CN105042509A - 用于发光装置的透镜、相应的发光装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于发光装置的透镜、相应的发光装置及方法。提供了一种可耦接至光辐射源(14)例如LED源的透镜(10)，以使得由光辐射源(14)产生的光辐射穿过透镜(10)。透镜(10)包括嵌入到透镜(10)自身中的适于能够进行光辐射源的电力供给的至少一条导电线(12)。
Description
技术领域
本发明涉及用于发光装置的透镜。
一个或多个实施方式可以涉及利用固态光源如LED光源作为光辐射源的发光装置。
背景技术
发光装置如室外使用的LED模块可以满足下述要求，例如：
-高光通量(例如大于10,000流明(lm))；
-高功率效率(例如大于110流明/瓦(lm/W))，这在一方面可能需要低热阻，以及在另一方面需要光学系统的高效率(大于90％)；
-高电气绝缘(例如大于2kVAC)；
-在高额定流明维持寿命(例如60,000小时)和低毁灭性故障率(例如焊点接头在经历至少5000次热循环之后还存在)方面的高可靠性；
-模块化；
-在材料清单(BoM)和制造过程两方面的低成本。
满足这些要求可能是一个挑战。
为了实现高光学效率，可以使用光学器件如透镜。
在印刷电路板组件(PBA)方面，可以采用当满足一些先前所概述的要求时另一方面可能危及其他必要特征的各种实现方式。
例如，第一解决方案在于焊接在绝缘金属基板(IMS)上的光辐射源的分布式阵列例如采用陶瓷封装(AlN或Al2O3)的高功率LED的使用。然后，单元经由导热胶或螺钉装配在散热器(或散热壳体如金属散热壳体，例如铝壳体)上。
这种解决方案有一些限制，例如由于光辐射源(例如LED源)的陶瓷封装与板的基本金属(例如铝)之间可能高的热膨胀系数(CTE)的失配而导致的焊点接头的可靠性降低。
这种解决方案的另一个限制是需要达到影响电气绝缘的介电击穿与热阻之间的平衡。实际上，具有低热阻的IMS板有相当低的介质击穿。
另一PBA实现方式可以在于使用焊接在陶瓷板(AlN或Al2O3)上的光辐射源的分布式阵列(例如采用陶瓷封装的功率LED)。所得到的单元随后可以经由导热粘合剂装配在散热器(或散热壳体，例如金属散热壳体，如铝散热壳体)上。
在这种情况下，与IMS板相比，热阻可以相似或者甚至更低，同时因为在膜厚度大于0.3mm的情况下介电绝缘可以大于20kV/mm，所以介电绝缘不是关键的问题。
此外，因为这个实现方式可以大大地减小光辐射源的封装与板之间的CTE失配，所以这个实现方式可以显示出焊点接头的较高的可靠性。
然而，因为可以实现的板面积有限以及因为相当高的成本(多于 )，所以这种解决方案不能用于具有高数量LED的分布式LED阵列和/或大的LED至LED间距的情况。
另一PBA实现方式可以在于使用在IMS或陶瓷基板上制造的板上芯片(CoB)部件。CoB可以经由导热胶或螺钉装配在散热器(或散热壳体，例如由金属如铝制成的散热壳体)上。
在基于IMS的CoB的情况下，相对于焊接在IMS板上的封装的LED，介电绝缘更易于管理。与插入到CoB部件中的封装件中并且焊接在IMS板上的LED相比，省略CoB部件中的封装件的可能性可以导致更低的热阻。
因此，在CoB部件的情况下，可以使用具有较高的介质击穿但是具有至少较低的导热率的电介质。
在基于陶瓷的CoB的情况下，因为缺少LED封装，所以可以使用具有低的导热率的陶瓷(例如Al2O3)。
此外，与针对陶瓷板所描述的原因相同，介质击穿可以不构成重要问题。
此外，不论使用哪种类型的板，因为焊点接头不再存在，所以焊点接头的可靠性不是问题。
CoB解决方案还由于成本原因而是有吸引力的。事实上，在一些实现方式中，相对于使用焊接在IMS板上的封装的LED的PBA解决方案，CoB解决方案可以实现高达35％的成本节约。
然而，CoB解决方案可能有一些约束。
例如，第一约束可能涉及到大透镜的使用，而大透镜是不容易制造的；这可能需要光学透镜的大小、CoB的大小以及成本间的折衷。
另一个约束关于不同的CoB之间的互连。可以通过手动焊接从一个CoB延伸到另一个CoB的导线来产生这种互连；然而，存在下述风险：这种行为可能影响基于IMS的CoB的介质击穿特性，导致电气绝缘的可能减小。
另一种可能性在于使用附加的板(例如，FR4单层板)作为电源总线线路，使用用于与若干个CoB互连的连接器；然而，若干个连接器的使用会产生额外的成本，并且产生在成本方面不具有竞争力的解决方案。
发明内容
一个或多个实施方式旨在克服先前列出的缺点。
在一个或多个实施方式中，由于具有所附权利要求中特别阐述的特征的透镜而可以实现所述目标。
一个或多个实施方式还可以涉及相应的发光装置以及相应的方法。
权利要求是文中参照实施方式提供的技术教示的整体的一部分。
一个或多个实施方式可以设想产生电驱动光辐射源(例如CoB元件或安装在小板上的密集LED群)之间的电互连和/或向使用光学透镜的任何其他系统的电互连的方式。
在一个或多个实施方式中，导电(例如，铜)互连线可以通过使用诸如共同模制、等离子沉积或激光直接成型(LDS)之类的处理而嵌入到光学透镜(例如，由塑料制成的光学透镜)中。
在一个或多个实施方式中，通过使用共同模制或等离子沉积，可以使用标准的聚合物基透镜，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)透镜。
在一个或多个实施方式中，通过使用LSD处理，可以使用混合有催化剂的塑料材料。
在一个或多个实施方式中，具有导线如铜线的光学透镜可以具有使得能够包络或围绕相应的光辐射源(例如CoB元件)的形状，该相应的光辐射源通过螺钉或胶固定在散热器或散热壳体上。这是在确保光辐射源与透镜之间的正确定位的同时完成的，并且可选地，可以容纳例如具有滑动触点的插入式连接器。
在一个或多个实施方式中，使用应用于两个对象的导电焊盘(例如铜焊盘)之间的导电粘合剂或者使用通常在光学透镜中采用的弹簧触点可以获得光学透镜与光辐射源(例如CoB)之间的电连接。
一个或多个实施方式可以获得一个或多个下述优点：
-光辐射源(例如，CoB或安装有LED群的小板)间易于互连；
-高功率效率；
-一起实现电气绝缘和低热阻的可能性；
-在流明维持和焊点接头可靠性方面的高可靠性。
附图说明
现在参照附图仅通过非限制性示例的方式描述一个或多个实施方式，在附图中：
图1和图2示出从不同视角观察实施方式的示例的立体图；
图3和图4举例说明实施方式的安装布置；
图5更详细地示出了图4中由箭头V表示的部分；
图6举例说明一个或多个实施方式；
图7和图8举例说明实施方式的安装布置；
图9是大致对应于图8中的箭头IX的视图；
图10和图11示出再次从不同视角观察一个或多个实施方式的立体图；以及
图12和图13举例说明实施方式的安装布置。
应理解，为了更清晰地说明，附图中的可见部件不一定按比例绘制。
具体实施方式
在下面的描述中，给出许多特定细节来提供对各种示例性实施方式的透彻理解。可以在没有一个或若干个特定细节的情况下来实行一个或多个实施方式，或采用其他方法、部件、材料等实行一个或多个实施方式。在其他情况下，没有示出或详细描述公知的结构、材料或操作以避免使实施方式的方面模糊不清。贯穿本说明书所提及的“实施方式”是指关于该实施方式描述的特定的特性、结构或特征包括在至少一个实施方式中。因此，贯穿本说明书的在各个地方可能出现的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”不一定都指相同的实施方式。此外，特定的特性、结构或特征可以在一个或多个实施方式中以任何合适的方式组合。
文中提供的标题仅为了方便起见，并且不解释实施方式的范围或含义。
附图举例说明了适于与电驱动的光辐射源例如固态光辐射源(如LED光源)一起使用的透镜10的一个或多个实施方式。
在一个或多个实施方式中，透镜10可以包括对可见光范围内的光辐射是透明的材料的本体。例如，透明聚合物如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或混合有催化剂的塑料材料是这种材料的示例。
在一个或多个实施方式中，可以经由在本说明书的引言部分中已经提及的工艺处理中的一种工艺处理来制造透镜10。
在一个或多个实施方式中，透镜或每个透镜10可以包括围绕构成透镜10的适当的光学部件的部份10b的外周部10a。
在一个或多个实施方式中，部分10b可以具有大致透镜状形状，如凸形。
在一个或多个实施方式中，外周部10a可以具有使得能够以阵列(例如，矩阵)形式安装若干个透镜10的多边形外形(例如，在当前所示的示例中的正方形)。
在一个或多个实施方式中，透镜10可以设置有金属材料例如铜的导电线12，导电线12通过采用如前面所提到的技术之一嵌入到透镜10中，即导电线12通过使用诸如共同模制、等离子沉积或激光直接成型(LDS)之类的工艺嵌入到透镜10中。
例如，导电线12可以分别是用于一个或多个电驱动的光辐射源(例如LED光源)14的正电源线和负电源线，其中透镜10可以根据将在下面更详细描述的布置耦接至光辐射源14。
在一个或多个实施方式中，导电线12可以具有出现在透镜10的表面处的接触端子部件12a、12b。
在如文中所举例说明的一个或多个实施方式中，一个或多个端子12a可以侧向面对透镜10，例如，如果存在外周部10a，则一个或多个端子12a可以沿着外周部10a的一条边布置以容纳电源线的插入式滑动触点(在附图中不可见)。
在一个或多个实施方式中，嵌入到透镜10中的线12可以在透镜10自身的背面即正面的相对面上延伸，其中光辐射通过透镜10的正面向外传播。
在一个或多个实施方式中，一个或多个端子部件12b因此使得能够与光辐射源14的供电焊盘电接触。
在一个或多个实施方式中，光源由电驱动的光辐射源例如由执行CoB技术的LED构成。
图1是从正面观察的所描述的透镜10的总体立体图，而图2是从背面观察的所描述的透镜10的视图。
在图1和图2举例说明的一个或多个实施方式中，透镜10的外周部10a可以成形为形成适于围绕透镜10所关联的一个或多个光辐射源14的一种框架(在当前所示的示例中具有正方形外形)。
图3举例说明了使用以矩阵阵列布置的多个透镜10的可能性，每个透镜10与相应的光辐射源14相关联。
图3中的示例仅以示例的方式指出了使用以正方形2×2矩阵布置的N＝4个透镜，每个透镜为正方形。
当然，可以随意选择透镜10的形状和通过将若干个透镜10放在一起而形成的阵列的总体形状以及可以随意选择透镜10在这种阵列中的布置。
图3和图4举例说明了发光装置的可能的装配顺序，该发光装置采用散热支撑件16作为光辐射源14以及与光辐射源14相关联的透镜10的安装支撑件。
在一个或多个实施方式中，支撑件16可以包括散热器(例如具有散热片)或导热壳体如金属壳体。
在一个或多个实施方式中，一个或多个光辐射源14可以例如经由螺钉18或导电粘合剂安装在基板16上。
在电源14的导电焊盘上，可以布置有导电材料例如导电粘合剂。
正如可以从图3和图4的顺序更好地理解的那样，一个或多个透镜可以在理想的对准位置布置在光辐射源14的上方，例如以使得透镜或每个透镜10的外周部10a能够围绕或“包络”相应的光辐射源14。
可以通过使前述的导电粘合剂固化来完成导电线12(附图中的端部12b)与光源14的导电焊盘之间的电连接。
可以通过滑动而插入一个或多个电连接器20以接触导电线12的端部12a。
图6至图13举例说明了不同于在图1至图5中举例说明的实施方式的可能实施方式。
在这方面，应理解，在图6至图13中使用相同的附图标记表示与参照图1至图5已经描述的部件或元件相同或相似的部件或元件；因此，在这里省略这些部件或元件的详细描述。
当然，在不同附图中采用相同的附图标记表示的部件或元件不需要以相同的方式在一个或多个可能的实施方式中实现。
此外，可以在不同附图举例说明的实施方式中自由地使用文中当参照例如图1至图5或图6至图9或者图10至图13时举例说明的一个或多个特征。
图6至图9举例说明了将在图1至图5的示例中示出为不同部件的若干个透镜10结合成一个单一的元件的可能性。
在一个或多个实施方式中，例如，这种结合可以以2×2矩阵模式通过透镜各自的外周部10a实现为包括互连的多个透镜状部分10b(即适当的“透镜”)的“复合”透镜。
参照图6至图9举例说明的实施方式，应理解，可以随意选择包括在透镜10中的透镜状部分10b的数目N(在当前举例说明的实施方式中，N＝4)和这种透镜状部在透镜10内的布置以及还可以随意选择透镜10的总体形状。
在如图6至图9举例说明的一个或多个实施方式中，在透镜10中可以有经由本说明书的引言部分中所引述的技术之一(例如通过共同模制)而获得的嵌入的导电线12。
另外，在图6至图9举例说明的实施方式中，导电线12可以具有可以滑动地容纳电连接器如连接器20的端子12a，以及适于连接至光辐射源14的电连接焊盘的端子12b。
图6至图9突出了以下事实：在如文中举例说明的一个或多个实施方式中，导电线12可以从端子12a(适于被视为供电端子)朝向第一光辐射源14延伸，从第一光辐射源14延伸至第二光辐射源14，并且从第二光辐射源14朝向与“复合”透镜10相关联的其他光辐射源延伸。
以此方式，在一个或多个实施方式中，可以实现光辐射源14的一系列电连接。考虑到可以随意选择导电线12的布置的事实，在一个或多个实施方式中，光辐射源14的连接可以根据应用的要求为全部连接或部分连接、并联连接。
在如图6至图9举例说明的一个或多个实施方式中，安装顺序(以图7和图8的顺序示意性地表示)可以设想为：例如通过螺钉18或导热粘合剂将光辐射源14固定安装在基板16上，在必须与光辐射源14形成接触的端子12b上并且在光辐射源14之间应用导热粘合剂。
复合透镜10或多个透镜10可以应用在光辐射源14的上方，同时实现光学部分10b和光辐射源14之间的所需对准。
然后使应用在端子12b上的粘合剂或焊料块固化，并且可选地，根据先前描述的过程插入一个或多个电连接器20。
在这种情况下，同样地，透镜10的外围部10a可以围绕适当的光学部分10b，每个外围部10a形成适于围绕在其中的相应的光辐射源14的一种框架，保护光辐射源14免受外部环境的影响。
在图10至图13的示例中进一步示出了这种功能，其中举例说明了如下可能性：将例如硅树脂材料的垫圈22置于透镜10(在当前所示的示例中为外周部10a)与散热支撑件16的表面之间以获得光辐射源14周围更好的密封(知识产权保护)。
如前所述，同样地，当前参照图10至图13举例说明的解决方案可以应用于其他附图中所示的实施方式中。
以同样的方式，图10至图13举例说明了设置具有实施为弹簧触点的端子(例如一个或多个端子12b)的导电线12的可能性，这同样可以应用于其他当前所示的解决方案中。由于压力接触，即无需使用焊料块如导电粘合剂，这些弹簧触点适于实现与光辐射源14的供应焊盘的电接触。
在一个或多个实施方式中，透镜10可以设置有用于安装螺钉26的通过的开口24(例如槽的形式)。
在这种情况下，如图12和图13的顺序举例说明的，安装顺序可以设想为：在一个或多个光辐射源14(例如通过螺钉18或通过粘合剂)安装在支撑件16上之后应用透镜10，随后使用螺钉26将透镜10固定。
在一个或多个实施方式中，还由于可能存在垫圈22，这样施加的压力因此可以使得能够获得一定程度的保护，例如IP级的保护。
透镜20例如经由螺钉26对支撑件16的表面的压力可以导致弹簧触点端子12b产生与光辐射源14的焊盘的稳固压力接触。
在一个或若干个实施方式中，这种解决方案(也同样适用于在图1至图9中举例说明的实施方式)还可以简化发光装置的安装过程。
当然，在不影响基本原理的情况下，对于文中仅通过非限制性示例的方式所描述的内容，细节和实施方式可以变化，甚至明显地变化，而不会偏离本发明的范围。所述范围由所附权利要求限定。
Claims (11)
1.一种透镜(10)，用于耦接至电驱动的光辐射源(14)，以被由所述光辐射源(14)产生的光辐射穿过，其中，所述透镜(10)包括嵌入在所述透镜(10)中的至少一条导电线(12)。
2.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述至少一条导电线(12)以下述方式中的任一种嵌入到所述透镜(10)中：
-所述至少一条导电线(12)与所述透镜(10)共同模制，
-所述至少一条导电线(12)等离子沉积到所述透镜(10)上，或者
-所述至少一条导电线(12)通过激光直接成型或LDS形成在所述透镜(10)上。
3.根据权利要求1或2所述的透镜，其中，所述至少一条导电线(12)包括出现在所述透镜(10)的表面处的至少一个端子(12a，12b)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的透镜，其中，所述至少一条导电线(12)包括形成为插入式连接器的至少一个端子(12a)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的透镜，其中，所述至少一条导电线(12)包括形成为弹簧触点的至少一个端子(12b)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的透镜，其中，所述至少一条导电线(12)布置在所述透镜(10)的背面。
7.根据前述权利要求中任一项所述的透镜，包括围绕所述透镜的光学部(10b)的外周部(10a)，其中，所述至少一条导电线(12)包括出现在所述透镜的表面处、位于所述外周部(10a)的向外(12a)和向内(12b)处的端子(12a，12b)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的透镜，其中，所述透镜包括围绕所述透镜的光学部(10b)的外周部(10a)，其中，垫圈(22)耦接至所述外周部(10a)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的透镜，其中，所述透镜(10)是包括多个光学部(10b)的复合透镜，其中至少一条导电线(12)在所述多个光学部中的两个光学部(10b)之间延伸。
10.一种发光装置，包括：
-支撑构件(16)，所述支撑构件(16)优选地为散热支撑构件，
-安装在所述支撑构件(16)上的至少一个电驱动的光辐射源(14)，
-至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的透镜(10)，所述透镜(10)安装在所述支撑构件(16)上以被由所述至少一个光辐射源(14)产生的光辐射穿过，并且，嵌入在所述透镜(10)中的所述至少一条导电线(12)向所述至少一个光辐射源(14)提供电接触。
11.一种制造发光装置的方法，包括：
-设置支撑构件(16)，所述支撑构件(16)优选地为散热支撑构件，
-将至少一个电驱动的光辐射源(14)安装在所述支撑构件(16)上，以及
-在所述支撑构件(16)上安装至少一个透镜(10)以使所述至少一个透镜(10)被由所述至少一个光辐射源(14)产生的光辐射穿过，其中，所述透镜(10)包括嵌入在所述透镜(10)中的至少一条导电线(12)，其中所述至少一条导电线(12)向所述至少一个光辐射源(14)提供电接触。
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