專利名稱：側面發射發光二極管光源的內透鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光源的側射透鏡裝置，特別涉及一種側面發射發光二極管(簡稱LED)光源的內透鏡(Inner Lens)，屬照明系統領域。
背景技術：
隨著發光二極管(簡稱LED)技術的快速發展，LED在照明領域的應用日益受到半導體界和照明界的關注。國外LED應用產品近年來發展迅速，主要應用領域包括手機背光源、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80年代中期，當時主要用于汽車的高位剎車燈。信號照明是LED單色光應用比較廣也比較早的一個領域，約占LED應用市場的4％左右。典型的應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的光效遠高于白熾燈。上世紀90年代末期，LED的高并行化、超高亮度和全色化使其應用領域也日趨廣泛，逐步走向室內外照明領域。
由于LED特殊的發光原理，使其在達到同等亮度情況下所需消耗的能量遠遠低于普通白熾燈，隨著關鍵技術的進一步突破，白光LED的光效有可能達到150-200lm/W，大大超越現在所有照明光源的光效，在照明方面有著誘人的前景。相對于傳統的電光源產品。LED的能耗較低，是一種節能光源，LED技術在照明應用領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，減少燒毀時發生其它事故的可能性，并且能夠在停電期間采用應急電池。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急安全指示標志，采用LED有很多優點，可靠性高、減少維護、壽命長，而且節省能源。
受技術和價格因素的限制，LED作為新興的高效照明產品，目前還處于初級階段。現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、低成本等技術難關，特別是如何提高LED在普通照明領域的應用時的光通量，使LED為照明節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，發光強度不夠，若將若干個LED靈活地組合，并采用聚光的方法提高發光強度，如用于飛機或火車上的閱讀照明。
目前，側面發射LED光源經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側面發射LED光源有規律的排列起來鑲嵌在導光板中，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公司現已經廣泛采用側面發射LED光源作為液晶電視背光模組的光源。
發明內容
本發明的目的為了提供一種側面發射LED光源的內透鏡。該內透鏡可將發光二極管芯片發出的光經過折射和全反射以后，集中在一個較小的角度內向側面方向的一周射出，采用該內透鏡可使LED遠場角度分布的峰值在側面方位角±85°的位置，峰值寬度為15°～20°；而發光二極管芯片中心軸線方向的光強分布小于峰值光強的15％；從而增強了LED的側面發光效率。
本發明所述的側面發射LED光源的內透鏡是指與發光二極管芯片封裝在一起的光學透鏡。其作用是對二極管芯片發出的光進行會聚或者按照某一方向對光的發射角度進行分配。
根據本發明的上述目的所提供的一種側面發射LED光源的內透鏡，該內透鏡與發光二極管芯片封裝成LED模塊，且發光二極管芯片位于內透鏡的中心軸上，該LED模塊還包括底座；發光二極管芯片，安裝于底座上；內透鏡的底部與底座相連，且發光二極管芯片位于內透鏡的中心軸上；內透鏡的作用是改變發光二極管芯片的光的發射方向，將大部分光從側面，沿垂直于所述發光二極管芯片中心軸線的方向聚集在很小的角度內向周圍發射，內透鏡與發光二極管芯片一起封裝。
根據本發明的內透鏡封裝的LED模塊，還包括導光介質，其位于發光二極管芯片和內透鏡之間，用于固定封裝發光二極管芯片并傳導發光二極管芯片所發出的光至內透鏡。
根據所述的側面發射LED光源的內透鏡，內透鏡采用全反射—折射組合式的結構，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；內透鏡包括下透鏡，其底部與底座相連；下透鏡將發光二極管芯片所發出的經導光介質傳導的光折射后沿與內透鏡的中心軸相垂直的方向發射出去；以及上透鏡，其底部與下透鏡的上部相連，并用于將發光二極管芯片所發出的光全反射后沿與內透鏡的中心軸垂直的方向發射出去。
根據所述的側面發射LED光源的內透鏡，內透鏡的下透鏡包括內彎曲面，其為凹的球面或者橢球面，其位于發光二極管芯片的上方，其凹面的空間被用于發光二極管芯片的引線，并透射所述發光二極管芯片的光。
折射表面為非球面折射面，它的焦點位于發光二極管芯片的中心位置，折射表面將發光二極管芯片所發出的經導光介質傳導的光折射后沿與內透鏡的中心軸相垂直的方向發射出去，其頂部設有用于發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，并用于連接發光二極管芯片的封裝殼體。
根據所述的側面發射LED光源的內透鏡，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光二極管芯片的中心為焦點的拋物線，從發光二極管芯片發出的光，經過反射表面的全反射后，沿與內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射的光線經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。
所述的側面發射LED光源的內透鏡，用于光發射二極管模塊的封裝，將LED的光集中在一個很小的角度內，向側面的一周發射。
本發明提供的側面發射LED光源的內透鏡采用全反射-折射組合式的結構，由上下兩部分組成，透鏡的下部分利用了光的折射，由內彎表面、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。以發光二極管芯片的中心軸線為0度方位角，發光二極管芯片發出的光經過內透鏡折射和全反射以后，集中在一個較小的角度內向側面方向的一周射出，LED遠場角度分布的峰值在側面方位角±85°的位置，峰值寬度為15°～20°。發光二極管芯片中心軸線方向的光強分布小于峰值光強的15％。
本發明相比現有技術具有如下本發明通過內透鏡的折射表面和全反射表面，使位于其中心軸上的發光二極管芯片光源的光從內透鏡的側面發射，該內透鏡在LED的側面方向集中了更多的光束，增強了LED的側面發光效率。
圖1為本發明發光二極管芯片光源的側面發射LED光源的內透鏡的原理圖；圖2為本發明側面發射LED光源的內透鏡的剖面圖；圖3為本發明側面發射LED光源的內透鏡第一實施例(包含一個發光二極管芯片)的三維示意圖；圖4為本發明側面發射LED光源的內透鏡第一實施例光線跟蹤圖；圖5為本發明側面發射LED光源的內透鏡第一實施例遠場角度分布圖；圖6為本發明側面發射LED光源的內透鏡第一實施例遠場坎德拉極坐標分布圖；圖7為本發明側面發射LED光源的內透鏡第二實施例(包含二個發光二極管芯片)的三維示意圖；圖8為本發明側面發射LED光源的內透鏡第二實施例光線跟蹤圖；圖9為本發明側面發射LED光源的內透鏡第二實施例的遠場角度分布圖；圖10為本發明側面發射LED光源的內透鏡第二實施例遠場坎德拉極坐標分布圖。
具體實施例方式
參照圖1、2，根據本發明的側面發射LED光源的內透鏡，該內透鏡與發光二極管芯片12封裝成LED模塊，且發光二極管芯片12位于內透鏡的中心軸上該LED模塊還包括底座11，發光二極管芯片12安裝于底座上，內透鏡14底部與底座11相連，且發光二極管芯片12位于內透鏡的中心軸上；內透鏡14的作用是改變發光二極管芯片12的光的發射方向，將大部分光從側面，沿垂直于所述發光二極管芯片12中心軸線的方向聚集在很小的角度內向周圍發射，內透鏡與發光二極管芯片12封裝在一起。該LED模塊還包括導光介質13，其位于發光二極管芯片12和內透鏡14之間，用于固定封裝發光二極管芯片12并傳導發光二極管芯片12所發出的光至內透鏡14。內透鏡14采用全反射—折射組合式的結構，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；其中內透鏡14包括下透鏡16，其底部與底座11相連；下透鏡16將發光二極管芯片12所發出的經導光介質13傳導的光折射后沿與內透鏡14的中心軸相垂直的方向發射出去；以及上透鏡15，其底部與下透鏡16的上部相連，并用于將發光二極管芯片12所發出的光反射后沿與內透鏡14的中心軸垂直的方向發射出去。
所述下透鏡16包括內彎曲面1、折射表面2和連接平面3；其中該內彎曲面1為凹的球面或者橢球面，其位于發光二極管芯片12的上方，該內彎曲面1與底座11之間的空間用于發光二極管芯片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)作為導光介質13，該導光介質13透射發光二極管芯片12的光；折射表面2為非球面折射面，其焦點位于發光二極管芯片12所在內透鏡14中心軸的位置處，折射表面2將發光二極管芯片12所發出的、經導光介質13傳導的光折射后沿與內透鏡14的中心軸相垂直的方向發射出去；該折射表面的頂部設有用于所述發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光二極管芯片12的所在內透鏡14中心軸的位置為焦點的拋物線，從發光二極管芯片12發出的光，經過反射表面4的全反射后，沿與內透鏡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反射的水平方向發射的光線經過連接表面5后光線的方向沒有改變。
下透鏡16的開口17的端點與內透鏡14的中心軸上的發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，側面發射LED光源的封裝內透鏡采用全反射—折射組合式的結構，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。
本發明側面發射LED光源的的封裝方法，連同內透鏡的尺寸如圖2所示。圖3為本發明側面發射LED光源的內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)發光二極管芯片。
對本發明第一實施例的側面發光LED進行光線追跡，追跡的結果如圖4、圖5和圖6所示。圖4為光線跟蹤示意圖，這里將發光二極管芯片中心軸線的方向定為0度方位角，發光二極管芯片的發光功率設為1瓦。圖5為LED的遠場角度分布圖，圖6為LED的遠場極坐標分布圖。從圖5和圖6可以看出發光二極管芯片發出的光經過內透鏡全反射和折射以后，集中在一個較小的角度內向側面方向的一周射出，LED遠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°。而發光二極管芯片中心軸線方向，方位角±60°以內的光強分布小于0.05W/sr，小于峰值光強的15％。所以LED的側面發光效率是非常理想的。
有時為了增加單個LED的發光亮度，發光光源采用發光二極管芯片陣列，如采用2個、3個或者4個發光二極管芯片陣列組成一個光源。對于這種情況，本發明側面發射LED光源的封裝內透鏡也同樣適用。圖7為本發明側面發射LED光源的內透鏡第二實施例，光源采用了兩個1×1×0.25mm的發光二極管芯片。圖8、圖9、圖10分別為光線追跡和設計結果。從圖8和圖9可以看出，遠場角度分布的峰值在方位角±85°的位置沒有改變，由于采用了兩個發光二極管芯片，峰值大小提高到0.8W/sr。發光二極管芯片中心軸線方向，方位角±60°以內的光強分布稍有提高，這是由于光源面積的擴展引起的，不影響LED的側面發射效果。發光二極管芯片發出的光經過內透鏡全反射和折射以后，還是集中在一個較小的角度內向側面方向的一周射出。
根據上述的分析和模擬證實本發明提供的側面發射LED光源的內透鏡同時適用于單個發光二極管芯片或多個發光二極管芯片陣列的LED。
權利要求
1.一種側面發射發光二極管光源的內透鏡，該內透鏡與發光二極管芯片(12)封裝成LED模塊，且發光二極管芯片(12)位于內透鏡的中心軸上；其特征在于，該內透鏡(14)采用全反射—折射組合式的結構，由上透鏡和下透鏡兩部分組成；其中上透鏡為全反射透鏡，其將發光二極管芯片(12)的光經過全反射后沿垂直于內透鏡(14)中心軸的方向聚集并向周圍發射；下透鏡為折射透鏡，其將發光二極管芯片(12)的光經過折射后沿垂直于內透鏡(14)中心軸的方向聚集并向周圍發射。
2.根據權利要求1所述的側面發射發光二極管光源的內透鏡，其特征在于，所述的下透鏡(16)包括內彎曲面(1)，其為凹的球面或者橢球面，位于所述發光二極管芯片(12)的上方，并透射所述發光二極管(12)的光；折射表面(2)為非球面折射面，其以內透鏡(14)中心軸上的發光二極管芯片(12)的位置為焦點，所述折射表面(2)將所述發光二極管芯片(12)所發出的光折射后沿與內透鏡(14)的中心軸相垂直的方向發射出去；其頂部設有用于所述發光二極管芯片向上透鏡(15)出射光的開口(17)；連接平面(3)，其連接內彎表面(1)和折射表面(2)，并用于連接所述發光二極管芯片(12)的封裝殼體。
3.根據權利要求2所述的側面發射發光二極管光源的內透鏡，其特征在于，所述下透鏡(16)的所述開口(17)的端點與內透鏡(14)的中心軸上的發光二極管芯片(12)處的連線與下透鏡(16)的連接平面(3)的夾角為銳角。
4.根據權利要求3所述的側面發射發光二極管光源的內透鏡，其特征在于，所述的夾角為0-50度。
5.根據權利要求2所述的側面發射發光二極管光源的內透鏡，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光二極管芯片(12)位于內透鏡(14)的中心軸上的位置為焦點的拋物線，并將所述發光二極管芯片(12)發出的光經全反射后沿與所述內透鏡(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)反射的水平方向發射的光線，其用于連接所述下表面(6)和反射表面(4)。
6.根據權利要求5所述的側面發射發光二極管光源的內透鏡，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.根據權利要求1、2或5所述的側面發射發光二極管光源的內透鏡，其特征在于，該封裝的LED模塊還包括導光介質(13)，其填充位于所述發光二極管芯片(12)和所述內透鏡(14)之間，用于固定封裝所述發光二極管芯片(12)并傳導所述發光二極管芯片(12)所發出的光至內透鏡(14)。
8.根據權利要求7所述的側面發射發光二極管光源的內透鏡，其特征在于，所述的導光介質(13)為硅膠。
9.根據權利要求1所述的側面發射發光二極管光源的內透鏡，其特征在于，所述的發光二極管芯片(12)可呈陣列設置。
10.根據權利要求1所述的側面發射發光二極管光源的內透鏡，其特征在于，所述的LED模塊還包括底座(11)，所述發光二極管芯片(12)安裝于底座(11)上，該內透鏡(14)的底部與底座(11)相連。
全文摘要
本發明提供一種側面發射發光二極管光源的內透鏡。其作用是改變發光二極管芯片的光的發射方向，將大部分光從側面，沿垂直于發光二極管芯片中心軸線的方向聚集在很小的角度內向周圍發射。內透鏡與所述發光二極管芯片一起封裝，封裝后的二極管模塊包括底座；發光二極管芯片，其安裝于底座上；內透鏡，其底部與底座相連，且發光二極管芯片位于內透鏡的中心軸上。通過內透鏡的折射表面和全反射表面，該發光二極管芯片光源的側面發射內透鏡在LED的側面方向集中了更多的光束，增強了LED的側面發光效率。
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 優先權日2005年7月21日
發明者杜雪, 蔣金波, 張志輝, 李榮彬, 張家俊 申請人:香港理工大學