CN101067663A - 一种用于led光源的透镜 - Google Patents
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Abstract
一种用于LED光源的透镜，属发光二极管封装和应用技术领域。透镜包括一个上表面，四个侧面和一个下表面；上表面为光线出射面；底面为LED光源光线入射面；四个侧面由两对对称曲面构成，入射其上的光线全部产生全内反射；每对侧表面的横截面上的曲线满足条件：使投射在该侧表面上的光线都发生全内反射并且该反射使光线出射后在相应侧表面的横截面上的投影相对上表面法向的夹角小于θc；入射到侧表面的光线经侧表面反射后再入射到透镜上表面，与不经全内反射直接出射的光线一起经过折射射出透镜；这样从LED光源发出的光经过透镜后将在远场形成一个矩形、正方形或条状的光照范围，达到发明目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于LED光源的透镜，目的是将LED芯片发出的光限制在一定角度内出射并形成条形、矩形或正方形的光照范围，属发光二极管封装和应用技术领域。
背景技术
近几年迅速发展的大功率LED芯片已可以用于照明，其发光效率已超过白炽灯，同时较之荧光灯具有绿色光源的优势：即不含铅、汞，无紫外光，无频闪等。由于LED具有体积小、高效、节能、环保、使用寿命长、响应速度快、耐震动、易维护等显著优点，势必应用于照明领域。而针对LED的特点设计的照明灯也日新月异。
目前，无论是传统照明灯还是已有的LED为光源的照明灯，如中国发明专利200610049888.3描述的“大功率LED路灯”和中国发明专利200610051180.1描述的“低空照射LED高效节能路灯”等其光照范围大体为圆形，而实际道路照明中大部分场所需要一个条形的照明光斑，比如走廊、跑道、人行道、各种交通道路等。在这些情况下，如果采用产生圆形光照范围的路灯设计，有一部分光会照射到所需照明区域外，造成光能的浪费甚至光污染(比如照射到道路旁的居民住宅内)，同时也使所需照明区内照度明显不均匀，特别是两路灯交界处照度偏低。再如中国发明专利200520062069.3所描述的“LED路灯”采用的方式是使LED安装在凸起的安装面上，而非平面上，从而使LED路灯的照射角度增大。但其光照范围也接近圆形，同样存在上述缺点，并且照射角度增大还使眩光问题和光污染问题的可能性增大。
目前，非圆形光斑的LED光源照明灯，大多使用传统的光学透镜如柱面镜和球面镜等来改变光照范围，比如中国实用新型专利200420071269.0所描述的“LED照明装置”即采用了一个透镜组，镶于容置部的内侧壁上且位于LED的正上方，且该透镜组的垂直曲度大于其水平曲度。相较现有的LED照明装置，该实用新型的LED照明装置可有效集中照明强度且可扁平化光照范围。但采用此种方式，采用了二次光学元件，而且一次光学元件和二次光学元件之间有空气隙，导致光能损失较大(光能利用率＜80％)。且平面屏上的光斑形状为椭圆，如果作为道路照明，不能满足条形光照范围要求，两椭圆光斑拼接时必然使接缝处有照度极小(即极暗)的区域出现。
如果能够采用一个光学元件就实现条形光斑，不仅节省了透镜成本和制作工艺，还能够消除一次光学元件和二次光学元件之间的空气隙。减少光学元件能够减小光学元件之间的耦合损耗，实现高效率地利用光能(大于90％)，而且更少的光学元件意味着设计更加简洁。
综上所述，现阶段LED的封装透镜的结构不能满足半导体照明的需要，有必要设计一种光能利用率高且能将LED光源本身的圆形光斑改变为矩形或条状光斑的透镜。
发明内容
本发明是为了解决LED照明应用中的采用一个透镜改变LED发出的光的分布，从而形成一个矩形、正方形或条状光照范围的问题而完成的，其目的是提供一种高效率、体积小且组装方便，在远场能形成一个矩形、正方形或条状的光照范围的透镜。
本发明的特征在于：
它含有一个或若干个LED光源，和一个利用全内反射—折射相结合的能形成矩形或条形光照范围的透镜；所述透镜含有：
一个上表面为光线出射面，一个底面为LED光源光线入射面(所述透镜的底面的构成部分为平面或进一步包括一个用于放置LED芯片且形状任意的空腔)，和4个侧面(由两对对称曲面构成，入射其上的光线全部产生全内反射)；每对侧表面的横截面上的曲线满足条件：使投射在该侧表面上的光线都发生全内反射并且该反射使光线出射后在相应侧表面的横截面上的投影相对上表面法向的夹角小于θc(0o＜θc＜80o)。入射到侧表面的光线经侧表面反射后再入射到透镜上表面，与不经全内反射直接出射的光线一起经过折射射出透镜。这样，从LED光源发出的光经过透镜后将在远场形成一个矩形、正方形或条状的光照范围。
所述的透镜至少有一对曲面为经过设计的有限定光线作用的对称曲面，另一对曲面为对称的垂直平面，对称的斜平面或对称的曲面。
所述的透镜的上表面为折射出光表面，为平面，斜平面或曲面。
所述的透镜底部可放置一个或多个LED芯片。一个LED芯片放置在透镜底部中心，与透镜一起封装。多个LED沿透镜经设计的一对曲面的侧表面的中轴线成一字排列，与透镜一起封装。或者多个LED沿透镜经设计的两对侧表面的两个相互垂直的中轴线成十字排列，与透镜一起封装。
所述透镜的所用材料的折射率在1.3～3.5之间。
所述透镜的上表面、产生全内反射的侧表面在侧表面剖面上的投影的曲线是下列曲线中的任何一种：直线、圆、双曲线、椭圆、抛物线、曲线方程在2次以上的高次曲线，或者是上述曲线中任何一种两条或两条以上拼接的。
所述的透镜的构成部分进一步包括一个用于放置LED芯片且形状任意的区域，所述区域是用透明材料填充的，所述透明材料的折射率在1.3~3.5之间，它的折射率与所述透镜的材料的折射率之差Δn＜1.0。
所述的透镜的构成部分进一步包括一个用于放置一个采用半球形透镜封装的LED的区域，所述透镜内部空腔的形状与上述半球形透镜的形状相吻合，两者之间是用透明材料填充的，所述透明材料的折射率在1.3~3.5之间，它的折射率与所述透镜的材料的折射率之差Δn＜1.0。
所述的透镜的构成部分进一步包括一个用于放置一个采用半球形透镜封装的LED的区域，所述透镜内部空腔的形状与上述半球形透镜的形状相吻合，但两者之间存在一个空腔。
所述的透镜与一个或若干LED芯片为一组，多组水平拼接组合使用。
附图说明
图1是本发明的基本结构三维透视图；
图2是本发明实施例1的对称侧面的横截面的光路图；
图3是本发明实施例1和多个LED配合使用的基本结构三维透视图；
图4是本发明实施例1的远场照度分布模拟图；
图5是本发明实施例1中的透镜和常规封装的LED紧密配合使用的基本结构示意图。
图6是本发明实施例1中的透镜和常规封装的LED非紧密配合使用的基本结构示意图。
图7是本发明实施例1中的透镜和封装底座绑定方式示意图。
图8是本发明实施例2的基本结构三维透视图。
图9是本发明实施例3的顶视透视图。
图10是本发明实施例3拼接组合使用的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例对本发明做进一步说明。
光线在透镜介质-空气界面发生全内反射的临界条件是：
θic＝arcsinl/n，
其中n为透镜介质的折射率。
当光线的入射角θi满足
θi≥θic
时，光线在透镜介质-空气界面发生全内反射，以下称这个条件为全内反射条件。光线发生全内反射时，遵从反射定律，即反射角等于入射角。
本发明所公开的形成条形光斑的LED透镜1的基本结构如图1所示。图1描述的透镜1含有两对11和12，13和14经设计的有限定光线作用的曲面作为其侧表面，图1中的透镜1的顶视图为相对两正交轴对称的一个曲边四边形。透镜1应该至少有一对曲面11和12为经过设计的有限定光线作用的对称曲面，另一对曲面13和14为平面，斜平面，曲面或经过设计的有限定光线作用的对称曲面。由透镜1与置于其底部的LED光源芯片2封装成LED模块，透镜1的底面16的构成部分为平面或进一步包括一个用于放置LED芯片且形状任意的空腔。所述区域是用透明材料填充的，所述透明材料的折射率在1.3~3.5之间，它的折射率与所述透镜的材料的折射率之差Δn＜1.0。
LED光源2是各种尺寸的LED芯片(350μm×350μm或1mm×1mm等)，LED芯片上涂覆有荧光粉。LED芯片2放置在透镜1的底部，沿透镜侧曲面11和12的对称轴3放置。若只有一个LED光源2则放置于透镜底部的中心点上，即对称轴3与对称轴4的交点上。LED光源2的光线从透镜1的底面16入射，一部分光线在透镜1的侧表面11、12、13或14上发生全内反射(total internal reflection，TIR)后通过透镜1的上表面15折射同时出射，另一部分光线只经过透镜1的上表面15折射同时出射。
透镜1的作用是改变并限制LED芯片2发射光线的角度。即如果LED光源2发射的光线出射透镜上表面15后，在相应侧表面的横截面上的投影相对上表面法向的夹角大于一定角度(如：θc(0o＜θc＜80o))，那么设计透镜1使该光线在侧表面11、12或13、14上产生全内反射，改变LED发射的光线方向。该反射将使光线出射透镜上表面15后在相应侧表面的横截面上的投影相对上表面法向的夹角小于一定角度(θc)。这样，从LED芯片发出的光经过透镜后将在远场形成一个矩形或条状的光照范围。
其中θc可以选择0o至80o之间任意角度，其值取决于所需屏上照度光斑的宽度L与光源距屏的距离H之比，存在下述关系：tan(θc)＝L/(2×H)。
透镜1可以采用一系列的方法来制作，包括模具注塑、灌注脱膜、金刚石刀具加工等方法。透镜1的制作材料是透明的，透射率要求大于70％。透镜1的制作材料是但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、PEI、COC等。透镜1的制作材料要求透明，可以是某种有颜色的材料。透镜1的材料折射率在1.3-3.5之间。
具体光路分析见图2，以透镜1的侧面11和12为例。图2是对称曲面11和12的横截面的光路示意图；为清楚起见，所有光线都用实线箭头表示，所有标识的箭头均为虚线。因为侧面11和12为对称的曲面，所以在此只讨论曲面11，曲面12情况与11相同。规定θc为侧面11限制光线的角度。由LED芯片2出射的光线28从透镜1的底面16入射，在透镜1的上表面15发生折射，出射为光线29，该光线29与上表面15法向32的夹角θ0小于或等于θc。设计所有入射角大于光线28的光线都需经过侧面11的全内反射作用改变光线的方向并限制在θc内，这些光线中以光线21，23和26为例。例如光线21在曲面11上产生全内反射方向改变为光线22，22为准直光线，即入射角为0o，垂直于上表面15出射。又如光线23在曲面11上产生全内反射方向改变为光线24，24斜入射到上表面15，发生折射改变为光线25出射，25与上表面15法向31的夹角为θ，曲面11的曲线经设计使θ小于或等于θc。同理，只比光线28的入射角略大的光线26在曲面11上产生全内反射方向并入射到上表面15，发生折射改变为光线27出射，27与上表面15法向32的夹角为θ1，曲面11的曲线经设计使θ1小于或等于θc。
综上，规定某一角度，比如θc，为侧面11限制光线的角度。选择某一光线A，该光线必须满足出射上表面的出射角小于或等于θc，所有入射角大于上述光线A的光线都将在侧面11上产生全内反射，而11的曲线满足使所有在其上反射后的光线出射上表面的出射角大于等于0o，小于等于θc。
图3是透镜1和多个LED2配合使用的基本结构三维透视图。本发明公开的透镜底部可放置一个或多个LED芯片。一个LED芯片放置在透镜底部中心，多个LED沿透镜经设计的起限制光线角度作用的一对曲面的侧表面的中轴线成一字排列，与透镜一起封装。如图3共放置了7个LED光源2，并且沿侧曲面11和12的对称轴3成一字排列。图3中LED光源的尺寸取1mm×1mm。
图4LED光源2封装本发明透镜1后在远场(接收屏距离光源大于1米)的平面接收屏上的照度分布模拟图；由图4可见，LED发出的光经本发明公开的透镜1转换后可以在平面的屏上形成一个照度比较均匀的矩形光斑。
图5是本发明公开的透镜1和常规封装结构30紧密配合使用的基本结构示意图。传统封装结构30含有一个半球形或类似半球形的透镜与LED芯片2封装在一起，同时透镜1的空腔51的形状与传统封装结构30的透镜外形完全吻合。再采用折射率合适的树脂材料将透镜1的空腔和传统封装结构30的透镜粘接，粘接用的树脂材料的折射率与透镜1的材料折射率和传统封装结构30的透镜材料折射率同时匹配。如果透镜1的材料折射率和传统封装结构30的透镜材料折射率不一致，可以采用折射率在两者之间的树脂材料来粘接。粘接用的树脂材料折射率在1.3-3.5之间。通过透镜1和常规封装结构30紧密粘接配合使用，能够使LED芯片发出的光在平面的屏上形成一个照度比较均匀的矩形光斑。
图6是本发明公开的透镜1和常规封装结构30非接触配合使用的基本结构示意图。传统封装结构30含有一个半球形或类似半球形的透镜与LED芯片2封装在一起，同时透镜1的空腔51的形状与传统封装结构30的透镜外形相似，但空腔51的体积大于传统封装结构30。因此透镜1和常规封装结构30之间存在一个空气隙50。通过透镜1和常规封装结构30存在空气隙的非接触配合使用，能够使LED芯片发出的光在平面的屏上形成一个照度比较均匀的矩形光斑。
图7是本发明公开的透镜1和封装底座附的绑定方式。透镜1底部有2根伸出的桩60，封装底座的基板上分布了与透镜1底部的2根桩60对应的2个小孔。透镜1的2根伸出的桩60深入到封装底座的基板上的2个小孔中，再用粘胶粘牢。透镜1也可以被超声焊接在LED的封装底座上。透镜1也可以被加热固定在LED的封装底座上。透镜1或者被咬合在LED的封装底座上。
图8是本发明公开的透镜1的另一种结构的三维透视图。图8描述的透镜1含有两对11和12，13和14经设计的有限定光线作用的曲面作为其侧表面，图8中的透镜1的顶视图为一对边为对称曲边另一对边为直线的一个四边形。
图9是本发明公开的透镜1的第三种结构的顶视透视图。其形状为一个矩形。
图10是本发明公开的透镜1图9中的第三种结构拼接组合使用的结构示意图。每个透镜与一个或若干LED芯片封装为一组，多组水平拼接组合使用。为使远场平面屏上的光斑为一个矩形，拼接时应使透镜1的所有对称轴3和4方向一致或平行。
Claims (10)
1、一种用于LED光源的透镜，其特征在于，所述的透镜包括一个上表面，四个侧面和一个下表面；
上表面为光线出射面；
底面为LED光源光线入射面，其构成为平面；
四个侧面由两对对称曲面构成，入射其上的光线全部产生全内反射；每对侧表面的横截面上的曲线满足条件：使投射在该侧表面上的光线都发生全内反射并且该反射使光线出射后在相应侧表面的横截面上的投影相对上表面法向的夹角小于θc，0°＜θc＜80°；
入射到侧表面的光线经侧表面反射后再入射到透镜上表面，与不经全内反射直接出射的光线一起经过折射射出透镜；
这样，从LED光源发出的光经过透镜后将在远场形成一个矩形、正方形或条状的光照范围。
2、根据权利要求1所述的一种用于LED光源的透镜，其特征在于：所述的透镜至少有一对曲面为有限定光线作用的对称曲面，另一对曲面为对称的垂直平面，对称的斜平面或对称的曲面。
3、根据权利要求1所述的一种用于LED光源的透镜，其特征在于：所述的透镜的上表面即折射出光表面为平面，斜平面或曲面。
4、根据权利要求1所述的一种用于LED光源的透镜，其特征在于：所述的透镜底部可放置一个或多个LED芯片；LED芯片上涂覆有荧光粉或不涂覆荧光粉；
一个LED芯片放置在透镜底部中心，与透镜一起封装和多个LED沿透镜经设计的一对曲面的侧表面的中轴线成一字排列，与透镜一起封装或者多个LED沿透镜经设计的两对侧表面的两个相互垂直的中轴线成十字排列，与透镜一起封装。
5、根据权利要求1、或2、或3所述的一种用于LED光源的透镜，其特征在于：所述透镜所用材料的折射率在1.3~3.5之间。
6、根据权利要求1所述的一种用于LED光源的透镜，其特征在于：所述透镜的上表面、下表面和产生全内反射的侧表面在侧表面剖面上的投影的曲线是下列曲线中的任何一种：直线、圆、双曲线、椭圆、抛物线、曲线方程在2次以上的高次曲线，或者是上述曲线中任何一种两条或两条以上拼接的。
7、根据权利要求1所述的一种用于LED光源的透镜，其特征在于：所述的透镜的构成部分进一步包括在LED光源光线入射面有一个用于放置LED芯片且形状任意的区域，所述区域是用透明材料填充的，所述透明材料的折射率在1.3~3.5之间，它的折射率与所述透镜的材料的折射率之差Δn＜1.0。
8、根据权利要求1所述的一种用于LED光源的透镜，其特征在于：所述的透镜的构成部分进一步包括在LED光源光线入射面有一个用于放置一个采用半球形或类似半球形透镜封装的LED的区域，所述透镜内部空腔的形状与上述半球形或类半球形透镜的形状相吻合，两者之间是用透明材料填充的，所述透明材料的折射率在1.3～3.5之间，它的折射率与所述透镜的材料的折射率之差Δn＜1.0。
9、根据权利要求1所述的一种用于LED光源的透镜，其特征在于：所述的透镜的构成部分进一步包括在LED光源光线入射面有一个用于放置一个采用半球形或类半球形透镜封装的LED的区域，所述透镜内部空腔的形状与上述半球形或类半球形透镜的形状相吻合，但两者之间存在一个空腔。
10、根据权利要求1所述的一种用于LED光源的透镜，其特征在于，以所述的透镜与一个或若干LED芯片为一组，多组水平拼接使用。
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Open date: 20071107 |