CN104048193A - Led灯珠 - Google Patents

Abstract

一种LED灯珠，其包括一LED基板、LED芯片和一LED透镜，该LED透镜收容LED芯片于其内部，并与LED芯片一起封装在LED基板上，该LED透镜的入光面上设有多个微结构，LED芯片发出的光经过该微结构发生全反射时会改变其全反射的路径。该LED灯珠的LED透镜可以在LED芯片第一次出光时就保证其最大出光效率，提高光照强度。同时，该多个微结构的结构简单，加工难度低，可批量同时制造。

Description

LED灯珠

【技术领域】

本发明涉及LED照明领域，特别涉及一种采用特殊结构LED透镜的LED灯珠。

【背景技术】

LED(发光二极管，Light-Emitting Diode)是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，具有效率高、功耗小、寿命长、发光质量高、光色纯、可靠性高、驱动电压低、结构牢固等优点。因此，LED在照明领域的应用越来越广泛，但是，LED芯片发出的光是向四周散射的，必须要通过光学透镜使发出的光经过折射或反射后实现LED的泛光、投光、聚光等配光形式。

如图1所示，目前大多数LED透镜300均由普通的半球壳状的球面透镜310实现，LED芯片320设置在其球面中心位置。采用该透镜310，LED芯片320发出的光很容易在透镜310的内表面连续发生全发射，使部分的光无法从透镜310射出。因此，该种结构的透镜310极大的降低了光线的利用率，减少了LED芯片320的光照强度。

如图3、图4所示，中国专利CN201110267347.9公开了一种LED灯光学透镜200，包括准直透镜4，所述的准直透镜4的侧面7为全反射面，所述的准直透镜4的出光面设有薄板透镜1，所述的薄板透镜1由若干个长方形凹面微透镜2的凹面组成，所述的准直透镜4在与准直透镜4的出光面相对的一端面设有折射槽5。通过折射槽5减少了光线因在准直透镜4内部发生多次折射而造成的光损失，增大了准直透镜4的出光率和增大了LED光源的出光角度，有利于光线的射出。由于准直透镜4的侧面为全反射面，有利于减少光线在经过准直透镜4过程中的损失，增大了本发明LED灯光学透镜200的出光率。此LED光学透镜200虽然可以减少光损，增大出光率，但是也没有从入光源头(LED芯片入光处)上解决LED芯片发出的光线可以得到充分利用的难题，避免其在透镜的出光面减少其光照损失；而且该结构的LED透镜还会因为结构太复杂，使其无法克服加工难度高，生产成本昂贵的技术难题。

因此，现有技术有待改进和提高。

【发明内容】

为克服现有LED透镜由于全反射造成的出光效率低，光损严重的技术难题，本发明提供了一种光利用率更高，光损更低的LED透镜。

本发明解决技术问题的方案是提供一种LED灯珠，其包括一LED基板、LED芯片和一LED透镜，该LED透镜收容LED芯片于其内部，并与LED芯片一起封装在LED基板上，该LED透镜的入光面上设有多个微结构，LED芯片发出的光经过该微结构发生全反射时会改变其全反射的路径。

优选地，该微结构为深陷于LED透镜入光面的凹坑结构，其立体结构为一三棱柱，截面形状为“∧”。

优选地，该每两个相邻微结构的间距为LED透镜直径的3.2％-12.8％。

优选地，该微结构的分布面积占整个LED透镜底部平面的30％-70％。

优选地，LED芯片发出的光线经过该微结构后会发生以下几种光路：

光路I：光线经过该微结构直接从LED透镜折射射出，及

光路II：光线经过该微结构后发生全反射，之后再进入该微结构后不再发生全反射而从LED透镜折射射出。

优选地，在LED透镜的出光面上也设有多个第二微结构。

优选地，该第二微结构为深陷于LED透镜出光面的凹坑结构，其立体结构为一三棱柱。

优选地，该第二微结构在LED透镜上的分布区域为距离LED透镜底面H高度的环形球面上，高度H为LED透镜高度的7.7％-33.3％。

优选地，该第二微结构的分布面积占LED透镜出光平面上具有该第二微结构的区域面积的30％-70％。

优选地，LED芯片发出的光线经过该第二微结构后会发生以下几种光路：

光路V：光线进入LED透镜出光面的第二微结构时从该第二微结构折射射出，及

光路VI：光线经过该第二微结构后发生全反射，之后再进入该第二微结构后不再发生全反射而从该第二微结构折射射出。

与现有技术相比，本发明LED灯珠的LED透镜的下表面均匀设有多个微结构，LED芯片发出的光经过该微结构第一次出现全反射后，会改变其光线反射路径，使该位置的光线再一次进入微结构时不再发生全反射，而是直接折射进LED透镜并射出。因此，该结构的LED透镜可以在LED芯片第一次出光时就保证其最大出光效率，提高光照强度。同时，该多个微结构的形状相同，结构简单，因此，其加工难度低，可批量同时制造。

【附图说明】

图1是现有技术的LED透镜的结构示意图。

图2是现有技术的LED透镜的配光曲线图。

图3是中国专利CN201110267347.9公开的LED透镜结构示意图。

图4是中国专利CN201110267347.9公开的LED透镜的光路示意图。

图5是本发明第一实施例LED灯珠的平面结构示意图。

图6是本发明第一实施例LED灯珠的立体示意图。

图7是本发明第一实施例LED灯珠微结构的放大立体示意图。

图8是本发明第一实施例LED灯珠的局部放大示意图。

图9是本发明第一实施例LED灯珠的配光曲线图。

图10是本发明第二实施例LED灯珠的平面结构示意图。

图11是本发明第二实施例LED灯珠的立体示意图。

图12是本发明第二实施例LED灯珠的局部放大示意图。

图13是本发明第二实施例LED灯珠的配光曲线图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图5与图6，本发明第一实施例的LED灯珠100包括LED基板101，LED芯片103和透镜105。多个LED芯片103封装在LED基板101上，并通过LED基板101实现LED芯片103的电性连接。LED透镜105为半球状，球面半径r＝7.8mm，其封装于LED基板101的一侧表面上。LED透镜105通过注胶的方法在LED基板101的一侧实现封装，或者也可以将LED透镜105直接胶结在LED基板101上。该LED透镜105将LED芯片103收容于其内部，使LED芯片103发出的光全部通过LED透镜105折射或反射后向外射出。

请进一步参阅图7，LED透镜105的上表面1051为球形曲面，下表面1053为一近似平面结构，下表面1053与LED芯片103直接接触。在该下表面1053上均匀分布有多个微结构1055，该微结构1055为深陷于下表面1053的凹坑结构，其立体结构为一三棱柱，截面形状为“∧”，该三棱柱微结构1055的入光柱面1057朝下，成为入光口。该入光柱面1057与LED芯片103和LED基板101接触。为了实现最大程度的出光效率，该多个微结构1055的每两个相邻微结构1055的间距为0.5mm-2mm，优选1mm，即LED透镜105直径的3.2％-12.8％，优选6.4％。多个微结构1055入光口面积总和占整个下表面1053面积的30％-70％，为了使出光效率最佳，优选50％。

请参阅图8，LED芯片103发出的光会首先经过微结构1055，然后才能从LED透镜105中射出，当光线进入该微结构1055后，会出现以下几种光路：

光路I：LED芯片103发出的光先经过下表面1053的微结构1055，经过微结构1055三棱柱其中一柱面折射后进入LED透镜105，折射后的光线进入到LED透镜105上表面1051的球形曲面经折射后射出。

光路II：LED芯片103发出的光先经过下表面1053的微结构1055，经过微结构1055三棱柱其中一柱面后，光线发生全反射，反射后的光线投射到LED基板101上后再次反射回微结构1055的其中一柱面上，由于微结构1055的柱面为一倾斜面，因此光线反射路径在多次进入该微结构1055时，其入射角会发生改变而不在发生全反射，经该微结构1055三棱柱柱面折射后进入到LED透镜105上表面1051的球形曲面，并折射射出。

光路III：LED芯片103发出的光先经过下表面1053的微结构1055，经过微结构1055三棱柱其中一柱面后，光线发生全反射，反射后的光线投射到微结构1055三棱柱的另一柱面上，由于入射角的改变，使该光线的反射路径发生改变而不在发生全反射，而是经过折射后进入到LED透镜105上表面1051的球形曲面，并折射射出。

由以上几种光路反射情况可以看出，一般情况下LED芯片103发出光线的入射角比较小时，会按照光路I的形式从LED透镜105射出。特殊情况下，当LED芯片103发出光线的入射角比较大时，光线会在下表面1053的特定位置入光处会产生全反射，如果不加入上述的微结构1055，发生全反射的光线的反射路径保持不变，以至于会连续发生全反射而无法进LED透镜105球形曲面折射射出。加入微结构1055后，当光线入射角比较大时，发生全反射的光线会按照光路II或光路III的形式在微结构1055内改变原有的光线全反射路径，从微结构1055内将光线折射到LED透镜105球形曲面并再次折射射出。

请同时参阅图2与图9，在LED透镜105下表面1053没有设置微结构1055时，其光照强度为1395.2流明。在LED透镜105下表面1053设有微结构1055时，其光照强度为1407.0流明，LED光效提高了近1％。

由于该LED透镜105仅仅是对LED芯片103发出的光进行一次光学处理，所以其发出的光形没有改变。如果需要将其用到特定的光照场景，可以在该LED灯珠100的表面加一二次光学透镜，使经过一次光学处理后的光经过二次光学透镜实现聚光、泛光等配光形式，满足不同场景的照明需求。

该微结构1055的形状也可以是楔形结构、半球、半椭圆、锥形、梯台等类似结构，由于该类结构的表面为非平面形状，因此发生全反射后的光线再次进入时都会改变其原有的反射路径。

请参阅图10与图11，为本发明的第二实施例，本实施例的LED灯珠400包括LED基板401，LED芯片403和透镜405。多个LED芯片403封装在LED基板401上，并通过LED基板401实现LED芯片403的电性连接。LED透镜405为半球状，球面半径r＝7.8mm，其封装于LED基板401的一侧表面上。LED透镜405通过注胶的方法在LED基板401的一侧实现封装，或者也可以将LED透镜405直接胶结在LED基板401上。该LED透镜405将LED芯片403收容于其内部，使LED芯片403发出的光全部通过LED透镜405折射或反射后向外射出。

与第一实施例的LED透镜105相似，LED透镜405的上表面4051为球形曲面，下表面4053为一近似平面结构，下表面4053与LED芯片403直接接触。在该下表面4053上均匀分布有多个第一微结构4055，该第一微结构4055为深陷于下表面4053的凹坑结构，其立体结构为一三棱柱，截面形状为“^”，该三棱柱第一微结构4055的入光柱面(未标号)朝下，成为入光口。该入光柱面与LED芯片403和LED基板401接触。为了实现最大程度的出光效率，该多个第一微结构4055的每两个相邻第一微结构4055的间距为0.5mm-2mm，优选1mm。多个第一微结构4055入光口面积总和占整个下表面4053面积的30％-70％，为了使出光效率最佳，优选50％。

在靠近与LED基板401封装处的LED透镜405上表面4051球面上设有多个第二微结构4059，第二微结构4059的分布区域为：距离LED透镜105底面0.6mm-2.6mm(即LED透镜405高度的7.7％-33.3％)高的环形球面上，即图示高度H部分的球面区域。该第二微结构4059为深陷于LED透镜105球面的凹坑结构，其立体结构为一三棱柱，截面形状为“＞”，该三棱柱状第二微结构4059的出光柱面4058与LED透镜105球形曲面重合，成为出光口。为了实现最大程度的出光效率，该多个第二微结构4059的每相邻两个第二微结构4059的间距为0.5mm-2mm，优选1mm。在该第二微结构4059分布区域处，多个第二微结构4059的出光柱面(未标号)面积总和占该区域表面面积的30％-70％，为了使出光效率最佳，优选50％。

请参阅图12，LED芯片403发出的光会首先经过第一微结构4055，然后才能从LED透镜405中射出，当光线进入该第一微结构405后，会出现与第一实施例相同的光路，具体可参考第一实施例的光路说明。特别地，当光线从第一微结构4055射出进入至LED透镜405第二微结构4059后，会出现以下几种不同的光路：

光路V：LED芯片403发出的光先经过下表面4053的第一微结构4055，经过第一微结构4055三棱柱其中一柱面折射后进入LED透镜405上表面4051上的第二微结构，光线经第二微结构4059的三棱柱其中一柱面折射后从LED透镜405射出。

光路VI：LED芯片403发出的光先经过下表面4053的第一微结构4055，经过第一微结构4055三棱柱其中一柱面折射后进入LED透镜405上表面4051上的第二微结构4059。在第二微结构4059三棱柱其中一柱面上，光线发生全反射，反射后的光线投射到第二微结构4059三棱柱的另一柱面上，由于入射角的改变，使该光线的反射路径发生改变而不在发生全反射，而是在该柱面上发生折射射出。

由以上两种光路反射情况可以看出，一般情况下的LED光线入射角比较小时，会按照光路V的形式经过第一微结构4055与第二微结构4059折射后从LED透镜405射出。特殊情况下，当LED光线经过第一微结构4055折射后的光线进入LED透镜405球形上表面4051时会因入射角较大而发生全反射。

如果不加入上述的第二微结构4059，就会形成光路VII：LED芯片403发出的光先经过下表面4053的第一微结构4055，经过第一微结构4055三棱柱其中一柱面折射后进入LED透镜405球形上表面4051上。光线在上表面4051发生全反射，反射后的光线再次进入到LED透镜405上表面4051并再次发生全反射，由于LED透镜405表面平滑使该光线始终保持较大入射角而连续发生全反射，以至于该光线无法从LED透镜405射出。

加入第二微结构4059后，当LED光线经过第一微结构4055折射后进入第二微结构4059，如果此时入射角较大而在第二微结构4059上发生全反射，发生全反射的光线会按照光路VI的形式在第二微结构4059内改变原有的光线全反射路径，由于入射角的改变，使该光线的反射路径发生改变而不在发生全反射，最终从LED透镜405球形上表面4051的第二微结构4059上折射射出。

请同时参阅图2与图13，在LED透镜405下表面4053设有第一微结构4055，LED透镜405球形上表面4051部分区域设有第二微结构4059时，其光照强度为1462.6流明，LED光效提高了近5％。

与现有技术相比，本发明LED灯珠100的LED透镜105的下表面1053均匀设有多个微结构1055，LED芯片103发出的光经过该微结构1055第一次出现全反射后，会改变其光线反射路径，使该位置的光线再一次进入微结构1055时不再发生全反射，而是直接折射进入LED透镜105并射出。因此，该结构的LED透镜105可以在LED芯片103第一次出光时就保证其最大出光效率，提高光照强度。同时，该多个微结构1055的形状相同，结构简单，因此，其加工难度低，可批量同时制造。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LED灯珠，其包括一LED基板、LED芯片和一LED透镜，该LED透镜收容LED芯片于其内部，并与LED芯片一起封装在LED基板上，其特征在于：该LED透镜的入光面上设有多个微结构，LED芯片发出的光经过该微结构发生全反射时会改变其全反射的路径。

2.如权利要求1所述的LED灯珠，其特征在于：该微结构为深陷于LED透镜入光面的凹坑结构，其立体结构为一三棱柱，截面形状为“∧”。

3.如权利要求1所述的LED灯珠，其特征在于：该每两个相邻微结构的间距为LED透镜直径的3.2％-12.8％。

4.如权利要求1所述的LED灯珠，其特征在于：该微结构的分布面积占整个LED透镜底部平面的30％-70％。

5.如权利要求1所述的LED灯珠，其特征在于：LED芯片发出的光线经过该微结构后会发生以下几种光路：

光路I：光线经过该微结构直接从LED透镜折射射出，及

光路II：光线经过该微结构后发生全反射，之后再进入该微结构后不再发生全反射而从LED透镜折射射出。

6.如权利要求1所述的LED灯珠，其特征在于：在LED透镜的出光面上也设有多个第二微结构。

7.如权利要求6所述的LED灯珠，其特征在于：该第二微结构为深陷于LED透镜出光面的凹坑结构，其立体结构为一三棱柱。

8.如权利要求6所述的LED灯珠，其特征在于：该第二微结构在LED透镜上的分布区域为距离LED透镜底面H高度的环形球面上，高度H为LED透镜高度的7.7％-33.3％。

9.如权利要求6所述的LED灯珠，其特征在于：该第二微结构的分布面积占LED透镜出光平面上具有该第二微结构的区域面积的30％-70％。

10.如权利要求6所述的LED灯珠，其特征在于：LED芯片发出的光线经过该第二微结构后会发生以下几种光路：

光路V：光线进入LED透镜出光面的第二微结构时从该第二微结构折射射出，及

光路VI：光线经过该第二微结构后发生全反射，之后再进入该第二微结构后不再发生全反射而从该第二微结构折射射出。