CN116792697A - 一种led灯珠球头、灯珠及灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED灯珠球头、灯珠及灯，属于LED照明装置技术领域，给出了球头面积A和发光角度的经验公式，通过匹配LED芯片的发光角度和灯珠球头的曲率半径来获得最大化的球头有效面积，有效面积的增加可以收集更多的光线，同时考虑不同波长的影响，通过拟合公式给出各波长下的最佳曲率半径参数，进而提高光电转换效率，为LED灯珠球头的设计提供了理论指导，使得灯珠球头设计更加精准；给出了球头面积A和光效P的拟合公式；提高了LED灯珠光效。解决了现有技术中存在的凭经验设计LED灯珠球头低光效问题。

Description

一种LED灯珠球头、灯珠及灯

技术领域

本发明涉及LED照明装置技术领域，更具体地说，涉及一种LED灯珠球头、灯珠及灯。

背景技术

LED由于其高效、长寿命、环保等优点，被广泛应用于各种照明产品。LED灯珠球头是LED照明产品的关键部件，其光效和照明效果直接影响整个产品的性能。目前，提供LED灯珠球头的光效和照明性能，是该领域技术人员不断探索的方向。

现有的LED球头主要为球对称结构，这种结构用于空间利用率较低，难以实现高光效。另外球对称LED球头的发光角度在各个方向上基本相同，这也降低了光线的利用率。一些厂商采用非球形设计的LED球头，可以一定程度上控制发光角度提高光效。

中国专利申请，申请号CN111834512A，公开日2020年10月27日，公开了一种球面结构的高效LED灯珠，包括封装支架和球面透光体，封装支架的中心设有反光碗，反光碗为底端小、开口大的锥斗体结构，封装支架的底端固定连接有灯珠驱动板，灯珠驱动板的上焊接固定有发光灯芯，发光灯芯位于反光碗底端的中心，反光碗的内腔填充有封装硅胶，封装硅胶覆盖发光灯芯，封装硅胶的顶面与封装支架的顶面持平并刻蚀有刻蚀粗糙面。但是该方案仅给出了球面透光体的球面高度介于其最大截面直径的0.1—0.2倍之间，没有给出一种匹配发光角度和球头曲率半径来提供光效的技术方案。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的LED灯珠球头低光效问题，本发明提供了一种LED灯珠球头、灯珠及灯，它可以通过匹配LED芯片的发光角度和灯珠球头的曲率半径来获得最大化的球头有效面积，进而通过拟合球头有效面积和光波波长提升光电转换效率，提高了LED灯珠光效。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种LED灯珠球头，包括：

光电转换效率通过如下公式计算：

P＝∫A∫λI(λ)dλdA

其中，P表示灯珠的光电转换效率，A表示球头的面积，λ表示波长，I(λ)表示光强；发光面积和光波波长是计算光电转换效率的重要参数。LED芯片发出的不同波长(颜色)光线在球头中的传输差异，所以需要考虑波长的影响，这可以使蓝光、绿光和红光等在球头内得到最佳的定向传输，获取最佳的色度和混光效果。

A通过如下公式计算：

其中，r表示半径，表示发光角度。匹配LED芯片的发光角度和灯珠球头的曲率半径来获得最大化的球头有效面积，有效面积的增加可以收集更多的光线，提高光电转换效率。

进一步的，发光角度的取值范围为120°至170°。过小的发光角度不利于光线的混色和漫反射，无法提供均匀的光环境；过小的发光角度(低于120°)会导致较大光损失，使有效光量减少和转换效率下降。这是因为大发光角度意味着更多光线直接照射在无用方向，而且按Lambertian分布，大发光角度的光强较小。另外，大发光角度也会产生更严重的全反射损失。

进一步的，LED灯珠球头为椭球体形状的球头，LED灯珠球头包括：LED芯片。对于发光角度较大的LED，半球形球头中的光线易发生多次反射并损失，此时可选择非球形如椭球体形球头。其曲率半径在水平和垂直方向不同，可以减小全反射和提高透光率。

进一步的，椭球体的主曲率半径取值范围为1.5mm至1.75mm。椭球体形球头的主曲率半径匹配水平发光角，副曲率半径匹配垂直发光角，可以在不同方向获得最佳收集效果和最准确输出，减小或避免折射损失。主曲率半径较大可收集广角水平光，副曲率半径较小可减小水平外光的折射损失。这可以较好匹配LED的广角发光。

进一步的，球头的材料为高透光率硅胶材料。LED的波长转换效率依赖于芯片材料的禁带宽度与发光机理。不同材料和不同波长的光子匹配度决定了其转换效率。例如，GaN材料发光范围广和转换效率高，而GaP的则较低。P-N结发光也要求光子能量匹配禁带宽度，否则会损失为热，降低转换效率。

进一步的，光学球头材料对光的折射率的取值范围为1.3至1.5。光学球头材料的折射率介于LED芯片和空气之间，可以增大全反射临界角，减少全反射损失，提高透过率和利用率。

一种LED灯珠，包含上述LED灯珠球头。

进一步的，LED灯珠还包含支架和连接部；支架用于安装LED芯片；连接部用于固定LED芯片和灯珠球头之间的距离。

进一步的，连接部为圆柱体，圆柱体与灯珠球头有相同的轴心且在空间相切。可以最大限度地减小连接部对灯珠球头内的光线传输和出射的影响。由于空间相切，连接部不会遮挡灯珠球头的入射或出射光线，不会产生额外的光线损失或阴影效应，可以保证灯珠球头内的光线得到最大限度的利用。空间相切的连接方式不需要复杂的定位和对准机构，更容易实现机器自动化连接和焊接，这有利于产品的标准化设计和批量生产，降低成本。

一种LED灯，包含上述LED灯珠，通过匹配LED芯片的发光角度和灯珠球头的曲率半径来获得最大化的球头有效面积，进而通过拟合球头有效面积和光波波长提升光电转换效率，提高了LED灯的光效。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

给出了球头面积A和发光角度的经验公式，通过匹配LED芯片的发光角度和灯珠球头的曲率半径来获得最大化的球头有效面积，有效面积的增加可以收集更多的光线，同时考虑不同波长的影响，通过拟合公式给出各波长下的最佳曲率半径参数，进而提高光电转换效率，为LED灯珠球头的设计提供了理论指导，使得灯珠球头设计更加精准；给出了球头面积A和光效P的拟合公式；并给出球头材料的折射率范围，进一步提高了光线的利用率。

附图说明

图1为本发明的LED灯珠示意图；

图2为本发明的半球体形球头示意图；

图3为本发明的椭球体形球头示意图。

图中标号说明：

1、LED灯珠；2、透镜；3、连接部；4、支架。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

名词解释：

LED灯：是一种使用LED(Light Emitting Diode，发光二极管)作为光源的照明设备。LED灯的工作原理是通过直流电流激活LED芯片，产生电子和空穴在半导体材料中的复合过程中释放出能量，从而发出可见光。LED芯片的材料和结构决定了其发光的颜色和亮度。常见的LED灯有单色LED灯、多色LED灯和白光LED灯。

LED灯珠：LED灯珠是指由LED芯片、封装胶和封装体等组成的发光装置。LED灯珠是利用半导体光源,由发光二极管芯片封装而成,可直接用于照明。通常由蓝光芯片与磷光体组合而成,发出白光。

灯珠球头：灯珠球头是指装配在灯具上的灯珠的顶部部分，通常是一个圆形或球状的结构。灯珠球头是为了保护灯珠和提供适当的散热而设计的。灯珠球头可以起到保护灯珠的作用，防止灰尘、水汽和其他外部物质进入灯珠，减少灯珠受到损坏的风险。它可以防止灯珠暴露在外部环境中，延长灯珠的使用寿命。LED灯珠在工作时会产生一定的热量，灯珠球头通常会采用散热材料或散热结构来帮助散热。它可以通过散热材料的导热性能，将灯珠产生的热量快速传导到周围环境中，保持灯珠的正常工作温度，防止过热损坏。灯珠球头通常具有适当的光学设计，可以调节光线的发射方向和角度，使光线能够更好地照射到目标区域。它可以改变灯珠的光线散射和聚焦特性，提供更好的照明效果和视觉效果。

支架：LED灯珠支架可以提供一个稳定的固定点，将LED芯片和封装胶固定在合适的位置。它可以确保LED芯片与封装胶之间的对齐和连接，保持灯珠的稳定性和一致性。LED灯珠支架通常具有散热导向的设计，可以帮助热量从LED芯片导出。通过合适的散热设计，可以提高LED灯珠的散热效果，降低温度，延长LED的使用寿命。LED灯珠支架上通常有金属片或金属线用于电气连接。它可以提供电流传输和连接LED芯片的功能，确保电流正常供给，并保持LED的正常工作。

连接部：LED灯珠中球头和支架之间的连接部件，这个连接部位用于将灯珠球头和支架连接在一起，确保灯珠的稳定性和电气连接。连接部通常具有电气连接：连接部位提供电气连接，将灯珠球头和支架之间的电路连接起来。它通常包括金属接点或插针，用于传输电流和信号，确保LED灯珠正常工作。连接部位具有稳固固定的功能，确保灯珠球头和支架之间的连接牢固。它可以采用螺纹、卡扣或其他固定机构，使连接部位能够牢固地固定在一起，不易松动。

光电转换效率：在LED灯中，光电转换效率是指LED器件将电能转化为光能的效率。光电转换效率可以通过以下公式计算：光电转换效率＝(输出光功率/输入电功率)*100％，其中，输出光功率是指LED器件发出的光能的功率，输入电功率是指LED器件消耗的电能的功率。

球头面积：指LED灯珠球形部分的表面积。LED灯珠通常由一个球形透明或半透明的外壳包裹住LED芯片。球头面积的大小取决于LED灯珠的尺寸和形状。LED灯珠的球头面积对其光学性能和散热性能有影响。较大的球头面积可以提供更广角的光线发射，使得光线更均匀地分布在周围空间中。而较小的球头面积则可以提供更集中的光束，适用于需要有向性照明的场景。此外，较大的球头面积也可以提供更大的表面积用于散热，有助于LED灯珠的散热效果。

发光角度：在LED灯中，发光角度指的是光线从LED灯珠中发射出来的角度范围。它描述了LED灯的光束的展宽程度或聚焦程度。LED灯的发光角度可以通过测量光线的展宽角度或聚焦角度来确定。展宽角度是指光线从LED灯珠中发射出来后，光线的散开范围；聚焦角度是指光线从LED灯珠中发射出来后，光线的集中范围。发光角度对LED灯的照明效果和应用有重要影响。较大的发光角度意味着LED灯能够广泛地照亮周围空间，提供均匀的照明效果，适用于需要较大范围照明的场景，如室内照明。而较小的发光角度意味着LED灯能够提供更集中的光束，适用于需要有向性照明的场景，如户外景观照明或舞台灯光。

椭球体形球头：一种LED灯珠的球形外壳，其形状呈椭球体的形状。椭球体形球头可以提供更大的表面积，使得光线更均匀地散发到周围空间中，提供更柔和的照明效果。其次，椭球体形球头也可以提供更大的空间用于散热，有效地降低LED灯珠的温度，提高LED的寿命和稳定性。椭球体形球头的设计还可以使得光线的分布更加均匀，并且具有较大的发光角度。

主曲率半径：椭球体形球头的主曲率半径是指椭球体形球头球面上的主曲率的半径。主曲率是描述曲面在某一点处弯曲程度的指标，而主曲率半径则表示了曲率的大小。椭球体形球头的主曲率半径决定了球头的弯曲程度和形状。较小的主曲率半径意味着球头的弯曲程度较大，球面更为陡峭。而较大的主曲率半径则表示球头的弯曲程度较小，球面较为平缓。主曲率半径的大小会影响光线在球头内部的传播和输出。较小的主曲率半径可以使光线更容易被球头折射和聚焦，适用于需要有向性照明的场景。而较大的主曲率半径则可以使光线更容易被球头散射和展宽，适用于需要较大范围照明的场景。

高透光硅胶材料：高透光硅胶材料是一种具有优异透光性能的硅胶材料，主要用于LED灯珠中球头部分的封装材料。它是通过在硅胶中添加透明增透剂或采用特殊配方和工艺制成，以提供高透过率的特性。高透光硅胶材料的透过率通常在90％以上，能够最大限度地传输光线，减少光线的损失，提供高亮度和均匀的光输出。高透光硅胶材料具有良好的耐热性和耐候性，能够在高温和恶劣环境下保持其透光性能和物理性能的稳定性。高透光硅胶材料具有较低的折射率和散射率，能够有效地控制光线的传播和衍射，提供清晰、均匀的光输出。高透光硅胶材料具有良好的可塑性和可加工性，能够以不同形状和尺寸灵活制备球头，适应不同的LED灯珠设计需求。

实施例1

本发明的目的通过以下技术方案实现。

发光面积和光波波长是计算光电转换效率的重要参数。LED芯片发出的不同波长(颜色)光线在球头中的传输差异，所以需要考虑波长的影响，这可以使蓝光、绿光和红光等在球头内得到最佳的定向传输，获取最佳的色度和混光效果。匹配LED芯片的发光角度和灯珠球头的曲率半径来获得最大化的球头有效面积，有效面积的增加可以收集更多的光线，提高光电转换效率。

发光角度较大时需要较大的主曲率半径才能有效收集光线和实现准确输出，否则会产生较大光损失。但是，主曲率半径增大也会导致球头体积和重量增加，成本提高，这与小型轻量化产品相悖。球头面积影响光电转换效率，因此光电转换效率随主曲率半径和发光角度变化而变化。当二者匹配最佳时，光电转换效率达最大值。所以，可以通过拟合试验获得发光角度、主曲率半径与光电转换效率之间的关系曲线和计算公式。

对于发光角度较大的LED，半球形球头中的光线易发生多次全反射并损失，此时可选择非球形如椭球体形球头。其曲率半径在水平和垂直方向不同，可以减小全反射和提高利用率。椭球体形球头的主曲率半径匹配水平发光角，副曲率半径匹配垂直发光角，可以在不同方向获得最佳收集效果和最准确输出，减小或避免折射损失。主曲率半径较大可收集广角水平光，副曲率半径较小可减小水平外光的折射损失。这可以较好匹配LED的广角发光。过小的发光角度不利于光线的混色和漫反射，无法提供均匀的光环境；过大的发光角度(超过120°)会导致较大光损失，使有效光量减少和转换效率下降，这是因为大发光角度意味着更多光线直接照射在无用方向，而且按Lambertian分布，大发光角度的光强较小，另外，大发光角度也会产生更严重的全反射损失。

LED的波长转换效率依赖于芯片材料的禁带宽度与发光机理。不同材料和不同波长的光子匹配度决定了其转换效率。例如，GaN材料发光范围广和转换效率高，而GaP的则较低。P-N结发光也要求光子能量匹配禁带宽度，否则会损失为热，降低转换效率。具体的技术方案如下：

图1为本发明的LED灯珠示意图，如图1所示，本发明的LED灯珠1包括：透镜2、连接部3和支架4。其中，透镜2采用高透光率硅胶等高折射率材料制成，通过选取不同的折射率可以控制不同方向的发光角度，减少光线损失。支架4用于安装LED芯片以及提供电路连接，以使LED芯片发出的光线精确入射到透镜2内，避免光线的满射损失。连接部3用于固定透镜2和LED芯片的距离，连接部3与透镜2同轴心设置，连接部优选为圆柱体结构，连接部与透镜2在空间相切以使连接部3与透镜2实现几何形状的平滑过度便于安装。圆柱体与灯珠球头有相同的轴心且在空间相切。可以最大限度地减小连接部对灯珠球头内的光线传输和出射的影响。由于空间相切，连接部不会遮挡灯珠球头的入射或出射光线，不会产生额外的光线损失或阴影效应，可以保证灯珠球头内的光线得到最大限度的利用。空间相切的连接方式不需要复杂的定位和对准机构，更容易实现机器自动化连接和焊接，这有利于产品的标准化设计和批量生产，降低成本。

图2为本发明的半球体形球头示意图，如图2所示，当透镜2为半球体形球头时，由于LED芯片发出的光线，其光强按照Lambertian分布，光强是发光角度的余弦函数。发光角度越大，相同立体角内的光量越小。LED芯片发出的光线，在折射入空气后会发生全反射损失。当发光角度超过LED芯片折射率为1的临界角时，会产生较大的全反射损失，超过120°的较大发光角度，使LED芯片发出的较大部分光线直接照射在LED封装结构上或无用的方向，导致这部分光能损耗。导致有效光量减少，电光转换效率降低。发光角度超过120°会导致较大的光损失，降低转换效率。较小的发光角度不利于获取较大的光照面积与提高PPE。

图3为本发明的椭球体形球头示意图，如图3所示，透镜2为椭球体形球头。采用椭球体形球头，可以调整不同方向的发光角度和曲率半径，在兼顾光线混色的前提下，减少光线损失，实现高光效和均匀照明。椭球体的主曲率半径取值范围为1.5mm至1.75mm，其中主曲率指曲面上任意一点处曲面法线方向上的两个主曲率，它们是曲面上最大和最小的曲率，主曲率描述了曲面在该点处的弯曲程度和方向。透镜2的材料为高透光率硅胶材料，高透光率硅胶材料折射率的取值范围为1.3至1.5。

具体的，以λ为660nm峰值波段光为例，芯片最大发光角度取150°、160°；支架尺寸取3030(3mm*3mm)、3535(3.5mm*3.5mm)尺寸；芯片取70mil、65mil、60mil、55mil尺寸(正方形尺寸，上述尺寸为边长尺寸)；模拟最佳球头设计数据，H为圆柱高度，r为球头半径(圆柱半径和球头半径相同)。

模拟数据如表1所示，取上述模拟参数进行归一化，提取经验公式，得到光电转换效率计算公式和球头面积计算公式如下：

球头面积A通过如下公式计算：

其中，r表示半径，表示发光角度。球头为非球形结构球头。

光电转换效率通过如下公式计算：

P＝∫A∫λI(λ)dλdA

其中，P表示灯珠的光电转换效率，A表示球头的面积，λ表示波长，I(λ)表示光强；

表1模拟数据

一种LED灯珠为例，LED灯珠包括上述LED灯珠球头，其中λ为660nm峰值波段光为例，根据经验公式生成的LED灯珠的发光角度，可以得出改进前PPE为3.96umol/J，根据经验公式生产的LED灯珠球头的PPE为4.28umol/J，提高PPE8％，改进LED灯珠球头的最高光效达到4.46umol/J，单独最高分档光效达到4.53umol/J，分别高于OSRAM公司4.2％、1.8％，即改进LED灯珠球头的光效超过国际水平。

一种LED灯，包含上述LED灯珠，通过匹配LED芯片的发光角度和灯珠球头的曲率半径来获得最大化的球头有效面积，进而通过拟合球头有效面积和光波波长提升光电转换效率，提高了LED灯的光效。

通过参数拟合出了光电转换效率PPE和球头面积A的经验公式，为LED灯珠球头的设计提供了理论指导，使其设计过程更加准确和系统，效果更加可控。采用椭球形球头结构及其主曲率半径和发光角度的范围，实现了较高的空间利用率和光效。改进后的PPE和单独最高光效值均超过现有产品和国际先进水平。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种LED灯珠球头，其特征在于：

光电转换效率通过如下公式计算：

P＝∫A∫λI(λ)dλdA

其中，P表示灯珠的光电转换效率，A表示球头的面积，λ表示波长，I(λ)表示光强；所述A通过如下公式计算：

其中，r表示半径，表示发光角度。

2.根据权利要求1所述的LED灯珠球头，其特征在于：

所述发光角度的取值范围为120°至170°。

3.根据权利要求1所述的LED灯珠球头，其特征在于：

所述LED灯珠球头为椭球体形球头，所述LED灯珠球头包括LED芯片。

4.根据权利要求3所述的LED灯珠球头，其特征在于：

所述椭球体形球头的主曲率半径取值范围为1.5mm至1.75mm。

5.根据权利要求3所述的LED灯珠球头，其特征在于：

所述椭球体形球头的材料为高透光硅胶材料。

6.根据权利要求5所述的LED灯珠球头，其特征在于：

所述光学高透光硅胶材料对光的折射率的取值范围为1.3至1.5。

7.一种LED灯珠，其特征在于：

包括权利要求1至7任一所述的灯珠球头。

8.根据权利要求7所述的LED灯珠，其特征在于：

所述LED灯珠还包含支架和连接部；

所述支架用于安装LED芯片；

所述连接部用于固定LED芯片和灯珠球头之间的距离。

9.根据权利要求8所述的LED灯珠，其特征在于：

所述连接部为圆柱体，圆柱体与灯珠球头有相同的轴心且在空间相切。

10.一种LED灯，其特征在于：

LED灯包含权利要求9所述的灯珠。