CN103104884A - 用于环形发光二极管阵列的二次光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于环形发光二极管(LED)阵列的二次光学装置，该装置包括：呈圆形地布置在一平面上的多个LED；以及具有环形反射面的反射器，该反射器定向在所述LED之上，使得从所述LED发射出的光的一部分由所述环形反射面向侧面和后面反射，以形成在所述平面之上和之下具有光分布的径向向外散射光束，并且从所述LED发射出的光的另一部分被向前引导而形成向前投射光束。

Description

用于环形发光二极管阵列的二次光学装置

技术领域

本发明涉及一种照明装置，更具体地说，涉及一种用于环形发光二极管(LED)阵列的二次光学装置。

背景技术

传统的钨丝灯泡有很大的角度分布，其光线几乎可以充满360°的空间范围，除了一部分光线射向前方之外，还有一部分的光线射向后方，除去灯座的遮挡，其光线的分配角度可以达到大约270°至360°左右。而高功率LED，其所有的光线都是射向前方的，光束角大约在120°左右。在某些应用场合，除了向前射的光线外，还需要向后射的光线，要求光源具有很大方位角的配光。室内照明的水晶吊灯，就要求其光源有很大的空间分布角，除了向前方照射之外还需要满足后方以及侧面的照明，以照亮几乎所有的水晶吊片。本发明的目的在于，提出一种光学装置，将LED的光束配成270°～360°范围的超大方位角分布。除了节能之外，在光学特征方面也可以取代传统的钨丝灯泡。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于环形发光二极管阵列的二次光学装置。该装置包括：呈环形地布置在一平面上的多个发光二极管(LED)；以及具有环形反射面的反射器，该反射器定向在所述LED之上，使得从所述LED发射出的光的一部分由所述环形反射面向侧面和后面反射，以形成在所述平面之上和之下具有光分布的径向向外散射光束，并且从所述LED发射出的光的另一部分被向前引导而形成向前投射光束。

根据一个实施方式，所述反射器包括：喇叭口式反射面；以及多个孔口，所述多个孔口贯穿所述反射器并围绕所述反射器沿着圆周方向布置；由此从所述LED发射出的光的第一部分由所述喇叭口式反射面反射以形成所述径向向外散射光束，并且从所述LED发射出的光的第二部分穿过所述孔口而形成所述向前投射光束。所述径向向外散射光束在所述平面之上具有大约30°到大约50°的照射角，而在所述平面之下具有大约45°到大约75°的照射角，并且所述向前投射光束具有大约90°到大约150°的光束角。

根据另一个实施方式，所述反射器包括：第一和第二喇叭口式反射面；多个孔口，所述多个孔口贯穿所述反射器并围绕所述反射器沿着圆周方向布置；由此从所述LED发射出的光的第一部分由所述第一喇叭口式反射面反射以在所述平面之上形成第一径向向外散射光束，从所述LED发射出的光的第二部分由所述第二喇叭口反射面反射以在所述平面之下形成第二径向向外散射光束，并且从所述LED发射出的光的第三部分穿过所述孔口并形成所述向前投射光束。所述第一径向向外散射光束在所述平面之上具有大约30°到大约50°的照射角，所述第二径向向外散射光束在所述平面之下具有大约45°到大约75°的照射角，并且所述向前投射光束具有大约90°到大约150°的光束角。

所述二次光学装置可以具有至少四个LED。所述反射器的厚度可以为大约0.1mm至大约2.0mm。各孔口可以是圆形的并可以具有大约0.5mm到大约2.0mm的直径。两个相邻孔口之间的距离可以为大约0.5mm到大约2.0mm。

根据又一个实施方式，所述反射器采取透镜形式，所述透镜包括：(a)透镜本体；(b)形成在所述透镜本体的底侧上的环形凹部，所述LED位于该环形凹部中，所述环形凹部由中间环形准直面、外环形侧面和内环形侧面限定；(c)形成在所述透镜本体的下部上并从所述外环形侧面向外延伸的外环形全反射面和形成在所述透镜本体的所述下部上并从所述内环形侧面向内延伸的内环形全反射面；(d)实心的中央柱部，该实心的中央柱部形成在所述透镜本体的顶侧处，并具有上部光散射面，该上部光散射面呈具有正弦波形横截面的多个同心环的形式；(e)从所述实心的中央柱部的柱面向外延伸的倒截头圆锥形全反射面；以及(f)形成在所述倒截头圆锥形全反射面和所述外环形全反射面之间的具有正弦波形横截面的环形光散射面。从所述LED发射出并穿过所述外环形侧面的光的第一部分由所述外环形全反射面向上反射，然后由所述倒截头圆锥形全反射面径向向外反射向所述环形光散射面而形成第一径向向外散射光束，从所述LED发射出并穿过所述中间环形准直面的光的第二部分被准直并由所述倒截头圆锥形全反射面径向向外反射向所述环形光散射面而形成第二径向向外散射光束，从所述LED发射出并穿过所述中间环形准直面的光的第三部分被朝向所述上部光散射面准直而形成第一向前投射光束，并且从所述LED发射出并穿过所述内环形侧面的光的第四部分由所述内环形全反射面向上反射向所述上部光散射面而形成第二向前投射光束。

所述第一和第二径向向外散射光束具有大约90°的照射角，并且所述第一和第二向前投射光束具有大约90°的照射角。所述透镜可以进一步包括形成在所述环形光散射面和所述外环形全反射面之间的环形平台。

所述二次光学装置可以进一步包括基本上球形的透光罩，该透光罩用来覆盖所述反射器和所述LED，由此穿过所述罩发射出的光具有大约270°到大约360°的光束角。

附图说明

结合在该说明书中并构成该说明书的一部分的附图示出了本发明的实施方案，与如下描述一起来说明书本发明的优点和原理，在附图中：

图1是根据本发明的实施方式1的二次光学装置的剖视图；

图2示出了实施方式1的LED光源的布置；

图3示出了实施方式1的反射片的不同视图；

图4示出了实施方式1的二次光学装置的光分布；

图5示出了实施方式1在LED球泡灯中的应用；

图6示出了实施方式1的光线追迹；

图7和图8示出了实施方式1的光强的远场角度分布，其中图7是利用逃离光线的方形坎德拉分布图，效率：0.99929-280000光线，最小：1.3616cd，最大：81.202cd，总通量：799.44lm，图8是利用逃离光线的极坐标坎德拉分布图，效率：0.99929-280000光线，最小：1.3616cd，最大：81.202cd，总通量：799.441m；

图9是LED球泡灯的光线追迹；

图10是采用实施方式1的LED球泡灯的远场光分布曲线；

图11是根据本发明的实施方式2的二次光学装置的剖视图；

图12示出了实施方式2的反射片的不同视图；

图13示出了实施方式2的二次光学装置的光分布；

图14和图15示出了实施方式2的计算机模拟；

图16示出了根据本发明的实施方式3的环形LED光源的布置；

图17示出了根据本发明的实施方式3的二次光学装置的剖视图；

图18示出了实施方式3的二次光学装置的光分布；

图19示出了实施方式3的二次光学装置的光分布；

图20示出了实施方式3的光线追迹；

图21示出了实施方式3的光强的远场角度分布；以及

图22示出了当芯片尺寸为0.2×0.2时实施方式3的光强的远场角度部分。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的实施方式。

实施方式1：

图1为根据本发明的实施方式1的剖视图。附图标记3为根据该实施方式的呈环形排列的发光二极管(LED)阵列光源，字母E为LED阵列光源发光面的中心点，附图标记1为反射片或反射器，其由两个具有不同弧度的喇叭口式环形小反射面11a及11b组成，附图标记12为反射器上的通孔或孔口，字母OZ为反射器的回转轴。

图2为该实施方式的LED光源的排列，LED 3可以为由4个或4个以上各种贴片LED、半球形封装的LED排成环形的LED光源阵列，本实施方案优选为8颗

的MX6贴片LED，排成一个圆环形的光源。

图3为该实施方式的反射片的3D视图。反射片1由一个或一个以上的喇叭口式小反射面组成，本实施方案优选为由两个具有不同弧度的喇叭口式环形小反射表面11a及11b组成；反射片上有很多小通孔或孔12，通孔或孔口的形状为圆形或者多边形，本实施方案优选为圆形的通孔；通孔的直径在0.5mm～2mm之间，小通孔的排列间距为0.5mm～2mm之间，本实施方案优选通孔的直径为1mm，通孔的间距为1.5mm。该实施方式的反射片1的厚度在0.1～2mm之间，本实施方案优选反射片的厚度为1mm。反射面11a和11b的光学特性为镜面反射或漫反射，其他部分为任意的光学特性。本实施方式的反射片，其通孔的排列方式、通孔直径、通孔间距、以及反射片的厚度，可根据具体的应用情况变化。

图4为该实施方式的设计原理。其中反射片1将从环形LED阵列光源3射出的光分成两部分，一部分光经过反射面11a和11b反射向侧面及后方，另一部分光则透过反射片的通孔12沿原路向前方透射出去。其中经反射面11a反射的光线均匀分配到与水平面EH以下成0～α的角度，α在45°～75°之间，这里优选α为45°，即反射面11a的边缘光线与光轴OZ的夹角为θ＝45°；经反射面11b反射的光线则均匀分配到与水平面EH以上成0～β的角度，β在30°～50°之间，这里优选β角为30°；反射面11a和11b的光学特性为镜面反射或者为漫反射，这里优选为镜面反射。直接透过反射片的通孔12沿原路射向前方的光线，其光束角在Ψ范围之内，Ψ在90°至150°之间，这里优选为90°。反射片上的通孔12，其大小及疏密度可调，直至射向前方、侧面以及后方的光强分布比较均匀。图5为实施方式1在LED球泡灯中的应用，球泡灯中用了该实施方案的二次光学装置，球泡灯可以采用基本为球形的透光罩18的形式，诸如磨砂的、或者是半透明的乳白色玻璃或塑料灯罩，其可以实现光束角为270°～360°的大空间角的光度分布。出射光几乎可以充满整个空间。

以下为该实施方案的计算机模拟，图6为该实施方式的光线追迹，图7、图8分别为该实施方式的光强的远场角度直角坐标分布以及光强的远场角度极坐标分布，可以看出该实施方式在270°(±135°)的范围内，其光强分布的均匀度可以达到70％左右。

图9为采用实施方式1加装磨砂灯罩的LED球泡灯的光线追迹，图中假设球泡灯的灯罩为散射率50％的磨砂玻璃灯罩。图10为采用实施方式1的LED球泡灯的配光曲线，可以看出，加上了散射率50％的磨砂玻璃灯罩之后，其配光曲线变成了圆滑的桃子形，光束角分布充满了360°。

实施方式2：

该发明所涉及的将环形LED配成270°～360°范围的超大方位角分布的方案，还可以如以下所述。图11为该实施方式2的剖视图，与实施方式1的区别是：反射片或反射器21为单个连续的环形反射面，其反射片直径及高度比实施方式1较大；其工作面为喇叭口式环形反射面211，将从LED入射的一部分光线反射向侧面及后方，实现侧面及后方的连续配光的作用，其光学特性为镜面反射或者为漫反射；反射片上也有许多微小的通孔或孔口212，其将从LED入射的一部分光线沿原路射向前方。实施方式2同实施方式1在反射面的配光算法上基本相同，只是由于实施方式2采用的是连续配光，其反射片21为单个连续的环形反射面，所以反射片直径及高度比实施方式1较大，但其对装配位置误差、尺寸误差、加工误差、以及反射率的误差较不敏感。

图12为该实施方式的反射片21的视图。反射片由一圈环形的连续反射片组成；反射片上有很多小通孔212，通孔的形状为圆形或者多边形，本实施方案优选为圆形通孔；通孔的直径在0.5mm～2mm之间，小通孔的排列间距为0.5mm～2mm之间，本实施方案优选通孔的直径为1mm，通孔的间距为1.5mm。该实施方式的反射片的厚度在0.1～2mm之间，本实施方案优选反射片的厚度为0.5mm。反射面211的光学特性为镜面反射或漫反射，这里优选为镜面反射，其他部分为任意的光学特性。LED也可以由4个以上各种贴片LED、半球形封装的LED排成环形的LED光源阵列，本实施方案优选为8颗

的MX6贴片LED，排成一个圆环形的光源。

图13为该实施方式的设计原理。其中反射片21将从环形LED阵列光源3射出的光分均匀分配到与水平面EH以上成0～β的角度，以及以下0～α的角度，其中β在30°～50°之间，这里优选β角为30°，α在45°-75°之间，这里优选α为45度；反射面211的光学特性为镜面反射或者为漫反射，这里优选为镜面反射。直接透过反射片的通孔212沿原路射向前方的光线，其光束角在Ψ范围之内，Ψ在90°至150°之间，这里优选为90°。反射片上的通孔12，其大小及疏密度可调，直至射向前方、侧面以及后方的光强分布比较均匀。

图14、图15为该实施方案的计算机模拟结果，其分别为该实施方式的光强的远场角度极坐标分布以及光强的远场角度直角坐标分布，可以看出该实施方式在270°(±135°)的范围内，其光强分布的均匀度可以达到60％左右，配光曲线类似于一个桃子的形状。

实施方式3：

本发明所涉及的环形LED阵列的二次光学装置。其结构特征也可以为折射-全反射透镜，其折射部分将一部分光射向前方配成90°～120°的光分布，全反射部分则将一部分光射向侧面90°及后面直至270°～360°方位的光分布。图16为实施方式3的环形LED光源的排列，其为多个LED芯片排列成一个圆圈，上面再涂敷荧光粉封装而成，LED芯片的大小可以根据具体情况决定，本方案优选每个LED芯片的尺寸为1×1mm。

图17为本实施方式所涉及的采用折射-全反射透镜的二次光学装置的剖面图。图18为该实施方式的二次光学透镜的视图。在图中，附图标记3为该实施方案的环形LED光源，附图标记32及33分别为透镜外侧及内侧的外和内环形全反射面(TIR-total internal reflect)，附图标记31为正对LED光源的环形准直面，附图标记34为倒截头圆锥形的全反射面，附图标记36为采用具有正弦波形横截面的多个同心环形式的上部光散射面，其面积约占透镜全口径面积的一半，附图标记35为连接透镜顶部上部上的光散射面和倒截头圆锥形全反射面的柱面，附图标记37为具有正弦波形横截面的环形光散射面，38为连接环形光散射面37和外环形全反射面32的平台，其用于装配时的定位。

图19为实施方式3的设计原理。从环形LED光源发出的光，与光轴OZ的夹角在±40°以内的光线，经过其上面的环形准直面31准直，准直后的光线被分成两部分，其中内侧部分的光线通过上部光散射面36射出，该上部光散射面36将出射光线配成大约90°范围的均匀的光度分布；另一部分经过环形准直面31准直后的外侧部分的光线则通过透镜的倒截头圆锥形全反射面34向侧面反射，再经过环形光散射面37进行配光，该环形光散射面将出射光线配成往侧面大约90°范围的均匀光度分布。从环形LED光源发出的光，与光轴OZ的夹角在±40°～±90°范围的光线，经过环形侧面30，入射到外环形全反射面32及内环形全反射面33上，全反射面再将入射光线按照平行于光轴的方向反射，其中被内环形反射面33反射的一部分光线，通过透镜顶部的上部光散射面36射出，配成大约90°范围均匀的光度分布，另一部分被外环形反射面32反射的光线，通过透镜的倒截头圆锥形全反射面34向侧面反射，再经过环形光散射面37进行配光，配成往侧面大约90°范围的均匀光度分布。来自光散射面36和37的配光相互叠加，可以形成在方位角大约270°范围的光度分布。

图20为该实施方式的光线追迹。图21为该实施方式的光强的远场角度分布(配光曲线)，与实施方式1和2相比，该方案往前方的发光强度偏强，配光曲线成水瓶状，适合于灯具下方照度要求较高的照明场合。

实施方式3中当单颗芯片的尺寸较小时(如0.2×0.2mm)，而且荧光粉涂敷较为紧密、涂敷面积较小时，其光强的远场角度分布也可以实现比较均匀的分布，配光曲线类似于一个桃子的形状，如图22所示。

为了说明和描述的目的示出了本发明的上述实施方式，其目的并不是为了穷尽本发明或将本发现限于所公开的确切形式。在本发明的教导下，本领域技术人员可以对上述实施方式进行各种修改和改变，这些改变和修改都在本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种用于环形发光二极管阵列的二次光学装置，该装置包括：

(a)呈环形地布置在一平面上的多个发光二极管(LED)；以及

(b)具有环形反射面的反射器，该反射器定向在所述LED之上，使得从所述LED发射出的光的一部分由所述环形反射面向侧面和后面反射，以形成在所述平面之上和之下具有光分布的径向向外散射光束，并且从所述LED发射出的光的另一部分被向前引导而形成向前投射光束。

2.根据权利要求1所述的二次光学装置，其中所述反射器包括：

(a)喇叭口式反射面；以及

(b)多个孔口，所述多个孔口贯穿所述反射器并围绕所述反射器沿着圆周方向布置；

(c)由此从所述LED发射出的光的第一部分由所述喇叭口式反射面反射以形成所述径向向外散射光束，并且从所述LED发射出的光的第二部分穿过所述孔口而形成所述向前投射光束。

3.根据权利要求2所述的二次光学装置，其中所述径向向外散射光束在所述平面之上具有大约30°到大约50°的照射角，而在所述平面之下具有大约45°到大约75°的照射角，并且所述向前投射光束具有大约90°到大约150°的光束角。

4.根据权利要求1所述的二次光学装置，其中所述反射器包括：

(a)第一和第二喇叭口式反射面；

(b)多个孔口，所述多个孔口贯穿所述反射器并围绕所述反射器沿着圆周方向布置；

(c)由此从所述LED发射出的光的第一部分由所述第一喇叭口式反射面反射以在所述平面之上形成第一径向向外散射光束，从所述LED发射出的光的第二部分由所述第二喇叭口反射面反射以在所述平面之下形成第二径向向外散射光束，并且从所述LED发射出的光的第三部分穿过所述孔口并形成所述向前投射光束。

5.根据权利要求4所述的二次光学装置，其中所述第一径向向外散射光束在所述平面之上具有大约30°到大约50°的照射角，所述第二径向向外散射光束在所述平面之下具有大约45°到大约75°的照射角，并且所述向前投射光束具有大约90°到大约150°的光束角。

6.根据权利要求1所述的二次光学装置，该二次光学装置包括至少四个LED。

7.根据权利要求1所述的二次光学装置，其中所述反射器的厚度为大约0.1mm至大约2.0mm。

8.根据权利要求2或4所述的二次光学装置，其中各孔口是圆形的并具有大约0.5mm到大约2.0mm的直径。

9.根据权利要求2或4所述的二次光学装置，其中两个相邻孔口之间的距离为大约0.5mm到大约2.0mm。

10.根据权利要求1所述的二次光学装置，其中所述反射器采取透镜形式，所述透镜包括：

(a)透镜本体；

(b)形成在所述透镜本体的底侧上的环形凹部，所述LED位于该环形凹部中，所述环形凹部由中间环形准直面、外环形侧面和内环形侧面限定；

(c)形成在所述透镜本体的下部上并从所述外环形侧面向外延伸的外环形全反射面和形成在所述透镜本体的所述下部上并从所述内环形侧面向内延伸的内环形全反射面；

(d)实心的中央柱部，该实心的中央柱部形成在所述透镜本体的顶侧处，并具有上部光散射面，该上部光散射面呈具有正弦波形横截面的多个同心环的形式；

(e)从所述实心的中央柱部的柱面向外延伸的倒截头圆锥形全反射面；以及

(f)形成在所述倒截头圆锥形全反射面和所述外环形全反射面之间的具有正弦波形横截面的环形光散射面；

(g)由此从所述LED发射出并穿过所述外环形侧面的光的第一部分由所述外环形全反射面向上反射，然后由所述倒截头圆锥形全反射面径向向外反射向所述环形光散射面而形成第一径向向外散射光束，从所述LED发射出并穿过所述中间环形准直面的光的第二部分被准直并由所述倒截头圆锥形全反射面径向向外反射向所述环形光散射面而形成第二径向向外散射光束，从所述LED发射出并穿过所述中间环形准直面的光的第三部分被朝向所述上部光散射面准直而形成第一向前投射光束，并且从所述LED发射出并穿过所述内环形侧面的光的第四部分由所述内环形全反射面向上反射向所述上部光散射面而形成第二向前投射光束。

11.根据权利要求10所述的二次光学装置，其中所述第一和第二径向向外散射光束具有大约90°的照射角，并且所述第一和第二向前投射光束具有大约90°的照射角。

12.根据权利要求10所述的二次光学装置，其中该二次光学装置还包括形成在所述环形光散射面和所述外环形全反射面之间的环形平台。

13.根据权利要求2、4或10所述的二次光学装置，该二次光学装置还包括基本上球形的透光罩，该透光罩用来覆盖所述反射器和所述LED，由此穿过所述罩发射出的光具有大约270°到大约360°的光束角。

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