具有输出透镜的LED模块的制作方法

本发明涉及一种具有用于对光输出进行整形的输出透镜的LED模块。

背景技术：

本发明涉及例如设计成提供平面的均匀光照的LED模块。然而，本发明通常可以应用于光束整形光学器件。

实现平面光照的一种已知的方法是使用所谓的蝙蝠翼强度分布（也称为宽束强度分布）。术语“蝙蝠翼”指的是极坐标图中强度分布的高度尖峰形状。

图1示出了作为极坐标图的蝙蝠翼强度分布的实例。该实例中的两个翼10、12在法线的每侧60度处具有峰强度，并且目标是在整个120度范围上提供均匀的表面光照。在掠射角处强度较高，因为每单位角度被照射的表面积急剧地增加。

环14是垂直方向中的光强度。对于旋转对称光分布，这也将是蝙蝠翼分布。对于线性光源，它例如是圆形（即朗伯）分布。

为了创建来自LED的期望的蝙蝠翼轮廓，需要光学部件来补偿应用于朗伯点光源的公知的余弦四次定律（通过其照度遵循函数下降）。因此光学设计需要将来自LED输出强度的朗伯强度分布变成蝙蝠翼分布。

蝙蝠翼光分布允许平面例如甚至高达140°光束角的均匀光照。这样的光分布以及因此透镜设计被用于例如街道照明和洗墙灯应用。在这些实例中，蝙蝠翼分布瞄准远场中的平面：照射的表面位于远大于光模块尺度的距离处。

相似的蝙蝠翼分布也可以应用于照射灯具壳体的内部，例如灯具的出射窗口。这则将创建空间均匀的发光板。这给出了灯具本身、而不是被照射的表面期望的均匀外观。用于增加发光板的空间均匀性的已知的可替换的方法是通过广泛的散射：在外壳的内侧使用反射磨砂白色表面或在光导上设计良好的白色涂料点图案。

基于散射的解决方案通常是以效率和/或形状因子为代价来允许高的空间均匀性。此外，出射窗口处的光分布在表面的每个位置处将限于朗伯分布，而具有蝙蝠翼设计的光学元件反而可以从已知的方向（即光源位置）向每个位置分配恒定的通量。这允许了出射窗口处进一步的光束整形。

有两种透镜的已知设计能够将朗伯强度分布变成蝙蝠翼强度分布。

第一个实例是如图2中所示的所谓的花生形设计，并且第二个实例是如图3中所示的所谓的泡形光学器件。

形状的不同由光线偏转表面的选择来确定。对于花生形光学器件，将朗伯分布变成蝙蝠翼分布的表面是外部的透镜表面，而对于泡形光学器件，将朗伯分布变成蝙蝠翼分布的表面是内表面。

这种透镜的大规模制造技术例如基于印刷或注塑，其中单个光学器件的成本价格基本上由塑料的量和其周期时间确定。并且，周期时间与塑料的量成比例。因此，为了提供有成本效益的解决方案，期望使用最少量材料的设计。

因此，需要一种能够使所需材料的量降低的用于LED设计的透镜设计。

技术实现要素：

本发明由权利要求限定。

根据实例，提供了一种照明模块，包括：

具有光输出区域的LED；以及

LED之上的折射透镜，用于提供LED的光输出的光束整形，其中所述透镜包括内表面和外表面，其中内表面和外表面中的一个是光滑的光束整形表面，光束整形表面基本上仅经由折射提供光束整形功能，并且内表面和外表面中的另一个具有台阶式轮廓。

其中台阶式轮廓的每个台阶都包括立起（riser）部分和输出部分，其中所述立起部分平行于源于LED的光输出区域的中心点的光线方向，并且所述输出部分正交于所述光线方向。

在该设计中，一个表面用作通过表面，不执行或基本不执行光束整形功能。在这方面的表述“基本上”意味着经由折射的光束整形功能对于照明模块的期望功能而言是不重要的，这意味着经由在输出部分折射的光线方向的改变例如最多1.5°，即例如最大2.5°的入射角β（其中正交于输出部分的表面处于0°的入射角）。请注意，真正的通过模式实际上将仅当假定LED是点光源时适用（因此定义上述点输出），并且实际LED的有限尺寸意味着将有一些在通过表面处折射的光线。然而，该表面的光学功能基本上被最小化，以便不向源自LED源的近似的点光源的光线提供光束整形。此外，LED是单个LED或几个LED（例如四个LED，但最多九个LED）的紧凑布置的集群，具有面向输出部分的零点几到几mm²的总体光输出区域，例如0.5mm²到10mm²。在这方面光滑意味着没有粗糙、隆起、脊状或（大于亚微米级的）不规则并且不会分成齿状。

台阶式表面的使用意味着可以减小透镜（即内表面和外表面之间）的厚度。当忽略由于台阶导致的厚度的变化，可以使厚度基本上整体恒定。

LED例如生成具有将被透镜元件转换的朗伯强度分布的输出。这意味着可以使用标准LED封装，而不需任何其他光束整形光学器件。则该模块的输出强度例如具有蝙蝠翼分布。对于在平面上生成均匀的光照，这是特别令人感兴趣的。

在照明模块中，对于与光轴成至少5°到40°的第一角度范围内发射的光线，光线可能被折射远离所述光轴，而与光轴成至少75°到85°的第二角度范围内发射的光线被朝向光轴折射。为了进一步调整蝙蝠翼轮廓，对于在至少0.1°到50°的第一角度范围内的光线，可以存在远离光轴的折射，并且分别地，对于至少65°到89.9°的第二角度范围内，可以存在朝向光轴的折射。光束整形表面例如被成形，使得沿光轴发射的光线被例如以至少5度远离光轴折射，并且与光轴接近90°的光线被例如以至少5度朝向光轴折射。通过该光学功能，可以生成蝙蝠翼轮廓。为了详细地微调蝙蝠翼轮廓，例如可能的是，对于在与光轴成0度到45度的第一角度范围内由LED发射的光线，折射角远离光轴并且从约0度的光线的5°折射逐渐增加到与光轴成约25到35度的光线的最大约10°或18°或甚至25°的折射，直到然后减小到与光轴成约60度的光线的约0°的折射；并且进一步对于在与光轴成约60度到90度的第二角度范围内由LED发射的光线，折射角朝向光轴并且从约60度的光线的0°折射逐渐增加到与光轴成90度的光线的最大约20°、30°或甚至35°的折射。

在一组实例中，内表面是光束整形表面，外表面是通过表面。通过利用台阶轮廓就使外表面向内朝向内表面。这意味着可以通过常规方法设计内表面，因为外表面因此不执行附加的光学功能。则透镜可以包括泡形透镜，即其中内表面和外表面的整个区域上的内表面和外表面之间的最大厚度小于透镜的最小截面直径的0.1倍。通常泡形透镜使材料的量能够相对高的减少。

在另一组实例中，外表面是光束整形表面，内表面是通过表面。通过利用台阶轮廓就使内表面向外朝向外表面。这意味着可以通过常规方法设计外表面，因为那时内表面不执行另外的光学功能。则透镜可以包括花生形透镜。

内表面和外表面之间的最小厚度可以小于1mm。这使所需的材料的量能够显著地减少。

最小厚度可以小于0.8mm并且或者甚至小于0.6mm。所选择的最小厚度将例如取决于所使用的材料的机械性能、和所需的强度和刚度、以及制造的简易性。因此，在最小厚度（其给出所需材料的减少）和可制造性之间将存在权衡。

内表面和外表面的整个区域上的内表面和外表面之间的最大厚度可以小于最小厚度的三倍。这意味着提供相对恒定的厚度，该厚度对于透镜的刚度是足够的但是允许所需材料的减少。

内表面和外表面的整个区域上的内表面和外表面之间的最大厚度可以小于最小厚度的两倍。当忽略关于台阶轮廓的厚度变化（即如果对台阶进行平均）时，它可以是基本上恒定的厚度。

因为厚度变化减少了，所以所需材料的体积减少了。

LED和内表面之间的距离可以在LED的光输出表面的横向伸展的1倍到20倍的范围内。

在透镜的基部，透镜的外表面的宽度可以在透镜高度的0.5倍到3倍的范围内。

这些尺度的选择提供用于找到透镜的尺寸和光学性能之间的期望的权衡选项。随着尺寸减小，LED的尺寸在降低输出的光学质量方面发挥更重要的作用。

透镜例如由PC、PMMA、PET、PEN或COC形成。这些使透镜能够使用常规的材料和设备来模塑。

附图说明

根据下文提供的详细描述，本系统的其他应用领域将变得清楚。应该理解的是，详细描述和具体实例虽然指示了系统和方法的示例性实施例，但是仅意图用于说明的目的，并且不意图限制本发明的范围。根据下面的描述、所附权利要求和随附的示意图，本发明的装置、系统和方法的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中：

图1示出了已知的蝙蝠翼强度分布；

图2以简化的形式示出了花生形透镜的形状；

图3以简化的形式示出了泡形透镜的形状；

图4更清楚地示出了已知的泡形透镜的内表面和外表面的形状，并且示出了通过透镜的光线路径、输出处的强度分布以及当投射到表面上时的强度分布；

图5示出了改进的泡形透镜的内表面和外表面的形状，并且示出了通过透镜的光线路径、输出处的强度分布以及当投射到表面上时的强度分布；

图6示出了具有光学上不活跃的（optically inactive）表面的泡形透镜的第一实例的内表面和外表面的形状，并且示出了通过透镜的光线路径、输出处的强度分布以及当投射到表面上时的强度分布；

图7示出了具有光学上不活跃的表面的泡形透镜的第二实例的内表面和外表面的形状，并且示出了通过透镜的光线路径、输出处的强度分布以及当投射到表面上时的强度分布；

图8更详细地示出了泡形透镜的台阶式部分的形状；以及

图9更详细地示出了花生形透镜的台阶式部分的形状。

具体实施方式

本发明提供了一种照明模块，包括LED和LED之上的透镜。透镜具有光束整形表面和具有台阶式轮廓的通过表面。台阶式轮廓的每个台阶都包括立起部分和输出部分，其中立起部分平行于在该位置处通过表面的光线方向，并且输出部分正交于在该位置处通过表面的光线方向。所述通过表面例如不执行光束整形功能。台阶式轮廓使透镜的厚度能够减少，以减少所需材料的量。

图4示出了已知的泡形透镜设计。图4（a）示出了透镜的横截面形状。它具有内表面40和外表面42。LED 44安装在内表面下方的空气腔中。该透镜由诸如聚碳酸酯（PC）或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的折射率合适的材料形成。其他可能的材料是有机硅、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）和环烯烃共聚物（COC）。

内表面40执行主要透镜功能，并且如所示，法线附近的光线远离法线弯曲并且侧向光线朝向法线弯曲。这定义了蝙蝠翼轮廓。

对于这种常规的泡形光学设计，外表面42位于足够大的距离处，使得它可以近似为半球，并且它执行一些有限的附加的光束整形。

图4（b）示出了蝙蝠翼强度轮廓。

图4（c）示出了离LED一定距离处的平面上的强度分布，使得形成半径为10.7cm的光照的圆形。对于进行的分析，使用100流明LED封装，其中平面接收器放置在离光源5cm处，并使用远场接收器来计算强度分布。光学上活跃的表面40被设计为在5cm距离处以高达130°的全角均匀地照射平面接收器：即生成半径为10.7cm（= 5cm×tan 65°）的均匀照亮的圆形光斑。于是将产生2770 勒克斯（= 100流明除以光斑面积）的均匀的照度值。

实际上，整个区域都有光照，但在不同半径处有不同强度的带。这在图4（c）的图像中由不同的明暗示出。光强度分布表示在作为图4（c）的图例的图4（d）中。

图4（c）中的每个明暗深度在图4（d）中绘制到左侧，并且图4（d）的右侧提供具有该特定强度值的照射表面中的像素的数量的度量。 x轴是计数值，并且y轴是亮度值。例如，对于完全均匀照射的区域，将只有一个特定的光强度的一个峰值，并且计数将是全部像素数量。

如图4（d）中可见，有一系列强度值和两个大致的峰值（在大约4000勒克斯和2800勒克斯处）。

使用第一种方法，通过使光学上较不活跃的表面（其在图4中是外表面42，但取决于设计可以是内表面或外表面）尽可能接近光学上活跃的表面40来改进图4的设计。

图5示出了基于图4的设计的泡形透镜的第一实例的内表面和外表面的形状，并且示出了与图4中相同的信息。

在图5中，泡形光学器件具有厚度减小的半球形圆顶。LED正上方的厚度减小到1mm或更小，例如0.8mm、0.6mm或甚至0.5mm。

内表面再次提供主要的光学功能。如所示，外表面也执行一些透镜功能。

以图5中所示的方式简单地减小外半球表面的尺寸在光斑的更外的直径处产生甚至更明显的峰值光分布。因此所需材料的减少是以损坏的光束整形功能为代价得来的。

图5（d）还示出，有更宽范围的光强度以及因此更不均匀的整体光强度。

图6更清楚地示出了具有光学上不活跃的外表面的泡形透镜的实例的内表面和外表面的形状，并且示出了通过透镜的光线路径、输出处的强度分布以及当投射到表面时的强度分布。它还示出，外形从半球形转换成略微锥形的、以便提供期望的光学上不活跃的表面。

为了创建光学上不活跃的的外表面，表面在每个位置垂直于光线行进方向（假设LED是点光源，使得通过外表面的每个位置仅有一个光线方向）。

为了定义外表面的形状，选择形状使得光线不偏转地穿过该表面。为此，计算光线在哪个角度入射在外表面处，并且相应地计算该位置处的表面的取向。

在光提取表面侧，如果提取表面42离收集表面40足够远，则光线可以近似为来自单个点，与内表面相对。

通过使外提取表面42更接近，变得有必要对该近似进行校正。这产生了图6的锥形外表面42。内收集表面40因此仍然可以通过点光源近似来近似。

当在一些点透镜厚度达到其例如1mm的最小值时，锥形表面允许材料体积减小到某一限度。图6中可以看到该最小透镜厚度位于光轴处。

图6（d）示出，这种设计使更均匀的光分布成为可能，其具有大约2800勒克斯处的基本上一个峰。

本发明使透镜体积能够进一步减小，例如通过在跨整个透镜区域上应用相同的最小厚度来减小透镜体积。为了使尺寸能够进一步减小，同时在第二表面42处没有光学效应，外表面被适配成使得它不再是光滑表面。相反，利用具有一系列小面的台阶式轮廓形成了外表面。

第一个实例在图7中示出。

台阶式轮廓的每个台阶都包括立起部分和输出部分，其中立起部分平行于源自LED的点输出（即来自假设代表LED的输出的点光源）的光线方向，并且输出部分正交于该光线方向。因此，由于立起部分平行于光的方向，所以光不会撞击在立起部分上，并且由于垂直关系，输出部分不会弯曲光。

内表面40完全由入射发光强度和目标发光强度确定。一般地，入射强度是朗伯型并具有余弦相关性。对于蝙蝠翼分布，内表面40被成形为使得以0°发射的光线将远离光轴折射，而接近90°的光线朝向光轴折射。结果总是有一个表面位置，其中光学活跃度（屈光度）近似为零。这种光线描述确定了内表面的形状。

应用到外表面42的台阶式轮廓是为了使总透镜体积最小化。这可以通过将每个小面元件平行于出射光线朝尽可能靠近内表面移动来实现。由于外表面没有光学活跃度，所以牵拉（draft）小面（每个台阶的直立部分）保持平行于光线，并且不能收集任何通量，这使得它成为有效的设计。

只要外表面42垂直于行进光线，就可以减小内表面和外表面之间的距离，因为每个台阶的牵拉小面都完全平行于光线取向。

图7示出了台阶式表面应用于泡形透镜时，内表面和外表面的形状，并再次示出了通过透镜的光线路径、输出处的强度分布以及当投射到表面上时的强度分布。

在这种设计中，在镜头周围的每个位置，内表面和外表面之间的一般距离减小到最小距离，以减少所需材料的量。厚度可以再次为1mm或更小，例如小于0.8mm或小于0.6mm。这种设计可以被认为是钟形透镜。

图7（d）示出，单一强度峰值被保留下来，使得相对均匀的输出照度被保持。

如上所述，图7的设计利用了台阶式透镜表面。图7的透镜设计在图8中以夸大的形式示出。

图8更清楚地示出了该组小面80并且示出了立起部分81和输出部分82。立起部分81平行于来自LED的发光区域的中心（0,0）的入射光线方向，并且输出部分垂直于该光线方向。

台阶式表面的离散化基于收集的流明。

如果小面足够短，它们可以是直的，即平面的，而不显著影响光学性能。如果选择较粗糙的格子，它们可以改为是弯曲的，其中局部曲率由图6中的非台阶式锥形表面形状定义。可以选择任何期望的离散化水平。

举例而言，可以有10到500个台阶，例如20到400个台阶，例如20到200个台阶。这些台阶遵循透镜周围的外形。这些台阶例如是环形圆圈（用于旋转对称设计）或椭圆形或更复杂的形状（例如围绕花生形透镜形状）。通常可以有多于10个台阶，更优选多于20个台阶，以及甚至更优选多于50个台阶。

常规制造技术的光滑表面的表面保真度高于台阶式表面的表面保真度。因此，台阶式表面设计在材料成本和周期时间与表面质量之间的权衡方面具有不同的最佳性能。不同的离散化水平将在体积和透镜形状的制造容易性/准确性之间给出不同的权衡。

在极限情况下，假定最小的需要的厚度，该设计使材料的量能够最小化。例如，在内表面和外表面的整个区域上的内表面和外表面之间的最大厚度可以小于最小厚度的三倍或者甚至小于两倍。因此，提供了相对恒定的厚度。厚度变化可以仅由台阶式特征产生，而不由一般总体形状产生。因此，通过对这些台阶进行平均，使得它们成为厚度恒定的区域，整个设计的厚度变得恒定。因此，每个台阶产生相同的平均厚度，或者每个台阶的平均厚度偏离整个透镜的平均厚度小于25％，或甚至偏离平均厚度小于10％。

如图7和图8中所示的相同方法可应用于花生形透镜，如图9中所示。

类似于图8、图9示出了该组小面80并且示出了立起部分81和输出部分82。立起部分81平行于来自LED的发光区域的中心（0,0）的入射光线方向，并且输出部分垂直于该光线方向。小面表面是内表面40，并且其向外朝向外表面42以便以如上所述的相同方式实现厚度均匀性。由于光输出区域46的尺寸和输出部分的尺寸，输出部分上的光线的入射角β有微小的变化，典型地β在-2.5°至+ 2.5°的范围内，但是这会导致入射在所述输出部分表面上的光线不显著的重定向。

上面的实例示出，所需的蝙蝠翼输出强度分布被保持。

请注意，上面的设计都假设为关于法线（光轴）方向旋转对称。因此，透镜在LED周围具有圆形基部。但是，圆形设计不是必须的。例如，对于挤压对称设计，即线源，可以采用相同的方法。

透镜例如具有根据光源直径D选择的尺度。举例而言：

光源与收集表面之间在光轴上的距离通常在D的1倍到20倍的范围内；

透镜高度通常在D的1倍到20倍加上最小透镜厚度的范围内；

透镜宽度通常在透镜高度（D的1倍到20倍）的0.5倍到3倍（这得出D的0.5-60倍）的范围内。

这些尺度考虑到LED不是理想点光源的事实。例如，LED的光输出区域可以是1mm×1mm（即D = 1mm）。通过保持距收集表面（表面40）的距离在1mm和20mm之间，尽管有LED的非点尺寸，光输出功能仍得以保持。该范围的较大端将产生更好的光学性能，而该范围的较低端将为微型化和材料减少提供更好的机会。

举例而言，立起部分越远离LED源，光的角度范围将越接近期望的平行方向。类似地，光输出部分越远离LED源，光的角度范围将越接近期望的垂直方向。

这只是LED尺寸的一个实例。例如，D可以典型地在0.2mm到5mm的范围内。

例如，对于外观很重要和/或需要均匀表面照明的应用中的室外灯具，本发明是感兴趣的。灯具可以例如用于灯柱的顶部，或者它们可以是用于城市地区的吊灯。灯具可以改为用于路桩照明。

然而，本发明可以用于室内或室外区域。

灯具可以水平取向以向下发光，但这不是必须的。灯具可以用于以任何方向照射表面。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。 在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施这一纯粹事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。 权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。