CN109237348A - 双材料传输光学元件 - Google Patents

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Abstract

一种照明组件，具有：安装结构、安装在安装结构上的LED、光学耦合到LED的光学装置，以及用于将光学装置连接到安装结构的支撑结构。LED封闭在由安装结构、支撑结构和光学装置形成的空间内。支撑结构吸收热能以降低光学装置的操作温度。光学装置可以由第一材料形成，并且支撑结构可以由不同的第二材料形成。

Description

双材料传输光学元件
技术领域
本发明涉及双材料传输光学元件和方法。
背景技术
基于半导体的照明系统的使用在汽车工业中越来越普遍。车辆环境的设计约束和美学考虑通常使得期望使用光学组件将光从发光元件传输和/或漫射到远程照明点。这种光学元件应该由具有高光学效率的材料制成，并且要小心地与发光元件对准，以使照明点处的光输出的损失最小化。此外，光学性能应该尽最大可能地耐受机械应力(例如振动)、热应力和水分渗透。
需开发的领域包括LED投射的对准和精度、热管理、可靠性和耐用性、制造的简易性和制造质量，以及可能减少的劳动力和材料成本。因此，材料和制造工艺的不断创新和改进是带来改进的基于LED的照明系统的重要贡献者。
发明内容
在完整的说明书中，“LED”用作任何固态光源的缩略语，包括半导体光源或发光二极管(LED)及其他。
本公开涉及一种照明组件，具有安装结构、安装在安装结构上的LED、光学耦合到LED的光学装置，以及用于将光学装置连接到安装结构的支撑结构。LED封闭在由安装结构、支撑结构和光学装置形成的空间内。支撑结构吸收热能以降低光学装置的操作温度。
在另一方面，散热器由导热材料形成。
在另一方面，导热材料是铝和铝合金中的至少一种。
在另一方面，光学装置由第一材料形成，并且支撑结构由不同的第二材料形成。
在另一方面，第一材料和第二材料中的至少一种是热塑性塑料。
在另一方面，第一材料是PMMA。
在另一方面，第二材料是聚碳酸酯。
在另一方面，第二材料在可见光和红外光范围内是不透明的。例如，第二材料可以吸收1000nm或1500nm以下的近红外波长。
在另一方面，光学装置是光导管。
在另一方面，光学装置通过机械接触连接到支撑结构。
在另一方面，光学装置通过榫槽接合连接到支撑结构。
在另一方面，光学装置通过成角度的榫槽接合连接到支撑结构。
在另一方面，照明组件形成信号指示装置、外部照明组件或内部照明组件的一部分。
在另一个非限制性的说明性示例中，用于模制集成光学装置和支撑结构组件的过程包括以下步骤：将第一材料注入模具中以形成组件的光学装置部分，等待一定量的时间，将第二材料注入模具中以形成组件的支撑结构部分，以及从模具中释放组件。
在另一方面，注入第二材料的步骤还包括将第二材料注入组件的光学装置部分的第一材料周围。
在该方法的另一个方面，第一材料和第二材料中的至少一种是热塑性塑料。
在该方法的另一个方面，第一材料是PMMA。
在该方法的另一个方面，第二材料是聚碳酸酯。
在该方法的另一个方面，第二材料在可见光和红外光范围内是不透明的。例如，第二材料可以吸收1000nm或1500nm以下的近红外波长。
在该方法的其他方面，光学装置通过机械接触、榫槽接合和成角度的榫槽接合中的至少一种连接到支撑结构。
前述对说明性实施方式的一般性描述及以下对其的详细描述仅是本公开的教导的示例性方面，并不是限制性的。
附图说明
结合附图考虑以下的详细描述，并以其为参考，本公开具有的许多好处将被更好地理解，同时对本公开更全面的评估及其具有的好处可被轻易地得到，其中：
图1是根据一个示例的具有连接到固定组件的散热器的照明组件的示意图；
图2A是根据一个示例的照明组件的示意图；
图2B是根据一个示例的照明组件的示意图；和
图3A，3B和3C是根据一个示例的固定组件和光导管之间的接合的示意图。
具体实施方式
在现在参照附图，除非另有说明，否则如本文所用，词语“a”，“an”等通常具有“一个或多个”的含义。
图1是根据一个示例的照明组件101的图，照明组件101具有连接到固定组件128的安装结构104。安装结构可以是印刷电路板(PCB)、散热器或可以安装LED的任何合适结构中的一个或多个。在一个实施例中，安装结构包括安装有LED的印刷电路板，以及热耦合到LED的散热器。安装结构104可以用作固定组件128被安装到其上且固定组件128被定位在其上的基座。安装结构104可以为照明组件101提供热容量，以存储和消散由照明组件101的操作产生的多余热量，特别是来自LED102。
固定组件128用作支撑结构，并且可以连接到在图中表示为光导管110的光学装置。光导管110可以相对于散热器104定位在基本垂直的方向上。在其他示例中，固定组件128可以包括光导管110以外的其他部件，例如准直透镜、聚光透镜或其他光学元件。在传统的照明组件中，固定组件128由与光导管相同的材料制成，以便于制造，并且可以封装LED102以防止湿气暴露给LED 102。然而，发明人认识到这种配置经常导致组件的次优的设计和/或操作以补偿来自LED 102的热量(包括对流和辐射)，该热量可能对固定组件128和光导管110的材料特性产生影响。
在一个示例中，来自LED 102的热量的强度可能使得至LED 102的电流可能被降级以在LED 102的最大限制以下操作，以保护光导管110和/或固定组件128的发热限制，而不是保护LED 102的发热限制。另外，与对于光传输目的是理想的距离相比，光导管110可能不得不被定位更远离LED102，但是，又一次地，光导管110的限制性的材料特性可能使光导管110相对于LED 102的这种定位成为必需。来自LED 102的热量也可能通过固定组件128被吸收且然后被传导到散热器104，在散热器104处散热。
为了扩展这种系统的性能，包括诸如光学装置和固定组件之类的部件的性能，特别是在光学效率、热效率和增加光输出方面，应该进行仔细的设计和材料选择。发明人认识到可能光学上有效率的材料可能具有相对低的温度阈值，并且因此不太适合满足某些热要求。相反，可能具有合适热性质的材料可能不是光学上有效率的。此外，照明系统的耐用性和可靠性可能依赖于操作温度和组件，这种依赖是如此之多，使得被引导到LED元件的电流降低或降级，以便减少光学装置可能受到的热负荷，并且因此降低照明系统的亮度和光学效率。
在本发明的一个示例中，固定组件128可以至少部分地由与光导管不同的材料制成。
图2A是根据本发明的一个示例的照明组件101a的示意图。如图所示，固定组件128a可以包括光导管110，并且可以连接到散热器104。LED102也可以安装在散热器104上，位于光导管110下方并且光学耦合到光导管110的第一端，使得LED 102发出的至少一些光，优选地全部光，可以被引导进入光导管110的第一端并从光导管110的第二端输出。
光导管110可以连接到固定组件128a，使得光导管110的纵向轴线大致沿垂直的z轴线定位。此外，固定组件128a可以连接或围绕光导管110，封闭光导管110的第一端和散热器104之间的区域，使得固定组件128a、散热器104和光导管110封闭LED 102和由LED 102发出的光。LED 102通常不被密封，使得LED 102可以通风到大气用于压力和湿度控制。然而，在一些情况下，LED 102可以被气密密封以最小化将LED 102暴露给湿气。固定组件128a可以将光导管110支撑在LED 102和散热器104的上方，使得光导管110不直接地接触散热器104。光导管110和固定组件128a可以由具有不同的光学、热学和机械性能的不同的材料形成，与固定组件128a和光导管110仅由一种材料形成相比，这使得照明组件101a能够实现改进的性能。由于热约束，光导管110和支架组件128a，128b通常不密封到LED PCB板。
光导管110可以由一种材料形成，例如，由诸如丙烯酸树脂、丙烯酸玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的一种热塑性树脂形成，以优化光导管110的全内反射(TIR)或其他光学性质。如果固定组件128a由具有优良热性能的设计和/或材料形成以吸收、传导或偏转足够的热量，从而较少的热能被传导到光导管110，则光导管110的材料选择和/或设计可以较少强调热性能。光导管110然后可以取决于热量操作范围，主要是来自LED 102的热能，该热量操作范围不超过能够被光导管110和光导管110的材料特性可以处理的。
固定组件128a可以设计成优化照明系统的热性能和机械性能。例如，固定组件可以设计成吸收、阻挡或偏转(对流、传导和辐射)来自LED和/或散热器的热。例如，由于差的光学对准，从LED传导到支撑结构的热可能导致塑性变形和系统故障。因此，在一些实施例中，即使在炎热的环境中，固定组件也提供光导管的机械稳固固定。
在一个示例中，光导管110和固定组件128a的操作温度之间的温度差可以大约在30至35摄氏度的范围内，固定组件128a在比光导管110的温度更高的温度下操作。通过使用多于一种材料使得光导管110的材料特性与固定组件128a的材料特性去耦合(decouple)的能力，允许针对特定温度范围和其他特性选择用于每个部件的材料特性。这可以扩展固定组件128a的整体性能限制，以持久地允许来自LED 102的更亮和更有效的光输出(例如通过增加的电流)被引导通过光导管110的第二端。
在一个示例中，光导管110的全内反射(TIR)效率可以通过从专用于那个目的第一材料形成光导管110来增加，第一材料需要热性能以持久地满足第一温度限制。此外，固定组件128a可以由第二材料形成，第二材料能够持久地满足第二温度限制，该第二温度限制高于第一温度限制且具有合适的导热率，用于以满足或超过性能要求的速率传导由LED102产生的热量通过至散热器104。第一材料可以具有优于第二材料的光学性质(例如，在给定波长下的TIR)，并且第二材料可以具有优于第一材料的热导率。虽然PMMA和PC分别作为用于光导管110和固定组件128a的示例性材料被提供，但是本领域技术人员将认识到光导管110和固定组件128a可以由适于满足照明组件的特定应用的光学、热学和机械要求的多种材料中形成。
图2B是根据一个示例的照明组件101b的示意图。照明组件101b可以包括光导管110和连接到散热器104的固定组件128b。固定组件128b可以与固定组件128a相同，除了固定组件128b的至少一部分在可见光和红外光范围内可以是不透明的，或者是黑色的，以避免光通过固定组件128b泄漏。例如，第二材料可以吸收1000nm或1500nm以下的红外波长。
结果，LED 102发射的更大比例的光然后可以被引导通过光导管110而不是通过固定组件128b被漫射，正如如果固定组件128b的至少一部分不是不透明或黑色的通过漏光可能会发生的那样。
此外，在一些实施例中，可以选择固定组件128和光导管110之间的接触区域以最小化光导管110的光学损失。具体地，本发明人认识到光导管110的圆柱形外表面的中断可能降低光能够以其通过全内反射(TIR)传输到光导管的输出端的效率。因此，在一个实施例中，选择接触区域以满足最小机械强度要求，并且最大程度地保持光导管的光学效率。在一些实施例中，可以改进固定组件和光导管的交接面(interface)以提高机械耦合，这可以提高对于一个特定的应用是可能的光学效率。图3A-3C是根据一个示例的固定组件128和光导管110之间的接合的图。在图3A中，固定组件128可以围绕光导管110或其他光学装置以将光导管110固定到固定组件128，在光导管110和固定组件128之间形成接合。接合可由制造过程中的机械接触形成，例如包覆成型，其中固定组件128和光导管110可以在一个过程中且在一个模具中由不同的材料模制，例如注入第一材料以形成光导管110，然后注入第二材料来形成固定组件128。在这种情况下，固定组件128具有比光导管110的收缩率更高的收缩率可能是有利的。利用这种设置，在固定组件128和光导管110之间形成的接合具有一定量的机械干涉，其进一步加强了接合并将部件锁定在一起，优选地没有引入否则可能会负面地影响照明组件101的耐用性或性能的应力。
图3A示出了对接接合，其中光导管110可以被压入固定组件128中，并且标称干涉配合将两个部件保持在一起。固定组件128和光导管110之间的热能传递可以是两者之间的表面区域接触的函数。为了使两个部件之间达到最佳热效率，应尽量减少表面区域接触。与图3B和3C的示例相比，在两个部件之间可能需要更多的表面区域接触以提供足够的摩擦或干涉。例如，固定组件128的厚度T可能必须大于128b的厚度Tb(图3B)或128c的厚度Tc(图3C)，以在光导管110和固定组件128之间提供与光导管110b和固定组件128b之间或者光导管110c和固定组件128c之间类似的接合。
图3B和3C示出了与图3A不同的接合配置，该接合配置可以允许较小的表面区域接触并且可以承受更大的机械力和振动。在一个示例中，光导管110b和固定组件128b可以通过成角度的榫槽接合连接。在另一个例子中，光导管110c和固定组件128c可以通过榫槽接合连接。这些示例的热效率可以高于图3A所示的热效率。然而，在固定组件128b，128c分别地接触光导管110b，110c的位置附近，可能通过光导管110b，110c的内部的表面不规则性(可能通过较低的TIR效率)影响光学效率。
具有光导管110、110b、110c和相应的固定组件128，128b，128c的每个组件可以在使用不同的材料用于每个部件的一个集成过程中被模制。在一个示例中，用于模制集成的光学装置和支撑结构组件的方法可以包括将第一材料注入模具中以形成光导管110部分，并且可能在一段时间之后，将第二材料注入模具中以形成固定组件128部分，第二材料围绕由第一材料形成的光导管110周围的一些或所有区域。一旦将第二材料注入模具中，整个组件就可以从模具中释放出来。
因此，前述讨论仅公开和描述了本申请的示例性实施例。如本领域技术人员将理解的，在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本申请可以以其他特定形式实施。因此，本申请的公开内容旨在是说明性的，而不是限制本申请的范围以及其他权利要求。本公开，包括本文教导的任何容易辨别的变体，部分地限定前述权利要求术语的范围，使得没有创造性主题被贡献给公众。

Claims (12)

1.一种照明组件，包括：
安装结构；
安装在所述安装结构上的固态光源；
光学耦合到所述固态光源的光学装置；和
用于将所述光学装置连接到所述安装结构的支撑结构，其中
所述固态光源封闭在由所述安装结构、所述支撑结构和所述光学装置形成的空间内，并且所述支撑结构吸收热能以降低所述光学装置的操作温度。
2.根据权利要求1所述的照明组件，其中：
所述安装结构包括由导热材料形成的散热器。
3.根据权利要求1所述的照明组件，其中：
所述光学装置由第一材料形成，所述支撑结构由不同的第二材料形成。
4.根据权利要求3所述的照明组件，其中：
所述第一材料和所述第二材料中的至少一种是热塑性塑料。
5.根据权利要求4所述的照明组件，其中：
所述第二材料吸收可见光和近红外光。
6.根据权利要求1所述的照明组件，其中：
所述光学装置是光导管。
7.根据权利要求1所述的照明组件，其中：
所述光学装置通过机械接触连接到所述支撑结构。
8.根据权利要求1所述的照明组件，其中，所述照明组件形成信号指示装置、外部照明装置或内部照明装置的一部分。
9.一种用于模制集成的光学装置和支撑结构组件的方法，包括以下步骤：
将第一材料注入模具中以形成所述组件的光学装置部分；
等待一段时间；
将第二材料注入所述模具中以形成所述组件的支撑结构部分；和
从所述模具中释放所述组件。
10.根据权利要求9所述的方法，其中注入第二材料的步骤还包括在所述组件的所述光学装置部分的所述第一材料周围注入所述第二材料。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一材料和所述第二材料中的至少一种是热塑性塑料。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二材料吸收可见光和近红外光。
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