用于发光二极管的光束扩展光学装置的制作方法

专利名称：用于发光二极管的光束扩展光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学元件，用于接收来自平面发光二极管(LED)光源的相对窄的 光，并且用于将该光重新分布成跨越全360度的相对宽范围的输出角。
背景技术：
在许多照明应用中，发光二极管(LED)迅速地获得公认。相比白炽灯泡，LED效率 更高，具有更长的寿命，并且可以被封装在各种各样合适形状和尺寸的包装内。从典型的LED发射的光的锥体相当窄。虽然对于一些应用例如聚光灯来说这可能 是期望的特征，但是有一些其他的应用可能期望具有更宽的角输出。尤其是，存在用LED代 替白炽灯泡的“改进”应用。这些“改进”使用LED或LED阵列作为它们的光源，但条件是 光输出模仿典型白炽灯泡的光输出。通过这种方式，使用者可以保持现有的照明夹具，并且 可以实现使用LED的一些好处。仔细研究来自典型白炽灯泡和典型LED的角光输出是很有意义的。图1是典型白炽灯泡1的示意图，而图2是灯泡的相对功率输出与出射角的依赖 关系的图示2。如果将与灯泡螺纹相反的角方向定义为0度，那么相对功率功率剖面可以看 作是在0度、+/-大约150度的范围内基本不变。对于这个范围内之外的角度，存在该相对 功率的一些下降，这是由灯泡的螺杆遮蔽导致的。该功率剖面在180度左右或平行于螺杆 处达到其最小值。该最小值可以是零，也可以是有限的但非零。这种功率分布宽度的一种可能的测量是半最大值时的全宽度(FWHM)；其它的测 量也可以。典型的白炽灯泡可能具有FWHM是大约300度的发射图案。利用如图1所绘制 的角度，300度的FWHM意味着角光输出在210度和150度的角处降到了其最大值的一半。 注意，对于这种一般性讨论，我们忽略了图1的页中和图1的页之外测量的角之间的任何角
输出差异。与图1和2的相对宽角分布不同，图3和4示出了来自典型LED模块3的类似的 角功率输出。LED模块3包括印刷电路板6、支撑平台7、发射面8和透镜9。印刷电路板6机械地支撑着LED，并向LED提供电能。印刷电路板6可包括自己的 电源，例如电池，或者可电连接到外部电源。印刷电路板6可包括一个或多个螺纹孔、通孔 和/或定位部件。印刷电路板6可具有任意合适的形状，例如圆形、正方形、矩形、六边形等寸。支撑平台7是可选的，并且可包括将LED提升到实际印刷线路板平面上方一合适 距离处所需要的机械和电连接。发射面8是发光二极管平面的物理位置。假设LED模块3中的所有LED各自的输 出都是从同一发射面8发出的，尽管不需要这种情况。在该应用中，发射面8被描绘为三个 水平导向的矩形的最上部表面，这些矩形代表三个相邻的LED刻面(facet)、芯片或管芯。 这些LED可以排列成阵列，例如1乘2、1乘3、2乘2、2乘3、3乘3、单个LED或任意其它合适数目的LED刻面。该LED阵列可以排列成矩形图案，或者任意其它合适的图案。透镜9密封该LED阵列。该透镜可以密封该发射面中的所有LED，如图3所示，或 者可以密封比该发射面中所有的LED少的LED。可选地，透镜9可以是一系列透镜，每个密 封该发射面中其自己的LED。通常，期望许多式样的商业可获得的封装LED可以用作LED模块3。例如，对于LED 模块3的一种可能备选是从欧司朗商业获得的，并且以OSTAR的名字出售。来自欧司朗和 来自其它制造商的其它产品也是可获得的，并且同样好地用作LED模块3。垂直于LED阵列3发出的光表示为具有0度角、90度和平行于发射面8的270度 角。来自该LED阵列3的相对功率输出的图示4示出了比图1的图示更窄的分布。这里， 阵列3在0度LED具有其峰值输出，在90和270度下降到基本为零。通常，发现从典型LED模块3发出的光具有每角功率的普通朗伯分布。朗伯分布 具有导向发射面法线的峰值(通常表示为0度)，具有cos θ的角下降，其中θ为相对于该 发射面法线的角。该朗伯分布可以用半最大值时的全宽度(FWHM)以角度进行数值表示，给 定为ZcoslOA)或120度。实际的LED模块3可具有从120度的FWHM值微弱变化的角分 布，例如在大约90度至大约130度的范围内，但是120度值被认为是普遍好的近似值，并且 因此贯穿本文献使用。用于具有来自LED的角宽输出的一种已知的方法是在一个或多个非平面表面上， 例如在球面或柱面的外部，分布多个LED光源。有一系列商业可获得的产品，这些产品在它 们的光引擎中使用面向外的、围绕着圆柱的圆周安装的LED芯片，这导致大约275度的光束 宽度。这些光引擎可从在West Jordan, UT的CAOGroup的LED产品中获得。将LED安装在非平面表面上有几个缺点。第一，这种安装布置是复杂的、耗费时间 和劳动力的，并且昂贵。第二，这种安装布置不能使用标准的、现成的LED封装。这两个缺 点使得CAO Group方法不是很理想。在2006年4月4日出版的Juan C. MifianO等人的、标题为“Optical device forrepositioning and redistributing and LED’ s light”的美国专利 No. 7，021，797 中 公开了另一个已知的方法。Mifiano公开了一种光学装置，用于空间代替发光二极管(led) 的输出且使该输出耦合到在LED上方的有用高度处产生的主要球状发射图案。Mifiano的 装置由透明的介质材料制成，例如注模塑料。其包括下传输部和上射出部，该下传输部接收 来自下面的LED光，上射出部接收传输的光并且使其球状散开。一个或多个LED光耦合到 传输部的底部，该传输部通过对它们的整个半球发射的全内反射来运行。Mifiano的装置的潜在缺点是它非常大，且具有超过led芯片的显著大的纵向延 伸。由Mifiano公开的一个应用是在闪光灯中使用该装置，其中LED将辐射光到该装置中，然 后该装置的光输出将照射在抛物柱面镜上并且作为准直光束离开闪光灯。虽然这种装置可 能适合于已经具有自然纵向形状的闪光灯，但这种装置不适合用作可安装在更小的空间封 套中的白炽灯泡替代物。因此，需要一种光学元件，其可以使用平面LED模块作为光源，可以将来自LED模 块的相对窄光引导为相对宽的光束，且可以安装在需要“改进”现有白炽灯夹具的相对小的 空间封套中。

发明内容
一个实施例是用于有角度地加宽从发光二极管模块发出的光的装置，包括关于 纵轴对称的透镜；该透镜包括由外表面限制的透明材料；该外表面包括蝠蝙翅状结构，该 蝠蝙翅状结构将从该发光二极管模块发出的光线的朗伯输入分布转换成从该透镜出现的 光线的基本上均勻的输出分布；该蝠蝙翅状结构包括面向该发光二极管模块的近端部分， 该近端部分包括在该近端部分中心的凹进部分，和沿圆周围绕该凹进部分的全内反射部 分。从该发光二极管模块进入该透镜的任何光线都会穿过该凹进部分进入。通过该凹进部 分进入该透镜且直接照射在该全内反射部分上的任何光线都会以比该透镜的临界角大的 入射角进入。另一个实施例是用于加宽发光二极管模块的角光输出的装置，包括透镜，用于接 收来自该发光二极管模块的光并且将光出射成多个出射角，该透镜具有比该发光二极管模 块宽的特征发射图案，该透镜包括折射率大于1的材料，该材料由外表面限制，该外表面的 径向截面包括第一直线部分，远离该透镜的纵轴延伸；第二基本上直线部分，邻近该第一 直线部分且与该透镜的该纵轴基本上平行；第三直线部分，邻近该第二直线部分且朝着该 透镜的该纵轴延伸；以及曲线部分，邻近该第三直线部分且朝着该透镜的该纵轴延伸，该曲 线部分包括凸起部分和凹进部分。另外的实施例是一种宽角度光发射系统，包括基本上平面的发光二极管模块，用 于发出具有以纵轴为中心的角分布的光，该纵轴与该发光二极管模块基本垂直；和透镜，用 于接收来自该平面发光二极管模块的光。该透镜纵向远离该发光二极管模块延伸且仅设 置在该发光二极管平面的一侧上。该透镜具有最接近该纵轴的内纵向厚度、最接近该透镜 的外径向边缘的外纵向厚度、以及在该透镜的该纵轴和该径向边缘之间的中间纵向厚度， 该中间纵向厚度比该内纵向厚度和该外纵向厚度二者都大。该透镜包括折射率大于1的材 料，该材料具有外表面，该外表面的径向截面具有面向远离该发光二极管模块的远侧，该远 侧包括远端凸起部分和远端凹进部分二者，以及具有面向该发光二极管模块的近侧，该近 侧包括在该近侧中心的近端凹进部分，用于接收来自该发光二极管模块的光；和沿圆周 围绕该近侧凹进部分的全内反射部分，用于对经由该凹进部分进入该透镜且直接照射在该 全内反射部分上的光进行全内反射。


图1是典型白炽灯泡的示意图。图2是用于图1的灯泡的相对功率输出与出射角的依赖关系的极坐标图。图3是典型发光二极管(LED)的示意图。图4是用于图3的LED模块的相对功率输出与出射角的依赖关系的极坐标图。图5是接收由LED模块发出的光并引导其成为全360度的光学元件的示意图。图6是图5的光学元件的理想化的角功率输出的图示。图7是示出光输入和光输出的蝙蝠翅状透镜的横截面示意图。图8是图7的蝙蝠翅状透镜的横截面示意图。图9是用于图7和8的透镜的每角度模拟发射功率与角度的依赖关系的极坐标 图。
图10是棱镜元件的横截面示意图。图11是壳形反射镜的横截面示意图。图12是板式转向器的横截面示意图。图13是透镜和控制电子装置的示意图，覆盖有用于白炽夹具的示例性体积封套 的尺寸图。
具体实施例方式公开了一种光学元件，用于接收来自平面发光二极管(LED)光源的相对窄的光， 并且用于将该光重新分配成跨越全360度的相对宽范围的输出角。该元件可以用于利用具 有相似发射剖面的基于LED的光源改进最初设计用于白炽灯泡的现有夹具。该元件足够 小，以使其可以与LED模块及其控制电子装置一起封装在白炽灯泡的体积封套内。一个示 例性元件是单个的、透明的、旋转对称的透镜，其具有蝙蝠翅状横截面，远离纵轴有角度地 延伸。该透镜在其纵向和横向面上还包括多个弯曲的、笔直的、镜面的和可选的散射部分， 其全部都会引起各种内和外反射、折射和可选地散射。因此，许多特定透镜部件不能在特定 角度时直接与特定光学效果相关；相反，这些部件全部相互作用，以制造出宽角度光输出。前面的段落仅仅是概括的，不应该解释为以任何方式限制。在图中和下面的正文 中将提供更完整的说明。如上所述，希望有一种光学元件，其加宽平面LED模块3的相对窄角输出4以与白 炽灯泡1的相对宽角输出2相似。图5是这种光学元件10的示意图，其接收由LED模块3 发出的光并引导其成为全360度。图6是光学元件10的理想化角功率输出的图，其在全 360度上基本是均勻的。这种均勻输出5是设计目标；在实际中，对于该角输出会有一些非 均勻性，这将通过图6中圆的一些或全部部分中的粗糙度来揭示。对于光学元件10有许多种可能。在下文详细描述了四种这样的可能性，且用元 件号码10A、10BU0C和IOD表示。所有这四种可能性在功能上都等效于图5所示的“黑盒 子” 10 ；它们都接收来自LED模块3的相对窄的光并重定向为包括全360度的相对宽的角 范围5，如图6中所示。下面依次描述这四种设计的每一个。在图7的横截面示意图中示出了光学元件10的第一种设计。透镜IOA关于其纵 轴旋转对称，并且包括该纵轴的横截面是蝙蝠翅状的。透镜IOA接收来自LED模块(未示 出)的相对窄的光11。通过来自各种表面部件的各种反射、折射以及可选的散射，透镜IOA 会产生相对宽的输出光分布12，其包括全360度。注意，这里使用的术语“蝙蝠翅状的”描述了透镜本身的横截面形状，不是来自透 镜的角输出。在本文献中存在这样的情况，其中“蝙蝠翅状透镜”描述了一种将光强烈地引 向两个优选方向(截面上)的透镜，每个都在纵轴的一侧；在本申请中这种情况不是该术语 的想要用法。图8是图7的蝙蝠翅状透镜IOA与LED模块3 —起的横截面示意图。在该透镜IOA 上有许多特征，下面从LED模块3开始围绕着透镜IOA的周长向外移动地按顺序描述它们。对本文献的目的来说，面向LED模块3的透镜IOA的那侧可以称为“近端”或“靠 近”侧，而面向远离LED模块3的透镜IOA的那侧可称为“远端”或“远离”侧。图8所示的LED模块3指的是常用的LED模块3，其可以由许多制造商制造。因为透镜IOA的主要应用是用作白炽灯泡，优选LED模块3发白光。替换地，该透镜可以和仅具 有单一颜色或具有多种分立颜色的LED模块一起使用。LED中的白光可以用许多种方式产生。在一些情况下，LED模块包括发射如蓝光、 紫光或紫外光(UV)的相对短波长光的芯片。蓝光LED具有典型的在大约440nm到大约 470nm范围的波长。紫光和UV LED具有更短的波长。磷吸收短波长光并发射经波长变换的 光，该光类似用于照明目的的白光。该经波长变换的光的这种特殊颜色特性大部分由磷的 化学性质以及磷与短波长光的相互作用决定。在一些情况下，磷被布置在LED芯片上，以便经波长变换的光的发射点靠近半球9 的中心(例如，与均勻分布在该半球的曲面上相反)。在一些情况下，密封所有LED芯片的 半球9可以用每个LED芯片上的单个透镜代替。透镜IOA在其最接近的面(proximal face)上包括凹进部分29，其居中在透镜IOA 的纵轴39上。在一些应用中，凹进部分29是半球。期望蝙蝠翅状透镜IOA能够容纳许多不 同结构的LED模块3，包括许多常见尺寸的LED半球，使得LED模块3的精确结构变得相对 不重要。通常，可能期望LED的发光点处在该半球29的中心或中心附近，以便离开LED模 块3的光线以基本上法线入射地照射在该凹进半球29上，因此不会由于在表面上的折射而 显著弯曲。凹进部分29的内部可以具有抗反射涂层，例如四分之一波长的低折射率材料， 或可以保持不被涂层。邻近半球间隙的是脊31。脊31可以大致平行于LED模块3 (或者，在本文献中相 当于垂直于透镜IOA的纵轴39)。在一些情况下，脊31是笔直的，但是脊31可以可选地具
有一些弯曲。脊31可用于使透镜IOA连接到LED模块3的机械用途。例如，可以迫使脊31与 LED模块3的电路板或电路板上的对应机械部分接触，该接触确定了透镜IOA和LED发射面 之间的纵向间隔。替换地，还可以有另外的支架连接到可以用于间隔的脊31上。一旦确定 了纵向间隔，透镜IOA和LED模块3就通过胶合、焊接、熔接、螺纹连接、咬接或任何其它合 适的连接方法相互固定。在一些情况下，脊31在透镜中主要充当机械功能，但其还可以包 括一些光学效果。邻近脊31且沿着透镜IOA的近端纵向一侧进一步向外辐射的是全内反射区32。 全内反射区32的主要目的是内反射一些离开LED模块3的高传播角光线。注意，全内反射 32是有效地100%反射，没有透射和吸收的部分。虽然由于表面粗糙的散射可能有少量损 失，然而在别的方面，全内反射实际上是无损的。注意，当光线以大于临界角的角度照射界面时会发生全内反射。该临界角是折射 光线平行于该界面自身地、或以与表面法线成90度的角传播的角度离开该界面。对于折射 率为“η”的透镜10Α，在透镜/空气界面上透镜内部的临界角给定为SirT1(IAi)。通常，全 内反射区32被设计为如果光线离开LED模块3的发射点并照射在全内反射区32上，则该 光线以比临界角更大的角度照射该全内反射区。在一些情况下，全内反射区32可以具有笔直的或基本笔直的横截面，如图8的横 截面所示。由于透镜IOA的旋转对称性，全内反射区32则是锥体的一部分。在其它情况下， 全内反射区32可以具有一个或多个轻微弯曲部分，其可以是凸起的或凹进的。全内反射区32的次要功能是传输在透镜IOA内部经历了其它反射的光。透镜IOA内部光线的光路是十分复杂的，并且具有略微不同方向或位置的光线可以经过非常不同的 路径结束。通常，除全内反射区32外，透镜外部其它部分的功能没有这么清晰、定义明确的 功能。相反地，它们全部协作以确保发出的光包括全360度范围。在下面进一步研究元件 之间的这种协作，确切的说是许多元件功能的无法分离。邻近全内反射区32的是侧边缘33。在一些情况下，侧边缘33的横截面可以是直 的，且可以与透镜IOA的纵轴39平行。在其它情况下，侧边缘33可以是直的，并且相对于 透镜IOA的纵轴39倾斜。还在其它一些情况下，侧边缘33可包括一个或多个弯曲部分，这 些弯曲部分的任意一个或全部可以是凸起的或凹进的。这种弯曲可以是轻微的，以便表面 剖面偏离真正的直边缘最多仅几度。在一些情况下，侧边缘33定义了透镜IOA的最大辐射尺寸。如果透镜IOA必须安 装在具体体积封套中，例如为典型的白炽灯泡分配的体积封套，那么这个尺寸会很重要。在 图13中示出了这种体积封套，并且在下面的正文中更全面地描述这种体积封套。邻近侧边缘33的依次是远端笔直部分34、远端凸起部分35、远端凹进部分36、远 端横向笔直部分37和远端中心凸起部分38。与侧边缘33 —样，这些中的任一个或全部可 包括一个或多个笔直、凸起或凹进部分。为了方便给出了这些部分34-38的名称，但不应该 解释为以任何方式进行限制。在一些情况下，透镜IOA的最远边缘落入远端凸起部分35内。连同侧边缘33 — 起，该最远边缘可为透镜IOA限定外部尺寸，如果透镜要安装在预定的体积封套内则为透 镜IOA限定外部尺寸是很重要的。侧边缘33、远端笔直部分34和远端凸起部分35可形成用于透镜IOA的所谓的“蝠 蝙翅状的”外边界的一部分。以特定传播角度范围(相对于纵轴39)，例如20度至70度、 25度至65度、30度至60度、以及35度至55度离开LED模块3的光可以直接进入蝠蝙翅 状部分，而不会反射离开任何其它表面。通常，进入该蝠蝙翅状部分的光在离开透镜IOA且 重定向到预定角之前会在透镜IOA内传播很长的距离。“很长的距离”，指的是光在蝠蝙翅 状方向上传播比在单独纵向或单独横向上传播远大约2至大约5倍。这些数值范围是近似 值和归纳值，不应解释为以任何方式限制。以下部分之间的过渡形成拐角脊31和全内反射部分32、全内反射部分32和侧 面部分33、侧面部分33和远端笔直部分34、和远端横向笔直部分37、以及远端中心凸起部 分38。以下部分之间的过渡段是平滑的且没有拐角远端笔直部分34和远端凸起部分 35、远端凸起部分35和远端凹进部分36、以及远端凹进部分36和远端横向笔直部分37。使透镜IOA成形使得它的最大纵向厚度42横向位于中心厚度41和边缘厚度43 之间。在一些情况下，透镜IOA的最大厚度42位于远端凸起部分35中。在一些情况下，中 心厚度41可位于纵轴39处。在其它情况下，中心厚度41可略微偏离纵轴39，位于远端中 心凸起部分38、远端横向笔直部分37或远端凹进部分36的任何之一中。在一些情况下，远端中心凸起部分38的形状可以是球形的。在其它情况下，该形 状可以是圆锥形的，和/或在它的表面描述方面可包括一个或多个非球状的术语。这样的 表面描述可依据典型用于光线跟踪程序的已知惯例，并且可包括用于表面描述的一个或多 个多词学名的术语。
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远端凸起部分38可称为“凸块”。这种“凸块”相对于特定的光线方向具有可定义 的目的凸块38延伸出近似平行于纵轴39的光线的顶点。替换地，单个“凸块”可用小的 “凸块”阵列代替。作为另外的替换，“凸块”可整体移除，且用粗糙面代替。这些中的任一 个替换也会延伸出靠近轴上光线的顶点。在一些情况下，对于从LED模块3中的半球状透镜的中心射出的光，如图8所绘制 的，透镜IOA的外表面没有部分遮蔽外表面的任何其它部分；透镜外部的所有部分从半球 状透镜的中心“直接可见”。在其它情况下，一些部分可遮蔽透镜外部的一些其它部分。透镜IOA的表面抛光是值得讨论的。一个极端的情况，透镜的部分可具有抛光好 的表面，其可认为是“平滑的”。这种平滑表面抛光会减小反射和折射光线二者的散射光。 典型的反射镜具有这种平滑抛光，并且远离平滑抛光的反射被认为是“镜面的”。经过“镜 面”反射或“镜面”折射的光线在该平滑表面上依据公知的反射和折射定律，其中照射在该 表面上的单个光线仅得到被表面反射和/或穿过表面折射的单一光线方向。另一个极端的情况，透镜的部分可具有粗糙表面，其可认为是“粗糙的”。与毛面玻 璃类似，粗糙面可用作散射体。照射在这种粗糙面上的光线会反射或折射成从该表面射出 的光线“云”，而不是单个的、镜面反射或折射光线。存在完全平滑(镜面)和完全粗糙(漫射)之间的表面粗糙度的连续性。特别感 兴趣的是应表示为“略微粗糙的”的表面粗糙度，其在功能上定义如下。从略微粗糙的表面 折射或反射的光线在其镜面折射或反射方向上，加上或减去给定的度数而离开该表面。例 如，如果光线被镜面反射并且以36度的角度离开，则被类似定向的略微粗糙的表面反射的 光将以36+/-2度、或36+/-5度、或36+/-10度范围内的、或任何其它合适范围的光线“云” 离开。通常，表面越粗糙，出口角的范围越大。注意，该范围也可以在两个尺寸内，以便光线 “云”包括以镜面角为中心的锥形角。表面粗糙度可表示为单RMS值、或单峰谷值、或每个对 应于特定空间频率的多个值。通常，根据光散射理论，表面粗糙度和赋予折射或反射光线的 角范围之间的关系是公知的。透镜IOA的任何或所有部分31-39可具有该略微粗糙的表面，且该粗糙度可选地 从透镜IOA的外部的一个位置变化到另一个位置。在一些情况下，这样的略微粗糙度有助 于使离开透镜IOA的光的角分布内的一些峰值平滑。在一些情况下，该平滑是有利的。除表面粗糙度以外，透镜IOA的整体设计可按比例增加或减小，而不显著改变透 镜的角输出。因为透镜是可按比例变化的，所以透镜的尺寸与LED模块3中的半球状透镜9 的直径有关。更具体地，透镜的外部横向直径与半球9的直径的比，随着透镜按比例增加或 减小而保持不变。对于半球9的直径为IOmm的LED模块，透镜的外部横向直径可以为大约 50mm，提供了 5 1的比率。该5 1的比率仅是个示例，且其它合适的比率可落入10 1 和2 1之间、7 1和3 1之间、6 1和4 1之间、5. 5 1和4. 5 1之间、和大 约5 1的范围内。在图13中以及下面结合图13的正文对外部透镜尺寸进行进一步的论 述。从LED模块3、穿过透镜IOA并且离开透镜IOA的光路，可能是相当复杂的，这取 决于特定光线的位置和方向。例如，朝着远端凸起部分35和远端凹进部分36之间的平滑 区离开LED模块3的光线会在透镜IOA的远端外表面处经历全内反射，然后全内反射多次， 同时该光线沿着凸起部分35的轮廓以及沿着远端笔直部分34直至照射在侧面部分33上。这种复杂的光路极大地取决于位置和角度；注意照射在远端凸起部分35和远端凹进部分 36的其它端上、离开它们的平滑交叉点的光线，会使光线仅仅折射出透镜10A，只有小的反 射部分保留在透镜IOA内。通常，这样的光线性能即使难以用与路径无关的术语表达，也是 很容易理解的且由已知的光线跟踪软件精确模拟。值得解释的是为什么一些区域是直的，一些是凸起的，一些是凹进的，以及这些区 域之间的边界为什么在下降的地方下降。光线跟踪模拟需要某种数学表面描述，其通过设 计者提供给光线跟踪程序。设计者选择外表面的每个部分的特征，例如“笔直的且连接两个 特定点”、“凹进的且将第一导数与相邻的部分匹配”等等。光线跟踪程序典型具有输入每个 部分的特征的、以及输入用于每个部分的开始数值的图形或文本形式。该数值可以是该部 分中的一个或多个(x、y、z)坐标，其可代表端点或其它内部点，例如该部分的中点。然后使 该数值在特定范围内变化，同时评价特定的价值函数。该价值函数可以是离开透镜IOA的 每个角的峰谷功率，它取决于角，或任何其它合适的价值函数。重复评价该价值函数，同时 改变一个或多个数值，以便进行优化。这种优化由光线跟踪程序公开。如图8中所示，透镜IOA的实际布局是由光线跟踪程序优化的结果。应注意，某些 设计者会在优化期间将透镜IOA限制为不同，这会在与如图8所示的和上面描述的不同的 某些部分中导致不同的特性。例如，远端凸起部分35和远端凹进部分36中之一或两个会 被一个或多个笔直部分代替，其每个会在一端或两端形成拐角。替换地，远端凸起部分35 和远端凹进部分36可由一系列小的、笔直部分代替，这些部分一起形成逐步接近真实弯曲 的凸起和凹进部分35和36。这对于沿着透镜IOA的外部的其它区域或部分的任何一个也 是真实的；弯曲部分可代替拐角或笔直部分，反之亦然。通常，表面部分特性的选择一般留 给设计者。不管留给设计者的选择如何，都存在与透镜IOA的整体形状有关的一些一般性。 第一，光从LED模块3经由透镜最近一侧的位于中心的凹进部分29进入透镜IOA0在一些 应用中，凹进部分29是半球，且LED模块的有效发射点在该半球的中心。在那些情况下，LED 发出的光在半球的内部以法线入射照射在凹进部分29上。第二，透镜IOA的径向截面包括 两个蝠蝙翅状物30，每个都位于纵轴39的相对侧并且每个都在远离LED模块3的同一纵向 上延伸。从LED模块3到蝠蝙翅状物30的远边缘的距离可以比透镜IOA的轴上纵向厚度 大，大的倍数为大约两至五、或者小于二或大于五。第三，蝠蝙翅状物30具有最大纵向厚度 42，该最大纵向厚度42在蝠蝙翅状物的中心41和横向边缘43之间，而不是在中心41处或 横向边缘43处发生。第四，蝠蝙翅状物30的近边缘(在LED模块一侧)是由全内反射部 分32形成的。离开LED模块3且直接照射在全内反射部分32上的光在透镜IOA内被全部 内反射且沿着蝠蝙翅状物30远离LED模块3地行进。第五，透镜的横向直径(形成在侧边 缘33的)与LED模块3中的半球20的直径之比可以在以下范围的任意一个内10 1和 2 1之间、7 1和3 1之间、6 1和4 1之间、5. 5 1和4. 5 1之间、以及大约 5 I0用几幅图讨论控制在透镜的内部和外部的光线性能的物理性质是值得的。我们假 设透镜IOA是由具有折射率为“η”的材料制成的且在其外部没有任何薄膜涂层。照射在透镜外表面上的光线，不论是从空气进入透镜还是从透镜进入空气，都称 为“入射光线”。有在存在入射光线的地方(或者透镜或者空气中)的“入射媒质”和在界面的相对一侧上(即，分别为空气或者透镜)的“出口媒质”。有与该入射光线相关的“入 射角”，其以光线传播矢量和局部表面法线之间的角数值地给出。有远离该界面、在入射媒质内传播的“反射光线”。反射定律表示反射角等于入射 角，其中反射角和入射角每个都是与局部表面法线构成的。如果入射媒质为透镜(即，入射光线在透镜内部)，则有作为临界角已知的特征 角，在数字上用SirT1(IAi)给出。对于比该临界角大的入射角，在界面的相对一侧上没有透 射光线，且100%的光功率在作为“全内反射”已知的现象中被该界面反射。对于比该临界角小的入射角，一部分光被透射作为“透射光线”，且一部分被反射 作为反射光线。该透射光线的方向由斯涅耳定律表示。对于我们的透镜10A，斯涅耳定律规 定在透镜外部的光线传播角的正弦等于在透镜内部的光线传播角的正弦的“η”倍，其中两 个传播角都关于表面法线形成。包含在透射光线(即折射光线)和反射光线中的功率量由公知的菲涅耳透射系数 和反射系数给出。对于法线入射，菲涅耳功率反射率由值[(η-1)/(η+1)]2给出。对于典型 的η = 1. 5的折射率，功率反射率为4%。功率透射率为100%减去功率反射率，或96%。对 于除了法线入射之外的角，功率反射率和透射率两者都取决于入射角，但可以以在任何标 准的光学文本中查询的公知方式进行。这种功率计算隐含地由所有的光线跟踪程序处理， 并且对于反射和透射功率，利用这种光线跟踪程序的设计者很可能永不需要显式表达式。迄今，该讨论主要集中在透镜IOA的构造和功能元件上。以下讨论透镜IOA的模 拟性能。图9是对于图7和8的透镜10Α，每个角的模拟发射功率与角的依赖关系的极座标 图40。如图1-7中所示，对于平行于纵轴39的“切片(slice)”，图示片段49是针对该页面 内的发射和角。对于垂直于纵轴39的“切片”，图示片段48是针对该页面外的发射和角。对于图9的模拟光强度分布49，平均值为大约70%，最小值为大约35%，最大 (峰)值为100%。单位是任意的，因为它是依赖于对透镜IOA来说大多有关系的角的相对 性能。由这些模拟结果，我们可以说该强度在所有的方向上都是均勻的，+/_50%。其它可 接受的平均值在65%至75%、60%至80%、55%至85%、50%至90%、50%至99%、75%至 85%、和80%至85%、85%至90%、90%至95%的范围内以及为大约91%。其它可接受的 最小值在 30%至40%、25%至45%、20%至50%、15%至55%、10%至80%、5%至90%、 80%至85%、75%至85%、75%至80%的范围内以及为大约82%。利用上述的惯例，峰值 一直是100%。图示片段48示出了绕着透镜的纵轴39的方位角变化。该强度值是很均勻的，且 示出了在全360度上的小变化。实际上，与真正均勻之间的任何偏差都源于LED阵列(正 方形或矩形对比圆形)中的对称性、和来自经由透镜的光线跟踪的数字伪影。我们转到对于光学元件10的第二设计。图10是棱镜元件IOB的截面示意图。棱 镜元件IOB是同心壳型透镜50，其可以是透明的球壳。壳50包括几个棱镜元件52、54、57， 它们可以使从LED模块3发出的光线改变方向。壳型透镜50包括裸露部分51，其中光可仅仅通过透镜50。例如，光线53仅仅穿 透过壳型透镜50的裸露部分。壳型透镜50还包括多种棱镜52、54、57。该棱镜可与壳体一体成形，或可分离地形成且然后连接到该壳体。示例性的光线进入棱镜54，被棱镜斜边55全内反射，且经由面 56离开该棱镜。第二个示例性光线进入棱镜57，经由面58透过一部分，反射一部分(不是 全内反射，因为光线以比临界角小的角照射在面58上)，该反射的部分经由面59离开该棱 镜。可以是其它的光路，其可以包括折射、透射、反射和全内反射。棱镜和壳面可以被涂层，或可以保持裸露，且即选地可以是有纹理或粗糙的，或保 持平滑。棱镜形状、间隔和位置可不同于示例性的图10中所示的形状、间隔和位置。用于光学元件10的第三设计示于图11中，其是反射器元件IOC的截面示意图，反 射器元件IOC是壳形反射器60。来自LED模块3的光或者穿过壳形反射器中的孔65，或者 被壳形反射器的反射内部面63反射。被内部面63反射的任何光再循环。光可穿过透明的 外壳61。该壳可包括一个或多个薄片62，例如内部面63和外部面64。这些面的孔可对齐， 或者它们的孔未对齐，以便光在通过外部面中的孔离开之前在壳的内部(即，在面63和64 之间)四处反射。在一些应用中，壳形反射器60可认为是与用于光的“光亮滤器”相似，其中滤器表 面本身可以是平滑的、粗糙的、散射的或有纹理的。散射表面可以表现为白色，而不是发亮 的。图12示出了用于光学元件10的第四设计10D，且是板式转向器70的截面示意图。 板式转向器70具有发射自LED模块3入射到板71的光。基于用于板71的近端表面73的 薄膜和表面粗糙度设计，使光的一部分透射到板71中，且一部分被反射(未示出)。同样， 到达该板的远端表面74的光也被透射和反射到多个部分中，这取决于为板71的远端面设 计的薄膜和表面粗糙度。照射在板的侧边75上的光会经历散射，这取决于侧边75的表面 粗糙度，其可以与板71上其它处的表面粗糙度相同或不同。该板的内部72可以是玻璃的、 塑料的，或者任何其它适合的板材料。因为希望使LED光源形成为现有白炽灯泡夹具的改进，所以研究光学元件10的相 关尺寸是有利的。具体地，与用于白炽灯泡的ANSI指定的体积封套比较，我们来研究透镜 IOA的尺寸。图13是透镜IOA和控制电子装置90的示意图，覆盖有用于白炽夹具的示例性体 积封套的尺寸图。虚线91代表典型白炽灯泡的尺寸，封套92示出了分配给典型灯泡91的 体积。希望透镜IOA和控制电子装置90安装在封套92内。尺寸以毫米计。透镜IOA具有50mm的横向直径，且可以容纳包括IOmm直径主透镜(S卩，半球9) 的LED模块。驱动电子装置90占用了具有23mm直径和78mm长度的圆柱形体积。透镜IOA 和电子装置90 二者可被安装在具有螺纹的灯泡状夹具中，如图13所示。这里提出的本发明的描述及其应用都是说明性的且不是要限制本发明的范围。能 对这里公开的实施例进行变形和改进，且基于该专利文献的研究，实施例的各种元件的实 际替代物和等效物，对于本领域普通技术人员来说是可以理解的。可对这里公开的实施例 进行这些和其它的变形和改进，而不脱离本发明的范围和精神。
权利要求
一种用于在角度上加宽从发光二极管模块(3)发出的光的装置(10)，包括关于纵轴(39)对称的透镜(10A)；该透镜(10A)包括由外表面限制的透明材料；该外表面包括蝠蝙翅状结构，该蝠蝙翅状结构使从该发光二极管模块(3)发出的光线的朗伯输入分布(4)转换成从该透镜(10A)发出的光线的基本上均匀的输出分布(5)；该蝠蝙翅状结构包括面向该发光二极管模块(3)的近端部分，该近端部分包括在该近端部分中心的凹进部分(29)，其中从该发光二极管模块(3)进入该透镜(10A)的任何光线都会经由该凹进部分(29)来进入；和沿圆周围绕该凹进部分(29)的全内反射部分(32)，其中经由该凹进部分(29)进入该透镜(10A)且直接照射在该全内反射部分(32)上的任何光线都会以比该透镜(10A)的临界角大的入射角进入。
2.如权利要求1所述的装置(10)，其中光线的朗伯输入分布(4)包括多个输入光线，该多个输入光线中的每个输入光线 都具有相对功率和传播方向之间的输入关系，该输入关系随着该传播方向和该纵轴(39) 之间的余弦而变化；和其中光线的基本上均勻的输出分布(5)包括多个输出光线，该多个输出光线中的每个 输出光线都具有相对功率和传播方向之间的输出关系，该输出关系在所有的传播方向上大 致均勻。
3.如权利要求2所述的装置(10)，其中该大致均勻的输出关系包括100%的峰值、60% 和80%之间的平均值、以及20%和50%之间的最小值。
4.如权利要求2所述的装置(10)，其中该大致均勻的输出关系包括100%的峰值、65% 和75%之间的平均值、以及30%和40%之间的最小值。
5.如权利要求2所述的装置(10)，其中该大致均勻的输出关系包括100%的峰值、大约 70%的平均值、以及大约35%的最小值。
6.如权利要求1所述的装置(10)，其中该透镜(IOA)关于该纵轴(39)旋转对称。
7.如权利要求1所述的装置(10)，其中，对于包括该纵轴(39)的平面，对于在跨越关 于该纵轴(39)的360度的该平面内的每个方向，从该透镜(IOA)发出的光线的基本上均勻 的输出分布(5)包括至少一个沿着每个方向传播的射出光线。
8.如权利要求1所述的装置(10)，其中从该透镜(IOA)发出的光线的基本上均勻的输 出分布(5)包括第一多个光线，其经由该凹进部分(29)进入该透镜(IOA)且然后经由该蝠蝙翅状结构 直接离开该透镜(IOA)；和第二多个光线，其经由该凹进部分(29)进入该透镜(IOA)，在内部从该蝠蝙翅状结构 反射至少一次，然后经由该蝠蝙翅状结构离开该透镜(IOA)。
9.如权利要求8所述的装置(10)，其中对于该第一和第二多个光线，该进入和离开包 括经由该蝠蝙翅状结构的折射，该折射包括由斯涅耳定律决定的光线方向的改变和由菲涅 耳透射功率系数决定的相对功率的减小。
10.如权利要求8所述的装置(10)，其中对于该第二多个光线，来自该蝠蝙翅状结构的 内反射包括由反射定律决定的光线方向的改变，以及对于比该透镜(IOA)的临界角小的入射角，来自该蝠蝙翅状结构的内反射包括由菲涅耳反射功率系数决定的相对功率的减小。
11.如权利要求1所述的装置(10)，其中该透镜(IOA)的临界角是(1除以该透镜(IOA) 的折射率)的反正弦。
12.如权利要求1所述的装置(10)，其中该凹进部分(29)是半球状的；和其中从该发光二极管模块(3)进入该透镜(IOA)的任何光线都是以法线入射经由该凹 进部分(29)而进入的。
13.如权利要求1所述的装置(10)，其中该全内反射部分(32)的径向截面是笔直的， 大部分与该纵轴(39)垂直，且在从近端到远端的方向上从该透镜(IOA)的中心前进到侧边 缘(33)。
14.如权利要求1所述的装置(10)，其中该外表面包括在与该近端部分相对的远端部 分上的至少一个凸块(38)，该至少一个凸块(38)最接近该纵轴(39)。
15.如权利要求1所述的装置(10)，其中该外表面包括平行于该纵轴(39)且直接邻近 该全内反射部分(32)的侧边缘(33)。
16.如权利要求1所述的装置(10)，其中该透镜(IOA)的横向直径除以凹进部分(29) 的直径的比在61到41的范围内。
17.如权利要求1所述的装置(10)，其中该外表面包括面向远离该发光二极管模块(3) 的远端曲线部分(35、36)，该远端曲线部分包括远端凸起部分(35)和远端凹进部分(36)， 该远端凸起部分(35)定义了该透镜(IOA)的最大远端纵向延伸。
18.如权利要求1所述的装置(10)，其中该透镜(IOA)具有最接近该纵轴(39)的内 纵向厚度(41)、最接近该透镜(IOA)的外径向边缘(33)的外纵向厚度(43)、以及在该透镜 (IOA)的该纵轴(39)和该径向边缘(33)之间的中间纵向厚度(42)，该中间纵向厚度(42) 比该内纵向厚度(41)和该外纵向厚度(43) 二者都大。
19.如权利要求1所述的装置(10)，其中该外表面的至少一个部分是略微粗糙的。
20.一种用于加宽发光二极管模块(3)的角光输出的装置(10)，包括透镜(IOA)，用于接收来自该发光二极管模块(3)的光并且将光出射成多个出射角，该 透镜(IOA)具有比该发光二极管模块(3)的特征发射图案(4)宽的特征发射图案(6)，该透 镜(IOA)包括折射率大于1的材料，该材料由外表面限制，该外表面的径向截面包括第一直线部分(32)，远离该透镜(IOA)的纵轴(39)延伸；第二基本上直线部分(33)，邻近该第一直线部分(32)且与该透镜的该纵轴(39)基本 上平行；第三直线部分(34)，邻近该第二直线部分(33)且朝着该透镜(IOA)的该纵轴(39)延 伸；以及曲线部分，邻近该第三直线部分(34)且朝着该透镜(IOA)的该纵轴(39)延伸，该曲线 部分包括凸起部分(35)和凹进部分(36)。
21.一种宽角度光发射系统，包括基本上平面的发光二极管模块(3)，用于发出具有以纵轴(39)为中心的角分布的光， 该纵轴与该发光二极管模块(3)基本上垂直；和透镜(IOA)，用于接收来自该平面发光二极管模块(3)的光；其中该透镜(IOA)纵向远离该发光二极管模块(3)延伸且仅设置在该发光二极管平面 的一侧上；其中该透镜(IOA)具有最接近该纵轴(39)的内纵向厚度(41)、最接近该透镜(IOA) 的外径向边缘(33)的外纵向厚度(43)、以及在该透镜(IOA)的该纵轴(39)和该径向边缘 (33)之间的中间纵向厚度(42)，该中间纵向厚度(42)比该内纵向厚度(41)和该外纵向厚 度(43) 二者都大；其中该透镜(IOA)包括折射率大于1的材料，该材料具有外表面，该外表面的径向截面 具有面向远离该发光二极管模块(3)的远侧，该远侧包括远端凸起部分(35)和远端凹进部 分(36) 二者，以及具有面向该发光二极管模块(3)的近侧，该近侧包括在该近侧中心的近端凹进部分(29)，用于接收来自该发光二极管模块(3)的光；和 全内反射部分(32)，沿圆周围绕该近端凹进部分(29)，用于对经由该凹进部分(29)进 入该透镜(IOA)且直接照射在该全内反射部分(32)上的光进行全内反射。
全文摘要
公开了一种用于发光二极管的光束扩展光学装置，用于接收来自平面发光二极管光源的相对窄的光，并且用于使光重新分布到跨越全360度的相对宽范围的输出角。该元件足够小以使得它能与LED模块及其控制电子装置一起封装在白炽灯泡的体积封套中。一种示例性的元件是单个的、透明的、旋转对称的透镜，该透镜具有蝠蝙翅状的截面，有角度地远离纵轴延伸。该透镜在其纵向和横向面上还包括多种弯曲的、笔直的、镜面的和可选的散射部分，其全部都会引起各种内和外反射、折射和可选地散射。由此，许多特定的透镜特部件在特定角时不能与特定的光学效应直接相关；相反，这些部件全部彼此相互作用以得到宽角度的光输出。
文档编号F21S2/00GK101900302SQ20101013977
公开日2010年12月1日 申请日期2010年2月3日 优先权日2009年2月3日
发明者A·霍尔-阿比彻迪, H·罗, S·C·艾伦 申请人:奥斯兰姆施尔凡尼亚公司