[发明专利]用于光束成形的发光二极管初级光学器件

说明书

技术领域

本发明涉及发光二极管(一个LED或多个LED)和LED组件，其具有用于使发射图案(emission pattern)成形并且具体地用于使发射图案变宽的初级光学器件(primary optic)。

背景技术

已经开发出在全世界范围内用于商业办公和产业空间的不同LED灯具，诸如灯槽式器具。先前的灯槽收纳横跨灯槽长度的伸长的荧光灯泡。灯槽可被安装到天花板或从天花板悬挂下来，诸如通过“T型龙骨(T-grid)”进行悬挂。通常，可将灯槽凹进到天花板中，其中灯槽的后侧(即，灯槽板)突出到天花板上方多达六英寸或更多距离的压力通风区域。在其他布置中，位于后侧上的灯槽的元件将通过光源生成的热量驱散到压力通风系统，其中可便于空气循环至冷却机构。授予Bell等人的美国专利第5,823,663号和Schmidt等人的美国专利第6,210,025号为典型的灯槽式器具的示例。这些器具会要求充足的天花板空间量，以便合适地进行操作。

最近，随着高效固态照明源的出现，这些灯槽已经与诸如发光二极管(LED)的固态照明源一起使用。LED为固态设备，其将电能转换为光并通常包括插入在相反掺杂的半导体层之间的半导体材料的一个或多个有源区域。当跨越掺杂层施加偏压时，将空穴和电子注入到有源区域中，在该有源区域中，它们重新组合以生成光。在有源区域中产生光并从LED的表面发射光。

LED具有某些特征，使它们被期望用于先前是白炽灯或荧光灯的领域的许多照明应用。白炽灯为能效低的光源，它们所消耗的大约百分之九十的电能被释放为热量而不是光。荧光灯泡比白炽灯泡节能10倍，但利用率仍然相对较低。相反地，LED可使用一部分能量发射出和白炽灯以及荧光灯相同的光通量。

另外，LED可具有明显较长的操作寿命。白炽灯泡具有相对短的寿命，其中一些具有在大约750-1000小时范围中的寿命。荧光灯还可具有比日光灯更长的寿命，诸如在大约10000-20000小时的范围中，但提供所不期望的颜色发射。相比之下，LED的增加的效率和延长的寿命对许多照明供应商来说是具有吸引力的，并已经导致LED光源替代传统照明用于许多不同的应用中。据预测，进一步的改善将会导致在越来越多的照明应用中广泛地使用它们。采用LED替代白炽照明和荧光照明的增加将使照明效率增大且显著节能。

与基于LED的多源光源相关联的一个设计挑战是在光源内混合来自LED光源的光，以便在光源的整个发光面上提供均匀的照明和颜色均匀性。这在其中LED光源为“面向前方”-即利用指向光源发光面的峰值发射(peak emission)强度进行定向(与“间接”定向相反，其中，大多数光在到达发光体的发光表面之前被一个或多个表面反射或散射)的光源的情况下尤其如此。图1和图2示出传统的LED组件10，其可包括许多不同的可买到的LED组件，诸如可以从Cree公司买到的XP系列的LED组件。组件可被用在当前的“面向前方”的光源中，并且组件10通常包括基板或印刷电路板(PCB)12、LED芯片14和初级光学器件或透镜16。在多数传统的LED组件中，初级光学器件为相对简单的形状，诸如半球形。这些传统组件通常产生类似朗伯(Lambertian)或余弦的光束发射剖面，如分别在图3和图4的图表18和20中所示。这些发射剖面相对狭窄并且峰值可导致在整个发光体的发射面范围内的不良近场强度和颜色变化。

图5示出了灯槽(troffer)22的一个实施例，该灯槽具有被定向在“向前发射”配置中的传统LED组件，以及在光源发射面24上预期的模拟结果照明图案(为了简化模拟，LED组件仅占用大致一半的光源)。LED组件的朗伯发射图案导致沿灯槽的发射面24的强度中的不良热点(hot spot)，并且图6为示出发射热点的相对峰值的图表26。对于多数照明应用来说，通常认为这种非均匀照明分布在美学上是不期望的。

因此，具有标准初级光学器件的标准LED组件可能不兼容于面向前方或直接的背光照明。次级光学部件已经被开发用于这些部件，其可用于使发射图案成形以减少热点。然而，次级光学器件是以与LED组件分离的方式形成并且被结合至LED组件的初级光学器件。该方法导致额外的制造复杂性和成本，并还会由于次级光学部件中的吸收以及与由次级光学器件所呈现的附加光学界面相关联的菲涅尔损耗(Fresnel loss)而导致效率损耗。