CN104736928A

CN104736928A - 用于发光模块的光罩

Info

Publication number: CN104736928A
Application number: CN201380055320.0A
Authority: CN
Inventors: R·J·M·M·斯尼杰克斯; 李倩; S·M·B·鲍默; F·W·F·M·范科姆彭
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2033-10-15
Also published as: US20150276166A1; WO2014064576A1; EP2912368B1; CN104736928B; EP2912368A1

Abstract

本发明涉及一种用于发光模块的碗型光罩(110)。该碗型光罩(110)具有用于面向光源的内凹表面(112)，以及用于面向远离光源的外凸表面(114)。该光罩(110)包括：微透镜阵列结构(122)，其部署在该光罩(110)的内表面(112)上以用于使得从光源发射的光线发生折射；和形成于该微透镜阵列结构(122)和该光罩(110)的外凸表面(114)之间的宏透镜结构(124)。该宏透镜结构(124)具有厚度(Z₁)，其中该厚度(Z₁)沿着该光罩(110)有所变化而使得光线从该宏透镜结构(124)较薄的部分朝向较厚的部分进行折射。本发明的各个实施例提供了有所改善的发光强度分布和照度均匀度。

Description

用于发光模块的光罩

技术领域

本发明涉及一种用于发光模块的碗型光罩。此外，本发明涉及一种具有碗型光罩的发光模块。

背景技术

诸如发光二极管(LED)的固态光源越来越多地被用作各种照明和信号应用的照明设备。一种适用于户外应用的照明设备是高通量发光模块。至少对于诸如道路照明的一些户外应用而言，期望输送均匀的光线输出并且满足光学分布的要求。此外，在户外LED模块结合反射器使用的情况下，发光面积应当尽可能的小。通常，这意味着LED接近于彼此进行定位。然而，以上条件并不保证均匀度和光线分布的要求自动得以满足。这些要求对于道路照明而言特别重要，这是因为较不均匀的光线分布可能在道路上形成较暗的光斑，这对于驾驶员和行人会是不利的。此外，光源处较不均匀的光线分布可能进一步要求使用更为复杂的光学系统来满足有关道路的均匀度和光线分布的建议。

已经作出了若干尝试来满足光学分布和均匀度的要求。例如，WO2012/040414公开了一种壳体整合透镜以消除或缓解来自光学系统的色彩和亮度伪影。该系统包括两组微透镜；其中之一位于主光学元件的内表面而第二组微透镜则位于该光学元件的外表面。特别地，内表面上的微透镜可操作耦合至外表面上相对应的微透镜。此外，所有芯片的光线都由该微透镜所混合以便获得单一光源。

尽管在现场活动，但是仍然需要一种满足均匀度和光线分布的要求的有所改进的LED模块。特别地，期望在构成该LED模块的组件的大小和数量之间保持平衡而使得在考虑到LED模块制造的情况下成本得以最小化。

发明内容

鉴于现有技术中以上所提到的以及其它缺陷，本发明的总体目标是提供一种用于有所改进的发光模块的碗型光罩。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于发光模块的碗型光罩。该碗型光罩具有用于面向光源的内凹表面，以及用于面向远离光源的外凸表面。该碗型光罩包括微透镜阵列结构，其部署在该光罩的内表面上以用于使得从光源发射的光线发生折射。此外，该碗型光罩包括形成于该微透镜阵列结构和该光罩的外凸表面之间的宏透镜结构。该宏透镜结构具有厚度Z₁，其中该厚度Z₁沿着该光罩有所变化而使得光线从该微透镜结构较薄的部分朝向较厚的部分进行折射。

术语“微透镜”是指小型透镜，其通常具有比数毫米更小的直径，并且经常为10微米那么小。这种类型的透镜在该行业中是公知的，并且通常利用凹凸表面来传送具有某个波长的光线。微透镜能够以阵列的形式提供，并且可以以一维或二维阵列进行布置。在本发明的上下文中，微透镜通过适当方法而被部署在该光罩的内凹表面上。例如，具有微透镜阵列结构的光罩能够通过注模来制作，其中该微透镜结构在模具中形成(倒转)。

术语“宏透镜”指代比微透镜更大的任意其它透镜，并且最通常是对应于整个罩体的透镜。宏透镜可以被表示为“常规”透镜，并且具有通常10–100mm量级的尺寸。一种用于宏透镜的适当材料是玻璃。还预见到的是，可以使用例如透明塑料之类的其它材料。以这种方式，本发明提出了一种使得发光强度分布有所改善的光罩。此外，本发明被认为对于诸如固态光源、例如LED的阵列之类的光源的照度均匀度具有正面影响。

与可用的在主光学元件的内表面上使用一组微透镜并且在该主光学元件的外表面上使用一组微透镜的现有技术系统相比，本发明提供了一种较不复杂的技术解决方案，其仅具有部署在光罩的内凹表面上的微透镜阵列。为此，通过本发明的原理，不仅可能提高发光均匀度，而且可能改善发光强度的分布。因此，提供了一种用于发光模块的结合两种功能的碗型光罩。

由于宏透镜结构的厚度沿该光罩有所变化而使得光线从该宏透镜结构较薄的部分朝向较厚的部分进行折射，所以来自固态光源的光线朝向该光罩较厚的部分进行衍射。这样，与可用的现有技术相比，发光强度分布进一步得到改善。

此外，由于本发明改善了发光强度分布，所以可能更好地应对各种技术规范。这样，通过根据本发明的光罩，能够提供一种与不同类型的灯具相兼容的LED模块，同时仍然确保该灯具的整体性能得以保持。因此，本发明的另一个目标是提供一种更为灵活的用于发光模块的光罩。

由此，本发明针对适当LED增加了选择数量，并且因此扩展了诸如用于提供电气屏蔽的保护罩之类的附加部分的设计自由度。

如以上所提到的，由于技术效果有所提升，可能在灯具内利用更为小型的发光模块而且减少发光模块中LED的数量，同时保持高的均匀度。因此，通过本发明，提供了一种制造相对廉价的发光模块。

照度均匀度被认为是解决如何在一个区域内均匀分布光线的重要质量问题。照度均匀度在诸如用于道路、街道、停车设施、公园、风景地貌、人行道和自行车道之类的户外应用中是特别重要的。换句话说，形成对比的高度和低度照明的路段的变化可能会使得眼睛感到严重不适，产生压力和疲劳感并且因此危害到道路安全。在没有被任何理论所限制的情况下，意识到有所改善的光线均匀度会允许人持续感知环境而没有暗光斑所导致的突然中断。另外，光源处较不均匀的照度分布需要更为复杂的光学系统来实现道路上均匀的光线分布。以这种方式，照度均匀度有助于在驾车时提前预判，使得交通流动更为顺畅并且使得驾驶员更为放松。因此，如之前所简要提到的，本发明的又另一个目标是提供一种使得照度均匀度有所改善的用于发光模块的碗型光罩。

在各个实施例中，该光罩可以由基座部分和顶端部分所形成。在本文中，在基座部分中，厚度Z₁比在顶端部分中更小。

优选地，该微透镜阵列结构可以包括曲面微透镜。通过提供具有曲面形状的微透镜，均匀度进一步有所改善。这之所以得以实现是因为该微透镜具有通过在该微透镜的内表面上进行折射而混合光线的功能。该曲面形状例如可以是球面、椭圆或者能够提供所需光线折射的任意其它曲面形状的一部分。

如以上所提到的，对于各个实施例，当微透镜阵列结构包括多个微透镜时，每个微透镜可以以距任意其它微透镜的中心点距离P进行部署。由此，在形成于在两个相邻微透镜的相交之处的切平面T与外凸表面之间形成角度α。因此，该角度对应于该切平面与外凸表面之间的偏差。

通常，由于LED之间的距离差异，发光模块沿纵向方向X和横向方向Y需要不同的光线混合要求。

为了满足该要求，该光线混合必须在两个维度进行独立调节。因此，在各个实施例中，在该光罩的纵向方向X中的两个微透镜之间的中心点距离P₁与在该光罩的横向方向Y中的两个微透镜之间的中心点距离P₂有所不同。以这种方式，可能将X方向和Y方向中的混合量进行分离以进一步改善均匀度。这样，两个维度中的光线混合能够被独立调节。

根据本发明的第二方面，提供了一种发光模块，其包括根据如以上所提到的任意方面的碗型光罩。该发光模块进一步包括多个固态光源，其被配置为朝向该光罩的内凹表面发光。

固态光源是其中通过电子和空穴的重组而产生光线的光源。固态光源的示例包括发光二极管(LED)和半导体激光器。固态光源可以有利地被接合至基座结果的表面。在一个实施例中，LED被布置为四行，其中每行包含10个LED。然而，如本领域技术人员所显而易见的，该发光模块可以具有不同数量的LED、不同行数的LED或者LED的不同部署形式。

本发明能够在各种灯具中实施。该灯具可以具有其它特征，诸如指引光线的反射器，用于对准和保护的外部壳体或外壳，以及镇流器或电源。根据该灯具的特性以及特定的照明需求，该灯具可以被安装在例如灯杆的适当支撑部件上。

注意到，本发明涉及权利要求中所引用特征的所有可能组合。

附图说明

现在将参考示出本发明(多个)实施例的附图对本发明的该方面和其它方面进行更为详细的描述。

图1以部署在发光模块中的光罩的形式示意性示出了根据本发明各个实施例的碗型光罩的示例性应用，该发光模块包括多个固态光源；

图2a是图1的碗型光罩的示意性透视图；

图2b示出了图2的碗型光罩的一部分的切割图；

图3a示出了碗型光罩的两个相邻微透镜的视图，其中包括半径R、中心点距离P、切平面T和角度α；

图3b示出了在纵向方向X和横向方向Y进行延伸的碗型光罩的微透镜阵列结构的视图；

图3c示出了碗型光罩的两个相邻微透镜的另一个视图；

图3d示出了碗型光罩的两个相邻微透镜的又另一个视图；

图4示出了几个光束通过碗型光罩的一部分的衍射的切割图以便对宏透镜的影响进行说明；

图5示出了包括根据本发明的碗型光罩的发光模块的相对发光强度的图形。

如图中所示，组件和区域的大小出于图示的目的而有所放大并且因此被提供以图示出本发明实施例的总体结构。同样的附图标记始终指代同样的要素。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图对本发明进行更为全面地描述，附图中示出了本发明当前的优选实施例。然而，本发明可以以许多不同形式来体现而并不应当被理解为局限于这里所给出的实施例；相反，这些实施例是为了全面性和完整性而提供，并且向本领域技术人员完全地传递本发明的范围。

在以下描述中，主要参考包括多个固态光源的发光模块对本发明进行描述。然而，应当注意的是，这并非意在对本发明的范围进行限制，本发明例如同样能够应用于具有各种光源的发光模块以及固态光源的其它配置。

图1以部署在沿道路的灯杆104中的发光模块的形式示意性图示了根据本发明的要在发光模块中使用的碗型光罩的实施例的示例性应用。该发光模块意在还作为日光的替换物并且因此应当发出均匀的白色光。在发光模块100内，提供了根据本发明的一个实施例的碗型光罩110。发光模块100优选地被附加保护壳体或外壳140所覆盖以便保护碗型光罩110和发光模块100免于损坏和/或受到极端天气的影响。保护壳体或外壳140优选地由透明材料所制成并且可以由例如玻璃或塑料的任意适当材料所制成。

参考图2a，其是图1中的发光模块100和碗型光罩110的示意图，这里的发光模块100包括被配置用于接合至灯杆的基座结构150，这确保了发光模块100被稳固接合从而避免发光模块100的任何故障。这样，基座结构150为发光模块100提供了必要的稳定性。基座结构150因此可以包括用于将发光模块100安装在灯杆上的安装器件。例如，如图2所示，包括发光模块100的基座结构150可以利用螺丝或螺栓被安装到灯杆104，并且因此可以被提供以接合孔。

应当注意的是，图2a是图1中的发光模块100的简化图示，并且诸如针对发光模块的电气连接以及用于安装发光模块的结构之类的各种结构并未被明确指示。然而，这样的结构可以以本领域技术人员所显而易见的许多不同方式来提供。

此外，发光模块100包括多个固态光源120。固态光源120可以部署在基座结构150上并且有利地可以以二维阵列进行排列。在一个实施例中，该固态光源以LED的形式提供。漫射板(或远端磷光体膜)可以被部署在该固态光源之前以对该发光模块所发射的光线进行漫射。除此之外或可替换地，该固态光源可以部署在印刷电路板(PCB)上，后者通常是基座结构150的集成部分。在另一个实施例中，该PCB是该发光模块的单独部分，其通过任意适当手段被接合至基座结构，例如通过粘合剂。

现在将参考图2a和2b对发光模块100和碗型光罩110进行更为详细的描述。如图2a中示意性指示的，发光模块100包括碗型光罩110。碗型光罩110被接合至基座结构150，从而封闭固态光源120。碗型光罩110具有用于面向光源的内凹表面112，以及用于面向远离光源一侧的外凸表面114，上述光源即固态光源120。如图2所示，该形状构成了半个圆，图2是该光罩在纵向方向X和厚度方向Z的形状的截面图。换句话说，该光罩的形状具有纵向方向X中的延伸、横向方向Y中的延伸以及厚度方向Z中的延伸，而使得该光罩的外表面形成凸出表面。例如，在纵向方向X中的延伸处于50至80mm之间，在横向方向Y中的延伸处于15-30mm之间，并且在厚度方向Z中的延伸处于5-25mm之间。所要注意的是，该光罩的最终形状应当适用于它置于其上的固态光源120的部署形式和/或发光模块100的形状。优选地，该光罩由单层材料形成。还预见到的是，该光罩能够由若干层的相同材料制成。

在本发明的所有实施例中，碗型光罩110包括部署在该光罩110的内表面112上的微透镜阵列结构122，以便对从光源发出的光线进行折射。在各个实施例中，该微透镜阵列结构包括多个微透镜。如能够从图2a和2b所示的实施例所看到的，以及如以上所解释的，该微透镜阵列结构在这里包括球形微透镜。通过提供包括具有球面形状的微透镜的光罩110，均匀度有所改善。这之所以实现是因为微透镜具有通过在微透镜的内表面上进行折射而混合光线的功能。

在本文中，折射量由每个微透镜的最大角度α所确定。参考图3a-3d，该角度α由每个球面透镜的半径R以及每个透镜的中心点距离P所确定。因此，在本文中，半径R被称作微透镜表面的曲率半径。也就是说，每个微透镜的表面是球面的一部分，如例如图2b所示，其中该球面具有半径R。因此，每个微透镜在这里是球面的并且由半径R所定义。虽然提到了对为透镜的半径R，但是还要预见到的是，该微透镜能够由描述其曲率的任意其它适当参数所定义。通常，微透镜的半径R和大小确定了微透镜的强度。在这方面，本领域技术人员所显而易见的是，半径R的范围由所选择的微透镜的大小和所要求的效果所确定。

在一些实施例中，如图3a所示，每个微透镜的半径R的长度是恒定的，即半径的长度对于所有微透镜都是相同的。然而，在其它实施例中，第一微透镜的半径R的长度可以与第二微透镜的半径R的长度有所不同。在又另一个实施例中，该微透镜阵列结构122中的每个微透镜的半径R小于10mm。在一个具体实施例中，半径R的长度为2.6mm。虽然从图中无法看出，但是还能够轻易理解的是，针对给定中心点距离P，由于微透镜的几何形状，小的半径R对应于大的角度α。相对应地，大的半径R对应于小的角度α。

角度α是指形成于两个相邻微透镜相交之处的切平面T与外凸表面114之间的角度。如能够从图3b所看到的，小的中心点距离P对应于小的角度α。如能够从图3c所看到的，大的中心点距离P对应于大的角度α。因此，角度α对应于切平面T和外凸表面114之间的偏差。所要注意的是，在切平面T和外凸表面114之间的该特定相交点，外凸表面114被作为平坦表面。

在根据本发明的一个实施例中，如图3d所示，作为碗型光罩110的纵向方向X中的两个微透镜之间的距离的中心点距离P₁与作为碗型光罩110的横向方向Y中的两个微透镜之间的距离的中心点距离P₂有所不同。以这种方式，可能将X方向和Y方向中的混合量进行分离以进一步改善均匀度。例如，中心点距离P₁处于3至10mm之间，并且中心点距离P₂处于3至15mm之间。所要注意的是，图3d描绘了两个微透镜之间的中心点距离P的简化示图。因此，在实际中，微透镜通常在X方向和Y方向明显互相更为接近地进行部署，并且经常以如图2b所示的图案进行部署。

并不被任何理论所限制，在阴影角度，发光表面变得更小并且因此需要较少的混合。这样，中心点距离P沿着光罩表面随微透镜的角位置而变化。

再次参考图2a和2b，碗型光罩110进一步包括形成于微透镜阵列结构122和碗型光罩110的外凸表面114之间的宏透镜(macro lens)结构124。如图2b中更为清楚地图示的，宏透镜结构124具有厚度Z₁。厚度Z₁沿光罩110发生变化而使得光从宏透镜结构124较薄的部分向较厚的部分进行折射。也就是说，该厚度从厚度Z₁变为Z₂。在本文中以及如图2b所示，厚度Z₁沿角度γ而变化。还能够从图2b所明了的是，角度γ被定义为包含固态光源120的表面，即基座结构150的表面的表面法线之间的角度。角度γ的范围从0°到±90°。因此，0°为垂直于基座结构150，而90°则平行于基座结构150。在一个实施例中，厚度Z₁在在光罩110的基座部分132中比光罩110的顶端部分134中更小。这在图2b中有所图示，即光罩110的基座部分132具有小于光罩110的顶端部分134的厚度Z₂的厚度Z₁。微透镜结构124的技术效果还在图4中有所图示，其示出了光线如何朝向光罩110较厚的部分进行折射。这样，来自固态光源的光线朝向光罩110较厚的部分进行折射。因此，可能进一步改善发光强度的分布。在其它实施例中，厚度Z₁沿着角度γ而变化。关于图4，要注意的是，光束在内表面的折射有所放大。此外，在实践中，在外表面也会有折射。

就此而言，宏透镜124的厚度变化主要影响到发光强度的分布，而微透镜阵列122则主要影响照度均匀度。所要注意的是，由于本发明提供了两种功能，所以并不可能完全将以上所提到的两种技术效果进行隔离。

如以上所提到的，均匀度通过碗型光罩110而在所有固态光源上都明显有所改善。而且，部署在基座结构外部区域的几个LED能够由于光罩更接近于该外部区域而可能更为容易的被分辨，这是由于该光罩是碗型的。也就是说，由于该光罩的曲率，与处于该光罩的基座的点Q处的距离相比，该光罩和部署在基座结构上的LED之间的距离在处于该光罩顶端部分的点S处较小。

参考图5，示出了包括碗型光罩110的发光模块100的相对发光强度。在本文中，术语“相对”是指相对于朗伯(Lambertian)发光分布的最大数值的发光强度。在该图中，针对包括光罩的发光模块以及没有任何光罩的发光模块描绘出了相对发光强度。在考虑Lambertian发光分布的情况下描绘出这两个示例。该角度是指如图2b所示的角度γ。没有光罩的发光模块的相对发光强度由虚线示出，包括光罩的发光模块的相对发光强度由白线示出，并且Lambertian相对发光强度由连续线条所示出。Lambertian发光分布在0°具有最大发光强度，其在-90°和+90°下降为0。对于所有示例，相对发光强度表现出大的分布，其中在0°角度具有峰值相对发光强度，并且在-90°和90°具有最小发光强度。如图5中的流程图所示，当发光模块在没有光罩的情况下使用时，第一区域—即0°-41.4°—中存在过多数量的光线，并且在第四区域—即75.5°-90°—中的光线数量则有所不足。然而，当使用包括碗型光罩的发光模块时，所测量的发光强度针对所有区域都有所改善，并且获得了更接近于Lambertian相对发光强度的更为均匀的发光强度分布。特别地，通过本发明，意识到在所有区域中，相对发光强度都处于Lambertian相对发光强度的4％以内。以上所提到的示图是用于示例性的目的，并且所要注意的是，根据碗型光罩的最终形状和厚度可能存在一些变化。

注意到，通过提供具有碗型光罩的发光模块，通过去除随机LED而不产生间隙以减少LED数量可能是不切实际的。在实践中，去除处于LED基座结构角落位置的LED或者将其跨表面重新分布。然而，通过本发明，与没有光罩的原始照度分布相比，仍然可能提供有所改善的均匀度。这是由于利用该光罩，每个LED的照度面积增大为大约该LED间距的大小。

此外，通过研习附图、公开和所附权利要求，本领域技术人员在实践所请求保护发明时能够理解并实施针对所公开实施例的变化。在权利要求中，词语“包括”并不排除其它要素或步骤，并且不定冠词“一个”(“a”或“an”)并不排除多个。某些措施在互相不同的从属权利要求中被引用的仅有事实并非表示这些措施的组合无法被加以利用。

Claims

1.一种用于发光模块的碗型光罩(110)，所述光罩(110)具有用于面向光源的内凹表面(112)，以及用于面向远离光源的外凸表面(114)，所述光罩(110)包括：

-微透镜阵列结构(122)，其布置在所述光罩(110)的内表面(112)上以用于使得从光源发射的光线发生折射；和

-形成于所述微透镜阵列结构(122)和所述光罩(110)的所述外凸表面(114)之间的宏透镜结构(124)，所述宏透镜结构(124)具有厚度(Z1)，其中所述厚度(Z1)沿着所述光罩(110)有所变化而使得光线从所述宏透镜结构(124)较薄的部分朝向较厚的部分进行折射。

2.根据权利要求1所述的碗型光罩(110)，其中所述光罩(110)由基座部分(132)和顶端部分(134)所形成，所述厚度(Z1)在所述基座部分(132)中比在所述顶端部分(134)中更小。

3.根据之前任一项权利要求所述的碗型光罩(110)，其中所述光罩(110)由单个材料层所形成。

4.根据之前任一项权利要求所述的碗型光罩(110)，其中所述微透镜阵列结构(122)包括微透镜。

5.根据权利要求4所述的碗型光罩(110)，其中每个微透镜为球面的并且由半径(R)所定义。

6.根据权利要求5所述的碗型光罩(110)，其中每个微透镜的所述半径(R)的长度对于所有微透镜是相同的。

7.根据权利要求5或6所述的碗型光罩(110)，其中所述微透镜阵列结构(122)中的每个微透镜的所述半径(R)的长度小于10mm。

8.根据权利要求4至7所述的碗型光罩(110)，其中所述微透镜阵列结构(122)包括多个微透镜，并且其中每个微透镜距任意其它微透镜以中心点距离(P)进行布置，由此在两个相邻微透镜的相交之处的切平面(T)与所述外凸表面(114)之间形成角度α。

9.根据权利要求4至8所述的碗型光罩(110)，其中在所述光罩(110)的纵向方向(X)中的两个微透镜之间的中心点距离(P1)与在所述光罩(110)的横向方向(Y)中的两个微透镜之间的中心点距离(P2)有所不同。

10.一种发光模块(100)，包括：

-根据权利要求1至9中任一项所述的碗型光罩(110)；

-基座结构150；和

-多个固态光源(120)，其接合至所述基座结构(150)并且被布置为朝向所述光罩(110)的所述内凹表面(112)发光。