[發(fā)明專利]LED燈具的光耦合和防光傳導(dǎo)損失的方法及其裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310173560.2
• 申請日: 2013-05-09
• 公開（公告）號: CN103335275A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡建人
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號: F21V5/00
• 分類號: F21V5/00;F21V5/04;F21V7/22
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于照明光學(xué)領(lǐng)域，涉及到LED燈與器材，特別是LED燈具的光耦合和防光傳導(dǎo)損失的方法及其裝置。?

背景技術(shù)

LED以其光效高成為重要的照明光源。但LED屬于點光源，封裝與白熾燈有極大的不同。為了有效地引出光線，LED投射燈用LED燈珠與相匹配的專用帶凹球形狀的光學(xué)收集-聚光裝置，有效地收集了向四方發(fā)射的大功率LED光，并經(jīng)光學(xué)聚光裝置的折射及反射，以小角度出射，投射到很小的面積，照度不均勻，燈具發(fā)光面亮度過高，產(chǎn)生眩光，?LED投射燈只能用于局部照明。?

市場供貨的LED投射燈已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)鏈，LED投射燈或者其他LED燈的零部件已經(jīng)規(guī)模生產(chǎn)，燈具生產(chǎn)商采用OEM組裝形式形成批生產(chǎn)。光導(dǎo)形式的LED聚光透鏡集收集-投射光于一體，已形成模具、成型生產(chǎn)、供貨一條龍，LED燈產(chǎn)業(yè)鏈中的各個零部件已經(jīng)固定，任意一個零部件的尺寸改動可能會牽一發(fā)而動全局。LED聚光透鏡有單燈珠、3燈珠、5燈珠、7燈珠，……以及其他形式，若采用最常用的1W?LED燈珠，它們分別對應(yīng)1W、3W、5W、7W，……。其中3W?LED投射燈的使用率最高，3燈珠的聚光透鏡最為普及，價格最低；5燈珠的聚光透鏡使用量大幅度降低。為了提高LED聚光透鏡的通用性，也有n個單聚光透鏡組成n?W大功率LED投射燈，通過燈具出光口的多寡調(diào)整LED投射燈的功率，但組裝的復(fù)雜程度和難度大幅度上升，制造成本中的人工費占比提高。?

降低光源的眩光歷來采用毛玻璃、瓦楞狀玻璃折射或者乳白色燈罩，變高亮度、點光源為面光源。人們采用各種設(shè)計改進LED燈具，提高光效。目前認識到提高LED燈具光效需要光學(xué)技術(shù)的參與。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明通過基礎(chǔ)光學(xué)分析，研究了LED燈珠出光介質(zhì)的邊界折射、反射與全反射規(guī)律，通過LED燈珠與LED燈具聚光透鏡（用于光線收集-光學(xué)聚光/光傳導(dǎo)）的光耦合，降低界面之間的反射率，擴大LED出光封裝與出光光通量有關(guān)的有效入射角——全反射臨界角，增大出射球冠相對面積和視界；此處所述的“視界”為：從出光封裝外側(cè)看到的出光封裝內(nèi)部（與出光封裝表面法線）的極限夾角及其對應(yīng)的邊界。針對LED聚光透鏡的導(dǎo)光柱的光泄漏和創(chuàng)造導(dǎo)光柱的全反射方法，提高LED燈出光效率。利用該方法形成的技術(shù)措施和裝置的相關(guān)零部件及其結(jié)構(gòu)。?

本發(fā)明的基本工作原理基于透明介質(zhì)的光反射率R和透射率T關(guān)系，以及光介質(zhì)的折射定律。由此導(dǎo)出了與本發(fā)明相關(guān)的概念、基本功能和技術(shù)措施。?

透明介質(zhì)表面的反射率R的計算公式（1）?

當玻璃等透明介質(zhì)的折射率n’=1.5，而空氣的折射率n=1.0，計算結(jié)果為R=0.04，即玻璃平板每個表面反射率約為4%，無色透明的白玻璃板的透射率T只有92.16%，故無色白玻璃板的總反射率Rt_白玻璃板=1－T=1－92.16%=7.84%。LED燈珠與LED聚光透鏡上的專門匹配孔——半凹球形之間的空氣間隙造成從LED燈珠表面-空氣隙-LED聚光透鏡半凹球形表面產(chǎn)生了兩次反射，反射率符合式（1），其中n’為大功率LED燈珠的出光封裝材料的折射率，多采用折射率介于1.4～1.5、可見光范圍內(nèi)透光率大于99%的有機硅，按式（1）計算，有機硅與空氣的反射率介于2.78%（有機硅折射率n’=1.4）～4.00%（n’=1.5）之間。折射定律?

n’sin?i’=n?sin?i????????????????????（2）?

由等式關(guān)系得：折射率大的一側(cè)入射角或者出射角小。根據(jù)式（2），從LED管芯發(fā)射的光，在出光封裝表面與法線的夾角入射角（LED芯片側(cè)）不能超過全反射的臨界角45.585°（n’=1.4）～41.81°（n’=1.5），大于臨界角的光線將發(fā)生全反射，并在圓周（實際為球面）發(fā)生多次全反射直至光能損失殆盡。根據(jù)球冠面積計算公式，2πR²(1－cos?i’)，其中i’是球冠中心（軸）到球冠邊沿的夾角；引入相對球冠面積S_R=球冠面積S_S：半球面積S_h，相對球冠面積?

S_R=(1－cos?i’)??????????????????????（3）?

其中i’是球冠中心（軸）到球冠邊沿的夾角。?

對應(yīng)LED燈珠內(nèi)部光束照射介質(zhì)表面的入射角i’。?

LED封裝材料折射率n’=1.4的全反射臨界角45.585°，相對球冠面積?