阅读说明：本技术 用于led的输出透镜和形成输出透镜的方法 (Output lens for LED and method of forming output lens ) 是由 R.诺朗 于 2018-06-12 设计创作，主要内容包括：一种光学系统具有一组内部部分,每个内部部分用于安装在LED或LED布置上方,以及外部部分,用于安装在内部部分上方。外部部分被适配为可安装在该组内部部分中的每一个内部部分上方,从而当外部部分安装在该组内部部分中的所选择的内部部分上方时形成输出透镜。输出透镜具有取决于所选择的内部部分的整体光学功能。以这种方式,可以简单地通过从一组内部部分选择适当的内部部分(或者通过根本不使用内部部分)来选择光学透镜功能。内部部分是低成本的部件,并且它们避免了针对较大外部部分进行任何工具变化的需要。(The optical systems have sets of inner portions, each for mounting over an LED or LED arrangement, and outer portions for mounting over the inner portions, the outer portions are adapted to be mountable over every of the set of inner portions, forming an output lens when the outer portions are mounted over a selected inner portion of the set of inner portions.)

用于LED的输出透镜和形成输出透镜的方法

技术领域

本发明涉及用于对来自LED或LED布置的光输出进行整形的输出透镜。

背景技术

来自LED或LED布置的光输出在从灯具的光出射孔输出之前通常通过光学布置而被整形或操纵。LED通常具有朗伯光输出分布，并且输出透镜和/或准直器通常被使用来提供更定向的输出光束。

不同的照明应用需要不同的光束整形功能，并且因此需要不同的输出透镜或准直器设计。

以示例的方式，在道路照明中期望不对称的光输出，这因此需要LED输出的光束整形。期望光输出沿着道路方向延伸很长的距离，使得需要更少的灯杆。然而，期望光输出跨道路方向延伸较小的距离，使得光输出不被浪费。

不同的道路布局需要不同的照明解决方案，这取决于道路尺寸和遵循的路径以及是否存在也需要被照射的人行道。如果道路非常靠近房屋，则更为需要背离道路的光屏蔽。

当前用于道路和街道应用的灯具是使用所谓的选择表订购的。这种选择表中可用的许多选择导致可以订购的产品种类繁多。因此，室外灯具按照订单制作，其中，在许多情况下，只有少数产品按照任何特定设计制作。这导致生产效率低下和增加的错误机率。

光学系统的一个示例是以在每个单独的LED上方或在限定LED阵列的芯片上方的模制透镜的形式。透镜被集成为承载大量LED的光学板的一部分。透镜模具具有位于LED或LED芯片上方的腔以及外部透镜表面。两个表面的形状（表面中的每一个形成空气/材料折射率边界）限定透镜功能。为了限定不同的光学功能，已知仅改变限定腔形状的模具的部分。然而，这意味着需要改变模具工具以制造不同的订单。

因此，需要一种解决方案，该解决方案能够实现低成本和透镜功能的简单适配，使得可以按照不同的最终应用定制透镜。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据依照本发明的一方面的示例，提供了一种光学系统，包括：

一组内部部分，每个内部部分用于安装在LED或LED布置上方，并且内部部分中的每一个执行不同的第一光学功能，其中每个内部部分具有外部接触表面；和

外部部分，用于安装在内部部分上方，并且执行第二光学功能，并且其中，外部部分具有带有内部接触表面的腔和外部透镜表面，

其中外部部分被适配为可安装在该组内部部分中的每一个内部部分上方，从而当外部部分安装在该组内部部分中的所选择的内部部分上方时形成输出透镜，该输出透镜具有取决于所选择的内部部分的整体光学功能，

其中内部部分和外部部分具有相同的折射率，并且

其中，内部部分的外部接触表面和外部部分的内部接触表面具有匹配的形状，使得内部部分和外部部分之间的界面不具有透镜功能。

该光学系统利用一组内部透镜部分，该组内部透镜部分装配到外部部分的单个设计的腔中。以这种方式，可以简单地通过选择合适的内部部分来产生不同的光学功能。内部部分可以是小而薄的部件，并且因此比外部部分成本更低，并且此外，由于与外部部分匹配的形状，它使得光学系统相对紧凑，从而避免了内部部分和外部部分之间的不必要的宽敞的腔。通过对内部部分、特别是内部部分的与外部接触表面相对的内部腔表面进行多种设计，不需要特定的工具变化，因为可以简单地通过选择预先制造的内部部分来获得期望的光学功能。这也使制造运行更加可预测，并且能够实现对要制造的外部部分的数量的更精确的控制，因为随之外部部分的总数量对应于期望透镜的总数量。

内部部分用作光束扩展器，与外部部分的功能相比，其可以用于以各种方式扩展输出光束。因此，外部部分可以单独限定可能的光学透镜设计中的一个，其可以被认为是参考设计。该系统能够实现在最终组装点对透镜的后期配置，并且通过使用小尺寸的内部部分，部件的总体积保持为最小。

尽管需要附加的工具来独立地制造内部部分，但是通过将内部部分制作为小部件，工具成本保持较低。

内部部分和外部部分具有相同的折射率。

注意，“相同的折射率”意味着在LED或LED布置的输出波长的范围内的一个波长处。这意味着内部部分和外部部分之间的界面不对整体透镜功能作出贡献，因为在本发明的光学系统中，当内部部分的外部接触表面和外部部分的内部接触表面具有匹配的形状时，所述界面不具有透镜功能。特别地但非排他性地，对于这种情况，内部部分和外部部分例如由相同的材料制成。这简化了整体制造。

该系统可以进一步包括***在内部部分和外部部分之间的胶。这可以用来避免菲涅耳损耗。

内部部分可以由硅树脂形成。这可以避免对胶的需要，因为内部部分可以简单地推入装配到外部部分的腔中。

内部部分例如包括用于安装在LED或LED布置上方的腔。因此，一个折射率边界在内部部分腔的内部表面处限定，并且另一折射率边界在外部部分的外部表面处限定。

内部部分例如包括凸缘，并且外部部分包括用于容纳凸缘的凹部。这提供了确保内部部分和外部部分之间期望的位置关系的简单方法。

外部部分可以包括围绕凹部的通道。该通道可以用于捕获由胶接过程导致的多余的胶。

外部部分和内部部分两者各自可以具有相应的基部表面，例如圆形基部，即，具有圆形周边的基部。所述基部表面可以是平坦的，但是可替代地，可以具有适合于其上安装有LED（布置）的基底的结构的轮廓，来用于基底上的输出透镜的简单对准和取向。此外，在内部部分与外部部分的组装位置处，内部部分的基部表面可以与外部部分的基部表面齐平，以抵消不期望的光损耗和/或在不期望的方向上发出的光。

本发明还提供了一种由如上定义的光学系统形成的LED输出透镜，例如其中，内部部分永久地固定到外部部分，或者在不损坏或不使用特殊工具的情况下不能拆卸输出透镜。

本发明还提供了一种照明单元，包括：

LED或LED布置；和

如上定义的LED输出透镜，安装在LED或LED布置上方。

LED或LED布置例如包括板上芯片LED布置或一组芯片级封装。

照明单元可以包括外部透镜部分与内部透镜部分的多个（例如至少两个）组合（或对），例如四个、八个、二十个或一百个组合/对，每个组合/对具有相应的光学透镜活性/属性，其中光学透镜活性/属性中的至少两个是互不相同的。

依照本发明的另一方面的示例提供了一种形成用于LED或LED布置的输出透镜的方法，包括：

从一组不同的内部部分选择一内部部分，来安装在LED或LED布置上方，其中该组中的每个内部部分执行不同的第一光学功能，其中每个内部部分具有外部接触表面；

在所选择的内部部分上方安装外部部分，该外部部分执行第二光学功能，其中外部部分具有带有内部接触表面的腔和外部透镜表面，并且外部部分安装在内部部分上方，其中内部接触表面与外部接触表面接触，以形成界面并限定统一光学部件，该统一光学部件具有取决于第一和第二光学功能的整体光学功能，并且其中内部部分和外部部分具有匹配的形状并具有相同的折射率，使得界面不具有透镜功能。

该方法通过对内部部分和外部部分进行适当的组合，使得能够在最终安装阶段选择光学功能。该方法可以进一步包括在内部部分和外部部分之间提供胶。

内部部分例如包括腔，其中该方法包括将透镜安装在LED或LED布置上方，其中LED或LED布置在腔中。该方法可以包括将内部部分的凸缘安装在外部部分的凹部中。这在两个部分之间提供了牢固的连接。

附图说明

现在将参考附图详细地描述本发明的示例，在附图中：

图1从上方示出了用于放置在LED或LED布置上方的已知输出透镜；

图2从下方示出了图1的透镜；

图3示出了依照本发明的示例的光学系统，其中图3A示出了内部部分，图3B示出了位于外部部分上方的内部部分，并且图3C示出了所形成的输出透镜；

图4示出了图3的透镜沿第一方向的截面，特别是穿过图2中的线X-X的截面；

图5示出了透镜沿第二方向的截面，特别是穿过图2中的线Y-Y的截面；

图6示出了用于不同的内部透镜部分的透镜沿第二方向的截面；

图7以强度与角度的关系示出了平行于道路轴线的道路照明灯具的强度轮廓；

图8以强度与角度的关系示出了垂直于道路轴线的道路照明灯具的强度轮廓；以及

图9示出了形成和使用用于LED或LED布置的输出透镜的方法。

具体实施方式

本发明提供了一种光学系统，其具有一组内部部分，每个内部部分用于安装在LED或LED布置上方，以及外部部分，用于安装在内部部分上方。外部部分被适配为可安装在该组内部部分中的每个内部部分上方，从而当外部部分安装在该组内部部分中的所选择的内部部分上方时形成输出透镜。输出透镜具有取决于所选择的内部部分（或通过根本不使用内部部分）的整体光学功能。以这种方式，可以简单地通过从一组内部部分选择适当的内部部分来选择光学透镜功能。内部部分是低成本的部件，并且它们避免了针对较大外部部分的任何工具变化的需要。

图1示出了已知输出透镜10，其用于放置在LED或LED布置上方。图1从上方示出了透镜。LED布置可以是LED的板上芯片布置。

透镜具有外部表面12。

图2从下方示出了透镜。它示出了形成内部表面16的腔14。透镜的光学功能由内部表面16和外部表面12限定。它们相组合地限定光束宽度，光束宽度在两个正交方向上可能是不同的（例如在道路照明应用中）。

通常，本发明对于与图1和2中示出的相同通用类型的相对大的透镜而言是有意义的，例如具有超过25 mm（例如在50 mm至150 mm的范围内，通常在50 mm至100 mm的范围内）的垂直于光轴的线性尺寸。图1和2的示例示出了具有圆形基部的透镜，因此最大尺寸（同样垂直于光轴）是该圆形基部的直径。

在灯具中，可以存在单个透镜，或者可以存在一组以线或网格布置的透镜，例如在1到10个透镜之间。一般而言，用于完整灯具的透镜的总数量通常相当低，因此，每个LED或LED布置都相当大，它们中的每一个都具有大通量封装。

由透镜覆盖的LED或LED布置可以是具有LED阵列的板上芯片（CoB）配置。这些通常包括圆形的发光区域，例如具有从6 mm至23 mm的直径。可替代地，LED布置可以是芯片级封装（CSP）的紧密包装。

图3示出了依照本发明的示例的光学系统。

图3A示出了内部部分30。该部件执行第一光学功能，特别是例如在两个正交方向上的第一光束整形功能。它是一个具有一组内部部分组的部件，其中的每个内部部分执行不同的第一光学功能。内部部分具有与内部腔34相对的外部接触表面32。内部部分基本上以可以模制的腹板（web）的形式。内部部分具有外部腹板36，例如圆形凸缘。该圆形凸缘小于外部透镜部分的基部，因此通常具有在20 mm至125 mm范围内的直径。当然，可以使用任何凸缘形状。

图3B示出了位于外部部分38上方的内部部分30。其示出了内部腔34由内部腔表面35形成。外部部分用于安装在内部部分上方（或者等同地，内部部分用于安装在外部部分内）。外部部分38执行第二光学功能。它具有用于容纳凸缘36的凹部37，以限定内部部分和外部部分之间的固定位置关系。它还具有带有内部接触表面42的腔40以及外部透镜表面44。

外部部分的内部接触表面42和内部部分的外部接触表面32具有对应的形状，并且它们被设计为彼此配合，在其之间没有空气间隙。因此，它们具有精确的匹配。它们可以直接匹配，或者它们之间可以存在胶，如下面讨论的。

外部部分38可以定义参考设计，对于该参考设计而言，在没有任何内部部分的情况下定义第一可能透镜功能。

当外部部分安装在该组内部部分中的所选择的内部部分上方时，如图3C中示出的，形成了改进的输出透镜50。输出透镜具有取决于所选择的内部部分30的整体光学功能。特别地，内部腔表面35和外部透镜表面44限定光学功能，而内部部分和外部部分之间的界面对于所有不同组合而言是相同的。在图3C中示出的输出透镜50中，内部部分具有也称为凸缘31的平坦的基部表面，其相对于也简称为外部部分38的基部33的平坦的基部表面是凹陷的。

该光学系统利用一组内部透镜部分30，该组内部透镜部分30装配到外部部分的单个设计的腔40中。通过对内部部分30进行多种设计，不需要针对特定应用的工具变化，因为可以简单地通过选择预先制造的内部部分来获得期望的光学功能。

内部部分例如用作光束扩展器，与外部部分的功能相比，其可以用于以各种方式扩展输出光束。可以在最终组装点处设置期望的光学功能，并且通过使用小尺寸的内部部分，部件的总体积保持为最小。

内部部分30和外部部分38之间的边界不需要执行特定的光学功能。实际上，两个部分可以具有相同的折射率。该“相同的折射率”是在LED或LED布置的输出波长范围内的一个波长处。内部部分和外部部分例如由相同的材料制成。这简化了整体制造。

两个部分可以具有不同的折射率，在这种情况下，边界形状将具有光学效果。然而，在两个其他表面的形状的设计中将这一因素考虑在内，以提供期望的整体透镜功能。

图3B示出了***在内部部分30和外部部分38之间的胶46。这可以用于避免菲涅耳损耗。

外部部分例如是模制的PC或PMMA或者硅树脂或玻璃。内部部分也可以是PC、PMMA或硅树脂。硅树脂的使用至少对于内部部分而言可以避免对胶的需要，因为内部部分可以简单地推入装配到外部部分的腔中。

当要使用胶时，可以在凹部39周围设置通道47以捕获多余的胶。

图4示出了沿第一方向的透镜的截面，特别是穿过图2中的线X-X的截面。这例如是道路宽度方向。

图4还示出了位于腔34（如果存在内部透镜部分）或腔40（如果不存在内部透镜部分）中的LED布置48。

针对仅外部部分38的参考设计以及针对具有内部部分30的修改设计示出了光束路径，其中内部部分30被设计为在道路宽度方向上产生更宽的光束。例如，与当内部部分不存在时产生光束62相比，当内部部分存在时产生光束60。

图5示出了沿第二方向的透镜的截面，特别是穿过图2中的线Y-Y的截面。这例如是道路长度方向。

针对仅外部部分38的参考设计以及针对具有内部部分30的第一选择的修改设计示出了光束路径（仅针对透镜的一半，它是左右对称的），其中内部部分30的第一选择被设计为在道路长度方向上产生更宽的光束。例如，与当内部部分不存在时产生光束72相比，当内部部分存在时产生光束70。

图6示出了针对不同的内部透镜部分的沿第二方向的透镜的截面，同样针对穿过图2中的线Y-Y的截面。

针对仅外部部分38的参考设计以及针对具有内部部分30的第二选择的修改设计示出了光束路径，其中内部部分30的第二选择被设计为在道路长度方向上产生甚至更宽的光束。例如，与当内部部分不存在时产生光束82相比，当内部部分存在时产生光束80。

在图6中给出的设计的左半部分中，在内部部分30的外部表面32与外部部分38的内部表面42之间示出了界面41。由于所述外部表面32与所述内部表面42的匹配形状，因此界面41不具有光学功能，即，在界面处不发生折射（以及故意反射）。因此，所述界面不会贡献于光学系统的整体透镜功能。

图7以强度与角度的关系示出了平行于道路轴线的强度轮廓。曲线90针对没有内部部分的参考透镜设计。曲线92针对图5的内部部分设计，并且曲线64针对图6的内部部分设计。

图8以强度与角度的关系示出了垂直于道路轴线的强度分布。曲线96针对没有内部部分的参考透镜设计。曲线98针对图4的内部部分设计。

图9示出了形成用于LED或LED布置的输出透镜的方法，包括：

在步骤100中，从一组不同的内部部分选择一内部部分，来安装在LED或LED布置上方；并且

在步骤102中，将外部部分安装在所选择的内部部分上方以形成输出透镜。

该方法可以进一步包括：在步骤104中，将输出透镜安装在LED或LED布置上方以形成LED模块，以及在步骤106中，使用该LED模块形成灯具。这可以作为安装过程的一部分执行，使得可以在设计过程后期定义最终的光学功能。

如通过上面的示例将清楚的，本发明对于道路照明灯具而言是有意义的，因为对于不同的道路布局需要许多不同的照明轮廓。然而，本发明一般性地对于在整个系统的不同部分中期望不同光束特性的照明系统而言是有意义的。

使用不同的内部部分不影响系统的光学效率。

本发明对于大透镜而言是特别有意义的，使得内部部分和外部部分之间的成本差异是显著的（因此简单地过度制造整个透镜的多种设计在经济上是不明智的）。板上芯片LED阵列或用于其他LED簇的透镜就是这种情况。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解并实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为限制范围。