專利名稱：發(fā)光設(shè)備和用于發(fā)光設(shè)備設(shè)計(jì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于發(fā)光二極管的光學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及包括發(fā)光元件和透鏡的發(fā)光設(shè)備，發(fā)光元件包括發(fā)光二極管(LED),透鏡與該元件 光學(xué)接觸并布置成接收源自該元件的光。本發(fā)明還涉及用于設(shè)計(jì)這種 透鏡的方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED )是一種相對較舊的技術(shù)(二十世紀(jì)七十年代)， 這種技術(shù)從在數(shù)字顯示和指示燈中的應(yīng)用前進(jìn)到一系列新的用途，包 括在LCD背板照明、信息信號、加強(qiáng)燈、交通燈、戶外照明和光纖數(shù) 據(jù)傳輸中的應(yīng)用。
LED所帶來的好處有如尺寸小、燈壽命長、熱輸出低、能效高并 有耐久性。LED也允許在色彩變化、調(diào)光和通過將不同的LED結(jié)合到 理想的形狀、色彩、尺寸和流明組而進(jìn)行分布時(shí)具有設(shè)計(jì)的靈活性。
在施加足夠的電壓穿過活性層時(shí)，LED通常發(fā)射預(yù)定波長的光。 LED通常包括在發(fā)光元件中，發(fā)光元件還可包括其它的器件，如色彩 變換層。在大多數(shù)用途中，發(fā)光元件既明亮又有光效是重要的，而且 通常希望在預(yù)定的立體角內(nèi)以預(yù)定的方向發(fā)射光。在嘗試滿足這些要 求時(shí)，將適當(dāng)?shù)闹鞴鈱W(xué)裝置或透鏡設(shè)在發(fā)光表面的頂部上是有利的。 此外，透鏡會保護(hù)發(fā)光二極管表面并使LED更穩(wěn)健。
在一種情形中，對用于LED的主光學(xué)裝置并不是非常精心地設(shè) 計(jì)，而如透鏡的固有特性如透鏡的表面張力確定透鏡的形狀。通常將 流體透鏡材料涂覆到發(fā)光表面的頂部上，并將其留下以進(jìn)行固化。
在另一種情形中，提供透鏡的一種更精心的設(shè)計(jì)；可從GB1586 188荻知一種示例。該英國專利的說明書描述了怎樣通過計(jì)算沿著軸的 透鏡的不同部分的單獨(dú)的彎曲半徑來設(shè)計(jì)透鏡，該軸垂直于透鏡的發(fā) 光表面并集中于該發(fā)光表面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)光二極管設(shè)備和優(yōu)化的透鏡設(shè)計(jì)， 這種設(shè)計(jì)提供有光效的光學(xué)系統(tǒng)和主光學(xué)裝置的降低的熱力學(xué)應(yīng)力。
本發(fā)明基于以下的見解，即通過主光學(xué)裝置的新式設(shè)計(jì)的使用可 實(shí)現(xiàn)具有高光提取的小型明亮發(fā)光二極管設(shè)備。這種主光學(xué)裝置布置 成從發(fā)光表面發(fā)射的光，且這種設(shè)計(jì)涉及發(fā)光表面的大小和主光學(xué)裝 置的材料與這種主光學(xué)裝置外部的介質(zhì)之間的折射率的差異。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種發(fā)光設(shè)備，這種發(fā)光設(shè) 備包括發(fā)光元件和透鏡，發(fā)光元件具有有效的發(fā)光表面，這種發(fā)光表面帶有有效的直徑DE，這種透鏡與該表面光學(xué)接觸并布置成接收源自 該發(fā)光元件的光，其中，將透鏡的外邊界表面彎曲，以使在外邊界表 面上的任何位置中，來自該有效發(fā)光表面的至少一個(gè)邊緣光線以大于或等于0c-5c2 t(i-cosec)的角度入射，其中，ec等于給定介質(zhì)中該透鏡的總體內(nèi)部反射的臨界角，且X^9。 /sr。
在本說明書的上下文中，表達(dá)方式"光學(xué)接觸"是指所涉及的材 料的直接接觸且中間無氣隙。透鏡可以是LED的主光學(xué)裝置，但也可 以是布置在LED與主光學(xué)裝置之間的其它光學(xué)體。
注意，確定光的方向的發(fā)光元件的最大或最外表面與透鏡的設(shè)計(jì) 有關(guān)。這種"有效發(fā)光表面，，可以是LED本身的表面，或者是另外的 層的表面，如布置在LED的頂部上的散射體或波長變換器，若這種層 改變光的方向的話。光以所有的方向從LED芯片表面發(fā)射，因此可將 該表面視為發(fā)光表面。不過，在加上散射層時(shí)，這種散射體以任意方 向改變光的方向，因此應(yīng)將這種散射體視為發(fā)光表面，因?yàn)?，尤其?于強(qiáng)散射體來講，在入射在散射體上的光線方向與散射的光線之間不 再有相關(guān)性。這就意味著已增加了有效的發(fā)光表面，因此，透鏡的尺 寸也應(yīng)增加，以獲得相同的提取效率。
就本發(fā)明而言，術(shù)語"發(fā)光表面的有效直徑"等于發(fā)光元件或模 的直徑，若發(fā)光表面具有圓形形狀的話。當(dāng)發(fā)光表面具有另一種形狀 如方形時(shí)，發(fā)光表面的有效直徑等于圓的直徑，這種圓具有與該模的 表面積相同的表面積。在模的集合的情況下，模的總表面積和模之間 必要的空間視為表面積。
術(shù)語"邊緣光線"是指從圓形區(qū)域的邊界發(fā)出的直的、非折射的 非散射光線，這種圓形區(qū)域具有與光源區(qū)域相同的表面積和相同的重
力點(diǎn)。此外，將角度計(jì)算為與垂直于切線的方向的偏差。換言之，沿
著垂直于該外邊界表面的方向入射的光線具有o度的入射角。因此，
可將沿著幾乎平行于該外邊界表面的方向入射的光線成為具有幾乎90 度的入射角。
有利的是，通過設(shè)計(jì)前面明確說明的透鏡，不僅提供具有高光提 取的發(fā)光設(shè)備，而且也提供具有小的尺寸的發(fā)光設(shè)備。小的尺寸是目 前的小型化用途中的優(yōu)點(diǎn)。由于外邊界透鏡表面的設(shè)計(jì)限制該邊緣光 線的入射角，所有就可實(shí)現(xiàn)高的光效。若這種入射角過大，這些光線 就會受到大量的菲涅耳(Fresnel)反射或甚至是整個(gè)內(nèi)部反射的影響。 這樣就會降低光效。為了確定源自發(fā)光表面的任何非折射和非反射光 線是否會由外邊界透鏡表面反射，考慮邊緣光線通常就已足夠。
有利的是，外邊界表面被進(jìn)一步地彎曲，以使在外邊界表面上的
任何位置中，來自該有效發(fā)光表面的任何邊緣光線以等于或小于+ s
的入射角入射，其中，8^2° 。
通過這些條件實(shí)現(xiàn)透鏡尺寸與光效之間的有利折衷。
有利的是，該發(fā)光表面具有等于De的有效直徑。而且，該外邊界 表面的高度HL在以下區(qū)間之內(nèi)
<formula>complex formula see original document page 8</formula> (1 )
式中，δ≤12°且χ≤9。 /sr，而且，在包括該發(fā)光元件的平面中的該透鏡 的半徑RL在以下范圍內(nèi)。 (2)
優(yōu)選在包括該透鏡的光軸的平面中的透鏡的截面包含在以下橢圓中<formula>complex formula see original document page 8</formula>
和<formula>complex formula see original document page 8</formula>式中
x是平行于發(fā)光元件的表面的坐標(biāo)，
y是垂直于發(fā)光元件的表面的坐標(biāo)，
yo是[-O.l， 0.25區(qū)間內(nèi)的常數(shù)，以及y大于或等于y0。
就本發(fā)明而言，表達(dá)方式"截面小于給定的橢圓"，是指截面的基 圓半徑(base radius)和高度分別短于橢圓的基圓半徑和高度。此外， 當(dāng)同軸布置該表面的截面以及該橢圓時(shí)，該截面含在該橢圓內(nèi)。
透鏡所具有的折射率應(yīng)使透鏡與包圍該透鏡的外部介質(zhì)之間的折 射率的差異介于0.2與0.85之間，優(yōu)選介于0.2與0.6之間，更優(yōu)選介 于0.2與0.4之間。例如，在此情形中，當(dāng)外部介質(zhì)是空氣時(shí)，透鏡的 折射率可介于1.45與1.85之間，該透鏡的高度(HL)可介于0.45 xDE 與1.2xDE之間，該透鏡的半徑(Rl)可介于0.55 xDe與1.2xDe之 間，且縱橫比Hl/Rl可在
， 式中，δ≤12°且x≤9°/sr，而且，在包括所述發(fā)光元件的平面中的所述透鏡的半徑RL在以下范圍內(nèi) [DE/2， 1.2 x DE。
4. 如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的發(fā)光設(shè)備，其特征在 于x≤6°/sr。
5. 如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的發(fā)光設(shè)備，其特征在 于X≤3° /sr。
6. 如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的發(fā)光設(shè)備，其特征在 于δ≤7.5°。
7. 如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的發(fā)光設(shè)備，其特征在 于δ≤3°。
8. 如權(quán)利要求7所述的發(fā)光設(shè)備，其特征在于在包括所述透鏡 的光軸的平面中的所述透鏡的截面大于由下面的等式所描述的橢圓<formula>complex formula see original document page 3</formula>且小于由下面的等式所描述的橢圓<formula>complex formula see original document page 3</formula>式中x是平行于所述發(fā)光元件(1)的表面的坐標(biāo)，y是垂直于所述發(fā)光元件(l)的表面的坐標(biāo)，yo是[-O.l， 0.25]區(qū)間內(nèi)的常數(shù)，以及 y大于或等于y0。
9. 如權(quán)利要求3所述的發(fā)光設(shè)備，其特征在于所述透鏡的縱橫 比(HL/RL)在0.4與1.2之間的范圍內(nèi)。
10. 如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的發(fā)光設(shè)備，其特征在 于所述發(fā)光元件還包括色彩變換元件，所述色彩變換元件布置成從 所述LED的至少一部分接收光，以改變所述接收的光的至少一部分的 波長，并且朝向所述透鏡引導(dǎo)所述接收的且波長變換的光的至少一部 分。
11. 如權(quán)利要求10所述的發(fā)光設(shè)備，其特征在于所述色彩變換 元件是含磷光體的層，優(yōu)選所述含磷光體的層涂覆在所述LED上。
12. 如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的發(fā)光設(shè)備，其特征在 于所述透鏡(2)具有折射率，所述折射率使所述透鏡與包圍所述透 鏡的外部介質(zhì)之間的折射率的差異介于0.2與0.85之間，優(yōu)選介于0.2 與0.6之間，更優(yōu)選介于0.2與0.4之間。
13. 如權(quán)利要求12所述的發(fā)光設(shè)備，其特征在于所述透鏡(2) 的折射率介于1.45與1.85之間，所述透鏡的高度(HL )介于0.45 x DE 與1.2 x DE之間，所述透鏡的半徑(Rl )介于0.55 x DE與1.2 x DE之 間，且縱橫比Hl/Rl在
的范圍內(nèi)。
14. 如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的發(fā)光設(shè)備，其特征在 于還包括與所述透鏡光學(xué)接觸的另一個(gè)基本上透明的電介質(zhì)體，其 中，所述另一個(gè)電介質(zhì)體的折射率介于1.3與1.6之間，且所述透鏡與 所述另一個(gè)電介質(zhì)體的折射率之間的差異介于0.2與0.4之間，且所述 透鏡的高度(HL)介于0.2x De與0.85x DE之間，所述透鏡的半徑(RL)介于0.5 x DE與0.85 x DE之間。
15. 如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的發(fā)光設(shè)備，其特征在 于所述發(fā)光元件包括至少兩個(gè)LED,所述至少兩個(gè)LED在不同的波 長范圍內(nèi)發(fā)光。
16. 如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的發(fā)光設(shè)備，其特征在 于還包括擴(kuò)散層，所述擴(kuò)散層布置在所述外邊界表面之外。
17. 如權(quán)利要求16所述的發(fā)光設(shè)備，其特征在于所述擴(kuò)散層與 所述外邊界表面光學(xué)隔離。
18. —種光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)包括反射體和如前面的權(quán)利要 求中的任何一項(xiàng)所述的發(fā)光設(shè)備。
19. 如權(quán)利要求18所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述反射體是 電介質(zhì)準(zhǔn)直儀，所述電介質(zhì)準(zhǔn)直儀在總體內(nèi)部反射的基礎(chǔ)上反射光。
20. —種設(shè)計(jì)發(fā)光元件中的透鏡的外表面的截面形狀的方法，所 述發(fā)光元件具有表面(41)，所述表面(41)具有有效直徑De，所述 方法包括以下步驟提供第一點(diǎn)(A)，所述第一點(diǎn)(A)由沿著垂直于所述發(fā)光表面 的方向以等于De/ (2 x tanes)的距離與所述發(fā)光元件的所述表面隔離， 其中，DE是發(fā)光元件的表面(")的有效直徑；提供笫一線(42)，所述第一線(42)平行于所述發(fā)光表面并與 所述第一點(diǎn)相交；提供第二線(43)，所述第二線(43)與所述第一線以第一角度 (a )在所述第一點(diǎn)相交；在所述第二線上確定第二點(diǎn)(B),以使來自所述發(fā)光表面的至少 一條邊緣光線(14)以等于9s的角度在所述第二點(diǎn)與所述第二線相交，并使來自所述發(fā)光表面的其它邊緣光線不以大于es的角度在所述第二點(diǎn)相交；提供第三線(")，所述第三線(44)以第二角度(e )在所述 笫二點(diǎn)與所述第二線相交；在所述第三線上確定第三點(diǎn)，以使來自所述發(fā)光表面的至少一條 邊緣光線以等于0S的角度在所述第三點(diǎn)與所述第三線相交，并使來自所述發(fā)光表面的其它邊緣光線不以大于es的角度在所述第三點(diǎn)相交；提供平滑曲線(45)，所述平滑曲線(45)與所述第一、第二和第三點(diǎn)相交并表示所述外邊界透鏡表面的截面，其中θS介于θc-x2π(l-cosθc)與θc + δ之間，其中，e≤9° /sr，且 δ≤12。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于3≤6° /sr， δ≤7.5° 。
22. 如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于x≤3。 /sr， δ≤3° 。
23. 如權(quán)利要求15或16所述的方法，其特征在于以預(yù)定次數(shù)重復(fù)所述提供另外的線和確定另一個(gè)點(diǎn)的步驟。
24. 如權(quán)利要求20至23中的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于 所述第一和笫二角度(α 、 β )在0.005。至0.1°的范圍內(nèi)，優(yōu)選在 0.01°至0.05°的范圍內(nèi)。
25. 如權(quán)利要求20至24中的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于 還包括按比例修正所提供的平滑曲線的步驟，以保持所述平滑曲線的 比例恒定。
全文摘要
通過精心選擇外透鏡表面的每個(gè)表面部分相對于光源的芯片尺寸的傾角來實(shí)現(xiàn)小型明亮發(fā)光設(shè)備，這種發(fā)光設(shè)備包括外邊界透鏡表面和至少一個(gè)LED。這些表面部分的傾角選擇為使透鏡在尺寸與光效之間提供最佳權(quán)重。
文檔編號H01L33/54GK101203965SQ200680022498
公開日2008年6月18日 申請日期2006年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月23日
發(fā)明者C·G·A·霍倫, J·P·M·安塞姆斯, L·王 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司