[发明专利]LED灯具的光耦合和防光传导损失的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于照明光学领域，涉及到LED灯与器材，特别是LED灯具的光耦合和防光传导损失的方法及其装置。 

背景技术

LED以其光效高成为重要的照明光源。但LED属于点光源，封装与白炽灯有极大的不同。为了有效地引出光线，LED投射灯用LED灯珠与相匹配的专用带凹球形状的光学收集-聚光装置，有效地收集了向四方发射的大功率LED光，并经光学聚光装置的折射及反射，以小角度出射，投射到很小的面积，照度不均匀，灯具发光面亮度过高，产生眩光， LED投射灯只能用于局部照明。 

市场供货的LED投射灯已经形成产业链，LED投射灯或者其他LED灯的零部件已经规模生产，灯具生产商采用OEM组装形式形成批生产。光导形式的LED聚光透镜集收集-投射光于一体，已形成模具、成型生产、供货一条龙，LED灯产业链中的各个零部件已经固定，任意一个零部件的尺寸改动可能会牵一发而动全局。LED聚光透镜有单灯珠、3灯珠、5灯珠、7灯珠，……以及其他形式，若采用最常用的1W LED灯珠，它们分别对应1W、3W、5W、7W，……。其中3W LED投射灯的使用率最高，3灯珠的聚光透镜最为普及，价格最低；5灯珠的聚光透镜使用量大幅度降低。为了提高LED聚光透镜的通用性，也有n个单聚光透镜组成n W大功率LED投射灯，通过灯具出光口的多寡调整LED投射灯的功率，但组装的复杂程度和难度大幅度上升，制造成本中的人工费占比提高。 

降低光源的眩光历来采用毛玻璃、瓦楞状玻璃折射或者乳白色灯罩，变高亮度、点光源为面光源。人们采用各种设计改进LED灯具，提高光效。目前认识到提高LED灯具光效需要光学技术的参与。 

发明内容

本发明通过基础光学分析，研究了LED灯珠出光介质的边界折射、反射与全反射规律，通过LED灯珠与LED灯具聚光透镜（用于光线收集-光学聚光/光传导）的光耦合，降低界面之间的反射率，扩大LED出光封装与出光光通量有关的有效入射角——全反射临界角，增大出射球冠相对面积和视界；此处所述的“视界”为：从出光封装外侧看到的出光封装内部（与出光封装表面法线）的极限夹角及其对应的边界。针对LED聚光透镜的导光柱的光泄漏和创造导光柱的全反射方法，提高LED灯出光效率。利用该方法形成的技术措施和装置的相关零部件及其结构。 

本发明的基本工作原理基于透明介质的光反射率R和透射率T关系，以及光介质的折射定律。由此导出了与本发明相关的概念、基本功能和技术措施。 

透明介质表面的反射率R的计算公式（1） 

当玻璃等透明介质的折射率n’=1.5，而空气的折射率n=1.0，计算结果为R=0.04，即玻璃平板每个表面反射率约为4%，无色透明的白玻璃板的透射率T只有92.16%，故无色白玻璃板的总反射率Rt_白玻璃板=1－T=1－92.16%=7.84%。LED灯珠与LED聚光透镜上的专门匹配孔——半凹球形之间的空气间隙造成从LED灯珠表面-空气隙-LED聚光透镜半凹球形表面产生了两次反射，反射率符合式（1），其中n’为大功率LED灯珠的出光封装材料的折射率，多采用折射率介于1.4～1.5、可见光范围内透光率大于99%的有机硅，按式（1）计算，有机硅与空气的反射率介于2.78%（有机硅折射率n’=1.4）～4.00%（n’=1.5）之间。折射定律 

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

由等式关系得：折射率大的一侧入射角或者出射角小。根据式（2），从LED管芯发射的光，在出光封装表面与法线的夹角入射角（LED芯片侧）不能超过全反射的临界角45.585°（n’=1.4）～41.81°（n’=1.5），大于临界角的光线将发生全反射，并在圆周（实际为球面）发生多次全反射直至光能损失殆尽。根据球冠面积计算公式，2πR²(1－cos i’)，其中i’是球冠中心（轴）到球冠边沿的夹角；引入相对球冠面积S_R=球冠面积S_S：半球面积S_h，相对球冠面积 

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

其中i’是球冠中心（轴）到球冠边沿的夹角。 

对应LED灯珠内部光束照射介质表面的入射角i’。 

LED封装材料折射率n’=1.4的全反射临界角45.585°，相对球冠面积