CN101203965A - 发光设备和用于发光设备设计的方法 - Google Patents

Abstract

通过精心选择外透镜表面的每个表面部分相对于光源的芯片尺寸的倾角来实现小型明亮发光设备，这种发光设备包括外边界透镜表面和至少一个LED。这些表面部分的倾角选择为使透镜在尺寸与光效之间提供最佳权重。

Description

发光设备和用于发光设备设计的方法

技术领域

本发明涉及用于发光二极管的光学系统，尤其涉及包括发光元件和透镜的发光设备，发光元件包括发光二极管(LED)，透镜与该元件光学接触并布置成接收源自该元件的光。本发明还涉及用于设计这种透镜的方法。

背景技术

发光二极管(LED)是一种相对较旧的技术(二十世纪七十年代)，这种技术从在数字显示和指示灯中的应用前进到一系列新的用途，包括在LCD背板照明、信息信号、加强灯、交通灯、户外照明和光纤数据传输中的应用。

LED所带来的好处有如尺寸小、灯寿命长、热输出低、能效高并有耐久性。LED也允许在色彩变化、调光和通过将不同的LED结合到理想的形状、色彩、尺寸和流明组而进行分布时具有设计的灵活性。

在施加足够的电压穿过活性层时，LED通常发射预定波长的光。LED通常包括在发光元件中，发光元件还可包括其它的器件，如色彩变换层。在大多数用途中，发光元件既明亮又有光效是重要的，而且通常希望在预定的立体角内以预定的方向发射光。在尝试满足这些要求时，将适当的主光学装置或透镜设在发光表面的顶部上是有利的。此外，透镜会保护发光二极管表面并使LED更稳健。

在一种情形中，对用于LED的主光学装置并不是非常精心地设计，而如透镜的固有特性如透镜的表面张力确定透镜的形状。通常将流体透镜材料涂覆到发光表面的顶部上，并将其留下以进行固化。

在另一种情形中，提供透镜的一种更精心的设计；可从GB 1586188获知一种示例。该英国专利的说明书描述了怎样通过计算沿着轴的透镜的不同部分的单独的弯曲半径来设计透镜，该轴垂直于透镜的发光表面并集中于该发光表面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发光二极管设备和优化的透镜设计，这种设计提供有光效的光学系统和主光学装置的降低的热力学应力。

本发明基于以下的见解，即通过主光学装置的新式设计的使用可实现具有高光提取的小型明亮发光二极管设备。这种主光学装置布置成从发光表面发射的光，且这种设计涉及发光表面的大小和主光学装置的材料与这种主光学装置外部的介质之间的折射率的差异。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种发光设备，这种发光设备包括发光元件和透镜，发光元件具有有效的发光表面，这种发光表面带有有效的直径D_E，这种透镜与该表面光学接触并布置成接收源自该发光元件的光，其中，将透镜的外边界表面弯曲，以使在外边界表面上的任何位置中，来自该有效发光表面的至少一个边缘光线以大于或等于θ_c-χ2π(1-cosθ_c)的角度入射，其中，θ_c等于给定介质中该透镜的总体内部反射的临界角，且χ≤9°/sr。

在本说明书的上下文中，表达方式“光学接触”是指所涉及的材料的直接接触且中间无气隙。透镜可以是LED的主光学装置，但也可以是布置在LED与主光学装置之间的其它光学体。

注意，确定光的方向的发光元件的最大或最外表面与透镜的设计有关。这种“有效发光表面”可以是LED本身的表面，或者是另外的层的表面，如布置在LED的顶部上的散射体或波长变换器，若这种层改变光的方向的话。光以所有的方向从LED芯片表面发射，因此可将该表面视为发光表面。不过，在加上散射层时，这种散射体以任意方向改变光的方向，因此应将这种散射体视为发光表面，因为，尤其对于强散射体来讲，在入射在散射体上的光线方向与散射的光线之间不再有相关性。这就意味着已增加了有效的发光表面，因此，透镜的尺寸也应增加，以获得相同的提取效率。

就本发明而言，术语“发光表面的有效直径”等于发光元件或模的直径，若发光表面具有圆形形状的话。当发光表面具有另一种形状如方形时，发光表面的有效直径等于圆的直径，这种圆具有与该模的表面积相同的表面积。在模的集合的情况下，模的总表面积和模之间必要的空间视为表面积。

术语“边缘光线”是指从圆形区域的边界发出的直的、非折射的非散射光线，这种圆形区域具有与光源区域相同的表面积和相同的重力点。此外，将角度计算为与垂直于切线的方向的偏差。换言之，沿着垂直于该外边界表面的方向入射的光线具有0度的入射角。因此，可将沿着几乎平行于该外边界表面的方向入射的光线成为具有几乎90度的入射角。

有利的是，通过设计前面明确说明的透镜，不仅提供具有高光提取的发光设备，而且也提供具有小的尺寸的发光设备。小的尺寸是目前的小型化用途中的优点。由于外边界透镜表面的设计限制该边缘光线的入射角，所有就可实现高的光效。若这种入射角过大，这些光线就会受到大量的菲涅耳(Fresnel)反射或甚至是整个内部反射的影响。这样就会降低光效。为了确定源自发光表面的任何非折射和非反射光线是否会由外边界透镜表面反射，考虑边缘光线通常就已足够。

有利的是，外边界表面被进一步地弯曲，以使在外边界表面上的任何位置中，来自该有效发光表面的任何边缘光线以等于或小于θ_c+δ的入射角入射，其中，δ≤12°。

通过这些条件实现透镜尺寸与光效之间的有利折衷。

有利的是，该发光表面具有等于D_E的有效直径。而且，该外边界表面的高度H_L在以下区间之内：

[D_E/(2×tan(θ_c+δ))，D_E/(2×tan(θ_c-χ2π(1-cosθ_c))]，(1)

式中，δ≤12°且χ≤9°/sr，而且，在包括该发光元件的平面中的该透镜的半径R_L在以下范围内：

[D_E/2，1.2×D_E]。                    (2)

优选在包括该透镜的光轴的平面中的透镜的截面包含在以下椭圆中：

${\left(\frac{x}{0.9\·R_L}\right)}^2+{\left(\frac{y-y_0}{0.9\·H_L-y_0}\right)}^2=1---\left(3\right)$

和

${\left(\frac{x}{1.1\·R_L}\right)}^2+{\left(\frac{y-y_0}{1.1\·H_L-y_0}\right)}^2=1---\left(4\right)$

式中：

x是平行于发光元件的表面的坐标，

y是垂直于发光元件的表面的坐标，

y₀是[-0.1，0.25]区间内的常数，以及y大于或等于y₀。

就本发明而言，表达方式“截面小于给定的椭圆”是指截面的基圆半径(base radius)和高度分别短于椭圆的基圆半径和高度。此外，当同轴布置该表面的截面以及该椭圆时，该截面含在该椭圆内。

透镜所具有的折射率应使透镜与包围该透镜的外部介质之间的折射率的差异介于0.2与0.85之间，优选介于0.2与0.6之间，更优选介于0.2与0.4之间。例如，在此情形中，当外部介质是空气时，透镜的折射率可介于1.45与1.85之间，该透镜的高度(H_L)可介于0.45×D_E与1.2×D_E之间，该透镜的半径(R_L)可介于0.55×D_E与1.2×D_E之间，且纵横比H_L/R_L可在[0.6；1.2]的范围内。

发光设备还可包括与透镜光学接触的另一个基本上透明的电介质体。应注意到，这种电介质体可包含根据前面的描述的一个或几个发光设备。优选该另一个电介质体的折射率介于1.3与1.6之间，且该透镜与该另一个电介质体的折射率之间的差异介于0.2与0.4之间，该透镜的高度(H_L)介于0.2×D_E与0.85×D_E之间，且该透镜的半径(R_L)介于0.5×D_E与0.85×D_E之间。

有利的是，该发光元件包括色彩变换元件，以便于不同色彩的有效的产生。这种色彩变换元件可以是磷光体层，并优选涂覆在LED的表面上或透镜的内表面上。在涂覆在透镜的内表面上的情形中，使色彩变换元件通过另一种透明的或半透明的介质与LED的表面光学接触。

有利的是，该发光元件还包括至少两个部分，这两个部分在不同的波长范围内发光。这就通过将产生的两种色彩混合便于所希望的预定色彩的产生。或者，发光元件的所有部分均发光，这种光具有相同的色彩，当将不同的部分布置成与不同的色彩变换体光学接触，以使不同的色彩来源于有效的发光表面的不同部分。例如，从LED发射蓝色光，有效的发光表面的两个部分中的每一个设有不同的荧光材料，以产生如红色和绿色，且留下一个部分不涂覆。这样，透镜就能够发射红色、蓝色和绿色以及这些色彩的混合色。

有利的是，该发光二极管设备还包括扩散层，该扩散层布置在该外边界表面之外。这就便于从发光元件发射的光的混合。优选将该扩散层布置成使其与该外透镜表面光学隔离，以不引起任何光线的总体内部反射。若该发光表面包括发射不同色彩的两个部分，则这种扩散层还便于这些色彩的混合。

有利的是，该外透镜设有光扩散表面纹理，这种光扩散表面纹理提供限定到χ2π(1-cosθ_c)°的角度的入射光的扩散。

有利的是，该发光二极管设备与适当设计的反射体结合使用，这种反射体便于从该发光二极管表面以理想的立体角(solid angle)和方向发射的光的聚集。由于透镜的主光学装置小于常规的透镜，所以这就便于小型反射体的设计和使用。

有利的是，邻近于该外边界表面并包围该透镜的介质是空气，且透镜的材料折射率介于1.4与1.9之间。或者，周围的介质是折射率介于1与该透镜的折射率之间的另一种光学体。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种设计外透镜表面的截面形状的方法，这种方法包括：提供第一点，该第一点由沿着垂直于该发光表面的方向等于D_e/(2×tanθ_s)的距离与该发光元件的表面隔离；提供第一线，该第一线平行于该发光表面并与该第一点相交；提供第二线，该第二线与该第一线以第一角度(α)在该第一点相交；在该第二线上确定第二点，以使来自该发光表面的至少一条边缘光线以等于θ_s的角度在该第二点与该第二线相交，并使来自该发光表面的其它边缘光线不以大于θ_s的角度在该第二点相交；提供第三线，该第三线以第二角度(β)在该第二点与该第二线相交；在该第三线上确定第三点，以使来自该发光表面的至少一条边缘光线以等于θ_s的角度在该第三点与该第三线相交，并使来自该发光表面的其它边缘光线不以大于θ_s的角度在该第三点相交；提供平滑曲线，这种平滑曲线与该第一、第二和第三点相交并表示该外边界透镜表面的截面，其中θ_s介于θ_c-χ2π(1-cosθ_c)与θ_c+δ之间，其中，χ≤9°/sr且δ≤12。本发明的宗旨是提供一种创造性透镜设计，在这种透镜设计中，对透镜的每个表面部分的倾角进行精心选择，以使透镜提供用于预定芯片尺寸或有效直径的光源的尺寸与光效之间的权重。

附图说明

现参考附图更详细地描述本发明的这些和其它方面，这些附图示出了本发明的目前所优选的实施例。

图1示意性地示出了根据本发明的发光二极管的截面图。

图2示意性地示出了术语发光表面的有效直径的定义。

图3示意性地示出了用于透镜直径的不同值的发光二极管设备的光效，用方形发光表面的有效直径归一该透镜直径。

图4示意性地示出了设计根据本发明的发光二极管的方法。

图5a和5b示意性地示出了若LED的主光学装置较小，则较小的反射体可用于获得某种光束宽度。

具体实施方式

图1示意性地示出了设计根据本发明的实施例的光学发光设备的方法。图1尤其示出了透镜的外边界表面的设计，这种透镜布置成接收来自发光表面的光。为了简单起见，视图限制到该外边界表面的截面的设计。

提供一种起始线41，该起始线41表示发光元件的有效发光表面的有效直径D_E，外边界透镜表面设计用于该有效直径D_E。换言之，产生外边界表面的一种曲线，可将这种曲线调节至发光元件的有效直径。

选择角度θ_s，这种角度θ_s确定用于来自该发光表面的任何直的非折射非散射光线的在该外边界表面上的最大入射角。将这种角度精心选择为透镜的不同参数之间的权重，如光效与尺寸。θ_s的较大值一般提供较小的透镜，但是也提供光效降低的透镜。优选角度θ_s介于θ_c-χ2π(1-cosθ_c)与θ_c+δ之间，其中，θ_c等于给定介质中该透镜的总体内部反射的临界角，且χ≤9°/sr，δ≤12°。

将平行于该起始线41的第一线42以距该起始线41的D_E/(2×tanθ_s)的距离布置。因此，透镜的高度H_L等于D_E/(2×tanθ_s)。提供第二线43，第二线43以第一角度α如0.01°与该第一线42在第一点A相交。优选该第一角度介于0.005°与0.1°之间。之后确定第二点B，在该第二点B，边缘光线14或13中的一条具有等于θ_s的入射角，且另一条边缘光线具有小于或等于θ_s的入射角。此外，提供第三线44，该第三线44以角度β与该第二线在该第二点B相交。优选β在0.005°与0.1°之间，且更优选等于该第一角度。对角度α和β进行选择，以实现足够的计算精度。

之后确定第三点(未示出)，边缘光线在该第三点以等于θ_s的入射角与该第三线相交，且另一条边缘光线具有小于或等于θ_s的入射角。将该步骤重复直到已确定足够多的点，以能够提供表示该截面透镜表面并与所确定的点A、B相交且有足够的精度的平滑曲线45。

优选当提供的线几乎垂直于起始线(如从垂直于起始线的线倾斜约3至5°)时，并不建立布置在比已经确定的点更接近于起始点41的位置的其它点。相反，对于最接近于发光表面的透镜46的这种底部部分或透镜的部分46而言，将曲线45的坡度制成约3°(介于0至5°)，以便于透镜的制造，因为，例如，这使得透镜易于模制。换言之，有利的是，曲线45既包括底部部分46，也包括上部分47，底部部分46具有相对于垂直于该起始线的方向的约3°倾斜。正如前面所描述的那样，来自发光表面的边缘光线在倾斜45的该顶部部分47具有有限的入射角。设计透镜的外边界表面的截面45的方法中的设计对应于预定的角度θ_s和发光表面的截面有效直径D_E，就本发明而言，有时将这种设计透镜的外边界表面的截面45的方法称为比角透镜设计。

此外，若有效发光表面对称，即穿过该发光区域的所有截面具有相同的直径，那么可通过绕着轴旋转该曲线45将对称的外透镜表面作为旋转表面提供，该轴垂直于该发光表面并集中于该发光表面。

若该发光表面不对称，那么可将该外边界透镜表面确定到该不对称发光表面的截面的预定数量。之后确定优选的平滑表面，这种平滑表面与所确定的该外边界透镜表面的截面相交。该外边界表面还可接近该确定导电截面。或者，将发光表面的有效直径用于确定旋转对称透镜的外边界表面，该旋转对称透镜的外边界表面用于不对称发光表面。

图2a至图2c示意性地示出了怎样确定有效发光表面的有效直径。该有效直径基本上等于圆的直径，这种圆包围与一个或几个LED模的外部轮廓相同的表面。当发光表面包括几个发光部分时，该有效直径等于圆的直径，这些发光部分如图2c所示的那样相互分隔，这种圆具有与这些发光部分加上这些部分之间的空间的面积相同的表面积。

在根据前面描述的方法产生具有高度H_L和基圆半径R_L的对称透镜表面之后，优选对这种表面略微进行修正，以相对于如光的集合实现理想的光学性能。为了确保透镜表面仍提供相对于如光效的光学特性，甚至是修正之后的光学特性，对两个椭圆形表面进行计算。第一椭圆形表面由等式(3)描述，且第二椭圆形表面由等式(4)描述。因此，对称透镜表面大于该第一椭圆形表面且小于该第二椭圆形表面。若该透镜表面甚至在修正之后仍大于该第一椭圆形表面并小于该第二椭圆形表面，那么通常就会确保透镜的性能。对于y₀＞0的实施例而言，优选向透镜的外边界表面提供几乎垂直的切线，或与y轴呈约2至5°倾斜的切线。

或者，根据前面描述的方法产生用于θ_s＝θ_c的透镜表面。然后将透镜表面密封，而保持其相对于如透镜高度H_L和基圆半径R_L的比例恒定，以实现透镜的理想尺寸或理想的耦合输出效率。

图3示意性地示出了所选择的角度θ_s、透镜尺寸和透镜的耦合输出效率之间的关系。已通过光线跟踪模拟的使用对耦合输出(光提取)效率进行了计算(图中给出了归一耦合输出效率)。在这种模拟期间，使用根据前面所描述的比角设计所设计的透镜表面。图中示出了三条不同的曲线，这三条不同的曲线表示透镜材料与外部或周围介质之间的不同的折射率差异Δn，这些差异导致不同的θ_c的值。已将发光表面以及包围该LED芯片的表面的反射率假设为75％。因此，在透镜的边界表面朝向带有LED芯片的平面反射回的光线又被LED芯片或其附近的环境部分地反射，并最终被传输到透镜之外。沿着y轴的值表示相对于从发光表面发射的光的量的穿过该透镜表面传输的光的量。发光表面是方模，且沿着x轴的值表示透镜的直径D_L＝2×R_L与发光表面的有效直径之间的比率。这三条曲线表示Δn＝0.2、Δn＝0.5、Δn＝0.8，且已对用于角度θ_s的耦合输出效率进行了计算，这些角度θ_s在曲线31中等于θ_c+10°、θ_c+8°、θ_c+6°、θ_c+4°、θ_c、θ_c-4°、θ_c-8°、θ_c-12°、θ_c-16°和θ_c-20°，在曲线32中等于θ_c+12°、θ_c+8°、θ_c+4°、θ_c、θ_c-4°、θ_c-8°、θ_c-12°和θ_c-15°，在曲线33中等于θ_c+6°、θ_c+4°、θ_c+2°、θ_c、θ_c-4°、θ_c-8°和θ_c-12°。

从图3可明显地看出，对于根据比角透镜设计的发光表面和透镜结构的给定有效直径而言，θ_s的值越小，耦合输出效率越高，反之亦然。而且，透镜的直径越大，透镜的耦合输出效率越高。

对于由空气包围的折射率为1.5的玻璃来讲，临界角θ_c约为42°。具有约为1.8的折射率并由空气包围的用陶瓷如蓝宝石制成的透镜的临界角约等于34°。若光线入射在透镜与空气的接触面上，则透镜的折射率为1.5，且入射角从θ_c(总体内部反射(TIR)出现即100％的光被反射时的入射角)减小至一种角度，这种角度是θ_c-3.6°，菲涅耳反射减小至约15％。此外，在精确相同的情形中，若入射角从θ_c减小至θ_c-4.1°，则除了透镜折射率为1.8之外，菲涅耳反射从100％减小至15％。这就意味着优选从发光表面发射的光的在透镜的外边界表面上的平均入射角小于临界角。基于比角θ_s的透镜设计标准与此方面有关。通过在θ_c-χ×2π(1-cosθ_c)与θ_c+δ之间选择θ_s，可设计出有效的系统，其中，χ和δ是精心选择的常数。θ_c-χ×2π(1-cosθ_c)是一种通式，其中，χ的预定值给出透镜材料和周围介质的大多数组合的大约相同的耦合输出效率。

换言之，对θ_s进行精心选择。θ_s制得越大，由于菲涅耳反射而导致的光损失就越多，即导致增加的光损失。可选择低于临界角的值以进一步地减少由于菲涅耳反射(即在无总体内部反射时)而导致的光损失。可达约20％的光损失可以接受，20％的光对应于θ_s＝θ_c+δ＝θ_c+12°。优选θ_s小于θ_c+3°，这等于约10％的光损失。现已发现，δ的值基本上与所选择的组合透镜材料和周围介质无关，至少对于小于15°的δ的值而言是如此。

图4示意性地示出了根据本发明的一个实施例的发光二极管设备10的截面图。这种设备包括发光元件1，发光元件1具有有效的发光表面。该发光表面的有效直径为D_E。透镜布置在发光元件之前并与发光元件的发光表面光学接触。在此实施例中，透镜用折射率为1.5的玻璃制成。包围发光表面1的透镜的外边界表面2示出了本创造性设计。透镜2布置成用于从该发光元件1接收光。通过考虑入射角θ₁、θ₂、θ₃、θ₄来设计该透镜的外表面，从该发光表面发射的未折射光根据前面涉及图1的描述以这些入射角与透镜2的外表面的切线相交。正如可从图4容易地看出的那样，考虑发光表面的一对边缘光线11、12；13、14的入射角就已足够，以获知用于来自该发光表面的所有未折射光线的在透镜表面的截面上的某个点A；B的最大入射角。

在透镜2的外边界表面上的任意点B有至少一个边缘光线14，该边缘光线14的入射角在该第一区间之内，且无来自有效表面区域的边缘光线的入射角大于θ_s。

根据本发明，若透镜由空气包围并具有等于1.5的折射率，则对于带有θ_s＝θ_c的比角设计来讲，透镜的高度H_L应为0.56×D_E/2。此外，对于在临界角的设计来讲，透镜的基圆半径R_L应为0.65×D_E/2。而且，根据本设计成形的透镜对应于约93％的光提取效率或耦合输出效率。此外，对于带有θ_s＝θ_c的比角设计来讲，在透镜由空气包围并具有等于1.78的折射率的情况下，透镜的高度H_L应为0.74×D_E/2，且透镜的基圆半径R_L应为0.77×D_E/2。根据这种设计的透镜与91％的光提取效率相对应。

此外，为了便于色彩变换，发光二极管表面可设有保持变换体，如包括荧光磷光体的层。作为示例，可将磷光体粒子嵌入有机或无机透明或半透明电介质材料中。或者，可以用完全陶瓷体的形式涂覆磷光体。

为了从LED模有效地将光耦合输出，要求与光学体(如透镜或准直仪，如在这些模上模制的环氧树脂，或者可能通过这些模与光学体之间的光学封装材料模制的环氧树脂)的光学接触。可通过安装发射至少两种接近的不同的波长的多个模来构成变色光源，从而产生小型源，许多色彩混合已在这种源中进行。要求小的发光表面区域用于产生特定光束所需的光学装置的小型化，如10度点光束形状或30度泛光束形状。可将发射大致相同的波长的多个模紧密安装在一起，以产生较高功率的光源。尽可能紧凑地安装这些模导致发光区域近似于圆形区域。为了降低热力学应力并减小形成光束的形状所需的光学装置的尺寸，应减小安装在这些模的顶部上或这些模的上方的光学圆顶的尺寸。

图5a和图5b示意性地示出了若LED的主光学装置较小则可使用较小的反射体。在图5a中，具有1mm的有效长度的芯片1设有半圆形透镜2，透镜2的直径为5.6mm，折射率为1.5。此外，包括发光表面和透镜的光学系统布置在反射体3，这样，合成的光学系统就是2×20°的延伸性(etendue)受限的系统。该反射体的高度为26.7mm，直径为18.3mm。

图5b示意性地示出了另一个2×20°的延伸性受限的系统，这种系统设有根据本发明的发光设备。芯片1的有效长度为1mm，透镜2的直径为1.5mm，折射率为1.5。反射体基本上小于示于图3b中的反射体，且高度为12.5mm，直径为7.46mm。

得到前面所描述的条件的本领域技术人员将能够选择适当的光源、色彩变换体和透镜材料。本领域中熟练的技术人员还将认识到，本发明决不限制到前面所描述的优选实施例。相反，在所附的权利要求书的范围内，可进行许多修改和变化。例如，可使用透镜材料和周围的介质的其它组合，如硅有机树脂凝胶中的蓝宝石圆顶。

Claims (25)

1.一种发光设备，所述发光设备包括：

发光元件，所述发光元件包括发光二极管(LED)，所述发光元件具有有效的发光表面(1)，所述发光表面(1)带有有效的直径D_E，以及

透镜(2)，所述透镜(2)与所述表面光学接触并布置成接收源自所述发光元件的光，

其中，将所述透镜的外边界表面弯曲，以使在所述外边界表面上的任何位置中，来自所述有效发光表面的至少一个边缘光线(11-14)以大于或等于θ_c-χ2π(1-cosθ_c)的角度入射，其中，θ_c等于给定介质中所述透镜的总体内部反射的临界角，且χ≤9°/sr。

2.如权利要求1所述的发光设备，其特征在于：将所述外边界表面(2)弯曲，以使在所述外边界表面上的任何位置中，来自所述有效发光表面(1)的任何边缘光线(11-14)以小于或等于θ_c+δ的角度入射，其中，δ≤12°。

3.如权利要求2所述的发光设备，其特征在于：所述透镜的高度H_L在以下范围内：

[D_E/(2×tan(θ_c+δ))，D_E/(2×tan(θ_c-χ2π(1-cosθ_c))]，式中，δ≤12°且χ≤9°/sr，而且，在包括所述发光元件的平面中的所述透镜的半径R_L在以下范围内：

[D_E/2，1.2×D_E]。

4.如前面的权利要求中的任何一项所述的发光设备，其特征在于：χ≤6°/sr。

5.如前面的权利要求中的任何一项所述的发光设备，其特征在于：χ≤3°/sr。

6.如前面的权利要求中的任何一项所述的发光设备，其特征在于：δ≤7.5°。

7.如前面的权利要求中的任何一项所述的发光设备，其特征在于：δ≤3°。

8.如权利要求7所述的发光设备，其特征在于：在包括所述透镜的光轴的平面中的所述透镜的截面大于由下面的等式所描述的椭圆：

${\left(\frac{x}{0.9\·R_L}\right)}^2+{\left(\frac{y-y_0}{0.9\·H_L-y_0}\right)}^2=1$

且小于由下面的等式所描述的椭圆：

${\left(\frac{x}{1.1\·R_L}\right)}^2+{\left(\frac{y-y_0}{1.1\·H_L-y_0}\right)}^2=1$

式中：

x是平行于所述发光元件(1)的表面的坐标，

y是垂直于所述发光元件(1)的表面的坐标，

y₀是[-0.1，0.25]区间内的常数，以及

y大于或等于y₀。

9.如权利要求3所述的发光设备，其特征在于：所述透镜的纵横比(H_L/R_L)在0.4与1.2之间的范围内。

10.如前面的权利要求中的任何一项所述的发光设备，其特征在于：所述发光元件还包括色彩变换元件，所述色彩变换元件布置成从所述LED的至少一部分接收光，以改变所述接收的光的至少一部分的波长，并且朝向所述透镜引导所述接收的且波长变换的光的至少一部分。

11.如权利要求10所述的发光设备，其特征在于：所述色彩变换元件是含磷光体的层，优选所述含磷光体的层涂覆在所述LED上。

12.如前面的权利要求中的任何一项所述的发光设备，其特征在于：所述透镜(2)具有折射率，所述折射率使所述透镜与包围所述透镜的外部介质之间的折射率的差异介于0.2与0.85之间，优选介于0.2与0.6之间，更优选介于0.2与0.4之间。

13.如权利要求12所述的发光设备，其特征在于：所述透镜(2)的折射率介于1.45与1.85之间，所述透镜的高度(H_L)介于0.45×D_E与1.2×D_E之间，所述透镜的半径(R_L)介于0.55×D_E与1.2×D_E之间，且纵横比H_L/R_L在[0.6；1.2]的范围内。

14.如前面的权利要求中的任何一项所述的发光设备，其特征在于：还包括与所述透镜光学接触的另一个基本上透明的电介质体，其中，所述另一个电介质体的折射率介于1.3与1.6之间，且所述透镜与所述另一个电介质体的折射率之间的差异介于0.2与0.4之间，且所述透镜的高度(H_L)介于0.2×D_E与0.85×D_E之间，所述透镜的半径(R_L)介于0.5×D_E与0.85×D_E之间。

15.如前面的权利要求中的任何一项所述的发光设备，其特征在于：所述发光元件包括至少两个LED，所述至少两个LED在不同的波长范围内发光。

16.如前面的权利要求中的任何一项所述的发光设备，其特征在于：还包括扩散层，所述扩散层布置在所述外边界表面之外。

17.如权利要求16所述的发光设备，其特征在于：所述扩散层与所述外边界表面光学隔离。

18.一种光学系统，所述光学系统包括反射体和如前面的权利要求中的任何一项所述的发光设备。

19.如权利要求18所述的光学系统，其特征在于：所述反射体是电介质准直仪，所述电介质准直仪在总体内部反射的基础上反射光。

20.一种设计发光元件中的透镜的外表面的截面形状的方法，所述发光元件具有表面(41)，所述表面(41)具有有效直径D_E，所述方法包括以下步骤：

提供第一点(A)，所述第一点(A)由沿着垂直于所述发光表面的方向以等于D_e/(2×tanθ_s)的距离与所述发光元件的所述表面隔离，其中，D_E是发光元件的表面(41)的有效直径；

提供第一线(42)，所述第一线(42)平行于所述发光表面并与所述第一点相交；

提供第二线(43)，所述第二线(43)与所述第一线以第一角度(α)在所述第一点相交；

在所述第二线上确定第二点(B)，以使来自所述发光表面的至少一条边缘光线(14)以等于θ_s的角度在所述第二点与所述第二线相交，并使来自所述发光表面的其它边缘光线不以大于θ_s的角度在所述第二点相交；

提供第三线(44)，所述第三线(44)以第二角度(β)在所述第二点与所述第二线相交；

在所述第三线上确定第三点，以使来自所述发光表面的至少一条边缘光线以等于θ_s的角度在所述第三点与所述第三线相交，并使来自所述发光表面的其它边缘光线不以大于θ_s的角度在所述第三点相交；

提供平滑曲线(45)，所述平滑曲线(45)与所述第一、第二和第三点相交并表示所述外边界透镜表面的截面，

其中θ_s介于θ_c-χ2π(1-cosθ_c)与θ_c+δ之间，其中，χ≤9°/sr，且δ≤12。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于：χ≤6°/sr，δ≤7.5°。

22.如权利要求20所述的方法，其特征在于：χ≤3°/sr，δ≤3°。

23.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于：以预定次数重复所述提供另外的线和确定另一个点的步骤。

24.如权利要求20至23中的任何一项所述的方法，其特征在于：所述第一和第二角度(α、β)在0.005°至0.1°的范围内，优选在0.01°至0.05°的范围内。

25.如权利要求20至24中的任何一项所述的方法，其特征在于：还包括按比例修正所提供的平滑曲线的步骤，以保持所述平滑曲线的比例恒定。

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