CN101713517A

CN101713517A - 具有准直光学元件的led光源

Info

Publication number: CN101713517A
Application number: CN200910253032A
Authority: CN
Inventors: 斯戴芬·雷赫尔; R·比尔特昂普菲尔; H·沃尔特
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2009-09-21
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2029-09-21
Also published as: US8531771B2; DE102008048379B4; JP2010074167A; NL2003523C2; JP5313821B2; DE102008048379A1; US20100091490A1; CN101713517B; NL2003523A

Abstract

本发明涉及一种LED光源，其包括纵宽比大于0.1且最好为非球面的玻璃透镜。

Description

具有准直光学元件的LED光源

技术领域

本发明涉及一种具有准直光学元件的LED光源。本发明特别是涉及一种透镜阵列以及一种用于制造透镜阵列的方法。

背景技术

发光半导体二极管(LED)正在越来越多地用于照明目的。这种光源的优点是效率高和使用寿命长。

例如作为薄层LED设置在电路板上的半导体发光层在180°的大角度内发射光线。因此这对于许多照明目的来说具有优点的是，由单个或多个LED发射的光被汇聚成束。距LED中轴线约+/-30°的角度范围已经包括所发射的光效率的约70％。但仍希望在尽可能宽的发射角内得到光线，并从而提高效率。在实践中，为此特别是已知了包括侧面反射器的光学元件，通过该反射器使在一定角度外发射的光被反射，通过又一次反射被折叠，然后向前发射。

利用这种光学元件虽然可以达到良好的效率，但由于复杂的几何形状，这种光学元件的制造很麻烦。此外，复杂的几何形状通常只能用塑料提供。大多数塑料不适合在120℃和更高温度下形成的大功率LED，因为它们的耐高温性能不够。此外，特别是当长时间受到强光照射的情况下塑料会变得混浊。

对由LED发射的光进行准直的另一种可能性是菲涅耳波带片。利用这种按照衍射方式工作的光学元件可以取得良好的效率。但为此所需的特别是在波带片环的间距必须越来越小的大发射角区域内的微结构的加工总是非常昂贵和复杂的。此外，菲涅耳波带片只对一种波长有效。为了得到良好的准直效果，在菲涅耳波带片的阵列内，必须为每种LED颜色提供一个单独的波带片。在基于转换器材料以不同波长发射的白光LED的情况下，利用菲涅耳波带片不能足够地提供准直。

通常采用薄层法制成的已知的玻璃微透镜阵列通常至少在所发射的光的边缘区域内达不到足够的准直效果。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种LED光源，其中至少缓解了现有技术的上述缺点。

本发明的一个目的特别是可以提供一种具有良好准直效果的耐热透镜阵列。

特别是对于大发射角范围的透镜阵列应当有足够的准直效果。

本发明的目的通过如独立权利要求之一所述的LED光源、非球面准直透镜以及用于制造透镜阵列的方法得以实现。

本发明优选的实施方式和改进方案在各从属权利要求中给出。

本发明一方面涉及一种LED光源，其中LED光源是指包含发射光的LED的任何装置。LED光源因此不一定非得用于照明目的，而是也可以例如作为信号显示装置使用。但LED光源特别是最好作为房间、阅读或者信号显示照明装置构成。其他优选的应用为汽车技术领域，特别是根据本发明的LED光源可以作为汽车前照灯或者后灯使用。此外，这种大功率的LED用在电影院、商用和/或家庭影院投影的投影仪中。

LED光源包括至少一个LED和至少一个最好为非球面的、并由玻璃或者玻璃陶瓷制成的准直透镜。准直透镜最好是指将光汇聚成束的凸透镜，特别是相对于LED的发射面被设置为使得光束以基本上彼此平行的光线进行发射。

由于在大发射角的情况下，特别是在发射角大于30°时，不再适用关系式sinα≈α，所以透镜在本发明的优选实施方式中包括自由形状的表面，特别是准直光学元件具有非球面的形状。这样，通过选择适当参数，非球面能够获得最高60°的大发射角的准直效果。在本发明的一个实施方式中，非球面旋转对称地构成。

非球面的形状在此方面最好通过下列等式确定：

z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + α_{1} r^{2} + α_{2} r^{4} + α_{3} r^{6} + α_{4} r^{8} + α_{5} r^{10} + α_{6} r^{12} - α_{7} r^{14} - α_{8} r^{16}

其中c为曲率，r为半径(＝1/c)，k为圆锥常数，α_n为非球面系数，通过其可以使各光学结构的非球面相匹配。

作为替代，透镜也可以球面构成。这种透镜通常可以更为廉价地生产。

根据本发明，透镜的纵宽比，也就是高度与宽度之比大于0.1。透镜的宽度通常通过其直径确定。透镜的高度是指透镜的冠高。

与通过薄层技术得到的微结构的区别在于，可通过选择大于0.1的纵宽比特别是以透镜阵列提供在大的发射角内具有良好准直效果的透镜。由于由玻璃或玻璃陶瓷构成，该透镜或透镜阵列是温度稳定的，并可以特别是以距LED小于1.5mm、优选小于1mm、特别优选小于0.5mm的间距靠近设置在LED前面。通过尽可能近地放置在LED前面，可以提供以大发射角获得的特别小的透镜。

在本发明一种优选的实施方式中，纵宽比大于0.2，优选地大于0.3，特别优选地大于0.4。特别是纵宽比也可以在0.5或者更大的范围内。发明人发现，特别是作为透镜阵列的这种透镜可以按照特别简单的方式通过热压法制造。

LED光源最好被设计为使得由LED以至少+/-30°，最好是+/-50°的角度发射的光基本上成束向前发射。

基本上成束向前发射是指光束与准直光学元件轴线的夹角小于10°。

LED光源最好包括多个LED和具有多个准直透镜的阵列。每个LED在阵列内对应于一个准直透镜。与菲涅耳波带片不同的是，特别是在RGB-LED阵列的情况下，可以为每种颜色使用相同构造的透镜。根据本发明的LED阵列也适用于白光LED。

在本发明的另一种特殊的实施方式中，LED阵列为提高效率也可以包括至少两个与各自光颜色相匹配的不同准直透镜。

通过本发明可以提供一种这样构成的LED光源，其使得包含从LED以相对于LED的中轴线+/-60°的发射角发射的光构成的光束在25cm距离上的展宽小于5cm，最好小于2.5cm。

展宽是指光束的直径相对于LED发射面的直径最大以上述距离增大。在此仅考虑光相对于LED的中轴线或者相对于和LED对应的透镜的中轴线以+/-60°的发射角射出的分量。通过对于最大至60°的发射角的光的良好准直效果实现了突出的效率，因为以超过60°的角度发射的分量仅占由LED发射的能量的一小部分。

特别适用于构成准直透镜的是折射率n_d大于1.4，优选大于1.5，特别优选大于1.7的玻璃或玻璃陶瓷。

为避免色差并可以提供一种适用于不同光色的准直透镜，最好使用反射率v_d大于35，优选大于40，特别优选大于50的材料。

本发明特别适用于工作时温度达到100℃以上的大功率LED。

在本发明一种优选的实施方式中，LED光源特别是为了形成LED阵列而被设置在透明板上。

在本发明的一种优选的实施方式中，准直透镜的冠高大于0.1，优选大于0.3，特别优选大于0.5mm。准直透镜的直径优选在0.2到10mm之间，特别优选在1到5mm之间。这种小的透镜也可以称为微透镜。通过高的冠高可以实现同样适用于对大发射角的光进行准直的纵宽比。

本发明此外还涉及一种由玻璃或玻璃陶瓷制成的非球面准直透镜，其特别是具有上述与透镜相关的特征，如材料特性等。准直透镜的纵宽比大于0.1，优选大于0.3，特别优选大于0.4，其中准直透镜的直径小于10mm，最好小于5mm。

通过本发明可以提供一种在大角度范围内具有良好准直效果的温度稳定的准直透镜。

准直透镜最好是作为包括多个准直透镜的透镜阵列的一部分。

为此，透镜最好设置在由玻璃或玻璃陶瓷构成的板上。特别是可以提供一种作为具有透镜的板所构成的整体结构件。在一种实施方式中，最好至少玻璃或玻璃陶瓷板由滤光玻璃或者滤光玻璃陶瓷或者变频玻璃或者变频玻璃陶瓷组成。由此可以改变所发射的颜色。所述的滤光器例如是一种用于调整光的颜色的滤色器和/或偏光滤波器。

所述板在此可以由其他材料构成，但最好板的光学特性相似，特别是板的折射率与透镜的折射率在本发明的一种优选实施方式中相差小于0.3。

在本发明的一种改进方案中，所述板包括至少两层。已经证明，特别是可以用热压法将透镜阵列压制到基板上。为此，形成一层构成透镜的材料，另一层通过基板形成。很显然，这样确定的基板和透镜也可以由不同的材料构成。

上述至少两层之间的分界面基本上构成为平面状，从而尽可能避免受到分界面的光学干扰。

在本发明的另一改进方案中，所述的板、特别是基板也包括结构化，特别是用于使光均匀化或者用于改善两层之间的接合。

透镜阵列最好这样构成：使透镜边缘侧彼此相距小于5mm，优选小于2mm，特别优选小于1mm。特别是准直透镜在边缘侧彼此邻接。

这样，LED可以彼此紧密地组装在相应的LED阵列上，并可以提供亮度非常高的紧凑光源。

透镜阵列最好整体构成。本发明意义上的“整体”也可以理解为不同的玻璃相互热接合得到的元件。这样产生的整体构造与例如粘贴在板上的塑料透镜的区别在于具有很高的机械强度和耐热性。

本发明此外涉及一种用于制造透镜阵列、特别是上述透镜阵列的方法。

在该方法中，将多个的坯料、特别是玻璃坯料加入到压模内。压模具有多个凹坑，通过这些凹坑预先限定了透镜的轮廓，特别是非球面。

然后将坯料压制成透镜，特别是准直透镜，其中坯料至少部分地相互接合。坯料因此体积大于分配给坯料的凹坑。多余的材料从边缘侧被压掉并合流到一处。这样特别是透镜阵列的板可以按照特别简单的方式构成。

为此最好一面上的形状基本上构成为平面状。

在本发明的一种改进方案中，压制时将坯料压制在基板上，特别是圆盘上，其中坯料的材料与基板连接。

通过这种实施方式，提供一种稳定性更高的透镜阵列，因为坯料的材料与基板大面积连接。基板最好由玻璃构成。这样作为基板玻璃例如可以使用与坯料相同的材料。但也可以设虑，基板由其他材料构成。

在本发明的一种改进方案中，坯料的材料在压制过程中粘度低于基板材料。这样可实现基板材料与坯料材料之间的分界面保持平整，坯料的材料因此不会或者仅略微压入到基板玻璃内。否则，坯料的材料压入基板玻璃内会导致光学缺陷。

为了使基板的材料在压制时，特别是在热压过程中硬过坯料的材料，可以使用具有其他熔点温度和/或玻璃临界温度的材料。另一种可能性是，坯料的材料受热强于基板的材料。

在本发明的一种改进方案中，基板在压制之后变薄，以便在高强度的同时实现透镜阵列整体上更薄的结构。

坯料例如可以作为球体、玻璃坯(单数“Gob”)。加入纤维要简单得多，而加入球体或者玻璃坯时则可以达到压制过程中材料更加均匀分布的目的。

坯料最好由玻璃组成并采用高于玻璃临界温度T_g20-100℃，最好50-60℃的温度压制。

最好使用玻璃临界温度T_g在350到650℃之间的光学玻璃作为玻璃坯料。

特别适用本申请人以下列名称销售的下列光学玻璃：P-PK53、P-SK57、P-SF8、P-LASF47、P-SF67、P-SF68、N-FK51A、N-FK5；N-PK52A、N-PK51、N-LaF33、P-LaF46B。

因为基板玻璃不能变形，所以可以使用其他材料的基板，特别是可以使用玻璃临界温度T_g更高的玻璃。这样例如将由本申请人销售的名称为D263、B270、F2、N-LaF21、N-LaF21、N-LaF33、N-LaF34、N-LaF35、N-LaF36用于基板。

附图说明

下面借助示意示出本发明实施例的附图1至9对本发明进行详细说明。其中：

图1示意示出LED光源；

图2示意示出透镜阵列；

图3和图4以详图示出准直透镜的不同实施方式；

参照图6详细介绍非球面构成的透镜的准直效果；

图5示意示出在本发明的实施例中光束的光程；

图7示出在本发明的实施例中取决于波长的焦点移动；

参照图8详细介绍用于制造透镜阵列的方法；

图9示出用于制造透镜阵列的方法的另一实施方式。

具体实施方式

图1示意示出LED光源1。

LED光源1包括最好设置在电路板(未示出)上的LED 2，其最好作为大功率LED构成。从LED 2发射的光由玻璃制成的非球面构成的准直透镜3准直，使得所发射的光束5基本上平行分布。

准直透镜3设置在板4上，特别是作为透镜阵列的一部分。

图2示意示出透镜阵列6，其包括具有多个准直透镜3的板4。准直透镜3在该实施方式中这样紧密地组装，使它们基本上彼此邻接。

根据所选择的纵宽比，在本实施例中超过0.4，可以达到非常好的准直效果，特别是在阵列6紧密地设置在LED(未示出)前面的情况下。

图3示出准直透镜3的一种实施方式。准直透镜3在该实施例中也设置在板4上。

准直透镜3的纵宽比通过其高度h除以宽度或直径d计算得出。因此重要的仅是拱起的透镜体的高度h。

这里所示透镜的纵宽比约为0.47。

图4示出非球面准直透镜3的另一实施例。在这里所示的实施方式中，板4双层构成。纵宽比略小于图3所示的准直透镜。

图5示出非球面8相对于球面曲线7的曲线。x轴在此反映了与透镜中心点的距离。y轴上标出透镜的高度。

非球面8在此方面这样计算：使其通过非球面曲线8的整个曲线可以进行准直，其中光平行于透镜的中轴线向前照射。

可以看出，球面的曲线在略高于一毫米的半径处就已经终止，因此光不再被“俘获”。而通过非球面8则可以准直具有大得多的发射角的光束。

图6示意示出标注出光程的实施例。可以看出，以约+/-60°的大发射角从LED 2发射的光通过非球面形状的准直透镜3这样偏转，使光束5基本上彼此平行发射。

图6示意示出在本发明的实施例中取决于波长的焦点移动。x轴表示以μm为单位的焦点移动，y轴上标出以μm为单位的波长。通过适当选择玻璃，可以提供在整个可见光范围内具有较小焦点移动的透镜。这种透镜可以用于不同颜色的LED，并且也适用于白光LED。

现参照图8详细介绍用于制造透镜阵列的方法。

在第一个步骤(上面所示)中，将玻璃坯料12(球体、玻璃坯或者纤维)加入压模内。压模包括具有凹坑13的上部10和具有基本上平坦的或者微结构化(例如形成菲涅耳或洛特斯效应结构)的表面的下部11。通过凹坑13预先限定了非球面透镜的形状。

坯料12采用热压法压制，其中至少加热压模的上部10。

坯料12的体积被选择为大于凹坑13的体积。多余的材料向侧面压出并如图8下部所示形成包括准直透镜3以及板4的透镜阵列。板4在该实施例中由与准直透镜3相同的材料构成，因为板4由坯料12的材料压制而成。

现参照图9详细介绍用于压制透镜阵列的方法的一种替代实施例。

与图8所示方法的区别在于，在压模的下部11上放置基板14。其他方面与图8所示的实施方式相同，也就是说，特别是压模的上部10预先限定了非球面透镜3的形状。在该方法的这种实施方式中，也由坯料的材料构成板4，在板上设置透镜3。

板4和基板14大面积相互连接，由此在该实施例中制造的透镜阵列的稳定性高于图8所示的实施例。

板14、4之间的分界面最好基本上平面构成。

这一点例如可以这样来实现，即对于基板14使用玻璃临界温度Th更高的玻璃，或者在加热过程中使板14保持较冷。

不言而喻，本发明并不局限于上述特征的组合，由本领域技术人员将全部特征加以组合也是合理的。

附图标记列表

1LED光源

2LED

3准直透镜

4板

5光束

6透镜阵列

7球面

8非球面

9焦点移动

10压模的上部

11压模的下部

12坯料

13凹坑

14基板

Claims

1.一种LED光源，包括至少一个LED和至少一个由玻璃或者玻璃陶瓷制成的准直透镜，其中所述准直透镜的纵宽比大于0.1。

2.按前述权利要求所述的LED光源，其特征在于，准直光学元件包括自由形状表面，特别是准直光学元件非球面构成。

3.按权利要求1所述的LED光源，其特征在于，准直光学元件球面构成。

4.按前述权利要求之一所述的LED光源，其特征在于，纵宽比大于0.2，优选大于0.3，特别优选大于0.4。

5.按前述权利要求之一所述的LED光源，其特征在于，准直光学元件距LED的距离小于1.5mm，优选小于1.0mm，特别优选小于0.5mm。

6.按前述权利要求之一所述的LED光源，其特征在于，LED光源构成为使得从LED以至少±30°、最好±50°发射的光基本上成束向前发射。

7.按前述权利要求之一所述的LED光源，其特征在于，LED光源包括多个LED和具有多个准直透镜的阵列。

8.按前述权利要求之一所述的LED光源，其特征在于，LED光源构成为使由从LED以距LED的中轴线±60°的发射角发射的光所构成的光束在25cm距离上的扩展小于5cm，最好小于2.5cm。

9.按前述权利要求之一所述的LED光源，其特征在于，准直透镜由折射率n_d大于1.4，优选大于1.5，特别优选大于1.7的材料构成。

10.按前述权利要求之一所述的LED光源，其特征在于，准直透镜由反射率v_d大于35，优选大于40，特别优选大于50的材料构成。

11.按前述权利要求之一所述的LED光源，其特征在于，LED光源包括至少一个大功率LED。

12.按前述权利要求之一所述的LED光源，其特征在于，LED光源设置在透明的板上。

13.按前述权利要求之一所述的LED光源，其特征在于，准直透镜的冠高大于0.1，优选大于0.3，特别优选大于0.5mm。

14.按前述权利要求之一所述的LED光源，其特征在于，准直透镜的直径在0.2到10mm之间，最好在1到5mm之间。

15.一种作为玻璃或者玻璃陶瓷的准直透镜，特别是具有按前述权利要求之一所述的一项或多项特征，其中准直透镜的纵宽比大于0.1，优选大于0.3，特别优选大于0.4，准直透镜的直径小于10mm，最好小于5mm。

16.按前一权利要求所述的准直透镜，其特征在于，准直透镜非球面构成。

17.按权利要求15所述的准直透镜，其特征在于，准直透镜球面构成。

18.一种透镜阵列，包括多个按前述权利要求之一所述的准直透镜。

19.按前一权利要求所述的透镜阵列，其特征在于，透镜设置在玻璃或者玻璃陶瓷构成的板上。

20.按前述权利要求之一所述的透镜阵列，其特征在于，透镜设置在玻璃或者玻璃陶瓷构成的板上，该板具有滤波器或者变频器功能。

21.按前述权利要求之一所述的透镜阵列，其特征在于，透镜设置在玻璃或者玻璃陶瓷构成的板上，该板在一面或者两面上具有产生光学效果的微结构。

22.按前述权利要求之一所述的透镜阵列，其特征在于，板的折射率与透镜的折射率相差小于0.3。

23.按前述权利要求之一所述的透镜阵列，其特征在于，板包括至少两层。

24.按前一权利要求所述的透镜阵列，其特征在于，所述至少两层之间的分界面基本上平面构成。

25.按前述权利要求之一所述的透镜阵列，其特征在于，透镜边缘侧彼此相距小于5mm，优选小于2mm，特别优选小于1mm，特别是直接彼此邻接。

26.按前述权利要求之一所述的透镜阵列，其特征在于，透镜阵列整体构成。

27.一种用于制造透镜阵列、特别是按前述权利要求之一所述的透镜阵列的方法，包括以下步骤：

-将坯料、特别是玻璃坯料加入到具有多个凹坑的压模内；

-将所述坯料压制成透镜，特别是准直透镜，其中所述坯料至少部分相互连接。

28.按前一权利要求所述的用于制造透镜阵列的方法，其特征在于，一面上的形状基本上平面构成。

29.按前述权利要求之一所述的用于制造透镜阵列的方法，其特征在于，在压制时将坯料压在基板上，使坯料的材料与基板连接。

30.按前一权利要求所述的用于制造透镜阵列的方法，其特征在于，使用基板玻璃或者基板玻璃陶瓷。

31.按前述两项权利要求之一所述的用于制造透镜阵列的方法，其特征在于，至少在压制时坯料的材料比基板的材料软。

32.按前述三项权利要求之一所述的用于制造透镜阵列的方法，其特征在于，基质在压制之后被削薄。

33.按前述权利要求之一所述的用于制造透镜阵列的方法，其特征在于，坯料作为球体或者纤维构成。

34.按前述权利要求之一所述的用于制造透镜阵列的方法，其特征在于，使用热压法。

35.按前一权利要求所述的用于制造透镜阵列的方法，其特征在于，坯料由玻璃构成，并采用高于玻璃临界温度T_g20-100℃、最好50-60℃的温度压制。

36.按前述权利要求之一所述的用于制造透镜阵列的方法，其特征在于，使用玻璃临界温度T_g在350到650℃之间的玻璃坯料。

37.按前述权利要求之一所述的用于制造透镜阵列的方法，其特征在于，将坯料压在另一材料的基底上，特别是压在具有另一玻璃临界温度T_g的玻璃基底上。