CN101968166A - 发光二极管模组 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管模组，其包括一发光二极管及一与之搭配的透镜，该发光二极管具有一第一光轴，所述透镜具有一入光面及出光面，该第一光轴穿过透镜的入光面，至少一平面经过发光二极第一光轴而与透镜的出光面相交，发光二极管模组在该平面内自透镜的出光面出射的任意光线在其与第一光轴夹角α处的光强为I_α，该平面内的出射光线满足以下公式：

。该发光二极管模组可获得满意的输出光形，特别适用于道路照明的需求。

Description

发光二极管模组

技术领域

本发明涉及一种二极管模组，特别是指一种发光二极管模组。

背景技术

作为一种新兴的光源，发光二极管凭借其发光效率高、体积小、重量轻、环保等优点，已被广泛地应用到当前的各个领域当中，大有取代传统光源的趋势。

传统的发光二极管路灯内通常安装有多个发光二极管。由于路灯一般被安装于道路的一侧，发光二极管所发出的光线必须经过相应的调整才能照射道路上指定区域，从而满足行驶的车辆照度的需要。目前通常是在灯具使用反光板来对光源的光线进行反射，使之能够朝向预定的方向出射。然而，由于反光板仅能对发光二极管偏离其光轴较大角度的光线进行反射，对于光轴附近的光线则鞭长莫及，而光轴附近的这部分光线的光强一般较大，不能对其调整分配达致所需光形，难以满足实际照明需求。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种发光二极管模组，其可按需调节发光二极管的总出光进而达致合理的光形。

一种发光二极管模组，其包括一发光二极管及一与之搭配的透镜，该发光二极管具有一第一光轴及一出光面，所述透镜具有一入光面及出光面，该第一光轴穿过透镜的入光面，至少一平面经过发光二极管第一光轴而与透镜的出光面相交，在该平面内自透镜的出光面出射的任意光线在其与第一光轴夹角α处的光强为I_α，该平面内的出射光线满足以下公式：

${\∫}_{-\mathrm{\π}/2}^0{I}_{\mathrm{\α}}\mathrm{d\α}>{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}{I}_{\mathrm{\α}}\mathrm{d\α}.$

显然，发光二极管发出的光线可经由透镜的入光面射入到透镜内，经过透镜调整之后再经由其出光面出射。在满足上述公式条件下，发光二极管模组在-90至0度范围内的光通量要大于0至90度范围内的光通量，实现按需向特定一侧偏射的效果，进而获得特定光形。

特别地，在-90至90度的范围内，输出光符合公式

${\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}/4}{I}_{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{d\&alpha;}<{\&Integral;}_{-\mathrm{\&pi;}/4}^0{I}_{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{d\&alpha;};$ ${\&Integral;}_{\mathrm{\&pi;}/4}^{\mathrm{\&pi;}/2}{I}_{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{d\&alpha;}={\&Integral;}_{-\mathrm{\&pi;}/2}^{-\mathrm{\&pi;}/4}{I}_{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{d\&alpha;}.$

将上述平面围绕第一光轴旋转时，该平面内任意角度处的光强将随着平面的旋转在空间内呈连续分布。

更进一步地，对于平面内的某些角度，其光强会随着平面的旋转而呈增加的趋势；对于另外一些角度，其光强会随着平面的旋转呈减小的趋势。

下面参照附图，结合具体实施例对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1是本发明的发光二极管模组的立体组装图。

图2是图1的倒置图，此时发光二极管模组的发光二极管被移去以方便观察。

图3是图1沿剖线III-III的截面图。

图4是图1沿剖线IV-IV的截面图。

图5是图1的俯视图。

图6示出了图1的发光二极管模组在工作时的配光曲线。

图7示出了发光二极管模组的示例光路。

图8示出了透镜的0-180度平面及90-270度平面。

图9示出了透镜出射的任意光线在0-180度平面内的偏角。

图10示出了透镜出射的任意光线在90-270度平面内的偏角。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明的发光二极管模组包括一发光二极管10及一罩设发光二极管10的透镜20。该发光二极管10包括一开设一凹槽120的矩形基座12、一固定于凹槽120内的发光二极管芯片14、一填充凹槽120并向上凸出的透明封罩16及一固定于基座12底部的矩形底板18。该凹槽120的内壁面用于将发光二极管芯片14所发出的光线朝上集中反射，以提升发光二极管10的出光效率。该封罩16的上部呈半球形，其外周面形成发光二极管10的出光面100。该封罩16用于将发光二极管10内部的光线汇聚，使输出光束更为集中。该发光二极管10具有一光轴I(本发明所称“光轴”是指经过面的几何中心且与面垂直的假想直线，下同)，自封罩16出射的光线在该光轴I附近具有最大的强度。

请一并参阅图4-5，该透镜20由光学性能优越的透明材料一体成型，如PMMA或PC塑料。为方便后续描述，此处引入一平面直角坐标系(如图1)，其中x轴对应于透镜20的长度方向(即前后方向)，y轴对应于透镜20的宽度方向(即左右方向)，且由x及y轴所共同定义出的平面垂直于发光二极管10的光轴I。该透镜20包括一支撑部22、一导光部26及支撑部22与导光部26之间的连接部24。在本发明中，该支撑部22大致呈矩形，导光部26大致呈圆顶形，可以理解地，该支撑部22及导光部26还可根据实际需求变化为其他形状。该支撑部22的前后两侧分别开设二弧形的缺口220。该连接部24亦大致呈矩形，其面积小于支撑部22的面积。该连接部24形成于支撑部22的顶面，其右侧亦开设一弧形的缺口240。该连接部24的缺口240的面积小于支撑部22的缺口220面积。该连接部24的前后两侧与支撑部22的二缺口220的最内端相对齐。该导光部26形成于连接部24上表面的偏左的位置，其包括一隆起的自由曲面260及二椭球面262。该自由曲面260位于导光部26的中部，其宽度从前后两侧向中部递减。二椭球面262分别位于该自由曲面260左右两侧相对连接部24倾斜，每一椭球面262的宽度从前后两侧向中部递增。自由曲面260与二椭球面262共同形成透镜20的出光面200。该出光面200具有一光轴II，其与光轴I彼此隔开且靠近发光二极管模组的左侧(如图4)。

该透镜20在其支撑部22的底面的中部区域设一开槽222。该开槽222四角处分别形成四内伸的尖角，从而使开槽呈交叉十字形，四尖角用于抵靠发光二极管10底板18的四侧壁，以将发光二极管10定位于透镜20内。该透镜20在该开槽222的顶面的中部区域开设一上凹的自由曲面224，并在该自由曲面224的顶面的中部进一步形成一进一步上凹的球面226(如图4)。该透镜20在其自由球面224的前后两端被截去一部分而形成二台阶228，用于抵压发光二极管10基座12的顶面而对发光二极管10定位。该自由曲面224位于台阶228之上的部分与球面226共同形成透镜20入光面221，发光二极管10出射的光线经该入光面221射入透镜20的内部。该入光面221具有一光轴III，其位于光轴I及光轴II之间且靠近光轴I。光轴I穿过球面226及自由曲面260，光轴II穿过自由曲面224。该三光轴彼此平行共面，三者共同形成的平面将透镜20前后等分。由于透镜20的入光面221的光轴III相比于发光二极管10出光面100的光轴I靠向透镜20左侧，自发光二极管10出射的大部分光线均被透镜20的入光面221向左偏折，并经过相比于光轴III更靠左的出光面200所折射而进一步向左偏折。由此，本发明的发光二极管模组的透镜20可将发光二极管10的大部分光线均集中在其左侧。

基于此种在y轴方向不对称而在x轴方向对称的设计，发光二极管模组的最终输出光形参阅图6并结合图4，其中虚线所标示，在透镜20左侧，输出光的光强自光轴I向左侧首先渐增并在d处达到最大，然后再递减并在e处衰减至较弱的水平，在f处衰减为十分微弱的水平，进而继续衰减为0。而在透镜20右侧，输出光强则一直保持向右递减的趋势，其中在a处的光强比在e处的光强略大，在b处的光强与e处的光强相当，在c处的光强与f处的光强相近。参阅图6中用实线标示的曲线，在透镜20前后两侧光形大致对称，光强则自光轴I处向前后方向渐增并在gh两处达到最大，然后再骤减为0。

请一并参阅图7-8，由上述分析可知，在90-270度平面(经过光轴I并平行于透镜20前后两侧的平面)内，相对于光轴I在其左右两侧对称出射的最终输出光线具有的强度大部分均不相同。更进一步地，设定自透镜20的出光面200出射的任意光线在其与光轴I的夹角α处具有光强I_α，那么当-45度＜α＜45度时(定义朝向右侧出射的光线与光轴I的夹角为正值，朝向左侧出射的光线与光轴I的夹角为负值)，左侧光线的强度将大于右侧光线的强度；当45度≤α＜67.5及-67.5度≤α＜-45度时，两侧的光强大致相等；当α≥67.5度及α≤-67.5时，两侧光强趋近于零。由上述关系，可进一步推导出下列公式：

${\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}/4}{I}_{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{d\&alpha;}<{\&Integral;}_{-\mathrm{\&pi;}/4}^0{I}_{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{d\&alpha;};$

${\&Integral;}_{\mathrm{\&pi;}/4}^{\mathrm{\&pi;}/2}{I}_{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{d\&alpha;}={\&Integral;}_{-\mathrm{\&pi;}/2}^{-\mathrm{\&pi;}/4}{I}_{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{d\&alpha;}.$

另外，当将90-270度平面绕光轴I朝向0-180度平面(0-180度平面为经过光轴I与90-270平面垂直的平面)旋转时，为确保输出光形的连续性，90-270平面内的任意角度的光强在平面的旋转过程中始终保持连续分布，以避免在被照物体上产生暗区。

应当指出，上述公式是建立在90-270度平面内的，可以理解地，由于透镜20的特殊构造，介于90-270度平面及0-180度平面内并经过光轴I的至少部分其它平面内的光线也满足上述公式。因此，对于上述各公式适用的范围不应当仅仅局限于上述实施例所列举的90-270度平面，本领域技术人员可根据实际情况拓展至其它平面内。

请参阅图8-10，该透镜20在三维空间内对发光二极管10光线的调节亦遵循一定规律。参见图8，取自透镜20出光面200任意一处出射的光线，其在三维空间内具有矢量

(图8为透镜的俯视图，由于该俯视图的局限性，因此从图8来看该矢量仅为平行于透镜底面，实际上，该矢量

还应当在沿光轴I的方向上有一定延伸量)。该矢量

在0-180度平面及90-270度平面上投影出二分量

及

三者满足关系

该分矢量

在0-180度平面内与光轴I成夹角φ，设定当该分矢量

朝向透镜20前侧出射时与光轴I的夹角为负值，朝向透镜20后侧出射时与光轴I的夹角为正值，那么夹角φ的变化范围为-90～90度。分矢量

在90-270度平面内与光轴I成夹角θ，设定当该分矢量

朝向透镜20左侧时与光轴I的夹角为负值，朝向透镜20右侧时与光轴I的夹角为正值，那么夹角θ的变化范围亦为-90～90度。定义光矢量

的强度为I(φ，θ)，由透镜20出光面200出射的光在三维空间内符合公式

其中Φ₁及Φ₂分别为相应的光通量，二者满足关系Φ₁＞Φ₂。

由上述公式可知，透镜20可将发光二极管10的光线在三维空间内调节成理想状态，使朝向不同空间方向出射的光通量相异，从而获得良好的偏光效果。

应当指出，上述公式仅仅是取90-270度及0-180度二平面作为参考平面而得出的，可以理解地，还可以从透镜20上截取其它经过光轴I且彼此垂直的二平面作为参考平面，上述公式同样适用于其它这些平面中的至少一部分平面。

当将多个发光二极管模组应用于安装于道路一侧的路灯或其它室外照明灯具内时，使其x轴与道路纵向平行，y轴与道路横向平行且其缺口240朝向道路外侧，这些发光二极管模组的大部分输出光将沿道路横向投射在道路的中部，从而为道路上行驶的车辆提供充分的照度。此外，输出光沿道路纵向呈现对称分布，其可使道路纵向获得一较为均匀的照明，以确保车辆的行驶安全。

综上所述，由于透镜20位于发光二极管10的上方，发光二极管10所出射的光线均必须经过透镜20的入光面221之后才能自其出光面200出射至外部空间内，因此，发光二极管10出射的光线中，无论是大角度偏离光轴I的光线，还是位于光轴I附近的光线，均会被透镜20所调整，从而使最终输出光具有一理想的光形分布。

在上一实施例中，透镜20的入光面221及出光面200以及发光二极管10的出光面100两两错开(即面的中心不正对)，可以理解地，在不对输出光造成太大影响的情况下，透镜20的入光面221及出光面200以及发光二极管10的出光面100中也可仅有两个彼此错开。例如，将透镜20的入光面221与其出光面200正对而仅将发光二极管10的出光面100错开，或者将透镜20的出光面200与发光二极管10的出光面100正对而仅将透镜20的入光面221错开，以及将透镜20的入光面221与发光二极管10的出光面100正对而将透镜10的出光面200错开等等。当然，三者均错开可更有效地实现偏光作用。

还可以理解地，由于透镜20的左右两侧不等的厚度亦是促成左右两侧出射光强相异的因素之一，因此，通过调节透镜20左右两侧厚度间的差值，可调整发光二极管模组的整体偏光效果。

应当指出，本发明所称的“轴穿过面”是指轴线不完全落在面内，即轴线至少有一部分穿出于面外，本发明所称的“面经过轴”则是指轴完全落在面内，本发明所称的“两个面交于轴”是指两个面的交线与轴重合，本发明所称的“面相对面偏置”是指两个面之间彼此错开。

另外，本发明所称的“入光面”及“出光面”是指有光线经过的面，没有光经过的面不能称为本发明的“入光面”及“出光面”。

应当指出，在本发明中，经过光轴的平面是假想的平面，实体面则存在于发光二极管10及透镜20构造上。

可以理解地，虽然本发明的透镜20是用于替代传统技术中的反光板来对发光二极管10的光线进行调整，但并不排除将传统技术中的发光板与本发明的透镜20一同使用的情形。实际上，透镜20与反光板组合使用能更精准地对发光二极管10的光线调整，使输出光形更能满足道路照明的需求。另外，虽然上述实施例中的发光二极管模组是以应用于道路照明来举例，但是在需要与该发光二极管模组配光曲线相同或相近的其它场合也适用，如走廊、庭院、机场跑道等，而不应当将本发明的主旨理解为局限于道路照明。

另外，应当理解地，本发明所称的照明不仅仅局限于各种灯具，其它相关光学应用，如指示、标识、背光等亦属于本发明所称的照明领域。

Claims (29)

1.一种发光二极管模组，其包括一发光二极管及一与之搭配的透镜，该发光二极管具有一第一光轴，所述透镜具有一入光面及出光面，其特征在于：该第一光轴穿过透镜的入光面，至少一平面经过发光二极管第一光轴而与透镜的出光面相交，在该平面内自透镜的出光面出射的任意光线在其与第一光轴夹角α处的光强为I_α，该平面内的出射光线满足以下公式：

${\&Integral;}_{-\mathrm{\&pi;}/2}^0{I}_{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{d\&alpha;}>{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}/2}{I}_{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{d\&alpha;}.$

2.如权利要求1所述的发光二极管模组，其特征在于：在上述平面内的输出光线还满足公式：

3.如权利要求1所述的发光二极管模组，其特征在于：将上述平面绕第一光轴旋转时，该平面内任意角度处的光强随着平面的旋转在空间内呈连续分布。

4.如权利要求1所述的发光二极管模组，其特征在于：该透镜的出光面相对于其入光面向发光二极管第一侧偏置。

5.如权利要求1所述的发光二极管模组，其特征在于：该透镜的出光面包括二椭球面及一连接该二椭球面的第一自由曲面。

6.如权利要求5所述的发光二极管模组，其特征在于：该第一自由曲面的宽度自两端向中间逐渐减小，每一椭球面的宽度自两端向中间逐渐增大。

7.如权利要求1所述的发光二极管模组，其特征在于：该透镜的入光面包括一内凹的第二自由曲面及一位于该第二自由曲面中部的进一步内凹的球面。

8.如权利要求4所述的发光二极管模组，其特征在于：该发光二极管包括一出光面，该透镜的入光面相比于发光二极管的出光面向发光二极管的第一侧偏置。

9.如权利要求1至8任一项所述的发光二极管模组，其特征在于：该透镜的出光面具有一第二光轴，该透镜的入光面具有一第三光轴，该第三光轴位于第一光轴及第二光轴之间且更靠近第一光轴。

10.如权利要求9所述的发光二极管模组，其特征在于：该第一光轴、第二光轴及第三光轴彼此平行且共面，三者共同定义出上述平面。

11.如权利要求1所述的发光二极管模组，其特征在于：该透镜在第一光轴两侧的厚度不等。

12.如权利要求4所述的发光二极管模组，其特征在于：该透镜沿第一方向不对称，沿第二方向对称。

13.如权利要求12所述的发光二极管模组，其特征在于：该第一方向为从透镜的第一侧朝向其与第一侧相对的第二侧延伸的方向，第二方向垂直第一方向。

14.如权利要求1所述的发光二极管模组，其特征在于：该透镜的入光面内凹，该透镜的出光面外凸，发光二极管收容于透镜内。

15.一种发光二极管模组，其包括一具有第一光轴的发光二极管及一与该发光二极管搭配的透镜，该透镜具有一出光面及入光面，该发光二极管具有一出光面，其特征在于：该发光二极管的光轴穿过透镜的入光面及出光面，二彼此垂直的第一平面及第二平面相交于第一光轴，自透镜出光面射出的任意光线在第一平面内的分量与第一光轴成夹角φ，在第二平面内的分量与第一光轴成夹角θ，该任意光线的强度为I(φ，θ)，自透镜出光面出射的光线满足公式

其中Φ1＞Φ2。

16.如权利要求15所述的发光二极管模组，其特征在于：该透镜的出光面及入光面以及发光二极管的出光面中至少有两个彼此错开。

17.如权利要求16所述的发光二极管模组，其特征在于：该透镜的出光面相比其入光面向发光二极管的一侧偏置。

18.如权利要求17所述的发光二极管模组，其特征在于：该透镜的入光面相比发光二极管的出光面向发光二极管的一侧偏置。

19.如权利要求15所述的发光二极管模组，其特征在于：该透镜的出光面包括二椭球面及连接该二椭球面的第一自由曲面，第一光轴穿过该第一自由曲面。

20.如权利要求19所述的发光二极管模组，其特征在于：每一椭球面的宽度自透镜相对两端向中部逐渐增大，第一自由曲面的宽度自透镜相对两端向中部逐渐减小。

21.如权利要求15所述的发光二极管模组，其特征在于：该透镜的入光面包括一第二自由曲面及一形成于第二自由曲面上的球面。

22.如权利要求21所述的发光二极管模组，其特征在于：该球面位于第二自由曲面的中部，第一光轴穿过该球面。

23.如权利要求21所述的发光二极管模组，其特征在于：该第二自由曲面内凹，该球面相比第二自由曲面进一步内凹。

24.如权利要求15所述的发光二极管模组，其特征在于：该透镜的入光面具有一第二光轴，透镜的出光面具有一第三光轴，该第一光轴、第二光轴及第三光轴彼此平行且共面。

25.如权利要求24所述的发光二极管模组，其特征在于：第一光轴与第二光轴的间距小于第三光轴与第二光轴的间距。

26.如权利要求15至25任一项所述的发光二极管模组，其特征在于：该透镜在第一光轴两侧的厚度不等。

27.如权利要求15至25任一项所述的发光二极管模组，其特征在于：该透镜关于第一平面不对称，关于垂直于第一平面的一第三平面对称。

28.如权利要求15至25任一项所述的发光二极管模组，其特征在于：该发光二极管的出光面与透镜的入光面隔开。

29.如权利要求15至25任一项所述的发光二极管模组，其特征在于：该发光二极管完全收容于透镜内。

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