CN101493210A

CN101493210A - 一种基于发光二极管的光源结构

Info

Publication number: CN101493210A
Application number: CNA2009100771982A
Authority: CN
Inventors: 罗毅; 冯泽心; 韩彦军
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2009-07-29

Abstract

本发明涉及一种基于发光二极管的光源结构，属于发光二极管应用技术领域。所述光源结构至少包括基板1、LED芯片2、LED芯片的发光处理单元3、经过非成像光学设计的光学散光板4。固定在基板1上的LED芯片2为发光光源，其光场分布经由LED芯片的发光处理单元3进行包括但不限于准直的处理后，传播至光学散光板4的内表面；光学散光板4至少有一面含有经过非成像光学设计的微结构，微结构使入射的光进行散射，从而形成均匀亮度光源结构。本发明提供的光源结构具有人眼舒适、环境友好、LED发光能量利用率高等优势，可制作为平面形状包括但不限于方形、圆形、椭圆形、球形、椭球形等，和非平面形状包括但不限于球面、椭球面、柱面等，并可实现无限扩展。

Description

一种基于发光二极管的光源结构

技术领域

本发明涉及一种基于发光二极管(LED)的光源结构，所述光源结构至少包括基板、LED芯片、LED芯片的发光处理单元、光学散光板，属于发光二极管应用技术领域。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)，是一种固态的电光转换导体器件，以其发光效率高、寿命长、体积小、响应速度快、耐震抗冲击、绿色环保、使用安全等潜在优势，被认为是继白炽灯及荧光灯之后的第三代照明光源。

然而，利用LED制作成光源结构面临许多技术壁垒，其中重要的因素之一是传统常规封装的LED所具有的小光通量、高亮度特性所引发的眩光、亮度不均问题。将多颗LED集群封装是目前基于LED的光源结构普遍采用的方式，由于LED为近似点光源，导致光源结构由多个不连续高亮度点组成，借由光线的直线传播特性，产生严重的眩光问题，损伤人眼；且由于LED的直接裸露，不宜清洁、美观性也较差。

针对眩光与亮度不均问题，目前较为常见的方式是在LED光源上方添加散光板，其散光方式通常分为统计散光与几何散光。统计散光利用特定分布的散光颗粒或者不规则的粗糙表面(如毛玻璃)等来实现散光，缺点是透光率不高；几何散光一般利用具有简单构型的微凹凸透镜阵列组合来实现散光，凹凸透镜单元的构型曲线常常是圆弧、抛物线等简单曲线，这种结构的散光板存在严重的问题：由于凹凸透镜单元构型未经过系统设计，发光时亮度均匀性不佳，LED发光能量利用率普遍不高。

专利WO2008/134018提供的散光板是利用中间用光学胶粘合的两层主轴方向各自错开的凹透镜阵列相互对接来实现散光，其凹透镜结构是利用简单的参数拟合得到的，难以实现发光方式均匀化，并且其散光角度只有+/-30°，为了实现大角度散光，常常是利用多层结构，在造价和散光效果上不占优势；专利US7092166B1提供的散光板的微凸透镜阵列的构型曲线是利用简单的参数拟合得到的，但由于是多层结构，同样存在着类似缺点，难以实用化。

另外，目前已发表的光源结构专利，普遍存在能量利用率不高的问题。专利CN101208557A通过将具有表面及背面一体的柱状透镜阵列的扩散板设置在内部设有光源的、具有箱形形状的光反射板上构成直下式照明装置，然而未经过系统设计的两层柱状透镜的简单结构决定其存在较为严重的逆向全反射问题，从LED发出的多数光要在扩散板和光反射板之间经过多次反射和折射才能出射，并且其在光扩散板上设置一枚以上的光学膜，光透过率低，光能损耗严重；专利CN101188261A提供的光源结构特征在于：LED芯片的发射光及由反光杯反射的光经过发散透镜后形成均匀分布的发散光，再借助扩散片形成均匀出射的平面光，然而其没有提供经过设计的扩散片，对LED发光能量的利用率上亦大打折扣。

为解决现有基于LED的光源结构光能利用率低、亮度不均匀等问题，我们发明了一种基于LED的光源结构，它含有LED芯片的发光处理单元与经过非成像光学设计方法设计的光学散光板，具有人眼舒适、环境友好、LED发光能量利用率高等优势。

发明内容

本发明的目的在于克服现有基于LED的光源结构技术中的不足，提一种LED发光能量利用率高、亮度均匀的光源结构。

本发明为克服现有光源结构技术壁垒所采取的措施是设计含有LED芯片的发光处理单元与经过非成像光学设计方法设计的光学散光板的光源结构，所述光源结构至少包括基板、LED芯片、LED芯片的发光处理单元、光学散光板。固定在基板上的LED芯片发出的光经由发光处理单元进行包括但不限于准直的处理后，入射到基于非成像光学进行设计的、具有微结构的光学散光板表面，经过光学散光板的散射后成为均匀亮度的光源结构。

所述光学散光板至少有一面为经过非成像光学设计的具有散光作用的微结构阵列；所述经过非成像光学设计的微结构形状包括但不限于凹形、凸形、或是凹凸组合形状；所述微结构阵列的单元线度在0.10μm～10mm之间；所述光学散光板为平面形状包括但不限于方形、六角形、圆形、椭圆形；所述光学散光板为非平面形状包括但不限于球面、椭球面、柱面、半柱面；所述光学散光板所用材料为折射率在1.3～3.5之间的高透过率光学材料；所述光学散光板可扩展、拼接。

所述基板为平面基板，其形状包括但不限于方形、圆形、椭圆形；所述基板为非平面基板，其形状包括但不限于球面、椭球面、柱面、半柱面；所述基板可扩展拼接。

所述LED芯片的发光处理单元为反光装置与基板表面上的光反射膜的组合结构；所述组合结构内放置一个或多个LED芯片；所述反光装置的纵剖面形状包括但不限于抛物线形，横截面形状包括但不限于为圆形、六角形、方形；

基于上述光学散光板、基板、LED芯片，本发明可提供以下几种具有不同LED芯片的发光处理单元光源结构。

本发明可提供第一种形式的光源结构，此光源结构的LED芯片的发光处理单元为一个反光装置或是多个反光装置的组合或拼接；所述反光装置内放置一个或多个LED芯片；所述反光装置的纵剖面形状包括但不限于抛物线形，横截面形状包括但不限于为圆形、六角形、方形。

本发明可提供第二种形式的光源结构，此光源结构的LED芯片的发光处理单元为一个光学透镜或者是多个光学透镜的组合或拼接；所述光学透镜内放置一个或多个LED芯片；所述光学透镜所用材料为折射率在1.3～3.5之间的高透过率光学材料。

本发明可提供第三种形式的光源结构，此光源结构的LED芯片的发光处理单元是光学透镜和反光装置的组合结构；所述组合结构内放置一个或多个LED芯片；所述光学透镜所用的材料为折射率在1.3～3.5之间的高透过率光学材料。

本发明可提供第四种形式的光源结构，此光源结构的LED芯片的发光处理单元为基板表面上的光反射膜。

本发明可提供第五种形式的光源结构，此光源结构的LED芯片的发光处理单元为反光装置与基板表面上的光反射膜的组合结构；所述组合结构内放置一个或多个LED芯片；所述反光装置的纵剖面形状包括但不限于抛物线形，横截面形状包括但不限于为圆形、六角形、方形。

本发明可提供第六种形式的光源结构，此光源结构的LED芯片的发光处理单元为基板表面上光反射膜与光学透镜的组合结构；所述组合结构内放置一个或多个LED芯片；所述光学透镜所用的材料为折射率在1.3～3.5之间的高透过率光学材料。

本发明可提供第七种形式的光源结构，此光源结构的LED芯片的发光处理单元为反光装置、光学透镜、基板表面上光反射膜的组合结构；所述组合结构内放置一个或多个LED芯片；所述反光装置的纵剖面形状包括但不限于抛物线形，横截面形状包括但不限于为圆形、六角形、方形；所述光学透镜所用的材料为折射率在1.3～3.5之间的高透过率光学材料。

本发明所述LED芯片的注入电功率为0.0001W-100W；所述的LED芯片发光的颜色包括但不限于白色、红、绿、蓝；所述的LED芯片以包括但不限于正方形、矩形、圆形的形状排列。

需要特别指出的是，本发明所称的光学透镜包括但不限于一次封装透镜，二次光学透镜。

根据本发明，采用含有LED芯片的发光处理单元以及经过非成像光学设计方法严格设计的光学散光板的光源结构，能解决现有技术中LED发光能量利用率低及亮度不均的问题，且更美观、更易于清洁。

附图说明

图1为本发明提供的基本光源结构的纵剖示意图。

图2A为本发明提供的第一种光学散光板的纵剖图；图2B为本发明提供的第一种光学散光板的微结构纵剖图；图2C为微结构对光散射后的相对亮度分布图；图2D本发明提供的第一种光学散光板的三维图；图2E本发明提供的第一种光学散光板的俯视图；图2E本发明提供的第一种光学散光板的第二种排列方式俯视图。

图3A为经过改进的第一种散光板的微结构纵剖图；图3B为经过改进的第一种散光板的微结构俯视图；图3C为经过改进的第一种散光板的三维图。

图4A为本发明提供的第二种光学散光板的纵剖图；图4B为本发明提供的第二种光学散光板的三维图。

图5A为本发明提供的第三种光学散光板的纵剖图；图5B为本发明提供的第四种光学散光板的纵剖图。

图6为本发明提供的第一种形式的光源结构剖面图，其LED芯片的发光处理单元为一个反光装置或是多个反光装置的组合或拼接。

图7A为拼接的反光装置三维图；图7B经过改进的反光装置阵列拼接三维图。

图8为第一种形式的光源结构的一种变形结构。

图9为本发明提供的第二种形式的光源结构剖面图，其LED芯片的发光处理单元为一个光学透镜或是多个光学透镜的组合或拼接。

图10为光学透镜拼接的三维图。

图11为第二种形式的光源结构的一种变形结构。

图12A为本发明提供的第三种形式的光源结构剖面图；其LED芯片的发光处理单元是光学透镜和反光装置的组合结构。

图12B为本发明提供的第三种形式的光源结构剖面图，其LED芯片的发光处理单元是光学透镜和反光装置的组合结构。

图13A为本发明提供的第四种形式的光源结构剖面图，其LED芯片的发光处理单元为基板表面上的光反射膜。

图13B为本发明提供的第四种形式的光源结构剖面图，其LED芯片的发光处理单元为基板表面上的光反射膜。

图13C为本例所述光源结构的另一种形式，此形式的光源结构可替代传统的白炽灯。

图14A为本发明提供的第五种形式的光源结构剖面图，其LED芯片的发光处理单元为LED芯片的发光处理单元为反光装置与基板表面上的光反射膜的组合结构。

图14B为本发明提供的第五种形式的光源结构剖面图，其LED芯片的发光处理单元为反光装置与基板表面上的光反射膜的组合结构。

图15为本发明提供的第六种形式的光源结构剖面图，其LED芯片的发光处理单元为基板表面上光反射膜与光学透镜的组合结构。

图16为本发明提供的第七种形式的光源结构剖面图，其LED芯片的发光处理单元为反光装置、光学透镜、基板表面上光反射膜的组合结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步阐述本发明。

本发明公开的光源结构装置的基本结构如图1所示。所述光源结构至少包括基板1、LED芯片2、LED芯片的发光处理单元3、经过非成像光学设计的光学散光板4。固定在基板1上的LED芯片2为发光光源，其光场分布经由LED芯片的发光处理单元3进行包括但不限于准直的处理后，传播至光学散光板4的内表面；光学散光板4至少有一面含有经过设计的微结构，微结构使入射的光进行散射，从而形成均匀亮度光源结构。

本发明所述光学散光板至少有一面为经过非成像光学设计的具有散光作用的微结构阵列；所述经过非成像光学设计的微结构形状包括但不限于凹形、凸形、或是凹凸组合形状。图2A为本发明提供的一种光学散光板的纵剖图；图2B为此光学散光板的微结构纵剖图。光学散光板4的内表面4a为微结构阵列，外表面4b为平面或曲面，微结构纵剖线的每一点(x_i，y_i)产生方式可如下表示：

x_{i} = h \sqrt{\frac{1 - \cos (2 \times θ_{i})}{2}}, y_{i} = y_{i - 1} - \frac{e_{i - 1}}{g_{i - 1}} \times (x_{i} - x_{i - 1})

其中h为微结构的底面半径，其线度在10μm-5mm之间；e_i-1，g_i-1分别为(x_i-1，y_i-1)处的单位法线矢量方向在x轴和y轴上的投影，由矢量折射率定得到；θ_i为入射到点(x_i，y_i)的光线经面1a折射后的出光角。

图2C-1为微结构对直射光散射后的相对亮度曲线图，图2C-2为微结构对直射光散射后的相对亮度分布图。由图可知，经过非成像光学设计方法设计的微结构对直射光具有完美的散射效果。原则上，本发明提供的光学散光板的微结构可以任意方式排列，图2D和图2E为两种典型的排列方式。但按图2D排列的光学散光板的内表面4b为微结构间隙，其对直射光没有散射特性，因此本发明提出了按图2E排列方式排列的光学散光板。为提高散光特性，本发明还提供了经过改进的微结构，将按图2E排列方式排列的光学散光板的微结构边缘加工成能严密拼接的六角曲面、四角曲面等，图3A为经过改进的第一种散光板的微结构纵剖图；图3B为经过改进的第一种散光板的微结构俯视图；图3C为经过改进的第一种散光板的三维图。

图4A为本发明提供的第二种光学散光板的纵剖图；图4B为本发明提供的第二种光学散光板的三维图。其微结构纵剖线产生方式与第一种散光板的微结构纵剖线产生方式相同。

图5A为本发明提供的第三种光学散光板的纵剖图；图5B为本发明提供的第四种光学散光板的纵剖图。值得注意的是，这些散光板的微结构是经过非成像光学严格设计的。

另外，本发明所述光学散光板可制作成平面图形包括但不限于方形、六角形、圆形、椭圆形；所述光学散光板可制作成非平面图形包括但不限于球面、椭球面、柱面、抛物面；所述光学散光板所用材料为折射率在1.3～3.5之间的高透过率光学材料。

图6为本发明提供的第一种形式的光源结构，所述光源结构至少包括基板1、LED芯片2、LED芯片的发光处理单元3、经过非成像光学设计的光学散光板4。所述LED芯片的发光处理单元为一个反光装置或者是多个反光装置的拼接。LED芯片2发出的小角度光线、以及经反光装置3包括但不限于准直处理后的光线，入射至光学散光板4后进行散射从而成为均匀亮度的光源。在本实施例中，LED还可带有光学透镜。

图6所述基板为平面基板，其形状包括但不限于方形、圆形、椭圆形；所述光学散光板已在光学散光板实施例中说明，其可以根据基板的形状进行配形。

所述反光装置的纵剖面形状包括但不限于抛物线形，横截面形状包括但不限于为圆形、六角形、方形。图7A为横截面为圆形的反光装置拼接的三维图；为了减少圆形反光碗拼接产生的间隙，本发明提出了经过改进的反光装置，图7B为经过改进的反光装置的纵剖图；该反光装置内可放置单个或多个芯片。所述LED芯片的注入电功率可为0.0001W-100W；所述的LED芯片发光的颜色包括但不限于白色、红、绿、蓝；所述的LED芯片以包括但不限于正方形、矩形、圆形的形状排列。若采用反射率为96％的反光装置、全光透过率96％的光学散光板，本实施例中所述光源结构装置的光能利用率为90％～92％。本实施例同样可应用于非平面形基板，如球面、椭球面、柱面、半柱面等，LED还可带有光学透镜。图8只是其中的一种形式。

本发明提供的第二种形式的光源结构如图9所示，其中LED芯片的发光处理单元为一个光学透镜或者是多个光学透镜的组合或拼接；所述光学透镜内可放置一个或多个LED芯片；所述LED芯片的注入电功率可为0.0001W-100W；所述的LED芯片发光的颜色包括但不限于白色、红、绿、蓝；所述的LED芯片以包括但不限于正方形、矩形、圆形的形状排列。所述光学透镜所用材料为折射率在1.3～3.5之间的高透过率光学材料；所述光学透镜的功能包括但不限于准直、聚光。在图9中，所述光学透镜作用相当于聚光透镜，图10提供了光学透镜的一种拼接形式。

光学透镜也可以用作将LED芯片原发光方式转变为均匀光强发光方式，其可应用于类似于图11所示的光源结构中，LED芯片2发出的光经过光学透镜3折射为具有均匀光强分布的光场，再经过半球型散光板散射为均匀亮度面光源，通过扩展来满足实际不同场合的需求。

本发明提供的另一种光源结构如图12A所示，其中LED芯片的发光处理单元为光学透镜和反光装置的组合结构。所述组合结构内放置一个或多个LED芯片；所述LED芯片的注入电功率可为0.0001W-100W；所述的LED芯片发光的颜色包括但不限于白色、红、绿、蓝；所述的LED芯片以包括但不限于正方形、矩形、圆形的形状排列。所述反光装置的纵剖面形状包括但不限于抛物线形，横截面形状包括但不限于为圆形、六角形、方形。所述光学透镜所用材料为折射率在1.3～3.5之间的高透过率光学材料。所述光学透镜的功能包括但不限于准直、聚光；

光学透镜与反光装置的组合方式是多样的：如图12A所示为其中一种组合形式，其特点在于在每一个光学透镜3b外添加反光装置3a；图12B所示的另一种光源结构的特点在于在所有光学透镜3b外添加反光装置3a。

本发明中的LED芯片的发光处理单元可为基板表面上的光反射膜。如图13A所示为其一种形式的光源结构的纵剖图，LED芯片2固定在基板1的半球面(或半柱面)上，整个基板覆有反射膜3，其将LED发出的光反射回光学散光板4或将被光学散光板逆向反射回的光再次反射至光学散光板4出射；图13B与图13A不同之处在于，图13B所示的光源结构为柱面或球面光源，柱面形式的光源结构可取替传统的日光灯；图13C为本例所述光源结构的另一种形式，此形式的光源结构可替代传统的白炽灯；在图13A、13B、13C的实施例中，LED还可以带有光学透镜，或者光学透镜与其它反光装置的组合。

本发明提供的光源结构中的LED芯片的发光处理单元可为反光装置与基板表面上的光反射膜的组合结构。所述组合结构内可放置一个或多个LED芯片；所述LED芯片的注入电功率可为0.0001W-100W；所述的LED芯片发光的颜色包括但不限于白色、红、绿、蓝；所述的LED芯片以包括但不限于正方形、矩形、圆形的形状排列。所述反光装置的纵剖面形状包括但不限于抛物线形，横截面形状包括但不限于为圆形、六角形、方形；组合结构有多种形式：如图14A为其中的一种组合形式，光源结构中镀有反射材料的侧面边框作为反光装置3b，其与基板1上表面的反射膜3a统为LED芯片的发光处理单元3；图14B为其中另外一种组合形式，其在放置含LED芯片1的反光装置3b的基板1空间镀有反射膜3a。在本实施例中，LED还可以带有光学透镜。

本发明中LED芯片的发光处理单元可为基板表面上光反射膜与光学透镜的组合结构；组合结构内可放置一个或多个LED芯片；所述LED芯片的注入电功率可为0.0001W-100W；所述的LED芯片发光的颜色包括但不限于白色、红、绿、蓝；所述的LED芯片以包括但不限于正方形、矩形、圆形的形状排列。光学透镜所用的材料为折射率在1.3～3.5之间的高透过率光学材料。如图15所示，LED芯片的发光处理单元为基板表面上光反射膜与光学透镜的组合结构的光源结构，在光学透镜3b间隙的基板1上镀有反射膜3a，共同作为LED芯片的发光处理单元3。与光学透镜一一对应的弧面形结构拼接的光学散光板4更有利于光源的亮度均匀性。

本发明所提供的光源中LED芯片的发光处理单元还可为反光装置、光学透镜、基板表面上光反射膜的组合结构；组合结构内放置一个或多个LED芯片；所述LED芯片的注入电功率可为0.0001W-100W；所述的LED芯片发光的颜色包括但不限于白色、红、绿、蓝；所述的LED芯片以包括但不限于正方形、矩形、圆形的形状排列。所述反光装置的纵剖面形状包括但不限于抛物线形，横截面形状包括但不限于为圆形、六角形、方形；所述光学透镜所用的材料为折射率在1.3～3.5之间的高透过率光学材料，如图16所示。其中，LED芯片的发光处理单元为基板表面上光反射膜3a、反光装置3b、光学透镜3c与的组合结构的光源结构，所述光学透镜的作用包括但不限于准直、聚光。

Claims

1.一种基于发光二极管的光源结构，所述光源结构至少包括基板、LED芯片、LED芯片的发光处理单元、光学散光板，其特征在于：所述固定在基板上的LED芯片发出的光经由发光处理单元进行包括但不限于准直的处理后，入射到基于非成像光学进行设计的、具有微结构的光学散光板表面，经过光学散光板的散射后成为均匀亮度的光源结构。

2.根据权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述光学散光板至少有一面为经过非成像光学设计的具有散光作用的微结构阵列；所述经过非成像光学设计的微结构形状包括但不限于凹形、凸形、或是凹凸组合形状；所述微结构阵列的单元线度在0.10μm～10mm之间；所述光学散光板为平面形状包括但不限于方形、六角形、圆形、椭圆形；所述光学散光板为非平面形状包括但不限于球面、椭球面、柱面、半柱面；所述光学散光板所用材料为折射率在1.3～3.5之间的高透过率光学材料；所述光学散光板可扩展、拼接。

3.根据权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述基板为平面基板，其形状包括但不限于方形、圆形、椭圆形；所述基板为非平面基板，其形状包括但不限于球面、椭球面、柱面、半柱面；所述基板可扩展、拼接。

4.根据权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述LED芯片的发光处理单元为一个反光装置或是多个反光装置的组合或拼接；所述反光装置内放置一个或多个LED芯片；所述反光装置的纵剖面形状包括但不限于抛物线形，横截面形状包括但不限于为圆形、六角形、方形。

5.根据权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述LED芯片的发光处理单元为一个光学透镜或者是多个光学透镜的组合或拼接；所述光学透镜内放置一个或多个LED芯片；所述光学透镜所用材料为折射率在1.3～3.5之间的高透过率光学材料。

6.根据权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述LED芯片的发光处理单元是光学透镜和反光装置的组合结构；所述组合结构内放置一个或多个LED芯片；所述光学透镜所用的材料为折射率在1.3～3.5之间的高透过率光学材料。

7.根据权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述LED芯片的发光处理单元为基板表面上的光反射膜；

8.根据权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述LED芯片的发光处理单元为反光装置与基板表面上的光反射膜的组合结构；所述组合结构内放置一个或多个LED芯片；所述反光装置的纵剖面形状包括但不限于抛物线形，横截面形状包括但不限于为圆形、六角形、方形；

9.根据权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述LED芯片的发光处理单元为基板表面上光反射膜与光学透镜的组合结构；所述组合结构内放置一个或多个LED芯片；所述光学透镜所用的材料为折射率在1.3～3.5之间的高透过率光学材料。

10.根据权利要求1所述的光源结构，其特征在于：所述LED芯片的发光处理单元为反光装置、光学透镜、基板表面上光反射膜的组合结构；所述组合结构内放置一个或多个LED芯片；所述反光装置的纵剖面形状包括但不限于抛物线形，横截面形状包括但不限于为圆形、六角形、方形；所述光学透镜所用的材料为折射率在1.3～3.5之间的高透过率光学材料。

11.根据权利要求1、或4、或5、或6、或7、或8、或9、或10所述的光源结构，其特征在于：所述LED芯片的注入电功率为0.0001W-100W；所述的LED芯片发光的颜色包括但不限于白色、红、绿、蓝；所述的LED芯片以包括但不限于正方形、矩形、圆形的形状排列。