CN101230968A - 用于led光源封装的透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于LED光源封装的透镜，该透镜包含有一个曲面型上表面和一个平面型下表面；所述上表面满足条件：经过所述透镜并射出所述上表面的光线与所述下表面法向的夹角θ小于θc，其中，15°＜θc＜75°；经过所述透镜并射出所述上表面的光线的光强度：I(θ)＝I(θ0)/cos2(θ)，其中，I(θ0)为经过所述透镜并射出所述上表面的、且与所述下表面法向的夹角θ为0的光线的光强度。该透镜高效的将近似点的LED芯片光源发出的光导出，并将光限制在一定角度内出射，投射平面上形成均匀的矩形光束，消除了发光二极管多余光给人眼带来的危害性，有效地提高了光利用率；而且，角度内的光能分布系数从零度按1/cos2θ规律递增，在平面上的光照度值近似一致，具有光强分布均匀的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于LED光源封装的透镜，属于LED光源应用领域。
背景技术
在现有技术中，用于路灯的LED光源的封装一般采用Lambertian型或batwing型，这两种结构存在的主要问题是：需采用二次光学设计，才能得到矩形或蝙蝠翼型光强分布均匀的光斑，但二次光学器件吸收了一部分光线，降低了LED灯具的光效率。
为了解决以上问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种能输出矩形光斑、光效率高、射出光光强分布均匀的用于LED光源封装的透镜。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于LED光源封装的透镜，该透镜包含有一个曲面型上表面和一个平面型下表面；
所述上表面满足条件：
经过所述透镜并射出所述上表面的光线与所述下表面法向的夹角θ小于θc，其中，15°＜θc＜75°；
经过所述透镜并射出所述上表面的光线的光强度：I(θ)＝I(θ0)/cos2(θ)，其中，I(θ0)为经过所述透镜并射出所述上表面的、且与所述下表面法向的夹角θ为0的光线的光强度。
基于上述，所述透镜的折射率为1.3～3.5。
基于上述，所述透镜包括一个用于放置LED芯片的腔体，所述腔体与所述LED芯片之间填充透明材料，所述透明材料的折射率为1.3～1.5，所述透明材料的折射率与所述透镜的折射率之差Δn小于1.0。
基于上述，所述透镜包括一个用于放置一个采用半球形透镜封装的LED芯片的腔体，所述腔体的形状与所述半球形透镜的形状相吻合，所述腔体与所述半球形透镜之间填充透明材料，所述透明材料的折射率为1.3～1.5，所述透明材料的折射率与所述透镜的折射率之差Δn小于1.0。
基于上述，所述透镜包括一个用于放置一个采用半球形透镜封装的LED芯片的腔体，所述腔体的形状与所述半球形透镜的形状相吻合，所述腔体与所述半球形透镜之间设置有一空气腔。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步性，具体的说，有以下优点：
1、该透镜高效的将近似点的LED芯片光源发出的光导出，并将光限制在一定角度内出射，投射平面上形成均匀的矩形光束，消除了发光二极管多余光给人眼带来的危害性，有效地提高了光利用率；而且，角度内的光能分布系数从零度按1/cos2θ规律递增，在平面上的光照度值近似一致，具有光强分布均匀的特点。
2、该透镜结构简洁，制作简单，便于LED光源封装；
3、该透镜也可以封装除发光二极管以外的其它任意近似点光源，可广泛应用于射灯、矿灯、投影仪、路灯、隧道灯、白炽灯、卤素灯等器件上。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明所述透镜在对称面上的光路图；
图3为本发明所述透镜的远场照度分布模拟图；
图4为本发明所述透镜和多个LED芯片配合使用的结构示意图；
图5为本发明所述透镜具有紧密配合使用的常规封装结构的示意图；
图6为本发明透镜具有非接触配合使用的常规封装结构的示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例一
如图1所示，一种用于LED光源封装的透镜，该透镜包含有一个曲面型上表面和一个平面型下表面；
所述上表面满足条件：
经过所述透镜并射出所述上表面的光线与所述下表面法向的夹角θ小于θc，其中，15°＜θc＜75°；
经过所述透镜并射出所述上表面的光线的光强度：I(θ)＝I(θ0)/cos2(θ)，其中，I(θ0)为经过所述透镜并射出所述上表面的、且与所述下表面法向的夹角θ为0的光线的光强度；
其中，θc可以选择15°至75°之间任意角度，其值取决于所需路面上照度均匀光斑的长度L与光源距路面的距离H之比，具体地说，θc与L、H之间满足下述关系：tg(θc)＝L/(2×H)。
所述透镜进一步包括一个用于放置LED芯片的腔体，所述腔体与所述LED芯片之间填充有透明材料，所述透明材料的折射率为1.3～1.5，所述透明材料的折射率与所述透镜的折射率之差Δn小于1.0。
在图1中，所述透镜1的俯视图为一个具有四个相同圆倒角的矩形。
为了更进一步的说明本发明所述的透镜，通过垂直于所述平面型下表面中心的两组对称面(53，54)将所述透镜1的上表面分割为四个对称的对称曲面(11，12，13，14)，其中，两组对称面(53，54)彼此垂直；
透镜1的作用是改变并限制LED芯片2发射光线的角度，即，LED芯片2发射的光线经透镜下表面到达透镜上表面的对称曲面11或12或13或14后，根据光学折射定律，光线发射折射，通过改变射出对称曲面11或12或13或14的光线的角度达到集中光束的目的。
如图2所示，以构成透镜1上表面的对称曲面11为例，具体说明光线路径；
因对称曲面11和对称曲面12关于对称面54对称，对称曲面11和对称曲面14关于对称面53对称，对称曲面12和对称曲面13关于对称面53对称，所以，在此只讨论对称曲面11；
规定θc为对称曲面11的限制光线角度；
由LED芯片2射出的光线21从透镜1的下表面射入透镜1，并从透镜1的对称曲面11射出并发生折射，出射为光线22，该光线22与下表面法向31的夹角设定等于θc；
则入射角度小于21的光线都经过对称曲面11后发生折射，出射光线的方向被限制在0～θc内；
则入射角度大于21的光线都经过对称曲面11后发生折射，出射光线的方向也被限制在θc内，该部分光线用来增加角度为θc附近的光线的光强；
最终，LED芯片发出的光线经过透镜1后，使得出射光线分别按照一定的角度射出，在远场形成一个矩形或椭圆形的光照范围，而且在光照范围内满足光强分布：I(θ)＝I(θ0)/cos2(θ)。
图3是LED芯片封装于本发明透镜1后在远场的平面接收屏上的照度分布模拟图，其中，所述平面接收屏距离光源大于1米；
由图3可见，LED芯片发出的光经本发明所述透镜转换后可以在平面屏上形成一个照度比较均匀的矩形光斑。
图4是透镜1和多个LED芯片2配合使用的基本结构示意图，所述透镜1底部共放置了7个LED芯片2，并且沿所述透镜1下表面的长度方向的中心轴线3一字排列；所述LED芯片2的尺寸取1mm×1mm。
本发明中，LED芯片2可以是常规尺寸的LED(350um×350um)，也可以是功率型的LED(1mm×1mm)；LED芯片2上可以涂敷有荧光粉；
LED芯片2的光线从透镜1的底面入射，其本身具有的光强分布表达式为：ILED(θn)＝I(θLED0)×cos(θn)，其中，ILED(θn)为，垂直于LED主出光面的任意截面内，与LED主出光面的法向的夹角为θn的方向的光强度；I(θLED0)为，垂直于LED主出光面的任意截面内，与LED主出光面的法向的夹角为零度方向的光强度。
本发明中，所述透镜1可以采用一系列的方法来制作，包括模具注塑、灌注脱模、金刚石道具加工等方法；
所述透镜1的制作材料可以是但不限于聚甲基丙烯酸(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、PEI、COG等；所述透镜1所用材料是透明材料，透光率要求大于70％，其还可以是某种有颜色的材料。
实施例二
图5是本发明所述透镜具有紧密配合使用的常规封装结构的示意图；
本实施例与实施例一不同之处在于：所述透镜1包括一个用于放置一个采用半球形或类似半球形的透镜封装的LED芯片2的腔体61，所述腔体61的形状与所述半球形或类似半球形的透镜的形状相吻合，所述腔体61与所述半球形或类似半球形的透镜之间填充透明材料，所述透明材料的折射率为1.3～1.5，所述透明材料的折射率与所述透镜的折射率之差Δn小于1.0；所述透明材料是透明树脂材料。
制作时，采用一个半球形或类似半球形的透镜与LED芯片2封装在一起，以此构成传统封装结构60；再采用透明树脂材料将透镜1的腔体61和传统封装结构60的透镜粘接，粘接用的透明树脂材料的折射率与所述透镜1所用材料的折射率、传统封装结构60的透镜所用材料的折射率匹配；
通过所述透镜1和常规封装结构60紧密粘接配合，能够使LED光源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。
实施例三
图6是本发明透镜具有非接触配合使用的常规封装结构的示意图。
本实施例与实施例二不同之处在于：所述腔体61与所述半球形透镜之间具有一空气腔62，即，所述腔体61的体积大于传统封装结构60，使所述透镜1与常规封装结构60之间形成一个空气腔62；
通过所述透镜1和常规封装结构60存在的空气腔62的非接触配合使用，能够使LED光源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。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (5)
1.一种用于LED光源封装的透镜，其特征在于：该透镜包含有一个曲面型上表面和一个平面型下表面；
所述上表面满足条件：
经过所述透镜并射出所述上表面的光线与所述下表面法向的夹角θ小于θc，其中，15°＜θc＜75°；
经过所述透镜并射出所述上表面的光线的光强度：I(θ)＝I(θ0)/cos2(θ)，其中，I(θ0)为经过所述透镜并射出所述上表面的、且与所述下表面法向的夹角θ为0的光线的光强度。
2.根据权利要求1所述的用于LED光源封装的透镜，其特征在于：所述透镜的折射率为1.3～3.5。
3.根据权利要求1或2所述的用于LED光源封装的透镜，其特征在于：所述透镜包括一个用于放置LED芯片的腔体，所述腔体与所述LED芯片之间填充透明材料，所述透明材料的折射率为1.3～1.5，所述透明材料的折射率与所述透镜的折射率之差Δn小于1.0。
4.根据权利要求1或2所述的用于LED光源封装的透镜，其特征在于：所述透镜包括一个用于放置一个采用半球形透镜封装的LED芯片的腔体，所述腔体的形状与所述半球形透镜的形状相吻合，所述腔体与所述半球形透镜之间填充透明材料，所述透明材料的折射率为1.3～1.5，所述透明材料的折射率与所述透镜的折射率之差Δn小于1.0。
5.根据权利要求1或2所述的用于LED光源封装的透镜，其特征在于：所述透镜包括一个用于放置一个采用半球形透镜封装的LED芯片的腔体，所述腔体的形状与所述半球形透镜的形状相吻合，所述腔体与所述半球形透镜之间设置有一空气腔。
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