CN103874880A - 具有带光偏转结构的透镜的半导体发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体发光装置（11），其装配有至少一个半导体光源（15）和透镜（16），其中，该透镜（16）具有在底侧的、朝向至少一个半导体光源（15）的光入射面（20）和在顶侧的光出射面（21），光入射面（20）具有以TIR结构（22）形式的光偏转结构，入射到该光偏转结构上的光（P）能够借助全内反射在光出射面（21）方向上偏转，并且透镜（16）能拆卸地安置在半导体发光装置（11，31）上。本发明还涉及一种由半导体发光装置（11，31）和至少一个更换透镜（16，36，56）构成的组件，其中，这些透镜（16，36，56）在功能上的主要区别是产生不同的出射角。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个半导体光源和透镜的半导体发光装置，其中，该透镜具有在底侧的朝向至少一个半导体光源的光入射面和在顶侧的光出射面，并且光入射面具有光偏转结构。此外，本发明还涉及一种由这种半导体发光装置构成的并且具有至少一个更换透镜的组件。本发明能够特别有利地用于组合地进行空间照明和目标照明的LED改型灯。
背景技术
至今存在的定向的、带有连接在至少一个发光二极管下游的透镜的LED灯通常具有由其射出的光束的固定出射角。在此，出射角通常在10°和60°之间。所选择的出射角典型地根据应用选择来取向。因此，例如对于空间照明而言通常期望宽照射效果，与此相比，对于目标照明而言大多期望较窄的照射效果。
存在一种使出射角能以15°，20°，25°，30°，35°和40°的等级调节的卤素灯改型灯（Bulbrite LED MR-16Multibeam）。在此，通过机械装置调节用作光源的发光二极管（LED）与连接在LED下游的透镜的间距。这个方案的缺点在于使用具有小直径的传统透镜，这在紧凑的构造型式中阻碍了高准直强度。
已知了一种白炽灯改型灯（LUMITRONIX XR20LED Spot），其能够可选地装配漫射的或者透射的透镜。这导致形成较弱的或者有明显界限的光斑或光点，但是不会导致出射角明显地变化。
已知了一种菲涅尔透镜，该透镜在其光入射面上具有作为光偏转结构的菲涅尔环带，入射到这些菲涅尔环带上是光能够借助单一的光折射（refraktiv屈光）在光出射面方向上偏转。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于简单地改变半导体发光装置的照明方式的、构造紧凑的可能性。
该目的根据独立权利要求所述的特征来实现。尤其能够由从属权利要求可知优选的实施方式。
该目的通过具有至少一个半导体光源和透镜的半导体发光装置来实现，其中，该透镜具有在底侧的朝向至少一个半导体光源的光入射面和在顶侧的光出射面，光入射面具有以TIR（全内反射）结构的形式的光偏转结构，入射到这个结构上的光能够借助全内反射在光出射面方向上偏转，并且该透镜能拆卸地安置在半导体发光装置上。
TIR结构和因此引起的全内反射实现了使光束在狭小空间内特别明显地偏转，特别是与利用纯折射式的光偏转结构（例如基于菲尼尔环带或者利用简单的透镜形状）相比能够实现更强的光偏转效果。由此能够提供一个特别紧凑的、特别是平面的透镜，该透镜能够产生宽区域的出射角，并且尤其能够实现高准直强度。这又不仅能够在空间照明（利用较大的出射角）时使用而且能够在目标照明（利用较小的出射角）时使用，也就是说能够在特别小的容积比下，正如在改型灯中的情况下。因此该改型灯特别是这样设计并且布置至少一个半导体发光装置，即由关于TIR结构的该半导体发光装置出射的光束至少基本上通过朝向光出射面或在光出射面方向上的全内反射而偏转。
通过将透镜能拆卸地安置到半导体发光装置上，该透镜可以用另一个特别也是上述类型的、但特别是具有不同的出射角的透镜（“更换透镜”）替换（透镜更换***），这得出灵活的、节约材料并且廉价的可能性，即半导体发光装置适用于不同的照明方式（空间照明、目标照明等）。
一个设计方案是，TIR结构至少基本完全覆盖光入射面。这实现了特别高的准直强度。
一个设计方案是，TIR结构覆盖光入射面的（通常相对于该结构的纵轴线，该纵轴线在大部分情况下也是对称轴）外部的、环形的区域。TIR结构在该处具有最好的效果，因为它能够将明显偏离纵轴线延伸的光束有效地转向纵轴线的方向。与之相反，在被TIR结构所包围的内部区域内（该区域通常包含纵轴线，并且该区域的光入射面被光束以相对于纵轴线较小的夹角照射），TIR结构在增加建模和生产成本时才能被略微改进，并且在大部分情况下并不需要TIR结构，因为大部分情况下不需要为了在该处校准光束而大幅度地使光束偏转或者甚至不需要使光束偏转。
还有一个设计方案是，光入射面的由TIR结构包围的内部区域是折射地使光束偏转的区域。该区域能够简单地制造并且在大部分情况下足以实现所需的（小的）光偏转。折射地使光束偏转的区域特别是可以设计为透镜形的（例如凸面的）。透镜形的区域例如可以设计为类似于一个透镜或者多个透镜（特别是透镜组）。透镜形的区域也可以具有一个或多个枕式的结构（Pillows）和/或菲涅尔结构（例如菲涅尔环带）。
还有另一个设计方案是，光入射面的被TIR结构包围的内部区域是光学上不起作用的区域。这个光学上不起作用的区域例如借助平坦的表面能够特别简单地构造出。在此得到利用的是，射到光学上不起作用的区域内的光束在其穿过光入射面的通路中通常只需要略微地进行偏转，然而出射角并不增大或者不明显增大。
另一个设计方案是，TIR结构在横截面中由至少一排（特别是齿状的）凸出部构成。该凸出部具有以下优点，即它们在狭窄的空间内能够使特别明显地倾斜或者与透镜的纵轴线成夹角地射出的光源光束特别有效地偏转，即特别是这种此外产生宽光锥或大出射角的光束。通过多个凸出部能够实现特别扁平的构造方式。
这排凸出部可以特别是一组环形的凸出部，该凸出部特别是不会相交（即彼此交错连接地布置）。这样得出的优点是，即能够在出射光的整个圆周方向上保持高准直强度。环形的凸出部尤其可以（例如相对于透镜的纵轴线）相互同心地布置。
环形的凸出部可以具有例如圆环形的基本形状，这实现了旋转对称的光出射效果，或者具有多角的、例如正方形的基本形状，这在确定的对称角度下仍然能够实现至少旋转对称的光出射效果。
在横截面中为齿状的凸出部的形状特别是三角形的，这实现了在简单地制造下获得高准直强度。因此能够在无底切的情况下产生这种TIR结构，并且因此例如借助浇铸法（例如借助喷射注塑法，例如用塑料或玻璃材料）来简单地制造。
原则上可以任意地给三角形的凸出部的两个自由边（该凸出部利用其第三边与其余的透镜连接）成型。因此，其中一个或者两个自由边（在横截面中）可以是直线行的和/或弯曲的，其中，两侧的直线形状能够被特别简单地建模和制造。
这排凸出部可以具有相同的基本形状和大小。可选地，凸出部中的至少两个、特别是所有的凸出部，可以具有彼此不同的基本形状和/或大小。这实现了特别良好地限定的和有效的光偏转。例如凸出部中的至少两个可以具有直线行的自由边，然而该凸出部包括彼此不同的角度，也就是更窄的或者更宽的。
还有一个设计方案是，凸出部中的至少几个是在高度上彼此错位的，和/或具有不同的高度。
一个改进方案是凸出部中的至少几个从内向外（特别是相对于纵轴线的径向距离）更深地形成和/或更深地伸出。
一个可替换的或者附加的改进方案是，凸出部中的至少几个从外向内（特别是相对于纵轴线的径向距离）更深地形成和/或更深地伸出。
通过凸出部的错位高度和/或更长的延伸长度或更深的端部，能够以紧凑的方式实现使在大空间角度区域***到光入射面上的光束有效地准直。
通过使凸出部中的至少几个从内（特别是较靠近于纵轴线布置地）向外（特别是远离纵轴线布置地）更深地形成（即位于更外部的凸出部与位于更内部的凸出部相比更深地形成），能够利用TIR结构覆盖大空间角度区域，特别是覆盖具有相对于半导体光源的对称轴的大入射光束角度的区域。这类似地适用于凸出部的高度或者长度从内向外增大的情况。
通过使凸出部中的至少几个从外向内更深地形成（即位于更内部的凸出部与位于更外部的凸出部相比更深地形成），也能够在TIR结构的内部区域上（特别也是在纵轴线的附近）实现明显偏转。这类似地适用于凸出部的高度或者长度从外向内增大的情况。
一个改进方案是，光入射面具有一个或者多个光学的或光学上起作用的区域，例如至少一个透镜形的区域、例如由多个透镜构成的区域、特别是显微镜可见的小透镜（“微透镜阵列”）。
至少一个半导体发光装置可以具有一个或者多个半导体光源。优选地，至少一个半导体光源包括至少一个发光二极管。在存在多个发光二极管时，它们可以发出相同颜色的光或者不同颜色的光。颜色可以是单色的（例如红色、绿色、蓝色等）或者是多色的（例如白色）。由至少一个发光二极管射出的光也可以是红外光（IR-LED）或者是紫外光（UV-LED）。多个发光二极管可以产生混合光；例如白色的混合光。至少一个发光二极管可以包含至少一个转换波长的发光材料（Konversions-LED）。这种发光材料能够可选地或附加地远离于发光二极管布置（“remote phosphor”远程荧光）。至少一个发光二极管能够以至少一个单个有壳的发光二极管的形式或者以至少一个LED芯片的形式存在。多个LED芯片可以安置在一个共同的基底（“Submount”）上。至少一个发光二极管可以装备至少一个单独的和/或共同的用于引导射束的光学元件、例如至少一个菲涅尔透镜、准直仪等。代替或者除了（例如基于InGaN或AlInGaP等的）无机发光二极管以外，通常也可以使用有机LED（OLED，例如聚合物OLED）。至少一个半导体光源可替换地能够具有例如至少一个二极管激光器。
一个改进方案是，至少一个半导体光源和透镜至少基本上相互同心地布置，这实现了特别是围绕透镜并且因此也围绕（这些）半导体光源的纵轴线对称的光出射效果。
一个设计方案是，半导体发光装置是改型灯。半导体改型灯特别是具有半导体光源的灯，该灯设计和设置用于替代传统的灯（白炽灯、卤素灯等）。特别是在半导体改型灯中，存在的问题是与此相关地保持要替代的灯的外部轮廓，因为半导体改型灯通常需要用于导出其余热的大散热体，因此仅允许用于透镜的非常有限的空间，这又使光偏转不足。特别是利用上述的透镜，具有简单部件和用于透镜的小构造空间的半导体改型灯能够实现高的准直度。
改型灯特别是白炽灯改型灯或卤素灯改型灯。
此外，该目的通过一个由这种半导体发光装置、特别是灯并且由至少一个其他的透镜（更换透镜）构成的组件来实现，在该灯中透镜能拆卸地安置在发光装置上，其中，这些透镜（即能够安置到发光装置上的透镜）在功能上的主要区别是产生不同的出射角。由此也提供一种灵活的、节约材料的和廉价的可能性，半导体发光装置能够适用于不同的照明方式（空间照明、目标照明等），也就是说首先不取决于所使用的透镜的具体构造。
该组件例如可以作为能够整体地或者分离地使用的产品而存在。在这种产品中，这种透镜已经安置在发光装置上并且包括更换透镜，或者所有透镜包括作为仍待安置的透镜。
一个设计方案是，半导体发光装置是如上所述的半导体发光装置，并且特别是包括如上所述的具有不同的、特别是大约30°和大约60°的出射角的至少一个、特别是至少两个透镜。由此终端用户也能够以简单的方式调整照明方式、特别是出射角。
附图说明
结合下面实施例的示意性的说明来更清楚地并且更明白地理解本发明的上述特性、特征和优点以及实现其的方式和方法，该实施例结合附图详细地来说明。在此为了简明，相同的或者作用相同的元件能够以相同的标号标出。
图1作为在侧视图中的截面图示出根据第一实施方式的半导体改型灯；
图2作为在侧视图中的截面图示出根据第一实施方式的半导体改型灯的透镜；
图3作为在侧视图中的截面图示出根据第二实施方式的半导体改型灯；以及
图4作为在侧视图中的截面图示出例如根据第一实施方式的用于半导体改型灯的另一个透镜。
具体实施方式
图1作为在侧视图中的截面图示出根据第一实施方式的半导体改型灯11。半导体改型灯11具有壳体12，该壳体同时设计为散热体并且具有用于容纳驱动器的容纳腔13（无图）。此外半导体改型灯11具有基底14（例如电路板），该基底具有在正面布置的以一个或者多个发光二极管的形式的半导体光源，在此仅仅示例性地示出一个发光二极管15。该发光二极管15向前（向上半个空间）发射光束，并且在此由透明的透镜16（作为通常的光学元件的简称）遮盖。
壳体12在其背面17上具有用于连接到传统的底座（无图）的灯座18，其中，灯座18与驱动器电连接，并且驱动器驱控发光二极管15。
透镜16可更换地固定在半导体改型灯11上、尤其在壳体12上，这样该透镜利用以卡环19形式的可松开的卡扣连接固定在其上。通过松开卡环19能够与透镜16脱开并且进行更换。
同样如在图2中更详细地示出，透镜16具有朝向发光二极管15的、在底侧的光入射面20和在顶侧的光出射面21。光入射面20具有TIR结构22，在该结构上借助全内反射使由发光二极管15射出的光束P（作为射到光入射面20上的光束）在光出射面21方向上偏转。为此，TIR结构22包括多个（在此为八个）围绕透镜16的纵轴线L同心地布置的环R1至R8。由此TIR结构22在横截面中在纵轴线L的每一侧上都具有一排相应于环R1至R8的齿状的凸出部R1至R8。
纵轴线L也是透镜16的对称轴和光学轴线，此外还相应于发光二极管15的对称轴和主出射方向。
该环或该凸出部R1至R8分别在横截面中设计为三角形的，并且具有两个自由边23，24。向纵轴线L取向的、内部的自由边23基本上处于垂直状态，或者说平行于纵轴线L，优选地具有小的脱模斜度，而背向于纵轴线L的、外部的自由边24处于倾斜状态。TIR结构22不具有底切，也就是说能够借助简单的模具来制造，例如借助浇铸法、特别是喷射注塑法。
凸出部R2至R8随着越来越远离纵轴线L更深地向下伸出（在与纵轴线L相反的方向上，因为该凸出部相应地更深地形成和/或具有更大的高度），并且因此能够以相对于纵轴线L的大角度来覆盖宽大的空间角度区域，而不会相互遮住。
凸出部R1与其他的凸出部R2至R8相比更靠近纵轴线L，该凸出部与紧邻的凸出部R2相比具有更高的高度，并且与凸出部R2相比更大程度地向下伸出。由此确保了以相对于纵轴线L的小角度射到TIR结构22上的光束也借助全内反射进行偏转。因此这样构造TIR结构22，即绝大多数的光束射到内部的自由边23上，并且在此使光束这样偏转，即它们接着也射到能全反射的外部的自由边24上。
在图2中借助光束P示出了全内反射的作用方式。在此，光束P示例性地从纵轴线L上的一个点出发从外射到环或者说凸出部R2的内部的自由边23上，并且从该处在少量（refraktive屈光的）折射下射到倾斜的外部的自由边24上。斜边24的角度这样来设计，即在凸出部R2内传播的光束P在射到斜边24上时被全反射，也就是说光束P更强地朝纵轴线的方向偏转。由此减小了出射角（相对于纵轴线L），也就是说借助非常紧凑的、特别是非常扁平的透镜16。
透镜16尤其可以围绕纵轴线旋转对称地来设计，特别是以圆形的基本形状来设计，或者以确定的旋转角度的、例如正方形的、六角形的或八角形等的对称性来旋转对称地设计，TIR结构22覆盖光入射面20的外部的、环形的（特别是圆环形的）区域25，即尤其可以指出，内部的包括纵轴线L的区域26不具有TIR结构。更确切地说，透镜16的在光入射面20上的内部区域26具有折射地使光束偏转的、凸面的透镜形状，该透镜形状足以使发光二极管15的射到该内部区域上的光束充分地在纵轴线L的方向上偏转，这些光束在该处示出小出射角，或者说相对于纵轴线L仅略微弯曲。
通过例如在自由边24的斜度、环或凸出部R1至R8的数量、间距、形状和/或高度等方面上改变透镜16，能够准确地调节出射角，例如调节为30°或者60°。
图3作为在侧视图中的截面图示出根据第二实施方式的半导体改型灯31。半导体改型灯31类似于半导体改型灯11地来构造，然而此时具有不同的透镜36和以螺纹环39形式的不同的可松开的卡扣连接。
透镜36具有截球形弯曲的基本形状，以便其光出射面41同样截球形地弯曲。光入射面40同样具有TIR结构42和凸面的内部区域26，然而TIR结构42的凸出部R在高度上彼此更显著地错位，以便使TIR结构42也高于TIR结构22。
螺纹环39优选地以压配合的方式将透镜36保持在壳体32中。螺纹环39能够旋拧到壳体32的外侧上，并且能够再次从其上拧下来，从而实现更换透镜，例如用于换成透镜16。
图4作为在侧视图中的截面图示出用于半导体改型灯的例如用于半导体改型灯11或31的另一个透镜56。
透镜56类似于透镜16地来构造，除此之外此时透镜56的内部区域66不具有专门的光学作用，而是设计为平面的区域。这实现了特别简单的制造，并且利用了下述情况，即光入射面50的内部区域66是足够小的并且不会增大出射角。
虽然通过所示的实施例更详细地说明并描述了本发明，但是本发明不局限于此，并且在不脱离本发明的保护范围的情况下，其他的变型可以由本领域技术人员推导出来。
透镜例如可以由塑料、玻璃或者陶瓷构成。
光出射面21也可以设计为光学上起作用的，例如至少部分区域成形为凸面的或者凹面的透镜形的和/或配备有至少一个光学上起作用的结构、例如另一个TIR结构、菲涅尔结构、微透镜等。
参考标号表
11 半导体改型灯
12 壳体
13 容纳腔
14 基底
15 发光二极管
16 透镜
17 背侧
18 底座
19 卡环
20 在底侧的光出射面
21 在顶侧的光出射面
22 TIR结构
23 直边
24 斜边
25 环形区域
26 内部区域
31 半导体改型灯
32 壳体
36 透镜
39 螺纹环
41 光出射面
42 TIR结构
50 光入射面
56 透镜
66 内部区域
L 纵轴线
P 光束
R1 环/凸出部
R2 环/凸出部
R3 环/凸出部
R4 环/凸出部
R5 环/凸出部
R6 环/凸出部
R7 环/凸出部
R8 环/凸出部
Claims (13)
1.一种半导体发光装置（11；31），具有至少一个半导体光源（15）和透镜（16；36；56），其中
-所述透镜（16；36；56）具有在底侧的、朝向至少一个所述半导体光源（15）的光入射面（20；50）和在顶侧的光出射面（21），
-所述光入射面（20；50）具有以TIR结构（22；42）的形式的光偏转结构，入射到所述光偏转结构上的光（P）能够借助全内反射在所述光出射面（21）方向上偏转，并且
-所述透镜（16；36；56）能拆卸地安置在所述半导体发光装置（11，31）上。
2.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，所述TIR结构（22；42）至少基本完全覆盖所述光入射面（20；50）。
3.根据权利要求1所述的半导体发光装置（11；31），其中，所述TIR结构（22；42）覆盖所述光入射面（20；50）的外部的环形区域（25）。
4.根据权利要求3所述的半导体发光装置（11；31），其中，所述光入射面（20）的被所述TIR结构（22；42）包围的内部区域（26）是折射地使光束偏转的区域。
5.根据权利要求3所述的半导体发光装置（11；31），其中，所述光入射面（50）的被所述TIR结构（22）包围的内部区域（66）是光学上不起作用的区域。
6.根据前述权利要求中任一项所述的半导体发光装置（11；31），其中，所述TIR结构（22；42）在横截面中由至少一排齿状的凸出部（R1-R8；R）构成。
7.根据权利要求6所述的半导体发光装置（11；31），其中，所述凸出部（R1-R8；R）中的至少几个是在高度上彼此错位的和/或具有不同的高度。
8.根据权利要求7所述的半导体发光装置（11；31），其中，所述凸出部（R2-R8）中的至少几个从内向外更深地形成和/或更深地伸出。
9.根据权利要求7或8中任一项所述的半导体发光装置（11；31），其中，所述凸出部（R1）中的至少几个从外向内更深地形成和/或更深地伸出。
10.根据前述权利要求中任一项所述的半导体发光装置（11；31），其中，所述半导体发光装置（11，31）是灯、特别是改型灯。
11.根据前述权利要求中任一项所述的半导体发光装置（11；31），其中，所述光出射面（21）具有一个或多个光学上起作用的区域。
12.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的半导体发光装置（11；31）和至少一个更换透镜（16；36；56）的组件，其中，所述透镜（16；36；56）在功能上的主要区别是产生不同的出射角。
13.根据权利要求12所述的组件，其中，所述透镜（16；36；56）中的一个具有大约30°的出射角，并且所述透镜（16；36；56）中的另一个具有大约60°的出射角。
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