專利名稱：用于led光源的透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于LED(光發(fā)射二極管)光源的透鏡并且，更具體來說，涉及用于在高效率顯示和照明光學(xué)系統(tǒng)中使用的LED光源的透鏡。
背景技術(shù)：
近來，在顯示和照明光學(xué)系統(tǒng)中，對于環(huán)境友好的、高效率的并且具有長壽命跨度的光源的需要大大增加。為了實現(xiàn)上述目的，已經(jīng)進(jìn)行研究以增加LED的效率和亮度。作為選擇，使用LED的光源已經(jīng)被開發(fā)。這種LED光源被用在顯示和照明光學(xué)系統(tǒng)中。具體來說，根據(jù)設(shè)計如環(huán)境友好的電視的出版物，使用LED光源的LCD(液晶顯示)的研究和開發(fā)被日益促進(jìn)。為了滿足上述技術(shù)需要，用于在顯示和照明設(shè)備中使用的LED光源的更有效的透鏡的開發(fā)被需要。
使用LED光源的照明設(shè)備或者顯示使用通過混合三種基色(RGB)而產(chǎn)生的白LED或者白光作為光源。白LED具有優(yōu)良的白光實現(xiàn)。然而，在白LED被用于顯示的情形中，因為色調(diào)是可區(qū)別的，所以色再現(xiàn)性變壞。因此，典型地，使用RGB的光源被用作用于高清晰度顯示的光源。
圖1是示出用于顯示的常規(guī)光源實例的視圖。詳細(xì)而言圖1示出怎樣使用三基色(RGB)中LED的設(shè)置來產(chǎn)生白光。
如圖1所示，在使用三基色LED光源10的顯示的情形中，因為白光(W)是由混合LED光(例如，紅，綠和藍(lán))而產(chǎn)生的，從三基色LED光源10到屏幕20的距離(D1，或者光發(fā)射距離)必須是預(yù)定值或以上。因此，顯示在厚度上被增加。
圖2是示出用于顯示的常規(guī)光源的另一個實例的視圖。具體來說，圖2示出了使用光導(dǎo)板40的情形。
在圖2的情形中，LED 30被放置在光導(dǎo)板40的一側(cè)。從LED 30發(fā)射的光的路徑32被限定在光導(dǎo)板40內(nèi)，并且光被光導(dǎo)板40的邊界面重復(fù)反射。因此，具有優(yōu)良均勻性和色調(diào)節(jié)能力的顯示可被體現(xiàn)。然而，難以將圖2的情形應(yīng)用到大屏幕顯示。而且，圖2情形的缺點還在于光效率被降低。
在克服上述問題的努力中，一種透鏡被公布，這種透鏡允許從LED光源發(fā)射的光在圓周方向上射出透鏡。這種透鏡的有代表性的實例在美國專利No.6,679,621中被提出，其中提供了側(cè)發(fā)射型LED以及具有反射面和折射面的透鏡。在美國專利No.6,679,621中公布的透鏡特征在于從LED發(fā)射的光通過側(cè)面射出透鏡，該測面為折射面。圖3示出了具有上述結(jié)構(gòu)的透鏡的另一個實例。
圖3的透鏡50包括底面52，反射面54，相對于透鏡50的中心軸60成角度的第一折射面56，以及從底面52延伸到第一折射面56的第二折射面58。從底面52的焦點(F)進(jìn)入透鏡50的光一部分被反射面54反射并且通過第一折射面56射出透鏡50。光的剩余部分通過第二折射面58射出透鏡50。
在圖3的透鏡50中，大部分光通過包括第一和第二折射面的透鏡50的側(cè)面射出透鏡50。因而，圖3的透鏡50特征在于來自LED光源的光通過側(cè)面被發(fā)射。然而，由于圍繞透鏡50的中心軸60對稱的單個反射面54僅被用于將光引導(dǎo)到透鏡50的側(cè)面，如果透鏡50被用于相對大的LED光源以增加亮度，一些光不通過側(cè)面發(fā)射，而是不合需要地穿過透鏡50的上部分。因此，當(dāng)圖3的透鏡50被用于顯示中時，在提供均勻光方面存在困難。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明緊記在現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的上述問題，并且本發(fā)明的一個目的是要提供一種用于LED光源的透鏡，其增加在側(cè)方向上射出透鏡光的效率。
一方面，本發(fā)明提供一種用于LED(光發(fā)射二極管)光源的透鏡，包括透鏡體，其具有底面，圍繞透鏡的中心軸對稱并且相對于該中心軸成角度的上反射面，以及從上反射面邊緣延伸到底面邊緣的側(cè)面；以及被限定在透鏡體中的并且圍繞透鏡的中心軸對稱的內(nèi)部空間，在內(nèi)部空間的邊界面的至少一部分上提供的內(nèi)部反射面而且該內(nèi)部反射面圍繞透鏡的中心軸對稱并且以預(yù)定的角度傾斜，從而從LED光源通過底面進(jìn)入透鏡的光被上反射面或者內(nèi)部反射面反射并在基本垂直于透鏡中心軸的方向上通過側(cè)面射出透鏡。
該透鏡可進(jìn)一步包括下反射面，其具有預(yù)定曲率并被提供在LED光源的光進(jìn)入透鏡所通過的底面部分以外的底面部分上。下反射面圍繞透鏡的中心軸對稱，使得被內(nèi)部反射面反射的光的一部分被該下反射面反射并通過側(cè)面射出透鏡。
內(nèi)部空間可包括透鏡的中心軸在其中穿過的區(qū)域。該透鏡可進(jìn)一步包括選擇性透射面，其被提供在內(nèi)部空間的下邊界面的中心部分上以反射通過底面進(jìn)入該透鏡的光的一部分。
該選擇性透射面可包括垂直于透鏡中心軸的平面。作為選擇，該選擇性透射面可被形成為穹頂，錐體或者梯形形狀以改變撞擊上反射面的光的入射角度。
內(nèi)部空間可在透鏡中心軸所穿過的區(qū)域以外的部分中被配置為環(huán)形。該透鏡可進(jìn)一步包括內(nèi)側(cè)反射面，其被提供在內(nèi)部空間的內(nèi)側(cè)邊界面上同時圍繞透鏡的中心軸對稱并且以預(yù)定的角度傾斜，從而使通過底面進(jìn)入透鏡的光的一部分順序地被該內(nèi)側(cè)反射面和上反射面反射并通過側(cè)面射出透鏡。
另一方面，本發(fā)明提供用于LED(光發(fā)射二極管)光源的透鏡，包括下透鏡單元，其包括耦合到LED光源的底面；以及上透鏡單元，其被堆疊并耦合到下透鏡單元，并包括圍繞透鏡中心軸對稱并相對于該中心軸成角度的上反射面。上透鏡單元和下透鏡單元被耦合以限定它們之間的圍繞透鏡中心軸對稱的內(nèi)部空間，并且下透鏡單元的上表面的至少一部分，其與內(nèi)部空間接觸，形成內(nèi)部反射面，該內(nèi)部反射面圍繞透鏡中心軸對稱并以預(yù)定角度傾斜，使得從LED光源通過底面進(jìn)入透鏡的光的一部分被上反射面反射并在基本垂直于透鏡中心軸的方向上通過上透鏡單元射出透鏡，并且從LED光源通過底面進(jìn)入透鏡的光的另一部分被內(nèi)部反射面反射并在基本垂直于透鏡中心軸的方向上通過下透鏡單元射出透鏡。
透鏡中的光可經(jīng)過全內(nèi)反射被反射。
該透鏡可進(jìn)一步包括至少一個突起和一個相應(yīng)的阻擋裝置，其被提供在上透鏡單元的下表面和下透鏡單元的上表面，使得上透鏡單元和下透鏡單元通過該突起和阻擋裝置的接合而相互耦合。
該突起和阻擋裝置可通過插入它們之間的粘合材料結(jié)合在一起。
該透鏡可進(jìn)一步包括選擇性透射面，其被提供在光所穿過的下透鏡單元的上表面的中心部分，使得從LED光源通過底面進(jìn)入透鏡的光的一部分被該選擇性透射面反射。
該透鏡可進(jìn)一步包括下反射面，其具有預(yù)定曲率并被提供在下透鏡單元的底面。下反射面圍繞透鏡的中心軸對稱，使得被選擇性透射面反射的光的一部分被該下反射面反射。
在另一方面，本發(fā)明提供用于LED(光發(fā)射二極管)光源的透鏡，包括下透鏡單元，其包括耦合到LED光源的底面；以及上透鏡單元，其被堆疊并耦合到下透鏡單元，并且包括上反射面，其圍繞透鏡的中心軸對稱并相對于該中心軸成角度。該上透鏡單元和下透鏡單元被耦合從而在它們之間限定具有環(huán)形狀的內(nèi)部空間。該透鏡進(jìn)一步包括提供在內(nèi)部空間的內(nèi)側(cè)邊界面上的內(nèi)側(cè)反射面，從而使從LED光源通過底面進(jìn)入透鏡的光的一部分被內(nèi)側(cè)反射面反射并在基本垂直于透鏡中心軸的方向上射出透鏡。


通過下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點將被更清晰地理解，其中圖1示出用于顯示的常規(guī)光源的實例的視圖；圖2示出用于顯示的另一個常規(guī)光源實例的視圖；圖3示出用于LED光源的常規(guī)側(cè)發(fā)射類型透鏡的視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的用于LED光源的透鏡的截面圖；圖5是圖4透鏡的分解的透視圖；圖6a是為說明圖5的上和下透鏡單元耦合的實例的視圖；圖6b是為說明圖5的上和下透鏡單元耦合的另一個實例的視圖；圖6c是為說明圖5的上和下透鏡單元耦合的再一實例的視圖；圖7是示出使用圖4的透鏡用于顯示的光源的截面圖；圖8是根據(jù)圖4的第一實施例的第一修正用于LED光源的透鏡的截面圖；圖9是根據(jù)圖4的第一實施例的第二修正用于LED光源的透鏡的截面圖；圖10a到圖10c是曲線圖，其相比較地示出了依據(jù)圖4，8和9的透鏡形狀的亮度變化；圖11是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例用于LED光源的透鏡的截面圖；以及圖12是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例用于LED光源的透鏡的截面圖。
具體實施例方式
在下文中，將關(guān)于附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例。
現(xiàn)在參閱附圖，其中在所有不同附圖中相同的參考數(shù)字表示相同或相似的組件。
圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實施例用于LED光源的透鏡110的截面圖。圖5是圖4的透鏡110的分解的透視圖。
根據(jù)本發(fā)明第一實施例用于LED光源的透鏡110包括透鏡體120。透鏡體120具有底面150，圍繞透鏡110的中心軸112對稱并且相對于中心軸112成角度的上反射面132，以及從上反射面132邊緣延伸到底面150邊緣的側(cè)面124。透鏡110進(jìn)一步包括內(nèi)部空間(S)，其被限定在透鏡體120中，并且圍繞透鏡110的中心軸112對稱。內(nèi)部反射面142被提供在內(nèi)部空間(S)邊界面的至少一部分上，例如，內(nèi)部空間(S)下邊界面的至少一部分上，同時圍繞透鏡110的中心軸112對稱并且以預(yù)定的角度傾斜。因而，本發(fā)明的透鏡110除內(nèi)部反射面142以外還包括上反射面142，使得從LED光源160發(fā)射的光的一部分被上反射面132反射并且光的另一部分被內(nèi)部反射面142反射以通過側(cè)面124射出透鏡110。
透鏡110進(jìn)一步包括選擇性透射面148，其被提供在內(nèi)部反射面142之內(nèi)，也就是透鏡110的中心軸112穿過的內(nèi)部空間(S)的下邊界面的區(qū)域。選擇性透射面148反射從LED光源160通過底面150進(jìn)入透鏡110的一部分光。透鏡110進(jìn)一步包括下反射面146，其具有預(yù)定曲率并被提供在耦合LED光源160的底面150中心部分以外的底面150的部分上。下反射面146圍繞透鏡110的中心軸112對稱。基于在選擇性透射面148相互接觸的兩種介質(zhì)(例如，透鏡體120和空氣)之間的折射率差，根據(jù)入射光的入射角，選擇性透射面148接受從LED光源160進(jìn)入透鏡110的光的一部分，并反射所述光的剩余部分。
從LED光源160發(fā)射的穿過選擇性透射面148的一部分光連續(xù)穿過內(nèi)部空間(S)的上邊界面并且，其后被上反射面132反射并通過側(cè)面124射出透鏡110。根據(jù)上反射面132的傾斜角度，大部分撞擊上反射面132的光被上反射面132反射并且通過側(cè)面124的上側(cè)面134射出透鏡110(見圖4的箭頭L1)。
LED光源160的光的另一部分，其被選擇性透射面148反射而不是穿過選擇性透射面148，被下反射面146反射并通過側(cè)面124的下側(cè)面144射出透鏡110(見圖4的箭頭L2)或者直接通過側(cè)面124射出透鏡110。
沒有入射到選擇性透射面148上的LED光源160的光的其它部分被內(nèi)部表面142反射并且通過側(cè)面124，也就是，通過下側(cè)面124射出透鏡110(見圖4的箭頭L3)。作為選擇，被內(nèi)部表面142反射的光可再次被下反射面146反射以通過側(cè)面124射出透鏡110。
因而，在第一實施例中，內(nèi)部反射面142和選擇性透射面148用來限定透鏡體120中的內(nèi)部空間(S)。換句話說，內(nèi)部空間(S)邊界面的部分被用作內(nèi)部反射面142和選擇性透射面148。
具體來說，因為撞擊內(nèi)部空間(S)邊界面的下邊界面的光從具有高折射率的透鏡體120經(jīng)過到具有低折射率的內(nèi)部空間(空氣)，下邊界面可作為內(nèi)部反射面142和選擇性透射面148。另一方面，因為撞打擊內(nèi)部空間(S)邊界面的上邊界面的光從具有低折射率的內(nèi)部空間(空氣)經(jīng)過到具有高折射率的透鏡體120，所以大部分光穿過上邊界面而沒有被反射。因而，由于在透鏡體120中限定的內(nèi)部空間(S)，本發(fā)明具有內(nèi)部反射面142和選擇性透射面148以及上反射面132，這樣增加了通過側(cè)面124射出透鏡110的光的量。
在具有上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的透鏡110中，在空氣和構(gòu)成透鏡110的材料之間的邊界面上，也就是，在上反射面132、內(nèi)部反射面142、選擇性透射面148以及下反射面146上，光經(jīng)過全內(nèi)反射(total internalreflection，TIR)被反射。
典型地，當(dāng)光從一種介質(zhì)經(jīng)過到具有不同性質(zhì)的另一種介質(zhì)時，其被折射。根據(jù)兩種介質(zhì)的種類和光的入射角度，所有的光被反射而沒有折射。這種反射被稱作全內(nèi)反射或者全反射。全內(nèi)反射發(fā)生的條件如下。
第一，光從具有高折射率的介質(zhì)經(jīng)過到具有低折射率的另一介質(zhì)。
第二，撞擊兩種介質(zhì)之間邊界面的光的入射角度大于臨界角度。
臨界角度(θC)由兩種介質(zhì)的折射率，也就是，根據(jù)斯涅耳定律來確定。
假定兩種介質(zhì)是玻璃和水，玻璃的折射率用因數(shù)n1表示，空氣的折射率用因數(shù)n2表示，在玻璃上的入射角度是臨界角度(θC)，而且在空氣上的折射角度是90°，當(dāng)上述參考變量根據(jù)斯涅耳定律被設(shè)置時，得到下列方程1。
方程1n1sinθC＝n2sin90°如果方程1關(guān)于臨界角度(θC)被設(shè)置，那么得到下列方程2。
方程2θC=sin-1n2n1]]>因為空氣對玻璃的相對折射率大約為1.50，如果該值被用于上述方程，可以理解空氣和玻璃之間邊界面的臨界角度為大約42°。
因此，考慮到兩種介質(zhì)的種類(折射率)和光的入射角，得到上反射面132，內(nèi)部反射面142，選擇性透射面148和下反射面146的每個的適當(dāng)傾斜和曲率。因此，根據(jù)構(gòu)成用于LED光源的透鏡110(更具體地說，透鏡體120)的材料性質(zhì)以適當(dāng)?shù)男螤钚纬伤龇瓷涿妗?br> 優(yōu)選地，本發(fā)明的透鏡110被分成上透鏡單元130和下透鏡單元140。例如，為形成本發(fā)明的透鏡110，具有上反射面132的上透鏡單元130被堆疊并耦合到具有底面150的下透鏡單元140，LED光源160與該底面150耦合。圖5示出用于耦合上和下透鏡單元130和140的裝置，如形成在上透鏡單元130下端邊緣上的阻擋裝置156和形成在下透鏡單元140上端邊緣上的突起154。
圖6a到圖6c是說明耦合上和下透鏡單元130和140的實例的視圖。透鏡110的耦合在此將關(guān)于圖6a到6c被詳細(xì)描述。
圖6a示出耦合上和下透鏡單元130和140的實例，其中提供在上透鏡單元130上的阻擋裝置156與提供在下透鏡單元140上的突起154接合。
如圖6a所示，下透鏡單元140包括耦合凹陷152用以在其中接收LED光源160，以及底面150，其在耦合凹陷152的周圍具有下反射面146。下透鏡單元140進(jìn)一步包括選擇性透射面148，其與耦合凹陷152相對，以及內(nèi)部反射面142，其基于選擇性透射面148對稱。下透鏡單元140進(jìn)一步包括下側(cè)面144，其從內(nèi)部反射面142的邊緣延伸到下反射面146的邊緣。
上透鏡單元130被堆疊并耦合到下透鏡單元140。在細(xì)節(jié)上，上透鏡單元130包括下表面136，其面對選擇性透射面148并以預(yù)定的距離與選擇性透射面148隔開。上透鏡單元130進(jìn)一步包括上反射面132，其圍繞透鏡110的中心軸112對稱并相對于中心軸112成角度，以及上側(cè)面134，其從上反射面132的邊緣延伸到下表面136的邊緣。
上和下透鏡單元130和140以及被耦合到下透鏡單元140的底面150的LED光源160具有相同的中心軸112并被組裝在一起。下透鏡單元140的選擇性透射面148和內(nèi)部反射面142和上透鏡單元130的下表面136限定了透鏡體120的內(nèi)部空間(s)(見圖4)，同時上和下透鏡單元130和140相互耦合。
阻擋裝置156被提供在上透鏡單元130的下端邊緣。突起154被提供在下透鏡單元140的上端邊緣。突起154和阻擋裝置156相互接合，從而使上透鏡單元130被堆疊并耦合到下透鏡單元140，這樣形成單個的透鏡體120(見圖4)。
突起154和阻擋裝置156相對并且相互接合。沿著下和上透鏡單元140和130的結(jié)合的邊緣可提供有一對或者多對突起154和阻擋裝置156。優(yōu)選地，如圖5所示，突起154和阻擋裝置156分別沿著下和上透鏡單元140和130被配置為環(huán)形。
此外，可在突起154和阻擋裝置156之間插入粘合材料以將上透鏡單元130結(jié)合到下透鏡單元140。在此情形中，粘合材料優(yōu)選地具有與上和下透鏡單元130和140的折射率相等的折射率。例如，如果每個上和下透鏡單元130和140是由玻璃制成，粘合材料可由具有與玻璃折射率相同的折射率的環(huán)氧樹脂制成。
耦合凹陷152形成在下透鏡單元140的底面150的中心上。提供在基底162上的LED光源160被插入耦合凹陷152。圖6的基底162被配置為適合與耦合凹陷152接合的形狀。然而，可選擇地，基底162可被配置為在其上支持整個下透鏡單元140的形狀。優(yōu)選地，其上提供LED光源160的基底162和下透鏡單元140的耦合凹陷152是通過另一種插入它們之間的粘合材料或填充材料以與所述的使用粘合材料來耦合突起154和阻擋裝置156的相同方式被密封和結(jié)合在一起。該粘合材料或填充材料也具有與上和下透鏡單元130和140的折射率相同的折射率。
圖6b和6c說明了耦合圖5的上和下透鏡單元130和140的另一個實施例。圖6b說明了在下透鏡單元140的下測面144的上端提供的突起154，使得上透鏡單元140的上側(cè)面134的下端156’被插在下透鏡單元140的突起154內(nèi)側(cè)以將上透鏡單元130耦合到下透鏡單元140。當(dāng)然，可選擇地，突起154可被提供在上透鏡單元130上使得下透鏡單元140的上端被插入到上透鏡單元130的突起154中。
與圖6a的透鏡110不同，圖6c說明了在上透鏡單元130的上側(cè)面134的下端之下提供的突起154和在下透鏡單元140的下側(cè)面144的上端提供的阻擋裝置156。這樣，通過突起154和阻擋裝置156的接合上透鏡單元130被耦合到下透鏡單元140。
圖7是截面圖，其示出了使用本發(fā)明的透鏡110的用于顯示的光源。在圖7所示的用于顯示的光源中，使用了根據(jù)第一實施例的透鏡110。如圖7所示，與用于顯示的常規(guī)光源10(見圖1)相比，附著到基底170的本發(fā)明的透鏡110可大大降低光發(fā)射距離。因此，使用本發(fā)明的透鏡110的顯示裝置降低了從LED光源到屏幕180的用于顯示的距離(D2)，從而顯著降低顯示的厚度。
此外，圖7的用于顯示的光源發(fā)射相對均勻的光到屏幕180。因此，即使當(dāng)本發(fā)明的透鏡110被用于大屏幕顯示，光效率也不被惡化。
圖8是根據(jù)圖4的第一實施例的第一修正的用于LED光源的透鏡110a的截面圖。圖9是根據(jù)圖4的第一實施例的第二修正的用于LED光源的透鏡110b的截面圖。圖8的透鏡110a特征在于選擇性透射面148a具有不同于圖4的透鏡110的預(yù)定形狀。在細(xì)節(jié)上，圖8的選擇性透射面148a具有朝內(nèi)部空間(S)彎曲的穹頂形狀。因而，選擇性透射面148a是凸起的，使得從LED光源160發(fā)射的光被反射的比例不同于具有平面形狀的選擇性透射面148(見圖4)。此外，撞擊上反射面132的光的入射角可根據(jù)選擇性透射面148a的形狀變化。例如，選擇性透射面148a可被形成為錐體或者梯形形狀以及圖8所示的穹頂形狀。
與圖8的透鏡110a不同，圖9的透鏡110b特征在于上透鏡單元130的下表面136的中心部分朝內(nèi)部空間(S)凸出，由于凸出表面136b，從下透鏡單元140進(jìn)入上透鏡單元130的具有大入射角的一些光被內(nèi)反射。就是說，凸出表面136b用來調(diào)節(jié)撞擊上透鏡單元130的上反射面132的光的角度。在細(xì)節(jié)上，從凸出表面136b延伸到下表面136的邊界面包括內(nèi)側(cè)反射面126。這樣，具有大入射角的光被內(nèi)側(cè)反射面126反射并且，此后，它入射到上反射面132以通過側(cè)面124射出透鏡110b。
在具有上述結(jié)構(gòu)的透鏡110b中，穿過內(nèi)部空間(S)的LED光源160的一部分光被上反射面132反射并通過側(cè)面124的上部分射出透鏡110b(見圖9的箭頭L4)。LED光源160的另一部分光被內(nèi)部表面142反射并通過側(cè)面124的下部分射出透鏡110b(見圖9的箭頭L5)。LED光源160的其它部分光，其在穿過選擇性透射面148a之后以大的入射角進(jìn)入上透鏡單元130，被內(nèi)側(cè)反射面126反射并且，此后，被上反射面132反射，并通過側(cè)面124射出透鏡110b(見圖9的箭頭L6)。
因而，由于上透鏡單元130的下表面136的中心部分朝選擇性透射面148a凸出以形成凸出表面136b，圖9的透鏡110b降低了其中具有大入射角的光直接射出透鏡單元110b而沒有被上反射面132反射或者光通過以大角度被入射到上反射面132上而以未預(yù)期的方向射出透鏡110b的問題。此外，由于通過凸出上透鏡單元130的下表面136的中心部分而形成的內(nèi)側(cè)面126，即使當(dāng)LED光源160具有相對寬的發(fā)射面，就是說，即使當(dāng)光以大入射角入射到上透鏡單元130上時，所述光也通過側(cè)面124高效率地射出透鏡110b(見圖9的箭頭L6)。
圖10a到10c是相比較地示出當(dāng)耦合到相同的特定LED光源時分別使用圖4，8和9的透鏡110，110a和110b的情形中亮度變化的曲線圖。透鏡110，110a和110b的每個的光亮度(發(fā)光強度)被測量作為從上面視圖上的透鏡110，110a，110b(基于X-平面)的距離的函數(shù)并且其結(jié)果用曲線圖來表達(dá)。該曲線圖相比較示出了在使用相同的測量設(shè)備在相同的條件下依據(jù)圖4，8，和9的透鏡110，110a和110b的形狀的亮度的變化。最大亮度被設(shè)定為參考數(shù)字“1”，而其它測量值作為基于該最大亮度的近似值被示出。
參看圖10a，接近透鏡中心的區(qū)域(位置軸的0點)的亮度大約是1。在透鏡圓周的周圍區(qū)域(位置軸的±40點)的亮度大約是0.25。與此對照，在圖10b中，接近透鏡中心的區(qū)域(位置軸的0點)的亮度大約是0.6。在透鏡圓周的周圍區(qū)域(位置軸的±40點)的亮度大約是0.25。與圖10a的情形相比較透鏡的中心和圓周之間的亮度變化被降低。在圖10c中，接近透鏡中心的區(qū)域(位置軸的0點)的亮度大約是0.4。在透鏡圓周的周圍區(qū)域(位置軸的±40點)的亮度大約是0.27。在透鏡的中心和圓周之間的亮度變化是最低的。
因而，對于相同的特定LED光源，亮度可依據(jù)透鏡的形狀，具體來說，依據(jù)在透鏡中限定的內(nèi)部空間的形狀而變化。當(dāng)然，本發(fā)明可被設(shè)置為從LED光源發(fā)射的光被均勻地從透鏡漫射到鄰近區(qū)域。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的用于LED光源的透鏡210的截面圖。根據(jù)第二實施例的透鏡210包括透鏡體220。透鏡體220具有底面250，其與附著有LED光源260的基底262緊密接觸。透鏡體220還具有上反射面232，其圍繞透鏡210的中心軸212對稱并相對于中心軸212成角度。透鏡體220還具有側(cè)面224，其從上反射面232的邊緣延伸到底面250的邊緣。透鏡210還包括限定在透鏡體220中的內(nèi)部空間(S)。內(nèi)部空間(S)的下邊界面形成內(nèi)部反射面242和選擇性透射面248。內(nèi)部空間(S)的下邊界面反射或者透射從LED光源260發(fā)射的光。被上反射面232反射的光通過側(cè)面224的上側(cè)面234射出透鏡210。被選擇性透射面248或者內(nèi)部反射面242反射的光通過側(cè)面224的下側(cè)面244射出透鏡210。
除了下反射面146(見圖4)以外，具有上述結(jié)構(gòu)的透鏡210類似于根據(jù)第一實施例的透鏡110。根據(jù)第二實施例的透鏡210中，下透鏡單元的凸出表面具有特定形狀以補償下反射面的取消。通過被插入到形成在底面250的中心部分上的耦合凹陷(未示出)，LED光源260被耦合到底面250，而進(jìn)一步的解釋被認(rèn)為是不必要的。
接下來，圖12是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的用于LED光源的透鏡310的截面圖。根據(jù)第三實施例的透鏡310包括透鏡320。透鏡體320具有底面350，其與附著有LED光源360的基底362緊密接觸。透鏡體320還具有上反射面332，其圍繞透鏡310的中心軸312對稱并相對于中心軸312成角度。透鏡體320還具有側(cè)面324，其從上反射面332的邊緣延伸到底面350的邊緣。透鏡310還包括被限定在透鏡體320中的內(nèi)部空間(S)。
如圖12所示，根據(jù)第三實施例的透鏡310特征在于內(nèi)部空間(S)被配置為環(huán)形狀。具體來說，透鏡310的中心軸312所穿過的透鏡體320的部分被垂直地集成。內(nèi)部空間(S)以環(huán)形狀限定在透鏡體320集成的中心部分周圍。在第三實施例中，面對透鏡310的中心軸312的內(nèi)部空間(S)的內(nèi)側(cè)邊界面用作內(nèi)側(cè)反射表面326。內(nèi)部空間(S)的下邊界面用作內(nèi)部反射面342。
在具有上述結(jié)構(gòu)的透鏡310中，從LED光源360通過環(huán)形內(nèi)部空間之內(nèi)的集成中心部分撞擊上反射面332的一部分光被上反射面332反射并通過側(cè)面324的上側(cè)面334射出透鏡310(見圖12的箭頭L7)。從LED光源360發(fā)射的另一部分光順序地被內(nèi)側(cè)反射面326和上反射面332反射并通過上側(cè)面334射出透鏡310(見圖12的箭頭L8)。從LED光源360發(fā)射的光的其它部分被內(nèi)部反射面342反射并通過側(cè)面324的下側(cè)面344射出透鏡310(見圖12的箭頭L9)。
在如上所述的本發(fā)明中，內(nèi)部空間被限定在透鏡體中，從而使內(nèi)部空間的邊界面用作反射面。因此，從LED光源發(fā)射的光通過側(cè)面高效地射出透鏡。
此外，盡管在優(yōu)選實施例中沒有描述，在上和下透鏡單元的耦合中，額外的中間透鏡單元可被插入在具有上反射面的上透鏡單元和具有底面的下透鏡單元之間。顯而易見的是，額外的反射面由中間透鏡單元形成。
然而，在此情形中，因為一些光穿過包括下、中間和上透鏡單元的厚介質(zhì)，用戶必須考慮由于透鏡光效率的降低而造成的光損失。
因而，根據(jù)本發(fā)明的用于LED光源的透鏡能夠在大屏幕上形成規(guī)則的照明場，因此被更有效地用在顯示和照明光學(xué)系統(tǒng)中。
如上所述，本發(fā)明提供用于LED光源的透鏡，其中內(nèi)部空間被限定在具有底面和上反射面的透鏡體中，使得穿過內(nèi)部空間的光在內(nèi)部空間和透鏡體之間邊界面的一部分上經(jīng)過全內(nèi)反射被反射，因此允許從LED光源發(fā)射的光通過側(cè)面高效地射出透鏡。因此，本發(fā)明的透鏡被用在高效顯示和照明光學(xué)系統(tǒng)中。
盡管本發(fā)明的優(yōu)選實施例為了說明的目的被公布，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解各種修改、添加和替換是可能的，但不背離所附權(quán)利要求中所公布的本發(fā)明的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種用于LED(光發(fā)射二極管)光源的透鏡，包括透鏡體，其包括底面；上反射面，其圍繞透鏡的中心軸對稱并相對于中心軸成角度；以及側(cè)面，其從上反射面的邊緣延伸到底面的邊緣；以及內(nèi)部空間，其被限定在透鏡體中并圍繞透鏡的中心軸對稱，在內(nèi)部空間邊界面的至少一部分上提供有內(nèi)部反射面，其圍繞透鏡中心軸對稱并以預(yù)定角度傾斜，使得從LED光源通過底面進(jìn)入透鏡的光被上反射面或者內(nèi)部反射面反射并在基本垂直于透鏡中心軸的方向上通過側(cè)面射出所述透鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的透鏡，進(jìn)一步包括下反射面，其具有預(yù)定曲率并被提供在不同于LED光源的光進(jìn)入透鏡所通過的底面部分的底面部分上，下反射面圍繞透鏡中心軸對稱，使得被內(nèi)部反射面反射的光的一部分被該下反射面反射并通過側(cè)面射出所述透鏡。
3.如權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述內(nèi)部空間在其中包括一區(qū)域，透鏡中心軸穿過該區(qū)域，該透鏡進(jìn)一步包括選擇性透射面，其被提供在內(nèi)部空間的下邊界面的中心部分上以反射通過底面進(jìn)入透鏡的光的一部分。
4.如權(quán)利要求3所述的透鏡，其中所述選擇性透射面包括垂直于透鏡中心軸的平面。
5.如權(quán)利要求3所述的透鏡，其中所述選擇性透射面具有朝上反射面彎曲的穹頂形狀。
6.如權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述內(nèi)部空間在透鏡中心軸穿過的區(qū)域以外的部分中被配置為環(huán)形狀，該透鏡進(jìn)一步包括內(nèi)側(cè)反射面，其被提供在所述內(nèi)部空間的內(nèi)側(cè)邊界面上同時圍繞該透鏡中心軸對稱并以預(yù)定角度傾斜，使得通過底面進(jìn)入透鏡的光的一部分順序地被該內(nèi)側(cè)反射面和上反射面反射并通過側(cè)面射出透鏡。
7.如權(quán)利要求6所述的透鏡，進(jìn)一步包括下反射面，其具有預(yù)定的曲率并被提供在LED光源的光進(jìn)入透鏡所通過的底面部分以外的底面部分上，該下反射面圍繞透鏡的中心軸對稱，使得被內(nèi)部反射面反射的光的一部分被該下反射面反射并通過所述側(cè)面射出所述透鏡。
8.一種用于LED(光發(fā)射二極管)光源的透鏡，包括下透鏡單元，其包括耦合到LED光源的底面；以及上透鏡單元，其被堆疊并耦合到下透鏡單元，并且包括圍繞透鏡中心軸對稱并相對于該中心軸成角度的上反射面，其中所述上透鏡單元和下透鏡單元被耦合以在它們之間限定圍繞透鏡中心軸對稱的內(nèi)部空間，并且與內(nèi)部空間接觸的下透鏡單元的上表面的至少一部分，形成圍繞該透鏡中心軸對稱并以預(yù)定角度傾斜的內(nèi)部反射面，使得從LED光源通過底面進(jìn)入透鏡的光的一部分被該上反射面反射并在基本垂直于透鏡中心軸的方向上通過上透鏡單元射出透鏡，且從LED光源通過底面進(jìn)入透鏡的光的另一部分被內(nèi)部反射面反射并在基本垂直于透鏡中心軸的方向上通過下透鏡單元射出透鏡。
9.如權(quán)利要求8所述的透鏡，其中所述透鏡中的光經(jīng)過全內(nèi)反射被反射。
10.如權(quán)利要求9所述的透鏡，進(jìn)一步包括至少一個突起和一個對應(yīng)的阻擋裝置，其被提供在上透鏡單元的下表面和下透鏡單元的上表面，使得通過該突起和阻擋裝置的接合上透鏡單元和下透鏡單元被相互耦合。
11.如權(quán)利要求10所述的透鏡，其中所述突起和阻擋裝置通過插入它們之間的粘合材料被結(jié)合在一起，并且該粘合材料具有等于所述上和下透鏡單元的折射率的折射率。
12.如權(quán)利要求8所述的透鏡，進(jìn)一步包括選擇性透射面，其被提供在光所穿過的下透鏡單元的上表面的中心部分，使得從LED光源通過底面進(jìn)入透鏡的光的一部分被該選擇性透射面反射。
13.如權(quán)利要求12所述的透鏡，進(jìn)一步包括下反射面，其具有預(yù)定曲率并被提供在下透鏡單元的底面，該下反射面圍繞透鏡中心軸對稱，使得被選擇性透射面反射的光的一部分被該下反射面反射。
14.如權(quán)利要求13所述的透鏡，其中所述選擇性透射面包括垂直于透鏡中心軸的平面。
15.如權(quán)利要求3所述的透鏡，其中所述選擇性透射面具有朝上反射面彎曲的穹頂形狀。
16.一種用于LED(光發(fā)射二極管)光源的透鏡，包括下透鏡單元，其包括耦合到LED光源的底面；以及上透鏡單元，其被堆疊并耦合到下透鏡單元，并且包括圍繞該透鏡中心軸對稱并相對于中心軸成角度的上反射面，其中所述上透鏡單元和下透鏡單元被耦合以在它們之間限定具有環(huán)形狀的內(nèi)部空間，該透鏡進(jìn)一步包括內(nèi)側(cè)反射面，其被提供在內(nèi)部空間的內(nèi)側(cè)邊界面上，使得從LED光源通過底面進(jìn)入透鏡的光的一部分被該內(nèi)側(cè)反射面反射并在基本垂直于透鏡中心軸的方向上射出透鏡。
17.如權(quán)利要求16所述的透鏡，其中被所述內(nèi)側(cè)反射面反射的光被上透鏡的上反射面反射并在基本垂直于透鏡中心軸的方向上射出透鏡。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于LED光源的透鏡，其允許從LED光源發(fā)射的光以垂直于該透鏡的垂直中心軸的方向射出透鏡。本發(fā)明的透鏡包括內(nèi)部空間，其被限定在具有底面和上反射面的透鏡體中，使得穿過內(nèi)部空間的光在內(nèi)部空間和透鏡體之間的邊界面的一部分(選擇性的透射面，內(nèi)部反射面，內(nèi)側(cè)反射面)上經(jīng)過全內(nèi)反射被部分反射。這樣，從LED光源發(fā)射的光通過側(cè)面從透鏡高效率地射出。因此，本發(fā)明的透鏡被用于高效率顯示和照明光學(xué)系統(tǒng)。
文檔編號G02B3/00GK1760700SQ20051006913
公開日2006年4月19日 申請日期2005年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月15日
發(fā)明者金鎮(zhèn)宗, 鄭鎬燮, 李相赫, 全珠熹 申請人:三星電機株式會社