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CN102903833B - 广角室内照明灯 - Google Patents

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CN102903833B
CN102903833B CN201210238741.4A CN201210238741A CN102903833B CN 102903833 B CN102903833 B CN 102903833B CN 201210238741 A CN201210238741 A CN 201210238741A CN 102903833 B CN102903833 B CN 102903833B
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Abstract

本发明提供了一个照明结构的实施例。该照明结构包括位于衬底上的发光二极管(LED)器件；被固定在衬底上并且位于LED器件上方的透镜；以及被固定在衬底上并且覆盖着透镜的漫射罩，其中，该透镜和漫射罩被设计和配置为：对来自LED器件的发射光进行再分配，从而进行广角照明。本发明还提供了一种广角室内照明灯。

Description

广角室内照明灯
技术领域
本发明涉及半导体领域，更具体地，本发明涉及一种广角室内照明灯。
背景技术
发光二极管(LED)广泛地使用在各种应用中，包括指示器、光传感器、交通灯、宽带数据传输以及照明应用。特别是由于LED的低功耗和长使用寿命使LED更加适用于照明应用。在照明应用中，LED具有一些局限性，诸如，带状光谱较窄。可以通过集成各种类型的LED来克服该带状光谱较窄的局限性，从而提供了白光。另一种局限性是定向辐射。源于LED的辐射光功率通常以小立体角分配，该小立体角提供的视角很窄并且与目光照明不同。这种定向的照明和明亮的光线使人的眼睛感到不舒服并且使人的眼睛感到疼痛。除非是为了特定应用需要朝特定方向进行照明，否则不需要LED照明的窄视角，尤其是在室内照明功能中。当前的室内LED灯使用朗伯(Lambertian)发射器和漫射罩来分配发射的光。然而，这些用于分配光的技术仅可以达到140度的照度并且具有些许后向光。所以，LED的辐射仍然是定向的并且不能形成均匀的光分配图案。因此，需要LED结构的构造和方法来解决上述问题。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种照明结构，包括：发光二极管(LED)器件，位于衬底上；透镜，被固定在所述衬底上，并且位于所述LED器件上方；以及漫射罩，被固定在所述衬底上，并且覆盖着所述透镜，其中，所述透镜和所述漫射罩被设计和配置为对来自所述LED器件的发射光进行再分配，以进行广角照明。
在该照明结构中，所述透镜包括内表面和外表面；所述内表面包括第一侧部和第一顶部；所述外表面包括第二侧部和第二顶部；以及所述第一侧部、所述第一顶部、所述第二侧部、和所述第二顶部被设计和配置为将从所述LED器件发射的光再分配到大于2π球面度的立体角中。
在该照明结构中，所述第一侧部、所述第一顶部、所述第二侧部、和所述第二顶部被设计和配置为使得所述发射光在所述照明结构的运行过程中包括：第一光束，穿过所述第一顶部和所述第二顶部，被分配在0球面度和大约2π*[1-cos(π/4)]球面度之间的第一立体角内；第二光束，穿过所述第一侧部和所述第二侧部，被分配在大约2π*[1-cos(π/4)]球面度和大约2π*[1-cos(100π/180)]球面度之间的第二立体角内；以及第三光束，穿过所述第一顶部，从所述第二顶部中反射出，并且穿过所述第二侧部，被分配在大约2π*[1-cos(100π/180)]球面度和4π球面度之间的第三立体角内。
在该照明结构中，所述第二顶部具有凹部。
在该照明结构中，所述第二顶部包括中心和环绕着所述中心的边沿；所述第二顶部沿着第一方向与所述衬底间隔开，从而沿着所述第一方向限定出从所述第二顶部的边沿到所述衬底的顶面的高度H；所述第二顶部沿着垂直于所述第一方向的第二方向从所述中心跨越到所述边沿，从而限定出第一半径r；所述凹部包括凹陷深度d，所述凹陷深度d被定义为沿着所述第一方向的从所述边沿到所述中心的距离；以及第一比例d/H的范围在大约0.5和大约0.8之间。
在该照明结构中，所述第二侧面在所述衬底上限定出圆形区域，并且所述圆形区域具有沿着所述第二方向的第二半径R；并且第二比例r/R的范围在大约0.3和大约1.0之间。
在该照明结构中，所述第一顶部沿着所述第一方向与所述衬底间隔开，从而限定出所述第一顶部到所述衬底的顶面的高度h；并且第三比例h/H的范围在大约0.1和大约0.4之间。
在该照明结构中，进一步包括：第二透镜，覆盖着所述第一透镜，并且被配置在所述漫射罩内部。
在该照明结构中，所述衬底包括机械底座。
在该照明结构中，所述机械底座包含导热材料，并且被设计为散热器。
在该照明结构中，所述机械底座包括邻近所述LED器件的第一部分和远离所述LED器件的第二部分；沿着第一方向配置所述第一部分和所述第二部分；所述第一部分沿着与所述第一方向垂直的第二方向具有第一尺寸；所述第二部分沿着所述第二方向具有第二尺寸；并且所述第二尺寸大于所述第一尺寸。
在该照明结构中，进一步包括：散热电路板，与所述LED器件电连接，并且被配置在所述LED器件和所述衬底之间。
根据本发明的另一方面，提供了一种照明结构，包括：发光二极管(LED)器件，被配置在衬底上；第一透镜，被固定在所述衬底上，并且覆盖着所述LED器件；以及第二透镜，被固定在所述衬底上，并且覆盖着所述第一透镜，其中，所述第一透镜和所述第二透镜被成形和配置为对从所述LED器件中发射出的光进行再分配，以进行广角照明。
在该照明结构中，所述第一透镜包括面向所述LED器件的第一内表面和背向所述LED器件的第一外表面；所述第二透镜包括面向所述LED器件的第二内表面和背向所述LED器件的第二外表面；并且第一内表面、第一外表面、第二内表面以及第二外表面中的每一个都被设计为具有选自由半球的一部分、半椭圆的一部分，以及具有带有凹部的顶部和侧部的表面所构成的组。
在该照明结构中，所述第一透镜和所述第二透镜中的每一个都包含透明材料，所述透明材料选自由聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)所构成的组。
在该照明结构中，所述第二透镜进一步包括散布在透明材料中的漫射粒子，以获得光漫射效果。
在该照明结构中，所述LED器件包括多个被配置在所述衬底上的LED芯片。
在该照明结构中，所述第一透镜被成形为具有蝙蝠翼结构。
在该照明结构中，进一步包括：第三透镜，与所述第一透镜和所述第二透镜层叠，以进一步对从所述LED器件发射出的光进行再分配。
根据本发明的又一方面，提供了一种制造照明结构的方法，包括：将发光二极管(LED)器件附接至衬底；将第一透镜附接至所述衬底，使所述第一透镜覆盖着所述LED器件；以及将第二透镜附接至所述衬底，使所述第二透镜覆盖着所述第一透镜。
在该方法中，进一步包括：在将所述第一透镜附接至所述衬底之前，形成第一透镜，所述第一透镜被成形为：对来自所述LED器件的发射光进行再分配，以形成广角照明。
在该方法中，所述形成第一透镜包括：使用选自由喷射模塑和挤压模塑所构成的组的技术。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的论述，各种部件的数量和尺寸可以被任意增加或减少。
图1是根据一个或多个实施例构成的照明结构的截面图；
图2和图3是根据各个实施例构成并且集成在图1的照明结构中的发光二极管(LED)器件的俯视图；
图4在一个实施例中根据本发明的各个方面构成的图1的照明结构的散热器的俯视图；
图5至图8和图12是根据各个实施例构成的照明结构的截面图；
图5a是根据一个实施例构成的位于图5的照明结构中的透镜的俯视图；以及
图9至图11是根据各个实施例的图8的照明结构中的透镜表面形状的截面图。
具体实施方式
可以理解，以下公开提供了多种不同实施例或实例，用于实现各个实施例的不同特征。以下将描述组件和布置的特定实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不旨在限制本发明。本发明可以在各个实例中重复参考符号和/或字符。这种重复用于简化和清楚，并且其本身不表示所述多个实施例和/或配置之间的关系。
图1是照明结构100的截面图。图2和图3是根据各个实施例所构成的集成在照明结构100中的发光二极管(LED)器件的俯视图。图4是在一个实施例中根据本发明各个方面构成的照明结构100的散热器的俯视图。参考图1至图4，共同描述了照明结构100及其制造方法。照明结构100包括作为光发射源的LED器件102。该LED器件102与电路板112相连接并且进一步附接至衬底114。
LED器件102包括如图2所示的一个芯片104，或者如图3所示的多个LED芯片104。当LED器件102包括多个LED芯片104时，为了获得期望的照明效果，可以将多个LED芯片配置成适当的阵列。例如，多个LED芯片104被配置为使得源于各个LED芯片的共同照明有助于发射光在大角度中具有增强的照明均匀度。在另一个实例中，多个LED芯片104包括单个的LED芯片104，每个单个的LED芯片104都被设计为提供不同波长或光谱的可视光，诸如，LED芯片的第一子集用于蓝色，而LED芯片的第二子集用于红色。在此情况下，各个LED芯片104共同提供白色照明或根据特定应用的其他照明效果。在各个实施例中，每个LED芯片104都包括一个发光二极管或多个发光二极管。作为一个实例，当LED芯片包括多个发光二极管时，为了高压工作，这些二极管被串联电连接，或进一步以串联连接的二极管组的形式并联电连接，从而提供冗余和器件耐用性(robustness)。
作为一个实例，下面进一步描述LED器件102中的LED芯片104。LED芯片104包括半导体p-n结，该半导体p-n结可以在电磁光谱的紫外区域、可视区域或红外区域中发射自发辐射。在一个实施例中，LED发射蓝光。LED芯片104形成在生长衬底上，诸如，蓝宝石、碳化硅、氮化镓(GaN)或硅衬底。在一个实施例中，LED芯片104包括掺杂了n型杂质的熔覆层(cladding layer)以及掺杂了p型杂质的熔覆层，该熔覆层形成在n型掺杂的熔覆层上方。在一个实例中，n型熔覆层包含n型的氮化镓(n-GaN)，而p型的熔覆层包含p型的氮化镓(p-GaN)。可选地，熔覆层可以包含以相应类型掺杂的GaAsP、GaPN、AlInGaAs、GaAsPN或AlGaAs。LED芯片104进一步包括设置在n-GaN和p-GaN之间的多量子阱(MQW)层。该MQW结构包括两层交替的半导体层(诸如，氮化铟镓/氮化镓(InGaN/GaN))，并且被设计为调整LED器件的辐射光谱。LED芯片104进一步包括电极，该电极分别与掺杂了n型杂质的熔覆层和掺杂了p型杂质的熔覆层电连接。例如，可以在掺杂了n型杂质的熔覆层上形成透明的导电层，诸如，氧化锡铟(ITO)。形成n电极并且该电极与掺杂了n型杂质的熔覆层相连接。在该实施例的改进形式中，可以使用引线互连件来连接电极和载体衬底上的端子。LED芯片104可以通过各种导电材料(诸如，银膏、焊料或金属接合)附接于载体衬底。在另一个实施例中，可以使用其他技术(诸如，硅通孔(TSV)和/或金属轨迹)将发光二极管与载体衬底相连接。
在另一个实施例中，使用荧光粉将发射光转换成不同的光波长，该荧光粉可以与发射光相结合，从而产生光谱更宽的光，诸如，白光。实施例的范围既不局限于任何特定类型的LED，也不局限于任何特定的配色方案。在所述实施例中，为了变化和改变发射光的波长(诸如，从紫外(UV)到蓝色或从蓝色到红色)，在发光二极管周围设置了一种或多种荧光粉。该荧光粉通常是粉末状的并且被包含在其他材料(诸如，环氧树脂或硅树脂(也被称作荧光粉胶))中。利用适当技术将该荧光粉胶应用到LED芯片104，并且进一步以适当的形状和尺寸将该荧光粉胶成形。
各个实施例可以使用适用于应用方式的任意种类的LED。例如，可以使用传统的LED，诸如，半导体基LED、有机LED(PLED)、聚合物LED(PLED)等。在高输出功率LED中，各个实施例可以具有特殊的使用方式来确保其光输出与所期望的白炽灯泡的光输出相类似。
LED芯片140进一步与电路板112相连接，从而提供电功率并且控制LED芯片104。电路板112可以是载体衬底的一部分。如果使用多个LED芯片104，那么这些LED芯片104可以分享一个电路板。在该实施例中，电路板112是用于有效地散热以及用于热消散的散热电路板112。在一个实例中，使用的是金属核心印刷电路板(MCPCB)。MCPCB可以适用于多种设计。所使用的示例性MCPCB中包括PCB，其中，该PCB的底座材料包括金属，诸如，铝、铜、铜合金等等。将导热介质层设置在底座金属层上面，从而将印刷电路板上的电路与下面的底座金属层电隔离。可以将LED芯片104及其相关的轨迹设置在该导热介电材料上面。
在正常运行期间，LED芯片104产生热量和光。热量的积聚可能会损坏LED芯片104和/或随着时间的推移降低LED芯片104的光输出。MCPCB可以有效地将热量从LED芯片中去除。具体来讲，在一个实例中，通过导热介电层将LED芯片104中的热量传递给金属底座。然后，金属底座将热量传导给散热器，散热器将热量驱散到环境大气中。换言之，导热介电层和金属底座充当了热桥，从而将热量有效地和高效地从LED中传送给散热器。
在一些实例中，金属底座直接接触散热器，而在其他实例中，在散热器和电路板112之间使用了中间材料。该中间材料可以包括，例如，双面热胶带、热胶、热脂等。各个实施例可以适用于使用其他类型的MCPCB。例如，一些MCPCB包括多个线路层，并且在适当时可以使用这种MCPCB。电路板可以由与上述那些材料不同的材料制成。实际上，可以使用适当的材料，甚至可以使用导热性低于MCPCB中所使用的那些材料的材料。例如，其他实施例可以使用由FR-4、陶瓷等制成的电路板。
在另一个实例中，电路板112可以进一步包括功率转换模块。通常都以交流电(ac)(诸如，在美国用120V/60Hz，而在欧洲和亚洲的大部分地区用200V和50Hz以上的交流电)为室内照明提供电功率，并且白炽灯通常直接将功率施加到灯泡的灯丝上。LED器件102需要功率转换模块来将普通的室内电压/频率(高压AC)改变成适用于LED器件102的功率(直流)。各个实施例可以将任意期望的功率类型应用于LED阵列来实现任意期望的照明作用。
衬底114是用于为LED器件102提供机械支撑的机械底座。衬底114包括金属，诸如，铝、铜或其他适当金属。可以通过适当的技术(诸如，挤压模塑(extrusion molding)或压模铸造(die casting))来形成衬底114。衬底114或衬底114的至少一部分还充当散热器(因此也被称作散热器114)。在一个实施例中，散热器114被设计为具有顶部114a以及底部114b，该顶部具有避免将LED器件102中发射的后向光屏蔽的第一尺寸，而该底部具有大于第一尺寸的第二尺寸，从而提供了有效的热消散。第一部分和第二部分以所期望的热导率连接或被形成为一个部分。散热器114的第一部分114a被设计用于固定LED器件104和电路板112。
根据另一个实施例，为了在提供令人满意的光图案的同时完成热量管理工作，散热器114具有多个面，每个面都具有与灯本身的长度尺寸平行的长度尺寸(在图1中也被称作第一方向或z方向)。这些面对于从外表上看去的灯泡形状系数和表面非常重要。
为了增强热传递，散热器114具有鳍。在特定的实例中，第二部分114b具有如图4所示的鳍。每个鳍都被放置在两个邻接的面之间并且从灯的中心轴向外伸出。这些鳍具有暴露在环境大气中的基本表面积，由此有助于热量从灯的中心传递到空气中。鳍之间的间隔所提供的构造使得发射出的后向光(该立体角大于2π球面度)可以大体上不受阻挡地穿过。
照明结构100包括透镜122，该透镜被配置为位于LED器件102周围。透镜122包括内表面124和外表面126。内表面124和外表面126被设计成相应的形状和尺寸，从而有效地将发射光从LED器件102分配到广角中。在一个实例中，透镜122的外表面126被设计为包括凹部，使得外表面126朝向中心向下倾斜。更具体地，当沿着第一方向(z方向)测量时，透镜122的外表面的中心部分比边沿低。
透镜122包括对来自LED器件的发射光而言基本上是透明的材料。在一个实例中，来自LED器件102的发射光的透射比大于大约90％。在各个实施例中，透镜122包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或其他适当的材料。可以通过任意适当的技术(诸如，喷射模塑或挤压模塑)来形成透镜122。在适当地设计和配置透镜122的情况下，从LED器件中102发射出的光可以被分配到超过2π*[1-cos(100π/180)]球面度的立体角中。可以将第二透镜或多个透镜集成到照明结构100，从而进一步加强广角照明。下面描述照明结构100的各个实施例。这些实施例被提供用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
图5提供了在一个实施例中的根据各个方面构成的照明结构100(为了简化示出了部分)的截面图。该照明结构100包括透镜122，该透镜具有内表面124和外表面126。在一个实施例中，内表面124具有第一侧面(或内侧面)124a和第一顶面(或内顶面)124b。外表面126包括第二侧面(或外表面)126b和第二顶面(或外顶面)126b。
第一透镜122被设计为有效地将源于LED器件102的发射光分配到高于100度的顶角或2π*[1-cos(100π/180)]球面度的立体角中。在一个实施例中，内表面124被设计为具有从LED器件102到边缘(或边沿)限定的角度，在边缘处内侧面124a与内顶面124b相接触(meet)。在该实施例中，被限定的角度范围在大约70度和90度之间。在另一个实施例中，内顶面124b包括诸如平面、凹面或凸面的几何结构。在又另一个实施例中，外侧面126a包括诸如平面、凹面或凸面的几何结构。在又另一个实施例中，外顶面126b包括诸如平面、凹面或凸面的几何结构。
内顶面124b沿着第一方向(z方向)与衬底114间隔开，从而如图5所示地相对于衬底114限定出第一高度h。图5a示出的是照明结构100中的透镜122的部分的俯视图。具体来讲，图5a中仅示出了透镜122的外表面126(126a和126b)。参考图5和图5a，进一步描述了外表面126。如图5a所示，在俯视图中外顶面126b包括中心(被标记为“中心”)和边沿(或第一边沿并且被标记为“边沿1”)。外顶面126b沿着第二方向，从中心跨越(span)到边沿，从而限定出第一半径“r1。如图5中所示，该第二方向垂直于第一方向并且也被称作r方向。外侧面126a在衬底114上限定出圆形区域并且该圆形区域具有沿着第二方向的第二半径R。特别地，是外侧面126a在第一边沿处与外顶面126a相接触并且在第二边沿(被标记为“边沿2”)处与衬底114相接触。沿着第二方向从中心到第二边沿限定出该第二半径R。
类似地，内顶面126a还包括中心。沿着第一方向限定出一条虚线并且该虚线穿过内顶面126a的中心和外顶面126b的中心。在图5中，该虚线被称为主轴。
外顶面126b沿着第一方向(z方向)与衬底114间隔开，从而限定出第一边沿与衬底114之间的第二高度H。在本实施例中，外顶面126b包括凹部，使得第一边沿高于外顶面126b的中心。外顶面126b是倾斜的，使得当该外顶面从第一边沿处接近中心时，越来越接近衬底102。如图5所示，可以通过参数d来测量外顶面126b的凹部，该参数被限定为沿着第一方向的外顶面的中心与外顶面的第一边沿之间的距离。
在一个实施例中，内表面124和外表面126被设计为利用再分配机构有效地将发射光再分配，下面将进一步参考图6来描述该再分配机构。为了实现该再分配机构，根据各个实例，该透镜122被设计为：上面所限定的尺寸相互之间具有多个比例。在一个实例中，第一比例被确定为r/R并且该第一比例r/R的范围在大约0.3和大约1.0之间。在另一个实例中，第二比例被确定为d/H并且该第二比例d/H的范围在大约0.5和大约0.8之间。在另一个实例中，第三比例被限定为h/H并且该第三比例h/H的范围在大约0.1和大约0.4之间。
根据一个或多个实施例，参考用于再分配机构的图6来进一步解释图5中的具有透镜122的照明结构100。在照明结构100的运行过程中，LED器件102发射出光。该发射光被分配到顶角为90度或更小的圆锥体中。参考图6所示的主轴来测量该顶角。相应的立体角为2π球面度或更小。发射光穿过透镜122并且通过透镜122的各个表面(包括内侧面124a、内顶面124b、外侧面126b以及外顶面126b)进行再分配。如用于解释目的的实例所描述的，来自LED器件102的发射光包括第一光束(被标记为“光束a”)、第二光束(被标记为“光束b”)以及第三光束(被标记为“光束c”)。如图6所示，第一光束最初定向到立体角中，使得该光束穿过内顶面124b并且随后穿过外顶面126b。该第一光束重定向(redirect)到处在0度和大约45度之间的顶角中。相应的立体角的范围在0球面度到大约2π*[1-cos(π/4)]球面度之间。如图6所示，第二光束最初定向到立体角中，使得该光束穿过内侧面124a并且随后穿过外侧面126a。第二光束重定向到处在大约45度和大约100度之间的顶角中。相应的立体角的范围在大约2π*[1-cos(π/4)]球面度和大约2π*[1-cos(100π/180)]球面度之间。如图6所示，第三光束最初定向到立体角中，使得该光束穿过内顶面124b，外顶面126b处进行反射并且穿过外侧面126a。第三光束重定向到处在大约100度和180度之间的顶角中。相应的立体角的范围在大约2π*[1-cos(100π/180)]球面度和4π球面度之间。因此，来自LED器件102的发射光被带有经过设计的内表面124和外表面126的透镜122再分配到广角中。在所述实例中，来自LED器件102的发射光被再分配到从0至4π球面度的完全立体角中。
图7提供了根据另一个实施例中的各个方面构成的照明结构100(为了简化只示出了部分)的截面图。图7的照明结构100与图5的照明结构100类似，但其进一步包括漫射罩128。在一个实施例中，漫射罩128被固定在衬底114的顶部114a上。为了均匀的照明，漫射罩128被设计带有适当的材料来漫射源于LED器件102的发射光。特别地，通过漫射罩128来漫射从透镜122中再分配的光。在一个实施例中，漫射罩128包括透明的材料，诸如，PC、PMMA或其他适当的材料。可以通过适当的技术(诸如，喷射模塑或吹塑模)来形成该漫射罩。为了获得光的漫射效果，漫射罩128进一步包括散布在透明材料中的漫射粒子。漫射粒子的尺寸和浓度被设计为有效地漫射发射光。
通过集成在照明结构100中的透镜122和漫射罩128，来自LED器件102的发射光被更均匀地再分配到广角中。在一个实例中，在0和大约2π*[1-cos(135π/180)]球面度之间的立体角区域中的光均匀度小于大约20％。光均匀度被限定为百分比，使得在立体角区域(在所述实例中，在0和2π*[1-cos(135π/180)]球面度之间)中的任意角度上的照明强度与整个角度区域的平均强度之间的差距都不应该大于上述百分比。在所述实例中，该百分比为20％。在特定实例中，光均匀度可以被公式化为|I-Iave|/Iave。在该公式中，参数I是在限定的角度区域中的任意角度上的照明强度。参数Iave被定义为在限定的角度区域上的平均照明强度。在上述实例中，光均匀度为|I-Iave|/Iave≤20％。在该实例的改进形式中，用于后向光的光均匀度为|I-Iave|/Iave≤5％。在该实例中，后向光被定义为处在大约2π*[1-cos(135π/180)]球面度和4π球面度之间的立体角内的从LED器件102中再分配的光。
图8提供的是根据另一个实施例中的各个方面构成的照明结构130(为了简化只示出部分)的截面图。就其他部件(诸如，LED器件102、电路板112以及衬底114)而言，图8的照明结构130与图5的照明结构100类似。然而，照明结构130包括被配置为包围着LED器件102的第一透镜122以及包围着第一透镜122的第二透镜132。第一透镜122包括第一内表面124和第一外表面126。第二透镜132包括第二内表面134和第二外表面136。第一透镜122和第二透镜132的各个表面被设计为将来自LED器件102的发射光有效地再分配到广角(诸如，＞2π*[1-cos(100π/180)]球面度)中。在一个实施例中，第一透镜122和第二透镜132的各个表面(包括第一内表面124、第一外表面126、第二内表面134以及第二外表面136)中的每个表面都被设计为具有相应的形状和尺寸，使得从LED器件102中发射出来并且穿过第一和第二透镜的光有效地再分配到广角中。特别地，将第二透镜132的第二内表面134和第二外表面136设计和配置为能够将发射光向后折射(到大于2π球面度的立体角中)。
在一个实施例中，第一透镜122和第二透镜132的各个表面(包括第一内表面124、第一外表面126、第二内表面134以及第二外表面136)中的每个表面都被设计为具有选自于由半球(如图9所示)、半椭圆(如图10所示)以及具有带有凹进处的顶部和侧部的表面(如图11所示)所构成的组的相应的几何结构。图9至图11是根据一个或多个实施例中的各个方面构成的表面几何结构的截面图。特别地，图11中的表面几何结构从中心下降了一个高度。在特定的实施例中，这些表面(124、126、134和136)中的至少一个表面被成形为如图11所示地具有带有凹部的顶部和侧部。
第二透镜132沿着第一方向(z方向)跨越(span)了第一尺寸并且沿着第二方向(r方向)跨越了第二尺寸。在一个实施例中，第一尺寸的范围在大约20mm和大约40mm之间。在另一个实施例中，第二尺寸的范围在大约30mm和大约60mm之间。
第一透镜122和第二透镜132中的至少一个包含高透明材料，诸如，透射比大于大约90％的材料。在一个实施例中，高透明材料包括玻璃或聚合材料。在各个实施例中，高透明材料包括通过适当的技术(诸如，喷射模塑)所形成的PMMA或PC。在另一个实施例中，第二透镜132包含带有高透射比的类漫射材料(diffuser-like)。例如，第二透镜132包括具有透射比大于大约90％并且混浊度(cloudiness)大于大约80％的材料。在一个实例中，为了获得光漫射效果，第二透镜132包含散布有漫射粒子的透明材料(诸如，PC或PMMA)。
在可选的实施例中，照明结构130进一步包括第三透镜或更多透镜，从而有效地将来自LED器件102的发射光以高角度均匀性再分配到广角中。
图12提供了根据另一个实施例中的各个方面构成的照明结构140(为了简化只示出了部分)的截面图。图12的照明结构140与图8的照明结构130类似，但其进一步包括漫射罩128。照明结构140具体包括利用一种或多种透明材料形成的第一透镜122和第二透镜132。在一个实施例中，照明结构140进一步包括固定在衬底114的顶部114a上的漫射罩128。为了在不同角度上的均匀照明，漫射罩128被设计为带有适当的用于漫射来自LED器件102的发射光的材料。特别地，来自第一透镜122和第二透镜132的再分配光通过漫射罩128被进一步漫射。在一个实施例中，漫射罩128包括透明材料，诸如，PC、PMMA、或其他适当材料。可以通过适当的技术(诸如，喷射模塑或吹塑模(plastic blow))来形成漫射罩128。为了获得光漫射效果，漫射罩128进一步包括散布在透明材料中的漫射粒子。
尽管在本发明中提供和阐释了多个实施例。但也可以在不背离本发明的主旨的条件下使用其他可选方案和实施例。在一个实施例中，为了期望的光再分配，第一透镜122和/或第二透镜132的各个表面可以被设计为分别带有不同的几何结构。在另一个实施例中，透镜122(和/或透镜132)具有蝙蝠翼结构。蝙蝠翼透镜具有用于折射光路的棱柱形的肋。特别地，面(124、126、134和136)之一具有蝙蝠翼结构。在一个具有蝙蝠翼结构的透镜表面的实例中，该透镜表面与图11中的几何结构类似，但该透镜表面在截面图中包括多个顶峰和凹陷诸，如，波浪般的表面轮廓。
因此，本发明提供了照明结构。该照明结构包括位于衬底上的发光二极管(LED)器件；被固定在衬底上并且位于LED器件上方的透镜；以及被固定在衬底上并且覆盖着透镜的漫射罩，其中，该透镜和漫射罩被设计和配置为对来自LED器件的发射光进行再分配，以进行广角照明。
在一个实施例中，透镜包括内表面和外表面；该内表面包括第一侧部和第一顶部；该外表面包括第二侧部和第二顶部；并且第一侧部、第一顶部、第二侧部以及第二顶部被设计和配置为将来自LED器件的发射光再分配到大于2π球面度的立体角中。
在另一个实施例中，第一侧部、第一顶部、第二侧部以及第二顶部被设计和配置为使得发射光在照明结构的运行过程中包括第一光束、第二光束以及第三光束，第一光束穿过第一顶部和第二顶部，被分配在0球面度和大约2π*[1-cos(π/4)]球面度之间的第一立体角内；第二光束穿过第一侧部和第二侧部，被分配在大约2π*[1-cos(π/4)]球面度和大约2π*[1-cos(100π/180)]球面度之间的第二立体角内；第三光束穿过第一顶部，从第二顶部中反射出来，并且穿过第二侧部，被分配在大约2π*[1-cos(100π/180)]球面度和4π球面度之间的第三立体角内。
在又一个实施例中，第二顶部具有凹部，在该实施例中，第二顶部包括中心和环绕着该中心的边沿；该第二顶部沿着第一方向与衬底间隔开，从而沿着第一方向限定出从第二顶部的边沿到衬底的顶面的高度H；第二顶部沿着与第一方向垂直的第二方向从中心延伸到边沿，从而限定出第一半径r；凹部包括凹陷深度d，该深度d被定义为沿着第一方向从边沿到中心的距离；并且第一比例d/H的范围在大约0.5至0.8之间。
下面提供多个其他实施例。第二侧部在衬底上限定出圆形区域，并且该圆形区域沿着第二方向具有第二半径R；并且第二比例r/R的范围在大约0.3和大约1.0之间。第一顶部沿着第一方向与衬底间隔开，从而相对于衬底的顶面限定出高度h；并且第三比例h/H的范围在大约0.1和大约0.4之间。
照明结构可以进一步包括覆盖着第一透镜并且被配置在漫射罩内侧的第二透镜。衬底可以包括机械底座。该机械底座可以包括导热材料，并且被设计为散热器。在另一实施例中，该机械底座包括邻近LED器件的第一部分以及远离LED器件的第二部分；沿着第一方向配置该第一部分和第二部分；第一部分沿着与第一方向垂直的第二方向具有第一尺寸；第二部分沿着第二方向具有第二尺寸；并且第二尺寸大于第一尺寸。照明结构进一步包括与LED器件电连接的散热电路板；并且该散热电路版被配置在LED器件和衬底之间。
本发明还提供了照明结构的另一个实施例。该照明结构包括发光二极管(LED)器件，该发光二极管(LED)器件被配置在衬底上；被固定在衬底上，并且覆盖了LED器件的第一透镜；以及被固定在衬底上并且覆盖了第一透镜的第二透镜，其中，第一透镜和第二透镜被形成和配置为对源于LED器件的发射光进行再分配，以进行广角照射。
在公开的照明结构的一个实施例中，第一透镜包括面向LED器件的第一内表面和背向LED器件的第一外表面；第二透镜包括面向LED器件的第二内表面和背向LED器件的第二外表面；并且第一内表面、第一外表面、第二内表面以及第二外表面中的每一个都被设计为具有选自由半球的一部分、半椭圆，以及半球圆的一部分和具有带有凹部的顶部和侧部的表面所构成的组。在另一个实施例中，第一透镜和第二透镜包含透明材料，该材料选自于由聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)所构成的组。第二透镜可以进一步包括散布在透明材料中的漫射粒子，以获得光漫射效果。LED器件可以包括多个被配置在衬底上的LED芯片。第一透镜可以被成形为带有蝙蝠翼结构。照明结构可以进一步包括第三透镜，该第三透镜与第一透镜和第二透镜层叠(cascade)，从而进一步对源于LED器件的发射光进行再分配。
本发明还提供了制造照明结构的方法的实施例。该方法包括将发光二极管(LED)器件附接至衬底；将第一透镜附接至衬底，该第一透镜覆盖着LED器件；并且将第二透镜附接至衬底，该第二透镜覆盖着第一透镜。该方法可以进一步包括形成第一透镜，在将第一透镜附接至衬底之前，形成第一透镜，使该第一透镜成形为：对源于LED器件的发射光进行再分配。第一透镜的形成可以包括使用选自由喷射模塑和挤压模塑所构成的组的技术。
上面论述了若干实施例的部件，使得本领域普通技术人员可以更好地理解随后的具体说明。本领域普通技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他用于达到与这里所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点的处理和结构。本领域普通技术人员也应该意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (22)

1.一种照明结构，包括：
发光二极管器件，位于衬底上；
透镜，被固定在所述衬底上，并且位于所述发光二极管器件上方；以及
漫射罩，被固定在所述衬底上，并且覆盖着所述透镜，
其中，所述透镜和所述漫射罩被设计和配置为对来自所述发光二极管器件的发射光进行再分配，以进行广角照明；
所述透镜包括内表面和外表面；
所述内表面包括第一侧部和第一顶部；
所述外表面包括第二侧部和第二顶部；以及
所述第二侧部具有底部比顶部相对于所述透镜的中心更向外凸出的整体弯曲截面轮廓。
2.根据权利要求1所述的照明结构，其中，
所述第一侧部、所述第一顶部、所述第二侧部、和所述第二顶部被设计和配置为将从所述发光二极管器件发射的光再分配到大于2π球面度的立体角中。
3.根据权利要求2所述的照明结构，其中，所述第一侧部、所述第一顶部、所述第二侧部、和所述第二顶部被设计和配置为使得所述发射光在所述照明结构的运行过程中包括：
第一光束，穿过所述第一顶部和所述第二顶部，被分配在0球面度和2π*[1-cos(π/4)]球面度之间的第一立体角内；
第二光束，穿过所述第一侧部和所述第二侧部，被分配在2π*[1-cos(π/4)]球面度和2π*[1-cos(100π/180)]球面度之间的第二立体角内；以及
第三光束，穿过所述第一顶部，从所述第二顶部中反射出，并且穿过所述第二侧部，被分配在2π*[1-cos(100π/180)]球面度和4π球面度之间的第三立体角内。
4.根据权利要求2所述的照明结构，其中，所述第二顶部具有凹部。
5.根据权利要求4所述的照明结构，其中，
所述第二顶部包括中心和环绕着所述中心的边沿；
所述第二顶部沿着第一方向与所述衬底间隔开，从而沿着所述第一方向限定出从所述第二顶部的边沿到所述衬底的顶面的高度H；
所述第二顶部沿着垂直于所述第一方向的第二方向从所述中心跨越到所述边沿，从而限定出第一半径r；
所述凹部包括凹陷深度d，所述凹陷深度d被定义为沿着所述第一方向的从所述边沿到所述中心的距离；以及
第一比例d/H的范围在0.5和0.8之间。
6.根据权利要求5所述的照明结构，其中，
所述第二侧面在所述衬底上限定出圆形区域，并且所述圆形区域具有沿着所述第二方向的第二半径R；并且
第二比例r/R的范围在0.3和1.0之间。
7.根据权利要求6所述的照明结构，其中，
所述第一顶部沿着所述第一方向与所述衬底间隔开，从而限定出所述第一顶部到所述衬底的顶面的高度h；并且
第三比例h/H的范围在0.1和0.4之间。
8.根据权利要求1所述的照明结构，进一步包括：第二透镜，覆盖着所述透镜，并且被配置在所述漫射罩内部。
9.根据权利要求1所述的照明结构，其中，所述衬底包括机械底座。
10.根据权利要求9所述的照明结构，其中，所述机械底座包含导热材料，并且被设计为散热器。
11.根据权利要求9所述的照明结构，其中，
所述机械底座包括邻近所述发光二极管器件的第一部分和远离所述发光二极管器件的第二部分；
沿着第一方向配置所述第一部分和所述第二部分；
所述第一部分沿着与所述第一方向垂直的第二方向具有第一尺寸；
所述第二部分沿着所述第二方向具有第二尺寸；并且
所述第二尺寸大于所述第一尺寸。
12.根据权利要求1所述的照明结构，进一步包括：散热电路板，与所述发光二极管器件电连接，并且被配置在所述发光二极管器件和所述衬底之间。
13.一种照明结构，包括：
发光二极管器件，被配置在衬底上；
第一透镜，被固定在所述衬底上，并且覆盖着所述发光二极管器件；以及
第二透镜，被固定在所述衬底上，并且覆盖着所述第一透镜，
其中，所述第一透镜和所述第二透镜被成形和配置为对从所述发光二极管器件中发射出的光进行再分配，以进行广角照明；
所述第一透镜的外表面的顶部为平直截面轮廓，将所述第二透镜的第二内表面和第二外表面设计和配置为能够将发射光向后折射。
14.根据权利要求13所述的照明结构，其中，
所述第一透镜包括面向所述发光二极管器件的第一内表面和背向所述发光二极管器件的第一外表面；
所述第二透镜包括面向所述发光二极管器件的第二内表面和背向所述发光二极管器件的第二外表面；并且
第一内表面、第一外表面、第二内表面以及第二外表面中的每一个都被设计为具有选自由半球的一部分、半椭圆的一部分，以及具有带有凹部的顶部和侧部的表面所构成的组。
15.根据权利要求13所述的照明结构，其中，所述第一透镜和所述第二透镜中的每一个都包含透明材料，所述透明材料选自由聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)所构成的组。
16.根据权利要求13所述的照明结构，其中，所述第二透镜进一步包括散布在透明材料中的漫射粒子，以获得光漫射效果。
17.根据权利要求13所述的照明结构，其中，所述发光二极管器件包括多个被配置在所述衬底上的LED芯片。
18.根据权利要求13所述的照明结构，其中，所述第一透镜被成形为具有蝙蝠翼结构。
19.根据权利要求13所述的照明结构，进一步包括：第三透镜，与所述第一透镜和所述第二透镜层叠，以进一步对从所述发光二极管器件发射出的光进行再分配。
20.一种制造照明结构的方法，包括：
将发光二极管器件附接至衬底；
将第一透镜附接至所述衬底，使所述第一透镜覆盖着所述发光二极管器件；以及
将第二透镜附接至所述衬底，使所述第二透镜覆盖着所述第一透镜；
所述第一透镜的外表面的顶部为平直截面轮廓，将所述第二透镜的第二内表面和第二外表面设计和配置为能够将发射光向后折射。
21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：在将所述第一透镜附接至所述衬底之前，形成第一透镜，所述第一透镜被成形为：对来自所述发光二极管器件的发射光进行再分配，以形成广角照明。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述形成第一透镜包括：使用选自由喷射模塑和挤压模塑所构成的组的技术。
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