CN115588726B - 一种多次光学折射的led发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及照明装置技术领域，具体是一种多次光学折射的LED发光器件，包括支架以及布置在支架上的LED芯片，所述LED芯片处安装有集成透镜；LED芯片的发光面和集成透镜的进光面之间形成有密闭的容置腔，所述容置腔内布置有可改变光线传播路径的折射介质，光线依次穿射过折射介质和集成透镜并汇聚形成照射光束；本发明通过折射介质和集成透镜的配合，能够将发散的光线汇聚并形成具有较大光强的照射光束，进而清楚的照射在物体的表面。

Description

一种多次光学折射的LED发光器件
技术领域
本发明涉及照明装置技术领域，具体是一种多次光学折射的LED发光器件。
背景技术
目前市面上很多照明灯具都会采用LED灯珠作为光源，尤其是节能环保的LED灯已经作为常用照明装置进入各种领域。
常用的灯具中有加装聚光反光杯的，通过反光杯的反射原理收拢汇聚光线。但由于LED灯的光强按照朗伯分布，导致在采用聚光反光杯时，LED灯的垂直照射位置会形成较强光斑，不能获得较高均匀度的光强分布，导致照射的物体也会因此呈现明暗分布不均的现象。还有一些灯具在LED灯珠外面加装二次光学透镜，但是由于二次透镜的体积相比于LED灯珠较大，导致整个灯具需要占用更大的空间。在使用时需要对二次透镜进行安装或者是拆卸下来进行更换，但是二次光学透镜的安装精度有较高的要求，使用者在安装时无法按照预定的精度进行安装，导致光线传播路径偏离初始设计的最优传播路径，从而使发出的光线出现过度分散而无法照清物体的情况，因此亟待解决。
发明内容
为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种多次光学折射的LED发光器件。本发明直接在LED芯片上安装集成透镜，并且通过折射介质和集成透镜的配合，将发散的光线汇聚形成照射光束，从而使更多的光线照射在物体的表面，进而使物体更清晰的呈现在视野中。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多次光学折射的LED发光器件，包括支架以及布置在支架上的LED芯片，所述LED芯片上安装有集成透镜；LED芯片和集成透镜之间安装有盖板，LED芯片的发光面和盖板的进光面之间配合形成密闭的容置腔，所述容置腔内布置有可改变光线传播路径的折射介质，光线由LED芯片射出并依次折射穿过折射介质、盖板和集成透镜，且由集成透镜射出的光线射入空气，以汇聚形成照射光束。
作为本发明再进一步的方案：所述支架内部形成有顶部开口的凹腔，LED芯片布置在凹腔的腔底；盖板和集成透镜盖合在凹腔的腔口处，且盖板贴合在集成透镜的底部，盖板的进光面、LED芯片的发光面和凹腔侧壁之间围合形成所述容置腔。
作为本发明再进一步的方案：盖板和集成透镜通过点胶或者压膜方式盖合在凹腔的腔口处。
作为本发明再进一步的方案：所述折射介质为气体或者折射率不大于1.4的透光介质。
作为本发明再进一步的方案：LED芯片为单色光芯片或者白光芯片，且白光芯片的发光面上贴合有荧光粉膜片或者荧光胶。
作为本发明再进一步的方案：凹腔腔底上布置有围坝胶，所述围坝胶上开设有用于安装LED芯片的安装槽，所述LED芯片安装在所述安装槽内。
作为本发明再进一步的方案：LED芯片为正装芯片、垂直芯片或倒装芯片。
作为本发明再进一步的方案：所述集成透镜为自由曲面透镜。
作为本发明再进一步的方案：所述围坝胶由混有TiO2的胶水凝固而成。
作为本发明再进一步的方案：盖板与集成透镜的贴合面上布置有微结构，所述微结构为均匀的布置在盖板上的透明体，所述透明体为圆锥体、圆台、半球体或者椭球体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、常规的透镜结构，是在已经成型的LED灯上增加多种透镜，进而实现光线的多次折射。而本发明是通过支架、LED芯片、荧光粉膜片、盖板和集成透镜等结构组合形成了一个完整的LED灯结构。也就是将集成透镜直接封装在LED芯片上，进而构成一个自身即可进行多次光线折射的LED灯，不需要再额外的使用透镜，进而提高LED灯的完整性。光线从LED芯片发出，依次穿过折射介质、盖板和集成透镜，通过三次折射改变光线的传播路径，从而通过逐次的折射改变光线的传播角度，从而将光线收拢汇聚，最终形成光强较高的照射光束。由于原本发散的光线被聚拢，光束的强度也被提高，能够使照射区域内的物体接收到更多的光线，进而使物体更清晰的呈现在视线中；并且聚拢后的高强度光线拥有更远的照射距离，进而拓宽了视野的范围，使更多的数据量进入对应的数据采集单元，从而对当前的环境作出全面的分析与判断。
2、支架的内部形成有顶端开口的凹腔，并且将盖板和集成透镜依次盖合在凹腔的腔口处，进而使凹腔的内部可形成一个密闭的空间，为对应容置腔的设计提供密封条件。盖板的底面即其进光面、LED芯片的发光面以及位于盖板和LED芯片之间的凹腔的腔壁配合形成该密闭的容置腔；并且容置腔的厚度是均匀的，这样可以使光线在穿过容置腔时产生相等的穿越距离，避免光线移动路径出现彼此交叉的情况发生，进而确保光线能够按照预定的移动路径运动，最终形成照射光束。
3、本发明采用点胶或者是压膜的方式将支架、盖板和集成透镜安装成一体，利用了胶水的利动性来填充盖板与支架之间的接缝间隙以及集成透镜与支架之间的接缝间隙，以此提高整体的密封性，确保容置腔不与外界连通。
4、本发明使用的气体折射介质为空气或者是像氮气一样的情性气体，这些气体的性质稳定，在长期的使用过程中不会发生变化，能够为光线提供一个稳定的折射率，进而使光线维持一个稳定的传播路径。并且由于气体的无边界的特点，能够充分的填充满容置腔，进而形成一个形状固定的透光体结构，进一步增加了光线传播的稳定性。
5、本发明密闭的容置腔、盖板以及集成透镜的设置，能够提供不同的折射率，从而形成多次不同的折射，控制光线的发射角度，提高光线的折射次数，提高光线向轴线倾斜的程度，进而汇聚收拢光线，提高光照强度。
6、围坝胶是一种可凝固的胶水，用于将LED芯片粘附在凹腔的底部。并且因为内部混有TiO2，使得围坝胶成为一种具有高反射率的胶体，从而减少LED芯片侧面发出的光线由围坝胶进入容置腔内。这主要是由于由LED芯片顶面发出的光线是呈放射状分布的，并且没有交叉，若是侧面发出光线同样进入容置腔时，就会与顶面发出的光线产生交叉，进而影响光线的传播。
7、倒装芯片的特点是通过共晶焊或者回流焊的方式将芯片与基板固定，P电极和N电极在一侧，光从衬底面出来，芯片的电流扩展更均匀、发光更均匀；同时出光面上没有芯片电极和焊接引线遮挡，对于最终LED器件出光更均匀。
8、本发明在盖板上布置有透明体状的微结构，这些结构能够在光线穿出盖板上端时，使光线由透明体射出；在透明体的作用下，能够减少光线的反射，从而减少光强的损失，进而提高射出后形成的照射光束的光强。
附图说明
图1为本发明的基础结构的结构示意图。
图2为本发明盖板改进后的结构示意图。
图3为本发明的微结构的结构示意图。
图中：10、支架；11、围坝胶；12、LED芯片；121、荧光粉膜片；
20、透镜；22、盖板；221、微结构；
30、容置腔；31、折射介质。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
图1为本发明的基础结构示意图，支架10整体是回转体结构，并且内部形成有顶端开口的圆柱状的凹腔。LED芯片12焊接在凹腔的腔底，并且LED芯片12的底部设置可穿出凹腔腔底并与有与外界进行电连接的接线。当LED芯片12安装好之后，在LED芯片12的周围铺上围坝胶11，并且围坝胶11凝固后的上端面与LED芯片12的发光面位于同一水平面上，这样可以避免围坝胶11对LED芯片12发光的影响。
凝固后的围坝胶11实则是一个形状与凹腔形状相似配的环状结构，环心处形成LED芯片12安装的安装槽结构。围坝胶11由混有TiO2的胶水凝固而成，即在常规的胶水中加入TiO2粉末，进而形成一种白色的高反射率胶体，这样的胶体能够减少LED芯片12侧面发出的光线由围坝胶11进入容置腔30内的量。盖板22和集成透镜20依次盖合在凹腔的腔口处，进而使凹腔的内部可形成一个密闭的空间，为对应容置腔30的设计提供密封条件。盖板22的底面即其进光面、LED芯片12的发光面以及位于盖板22和LED芯片12之间的凹腔的腔壁配合形成该密闭的容置腔30；并且容置腔30的厚度是均匀的圆饼状结构，这样可以使光线在穿过容置腔30时产生相等的穿越距离，避免光线移动路径出现彼此交叉的情况发生，进而确保光线能够按照预定的移动路径运动，最终形成照射光束。采用点胶或者是压膜的方式将支架10、盖板22和集成透镜20安装成一体，利用了胶水的利动性来填充盖板22与支架10之间的接缝间隙以及集成透镜20与支架10之间的接缝间隙，以此提高整体的密封性。盖板22的进光面、LED芯片12的发光面和凹腔侧壁之间围合形成密闭的容置腔30。
集成透镜20采用的是自由曲面透镜，由底部的入射面、两侧的全反射面和顶部的自由出射曲面构成。入射面由一个折射圆柱面和一个折射圆弧曲面构成，折射圆柱面和折射圆弧面构成内凹的入射腔体用于放置LED光源，自由出射曲面包括第一自由折射曲面和第二自由折射曲面，全反射面的上边沿与第一自由折射曲面的上边沿连接形成透镜外凸边沿，第一自由折射曲面的下边沿与第二自由折射曲面的边沿连接形成沟槽，全反射面与自由出射曲面构成透镜的外轮廊。当折射介质31是气体时，此时的气体为空气或者是像氮气一样的情性气体，这些气体的性质稳定，在长期的使用过程中不会发生变化，能够为光线提供一个稳定的折射率，进而使光线维持一个稳定的传播路径。并且由于气体的无边界的特点，能够充分的填充满容置腔30，进而形成一个形状固定的透光体结构，进一步增加了光线传播的稳定性。由于集成透镜20采用是折射率为1.4的透光材质制成，因此折射介质31还可以是其他折射率不大于1.4的透光介质，并且该介质的形状与容置腔30的形状相似配，也是圆饼状结构，进而实现光线的连续折射。
实施例二：
如图2所示，在实施例一的基础之上，集成透镜20的底部贴合一层新的盖板22。该盖板22的内部开设有开口向下的圆柱状的空腔，空腔的内径与围坝胶11的外径相同，进而可以套接在围坝胶11的外侧。盖板22的外径与凹腔的内径相同，进而使盖板22套接在凹腔的内部。围坝胶11、盖板22和支架10三者由内而外依次嵌套在一起，提高整体结构的密封性。除了设置了盖板22有所不同外，对于白光LED产品来说，还在LED芯片12的发光面上覆盖了一层荧光粉膜片121或者是荧光胶，用来改变光线的颜色。当需要不同颜色的光时，采用对应的不同类型的荧光粉膜片121。此时光线依次穿射过荧光粉膜片121、折射介质31、盖板22和集成透镜20，通过多次折射，进而形成照射光束。
常规的透镜结构，是在已经成型的LED灯上增加多种透镜，进而实现光线的多次折射。而本发明是通过支架10、LED芯片12、荧光粉膜片121、盖板22和集成透镜20等结构组合形成了一个完整的LED灯结构。也就是将集成透镜20直接封装在LED芯片12上，进而构成一个自身即可进行多次光线折射的LED灯，不需要在额外的使用透镜，进而提高LED灯的完整性。
为了进一步减小光线在盖板22射出面的反射，于是在盖板22和平集成透镜20的贴合面处设置一层如图3所示的微结构221，微结构221为均匀布置在盖板22上且下大上小的透明体，圆锥体的底部直径在10-100微米之间。透明体为圆锥体、圆台、半球体或者半椭球体，且透明体由玻璃或水晶制成。
为了更加清晰的表示多次透镜的优点，于是使用Light Tools软件进行仿真模拟，参数设计如表1所示：
表1 参数对比表
Figure 313636DEST_PATH_IMAGE001
表1中的接收效率反映的是光线射到标靶上的光线量，明显可见本发明的结构能够输出更多的光线。照度反映的是光线的照射范围，由表1可见，本发明的光线的照射范围较小，反映出光线的汇聚程度更高；并且光照的强度也更大。
综上所述，采用多次透镜LED灯的光线在多次折射的作用下，光线收拢汇聚的程度更高，光强更强，均匀度更高，物体也会更清楚的呈现在视野里。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多次光学折射的LED发光器件，其特征在于，包括支架（10）以及由上而下依次布置在支架（10）上的集成透镜（20）和LED芯片（12）；LED芯片（12）和集成透镜（20）之间安装有盖板（22），且LED芯片（12）的发光面和盖板（22）的进光面之间配合形成密闭的容置腔（30）；所述容置腔（30）内布置有可改变光线传播路径的折射介质（31），由LED芯片（12）射出的光线依次折射穿过折射介质（31）、盖板（22）和集成透镜（20），并由集成透镜（20）射入空气，以汇聚形成照射光束；
所述支架（10）内部形成有顶端开口的凹腔，LED芯片（12）布置在凹腔的腔底；集成透镜（20）盖合在凹腔的腔口处，盖板（22）贴合在集成透镜（20）的底部，且盖板（22）的进光面、LED芯片（12）的发光面和凹腔侧壁之间围合形成所述容置腔（30）；
所述集成透镜（20）采用的是自由曲面透镜，由底部的入射面、两侧的全反射面和顶部的自由出射曲面构成；入射面由一个折射圆柱面和一个折射圆弧曲面构成，折射圆柱面和折射圆弧面构成内凹的入射腔体用于放置LED光源，自由出射曲面包括第一自由折射曲面和第二自由折射曲面，全反射面的上边沿与第一自由折射曲面的上边沿连接形成透镜外凸边沿，第一自由折射曲面的下边沿与第二自由折射曲面的边沿连接形成沟槽，全反射面与自由出射曲面构成透镜的外轮廊。
2.根据权利要求1所述的一种多次光学折射的LED发光器件，其特征在于，所述盖板（22）和集成透镜（20）通过点胶或者压膜方式布置在凹腔上。
3.根据权利要求2所述的一种多次光学折射的LED发光器件，其特征在于，所述折射介质（31）为气体或者折射率不大于1.4的透光介质。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种多次光学折射的LED发光器件，其特征在于，所述LED芯片（12）为单色光芯片或者白光芯片，且白光芯片的发光面上贴合有荧光粉膜片（121）或者荧光胶。
5.根据权利要求4所述的一种多次光学折射的LED发光器件，其特征在于，凹腔的腔底上布置有围坝胶（11），所述围坝胶（11）上开设有用于安装LED芯片（12）的安装槽，所述LED芯片（12）安装在所述安装槽内。
6.根据权利要求5所述的一种多次光学折射的LED发光器件，其特征在于，所述LED芯片为正装芯片、垂直芯片或倒装芯片。
7.根据权利要求6所述的一种多次光学折射的LED发光器件，其特征在于，盖板（22）与集成透镜（20）的贴合面上布置有微结构（221），所述微结构（221）为均匀布置在盖板（22）上的两个以上的下大上小的透明体。
8.根据权利要求7所述的一种多次光学折射的LED发光器件，其特征在于，所述透明体为圆锥体、圆台、半球体或者半椭球体，且透明体由玻璃或水晶制成。
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