CN110382951A - 准直管芯上光学器件 - Google Patents

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Abstract

一种用于发光二极管或装置(LED)的初级光学器件包括位于截头复合抛物面聚光器(CPC)顶部的斜楔。所述CPC包括输入面和下部外表面，所述下部外表面由围绕轴线旋转的倾斜抛物线区段限定。所述下部外表面的底端连结所述输入面的周边。所述斜楔包括位于所述下部外表面上方的上部外表面，以及由所述下部外表面和所述上部外表面围绕的内锥面。所述上部外表面由围绕所述轴线旋转的倾斜直线限定。所述内锥面由围绕所述轴线旋转的平滑曲线限定。所述内锥面具有位于所述轴线处且在所述下部外表面内的顶点。所述内锥面和所述上部外表面的顶端连结以限定输出孔口。

Description

准直管芯上光学器件
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年5月12日提交的美国临时专利申请号62/335,334以及2016年7月5日提交的欧洲专利申请号16178038.2的优先权。美国临时专利申请号62/335,334以及欧洲专利申请号16178038.2并入本文。
技术领域
本公开涉及半导体发光二极管或装置(LED)，并且更特别地，涉及用于LED的管芯上光学器件。
背景技术
在发光二极管或装置(LED)照明应用中，在LED管芯周围设计光学器件以对光所定向到的地方实现一定程度的控制。光学器件通常与LED管芯分开安装。为了减少这种双阶段组装，设计包覆模制光学器件以集成光学器件和LED管芯。包覆模制光学器件的一个实例是在管芯之上模制的半球形圆顶，所述管芯之上模制的半球形圆顶提高LED管芯的提取效率但不对光进行重新定向。另一个实例是侧向发射器包覆模制光学器件，所述侧向发射器包覆模制光学器件既提高提取效率又对来自LED管芯的光进行重定向以使辐射图案从朗伯发射变形成侧向发射。
图1示出常规LED包封100。包封100包括散热器102、LED管芯104 (仅标示出一个)、LED管芯104上的初级光学器件106 (仅标示出一个)、以及安装在散热器102上的次级光学器件108。LED管芯104可包括LED和LED上的波长转换器，诸如陶瓷磷光体。初级光学器件106是半球形圆顶包覆模制件，所述半球形圆顶包覆模制件帮助从LED管芯104提取光但也对所提取光进行重新定向。次级光学器件108是反射器，所述反射器使所提取光准直，如在附图上以强度切片图示出。应当注意，0度对应于垂直于LED管芯104的顶部表面的方向。
发明内容
本公开的一个或多个实例提供一种光学器件，其与LED管芯光学接触并且基本上使来自管芯的光准直。所述光学器件在大小上与常规半球形圆顶包覆模制件类似。所述光学器件包括截头复合抛物面聚光器(CPC)和位于截头CPC顶部的斜楔。
所述截头CPC包括输入面和下部外表面，所述下部外表面由围绕对称轴线旋转的倾斜抛物线区段限定。所述下部外表面的底端连结所述输入面的周边。
所述斜楔包括位于所述下部外表面上方的上部外表面，以及由所述下部外表面和所述上部外表面围绕的内锥面。所述上部外表面由围绕所述对称轴线旋转的倾斜直线限定。所述内锥面由围绕所述对称轴线旋转的参数曲线限定。所述内锥面具有位于所述对称轴线处且在所述下部外表面内的顶点。所述内锥面和所述上部外表面的顶端连结以限定输出孔口。
附图说明
在附图中：
图1示出常规发光二极管或装置(LED)包封。
图2示出本公开的实例中的LED包封。
图3-1和3-2分别示出本公开的实例中的图2的光学器件的截面侧视图和等距视图。
图4示出穿过本公开的实例中的图2的光学器件的射线轨迹。
图5示出在本公开的一些实例中图2的光学器件具有的尺寸类似于常规半球形包覆模制件。
图6示出被切割以形成截头紧凑抛物面聚光器(CPC)的全高CPC的设计，所述截头CPC形成本公开的实例中的图2的光学器件的一部分。
图7示出叠加在本公开的实例中的图2的光学器件的截头CPC上的斜楔的设计。
图8、9和10分别示出本公开的实例中的图2的光学器件的在强度切片中的远场强度分布、在截面中的远场强度分布、以及正向强度分布。
在不同附图中使用相同附图标记指示类似或完全相同的元件。
具体实施方式
图2示出本公开的实例中的发光二极管或装置(LED)包封200。包封200包括散热器102、LED管芯104、以及LED管芯104上的光学器件206 (仅标示出一个)。不像初级光学器件106，光学器件206使来自LED管芯104的光准直。光学器件206可印刷到LED管芯104上。可替代地，光学器件206被单独地或作为阵列制成，并且光学器件206被单独地或作为阵列附接到LED管芯104。
光学器件206的射束图案基本上脱离朗伯样发射所特有的圆圈图案。在一些应用中，光学器件206可以是仅有的光学器件，或者在其他应用中，可以是将光重新定向到次级光学器件上的初级光学器件。在任一情况下，光都得到更有效的使用，使得得以减少LED管芯的数量或电功率的量。
图3-1和3-2分别示出本公开的实例中的光学器件206的截面侧视图和等距视图。截头三维复合抛物面聚光器(CPC) 302形成光学器件206的底部部分和下部部分，而三维斜楔304形成光学器件206的上部部分和内部部分。
截头CPC 302包括圆形输入面306和下部外表面308。输入面306与LED管芯104进行光学接触。设定输入面306的大小来覆盖LED管芯104。输入面306所具有的直径可匹配或稍微超过LED管芯104的发射表面的最长尺寸。圆形输入面306的周边连结下部外表面308的底端。
下部外表面308由围绕对称轴线312旋转的抛物线区段310限定。这也可被描述为围绕对称轴线312旋转的两个对称抛物线区段。抛物线区段310是具有光学轴线316的抛物线314 (以虚影示出)的一部分，抛物线314在沿着光学轴线316向上行进时远离对称轴线312倾斜。抛物线314的底端在抛物线314的位于输入面306的远边处的焦点318处被切掉。抛物线314的上端在小于全CPC的高度的截头高度处被切掉。
斜楔304是通过使从较厚的下端向较薄的顶端渐缩的斜楔样截面围绕对称轴线312旋转而形成的光学部件。斜楔304包括位于截头CPC 302的下部外表面308上方的上部外表面320，以及由上部外表面320和下部外表面308包围的内锥面322。上部外表面320由围绕对称轴线312旋转的区段324限定。区段324是直的，但在本公开的其他实例中可以是弯曲的。直区段324在沿着直区段324向上行进时远离对称轴线312倾斜。上部外表面320和内锥面322的顶端连结以限定输出孔口332。
内锥面322由围绕对称轴线312旋转的线328限定。线328是平滑曲线，但在本公开的其他实例中可以是直的。平滑曲线328可以是贝塞尔曲线或平滑曲线的另一种数学表示。平滑曲线328的至少绝大部分在沿着平滑曲线328向上行进时远离对称轴线312转向。平滑曲线328的短顶端部分在沿着平滑曲线328向上行进时可朝向对称轴线312转向。内锥面322具有在下部外表面308内位于对称轴线312上的顶点330。顶点330可位于输入面306上或稍高于输入面306。
中间表面334桥接下部外表面308的较大上端与上部外表面320的较小下端之间的间隙。中间表面334可以是环带，所述环带具有连结到下部外表面308的上端的外周336，以及连结到上部外表面320的下端的内周338。
在本公开的一些实例中，光学器件206具有可与用于LED管芯104的半球形圆顶包覆模制件106比较的紧凑设计。这允许在设计用于半球形圆顶包覆模制件106的许多应用中使用光学器件206。
图4示出穿过本公开的实例中的光学器件206的射线轨迹。斜楔304的平滑曲线328(为清楚起见，标示在相反侧上)将射线中的一些背离对称轴线312朝向斜楔304的直区段324 (为清楚起见，标示在相反侧上)反射。直区段324随后将射线沿着对称轴线312重新定向。一些其他射线被直区段324沿着对称轴线直接反射，但是随后被平滑曲线324稍微发散。
图5示出在本公开的一些实例中光学器件206所具有的高度和宽度与半球形圆顶包覆模制件106基本上相同。对于具有1任意单位(arb. unit)的边和1.4 arb. unit的对角线的正方形LED管芯104，半球形圆顶包覆模制件106通常具有1.4 arb. unit的高度和2.5arb. unit的宽度(直径)。对于这种正方形LED管芯104，光学器件206具有1.4 arb. unit的高度和2.5 arb. unit的宽度(直径)。
图6示出被切割以形成本公开的实例中的截头CPC 302的全高CPC 600的设计。应当注意，图6中的术语是颠倒的，因为CPC 600通常用于聚集光而不是发射光。全高CPC 600具有完全覆盖LED管芯104的1.4100 arb. unit的输出大小、达到约半球形圆顶包覆模制件106的高度的2.5387 arb. unit的输入大小、从发射朗伯图案形式的LED管芯104收集尽可能多的光的90度的输出角度、以及0 arb. unit的芯长度。基于这些参数，全高CPC 600具有57度的输入角度(即，接受角度)和2.9560 arb. unit的总长度。应当注意，锥长度是可添加到倾斜抛物线的任选的直线区段。锥长度值取决于对输出角度的选择，并且针对以上参数来说，是0。全高CPC 600在小于半球形圆顶包覆模制件106的高度的截头高度（诸如0.4至1.2 arb. unit的范围）处被截头，以在截头CPC 302的顶部提供用于斜楔304的空间。截头高度可基于具有各种截头高度的光学器件206的射线轨迹来选择。
图7示出叠加在截头CPC 302 (以虚影示出)上以形成本公开的实例中的光学器件206的斜楔700的设计。斜楔700的叠加部分形成斜楔304。如上所述，斜楔304通过使直区段324和平滑曲线328围绕对称轴线312旋转来限定。当被限定为贝塞尔曲线时，平滑曲线328可具有起点702、终点704和两个控制点706、708。起点702被选择成使得所得斜楔304与半球形圆顶包覆模制件106具有类似的高度和宽度。例如，起点702在Z方向上位于1.3574 arb.unit处并且在Y方向上位于1.1574 arb. unit处，并且终点704位于原点处。控制点706致使小的顶端部分平滑曲线328在沿着平滑曲线328向上行进时朝向对称轴线312转向。控制点706具有-132.71度的切线角、0.15490 arb. unit的切线长度、以及0.55519 的权重。控制点708致使平滑曲线328的绝大部分在沿着平滑曲线328向上行进时远离对称轴线312转向。控制点708具有6.5244度的切线角、0.82236 arb. unit的切线长度、以及0.54747的权重。应当注意，起点和终点的切线模式描述曲线328接近控制点706和708的紧密程度，其可被自由限定或自动限定以平滑地拟合到曲线的其余部分。
直区段324具有起点702 (与平滑曲线328共享)和终点710。为了避免沿着输出孔口332 (图3)的周边的锐利边缘，斜楔304围绕起点702可以是圆角的。由于斜楔304是在截头CPC 302的顶部形成的，终点710具有截头CPC 302的截头高度。直区段324是从起点延伸到LED管芯104的一侧处的终点712的线的一部分。换言之，斜楔700的底端位于LED管芯104的顶部表面内。
图8、9和10分别示出本公开的实例中的光学器件206的在强度切片中的远场强度分布、在截面中的远场强度分布、以及正向强度分布。光学器件206具有255.68流明的总聚集功率、7.3533的聚集效率、以及158.75坎德拉的最大强度。这些数字基本上类似于半球形圆顶包覆模制件106，所述半球形圆顶包覆模制件106具有263.07流明的总聚集功率、7.5658的聚集效率、以及72,267坎德拉的最大强度。不像半球形圆顶包覆模制件106，图8示出光学器件206具有高准直度。不像全高CPC或与半球形圆顶包覆模制件106具有相同高度的截头CPC，图9和10示出光学器件206并不具有暗中心。因此，光学器件206具有性能比半球形圆顶包覆模制件106、全高CPC、或与半球形圆顶包覆模制件106具有相同高度的截头CPC更加优越的紧凑设计。
所公开实施方案的各种其他适配和特征组合在本发明的范围内。以下权利要求涵盖数种实施方案。

Claims (20)

1.一种光学器件，其包括：
输入面；
下部外表面，所述下部外表面由围绕对称轴线旋转的抛物线区段限定，所述抛物线区段包括具有光学轴线的抛物线的一部分，所述抛物线在沿着所述光学轴线向上行进时远离所述对称轴线倾斜，其中所述下部外表面的底端连结所述输入面的周边；
上部外表面，所述上部外表面位于所述下部外表面上方，所述上部外表面由围绕所述对称轴线旋转的直线限定，所述直线在沿着所述直线向上行进时远离所述对称轴线倾斜；以及
内锥面，所述内锥面由所述下部外表面和所述上部外表面包围，所述内锥面由围绕所述对称轴线旋转的平滑曲线限定，所述平滑曲线的至少绝大部分在沿着所述平滑曲线向上行进时远离所述对称轴线转向，其中：
所述内锥面具有位于所述对称轴线处且在所述下部外表面内的顶点；并且
所述内锥面和所述上部外表面的顶端连结以限定输出孔口。
2. 如权利要求1所述的光学器件，其还包括中间表面，所述中间表面包括环带，其中：
所述中间表面的外周连结所述下部外表面的上端；并且
所述中间表面的内周连结所述上部外表面的下端。
3.如权利要求1所述的光学器件，其中所述下部外表面包括截头三维复合抛物面聚光器。
4. 如权利要求3所述的光学器件，其中：
所述输入面完全覆盖具有1 arb. unit的边和1.41 arb. unit的对角线的LED管芯；并且
所述截头三维复合抛物面聚光器具有2.54 arb. unit的输入直径、1.41 arb. unit的输出直径、57度的输入角度、90度的输出角度、2.96 arb. unit的全长、以及0.4至1.2 arb.unit的截头高度。
5.如权利要求1所述的光学器件，其中所述上部外表面和所述内锥面包括三维斜楔。
6. 如权利要求5所述的光学器件，其中：
所述输入面完全覆盖具有1 arb. unit的边和1.41 arb. unit的对角线的LED管芯；并且
所述平滑曲线是具有终点、起点和两个控制点的贝塞尔曲线，所述起点在Z方向上位于与所述起点相距1.35 arb. unit处并且在Y方向上位于与所述起点相距1.16 arb. unit处。
7.一种LED包封，其包括如权利要求1所述的光学器件以及LED管芯，其中所述光学部件安装在所述LED管芯上。
8.如权利要求7所述的LED包封，其还包括散热器，其中所述LED管芯安装在所述散热器上。
9. 一种发光二极管或装置(LED)包封，其包括：
LED管芯；以及
光学器件，所述光学器件位于所述LED管芯上，所述光学器件包括：
下部部分和底部部分，所述下部部分和底部部分包括截头三维复合抛物面聚光器；以及
上部部分和内部部分，所述上部部分和内部部分包括三维斜楔。
10. 如权利要求9所述的包封，其中所述截头三维复合抛物面聚光器包括：
输入面；以及
下部外表面，所述下部外表面由围绕对称轴线旋转的抛物线区段限定，所述抛物线区段包括具有光学轴线的抛物线的一部分，所述抛物线在沿着所述光学轴线向上行进时远离所述对称轴线倾斜，其中所述下部外表面的底端连结所述输入面的周边。
11. 如权利要求10所述的包封，其中所述三维斜楔包括：
上部外表面，所述上部外表面位于所述下部外表面上方，所述上部外表面由围绕所述对称轴线旋转的直线限定，所述直线在沿着所述直线向上行进时远离所述对称轴线倾斜；以及
内锥面，所述内锥面由所述下部外表面和所述上部外表面包围，所述内锥面由围绕所述对称轴线旋转的平滑曲线限定，所述平滑曲线的至少绝大部分在沿着所述平滑曲线向上行进时远离所述对称轴线转向，其中：
所述内锥面具有位于所述对称轴线处且在所述下部外表面内的顶点；并且
所述内锥面和所述上部外表面的顶端连结以限定输出孔口。
12. 如权利要求11所述的包封，其还包括中间表面，所述中间表面包括环带，其中：
所述中间表面的外周连结所述下部外表面的上端；并且
所述中间表面的内周连结所述上部外表面的下端。
13. 如权利要求12所述的包封，其中：
所述输入面完全覆盖具有1 arb. unit的边和1.41 arb. unit的对角线的LED管芯；并且
所述截头三维复合抛物面聚光器具有2.54 arb. unit的输入直径、1.41 arb. unit的输出直径、57度的输入角度、90度的输出角度、2.96 arb. unit的全长、以及0.4至1.2 arb.unit的截头高度。
14. 如权利要求13所述的包封，其中：
所述输入面完全覆盖具有1 arb. unit的边和1.41 arb. unit的对角线的LED管芯；并且
所述平滑曲线是具有终点、起点和两个控制点的贝塞尔曲线，所述起点在Z方向上位于与所述起点相距1.35 arb. unit处并且在Y方向上位于与所述起点相距1.16 arb. unit处。
15.一种包括如权利要求9所述的初级光学器件以及LED管芯的LED包封，其还包括散热器，其中所述LED管芯安装在所述散热器上。
16. 一种用于制造发光二极管或装置(LED)包封的方法，其包括：
提供LED管芯；以及
将初级光学器件印刷在所述LED管芯上，这包括：
形成所述初级光学器件的底部部分和下部部分，所述底部部分和下部部分包括三维复合抛物面聚光器，所述三维复合抛物面聚光器包括：
输入面；以及
下部外表面，所述下部外表面由围绕对称轴线旋转的抛物线区段限定，所述抛物线区段包括具有光学轴线的抛物线的一部分，所述抛物线在沿着所述光学轴线向上行进时远离所述对称轴线倾斜，其中所述下部外表面的底端连结所述输入面的周边；
形成所述初级光学器件的上部部分和内部部分，所述上部部分和内部部分包括三维斜楔，所述三维斜楔包括：
上部外表面，所述上部外表面位于所述下部外表面上方，所述上部外表面由围绕所述对称轴线旋转的直线限定，所述直线在沿着所述直线向上行进时远离所述对称轴线倾斜；以及
内锥面，所述内锥面由所述下部外表面和所述上部外表面包围，所述内锥面由围绕所述对称轴线旋转的平滑曲线限定，所述平滑曲线的至少绝大部分在沿着所述平滑曲线向上行进时远离所述对称轴线转向，其中：
所述内锥面具有位于所述对称轴线处且在所述下部外表面内的顶点；并且
所述内锥面和所述上部外表面的顶端连结以限定输出孔口。
17. 如权利要求16所述的方法，其中将所述初级光学器件印刷在所述LED管芯上还包括形成包括环带的中间表面，其中：
所述中间表面的外周连结所述下部外表面的上端；并且
所述中间表面的内周连结所述上部外表面的下端。
18. 如权利要求16所述的方法，其中：
所述输入面完全覆盖具有1 arb. unit的边和1.41 arb. unit的对角线的LED管芯；并且
所述截头三维复合抛物面聚光器具有2.54 arb. unit的输入直径、1.41 arb. unit的输出直径、57度的输入角度、90度的输出角度、2.96 arb. unit的全长、以及0.4至1.2 arb.unit的截头高度。
19. 如权利要求16所述的方法，其中：
所述输入面完全覆盖具有1 arb. unit的边和1.41 arb. unit的对角线的LED管芯；并且
所述平滑曲线是具有终点、起点和两个控制点的贝塞尔曲线，所述起点在Z方向上位于与所述起点相距1.35 arb. unit处并且在Y方向上位于与所述起点相距1.16 arb. unit处。
20.如权利要求16所述的方法，其还包括将所述LED管芯安装在散热器上。
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