CN1965417B - 具有漏斗形状透镜的led聚光灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED聚光灯，其具有至少一个LED和由基本上透明的材料构成的光学系统，在所述LED的上方设置有颜色转换物质，而所述光学系统利用全反射将来自所述LED构件的入射光以向外表面的方向进行引导。因此，所述圆锥形光学系统的底表面可具有多边形的形状。所述圆锥形光学系统的外壁可在至少部分区域中具有若干平坦光面。所述颜色转换物质可被提供在所述LED的上方并具有立方体形的形状。

Description

具有漏斗形状透镜的LED聚光灯

技术领域

本发明涉及一种LED聚光灯。

背景技术

本发明的背景是发光二极管(LED)领域，特别是“白光”发光二极管(LED)领域。根据现有技术的情况，对于利用LED来产生白光，彩色的特别是蓝色的光，是利用颜色转换或者通过混合来自不同颜色LED的光组分来产生。例如，白光能够通过混合蓝光与黄光而产生，所述蓝光由LED芯片产生，而所述黄光是当蓝光通过LED外围的颜色转换材料时由所述蓝光的一部分产生的。

由于在LED的生产过程中的颜色转换材料的特性以及一些技术限制，因而设置在LED上方的颜色转换层中经常会产生不同颜色的区域，这些不同颜色的区域通过其成像而导致不均匀的颜色分布。这种现象尤其会出现在传统的折射透镜的情况下。对于折射透镜而言，特别是对于精细发光LED的情况，在整个发射范围混合蓝光与所转换的黄光以发射均匀的白光，会出现困难。

在产生源自蓝光LED的白光的过程中，难以在整个发射范围将蓝色与被转换的黄色混合以发射出均匀的白光。

由WO 02/50572A1获知一种具有在内部打开的反射器的LED聚光灯装置。因为在所述反射器的基底上设置有不同颜色的LED，所以不必需进行颜色转换。

发明内容

本发明的目的是改善LED聚光灯的发射性能。

上述目的是根据本发明利用独立权利要求的各技术特征来实现的。而各从属权利要求以特别优选的方式进一步扩展了本发明的中心概念。

因此，根据本发明的第一方面，提供了一种LED聚光灯，其具有这样一种构造，即具有至少一个LED和由基本上透明的固体材料构成的圆锥形光学系统，所述光学系统远离所述LED构件而扩展，并通过全反射将来自所述LED构件的光导向所述圆锥形光学系统的出口表面的方向。这样，“非直射(indirect)”光，即，在所述圆锥形光学系统的侧表面(接触周围空气的边界层)上被全反射的光，会与未经过反射而“直接地”通过所述圆锥形光学系统到达所述出口表面的光组分进行混合。

所述圆锥形光学系统的底表面可具有多边形、圆形、或者椭圆形的形状。

所述圆锥形光学系统的侧壁可以至少在部分区域具有平坦光面。

在所述LED构件的上方，即，在所述LED构件与所述出口表面之间，设置有颜色转换材料。因而，该颜色转换材料可具体地被设置为立方体形固体的形式。

对于具有多个LED的情况，其可为相同的颜色或为不同的颜色。

所述LED构件可被平齐地置于承载器中，该承载器与所述圆锥形光学系统的底表面平齐而止。

附图说明

现在，将参照附图对于本发明的进一步的优点、特征和特性进行更详细的说明。

图1是根据本发明的圆锥形光学系统中的光路示意图；

图2是根据本发明的漏斗形透镜的透视图；

图3是根据本发明的在LED芯片就位的情况下的LED聚光灯的示例性实施方案的截面示意图；

图4显示了根据本发明的LED聚光灯的另一个示例性实施方案；和

图5显示了具有部分镜面化的圆锥形光学系统的示例性实施方案。

附图中的各参考标记的清单如下：

1、漏斗形透镜(圆锥形光学系统)

2、透明侧壁

3、出口表面

4、直射光组分

5、非直射光(全反射光组分)

6、光面

7、LED模的开口

8、具有一个或多个LED的LED模(LED芯片)

9、颜色转换材料

10、承载器

11、连接延伸部(透镜支柱)

12、电接触

13、电路板

14、承载器中的凹部

15、16、17圆弧区

18、光学系统的对称轴线

19、部分镜面

20、粘接部

21、安装承载器

具体实施方式

如图1所示，根据本发明，提供了一种LED聚光灯，其具有漏斗形透镜，所述透镜的形式为由基本上透明的固体材料构成的圆锥形光学系统1，该光学系统具有侧壁2和垂直于圆锥形光学系统1的对称轴线的出口表面3。所述圆锥形光学系统的材料具有的折射指数可为，例如1.4～1.6，特别地为1.5～1.55。

在由所述圆锥形光学系统到周围空气的边界层，来自内部的入射光被全反射，使得光不会在所述圆锥形光学系统的侧壁上射出。而由于所述的光实际上以更倾斜的角度入射到所述圆锥形光学系统的出口表面上，因此所述的光不被反射，而只是被折射偏离所述出口表面的法向。

通过所述圆锥形光学系统的外表面相对于其对称轴线呈锐角，确保了来自LED构件的光的入射角度小于或等于全反射的边界角。由于该边界角α基于下面的公式：

Sin(α)＝n1/n2

因此，所述圆锥形光学系统的材料的折射指数n2(以及其周围空气的折射指数n1)的函数，所述圆锥形光学系统的外表面的可能的轨迹，取决于为所述圆锥形光学系统所选的材料的折射指数。

在这一点上，如果所述外表面相对于所述对称轴线而形成的角度，随着与所述LED的光源的距离的增加而更平(flatter)，则这样是有利的。

在所述圆锥形光学系统1具有较小横截面的区域中，提供了LED光源，例如为LED芯片，其在图3和图4中被图示，并将在下文中参照这些附图对其进行说明。所述LED芯片具有包括一个或多个LED的LED构件。

光4能够从该LED芯片向出口表面3的方向直接发射。

与此相反，非直射光入射到所述圆锥形光学系统1的边界表面上，由于适当选择的折射特性和入射角度，该非直射光在此被全反射并因而反射到出口表面3的区域中。

由图2中可见，所述圆锥形光学系统1的侧壁2可至少部分地具有平坦光面6。

在所述圆锥形光学系统1的较低区域中，提供有开口，用于放置LED芯片。进一步地，所述圆锥形光学系统1的下侧可以具有连接延伸部11，利用该连接延伸部11，所述圆锥形光学系统1能够被定位于承载器上，并如果可行的话，可以被固定。

所述LED聚光灯被所述圆锥形光学系统的材料、所述颜色转换材料、和所述LED光源完全地填充，即没有空区域或包含空气区而填充。

在图3的示例性实施方案中，圆锥形光学系统1通过连接延伸部11被放置和定位于承载器10中。在承载器10的上侧安装有电路板13。在所述圆锥形光学系统1的内部，设置有LED芯片8，其下侧绝缘于电路板13，但是，例如通过接合导线12与电路板13进行适当的电接触。在LED芯片上方，应用了颜色转换材料9，其形式为立方体形的固体。

图4的示例性实施方案与图3的示例性实施方案的不同之处在于，LED芯片8和仍以立方体形固体的形状的颜色转换材料9，被置于承载器10中的凹部14中，并与其平齐。

根据本发明，显著改善了对应于LED芯片8发出的光颜色与在颜色转换材料9中通过转换呈现的光颜色的混合。因而，所述混合的改善，特别是通过以下机制中的至少一种而实现。

--采用所述圆锥形光学系统1，借此，来自侧面的全反射区域的光和通过平面盖表面直接发射的光被叠加。这样，通过侧圆锥形壁2的适宜结构，实现了光的第一种混合。

--如果将圆锥体划分为多个部分，而每个所述部分自身已产生所期望的发射，则所述混合能够被进一步改善。通过各单独圆锥区域的发射的叠加(例如，参见图2中的光面6)，可实现光的进一步混合。在这种情况下，所述“圆锥”具有多边形的底表面。

--通过额外地应用光面6，可获得进一步改善的光的混合。不过，这仅提供了较小空间角度范围中的混合。在下文中进一步地，这些光面的角度设置将进一步具体化。

--通过所述颜色转换材料的几何形状的适宜化，同样地，发射到不同区域中的光会尽可能小地改变。进一步地，通过这样，所述颜色转换材料的表面颜色在可能的技术限制内保持为相同的类型。

关于所述圆锥形光学系统中的光面的角度设置，下述的范围是有利的：

1、来自芯片表面中心的理论的点光源的光线，以0～28°的角度范围(在所述材料中)被直接向外发射，即，朝向出口表面3。

2、在28～40°的角度范围，所述光线在所述圆锥形光学系统1的内侧，相对于所述圆锥形光学系统1的对称轴线，以5～0°被全反射。

3、在40～55°的射出区域中，所述光线相对于所述对称轴线以0～5°被全反射；在55～75°的射出区域中，所述光线相对于所述对称轴线以5～0°被全反射。

这样，来自这些不同区域的发射的叠加产生了均匀的混合。所述三种分区能够通过具有圆弧或具有切向过渡的侧壁2而形成于所述圆锥形光学系统1中，如图2中示意性地示出的那样。也可以出现边缘(edge)，以替代所述切向过渡。

因此，所述平坦光面的圆弧以15表示，其将具有55～75°射出区域的光束进行全反射。所述平坦光面的圆弧以16表示，其将具有40～55°射出区域的光进行全反射。最后，所述平坦光面的圆弧以17表示，其将具有28～40°射出区域的光进行全反射。如所提到的，通常相对于对称轴线18而测量的射出角度为0～28°的光，直接射出进入出口表面3中。

在图3和图4中所示的颜色转换材料的固体立方体形的形式，使得其在所述颜色转换材料的表面上有可能产生相对较小的颜色变化。由于所述颜色转换材料的外形通过所述圆锥形光学系统的下侧而被限定为特定的形状，所述的LED芯片、颜色转换介质和圆锥形光学系统的准确的相对定位能够更容易。

所述圆锥形光学系统能够以不同的方式与LED承载器10相连。例如，LED芯片可以被放置在圆锥形光学系统中。圆锥形光学系统能够如图4所示被放置在承载器中，和/或被粘接连接或被超声波焊接。对此可选择地，所述圆锥形光学系统还可以在底部扩展，直接放置于承载器上(参见图2和图3)。在后一种情况下，所述定位优选地能够通过图示的小支柱11来实现，通过所述小支柱11，所述圆锥形光学系统能够被放置于承载器10的孔中(参见图3和图4)。

图5显示了一种示例性实施方案，在这种情况下，为了提高所述全反射的效率，所述圆锥形光学系统的外表面至少部分地被镜面化，例如，通过从外表施加金属层19。该金属层作为反射器能够增强全反射，并仅表示了一种可能性。

通过在所述圆锥形光学系统的至少一部分提供这样的反射器19，在此区域中甚至能够完全不需要全反射效应，使得在此区域中的LED聚光灯能够被提供为如图5所示。例如，在所述圆锥形光学系统外表面的所述区域中，LED聚光灯可通过粘接部20与承载器21相连接。

如同已经提到的那样，源自蓝光LED或紫外LED的白光的产生，能够通过放置于LED芯片上方的发光体的颜色转换过程来实现。这些发光体被嵌置于透明的、热稳定和光稳定的基体中，如环氧化物、丙烯酸酯或硅酮树脂中。对此可选择地，所述颜色转换层也可直接应用于LED芯片。所述圆锥形光学系统与基材(承载器)的连接，可通过粘接、或者通过焊接或其他任何机械连接方式来实现。对于透镜材料，优选地可使用高透明度的塑料，例如，聚碳酸酯、PMMA、PMMI、COC、COP，或者，也可使用玻璃。

Claims (8)

1.一种白光LED聚光灯，包括：

具有至少一个着色的LED的构件，在所述LED的上方设置有颜色转换物质，用于转换所述LED的光；和

由透明的材料构成的圆锥形光学系统，所述圆锥形光学系统远离所述LED构件而扩展；

其中，所述LED构件相对于所述圆锥形光学系统被设置为：来自所述LED构件的一部分光被直接入射到所述圆锥形光学系统的外表面上，并在所述圆锥形光学系统的外表面处通过内部全反射而被反射，以被导向所述圆锥形光学系统的出口表面的方向；而来自所述LED构件的另一部分光不反射而直接射向所述出口表面；其中通过混合来自所述LED的光和经颜色转换得到的光而产生的白光从所述出口表面发射；

并且，所述外表面与对称轴线形成的角度是锐角并且随着与所述LED构件的距离的增加而更平，

其中所述圆锥形光学系统的外壁至少在部分区域具有平坦光面，

其中所述圆锥形光学系统的底表面具有多边形的形状，并且

其中所述颜色转换物质以立方体形的形状被设置在所述LED构件的上方。

2.如权利要求1所述的LED聚光灯，其特征在于，所述LED构件具有多个相同颜色的LED。

3.如权利要求1所述的LED聚光灯，其特征在于，所述LED构件被平齐地放置于承载器中，所述承载器形成所述圆锥形光学系统的底表面。

4.如权利要求1所述的LED聚光灯，其特征在于，所述圆锥形光学系统的外壁具有至少两个圆弧区，每个所述圆弧区均由平坦光面构成，所述平坦光面相对于所述圆锥形光学系统的对称轴线而倾斜。

5.如权利要求1所述的LED聚光灯，其特征在于，所述圆锥形光学系统的外表面至少部分被镜面化。

6.如权利要求5所述的LED聚光灯，其特征在于，所述圆锥形光学系统被安装于所述镜面化的区域中。

7.如权利要求1所述的LED聚光灯，其特征在于，所述圆锥形光学系统的外表面在外侧的至少一部分安装有反射器。

8.如权利要求1所述的LED聚光灯，其特征在于，其中所述圆锥形光学系统的外表面被划分为多个分立的区域，每个所述区域均包括相对于所述镜面光学系统的对称轴线的不同角度。

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