TWI476458B - 一種可用於多晶片半導體led照明的二次配光透鏡 - Google Patents

Description

一種可用於多晶片半導體LED照明的二次配光透鏡

本發明涉及一種光學透鏡，尤其是可用於多晶片半導體LED照明的二次配光透鏡。

現有的大部分LED二次光學透鏡主要是光滑的全反射透鏡，其基本結構為：中間內凹部分的頂部有一個用於聚光的光滑的非球面透鏡，外側一圈為光滑的全反射面。這種透鏡主要適用於單晶片的LED的配光，其可以成圓形、效率較高的光斑分佈。但對於多晶片的LED，這種透鏡由於中間非球面對晶片的成像，投射出來的光斑往往會形成方形的或者花瓣狀的晶片陰影。

為了解決現有技術中的以上問題，本發明提供了一種透鏡，其包括：(a)透鏡本體；(b)設置在所述透鏡本體的外側上的全反射面，所述全反射面的形狀為鱗片狀多面體；(c)形成在所述透鏡本體的下邊中間位置的凹陷，其用於容納LED，所述凹陷具有側面和頂部；(d)形成在所述凹陷的所述頂部的微透鏡陣列；以及(e)設置在所述透鏡本體的頂部的出射面；其中，通過所述透鏡形成一大致均勻的圓形光斑。

所述LED是單晶片或多晶片。

所述鱗片狀多面體包括菱形、鑽石形、四方形或螺旋形表面。

所述凹陷的側面的形狀為柱面、錐面或者回轉曲面。

所述出射面包括一個或多個平面或曲面。

所述出射面包括凹的或凸的球面、非球面、菲涅爾面、枕形透鏡陣列或波浪形條紋面。

所述反射面的所述鱗片狀多面體的每個鱗片具有平面或弧形的曲面。

所述微透鏡陣列的形狀是圓形、六邊形、四邊形、波浪形或放 射狀。

優選地，從LED發出的射向所述凹陷的側面的一部分光，經過所述側面之後入射到所述反射面上，其反射光線經過所述出射面射出後形成±θ角的光分佈，光束全形為2θ，θ在2°到45°之間，所述鱗片狀的反射面用來打破光分佈的邊界，每個離散的鱗片都生成自己一個範圍的光分佈，藉此多個鱗片的光分佈疊加後產生在一定角度內比較均勻的光斑分佈。

優選地，從LED發出的射向所述凹陷頂部的一部分光，經過所述頂部之後入射到所述出射面並經所述出射面射出後形成±θ角的光分佈，其中θ在2°到45°之間，所述微透鏡陣列被設置用於混光。

優選地，入射到反射面最下邊的那根光線，其反射光線經過出射面射出後平行於光軸，入射到反射面最上邊的那根光線，其反射光線經過出射面射出後與光軸的夾角為θ；入射到反射面最上邊與最下邊之間的光線，其反射光線經過出射面射出後與光軸的夾角介於0°~θ之間。

結合所述出射面，在所述凹陷的頂部的每個微透鏡的數值孔徑角都為±θ角，光束全形為2θ。

優選地，在所述透鏡本體的頂部沿周圍一圈設有法蘭，形成在所述法蘭上的卡腳用於固定透鏡本體的位置。

優選地，所述透鏡本體的底部設有平面，用來連接所述凹陷的側面與所述反射面，以促進將所述透鏡本體固定於所述LED的基座上。

根據本發明所提出的非成像光學的配光技術，將混光技術結合到二次光學透鏡中，利用中間的微透鏡陣列和側面菱形、四方形或鑽石形的鱗片狀多面體反射面進行混光，同時配成所需要的光束角度。對任何形狀的晶片排列都可以實現比較均勻的圓形光斑，看不到由於晶片形狀所成像出來的陰影。其所使用的LED可以是單晶片及多晶片的，以及紅綠藍不同顏色的。

本發明所涉及的二次光學透鏡的第一實施例的剖面圖如圖1所示。該透鏡下邊中間的位置有一個凹陷。該凹陷用來放置多晶片的LED光源，其頂部2由許多微透鏡(微透鏡陣列)組成。微透鏡陣列的排列形狀可以為圓形、六邊形、四邊形、波浪形、放射狀以及其他不規則排列。凹陷的側面1為一圓柱面、錐面或者弧形的回轉曲面。此二次配光透鏡的外側有一個全反射面3，該全反射面由菱形、鑽石形、四方形或螺旋形的鱗片狀多面體組成；透鏡頂部4為出射面，其為一個或一個以上的平面或者曲面，其可以是凹的或凸的球面、非球面、菲涅爾面、枕形透鏡陣列、波浪形條紋面或者是其他自由曲面；透鏡頂部的周圍一法蘭5為固定用的法蘭，其不起光學的作用，其可以是任何形狀，其上面可以有卡腳，用以固定透鏡的位置。透鏡底部6為平面，用來連接凹陷的側面1以及外側全反射面3，其不具有光學作用，其用於將透鏡定位於LED的基座上。

圖2為本發明所涉及的第一實施例的透鏡3視圖。圖中可以看出：透鏡的外側全反射面3由菱形、四方形或鑽石形的鱗片狀多面體組成，這裡優選為鑽石形多面體，多面體的每個小鱗片可以為平面或者是弧形的曲面。由於光滑反射面對入射光線的配光是連續的，當LED光源為多晶片LED時，會比較容易產生亮斑或暗斑，導致光斑的分佈不均勻。這裡採用的鱗片狀的反射面，其用來打破光線分佈的邊界，每個離散的鱗片都生成自己一個範圍的光分佈，多個鱗片的光分佈疊加後產生在一個角度內比較均勻的光斑分佈。另外該二次光學透鏡下邊中間的位置有一個凹陷，其用於放置LED，其頂部2由微透鏡陣列組成，該微透鏡陣列對從LED入射的光線也起到混光作用，形成一個角度範圍內比較均勻的光分佈。

圖3為第一實施例所述的透鏡的設計原理。從LED發出的射向側面的一部分光，經過凹陷側面1之後入射到透鏡外側的全反 射面3上，其反射光線經過透鏡頂部的出射面4射出後形成±θ角(光束全形為2θ)的光分佈。從LED發出的射向中間的一部分光，透過凹陷頂部的微透鏡陣列之後，也從透鏡頂部的出射面4射出，其光束角也為±θ的分佈。外側反射面3的配光特徵為：入射到反射面3最下邊的那根邊緣光線，其反射光線與光軸OZ的夾角為0度，即平行於光軸OZ射出；入射到反射面3最上邊的那根邊緣光線，其反射光線經過出射面4射出後，與光軸的夾角為θ；入射到反射面3中間其他地方的光線，其反射光線經過出射面4射出後，其與光軸的夾介於0°~θ之間。此透鏡下邊中間凹陷的頂部的微透鏡陣列的配光特徵在於：結合透鏡頂部的出射面4，每個微透鏡的數值孔徑角都為±θ角(全形為2θ)，多個微透鏡的出射光疊加後形成±θ角內均勻的光分佈，從而對LED入射的光線起到混光作用。本實施方案所述的透鏡的配光角度θ，根據需要可以為2°到45°之間的任意值(光束全形2θ為4°~90°)。

圖4(a)至圖4(c)為當透鏡分別為窄、中、寬光束，θ角分別為5°、18°、45°(全形為10°、36°、90°)時，該實施方案所述透鏡的配光曲線。

圖5(a)為根據本發明第一實施例的電腦類比，假設LED的光源為12顆晶片的CREE MT-G，LED的光通量為380Lumen，透鏡按照光束全形36°來設計(即θ=18°)。圖5(b)為該透鏡的光線追跡。圖6(a),6(b)為該透鏡在1米遠處的光斑形狀及照度分佈，光斑為圓形，看不到因為晶片排列的形狀而投射出來的方形或花瓣形的陰影。圖7為該透鏡的光強的遠場角度分佈(配光曲線)，光強一半位置處的光束角寬度為±18°。模擬結果所得透鏡的理論效率為97.827%，假設透鏡材料的透過率為92%，則實際加工出來透鏡的光學效率可達到90%。

本發明所涉及的二次光學透鏡的第二實施例的剖面圖如圖8所示。圖中透鏡頂部的出射面分成了2個部分24a和24b，其中24a為凸出的非球面，24b為母線為圓弧的回轉曲面。透鏡下邊中 間的位置也有一個凹陷，其頂部22也由微透鏡陣列組成，凹陷的側面21為一柱面、錐面或者回轉曲面，這裡優選為一個母線為圓弧的回轉面。外側反射面也由菱形、鑽石形、四方形或螺旋形的鱗片狀多面體組成，這裡優選為四方形菱片狀多面體。透鏡頂部的周圍一圈25為固定用的圓柱面，其不起光學的作用，其外側可以設置卡腳，用以固定透鏡的位置。透鏡底部26為一個平面，其用以連接凹陷的側面21以及外側全反射面23，不具有光學作用。

本發明所涉及的二次光學透鏡的第二實施例的透鏡的3視圖如圖9所示。從底視圖中可以看出，透鏡下邊中間位置的凹陷，其頂部22由微透鏡陣列組成，微透鏡排列的排列形狀可以為圓形、六邊形、四邊形、波浪形、放射狀以及其他不規則排列，這裡優選為放射狀的排列方式。

圖10為本發明所涉及的第二實施例所述的透鏡的設計原理。所述透鏡為窄角度透鏡，透鏡配光可以按照準直光束進行設計。從LED發出的射向側面的一部分光，經過凹陷的側面21之後入射到透鏡外側的鱗片狀全反射面23上，其反射光線經過透鏡頂部外圈的出射面24b之後准直射出。從LED發出的射向中間的一部分光，透過凹陷頂部22的微透鏡陣列之後，從透鏡頂部的出射面24a射出，其光束也准直射出。由於透鏡頂部的出射面多了一個出射面24a，其多了一個配光設計的自由度，對於多個晶片的LED光源，按照此結構設計的透鏡可以比較容易設計出很窄的光束角。當然本實施方案也可以設計出寬光束角的透鏡，只要外圈反射面23連同出射面24b，配成±θ角的光分佈，同樣也需要透鏡下邊凹陷的頂部22的微透鏡陣列連同出射面24a也形成θ角的數值孔徑。

圖11(a)為本實施方案的電腦類比，這裡假設LED的光源為12顆晶片的CREE MT-G，LED的光通量為380Lumen，透鏡為窄角度透鏡，按照準直光束設計。圖11(b)為第二實施例透鏡的光線追跡。

圖12(a)、12(b)為第二實施例的透鏡在1米遠處的光斑形狀及照度分佈，光斑為圓形，看不到因為晶片排列形狀而投射出來的方形或花瓣狀的陰影。圖13為該透鏡的光強的遠場角度分佈(配光曲線)，光強一半位置處的光束角寬度約為±5°。模擬結果所得透鏡的理論效率為98.252%，假設透鏡材料的透過率為92%，則實際加工出來透鏡的光學效率可達到90%。

本發明所涉及的二次光學透鏡，其還有其他幾種實施例。圖14為本發明所述的第三實施例，除了透鏡的外側全反射面33由四方形鱗片組成外，該實施方案的其他所有的結構與第一實施例均一致。該實施方案的與第一實施例有相同的光束角、光斑形狀及光學效率。

圖15為該發明所述的第四實施例，除了透鏡的外側全反射面43由螺旋形鱗片組成外，該實施方案的其他所有的結構與第一實施例均一致。該實施方案的與第一實施例有相同的光束角、光斑形狀及光學效率。

圖16為本發明所述透鏡的第五實施例。該實施方案透鏡的下部分與實施方案1相同，但其頂部的出射面54為凸面，其可以為球面、非球面、或者是自由曲面。突出的出射面可以將出射光會聚到一定的距離，形成圓形的，或者其他形狀的會聚光點。

圖17為本發明所述透鏡的第六實施例。該實施方案透鏡的下部分與實施方案1相同，但其頂部的出射面64為凹面，其可以為球面、非球面、或者是自由曲面。凹陷的出射面可以將出射光發散，可以形成照射範圍比較大的圓形的，或者其他形狀的光斑。

圖18為本發明所述透鏡的第七實施例。該實施方案透鏡的下部分與實施方案1相同，但其頂部的出射面74為菲涅爾(Fresnel)面。菲涅爾的出射面可以將出射的會聚光(或者發散光)分佈得更均勻，實現更均勻的光斑分佈。

圖19為本發明所述透鏡的第八實施例。該實施方案透鏡的下部分與實施方案1相同，但其頂部的出射面84為枕形透鏡陣列， 由於枕形透鏡在X和Y方向有兩個不同的曲率半徑，導致該透鏡的輸出光束在X與Y兩個垂直的方向可以有兩個不同的光束角。該實施方案可以輸出在X和Y方向具有兩個不同光束角的長方形的光斑，可以用於汽車照明和交通照明。

圖20為本發明所述透鏡的第九實施例。該實施方案透鏡的下部分與實施方案1相同，但其頂部的出射面94為波浪形的條紋透鏡陣列，波浪形的條紋透鏡陣列可以將出射光束在一個方向上進行擴束，而另一個方向上保持准直。該實施方案可以產生一個方向角度很窄、另一個方向角度很寬的線條形的光斑。

儘管就某些特定的方面描述了本發明，但是一些附加的修改和改變對本領域內普通技術人員是顯而易見的。因此應理解的是，可以以不同於具體描述的方式實施本發明，包括在尺寸、形狀和材料方面的各種改變，而不超出本發明的範圍和精神。因而本發明實施方式的所有方面應認為是示意性而非限定性的。

1‧‧‧側面

2‧‧‧頂部

3‧‧‧全反射面

4‧‧‧透鏡頂部

5‧‧‧法蘭

6‧‧‧透鏡底部

21‧‧‧側面

22‧‧‧頂部

23‧‧‧外側全反射面

24a‧‧‧透鏡頂部的出射面

24b‧‧‧透鏡頂部外圈的出射面

25‧‧‧透鏡頂部的周圍一圈

26‧‧‧透鏡底部

33‧‧‧透鏡的外側全反射面

43‧‧‧透鏡的外側全反射面

54‧‧‧頂部的出射面

64‧‧‧頂部的出射面

74‧‧‧頂部的出射面

84‧‧‧頂部的出射面

94‧‧‧頂部的出射面

參照以上和以下的描述並與附圖結合起來考慮可以更好地理解本發明所呈現的特徵，從而能更加快地明瞭這些特徵，其中：圖1為根據本發明第一實施例的透鏡的剖面圖；圖2分別示出了圖1所示透鏡的正視圖、等軸視圖、俯視圖、側視圖和底視圖；圖3示出了根據本發明第一實施例的透鏡的設計原理；圖4(a)至圖4(c)分別顯示了圖1所示透鏡的配光角度分別為5°、18°、45°時的光強的遠場角度分佈；圖5(a)根據本發明第一實施例的透鏡的電腦類比；和5(b)為圖1所示透鏡的光線追跡；圖6(a)示出了根據本發明第一實施例的透鏡在1米遠處的光 斑形狀及照度分佈；圖6(b)示出了根據本發明第一實施例的透鏡的輪廓照度圖；圖7為根據本發明第一實施例的透鏡的光強的遠場角度分佈(配光曲線)；圖8為根據本發明第二實施例的透鏡的剖面圖；圖9分別示出了圖8中透鏡的正視圖、等軸視圖、俯視圖、側視圖和底視圖；圖10為根據本發明第二實施例的透鏡的設計原理；圖11(a)為根據本發明第二實施例的透鏡的電腦類比；圖11(b)為根據本發明第二實施例的透鏡的光線追跡；圖12(a)為根據本發明第二實施例透鏡在1米遠處的光斑形狀及照度分佈；圖12(b)示出了根據本發明第二實施例的透鏡的輪廓照度圖；圖13根據本發明第二實施例的透鏡的光強的遠場角度分佈(配光曲線)；圖14分別示出了根據本發明第三實施例的透鏡的正視圖、等軸視圖、俯視圖、側視圖和底視圖，其中外側反射面為四方形鱗片；圖15分別示出了根據本發明第四實施例的透鏡的正視圖、等軸視圖、俯視圖、側視圖和底視圖，其中外側反射面為螺旋形鱗片；圖16示出了根據本發明第五實施例的透鏡，其中透鏡頂部出射面為凸面；圖17示出了根據本發明第六實施例的透鏡，其中透鏡頂部出射面為凹面； 圖18示出了根據本發明第七實施例的透鏡，其中透鏡頂部出射面為菲涅爾(Fresnel)面；圖19示出了根據本發明第八實施例的透鏡，其中透鏡頂部的輸出面為枕形透鏡陣列；圖20示出了根據本發明第九實施例的透鏡，其中透鏡的頂部為波浪形的條紋透鏡陣列。

1‧‧‧側面

2‧‧‧頂部

3‧‧‧全反射面

4‧‧‧透鏡頂部

5‧‧‧法蘭

6‧‧‧透鏡底部

Claims (12)

1. 一種透鏡，其包括：(a)透鏡本體；(b)設置在所述透鏡本體的外側上的全反射面(3，23，33，43)，所述全反射面(3，23，33，43)的形狀為鱗片狀多面體；(c)形成在所述透鏡本體的下邊中間位置的凹陷，其用於容納LED，所述凹陷具有側面(1，21)和頂部(2，22)；(d)形成在所述凹陷的所述頂部(2，22)的微透鏡陣列；以及(e)設置在所述透鏡本體的頂部的出射面(4，24a，24b)；其特徵在於，從LED發出射向所述凹陷頂部(2，22)的一部分光，經過所述頂部之後入射到所述出射面(4，24a，24b)並經所述出射面(4，24a，24b)射出後形成±θ角的光分佈，其中θ在2°到45°之間，而所述微透鏡陣列被設置用於混光，結合所述出射面(4，24a，24b)，在所述凹陷的頂部(2，22)的每個微透鏡的數值孔徑角都為±θ角，光束全形為2θ，藉此以通過所述透鏡形成一大致均勻的圓形光斑。
2. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡，其特徵在於，所述LED是單晶片或多晶片，以及紅綠藍不同顏色的。
3. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡，其特徵在於，所述鱗片狀多面體包括菱形、鑽石形、四方形或螺旋形表面。
4. 如申請專利範圍第1-3項中任一項所述的透鏡，其特徵在於，所述凹陷的側面(1，21)的形狀為柱面、錐面或者回轉曲面。
5. 如申請專利範圍第1-3項中任一項所述的透鏡，其特徵在於，所述出射面(4，24a，24b)包括一個或多個平面或曲面。
6. 如申請專利範圍第1-3項中任一項所述的透鏡，其特徵在於，所述出射面(4，24a，24b)包括凹的或凸的球面、非球面、菲涅爾面、枕形透鏡陣列或波浪形條紋面。
7. 如申請專利範圍第1-3項中任一項所述的透鏡，其特徵在於，所述反射面(3，23，33，43)的所述鱗片狀多面體的每個鱗片具有平面或弧形的曲面。
8. 如申請專利範圍第1-3項中任一項所述的透鏡，其特徵在於，所述微透鏡陣列的形狀是圓形、六邊形、四邊形、波浪形或放射狀。
9. 如申請專利範圍第1-3項中任一項所述的透鏡，其特徵在於，從LED發出的射向所述凹陷的側面(1，21)的一部分光，經過所述側面(1，21)之後入射到所述反射面(3，23，33，43)上，其反射光線經過所述出射面(4，24a，24b)射出後形成±θ角的光分佈，光束全形為2θ，θ在2°到45°之間，所述鱗片狀的反射面(3，23，33，43)用來打破光分佈的邊界，每個離散的鱗片都生成自己一個範圍的光分佈，藉此多個鱗片的光分佈疊加後產生在一定角度內比較均勻的光斑分佈。
10. 如申請專利範圍第9項所述的透鏡，其特徵在於，入射到反射面(3，23，33，43)最下邊的那根光線，其反射光線經過所述出射面(4，24a，24b)射出後平行於光軸，入射到反射面(3，23，33，43)最上邊的那根光線，其反射光線經過所述出射面(4，24a，24b)射出後與光軸的夾角為θ；入射到反射面(3，23，33，43)最上邊與最下邊之間的光線，其反射光線經過所述出射面(4，24a，24b)射出後與 光軸的夾角介於0°~θ之間。
11. 如申請專利範圍第1-3項中任意一項所述的透鏡，其特徵在於，在所述透鏡本體的頂部沿周圍一圈(5，25)設有法蘭，形成在所述法蘭上的卡腳用於固定透鏡本體的位置。
12. 如申請專利範圍第1-3項中任意一項所述的透鏡，其特徵在於，所述透鏡本體的底部(6，26)設有平面，用來連接所述凹陷的側面(1，21)與所述反射面(3，23，33，43)，以促進將所述透鏡本體固定於所述LED的基座上。