CN109791323B - 光源以及包含该光源的照明设备 - Google Patents

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Abstract

一种光源包括发光二极管或装置(LED)和安装在LED上的光学器件。LED发射关于第一轴线非旋转对称的第一辐射图案。光学器件收集第一辐射图案并投射第二辐射图案，第二辐射图案关于第二轴线旋转对称，并且具有与第二轴线成角度的峰值强度。

Description

光源以及包含该光源的照明设备
技术领域
本公开涉及一种用于非旋转对称发光二极管或装置(LED)的非旋转对称光学器件。
背景技术
发光二极管或装置(LED)通常是从其顶部表面发光的表面发射器。顶部表面通常为正方形或矩形。当旋转对称的次级透镜放置在一个或多个LED的顶部上时，产生的辐射图案不是完全旋转对称的。换句话说，从辐射图案以各种角度获取的辐射图案切片具有不同的发光强度分布。这种情况在多大程度上发生取决于顶部发射表面和次级透镜的确切形状。
5侧发射LED是一种从其顶部表面和竖直侧表面发光的高功率LED。高功率LED的所得辐射图案也不是完全旋转对称的，特别是当与次级透镜组合时。
US 2012/0113621 A1公开了一种LED封装，其包括LED和具有空腔的透镜，两者都设置在基板上，LED在空腔中。LED发射辐射图案，该辐射图案在垂直于顶部发射表面的平面中相对于LED的发光表面的中心轴线对称。不同的平面有不同的光分布。
US 2016/141472 A1公开了一种发光装置封装，其包括封装主体、位于封装主体上的框架、安装在框架上的光源、位于封装主体上的透镜、以及在封装主体和透镜之间部分地位于封装主体上的波长转换单元。在使用其中光源的短轴长度不同于长轴长度的非对称光源的情况下，波长转换单元可以提供就像非对称光源具有与长轴长度相同的短轴长度的效果。
US 2006/0102914 A1公开了一种用于LED的宽发射透镜。该透镜具有中空部分，中空部分形成LED管芯和透镜之间的空气间隙。
发明内容
在本公开的一个或多个示例中，光源包括发光二极管或装置(LED)和安装在LED上的光学器件。LED发射关于第一轴线非旋转对称的第一辐射图案。光学器件收集第一辐射图案并投射关于第二轴线旋转对称的第二辐射图案。
附图说明
在附图中：
图1示出了相对于发光二极管或装置(LED)的顶部发射表面在各种方向和角度上测量的LED的辐射图案的图线。
图2示出了从图1的辐射图案在各种方向上获取的辐射图案切片。
图3示出了光源的二维阵列，每个光源具有安装在非旋转对称LED上的旋转对称光学器件。
图4示出了在屏幕402上的图4的光源的发射图案及其重叠亮度分布。
图5示出了在本公开的示例中的非旋转对称光学器件的俯视图。
图6示出了在本公开的示例中的图5的光学器件沿着LED的轴向方向的剖视图。
图7和8示出了本公开的示例中的图5的光学器件的俯视等轴视图和仰视等轴视图。
图9示出了在本公开的示例中的图5的光学器件的非旋转对称主体的部分截面。
图10示出了在本公开的示例中的具有图5的非旋转对称光学器件的非旋转对称LED的旋转对称输出光束。
图11示出了具有旋转对称光学器件的非旋转对称LED的非旋转对称输出光束。
图12示出了在本公开的示例中的装配有图5的非旋转对称光学器件的图4的阵列的辐射图案。
图13示出了装配有旋转对称光学器件的图3的阵列的辐射图案。
图14示出了在本公开的示例中在近场中装配有图5的非旋转对称光学器件的光源的高斯分布的添加。
图15示出了在本公开的示例中在屏幕上的装配有图5的非旋转对称光学器件的光源的广角发射图案及其重叠亮度分布。
图16示出了在本公开的示例中在背光源中使用具有侧发射透镜的LED的液晶显示器的侧视图。
在不同附图中使用相同附图标记来指示类似或相同的元件。
具体实施方式
图1示出了发光二极管或装置(LED) 102 (虚线)的辐射图案100的图线，其是相对于LED 102的顶部发射表面在各种方向和角度上测量的。LED 102具有顶部发射表面和侧发射表面。顶部发射表面是包括奇数或偶数个边缘的正多边形。例如，LED 102是长方体，并且具有正方形顶部发射表面和矩形侧发射表面。
辐射图案100围绕中心轴线104(例如，Z轴线)绘制，该中心轴线104是LED 102的光学轴线或机械轴线。光学轴线是在光辐射图案的质心方向上穿过顶部发射表面的中心的轴线。机械轴线是在发射器主体的对称轴线方向上或垂直于顶部发射表面的方向上穿过顶部发射表面的中心的轴线。
图2示出了从辐射图案100(图1)在各种方向上获取的辐射图案切片。辐射图案100包括在从顶部发射表面的中心到顶部发射表面的边缘的中点的第一方向(例如，轴向方向)上获得的第一组基本上相似的发光强度分布、在从顶部发射表面的中心到顶部发射表面的角的第二方向(例如，对角方向)上获得的第二组基本上相似的发光强度分布、以及在任何一对相邻的第一和第二方向之间的中间发光强度分布。
例如，0°辐射图案切片202在平行于发射器的四侧中的第一侧(例如，沿着X轴线)的平面中测量。45°辐射图案切片204相对于0°辐射图案切片偏轴45°测量。90°辐射图案切片206在平行于发射器的第二侧(或第四侧)的平面中测量，该第二侧邻近发射器的第一侧(例如，沿着Y轴线)。135°辐射图案切片208相对于0°辐射图案切片偏轴135°测量。0°辐射图案切片202和90°辐射图案切片206具有基本上相似的发光强度分布。45°辐射图案切片204和145°辐射图案切片208具有基本上相似的发光强度分布，其大于0°辐射图案切片202和90°辐射图案切片206的发光强度分布。在轴向方向(0°、90°、180°或270°)和相邻对角方向(45°、135°、225°或315°)之间的中间辐射图案切片具有中间发光强度分布，该分布从在轴向方向上的切片的发光强度分布增加到在对角方向上的切片的发光强度分布。
如上所述，辐射图案100关于中心轴线104是非旋转对称的。换句话说，辐射图案100不能通过围绕中心轴线104旋转单个切片的发光强度分布来产生。
常规的旋转对称光学器件通常与LED 102一起使用。当LED 102具有非旋转对称的辐射图案时，旋转对称的光学器件收集该图案并投射非旋转对称的输出光束。
图3示出了光源302的二维阵列300。例如，光源302布置成3×6网格。每个光源302包括非旋转对称LED 102和圆顶形透镜。阵列300非常适合于诸如显示器和电视的背光源、暗灯槽和照明器的应用。在这些应用中，混合来自相邻光源302的光是重要的，以便提供均匀的光发射表面。
图4示出安装在背板482上的光源302。每个光源302以朗伯图案483发射光。光源302照亮漫射屏幕484的背面。漫射屏幕484可以是LCD背光源中的漫射器。还示出了每个光源302的漫射亮度分布485及其半峰全宽(FWHM)。屏幕484前方的近场光输出具有明显的亮点，除非光源302在一起放置得足够近。因此，这种背光源需要相对高密度的光源302，导致昂贵的背光源。
图5、6、7、8和9示出了本公开的示例中的非旋转对称光学器件500的各种视图。非旋转对称光学器件500安装在非旋转对称LED 102上。光学器件500收集来自LED 102的辐射图案100，并投射围绕其中心轴线502(图6)旋转对称的辐射图案，该中心轴线502是光学器件500的机械轴线或光学轴线。换句话说，投射的辐射图案在从LED顶部发射表面的中心到沿着顶部发射表面的周边的点的所有方向上具有相同的发光强度分布。在本公开的一些示例中，光学器件500是宽发射透镜，其在远场中具有偏离中心轴线502 50º至80°或70º至80°内的峰值发射(Ipeak)。光学器件600可以被设计成使得沿着中心轴线502的光发射(I0)是峰值发射的5%至33%。因此，与图4中的亮度分布485相比，具有光学器件500的每个LED 102的亮度分布更为分散。光学器件500安装在LED 102上，以基本上与轴线104和502重合。
参考图6、7和8，在本公开的一个特定示例中，光学器件500包括主体602、在主体602的顶部处的可选凹坑604以及在主体602底部的内腔606。主体602可以是自由形式的或者由方程定义。例如，主体602可以具有类似于碟形圆顶的形状，其隆起小于其跨度。凹坑604可以具有倒锥体的形状。倒锥体的横截面可以是平滑的曲线，而不是直线。内腔606可以是自由形式的，或者具有圆锥或卵形的形状。内腔606提供容纳LED 102的空间。光学器件500和LED 102 (在图6中以虚线示出)可以相对于彼此固定，例如安装在公共基板上，因此LED 102基本上位于内腔606内。
主体602、凹坑604和内腔606中的至少一个具有关于中心轴线502非旋转对称的光学表面。光学表面包括在LED 102的第一方向上的第一表面轮廓(即，从顶部发射表面的中心到顶部发射表面的边缘的中点)、在LED 102的第二方向上的第二表面轮廓(从顶部发射表面的中心到顶部发射表面的拐角)以及在任意一对相邻的第一和第二表面轮廓之间的中间表面轮廓。
例如，图5突出显示了旋转对称主体的轮廓504和非旋转对称主体602的轮廓506。非旋转对称主体602具有光学表面，其中光学表面的0°和90°截面具有最小表面轮廓，光学表面的45°和135°截面具有最大表面轮廓，在轴向方向(0°、90°、180°或270°)和对角方向(45°、135°、225°或315°)之间的中间截面具有从最小表面轮廓增加到最大表面轮廓的中间表面轮廓。替代地，非旋转对称主体602具有光学表面，其中光学表面的0°和90°截面具有最大表面轮廓，光学表面的45°和135°截面具有最小表面轮廓，在轴向方向(0°、90°、180°或270°)和对角方向(45°、135°、225°或315°)之间的中间截面具有从最小表面轮廓增加到最大表面轮廓的中间表面轮廓。
图9重叠了在本公开的示例中的非旋转对称主体602的部分截面。截面902是在轴向方向上的最小表面轮廓，截面908是在对角线方向上的最大表面轮廓，并且截面904和906是在轴向方向和对角线方向之间的中间表面轮廓。
非旋转对称光学表面抵消了非旋转对称LED 102的影响，以产生旋转对称的输出光束。图10示出了在本公开的示例中具有安装在非旋转对称LED 102上的非旋转对称光学器件500的光源的基本上旋转对称的输出光束1000。相比之下，图11示出了具有安装在非旋转对称LED 102上的旋转对称光学器件的光源的非旋转对称输出光束1100。沿着LED 102的对角线方向，输出光束1100的不均匀性是高度可见的。从这些图中可以看出，输出光束1100中存在的不均匀性已经在输出光束1000中减少。
图12示出了阵列300的辐射图案1200，其中在本公开的示例中，光源302是装配有非旋转对称的光学器件500的非旋转对称的LED 102。辐射图案1200在光源302的网格内具有均匀分布。相比之下，图13示出了阵列300的辐射图案1300，其中光源302是装配有旋转对称的光学器件的非旋转对称的LED 102。辐射图案1300由于添加光源302(未示出)的非旋转对称输出光束而具有不均匀性和周期性变化。这些效果在某些背光源、暗灯槽和照明器应用中是不可接受的。当光源的节距增加时，不均匀性和周期性变化变得更加突出，并且每个光源单独照亮背光源、暗灯槽或照明器的某个区域。
在本公开的示例中，主体702、凹坑704和内腔706的光学表面组合以提供具有基本上高斯分布的辐射图案。图14示出了在本公开的示例中五个光源302的图线，这些光源是装配有非旋转对称光学器件600的非旋转对称LED 102。在一些示例中，光源302具有FWHM(例如，140 mm)大于光源302之间的节距(例如，120 mm)的高斯分布，因此各个高斯分布平滑地相加以提供平坦且均匀的最终分布1402。
图15示出了在本公开的示例中具有安装到背板1590的光源1502的背光源。每个光源1502包括非旋转对称的LED 102和安装在LED 102上的非旋转对称的宽发射光学器件500。如前所述，与图4中的亮度分布485相比，光源1502的亮度分布1592更加分散。因此，图15的背光源中的光源1502的节距可以大于图4中的光源302的节距，同时在漫射屏幕484处实现相同的近场光输出均匀性。这导致不那么昂贵的背光源。
图16示出了具有LCD屏幕1604的液晶显示器1602的侧视图，LCD屏幕1604具有可控RGB像素、漫射器1606和背光源1608，用于混合来自红色、绿色和蓝色LED 1610或白色LED1610的光以产生白光。背光源1608是漫反射盒。LED 1610具有使用上述技术制造的侧发射透镜。
所公开的实施例的各种其他修改和特征组合都在本发明的范围内。下面的权利要求包含了许多实施例。

Claims (8)

1.一种光源，包括：
a. LED，其发射关于第一轴线非旋转对称的第一辐射图案，
其中，所述LED是长方体LED；
其中，所述第一轴线是所述LED的顶部发射表面的中心轴线；并且
其中，所述第一辐射图案包括：
i. 在第一平面中的第一发光强度分布，所述第一平面包括所述顶部发射表面的所述中心轴线和从所述中心轴线指向所述顶部发射表面的一侧边的中点的第一方向；
ii.在第二平面中的第二发光强度分布，所述第二平面包括所述中心轴线和垂直于所述第一方向的第二方向，所述第二发光强度分布不同于所述第一发光强度分布；和
iii.在中间平面中的任意一对相邻的第一和第二发光强度分布之间的中间发光强度分布，所述中间平面在所述第一平面和第二平面之间并且包括所述中心轴线；和
b. 安装在所述LED上的光学器件，所述光学器件收集所述第一辐射图案并投射第二辐射图案，
其中，所述光学器件包括主体，所述主体具有在所述主体的底部的内腔，以容纳所述LED；
其中，所述光学器件的光学表面包括：
i. 在所述第一平面中的第一表面轮廓；
ii.在所述第二平面中的第二表面轮廓，所述第二表面轮廓不同于所述第一表面轮廓；和
iii.在所述中间平面中的中间表面轮廓，所述中间表面轮廓不同于所述第一表面轮廓和第二表面轮廓；并且
其中，所述第二辐射图案在所述第一平面、所述第二平面和所述中间平面中的发光强度分布相同；并且
其中，所述第二辐射图案关于中心轴线旋转对称，并且在远场中具有与所述中心轴线成角度的峰值强度，
其中，所述内腔具有关于所述中心轴线非旋转对称的光学表面，
其中所述第二辐射图案在从所述LED的顶部发射表面的中心到沿着该顶部发射表面的周边的点的所有方向上具有相同的发光强度分布。
2.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光学器件是透镜。
3.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光学器件包括在所述主体的顶部处的凹坑。
4.根据权利要求1所述的光源，其中，所述峰值强度在所述远场中发生在远离所述中心轴线50至80度处。
5.根据权利要求1所述的光源，其中，所述LED包括正方形的顶部发射表面。
6.根据权利要求1所述的光源，其中，所述长方体LED还包括四侧发射表面。
7.一种照明设备，包括光源的网格，其中，所述光源每个都是权利要求1所述的光源，并且它们的第二辐射图案组合以在所述网格内形成均匀分布。
8.根据权利要求7所述的照明设备，其中，所述第二辐射图案具有基本上高斯分布。
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