專利名稱：側(cè)面發(fā)射發(fā)光二極管光源的內(nèi)透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光源的側(cè)射透鏡裝置，特別涉及一種側(cè)面發(fā)射發(fā)光二極管(簡稱LED)光源的內(nèi)透鏡(Inner Lens)，屬照明系統(tǒng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著發(fā)光二極管(簡稱LED)技術(shù)的快速發(fā)展，LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用日益受到半導(dǎo)體界和照明界的關(guān)注。國外LED應(yīng)用產(chǎn)品近年來發(fā)展迅速，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括手機(jī)背光源、顯示屏幕、汽車照明、建筑裝飾照明、信號照明等。大功率LED已被大量用于汽車照明中，汽車照明約占LED市場的18％左右。LED用于汽車最早在20世紀(jì)80年代中期，當(dāng)時主要用于汽車的高位剎車燈。信號照明是LED單色光應(yīng)用比較廣也比較早的一個領(lǐng)域，約占LED應(yīng)用市場的4％左右。典型的應(yīng)用實例是交通信號燈，LED在各種單色信號和照明方面足以與加濾色片的白熾燈泡相抗衡。LED照明的特點低耗電量、壽命長、彩色LED產(chǎn)品已覆蓋了整個可見光譜范圍，且單色性好，色彩純度高，LED的光效遠(yuǎn)高于白熾燈。上世紀(jì)90年代末期，LED的高并行化、超高亮度和全色化使其應(yīng)用領(lǐng)域也日趨廣泛，逐步走向室內(nèi)外照明領(lǐng)域。
由于LED特殊的發(fā)光原理，使其在達(dá)到同等亮度情況下所需消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通白熾燈，隨著關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步突破，白光LED的光效有可能達(dá)到150-200lm/W，大大超越現(xiàn)在所有照明光源的光效，在照明方面有著誘人的前景。相對于傳統(tǒng)的電光源產(chǎn)品。LED的能耗較低，是一種節(jié)能光源，LED技術(shù)在照明應(yīng)用領(lǐng)域的突破給高效照明家族又增添了新的力量。
采用LED交通信號燈還可以降低維修成本，減少燒毀時發(fā)生其它事故的可能性，并且能夠在停電期間采用應(yīng)急電池。LED信號照明還大量用于出口(EXIT)指示。這種在各類建筑中都必備的應(yīng)急安全指示標(biāo)志，采用LED有很多優(yōu)點，可靠性高、減少維護(hù)、壽命長，而且節(jié)省能源。
受技術(shù)和價格因素的限制，LED作為新興的高效照明產(chǎn)品，目前還處于初級階段?，F(xiàn)在世界各國的科研人員正在努力突破高亮度需求與相對低的光通量、低成本等技術(shù)難關(guān)，特別是如何提高LED在普通照明領(lǐng)域的應(yīng)用時的光通量，使LED為照明節(jié)電提供更廣闊的拓展空間。普通LED外形尺寸只有5mm，由于單個LED功率小，發(fā)光強(qiáng)度不夠，若將若干個LED靈活地組合，并采用聚光的方法提高發(fā)光強(qiáng)度，如用于飛機(jī)或火車上的閱讀照明。
目前，側(cè)面發(fā)射LED光源經(jīng)常被用在大屏幕液晶顯示和大型廣告燈箱的背光照明中。將多個RGB側(cè)面發(fā)射LED光源有規(guī)律的排列起來鑲嵌在導(dǎo)光板中，這樣形成的背光源厚度更薄、光度分布更加均勻、顯示的色彩更加真實。美國的LumiLED公司現(xiàn)已經(jīng)廣泛采用側(cè)面發(fā)射LED光源作為液晶電視背光模組的光源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了提供一種側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡。該內(nèi)透鏡可將發(fā)光二極管芯片發(fā)出的光經(jīng)過折射和全反射以后，集中在一個較小的角度內(nèi)向側(cè)面方向的一周射出，采用該內(nèi)透鏡可使LED遠(yuǎn)場角度分布的峰值在側(cè)面方位角±85°的位置，峰值寬度為15°～20°；而發(fā)光二極管芯片中心軸線方向的光強(qiáng)分布小于峰值光強(qiáng)的15％；從而增強(qiáng)了LED的側(cè)面發(fā)光效率。
本發(fā)明所述的側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡是指與發(fā)光二極管芯片封裝在一起的光學(xué)透鏡。其作用是對二極管芯片發(fā)出的光進(jìn)行會聚或者按照某一方向?qū)獾陌l(fā)射角度進(jìn)行分配。
根據(jù)本發(fā)明的上述目的所提供的一種側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡，該內(nèi)透鏡與發(fā)光二極管芯片封裝成LED模塊，且發(fā)光二極管芯片位于內(nèi)透鏡的中心軸上，該LED模塊還包括底座；發(fā)光二極管芯片，安裝于底座上；內(nèi)透鏡的底部與底座相連，且發(fā)光二極管芯片位于內(nèi)透鏡的中心軸上；內(nèi)透鏡的作用是改變發(fā)光二極管芯片的光的發(fā)射方向，將大部分光從側(cè)面，沿垂直于所述發(fā)光二極管芯片中心軸線的方向聚集在很小的角度內(nèi)向周圍發(fā)射，內(nèi)透鏡與發(fā)光二極管芯片一起封裝。
根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)透鏡封裝的LED模塊，還包括導(dǎo)光介質(zhì)，其位于發(fā)光二極管芯片和內(nèi)透鏡之間，用于固定封裝發(fā)光二極管芯片并傳導(dǎo)發(fā)光二極管芯片所發(fā)出的光至內(nèi)透鏡。
根據(jù)所述的側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡，內(nèi)透鏡采用全反射—折射組合式的結(jié)構(gòu)，由上下兩部分組成，透鏡的上部分利用光的全反射，透鏡的下部分利用光的折射；內(nèi)透鏡包括下透鏡，其底部與底座相連；下透鏡將發(fā)光二極管芯片所發(fā)出的經(jīng)導(dǎo)光介質(zhì)傳導(dǎo)的光折射后沿與內(nèi)透鏡的中心軸相垂直的方向發(fā)射出去；以及上透鏡，其底部與下透鏡的上部相連，并用于將發(fā)光二極管芯片所發(fā)出的光全反射后沿與內(nèi)透鏡的中心軸垂直的方向發(fā)射出去。
根據(jù)所述的側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡，內(nèi)透鏡的下透鏡包括內(nèi)彎曲面，其為凹的球面或者橢球面，其位于發(fā)光二極管芯片的上方，其凹面的空間被用于發(fā)光二極管芯片的引線，并透射所述發(fā)光二極管芯片的光。
折射表面為非球面折射面，它的焦點位于發(fā)光二極管芯片的中心位置，折射表面將發(fā)光二極管芯片所發(fā)出的經(jīng)導(dǎo)光介質(zhì)傳導(dǎo)的光折射后沿與內(nèi)透鏡的中心軸相垂直的方向發(fā)射出去，其頂部設(shè)有用于發(fā)光二極管芯片向上透鏡出射光的開口，開口的兩端的折射表面與上透鏡的底部相連；連接平面，其連接內(nèi)彎表面和折射表面，位于下透鏡底部且與底座相連，并用于連接發(fā)光二極管芯片的封裝殼體。
根據(jù)所述的側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡，上透鏡還包括下表面，其與下透鏡的上部相連；反射表面，其表面為全反射面，它的橫截面的輪廓線是以發(fā)光二極管芯片的中心為焦點的拋物線，從發(fā)光二極管芯片發(fā)出的光，經(jīng)過反射表面的全反射后，沿與內(nèi)透鏡的中心軸垂直的方向反射出去；連接表面，其表面是以發(fā)光二極管芯片軸線為中心的柱面，被全反射表面反射的水平方向發(fā)射的光線經(jīng)過連接表面后光線的方向沒有改變，其用于連接下表面和反射表面，并將反射表面所反射的光保持其出射方向。
所述的側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡，用于光發(fā)射二極管模塊的封裝，將LED的光集中在一個很小的角度內(nèi)，向側(cè)面的一周發(fā)射。
本發(fā)明提供的側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡采用全反射-折射組合式的結(jié)構(gòu)，由上下兩部分組成，透鏡的下部分利用了光的折射，由內(nèi)彎表面、折射表面、連接表面組成。透鏡的上部分是利用光的全反射，由反射表面、連接表面、下表面組成。以發(fā)光二極管芯片的中心軸線為0度方位角，發(fā)光二極管芯片發(fā)出的光經(jīng)過內(nèi)透鏡折射和全反射以后，集中在一個較小的角度內(nèi)向側(cè)面方向的一周射出，LED遠(yuǎn)場角度分布的峰值在側(cè)面方位角±85°的位置，峰值寬度為15°～20°。發(fā)光二極管芯片中心軸線方向的光強(qiáng)分布小于峰值光強(qiáng)的15％。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下本發(fā)明通過內(nèi)透鏡的折射表面和全反射表面，使位于其中心軸上的發(fā)光二極管芯片光源的光從內(nèi)透鏡的側(cè)面發(fā)射，該內(nèi)透鏡在LED的側(cè)面方向集中了更多的光束，增強(qiáng)了LED的側(cè)面發(fā)光效率。


圖1為本發(fā)明發(fā)光二極管芯片光源的側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡的原理圖；圖2為本發(fā)明側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡的剖面圖；圖3為本發(fā)明側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡第一實施例(包含一個發(fā)光二極管芯片)的三維示意圖；圖4為本發(fā)明側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡第一實施例光線跟蹤圖；圖5為本發(fā)明側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡第一實施例遠(yuǎn)場角度分布圖；圖6為本發(fā)明側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡第一實施例遠(yuǎn)場坎德拉極坐標(biāo)分布圖；圖7為本發(fā)明側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡第二實施例(包含二個發(fā)光二極管芯片)的三維示意圖；圖8為本發(fā)明側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡第二實施例光線跟蹤圖；圖9為本發(fā)明側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡第二實施例的遠(yuǎn)場角度分布圖；圖10為本發(fā)明側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡第二實施例遠(yuǎn)場坎德拉極坐標(biāo)分布圖。
具體實施例方式
參照圖1、2，根據(jù)本發(fā)明的側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡，該內(nèi)透鏡與發(fā)光二極管芯片12封裝成LED模塊，且發(fā)光二極管芯片12位于內(nèi)透鏡的中心軸上該LED模塊還包括底座11，發(fā)光二極管芯片12安裝于底座上，內(nèi)透鏡14底部與底座11相連，且發(fā)光二極管芯片12位于內(nèi)透鏡的中心軸上；內(nèi)透鏡14的作用是改變發(fā)光二極管芯片12的光的發(fā)射方向，將大部分光從側(cè)面，沿垂直于所述發(fā)光二極管芯片12中心軸線的方向聚集在很小的角度內(nèi)向周圍發(fā)射，內(nèi)透鏡與發(fā)光二極管芯片12封裝在一起。該LED模塊還包括導(dǎo)光介質(zhì)13，其位于發(fā)光二極管芯片12和內(nèi)透鏡14之間，用于固定封裝發(fā)光二極管芯片12并傳導(dǎo)發(fā)光二極管芯片12所發(fā)出的光至內(nèi)透鏡14。內(nèi)透鏡14采用全反射—折射組合式的結(jié)構(gòu)，由上下兩部分組成，透鏡的上部分是利用光的全反射作用，透鏡的下部分是利用光的折射作用；其中內(nèi)透鏡14包括下透鏡16，其底部與底座11相連；下透鏡16將發(fā)光二極管芯片12所發(fā)出的經(jīng)導(dǎo)光介質(zhì)13傳導(dǎo)的光折射后沿與內(nèi)透鏡14的中心軸相垂直的方向發(fā)射出去；以及上透鏡15，其底部與下透鏡16的上部相連，并用于將發(fā)光二極管芯片12所發(fā)出的光反射后沿與內(nèi)透鏡14的中心軸垂直的方向發(fā)射出去。
所述下透鏡16包括內(nèi)彎曲面1、折射表面2和連接平面3；其中該內(nèi)彎曲面1為凹的球面或者橢球面，其位于發(fā)光二極管芯片12的上方，該內(nèi)彎曲面1與底座11之間的空間用于發(fā)光二極管芯片12的引線，引線以外的其余空間則填滿折射率為1.42的硅膠(Silicon)作為導(dǎo)光介質(zhì)13，該導(dǎo)光介質(zhì)13透射發(fā)光二極管芯片12的光；折射表面2為非球面折射面，其焦點位于發(fā)光二極管芯片12所在內(nèi)透鏡14中心軸的位置處，折射表面2將發(fā)光二極管芯片12所發(fā)出的、經(jīng)導(dǎo)光介質(zhì)13傳導(dǎo)的光折射后沿與內(nèi)透鏡14的中心軸相垂直的方向發(fā)射出去；該折射表面的頂部設(shè)有用于所述發(fā)光二極管芯片向上透鏡15出射光的開口17，所述開口的兩端的折射表面2與上透鏡15的底部相連；連接平面3，其連接內(nèi)彎表面1和折射表面2的另一端，位于下透鏡16底部與底座11相貼合，以用于封裝發(fā)光二極管芯片12。
所述上透鏡15包括下表面6、反射表面4和連接表面5；其中該下表面6與下透鏡16的開口17兩端的折射表面2一端相連；該反射表面4為全反射面，其橫截面的輪廓線是以發(fā)光二極管芯片12的所在內(nèi)透鏡14中心軸的位置為焦點的拋物線，從發(fā)光二極管芯片12發(fā)出的光，經(jīng)過反射表面4的全反射后，沿與內(nèi)透鏡14的中心軸垂直的方向反射出去；連接表面5，其是以發(fā)光二極管芯片軸線為中心的柱面，用于連接下表面6和反射表面4，被反射表面4反射的水平方向發(fā)射的光線經(jīng)過連接表面5后光線的方向沒有改變。
下透鏡16的開口17的端點與內(nèi)透鏡14的中心軸上的發(fā)光二極管芯片處的連線與下透鏡16的連接平面3的夾角為銳角。更具體地說，該夾角為0°到50°之間。上透鏡15的下表面6是一個與水平面夾角為5±1度的錐面。
透鏡的工作原理如圖1所示，側(cè)面發(fā)射LED光源的封裝內(nèi)透鏡采用全反射—折射組合式的結(jié)構(gòu)，它由上下兩部分組成，形狀類似于一個大耳朵的兔子。透鏡的材料為PMMA。
本發(fā)明側(cè)面發(fā)射LED光源的的封裝方法，連同內(nèi)透鏡的尺寸如圖2所示。圖3為本發(fā)明側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡第一實施例的三維示意圖，這里采用了一個1mm(長)×1mm(寬)×0.25mm(高)發(fā)光二極管芯片。
對本發(fā)明第一實施例的側(cè)面發(fā)光LED進(jìn)行光線追跡，追跡的結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。圖4為光線跟蹤示意圖，這里將發(fā)光二極管芯片中心軸線的方向定為0度方位角，發(fā)光二極管芯片的發(fā)光功率設(shè)為1瓦。圖5為LED的遠(yuǎn)場角度分布圖，圖6為LED的遠(yuǎn)場極坐標(biāo)分布圖。從圖5和圖6可以看出發(fā)光二極管芯片發(fā)出的光經(jīng)過內(nèi)透鏡全反射和折射以后，集中在一個較小的角度內(nèi)向側(cè)面方向的一周射出，LED遠(yuǎn)場角度分布的峰值在方位角±85°的位置，峰值大小為0.425W/sr，峰值寬度約20°。而發(fā)光二極管芯片中心軸線方向，方位角±60°以內(nèi)的光強(qiáng)分布小于0.05W/sr，小于峰值光強(qiáng)的15％。所以LED的側(cè)面發(fā)光效率是非常理想的。
有時為了增加單個LED的發(fā)光亮度，發(fā)光光源采用發(fā)光二極管芯片陣列，如采用2個、3個或者4個發(fā)光二極管芯片陣列組成一個光源。對于這種情況，本發(fā)明側(cè)面發(fā)射LED光源的封裝內(nèi)透鏡也同樣適用。圖7為本發(fā)明側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡第二實施例，光源采用了兩個1×1×0.25mm的發(fā)光二極管芯片。圖8、圖9、圖10分別為光線追跡和設(shè)計結(jié)果。從圖8和圖9可以看出，遠(yuǎn)場角度分布的峰值在方位角±85°的位置沒有改變，由于采用了兩個發(fā)光二極管芯片，峰值大小提高到0.8W/sr。發(fā)光二極管芯片中心軸線方向，方位角±60°以內(nèi)的光強(qiáng)分布稍有提高，這是由于光源面積的擴(kuò)展引起的，不影響LED的側(cè)面發(fā)射效果。發(fā)光二極管芯片發(fā)出的光經(jīng)過內(nèi)透鏡全反射和折射以后，還是集中在一個較小的角度內(nèi)向側(cè)面方向的一周射出。
根據(jù)上述的分析和模擬證實本發(fā)明提供的側(cè)面發(fā)射LED光源的內(nèi)透鏡同時適用于單個發(fā)光二極管芯片或多個發(fā)光二極管芯片陣列的LED。
權(quán)利要求
1.一種側(cè)面發(fā)射發(fā)光二極管光源的內(nèi)透鏡，該內(nèi)透鏡與發(fā)光二極管芯片(12)封裝成LED模塊，且發(fā)光二極管芯片(12)位于內(nèi)透鏡的中心軸上；其特征在于，該內(nèi)透鏡(14)采用全反射—折射組合式的結(jié)構(gòu)，由上透鏡和下透鏡兩部分組成；其中上透鏡為全反射透鏡，其將發(fā)光二極管芯片(12)的光經(jīng)過全反射后沿垂直于內(nèi)透鏡(14)中心軸的方向聚集并向周圍發(fā)射；下透鏡為折射透鏡，其將發(fā)光二極管芯片(12)的光經(jīng)過折射后沿垂直于內(nèi)透鏡(14)中心軸的方向聚集并向周圍發(fā)射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的側(cè)面發(fā)射發(fā)光二極管光源的內(nèi)透鏡，其特征在于，所述的下透鏡(16)包括內(nèi)彎曲面(1)，其為凹的球面或者橢球面，位于所述發(fā)光二極管芯片(12)的上方，并透射所述發(fā)光二極管(12)的光；折射表面(2)為非球面折射面，其以內(nèi)透鏡(14)中心軸上的發(fā)光二極管芯片(12)的位置為焦點，所述折射表面(2)將所述發(fā)光二極管芯片(12)所發(fā)出的光折射后沿與內(nèi)透鏡(14)的中心軸相垂直的方向發(fā)射出去；其頂部設(shè)有用于所述發(fā)光二極管芯片向上透鏡(15)出射光的開口(17)；連接平面(3)，其連接內(nèi)彎表面(1)和折射表面(2)，并用于連接所述發(fā)光二極管芯片(12)的封裝殼體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的側(cè)面發(fā)射發(fā)光二極管光源的內(nèi)透鏡，其特征在于，所述下透鏡(16)的所述開口(17)的端點與內(nèi)透鏡(14)的中心軸上的發(fā)光二極管芯片(12)處的連線與下透鏡(16)的連接平面(3)的夾角為銳角。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的側(cè)面發(fā)射發(fā)光二極管光源的內(nèi)透鏡，其特征在于，所述的夾角為0-50度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的側(cè)面發(fā)射發(fā)光二極管光源的內(nèi)透鏡，其特征在于，所述的上透鏡(15)包括下表面(6)，其與所述下透鏡(16)的所述開口(17)兩端的折射表面(2)的一端相連；反射表面(4)，其橫截面的輪廓線是以所述發(fā)光二極管芯片(12)位于內(nèi)透鏡(14)的中心軸上的位置為焦點的拋物線，并將所述發(fā)光二極管芯片(12)發(fā)出的光經(jīng)全反射后沿與所述內(nèi)透鏡(14)的中心軸垂直的方向反射出去；連接表面(5)，其表面是以發(fā)光二極管芯片軸線為中心的柱面，并透射反射表面(4)反射的水平方向發(fā)射的光線，其用于連接所述下表面(6)和反射表面(4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的側(cè)面發(fā)射發(fā)光二極管光源的內(nèi)透鏡，其特征在于，所述的上透鏡(15)的下表面(6)為與水平面呈夾角為5±1度的錐面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的側(cè)面發(fā)射發(fā)光二極管光源的內(nèi)透鏡，其特征在于，該封裝的LED模塊還包括導(dǎo)光介質(zhì)(13)，其填充位于所述發(fā)光二極管芯片(12)和所述內(nèi)透鏡(14)之間，用于固定封裝所述發(fā)光二極管芯片(12)并傳導(dǎo)所述發(fā)光二極管芯片(12)所發(fā)出的光至內(nèi)透鏡(14)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的側(cè)面發(fā)射發(fā)光二極管光源的內(nèi)透鏡，其特征在于，所述的導(dǎo)光介質(zhì)(13)為硅膠。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的側(cè)面發(fā)射發(fā)光二極管光源的內(nèi)透鏡，其特征在于，所述的發(fā)光二極管芯片(12)可呈陣列設(shè)置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的側(cè)面發(fā)射發(fā)光二極管光源的內(nèi)透鏡，其特征在于，所述的LED模塊還包括底座(11)，所述發(fā)光二極管芯片(12)安裝于底座(11)上，該內(nèi)透鏡(14)的底部與底座(11)相連。
全文摘要
本發(fā)明提供一種側(cè)面發(fā)射發(fā)光二極管光源的內(nèi)透鏡。其作用是改變發(fā)光二極管芯片的光的發(fā)射方向，將大部分光從側(cè)面，沿垂直于發(fā)光二極管芯片中心軸線的方向聚集在很小的角度內(nèi)向周圍發(fā)射。內(nèi)透鏡與所述發(fā)光二極管芯片一起封裝，封裝后的二極管模塊包括底座；發(fā)光二極管芯片，其安裝于底座上；內(nèi)透鏡，其底部與底座相連，且發(fā)光二極管芯片位于內(nèi)透鏡的中心軸上。通過內(nèi)透鏡的折射表面和全反射表面，該發(fā)光二極管芯片光源的側(cè)面發(fā)射內(nèi)透鏡在LED的側(cè)面方向集中了更多的光束，增強(qiáng)了LED的側(cè)面發(fā)光效率。
文檔編號G02B9/00GK1900753SQ200510087410
公開日2007年1月24日 申請日期2005年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月21日
發(fā)明者杜雪, 蔣金波, 張志輝, 李榮彬, 張家俊 申請人:香港理工大學(xué)