CN108027110A - 照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的示例性实施例包括：发光部件，该发光部件包括板和设置在板的上表面上的多个发光器件；第一反射表面，该第一反射表面位于发光部件的一侧上；第二反射表面，该第二反射表面位于发光部件的另一侧上，其中第一反射表面和第二反射表面包括具有抛物线形状的反射部件；以及透镜，该透镜设置在第一反射表面和第二反射表面之间的发光部件上，并且发光器件中的每个被布置成与抛物线形状的焦点对准，并且反射部件的高度通过等式1来定义。

Description

照明装置
技术领域
实施例涉及一种包括发光元件的照明装置。
背景技术
通常，发光二极管(LED)是当电子和空穴通过施加电流在P-N结处相遇时发射光的装置。与传统光源相比，LED具有许多优点，诸如在低电压和低电流下连续发光以及低功耗。
具体地，LED广泛用于各种显示装置、背光源等。近年来，通过使用分别发射红光、绿光和蓝光的三个发光二极管芯片或者通过使用荧光物质以转换光的波长来发射白光的技术已经被开发并且在应用范围中扩展，甚至扩展至照明装置。
为了杀菌、清洁等目的，发射紫外光的LED可以在净水器、消毒器等中使用，并且还可以在形成光致抗蚀剂图案的曝光设备中使用。具体地，对于包括用于在曝光设备中使用的紫外光的LED的发光模块，重要的是将光集中到特定目标区域。
当与具有大光量的灯相比具有相对小的光量的LED被用作光源以将光源的功率集中到具有与光源的大小可比拟的大小的光纤或探测器时，难以使用反射器的简单形式将光源的功率集中在探测器的整个区域上。
发明内容
技术问题
实施例提供能够将光均匀地聚集具有特定区域的目标上的照明装置。
技术方案
在一个实施例中，照明装置可以包括发光单元，该发光单元包括板和多个发光元件，所述多个发光元件被设置在板的顶表面上；反射器，该发射器包括在发光单元的一侧上定位的第一反射表面和在发光单元的相对侧上定位的第二反射表面，第一反射表面和第二反射表面具有抛物线形状；以及透镜，该透镜被设置在第一反射表面和第二反射表面之间的发光单元上，其中发光元件中的每个被布置成与抛物线形状的焦点对准，并且反射器的高度由如下定义的等式1来定义：
[等式1]
其中Z可以是反射器的高度，a可以是抛物线形状的焦距，并且PD可以是从第一反射表面的最上端到第二反射表面的最上端的距离。
Z≥0.89A，并且A可以是发光元件的直径。
第一反射表面的最下端和第二反射表面的最下端之间的距离可以大于或等于4a。
透镜可以包括折射器(refractor)，该折射器包括：入射表面，从发光元件发射的光入射在该入射表面上；以及出射表面，穿过入射表面的光通过该出射表面，其中穿过折射器的光在平行于与板的顶表面垂直的方向中被输出。
透镜的入射表面的直径可以由等式2如下地定义：
[等式2]
其中LD可以是透镜的入射表面的直径，并且θ可以是从具有发光强度为强度分布的最大值的10％的发光元件发射的光的角度。
透镜的高度可以由等式3如下地定义：
[等式3]
其中，LZ可以是透镜的高度，并且α可以是板的顶表面与参考线之间的角度，其中参考线可以是连接发光元件中的每个的中心和第一反射表面或第二反射表面的最上端的虚拟线。
α可以是33°至67°。可替选地，α可以是33°至51°。可替选地，α可以是33°至37°。
透镜的第一边缘可以接触第一参考线，并且透镜的第二边缘可以接触第二参考线，其中第一参考线可以是连接发光元件中的每个的中心和第一反射表面的最上端的虚拟线，并且第二参考线可以是连接发光元件中的每个的中心和第二反射表面的最上端的虚拟线。
透镜可以进一步包括支撑件，该支撑件连接到折射器并且固定到板的顶表面，其中支撑件可以耦合到除了板的第一区域之外的顶表面的第二区域，发光元件被定位在第一区域中。
照明装置可以进一步包括具有用于容纳发光单元、反射器和透镜的腔体的壳体，其中壳体的内壁可以提供有用于支撑透镜的相对端的突出支撑件。
发光元件中的每个可以产生200nm至400nm的波长范围中的紫外光。
在另一实施例中，照明装置可以包括：发光单元，该发光单元包括板和至少一个发光元件，所述至少一个发光元件被设置在板的顶表面上；反射器，该反射器包括围绕发光单元定位的第一开口、被定位在第一开口上方并且允许从发光单元发射的光通过其输出的第二开口，并且该反射器包括在第一开口和第二开口之间定位的反射表面；以及透镜，该透镜被设置在反射表面的内侧上的发光单元上并且具有入射表面和出射表面，其中反射表面可以是椭圆形状，并且透镜的入射表面和出射表面相遇的拐角(corner)被对准以接触参考线，其中参考线可以是连接至少一个发光元件的中心和反射表面的最上端的虚拟线，其中在垂直参考线和参考线之间的角度可以是30°到51°，其中垂直参考线可以是穿过反射器的中心和透镜的中心并且垂直于板的顶表面的虚拟线。
反射器的第一开口的直径可以大于或等于发光元件的发光表面的直径的1.2倍并且小于或等于发光元件的发光表面的直径的5.0倍。
透镜的高度可以是反射器的高度的一半。
总收集功率的40％或更多可以集中在与反射器的下表面分开并且被定位在第二开口的前面的目标上。
目标的直径可以大于或等于发光元件的发光表面的直径的1.2倍并且小于或等于发光元件的发光表面的直径的1.5倍。
从反射器的下表面到目标的距离可以大于或等于发光元件的发光表面的直径的1.0倍，并且小于或等于发光元件的发光表面的直径的4.5倍。
透镜的直径可以由等式4和5如下地定义：
[等式4]
LD2＝k×B，以及
[等式5]
B＝2×LH2×tan(θ)
其中LD2可以是透镜的直径，B可以是第二开口的直径的一半，0.8≤k≤1，LH2可以是透镜的高度，并且θ可以是垂直参考线和参考线之间的角度。
有益效果
根据实施例，光可以被均匀地聚集在具有特定区域的目标上。
附图说明
图1示出根据实施例的照明装置的分解透视图。
图2A示出沿着线AB截取的在图1中示出的照明装置的横截面图。
图2B示出沿着线CD截取的在图1中示出的照明装置的横截面图。
图3示出由图1中示出的透镜折射的光。
图4示出图3中示出的第一和第二反射表面的高度。
图5示出由图1中示出的反射器反射的光。
图6示出沿着线CD截取的根据另一实施例的照明装置的横截面图。
图7是示出针对图8的模拟结果的每个情况的条件。
图8示出基于图7的条件根据模拟结果的发光强度的增加率。
图9示出图8的每个情况下的最大强度增加率的曲线。
图10示出根据实施例的照明装置的分解透视图。
图11示出沿着线AB截取的图10中示出的照明装置的横截面图。
图12示出沿着线CD截取的图10中示出的照明装置的横截面图。
图13示出由图10中示出的反射器的反射表面反射的光。
图14示出反射表面的大小、透镜的大小和位置以及目标的大小和位置。
图15示出针对图16的模拟结果的每个情况的条件。
图16示出根据图15的照明装置的聚光的模拟结果。
图17示出针对图18的模拟结果的每个情况的条件。
图18示出根据图17的条件的照明装置的聚光的模拟结果。
图19是图16和图18的模拟结果的曲线图。
具体实施方式
在下文中，从结合附图的下面的描述中将更清楚地理解实施例。在实施例的描述中，要理解的是，当层(膜)、区域、图案或结构被描述为在基板、每个层(膜)、区域、焊盘或图案“上”或“下”时，术语“在...上”和“在...下”在概念上包括“直接”或“间接”。在描述中，基于附图定义“在...上面”或“在...下面”。
要理解的是，为了图示的简单和清楚，一些元件的尺寸相对于其他元件被放大、省略或示意性地示出。另外，附图中示出的元件不一定按比例绘制。只要有可能，在整个附图中将使用相同的附图标记以指代相同或相似的部件。
图1示出根据实施例的照明装置100的分解透视图，图2A示出沿着线AB截取的图1中示出的照明装置100的横截面图，并且图2B示出沿CD线截取的图1中示出的照明装置100的横截面图。
参考图1、图2A和图2B，照明装置100包括壳体110、发光单元120、反射器130和透镜140。
壳体110具有用于容纳发光单元120、反射器130和透镜140的腔体111。
壳体110可以由具有轻重量和高耐热性的塑料材料或诸如例如铝的具有高导热率的金属材料形成。壳体110的内壁可以涂覆有能够反射从发光单元120发射的光的反射材料。在另一实施例中，壳体110可以由反射光的反射材料形成。
发光单元120被设置在壳体110中并且发射光。
发光单元120可以包括板122和发光元件124。发光单元120还可以包括树脂层126，该树脂层126能够保护发光元件124并且折射从发光元件发射的光。这里，树脂层126可以用作折射光的透镜。
发光单元120的板122可以是板状结构，在该板状结构上发光元件124和能够向发光元件124供电、控制发光元件或者保护发光元件的元件可以被安装。
例如，板122可以是印刷电路板或金属PCB。在图2B中，板122可以具有长方体形状。然而，实施例不限于此。该板可以具有圆形、椭圆形或多面板形状。
发光元件124被设置在板122的一个表面(例如，顶表面)上。发光元件124可以是基于发光二极管(LED)的光源，但不限于此。例如，发光元件124可以采取LED芯片或LED封装的形式。
发光元件124的数目可以大于或等于1。虽然在图1中被图示多个发光元件124-1至124-n(其中n是大于1的自然数)在板122上被设置成一行，但是实施例不限于此。多个发光元件124-1至124-n(其中，n是大于1的自然数)可以以诸如圆形或矩阵形状的各种形状设置在板122上。
发光元件124-1至124-n(其中n是大于1的自然数)可以发射相同波长范围或相似波长范围中的光线。可替换地，发光元件124-1至124-n中的至少一个(其中n是大于1的自然数)可以发射不同波长范围中的光。
例如，发光元件124-1至124-n(其中n是大于1的自然数)中的每个可以产生波长范围为200nm至400nm的紫外光。可替选地，例如，发光元件124-1至124-n中的每个(其中n是大于1的自然数)可以产生在200nm至280nm的波长范围中的紫外C(UVC)。
反射器130可以包括在发光单元120的一侧上定位的第一反射表面132a和在发光单元120的相对侧上定位并面向第一反射表面132a的第二反射表面132b。
第一反射表面132a和第二反射表面134a可以具有抛物线形状或具有抛物线的曲率。
例如，第一反射表面132a的延长线与第二反射表面134a的延长线相遇的曲面可以是抛物线，并且发光元件124-1至124-n(其中n是大于1的自然数)可以被布置成在抛物线形状的焦点处被对准。
反射器130可以包括在发光单元120的一侧处定位的第一反射器132和在发光单元120的相对侧处定位的第二反射器134。如图1、图2A和图2B中所示，第一反射器132和第二反射器134彼此分开，但实施例不限于此。在另一实施例中，第一反射器132的一端和第二反射器134的一端可以彼此连接，并且第一反射器132的相对端和第二反射器134的相对端可以彼此连接。
例如，第一反射器132可以包括面向发光单元120的第一反射表面132a、被定位为与第一反射表面132a相对的第一侧表面132b和定位在第一反射表面132a和第一侧表面132b之间的第一下表面132c。
第二反射器134可以包括面向发光单元120的第二反射表面134a、被定位为与第二反射表面134a相对的第二侧表面134b和定位在第二反射表面134a与第二侧表面134b之间的第二下表面134c。
例如，第一反射表面132a的上侧(或下侧)的长度L1可以大于从第一反射表面132a的上端到下端的长度L2。第二反射表面134a的上侧(或下侧)的长度可以大于从第二反射表面134a的上端到下端的长度。
例如，第一反射表面132a的上侧和下侧的长度可以彼此相等，并且第二反射表面134a的上侧和下侧的长度可以彼此相等。
另外，例如，第一反射表面132a的上侧(或下侧)的长度L1可以等于第二反射表面134a的上侧(或下侧)的长度L1，但是实施例不限于此。根据发光单元120的发光元件的数目和布置，第一反射表面132a和第二反射表面134a中的每个的上侧或下侧的长度L1可以增加或减少。
第一反射器132和第二反射器134彼此分开，并且发光单元120可以定位在第一反射器132和第二反射器134之间的空间中。
第一反射表面132a和第二反射表面134a可以关于垂直参考平面101对称。垂直参考平面101可以是穿过透镜140的中心并且垂直于板122的顶表面的虚拟平面。例如，透镜140可以被平分成相对于垂直参考平面101对称。
反射器130可以由反射金属，例如不锈钢或银(Ag)形成。可替选地，反射器130可以由引起镜面反射的金属材料形成。
可替选地，反射器130可以由具有高反射率的树脂材料形成，但实施例不限于此。
透镜140被设置在第一反射表面132和第二反射表面134之间的发光单元120上。例如，发光单元120的中心和透镜140的中心可以在垂直方向上彼此对准，但是实施例不限于此。
例如，透镜140折射并透射从发光单元120发射的光。
透镜140可以包括：折射器142，其在从反射器130的下端指向上端或者从发光单元120指向透镜140的方向上凸出；以及支撑件144，该支撑件144设置在折射器142的下表面上。
透镜140的支撑件144可以耦合到设置在板122的顶表面上的耦合凹槽122a并且支撑透镜140。
支撑件144可以采用腿的形式。可以在透镜140的下表面的一端处设置至少一个支撑件，并且可以在透镜140的下表面的相对末端处设置至少一个支撑件。例如，支撑件144的数目可以是两个或更多。
例如，为了抑制由支撑件144引起的从发光单元120发射的光的折射，可以在折射器142的下表面的一侧和相对侧上设置支撑件。然而，实施例不限于此。
虽然在图1中被图示，透镜140的支撑件144被耦合到设置在板122上的凹槽122a，但实施例不限于此。在另一实施例中，透镜140的支撑件144可以被耦合到设置在壳体110的腔体111的下表面中的凹槽(未示出)。在另一实施例中，凹槽122a可以不设置在板122中，但是支撑件144可以通过粘合构件被固定到板122或壳体110的腔体111的下表面。
如图2B中所示，支撑件144可以不定位在第一反射表面132a和第二反射表面134a之间的第一区域S1中并且对应于发光元件124-1至124-n(其中n是大于1的自然数)。例如，透镜140的支撑件144可以被设置在除了第一区域S1之外的第一反射表面132a和第二反射表面134a之间的第二区域S2中。例如，支撑件144可以耦合到除了板122的顶表面的第一区域S1之外的第二区域S2，其中发光元件124-1到124-n(其中n是大于1的自然数)被定位。这里，要耦合支撑件114的板122的凹槽122a也可以形成在板122的第二区域S2中。
图3示出由图1示出的透镜140折射的光，并且图4示出图3中示出的第一和第二反射表面132a和134a的高度Z。
参考图3和图4，透镜140的折射器142可以包括入射表面142a和出射表面142b。
透镜140的折射器142的入射表面142a可以是其上从发光元件124-1至124-n(其中n是大于1的自然数)发射的光入射并被折射的表面，并且可以与第一和第二反射表面132a和134a分开。
透镜140的折射器142的出射表面142b折射并且通过已经穿过入射表面142a的光。已经穿过透镜140的折射器142的入射表面142a和出射表面142b的光可以被转换为与从发光单元120指向透镜140的方向平行的光线148。
例如，透镜140的入射表面142a可以是平行于板122的顶表面的平坦表面，并且出射表面142b可以具有半球形或圆顶形状，例如，抛物线形状，或者在从发光单元120指向透镜140的方向上凸出的椭圆形状。然而，实施例不限于此。在另一实施例中，入射表面142a和出射表面142b可以以各种形状来实现以将穿过入射表面142a和出射表面142b的光转换为平行光线148。
第一反射表面132a和第二反射表面134a之间的空间以及透镜140与发光单元120之间的空间可以填充有气体，诸如空气，但是实施例不限于此。在另一实施例中，空间可以填充有半透明材料。
透镜140可以被设置为使得透镜140的第一边缘142-1邻接连接发光元件124的中心和第一反射表面132a的最上端132-1的第一虚拟参考线102a。例如，透镜140的第一边缘142-1可以是透镜140的入射表面142a和出射表面142b彼此邻接的透镜140的第一拐角。
透镜140可以被设置为使得透镜140的第二边缘142-2邻接第二虚拟参考线102b，第二虚拟参考线102b连接发光元件124的中心和第二反射表面134a的最上端134-1。例如，透镜140的第二边缘142-2可以是透镜140的入射表面142a和出射表面142b彼此邻接的第二拐角。
例如，发光元件124的中心可以是发光元件124的发光表面的中心，并且透镜140的第一和第二边缘142-1和142-2可以是其中发光元件124的侧表面和下表面相遇的拐角。
发射到第一虚拟参考线102a和第二虚拟参考线102b之间的空间中的发光元件124的光可以被透镜140折射，并且折射光可以被转换成与从发光单元120指向透镜140的方向平行的光148。
在另一实施例中，透镜140的第一边缘142-1和第二边缘142-2可以被设置为与第一参考线102a和第二参考线102b分开。
图5示出由图1中示出的反射器130反射的光。
参考图5，从第一参考线102a和第二参考线102b向下发射的发光元件124的光被第一和第二反射面132a和134a反射而没有被透镜140折射。
因为第一和第二反射表面132a和134a具有抛物线形状，所以由第一和第二反射表面132a和134a反射的光149可以平行于从发光单元120指向透镜140的方向。例如，从第一参考线102a和第二参考线102b向下发射的发光元件124的光可以被第一反射表面132a和第二反射表面134a反射，从而被转换成平行光线149以被输出。
第一反射器132和第二反射器134的高度Z可以大于或等于0.89A(Z≥0.89A)。A可以是发光元件124的直径。
当第一反射器132和第二反射器134的高度Z小于0.89A时，第一反射表面132a和第二反射表面134a对于透镜140来说太小以致于不能被设置在第一和第二反射表面132a和134a的内侧上。第一反射器132和第二反射器134的上限可以由β限定，这将在稍后描述。
在实施例中，第一反射器132和第二反射器134的高度Z、发光元件160-1至160-m的位置a以及第一反射器132a和第二反射器132b的光出射端口的直径PD可以被定义为等式1。
等式1
这里，Z表示反射器132和134的高度，例如，从底部132c和134c到第一和第二反射表面132a和134a的最高端132-1和134-1的距离。
PD表示第一和第二反射表面132a和134a之间的光出射端口的直径，例如，从第一反射表面132a的最上端132-1到第二反射表面134a的最上端134-1的距离。
a可以是从抛物线形状PA的最下端到发光元件124的距离。例如，a可以是抛物线形状PA的焦距。
第一反射表面132a的最下端132-2与第二反射表面134a的最下端134-2之间的距离D可以是4a。例如，当发光元件124被定位在抛物线形状PA的焦点处时，D可以被设置为4a。
第一反射表面132a的最下端132-2与第二反射表面134a的最下端134-2之间的距离D可以是1.2A或更大。
当第一反射表面132a的最下端132-2与第二反射表面134a的最下端134-2之间的距离D大于或等于1.2A时，从发光元件124产生的光可以无损地发射到第一反射表面132a和第二反射表面134a。另一方面，当第一反射面132a的最下端132-2与第二反射面134a的最下端134-2之间的距离D小于1.2A时，从发光元件124发射的光量的损失可能发生。
透镜140的入射表面142a的直径LD可以被定义为等式2。
等式2
这里，θ表示从发光元件124-1至124-4发射的与照明装置100的强度分布中的发光强度的最大值的10％区域相对应的光的角度，并且a表示抛物线形状PA的焦距。
透镜140的高度LZ可以被定义为等式3。
等式3
这里，LZ可以是透镜140的高度，例如，从第一反射器132和第二反射器134的下表面132c和134c到透镜140的入射表面142a的距离，并且α可以是水平参考平面与第一虚拟参考线102a之间的角度或者水平参考平面与第二虚拟参考线102b之间的角度。水平参考平面可以是垂直于垂直参考平面101的平面。例如，水平参考平面可以是第一反射器132和第二反射器134的下表面132c和134c，或者板122的顶表面。
图7示出用于图8的模拟结果的每个情况的条件。图8示出根据基于图7的条件的模拟结果的发光强度的增加率，并且图9示出图8的每个情况下的最大强度增加率的曲线。
参考图7，发光元件160-1至160-m中的每个的尺寸可以是2.5mm×2.5mm，并且发光元件160-1至160-m中的每个的对角线的长度可以是3.5mm。发光元件160-1至160-m可以在抛物线形状的焦点处对准。
如果第一反射器132和第二反射器134的高度Z与发光元件160-1至160-m中的每个的直径相比太小，则照明装置100的最大强度增加率降低。如果第一和第二反射器132和134的高度Z与发光元件160-1至160-m中的每个的直径相比太大，则用于调节光源的区域变大，并且收集光的透镜的作用140被减弱。
与没有提供透镜140的照明装置相比，根据实施例的照明装置100可以呈现10％或更多的最大强度增加率。
照明装置的最大强度可以用作评估照明装置的强度分布的指标，该照明装置良好地执行将光聚集成平行光线。也就是说，随着照明装置的最大强度增加，照明装置可以具有强度分布，其将更好地呈现将光聚集成平行光线。这里，增加率可以是具有透镜140的照明装置100的最大强度相对于没有透镜140的照明装置的最大强度的百分比。
参考图8，情况1至5可以具有10％或更多的最大强度增加率。这里，α可以是33°至67°，并且β可以是23°至57°。在这种情况下，第一参考线102a和第二参考线102b之间的角度2β可以是46°至114°。
可替选地，根据实施例的照明装置100可以具有30％或更多的最大强度增加率。参考图8，情况1至3可以具有30％或更多的最大强度增加率。这里，α可以是33°至51°，并且β可以是39°至57°。在这种情况下，第一参考线102a和第二参考线102b之间的角度2β可以是78°到114°。
可替选地，根据实施例的照明装置100可以具有60％或更多的最大强度增加率。参考图8，情况1和2可能有60％或更多的最大强度增加率。这里，α可以是33°至37°，并且β可以是53°至57°。在这种情况下，第一参考线102a和第二参考线102b之间的角度2β可以是106°至114°。
图6示出沿线CD截取的根据另一实施例的照明装置的横截面图。
图6的透视图可以与图1的相同，不同之处在于图6的突出支撑件115，并且沿着线AB截取的横截面图可以与图2A相同。与图1、图2A和图2B中使用的相同的附图标记表示相同的组件，并且相同组件的描述将被简化或省略。
参考图6，照明装置200的透镜140'不具有图1的支撑件144。照明装置200的壳体110在其内壁上具有突出支撑件115。突出支撑件115支撑透镜140'的折射镜142的下表面的一端和相对端。
因此，透镜140'可以由设置在壳体110的内壁上的突出支撑件115支撑。
在图6中所示的实施例中，不设置支撑体114，并且因此可以防止从发光元件124-1至124-n发射的光被透镜140的支撑体114折射，聚集效率(condensing efficiency)可以被提升，如由等式1至3所设计的。
与红色LED、蓝色LED、绿色LED或白色LED相比，UV LED是提供相对少量光的点光源。因此，如果发光模块仅配置有UV LED，则会降低聚光能力。
当目标距离增加时，包括在发光模块中的UV LED的数目需要增加以满足目标辐照度。另外，随着目标距离的增加，不仅辐照度而且光均匀度也降低。
在此实施例中，通过使用抛物反射表面132a和134a以及聚光透镜140将从UV LED光源发射的光转换成平行光线，可以将光均匀地聚集在具有特定区域的目标上。目标可以是，但不限于，光接收装置、光纤、光缆、曝光装置、探测器、内窥镜或传感器。
另外，当根据该实施例的照明装置100被提供有根据等式1至3的第一反射器132和第二反射器134以及透镜140时，其可以具有10％或更大的最大强度增加率。
图10示出根据实施例的照明装置1100的分解透视图，图11示出沿着线AB截取的图10中示出的照明装置1100的横截面图，并且图12示出沿着线CD截取的图10中示出的照明装置1100的横截面图。
参考图10至图12，照明装置1100包括壳体1110、发光单元1120、反射器1130和透镜1140。
壳体1110具有用于容纳发光单元1120、反射器1130和透镜1140的腔体1111。
壳体1110可以由具有轻重量和高耐热性的塑料材料或诸如例如铝的具有高导热率的金属材料形成。壳体1110的内壁可以涂覆有能够反射从发光单元1120发射的光的反射材料。在其他实施例中，壳体1110可以由反射光的反射材料形成。
发光单元1120被设置在壳体1110中并且发射光。
发光单元1120可以包括板1122和发光元件1124。发光单元1120可以进一步包括用于包围发光元件1124的树脂层1126。树脂层1126可以保护发光元件并且折射从发光元件1124发射的光。例如，树脂层1126可以用作折射光的透镜。
发光单元1120的板1122可以是板状结构，在该板状结构上发光元件1124和能够向发光元件1124供电、控制发光元件或者保护发光元件的元件可以被安装。
例如，板1122可以是印刷电路板或金属PCB。在图10中，板1122可以具有立方体板形状。然而，实施例不限于此。该板可以具有圆形、椭圆形或多面板形状。
发光元件1124被设置在板1122的一个表面(例如，顶表面)上。发光元件1124可以是基于发光二极管(LED)的光源，但是不限于此。例如，发光元件1124可以采取LED芯片或LED封装的形式。
发光元件124的数目可以是一个或多个。虽然在图10中图示将一个发光元件设置在板1122上，但实施例不限于此。例如，在另一实施例中，多个发光元件可以在板上设置成行，或者可以在板1122上以诸如圆形或者矩阵形状的各种形状来设置。
发光元件1124可以发射可视光或红外波长范围中的光。
例如，发光元件1124可以发射蓝色、红色或绿色的波长范围中的光。可替选地，发光元件1124可以发射白色波长范围的光。
可替换地，例如，发光元件1124可以发射具有200nm至400nm的波长范围的紫外光。可替选地，例如，发光元件1124可以产生在200nm至280nm的波长范围中的紫外C(UVC)。
当提供多个发光元件时，多个发光元件可以发射相同波长范围或相似波长范围中的光线。多个发光元件中的至少一个可以发射不同波长范围中的光。
反射器1130可以包括反射表面1132，该反射表面1132被设置成围绕发光元件1124并且被配置成反射从发光单元1120发射的光。
例如，反射器1130可以包括与发光单元1120相邻并且被定位在下端处的第一开口1130a、位于第一开口1130a上方并允许从发光单元1120发射的光被输出的第二开口1130b、以及被定位在第一开口1130a和第二开口1130b之间的反射表面1132。第二开口1130b的直径大于第一开口1130a的直径。
图10中所示的第一开口1130a和第二开口1130b可以具有圆形形状，但实施例不限于此。在另一实施例中，它们可以具有椭圆形或多边形形状。
反射表面1132的垂直横截面可以具有椭圆形状或具有椭圆曲率。例如，反射表面1132的垂直横截面可以是穿过第一开口1130a的中心和第二开口1130b的中心的平面。
例如，在图11中，反射表面1132和反射表面1132的下端的延长线可以形成椭圆EL。反射表面1132的下端的延长线可以形成椭圆EL的顶点。
发光元件1124可以被对准以定位在椭圆EL的焦点处。
发光单元1120可以被设置成与反射表面1132分开，并且发光单元1120的中心可以与垂直参考线1101对准。这里，发光单元1120的中心可以是发光元件1124的中心。发光元件1124的中心可以是发光元件1124的发光表面的中心。
垂直参考线1101可以是穿过反射器1130的中心和透镜1140的中心并且垂直于板1122的顶表面的虚拟线。例如，垂直参考线1101可以是穿过反射器1130的第一开口1130a的中心、第二开口1130b的中心和透镜1140的中心并且垂直于板1122的顶表面的虚拟线。
反射器1130可以包括具有椭圆形状的垂直横截面的反射表面1132、被定位为与反射表面1132相对的侧表面1134以及定位在反射表面1132与侧表面1134之间的下表面1134。
反射器1130可以由反射金属，例如，不锈钢或银(Ag)形成。可替选地，反射器1130可以是引起镜面反射的金属材料。
可替选地，反射器1130可以由具有高反射率的树脂材料形成，但是实施例不限于此。
透镜1140被设置在发光单元1120上的反射表面1132内部的空间中，并且折射并透射从发光单元1120发射的光。例如，透镜1140的中心可以与发光单元1120的中心、第一开口1130a的中心以及第二开口1130b的中心对准。
透镜1140可以包括折射器1142，该折射器1142在从反射器1130的下端指向上端或者从发光单元1120指向透镜1140的方向上凸出；以及支撑件1144，该支撑件1144被设置在折射镜1142的下表面上。
透镜1140的支撑件1144可以耦合到设置在板1122的顶表面上的耦合凹槽1122a并且支撑透镜1140。例如，支撑件1144采取连接到透镜1140的折射镜1142的下表面的腿的形式，并且支撑件1144的数目可以大于或等于2。支撑件1144的一端可以被提供有接合部(engagement portion)以与板1122的耦合凹槽1122a相耦合。
在图10中，支撑件1144的数目是四个，但是实施例不限于此。
例如，为了抑制由支撑件1144引起的从发光单元120发射的光的折射，支撑件1144可以彼此分开并且被连接到折射镜1142的下表面。
虽然在图10中示出，透镜1140的支撑件1144被耦合到设置在板122中的凹槽1122a，但是实施例不限于此。在另一实施例中，透镜1140的支撑件1144可以被耦合到在壳体1110的腔体1111的下表面中设置的凹槽(未示出)。
在另一实施例中，凹槽1122a可以不设置在板1122中，但是支撑件1144可以通过粘合构件固定到板1122或壳体1110的腔1111的下表面。
图12示出由透镜1140折射的光。
透镜1140的折射镜1142可以包括入射表面1142a和出射表面1142b。
透镜1140的折射镜1142的入射表面1142a可以是从发光元件1124发射的光入射和折射的表面，并且可以与反射表面1132分开。
透镜1140的折射器1142的出射表面1142b折射和通过已经穿过入射表面1142a的光。已经穿过透镜1140的折射器1142的入射表面1142a和出射表面1142b的光可以被转换成与从发光单元1120指向透镜1140的方向平行的光线1148。
例如，透镜1140的入射表面1142a可以是平行于板1122的顶表面的平坦表面，并且出射表面1142b可以具有是在从发光单元1120指向透镜1140的方向上凸出的半球形、抛物线形或椭圆形。然而，实施例不限于此。在另一实施例中，入射表面1142a和出射表面1142b可以以各种形状来实现以将穿过入射表面1142a和出射表面1142b的光转换为平行光线1148。
反射表面1132的内部空间和透镜1140与发光单元1120之间的空间可以填充有气体，诸如空气，但是实施例不限于此。在另一实施例中，空间可以填充有半透明材料。
透镜1140的边缘1142-1可以与连接发光元件1124的中心和反射表面1132a的最上端1132-1的虚拟参考线1102a分开。可替选地，透镜1140的边缘1142-1可以与虚拟参考线1102a对准或相邻。
如果透镜1140的边缘1142-1与虚拟参考线1102a重叠，则由反射表面1132反射的光和由透镜1140折射的光可能彼此干扰，并且由于这样的光干扰光可能不会如期望的那样聚焦在目标上。
透镜1140的边缘1142-1可以是透镜1140的拐角，其中透镜1140的入射表面1142a和出射表面1142b彼此邻接。
当提供多个发光元件1124时，发光元件1124的中心可以是发光元件分布的区域的中心。
发射到反射器1130的第一区域S11上的发光元件1124的光可以被透镜1140折射，并且折射的光可以被转换成与从发光单元1120指向透镜1140的方向平行的光线1148并且被输出。
这里，反射器130的第一区域S11可以是在连接发光元件1124的中心和反射表面1132a的最上端1132-1的虚拟参考线1102a的一侧上定位的区域。
例如，反射器1130的第一区域S11可以是由连接发光元件1124的中心和反射表面1132a的最上端1132-1的虚拟参考线1102a形成的闭合曲面(例如，圆锥)的内部区域。
例如，从参考线1102a向上从发光元件1124发射的光可以被透镜1140折射，并且折射的光可以被转换成与从发光单元1120指向透镜1140的方向平行的光线1148并且被输出。
图13示出由图10中所示的反射器1130的反射表面1132反射的光1149，并且图14示出反射表面1132的大小、透镜1140的大小和位置以及目标Ta的大小和位置。
参考图13和图14，从参考线1102a向下发射的发光元件1124的光被反射表面1132反射而没有被透镜1140折射。因为反射表面1132具有椭圆形状，所以由反射表面1132反射的光1149可以聚集在位于特定距离处的目标Ta上。
从参考线1102a向下发射的发光元件1124的光可以通过反射表面1132上的反射穿过垂直参考线1101并且被聚集在目标Ta上或可以聚集在目标Ta上使得与垂直参考线1101对准。
参考图12和13，反射器1130的第一开口1130a的直径ED1可以是1.2×LD至5.0×LD。例如，LD可以是发光元件1124的发光表面的直径，并且ED1可以是反射表面1132的最下端的直径。
如果第一开口1130a的直径ED1大于或等于1.2×LD，则从发光元件1124产生的光可以无损失地发射到反射表面1132。如果第一开口1130a的直径ED1小于1.2×LD，则可能发生从发光元件1124发射的光量的损失。
如果第一开口1130a的直径ED1超过5.0×LD，则第一开口1130a的直径与光源的面积相比过大，从而增加光量的损失，由此导致光量的损失增加并因此降低光学功率。
在实施例中，目标Ta的直径TD可以是1.2×LD至1.5×LD，使得光可以聚集在具有类似于发光元件1124的发光表面的直径LD的直径的目标Ta上。
从反射器1130的下表面1136到目标Ta的距离TH可以是1.0×LD到4.5×LD。
如果TH大于4.5×LD，则聚集距离(condensation distance)增加，并且因此聚集光的功率降低到40％以下。
如果TH小于1.0×LD，则从反射器1130的下表面1136到目标Ta的距离TH可能变得太短而不能通过反射器1130和透镜1140获得聚光效果。
垂直参考线1101和参考线1102a之间的角度θ由等式4定义。
等式4
ED2可以是第二开口1130b的直径。例如，ED2可以是反射表面1132的最上端的直径。
EH表示反射器1130的高度。例如，EH可以是从反射器1130的下表面1136到反射表面1132的最上端1132-1的距离。
垂直参考线1101和参考线1102a之间的角度θ可以是30°至51°。
如果角度θ小于30°，则椭圆形状EL的焦距a1增加并且因此光量下降。如果角度θ大于51°，则椭圆形EL的焦距a1减小，并且难以聚集光。
等式5和6定义透镜1140的直径LD2。
等式5
LD2＝k×B
等式6
B＝2×LH2×tan(θ)
k表示与光线干涉相关的常数，并且可以是0.8≤k≤1。
当k＝1时，透镜1140的边缘1142-1可以与虚拟参考线1102a对齐。
当k>1时，透镜1140的边缘1142-1与虚拟参考线1102a重叠，并且因此可能发生光干扰。
当k<0.8时，透镜1140的直径可能变小，并且可能无法通过透镜1140获得聚光效果。
LH2表示透镜1140的高度。
例如，LH2可以是从反射器1130的下表面1136到透镜1140的入射表面1142a的距离。
考虑到透镜1140具有椭圆的曲率和到目标Ta的距离的事实，透镜1140的高度LH2被设置为反射器1130的高度EH的一半。透镜1140的曲率可以取决于到目标的距离TH。
也就是说，随着其中透镜1140聚集光的面积减小，透镜1140的曲率高度可能增加并且到目标Ta的距离TH可能增加。考虑到具有椭圆曲率的透镜1140能够聚集光的目标的距离，实施例可以将LH2设置为高度EH的一半，由此将从发光元件1124发射的光的25％至60％集中在期望的目标Ta处。
在等式6中，当LH2是反射器1130的高度EH的一半时，B可以是反射表面1132的最上端的直径的一半或第二开口1130b的直径ED2的一半。
发射到反射器1130的第二区域S12上的发光元件1124的光可以通过反射器1130聚集在目标区域中。
即使当考虑到由透镜1140引起的光的损失时，实施例可以将从照明装置发射的光的总光学功率的至少40％集中在目标区域中。
图15示出针对图16的模拟结果的每个情况的条件，并且图16示出根据图15的照明装置的聚光的模拟结果。
LES表示发光元件1124的发光表面的直径。LES可以是3.5mm，并且目标的大小，例如探测器的大小可以是5mm×5mm。这里，探测器可以测量接收到的光的功率或光量。
F1和F2表示椭圆的焦点，R是椭圆的顶点半径，k是圆锥常数，并且F是从椭圆的原点到焦点(或发光元件1124)的距离。
总收集功率表示从照明装置输出的整个光的收集功率，并且探测器收集的功率表示由目标Ta，例如，探测器检测到的光的功率，并且比率表示总收集功率与探测器收集功率的比率。
目标Ta，例如，探测器的大小可以是发光表面直径的1.2倍至1.5倍。
参考图15和图16，情况1至4的比率可以是40％或更多，并且θ可以是30°至51°。
图17示出针对图18的模拟结果的每个情况的条件，并且图18示出根据图17的条件的照明装置的聚光的模拟结果。
LES可以是14.5mm，并且目标，例如，探测器的大小可以是18mm×18mm。
参照图17和图18，在情况1至4中，该比率可以是40％或更多，并且θ可以是30°至51°。
图19是图16和图18的模拟结果的曲线图。
f1是根据图16中的模拟结果的曲线，并且f2是根据图18的模拟结果的曲线。
参考图19，比率为40％的θ的值P1为28°。
考虑到2°的误差容限，根据实施例的照明装置100的θ可以大于或等于30°且小于或等于51°，使得比率为40％或更大。
当θ大于51°时，反射表面1132的高度EH变得太小，并且因此反射表面1132难以具有椭圆形状，并且因此光可能不会聚集在期望的目标上。因此，θ的上限被设置为51°。
当θ为30°至51°时，比率可以高于或等于40％并且低于或等于68％。
θ可以被设置在34°和51°之间，使得比率高于50％。
为了使比率高于或等于60％，θ可以在42°和50°之间。
当与具有大的光量的灯相比具有相对小的光量的LED用作光源以将光源的功率集中在具有与光源的大小相似的大小的光纤或者探测器上时，难以使用简单的反射器将光源的功率集中在探测器的整个区域上。
实施例具有以下效果。
首先，通过使用聚光透镜作为具有用于聚光的椭圆反射表面的反射器的中心透镜，可以减少光学系统组的光量损耗。
其次，使用用于聚光的多个透镜的光学系统通常呈现大约70％的系统效率，然而实施例可以通过使用两个光学元件，例如，两个透镜呈现至少约84％的系统效率，并且有助于光轴的对准。
第三，可以根据基于发光元件1124的面积和分布的规则来容易地调整透镜的大小和位置。
对于具有1.0×LD至4.5×LD的TH和1.2×LD至1.5×LD的直径的目标Ta而言，实施例可以将从反射器1130输出的光量的总收集功率的40％或更多集中在目标Ta上。
在实施例中描述的特征、结构、效果等被包括在本公开的至少一个实施例中，并且不必仅限于一个实施例。此外，实施例中图示的特征、结构、效果等可以由实施例所属的领域的普通技术人员进行组合和修改以用于其他实施例。因此，要理解的是，这些组合和修改应被理解为在本公开的范围内。
工业实用性
这些实施例可以被用于能够将光均匀地聚集在具有特定区域的目标上的照明装置。

Claims (20)

1.一种照明装置，包括：
发光单元，所述发光单元包括板和多个发光元件，所述多个发光元件被设置在所述板的顶表面上；
反射器，所述发射器包括在所述发光单元的一侧上定位的第一反射表面和在所述发光单元的相对侧上定位的第二反射表面，所述第一反射表面和所述第二反射表面具有抛物线形状；以及
透镜，所述透镜被设置在所述第一反射表面和所述第二反射表面之间的发光单元上，
其中，所述发光元件中的每个被布置成与抛物线形状的焦点对准，并且所述反射器的高度由如下定义的等式1来定义：
[等式1]
<mrow> <mi>Z</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>P</mi> <mi>D</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mn>4</mn> <mi>a</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，Z是所述反射器的高度，a是所述抛物线形状的焦距，并且PD是从所述第一反射表面的最上端到所述第二反射表面的最上端的距离。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中，Z≥0.89A，并且A是所述发光元件的直径。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述第一反射表面的最下端和所述第二反射表面的最下端之间的距离大于或等于4a。
4.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述透镜包括折射器，所述折射器包括：
入射表面，从所述发光元件发射的光入射在所述入射表面上；以及
出射表面，穿过所述入射表面的光通过所述出射表面，
其中，穿过所述折射器的光平行于与所述板的顶表面垂直的方向被输出。
5.根据权利要求4所述的照明装置，其中，所述透镜的入射表面的直径由等式2如下定义：
[等式2]
<mrow> <mi>L</mi> <mi>D</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>a</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>+</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>a</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>4</mn> <msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo> <mo>&amp;times;</mo> <mn>2</mn> </mrow>
其中，LD是所述透镜的入射表面的直径，并且θ是从具有发光强度为强度分布的最大值的10％的发光元件发射的光的角度。
6.根据权利要求5所述的照明装置，其中，所述透镜的高度由等式3如下定义：
[等式3]
<mrow> <mi>L</mi> <mi>Z</mi> <mo>=</mo> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>L</mi> <mi>D</mi> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>
其中，LZ是所述透镜的高度，并且α可以是所述板的顶表面与参考线之间的角度，
其中，所述参考线是连接所述发光元件中的每个的中心和所述第一反射表面或所述第二反射表面的最上端的虚拟线。
7.根据权利要求6所述的照明装置，其中α是33°至67°。
8.根据权利要求6所述的照明装置，其中α是33°至51°。
9.根据权利要求6所述的照明装置，其中α是33°至37°。
10.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述透镜的第一边缘接触所述第一参考线，并且所述透镜的第二边缘接触所述第二参考线，
其中，所述第一参考线是连接所述发光元件中的每个的中心和所述第一反射表面的最上端的虚拟线，并且所述第二参考线是连接所述发光元件中的每个的中心和所述第二反射表面的最上端的虚拟线。
11.根据权利要求4所述的照明装置，其中，所述透镜进一步包括支撑件，所述支撑件连接到所述折射器并且固定到所述板的顶表面，
其中，所述支撑件耦合到除了所述板的第一区域之外的顶表面的第二区域，所述发光元件被定位在所述第一区域中。
12.根据权利要求1所述的照明装置，进一步包括：
壳体，所述壳体具有用于容纳所述发光单元、所述反射器和所述透镜的腔体，
其中，所述壳体的内壁被提供有用于支撑所述透镜的相对端的突出支撑件。
13.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述发光元件中的每个产生200nm至400nm的波长范围中的紫外光。
14.一种照明装置，包括：
发光单元，所述发光单元包括板和至少一个发光元件，所述至少一个发光元件被设置在所述板的顶表面上；
反射器，所述反射器包括围绕所述发光单元定位的第一开口、被定位在所述第一开口上方并且允许从所述发光单元发射的光通过其输出的第二开口，并且所述反射器包括在所述第一开口和所述第二开口之间定位的反射表面；以及
透镜，所述透镜被设置在所述反射表面的内侧上的发光单元上并且具有入射表面和出射表面，
其中，所述反射表面是椭圆形状，并且所述透镜的入射表面和出射表面相遇的拐角被对准以接触参考线，
其中，所述参考线是连接所述至少一个发光元件的中心和所述反射表面的最上端的虚拟线，
其中，在垂直参考线和所述参考线之间的角度是30°到51°，
其中，所述垂直参考线是穿过所述反射器的中心和所述透镜的中心并且与所述板的顶表面垂直的虚拟线。
15.根据权利要求14所述的照明装置，其中，所述反射器的第一开口的直径大于或等于所述发光元件的发光表面的直径的1.2倍并且小于或等于所述发光元件的发光表面的直径的5.0倍。
16.根据权利要求14所述的照明装置，其中，所述透镜的高度是所述反射器高度的一半。
17.根据权利要求14所述的照明装置，其中，总收集功率的40％或更多集中在与所述反射器的下表面分开并且被定位在所述第二开口的前面的目标上。
18.根据权利要求17所述的照明装置，其中，所述目标的直径大于或等于所述发光元件的发光表面的直径的1.2倍并且小于或等于所述发光元件的发光表面的直径的1.5倍。
19.根据权利要求17所述的照明装置，其中，从所述反射器的下表面到所述目标的距离大于或等于所述发光元件的发光表面的直径的1.0倍，并且小于或等于所述发光元件的发光表面的直径的4.5倍。
20.根据权利要求16所述的照明装置，其中，所述透镜的直径由等式4和5如下定义：
[等式4]
LD2＝k×B，以及
[等式5]
B＝2×LH2×tan(θ)
其中，LD2是所述透镜的直径，B是所述第二开口的直径的一半，0.8≤k≤1，LH2是所述透镜的高度，并且θ是所述垂直参考线和所述参考线之间的角度。
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