CN1909258B - 发光二极管系统以及用于使光准直的系统 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管系统，包括具有光发射口的外壳和置于该外壳内的发光二极管。第一薄膜层覆盖光发射口并包括构造成沿第一轴引导从发光二极管发出的光的单轴准直膜。

Description

发光二极管系统以及用于使光准直的系统

技术领域

本发明涉及发光二极管(LED)系统，尤其涉及视场角减小的LED封装，并且涉及准直(collimating)光的方法。

背景技术

目前发光二极管(“LED”)封装具有一般宽或窄的视场(“FOV”)。当前为取得此视场，用透镜来准直从光源/管芯发出的光。这样通常会给LED封装增加额外的高度和面积。由于对于制造和拾取-放置设备而言，优选的是扁平的(flat-sided)长方形，因此目前的问题包括由光学透镜引起的不期望的圆顶形。另外，使用光学透镜还增加整个封装厚度的高度和尺寸。

图1A、1B和1C说明现有技术中准直LED的光的方法。如图1A中所示，LED光源101经过透镜110发射光束105。类似的，图1B示出光源101经过另一个透镜110发射光束105并从反射杯115反射光束105。同样，图1C示出LED光源101经过透镜110发射光束105，从反射杯115反射光束，以及由透镜110折射光束。

对于大芯片LED而言，高度和尺寸增加是显著的问题，例如1瓦特的LED为.9mm×.9mm，因为大芯片LED需要大透镜来准直发射光以增加亮度。亮度增强源自LED的FOV降低，但封装会更高。类似的，在1-2mm但封装空间受限的更小的LED封装中，带透镜的LED会由于透镜高度出现设计问题。如果用反射杯，例如穿孔杯或钻孔杯，则需要额外的空间。

需要的是在尺寸更小的情况下提高LED封装的亮度的方法。

发明内容

本发明的一个方面提供一种发光二极管系统，包括具有光发射口的外壳和置于该外壳内的发光二极管。第一薄膜层覆盖该光发射口并具有构造成沿第一轴引导从发光二极管发出的光的单轴准直薄膜。

本发明另一方面提供一种准直光的方法。该方法包括在第一准直层内接收光并沿第一轴经过第二准直层引导所接收光的第一部分。

本发明另一方面提供一种用于准直光的系统。该系统包括用于在第一准直层内接收光的装置。

附图说明

图1A、1B和1C示出现有的发光二极管照明系统；

图2示出根据本发明的发光二极管照明系统的一个实施例；

图3A、3B、3C和3D为根据本发明一个实施例的第一和第二薄膜层的俯视图和侧视图；

图4示出根据本发明的发光二极管照明系统的又一实施例；

图5示出根据本发明的发光二极管照明系统的又一实施例；

图6示出根据本发明的发光二极管照明系统的又一实施例；

图7示出根据本发明的用于准直光的方法的一个实施例；

图8示出根据本发明的用于准直光的方法的又一实施例；

图9示出根据本发明的用于准直光的方法的又一实施例；且

图10示出本发明的用于准直光的方法的又一实施例。

具体实施方式

图2示出根据本发明的一个方面的发光二极管照明系统200的一个实施例。发光二极管照明系统200包括外壳205、发光二极管210和底板215。外壳205包括光发射口208，构造成使得由发光二极管205发射的光能够从外壳205内发射出。外壳205围绕发光二极管210，以使发光二极管210置于外壳205内。

在一个实施例中，底板215包括连接到外壳205上的镜面加工层，以使发光二极管210置于镜面加工层上。镜面加工层可以是任意反射表面，例如镜子或其它类似的反射表面。在一个实施例中，镜面加工层包括有槽表面，其构造成向覆盖光发射口208的第一和第二薄膜层230、240引导入射光。

发光二极管210以多个角度发射光线220。然后光线220被第一和第二薄膜层230、240折射。θ表示与Snell定律相关的临界角：如果光进入到例如第一薄膜层230的介质的角度大于θ，那么光线全内反射(“TIR”)；如果这个角度小于θ，则光线被折射。另外，Snell定律假设，如果介质A比介质B致密，则从A传播到B中的光线被聚焦成更加接近于介质A和介质B之间的平面的法线。

第一和第二薄膜层230、240设置在外壳205的开口和发射口208的至少一部分上。在一个实施例中，第一和第二薄膜层覆盖整个开口，然而在其它实施例中，第一和第二薄膜层仅覆盖该开口的一部分。在第一和第二薄膜层仅覆盖该开口的一部分的实施例中，第一和第二薄膜层可以覆盖相同部分，或覆盖该开口的至少部分不同的部分。第一和第二薄膜层230、240包括单轴准直膜，其构造成分别沿第一和第二轴引导从发光二极管210发出的光线。因此，沿第一轴引导第一薄膜层230接收的光线，同时可以沿第二轴引导第二薄膜层240接收的光线。第二轴与第一轴偏移。在一个实施例中，第一轴为x轴，第二轴为y轴。在一个实施例中，单轴准直膜贴附于光发射口208。可利用任何适当的技术，例如透明粘合剂或光学凝胶，将单轴准直膜贴附于光发射口208。

在一个实施例中，单轴准直膜实现为Vikuiti亮度增强膜(BEF)III-10T，从St.Paul，Minnesota的3M公司可以买到。在一个实施例中，单轴准直膜包括有槽表面透射膜。例如，在某些实施例中有槽表面以棱镜特性为特征。尽管可预见其它构造，但优选将该薄膜构造成将由发光二极管产生的光的大约百分之40到约百分之70会聚到一中心。更优选的是，将该薄膜构造成暴露于环境因素时能抵抗变形。环境因素包括热、冷、灰尘和湿度，并不局限于这些。保持该薄膜处于干净无屑状态，有助于最大化发射光的光提取以及亮度。

以这种方式准直光线有助于减小发光二极管的FOV，并最大化有效FOV内的该亮度。

图3A和3B示出根据本发明的一个方面的第一薄膜层230的一个实施例。图3A在310示出该第一薄膜层的俯视图，图3B示出该第一薄膜层的侧视图。类似的，图3C和3D示出根据本发明的一个方面的第二薄膜层240的一个实施例。图3C示出该第二薄膜层320的俯视图，图3D示出该第二薄膜层的侧视图。正如前面提到的，薄膜层230和340的轴可偏移90度或任意其它角度。

图4示出根据本发明另一个方面的发光二极管照明系统400的另一个实施例。为了清楚说明，发光二极管210示出为没有发射光线。除了包括第一和第二薄膜层230、240，发光二极管210，外壳205和表面215之外，系统400还包括另外的光导450，其构造成用于漫射发光二极管210所发射的光线。示出光导450接收由第二薄膜层240发射的光，但在其它实施例中，光导450也能置于第一和第二薄膜层230、240之间，或置于发光二极管210和第一薄膜层230之间。本领域普通技术人员将容易认识到，漫射体的放置会影响漫射体的效果。光导450可包括任何已知工具来漫射光线，包括衬里(liner)。

图5示出根据本发明的一个方面的发光二极管照明系统500的特写侧视图。发光二极管照明源210沿第一薄膜层230的方向发射光线。在一个实施例中，发光二极管210的尺寸调整成能减少损失光线555，该损失光线555由没有以适当角度进入第一薄膜层230的发射光所导致。例如，调整发光二极管210的尺寸以匹配第一薄膜层的尺寸，可以提供这种尺寸定位。

图5还示出了发光二极管210发出的光线的法线角度570。光560被第一薄膜层230折射并从第一薄膜层230发射，会聚在开口的中心处。入射光575是可允许的，在以反射表面为特征的实施例中，入射光575将向着第一薄膜层被反射回。然而，不期望出现入射光580，且在某些实施例中第一薄膜层构造成使反射回发光二极管的光线最小化。

示出光束583进入第一薄膜层的一部分，并在折射后从不同位置重新进入第一薄膜层。这种折射将会增加沿期望方向发射的光，由于发射光的较大部分将以期望的角度折射，因此最小化了光损失。例如，一旦重新进入第一薄膜层，光束583可沿期望方向折射(取决于角度)，或光束583可向支撑发光二极管的反射表面折射，或向另一个反射表面折射。其余时间，即使在折射后，光束583也会导致光束损耗，但至少一些光束583将被向着期望方向准直。

图6示出根据本发明另一个方面的发光二极管系统600的侧视图。系统600包括发光二极管210、外壳205和第一薄膜层230。系统600还包括反射体695。

反射体695是构造成能反射入射光的大部分的任何表面。在一个实施例中，反射体695为镜子。在另一个实施例中，反射体695为镜面加工层。在又一个实施例中，反射体695包含有槽表面。在一个实施例中，反射体695为倾斜的反射体。在一个实施例中，反射体695为沿外壳205的下表面601设置的平坦表面。在另一个实施例中，反射体695的特征在于在底部有较小开口而在顶部602有较大开口，底部和顶部用斜面连接，称为“倾斜反射体”。在另一个实施例中，反射体695是外壳中的钻孔或穿孔的杯子。

图7示出根据本发明的一个方面的用于准直光的方法700的一个实施例。方法700从步骤710开始，该步骤中在第一准直层内接收光。在一个实施例中，接收的光由发光二极管封装体发射或产生。在一个实施例中，第一准直层实现为第一薄膜层230。接收的光被第一准直层折射且分成包括第一和第二部分的至少两部分。

在步骤720，沿第一轴将接收的光的第一部分引导通过第二准直层。在一个实施例中，第二准直层实现为第二薄膜层240。第二准直层接收被第一准直层折射的光并引导该光的至少一部分使其远离光源。

在步骤730，沿偏离第一轴的第二轴将接收的光的第二部分引导通过第二准直层。在一个实施例中，第一轴是x轴。在一个实施例中，第二轴是y轴。在其它实施例中，选择其它轴作为第一和第二轴，例如在一个实施例中，期望准直与发射该光的发光二极管偏斜的光。引导所接收的光通过第一和第一准直层准直了光线，观察者可感觉到发光二极管所发射光的亮度增强。

图8示出根据本发明的一个方面的用于准直光的方法800的另一实施例。方法800包括在步骤810在第一准直层内接收光。在一个实施例中，步骤810实现为步骤710。在步骤820，所接收的光的第一部分被沿第一轴引导通过第二准直层。在一个实施例中，步骤820如同步骤720中那样实施。在步骤830，光的第二部分被沿偏离第一轴的第二轴引导通过第二准直层。在一个实施例中，步骤830如同步骤730中那样实施。

步骤840中，向反射表面引导接收的光的第三部分。在一个实施例中，接收的光的第三部分被反射回外壳。例如，在一个实施例中，接收的光的第三部分向镜面层反射。在另一实施例中，接收的光的第三部分向有槽表面反射。

在一个实施例中，在第一准直层中接收光包括产生光。在另一实施例中，引导接收的光的第一部分包括当接收的光具有预定角度时透射接收的光。在另一实施例中，引导接收的光的第二部分包括当接收的光不具有预定角度时反射接收的光。

图9示出根据本发明一个方面的用于准直光的方法900的另一个实施例。方法900包括在步骤910在第一准直层内接收光。在一个实施例中，步骤910如同步骤710那样实施。在步骤920，接收的光的第一部分被沿第一轴引导通过第二准直层。在一个实施例中，步骤920如同步骤720中那样实施。在步骤930，光的第二部分被沿偏离第一轴的第二轴引导通过第二准直层。在一个实施例中，步骤930如同步骤730中那样实施。

步骤940中，光从镜面层向第一和第二准直层反射。在一个实施例中，镜面层是支撑发光二极管的平面。在另一实施例中，镜面层是倾斜的。在又一个实施例中，镜面层是支撑发光二极管的杯子。

图10示出根据本发明一个方面的用于准直光的方法1000的另一实施例。方法1000包括在步骤1010在第一准直层内接收光。在一个实施例中，步骤1010如同步骤710那样实施。在步骤1020，接收的光的第一部分被沿第一轴引导通过第二准直层。在一个实施例中，步骤1020如同步骤720中那样实施。在步骤1030，接收的光的第二部分被沿偏离第一轴的第二轴引导通过第二准直层。在一个实施例中，步骤1030如同步骤730中那样实施。

在步骤1040，利用衬里和光导中的至少一个来漫射被引导的光。该衬里和/或光导可置于发光二极管和第一准直层之间、第一和第二准直层之间、或发光二极管封装外部。

通过第一和第二准直层引导光，如方法700、800、900和1000所述，会导致准直由第一和第二准直层接收的光。这种准直最优地减小了向第一和第二准直层引导光束的光源的FOV，并且由于FOV减小而增加了有效亮度。

虽然这里公开的本发明实施例当前均视为优选实施例，但是在不脱离本发明的范围内可做各种变化和修改。本发明的范围由所附的权利要求所限定，且其中包括在其等同物的精神和范围内的所有改变都将包含在本发明的范围之内。

Claims (11)

1.一种发光二极管系统，包括：

具有光发射口的外壳；

置于外壳内的发光二极管；

跨过光发射口的至少一部分放置的第一薄膜层，该第一薄膜层包括构造成引导从发光二极管发出的光的单轴准直膜，

其中，所述发光二极管置于贴附于外壳的镜面加工层上，所述镜面加工层包括构造成向所述第一薄膜层和置于该第一薄膜层上的第二薄膜层引导入射光的有槽表面。

2.权利要求1所述的系统，其中该第一薄膜层构造成沿第一轴引导从发光二极管发出的光，并且，

所述第二薄膜层包括构造成沿偏离第一轴的第二轴引导从发光二极管发出的光的单轴准直膜。

3.权利要求1所述的系统，其中外壳包括倾斜反射体。

4.权利要求3所述的系统，其中该倾斜反射体包括底部和顶部，其中该倾斜反射体底部的半径小于该倾斜反射体顶部的半径。

5.权利要求3所述的系统，其中该倾斜反射体包括镜子。

6.权利要求1所述的系统，其中该单轴准直膜包括有槽表面。

7.权利要求1所述的系统，其中该单轴准直膜构造成将由发光二极管产生的光的40％到70％会聚到一中心。

8.权利要求1所述的系统，其中该单轴准直膜暴露于环境因素下时抗变形。

9.权利要求1所述的系统，还包括衬里和光导中的至少一个以漫射光线。

10.一种用于使光准直的系统，该系统包括：

发光二极管；

用于在第一准直层中接收光的装置；

用于将接收的光的第一部分沿第一轴引导通过第二准直层的装置；以及

用于将光的第二部分沿偏离第一轴的第二轴引导通过第二准直层的装置；

其中，所述发光二极管置于贴附于镜面加工层上，所述镜面加工层包括构造成向所述第一准直层和所述第二准直层引导入射光的有槽表面。

11.权利要求10所述的系统，还包括用于漫射光的装置。

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