CN104115050B - 用于均匀照明的光学元件 - Google Patents

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Abstract

提供了一种与LED(102)一起使用的光学元件(100)，其中底面(103)被布置为从LED(102)接收入射光。光学元件(100)包括顶面(104)，其具有光学结构(110)的图案(108)，该图案(108)将光折射离开光学元件(100)的光轴(A)。进一步地，光学元件(100)包括多个侧面(106)，其在顶面(104)和底面(103)之间延伸并且被配置为将光从向着光轴(A)折射。为了避免在顶面(104)的全内反射，顶面(104)这样延伸，以便其覆盖相对于光轴(A)的第一角度范围。第一角度范围为这样的角度范围，由LED(102)发出的光在该范围外将在顶面的虚拟延伸处受到全内反射。该光学元件(100)是有利的在于其提供更均匀的照明图案，而不导致能量损失。

Description

用于均匀照明的光学元件
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)领域。特别地，其涉及与LED一起使用的折射光学元件。
背景技术
近年来，将LED用于照明设备的普遍性增加。为了获得成本有效的解决方案，通常在照明设备中以彼此相距一定距离地放置几个大功率和/或中功率LED。然而，这具有一个缺点，即照明设备在工作时将具有带斑点的外观，这归因于不同LED所引起的不规则的照明图案。
进一步，LED有时与颜色转换层诸如有机磷光体层一起使用，以便尽管使用蓝色LED，输出光也被用户感知为白色。然而，当在照明设备中具有几个LED时，可能在颜色转换层中引起热点，这最后导致照明设备的寿命减少。
已经尝试通过在照明设备中引入漫射元件来克服上述缺点，以便扩展LED的光并从而实现更均匀的照明图案。然而，这些尝试遭受系统效率降低并且成本增加。
CN201779526公开了一种包括被固定到衬底上的LED芯片的光源。在每个LED芯片的顶部，存在薄的光传输层，并且在LED芯片的侧表面上，存在将出射光向上水平折射的倾斜结构。所公开的LED光源特别声称增加了LED的辐射效果。
US2010/0246173A1公开了一种照明设备，其包括固态光源和光扩散板。该固体光源被配置用于产生光并且该固定光源定义中央轴。光扩散板大体上相邻于固态光源进行布置。该板包括在其相对侧的入射表面和输出表面。入射表面和出射表面中的至少一个具有平行的微结构，每个微结构具有与第一参考轴平行的长度。微结构在中央轴的相对侧布置成两组，并且这两组的微结构相对于彼此跨中央轴对称。第一微结构被配置用于增加沿着第二参考轴的各自的相对方向进入板的光的辐射范围，该第二参考轴垂直于第一参考轴。
尽管已经几次尝试克服上述困难，但是仍旧存在改进的空间。
发明内容
本发明的目标是克服或缓解上述问题，并且提供与LED一起使用的光学元件，其提供更均匀的照明图案以及低效率损耗。
根据本发明的第一方面，通过与LED一起使用的光学元件实现这个及其他目标，其包括被布置为从LED接收入射光的底面、具有在从底面到顶面的方向上延伸并且限定光轴的法线的顶面，其中顶面延伸以便其覆盖相对于光轴的第一角度范围，在第一角度范围之外，由LED的至少一个点发出的第一角度范围的光将在顶面的虚拟延伸处受到全内反射，并且其中顶面包括第一光学结构的第一图案，其被布置为将源自LED的光折射远离光轴；以及多个侧面，其在底面和顶面之间延伸并且被布置为朝向光轴折射源自111的光。
由LED的至少一个点发出的光将在顶面的虚延延伸受到全内反射(TIR)的特征意味着，如果顶面更进一步延伸，那么由LED的至少一个点发出的光将在顶面受到TIR。因此，如下面进一步解释的，在第一角度范围内未发生TIR。
通过在顶面上具有将入射光折射离开光轴的结构的图案，并且通过具有被布置为朝着光轴折射入射光的侧面，该入射光被扩展开。尤其是，顶面上的结构的第一图案增强了光输出的展宽。因此，与未使用光学元件的情形相比，实现更均匀的照明图案。如果在光源中彼此相隔一定距离布置几个LED，这是尤其有利的，因为由于光的扩展减少光源的斑点外观。
进一步，该光学元件导致非常低的效率损耗。更具体地，如果全内反射发生并且LED发出的光向后引向LED，在这里光可能被吸收，那么能量损耗可能发生。例如，这种TIR能够在光学元件的顶面或侧面发生。然而，利用本发明，选择顶面的尺寸使得在顶面中不能发生TIR。更具体地，顶面这样延伸，以便其仅仅覆盖第一角度范围，LED的至少一个点所发出的光在该范围外将受到TIR。因此，在顶面未发生TIR并且从而减少效率损耗。此外，因为侧面朝向光轴折射线束，将减少光线在到达目标表面之前将撞击任何障碍物诸如邻近LED或侧壁的风险。以这种方式，侧面也有助于效率损耗的减少。
进一步的优点是，光学元件可能在LED的制造期间容易地结合到LED封装中，并因此增加LED布置的功能性，而不显著地增加成本。
多个侧面可以进一步关于光轴倾斜。以这种方式，可以减少在侧面发生的TIR。例如，可以这样选择倾斜角，以便避免在侧面中的TIR，其中关于光轴的角度不等于90度，例如大于90度。如果在侧面发生TIR，由LED发出的光主要沿一个方向在LED上方扩展开。作为侧面是直的并且关于光轴倾斜的替换，侧面可以具有曲面形状。
多个侧面的至少一个可以包括关于光轴具有不同倾斜度或角度的第一部分和第二部分。通过调节第一部分和第二部分关于光轴的倾斜度或角度，实现更好地控制发射光的方向。因此，可以进一步减少包括几个LED的光源的斑点外观。在一个实施例中，侧面具有不同倾斜度的部分的数目大于二。具有不同倾斜度的部分的数目可以对于全部侧面是相同的，或者可以对于不同侧面是不同的。例如，一个侧面可以具有倾斜度不同的两个部分，并且另一侧面可以具有倾斜度不同的三个部分。
在一个实施例中，全部侧面关于光轴具有相同的倾斜度或角度。这在可以实现对称照明图案上可能是有利的。类似地，全部侧面可以具有相同尺寸。在几个方面(aspect)，具有对称的几何结构的光学元件是有利的。例如，对称的光学元件是有利的，其在于与非对称光学元件相比，较少受到光学元件的方向的影响。这简化了后处理，诸如光学元件的安装，因为用户在安装期间无需考虑光学元件的方向。从制造的角度，依赖于使用什么类型的制造工艺，对称光学元件也可以是有利的。顶面的第一图案可以延伸到多个侧面中的至少一个。例如，结构的图案可以延伸到两个侧面或全部侧面。这有利地在于可以实现光在光学元件的侧向上，也就是说在垂直于光轴的方向上的更好地扩展开。
该光学元件可以包括顶面的延伸，其这样延伸以便其仅仅覆盖在第一角度范围向外延伸的第二角度范围。该顶面的延伸包括第二图案，第二图案包括第二光学结构，其顶面被定向为相对于光轴形成大于90度的角度。如果顶面的延伸不会具有第二光学结构的任何第二图案，那么在顶面的延伸中将发生TIR。然而，通过包括具有顶面的第二光学结构的第二图案，该顶面被定向为关于光轴形成大于90度的角度，从顶面的延伸所输出的光能够被控制成减少TIR的发生。因此，结构的第二图案提供增加准直的光输出。然而，随着TIR发生的减少，第二图案增加效率，这是因为未将光向着可能吸收光的LED重定向。如果例如出于设计或构造原因，顶面的物理尺寸不能被限制于未发生TIR的角度范围，那么具有延伸的顶面的实施例可以是特别有用的。
顶面的第一光学结构的每个都可以具有上表面，该上表面被定向为关于光轴形成小于90°的角度，其中该角度随着到顶面中心的距离的增加而增加。例如，第一光学结构横截面可以是锯齿形的。以这种方式，顶面上的结构的折射力在入射光的强度相对高的顶面的中部比在光的强度较低的边缘更高。
第一光学结构可以被布置成一维图案。例如，该图案可以包括彼此相邻布置的脊状结构。以这种方式，光在一个方向上扩展开。如果光学元件在具有LED一维阵列的光源中使用，那么这可以是特别有利的。可替换地，第一光学结构可以被布置成二维图案。如果这样，光在两个方向上扩展开。如果光学元件在具有LED二维阵列的光源中使用，那么这可以是特别有利的。
根据本发明的第二方面，通过包括根据第一方面的与LED整体形成的光学元件的发光器件实现这个及其他目标。
根据本发明的第三方面，通过LED装置实现这个及其他目标，该LED装置包括LED和根据第一方面的光学元件，该光学元件与LED关联。
该LED装置还可以进一步包括多个LED和多个根据第一方面的光学元件，多个LED的每个都与多个光学元件中的一个关联。多个LED及其关联的多个光学元件可以被布置成一维阵列。可替换地，多个LED及其关联的多个光学元件可以被布置成二维阵列。
第一方面的优点通常适用于第二和第三方面。应当注意，本发明涉及权利要求中所记载的特征的全部可能组合。
附图说明
现在将参考示出本发明的实施例的附图，更详细描述本发明的这些及其他方面。
图1a-b和图2-3为与根据实施例的LED一起使用的光学元件的侧视图。
图4是与根据实施例的LED一起使用的光学元件的顶视图。
图5是根据实施例的光学元件的顶面上的结构的横截面视图。
图6a-b是与根据实施例的LED一起使用的光学元件的顶视图。
图7a-b示出了根据实施例的LED和光学元件的布置的顶视图。
图7c是图7a-b的布置的侧视图。
图8示出了线性LED布置的照度分布。
如图中示出的，为了说明性的目的，放大层和区域的尺寸，并因此被提供为说明本发明的实施例的通用结构。贯穿附图，相同的参考数字涉及相同元件。
具体实施方式
现在将参考附图更完整地描述本发明，其中示出本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应该被解释限制于本文中阐述的实施例；相反，这些实施例被提供用于彻底和完全，并且充分地将本发明的保护范围传达给本领域技术人员。
图1a示出了被布置为与LED 102一起使用的光学元件100。所图示的LED 102的发光面积的尺寸表示LED裸片的发光面积的尺寸。光学元件100可以被放在LED 102的顶部。光学元件100可以是与LED分开的元件或者可以与LED 102整体形成。
该光学元件100是固体透明结构，其具有底面103、顶面104和多个侧面106。该顶面104平行于底面103，并且至底面103相距一定距离放置。该侧面106在底面103和顶面104之间延伸。LED 102被布置在底面103以便由LED 102发出的光在底面103进入光学元件100。侧面106的数目可以变化。然而，优选地，光学元件100包括四个侧面106。侧面106的几何尺寸可以不同或相同。该光学元件100还具有光轴A，其由顶面104的法线限定，其实质上垂直于顶面104和底面103，并且在从底面103到顶面104的方向上延伸。
顶面104在其背向LED 102的上侧上具有第一图案108。如所图示的，第一图案108包括第一光学结构110，其被布置为将源自LED 102的光折射远离光轴A。例如，这可以通过第一光学结构110具有以下的顶部小面实现，这些顶部小面被定向为相对于光轴A形成小于90°的角度α。在所图示的实施例中，用于邻近第一光学结构110的角度α随着到顶面104的中心的距离的增加而增加。以这种方式，第一光学结构110的折射力在顶面104的中部最大，并且向顶面104的边缘减小。
类似地，侧面106被布置为将源自LED 102的光向光轴A折射。以这种方式，可以获得均匀照明图案，特别是如果将几个LED以阵列布置。进一步，随着光向光轴A引导，发射光在到达诸如邻近LED的目标之前，很少会击中光学元件外的任何障碍物。因此，从而提高效率。例如，侧面106可以是直的，并且可以相对于光轴A形成角度，其不等于90度。可以这样选择侧面106相对于光轴A的角度，以便避免在侧面106的TIR。可替换地，一个或多个侧面106可以弯曲的。如下面进一步解释的，一个或多个侧面106可以是多小面的。
可以这样选择顶面104在垂直于光轴A的方向上的几何尺寸，以便避免在顶面104的TIR。因为避免TIR，所以由于光学元件100的效率损耗非常小。更具体地，这样选择顶面104的尺寸，以便如果顶面104已经在垂直于光轴A的方向上有任何更进一步延伸，那么由LED 102的至少一个点发出的光将在顶面104已经受到TIR。
这在图1b中进一步示出，其示出图1的LED 102和光学元件100以及顶面的虚拟延伸112。LED 102的发出面积具有几何广度。因此，LED 102的每个点都可以发光，诸如所图示的点102a-b。点102a是LED 102最左边的点，并且点102c是LED 102最右边的点。对于LED102的每个点，诸如点102a-b，限定了由相对于光轴A的角度θ限定的关联角度范围。这里，角度范围114a-b分别与点102a-b关联。角度θ与以下角度关联，即在大于该角度，LED 102所发出的光的TIR将在顶面104的虚拟延伸112中发生。换句话说，如果顶面104更进一步延伸，对于LED 102所发出的大于角度θ的光，TIR将在顶面104发生。因此，由LED的任一点发出的光，诸如以大于角度θ的角度的点102a-b中的一个所发出的光，在其到达顶面104的虚拟延伸112，其将经受TIR。一旦已知光学元件100的折射率，角度θ可以通过折射定律容易地计算。
为了避免在顶面104的TIR，顶面104不应该在可能与LED 102的任一点相关联的任何角度范围外延伸。这通过顶面104覆盖相对于光轴A的第一角度范围116来实现，该范围相应于可以针对LED 102的任何点所限定的角度范围的交集。特别地，这可以看作相应于可以针对LED 102的边缘点102a和102b限定的角度范围114a和114b的交集。以这种方式，顶面104不会延伸到在发生TIR的任何角度范围114a-b之外，并因此避免在顶面104中的TIR。换言之，在第一角度范围116外，也就是，在虚拟延伸112，由LED 102的至少一个点发出的光受到TIR。
图2示出了与LED 202一起使用的光学元件200。这个实施例不同于参考图1a描述的实施例在于其还包括顶面104(非虚拟)延伸204。顶面104的延伸204在垂直于光轴A的方向上延伸，以便其仅仅覆盖在关于图1b所公开的第一角度范围之外延伸的第二角度范围。换句话说，第一和第二角度范围是不重叠的。由于该延伸204覆盖从第一角度范围向外延伸的第二角度范围，所以如果不采取进一步措施，那么在该延伸204可能发生TIR。为了在顶面的延伸204避免TIR，延伸204包括第二图案208。第二图案208包括第二光学结构210，其被配置为将光向光轴A折射。例如，这可以通过具有小面212的第二光学结构210实现，该小面被定向成使得其相对于光轴A限定大于90°的角度α。例如，邻近的第二光学结构210的角度α可以随着到顶面的延伸204边缘的距离的减小而增加。在顶面出于实际原因不能被给予任意尺寸，而是受限于某些条件时，图2的实施例可能特别有用。例如，如果顶面104的尺寸被限制在等于LED 102的发光面积的尺寸，那么可以使用这个实施例。
在顶面104的第一光学结构的图案108和顶面的延伸204的第二光学结构的第二图案208之间，顶面104的一部分可能不存在光学结构。该部分可能被看作相应于具有相对于光轴A等于90°的角度α的光学结构。
图3示出了与LED 302一起使用的光学元件300。光学元件300具有顶面304和侧面，其中至少一个侧面包括位于最接近顶面304的第一部分306a和第二部分306b。在所图示的实施例中，全部侧面都包括第一和第二部分306a和306b。然而，通常，不同的侧面可以包括不同数目的部分。所图示的第一部分306a和第二部分306b实质上是直的。例如，第一部分306a和第二部分306b可以以平面表面的形式。第一部分和第二部分306a和306b可以相对于光轴A具有不同的倾斜度。尤其是，第一部分306a可以具有由相对于光轴A的角度α1限定的第一倾斜度，并且第二部分306b可以具有相对于光轴A的角度α2限定的第二倾斜度，其中α2＞α1＞90°。例如，可以这样选择第一部分306a的倾斜度α1，以便在LED 302发出的光穿过第一部分306a，实质上未发生光的折射。同时，可以这样选择第二部分306b的倾斜度α2，以便由LED 302发出的光被向着光轴A折射。通过变化侧面的不同部分306a-b的角度或倾斜度和尺寸，能够控制发射光的方向。
在一个可替换的实施例中，第一部分306a是弯曲的，以便其具有二阶或更高阶的曲线或表面的形状。可替换地，其可以以B样条(B-spline)或有理贝塞尔(Bezier)曲线的形式。可替换地，第一部分306a的横截面可以以弧形的形状。以这种方式，第一部分306a可以被设计为具有这样的形状，通过该形状，由LED 302发出的光实质上垂直撞击在第一部分306a上从而获得实质上未折射的光。
图4是具有带有第一图案408的顶面404和侧面406a-d的光学元件400的顶视图。该光学元件400被与LED 402一起使用。在这个实施例中，第一图案408还延伸到多个侧面406a-d的至少一个。这里，该图案延伸到两个侧面，也就是相对布置的侧面406b和406d。然而，该图案也可以延伸到全部侧面406a-d。在光学元件400具有侧面406a-d的情形中，其中如上面参考图3所讨论的，侧面406a-d被分为具有不同角度或倾斜度的不同部分，该图案408可以延伸到仅仅一个部分、到一些部分、或到全部部分。通过也在侧面406上具有第一光学结构的第一图案，由LED 402发出的光被进一步折射并扩展开。以这种方式，当与光学元件400一起使用时，由LED 402引起的照明分布可以被进一步提高。特别是，可以提高在垂直于光轴的方向上的照明。
图5示出了顶面的第一光学结构110的第一图案108的示例。原则上，第一光学结构110的第一图案108可以具有任何形状，只要其用来将由LED发出的光折射远离光轴A。这里，第一图案108包括具有锯齿形横截面的多个邻近第一光学结构110。锯齿形第一光学结构110具有顶表面，其被定向为关于光轴A形成小于90°的角度α。该角度α随着到顶面104的中心的距离的增加而增加。以这个方式，第一图案108的折射力向着顶面的边缘减小。
在光学元件包括第二图案诸如图2的图案208的情形中，第二图案的第二光学结构也可以具有锯齿形横截面。
图6a-b为如何可以将第一光学结构的第一图案布置在光学元件的顶面上的示例。在图6a中，第一光学结构110被布置成一维图案。例如，第一光学结构110可以以脊的形式，该脊被彼此邻近布置以形成得到的图案108。例如，该脊可以具有如参考图4所述的锯齿形横截面。通过将第一光学结构110布置成一维图案，实现光在一个方向上的扩展。
在图6b中，第一光学结构110被布置成二维图案。例如，形成第一图案108的个体的第一光学结构110可以以彼此邻近布置的半锥体的形式。其它替代为四分之一球体或椭球体。通过将第一光学结构110布置成二维图案，光在两个方向上扩展。
上面公开的示例也适用于参考图2公开的第二图案。
图7a-c示出了包括根据如上所述的实施例的光学元件的LED布置的示例。例如，LED可以是发出白光的涂覆磷光体的LED或者具有远程磷光体的发出蓝光的LED。图7a示出了包括多个LED 702和多个光学元件701的矩形光源。LED 702被布置为矩形阵列。类似地，图7b示出了包括多个LED 702和多个光学元件701的线性光源700b。LED 702被布置为线性阵列。矩形阵列和线性阵列的每个LED 702与多个光学元件701的一个关联，如图7c所图示的，光学元件701位于LED的顶部或与LED整体形成。
通过将每个LED 702与光学元件701关联，所获得的光源700a或700b的照明分布得以改善，这意味着与未使用光学元件701的情形相比，照明分布更均匀。图8示出了线性光源的照明分布，该线性光源具有彼此间隔50mm的距离布置的三个LED。照明平面位于距LED20mm的距离。曲线802表示当不存在光学元件时的照明分布，并且曲线804表示存在光学元件的照明分布。在图8中清楚地示出，当使用光学元件时，照明分布更均匀。实际上，这意味着减少光源的斑点外观，并且在远程磷光体应用的情形中，由于磷光体层中的热点减少，寿命得以增加。
本领域技术人员认识到，本发明决不限于如上所述的优选实施例。相反，在附加的权利要求的范围内，可能存在许多修改和变化。例如，该侧面可以包括超过两个具有不同形状的部分。进一步，关于顶面的第一光学结构的形状，存在许多替换例。
另外，本领域技术人员在实践所要求权利的本发明中，能够从附图、公开、和附加权利要求的学习中，理解本公开的实施例的变化并受其影响。在权利要求中，单词“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能被加以利用。

Claims (15)

1.一种与LED(102、202、302、402)一起使用的光学元件(100、200、300、400)，包括：
底面(103)，被布置为从所述LED(102、202、302、402)接收入射光，
顶面(104、404)，其具有在从所述底面(103)到所述顶面(104、404)的方向上延伸并且限定光轴(A)的法线，
其中所述顶面(104、404)延伸成使得其覆盖相对于所述光轴(A)的第一角度范围(116)，在所述第一角度范围(116)外侧，由所述LED(102、202、302、402)的至少一个点发出的光将在所述顶面(104、404)的虚拟延伸(204)处受到全内反射，和
其中所述顶面(104、404)包括含有第一光学结构(110)的第一图案(108、408)，其被布置为将源自所述LED(102、202、302、402)的光折射远离所述光轴(A)；和
多个侧面(106、406a-d)，在所述底面(103)和所述顶面(104、404)之间延伸，所述多个侧面(106、406a-d)被布置为将源自所述LED(102、202、302、402)的光向所述光轴(A)折射。
2.根据权利要求1所述的光学元件(100、200、300、400)，其中所述多个侧面(106、406a-d)相对于所述光轴(A)倾斜。
3.根据权利要求2所述的光学元件(100、200、300、400)，其中所述多个侧面(106、406a-d)中的至少一个包括相对于所述光轴具有不同倾斜度的第一部分(306a)和第二部分(306b)。
4.根据权利要求2所述的光学元件(100、200、300、400)，其中全部侧面(106、406a-d)相对于所述光轴具有相同的倾斜度。
5.根据权利要求1所述的光学元件(100、200、300、400)，其中全部侧面(106、406a-d)具有相同的几何尺寸。
6.根据权利要求1所述的光学元件(100、200、300、400)，其中所述顶面(104)的第一图案(108、408)延伸到所述多个侧面(106、406a-d)中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的光学元件(100、200、300、400)，还包括所述顶面(104)的延伸(204)，其延伸成使其仅覆盖在所述第一角度范围(116)向外延伸的第二角度范围，其中所述顶面(104)的所述延伸(204)包括含有第二光学结构(210)的第二图案(208)，所述第二光学结构具有被定向为相对于所述光轴(A)形成大于90度的角度的顶表面(212)。
8.根据权利要求1所述的光学元件(100、200、300、400)，其中所述第一光学结构(110)每个具有被定向为相对于所述光轴(A)形成小于90度的角度的顶表面，并且其中所述角度随着所述第一光学结构(110)到所述顶面中心的距离的增加而增加。
9.根据权利要求8所述的光学元件(100、200、300、400)，其中所述第一光学结构(110)横截面为锯齿形。
10.根据权利要求1所述的光学元件(100、200、300、400)，其中所述第一光学结构(110)以一维图案布置。
11.根据权利要求1所述的光学元件(100、200、300、400)，其中所述第一光学结构(110)以二维图案布置。
12.一种发光器件，包括与LED整体形成的根据权利要求1-11的任何一项所述的光学元件(100、200、300、400)。
13.一种LED装置(700a、700b)，包括
LED(702)，和
根据权利要求1-11任一项所述的光学元件(701)，所述光学元件(701)与所述LED关联。
14.根据权利要求13所述的LED装置(700a、700b)，包括多个LED(702)，其中每个LED都与光学元件(701)关联，其中所述多个LED(702)以一维阵列布置。
15.根据权利要求13所述的LED装置(700a、700b)，包括多个LED(702)，其中每个LED都与光学元件(701)关联，其中所述多个LED(702)以二维阵列布置。
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