CN103307549B - 透镜以及采用该透镜的球型发光器件灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种透镜以及采用该透镜的球型发光器件灯。该透镜用于改变入射照明光的光分布并发射照明光，该透镜包括光入射面、顶表面和侧表面，光入射面是曲面，顶表面是平坦的并且经由光入射面入射的光的至少一部分经由顶表面发出，侧表面是不平坦的并且经由光入射面入射的光的至少一部分经由侧表面发出。球型发光器件灯包括透镜以及包括一个或多个发光器件的发光器件封装。

Description

透镜以及采用该透镜的球型发光器件灯

技术领域

依照示例性实施例的装置涉及用于改变入射光的光分布的透镜以及通过采用该透镜而具有大的光分布范围的球型发光器件灯。

背景技术

发光二极管（LED）是通过利用化合物半导体的特性而将电信号转换为光的半导体发光器件。相比于其它类型的发光器件，诸如LED的半导体发光器件具有长寿命，使用低电压，并且需要小功耗。此外，半导体发光器件可以具有快速的响应速度以及优良的抗冲击性，并且可以是小型的以及轻重量的。在需要时，半导体发光器件可以根据所采用的半导体的类型和成分而产生和发射具有不同波长的光。近来，采用高亮度的发光器件芯片的照明装置正在取代现有的荧光灯和白炽电灯。

例如，一般而言，LED灯泡可以由帽、热辐射结构、驱动电路、印刷电路板（PCB）、LED以及盖形成。一般而言，盖由半球形玻璃材料或者半圆形塑料材料（诸如丙烯酸树脂、聚碳酸酯等）形成。此外，为了在LED灯泡中的LED上形成屏蔽（screen），关于玻璃盖，在玻璃盖的内表面上形成白扩散涂层，而关于塑料盖，在盖材料中混合扩散材料以实现光扩散效果。

然而，采用半导体发光器件的照明灯仅在向前方向上发射光，而不是在每个方向上发射光，因此采用半导体发光器件的照明灯的光扩散特性显著地不同于现有的白炽电灯泡的光扩散特性。例如，LED灯泡在向前方向上（在0°方向上）发射最大量的光，光发射量随着角度增加而减少，因此光发射量在大约±90°几乎为0。另一方面，一般白炽电灯泡的光发射量从0°方向至大约±130°方向不减少并且几乎是均匀的。因此，LED灯泡和一般白炽电灯泡就半峰全宽（FWHM）而言显著地不同，使得LED灯泡的FWHM为大约130°，而一般白炽电灯泡的FWHM为大约260°。该差异是由于一般白炽电灯泡中所采用的灯丝在每个方向上（360°的范围）发光，而LED仅在向前方向上（大约120°的范围）发光。由于该差异，当LED灯泡被用于一般照明灯中时，光扩散和发光强度明显不同于用户所熟知的。这会阻碍LED灯泡的普及。

发明内容

一个或多个示例性实施例提供具有能够改变入射光的光分布的透镜以及通过采用该透镜实现大的光分布范围的球型发光器件灯。

另外的方面将在以下的说明中部分地阐述，并且部分将从该说明显见或者可以通过实施提出的示例性实施例而知悉。

根据示例性实施例的方面，一种用于改变入射照明光的光分布并发射该照明光的透镜包括：光入射面，具有第一曲面和第二曲面；顶表面，其为平坦的；以及侧表面，其为不平坦的。入射在第一曲面上的光经由顶表面发出，入射在第二曲面上的光经由侧表面发出。

透镜可以具有关于中心轴旋转对称的形状。

透过第一曲面的光的大部分可以经由顶表面发出，而透过第二曲面的光的大部分可以经由侧表面发出。

光入射面可以面对顶表面，并且可以朝向顶表面凹进。

第一曲面可以设置在中心轴上，第二曲面可以径向围绕第一曲面。

第一曲面可以是使入射光发散的凹面，第二曲面可以是使入射光会聚的凸面。

第一曲面的曲率半径可以小于第二曲面的曲率半径。

第一曲面可以成形为使得经由第一曲面入射在顶表面上的光透过顶表面。

第二曲面可以成形为使得经由第二曲面入射在顶表面上的光可以在顶表面处被内部全反射。

第一曲面可以是球面，该球面的曲率半径R1满足以下不等式，

1.5mm<R1<4mm。

第二曲面可以是球面，该球面的曲率半径R2满足以下不等式，

17mm<R2<21mm。

具有在180°之内的分布角的入射光可以被透镜分散，使得输出光具有等于或大于300°的分布角。

根据另一示例性实施例的方面，一种球型发光器件灯包括：发光器件封装，包括一个或多个发光器件；主体，具有其上安装发光器件封装的安装面；透镜，具有上述结构，并且改变从发光器件封装发射的光的分布；以及盖，具有球形形状并且布置在主体之上以完全覆盖发光器件封装和透镜。

主体可以由热辐射材料形成。

热辐射图案可以形成在主体上，或者多个热辐射片（heat radiation fin）可以形成在主体上。

主体可以具有内部空间，驱动电路可以设置在该内部空间中以驱动发光器件封装。

盖可以由混合有扩散材料的透明材料形成，该扩散材料用于扩散从一个或多个发光器件发出的光。

盖可以由混合有扩散材料和荧光材料的透明材料形成，或者荧光材料可以进一步涂覆在盖上。

附图说明

从以下结合附图对示例性实施例的说明，这些和/或其它示例性方面和优点将变得显然并且更易于理解，在附图中：

图1是示出根据示例性实施例的透镜的形状的透视图；

图2是图1的透镜的截面侧视图；

图3示出由发光器件产生和发射的光透过图1的透镜的光路，其中，在该光路上，入射在第一曲面上的光向前行进；

图4示出由发光器件产生和发射的光经过图1的透镜的光路，其中，在该光路上，入射在第二曲面上的光朝向透镜的侧部和下部行进；

图5是示出根据示例性实施例的球型发光器件灯的结构的分解透视图；

图6是图5的球型发光器件灯的截面侧视图；

图7示出由图5的球型发光器件灯实现的光分布；

图8是示出相对于在图5的球型发光器件灯中所采用的透镜的第一入射面的曲率半径、光分布的最小值和最大值偏离平均值的偏差值的曲线图；以及

图9是示出相对于在图5的球型发光器件灯中所采用的透镜的第二入射面的曲率半径、光分布的最小值和最大值偏离平均值的偏差值的曲线图。

具体实施方式

现在将详细介绍附图中所示的示例性实施例。在图中，图中相同的附图标记表示相同的元件，并且每个部件的尺寸可以为了清晰起见而被夸大。

图1是示出根据示例性实施例的透镜110的形状的透视图，而图2是图1的透镜110的截面侧视图。

透镜110被配置为改变入射照明光的光分布并且然后发射照明光，并且包括光入射面112、顶表面114以及侧表面116，光入射面112是曲面，经由光入射面112入射的光的至少一部分经由顶表面114发出，经由光入射面112入射的光的至少一部分经由侧表面116发出。如图所示，顶表面114可以是平坦的，而侧表面116可以是不平坦的。例如，侧表面116可以是棱形的（prismatic），或者可以具有锯齿形形状。不平坦表面的形状不限于图2中所示的形状，因此可以具有入射光经由其在任意方向上折射和发射的各种图案。此外，透镜110可以还包括底表面118，底表面118连接侧表面116和光入射面112，底表面118面对顶表面114并且是平坦的。然而，在另一实施例中，侧表面116和光入射面112可以直接连接。

如图所示，透镜110可以具有关于中心轴旋转对称的形状。在这种情况下，透镜110的外径（在侧表面处测量时）由于侧表面的不平坦而可以在中心轴的方向上变化。

光入射面112可以是面对顶表面114的表面（即，与顶表面相对的表面），并且可以朝向顶表面114凹进。光入射面112的中心部可以具有第一曲面112a的形状，而光入射面112的侧部可以具有第二曲面112b的形状，第二曲面112b不同于第一曲面112a。例如，第一曲面112a可以是使入射光发散的凹面，而第二曲面112b可以是使入射光会聚的凸面。例如，第一曲面112a可以是形成为球面的凹面（其曲率半径为R1），而第二曲面112b可以是形成为球面的凸面（其曲率半径为R2）。在一示例中，透镜110可以关于中心轴旋转对称，并且第一曲面112a设置在所述中心轴上，即，所述中心轴穿过第一曲面112a，第二曲面112b径向围绕第一曲面112a。在另一示例中，第一曲面112a相对于透镜110中心地设置，第二曲面112b围绕第一曲面112a的外周。

透镜110的上述结构使得具有在180°之内的分布角的入射光的光分布改变为具有等于或大于300°的分布角的入射光的光分布。这里，分布角表示半峰全宽（FWHM），即，入射光的强度是峰值强度的一半处的角宽度。例如，由发光器件产生和发射的光的光分布的分布角较小，即，在180°之内，在这一点上，因为这种光分布不同于一般白炽电灯泡的光分布，所以用户可能感觉不舒服。因此，透镜110的上述结构被开发为在使用发光器件的同时提供大的光分布范围的球型灯。

R1和R2的具体值或范围可以考虑由采用透镜110的球型灯实现的光分布而被适当地确定，并且这将参照图7以及示出光分布的后续图详细地说明。

图3示出由发光器件封装120产生和发射的光经过透镜110的光路，其中，在该光路上，入射在第一曲面112a上的光向上行进，然后经由顶表面114发出。

由发光器件封装120产生和发射的光入射在透镜110上，并且在光经过用于使入射光发散的曲面（例如，形成为凹面的第一曲面112a）之后具有更大的分布。第一曲面112a可以成形为使得，当经由第一曲面112a入射在透镜110上的光的大部分到达顶表面114时，光具有小于全反射的临界角的角度。即，经由第一曲面112a到达顶表面114的光的大部分经由顶表面114发出。此外，相比于从发光器件封装120发射的光，在光经过透镜110之后，光具有更大的分布。参照图3，经过第一曲面112a的光没有在顶表面114处被全反射，而是所示的经过第一曲面的所有光都经由透镜110的顶表面114被折射和发射。然而，这是示例性的。根据第一曲面112a的形状和大小，经过第一曲面112a的光的一部分可以以大于全反射的临界角的角度入射，因此可以在顶表面114处被内部全反射。尽管图3中没有示出反射的光，但是类似于图4所示的路径，光可以经由具有不平坦形状的侧表面116而朝向透镜110的侧部或下部发射。

图4示出由发光器件封装120产生和发射的光经过透镜110的光路，其中，在该光路上，入射在第二曲面112b上的光朝向透镜110的侧部和下部行进。

由发光器件封装120产生和发射的光，其入射在用于使入射光会聚的曲面（例如，形成为凸面的第二曲面112b）上，在光经过第二曲面112b进入透镜110中之后具有较小的分布。第二曲面112b可以成形为使得，经由第二曲面112b入射在透镜110上的光的大部分以大于全反射的临界角的角度到达顶表面114。即，经由第二曲面112b到达顶表面114的光的大部分在顶表面114处被内部全反射，然后朝向具有不平坦形状的侧表面116行进，而且根据相对于侧表面116的角度，光从透镜110朝向透镜110的侧部和下部发射。此外，如图4所示，第一曲面112a和第二曲面112b可以形成为使得，相比于第一曲面，更大量的光经过第二曲面。

如上所述，由发光器件封装120发射的光具有分布角在大约180°之内的光分布并且经由第一曲面112a或者第二曲面112b入射在透镜110上，而且根据光路，光从透镜110朝向透镜110的顶部、侧部或者下部发射。因此，通过采用透镜110，可以形成具有大的光分布范围的球型发光器件灯。

图5是示出根据示例性实施例的球型发光器件灯100的结构的分解透视图。图6是图5的球型发光器件灯100的截面侧视图。

参照图5和图6，球型发光器件灯100包括发光器件封装120、主体140、透镜110以及盖160，发光器件封装120包括一个或多个发光器件（未示出），主体140具有其上安装发光器件封装120的安装面140a，透镜110用于改变从发光器件封装120发出的光的分布，盖160布置在主体140之上以完全覆盖发光器件封装120和透镜110。

发光器件封装120包括在衬底122上形成的一个或多个发光器件、将电压施加至一个或多个发光器件的布线结构、以及保护一个或多个发光器件以及布线结构的保护层124。

每个发光器件包括半导体有源层，在该半导体有源层中响应于向其施加的电压而通过电子和空穴的复合产生光，有源层的材料可以根据待产生的光的波段而确定。更具体而言，每个发光器件可以包括依次堆叠的第一类型半导体层、有源层以及第二类型半导体层，并且第一类型半导体层、有源层以及第二类型半导体可以由化合物半导体形成。例如，第一类型半导体层和第二类型半导体层可以由氮化物半导体例如Al_xIn_yGa_(1-x-y)N（0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1）的成分形成，并且可以分别掺杂有n型杂质和p型杂质。有源层插设在第一类型半导体层与第二类型半导体层之间，并且随着电子和空穴的再复合而发射具有预定能量的光。有源层可以具有其中具有In_xGa_1-xN（0≤x≤1）的成分的多个层被堆叠的结构，使得能够根据有源层中的铟含量调整带隙能量。在这种情况下，有源层可以具有多量子阱（MQW）结构，在该MQW结构中量子势垒层和量子阱层交替堆叠，例如，有源层可以具有InGaN/GaN结构，因此发射波段可以响应于铟含量的调整而被调整。此外，每个发光器件可以通过包括磷光体而实现白光。例如，在有源层中可以将铟含量调整为产生蓝光，并且通过采用通过吸收蓝光而激发红光的磷光体以及通过吸收蓝光而激发绿光的磷光体，从有源层发射的蓝光的一部分被转变为红光，而蓝光的另一部分被转变为绿光，因此通过混合蓝光、红光和绿光而产生白光。可选择地，可以采用黄磷，在此情况下，从有源层发射的蓝光的一部分可以改变为黄光，从而通过混合蓝光和黄光而可以产生白光。磷光体可以被混合至形成保护层124的材料。

透镜110与以上参照图1至图4所述的透镜110实质上相同，并且透镜110改变从发光器件封装120发射的光的分布以实现大的光分布范围。

主体140可以由热辐射材料（例如具有优良的导热性的材料）形成。主体140的顶表面可以是发光器件封装120的安装面140a。此外，为了增加用于有效热辐射的表面面积，热辐射图案（未示出）或者多个热辐射片（未示出）可以形成在主体140上。

此外，主体140可以具有内部空间，驱动电路170可以设置在该内部空间中从而驱动发光器件封装120。在这一点上，发光器件封装120与驱动电路170之间的具体连接没有在这里示出。

盖160可以由扩散从发光器件封装120发射的光的材料形成。例如，盖160可以由透明塑料材料或玻璃材料形成，透明塑料材料包括聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、丙烯酸等。此外，在需要时，盖160可以由能够扩散从发光器件封装120发射的光的材料形成，例如，盖160可以由通过将扩散材料与聚碳酸酯树脂或者丙烯酸树脂混合而获得的扩散树脂形成，或者可以由具有涂覆有白色扩散颜料的一个表面的玻璃形成。此外，为了有助于从发光器件发射的光的色彩变化，荧光材料可以进一步涂覆在盖160上，或者盖160可以由通过将扩散材料和荧光材料混合而获得的材料形成。盖160可以具有球形。

球型发光器件灯100可以还包括帽180，帽180布置在主体140的下部以连接驱动电路170和外部电源。帽180可以具有能够安装至用于一般白炽电灯泡的电源插座的尺寸。

图7示出通过图5的球型发光器件灯100实现的光分布。参照图7，该光分布具有大约320°的分布角。该光分布相应于其中在球型发光器件灯100中采用的透镜110的R1的值和R2的值分别为2mm和19mm的示例。然而，R1和R2的这些值是示例性的，因此可以考虑光分布的图案而改变。参照光分布，发光强度在不同的位置没有恒定的值，但是具有最小值Min和最大值Max。例如，R1和R2的值可以设定为允许最小值Min和最大值Max偏离平均值Average的偏差值保持在适当范围内。这里，最小值Min和最大值Max被限定在0°至135°的范围内。

图8是示出相对于在球型发光器件灯100中所采用的透镜的第一入射面的曲率半径R1的半径，光分布的最小值Min和最大值Max偏离平均值的偏差值的曲线图。

该曲线图示出根据曲率半径的半径的变化，最小值Min和最大值Max的偏差值，并且可以看到曲率半径R1可以设定为使偏差值在预定值之内。例如，为了使偏差值在20%之内，曲率半径R1可以具有以下范围，

1.5mm<R1<4mm。

图9是示出相对于在图5的球型发光器件灯100中所采用的透镜的第二入射面的曲率半径R2，光分布的最小值Min和最大值Max偏离平均值的偏差值的曲线图。

该曲线图示出根据曲率半径R2的变化，最小值Min和最大值Max的偏差值，并且可以看到曲率半径R2可以设定为使偏差值在预定值之内。例如，为了使偏差值在20%之内，曲率半径R2可以具有以下范围，

17mm<R2<21mm。

根据本发明的一个或多个实施例的球型发光器件灯采用半导体发光器件，因此提供具有低功耗和不妨害生态环境的特性的照明设备。此外，球型发光器件灯实现了与一般白炽电灯泡的光分布几乎相同的光分布，即，球型发光器件灯实现了在每个方向上几乎一致的光分布。

应该注意，这里描述的示例性实施例应该仅在说明性的意义上考虑，而不应出于限制的目的。每个实施例中的特征或方面的描述应该通常考虑为可适用于其它实施例中的其它类似特征或方面。

本申请要求2012年3月14在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2012-0026193的优先权，在此通过引用整体结合于此。

Claims (17)

1.一种透镜，用于改变入射照明光的光分布并且发射所述照明光，所述透镜包括：

光入射面，包括具有第一曲率的第一曲面和具有不同于所述第一曲率的第二曲率的第二曲面；

平坦的顶表面；以及

不平坦的侧表面，

其中透过所述第一曲面的光的大部分经由所述顶表面发出，入射在所述第二曲面上的光的大部分经由所述侧表面朝向所述透镜的侧部和下部发出以及入射在所述第二曲面上的光的剩余部分经由所述顶表面发出。

2.根据权利要求1所述的透镜，其中所述透镜关于中心轴旋转对称，并且其中所述第一曲面设置在所述中心轴上，所述第二曲面径向围绕所述第一曲面。

3.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一曲面相对于所述透镜中心地设置，所述第二曲面围绕所述第一曲面的外周，其中透过所述第二曲面的光的量大于透过所述第一曲面的光的量。

4.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一曲面相对于所述透镜中心地设置，所述第二曲面围绕所述第一曲面的外周，其中所述第一曲面是凹面，所述第二曲面是凸面。

5.根据权利要求1所述的透镜，其中所述光入射面面对所述顶表面。

6.根据权利要求5所述的透镜，其中所述第一曲面是凹面，所述第二曲面是凸面。

7.根据权利要求6所述的透镜，其中所述第一曲面的曲率半径小于所述第二曲面的曲率半径。

8.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一曲面是使入射到其上的光发散的凹面，以及

所述第二曲面是使入射到其上的光会聚的凸面。

9.根据权利要求8所述的透镜，其中所述第一曲面是球面，所述球面的曲率半径R1满足以下不等式，

1.5mm<R1<4mm。

10.根据权利要求8所述的透镜，其中所述第二曲面是球面，所述球面的曲率半径R2满足以下不等式，

17mm<R2<21mm。

11.根据权利要求1所述的透镜，还包括连接所述光入射面和所述侧表面的平坦底表面。

12.根据权利要求1所述的透镜，其中所述光入射面和所述侧表面彼此直接连接。

13.根据权利要求1所述的透镜，其中具有在180°之内的分布角的入射光被所述透镜分散，使得输出光具有等于或大于300°的分布角。

14.一种球型发光器件灯，包括：

发光器件封装，包括发光器件；

主体，包括其上安装所述发光器件封装的安装面，其中所述主体由热辐射材料形成；

权利要求1至13的任意之一所述的透镜，所述透镜设置为使得从所述发光器件发出的光入射在所述入射面上；以及

盖，完全覆盖所述发光器件封装和所述透镜，其中所述盖由混合有扩散材料的透明材料形成。

15.一种透镜，用于改变入射光的分布，所述透镜包括：

顶表面，其为平坦的；

光入射面，与所述顶表面相对，其中所述光入射面包括第一曲面和第二曲面，所述第一曲面是凹面并且具有第一曲率，所述第二曲面是凸面并且具有不同于所述第一曲率的第二曲率；

侧表面，其为棱形的；

其中所述第一曲面相对于所述透镜中心地设置，所述第二曲面围绕所述第一曲面的外周，以及

其中透过所述第一曲面的光的大部分经由所述顶表面发出，透过所述第二曲面的光的大部分经由所述侧表面朝向所述透镜的侧部和下部输出以及透过所述第二曲面的光的剩余部分经由所述顶表面发出。

16.根据权利要求15所述的透镜，其中所述第一曲面的曲率半径小于所述第二曲面的曲率半径。

17.根据权利要求15所述的透镜，其中透过所述第二曲面的光的量大于透过所述第一曲面的光的量。