CN111609330A - 小光束角的光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小光束角的光源，包括半导体发光元件和透镜，所述半导体发光元件被包埋于透镜内并与透镜无缝结合，所述透镜具有顶面以及与顶面连接的侧面，所述半导体发光元件具有一个以上出光面，其中至少一个出光面朝向所述透镜的顶面设置，并且由所述半导体发光元件射向所述透镜侧面的至少部分光线能够被所述透镜侧面反射后沿光轴透射出。本发明的小光束角的光源结构简单，将反射式照明应用中的光利用效率大大增加；相比于未加透镜的光源，使出光功率提高10％以上；与二次透镜相比，所述一次透镜体积小、重量轻，在光源封装时实现与芯片的无缝连接，便于安装，出光率提高；同时制程简单便捷、低成本、体积小、适于规模化制造和应用。

Description

小光束角的光源

技术领域

本发明涉及一种半导体照明光源的设计，特别涉及一种小光束角的光源。

背景技术

近年来，LED光源已经在照明领域广泛应用。目前大多数LED光源在应用时一般不加一次透镜或加半球形一次透镜，这种光源得到的光场通常为朗伯型，如图1所示，朗伯型光场的光束角较大。而在有些应用中，需要小光束角的LED光源，例如：透射式探照灯、透射式手电筒、舞台灯等应用领域。为了进一步扩大LED光源应用市场，需要对其进行优化设计。

目前在灯具中设计合适的二次透镜可以获得小光束角的光，但是从LED光源发射出的光，只有投射到灯具二次透镜表面的部分(0°～+/-θ)，才能有效被透镜准直射出，成为这类灯具主要的有效光线。而没有投射到透镜表面的光(+/-90°～+/-θ)，则自由散出，对照射距离没有显著作用。如图2所示，为现有灯具中的二次透镜示意图。

对于朗伯型光场，根据公式计算，如图3所示，θ角为45°时，光利用效率仅为50％；θ角为30°时，光利用效率下降到25％；若要使光利用效率达到75％以上，则θ角须小于60°，这意味着透镜的直径要加大很多，会带来透镜制作成本和难度增加，灯具体积和重量增加等一系列问题。公式可表示为：

式中η：光利用效率；θ：LED光源与透镜边缘连线和LED光源法线方向的夹角；i(θ):LED光源在角度为θ处的光强。

二次透镜是指在组装灯具过程中，为了获得所需光场，而加装在光源前方的光学透镜。二次透镜与光源之间通常存在空隙、间距，没有连成一体。与一次透镜相比，灯具中的二次透镜并不能增加LED的光取出效率，只能改变从LED射出到外界的光的传播路径，二次透镜的体积和重量大，成本高。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种小光束角的光源，其具有提高光取出效率、制程简单便捷、低成本、体积小等特点。

为实现前述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明实施例提供了一种小光束角的光源，其包括半导体发光元件和透镜，所述半导体发光元件被包埋于透镜内并与透镜无缝结合，所述透镜具有顶面以及与顶面连接的侧面，所述半导体发光元件具有一个以上出光面，其中至少一个出光面朝向所述透镜的顶面设置，并且由所述半导体发光元件射向所述透镜侧面的至少部分光线能够被所述透镜侧面反射后沿光轴透射出。

在一些实施例中，由所述半导体发光元件射向所述透镜顶面的光线能够从所述透镜顶面透射出并沿光轴传输。

进一步地，所述半导体发光元件的朝向透镜顶面的出光面的尺寸与所述透镜顶面的最大尺寸之比小于2：3。

进一步地，所述半导体发光元件的朝向透镜顶面的出光面或透镜顶面的形状包括圆形、矩形、菱形或多边形。

进一步地，所述透镜顶面包括平面或凸面。

进一步地，所述透镜侧面为透明面，由所述半导体发光元件射向所述透镜侧面的、入射角大于全反射角的光线能够被所述透镜侧面反射后沿光轴传输；或者，所述透镜侧面为反射面，由所述半导体发光元件射向所述透镜侧面的光线能够被所述透镜侧面反射后沿光轴传输。

与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：

1)本发明提供的小光束角的光源结构简单，可有效提高光取出效率、制程简单便捷、低成本、体积小、适于规模化制造和应用；

2)本发明提供的小光束角的光源将反射式照明应用中的光的利用效率大大增加；相比于未加透镜的光源，使出光功率提高10％以上；与二次透镜相比，所述一次透镜体积小、重量轻，在光源封装时实现与芯片的无缝连接，便于安装，出光率提高；

3)本发明提供的小光束角的光源相比通常的朗伯光场，在同样光利用效率条件下，灯具透镜直径能够降低很多，与此对应灯具的体积重量都会降低。

附图说明

图1是朗伯型光场示意图。

图2是灯具中的二次透镜示意图。

图3是朗伯型光场光利用效率与角度的关系曲线图。

图4a-图4b分别是本发明一较佳实施例中小光束角的光源的实物图及相应的光场分布图。

图5是本发明一较佳实施例中小光束角的光源的光利用效率与角度的关系曲线图。

图6a-图6f分别是本发明不同较佳实施例中小光束角的光源的结构示意图。

图7a-图7b分别是本发明另一较佳实施例中小光束角的光源的实物图及相应的光场分布图。

附图标记说明：1-一次透镜，2-荧光层，3-LED芯片，4-封装基板，5-反射杯。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例的一个方面提供了一种小光束角的光源，其包括半导体发光元件和透镜，所述半导体发光元件被包埋于透镜内并与透镜无缝结合，所述透镜具有顶面以及与顶面连接的侧面，所述半导体发光元件具有一个以上出光面，其中至少一个出光面朝向所述透镜的顶面设置，并且由所述半导体发光元件射向所述透镜侧面的至少部分光线能够被所述透镜侧面反射后沿光轴透射出。

在一些实施例中，由所述半导体发光元件射向所述透镜顶面的光线能够从所述透镜顶面透射出并沿光轴传输。

在一些实施例中，所述半导体发光元件的朝向透镜顶面的出光面的尺寸(例如直径或对角线长)与所述透镜顶面的最大尺寸(例如直径或对角线长)之比小于2：3。

在一些实施例中，所述半导体发光元件的朝向透镜顶面的出光面或透镜顶面的形状为圆形或方形，所述方形可以是矩形、菱形、多边形等，但不仅限于此。其中，当所述半导体发光元件的朝向透镜顶面的出光面或透镜顶面为圆形时，尺寸以直径计算；当所述半导体发光元件的朝向透镜顶面的出光面或透镜顶面为方形时，尺寸以对角线长计算。

在一些实施例中，所述透镜顶面包括平面或凸面，但不仅限于此。

进一步地，所述凸面包括球面、双曲面、抛物面、锥面等中的任意一种或多种的组合，例如，所述凸面可以是阵列式凸面等，但不仅限于此。

在一些实施例中，所述透镜侧面为透明面，由所述半导体发光元件射向所述透镜侧面的、入射角大于全反射角的光线能够被所述透镜侧面反射后沿光轴传输；或者，所述透镜侧面为反射面，由所述半导体发光元件射向所述透镜侧面的光线能够被所述透镜侧面反射后沿光轴传输。

在一些实施例中，所述透镜侧面为弧形面。

进一步地，所述弧形面上部的尺寸(例如直径或对角线长)大于下部的尺寸(例如直径或对角线长)。

更进一步地讲，所述透镜侧面为下小上大的弧形面(为透明面或反射面)，所述透镜顶面为凸面(透明面)，使光场沿光源轴向出光汇聚，形成小光束角。

更进一步地，所述弧形面包括抛物面、球面或双曲面等，透射面与反射面皆可，但不仅限于此。

进一步地，所述透镜为透明材料构成，具体可以包括硅胶、PC、PMMA、玻璃、PP、PS、PVC、PET、ABS、SAN等，但不仅限于此。

在一些实施例中，所述半导体发光元件包括LED芯片，所述LED芯片与透镜直接结合；或者，所述半导体发光元件包括LED芯片，至少在所述LED芯片的出光面上包覆有荧光层，所述荧光层与透镜直接结合。

进一步地，所述LED芯片的数量为1个以上，所述LED芯片可以为蓝光、红光、绿光、黄光、红外等多种波长的LED芯片，但不限于此。

进一步地，所述荧光层的材质为荧光粉，所述荧光粉可以是无荧光粉、黄光荧光粉、绿光荧光粉、红光荧光粉等不同波长的荧光粉，但不限于此。

进一步地，前述一次透镜的顶部凸面最大直径为荧光层尺寸的1.5倍以上。

在一些实施例中，所述半导体发光元件的底面与基板结合，所述半导体发光元件的顶面及侧面均为出光面，并且所述半导体发光元件的顶面、侧面分别朝向所述透镜的顶面、侧面设置。

进一步地，前述一次透镜、荧光层和半导体发光元件之间实现无缝连接。前述一次透镜侧弧面具有把前述半导体发光元件中发出的经过荧光层进入一次透镜的大角度的光反射出去的功能。前述一次透镜顶部凸面具有把较小角度的光线经折射向光源轴向汇聚的功能。

综上所述，本发明的小光束角的光源结构简单，将反射式照明应用中的光利用效率大大增加；相比于未加透镜的光源，使出光功率提高10％以上；与二次透镜相比，所述一次透镜体积小、重量轻，在光源封装时实现与芯片的无缝连接，便于安装，出光率提高；同时制程简单便捷、低成本、体积小、适于规模化制造和应用。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合若干较佳实施例及附图，对本发明的技术方案进行进一步详细解释说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，但其中的实验条件和设定参数不应视为对本发明基本技术方案的局限。并且本发明的保护范围不限于下述的实施例。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图6a所示，为本发明一典型实施例的小光束角的LED光源的典型结构，其包括一次透镜1、荧光层2、LED芯片3和封装基板4。所述一次透镜与LED芯片3或荧光粉胶无缝连接。具体的，在所述LED芯片3的出光面上包覆有荧光层2，所述荧光层2与一次透镜1直接结合。所述LED芯片3的底面与封装基板4结合，所述LED芯片3的顶面及侧面均为出光面，并且所述LED芯片3的顶面、侧面分别朝向所述一次透镜1的顶面、侧面设置。

其中，所述一次透镜1的侧面为下小上大的弧形面(为透明面或反射面)，一次透镜1的顶面为凸面(透明面)，使光场沿光源轴向出光汇聚，形成小光束角。所述一次透镜1具有顶面以及与顶面连接的侧面，所述LED芯片3具有一个以上出光面，其中至少一个出光面朝向所述一次透镜1的顶面设置，并且由所述LED芯片3射向所述一次透镜1侧面的至少部分光线能够被所述一次透镜1侧面反射后沿光轴透射出。

其中，前述一次透镜1、荧光层2和LED芯片3之间实现无缝连接。一次透镜1侧弧面具有把前述LED芯片3中发出的经过荧光层2进入一次透镜1的大角度的光沿光源轴向反射出去(一次透镜1侧弧面为透明面：把大于全反射角的光线沿光源轴向反射出去；一次透镜1侧弧面为反射面：所有光线都反射出去)的功能，前述一次透镜1顶部凸面具有把较小角度的光线经折射向光源轴向汇聚的功能。

进一步地，所述LED芯片3的朝向一次透镜1顶面的出光面的直径与所述一次透镜1顶面的最大直径之比小于2：3。

进一步地，所述LED芯片3与一次透镜1顶面对应的出光面的直径小于所述一次透镜1顶面的直径，亦即，图6a中的L1大于1.5xL2。

进一步地，在本优选实施例中所述一次透镜1为透明材料构成，具体可以包括硅胶、PC、PMMA、玻璃、PP、PS、PVC、PET、ABS、SAN等，但不仅限于此。

进一步地，在本优选实施例中LED芯片3的数量为1个以上，所述LED芯片可以为蓝光、红光、绿光、黄光、红外等多种波长的LED芯片，但不限于此。

进一步地，在本优选实施例中所述荧光层2的材质为荧光粉，所述荧光粉可以是无荧光粉、黄光荧光粉、绿光荧光粉、红光荧光粉等不同波长的荧光粉，但不限于此。

进一步地，前述一次透镜1的顶部凸面最大直径为荧光层2尺寸的1.5倍以上。

本实施例中小光束角的LED光源的工作原理至少为：

一.所述一次透镜侧弧面的作用：

把大角度的光沿光源轴向反射出去；(一次透镜侧弧面为透明面：把大于全反射角的光线沿光源轴向反射出去；一次透镜侧弧面为反射面：所有光线都反射出去

二.所述一次透镜的顶部凸面的作用：

把较小角度的光线经折射向光源轴向汇聚。

进一步地，所述一次透镜的顶部凹面的直径大于荧光层的尺寸。

进一步地，所述一次透镜在封装时实现与LED芯片的无缝连接，提高光功率。

经测试，本实施例的小光束角的LED光源的光利用效率与角度的关系曲线图如图5所示。其中，当θ角为30°时，光利用效率>58％；θ角为45°时，光利用效率>90％；相比通常的朗伯光场，在同样光利用效率条件下，灯具二次透镜直径能够降低很多，与此对应灯具的体积重量都会降低。

进一步地，所述一次透镜的凸面可以是球面、双曲面、抛物面、锥面中的任意一种或多种的组合，例如，所述凸面可以是阵列式凸面等，所述透镜侧面包括透明的下小上大的弧形面，所述弧形面可以是抛物面、球面或双曲面等，因此，本发明小光束角的LED光源的具体结构有很多形式，例如可参阅图6b-图6f所示的结构，但不仅限于这些结构。其中，图6d中还具有反射杯5的结构。

本发明一较佳实施例中小光束角的LED光源的实物图及相应的光场分布图请参阅图4a-图4b所示，加装图4a所示一次透镜后，光功率效率提高了15％，从图4b可知，实验结构表明，50％光束角约为60°。

进一步地，本发明另一较佳实施例中小光束角的LED光源的实物图及相应的光场分布图请参阅图7a-图7b所示。

综上所述，藉由本发明的上述技术方案，本发明的小光束角的光源将反射式照明应用中的光的利用效率大大增加；相比于未加透镜的光源，使出光功率提高10％以上；与二次透镜相比，所述一次透镜体积小、重量轻，在光源封装时实现与芯片的无缝连接，便于安装，可有效提高光取出效率、制程简单便捷、低成本、体积小、适于规模化制造和应用。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小光束角的光源，其特征在于包括半导体发光元件和透镜，所述半导体发光元件被包埋于透镜内并与透镜无缝结合，所述透镜具有顶面以及与顶面连接的侧面，所述半导体发光元件具有一个以上出光面，其中至少一个出光面朝向所述透镜的顶面设置，并且由所述半导体发光元件射向所述透镜侧面的至少部分光线能够被所述透镜侧面反射后沿光轴透射出。

2.如权利要求1所述的小光束角的光源，其特征在于：由所述半导体发光元件射向所述透镜顶面的光线能够从所述透镜顶面透射出并沿光轴传输。

3.如权利要求1或2所述的小光束角的光源，其特征在于：所述半导体发光元件的朝向透镜顶面的出光面的尺寸与所述透镜顶面的最大尺寸之比小于2：3；优选的，所述半导体发光元件的朝向透镜顶面的出光面或透镜顶面的形状包括圆形、矩形、菱形或多边形。

4.如权利要求1或2所述的小光束角的光源，其特征在于：所述透镜顶面包括平面或凸面。

5.如权利要求4所述的小光束角的光源，其特征在于：所述凸面包括球面、双曲面、抛物面、锥面中的任意一种或多种的组合；优选的，所述凸面包括阵列式凸面。

6.如权利要求1所述的小光束角的光源，其特征在于：所述透镜侧面为透明面，由所述半导体发光元件射向所述透镜侧面的、入射角大于全反射角的光线能够被所述透镜侧面反射后沿光轴传输；或者，所述透镜侧面为反射面，由所述半导体发光元件射向所述透镜侧面的光线能够被所述透镜侧面反射后沿光轴传输。

7.如权利要求1所述的小光束角的光源，其特征在于：所述透镜侧面为弧形面。

8.如权利要求7所述的小光束角的光源，其特征在于：所述弧形面上部的尺寸大于下部的尺寸；和/或，所述弧形面包括抛物面、球面或双曲面。

9.如权利要求1所述的小光束角的光源，其特征在于：所述半导体发光元件包括LED芯片，所述LED芯片与透镜直接结合；或者，所述半导体发光元件包括LED芯片，至少在所述LED芯片的出光面上包覆有荧光层，所述荧光层与透镜直接结合。

10.如权利要求1所述的小光束角的光源，其特征在于：所述半导体发光元件的底面与基板结合，所述半导体发光元件的顶面及侧面均为出光面，并且所述半导体发光元件的顶面、侧面分别朝向所述透镜的顶面、侧面设置。

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