專利名稱：高效led光源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光源，它包括發(fā)光二極管和反射光學(xué)元件。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)被用來按多種方式產(chǎn)生具有幾乎任何顏色的光。獲得混色光束的一種方法是，將許多單獨(dú)的光束(每束由單一波長LED發(fā)射的光組成)指向一個(gè)靶面，從而在該靶面得到混合光。利用LED獲得混合光的另一種方法是，使具有不同波長特性的LED協(xié)同定位，并用漫射器混合從各LED來的光。
利用LED獲取混合光還有一種方法是，提供一個(gè)準(zhǔn)直反射器通過透明介質(zhì)與LED相接觸，如美國專利申請公開2002/0080622A1中所述。其中包含被埋入介質(zhì)填料內(nèi)的LED陣列的光源，通過具有多邊形橫截面的管狀反射器產(chǎn)生白光。
但是2002/0080622A1中的裝置就輸入LED的功率與從該裝置輸出的白光功率之比而言效率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是改善能產(chǎn)生任何顏色光束的LED的效率。
此目的可利用權(quán)利要求1所述的發(fā)光系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。
按本發(fā)明的發(fā)光系統(tǒng)包括一些沿光軸同心排列的光學(xué)元件。這些元件包括多個(gè)光源(它們在各優(yōu)選實(shí)施例中是LED源的形式，且至少發(fā)射不同的第一和第二顏色的光)和介質(zhì)準(zhǔn)直器，介質(zhì)準(zhǔn)直器具有入口孔和出口孔。入口孔與光源光學(xué)接觸，且準(zhǔn)直器具有多面體表面，用以提供從光源發(fā)射的光的全內(nèi)反射，從而提供顏色均勻和準(zhǔn)直的光從出口孔射出。此系統(tǒng)還包含具有入口孔和出口孔的第二光學(xué)元件。此第二光學(xué)元件用來使顏色進(jìn)一步均勻，并準(zhǔn)直從準(zhǔn)直器出來的光。
在各優(yōu)選實(shí)施例中，準(zhǔn)直器的出口孔可能包含垂直于光軸定向的平的表面以及凸起表面。
另外，在準(zhǔn)直器出口孔處，垂直于光軸的橫截面積優(yōu)選大于在準(zhǔn)直器出口孔處的橫截面積。
準(zhǔn)直器垂直于光軸的橫截面形狀優(yōu)選是多邊形，而且在各優(yōu)選實(shí)施例中，在準(zhǔn)直器出口孔處垂直于光軸的平面內(nèi)此準(zhǔn)直器多邊形橫截面形狀的邊數(shù)大于在準(zhǔn)直器出口孔處的邊數(shù)。此外，在各優(yōu)選實(shí)施例中，準(zhǔn)直器包括在準(zhǔn)直器出口孔處垂直光軸的六邊形，七邊形，八邊形和九邊形中的任意一種形狀。
還有，在本發(fā)明各優(yōu)選實(shí)施例中，第二光學(xué)元件可能是具有多面體表面的反射器形式。
在第二光學(xué)元件出口孔處垂直光軸的橫截面積，優(yōu)選大于在第二光學(xué)元件入口孔處的橫截面積，此入口孔定義為光進(jìn)入光學(xué)元件所通過的總表面積，而出口孔定義為光從光學(xué)元件發(fā)射出來的總面積。
在另一些實(shí)施例中，第二光學(xué)元件也包括垂直于光軸的多邊形橫截面形狀，在第二光學(xué)元件出口孔處，垂直于光軸的平面內(nèi)第二光學(xué)元件多邊形 橫截面形狀的邊數(shù)，大于第二光學(xué)元件入口孔處。
在還有一些實(shí)施例中，在第二光學(xué)元件入口孔處，垂直于光軸的平面內(nèi)的第二光學(xué)元件多邊形橫截面形狀的邊數(shù)，相當(dāng)于六邊形，七邊形，八邊形和九邊形中的任意一種形狀，而第二光學(xué)元件出口孔處多邊形橫截面形狀的邊數(shù)分別是12、14、16或18。這些邊的結(jié)構(gòu)可能獲得優(yōu)選的均勻性，而同時(shí)仍能提供大致為圓形的光束。
在另一些優(yōu)選實(shí)施例中，或者只有準(zhǔn)直器，或者只有第二光學(xué)元件，或者準(zhǔn)直器和第二光學(xué)元件兩者，是由具有包含多個(gè)細(xì)長棱鏡結(jié)構(gòu)的外表面的透明介質(zhì)制成，以便為光源發(fā)射的光提供全內(nèi)反射。
在這類實(shí)施例中，細(xì)長棱鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)選是沿著準(zhǔn)直器和/或第二光學(xué)元件的入口孔至出口孔的方向伸展。
準(zhǔn)直器和/或第二光學(xué)元件的至少一個(gè)多面體，包含彼此平行的細(xì)長棱鏡結(jié)構(gòu)。在另一些優(yōu)選實(shí)施例中，準(zhǔn)直器和/或第二光學(xué)元件的至少一個(gè)多面體包含一些細(xì)長棱鏡結(jié)構(gòu)，其確定方位使得在出口孔處任意兩個(gè)結(jié)構(gòu)間的距離，大于在入口孔處所述任意兩個(gè)結(jié)構(gòu)間的距離。
介質(zhì)準(zhǔn)直器和第二光學(xué)元件中任一種的折射率優(yōu)選大于1.3，且其材料可以是玻璃、陶瓷、如聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸脂的聚合物、硅樹脂、或它們的組合。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，準(zhǔn)直器開有空腔，以安置光源，并用透明或半透明媒質(zhì)填充在介質(zhì)材料和光源之間。
優(yōu)選地在準(zhǔn)直器入口孔處準(zhǔn)直器多邊形橫截面的邊數(shù)在4至9之間，而在準(zhǔn)直器出口孔處準(zhǔn)直器多邊形橫截面的邊數(shù)，及在第二光學(xué)元件入口孔處第二光學(xué)元件的多邊形橫截面的邊數(shù)，等于在準(zhǔn)直器入口孔處的邊數(shù)或在準(zhǔn)直器入口孔處邊數(shù)的兩倍，同時(shí)在第二光學(xué)元件出口孔處第二光學(xué)元件的多邊形橫截面的邊數(shù)，或者等于第二光學(xué)元件入口孔處的邊數(shù)，或者是第二光學(xué)元件入口孔處的邊數(shù)的兩倍。
舉例來說，在各優(yōu)選實(shí)施例中，發(fā)光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以是這樣，使得在垂直光軸的各平面內(nèi)，在準(zhǔn)直器入口孔處準(zhǔn)直器多邊形橫截面形狀的邊數(shù)為8，在準(zhǔn)直器出口孔處準(zhǔn)直器多邊形橫截面形狀的邊數(shù)為8，及在第二光學(xué)元件入口孔處第二光學(xué)元件的多邊形橫截面的邊數(shù)為8，且在第二光學(xué)元件出口孔處第二光學(xué)元件的多邊形橫截面的邊數(shù)為16。
在另一個(gè)例子中，可以把發(fā)光系統(tǒng)做成這樣，使得在垂直光軸的各平面內(nèi)，在準(zhǔn)直器入口孔處準(zhǔn)直器多邊形橫截面形狀的邊數(shù)為6，在準(zhǔn)直器出口孔處準(zhǔn)直器多邊形橫截面形狀的邊數(shù)為6，及在第二光學(xué)元件入口孔處第二光學(xué)元件的多邊形橫截面的邊數(shù)為6，且在第二光學(xué)元件出口孔處第二光學(xué)元件的多邊形橫截面的邊數(shù)為12。
采用多邊形橫截面形狀的準(zhǔn)直器和/或第二光學(xué)元件的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，輸出光顏色的均勻性增加了。事實(shí)上，當(dāng)多邊形橫截面為5至9邊時(shí)達(dá)到最佳的顏色均勻度。雖然當(dāng)采用8邊等低邊數(shù)時(shí)，可以看到例如八邊形光束形式的較差照明圖形，但這可通過改變從入口孔至出口孔的邊數(shù)而使它最小化，同時(shí)顏色均勻度又沒有什么損失。
為了進(jìn)一步有利地增加效率，不僅是準(zhǔn)直器，而且第二光學(xué)元件都可以利用產(chǎn)生全內(nèi)反射的透明介質(zhì)來做。在后一情況下，這是通過處于第二光學(xué)元件外表面上的棱鏡結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。雖然準(zhǔn)直器可以做成產(chǎn)生全內(nèi)反射的平多面體，但準(zhǔn)直器外表面也可設(shè)置有棱鏡結(jié)構(gòu)，棱鏡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生全內(nèi)反射并可使用其它的準(zhǔn)直器形狀。
另一優(yōu)點(diǎn)是，由于利用全內(nèi)反射，在準(zhǔn)直器和第二光學(xué)元件上不需要反射層，故可以采用注射成型法等將準(zhǔn)直器和第二光學(xué)元件做成一體。


圖1a是包含在按本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的光源內(nèi)各單個(gè)零件的分解圖。
圖1b是已裝配好的按本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的光源。
圖2a是按本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的發(fā)光系統(tǒng)橫截面示意圖。
圖2b是如圖2a所示的按本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的發(fā)光系統(tǒng)俯視圖。
圖3是按本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的發(fā)光系統(tǒng)橫截面示意圖。
圖4a是按本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的發(fā)光系統(tǒng)中的反射器側(cè)視圖。
圖4b是如圖4a所示按本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的發(fā)光系統(tǒng)內(nèi)反射器的俯視圖。
圖5a是按本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的發(fā)光系統(tǒng)內(nèi)反射器的俯視圖。
圖5b是如圖5a所示按本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的發(fā)光系統(tǒng)內(nèi)反射器的透視圖。
圖6是對本發(fā)明不同實(shí)施例的顏色均勻度的模擬結(jié)果。
圖7是對本發(fā)明不同實(shí)施例的顏色均勻度的另一些模擬結(jié)果。
優(yōu)選實(shí)施方式參考圖1a，按本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的發(fā)光系統(tǒng)100，包括以排列在底座103上并圍繞光軸115同心安置的發(fā)光二極管(LED)101陣列形式的光源。需要有提供電源和控制信號給LED的裝置。此外，可采用光和熱傳感器來為驅(qū)動器和/或控制電路提供反饋信號。但是正如專業(yè)人員能理解的，為清楚起見在圖1a中沒有顯示這些。底座103上裝有防護(hù)側(cè)壁105，它們也作熱傳遞之用。
與光軸115同心的是一些按下列方式安置的光學(xué)元件。圓柱形管107用于包圍介質(zhì)準(zhǔn)直器109，后者的表面可實(shí)現(xiàn)從LED陣列發(fā)射的光的全內(nèi)反射(TIR)。準(zhǔn)直器是用透明介質(zhì)，優(yōu)選是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成，且形狀做成其限定出從LED 101發(fā)射的光的入口孔108，和已準(zhǔn)直的光的出口孔110。入口孔108比出口孔110小些。
中間單元111處在準(zhǔn)直器109和反射器113形式的第二光學(xué)元件之間。中間單元111的作用是將準(zhǔn)直器109固定到位，并提供與反射器113的接口。反射器113具有垂直于光軸115的多邊形橫截面形狀。雖然在其它實(shí)施例中，也可以在反射器113的內(nèi)表面鍍上鋁等反射材料，但優(yōu)選是反射器113通過它的外表面中的TIR提供從準(zhǔn)直器109出來的光的反射。這兒的反射器113橫截面是八邊形，但也可以是別的形狀，下面將會詳細(xì)舉例說明。
圖1b中顯示已裝配好的系統(tǒng)100，它所發(fā)射的光120具有任何需要的顏色混合，這和LED 101和/或LED驅(qū)動電流的選擇有關(guān)，此電流可對LED發(fā)射的光的不同顏色獨(dú)立調(diào)節(jié)。
根據(jù)光束軌跡模擬所作的效率計(jì)算表明，與填充有介質(zhì)的鍍鋁反射器(反射系數(shù)85％)的參照裝置相比較，當(dāng)準(zhǔn)直器109提供TIR時(shí)，效率可以增加10％左右。模擬計(jì)算還表明，與典型反射系數(shù)為85％的鋁或鍍鋁反射器相比較，采用基于TIR的反射器113的效率還可再增加約10％。
在圖2a和2b中，以橫截面視圖(圖2a)和俯視圖(圖2b)的形式，表示包含準(zhǔn)直器209和反射器213的發(fā)光系統(tǒng)200的優(yōu)選實(shí)施例。與示于圖1a和1b的實(shí)施例類似，準(zhǔn)直器209和反射器213兩者都是與光軸215同心安置的。
準(zhǔn)直器209優(yōu)選用具有多面體表面222的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)實(shí)心塊來做，它有入口孔208(上面裝有一些發(fā)光二極管等光發(fā)射體組成的光源201)和平面形出口孔210。反射器213為空心錐狀柱體形狀，具有柱體壁214，其外表面為215，內(nèi)表面為216。當(dāng)反射器外表面采用棱柱結(jié)構(gòu)以提供TIR時(shí)，建議也用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)來做反射器213。在反射器213內(nèi)不采用TIR的那些情況下，需要反射內(nèi)表面216，這可通過例如涂覆反射涂層等來實(shí)現(xiàn)。準(zhǔn)直器209的出口孔210也限定出反射器213的入口孔，且反射器213具有以參考數(shù)字240指示的出口孔。
光從光源201發(fā)射并經(jīng)入口孔208進(jìn)入準(zhǔn)直器209。然后光在準(zhǔn)直器209內(nèi)經(jīng)受全內(nèi)反射(TIR)，并經(jīng)過準(zhǔn)直器的出口孔210離開而進(jìn)入反射器213內(nèi)。在反射器213內(nèi)光在反射器213的外表面215上再次經(jīng)受TIR，并最終經(jīng)反射器213的出口孔240離開。當(dāng)使用鋁涂覆反射表面的參考系統(tǒng)時(shí)，模擬計(jì)算表明效率(從反射器213出來的光功率與進(jìn)入準(zhǔn)直器209的光功率之比)增加約20％。
準(zhǔn)直器209和反射器213兩者有5個(gè)多面體層，如圖中所舉示例，當(dāng)從位于準(zhǔn)直器209入口孔208處的第一多面體層開始計(jì)數(shù)，則多面體230處在第五多面體層。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)多面體層具有垂直光軸215的八邊形橫截面形狀，這可從圖2b中看見。準(zhǔn)直器和反射器兩者的多面體層的幾何形狀，可進(jìn)一步用從光軸215至相應(yīng)多面體層底邊中點(diǎn)的距離即半徑R0、R1、R2、R3、R4、R5及角度A1、A2、A3、A4、A5來界定，其中R0應(yīng)大于光源的半徑。下表給出這些半徑和角度的數(shù)值

雖然在圖2a和2b中沒有顯示，在另一些實(shí)施例中，準(zhǔn)直器209的多面體表面222和反射器213的多面體表面，可以設(shè)置多個(gè)從入口孔208伸至出口孔210的棱鏡結(jié)構(gòu)。那就是與結(jié)合下面圖4a和4b所述的反射器413的那些棱鏡結(jié)構(gòu)470相當(dāng)?shù)睦忡R結(jié)構(gòu)。
圖3表示具有多面體表面322的準(zhǔn)直器309和反射器313的另一種實(shí)施例。正如圖2a和2b中所示的實(shí)施例一樣，準(zhǔn)直器309具有處于入口孔308處的光源301。與圖2a的實(shí)施例相反，準(zhǔn)直器309具有凸形出口孔310，它也界定反射器313的入口孔。反射器的出口孔用參考數(shù)字340標(biāo)示。
由于是凸形，出口孔310的直徑可以比平出口孔的情況要小，且可以安置得更靠近光發(fā)射體308，從而減少準(zhǔn)直器的體積和發(fā)光系統(tǒng)的總尺寸。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖4a和4b，來討論反射器413的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。圖4a是反射器413的側(cè)視圖，而圖4b是反射器413的俯視圖。和上面各實(shí)施例一樣，反射器413具有入口孔410和出口孔440。反射器413是多面體，如多面體430所示，且和前面的實(shí)施例一樣，垂直于光軸415的橫截面形狀是八邊形，這從圖4b可以清楚看見。
但是，與前面各實(shí)施例相反，在這個(gè)實(shí)施例中，反射器413在其外表面上包含相互平行的細(xì)長棱鏡結(jié)構(gòu)470。這些棱鏡結(jié)構(gòu)470提供進(jìn)入反射器413的光的TIR，同時(shí)已經(jīng)計(jì)算出，采用具有這類棱鏡結(jié)構(gòu)470的反射器，可額外獲得10％左右的光輸出效率。
在另一些優(yōu)選實(shí)施例中，準(zhǔn)直器的多面體也可包含提供TIR的細(xì)長棱鏡結(jié)構(gòu)。此外，棱鏡結(jié)構(gòu)的方位可取成使得在出口孔處任意兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的距離大于在入口孔處所述任意兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的距離。
按本發(fā)明的反射器513還有一個(gè)實(shí)施例示于圖5a和5b。正如在前面各實(shí)施例中一樣，反射器513是多面體，如圖中多面體530所述，而且具有入口孔550和出口孔560。但是，與前面各實(shí)施例相反，這個(gè)反射器530構(gòu)造為具有稍微不同的多面體結(jié)構(gòu)。即在入口孔550處多面體邊數(shù)為8，而在出口孔560處多面體邊數(shù)為16。另外，在此實(shí)施例中，反射器513的內(nèi)表面上有反射層，將進(jìn)入入口孔550的光反射出出口孔560。
按本發(fā)明一個(gè)系統(tǒng)的其它實(shí)施例，還可能包含具有與圖5a和5b的反射器513類似的多面體結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)直器。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖6和7，提供一些利用光束追蹤法的多個(gè)模擬結(jié)果。圖6和7所提供的結(jié)果是采用這樣一個(gè)系統(tǒng)得到的，此系統(tǒng)包含具有兩個(gè)多面體層的準(zhǔn)直器和具有三個(gè)多面體層的反射器，同時(shí)多面體的數(shù)目和/或結(jié)構(gòu)是可變的。
圖6的曲線表示相對顏色均勻性與準(zhǔn)直器和反射器結(jié)構(gòu)中所用多面體邊數(shù)的關(guān)系，其中準(zhǔn)直器和反射器的結(jié)構(gòu)如圖1a，1b，2a，2b和3的實(shí)施例所示。此圖中顏色均勻性以1960年國際電工協(xié)會(CIE)確定的均勻色度級(UCS)的uv顏色坐標(biāo)來表示。發(fā)射光束角向光分布的顏色點(diǎn)偏離，即顏色點(diǎn)偏離Δuv與發(fā)射光方向的函數(shù)關(guān)系可定義為Δuv=(Δu)2+(Δv)2,]]>式中Δu＝u-uref，Δv＝v-vref，u和v是與角度有關(guān)的光束顏色坐標(biāo)，uref和vref是參照物的顏色坐標(biāo)，此參照物在現(xiàn)在的情況下是光束的平均顏色點(diǎn)。在圖6和7中，相對于參照顏色點(diǎn)的顏色偏離小于一定偏離程度的光束百分?jǐn)?shù)，表示為反射器邊數(shù)的函數(shù)關(guān)系，其中偏離程度是一個(gè)參數(shù)，圖中用符號標(biāo)明幾個(gè)偏離程度。如從圖6的曲線可以看出，采用都具有八邊形多面體結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)直器和反射器，至少可獲得80％的相對顏色均勻度。為了選擇具有優(yōu)選顏色混合特性的光束成形器類型，利用了對各種顏色最大偏離的計(jì)算結(jié)果。小于Δuv＝0.002的顏色偏離一般看不見。根據(jù)應(yīng)用場合不同，也可以接受Δuv小于0.005的小偏離。
從圖6可看出，當(dāng)邊數(shù)為7至9時(shí)，可得到其中顏色偏離Δuv＜0.002的最高百分?jǐn)?shù)的光束立體角。根據(jù)光發(fā)射體結(jié)構(gòu)的不同，這可能會有點(diǎn)變化。從圖中可以推斷，若允許較大的偏離，則可以采用較寬范圍的邊數(shù)。
圖7的曲線表示相對顏色均勻度，其為準(zhǔn)直器和反射器結(jié)構(gòu)中所用多面體邊數(shù)的函數(shù)，這種結(jié)構(gòu)可以是如圖5a和5b的實(shí)施例所示。
由束成形器類型A表示的第一圖示結(jié)果，相應(yīng)于準(zhǔn)直器和反射器都具有總共是5個(gè)多面體層的八邊形多面體結(jié)構(gòu)，即與提供圖6結(jié)果的系統(tǒng)相類似。由束成形器類型B表示的第二圖示點(diǎn)表明對一種系統(tǒng)的結(jié)果，這種系統(tǒng)中準(zhǔn)直器的第一和第二層多面體即兩個(gè)多面體層具有八邊形橫截面形狀，而其余三層多面體邊數(shù)為16。圖5a中也表示束成形器類型B。這兒可看到，第三層以入口孔550處的8邊多邊形橫截面形狀開始，而在第四層入口孔處以16段結(jié)束。16邊橫截面形狀各邊的長度隨著離反射器入口孔距離的增加彼此越來越接近，在反射器513的出口孔560處，橫截面形狀是如圖5a所示具有等長度邊的16邊形。類似地，由束成形器類型C表示的第三圖示點(diǎn)表示這樣一個(gè)系統(tǒng)的結(jié)果，此系統(tǒng)中多面體的第一層為八邊形橫截面形狀，而其它4層的多面體邊數(shù)為16。類似地，由束成形器類型D表示的第四圖示點(diǎn)表示這樣一個(gè)系統(tǒng)的結(jié)果，此系統(tǒng)中準(zhǔn)直器入口孔為八邊形橫截面形狀，而對所有的多面體層，多面體邊數(shù)為16。最后，由束成形器類型E表示的圖示點(diǎn)表示采用這樣一個(gè)系統(tǒng)的結(jié)果，此系統(tǒng)包含的準(zhǔn)直器和反射器兩者都具有一種多面體結(jié)構(gòu)，其多邊形橫截面形狀具有16條相等長度的邊。
圖7表明，對于反射器出口孔為16邊形的系統(tǒng)，束成形器類型B給出優(yōu)選的顏色均勻度。盡管束成形器類型A的顏色均勻性稍好于束成形器類型B，但后者因其束形狀較圓而為優(yōu)選。
圖6和7曲線所提供的結(jié)果說明，八邊形多面體結(jié)構(gòu)是提供優(yōu)選顏色均勻性的結(jié)構(gòu)。不過，由于準(zhǔn)直器和反射器是八邊形，從該系統(tǒng)出來的光束對于觀察者而言象是八邊形。隨著邊數(shù)的增加，此外形更接近于“圓形”，而在許多場合下圓形是優(yōu)選的。但是，增加系統(tǒng)中多面體的數(shù)目，顏色均勻性將下降。因而如圖7所示，若系統(tǒng)中靠近光源處的多面體面數(shù)少于靠近該系統(tǒng)出口孔的多面體面數(shù)，則可以達(dá)到外形和顏色均勻性的折衷。
最后，應(yīng)該指出，對于上面參照圖1至5所述的所有實(shí)施例，在靠近第一準(zhǔn)直器的外面可同心安裝附加的反射器，以為未被準(zhǔn)直器反射的光源發(fā)射的光提供準(zhǔn)直和混合。此外，在靠近反射器的外面還可同心安裝附加的反射器，以為未被反射器反射的從準(zhǔn)直器發(fā)射的光提供進(jìn)一步準(zhǔn)直和混合。為進(jìn)一步使系統(tǒng)出來的光束均勻，還可在發(fā)光系統(tǒng)內(nèi)安置一個(gè)或幾個(gè)光漫射表面。
因此，總起來說，光源包括多個(gè)沿光軸同心排列的光學(xué)元件。這些光學(xué)元件包括發(fā)光二極管陣列，介質(zhì)準(zhǔn)直器(其表面構(gòu)造為可為從二極管陣列發(fā)射的光提供全內(nèi)反射)，和第二級反射器，后者進(jìn)一步準(zhǔn)直光束，而且也可基于由外側(cè)棱鏡結(jié)構(gòu)提供的全內(nèi)反射。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光系統(tǒng)(100，200，300)，包括多個(gè)沿光軸(115，215)同心排列的光學(xué)元件，其中這些光學(xué)元件包括多個(gè)光源(101，201)，至少發(fā)射不同的第一和第二種顏色的光，介質(zhì)準(zhǔn)直器(109，209，309)，具有入口孔(108，208，308)和出口孔(110，210，310)，所述入口孔與光源光學(xué)接觸，所述準(zhǔn)直器具有多面體表面(222，322)，所述多面體表面構(gòu)造成提供從光源發(fā)射的光的全內(nèi)反射，并由此提供從出口孔離開的顏色均勻和準(zhǔn)直的光，第二光學(xué)元件(113，213，313，413，513)，具有入口孔(210，310，410)和出口孔(240，340，440)，所述第二光學(xué)元件構(gòu)造為進(jìn)一步使從準(zhǔn)直器離開的光顏色均勻和準(zhǔn)直。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中準(zhǔn)直器的出口孔包括垂直于光軸定向的平面。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中準(zhǔn)直器的出口孔包括凸面。
4.如上述權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中在準(zhǔn)直器出口孔處垂直于光軸的橫截面積大于在準(zhǔn)直器入口孔處垂直于光軸的橫截面積。
5.如上述權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中準(zhǔn)直器包括垂直于光軸的多邊形橫截面形狀。
6.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中在垂直于光軸的平面內(nèi)的準(zhǔn)直器多邊形橫截面形狀的邊數(shù)在準(zhǔn)直器出口孔處大于在準(zhǔn)直器入口孔處。
7.如權(quán)利要求5或6所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中準(zhǔn)直器包括在準(zhǔn)直器出口孔處垂直于光軸的六邊形、七邊形、八邊形和九邊形橫截面形狀中的任何一種形狀。
8.如上述權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中第二光學(xué)元件是具有多面體表面(230，430，530)的反射器。
9.如上述權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中在第二光學(xué)元件出口孔處垂直于光軸的橫截面積大于在第二光學(xué)元件入口孔處垂直于光軸的橫截面積。
10.如上述權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中第二光學(xué)元件包括垂直于光軸的多邊形橫截面形狀。
11.如權(quán)利要求10所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中在垂直于光軸的平面內(nèi)第二光學(xué)元件多邊形橫截面形狀的邊數(shù)在第二光學(xué)元件出口孔處大于在第二光學(xué)元件入口孔處。
12.如權(quán)利要求10或11所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中在第二光學(xué)元件入口孔處垂直于光軸的平面內(nèi)，第二光學(xué)元件多邊形橫截面形狀的邊數(shù)相當(dāng)于六邊形、七邊形、八邊形和九邊形中的任何一種形狀，且在第二光學(xué)元件出口孔處該多邊形橫截面形狀的邊數(shù)分別是12、14、16或18。
13.如上述權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中準(zhǔn)直器由透明介質(zhì)制成，其外表面包括多個(gè)細(xì)長棱鏡結(jié)構(gòu)，以為從光源發(fā)射的光提供全內(nèi)反射。
14.如權(quán)利要求13所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中細(xì)長棱鏡結(jié)構(gòu)沿著從準(zhǔn)直器入口孔至準(zhǔn)直器出口孔的方向伸展。
15.如權(quán)利要求14所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中準(zhǔn)直器的至少一個(gè)多面體包括相互平行定向的細(xì)長棱鏡結(jié)構(gòu)。
16.如權(quán)利要求14或15所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中準(zhǔn)直器的至少一個(gè)多面體包括細(xì)長棱鏡結(jié)構(gòu)，這些細(xì)長棱鏡結(jié)構(gòu)定向使得在準(zhǔn)直器出口孔處任意兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的距離大于在準(zhǔn)直器入口孔處所述任意兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的距離。
17.如上述權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中介質(zhì)準(zhǔn)直器的折射率大于1.3。
18.如上述權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中準(zhǔn)直器由介質(zhì)材料制成，該介質(zhì)材料有空腔以容納光源，并在介質(zhì)材料和光源之間用透明或半透明媒質(zhì)填充。
19.如權(quán)利要求18所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中介質(zhì)材料從包括玻璃、溶膠、陶瓷、聚合物和硅樹脂的組中選擇。
20.如上述權(quán)利要求1至19中任一項(xiàng)所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中第二光學(xué)元件由透明介質(zhì)材料制成，該透明介質(zhì)材料具有包括多個(gè)細(xì)長棱鏡結(jié)構(gòu)(470)的外表面，以為從光源發(fā)射的光提供全內(nèi)反射。
21.如權(quán)利要求20所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中細(xì)長棱鏡結(jié)構(gòu)沿著從第二光學(xué)元件入口孔至第二光學(xué)元件出口孔的方向伸展。
22.如權(quán)利要求21所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中第二光學(xué)元件的至少一個(gè)多面體包括相互平行定向的細(xì)長棱鏡結(jié)構(gòu)。
23.如權(quán)利要求21或22所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中第二光學(xué)元件的至少一個(gè)多面體包括細(xì)長棱鏡結(jié)構(gòu)，這些細(xì)長棱鏡結(jié)構(gòu)定向使得在第二光學(xué)元件出口孔處任意兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的距離大于在第二光學(xué)元件入口孔處所述任意兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的距離。
24.如上述權(quán)利要求1至23中任一項(xiàng)所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中第二光學(xué)元件的折射率大于1.3。
25.如上述權(quán)利要求1至24中任一項(xiàng)所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中第二光學(xué)元件由從包括玻璃、溶膠、陶瓷、聚合物和硅樹脂的組中選擇的材料制成。
26.如上述權(quán)利要求5至25中任一項(xiàng)所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中在垂直于光軸各平面內(nèi)在準(zhǔn)直器入口孔處的準(zhǔn)直器多邊形橫截面形狀的邊數(shù)為4至9間的第一整數(shù)，在準(zhǔn)直器出口孔處的準(zhǔn)直器多邊形橫截面形狀的邊數(shù)，和在第二光學(xué)元件入口孔處的第二光學(xué)元件多邊形橫截面形狀的邊數(shù)，為上述第一整數(shù)和一個(gè)第二整數(shù)中的任意一個(gè)，所述第二整數(shù)兩倍于所述第一整數(shù)，及在第二光學(xué)元件出口孔處的第二光學(xué)元件多邊形橫截面形狀的邊數(shù)，為上述第二整數(shù)和一個(gè)第三整數(shù)中的任意一個(gè)，所述第三整數(shù)兩倍于所述第二整數(shù)。
27.如權(quán)利要求26所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中在垂直于光軸的各平面內(nèi)在準(zhǔn)直器入口孔處的準(zhǔn)直器多邊形橫截面形狀的邊數(shù)為6，在準(zhǔn)直器出口孔處的準(zhǔn)直器多邊形橫截面形狀的邊數(shù)為6，在第二光學(xué)元件入口孔處的第二光學(xué)元件多邊形橫截面形狀的邊數(shù)為6，及在第二光學(xué)元件出口孔處的第二光學(xué)元件多邊形橫截面形狀的邊數(shù)為12。
28.如權(quán)利要求26所述的發(fā)光系統(tǒng)，其中在垂直于光軸的各平面內(nèi)在準(zhǔn)直器入口孔處的準(zhǔn)直器多邊形橫截面形狀的邊數(shù)為8，在準(zhǔn)直器出口孔處的準(zhǔn)直器多邊形橫截面形狀的邊數(shù)為8，在第二光學(xué)元件入口孔處的第二光學(xué)元件多邊形橫截面形狀的邊數(shù)為8，及在第二光學(xué)元件出口孔處的第二光學(xué)元件多邊形橫截面形狀的邊數(shù)為16。
29.如上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的發(fā)光系統(tǒng)，包括一個(gè)或多個(gè)光漫射表面，以使光束更均勻。
全文摘要
一種光源(100)，包括多個(gè)沿光軸(115)同心排列的光學(xué)元件。這些光學(xué)元件包括發(fā)光二極管陣列(101)；介質(zhì)準(zhǔn)直器(109)，具有構(gòu)造來為從二極管陣列發(fā)射的光提供全內(nèi)反射的表面；和第二級反射器(113)，用來進(jìn)一步準(zhǔn)直光束，而且也可基于由外側(cè)上的棱鏡結(jié)構(gòu)提供的全內(nèi)反射。
文檔編號F21V7/00GK101044353SQ200580035727
公開日2007年9月26日 申請日期2005年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月18日
發(fā)明者C·G·A·霍倫, J·P·M·安森斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司