CN111609328A - 增强侧向光场的光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增强侧向光场的光源，包括半导体发光元件和透镜，所述半导体发光元件被包埋于透镜内并与透镜无缝结合，所述透镜具有顶面以及与顶面连接的侧面，所述半导体发光元件具有一个以上出光面，其中至少一个出光面朝向透镜的顶面设置，由所述半导体发光元件射向透镜顶面的至少部分光线能够被所述透镜顶面反射再从透镜侧面透射出。本发明的增强侧向光场的光源结构简单，将反射式照明应用中的光利用效率大大增加；相比于未加透镜的光源，使出光功率提高；与二次透镜相比，所述一次透镜体积小、重量轻，在光源封装时实现与芯片的无缝连接，便于安装，出光率提高；同时制程简单便捷、低成本、体积小、适于规模化制造和应用。

Description

增强侧向光场的光源
技术领域
本发明涉及一种半导体照明光源的设计，特别涉及一种增强侧向光场的光源。
背景技术
近年来，LED光源已经在照明领域广泛应用。目前大多数LED光源在应用时一般不加一 次透镜或加半球形一次透镜，这种光源得到的光场通常为朗伯型，如图1-3所示，朗伯型光 场的中心场强大，大角度处的场强小。而在有些应用中，需要增强侧向光场的LED光源，例 如：反射式探照灯、反射式手电筒、头戴式矿灯、反射式车头灯等应用领域。为了进一步扩 大LED光源应用市场，需要对其进行优化设计。
从LED光源发射出的光，只有投射到反射杯反射面的部分(+/-90°～+/-θ)，才能有效被 准直射出，成为这类灯具主要的有效光线。而没有投射到反射杯反射面的光(-θ～+θ)，则自 由散出，强度与距离平方呈反比衰减，对照射距离没有显著作用，如图2所示，为现有灯具 中的反射杯结构示意图。
对于朗伯型光场，根据公式计算，如图3所示，θ角为45°时，光利用效率仅为50％；θ角为30°时，光利用效率达到75％；若要使光利用效率达到85％以上，则θ角须小于23°， 意味着反射杯长度要加大很多，会带来透镜制作成本增加，灯具体积和重量增加等一系列问题。公式可表示为：
Figure RE-GDA0002000921610000011
式中η：光利用效率；θ：LED光源与反射杯边缘连线和LED光源法线方向的夹角；i(θ): LED光源在角度为θ处的光强。
二次透镜是指在组装灯具过程中，为了获得所需光场，而加装在光源前方的光学透镜。 二次透镜与光源之间通常存在空隙、间距，没有连成一体。与一次透镜相比，灯具中的二次 透镜并不能增加LED光源的光取出效率，只能改变从LED射出到外界的光的传播路径，二 次透镜的体积和重量大，成本高。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种增强侧向光场的光源，其具有提高光 取出效率、制程简单便捷、低成本、体积小等特点。
为实现前述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明实施例提供了一种增强侧向光场的光源，其包括半导体发光元件和透镜，所述半 导体发光元件被包埋于透镜内并与透镜无缝结合，所述透镜具有顶面以及与顶面连接的侧面， 所述半导体发光元件具有一个以上出光面，其中至少一个出光面朝向所述透镜的顶面设置， 由所述半导体发光元件射向所述透镜顶面的至少部分光线能够被所述透镜顶面反射再从所述 透镜侧面透射出。
在一些实施例中，所述半导体发光元件与透镜顶面对应的出光面的尺寸小于所述透镜顶 面的尺寸。
进一步地，所述半导体发光元件与透镜顶面对应的出光面或透镜顶面的形状包括圆形、 矩形、菱形或多边形。
在一些实施例中，所述透镜顶面为透明面，由所述半导体发光元件射向所述透镜顶面的 部分光线能够被所述透镜顶面反射后从所述透镜侧面透射出，另一部分光线能够经所述透镜 顶面向所述透镜的侧向折射出射。
进一步地，所述透镜顶面为反射面，由所述半导体发光元件射向所述透镜顶面的光线能 够被所述透镜顶面反射后从所述透镜侧面透射出。
进一步地，所述透镜顶面包括平面或凹面。
进一步地，所述半导体发光元件包括LED芯片，所述LED芯片与透镜直接结合；或者， 所述半导体发光元件包括LED芯片，至少在所述LED芯片的出光面上包覆有荧光层，所述 荧光层与透镜直接结合。
与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：
1)本发明提供的增强侧向光场的光源结构简单，可有效提高光取出效率、制程简单便捷、 低成本、体积小、适于规模化制造和应用；
2)本发明提供的增强侧向光场的光源将反射式照明应用中的光的利用效率大大增加；相 比于未加透镜的光源，使出光功率提高；与二次透镜相比，所述一次透镜体积小、重量轻， 在光源封装时实现与芯片的无缝连接，便于安装，出光率提高，并且，由于是LED封装中加 入的一次透镜，成本不会比普通半球形透镜封装的LED光源高；
3)本发明提供的增强侧向光场的光源相比通常的朗伯光场，反射杯长度能够缩短很多， 与此对应灯具的体积重量都会降低。
附图说明
图1是朗伯型光场示意图。
图2是灯具中的反射杯结构示意图。
图3是朗伯型光场光利用效率与角度的关系曲线图。
图4a-图4d分别是本发明不同较佳实施例中增强侧向光场的光源的光场分布图。
图5是本发明一较佳实施例中增强侧向光场的光源的光利用效率与角度的关系曲线图。
图6a-图6j是本发明不同较佳实施例中增强侧向光场的光源的结构示意图。
图7a-图7d分别是本发明一较佳实施例中增强侧向光场的光源的实物图。
附图标记说明：1-一次透镜，2-荧光层，3-LED芯片，4-封装基板。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方 案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例的一个方面提供了一种增强侧向光场的光源，其包括半导体发光元件和透 镜，所述半导体发光元件被包埋于透镜内并与透镜无缝结合，所述透镜具有顶面以及与顶面 连接的侧面，所述半导体发光元件具有一个以上出光面，其中至少一个出光面朝向所述透镜 的顶面设置，由所述半导体发光元件射向所述透镜顶面的至少部分光线能够被所述透镜顶面 反射再从所述透镜侧面透射出。
在一些实施例中，所述半导体发光元件与透镜顶面对应的出光面的尺寸(例如直径或对 角线长)小于所述透镜顶面的尺寸(例如直径或对角线长)。
进一步地，所述半导体发光元件与透镜顶面对应的出光面或透镜顶面的形状为圆形或方 形，所述方形可以是矩形、菱形、多边形等，但不仅限于此。其中，当所述半导体发光元件 与透镜顶面对应的出光面或透镜顶面为圆形时，尺寸以直径计算；当所述半导体发光元件与 透镜顶面对应的出光面或透镜顶面为方形时，尺寸以对角线长计算。
在一些实施例中，所述透镜顶面为透明面，由所述半导体发光元件射向所述透镜顶面的 部分光线能够被所述透镜顶面反射后从所述透镜侧面透射出，另一部分光线能够经所述透镜 顶面向所述透镜的侧向折射出射。
进一步地，所述透镜顶面为反射面，由所述半导体发光元件射向所述透镜顶面的光线能 够被所述透镜顶面反射后从所述透镜侧面透射出。
更进一步地，所述透镜顶面的平面或凹面为透明面或高反射面，使光场在侧向(大角度) 出光增强。
进一步地，所述透镜顶面包括平面或凹面，但不仅限于此。
更进一步地，所述凹面包括球形凹面、椭球凹面、抛物凹面、双曲凹面或锥形凹面等规 则形状或这几种曲面的组合，但不限于此。
进一步地，所述透镜侧面包括透明的弧形面或柱面等，但不仅限于此。
更进一步地，所述弧形面包括球面、锥面、双曲面、椭球面等规则形状或这几种曲面的 组合，但不仅限于此。
进一步地，所述透镜为透明材料构成，具体可以包括硅胶、PC、PMMA、玻璃、PP、PS、PVC、PET、ABS、SAN等，但不仅限于此。
在一些实施例中，所述半导体发光元件包括LED芯片，所述LED芯片与透镜直接结合； 或者，所述半导体发光元件包括LED芯片，至少在所述LED芯片的出光面上包覆有荧光层， 所述荧光层与透镜直接结合。
进一步地，所述LED芯片的数量为1个以上，所述LED芯片可以为蓝光、红光、绿光、黄光、红外等多种波长的LED芯片，但不限于此。
进一步地，所述荧光层的材质为荧光粉，所述荧光粉可以是无荧光粉、黄光荧光粉、绿 光荧光粉、红光荧光粉等不同波长的荧光粉，但不限于此。
在一些实施例中，所述半导体发光元件的底面与基板结合，所述半导体发光元件的顶面 及侧面均为出光面，并且所述半导体发光元件的顶面、侧面分别朝向所述透镜的顶面、侧面 设置。
综上所述，本发明的增强侧向光场的光源将反射式照明应用中的光的利用效率大大增加； 相比于未加透镜的光源，使出光功率提高；与二次透镜相比，所述一次透镜体积小、重量轻， 在光源封装时实现与芯片的无缝连接，便于安装，出光率提高，并且，由于是LED封装中加 入的一次透镜，成本不会比普通半球形透镜封装的LED光源高；以及，本发明的增强侧向光 场的光源结构简单，可有效提高光取出效率、制程简单便捷、低成本、体积小、适于规模化 制造和应用。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合若干较佳实施例及附图， 对本发明的技术方案进行进一步详细解释说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用 以解释本发明，但其中的实验条件和设定参数不应视为对本发明基本技术方案的局限。并且 本发明的保护范围不限于下述的实施例。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及 到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图6a所示，为本发明一典型实施例的增强侧向光场的LED光源的典型结构，其 包括一次透镜1、荧光层2、LED芯片3和封装基板4。所述一次透镜与LED芯片3或荧光 粉胶无缝连接。具体的，在所述LED芯片3的出光面上包覆有荧光层2，所述荧光层2与一 次透镜1直接结合。所述LED芯片3的底面与封装基板4结合，所述LED芯片3的顶面及 侧面均为出光面，并且所述LED芯片3的顶面、侧面分别朝向所述一次透镜1的顶面、侧面 设置。
其中，所述一次透镜1的顶面为平面或下凹面，透镜侧面为弧形面或柱面，顶面的平面 或下凹面为透明面或高反射面，使光场在侧向(大角度)出光增强，侧面为透明面，使从透 镜顶面反射的光透射出去。所述一次透镜1具有顶面以及与顶面连接的侧面，所述LED芯片 3具有一个以上出光面，其中至少一个出光面朝向所述一次透镜1的顶面设置，由所述LED 芯片3射向所述一次透镜1顶面的至少部分光线能够被所述一次透镜1顶面反射再从所述一 次透镜1侧面透射出。
其中，前述一次透镜1、荧光层2和LED芯片3之间实现无缝连接。前述一次透镜1顶部凹面透明时，顶部的凹面具有把小于全反射角的光线向大角度折射出去或把大于全反射角 的光线向侧向反射，让光从一次透镜1侧面透射出去的功能。前述一次透镜1顶部凹面是高 反射面时，顶部的凹面具有把射到顶部凹面的光线向侧向反射，让光线从一次透镜1侧面透 射出去的功能。前述一次透镜1侧面具有把从一次透镜1顶面反射的光透射出去的功能。
进一步地，所述LED芯片3与一次透镜1顶面对应的出光面的直径小于所述一次透镜1 顶面的直径，亦即，图6a中的L1大于L2。
进一步地，在本优选实施例中所述一次透镜1为透明材料构成，具体可以包括硅胶、PC、 PMMA、玻璃、PP、PS、PVC、PET、ABS、SAN等，但不仅限于此。
进一步地，在本优选实施例中LED芯片3的数量为1个以上，所述LED芯片可以为蓝光、红光、绿光、黄光、红外等多种波长的LED芯片，但不限于此。
进一步地，在本优选实施例中所述荧光层2的材质为荧光粉，所述荧光粉可以是无荧光 粉、黄光荧光粉、绿光荧光粉、红光荧光粉等不同波长的荧光粉，但不限于此。
进一步地，前述一次透镜1的顶部凹面的直径大于荧光层2的尺寸。
本实施例中增强侧向光场的LED光源的工作原理至少为：
一.所述一次透镜的顶部凹面透明情况：
1.顶部的凹面把部分光线(小于全反射角的光线)向大角度折射出去；
2.顶部的凹面把另一部分光线(大于全反射角的光线)向侧向反射，使光从一次透镜侧 面透射出去。
二.所述一次透镜的顶部凹面是高反射面情况：
顶部的凹面把射到顶部凹面的光线向侧向反射，让光线从一次透镜侧面透射出去。
进一步地，所述一次透镜在封装时实现与LED芯片的无缝连接，提高光功率。
经测试，本实施例的增强侧向光场的LED光源的光利用效率与角度的关系曲线图如图5 所示。其中，当θ角为60°时，光利用效率为51％；θ角为40°时，光利用效率>75％；光利用效率达到85％以上，则θ角仅为30°，相比通常的朗伯光场，反射杯长度能够缩短很多， 与此对应灯具的体积重量都会降低。
进一步地，所述一次透镜的凹面可以是球形凹面、椭球凹面、抛物凹面、双曲凹面或锥 形凹面等，所述透镜侧面包括透明的弧形面或柱面，所述弧形面可以是球面、锥面或椭球面 等，因此，本发明增强侧向光场的LED光源的具体结构有很多形式，请参阅图6b-图6j所示。
本发明不同较佳实施例中增强侧向光场的LED光源的光场分布图请参阅图4a-图4c所 示，中心光强减小，侧向光场增加，半光束角增加，说明本发明的LED光源结构可有效增强 侧向光场。本发明不同较佳实施例中增强侧向光场的LED光源的实物图可参阅图7a-图7d所 示，加装如图7a-图7d的一次透镜后，不仅侧向光场显著增强，且光源的光功率效率提高了 10％～13％。
综上所述，藉由本发明的上述技术方案，由于是LED封装中加入的一次透镜，成本不会 比普通半球形透镜封装的LED光源高。与二次透镜相比，一次透镜的体积小、重量轻；在光 源封装时可实现与芯片的无缝连接，便于安装，可有效提高光取出效率、制程简单便捷、低 成本、体积小、适于规模化制造和应用。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性 的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还 包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要 素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素 的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术 的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发 明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种增强侧向光场的光源，其特征在于包括半导体发光元件和透镜，所述半导体发光元件被包埋于透镜内并与透镜无缝结合，所述透镜具有顶面以及与顶面连接的侧面，所述半导体发光元件具有一个以上出光面，其中至少一个出光面朝向所述透镜的顶面设置，由所述半导体发光元件射向所述透镜顶面的至少部分光线能够被所述透镜顶面反射再从所述透镜侧面透射出。
2.如权利要求1所述的增强侧向光场的光源，其特征在于：所述半导体发光元件与透镜顶面对应的出光面的尺寸小于所述透镜顶面的尺寸；所述半导体发光元件与透镜顶面对应的出光面或透镜顶面的形状包括圆形、矩形、菱形或多边形。
3.如权利要求1所述的增强侧向光场的光源，其特征在于：所述透镜顶面为透明面，由所述半导体发光元件射向所述透镜顶面的部分光线能够被所述透镜顶面反射后从所述透镜侧面透射出，另一部分光线能够经所述透镜顶面向所述透镜的侧向折射出射。
4.如权利要求1所述的增强侧向光场的光源，其特征在于：所述透镜顶面为反射面，由所述半导体发光元件射向所述透镜顶面的光线能够被所述透镜顶面反射后从所述透镜侧面透射出。
5.如权利要求1-4中任一项所述的增强侧向光场的光源，其特征在于：所述透镜顶面包括平面或凹面。
6.如权利要求5所述的增强侧向光场的光源，其特征在于：所述凹面包括球形凹面、椭球凹面、抛物凹面、双曲凹面、锥形凹面中的任意一种或两种以上的组合。
7.如权利要求1-4中任一项所述的增强侧向光场的光源，其特征在于：所述透镜侧面包括透明的弧形面或柱面。
8.如权利要求7所述的增强侧向光场的光源，其特征在于：所述弧形面包括球面、锥面、双曲面、椭球面中的任意一种或两种以上的组合。
9.如权利要求1所述的增强侧向光场的光源，其特征在于：所述半导体发光元件包括LED芯片，所述LED芯片与透镜直接结合；或者，所述半导体发光元件包括LED芯片，至少在所述LED芯片的出光面上包覆有荧光层，所述荧光层与透镜直接结合。
10.如权利要求1所述的增强侧向光场的光源，其特征在于：所述半导体发光元件的底面与基板结合，所述半导体发光元件的顶面及侧面均为出光面，并且所述半导体发光元件的顶面、侧面分别朝向所述透镜的顶面、侧面设置。
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