CN1776288A - 大功率led白光光源的出光透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及采用1W以上大功率、高亮度的发光二极管(LED)作为白光光源时所使用的出光透镜。通过合理的加工处理，使得透镜的出光面表面粗糙化并产生微观柔焦效应，减少了内反射，有效消除了LED白光聚焦光束光斑周围存在的其它颜色的光晕。该技术方案对于透镜材料的电光特性不构成损伤，透镜的透射率所受到的影响微乎其微。本发明可以有效提高大功率LED白光光源的发光质量，对于采用荧光粉配置的LED白光光源有着很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种非光学成像透镜，尤其涉及采用1W以上大功率、高亮度的发光二极管(LED)作为白光光源时所使用的出光透镜，属于光学和半导体照明技术领域。
背景技术
发光二极管LED是一种外形很小的半导体器件，当电流通过它时能够发出各种颜色的光线。由于LED消耗功率小，工作温度低，无汞无毒、无电磁污染、无有害射线，具备绿色和环保特点，它很可能成为新一代照明工具的光源。随着1W以上大功率、高亮度LED的面世，LED照明技术已经得到长足发展。
从原理上看，LED发出光线的颜色主要取决于LED芯片发光成分的化学组成。到目前为止，商业和科研实验室范围内使用的红、橙、绿、蓝、紫等颜色光都可以直接从LED发出光线中获得，而白光的获得主要通过荧光粉技术进行配置。据申请人所知，目前采用荧光粉产生白光共有三种方式：蓝光LED配合黄色荧光粉；蓝光LED配合红色、绿色荧光粉；UV-LED配合红、绿、蓝三色荧光粉。这三种方法的主要工艺过程是：
①蓝光LED叠加由蓝光激发的发黄光的钇铝石榴石(YAG:Ce)荧光粉，芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光互补形成白光，这是目前普遍使用的主要方法。该方法单一芯片即可发白光，成本低，制作相对简单，效率高，具有实用性。但是它存在着一个较大缺陷，其荧光体中仅含蓝、黄这两个波谱，不具备连续光谱特性，导致色温偏高、显色指数偏低等问题；
②蓝光LED配合红色、绿色荧光粉，芯片发出的蓝光激发红色、绿色荧光粉形成白光，光谱为三波长分布，显色性较高，光色及色温可调光色随电流变化。但是，目前的红绿色荧光粉的效率较低，成为LED用荧光粉乃至白光LED发展的瓶颈；
③在紫外光(UV-LED)芯片上涂RGB荧光粉，利用紫光激发荧光粉产生三基色光混色形成白光。由于目前的紫外光芯片和RGB荧光粉效率较低，三色粉体混合较为困难，仍未达到实用阶段。
目前普遍使用并商品化的LED白光光源，大多属于蓝光LED配合黄色荧光粉的单芯片型，蓝光LED配合红色、绿色荧光粉的情况未有商品化产品出现，而UV-LED配合三色荧光粉的方式目前尚处于研究开发中。
众所周知，采用大功率、高亮度LED作为白光光源的一些照明灯具，如手电筒、杯灯、舞台灯、射灯和汽车灯等，要求LED的出光是一定形状的聚焦光束，这样的聚焦光束必须在出光口配置专门设计的光学出光透镜才能形成。现有技术中，这种出光透镜大多采用玻璃或者高硬度透明树脂材料制作，其出光面为光滑的平面或者曲面。实际应用发现，当LED白光穿过这种出光透镜时，光斑周围往往存在其它颜色的光晕，对LED白光光源的质量构成较大影响。造成这种现象的原因是，在LED白光光源的生产加工过程中，通常是将荧光粉与载体胶混合之后再用分配器将其涂到LED芯片上，由于受到载体胶的粘度、分配器的精度以及荧光粉比重大于载体胶易于产生沉淀等多种因素的影响，这种工艺中荧光粉的涂布量和均匀性难以精确控制，布胶量一致性比较差，使得LED的白光出光面均匀性不好，当LED光束通过出光透镜光滑的出光面时，光斑周围往往产生其它颜色的光晕。比如，使用蓝光LED配合黄色荧光粉配置的白光LED，会在主光斑周围产生一个圈或多圈黄色光晕；而使用蓝光LED配合红色、绿色荧光粉配置的白光LED，就可能在主光斑周围存在一个圈或多圈红色与绿色的光晕。
令人遗憾的是，尽管人们找到了影响LED白光光源质量的主要原因，但是由于现有加工工艺难以克服上述几方面的弊端，所以，在白光LED芯片采取更好的加工工艺之前，人们要提高LED白光光源的质量必须另寻途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种大功率LED白光光源的出光透镜，旨在通过对出光透镜——尤其是出光面的改进，去消除LED白光聚焦光束光斑周围存在的其它颜色的光晕，从而提高LED白光光源的出光质量，为大功率LED白光照明灯具的推广应用提供技术支持。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
大功率LED白光光源的出光透镜，包括透镜本体和出光面，其特征在于：所述出光面具有粗糙表面。
进一步地，上述的大功率LED白光光源的出光透镜，其中：所述出光面粗糙部分的分布区域是全表面，或者是径向间断分布区域。
更进一步地，上述的大功率LED白光光源的出光透镜，其中所述粗糙表面是磨砂状态的粗糙面，出光面的微观粗糙度是0.1-20μm；或者是具有密集分布的半球状点坑的粗糙面，点坑的平均凹陷度为0.05-1.0mm；或者是具有密集分布的半球状突起的粗糙面，突起的平均凸起度为0.05-1.0mm；还可以是具有径向分布的同心圆波纹状态的粗糙面，波绞的振幅为0.05-1.0mm。
当粗糙表面是具有径向分布的同心圆波纹状态的粗糙面时，波纹的振幅既可以相等，也可以呈径向衰减，即：从出光面的中轴心向透镜边缘方向振幅逐渐减小。
这样，本发明对LED白光光源的出光透镜的出光面进行改进，通过合理的加工处理，使得出光面表面粗糙化并产生微观柔焦效应，该柔焦效应促使从透镜发出的光束的轮廓边缘模糊化，将那些满足全反射定律的光束改变方向，继而在另一表面或反射回原表面时不被全反射而透过界面，减少了内反射，有效消除了LED白光聚焦光束光斑周围存在的其它颜色的光晕。另一方面，这种“表面粗糙化处理”是在规定的几何尺寸限度内进行，对材料的电光特性不构成损伤，出光透镜透射率所受到的影响微乎其微。因此，本发明是提高大功率LED白光光源发光质量的有效措施，对于采用荧光粉配置的LED白光光源有着很好的应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明。
图1是大功率LED杯灯的结构示意图；
图2a是出光面的一种设置方式，图2b是图2a的局部放大示意图；
图3a是出光面另一种设置方式，图3b是图3a的局部放大示意图；
图4a是出光面又一种设置方式，图4b是图4a的局部放大示意图；
图5a是出光面再一种设置方式，图5b是图5a的局部放大示意图。
具体实施方式
以杯灯为例，如图1所示，采用荧光粉配置的大功率LED白光光源制造杯灯时，须将LED白光光源2固定在杯灯灯体1的内座上面，然后在LED白光光源2的上方设置出光透镜3，LED光源发出的白光经过出光透镜形成一束聚焦光束而散发出去，起到照明的作用。现有技术中，出光透镜3的出光面4是光滑表面，在白光聚焦光束的光斑周围存在其它颜色的光晕，影响了发光质量。
本发明通过对透镜的出光面进行改进，使出光面具有粗糙表面，可以很好地消除上述缺陷，提高LED白光光源的出光质量。粗糙表面的具体设置可以通过计算机仿真模拟和实际验证加以确定，加工工艺可以采用喷砂、模压、压印或者化学蚀刻等多种方式。
经申请人试验证实，出光面粗糙部分既可以是整个出光面表面，也可以是径向间断分布区域。粗糙表面的设置有多种方式，比较简单的一种方式是将整个表面做成磨砂面，如图2a和图2b所示，加工以后粗糙的出光面全表面是杂乱起伏的，呈磨砂状态。当磨砂面的微观粗糙度在0.1-20μm范围之内时，透镜材料的电光特性不受损伤，透镜的透射率不低于原数值的95％，使用这种出光透镜可以很好地消除影响发光质量的“光晕”问题。
图3a/3b和图4a/4b表示出光面的另外两种设置方式，即：出光面粗糙表面是具有密集分布的半球状“点坑”或者“突起”的粗糙面，粗糙面的分布区域呈径向间断的同心圆环方式。采取“点坑”形式时，“点坑”分布在出光面的中心部位和边缘环带；采取“突起”形式时，“突起”分布在出光面的中心部位和边缘之间的同心圆环的环带内部。为起到好的应用效果，“点坑”(或者“突起”)的平均凹陷度(或者凸起度)为0.05-1.0mm。
透镜粗糙表面可以采取的再一种设置方式是，如图5a/5b所示，出光面采取径向分布的同心圆波纹形式。当波纹的振幅范围在0.05-1.0mm范围之内时，既可以有效消除“光晕”，又能保证经过粗糙处理的出光面对透射率的影响很小。而且，经过计算和验证，在整个出光面上波纹可以具有相同的振幅，也可以设计变化的起伏，波纹振幅从出光面中轴心向透镜的边缘逐渐减小，呈径向衰减趋势。
实际检验证明，本发明不受透镜出光面形状的限制，透镜的出光面无论是平面还是曲面，采取本发明技术方案均能获得比较理想的应用效果。另外，本领域内技术人员可以推知，本发明技术方案的应用对象并不局限于图1所示的“杯灯”，事实上，凡是采用荧光粉配置的LED白光光源，无论用它制造杯灯，还是用它制造手电筒、舞台灯、射灯、汽车灯等各种照明灯具，均可以应用本发明对透镜的出光面进行改进，从而消除白光聚焦光束光斑周围存在的其它颜色的光晕，提高这些照明工具的使用效果。
Claims (7)
1.大功率LED白光光源的出光透镜，包括透镜本体和出光面，其特征在于：所述出光面具有粗糙表面。
2.根据权利要求1所述的大功率LED白光光源的出光透镜，其特征在于：所述出光面粗糙部分的分布区域是全表面，或者是径向间断分布区域。
3.根据权利要求1或2所述的大功率LED白光光源的出光透镜，其特征在于：所述粗糙表面是磨砂状态的粗糙面，出光面的微观粗糙度是0.1-20μm。
4.根据权利要求1或2所述的大功率LED白光光源的出光透镜，其特征在于：所述粗糙表面是具有密集分布的半球状点坑的粗糙面，点坑的平均凹陷度为0.05-1.0mm。
5.根据权利要求1或2所述的大功率LED白光光源的出光透镜，其特征在于：所述粗糙表面是具有密集分布的半球状突起的粗糙面，突起的平均凸起度为0.05-1.0mm。
6.根据权利要求1或2所述的大功率LED白光光源的出光透镜，其特征在于：所述粗糙表面是具有径向分布的同心圆波纹状态的粗糙面，波绞的振幅为0.05-1.0mm。
7.根据权利要求6所述的大功率LED白光光源的出光透镜，其特征在于：所述波纹的振幅相等；或者是振幅径向衰减，即从出光面的中轴心向透镜边缘方向振幅逐渐减小。
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