）ことをさらに含む６項記載の方法。

８． 第１及び第２の平行化層に向けて鏡面層から光を反射する（940）ことをさらに含む６項記載の方法。

９． 第１の平行化層に光を受容することが光を発生することからなり、受容された光の第１の部分を方向付けることが、受容された光が所定の角度を有する場合に、受容された光を伝達することからなり、受容された光の第２の部分を方向付けることが、受容された光が所定の角度を有さない場合に、受容された光を反射することからなる６項記載の方法。

１０． 第１の平行化層に光を受容するための手段と、
第１の軸に沿って第２の平行化層を介して受容された光の第１の部分を方向付ける手段と、
第１の軸とずれている第２の軸に沿って第２の平行化層を介して光の第２の部分を方向付ける手段とからなる光を平行化するシステム。

従来の発光ダイオード照明システム示す。 従来の発光ダイオード照明システム示す。 従来の発光ダイオード照明システム示す。 本発明の発光ダイオード照明システムの一実施形態を示す。 本発明の一実施形態による第１のフィルム層の平面図を示す。 本発明の一実施形態による第１のフィルム層の側面図を示す。 本発明の一実施形態による第２のフィルム層の平面図を示す。 本発明の一実施形態による第２のフィルム層の側面図を示す。 本発明の発光ダイオード照明システムの他の実施形態を示す。 本発明の発光ダイオード照明システムの他の実施形態を示す。 本発明の発光ダイオード照明システムの他の実施形態を示す。 本発明の光を平行化する方法の一実施形態を示す。 本発明の光を平行化する方法の他の実施形態を示す。 本発明の光を平行化する方法の他の実施形態を示す。 本発明の光を平行化する方法の他の実施形態を示す。

符号の説明

２００ 発光ダイオード照明システム
２０５ ハウジング
２０８ 光放射開口
２１０ 発光ダイオード
２１５ 基部
２２０、５６０ 光
２３０ 第１のフィルム層
２３４ フィルム層
２４０ 第２のフィルム層
４５０ 光ガイド
５５５ 喪失光
５８３ 光束
６９５ 反射器

Claims (20)

1. 光放射開口を含むハウジングと、
   前記ハウジング内に配置されている発光ダイオードと、
   前記光放射開口の少なくとも一部にわたって配置されている第１のフィルム層とからなり、該第１のフィルム層が、前記発光ダイオードからの光を方向付けるように構成されている一軸平行化フィルムを含む発光ダイオードシステム。
2. 前記第１のフィルム層が、第１の軸に沿って前記発光ダイオードからの光を方向付けるように構成され、さらに
   前記第１のフィルム層上に配置されている第２のフィルム層を含み、該第２のフィルム層が、前記第１の軸からずれている第２の軸に沿って前記発光ダイオードからの光を方向付けるように構成されている一軸平行化フィルムを含む請求項１記載のシステム。
3. 前記ハウジングが傾斜した反射器を含む請求項１記載のシステム。
4. 前記傾斜した反射器が底部及び上部を含み、前記傾斜した反射器の底部の半径が、前記傾斜した反射器の上部の半径よりも小さい請求項３記載のシステム。
5. 前記傾斜した反射器が鏡からなる請求項３記載のシステム。
6. 前記発光ダイオードが、前記ハウジングに取り付けられている鏡面仕上げ層に配置されている請求項１記載のシステム。
7. 前記鏡面仕上げ層が、前記第１及び第２のフィルム層に向かって入射光を方向付けるように構成されている溝付き表面を含む請求項６記載のシステム。
8. 前記一軸平行化フィルムが溝付き表面からなる請求項１記載のシステム。
9. 前記一軸平行化フィルムが、前記発光ダイオードによって発生された光のおおよそ40％からおおよそ70％を中央に集めるように構成されている請求項１記載のシステム。
10. 前記一軸平行化フィルムが、環境要因に曝された場合に、変形に耐える請求項１記載のシステム。
11. 光線を拡散させるように、ライナー及び光ガイドの少なくとも一方をさらに含む請求項１記載のシステム。
12. 光を平行化する方法であって、
    第１の平行化層に光を受容させ、
    第１の軸に沿って第２の平行化層を介して前記受容された光の第１の部分を方向付け、
    前記第１の軸とずれている第２の軸に沿って前記第２の平行化層を介して光の第２の部分を方向付けることからなる方法。
13. 前記光が発光ダイオードパッケージにより発生され、前記受容された光の第１の部分が、第１の軸に沿って前記第２の平行化層を介して方向付けられ、前記光の第２の部分が、前記第１の軸とずれている第２の軸に沿って前記第２の平行化層を介して方向付けられる請求項１２記載の方法。
14. 前記ハウジングの反射表面に向けて受容された光の第３の部分を方向付けることをさらに含む請求項１２記載の方法。
15. 前記第１及び第２の平行化層に向けて鏡面層から光を反射することをさらに含む請求項１２記載の方法。
16. ライナー及び光ガイドの少なくとも一方により前記方向付けられた光を拡散することをさらに含む請求項１２記載の方法。
17. 第１の平行化層に光を受容することが光を発生することからなり、前記受容された光の第１の部分を方向付けることが、前記受容された光が所定の角度を有する場合に、前記受容された光を伝達することからなり、前記受容された光の第２の部分を方向付けることが、前記受容された光が所定の角度を有さない場合に、前記受容された光を反射することからなる請求項１２記載の方法。
18. 第１の平行化層に光を受容するための手段と、
    第１の軸に沿って第２の平行化層を介して前記受容された光の第１の部分を方向付ける手段と、
    前記第１の軸とずれている第２の軸に沿って前記第２の平行化層を介して光の第２の部分を方向付ける手段とからなる光を平行化するシステム。
19. 光を拡散する手段をさらに含む請求項１８記載のシステム。
20. 第２の平行化層を介して前記受容された光の第１の部分を方向付ける手段が、第１の軸に沿って第２の平行化層を介して前記受容された光の第１の部分を方向付ける手段からなり、前記第２の平行化層を介して光の第２の部分を方向付ける手段が、前記第１の軸とずれている第２の軸に沿って前記第２の平行化層を介して光の第２の部分を方向付ける手段からなる請求項１８記載のシステム。

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