CN114026362A - 用于led设备的两级光学器件 - Google Patents

Abstract

公开了一种照明模块。照明模块（101）包括发光二极管（LED）光源（103）和全内反射（TIR）光学组件（102）。光学组件（102）包括配置为靠近LED光源（103）定位的折射器（202）和配置为附接到折射器（202）的反射器（201）。折射器（202）由在暴露于LED光源（103）产生的热时抵抗热损坏的材料制成。

Description

用于LED设备的两级光学器件

背景技术

发光二极管（LED）越来越多地被用作各种光照设备中的光源。与基于其他光源（例如，白炽灯泡）的光照设备一样，可以使用透镜或其他类型的光学器件来收集和引导来自LED的光。在某些实例中，诸如反射器的光学设备被设置在一个或多个LED之上或周围，以控制从各个LED发射的光并使以期望的光图案从光照设备输出的光最大化。LED位于反射器的尾端。为了实现更好的照明效率，反射器被配置为将从LED发出并照射在反射器主体上的光线朝向预定方向反射，例如在抛物面反射器的情况下沿平行前向方向反射。

通常，光照设备的LED产生热，这可能使光照设备的各种部件（包括反射器）的使用寿命和性能降低。LED光照设备的传统散热技术利用围绕LED设置的散热结构（散热器）来防止热影响LED灯。通常，反射器是使用金属涂层塑料材料制造的，该材料在暴露于紧邻LED和/或甚至光照设备的散热器生成的高温时易于损坏。此外，散热器可能不足以防止对反射器的热损坏。

该文档描述了旨在解决上述问题和/或其他问题的光学组件及其制造方法。

发明内容

在一方面中，照明模块可以包括发光二极管（LED）光源和全内反射（TIR）光学组件。TIR光学组件可以包括被配置为靠近LED光源定位的折射器和被配置为附接到折射器的反射器。折射器由在暴露于LED光源产生的热时抵抗热损坏的材料制成。

可选地，折射器的材料可以是硅树脂。此外，反射器可以由金属材料形成以提供反射特性。

在某些实施例中，反射器可以包括中空体，所述中空体被配置为形成不靠近LED光源的TIR光学组件的上部。可选地，中空体的内表面可以被配置为基本上以远离LED光源的光分布图案反射从LED光源接收到的光线。

折射器可以包括形成TIR光学组件下部的实心体。可选地，折射器还可以包括内表面，该内表面限定了纵向延伸穿过折射器并且被配置为定位在LED光源上方的圆柱形通道。在某些实施例中，折射器还可以包括上表面，该上表面从折射器的内表面的顶部延伸到折射器的外表面的顶部，并且该上表面包括多个波纹。折射器的内表面可以比折射器的外表面更短。每个波纹可以包括相对于彼此成角度定位的两个平面。可选地，该角度可以被配置为提供入射在折射器内表面上的光线的TIR。多个波纹还可以设计成提供从LED光源到反射器的直接视线。

由折射器从LED光源接收的光线可以穿过折射器的实心体内的路径并且经由上表面中的多个波纹之一以远离LED光源的光分布图案离开折射器。在示例实施例中，光线可以经由内表面进入折射器的实心体并形成折射光线，然后该折射光线在离开折射器之前被折射器的外表面反射。外表面可以被抛光以提供对入射光线的反射。

在某些实施例中，TIR光学组件可以具有抛物线形状，该抛物线形状被配置为提供被准直并且在平行于抛物线形状的对称轴的方向上的输出光分布图案。LED光源可以邻近抛物线形状的焦点定位。

在一个或多个实施例中，由LED光源发射的光可以是基本上准直的。

在另一方面中，公开了一种用于照明模块的光学组件。光学组件可以包括配置为靠近LED光源定位的折射器，以及配置为附接到折射器的反射器。折射器可以由在暴露于LED光源产生的热时抵抗热损坏的材料制成。光学组件可以被配置为提供由LED光源发射的光线的全内反射（TIR）。

附图说明

图1图示了示例光照设备的透视图。

图2A是图示了包括在图1的光照设备中的示例光学组件的示意图。

图2B是图示了图2A的光学组件的折射器部件的一部分的特写视图的示意图。

图3A是图示了包括通过光学组件的光路的图2A和图2B的示例光学组件的透明截面视图的示意图。

图3B图示了图2A和图2B的光学组件的折射器部件中的示例光路。

图3C图示了图2A和图2B的光学组件的折射器部件中的示例光路。

具体实施方式

如在本文档中使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指称。除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。如本文档中使用的，术语“包括”意指“包括但不限于”。

在本文档中使用时，诸如“顶部”和“底部”、“上”和“下”、或“前”和“后”等术语并非旨在具有绝对取向，而是代替地旨在描述各种部件相对彼此的相对位置。例如，当灯具沿第一方向取向时，第一部件可以是“上”部件并且第二部件可以是“下”部件。如果包含部件的灯具的取向被改变，则部件的相对取向可以颠倒，或者部件可以在同一平面上。权利要求旨在包括包含此类部件的设备的所有取向。

在本文档中，术语“照明设备”、“灯具”、“照明器”和“光照设备”可互换使用，以指代包括诸如一个或多个发光二极管（LED）之类的光辐射源的设备、灯泡、紫外线或红外线光源、或其他光辐射源。照明设备还将包括外壳、用于从电源向设备的光辐射源传送电力的一个或多个电气部件、以及可选的控制电路。“LED照明器”是包括LED作为光辐射源的照明设备。一个或多个照明模块可以包括在光照设备中。

图1示出了本公开的光照设备100的透视图。如图1中所示，光照设备100可以包括足以提供高强度LED设备的多个照明模块101a-n。光照设备100可以包括外壳110，该外壳110容纳诸如灯具控制器、电源、以及向LED模块供应电力和/或控制信号的布线和电路的电气部件。外壳还可以包括配置为散发由照明模块101a-n产生的热的散热器111（例如，多个翅片）。

照明模块101a-n中的每一个可以包括装配在LED光源103a-n上的光学组件102a-n。每个照明模块101a-n可以成形为如图1中所示的圆形。尽管诸如正方形、菱形、椭圆形、或矩形等的其他形状也在本公开的范围内。

每个照明模块101a-n的LED光源103a-n可以包括可以位于基板上的、足以提供所需强度的照明模块的任何数量（诸如一个、两个、三个、四个、五个、或更多个）的LED（此处未示出）。LED光源的LED可以布置成阵列或其他配置，它们被定位成远离照明模块发射光。LED可以是板上芯片（COB）型LED、LED管芯、或本领域技术人员已知的任何其他类型的LED。本公开不受所使用的LED的数量、颜色或类型的限制并且适用于任何数量的任何类型和任何颜色的LED或有机LED（OLED）的任何布局。在各种实施例中，照明模块可以包括多种类型的LED。例如，照明模块可以包括被配置为可选择地发射各种色温的白光的第一类型LED，以及被配置为可选择地发射各种颜色的光的第二类型的LED。

照明模块的LED光源的LED可以布置成一行或多行、矩阵、或其中相应的部件被支撑就位和/或被支撑件隔开的其他布置。例如，LED可以形成n×n LED的矩阵，诸如4×4或8×8矩阵。替代地，LED可以以弯曲的行定位，使得当所有模块定位在光照设备100的开口内时，光照设备100包括LED的同心环。用于供电和控制目的的LED布置可以符合也可以不符合LED在环、簇、矩阵或其他分组中的布置。

每个照明模块101a-n还可以包括支撑结构，诸如配置为保持LED光源102a-n的LED的基板（这里未示出）。例如，基板可以由任何支撑材料（诸如玻璃纤维、陶瓷、硅、或铝）制成，在该支撑材料上或该支撑材料中放置导电元件（诸如迹线、条或导线）以将电力、控制信号等引导到LED光源的LED。导电元件可以是铜、银或其他导电材料，并作为导电墨水、导线、迹线、或其他材料施加以提供导电通路。可选地，基板可以包括作为电路板的部分。电路板上的驱动电路可以经由诸如位于基板上的传导线、迹线、条或导线的基板上的一个或多个导电元件向LED输送电流。在某些实施例中，各种导体和/或电子设备也可以安装在基板上。例如，一组模块级导体可以连接到照明模块的电源和地。每个模块级导体可以连接到基板110上的导电元件之一。

每个LED模块101a-n的光学组件102a-n可以被配置为保护照明模块的基板和LED免受环境元件的影响，以及收集、聚焦和/或引导由LED发射的光。光学组件102a-n可以包括反射器、折射器、透镜、和/或其他被选择以提供所需特性的组件，诸如但不限于防止偏角眩光、所需的光学特性（例如，全内反射、照明模块101a-n内的准直光）、抗冲击损坏、和/或抗UV、热和极端环境造成的劣化。

图2A是图示了包括在照明模块101a-n中的示例光学组件102的示意图。如图2A中所示，光学组件102可以是抛物线形状，并且该抛物线形状的（位于LED光源103之上和/或附近的）接收孔210通常可以邻近抛物线形状的焦点定位。抛物线形状光学组件的间距和斜率可根据照明模块要实现的所需光束角、光束形状、光束扩展或其他光束特性而变化。诸如圆形、矩形等的其他光学组件形状在本公开的范围内。

在一个或多个实施例中，光学组件102可以包括装配在下折射器202上方的上反射器201，其共同形成光学组件102。在抛物线形光学组件的情况下，上反射器201装配在形成抛物线形焦点的下折射器202的顶部。

上反射器201可以包括具有反射内表面215的中空体214，使得入射在反射内表面215上的光可以以期望的方向和/或光图案反射离开光源102。例如，在示例实施例中，入射在反射内表面215上的光可以在平行于抛物线形状光学组件102的对称轴208的方向上被反射以形成如图2A中所示的准直光输出。被反射内表面215反射的光可以经由上反射器201的上开口211离开光学组件102。在某些实施例中，上开口211可以对光照设备的环境开放。替代地和/或附加地，上开口211可以被配置为与诸如模块级盖之类的光学组件的其他部件和/或诸如设备级盖之类的光照设备100的部件（此处未示出）、其他照明模块等接口连接。反射内表面215可以定向为接收来自LED光源103的光线（视线）。虽然图3A图示了光线以准直图案离开上开口211，但是本公开不因此被限制，并且光的输出图案可以根据例如上反射器201的形状、尺寸、类型等而变化。

上反射器201还可以包括被配置为与下折射器202接口连接的下开口212。例如，围绕下开口212的中空体214部分可以粘在下折射器202的上部221上，装配到凹槽中和/或与设置在下折射器202的上部223的外边缘223(b)上的唇缘（此处未示出）接合等。

上反射器201可以由诸如聚碳酸酯、丙烯酸、塑料、铝、或者具有反射涂层（例如铬）或抛光反射表面的其他金属材料材料制成。在一些示例实施例中，上反射器201可以使用注模工艺制造，此后施加反射涂层。

图2B是图示了下折射器202的一部分的特写视图的示意图。下折射器202可以由抵抗在LED光源103（和/或散热器）附近产生的高温造成的损坏的材料制成，并且在与LED光源103一起使用时在几何上适于实现全内反射（TIR）。

如图2A和图2B中所示，下折射器202可以包括具有外表面221(a)的实心一体式主体221，该外表面221(a)成形为形成光学组件102的下部。具体地，外表面221(a)与上反射器201形成期望的光学组件形状（例如，抛物线形）。外表面221(a)可以被抛光以提供入射到外表面上的光线的全内反射。本领域技术人员将理解，虽然图2A和图2B示出了抛物线形状的光学组件，但是本公开不因此被限制，并且其他形状也在本公开的范围内，其中上反射器201形成所需光学组件形状的上部，并且下折射器202形成所需光学组件形状的下部。

主体221可以包括具有光滑内表面222(a)的下部224，该光滑内表面222(a)被配置为围绕光学组件102的接收孔210形成通道224（例如，圆柱形通道）。在抛物线形光学组件的情况下，通道224可以与抛物线形光学组件的对称轴208居中对齐。在某些实施例中，通道224可以被配置为收集和/或准直抛物线形光学组件102的中心区域中的光，并且可以包括具有与下折射器202的主体材料的折射率不同的折射率的材料。例如，通道224可以包括空气或者不导致从LED光源接收的光线失真和/或损失的其他介质。

主体221还可以包括截锥形上部223，该截锥形上部223从内表面222(a)的顶部222(b)向外表面221(a)逐渐变细，在外表面221(a)处可以形成外边缘223(b)，用于与上反射器201接口连接。上部223的上表面223(a)可以包括多个波纹或小平面225a-n，多个波纹或小平面225a-n从内表面222(a)的222(b)延伸至外表面221(a)，并在高度方向（即Y方向）上堆叠。波纹225a-n被配置为允许从光源103到上反射器201的基座的直接视线，以允许来自整个光学组件102的全内反射（TIR）（如下所述）。

每个波纹225a-n可以成形为具有两个相对于彼此成一定角度设置的平面（垂直面和倾斜面）的台阶。平面的尺寸、平面的形状、和/或平面之间的角度对于每个波纹可以是相同的，和/或对于至少一些波纹225a-n可以取决于例如光学组件102的形状、期望的输出光图案或分布等而不同。在某些实施例中，可以基于期望的输出光图案或分布来确定每个垂直面和倾斜面之间的角度。具体地，波纹225a-n可以被配置为补偿主体221和LED光源周围的介质（例如，空气）的折射率差异以获得期望的输出光图案或分布。例如，平行于对称轴208的准直输出光图案或分布（如图3A中所示）通过形成波纹225a-n以在两个平面之间具有角度（即，倾斜面的倾斜） ，该角度被设计为使得进入下折射器202的光线从平行于对称轴208（如下所述）的波纹225a-n之一的倾斜面射出并且可以取决于下折射器202的材料的折射率（例如约80°至约100°的角度、约85°至约95°的角度、或约90°的角度）。此外，倾斜面可以彼此平行，和/或垂直面可以彼此平行并与对称轴208平行。

下折射器202可以使用例如硅树脂、光学硅树脂或其他热适宜的材料形成。光学硅树脂可以是例如甲基硅树脂、乙烯基-甲基硅树脂、苯基-乙烯基甲基硅树脂和氟-乙烯基-甲基硅树脂、和/或它们的共混物和/或它们的衍生物。

在一个或多个实施例中，下折射器202的高度（h1）是光学组件102总高度（h2）的约1/5至约1/7、约1/4至约1/8、和/或约1/6。在一个或多个实施例中，下折射器202的宽度（w1）为光学组件102的总宽度（w2）的约1/2.5至约1/3.5、约1/2.25至约1/3.75、和/或约1/2。

现在参考图3A，图2的示例光学组件的透明侧视图示出了通过光学组件的光路。由于LED光源可以是任何已知的（多个）LED光源，除被指示为位于孔210内的光线310、320和320的源之外，在各图中没有对其进行描绘。如图3A中所示，由光源发射的光线可以包括光线分段310，这些光线是被准直并平行于光学组件102的对称轴208的非反射或非折射的直射光线。光线还可以包括入射到上反射器201上以期望的光分布或图案反射（例如，在平行于对称轴208的方向上被准直和反射）的光线分段320。最后，光线包括被接收到下折射器202中并以期望的光分布或图案（例如，以准直方式平行于对称轴208）离开波纹225a-n的倾斜面的光线分段330。

将要领会，圆柱形通道224的高度，波纹225a-n的大小、形状和/或角度，和/或内表面222(a)的顶部222(b)和外边缘223(b)之间的距离（即，上表面223(a)的长度）可以被设计成使得光线永远不直接入射到波纹225a-n上。换言之，如图3C中所示，光源103具有到上反射器201的基座的直接视线。具体地，分段330中的光线总是经由内表面222(a)进入下折射器202并经由上表面223(a)离开下折射器202。因此，来自光源的光线在被上反射器201（分段320）反射后或在入射到下折射器202的内表面222(a)上之后（分段330——在图3B中描述）直接离开光学组件102（分段310）。

图3B示出了由分段330中的光线穿过的示例路径的放大视图。如图3B中所示，入射到下部222的内表面222(a)上的光线351由于内表面222(a)处的折射率变化而被折射。作为折射的结果，光线在下折射器202内传播之前可以弯折远离法线（即对称轴208）。弯折的光线352可以在下折射器202内传播并且可以在照射下折射器202的外表面221(a)之后被反射。反射光线353可以最终经由波纹225a-n之一的倾斜面离开下折射器202。由于当光线353经由波纹225a-n之一的倾斜面离开下折射器202时折射率发生变化，因此光线353再次经历折射并且在离开时相对于法线弯折。波纹225a-n的倾斜面相对于垂直面的倾斜角可以被配置为使得分段230中的光线平行于对称轴208。具体地，倾斜可以被配置为补偿外表面221(a)处的反射角，以及内表面222(a)处的折射角和波纹225a-n的倾斜。

本领域技术人员将理解，虽然图3A、3B和3C示出了准直光分布图案，但是本公开不因此被限制。输出光分布可以不被准直并且可以取决于例如上反射器201的形状和尺寸、下折射器202的形状和尺寸、和/或下折射器202的波纹225a-n的形状（即，平面的相对角度）和尺寸而包括任何期望的图案。当前公开的光学组件102被配置为使用上反射器和热稳定下折射器提供TIR。

应当注意，当前公开的光学组件102抵抗来自LED光源和/或散热器附近的高温的损坏，原因在于它包括由热稳定材料（例如，硅树脂）制成的下折射器，并且其还通过在下部折射器中包含特定的几何特征，提供来自光源的光线的所需输出分布或图案。组合反射器折射器光学组件102被设计成在照明模块的最热部分（例如，LED光源附近）和金属化反射器部件之间创建热障。

上述特征和功能以及替代方案可以组合到许多其他系统或应用中。本领域技术人员可以做出各种目前未预见或未预料到的替代、修改、变型或改进，其中的每一个也旨在被所公开的实施例涵盖。

Claims (14)

1. 一种照明模块，包括：

发光二极管（LED）光源；以及

全内反射（TIR）光学组件，包括：

折射器，被配置为靠近所述LED光源定位，其中所述折射器包括上表面，所述上表面包括多个波纹，每个波纹包括相对于彼此成角度定位的两个平面，

以及

反射器，被配置为附接到所述折射器，

其中所述折射器由在暴露于所述LED光源产生的热时抵抗热损坏的材料制成。

2. 根据权利要求1所述的照明模块，其中：

所述反射器包括空心体，所述空心体被配置为形成不靠近所述LED光源的所述TIR光学组件的上部；以及

所述中空体的内表面被配置为基本上以远离所述LED光源的光分布图案反射从所述LED光源接收到的光线。

3.根据权利要求1所述的照明模块，其中所述折射器包括形成所述TIR光学组件的下部的实心体。

4.根据权利要求3所述的照明模块，其中由所述折射器从所述LED光源接收的光线穿过所述折射器的所述实心体内的路径，并经由所述上表面中的多个波纹之一以远离所述LED光源的光分布图案离开折射器。

5.根据权利要求3所述的照明模块，其中所述折射器还包括内表面，所述内表面限定了纵向延伸穿过所述折射器的圆柱形通道，所述圆柱形通道被配置为定位在所述LED光源上方。

6.根据权利要求5所述的照明模块，其中：

所述折射器的所述上表面从所述折射器的内表面的顶部延伸至所述折射器的外表面的顶部。

7. 根据权利要求5所述的照明模块，其中：

由所述折射器接收到的所述光线经由所述内表面进入所述折射器的所述实心体，并且形成折射光线；并且

所述折射光线在离开所述折射器之前所述被折射器的外表面反射，所述外表面被抛光以提供对入射光线的反射。

8.根据权利要求5所述的照明模块，其中所述折射器的内表面短于所述折射器的外表面。

9.根据权利要求1所述的照明模块，其中所述角度被配置为提供入射在所述折射器的内表面上的光线的TIR。

10.根据权利要求1所述的照明模块，其中所述多个波纹被设计为提供从所述LED光源到所述反射器的直接视线。

11. 根据权利要求1所述的照明模块，其中：

所述TIR光学组件具有抛物线形状，所述抛物线形状被配置为提供被准直并且在平行于所述抛物线形状的对称轴的方向上的输出光分布图案；并且

所述LED光源位于所述抛物线形状的所述焦点附近。

12.根据权利要求1所述的照明模块，其中所述材料是硅树脂。

13.根据权利要求1所述的照明模块，其中所述反射器由金属材料形成。

14.根据权利要求1所述的照明模块，其中由所述LED光源发射的光是基本准直的。

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