CN101235943B - 大功率照明发光二极管灯的光学结构 - Google Patents

Abstract

大功率照明发光二极管灯的光学结构，主要包括：基材、凸台、LED模块芯片，所述基材的上表面为基面，该基面上分布有至少二个凸台，LED模块芯片底部的散热热沉安装在凸台的上表面，凸台上表面形成一具有空间角度的平面，该平面与基面的X轴Y轴的平面形成夹角β，凸台Z轴与基面的X轴Y轴的平面形成夹角φ，凸台X轴与基面的X轴形成的夹角α。本发明可应用于道路照明、室内照明、汽车照明、泛光照明和景观照明，优点是通过三维光学设计实现三维空间优化排列组合，有效地发挥LED的发光特点，提高LED道路照明系统的照明均匀性和照度，扩大LED照明系统的照明范围。

Description

大功率照明发光二极管灯的光学结构

技术领域

本发明涉及一种发光二极管的照明灯，特别涉及一种大功率照明发光二极管等的光学结构。 

技术背景

我国照明用电总量已经超过1500亿千瓦时，约占总发电量的12％，而城市公共照明在我国照明耗电中占30％的比例，约439亿千瓦时。随着经济的发展，随着城市公共照明的电力消耗的继续增长，能源紧张的局面将进一步加剧。 

随着20世纪90年代固体物理学的高速发展和新型III-V族宽禁带半导体材料的突破性发现，出现了具有高亮度的大功率发光二极管(LED)。LED光源是一种利用电致发光的固体冷光源，具有发光效率高、体积小、重量轻、耗电量少、使用寿命长、显色性好、调光性能好、耐震、耐冲击等优点，是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的第四代照明光源。 

高亮度LED的节能型路灯作为一种新型的城市道路照明已成为一种趋势，但在实际的应用中仍然面临着诸多难题，主要包括散热和光学结构。要使道路照明系统达到国家道路照明标准的要求，其中最关键的是道路照明系统的光学结构设计。光学结构的设计首先要使道路照明系统能在大面积上实现光照均匀性的同时，满足国家照明标准中对照度的要求，才能实现LED光源在城市公共照明中的广泛应用。 

现有的LED路灯基本上是通过对单模块LED进行二次光学设计，依靠封装的LED透镜或者外部的光杯来增大单LED模块的出光效果，从而提高整个LED路灯的照明效果。但是这种仅仅依靠单LED模块的光学设计是无法完全满足道路照明的要求的。 

当LED芯片的发光效率超过130lm/W时，单模块LED的出光效果将不是非常重要的光学设计因素，但需要注意的是如何通过对单LED模块进行空间的排布组合来优化照明效果。通过三维光学设计，将单LED模块的分布平面设计为三维的空间平面组合，可以有效的利用LED的发光特点，显著提高LED道路照明系统的照明均匀性和照度，扩大LED道路照明系统的照明范围。 

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷，提供一种大功率照明发光二极管LED的光学结构。 

本发明主要包括：基材、凸台、LED模块芯片，其特征在于所述基材的上表面为基面，该基面上分布有至少二个凸台，LED模块芯片底部的散热热沉安装在凸台的上表面，凸台上表面形成一具有空间角度的平面，该平面与基面的X轴Y轴的平面形成夹角β，凸台Z轴与基面的X轴Y轴的平面形成夹角φ，凸台X轴与基面的X轴形成的夹角α。 

所述基面为平面或凸面或凹面，凸面或凹面由二个以上平面或曲面组合而成，或者是一个连续的曲面；基材的整体外形为多边形或圆形或椭圆形或曲边形，基面每个凸台的外形为圆柱或棱柱或圆台或棱台。 

本发明的光学结构可应用于道路照明、室内照明、汽车照明、泛光照明和景观照明中的发光二极管灯具。 

本发明的优点是将发光二极管模块按光学照明效果，通过三维光学设计，实现三维空间优化排列组合，有效地发挥LED的发光特点，显著提高LED照明系统的照明均匀性和照度，扩大LED照明系统的照明范围。特别是在道路照明中应用于LED路灯，在路灯固定高度为8-15m的范围内，本发明的光学结构可以提供更高的路面照度、更高的照度均匀性、更宽的照明范围和角度。 

附图说明

图1本发明的光学结构示意图； 

图2本发明实施例1的横向任意位置的光学结构截面示意图； 

图3a本发明实施例2中的横向截面的光学结构示意图； 

图3b本发明实施例2中的纵向截面光学结构示意图； 

图4a本发明实施例3中的横向截面光学结构示意图； 

图4b本发明实施例3中的光学结构的立体图； 

图4c本发明实施3中的光学结构的立体图； 

图5a本发明实施例4中的横向截面光学结构示意图； 

图5b为本发明的实施例4中的光学结构的俯视图； 

图5c为本发明的实施例4中的光学结构的立体视图。 

1基面、2凸台、3芯片平面、4定位平面 

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例： 

实施例1 

参见图1，AE’BCH’D面为光学结构的基面1。基面1可以是一个平面或多面组成的，各面之间的空间夹角为θ，每个平面的形状也可以是任意的。EFGH面为光学结构凸台2的定位平面4。在定位平面4上定义空间坐标系XYZ，XY平面为定位平面4，突出的多个凸台2实际上是任意分布在定位平面4上的，凸台2在图中的形状是四棱柱，也可以是其它形状。凸台2下底面为ijkm平面，凸台2与定位平面4的夹角为φ，每个凸台的夹角φ的范围为45°～90°，图中凸台2垂直于XY面，角度φ为90°。设凸台2的坐标系为x’y’z’。x’y’平面为凸台2自身的定位平面4，通过调整x’y’平面中x’轴与XY平面中X轴的夹角α，夹角α的范围为0°～180°，这样来确定每个凸台的相对位置关系。凸台2的上表面IJKM面是芯片平面3，芯片平面3与XY平面的夹角为β，夹角β的范围为0°～45°。 

参见图2，该图为实施例的光学结构横向截面图。图中阴影线区域为基材，上表面为基面1，基面1上是无序排列的凸台2，凸台2上表面是芯片平面3。图中被截面剖开的凸台2没有用阴影线表示，基面1为一任意多边形，多边形的每条边的长度都是可以调整的，多边形的每条边之间的相对角度是根据光学要求设定。凸台2突出在基面1上，凸台2截面全部是四边形。凸台2相对于基面1的夹角根据光学要求设定，本实施例中的凸台2的角度变化较小，凸台2的Z轴与基面的Z轴形成夹角φ，实际设计中可扩大角度范围，以不小于45°为佳。凸台2的高度根据光学要求设定，凸台的最高高度以不影响LED出光效果为准，凸台2的最低高度为0，本实施例中可理解为存在这样的凸台，但由于和基面重合，无法标示。凸台2之间的距离是可变的。芯片平面3位于凸台2的上表面，相对于基面1的夹角β根据光学要求设定，其相对基面1的高度和角度是任意可变的，其中夹角β总为锐角，最小0°，最大不超过45°。 

实施例2 

实施例2与实施例1相同，参见图3a、图3b，图3a为本实施例的横向截面示意图，图3b为本实施例的纵向截面示意图。所不同的是图中阴影线区域的上表面为一平面，作为基面1。由于基面1为一平面，因此道路照明系统的照明性能主要通过调整基面上的凸台2和芯片平面3的特征来达到。图中凸台2的横向截面宽度为D，纵向截面宽度为d，凸台之间的间距横向距离为L，纵向距离为L1，凸台2的高度为h，D、d、L、L1和h都是可以任意调整以满足照明性能要求的。芯片平面3在横向截面上与基面的夹角为β，在纵向截面上与基面夹角为β1，β和β1的角度都是可以调整的。凸台2的排列是无序的，综合调整D、d、L、L1、h和β、β1可以得到不同的凸台2和芯片平面3分布情况。通过凸台2和芯片平面3的特征调整可以得到所需要的照明光场，适用于各种复杂光场的设计。 

实施例3 

实施例3与实施例1相同，参见图4a、图4b、图4c，图4a为本实施例的横向截面示意图，所不同的是基面1上分布的凸台2成对称分布，凸台2垂直于基面1，图中凸台2的高度从两侧到中间逐步升高，高度也可以是逐步降低。凸台2上芯片平面3的角度从两侧到中间逐步减小。图4a截面的图形随截面位置变化，基面1的宽度、凸台的高度和宽度、芯片平面的角度随之变化，因此，本实施例中的三维光学结构为具有图示截面基本特征的光学结构。图4b和4c给出了符合本实施方式截面特征的两种光学结构的立体视图。其中图4b的基面为一四边形，图4c的基面1为一椭圆形。图4b的凸台2沿纵向方向每列的特征是一致的；图4c的凸台2是圆周分布的，在距离中心等距处的凸台2高度特征是一致的。图4b中的凸台2是四棱柱，图4c中的凸台为圆柱。图4b和图4c的凸台2都是离散分布的，图4b是阵列式，图4c为圆周式。图4b的芯片平面3在沿纵向方向上每列角度是一致的，图4c的芯片平面3在距离中心等距的位置是对称的。图4b的LED出光主要是左右两侧，适用于对某一方向光场要求较高的场合；图4c的LED出光则是全角度出射，适用于照明范围较大和泛光照明的场合。图4b和图4c的凸台2在纵向方向也可以是连续的，彼此紧连构成一连续实体。 

实施例4 

实施例4与实施例1相同，参见图5a、图5b、图5c。图5a为本实施例的横向截面示意图，所不同的是图中阴影线区域的下底面为一平面，是基面1。图中的凸台2在横向截面上构成连续的实体，凸台2是对称分布的。芯 片平面3如图所示，芯片平面3的角度从两侧到中间逐步减小。图5a中所示截面的图形随截面位置变化，基面1的宽度、凸台2的高度和宽度、芯片平面3的角度随之变化，图5b为本实施例的光学结构的俯视图，图5c为本实施例的立体图。 

Claims (6)

1.一种大功率照明发光二极管灯的光学结构，主要包括：基材、凸台、LED模块芯片，其特征在于所述基材的上表面为基面，该基面上分布有至少二个凸台，LED模块芯片底部的散热热沉安装在凸台的上表面，凸台上表面形成一具有空间角度的平面，该平面与基面的X轴Y轴的平面形成夹角β，凸台Z轴与基面的X轴Y轴的平面形成夹角φ，凸台X轴与基面的X轴形成的夹角α，所述凸台上的平面与基面的X轴Y轴的平面形成夹角β，夹角β为0°～45°，凸台Z轴与基面的X轴Y轴的平面形成夹角φ，夹角φ为45°～90°，凸台的X轴与基面的X轴形成的夹角α，夹角α为0°～180°。

2.根据权利要求1所述的一种大功率照明发光二极管灯的光学结构，其特征在于所述基面为平面或凸面或凹面，凸面或凹面由二个以上平面或曲面组合而成，或者是一个连续的曲面，基材的整体外形为多边形或圆形或椭圆形。 

3.根据权利要求1所述的一种大功率照明发光二极管灯的光学结构，其特征在于所述凸台的外形为圆柱形或棱柱形或圆台形或棱台形，凸台上表面形成的平面采用模具一次成型或机械加工成型。 

4.根据权利要求1所述的一种大功率照明发光二极管灯的光学结构，其特征在于所述凸台在基面的分布为对称形或不对称形，有规律的或离散的，凸台之间为连续排列或不连续排列，凸台与基材采用整体模具压注成型或整体机械加工成型，或者采用焊接或键合的方法将凸台固定在基面上。 

5.根据权利要求1所述的一种大功率照明发光二极管灯的光学结构，其特征在于所述基材及凸台采用铝合金或铝镁合金或陶瓷材料制作。 

6.根据权利要求1所述的一种大功率照明发光二极管灯的光学结构，其特征在于本发明的光学结构可应用于道路照明、室内照明、汽车照明、泛光照明和景观照明中的发光二极管灯具。 

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