專(zhuān)利名稱(chēng)：用于發(fā)光二極管的光學(xué)歧管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及光源，特別是使用一個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管 (LED)的光聚集/分配系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是用途廣泛、便宜、及效率高的光源。對(duì)于 低光應(yīng)用如野營(yíng)照明， 一個(gè)或多個(gè)LED即可提供足夠的光。然而，為 利用LED用于要求更多光的應(yīng)用，如汽車(chē)前燈，則必須結(jié)合多個(gè)LED 的輸出?，F(xiàn)有技術(shù)中的LED在合并多個(gè)發(fā)射極芯片的發(fā)光輸出方面并 不令人滿意。物理芯片鄰接的確可產(chǎn)生較大的光源，但熱量排除的限 制降低了總亮度。同樣，在相鄰的發(fā)射極之間幾乎沒(méi)有光照度的連續(xù) 性，從而在各個(gè)發(fā)射體之間留下暗黑區(qū)域。LED可從很多提供商購(gòu)買(mǎi) 到，且在市場(chǎng)上可獲得的LED中，發(fā)射極本身已具有各種亮度變化。 例如， 一些提供商(如加利福尼亞州San Jose的OSRAM公司和加利 福尼亞州Santa Barbara的Cree公司)制造了具有引線和焊接區(qū)的 高功率LED，其阻擋來(lái)自發(fā)射芯片上面的光。相反，加利福尼亞州San Jose的Lumileds公司的高功率LED作為倒裝芯片的例子，其沒(méi)有引 線或焊接區(qū)，而是在正面阻擋光發(fā)射。然而，即使這些LED，其跨發(fā) 射極均具有很大的亮度變化。例如，Lumileds的Luxeon工和Luxeon III LED，從中心到邊緣的亮度變化達(dá)因子10，并在一芯片與下一芯 片之間具有隨機(jī)的光柵。這樣的不合需要的光柵，無(wú)論是在倒裝芯片 上還是前引線芯片上，均可在準(zhǔn)直或聚光透鏡的光束中產(chǎn)生有害的人 工因素。盡管可在這些透鏡上方放置漫射器，但漫射器將損耗15% 的光并使得光束邊緣模糊。 一種更有效的源極均化方法，其保持明顯 的邊緣，應(yīng)是光照光學(xué)領(lǐng)域很有意義的進(jìn)展。盡管薄膜LED已大大改 善了傳統(tǒng)基于襯底的LED的均勻性，但其之所以總是具有非均勻的光 照度有根本的原因，因?yàn)槠涔逃械?、向下通過(guò)活性、光生成層的非均 勻電流分布。使用較大的焊接電極將在其與LED的接合點(diǎn)處產(chǎn)生更多 無(wú)用的表面復(fù)合，從而必須保持電極是小電極。相反，在此描述的光 學(xué)變換器重視電流饋電的來(lái)者位置，放大非均勻性。由于LED的未經(jīng)處理的鋸齒邊緣將倒裝表面復(fù)合，電流不被允許到達(dá)它們，從而LED
在到其邊緣的所有方向均不能被照亮。提供可減輕LED固有的亮度不
均勻性的光學(xué)變換器應(yīng)是優(yōu)點(diǎn)。
除了使得單源均勻以外，需要更好的光學(xué)方法來(lái)結(jié)合空間上分開(kāi)
的LED芯片的輸出，當(dāng)嚴(yán)密封裝時(shí)其更容易冷卻。這樣的光源結(jié)合裝 置在光學(xué)上應(yīng)產(chǎn)生具有明顯邊緣的均勻亮度。除了更容易的熱管理以 外，還需要光源結(jié)合，其使得任何LED的各種變化甚至失效將不引人 注意。
現(xiàn)有技術(shù)中的LED還在用于LED中的磷光體的幾何結(jié)構(gòu)方面不太 令人滿意，所述LED如產(chǎn)生白光的LED。直接涂在lram藍(lán)色芯片上的 四分之一毫米(250微米)或更厚的磷光體涂層必然增加源面積，有 時(shí)增加達(dá)因子4，因而降低了亮度。磷光體在這樣的小芯片上的應(yīng)用 必然導(dǎo)致跨每一芯片及芯片之間的色溫變化。同樣，導(dǎo)致大量磷光體 輸出反向散射。即，其不經(jīng)濟(jì)地照回芯片內(nèi)，而芯片有相當(dāng)吸收性。 最后，磷光體必須經(jīng)受芯片的高工作溫度，及有差異的熱膨脹引起附 著問(wèn)題，從而如果磷光體松掉則大大降低輸出。盡管較薄的磷光體層 具有較少的應(yīng)力問(wèn)題及更大的亮度，但只有一家制造商Lumileds公 司具有先進(jìn)的磷光體沉積技術(shù)可用于其白光LED的共形25微米涂覆， 比其余制造商的要薄10倍。(來(lái)自其它公司的實(shí)驗(yàn)室樣品已被展示， 但這些方法到目前為止尚未被證實(shí)可商業(yè)化)。即使這樣，設(shè)備將跨 其表面及芯片之間改變色溫。
如果磷光體能位于遠(yuǎn)離LED的位置將是有利的。具體地，如果 LED器件中的磷光體層位于足夠遠(yuǎn)的位置從而不受LED自身溫度變化 的影響將是有利的。這樣的磷光體目標(biāo)可以是與分開(kāi)的LED芯片的結(jié) 合區(qū)一樣小，從而使亮度最大化。傳統(tǒng)的白光LED陣列遭受色溫的變 化。為克服該問(wèn)題，制造商采用成本高昂的裝箱(birming)程序。 然而，目前最新的LED仍有相當(dāng)?shù)纳珳刈兓词故褂妹芊庀湟彩侨?此。此外，由于裝得緊緊的LED陣列必須具有一個(gè)或多個(gè)芯片寬度的
17間隔，磷光體在整個(gè)陣列上的簡(jiǎn)單應(yīng)用將導(dǎo)致沖淡的、高度不均勻的 亮度。
自LED實(shí)現(xiàn)更高的白光亮度，同時(shí)具有均勻性和顏色一致性，對(duì)
LED進(jìn)入一般照明應(yīng)用市場(chǎng)非常關(guān)鍵，LED的更低的功耗和更長(zhǎng)的壽 命將大大有利于節(jié)能。更大和更有效的磷光體涂層可被使用，如果它 們可與其藍(lán)光源分開(kāi)的話。這樣的進(jìn)步將使汽車(chē)前燈特別受益，而目 前的白光LED如應(yīng)用于汽車(chē)其亮度至多勉強(qiáng)夠格。實(shí)際上，跨光束的 色溫變化可導(dǎo)致多余的藍(lán)光，其對(duì)眼科而言非常危險(xiǎn)。
在一些應(yīng)用中，從單一較大的源產(chǎn)生大量較小尺寸的源是有利 的。這在由于光學(xué)元件太厚和/或太大而使得光學(xué)設(shè)計(jì)很難鑄模時(shí)非 常有用。如果所述大的單一源被分成多個(gè)具有相同總面積的較小尺寸 的源，則相同的透鏡設(shè)計(jì)可用于每一這樣的源，正好按比例縮小到可 模制的大小?？赡苓€希望這些較小的源比較大的本源更均勻，或它們 具有規(guī)定的亮度輸出。
在其它應(yīng)用中，將單一源或多個(gè)源的形狀改變成另一形狀是有用 的，如從正方形改變成實(shí)質(zhì)上具有相等面積的長(zhǎng)方形，反之亦然。這 對(duì)于類(lèi)似于LED頭燈這樣的應(yīng)用是有用的，其需要產(chǎn)生高寬比(長(zhǎng)比 寬)在2: l到6: l之間的長(zhǎng)方形源。當(dāng)然，這樣的方法必須盡可能 地保持源亮度。
最后，希望具有極為有效的、用于生產(chǎn)白光LED光源的裝置，其 不使用磷光體，其通過(guò)將兩個(gè)或多個(gè)不同波長(zhǎng)的LED結(jié)合為單個(gè)同質(zhì) 源進(jìn)行。傳統(tǒng)上，這種方法已使用三種不同顏色的LED來(lái)實(shí)現(xiàn)白光， 所述三種顏色LED通常是紅、綠和藍(lán)光LED。然而，傳統(tǒng)的光學(xué)方法 沒(méi)有通過(guò)使用這樣的RGB光源產(chǎn)生長(zhǎng)方形或正方形均勻光源。具有通 過(guò)結(jié)合三種以上LED波長(zhǎng)而產(chǎn)生光源的裝置是有利的。另外，具有能 產(chǎn)生光源色度可調(diào)節(jié)的光源的裝置是有用的。

發(fā)明內(nèi)容
18在此描述的光學(xué)歧管實(shí)施例提供將多個(gè)LED或其它光源輸出有 效結(jié)合為單一輸出的能力，所述光學(xué)歧管實(shí)質(zhì)上是可由介質(zhì)材料制成 的、同質(zhì)的、小的、有成本效益的管殼。光學(xué)歧管可用于結(jié)合多個(gè)相
同顏色LED的輸出以提供高通量和高強(qiáng)度輸出光束，或者可用于產(chǎn)生 多波長(zhǎng)光束。例如，紅、綠和藍(lán)光LED可被結(jié)合以實(shí)現(xiàn)"白光"輸出。 所公開(kāi)的實(shí)施例還使用單一 LED或多個(gè)LED以及布置在遠(yuǎn)處的磷光體 涂層，使得反向散射光致發(fā)光被再循環(huán)到輸出。光學(xué)歧管使用非成像 光學(xué)的原理，其被設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)質(zhì)上減輕LED發(fā)射表面上的亮度變化，并 提供實(shí)質(zhì)上均勻的光源。此外，這些光學(xué)歧管可用于使用正方形形狀 的LED產(chǎn)生多種非正方形形狀的光源，包括長(zhǎng)方形和非對(duì)稱(chēng)高通量光 源。這些高通源可用于許多應(yīng)用，如固態(tài)照明汽車(chē)前燈。例如，對(duì)于 該應(yīng)用，希望具有長(zhǎng)寬比為4: l的、均勻、長(zhǎng)方形、基于LED的光 源。這可以使用在此描述的光學(xué)歧管實(shí)現(xiàn)。 一般意義上的固態(tài)照明及 具體的發(fā)光二極管，受益于在此描述的光學(xué)變換器，可發(fā)現(xiàn)新的應(yīng)用。 例如，為提供白光LED，公開(kāi)了用于將一個(gè)或多個(gè)藍(lán)光芯片的光傳送 到空間上分開(kāi)的磷光體的光學(xué)系統(tǒng)。于是，這樣的磷光體目標(biāo)可以與 分開(kāi)的芯片的結(jié)合區(qū)一樣小，從而使亮度最大化。磷光體層位于足夠 遠(yuǎn)從而不受LED本身溫度變化的影響。
在此描述的光學(xué)變換器總體上涉及使用非成像光學(xué)的原理、因新 型光學(xué)歧管的出現(xiàn)而滿足上述照明工程需要。非成像光學(xué)的邊緣光線 原理提出源光束擴(kuò)展量最小增長(zhǎng)的表面，非成像光學(xué)的中心量。光束 擴(kuò)展量是源面積As和源的輸出的投影立體角的積乘以包圍源的光學(xué) 介質(zhì)的折射率n的平方
五=sin2 P
其中e是立體圓錐角的偏位角，立體圓錐角等價(jià)于源的輻射圖。
散射Lambertian發(fā)射到2 II球面度由e 二 90°表示。該散射輸出 是LED芯片自身的發(fā)射的特征。理想的光學(xué)系統(tǒng)光束擴(kuò)展量守恒，從而理想的準(zhǔn)直管的擴(kuò)大的輸 出面積導(dǎo)致窄射束角內(nèi)的高強(qiáng)度，而日光聚光器的焦斑的小尺寸導(dǎo)致 自其寬射束角有效增加的通量。
在此描述的光學(xué)變換器提供新型的光學(xué)歧管，其提供平行光束的 光束擴(kuò)展量有限的光照、多個(gè)光源的光束擴(kuò)展量有限的結(jié)合、及光束 擴(kuò)展量有限的磷光體利用。通過(guò)在此描述的光學(xué)變換器而有效地實(shí)現(xiàn) 這些重要的任務(wù)標(biāo)志著LED發(fā)展的新階段。例如，除磷光體以外的其 它光致發(fā)光材料也可與在此描述的光學(xué)變換器一起使用，其較直接布
置在LED上更容易，所述光致發(fā)光材料如光致發(fā)光半導(dǎo)體AIInGaP。
在此公開(kāi)的一些實(shí)施例僅利用全內(nèi)反射，因而不需要在其表面施 加金屬反射體涂層。另一些實(shí)施例包括注模分部，這些分部可組合為 完整的歧管以從幾個(gè)較小尺寸的LED芯片的發(fā)射產(chǎn)生大的"虛擬芯 片"。虛擬芯片較實(shí)際芯片具有更好的亮度和顏色均勻性，并可用有 效限制的角輸出進(jìn)行配置。同樣，受控制的非均勻性可與所述角限制 一起進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得通過(guò)將投影透鏡的焦面放在歧管輸出上而滿足強(qiáng) 度規(guī)定。
光程的可逆性使得在此公開(kāi)的實(shí)施例可同樣用于通過(guò)將大的源 轉(zhuǎn)換為幾個(gè)較小的源而使其分散，與用單一 LED照明汽車(chē)儀表板上的 多個(gè)儀器儀表一樣。使用在此描述的光學(xué)變換器，很容易獲得備用 LED,其也支持儀表板的光學(xué)歧管。


為更完整地理解本發(fā)明，參考下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，其中 圖1A為具有相鄰復(fù)合拋物線聚光器(CPC)反射器的薄膜LED的 截面圖。
圖IB為圖1A中的上部發(fā)射LED的放大截面圖，其漫反射器與活 性外延層接觸。
圖2A為與10°填充電介質(zhì)的CPC光接觸進(jìn)行浸入的薄膜LED的 截面圖，其示出了CPC的底部。圖2B為圖2A的填充電介質(zhì)的CPC的底部的截面圖，其示出了全 部10°電介質(zhì)CPC。
圖2C為組合圖2A和2B中所示的截面的光學(xué)歧管的截面圖，包 括用于高效率光引出的高折射率CPC和用于校準(zhǔn)的低折射率CPC。
圖2D為圖2C中部分示出的整個(gè)CPC的截面圖。
圖3A為浸入小半球的薄膜LED的截面圖。
圖3B為浸入最小可能的球形透鏡的薄膜LED的截面圖。
圖3C為浸入電路板上的典型結(jié)構(gòu)團(tuán)的薄膜LED的截面圖。
圖4A為兩個(gè)薄膜LED和棱鏡耦合器的截面圖。
圖4B為利用圖4A中所示的棱鏡耦合器的光學(xué)歧管的截面圖，包 括兩個(gè)浸入在較小的CPC中的薄膜LED,每一薄膜LED均帶有棱鏡耦 合器，還包括大的CPC。
圖5為用于兩個(gè)LED的反射光學(xué)歧管反射器的截面圖，每一 LED 具有饋入單一、更大的矩形CPC的CPC，其提供輸出。
圖6A為2:1電介質(zhì)光耦合器的截面圖。
圖6B為與圖6A類(lèi)似的電介質(zhì)耦合器的截面圖，其還包括混合棒。 圖6C為具有CPC輸入的混合光學(xué)歧管及在空氣中具有角度受限 的輸出的錐形體的截面圖。
圖6D為包括錐形體或特制反射鏡和復(fù)合透鏡的光學(xué)歧管的截面圖。
圖6E為與圖6E類(lèi)似的結(jié)構(gòu)的截面圖，但使用復(fù)合菲涅耳透鏡。 圖6F為包括復(fù)合TIR透鏡的光耦合器的截面圖。 圖6G為使用多個(gè)(如55個(gè))圓形對(duì)稱(chēng)透鏡的六邊形平鋪光學(xué)歧 管的的平面圖，其可用如圖6A-6F例示的任何透鏡實(shí)施。 圖6H為復(fù)合TIR透鏡輸入側(cè)的透視圖。 圖61為圖6H的復(fù)合T工R透鏡的輸出側(cè)的透視圖。 圖7A為光束擴(kuò)展量有限的通量從圓頂LED傳入空氣中的圖象的
21圖7B為另一光束擴(kuò)展量有限的通量從圓頂LED傳入空氣中的圖
圖7C為另一光束擴(kuò)展量有限的通量從圓頂LED傳入空氣中的圖
圖7D為具有二向色濾光片的雙準(zhǔn)直透鏡的側(cè)視圖，還包括涂覆 磷光體的表面。
圖7E為另一具有二向色濾光片的雙準(zhǔn)直透鏡的側(cè)視圖，也包括 涂覆磷光體的表面。
圖7F為另一具有二向色濾光片的雙準(zhǔn)直透鏡的側(cè)視圖，包括離 軸LED和離軸磷光體系統(tǒng)。
圖7G為另一具有二向色濾光片的雙準(zhǔn)直透鏡的側(cè)視圖，包括離 軸LED三合一陣列和離軸磷光體三合一陣列系統(tǒng)。
圖7H為與離軸LED和磷光體系統(tǒng)一起使用的另一雙準(zhǔn)直透鏡的
圖71為具有遠(yuǎn)程磷光體的交叉CEC的截面圖。
圖8A為包括多個(gè)按2x2:1結(jié)構(gòu)布置的正方形CPC的光學(xué)歧管的
圖8B為包括2x2:1結(jié)構(gòu)正方形CPC的光學(xué)歧管的端視圖。
圖9A為用于8個(gè)LED和2:1矩形輸出的2x4:1光學(xué)歧管的側(cè)視 圖，還包括混合棒。
圖9B為另一用于8個(gè)LED和2:1矩形輸出的2x4:1光學(xué)歧管的 側(cè)視圖，還包括混合棒。
圖10A為4x4光學(xué)歧管輸入側(cè)的透視圖，其通過(guò)藍(lán)通濾光片饋給 16個(gè)藍(lán)光LED的輸出。
圖10B為圖10A的歧管從輸出側(cè)的透視圖，其中藍(lán)通后的光被聚 光在高度均勻磷光體小片上。
圖10C為磷光體、單片陶瓷、光學(xué)連接到CPC的特寫(xiě)分解透視圖。
圖IOD為圖10A的光學(xué)歧管的透視圖中的射線跟蹤，其示出了磷 光體的光輸出怎樣由濾光片返回，大大增加了磷光體效率和亮度。圖IOE為在圖IOA的光學(xué)歧管中安裝在綠光磷光體上面的紅光半 導(dǎo)體的分解透視圖。
圖IOF為由紅光和藍(lán)光LED饋給的歧管，還包括涂覆磷光體的表面。
圖10G為由紅光和藍(lán)光LED饋給的歧管的磷光體端的另 一 圖。 圖IOH為單片陶瓷浸入于其中的電介質(zhì)圓頂?shù)奶貙?xiě)分解圖，還包 括涂覆磷光體的表面。
圖101為從另一視角的特寫(xiě)分解圖，其示出接收磷光體的圓頂缺□。
圖IIA為自藍(lán)光LED的光輸出的光譜圖，還包括傳輸曲線。 圖IIB為黃光磷光體的吸收和發(fā)射光譜的曲線圖，還包括藍(lán)通濾 光片的傳輸曲線。
圖IIC為綠光磷光體的吸收和發(fā)射光譜曲線圖，還包括紅通濾光
片的傳輸曲線。
圖12為角壓縮器的截面圖。
圖13A為包括角轉(zhuǎn)向器的現(xiàn)有技術(shù)的圖。
圖13B為圖13A中所示的現(xiàn)有技術(shù)的射線跟蹤。
圖13C為光學(xué)歧管的角旋轉(zhuǎn)器的截面圖。
圖13D為與圖13C類(lèi)似的角旋轉(zhuǎn)器的另一實(shí)施例。
圖13E為圖13D中所示的角旋轉(zhuǎn)器的射線跟蹤。
圖14為包括兩個(gè)經(jīng)修改的角旋轉(zhuǎn)器的光源移動(dòng)器(shifter)的
截面圖。
圖15A為半寬度光源移動(dòng)器的截面圖。 圖15B為全寬度光源移動(dòng)器的截面圖。
圖15C示出了可怎樣改變光源移動(dòng)器的幾何形狀以使能進(jìn)行不 同的橫向光位移。
圖16為光源絞扭器的截面圖。 圖17為2:1光學(xué)歧管的截面圖。
圖18為具有類(lèi)似于圖17的外形的矩形2:1光學(xué)歧管的透視圖。
23圖19為具有類(lèi)似于圖17的外形的正方形1:2光學(xué)歧管的透視圖。
圖20A為具有不同輸入顏色的3:1光學(xué)歧管的截面圖。 圖20B為圖20A的3:1光學(xué)歧管的另一實(shí)施例，LED之間的間隔 更大。
圖21為具有共面輸入的4:1光學(xué)歧管的截面圖，每一輸入具有 一個(gè)角旋轉(zhuǎn)器。
圖22為另一具有共面輸入的4:1光學(xué)歧管的截面圖，每一輸入
具有兩個(gè)角旋轉(zhuǎn)器。
圖23為4"光學(xué)歧管的另一實(shí)施例的截面圖，具有用于浸入的
輸入的角壓縮器。
圖24為按大約圓弧形狀布置的光學(xué)歧管的截面圖。
圖25為降低半徑的弧上的光學(xué)歧管的截面圖。
圖26A為具有中間角旋轉(zhuǎn)器的2x2:1光學(xué)歧管的透視圖。
圖26B為具有圖26A中所示中間角旋轉(zhuǎn)器的2x2:1光學(xué)歧管的透視圖。
圖26C為更公然分支的2x2:1歧管的視圖。 圖26D為3x3:1歧管的視圖。 圖27A為4x4:1分支的光學(xué)歧管的透視圖。 圖27B為圖27A中所示的4x4:1分支的光學(xué)歧管從另一角度看的 透視圖。
圖28A為4x4:1絞扭分支光學(xué)歧管的透視圖。 圖28B為圖28A中所示的4x4:1絞扭分支光學(xué)歧管從另一角度觀 看的透視圖。
圖29為任意分支的光學(xué)歧管的另一實(shí)施例的透視圖。 圖30為亮度移動(dòng)器的透視圖。
圖31A為定義單片光束擴(kuò)展量擠壓器(etendue-squeezer)的光 學(xué)歧管的另一實(shí)施例的分解透視圖。
24圖31B為圖31A的分解圖中所示的單片光束擴(kuò)展量擠壓器合成后 的透視圖。
圖31C為圖31A和31B中所示的單片光束擴(kuò)展量擠壓器的另一透 視圖。
圖32為單片9:1光束擴(kuò)展量擠壓器的透視圖。 圖33A為具有光學(xué)無(wú)活性表面的亮度傳輸管道的截面圖。 圖33B為與圖33A實(shí)施例類(lèi)似的角旋轉(zhuǎn)亮度管道的截面圖。 圖34為具有對(duì)稱(chēng)放置的端口的角旋轉(zhuǎn)亮度管道的截面圖。 圖35為具有無(wú)活性表面的4:1管道的截面圖。 圖36為具有兩個(gè)無(wú)活性表面的雙向?qū)ΨQ(chēng)管道的截面圖。 圖37A為合成系統(tǒng)的截面圖，其包括四個(gè)具有圖35結(jié)構(gòu)的結(jié)合 管道。
圖37B為另一合成系統(tǒng)中的光學(xué)歧管的另一實(shí)施例的截面圖。 圖37C為合成系統(tǒng)中光學(xué)歧管的另一實(shí)施例的截面圖，還包括涂 覆磷光體的表面。
圖38A為照明另一 CPC的電介質(zhì)CPC的截面圖。 圖38B為圖38A的另一結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖39A為包括電介質(zhì)CPC的另一光學(xué)歧管的截面圖，其示出了以 90°連接兩個(gè)CPC的缺點(diǎn)。
圖39B為包括兩個(gè)如圖39A中那樣的電介質(zhì)CPC的另一光學(xué)歧管 的截面圖，其示出了氣隙怎樣防止射線漏出。
圖40為利用磷光體反向發(fā)射的交替結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖41為如圖40那樣的另一交替結(jié)構(gòu)的截面圖，還包括涂覆磷光 體的表面。
圖42為圖41的另一交替結(jié)構(gòu)的截面圖，還包括涂覆磷光體的表面。
圖43為圖42的自由空間版的截面圖，還包括涂覆磷光體的表面。 圖44為將組合器添加到圖43的交替結(jié)構(gòu)的截面圖，還包括涂覆 磷光體的表面。圖45為交替結(jié)構(gòu)的截面圖，其包括帶有一個(gè)光源(不是三個(gè)) 的折射輸出區(qū)的正交三色自由空間組合器，以提供多波長(zhǎng)輸出。
圖46為交替結(jié)構(gòu)的截面圖，其包括如圖45中的正交組合器以提
供多波長(zhǎng)輸出，但具有四棱鏡濾光片結(jié)構(gòu)。
圖47為提供多波長(zhǎng)輸出的交替結(jié)構(gòu)的截面圖，其包括具有窄角 輸出的正交棱鏡組合器。
圖48為示出具有窄角輸出的平行三色組合器的交替結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖49為包括具有輸出區(qū)n倍于一輸入的自由空間平行組合器的 交替結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖50為可用于結(jié)合多個(gè)不同顏色LED以提供多波長(zhǎng)光輸出的交 替結(jié)構(gòu)的截面圖，包括具有兩個(gè)橫向CPC的棱鏡組合器。
圖51A為包括具有三個(gè)平行布置的橫向CPC的棱鏡組合器的交替 結(jié)構(gòu)的截面圖，以結(jié)合光并提供多波長(zhǎng)光輸出。
圖51B為歧管的截面圖，其使用不同顏色的LED和涂覆磷光體的 表面產(chǎn)生多波長(zhǎng)輸出。
圖51C為歧管的交替結(jié)構(gòu)的截面圖，其使用不同顏色的LED和涂 覆磷光體的表面產(chǎn)生多波長(zhǎng)輸出。
圖52為包括兩倍寬度亮度移動(dòng)器的光學(xué)歧管的交替結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖53A為三重光學(xué)歧管的平面圖。 圖53B為圖53A的三重光學(xué)歧管的側(cè)視圖。 圖54A為從圖53A和53B的歧管發(fā)射的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度的等值線圖。 圖54B為從圖53A和53B的歧管發(fā)射的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度圖的中心水平和 垂直面。
圖55為來(lái)自圖53A和53B的歧管的輸出面的空間輸出的等值線圖。
圖56A為三重光學(xué)歧管的另一實(shí)施例的透視圖，連同電路板上的 三個(gè)輸入LED。圖56B為圖56A的光學(xué)歧管的透視圖，還包括自由形態(tài)射束成形透鏡。
圖56C為圖56B的光學(xué)歧管和射束成形透鏡的透視圖，以及其照 在射束成形反射器上的輸出的射線跟蹤。
圖57為包括四個(gè)如圖56C中所示結(jié)構(gòu)的透視圖，例如形成完成 指示的汽車(chē)燈。
圖58A為用于產(chǎn)生射束亮度圖形狀的出口孔的非對(duì)稱(chēng)歧管的透
視圖，其符合汽車(chē)前燈照明要求。
圖58B為圖58A的非對(duì)稱(chēng)歧管的另一透視圖。
圖59示出了交叉CPC的結(jié)構(gòu)。
圖60A為交叉CPC遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖60B示出了離開(kāi)交叉CPC遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)的射線。
圖61為邊角射線怎樣超出接收?qǐng)A圈的方向-空間圖。
圖62A為能流數(shù)學(xué)圖。
圖62B為能流的波長(zhǎng)組成。
圖62C為遠(yuǎn)程磷光體性能曲線。
圖63A為具有圓形CPC的4:1遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)。
圖63B為圖63A的遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)的另一圖。
圖64A為遮蔽白光、亮度增加的遠(yuǎn)程磷光體的截面圖。
圖64B為圖64A的遠(yuǎn)程磷光體的立體圖。
圖65A為具有分開(kāi)的藍(lán)光和黃光輸出的遠(yuǎn)程磷光體。
圖65B為具有白光輸出的遠(yuǎn)程磷光體。
圖65C為遠(yuǎn)程磷光體的變體，其中LED和磷光體共面。
圖65D為遠(yuǎn)程磷光體的變體，其中LED和磷光體共面且具有分開(kāi)
的藍(lán)光和黃光輸出。
圖65E為遠(yuǎn)程磷光體的變體，其中LED和磷光體片共面且具有白
光輸出。
圖66A為圖65A、 65B和65D的濾譜器特性。
圖66B為圖65A、 65B和65D的另一濾譜器特性。
27圖66C為圖65C的濾譜器特性。
圖66D為圖65E的濾譜器特性。
圖67為實(shí)際濾光片的光譜透射率的圖。
圖68A為10。正方形CPC饋給15。正方形CPC的圖。
圖68B為長(zhǎng)方形交叉CPC的圖。
圖69A為具有冷卻的共面LED和磷光體片的遠(yuǎn)程磷光體，其具有 重合但失配的藍(lán)光和黃光輸出。
圖69B為具有補(bǔ)償漫射體的遠(yuǎn)程磷光體。
圖69C為具有較小輸出反射鏡的遠(yuǎn)程磷光體。
圖70為具有空間及角度重合的藍(lán)光和黃光輸出的非再循環(huán)遠(yuǎn)程 磷光體系統(tǒng)。
圖71為具有16個(gè)藍(lán)光LED和4個(gè)磷光體的遠(yuǎn)程磷光體，所有
LED和磷光體均共面，產(chǎn)生空間和角度一致的聚合白光輸出光束。 圖72A和圖72B為具有錐形及透鏡而不是大的電介質(zhì)CPC的遠(yuǎn)程
磷光體的立體圖。
圖73A為側(cè)向發(fā)射遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)的截面圖，其中LED和磷光體
片大約位于同一軸上。
圖73B為具有空間上分開(kāi)的連續(xù)短和長(zhǎng)波輸出端口的遠(yuǎn)程磷光
體系統(tǒng)的截面圖。
圖73C為圖73A的側(cè)向發(fā)射遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)的另一實(shí)施例。 圖74為T(mén)形遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)，其白光輸出的色溫可控。 圖75示出了類(lèi)似的系統(tǒng)，但LED和磷光體片在同一平面內(nèi)。 圖76為圖75的另一實(shí)施例，其中兩個(gè)LED和磷光體片在同一平面內(nèi)。
圖77為使用圖75教示的原理并具有八個(gè)藍(lán)光LED和四個(gè)磷光體 片的遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)的立體圖。
圖78為具有可調(diào)色溫的、使用兩個(gè)藍(lán)光LED的遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng) 的截面圖。圖79為具有可調(diào)色溫的、使用部分再循環(huán)的黃光的遠(yuǎn)程磷光體 系統(tǒng)的截面圖。
圖80為同樣遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)的變體的截面圖。 在幾個(gè)圖中，同一附圖標(biāo)記指同一組件。
CEC CPC
交叉CPC 二向色濾光片 LED的圓頂 邊緣光線原理
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明將在下面結(jié)合附圖進(jìn)行描述，其中同一附圖標(biāo)記代表相同 或相似的元件。
術(shù)語(yǔ)和縮寫(xiě)詞表
下述術(shù)語(yǔ)和縮寫(xiě)詞用于具體實(shí)施方式
的整個(gè)描述中
角旋轉(zhuǎn)器 將亮度從一平面?zhèn)魉偷搅硪粌A斜于第一平面的設(shè)備 復(fù)合橢圓形聚光器 復(fù)合拋物線形聚光器
在兩個(gè)正交方向具有二維CPC外形的三維結(jié)構(gòu) 具有兩個(gè)不同的傳輸峰值的濾光片 由透明介質(zhì)材料制成的、近似球狀的LED罩 非成像光學(xué)的基本原理，藉此來(lái)自孔邊緣的規(guī)定的光 線集被保證傳送到另一孔的邊緣，但第一孔不被成像 在第二孔上
熵的光學(xué)表示，定義為源面積A,和源的輸出的投影立 體角的積乘以包圍源的光學(xué)介質(zhì)的折射率n的平方 銦錫氧化物
發(fā)光二極管，將低壓直流轉(zhuǎn)換為窄的光譜帶中的光的 直流轉(zhuǎn)換器
20世紀(jì)的新語(yǔ)，代替19世紀(jì)使用的"發(fā)光體"，用 以描述光源及功能上相關(guān)的光控制裝置，如反射器或 燈罩
將亮度傳送到不同橫向坐標(biāo)的設(shè)備 數(shù)值孔徑
光束擴(kuò)展j
ITO LED
照明器
亮度移動(dòng)器 NA磷光體 響應(yīng)于外部激發(fā)而發(fā)光的光致發(fā)光材料，通常在激發(fā)
中止后仍繼續(xù)
磷光體片 具有給定大小和形狀并包含磷光體的構(gòu)件。其可包括
磷光體或分布在密封劑如硅酮液中的磷光體。磷光體 片也可制造為合成材料，其中磷光體層(具有或沒(méi)有 密封劑)在批量生產(chǎn)過(guò)程中沉積在適當(dāng)?shù)耐该饕r底 上，如片或薄膜
PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯，透明丙烯酸塑料的聚合物成分
RIIR透鏡 具有指定順序的折射(R)和內(nèi)部反射(I)表面的透
鏡系統(tǒng)
SMS 產(chǎn)生雙表面光學(xué)設(shè)備的光學(xué)設(shè)計(jì)方法，所述光學(xué)設(shè)備
將兩個(gè)指定的輸入波前變換為兩個(gè)指定的輸出波前，
如美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/269,479、 10/880,386和美國(guó)專(zhuān) 利6， 639， 733、 6， 867， 929中公開(kāi)的那樣
薄膜LED 包括非常薄的層且從其頂面發(fā)射其幾乎100%的放射
線的LED
TIR 全內(nèi)反射
波前 傳播電磁場(chǎng)中的固定相表面
概述
為說(shuō)明的目的，"光學(xué)歧管"類(lèi)似于引擎的排氣歧管。在光學(xué)歧 管中，提供了多個(gè)通道，其或?qū)⒍鄠€(gè)光輸出結(jié)合為單一輸出，或?qū)?一輸出跨空間分配。該術(shù)語(yǔ)可指光纖扇入和扇出設(shè)備，如Simmons等 人的美國(guó)專(zhuān)利6， 850， 684、 6， 847， 774、 6,832,032、 6， 655， 848、 6，556，754和6，549，710中所公開(kāi)的。這種多輸入、多輸出功能是不 同于照明的有效分布的信息任務(wù)。在光纖說(shuō)法中，這樣的分布有時(shí)稱(chēng) 為"扇入"和"扇出"，表示將幾個(gè)光程連接為一個(gè)。
.當(dāng)考慮可逆性時(shí)，"扇入"和"扇出"之間的區(qū)別非常重要。也 就是說(shuō)， 一些這樣的光纖設(shè)備在功能上不能互換，因?yàn)樵诜聪蚬獬躺?br> 30的一些光可能散開(kāi)并在內(nèi)部損耗。然而，具有能可逆?zhèn)魉凸獾南到y(tǒng)是 有利的，從而其實(shí)施可用于兩個(gè)方向。因而，在此描述的光學(xué)歧管的 實(shí)施例可用于兩種光分布從高功率源到應(yīng)用的多點(diǎn)及將許多源光結(jié) 合為一個(gè)大的、與其輸入源具有相同亮度的合成源。
術(shù)語(yǔ)"光學(xué)歧管"已由Campbell等人用在美國(guó)專(zhuān)利4， 362， 361 中，但在那里該術(shù)語(yǔ)指部分反射涂層，當(dāng)其在板內(nèi)挖通道時(shí)其重復(fù)允 許小部分激光束逃避反射，從而多個(gè)光束被合成一個(gè)光束。這種使用 不同于傳統(tǒng)意義上的使用，因?yàn)?光學(xué)歧管"現(xiàn)在指分支多對(duì)一光程。
美國(guó)專(zhuān)利6, 186， 650公開(kāi)了分支光波導(dǎo)的"光學(xué)歧管"，并說(shuō)明 了幾個(gè)實(shí)施例。然而，可以認(rèn)為這些結(jié)構(gòu)的實(shí)際光線跟蹤有相當(dāng)?shù)姆?散，如該專(zhuān)利的圖19A和圖19B所示。此外，可以相信，該現(xiàn)有技術(shù) 的光束擴(kuò)展量不守恒，其輸出大大弱于輸入。這是因?yàn)槎丝诘呐煞?形的終端將導(dǎo)致在那里導(dǎo)向的光的大部分將向后反射。
光束擴(kuò)展量，與熵類(lèi)似，是光學(xué)無(wú)序的度量，其基本上等于空間 范圍和角范圍的積。增加光的光束擴(kuò)展量可被認(rèn)為是將功變?yōu)閺U熱的 光學(xué)等價(jià)行為，其中光學(xué)功是發(fā)光亮度，廢熱是該光的無(wú)用分散。一 旦不可避免的反射和散射被引起時(shí)，"光束擴(kuò)展量受限的"光學(xué)設(shè)備 以幾乎最初的亮度傳送光。在此描述的光學(xué)變換器是光束擴(kuò)展量受限 的變換器，因?yàn)檩斎朊娣e-角乘積被保留用于通過(guò)其的光。在此描述 的光學(xué)變換器的一些實(shí)施例從多個(gè)源接收光以產(chǎn)生大的、高度均勻的 合成源，其將證明在照明領(lǐng)域中非常有用。其它實(shí)施例將形成分布式 照明系統(tǒng)，如車(chē)輛儀表板，其既保持光度又保持光束擴(kuò)展量，使得在 完成照明任務(wù)時(shí)只需要較少的LED光源。
光束擴(kuò)展量受限的光學(xué)元件的一個(gè)例子是復(fù)合拋物線形聚光器 (CPC)，由Winston在美國(guó)專(zhuān)利4， 002， 499中公開(kāi)。另一例子是復(fù) 合橢圓形聚光器(CEC)，由Winston在美國(guó)專(zhuān)利3， 957， 031中公開(kāi)。 這兩種聚光器均可用作在此描述的光學(xué)變換器的構(gòu)件。最近的例子是 Fein在美國(guó)專(zhuān)利6， 819， 687中公開(kāi)的角轉(zhuǎn)向元件，其僅在角度在臨 界角之下時(shí)才是光束擴(kuò)展量有限的(NA〈1)。設(shè)計(jì)來(lái)與光纖照度的角
31限制一起使用，該設(shè)備具有非常大的局限性，而在此描述的光學(xué)變換 器的、與其外表類(lèi)似但幾何結(jié)構(gòu)不同的角轉(zhuǎn)向部件遠(yuǎn)優(yōu)勝過(guò)該設(shè)備。
Fein的設(shè)備為NA二O. 5范圍的光纖照度，從而當(dāng)光在NA二1中時(shí)，光 將漏出該設(shè)備(NA二1是在此描述的光學(xué)變換器的范圍。)在此描述 的光學(xué)變換器具有NA二1的范圍，因?yàn)檫@使其能夠傳送四倍于酷=0.5 系統(tǒng)如Fein的系統(tǒng)的輻照度。Fein的設(shè)備的另一局限在于其設(shè)計(jì)極 限是NA4，因?yàn)槠渲饕獞?yīng)用是生物醫(yī)學(xué)設(shè)置中的直角轉(zhuǎn)向，對(duì)此， 在NA^0.5時(shí)使用兩個(gè)45。旋轉(zhuǎn)器。相反，在此描述的光學(xué)變換器的 實(shí)施例的角旋轉(zhuǎn)部件在N=l的任何轉(zhuǎn)向角其傳送的光具有非常小的 漏光，從而在此說(shuō)明的90°角旋轉(zhuǎn)器很容易擴(kuò)展到包括適于螺旋形 結(jié)構(gòu)的360°設(shè)備，如果這樣的新需求出現(xiàn)的話。這種靈活性使在此 描述的光學(xué)變換器實(shí)施例能夠用于跨光結(jié)合和光分布的整個(gè)應(yīng)用，且 具有最大通量，某些東西仍由現(xiàn)有技術(shù)完成。這種靈活性還由在此描 述的光學(xué)歧管的實(shí)施例例證，其包括兩個(gè)相對(duì)的、用作亮度移動(dòng)器的 角旋轉(zhuǎn)器，系統(tǒng)的另一有用的元件可任意分支分布式照明的圖案。
在此提供的另一改進(jìn)涉及光學(xué)變換器的可制造性。在現(xiàn)有技術(shù) 中，如Fein例示的技術(shù)，所有表面必須旋光作用在所述光學(xué)角轉(zhuǎn)向 設(shè)備上。這使其很難在不損害旋光作用表面的情況下具有注入點(diǎn)。在 此描述的光學(xué)變換器通過(guò)沿設(shè)備的長(zhǎng)度方向提供無(wú)旋光表面而克服 了該問(wèn)題，所述無(wú)旋光表面可用于注入點(diǎn)。無(wú)旋光表面可用作保持設(shè) 備的手段，且它們可自由地修改為各種形狀，而不會(huì)影響設(shè)備的旋光 表面的形狀。無(wú)旋光表面由角旋轉(zhuǎn)器內(nèi)的光線分布圖故意產(chǎn)生，提供 與光場(chǎng)的無(wú)相互作用包封，在其內(nèi)可制造無(wú)損附屬裝置。
描述
通過(guò)參考下面對(duì)本發(fā)明及附圖的詳細(xì)描述可更好地理解在此描 述的光學(xué)變換器的特征和優(yōu)點(diǎn)。下面的描述提出了其中使用本發(fā)明原 理的例證性實(shí)施例。在此描述的光學(xué)歧管從多個(gè)固態(tài)源接收光并將其結(jié)合為具有和 輸入總和一樣的光束擴(kuò)展量的、單一虛擬源輸出。當(dāng)光源具有不同的 主波長(zhǎng)時(shí)，輸出光具有其比色混合物的色度。由于光的可逆性，同樣 形狀的歧管可用于將來(lái)自單一大固態(tài)光源的光在在多個(gè)虛擬源之間 分散。
具體地，兩種固態(tài)光源用于在此描述的光學(xué)變換器薄LED和圓 頂封裝的高功率LED。它們的封裝幾何結(jié)構(gòu)意味著不同的注入裝置結(jié) 構(gòu)用于在此描述的光學(xué)變換器。現(xiàn)有技術(shù)包括幾種類(lèi)型的注入器裝
置，包括CPC和浸沒(méi)透鏡，以及傳統(tǒng)的圓頂封裝。
圖1A為包括薄膜式LED10的光學(xué)歧管的截面圖，LED10包括發(fā) 光層11、反射裝置12和窗口 13。 LED10嵌入在保護(hù)性透明環(huán)氧樹(shù)脂 或凝膠14中。所述凝膠的例子為馬薩諸塞州Fairhaven的Nye Optical Products生產(chǎn)的Nyogel 0C431A，其具有1. 46的折射率及 使其保持在適當(dāng)位置的觸變粘度。外部的CPC反射器15準(zhǔn)確地位于 環(huán)氧樹(shù)脂14的表面上，從而其正好跨在LED10上方的窗口 13上，通 常為1mm的跨越。在此描述的光學(xué)歧管的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于其允許較大
(或多個(gè))LED的更有效的冷卻。冷卻較大或多個(gè)芯片的困難在于在 此描述的光學(xué)變換器的動(dòng)機(jī)之一。(電氣和熱量排除裝置未示出。) 薄膜式LED，如圖1A中所示的LED10，從器件的上表面發(fā)射其幾 乎100%輸出通量。這樣的器件已在實(shí)驗(yàn)室中制造出來(lái)，并已為公眾 所知，如德國(guó)Regensburg的OSRAM半導(dǎo)體公司，其在2005年年中已 開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)紅、黃、綠、藍(lán)LED。目前，加利福尼亞州San Jose 的0SRAM公司提出了多種薄膜式發(fā)射器技術(shù)，包括磷化銦鎵鋁
(INGaAIP)和氮化銦鎵(InGaN) 。 0SRAM半導(dǎo)體公司迄今為止示出 的所有發(fā)射體系結(jié)構(gòu)均在其上表面上使用絲焊。目前這些器件中的發(fā) 射層厚度在O. l微米級(jí)且整個(gè)芯片深度在2-5微米。因此，自這些器 件的側(cè)向發(fā)射非常小，從而它們可理想地適于用于本發(fā)明的許多實(shí)施圖1A還示出了發(fā)射邊緣射線16的源點(diǎn)lls，其正好通過(guò)CPC15
的上邊緣。同樣還示出了水平發(fā)射的邊緣射線17e，從而截接反射器 15的底部，其從底部反射入射線17r中，之后其正好通過(guò)CPC15的 上邊緣。所示為45°設(shè)計(jì)角。其應(yīng)用于直接射線16和反射線17r。 雙箭頭18指由CPC15產(chǎn)生的虛擬源的寬度。該寬度為發(fā)射層11的寬 度的1/sin 45°倍，從而保持光束擴(kuò)展量。
盡管圖1A所示CPC15為中空金屬反射器，其也可填充以電介質(zhì) 如鑄入環(huán)氧樹(shù)脂。如果45°設(shè)計(jì)角被稍微降低到臨界角(40。 )， CPC 將變?yōu)槁愿哂?5。設(shè)計(jì)角的情形，因跨CPC15頂部的平面大氣干擾， 極端射線16和17r將被折射到水平方向。這樣的填充的CPC將以等 于透明填充材料的折射率的橫向放大率使LED與空氣連接。(面積增 加n2因子。)對(duì)于更大的放大率，需要更窄的設(shè)計(jì)角。當(dāng)該角度降低 到時(shí)10° ，由于全內(nèi)反射足夠，將無(wú)需反射器15，如圖2中所示。
Berg和Saul的美國(guó)專(zhuān)利3， 739, 217示教了從高折射率體內(nèi)引出 光可通過(guò)使高折射率層的前發(fā)射表面或后表面粗糙而得以增加，該粗 糙后的后表面與反射層相接。然而，Berg等的專(zhuān)利既未指出反射器 材料也未指明反射器是否應(yīng)與高折射率體的所有表面直接接觸。Berg 等的專(zhuān)利似乎在圖2和3中指示在圖示的體和后反射器之間有氣隙。
圖1B為圖1A的LED10的放大圖，其示出發(fā)射層11包括位于中 間的薄活性層lla (大約0. 1微米)、在其上部的InGaN層llu、和 在其下部的層llb。窗口13具有傾斜角13w以防止光漏出。圖1B還 示出了提高上發(fā)射LED (或主要采取上發(fā)射的LED)的發(fā)光引出效率 的方法，其中導(dǎo)電反射層12還用于向外延層11供電，由此其為直接 接觸。粗糙表面lli為接觸表面。所述粗糙化可通過(guò)化學(xué)刻蝕或其它 公知方法在外延層U上進(jìn)行。 一旦外延層被粗糙化，反射層12可通 過(guò)真空、濺射或其它沉積方法沉積于其上。
反射層12的材料特性必須準(zhǔn)確地指定以與外延層的特性匹配。 例如，當(dāng)需要導(dǎo)電反射層的情況下，金屬材料是最佳選擇，但其折射 率必須具有適當(dāng)?shù)膹?fù)值以獲得高漫反射率。例如，對(duì)于使用GalnN或
34GaN外延層的藍(lán)光LED, GalnN和GaN的可見(jiàn)波長(zhǎng)折射率為約2. 54。 計(jì)算這樣的金屬層的反射率包括在費(fèi)涅反射等式中使用復(fù)折射率，使 得候選材料的折射率的實(shí)數(shù)和虛數(shù)部分均為臨界值。以零入射角入射 的射線的反射率可提供用于選擇適當(dāng)材料的度量。實(shí)現(xiàn)所述分析的適
當(dāng)?shù)仁綖?br> * = [(^ D2 + ^ ] + ^ )2 + g ]
其中
R為在外延和金屬層的分界面零入射的反射率； N—為外延層的折射率； Ns為金屬折射率的實(shí)數(shù)部分；及 k,為金屬折射率的虛數(shù)部分。
假設(shè)外延層具有2. 54的折射率，金屬需要低實(shí)數(shù)部分和高虛數(shù) 部分。銀在從450nm (k=2. 47)到700nm (k二4. 52)的波長(zhǎng)范圍具有低 的實(shí)數(shù)部分(0. 12)和非常高的虛數(shù)部分。在550nm時(shí)，厚的銀層具 有約0. 12的折射率(實(shí)數(shù))和3. 34的虛數(shù)值。將這些值帶入前述等 式得出0. 93的反射率。作為比較，鋁層在與GaIN接觸時(shí)具有低得多 的反射率，因?yàn)槠湓?50nm時(shí)具有0. 76的實(shí)數(shù)值和5. 32的虛數(shù)值。 這樣，對(duì)于零入射角射線，在兩種材料的分界面的反射率可用同一等 式計(jì)算為0.80。這是非常大的區(qū)別，特別是對(duì)于與該層的反射率具 有非線性關(guān)系的器件的引出效率，因?yàn)橥庋觾?nèi)的內(nèi)部射線在或被吸收 或從外延層引出之前經(jīng)歷許多邊界反射。因此，該底部分界層的反射 率的小改善可在LED的外量子效率方面產(chǎn)生大的改善。
這樣的反射層也可使用多層方法用介質(zhì)材料制成，特別是工業(yè)通 用的Bmgg反射器。然而，為向半導(dǎo)體供電，稱(chēng)為vias的導(dǎo)電通路 必須通過(guò)該非傳導(dǎo)層引入在某一地方。然而，介質(zhì)層的使用可增加器 件的內(nèi)阻因而增加給定施加電壓產(chǎn)生的內(nèi)部熱量。此外，大家都知道 很難設(shè)計(jì)對(duì)大范圍波長(zhǎng)和入射角均具有高反射率的Bragg反射器。這 對(duì)于在管芯上采用保形磷光體涂覆的LED更是問(wèn)題。因此，銀可被視為優(yōu)于介質(zhì)反射器的解決方案，因?yàn)槠湓诖蠓秶娜肷浣呛筒ㄩL(zhǎng)的情 況下均表現(xiàn)良好。
美國(guó)專(zhuān)利6,784,462示教了怎樣通過(guò)在銀層前面組合四分之一 波長(zhǎng)的氧化銦錫(IT0)層而制造用于LED的、具有非常高反射率的 "全向"后反射器。然而，在'462專(zhuān)利中的薄膜方法假設(shè)銀和IT0 層是光滑的，排除了LED底部即"外延層"的任何適當(dāng)粗糙，因?yàn)槠?通過(guò)真空中的原子束制造在襯底的上面。由于高折射率材料立方體內(nèi) 的廣泛光陷阱，標(biāo)準(zhǔn)LED幾何結(jié)構(gòu)，要實(shí)現(xiàn)最大引出效率，其必須在 反射器與外延層接觸的分界面具有粗糙表面。這是實(shí)現(xiàn)高漫反射率所 需要的，其使得捕集的光將被任意改方向從而有另 一機(jī)會(huì)漏出。此外， ITO較銀具有低得多的電導(dǎo)，這對(duì)于某些設(shè)計(jì)而言是一個(gè)缺點(diǎn)。
使捕集的光被吸收之前散射出去需要或底部漫射器或頂部散射 層與圖1A的層llu合并。也可使用兩種方法的結(jié)合。然而，當(dāng)同時(shí) 使用頂部和底部散射層因而降低器件的引出效率時(shí)，會(huì)在器件中引入 太多的散射。可見(jiàn)，如果不在層llu內(nèi)引入頂部散射，如美國(guó)專(zhuān)利 6, 784， 462中描述的完美反射器將不如在此描述的銀漫反射器。此外， 在許多情況下，希望在層llu的頂部具有光滑分界面，因而不能在其 分界面或其頂部發(fā)射表面的下面引入散射或漫反射層。在這些情況 下，后部漫反射器證明最有利并已在此敘述，其將勝過(guò)甚至100%完 美的鏡面反射器。
此外，如果不適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)以使其免與空氣或腐蝕材料(其很容易 與硫反應(yīng))接觸，銀將損耗其反射率，從而其必須用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)層密 封。通常，如果銀夾在外延層和適當(dāng)?shù)囊r底如鍺之間，則不會(huì)發(fā)生該 材料的顯著降級(jí)，因?yàn)槠湟驯粴饷?。如果需要邊緣保護(hù)，半導(dǎo)體設(shè)計(jì) 領(lǐng)域的技術(shù)人員已知有許多適當(dāng)?shù)牟牧峡墒褂谩?br> 關(guān)于由銀制成的粗糙后反射器的問(wèn)題，通過(guò)使用公知的 Monte-Carlo射線跟蹤技術(shù)對(duì)其進(jìn)行的計(jì)算機(jī)仿真表明在此描述的光
學(xué)變換器將因在LED中具有該特征而大大受益，特別是那些在下面公 開(kāi)的重復(fù)利用磷光體的發(fā)射的實(shí)施例中。當(dāng)然，該粗糙的銀反射器可大大有利于薄膜式LED,無(wú)論是否與
在此描述的光學(xué)變換器結(jié)合使用。再次參考圖1B，另一所述LED光 學(xué)改進(jìn)是降低下外延層lib的吸收比，其中大部分光度損耗發(fā)生在外 延層11內(nèi)。作為外延，該層通常沉積在藍(lán)寶石晶體上。在制造薄膜 式LED時(shí)，從藍(lán)寶石去除外延晶片。(從藍(lán)寶石襯底去除InGaN晶片 所需要的過(guò)程的主要內(nèi)容已由0SRAM-0pto的K. Streubel博士在 2004年10月20-22日在美國(guó)加利福尼亞州圣地亞哥舉行的 Intertech LED2004會(huì)議上在題為"Thinfilm Technology for Light Emitting Diodes"的演講中描述，其通過(guò)引用而全部組合于此。) 下層的吸收對(duì)其功能而言不是必須的，似乎限于表面原子晶面， 與該層的5000nm總厚度不相稱(chēng)的幾十納米。根據(jù)德國(guó)UIm大學(xué)的S. Schad和B. Neubert的研究，見(jiàn)UIm大學(xué)光電子學(xué)系2003年的年度 報(bào)告中題為 "Absorption in InGaN-on-Saph ire Based Light-Emitting Diodes"的論文，其通過(guò)引用而全部組合于此，InGaN 型LED的第一薄層生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上，大約65nm，在藍(lán)光波長(zhǎng)時(shí) 其負(fù)責(zé)InGaN LED的大部分吸收比。它們推理認(rèn)為生長(zhǎng)在襯底上的其 余半導(dǎo)體材料高度透明。這些平面非?？拷{(lán)寶石從而它們的晶體結(jié)
構(gòu)和吸收比大大增加。在一些實(shí)施例中，層lla和llu均不具有這種 薄的吸收層?？捎么帕髯儝伖鉁?zhǔn)確去除該應(yīng)變子層，從而大大降低吸 收比，進(jìn)而提高LED的外量子效率。
提高該效率的另一可能是導(dǎo)致圖IB的前端層llu具有體積散射 特征，而不是典型的完全透明。使用射線跟蹤模型的研究表明將 100/mm的散射系數(shù)引入層llu將使得SMD型LED的效率增加大約40 %，其中層llu沒(méi)有任何明顯的散射且沒(méi)有磷光體層與其接觸。類(lèi)似 的改善也可在圓頂型單色LED中發(fā)生。如果散射系數(shù)增加到200/mm， 只有非常微小的改善。反之，如超過(guò)該水平，其達(dá)到性能從最大開(kāi)始 降級(jí)的點(diǎn)。當(dāng)與已經(jīng)描述的粗糙后反射器方法結(jié)合使用時(shí)，在前端層 中應(yīng)用散射手段通常對(duì)性能沒(méi)有有利影響。如果糙化后反射器與具有10/mm散射系數(shù)的層llu結(jié)合使用，引出效率只有非常微小的改善。
超過(guò)該前端散射的水平，性能將低于只使用單一方法的情況。
當(dāng)LED的引出效率為高時(shí)，在此公開(kāi)的重獲反向散光的光學(xué)歧管 可被大大增強(qiáng)。具體地，在此描述的遠(yuǎn)程磷光體實(shí)施例在外量子效率 方面將優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)，特別是保形磷光體LED。在此公開(kāi)的新的光學(xué) 系統(tǒng)當(dāng)與上部發(fā)射或?qū)嵸|(zhì)上上部發(fā)射LED結(jié)合使用時(shí)其性能將得以 大大改善，特別是那些采用具有合適散射的反射背面層的LED。
圖2A為填充電介質(zhì)的CPC的底部的截面。如圖1A中一樣，薄膜 式LED10被浸入透明電介質(zhì)14中。光學(xué)上與透明電介質(zhì)14連續(xù)的是 填充電介質(zhì)的CPC20，由CPC表面21形成，其通過(guò)全內(nèi)反射單獨(dú)工 作，因而不需要反射涂層。在實(shí)際實(shí)施中，CPC20應(yīng)單獨(dú)制造并在光 學(xué)上與透明電介質(zhì)14連結(jié)，剛才上面的薄膜式LEDIO。
圖2B為圖2A的填充電介質(zhì)的CPC的底部的截面，其示出了整個(gè) CPC20，具有成形為10°輸出角的拋物線形輪廓21，這是CPC僅使用 全內(nèi)反射的最寬可能。輪廓21的上邊緣211為虛擬源22的外緣。 CPC20內(nèi)的電介質(zhì)繼續(xù)向右而成為另外的實(shí)施方式(未在圖2中示 出)，由圖5中的CPC54和較大的CPC53例示。
在一些實(shí)施例中，CPC20的折射率高于包括圖1B的透明電介質(zhì) 14的環(huán)氧樹(shù)脂材料的折射率。例如，珠寶級(jí)的立體氧化鋯具有2.2 的折射率，與鉆石相似。即使目前其比聚合物塑料光學(xué)器件昂貴，這 樣的高折射率透明材料在將來(lái)必將經(jīng)濟(jì)可用。其對(duì)于形成光學(xué)上與薄 膜式LED連結(jié)的CPC以形成在此描述的光學(xué)變換器實(shí)施例是有利的。 在二氧化鈦薄膜的高折射率( 2.5)與LED材料匹配的同時(shí)，薄膜 的高吸收比使其不適于形成CPC。來(lái)自華盛頓紅外材料集團(tuán)的海軍研 究實(shí)驗(yàn)室的溶膠凝膠材料正被開(kāi)發(fā)以進(jìn)行澆鑄或以晶錠形式，其可用 折射率為空前的2.4-3高值，足夠與LED材料匹配的折射率。另外， 這些高折射率材料可被設(shè)計(jì)和制造以在可見(jiàn)光波長(zhǎng)時(shí)具有非常低的 吸收比系數(shù)，與最高光度PMMA材料類(lèi)似。這可以消除使目前LED困 擾的光陷阱和高菲涅耳反射率。圖2C為使用這種方法的變化的另一
38光學(xué)歧管的截面圖，其中用兩個(gè)cpc代替cpc20。第一 cpc2002與 led2001接觸，并由與半導(dǎo)體折射率匹配的溶膠凝膠材料制成，第二、 上面的cpc2003由較低折射率材料制成，如pmma。第一 cpc2002設(shè) 計(jì)用于部分校準(zhǔn)并全部反射第二 cpc2003， cpc2003執(zhí)行另外的校準(zhǔn)。 圖2c中所示的布置大大增加了來(lái)自管芯的通量的全部引出。由此， led2001在其底部應(yīng)具有鏡面反射層，與圖1b的漫反射鏡不同。包 圍硅酮材料2004，具有1. 4的低折射率，是用于澆鑄cpc2002的初 始模子，其后為小的cpc2002提供結(jié)構(gòu)支撐，減輕其與上表面led2001 連接處的應(yīng)力。cpc2001按折射率比為2.5:1.4進(jìn)行設(shè)計(jì)，完全以全 內(nèi)反射方式工作。其出口面為與較大cpc2003的平界面2005。邊緣 射線2006r和2006l被示出由cpc2001的上緣反射，之后由分界面 2005折射為70°邊緣射線2007r和2007l。它們由cpc2003內(nèi)部反 射為最后校準(zhǔn)的射線2008r和2008l。與它們相鄰的是邊緣射線 2008e，源自射線2006r和2006l，其通過(guò)分界面2005直接折射之后 全內(nèi)反射離開(kāi)cpc2003的壁。
圖2d為圖2c中部分示出的整個(gè)cpc2003的截面圖，包括邊緣射 線2008e的最終位置。
圖2c和2d的器件的另一實(shí)施例在led2001和cpc2002之間的分 界面包括薄的、高匹配折射率層。在這種情況下，匹配折射率磷光體 層經(jīng)如電泳沉積方法沉積在led上(帶電膠狀粒子或分子在施加的電 場(chǎng)的影響下遷移穿過(guò)溶液通常由浸入的電極提供，也稱(chēng)為電泳)。一 種方法是在磷光體和led的上表面之間提供高接觸面積的方法。 led2001、小cpc2002和磷光體的折射率應(yīng)精密匹配，最好在0. 1的 偏差之內(nèi)。這樣，對(duì)于在上部無(wú)活性表面具有2. 5折射率的InGaN LED， 磷光體和小cpc的材料應(yīng)具有在2. 4和2. 5之間的折射率。基于該器 件的實(shí)施例不使用或不需要短通濾光片如下面圖10b實(shí)施例中所示 的短通濾光片105為來(lái)自led的反向散光設(shè)陷阱。當(dāng)折射率匹配時(shí)， 光將在磷光體和led背面反射鏡之間再循環(huán)。圖3A為嵌入在圓頂30中的薄LED10的截面圖，圓頂為商業(yè)封裝 的典型結(jié)構(gòu)。圓頂30被示為最小的可能大小，對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂的折射 率(n = l. 54)，與所有從LED10發(fā)射的射線避開(kāi)全內(nèi)反射一致。LED10 為正方形，并可在截面圖中看見(jiàn)。點(diǎn)10d標(biāo)記LED10的拐角半徑。超 過(guò)該半徑，部分射線將不能出到圓頂外面。假想的示例性射線31被 內(nèi)部反射，因?yàn)槠淦瘘c(diǎn)太靠近半球30的表面。
圖3B為浸入在球形透鏡33中的LED10的截面圖。幾乎水平的邊 緣射線34e被折射到外部射線34r，其表示30°的偏轉(zhuǎn)。該角度降低 對(duì)快速光學(xué)系統(tǒng)聚集光束是有用的。在實(shí)踐中，球33應(yīng)被膠粘到透 明襯底14上。由于其象差，這樣的透鏡將稍微增加光束擴(kuò)展量。其 大于圖3A的半球，但其大小被類(lèi)似地確定，使得其正好允許通過(guò) LED10的拐角發(fā)射的所有射線能夠未經(jīng)反射的漏出。
圖3C為電路板37上的薄LED36的截面圖，其浸入在環(huán)氧樹(shù)脂團(tuán) 38中，其簡(jiǎn)明的形狀源自環(huán)氧樹(shù)脂十分便于大規(guī)模生產(chǎn)的特征。不 利的是，其攔住一些光。然而，這種形狀與大規(guī)模生產(chǎn)十分調(diào)和，從 而在此描述的光學(xué)變換器的其它元件可被成形為與其連結(jié)。
圖4A為棱鏡耦合器40的截面圖，其具有適于棱鏡材料的臨界角 ac的內(nèi)角。薄LED41跨氣隙41a發(fā)送Lambertian發(fā)射，其中其被 限制在上邊緣射線41e和下邊緣射線41L之間。薄LED42跨氣隙42a 發(fā)射并進(jìn)入棱鏡40，其中其Lambertian發(fā)射變成被限制在角a c的 一半以內(nèi)，在上邊緣射線42e和下邊緣射線42L之間。內(nèi)角40A為 2 a c的目的在射線41e被看見(jiàn)內(nèi)反射離開(kāi)氣隙42加入射線42L時(shí)變 得很明顯。因此，內(nèi)部反射的光填充入射光邊緣射線外的角度空間。
圖4B為使用圖4A中所示的棱鏡耦合器的光學(xué)歧管44的截面圖。 光學(xué)歧管44包括電介質(zhì)CPC44c和結(jié)合棱鏡塊44b。薄LED45浸入在 電介質(zhì)CPC45c中，其在氣隙45a處更寬，跨該氣隙將Lambertian光 照入歧管44，其中折射將其限制在臨界角cic。類(lèi)似的方法也用于 LED46、 CPC46c和氣隙46a。之后，棱鏡耦合器通過(guò)45a和46a接收 跨越2 a c角的兩個(gè)輻射輸入并將它們?cè)?4b變?yōu)槿獿ambertian式樣(約±90°全角)。CPC44c在塊44b處擴(kuò)大其寬度指到其出口面44a。 這使得所有光在Lambertian發(fā)射44e時(shí)均能退出，從而形成"虛擬 芯片"。在44b的出口表面將攔住超過(guò)臨界角dc的光，從此使用 CPC44c。
圖5為用于兩個(gè)LED51和52作為輸入的反射光學(xué)歧管的截面圖， 分別具有饋入單一、更大矩形CPC53進(jìn)行輸出的小CPC54和55。這
是結(jié)合兩個(gè)發(fā)光二極管的輸出的簡(jiǎn)單方式。反射光學(xué)歧管50接收第 一 LED芯片51和第二 LED芯片52的光輸出。歧管50包括上部復(fù)合 拋物線形聚光器(上部CPC) 53和分別接收芯片51和52的光的下部 復(fù)合拋物線形聚光器(下部CPC) 54和55。分界線50d描繪CPC53 的輸入平面和CPC54及55的輸出平面。輸出開(kāi)口 56將兩個(gè)LED的結(jié) 合輸出發(fā)射到約±90° 。
CPC54的運(yùn)行由邊緣射線57示出，其為來(lái)自芯片51的幾乎水平 的射線的曲面法線58附近的反射。在線50d反射之后，邊緣射線57 到輸出開(kāi)口58的邊緣，由虛線的退出線表示，因此其被反射回到水 平方向，不幸地，這使得所述虛線稍微不明顯。
在此描述的光學(xué)變換器的另外的實(shí)施例通過(guò)使用圖5的聚類(lèi)抽 樣原理是可能的，其被建立在圖1A的反射器上。圖6A到6I的一系 列示了聚類(lèi)的另外 一些實(shí)施例。
圖6A為光學(xué)歧管610的截面圖，其基于如圖2中所示的電介質(zhì) CPC。歧管610包括輸入CPC611和612及輸出CPC613。 LED被安裝在 入口 611L和612L，且它們的結(jié)合輸出形成在出口 613E。分界線610D 是輸入和輸出CPC之間的邊界。光的可逆性表明可以是大的LED照入 出口613E，并使得光在入口 611L和612L發(fā)射。
圖6B為光學(xué)歧管620的截面圖，包括輸入電介質(zhì)CPC621和622 及更大的輸出CPC623。輸入CPC621還包括混合棒621M，正好從源 621L向內(nèi)，其具有可能用于引導(dǎo)的光的最小寬度。這有助于消除源 621L中的非均勻性，以確保出口 623E的均勻亮度。施例的截面圖，包括電介質(zhì)CPC輸
入歧管621和622，及特制的反射鏡623，其與透鏡表面620S共同用 于在出口 623E的空氣中產(chǎn)生光束擴(kuò)展量受限的輸出。
圖6D為光學(xué)歧管的另一實(shí)施例630的截面圖，包括反射輸入錐 形體631和632、輸出錐形體633、及透鏡634。來(lái)自LED631L和632L 的光在輸出端口 633E結(jié)合。
圖6E為光學(xué)歧管的另一實(shí)施例640的截面圖，包括反射輸入反 射鏡641和642,輸出反射鏡643、及菲涅耳透鏡644。來(lái)自LED641L 和642L的光在輸出端口 64犯結(jié)合。為了清晰，菲涅耳透鏡644的厚 度被放大，在實(shí)際實(shí)施中可能更薄。
圖6F為光學(xué)歧管的另一實(shí)施例650的截面圖，包括輸入TIR透 鏡651和652及輸出TIR透鏡653。輸入LED651L和652L使其輸出 在聚焦區(qū)65犯結(jié)合。圖6A-6E的界面可以矩形或圓形幾何結(jié)構(gòu)體現(xiàn)。 然而，TIR透鏡為內(nèi)在圓形對(duì)稱(chēng)，需要對(duì)它們進(jìn)行一些修整以鑲嵌為 陣列。
圖6G為復(fù)合透鏡660的平面圖，包括55個(gè)六邊形、修整的、圓 形對(duì)稱(chēng)輸入裝置，如圖6A-6F例示的裝置。每一透鏡661聚焦在LED662 上。
圖6H為自光學(xué)歧管670的輸入側(cè)的透視圖，包括7個(gè)圓形TIR 透鏡671，每一透鏡聚集在LED672上并接收其光。
圖6I為圖6H的光學(xué)歧管670自其另一側(cè)的透視圖，示出了輸出 TIR透鏡673和出口區(qū)673E。
一旦本發(fā)明的原理被理解，前述元件的許多其它組合可進(jìn)行明確 地表達(dá)。例如，圖6A中的大輸出電介質(zhì)CPC610可用圖6F的大的修 整后的TIR透鏡653代替。在這種情況下，輸出圖象被形成在空氣中。 該后面的結(jié)構(gòu)具有優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檎麄€(gè)光學(xué)系統(tǒng)在長(zhǎng)度上更短且在某些情 況下，TIR透鏡較長(zhǎng)的CPC或交叉CPC更容易鑄模，成本更低。
在所有上面的結(jié)構(gòu)中，組件或可被鑄模為單獨(dú)的件然后連結(jié)在一 起，或可被鑄模為一件。
42迄今為止，所示的光學(xué)歧管的實(shí)施例已使用薄的通常扁平的LED 為輸入源，且許多實(shí)施例依賴(lài)于靠近扁平發(fā)射芯片放置光學(xué)歧管的扁
平輸入。在如圖4-6所示的實(shí)施例中，圖3A中所示的圓頂LED僅可 由圖6F-6I的TIR透鏡用作輸入。對(duì)于一些其它歧管結(jié)構(gòu)，將亮度從 圓頂引出并將其成像在空氣中是必要的，當(dāng)然，在芯片浸入在折射率 n的情況下，其在尺寸上將表現(xiàn)為n倍大于其它情況。
圖7A為光束擴(kuò)展量有限的通量從圓頂LED傳入空氣中的圖象的 側(cè)視圖。圖7A示出了高功率LED管殼700，包括管座701、發(fā)射芯片 702、和透明圓頂703。固體介質(zhì)雙透鏡710包括下部透鏡711和同 樣的上部透鏡712，方向相對(duì)并沿線710D連結(jié)，兩個(gè)透鏡均關(guān)于軸 710A圓形對(duì)稱(chēng)。下部透鏡711包括中央雙曲透鏡711h和周?chē)耐ㄓ?笛卡爾橢圓形反射器711t，其校準(zhǔn)傳出中柱711c的光。雙曲透鏡711h 用作入口，被聚焦在LED芯片702的中心。上部透鏡712包括中央雙 曲透鏡712h和周?chē)娜珒?nèi)反射表面712t。光以±90°會(huì)聚在芯片圖 象710E上，另一光學(xué)歧管可從這里接收輸入光。示例性的主光線715 具有自芯片702的極角P并等于在圖象710E的極角fT。當(dāng)這樣的 透鏡被精確制造和布置時(shí)，圖象710E的光束擴(kuò)展量沒(méi)有增加而高于 光源的光束擴(kuò)展量，且光源亮度不均勻性被消除，因?yàn)閳D象上的點(diǎn)從 光源上的許多點(diǎn)接收光。這種非成像作用通過(guò)側(cè)面711t和712t的反 射鏡反轉(zhuǎn)作用實(shí)現(xiàn)，其像道威棱鏡一樣作用以旋轉(zhuǎn)消除全內(nèi)反射的 光。
圖7B為另一光束擴(kuò)展量有限的通量從圓頂LED傳入空氣中的圖 象的側(cè)視圖。圖7B示出了兩小平面雙TIR透鏡720的截面圖，安裝 在LED管殼700上。下部TIR透鏡721包圍圓頂703并校準(zhǔn)芯片702 的光，跨分界面720d將其送入上部TIR透鏡722，其繼而將光聚焦 在出口圖象720E上。透鏡720關(guān)于LED管殼700的軸720A圓形對(duì)稱(chēng)。 示例性的主光線725與軸720A對(duì)向相等的P和3'角。該優(yōu)選實(shí)施 例的制造光學(xué)準(zhǔn)確度必須高，以使圖象720E具有和芯片702 —樣的光束擴(kuò)展量。圖象720E的面積相比芯片702有增加，其正比于LED702 嵌入于其中的圓頂703的材料折射率的平方。
圖7C為SMS設(shè)計(jì)的RIIR透鏡730的側(cè)視圖，關(guān)于中心軸730a 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)，并具有將其分為下部透鏡731和上部透鏡732的赤道平面 730d。中央透鏡731c聚集從LED芯片702向上去的光，并將其校準(zhǔn) 到中央透鏡732c，中央透鏡732c繼而將其聚焦在出口圖象730e上。 包圍中央透鏡731c的是鈴狀表面731e，適于將光從芯片702分布在 全內(nèi)反射表面732r上，其將光校準(zhǔn)在下部全內(nèi)反射表面731r上，隨 即會(huì)聚在鈴形表面732e上，鈴形表面將光聚焦在出口圖象730e上。 示例性的主光線725以極角P退出芯片702的中心以在進(jìn)入表面 731e被折射[R]、在上表面732r內(nèi)部反射[I]、在下表面731r內(nèi)部 反射[I]、最后通過(guò)出口表面732e折射[R]，因此透鏡730是RIIR透 鏡。透鏡730的表面的連續(xù)性意味著正方形LED芯片702將在730E 具有正方形圖象，只有非常小的光束擴(kuò)展量增加。這是因?yàn)樗蠷IIR 光程如725和726具有相等的光程長(zhǎng)度，從而確保準(zhǔn)確確定圖象730e 的邊界(盡管是在空氣中)，因而尺寸上n倍大于芯片702 (使用折 射率包圍芯片)。因?yàn)橥哥R730是非成像透鏡，芯片702的亮度不均 勻性被涂抹。該透鏡相較圖7A和7B的透鏡更緊湊，因而圖7C中所 示的實(shí)施例對(duì)于某些目的更優(yōu)于圖7A和7B的實(shí)施例。
另外的實(shí)施例圖示在圖7D和7E中，但具有下面結(jié)合圖11所述 的特征，即用于再利用磷光體發(fā)射的藍(lán)通二向色濾光片，定位與圖 7A、 7B和7C中的赤道平面710D、 720d和730d疊合。圖7D為通過(guò) 雙透鏡系統(tǒng)740的截面圖。LED管殼700包括底座701、藍(lán)光發(fā)射芯 片702 (也被示在右邊的平面圖中)、填充凝膠的圓頂703。光學(xué)上 連接到圓頂703的是折射率為約1. 5的透鏡741。光學(xué)上依次與其相 連的是折射率為1. 34的硅酮透鏡742。在透鏡系統(tǒng)740的赤道平面 中是藍(lán)通二向色濾光片743，其再利用目的將在下面的圖11中論述。 在其上面是硅酮透鏡744，具有與下面的硅酮透鏡742實(shí)質(zhì)上一樣的 形式。除了增加圓頂745d以外，最上面的透鏡745在形式上與下面
44的透鏡741—樣，在圓頂內(nèi)浸入遠(yuǎn)程磷光體746 (也被示在右邊的平 面圖中)。硅酮透鏡742和744分別通過(guò)透鏡741和745內(nèi)的全內(nèi)反 射一致作用于直接射線747。射線748從中心線749以角P進(jìn)行發(fā) 射，并以相等的角P'照在磷光體746上。
圖7E為穿過(guò)雙透鏡系統(tǒng)750的側(cè)視圖，在功能上類(lèi)似于圖7D的 系統(tǒng)，具有類(lèi)似的LED。填充凝膠的圓頂703在光學(xué)上連接到下面的 透鏡751，包括全內(nèi)反射外側(cè)面751t、內(nèi)準(zhǔn)直透鏡751c、及光學(xué)無(wú) 活性圓柱形壁751w。藍(lán)通二向色濾光片753在系統(tǒng)750的赤道平面 中。倒置的上部透鏡755在形式上與下面的透鏡751 —樣，但增加了 圓頂755d，磷光體756浸入于其中。磷光體756也被示在平面圖的 右邊，照藍(lán)光發(fā)射芯片702的樣子。射線758相對(duì)于中心對(duì)稱(chēng)軸759 以角0進(jìn)行發(fā)射，并以相等的入射角e'照在磷光體756上。
圖7F為穿過(guò)雙透鏡系統(tǒng)760的側(cè)視圖，其類(lèi)似于圖7E所示的雙 透鏡。在該實(shí)施例中，LED766被移位到器件軸777的旁邊，使得LED766 的一邊緣在軸777上。磷光體層765位于透鏡760的成像聚焦位置， 但在器件軸777的相對(duì)LED766的另一側(cè)。雙透鏡764清晰地將LED766 成像在磷光體層765上，隨即一些射線被導(dǎo)入固體介質(zhì)光學(xué)部件762 中，其余射線被反向散射到濾光片761。濾光片761重定向所有反向 散射的射線并以與磷光體層765 —樣的高度將其成像在成像焦點(diǎn)位 置，但在器件軸的另一側(cè)。這些射線被引向固體介質(zhì)光學(xué)部件762中， 隨即它們被從該器件進(jìn)行指向。最后的光學(xué)部件762將來(lái)自765的藍(lán) 白色和黃色混合為均勻的白色。射線763說(shuō)明與本實(shí)施例相關(guān)聯(lián)的關(guān) 鍵原理。雙透鏡764通過(guò)應(yīng)用SMS設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。該器件理論上 較圖7E中的實(shí)施例具有更低的潛在亮度，因?yàn)楣庠吹奶摂M面積更大。 然而，其較圖7E采用的方法具有優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵诜聪蛏⑸涞纳渚€能退 出器件之前只有一次再利用。
圖7G是類(lèi)似于圖7F描述的光學(xué)系統(tǒng)。在該實(shí)施例中，單一 LED 和單一磷光體目標(biāo)被用三合一 LED775和三合一磷光體目標(biāo)774代替。 器件的原理和運(yùn)行類(lèi)似于圖7F中所示的器件。雙透鏡773清晰地將LED775成像在磷光體目標(biāo)774上，在其上一些射線被引導(dǎo)到固體電 介質(zhì)光學(xué)部件776中，其它射線772被反向散射到濾光片771。濾光 片771重新引導(dǎo)反向散射的射線并將其成像在與磷光體目標(biāo)774相對(duì) 的空間上。
圖7H所示為使用與圖7F和7G所示實(shí)施例的單次再循環(huán)相同原 理的實(shí)施例，但光學(xué)體系結(jié)構(gòu)稍微不同。在該方法中，濾光片787通 過(guò)光學(xué)部件782的下半部分和上半部分嵌入在其整個(gè)面上。光學(xué)部件 782的每一半具有外部固體介質(zhì)TIR元件785、內(nèi)部折射透鏡對(duì)786 和784，透鏡對(duì)之間有氣隙。這些光學(xué)特征共同在單一LED/磷光體對(duì) 或管芯和磷光體陣列的磷光體上提供LED管芯的受控偏移成像。分界 面783可具有與其連接的第二介質(zhì)光學(xué)部件如圖7F的762，以引出 直接和再循環(huán)的射線。
圖71為遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)790的截面圖，包括LED芯片791、高 折射率復(fù)合橢圓形聚光器(CEC) 792、及高折射率磷光體層793。對(duì) 于正方形或長(zhǎng)方形LED, —實(shí)施例為交叉CEC。最新的高折射率 (2.4-2.8)磷光體為硫化-硒化鋅(zinc-selenide-sulfide)，可 從Phosphor-Tech Corporation獲得，象能夠高組裝密度的電泳沉積， 折射率由硒硫比控制。另一高折射率CPC可用作類(lèi)似于圖2C的 CPC2002的上層793。該實(shí)施例在LED791的后面包括鏡面反射器，最 好是美國(guó)專(zhuān)利6， 784， 462中所述的銀或混合銀/IT0全向反射器，所 述專(zhuān)利通過(guò)引用而全部組合于此。這將以良好的效率反射磷光體的向 后方的發(fā)射，有助于使其前向亮度幾乎翻倍。
圖1A-2D涉及在此描述的光學(xué)變換器的光聚集。它們示出了對(duì)在 附圖中的平面中延伸的射線起作用的二維剖面。在實(shí)踐中，3維系統(tǒng) 通過(guò)與其平面正交地突出這樣的剖面而形成。該突出距離的厚度通常 等于或稍大于正方形芯片的寬度。這將導(dǎo)致在射線的突出方向損耗而 不是在被突出剖面的平面中損耗。作為代替，可使用雙向交叉CPC， 與正交方向中使用的具有相同的外形。這在圖8A、 8B、 9A、 10A和 10B中圖示。由于這些實(shí)施例內(nèi)的光通路的多通道特性，高系統(tǒng)效率的關(guān)鍵是使用具有適當(dāng)?shù)臀毡鹊耐该鞑牧?。例如，聚碳酸酯，?xí)慣 采用的注模塑料，具有太多的吸收從而這些實(shí)施例將有嚴(yán)重的損耗， 而丙烯酸衍生物則不會(huì)有此問(wèn)題。
圖8A為光學(xué)歧管80的透視圖，填充電介質(zhì)的2x2:1多CPC實(shí)施 例。其包括四個(gè)輸入交叉CPC81和輸出交叉CPC82，所有CPC的截面 為正方形，如分界線80d處所見(jiàn)。這四個(gè)交叉CPC中的每一個(gè)的截面 類(lèi)似于圖2B的截面。從而浸入的LED83將使其所有光跨平面80d送 入交叉CPC82。
圖8B為光學(xué)歧管80的另一透視圖，還示出了出口表面84，其 必須連接到具有類(lèi)似折射率的另一器件，否則部分聚集的光將通過(guò)內(nèi) 部反射返回。可將歧管80與下面所示的一些實(shí)施例結(jié)合。
圖9A為2x4:1光學(xué)歧管90的透視圖，包括從相應(yīng)的多個(gè)浸入 LED92接收光的多個(gè)輸入交叉CPC91、從多個(gè)交叉CPC91接收光的矩 形混合部分93、及從矩形混合部分接收光的矩形輸出交叉CPC94。
圖9B為圖9A中所示的歧管90的另一透視圖，還包括輸出交叉 CPC94的大致矩形的輸出表面95?；旌喜糠?3的幾何形狀在圖68B 中詳細(xì)示出。
關(guān)于在此描述的光學(xué)變換器的這些及其它多端口實(shí)施例，圖2C 的高折射率CPC方案可被實(shí)施以硅酮層2004，其擴(kuò)大為包括多個(gè)缺 口以形成多模高折射率CPC從而查看多個(gè)LED。因此，高折射率澆鑄 的溶膠凝膠方法可適應(yīng)在此描述的光學(xué)變換器的許多不同實(shí)施例。
圖10A為4x4:1光學(xué)歧管100的透視圖，包括多個(gè)(在該實(shí)施例 中為16個(gè))正方形電介質(zhì)輸入交叉CPCIOI、對(duì)應(yīng)的多個(gè)分別連接到 交叉CPC的浸入LED102、及連接來(lái)全體接收來(lái)自每一交叉CPC的光 輸出的近似正方形的輸出電介質(zhì)交叉CPC103。同樣還示出了浸入的 正方形濾光片105，安裝用于藍(lán)光LED102的情況。在一些實(shí)施例中， 正方形濾光片105將是跨輸出CPC103的輸入面施加的藍(lán)通反射器， 之后光學(xué)連接到輸入交叉CPC101的陣列。這樣的藍(lán)通反射器可以本 領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的幾種方式構(gòu)建，如在適當(dāng)?shù)囊r底上沉積薄膜多
47層電介質(zhì)或其它材料，及通過(guò)單層或多層反射或透射全息涂覆。在
1981年的公開(kāi)物(Miles、 Webb和Griffith在Optics Letters第6 巻12期(1981年12月)616-618頁(yè)的題為"半球形視場(chǎng)、非成像窄 帶濾譜器")中，兩個(gè)中空反射CPC被面對(duì)面地使用以將光校準(zhǔn)到窄 帶濾譜器中，繼而聚光所過(guò)濾的光。相反，在此描述的光學(xué)變換器的 實(shí)施例使用電介質(zhì)CPC代替中空CPC。另一區(qū)別在于使用短通濾光片 或帶通濾光片(而不是窄帶濾光片)，通過(guò)該濾光片透射短的波長(zhǎng)而 反射長(zhǎng)的波長(zhǎng)。對(duì)于許多應(yīng)用，具有比工作頻率范圍低的截止頻率的 帶通濾光片可被當(dāng)作與短通濾光片等效的濾光片。圖10A的實(shí)施例具 有多個(gè)輸入CPC，而不是單個(gè)CPC。如圖10C中所示，聚光器CPC103 具有磷光體目標(biāo)106。聚光器CPC103結(jié)合來(lái)自16個(gè)LED的輸入并將 其均勻在磷光體目標(biāo)106位于其上的單個(gè)出口表面上。圖IOA的新穎 性在于濾光片105的功能，這未由Miles等人公開(kāi)，其反射磷光體 105的反向發(fā)射，如圖10D中所示。這是在此描述的光學(xué)變換器的再 循環(huán)原理，其是具有新穎性的特征。
圖10B為圖10A中所示的光學(xué)歧管100的另一透視圖，其另外包 括大致為矩形的出口面104。
圖10C為在出口面104的出口 CPC103的特寫(xiě)圖，其示出了因突 變遠(yuǎn)離其安裝在104上的實(shí)際位置的薄磷光體層106。磷光體層接收 交叉CPC103的全部浸入Lambertian光學(xué)輸出。有利地是，來(lái)自藍(lán)光 LED102的光的均勻總和不會(huì)由于任一 LED的漲落或故障而損耗均勻 性。有利地，不需要各個(gè)LED的波長(zhǎng)裝箱，從而質(zhì)量控制有能力保持 多個(gè)LED中的任一個(gè)的平均中心波長(zhǎng)為常數(shù)。
圖IOA、 10B和10C所示的光學(xué)歧管還具有從磷光體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的 優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于傳統(tǒng)施加在各個(gè)藍(lán)光芯片上的磷光體層是不可能的。在 傳統(tǒng)的白光LED中，藍(lán)光芯片接收半流體粘合劑中的粉末磷光體漿 滴。所述漿滴在制造期間在沉積于藍(lán)光芯片上之后干燥(或被UV固 化)。傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)很多。首先，薄的、厚度受控的磷光體共形層 的沉積非常難實(shí)現(xiàn)在lmm高功率LED發(fā)射器的表面上，其被認(rèn)為是制造LED時(shí)使用的材料、其沉積表面的小尺寸、及許多可用于在發(fā)射表
面沉積固定厚度層的技術(shù)可能損害LED的事實(shí)的結(jié)果。其次，磷光體 層遭受高熱條件，因?yàn)槠渥罱咏麹ED，這將導(dǎo)致涂層的加速熱降解或 因源自失配熱膨脹的力而有形損害磷光體/LED分界面。磷光體頻譜 發(fā)射曲線，將在下面結(jié)合圖11A、 11B和11C描述，隨溫度升高而移 到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，導(dǎo)致不合需要的LED顏色溫度依賴(lài)性。該技術(shù)還有其 它問(wèn)題為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，包括上述控制顏色溫度的困難。
相反，圖IOC示出了在此描述的光學(xué)變換器在其在陶瓷制品內(nèi)烘 烤后怎樣直接利用磷光體，大的均勻厚度的薄片，如25-60微米。之 后，大片可很方便地用激光器切劃或劈成層106大小的片，其在4-6mm 的范圍內(nèi)。當(dāng)然，同樣厚度但較大的磷光體片可被用在較大的光學(xué)歧 管中以用于更大的白光亮度。該方法在亮度和色溫方面提供高均勻 性，這是由于對(duì)磷光體厚度的更大控制及缺少熱循環(huán)。
圖10D為圖IOA、 10B和10C的光學(xué)歧管100內(nèi)的射線跟蹤，示 出了藍(lán)通濾光片層105的功能，其跨輸出交叉CPC103的輸入面安裝。 來(lái)自LED102的藍(lán)光通過(guò)藍(lán)通濾光片層105并到達(dá)磷光體層106。磷 光體層106發(fā)射示例性的帶黃色Lambertian分布射線110r。光學(xué)可 逆性意味著交叉CPC103將壓縮磷光體層106內(nèi)側(cè)的全角范圍內(nèi)的 Lambertian發(fā)射，由射線110r代表。當(dāng)該發(fā)射反射離開(kāi)藍(lán)通濾光片 105時(shí)，其窄角使其將被返回到磷光體106。也就是說(shuō)，大的CPC103 將所有射線的離軸角降低到10°以下。這些返回的射線將在磷光體 層106內(nèi)散射，但不會(huì)被吸收，而是具有另外的50%漏出磷光體層 106的外側(cè)的機(jī)會(huì)。該特征使白光亮度幾乎雙倍于將磷光體直接涂在 藍(lán)光LED上的亮度。大的CPC103由于其非成像本質(zhì)將產(chǎn)生出眾的均 勻性。在此描述的光學(xué)歧管的一些實(shí)施例的另一新穎特征在于通過(guò)磷 光體厚度的精確且均勻的應(yīng)用而精確控制色溫。均勻藍(lán)光照明和大的 光致發(fā)光層的結(jié)合是新穎的。
可以相信，可利用光致發(fā)光半導(dǎo)體如來(lái)自AIInGaP晶片的薄片在 由藍(lán)光照明時(shí)產(chǎn)生紅光。由于該材料是透明的，其可覆蓋在綠色磷光體上并用以代替黃色磷光體。當(dāng)半導(dǎo)體的量子效率大于黃色磷光體的 量子效率時(shí)使用綠色磷光體是有利的。圖IOE示出了這樣的結(jié)構(gòu)的例 子，其示出了帶出口面104的大CPC103。綠色磷光體106P連結(jié)于其 上，薄的紅色半導(dǎo)體層106S安裝在綠色磷光體上。
另一使用綠色磷光體的方式是用紅色LED光源。圖10F為光學(xué)歧 管1000的透視圖，其包括通過(guò)平面濾光片1005饋給大CPC1003的 16個(gè)小CPC1001。在該例子中，LED中的四個(gè)1002R為紅色，其余12 個(gè)LED1002B為藍(lán)色。圖10G為歧管1000的另一圖，其示出了在大 CPC1003出口平面的綠色磷光體1006。所示濾光片1005包括較小的 紅通濾光片1005R和L形狀的藍(lán)通濾光片1005B。濾光片1005R位于 四個(gè)紅色LED1002R的上方，而濾光片1005B位于12個(gè)藍(lán)色LED1002B 的上方。該復(fù)合濾光片具有圖10D中射線110r所示的再循環(huán)作用。
另一問(wèn)題源自磷光體材料的折射率，對(duì)于一些當(dāng)前使用的磷光體 106，其被認(rèn)為是約1.8。這將因全內(nèi)反射而導(dǎo)致光被攔在磷光體中。 圖10H是類(lèi)似于圖10C的分解圖，但添加可使從磷光體的光引出增加 的光學(xué)系統(tǒng)。圖10H示出了電介質(zhì)交叉CPC103、單片陶瓷磷光體106、 和電介質(zhì)半球108，其安在磷光體上。
圖101為該裝配的另一圖，其還示出了半球108的赤道表面108'， 包括接收磷光體106并在光學(xué)上連結(jié)到那里的正方形缺口 109。這種 布置通過(guò)產(chǎn)生磷光體的放大圖象增加光引出。然而，當(dāng)磷光體散射為 高時(shí)，人們相信這樣的圓頂不太有用。在那樣的情況下，由扁平磷光 體層攔住的光將經(jīng)與濾光片105或1005的相互作用而再散射和再循 環(huán)，直到其或被引出或被吸收為止，所述濾光片可以是藍(lán)通、短通、 或帶通濾光片。如果適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)短通濾光片，其應(yīng)具有0.99的反射 率并具有可以忽略的吸收比。假設(shè)選擇用于光學(xué)部件的再循環(huán)部分的 材料也具有低吸收比(如PMMA)，則在多次散射中損耗的通量很小， 在該系統(tǒng)中引出的光會(huì)較高。這將使得亮度實(shí)質(zhì)上高于圓頂情形下的 亮度，雖然整個(gè)光度有稍微降低(5-10%)。通常需要適當(dāng)材料的扁平保護(hù)罩保護(hù)磷光體層。適當(dāng)?shù)牟牧习ōh(huán)氧樹(shù)脂、P麗A、聚碳酸酯， 例如具有比磷光體低的折射率的其它材料。
圖IIA為分光光度計(jì)繪圖110中濾光片105的輸出曲線圖，包括 跨越極限可見(jiàn)光譜的水平波長(zhǎng)坐標(biāo)lll，從400到800納米。垂直坐 標(biāo)112繪出相對(duì)強(qiáng)度或透射率。線113示出用作圖10A的藍(lán)通濾光片 105的短通濾光片的例子的光譜透射率。上面的線113h接近100%， 因?yàn)闉V光片105通常具有僅稍低于可注模塑料如聚碳酸酯的折射率。 例如， 一種適合這種濾光片的適當(dāng)材料為PYREX晶片。
圖11A還繪出了透射率圖113，其示出了在左側(cè)485nm和右側(cè) 495nm之間的陡峭懸崖113c。具有透射率和反射率突變的短通濾光片 可在市場(chǎng)上買(mǎi)到，跨很寬范圍的中心波長(zhǎng)，如從加利福尼亞州Santa Rosa的JDS Uniphase Corporation獲得。適當(dāng)?shù)亩掏V光片在規(guī)定 的波長(zhǎng)之下具有高透射率(通常高于90%，即使在包括菲涅耳損耗 的空氣中)及對(duì)于僅高于傳輸截止波長(zhǎng)5nm開(kāi)始的波長(zhǎng)具有高反射率 (高于99%)。此外，這些濾光片可保持高達(dá)150nm的高反射率帶 寬。最后，這些短通濾光片當(dāng)夾在電介質(zhì)光學(xué)部件之間或在空氣中時(shí) 可滿足這些用于射線入射角為10°或更小的規(guī)約。中心波長(zhǎng)本身在 正入射時(shí)證明并被描述為隨濾光片內(nèi)的入射角的余弦變化，如理論所 指出的那樣。繪圖線114描繪藍(lán)光LED的典型分光光度計(jì)繪圖。只有 很少一部分114f在透射率曲線113的外面。然而，這樣的光譜過(guò)濾 對(duì)角度敏感，波長(zhǎng)偏移115示出27°偏位入射的效果。這表明繪圖 114將被偏移足夠多從而使得所有藍(lán)光將被反射。圖10A的輸入CPC 具有10°出射角，其僅導(dǎo)致約495(1-cos 10° ) = 7nm的偏移，懸 崖113c的寬度的一半。這僅增加1%到2%的反射損耗。
圖11B為類(lèi)似于圖11A的曲線圖，但具有不同的光譜繪圖110B， 其示出了濾光片透射率圖的重要性，且并列磷光體吸收曲線115 (虛 線)和磷光體發(fā)射曲線116。吸收曲線115幾乎與圖11A的藍(lán)光LED 發(fā)射曲線114重合，并全部在曲線113的傳輸側(cè)。發(fā)射曲線116幾乎
51全部在曲線113的反射側(cè)，這是導(dǎo)致圖10D的白光射線110r返回的 原因，其確保自磷光體106向內(nèi)發(fā)射的白光的再循環(huán)。
圖IIC示出了與圖IIA和IIB類(lèi)似的曲線，但具有不同的光譜圖 1110，其示出了圖10G中復(fù)合濾光片1005的光譜作用。圖10G的藍(lán) 通濾光片1005B具有圖11C中的傳輸曲線1113。虛線曲線1115為綠 色磷光體的激發(fā)函數(shù)，實(shí)線曲線1116為其發(fā)射函數(shù)。圖10G的紅通 濾光片1005R具有圖11C中的傳輸曲線1117。圖IOG的紅光LED1002R 具有圖11C的光譜分布1118。兩種濾光片均反射曲線1116的綠色磷 光體發(fā)射波長(zhǎng)，從而使能在大CPC內(nèi)再循環(huán)磷光體反向發(fā)射。
用于該應(yīng)用的濾光片可通過(guò)將PYREX晶片用作襯底并在該襯底 的一側(cè)上使用公知汽相沉積方法沉積許多材料薄層而進(jìn)行制造。適當(dāng) 的PYREX晶片很容易從康寧、康寧(紐約)公司獲得，其厚度大約為 0.3mm，尺寸公差為士0.05腿。這種材料在可見(jiàn)光范圍內(nèi)具有1.47 的平均折射率。制造這種器件的沉積方法、設(shè)計(jì)過(guò)程和需要的材料均 可從現(xiàn)有技術(shù)中獲得。例如，在前面提及的PYREX晶片上使用45層 二氧化硅和五氧化鉭交替薄層，對(duì)于400-495nm的波長(zhǎng)，濾光片可被 設(shè)計(jì)達(dá)到高于85%的最小透射率，同時(shí)在約515-700nm的波長(zhǎng)范圍 內(nèi)具有高于98%的反射率。這樣的器件可被制成大晶片，然后按照 需要的形狀切割成較小的片以匹配濾光片105的大小。這種方法可相 當(dāng)?shù)亟档蜑V光片的成本。其它甚至更有效的設(shè)計(jì)也很容易從工業(yè)來(lái)源 獲得，如可從加利福尼亞州Santa Rosa的JDS Uniphase獲得的器件， 其使用多種非常確實(shí)的方法、材料和設(shè)計(jì)過(guò)程。
希望浸入LED的Lambertian分布被壓縮到臨界角，但擴(kuò)大光束 擴(kuò)展量守恒方式的面積。圖12示出了分布變換元件120，其具有由 終點(diǎn)123和124標(biāo)記的寬角度(±90° )端口121，及空間上更寬但角 度更窄的端口 122，由終點(diǎn)125和126標(biāo)記。點(diǎn)127是終點(diǎn)123和125 之間的元件120表面上的點(diǎn)，自該點(diǎn)的一與構(gòu)成元件120的透明介質(zhì) 成臨界角e的射線將正好在相對(duì)側(cè)上的終點(diǎn)126離開(kāi)元件120。點(diǎn) 128與點(diǎn)127直接相對(duì)。從終點(diǎn)123到點(diǎn)127，元件120的外形為橢圓，聚焦在相對(duì)點(diǎn)124和126。在終點(diǎn)125和127之間為拋物線形， 聚焦在點(diǎn)124，且軸平行于從點(diǎn)127延伸到點(diǎn)126的射線。相對(duì)側(cè)， 從終點(diǎn)124到點(diǎn)128及從點(diǎn)128到終點(diǎn)126，被相應(yīng)成形。在點(diǎn)127 和128的左邊是CEC (復(fù)合橢圓形聚光器)，其右邊為CPC。分布變 換元件120的窄角度輸出用作另外實(shí)施例的適當(dāng)輸入。該裝置相對(duì)于 具有2 e出口角的簡(jiǎn)單CPC的優(yōu)點(diǎn)在于TIR更易于實(shí)現(xiàn)在底部邊緣 123和124。
對(duì)于在此描述的光學(xué)變換器的光學(xué)歧管的構(gòu)件塊同等重要的是 光束擴(kuò)展量守恒的方式，從而以高NA (通常約為1)傳輸亮度，同時(shí) 對(duì)其混合以獲得高均勻性和不變色。NA可使用下述等式之一計(jì)算
A^ = Msin(>/2-《)="7(1-1/"2)
其中ec為材料的臨界角，n為材料的折射率。該等式用于確定 系統(tǒng)的NA，其中輸入射線束已經(jīng)在電介質(zhì)內(nèi)。在這種情況下，等式 中的n值大于1.0。
關(guān)于照明傳輸?shù)默F(xiàn)有技術(shù)如Fein的美國(guó)專(zhuān)利6， 189， 687中所示， 特別是其圖1F。該角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)只可與傳統(tǒng)的反射器一起使用，因?yàn)?對(duì)于進(jìn)入的任意射線TIR將失效。對(duì)于所有TIR操作，F(xiàn)ein在其圖 3B中具有45。轉(zhuǎn)向的器件。具有類(lèi)似幾何結(jié)構(gòu)的光學(xué)部件在此重畫(huà) 在圖13A中，以幫助識(shí)別在此公開(kāi)的角旋轉(zhuǎn)器相對(duì)于其的區(qū)別和優(yōu) 占。
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圖13A示出了 Fein的角轉(zhuǎn)向器1350的結(jié)構(gòu)，具有相互呈45° 角方向的端口 1351和1352。其使用結(jié)構(gòu)角9，該角為臨界角9c二 sin—'(l/n)的余角，對(duì)于n二1.495， e = 49° 。這對(duì)應(yīng)于引導(dǎo)的光的 最大角，或大體上NA4。內(nèi)壁1353為T(mén)IR可用于其的平面鏡，從端 口 1351上的點(diǎn)Fl延伸到端口 1352上的點(diǎn)F2。外壁1354包括從端 口 1351上的點(diǎn)Pl延伸到點(diǎn)P2的拋物線形弧，聚焦在點(diǎn)F2且軸在近 乎垂直于線F2-Pl的方向(如圖13A中所見(jiàn)的順時(shí)針?lè)较?與入口孔 1351的法線成9角，從點(diǎn)P2延伸到點(diǎn)P3的拋物線形弧，焦點(diǎn)為Fl 和F2，從點(diǎn)P3延伸到端口 1352上的點(diǎn)P4的拋物線形弧，聚焦在點(diǎn)Fl，其軸與垂直于出口孔1352的方向成6角。當(dāng)以大約NA二1限制 光射線時(shí)，作圖線1355以同樣方式自外壁1354反射。
盡管這些作圖線用于NA大約等于1的情況，F(xiàn)ein的圖3B的器 件實(shí)際上不能僅經(jīng)全內(nèi)反射傳輸這樣的輻射。這在圖13B中圖示，其 圖示角轉(zhuǎn)向器1310的射線跟蹤。邊緣射線1357與垂直于入口孔的方 向成一定角度，其是該器件的材料的臨界角的余角。它們中只有一個(gè) 即射線1357e被反射。所有其余的、折射傳輸?shù)纳渚€1357r構(gòu)成漏光 和部分器件失效。更完全的射線跟蹤表明僅在射線入射角小于等于連 接點(diǎn)Fl和P4的線與垂直于圖13A的入口孔的線之間的角度時(shí)才可獲 得100%傳輸。在圖13A的例子中，該角度大約為3度。 一些入射角 大于3度的射線將漏到光學(xué)部件的外面。如果所有光借助于全內(nèi)反射 重定向，很明顯Fein描述的器件即其圖3B所示的器件僅適于旋轉(zhuǎn)高 度校準(zhǔn)的光源。
角旋轉(zhuǎn)器用在滿足所有射線全內(nèi)反射(相當(dāng)于最高可能NA)的 光學(xué)歧管中。圖13C為角旋轉(zhuǎn)器130的截面圖，具有第一端口 131和 第二端口 132，其為2 9角寬度的光的完全交換。該角度兩倍于旋轉(zhuǎn) 器130的透明材料的臨界角的余角。第二端口 132在自端口 131平面 的P角處，通常在大約45。的方便值，使兩個(gè)角旋轉(zhuǎn)器能夠傳輸大 約直角彎曲的亮度，實(shí)質(zhì)上沒(méi)有損耗，對(duì)簡(jiǎn)單的圓形或正方形截面的 現(xiàn)有技術(shù)而言，這種情形必將導(dǎo)致不可避免的損耗。
在圖13C中，扁平側(cè)壁133延伸在橢圓形段134的焦點(diǎn)Fl和F2 之間，其由扁平側(cè)壁135和136側(cè)翼包圍。側(cè)壁135的方向垂直于入 口孔131，側(cè)壁136的方向垂直于出口孔132。射線137經(jīng)單次全內(nèi) 反射從焦點(diǎn)Fl延伸到焦點(diǎn)F2，射線138經(jīng)單次全內(nèi)反射從端口 131 點(diǎn)Fl的對(duì)邊延伸到端口 132點(diǎn)F2的對(duì)邊。這示出了角旋轉(zhuǎn)器130怎 樣將± e內(nèi)的所有射線從第一端口 131傳到第二端口 132，沒(méi)有任何 漏光。這種非成像光學(xué)結(jié)構(gòu)有助于消除其接收的任何亮度非均勻性。 這種消除是因?yàn)榈诙丝?132上的每一點(diǎn)從整個(gè)端口 131及從角旋轉(zhuǎn)器130的壁反射接收光。由于圖象正好是另一類(lèi)型的亮度非均勻性， 這就是為什么本實(shí)施例及其它實(shí)施例在此稱(chēng)為"非成像"的原因。
圖13D是與圖13C類(lèi)似的角旋轉(zhuǎn)器1300的截面圖，包括曲率中 心在點(diǎn)C的外弧1301和中心也在點(diǎn)C的內(nèi)弧1302。簡(jiǎn)單的曲線1303 終止于弧1302的兩端，簡(jiǎn)單的曲線1304終止與弧1301的兩端。曲 線1303和1304共同定義端部1305和1306。它們的雙向特性由相對(duì) 定向的射線1307和1308表示，以外入射角a和內(nèi)角p分別自弧 1301和1302全內(nèi)反射。端部未被顯示為折射射線，因?yàn)樗鼈冾A(yù)期將 與如在此公開(kāi)的其它光學(xué)歧管連接。
圖13E也示出了角旋轉(zhuǎn)器1300，但具有邊緣射線的平行通路的 完全集1309和1310，其定義角度限制，旋轉(zhuǎn)器1300在角度限制內(nèi) 將經(jīng)全內(nèi)反射通過(guò)大弧傳送所有光度。
圖14是光學(xué)移動(dòng)器140的截面圖，包括第一角旋轉(zhuǎn)器141和相 對(duì)方向的第二角旋轉(zhuǎn)器142。為裝配在一起，已通過(guò)去除與圖13C的 平段135類(lèi)似的段而對(duì)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)器進(jìn)行修改。因而，段F「F3比輸入 光寬。移動(dòng)器140的凈效應(yīng)是橫向偏移輸入亮度分布的1. 5倍寬，當(dāng) 然，其被限制在構(gòu)成其的透明材料的臨界角范圍內(nèi)。在移動(dòng)器140內(nèi) 的多次內(nèi)部反射意于消除進(jìn)入其的任何亮度非均勻性。
圖15A為光學(xué)移動(dòng)器150的截面圖，也用于沒(méi)有角度旋轉(zhuǎn)的橫向 亮度偏移。第一端口 151跨點(diǎn)F/和F2。第二端口 152跨點(diǎn)F,和F2' 并從端口 151偏移一半寬度，如虛線150L所示。當(dāng)端口之一與空氣 接界時(shí)，進(jìn)入端口的光必須在150的透明材料的臨界角e內(nèi)。直線 段F/Pi垂直于端口 152，直線段F2'P2垂直于端口 151。拋物線F,P, 焦點(diǎn)在F2且軸平行于射線rl。拋物線F^2焦點(diǎn)在R且軸平行于射線 r2。作為非成像光學(xué)器件，如先前結(jié)合圖13C所述，元件150意于消 除進(jìn)入其的任何亮度非均勻性。
圖15B為光學(xué)移動(dòng)器155的截面圖，用于橫向亮度偏移其全部寬 度，如線155L所示。第一端口 156跨越從軸155L —端處的點(diǎn)15BPT1 到點(diǎn)15BPT2。第二端口 157跨越從點(diǎn)15BPT3到軸155L另一端處的
55點(diǎn)15BPT4。如先前所述，光被限制在構(gòu)成移動(dòng)器155的透明材料的 臨界角15BA1范圍內(nèi)。這在圖15B中示作在從點(diǎn)15BPT3到15BPT7的 射線確定的線和軸155L之間形成的銳角。移動(dòng)器155的周界部分由 直線組成，從點(diǎn)15BPT2到點(diǎn)15BPT5及從點(diǎn)15BPT3到點(diǎn)15BPT6，這 些線垂直于端口 156和157。拋物線段158從點(diǎn)15BPT5延伸到點(diǎn) 15BPT4，且其焦點(diǎn)在點(diǎn)15BPT1及軸平行于點(diǎn)15BPT7和15BPT3確定 的射線。拋物線段159從點(diǎn)15BPT6延伸到點(diǎn)15BPT1，且其焦點(diǎn)在點(diǎn) 15BPT4及其軸也平行于點(diǎn)15BPT7和15BPT3確定的射線。
圖15C為圖15B中所述光學(xué)移動(dòng)器155的截面圖。通過(guò)以下述方 式相對(duì)于左手側(cè)(段15BPT1-15BPT3-15BPT4)移動(dòng)裝置的右手側(cè)(段 15BPT1-15BPT2-15BPT4)，即點(diǎn)15BPT1總是在左拋物線159上及第 一端口 156被移到位置15BPT1[15BPT2、在保持其孔徑張角的同時(shí)， 光的橫向位移可改變?yōu)槿魏沃怠?br> 圖15A和15B示出了沿亮度橫向偏移的可能值的連續(xù)區(qū)間的兩種 變化。更大的偏移僅需要比圖15B的155更長(zhǎng)的移動(dòng)器。
圖16為光學(xué)絞扭器160的透視圖，其具有第一矩形端口 161和 方向垂直于其的第二端口 162。螺線163是四個(gè)形成160的拐角的螺 線之一。還示出了跨氣隙160g放置的Lambertian LED165，使得器 件160內(nèi)的光被限制在其材料的臨界角內(nèi)，從面161到162的傳送幾 乎沒(méi)有損耗。
圖17為組合了角旋轉(zhuǎn)器的光學(xué)歧管170的截面圖。具體地，圖 17示出了角旋轉(zhuǎn)器可怎樣被限制以制造光學(xué)歧管170。 LED171和172 跨相應(yīng)的氣隙171g和172g將它們的光照入各自的角旋轉(zhuǎn)器173和 174，后者根據(jù)直線段175的長(zhǎng)度定位。出射口 176的整個(gè)寬度從兩 個(gè)LED接收光。
圖18為組合在三維設(shè)計(jì)內(nèi)的光學(xué)歧管170的實(shí)施例的透視圖。 Lambertian LED181和182照入歧管180及其照入的光從出射口 183 流出。來(lái)自每一 LED的光實(shí)質(zhì)上遍布183的整個(gè)寬度。在圖18中， 二維外形通過(guò)使用正交通路方向擠壓在三維立體中?；蛘撸鰯D壓可以為具有1或2度斜度角的錐形以有助于去除來(lái)自注模的部分。在 該方法中，開(kāi)始或結(jié)束側(cè)面將小于其它側(cè)面，這被認(rèn)為將僅導(dǎo)致器件 性能的很小降低。
圖19為具有正方形輸入扣191的光學(xué)歧管190的透視圖。相續(xù)
的角旋轉(zhuǎn)器192和193饋給矩形輸出口 194。直的矩形部分195饋給 相續(xù)的角旋轉(zhuǎn)器196和197，繼而矩形輸出口 198。部分195的長(zhǎng)度 適于使端口 198位于與端口 194 一樣的平面內(nèi)。
圖20A為光學(xué)歧管200的示意圖，包括從紅光LED R接收光的橫 向移動(dòng)器201、從綠光LED G接收光的混合棒202、及從藍(lán)光LED B 接收光的橫向移動(dòng)器203。管道204接收它們的混合光。在歧管200 內(nèi)，所有光均不限制在臨界角e內(nèi)，因?yàn)?，如先前所述，LED跨小 氣隙如所示的201g照射。
圖20B是光學(xué)歧管205的示意圖，與歧管200 (圖20A)類(lèi)似， 具有由三個(gè)分支207-209饋給的輸入管道206。然而，為達(dá)到更多分 開(kāi)的光源，歧管205更大。輸入分支207和208中的每一個(gè)包括兩個(gè) 相反定向的角旋轉(zhuǎn)器。上面的分支207被示作包括向上彎曲的第一角 旋轉(zhuǎn)器207a和向下彎曲的后繼角旋轉(zhuǎn)器207b，虛線207d連接它們。 上面的分支207用于紅光LED R，下面的分支208用于藍(lán)光LED B， 而更長(zhǎng)的混合棒209用于綠光LED G。
圖21為4:1光學(xué)歧管210的截面圖，具有共面輸入口 211、角 旋轉(zhuǎn)器212、及其整個(gè)跨度從每一輸入口接收光的輸出口 213。然而， 類(lèi)似狹縫的裂縫214在實(shí)際實(shí)踐中將被稍微圓角化，即用更寬的圓頭 代替這樣的長(zhǎng)裂縫的尖頭，可能千分之幾英寸寬，角旋轉(zhuǎn)器212在所 述裂縫處并入光學(xué)歧管210的組合器內(nèi)。
射線跟蹤已表明這樣的違背理想形式的實(shí)踐僅導(dǎo)致百分之幾的 損耗，且跨出口面只有很小的均勻性偏差。這樣的設(shè)計(jì)修改太小以致 于按這些圖的繪圖比例不容易看見(jiàn)，且它們的執(zhí)行成本較小。部分地， 這是由于在此描述的光學(xué)變換器的大整合能力，藉此，輸入光的大空 間變化將導(dǎo)致非常小的輸出均勻性偏離。例如，LED上的暗黑結(jié)合區(qū)將導(dǎo)致僅5%的均勻性偏離，遠(yuǎn)小于商業(yè)顯示器的非正式的50%極 限。
圖22示出了4:1光學(xué)歧管220，具有共面LED221、雙角旋轉(zhuǎn)器 222和出射口 223。在圖22中，共面LED221之間的間隔大于圖21的 那些LED之間的間隔。
圖21和22的LED跨氣隙將其Lambertian光注入，使得在歧管 內(nèi)光被限制在臨界角內(nèi)。圖23示出了 4:1光學(xué)歧管230，共面LED231 浸入在角變換器232中，與圖12那一樣。來(lái)自它們的光依次進(jìn)行到 角旋轉(zhuǎn)器233、出射口 234。根據(jù)在此示教的原理，輸入口之間的距 離可被調(diào)節(jié)到任何需要的距離，同時(shí)允許這些端口位于同一平面上。 當(dāng)設(shè)計(jì)用于位于同一電路板上的多個(gè)LED的特定歧管組合器時(shí)這種 能力特別有用，因?yàn)榱己脽峁芾硭璧腖ED之間的距離很容易進(jìn)行調(diào)
圖24所示為弓形4:1光學(xué)歧管240，具有輸入口 241、角旋轉(zhuǎn)器 242和出射口 243。外壁244、 245和246及內(nèi)壁247為同心在點(diǎn)C的 圓弧。半徑R必須足夠大以防止漏出這些弓形壁。本發(fā)明所有實(shí)施例 實(shí)際上均有可能，該器件的明顯折痕可通過(guò)削角或圓角進(jìn)行修改，或 二者結(jié)合，對(duì)傳送效率或輸出均勻性沒(méi)有任何明顯影響。
圖25為弓形4:1光學(xué)歧管250的示意圖，包括四個(gè)輸入口 251， 每一輸入口具有小的角旋轉(zhuǎn)器252，及包括一共用輸出口 253。小的 角旋轉(zhuǎn)器254、中等大小的角旋轉(zhuǎn)器255和大的角旋轉(zhuǎn)器256使歧管 250能夠具有從小半徑257、到中間半徑258、到大曲率半徑259的 曲率半fe變化。這些半徑及分支內(nèi)間隔由包括特定歧管的各個(gè)角旋轉(zhuǎn) 器的旋轉(zhuǎn)角和相對(duì)大小控制。
圖26A為2x2:1光學(xué)歧管260的透視圖，具有非共面正方形輸入 口261，每一輸入口具有小的角旋轉(zhuǎn)器262。每對(duì)旋轉(zhuǎn)器262將矩形 分布饋給大的角旋轉(zhuǎn)器263。在圖26A中，四個(gè)端口261中的每一個(gè) 己被放置在任意不同的平面中，但也可容易地放在同一平面中。圖26B為圖26A的2x2:1光學(xué)歧管260的透視圖，還示出了由矩 形角旋轉(zhuǎn)器263饋給的正方形出射口 264，角旋轉(zhuǎn)器263由在垂直于 旋轉(zhuǎn)器263所在平面的平面中起作用的角旋轉(zhuǎn)器262饋給。
圖26C為4:1歧管2650的透視圖，包括由兩個(gè)角旋轉(zhuǎn)器2652饋 給的輸出口 2651，每一角旋轉(zhuǎn)器由一對(duì)在正交平面中的角旋轉(zhuǎn)器 2653饋給。這四個(gè)旋轉(zhuǎn)器中的每一個(gè)通過(guò)兩個(gè)以上旋轉(zhuǎn)器形成四個(gè) 分支2655中的一個(gè)。
圖26D為9:1歧管2660的透視圖，具有與圖26C的2655 —樣的 轉(zhuǎn)角分支2665，但具有更大的輸出口 2661。在轉(zhuǎn)角分支2665之間是 中央分支2666和側(cè)向分支2667，其包括上部角旋轉(zhuǎn)器2667A和下部 角旋轉(zhuǎn)器2667B，由光管2667P連接。中央光管2668在該3x3光學(xué) 管道陣列的最中間。
圖27A為更精心制作的4x4:1光學(xué)歧管270的透視圖，其具有 16個(gè)共面輸入口271，每一輸入口具有雙角旋轉(zhuǎn)器272。每列四個(gè)雙 角旋轉(zhuǎn)器饋給大的雙角旋轉(zhuǎn)器273。
圖27B為圖27A的4x4:1光學(xué)歧管270的另一透視圖，其示出了 正方形的輸出口 274。
圖28A為4x4:1光學(xué)歧管280的透視圖，其具有16個(gè)共面輸入 口 281，每一輸入口具有饋給第二角旋轉(zhuǎn)器283的雙角旋轉(zhuǎn)器282， 第二角旋轉(zhuǎn)器位于雙角旋轉(zhuǎn)器282所在平面旋轉(zhuǎn)90°的平面中。這 些雙角旋轉(zhuǎn)器中的四個(gè)的列饋入四個(gè)絞扭器284，之后饋給大的角旋 轉(zhuǎn)器285。
圖28B為圖28A的歧管280從另一角度的透視圖，其示出了正方 形的出射口 286。
為舉例說(shuō)明在此描述的光學(xué)歧管的多用途性，圖29為光學(xué)歧管 290的透視圖，其與可用于照明汽車(chē)儀表板的儀器的光學(xué)歧管類(lèi)似。 為了可靠性，雙輸入LED291饋入歧管290， 一種可能用作主要照明 器，第二種用作備用或日間照明器?；蛘?，兩個(gè)LED可具有不同的顏 色從而以信號(hào)告知完全不同的條件。輸入光在混合棒292中拆分，大約一半去向4x4輸出陣列293，另一半繼續(xù)拆分并饋給矩形輸出口
294。
在此描述的光學(xué)歧管的另一優(yōu)點(diǎn)在于其不僅改變進(jìn)入其的光的 極限角而且改變進(jìn)入其的亮度的空間形狀的能力，具體地，從正方形 變?yōu)殚L(zhǎng)方形。圖15A和15B的亮度移動(dòng)器可用于該目的，使能產(chǎn)生拉 長(zhǎng)的亮度分布。
圖30為亮度移動(dòng)器300的透視圖，形成自寬度w的側(cè)面301 (在 端口 302)，通過(guò)w/2的正交掃描，使得第一端口 302為2:1矩形。 第二端口 303被偏移w/2，如圖15A所示。
圖31A為另一實(shí)施例的分解透視圖。上面的四分之一寬度移動(dòng)器 300U跨線300Ud與w/2寬的正交移動(dòng)器305U連接，向下偏移w/4。 幾乎一樣但倒置的下移動(dòng)器300L與移動(dòng)器305L連接，以側(cè)移w/2及 向上偏移w/4。
圖31B為圖31A分解圖中所示單片光束擴(kuò)展量擠壓器310的透視 圖。在圖31B中，正方形輸入面311被分為上管道311U和下管道311L， 還分叉以形成4:1矩形輸出面(未示出)。如先前所述，該器件作用 于其透明材料臨界角內(nèi)的光。
圖31C為圖31B中所示光束擴(kuò)展量擠壓器310的另一透視圖，其 示出了 4:1矩形輸出面312，還示出了其寬度2w和高度w/2。
圖32為單片9:1光束擴(kuò)展量擠壓器320的透視圖，包括左上 光管道321、中央矩形管道322、右下光管道323。這些光管道將正 方形正面端口 324分為三個(gè)部分，每一部分具有3:1的比，其被移位 并重新連接為9:1拉長(zhǎng)的矩形管道325。矩形325的形狀可用作9個(gè) 小光管道的扇出或光源的合成光源，特別是在涂覆磷光體時(shí)。
在此描述的光學(xué)歧管的許多實(shí)施例的實(shí)際問(wèn)題在于將用于把歧 管安裝在適當(dāng)位置的固定點(diǎn)放在哪里。當(dāng)表面為光學(xué)活性表面時(shí)，將 安裝夾持機(jī)構(gòu)放在那里將導(dǎo)致光損害，其通過(guò)光轉(zhuǎn)向從其去往的目的 地?fù)p耗。因此，必須安排一些光學(xué)無(wú)活性表面作為歧管的一部分。
60在圖33A中，每一項(xiàng)的名稱(chēng)符合這樣的規(guī)則其以圖號(hào)(33A)
開(kāi)始，之后為確定對(duì)象類(lèi)型的代碼(PT代表點(diǎn)、P代表拋物線、E代 表橢圓、FM代表平面鏡、R代表光射線)，然后是個(gè)別確定每一項(xiàng)的 數(shù)字。其余的項(xiàng)沒(méi)有任何確定對(duì)象類(lèi)型的代碼，只有圖號(hào)(33A)和 數(shù)字。圖33A為具有輸入端口 33A1和輸出端口 33A2的光管道330的 截面圖，兩個(gè)端口均具有有限的入射角9。管道330的側(cè)面包括焦 點(diǎn)在點(diǎn)33APT12、軸平行于光線33AR1并從點(diǎn)33APT1延伸到點(diǎn)33APT2 的拋物線弧33AP1。點(diǎn)33APT2在通過(guò)點(diǎn)33APT15的直線上并在相對(duì) 于入口孔33A1的法線成e角的方向上。側(cè)壁以焦點(diǎn)在33APT15和 33APT12的橢圓弧33AE1繼續(xù)，其從點(diǎn)33APT2延伸到點(diǎn)33APT3。拋 物線弧33AP2從點(diǎn)33APT3延伸到點(diǎn)33APT5,其焦點(diǎn)在點(diǎn)33APT12及 軸平行于射線33AR2。橢圓弧33AE2焦點(diǎn)在33APT13和33APT12,及 從點(diǎn)33APT5延伸到點(diǎn)33APT6。橢圓弧33AE3焦點(diǎn)在33APT13和 33APT16,及從點(diǎn)33APT6延伸到點(diǎn)33APT8。平面鏡33AFM1完成光導(dǎo) 的左側(cè)，其從點(diǎn)33APT8延伸到點(diǎn)33APT9。點(diǎn)33APT8通過(guò)使垂直于 出口 33A2、通過(guò)點(diǎn)33APT9的直線與另一通過(guò)點(diǎn)33APT10的直線相交 獲得，且其與出口 33A2的法線成e角。點(diǎn)33APT16在連接點(diǎn)33APT8 和33APT10的直線上。在右手側(cè)，光導(dǎo)以拋物線弧33AP3開(kāi)始，其焦 點(diǎn)為33APT16及軸平行于射線33AR4，并從點(diǎn)33APT10延伸到 33APT12。輪廓以非光學(xué)有效曲線33A3繼續(xù)，其可以是給定的任何形 狀，只要不與連接點(diǎn)33APT12和33APT13的直線相交即可。拋物線弧 33AP4焦點(diǎn)在點(diǎn)33APT1，其軸平行于射線33AR3并從點(diǎn)33APT13延伸 到點(diǎn)33APT14。平面鏡33AFM2完成設(shè)計(jì)并從點(diǎn)33APT14延伸到點(diǎn) 33APT15。
圖33B為與圖13D所示類(lèi)似的角旋轉(zhuǎn)亮度管道3300的截面圖， 其具有由角33B1指示的全90°光旋轉(zhuǎn)。受光角和出口角33B4為相 同的值。在該圖的命名法中，MP代表宏焦(macrofocal)拋物線(如 D. Spencer在1965年1月的"the Optical Society of America" 期刊第55巻、第1期、第5—11頁(yè)、題為"Macrofocal Conies asReflector Contours"的論文所定義)，C代表圓。側(cè)壁以從點(diǎn)33BPT1 延伸到點(diǎn)33BPT2的宏焦拋物線33BMP1為開(kāi)始。其反射平行于射線 33BR2的射線，正切于中心為33BPT8及半徑等于從點(diǎn)33BPT8到點(diǎn) 33BPT3的距離的圓形焦散面33B2。光導(dǎo)以圓形反射鏡33BC1繼續(xù)， 其中心為33BPT8及從點(diǎn)33BPT2延伸到點(diǎn)33BPT7。內(nèi)壁由從點(diǎn)33BPT5 延伸到點(diǎn)33BPT4的平面鏡33BFM1組成。該平面鏡垂直于出口孔。 Macrofocal拋物線33BMP2從點(diǎn)33BPT4延伸到點(diǎn)33BPT3并反射平行 于射線33BR1的射線，就像它們正切于圓周33B3 —樣，其為焦散面 33B2的延伸。該反射鏡的行為由射線33BR1例示，在反射后其表現(xiàn) 為從正切點(diǎn)33BPT6到圓周33B3。輪廓由非光學(xué)有效表面33B6完成， 其可以是給定的任何形狀，只要其不與中心在33BPT8并從點(diǎn)33BPT3 到33BPT9的圓形焦散面33B2相交即可。光學(xué)部件相對(duì)于垂直線33B5 對(duì)稱(chēng)。由于反射鏡33BC1為圓形反射鏡，33B2為圓形焦散面，二者 具有相同的中心，光學(xué)部件提供的旋轉(zhuǎn)可通過(guò)改變角33B1而容易地 改變(相應(yīng)降低33BC1和33B2的弧長(zhǎng)度及旋轉(zhuǎn)側(cè)面反射鏡)，同時(shí) 保持其余幾何形狀不改變。
圖34為光管道340的截面圖，其具有對(duì)稱(chēng)放置的端口 341和342。 其下部輪廓左邊包括拋物線形反射鏡34Pl，該反射鏡從點(diǎn)34PT1延 伸到34PT2、焦點(diǎn)在34PT3及軸平行于34Rl。上部輪廓左邊包括垂直 于端口 341、從點(diǎn)34PT6延伸到點(diǎn)34PT5的平面鏡段34FM1。之后， 其以從點(diǎn)34PT5到點(diǎn)34PT4的拋物線形反射鏡34P2繼續(xù)，所述反射 鏡焦點(diǎn)在34PT1及軸平行于射線34Rl。所述輪廓由非光學(xué)有效曲線 343完成，其可以是給定的任何形狀，只要不與連接點(diǎn)34PT4和34PT3 的直線相交即可。受光角等于出口角并由射線34R1和連接點(diǎn)34PT1 及34PT5的線之間的角確定。設(shè)計(jì)相對(duì)于垂直線344對(duì)稱(chēng)。
圖35為具有多個(gè)輸入口 351及出射口 352的光管道350的截面 圖。輸入口 351垂直于平面鏡35FM3和35FM1。裝置的受光角由從點(diǎn) 35PT2到點(diǎn)35PT12的線和射線35R1之間的角確定。二者與平面鏡 35FM3和35FM1成相同的角。出口角由連接點(diǎn)35PT8和35PT10的線及包含點(diǎn)35PT9和35PT7的線之間的角確定。平面鏡35FM1從點(diǎn)35PT1 延伸到點(diǎn)35PT2。光導(dǎo)外周以拋物線弧35P1繼續(xù)，其從點(diǎn)35PT2延 伸到點(diǎn)35PT3、焦點(diǎn)在35PT11、軸平行于射線35R1。橢圓弧35E1從 點(diǎn)35PT3延伸到35PT4并具有焦點(diǎn)35PT12和35PT11。拋物線弧35P2 從點(diǎn)35PT4延伸到點(diǎn)35PT6，其焦點(diǎn)在35PT12及軸平行于射線35R2。 橢圓弧35E2在點(diǎn)35PT6和35PT7之間延伸且其焦點(diǎn)在35PT12和 35PT9。拋物線35P3從點(diǎn)35PT7延伸到點(diǎn)35PT8，其焦點(diǎn)在35PT12 及軸平行于從點(diǎn)35PT7到點(diǎn)35PT7的射線。在另一側(cè)，光導(dǎo)輪廓以從 點(diǎn)35PT9延伸到點(diǎn)35PT10的平面鏡35FM2為開(kāi)始。拋物線弧35P4從 點(diǎn)35PT10延伸到35PT11,其焦點(diǎn)在點(diǎn)35PT8及軸平行于射線35R2。 設(shè)計(jì)由從點(diǎn)35PT11延伸到點(diǎn)35PT12的非光學(xué)有效表面353結(jié)束，其 可以是給定的任何形狀，只要不與連接點(diǎn)35PT11和35PT12的直線相 交即可。
圖36為亮度管道360的截面圖，具有關(guān)于從點(diǎn)36PT1到點(diǎn)36PT2 的虛線的雙向?qū)ΨQ(chēng)的結(jié)構(gòu)，并具有端口 363。光學(xué)部件361和362與 光學(xué)部件350 —樣，其中平面鏡35FM1和35FM3及端口 351均己去除。 圖36中從點(diǎn)36PT1至lj 36PT2的線與圖35中從點(diǎn)35PT2到點(diǎn)35PT12 的線相同。
圖37A為包括圖35的系統(tǒng)350的擴(kuò)展光學(xué)歧管的截面圖，四部 分歧管371由四個(gè)LED372饋給。光學(xué)歧管371包括圖36的四個(gè)部分 360，及角旋轉(zhuǎn)器374和角變換器375,這些被示為通過(guò)箭頭376連 到管道350。光學(xué)無(wú)活性表面373可用于安裝及用于注模中的注入門(mén) 和脫模銷(xiāo)的定位。
圖37B為光學(xué)歧管的另一實(shí)施例的透視圖。圖37B中的光學(xué)歧管 3700結(jié)合先前圖中的元件。在圖37B中，光學(xué)歧管3700包括四個(gè)輸 入口 3701 (每一個(gè)具有CPC3703)及僅具有它們的結(jié)合光束擴(kuò)展量的 單一輸出3702，使得進(jìn)入輸入口的所有光將被傳出出射口。每一輸 入口 3701饋給角旋轉(zhuǎn)器3704之一，外形與圖33A的實(shí)施例中的一樣。 旋轉(zhuǎn)器饋給組合器3705，與圖22的一樣，其繼而與大的旋轉(zhuǎn)器3706連接。結(jié)構(gòu)梁3707與旋轉(zhuǎn)器3704的光學(xué)無(wú)活性凸緣連接，在不同于 凸緣3708的平面提供可靠安裝。
圖37C為另一組合的截面圖，其示出了兩個(gè)具有遠(yuǎn)程磷光體的單 獨(dú)雙透鏡LED3750，與圖7E的一樣，包括藍(lán)通二向色濾光片3755， 可見(jiàn)磷光體反向發(fā)射的再循環(huán)射線3756。每一磷光體饋給角旋轉(zhuǎn)器 3770，它們的光度在輸出口 3780結(jié)合。托架3775提供堅(jiān)實(shí)的支撐， 使得磷光體3760不會(huì)接受結(jié)構(gòu)負(fù)荷。
圖38A為具有源Sl的電介質(zhì)CPC的截面圖，發(fā)射邊緣射線383 照射具有接收器R1的電介質(zhì)CPC382。跨S1的非均勻性將被消除以 在Rl給出均勻分布。彎曲的正面使該實(shí)施例比平面CPC短。
圖38B為另一結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)CPC的截面圖。因?yàn)檫吘壣渚€的自由 空間傳播對(duì)位置誤差不能容忍，圖38B示出了確保光傳送的備選結(jié) 構(gòu)。具有光源S2的平面電介質(zhì)CPC385照射電介質(zhì)塊387，其繼而照 射具有接收器R2的CPC386。在使用該CPC結(jié)構(gòu)的光學(xué)部件中，對(duì)于 一些實(shí)施例，需要?dú)庀?88?？狗瓷渫繉涌杀皇┘拥綁K387靠近氣隙 的面以使因菲涅耳反射引起的損害最小。
圖39A和39B為包括電介質(zhì)CPC的另一方案的截面圖。當(dāng)需要 90°轉(zhuǎn)向時(shí)，圖39A的結(jié)構(gòu)表明棱鏡耦合器可怎樣用于傳輸通量。CPC 39A3從源39A1收集光并將其對(duì)準(zhǔn)在對(duì)角線反射鏡39A5上，對(duì)角線 反射鏡將所述光向CPC 39A4反射，CPC 39A4將光聚集在接收器39A2 上。然而，這種幾何結(jié)構(gòu)不是完美的結(jié)構(gòu)，離開(kāi)源的部分射線39AR3 將透過(guò)光學(xué)部件的側(cè)壁，與射線39AR1和39AR2的情形一樣。圖39B 的光學(xué)部件為類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，但為圖39A的改進(jìn)。在該實(shí)施例中，CPC 39B3從源39B1收集光并通過(guò)氣隙39B6對(duì)準(zhǔn)。對(duì)角線反射鏡39B5反 射該光使其通過(guò)氣隙39B7、進(jìn)入CPC 39B4， CPC 39B4繼而將所述光 聚集在接收器39B2上。光學(xué)部件內(nèi)的光線通路由光線39BR1例示。 氣隙39B7在從CPC 39B3出來(lái)的輻射流線的方向上，氣隙39B6在由 反射鏡39B5反射的光及CPC 39B4的光的流線方向上。這種結(jié)構(gòu)使能 完美地將光從源39B1幾何傳輸?shù)浇邮掌?9B2。由于氣隙處的菲涅耳損耗從而將有一些光損耗，因此，可采用抗反射涂層將損耗降低到可 以忽略的水平。
圖40為光學(xué)歧管的另一結(jié)構(gòu)的截面圖。參考圖10D的再循環(huán)磷 光體反向發(fā)射所示及所述的方法利用藍(lán)通濾光片，其將該反向發(fā)射返 回到磷光體。這種方法利用磷光體的低吸收特性。圖40的結(jié)構(gòu)可用
于對(duì)其自己的發(fā)射波長(zhǎng)沒(méi)有有效吸收的磷光體。電介質(zhì)CPC401具有 與其連接的藍(lán)光LED402，其直接輸出被示作邊緣射線403。該藍(lán)光不 受阻止的通過(guò)對(duì)角線藍(lán)通濾光片404并進(jìn)入電介質(zhì)CPC405以照射磷 光體小片406。磷光體反向發(fā)射向?yàn)V光片404進(jìn)發(fā)并被反射入第三電 介質(zhì)CPC407，其具有出口面408。平部407f用于將入射角限制到小 于臨界角ac，對(duì)于包括CPC407的電介質(zhì)材料的折射率n， a c= sin—1 (1/n)。
圖41為光學(xué)歧管的另一結(jié)構(gòu)的截面圖。圖41示出了與圖40類(lèi) 似的結(jié)構(gòu)，包括具有藍(lán)光LED412與其連接的電介質(zhì)CPC411。 CPC411 具有對(duì)角線出口面413，藍(lán)通濾光片覆蓋在那里。光學(xué)連接到面413 的是對(duì)角線棱鏡414。與棱鏡414相鄰的是電介質(zhì)CPC415，在其出口 面上具有磷光體小片416。磷光體反向發(fā)射通過(guò)棱鏡414，自對(duì)角線 出口面413反射入電介質(zhì)CPC417。這種反射的反向發(fā)射在CPC417的 出口面形成虛擬源418。展開(kāi)圖示出了平部417f怎樣用于將在面418 上的入射角限制到臨界角ac。
圖42為光學(xué)歧管的另一結(jié)構(gòu)的截面圖。圖42示出了與圖41類(lèi) 似的結(jié)構(gòu)。電介質(zhì)CPC421連到藍(lán)光LED422并具有藍(lán)通反射鏡覆蓋于 其上的對(duì)角線出口面423，其光學(xué)上連到棱鏡424。電介質(zhì)CPC425從 LED422接收藍(lán)光并將其聚集在磷光體426上。磷光體反向發(fā)射通過(guò) 棱鏡424反射入對(duì)角線棱鏡427。第三電介質(zhì)CPC428從棱鏡427接 收反向發(fā)射并通過(guò)出口面429聚集。
圖43為圖42的自由空間版的截面圖。彎曲的上電介質(zhì)CPC431 連到藍(lán)光LED432，并通過(guò)藍(lán)通濾光片433將其光發(fā)送給第二電介質(zhì) CPC434，在434出口面具有磷光體小片435。磷光體反向發(fā)射由濾光片433反射到反射鏡436，隨即反射入第三CPC437，在那里其通過(guò)出 口面438聚集。
圖44為類(lèi)似圖43的光學(xué)歧管的另一結(jié)構(gòu)的截面圖。圖44具有 CPC441、藍(lán)光LED442、藍(lán)通濾光片443、第二 CPC444、磷光體小片 445、對(duì)角線反射鏡446、及第三CPC447。 Y形組合器448具有兩倍 于磷光體小片445的面積的輸出面449。
圖45為可用于組合多個(gè)不同顏色的LED以提供多波長(zhǎng)光輸出的 光學(xué)歧管的截面圖。當(dāng)將多個(gè)不同顏色的LED組合為白光合成時(shí)，如 果輸出區(qū)與任一顏色的輸入?yún)^(qū)大約一樣而不是它們的和則是有利的， 因?yàn)檫@將增加亮度，例如增加約3的因子。(應(yīng)注意，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，如 果LED被嵌入在適于所有光從輸出區(qū)出射到空氣中的固體介質(zhì)中，則 輸出區(qū)的大小必須比輸入?yún)^(qū)大等于介質(zhì)材料折射率的平方的因子。) 圖45示出了實(shí)現(xiàn)此的一種方式。示出了三個(gè)曲面電介質(zhì)CPC，包括 紅光CPC451、綠光CPC452和藍(lán)光CPC453。對(duì)應(yīng)的LED光源R、 G、 B 與其各自的CPC光接觸，即沒(méi)有氣隙。對(duì)角線濾光片454僅反射紅光。 第二對(duì)角線濾光片453'僅反射藍(lán)光。從而所有三種顏色被覆蓋并發(fā) 送到第四CPC455，其將它們的光在出口面456結(jié)合為白光合成。出 口面456實(shí)際上怎樣比面R、 G或B大一因子，其至少等于包括四個(gè) CPC451、 452、 453和455的介質(zhì)材料的折射率n。(該因子僅適用二 維情形。在三維情形下，出口面的面積將大n2。)然而，第四CPC455 不同于其它，因?yàn)槠溥€獨(dú)自包括基部直線部分，其用于將面456上的 入射角限制到最大為臨界角ac。其尖端的幾何形狀與圖40中的特 寫(xiě)407f中所示的類(lèi)似。折射射線出口面456將高達(dá)90。。
圖46為可用于組合多個(gè)不同顏色的LED以提供多波長(zhǎng)光輸出的 光學(xué)歧管的另一結(jié)構(gòu)的截面圖。圖46示出了紅光電介質(zhì)CPC461、綠 光CPC462、和藍(lán)光CPC463。第一對(duì)角線濾光片464僅反射紅光，第 二對(duì)角線濾光片465僅反射藍(lán)光。棱鏡塊466裝配自四個(gè)較小的棱鏡， 這些濾光片覆蓋在它們之上。第四電介質(zhì)CPC467接收三個(gè)重疊輻射 輸入并將它們?cè)诔隹诿?68結(jié)合為單一白光輸出，其邊緣n倍于三種顏色的CPC的邊緣之一的大小。直部467f將入射射線限制到臨界角 a Co
圖47為與圖46類(lèi)似的光學(xué)歧管的另一結(jié)構(gòu)的截面圖。當(dāng)需要具 有窄角的白光合成時(shí)，第四CPC可被省卻。同樣，在棱鏡塊和綠光 CPC之間不是絕對(duì)必須氣隙。圖47示出了該結(jié)果，紅光電介質(zhì)CPC471 和藍(lán)光電介質(zhì)CPC473與前述一樣，但綠光CPC472具有雙對(duì)角線出口 面。紅光反射器474和藍(lán)光反射器475被應(yīng)用于對(duì)角線子棱鏡476、 477和478的面。結(jié)合的白光輸出479具有a射束寬度，其是三個(gè) CPC的內(nèi)角e的Snellian合成。
圖48為可用于組合多個(gè)不同顏色的LED以提供多波長(zhǎng)光輸出的 光學(xué)歧管的另一結(jié)構(gòu)的截面圖。如果LED可在同一平面，則將更方便。 因而，圖48示出了多個(gè)平行電介質(zhì)CPC,包括紅光CPC481 、綠光CPC482 和藍(lán)光CPC483。第一和第二對(duì)角線反射器-棱鏡484和485也被示出。 子棱鏡486、 487和488與前述一樣，提供白光輸出489。
圖49為可用于組合多個(gè)不同顏色的LED以提供多波長(zhǎng)光輸出的 光學(xué)歧管的另一結(jié)構(gòu)的截面圖。共面光源的自由空間版也是可能的。 圖49示出了具有混合棒491m和注入器491i的紅光CPC491、綠光彎 曲上CPC492、具有與CPC491 —樣結(jié)構(gòu)的藍(lán)光CPC493。側(cè)面CPC491 和493設(shè)計(jì)成接受限制到臨界角中的輻射，所述臨界角由來(lái)自LED的 光的方向和折射如這些CPC的電介質(zhì)材料內(nèi)的光的方向確定。對(duì)于光 學(xué)上連接到光學(xué)部件的LED (使用膠水或凝膠)，混合棒491m和493m 的上部尖端需要小的CPC變換LED的Lambertian輻射，使得其限制 到混合棒的臨界角內(nèi)，因此所述輻射可沿混合棒向下傳輸，而沒(méi)有側(cè) 向損耗。在這種情形下，側(cè)面CPC491和493設(shè)計(jì)成接受限制在臨界 角內(nèi)的光，而中間CPC492設(shè)計(jì)成接受由中央LED發(fā)射的全部 Lambertian輻射。對(duì)角線反射鏡494將紅光偏轉(zhuǎn)在紅光反射器496 上，同時(shí)反射鏡495將藍(lán)光偏轉(zhuǎn)在藍(lán)光反射器497上。第四CPC498 將這些射束在出口面499結(jié)合為白光輸出，平部498f將在499的入 射角限制到臨界角ac。圖50為可用于組合多個(gè)不同顏色的LED以提供多波長(zhǎng)光輸出的
光學(xué)歧管的另一結(jié)構(gòu)的截面圖。在圖50中，光學(xué)歧管具有帶對(duì)角線 出口面的紅光CPC501、綠光CPC502、及藍(lán)光CPC503。棱鏡504在其 對(duì)角線面具有紅通綠光反射器。過(guò)渡棱鏡505接收結(jié)合的紅、綠光并 光學(xué)上連接到棱鏡506，棱鏡506在其對(duì)角線上具有藍(lán)光反射器，且 白光輸出507從其出射。
圖51A為使用共面光源的光學(xué)歧管的另一結(jié)構(gòu)的截面圖。圖51A 的實(shí)施例包括紅光電介質(zhì)CPC511、綠光電介質(zhì)CPC512和藍(lán)光電介質(zhì) CPC513。對(duì)角線反射鏡棱鏡514反射紅光向下通過(guò)過(guò)渡棱鏡515。光 學(xué)上連到棱鏡515的是具有綠光反射器覆蓋在其對(duì)角線上的對(duì)角線 棱鏡516，其發(fā)送綠光通過(guò)過(guò)渡棱鏡517。光學(xué)上連到棱鏡517的是 具有藍(lán)光反射器覆蓋在其對(duì)角線上的對(duì)角線棱鏡518。白光輸出519 以射束寬度a出射棱鏡519的底部。LED之間的距離可通過(guò)獨(dú)立延 伸光導(dǎo)515禾口/或517而容易改變。
現(xiàn)在參考圖51B。在一些實(shí)施例中，可在于此描述的光學(xué)變換器 的藍(lán)光激發(fā)實(shí)施例中采用兩種不同的磷光體。具有良好量子效率的綠 光磷光體可產(chǎn)生與藍(lán)光激發(fā)LED相同輻射輸出的綠光LED —樣的光 度，但其更寬的波長(zhǎng)范圍更有利于顏色再現(xiàn)。第二磷光體可以是傳統(tǒng) 的黃光磷光體，非常像現(xiàn)在白光LED中使用的磷光體，但被摻雜以減 少其發(fā)射的紅光部分。這是有利的，因?yàn)榧t光波長(zhǎng)當(dāng)通過(guò)光致發(fā)光產(chǎn) 生時(shí)具有大的Stokes損耗。而是，紅光LED與兩種磷光體混合以產(chǎn) 生極好的白光光源。圖51B示出了產(chǎn)生多波長(zhǎng)光輸出的光學(xué)歧管結(jié)構(gòu) 的截面圖。具體地，圖51B的光學(xué)系統(tǒng)包括白光LED歧管5100，并 包括兩個(gè)藍(lán)光LED5101和紅光LED5102作為發(fā)光輸入。藍(lán)光LED5101 饋給CPC5103，其將它們的光校準(zhǔn)在藍(lán)通二向色濾光片5104上，濾 光片5104位于CPC5105的上面。綠光磷光體5106和黃光磷光體5107 使其反向發(fā)射由濾光片5104再循環(huán)，且它們的增強(qiáng)的正向發(fā)射由小 的CPC5108收集，其繼而饋給角旋轉(zhuǎn)器對(duì)5109。每一第二旋轉(zhuǎn)器饋給輸出混合棒5110，其在出射口 5111傳送均勻的亮度和均勻的白色度。
圖51C為產(chǎn)生多波長(zhǎng)光輸出的光學(xué)歧管的另一結(jié)構(gòu)的截面圖。圖
51C的實(shí)施例僅具有綠光磷光體。圖51C的光學(xué)系統(tǒng)包括具有饋給 CPC5152的輸入藍(lán)光LED5151的歧管5150，其接觸藍(lán)通濾光片5153。 CPC5154在其小端具有綠光磷光體5155。磷光體5155饋給CPC5156, 其將磷光體的光校準(zhǔn)在對(duì)角線紅光反射濾光片5157上。藍(lán)光LED5158 饋給CPC5159，其發(fā)送校準(zhǔn)的藍(lán)光通過(guò)濾光片5157。紅光LED5150饋 給CPC5161，其將校準(zhǔn)的光發(fā)送在濾光片5157上，濾光片5157隨即 將該光沿大的CPC5162反射90° 。大的CPC5162混合來(lái)自小的 CPC5156、 5159和5161的光，并將它們傳到角變換器5163，其使它 們的角變窄從而折射出出口面5164。
在此描述的光學(xué)變換器結(jié)合多個(gè)LED光源的能力使能使用和結(jié) 合三種以上波長(zhǎng)。因?yàn)槿搜鄣纳盍钊瞬话驳貙GB視頻的紅色和藍(lán) 色圖象分開(kāi)，可添加淡黃色和青色以減少這樣的效應(yīng)。例如，圖51A 的堆疊結(jié)構(gòu)可被擴(kuò)充以額外兩個(gè)用于淡黃色和青色光源的CPC和濾 光片。
現(xiàn)在參考圖52，其為光學(xué)歧管的另一結(jié)構(gòu)的截面圖。返回亮度 移動(dòng)器的主題并繼續(xù)圖15A的半寬橫向移動(dòng)器150及圖15B的全寬移 動(dòng)器155的順序，圖52的實(shí)施例包括能夠雙倍寬度橫向偏移的亮度 移動(dòng)器520。如圖所示，光被限制到從軸520a畫(huà)到出射口 521上的 角e 。輸入口 522具有更小的寬度并相對(duì)于出射口 521橫向偏移。 輸入和輸出口之間大小有差異的原因在于輸入口 522完全接受來(lái)自 LED的Lambertian光，而輸出口521發(fā)射限于角e的光。左側(cè)面包 括從點(diǎn)F4延伸到點(diǎn)Pl的平部523、焦點(diǎn)在F3且軸平行于線rl的延 伸于點(diǎn)Pl和P2之間的拋物線形弧524、及焦點(diǎn)在F2和F3的從點(diǎn)P2 延伸到焦點(diǎn)Fl的橢圓形弧525。右側(cè)面包括焦點(diǎn)在Fl且軸平行于線 rl的、從點(diǎn)F2延伸到點(diǎn)F3的拋物線形弧526。圖53A為三重光學(xué)歧管530的平面圖，其包括圖52的左亮度移 動(dòng)器531 (成像在左邊)、中間亮度管道532、及圖52的右亮度移動(dòng) 器533，所有三個(gè)均具有各自的輸入口 531i、 532i、和533i，且在 該例子中，每一輸入口具有約1.2mm的寬度。兩個(gè)移動(dòng)器沿這兩個(gè)移 動(dòng)器(圖52的523)的直部的長(zhǎng)度方向與中間管道532嚙合。中間 管道在其入口具有CPC側(cè)面532c，其約3. 12mm高且使光與角534對(duì) 準(zhǔn)。該角與側(cè)向光移動(dòng)器的角匹配，如圖52中所示的角e。之后， 離開(kāi)CPC532c的光由光管532f傳送。在該例子中，所得的光學(xué)系統(tǒng) 的結(jié)合的出口表面530e具有約7. 2ram的寬度。
圖53B為圖53A中所示三重光學(xué)歧管530的側(cè)視圖，其示出在該 例子中其寬度為約2. 33mrn。圖53A中的所有三個(gè)歧管在正交于圖53A 的側(cè)面的方向具有CPC側(cè)面530c。該CPC側(cè)面的高度為約2. 28mm并 具有出口角536。因此，中間管道532f的入口部分利用電介質(zhì)交叉 CPC以將垂直和水平出射角調(diào)整到符合需要的規(guī)格。三倍歧管垂直和 水平方向的輸出角(角534和536)可相互獨(dú)立設(shè)置。
圖54A為從圖53A和53B的歧管發(fā)射的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度的等值線圖540， 水平角軸541從50。左(50L)延伸到右(50R)，垂直軸542從50°上 (50U)延伸到下(50D)。等值線540c表明強(qiáng)度水平高達(dá)3. 25瓦特每球 面度。等值線具有約± 30°的水平邊界。等值線的垂直邊界不太陡峭， 為約±40° 。
圖54B為將從圖53A和53B的歧管發(fā)射的水平強(qiáng)度概圖示為實(shí)線 546和將垂直強(qiáng)度概圖示為虛線547的圖545。兩個(gè)概圖具有明確的 邊界和陡峭的邊緣。盡管饋給歧管的LED的個(gè)體差異，但它們的整個(gè) 形態(tài)完全可再現(xiàn)。
圖55為圖53A和53B中所示歧管實(shí)施例的輸出面530e的空間亮 度圖550，按毫米繪制。圖53A的LED531i、 532i和533i被模擬中 央暗黑區(qū)，很強(qiáng)形式的輸入非均勻性。盡管如此，圖550相比饋給歧 管的LED具有顯著的均勻性，并具有陡峭的明確的邊緣。這種分布幾 乎不受LED的通常定位容差或它們亮度個(gè)體差異的影響。其均勻性和清晰度也優(yōu)于其它高亮度光源如白熾燈絲或電弧。等值線在真正邊緣
被標(biāo)記為15， 000 W/m2，在中心高于60，000。這種高功率強(qiáng)度來(lái)自輸 入的單一輻射瓦特。
圖56A、 56B和56C示出了三重光學(xué)歧管的另外的結(jié)構(gòu)。圖56A 為三重光學(xué)歧管560連同三個(gè)輸入LED561、 562和563的透視圖，所 有輸入LED均在電路板564上。
圖56B為如圖56A的三重光學(xué)歧管560的透視圖，還示出了球根 狀自由形態(tài)透鏡565，其成形歧管560的發(fā)光輸出。
圖56C為如圖56A的光學(xué)歧管560的透視圖，還示出了彎曲的矩 形反射鏡566，其用于從透鏡565的發(fā)光輸出567形成準(zhǔn)直射束568。 射束568滿足汽車(chē)頭燈照明規(guī)定或其它要求。
圖57為一組四個(gè)光源570的透視圖。
圖58A和58B示出了產(chǎn)生用于汽車(chē)照明特別是汽車(chē)頭燈應(yīng)用的非 對(duì)稱(chēng)射束的另一方法。圖58A示出了具有圖53A的三重歧管530的形 狀的非對(duì)稱(chēng)歧管580的外向透視圖，還包括與主管道582嚙合的輔助 管道581。圖58B為另一透視圖。管道582在出口表面583的截面形 狀的外邊界與遠(yuǎn)場(chǎng)汽車(chē)頭燈射束亮度或強(qiáng)度圖的形狀大致匹配。管道 582在一個(gè)或多個(gè)方向可沿其長(zhǎng)度成錐形以調(diào)節(jié)出口表面583上各個(gè) 點(diǎn)的強(qiáng)度。580在垂直和水平方向的角輸出也可由三重歧管580m的 設(shè)計(jì)調(diào)整。自出口表面583的輸出接著還可由采用成像或非成像原理 的輔助光學(xué)部件調(diào)整。
返回圖10A和IOB，小的電介質(zhì)交叉CPC101和大的電介質(zhì)交叉 CPC103均為基本CPC輪廓的雙向掃描，如圖1A、 2B和2C中所示。 圖59將交叉CPC的幾何結(jié)構(gòu)示為具有相同平面截面593的兩個(gè)槽即 相互垂直的直線掃描CPC591和592的立體交叉590。由于每一槽具 有恒定不變的截面593，從孔594發(fā)射的任何光將在槽592的受光角 內(nèi)離開(kāi)所述槽592，假定所述槽甚至比圖59中所示的還要長(zhǎng)。問(wèn)題 在于，盡管所述槽光學(xué)上理想，但它們的交叉590光學(xué)上不理想。在 淺截面593的情況下，與完美相差無(wú)幾，但更深的構(gòu)造是另一問(wèn)題。
71圖60A示出了級(jí)聯(lián)交叉CPC60，其由左側(cè)交叉CPC61和右側(cè)交叉 CPC62組成。它們按大端對(duì)大端定向，在面60m連接在一起。光在面 60s進(jìn)入，在此也稱(chēng)為入射口，及在相對(duì)的面60r接收光，在此也稱(chēng) 為出口。射線跟蹤模擬表明在60s進(jìn)入的光以幾乎100%的幾何效率 傳送到連接面60m，如CPC常識(shí)所預(yù)期的那樣。然而，當(dāng)所述光進(jìn)入 右側(cè)CPC62時(shí)，損耗很?chē)?yán)重。這未在先前關(guān)于非成像光學(xué)部件的描述 中報(bào)告，及這啟發(fā)幾個(gè)下面描述的優(yōu)選實(shí)施例。
圖60B示出了同樣的級(jí)聯(lián)交叉CPC60，但充滿光線63，所述光線 從圖60A的源60s向右發(fā)射。從右邊的泄漏射線64A明顯可見(jiàn)10。％ 的損耗，及從左邊的泄漏射線64B明顯可見(jiàn)另外的5X損耗。泄漏射 線64A損失是由于射線的TIR失敗，其使圖60A的右側(cè)交叉CPC62的 壁多重交叉。泄漏射線64B首先由右側(cè)交叉CPC62向后反射，從而進(jìn) 入左側(cè)交叉CPC61并最終按如圖所示射出。該15%的損耗對(duì)于尋求 改善傳統(tǒng)磷光體轉(zhuǎn)換LED的照明系統(tǒng)是不可接受的。
交叉CPC結(jié)構(gòu)的相關(guān)低效率在于圖10D中所示的再循環(huán)功能。然 而，實(shí)際的射線痕跡表明該過(guò)程的效率僅為89%。這對(duì)于整個(gè)再循 環(huán)不是好的兆頭，因此，由于所述過(guò)程依賴(lài)于圖IOD中所示過(guò)程的多 次重復(fù)，每重復(fù)一次即侵蝕再循環(huán)光強(qiáng)度的11%。
這些相關(guān)低效率是交叉CPC特有的。它們?cè)从谠谌我籆PC槽(圖 59中所示)的2D受光角內(nèi)的射線，但3D中的射線在其外面。這可 在圖61中看見(jiàn)，其表示用于射線-方向圖6101的顯示的角度-空間圖 6100，代表離開(kāi)交叉CPC大端的光。可看見(jiàn)射線限制在任一軸的10° 內(nèi)的方向。然而，圓周6110也具有半徑10。，但可看見(jiàn)大量射線在 其外面，如圖6100的各角落所示。這些射線是由于所述的低效率， 因?yàn)樗鼈冎械脑S多射線均損失。參考圖60A的3D幾何結(jié)構(gòu)，CPC61 和62具有正方形截面并在正方形平面區(qū)60m交匯。CPC61在正方形 平面區(qū)60m的各角落的流線不垂直于60m。 CPC62的流線也是如此， CPC62的流線與CPC61的流線對(duì)稱(chēng)。因此，這些流線不匹配。同樣， 由兩CPC形成在60m的各點(diǎn)處的邊緣射線圓錐指向不同方向，這將導(dǎo)致CPC62拒絕由CPC61射入其內(nèi)的部分光。只有在由第一 CPC發(fā)射并 由第二CPC接受的光的相空間中的交叉將被透射。
在公開(kāi)本后續(xù)申請(qǐng)的進(jìn)一步改進(jìn)之前，上述低效率的全部負(fù)面影
響必須算術(shù)地說(shuō)明。圖62A示意性地示出了遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)6200， 其包括作為光源的藍(lán)光LED6201、第一CPC6202、中線二向色濾光片 6203、第二 CPC6204及遠(yuǎn)程磷光體片6205?？偟膩?lái)說(shuō)，所述磷光體 片相當(dāng)薄，具有兩個(gè)表面， 一個(gè)表面從CPC接收光，在下文中稱(chēng)為內(nèi) 表面，相對(duì)側(cè)在下文中稱(chēng)為外表面。還示出了通量圖6210，虛線6211 代表LED6201，虛線6212代表濾光片6203，虛線6213代表磷光體片 6205。圖6210使用下述數(shù)學(xué)符號(hào)
L二從藍(lán)光LED6201進(jìn)入CPC6202的光通量。
T二對(duì)于光學(xué)部件6202和6204，從LED6201到磷光體片6205的 藍(lán)光透射率，但不包括與濾光片6203相關(guān)的損耗。
R二再循環(huán)因子，反向散射的光的部分由CPC6204再循環(huán)回到磷光 體片6205。交叉CPC具有89X的值。
P^LED6201的綜合反射率。70X的值表明更高質(zhì)量的LED。
Py =濾光片6203對(duì)磷光體發(fā)射波長(zhǎng)的綜合反射率。
t b =濾光片6203對(duì)LED藍(lán)光波長(zhǎng)的透射率。
Pb 二散射回到第二 CPC6204的部分。
PT =透過(guò)磷光體片6205的光部分，其將進(jìn)一步從磷光體的前面 透射出。除了反向散射損耗之外，該變量還包括藍(lán)-黃轉(zhuǎn)換損耗及菲 涅耳反射(如果在磷光體片6205上方有罩，包括相關(guān)損耗)。關(guān)于 發(fā)明人著述引用的現(xiàn)有技術(shù)，見(jiàn)2005年8月在美國(guó)加利福尼亞州圣 迭戈舉行的 Nonimaging Optics and Efficient Illumination Systems II的Proc. SPIE Vol. 5942中由B. Parkyn、 J. Chaves 、 W. Falicoff 所著"Remote phosphor with recycling blue-pass mirror〃及W. Falicoff、 J. Chaves 、 B. Parkyn所著〃PC-LED luminance enhancement due to phosphor scattering", 其通過(guò)弓l用而全部引入在此，其中使用相同的符號(hào)Pt，僅看作反向散射因子， 不包括磷光體轉(zhuǎn)換損耗。
X =在磷光體轉(zhuǎn)換之后剩余的總能量部分，其中X = b + yQSs。 b
為剩余的未轉(zhuǎn)換藍(lán)光部分，y為轉(zhuǎn)換的黃光部分，Q為磷光體的量子 效率，Ss為小數(shù)磷光體Stokes效率。
在前述引用的發(fā)明人現(xiàn)有技術(shù)中，他們開(kāi)發(fā)了使用變量P 「的等 式，其被規(guī)定為濾光片的綜合反射率。由于PF與波長(zhǎng)大大相關(guān)，對(duì) 于黃光接近于1而對(duì)于藍(lán)光接近于0，決定使用參數(shù)P y更準(zhǔn)確地表示 黃光的再循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)再循環(huán)的黃光量遠(yuǎn)大于再循環(huán)的藍(lán)光量時(shí)，該 單一參數(shù)更準(zhǔn)確地處理實(shí)際系統(tǒng)性能。例如，如果假定黃光:藍(lán)光為 2:1，其中黃光被完全反射，P"又為0.65，而Py在這些條件下為1.0。
根據(jù)Rensellaer Polytechnic的 一 個(gè)小組進(jìn)行的研究 (Narendran等，"Extracting phosphor photons to improve white LED efficiency" ， Rapid Research Letters ， 2005 ， www.pss-rapid.com)，其通過(guò)引用而全部引入于此，從YAG磷光體 層反射的藍(lán)光完全不變，近似所有磷光體厚度和密度的12%。在與 發(fā)明人之一的私下交流中，Narendran教授表明其論文中的該值包括 來(lái)自襯底(兩個(gè)表面)菲涅耳反射，磷光體層放在所述襯底上進(jìn)行測(cè) 試。他估計(jì)來(lái)自YAG磷光體層(其自身)的適于產(chǎn)生白光的藍(lán)光反射 在5%和7%之間。如果正是如此，則黃光和藍(lán)光之間的平衡將更接 近于10:1。從而濾光片綜合反射率Pp的現(xiàn)實(shí)值為90X。然而，這依 然大大低于發(fā)明人指出的、濾光片6203的約99%的黃光反射率值。
在于此所述的簡(jiǎn)化分析中，假定行經(jīng)濾光片的未反射黃光連同未 透過(guò)濾光片的藍(lán)光一起損失。這些假設(shè)使預(yù)測(cè)模型稍微不利，因?yàn)樵?黃光未被濾光片反射的情況下，其部分將由于LED反射率而再循環(huán)。
色平衡要求約2/3-3/4的藍(lán)光被吸收。好的磷光體將該吸收的光 的90-95%轉(zhuǎn)換為黃光發(fā)射。然而，由于該發(fā)射的光子能量較低，更 多發(fā)光的黃光僅具有在磷光體吸收相同藍(lán)光波長(zhǎng)時(shí)應(yīng)具有的輻射測(cè) 量通量的80-85。％。因而，即使所有藍(lán)光和黃光均從前面出來(lái)及沒(méi)有反向散射，PT的最大值為0.33+0.67*0.9*0.85=0.84。通常，對(duì)于黃 光磷光體發(fā)射PB=50-60%，從而Pt通常大大低于0. 5。
小的5-10微米大小的典型磷光體粉末懸浮給定約100/mm的散射 系數(shù)。這樣的散射強(qiáng)度導(dǎo)致反向散射部分PB將為約55%或更多，因 為對(duì)于更低的色溫需增加額外的磷光體厚度。因而，如果PB為55X 及色平衡為2/3黃光，且磷光體量子和Stokes系數(shù)分別為90%和80 %，則Pi為26. 3%。
模擬表明變量Pt隨憐光體厚度増加而降低，其值從15%到80% ， 盡管后面的值針對(duì)不切實(shí)際的薄磷光體而言。當(dāng)需要更大的黃光優(yōu)勢(shì) 時(shí)，出現(xiàn)更低的值，二者均用于更大的發(fā)光效能及色溫的舒適減少。
圖62A的圖6210表明進(jìn)入系統(tǒng)6200的初始通量L，其具有透射 率T。這不包括濾光片中的損耗，而僅包括光學(xué)元件中的損耗。還考 慮藍(lán)光通過(guò)濾光片的損耗，在中途攔截磷光體片6205的通量在較低 的通量水平LTh。對(duì)于交叉CPC類(lèi)型，該系統(tǒng)透射率T為89X (下 面不同的優(yōu)選實(shí)施例將具有99%的透射率)。在其通過(guò)磷光體時(shí)， 部分藍(lán)光被轉(zhuǎn)換為黃光，但損失部分能量，從而保留部分，其為參數(shù) x?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)于量子效率n。(約90% )和Stokes效率(約80% )， 轉(zhuǎn)換2/3的藍(lán)光導(dǎo)致x=l/3+0. 72(2/3) =0.81。藍(lán)光和黃光通量被 多次散射，從而變量PT測(cè)量它們?cè)谠摰谝煌返慕M合輸出通量。顯然 但很重要地，應(yīng)注意，參數(shù)x還必須等于PT和PB的和。因此，在第 一次通過(guò)時(shí)從源進(jìn)入空氣中的通量為L(zhǎng)TThPT。該項(xiàng)將被添加到其它 組成部分以確定來(lái)自遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)6200的通量總量。
返回箭頭LT t bpB6220表明重新進(jìn)入CPC6204的通量，向左流到 濾光片6203。該通量的部分lY為黃光，另一部分Ib為藍(lán)光，其中Ih =1-Iy。
通量的黃光部分將被反射，反射率Py相對(duì)于返回的白光。這產(chǎn) 生反射通量箭頭LTPB t bIYp y6221。 CPC6204具有作用于其的再循環(huán)因 子R，給出所接收的黃光返回通量箭頭LTTbPBIYpyR6224。然而，該 黃光在其通過(guò)磷光體層進(jìn)行磷光體轉(zhuǎn)換時(shí)不損失能量。因此，對(duì)于與該黃光相關(guān)聯(lián)的每次通過(guò)，Pt的值需要增加與參數(shù)X和Pt有失的因子。 該針對(duì)PT的倍增調(diào)節(jié)因子等于U+(1-X)/PTK通過(guò)使PT乘以該因子， Pt被使得等于1-Pb。因此，該第一再循環(huán)黃光通過(guò)，來(lái)自系統(tǒng)的通量
因而為L(zhǎng)T t bPBIYp yR(l-PB)，如通量箭頭6226所指。在每一隨后的通
過(guò)時(shí)，提取的量將為PBRPy乘以先前通過(guò)的值。因此，與該黃光再循
環(huán)相關(guān)聯(lián)的通量可被當(dāng)作無(wú)窮級(jí)數(shù)的和
"|^"=丄，其中，a= LTTbPJYPyR(l-PB)，r=PBRpy
如果濾光片6203對(duì)藍(lán)光具有透射率h，則返回通量的藍(lán)光部分 在行經(jīng)濾光片6203之后為通量箭頭6222所示的LT t bpB t hIb，這將 使其到達(dá)LED6201時(shí)通量減少與其初始通過(guò)一樣的透射率T。部分 P ,.由LED5201反射，并按通量箭頭LT2 t bpB IB T b p l6223向右開(kāi)始其 返回。該藍(lán)光通量將再次減少透射率T，從而產(chǎn)生返回的藍(lán)光通量箭 頭LT t bPBlB t b2 p J26225。在這種情況下，為確定通量中行經(jīng)磷光體 的部分，必須使所述值乘以PT。因此，透過(guò)磷光體的該次通過(guò)的通量 為L(zhǎng)T t bpBlB t h2p ^.T2PT，如通量箭頭6227所示。在每一隨后的通過(guò)時(shí)， 提取的量將為PBT2P ,^2乘以前一次通過(guò)的值。因此，與該藍(lán)光再循 環(huán)相關(guān)聯(lián)的通量也被看作無(wú)窮級(jí)數(shù)的和
=丄，其中，在該情形下，a = lttbPBIbtb2p J2PT， r=PJ2
P
之后，總光輸出u是第一通過(guò)分量、黃光再循環(huán)分量和藍(lán)光再循
環(huán)分量的和。表達(dá)式變?yōu)?br> 用值替代大交叉CPC(T二85。/。， R=89%)，連同其余系統(tǒng)值(PB=55%， PT=26.3%, IY=2/3， b=l， py=l， pL=0.7， Q=0.90， Se=0.85)，系統(tǒng)效率nE=LVL僅為53%，不比傳統(tǒng)的高性能共形磷光體LED好多少， 交叉CPC的低效率是主要原因。
為了建模徹底性，該一般等式可被容易地修改以處理多種情形。 在LED和CPC光學(xué)部件的接口處有連接損耗的情況下，將向前方向的 這些部分連接損耗指定為F。。upling，向后方向的指定為B。。uplin(!，這將等 式變化為
<formula>formula see original document page 77</formula>
在所有光均為黃光(Ifl)及P產(chǎn)1的特定情況下，沒(méi)有光回到LED， 從而IB=0且沒(méi)有連接損耗<formula>formula see original document page 77</formula>
如果遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)非對(duì)稱(chēng)，即連到LED的光學(xué)部件不同于連到 磷光體的光學(xué)部件，則從藍(lán)光芯片到磷光體的光透射率TYp不同于從 磷光體到LED的光透射率TV"在這種情況下，L。的表達(dá)式為
<formula>formula see original document page 77</formula> ;
最大化U可被計(jì)入輻射或光度計(jì)量單位中。在輻射測(cè)量中，藍(lán)光 到黃光的轉(zhuǎn)換損耗僅計(jì)算為減量，但這些損耗在相比藍(lán)光大大增加的 黃光功效面前變得不重要。進(jìn)一步的光轉(zhuǎn)換產(chǎn)生進(jìn)一步的流明及更低 的色溫。這通過(guò)加厚磷光體實(shí)現(xiàn)，這對(duì)于傳統(tǒng)共形磷光體LED是不利 的，因?yàn)槠湓黾恿藦牧坠怏w向后進(jìn)入LED的反向散射。本發(fā)明使能使 用更厚的磷光體而沒(méi)有這些反向散射損耗，這是由于獨(dú)特的黃光再循 環(huán)。
先前基于圖62A的數(shù)學(xué)處理使用單一概率PT指示對(duì)于給定藍(lán)光 輸入的組合黃光和藍(lán)光輸出。在進(jìn)一步的詳細(xì)描述中，圖62B圖解地 示出了磷光體片6235，并代表更詳細(xì)的磷光體建模方法，受如 Lotusl23或Microsoft Excel電子表格程序的作用，通過(guò)其每一行可代表單一波長(zhǎng)帶(一納米或lnm，足夠窄)。對(duì)于每一藍(lán)光波長(zhǎng) 入b，通常延伸400-500納米，有初始通量F(Ab)，被示為進(jìn)入圖62A 的磷光體片6205的后表面R。這代表LED源的藍(lán)光波長(zhǎng)的光譜分布， 以全Lambertian角分布在整個(gè)后表面R上均勻遍布。該功能對(duì)應(yīng)于 圖IIA的曲線114。
在圖62B中，更多的項(xiàng)如下
PA(入J為波長(zhǎng)為Ab的藍(lán)光由磷光體吸收的概率。該功能也稱(chēng)為 激發(fā)光譜。
PhF( A J為波長(zhǎng)為A b的藍(lán)光進(jìn)入磷光體片6235并使其前進(jìn)到前 表面F及離開(kāi)所述層的概率。該光計(jì)入前面提及的數(shù)量Pr。
PbK(入b)為波長(zhǎng)為入b的藍(lán)光離開(kāi)后表面R的概率。
PB(入h)為波長(zhǎng)為Ab的再循環(huán)藍(lán)光的效率。再循環(huán)的光加入原 始通量F(入h)。
n。為磷光體的量子效率，引起發(fā)射的所吸收藍(lán)光部分。
入b/入y為藍(lán)光與發(fā)射的黃光波長(zhǎng)比。這稱(chēng)為Stokes比。由于吸 收和發(fā)射發(fā)生在不連續(xù)的光子數(shù)量中，刺激藍(lán)光的較高能量hc/入h 與輻射黃光的較低能量he/入y之間的差損失為熱量。
Fy(入》為由波長(zhǎng)為"的所吸收藍(lán)光產(chǎn)生的黃光的總通量。
PyF(人h)為由波長(zhǎng)為入b的藍(lán)光產(chǎn)生的黃光通量立即離開(kāi)前表面F 的概率。該概率與波長(zhǎng)有關(guān)，因?yàn)樵诓煌ㄩL(zhǎng)的不同藍(lán)光吸收量導(dǎo)致 黃光發(fā)射點(diǎn)的不同空間分布，因而不同的離開(kāi)概率。強(qiáng)烈吸收的波長(zhǎng) 使得發(fā)射靠近后表面R，從而降低離開(kāi)前表面F的概率。
PyK( A h)為由波長(zhǎng)為入b的藍(lán)光產(chǎn)生的黃光通量立即離開(kāi)后表面R
Eb指示所有藍(lán)光波長(zhǎng)的總和以給出離開(kāi)后表面R的總黃光通量。 P R( A y)為黃光的再循環(huán)效率。由于遠(yuǎn)程磷光體中與波長(zhǎng)有關(guān)的
濾光片，這比藍(lán)光的再循環(huán)效率PK(入b)高。
F(入y)為所有再循環(huán)的黃光的總通量。由于沒(méi)有黃光吸收，下面
的兩個(gè)概率與波長(zhǎng)有關(guān)P,:y為進(jìn)入后表面R的黃光離開(kāi)前表面F的概率。
PKy為進(jìn)入后表面R的黃光離開(kāi)后表面的概率。該光的再循環(huán)未被
示出，因?yàn)槠湟言趫D62A中描述。
這些概率與磷光體材料展現(xiàn)的散射程度及其激發(fā)光譜有關(guān)。它們
可由Monte-Carlo計(jì)算機(jī)例程中的公知光子遷移方法進(jìn)行計(jì)算。先前 的與顏色無(wú)關(guān)的概率是藍(lán)光項(xiàng)P" A J和黃光項(xiàng)PyF( A h)的和，基于所 有藍(lán)光波長(zhǎng)入b求和。
公知的色度學(xué)方法，如由Wyszecki & Stiles, Wiley在1982年 "Color Science"第162頁(yè)所闡述的方法，其通過(guò)引用而全部包含 于此，表明來(lái)自磷光體的藍(lán)光和黃光輸出通量怎樣數(shù)學(xué)組合為可計(jì)算 色度的單一白色，相關(guān)的色溫如前述文獻(xiàn)的224頁(yè)所述。磷光體的化 學(xué)成分將確定其發(fā)光光譜及其通量與未吸收藍(lán)光的任何比例所得的 顏色。所述光譜在此描述為近似黃光，因?yàn)槠渫獠刻卣魅绱恕?br> 圖62C示出了一個(gè)所述計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果。圖表6250具有列舉 Pt的信的水平袖6251及列舉與顏色無(wú)關(guān)的提取效率iu二L。/L的值的 縱軸6252。曲線6253給出特定PT值的提取效率的值，假定磷光體散 射系數(shù)為100/mrn。點(diǎn)A說(shuō)明具有共形磷光體和平坦窗口的常規(guī)白光 LED。點(diǎn)B說(shuō)明同樣的LED但其具有圓頂。點(diǎn)C說(shuō)明具有平坦窗口的 遠(yuǎn)程磷光體，點(diǎn)D說(shuō)明同樣的遠(yuǎn)程磷光體但其具有圓頂。這表明本發(fā) 明遠(yuǎn)程磷光體方法的優(yōu)點(diǎn)。
如上所述，正方形CPC在磷光體反向發(fā)射的再循環(huán)及藍(lán)光通量傳 送給磷光體方面欠缺。這些分析突出表明在本發(fā)明遠(yuǎn)程磷光體實(shí)施例 的整個(gè)光學(xué)鏈上均需要極高的光學(xué)效率。因此，圓形對(duì)稱(chēng)CPC或其它 光學(xué)部件可用于具有遠(yuǎn)程磷光體的大元件以明顯提高效率，如圖6D、 6E、 6F、 6G和6H所示實(shí)施例中的大的圓形對(duì)稱(chēng)光學(xué)部件。圖63A和 圖63B示出了包括藍(lán)光LED6301、小的長(zhǎng)方形CPC6302和大的圓形對(duì) 稱(chēng)CPC6303的遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)。正方形6304由小CPC6302的頂端形 成并在其處放置藍(lán)通濾光片(不可見(jiàn))。反射鏡涂層6306將所有光， 藍(lán)光或黃光，反射回到遠(yuǎn)程磷光體6305。由于建?？紤]，圓角6302f
79形成公共下表面，其連接CPC6302的外表面。由發(fā)明人進(jìn)行的射線跟
蹤模擬表明如果四個(gè)CPC6302中的兩個(gè)在相鄰CPC的兩個(gè)共同表面之 間具有小的圓角(半徑在0.25mm級(jí))，則系統(tǒng)的該性能不受影響。
根據(jù)圖61中所述的理由，圓形對(duì)稱(chēng)CPC6303具有15。的受光角， 從而來(lái)自小CPC的所有光均被接受。與10°圓周6110不同，15°圓 周包括由點(diǎn)6101表示的所有方向。這導(dǎo)致99.5%的透射，而不是圖 10A中正方形CPC系統(tǒng)的89X。然而，遠(yuǎn)程磷光體片6306為圓形且 幾倍于LED6301的組合面積。因而，該更有效的結(jié)構(gòu)已降低亮度，因 為磷光體片的面積大于初始四個(gè)LED的面積。
使大的再循環(huán)光學(xué)部件的受光角大于饋給其的較小光學(xué)部件有 另一優(yōu)點(diǎn)。眾所周知，這樣的濾光片的透射率波長(zhǎng)隨著受光角增加而 向更短的波長(zhǎng)偏移。也就是說(shuō)，反射開(kāi)始起作用的波長(zhǎng)將向更短的波 長(zhǎng)偏移。如果再循環(huán)光學(xué)部件的受光角大于CPC或其它光學(xué)部件的受 光角，從遠(yuǎn)程磷光體經(jīng)再循環(huán)光學(xué)部件回到濾光片的輻射將以更大的 平均入射角到達(dá)濾光片。這對(duì)于捕獲重疊藍(lán)光LED和磷光體發(fā)射的輻 射非常有用。從10°光學(xué)部件到15。光學(xué)部件，可使濾光片向后方 向的有效反射向藍(lán)光增加5-10nm。
在這種情形下，具有15°受光角的CPC6303具有97.5。/^的理論 再循環(huán)因子R，這遠(yuǎn)高于交叉CPC的85%。在先前所有交叉CPC系統(tǒng) 的例子中，其效率(包括磷光體轉(zhuǎn)換損耗)被估計(jì)為53%。在等式 中使用如前所述一樣的值但1=99%及R=97.5%，遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng) 6300的估計(jì)效率變?yōu)?9%?？紤]磷光體轉(zhuǎn)換損耗相當(dāng)大(16%)， 遠(yuǎn)程磷光體6300的理論系統(tǒng)效率為0.69除以0.84，即82%。由發(fā) 明人進(jìn)行的遠(yuǎn)程磷光體6300的Monte-Carlo射線跟蹤建模甚至展現(xiàn) 更好的效率(接近90%)，使用商用射線跟蹤包LightTools，其同 樣考慮波長(zhǎng)接波長(zhǎng)效率而不是單一集總數(shù)字。盡管程序還包括電介質(zhì) 材料內(nèi)吸收的有害影響，這是不太完美的濾光片透射和反射曲線。清 楚的是，圓形CPC方法提供較交叉CPC更出眾的性能，且較現(xiàn)有技術(shù) 磷光體轉(zhuǎn)換白光LED有很大改善。在圖63A所示實(shí)施例的4X4結(jié)構(gòu)中，大的電介質(zhì)CPC在大小和 重量方面變得不實(shí)用。在這種情形下，對(duì)于包括圖63A的系統(tǒng)的實(shí)施 例，圖6C的錐形體-透鏡結(jié)構(gòu)可為備選實(shí)施例，如圖72A所示。
圖64A為遠(yuǎn)程磷光體6400的截面圖，圖64B為其立體圖，其包 括磷光體片6401、具有正方形切口 6402c的不透明漫射反射層6402、 及具有斜緣6403e的透明襯底6403，所述斜緣與圖63B的大CPC6303 的斜度匹配。當(dāng)然，這將降低總光輸出，因?yàn)楦罅康墓獗乇辉傺h(huán) 且具有一些損耗，但所增加的亮度值得這樣的犧牲。同樣，切口 6402c 可以是任意形狀，包括不規(guī)則的形狀，即不同于簡(jiǎn)單凸曲線或多邊形 的形狀，如字母數(shù)字字符。磷光體片6401在發(fā)射正方形6402c內(nèi)具 有一般厚度(如50微米)及在漫射反射器6402下方具有更大的厚度。 這導(dǎo)致其上的大部分藍(lán)光轉(zhuǎn)換為黃光，所述黃光可比初始藍(lán)光更有效 地再循環(huán)。然而，使漫射反射器6402下面的層與發(fā)射正方形內(nèi)的磷 光體一樣厚或比其薄也是可能的，因?yàn)槁淦飨旅娴挠行Я坠怏w通路 長(zhǎng)度加倍。在圖64A中，透明襯底6403具有中央正方形隆起6403r 以支持磷光體片6401的中心厚度。這樣的結(jié)構(gòu)也適于透明磷光體， 從其提取光很困難，因?yàn)槠湔凵渎矢?約1.8，而CPC為1.5)。 然而，非均勻的磷光體厚度也可通過(guò)其它手段調(diào)節(jié)，如漫射反射器 6402具有唇緣，其包圍在漫射器區(qū)域下面的磷光體內(nèi)邊周?chē)Ｔ谠?方法中，向下的唇緣在發(fā)射磷光體層的小的外邊區(qū)終止，因而使透明 襯底6403的底部可制成平坦的底部。該方法還具有優(yōu)點(diǎn)，厚的磷光 體層的側(cè)向發(fā)射的部分被反射回到其自身，可能提高磷光體的外部發(fā) 射部分的均勻性。 一旦本領(lǐng)域技術(shù)人員理解與本發(fā)明有關(guān)的基本發(fā) 明，可容易地預(yù)見(jiàn)其它方法。
除了字符之外，其它不規(guī)則或任意形狀如車(chē)燈發(fā)射圖案也可被描 繪以成像在遠(yuǎn)場(chǎng)內(nèi)，選擇非均勻磷光體厚度以產(chǎn)生空間可變的亮度。
作為圖63A、 63B、 64A和64B結(jié)構(gòu)的備選實(shí)施例，藍(lán)通濾光片可 直接放在磷光體片6401的下面。之后，磷光體片6401被包在反射黃 光的材料盒中，但由切口 6402c形成的輸出端口除外。之后，通過(guò)輸出端口 6402c的黃光發(fā)射極高。既不由磷光體片6401吸收又不通過(guò) 輸出端口 6402c發(fā)射的藍(lán)光從漫射反射層6402反射回去，例如，所 述漫射反射層可以是具有大于99%反射率的二氧化碳粉末。如圖64A 中所見(jiàn)，反射層6402覆蓋磷光體層6401的薄緣及外面，從而不需要 在反射層6402和藍(lán)通濾光片之間留下間隙。由于短通濾光片對(duì)入射 角的敏感性，以大于約40。或45°的入射角入射在濾光片上的藍(lán)光 被反射回到磷光體片6401。具有低于15°入射角的藍(lán)光被CPC6303 接收，用作準(zhǔn)直器并返回到LED6301，其將約75%的光反射回系統(tǒng)。 入射角在15°和約30°之間的藍(lán)光在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)反射且最終大部分 返回到磷光體片6401。因而，基本上，只有已通過(guò)磷光體6401兩次 及已由反射器6402散射到約30。和約40°之間的入射角的藍(lán)光加上 由磷光體自身散射回的同樣角度范圍內(nèi)的少量光從系統(tǒng)損失，實(shí)現(xiàn)高 效率。
圖64A和64B的結(jié)構(gòu)是磷光體形狀的一般概念的例子，其在本發(fā) 明的多個(gè)實(shí)施例中使用，所述磷光體形狀從單塊件切割并粘附到透明 襯底上?；蛘撸坠怏w片可被制成合成材料，其中磷光體層在批量生 產(chǎn)過(guò)程中沉積在適當(dāng)?shù)耐该饕r底上如片或薄膜。這樣的合成磷光體可 被制成大的片然后使用已知方法切割為多個(gè)零件。之后，所述零件被 粘附到再循環(huán)光學(xué)部件的端部。這種類(lèi)型的合成磷光體方法可與在此 描述的任何實(shí)施例或其派生結(jié)合。最后，磷光體層6401可經(jīng)噴墨印 刷或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它方法直接沉積在透明襯底6403的表 面上，所述方法如美國(guó)喬治亞州PhosphorTech of Lithia Springs 開(kāi)發(fā)和使用的電泳沉積方法。
回到圖62C，其示出了圖64A和64B的漫射罩的好處，可能希望 通過(guò)降低源面積而不明顯降低提取效率生產(chǎn)更高亮度的源。如果提取 效率的降低少于面積的減少，則這是可能的。該面積減少導(dǎo)致PT的降 低，其表現(xiàn)為曲線6253。對(duì)于具有共形磷光體源的LED，如果曲線 6253的導(dǎo)數(shù)小于1，盡管有一些流明損耗，但亮度將增加。例如，參 看圖62C中建模的遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)的效率曲線的斜度，所述曲線有多個(gè)部分出現(xiàn)這種情況。如果將曲線上點(diǎn)D的Pt信減半，Pt從大約0. 22
降為O. 11。然而，效率僅從0.66下降到大約0. 58。從而，當(dāng)P,降低 50%時(shí)效率僅下降12%。在這種情形下，以輸出損耗8%為代價(jià)，亮 度可增加76%。
顯然的是，如果用理想的漫射罩使磷光體反射面積的大小降低一 半，這將使未覆蓋發(fā)射磷光體的&值也降低一半。在這樣的理想系統(tǒng) 中，P，的值等于PT的初始值乘以發(fā)射磷光體面積與覆蓋及未覆蓋磷光 體的總面積之比。如果漫射罩不是理想的反射器，當(dāng)然在系統(tǒng)中將有 額外的損耗。然而，有具有99%漫射反射率的材料可用，其由美國(guó) 特拉華州W. L Gore & Associates生產(chǎn)。同樣，有具有陶瓷或其它填 充物(如二氧化鈦)的注模塑性材料可用，其在可見(jiàn)波長(zhǎng)具有與Gore 材料類(lèi)似的漫射反射率。這些混合塑性材料的優(yōu)點(diǎn)在于它們可用于以 低成本制造高度精確的零件。這樣的材料目前用于制造背光中使用的 混合室。具有與上述材料類(lèi)似的反射率的高反射率鏡面反射鏡也可 用，且還可用作罩。美國(guó)明尼蘇達(dá)州的3M Corporation在它們的 Vikuiti生產(chǎn)線中生產(chǎn)薄膜，該薄膜適于這種應(yīng)用。同樣，高反射率 全向鏡面反射器可用在許多光學(xué)廠商的多種襯底上。制造所述反射器 的公司之一是美國(guó)加利福尼亞州的JDS Uniphase。
該增加亮度的新方法還可用于非常高效率的LED (其被期望在近 期商用)，具有或沒(méi)有磷光體，如果這些器件的內(nèi)部損耗非常低的話。 使用高度反射的反射鏡，通過(guò)將向器件后部發(fā)射的光折轉(zhuǎn)成向前，LED 已幾乎使活性層(其通常各向同性發(fā)射)的亮度加倍。在理想LED中 (沒(méi)有損耗機(jī)制)，前表面上的孔徑光闌，如鏡面或漫射反射鏡，將 增加所述器件的亮度。同樣，在具有共形磷光體的PCLED的情況下， 不需要磷光體層位于漫射罩的下方，因?yàn)樗銎骷A(yù)計(jì)將同等地反射 所有波長(zhǎng)。此外，該方法不限于特定顏色或波長(zhǎng)的LED。
目前顯然的是，高于在此所述的亮度增強(qiáng)的使用，本發(fā)明的遠(yuǎn)程 磷光體實(shí)施例相對(duì)現(xiàn)有商用PC LED具有確定的優(yōu)點(diǎn)。圖62C中的兩 個(gè)點(diǎn)A和B表示對(duì)分別具有平坦和圓頂罩的高性能PC LED其效率隨Pi變化而變化。這些代表PC LED領(lǐng)域的狀態(tài)。如果將這樣的LED建
模為Pt的函數(shù)，可以看出，它們的效率曲線(落在同一曲線上)在
PT的有用值處非常陡。減少這些LED的反射面積實(shí)際上降低了亮度并 大大降低了提取效率。
覆蓋磷光體片6401的部分的漫射反射器6402可設(shè)想變?yōu)榱坠怏w 片的完全包圍罩，實(shí)質(zhì)上去除圖64B中所示的正方形切口。相反，圖 65A為遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)6500 —部分切掉的立體圖，其包括輻射到第 一準(zhǔn)直器6502 (在此示為圓形CPC)內(nèi)的藍(lán)光LED6501，所述準(zhǔn)直器 使其光在輸出頂面6502t準(zhǔn)直。長(zhǎng)通二向色反射器6503位于與準(zhǔn)直 器6502成45度角處，其將所有短波長(zhǎng)藍(lán)光向下反射到第二 CPC6504 中，同樣為圓形及具有同樣的10°受光角。該"最藍(lán)"光到達(dá)厚的 磷光體片(未示出)，所述厚磷光體片由白光反射器6505封閉，從 而實(shí)質(zhì)上所有這樣的藍(lán)光被完全轉(zhuǎn)換為效能高得多的黃光。光致發(fā)光 黃光向上發(fā)射到CPC6504內(nèi)，并被校準(zhǔn)在傳統(tǒng)全波長(zhǎng)對(duì)角線反射器 6506上，其后形成黃光輸出光束6507。通過(guò)濾光片6503的較長(zhǎng)藍(lán)光 波長(zhǎng)將形成藍(lán)光輸出光束6508。這些藍(lán)光和黃光光束可由圖40-50 的任一多波長(zhǎng)方法重新結(jié)合。它們分開(kāi)使用可分開(kāi)空間調(diào)制，以用彩 色圖象將重新結(jié)合的光束形成圖案?？臻g調(diào)制器，如液晶顯示器，對(duì) 圖象形成領(lǐng)域的技術(shù)人員是公知的。
圖65A的延伸圓柱6509是所述器件的實(shí)際外表面的典型情形， 其中濾光片6503夾在分開(kāi)的片狀透明電介質(zhì)圓柱和實(shí)體電介質(zhì)三角 柱6506p之間，這防止來(lái)自CPC6502和6504的準(zhǔn)直的光被偏轉(zhuǎn)(經(jīng) 濾光片6503表面處的折射)。實(shí)體電介質(zhì)三角柱6506p還能支持反 射器6506。實(shí)施例6500還可構(gòu)造成具有開(kāi)放反射器，在這種情形下， 實(shí)體電介質(zhì)三角柱6506p不再需要。
圖65A的白光反射器6505也可在其中包含用于管理磷光體轉(zhuǎn)換 過(guò)程中產(chǎn)生的熱量的裝置。這樣的裝置的許多變化，其可經(jīng)被動(dòng)或主 動(dòng)冷卻原理起作用，對(duì)熱工程領(lǐng)域的技術(shù)人員是公知的。遠(yuǎn)程磷光體 相對(duì)傳統(tǒng)共形磷光體具有熱優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槠渑c源的熱量隔離。進(jìn)一步地，
84源也具有熱優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)楦俚狞S色磷光體光返回到磷光體部分吸收， 隨之發(fā)生的熱量也更少。同樣，磷光體自身產(chǎn)生的熱量不被增加到源
的熱量中。該熱量可被例示，對(duì)于產(chǎn)生300mW藍(lán)光的1瓦特LED，產(chǎn) 生700mW的熱量。如果該藍(lán)光的三分之二被吸收，即200mW，則其約 10%變?yōu)榱坠怏w中的熱量，剩下180mW用于激勵(lì)。黃光的較長(zhǎng)波長(zhǎng)意 味著所述激勵(lì)只有85% (153mW)變?yōu)楣饽?，其?5% (27mW)為熱 量，從而總熱負(fù)荷為47mW。在共形磷光體中，至少三分之一的黃光 在芯片中吸收，總共100mW的額外熱量，比單獨(dú)芯片的情況增加14 %。在遠(yuǎn)程磷光體中，47mW/mm2的熱通量等于50sun，因而將需要額 外的冷卻措施，因?yàn)榭諝庾杂蓪?duì)流太弱(30"C溫差去除lsim熱量) 從而不能單獨(dú)通過(guò)磷光體片自身的表面冷卻磷光體片。圖63A和63B 的圓形CPC6303上的磷光體片面積相對(duì)LED增加5%，則其熱負(fù)荷降 低到10sun。盡管如此，忽略該問(wèn)題將導(dǎo)致磷光體過(guò)熱條件，如果沒(méi) 有去除多余熱量的裝置，這將危及由注模塑料制成的電介質(zhì)CPC的結(jié) 構(gòu)完整性?；蛘?，電介質(zhì)光學(xué)部件6303可由高工作溫度材料制成， 其比用于光學(xué)組件的典型塑料具有更高的傳導(dǎo)性和熱擴(kuò)散能力。例 如，石英具有3 W/m°K的熱傳導(dǎo)率，而丙烯酸樹(shù)脂的熱傳導(dǎo)率為 0.18W/mflK。同樣，玻璃的熱擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)高于塑料，石英比塑料高10 倍以上。對(duì)于基于電介質(zhì)的遠(yuǎn)程磷光體實(shí)施例，可采用其它手段從遠(yuǎn) 程磷光體去熱。再次回到圖64A和64B，罩6402可以是多層罩，內(nèi) 反射層由高熱傳導(dǎo)率陶瓷材料制成，外層由銅或其它高傳導(dǎo)率材料制 成，適當(dāng)保護(hù)以免受環(huán)境影響。陶瓷和/或銅層可延伸到比孔徑更寬 的地方，甚至可包括熱交換結(jié)構(gòu)件如散熱片。也可采用主動(dòng)冷卻，如 在大多數(shù)個(gè)人計(jì)算機(jī)中發(fā)現(xiàn)的那樣，用高度可靠的微型風(fēng)扇強(qiáng)迫空氣 流動(dòng)。
再次回到圖65A，用漫射白光反射器6505完全包圍磷光體片的 外表面的另一優(yōu)點(diǎn)存在于透明磷光體使用具有非常小散射的單晶形 成的情況。該材料的高折射率(1.8)導(dǎo)致廣泛的光截留，當(dāng)光必須 經(jīng)過(guò)其時(shí)，這使得其比散射磷光體更沒(méi)用。但使用與透明磷光體接觸的漫射反射器，通過(guò)反射器的散射消除光截留。因而，磷光體周?chē)?漫射反射器相對(duì)使用透明磷光體的現(xiàn)有技術(shù)特別有利，所述透明磷光
體可從北卡羅來(lái)納州Charlotte的Baikowski International Corporation購(gòu)得。這很重要，因?yàn)樗隽坠怏w比傳統(tǒng)散射磷光體具 有更高的量子效率(95%對(duì)90%)。同樣，透明磷光體非常硬和結(jié) 實(shí)，與傳統(tǒng)磷光體的粉末形式不同。因此，為了更好的光學(xué)接觸，可 將其放入注模然后在其上模制反射白光罩。
圖65A的二向色反射器6503由圖66A描述，其所示的圖表6600 具有代表以納米為單位的波長(zhǎng)的橫軸6601及左邊代表反射率和相對(duì) 強(qiáng)度的縱軸6602R、右邊代表透射率的縱軸6602T，在這樣的非吸收 濾光片中，這些總計(jì)為1的反射率。濾光片反射率函數(shù)6603，其描 述長(zhǎng)通濾光片6503的波長(zhǎng)特性，包括延伸到465nm的全反射部分 6603h。該波長(zhǎng)僅稍長(zhǎng)于藍(lán)光LED光譜6604的458nm峰值。濾光片函 數(shù)6603的陡峭部分6603c在475nm時(shí)幾乎下降到零。位于6603c右 邊的藍(lán)光光譜部分6604將成為圖65A的輸出光束6508的一部分。該 光具有來(lái)自圖65A的藍(lán)光LED6501的所有藍(lán)光波長(zhǎng)的最高效能。然而， 其現(xiàn)色性并不差。也就是說(shuō)，僅使用越過(guò)470nm (而不是圖11B中濾 光片的500nm)的藍(lán)光將保持良好的色度色移及良好的現(xiàn)色性。當(dāng)藍(lán) 光照過(guò)磷光體片時(shí)，約一半的未吸收藍(lán)光非常短，相比超過(guò)470nm的 藍(lán)光波長(zhǎng)，接近紫光的波長(zhǎng)效能低10倍以上。因而，使用部分波長(zhǎng) 用于透射及使用所有其余波長(zhǎng)用于發(fā)光相比使用所有藍(lán)光波長(zhǎng)的情 形具有出眾的效能，使用所有藍(lán)光波長(zhǎng)的情形忽略了效能的巨大差升。
圖65B為另一遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)6510的側(cè)視圖。藍(lán)光LED6511輻 射到第一準(zhǔn)直器6512內(nèi)形成藍(lán)光光束b。傾斜的反射鏡6513，其對(duì) 較長(zhǎng)波長(zhǎng)透明及部分反射藍(lán)光波長(zhǎng)，反射短波長(zhǎng)的藍(lán)光，類(lèi)似于圖 65A的濾光片6503。該短波長(zhǎng)光被示為光束s，其進(jìn)入第二聚光器6514 (在該圖中示為CPC)并被聚集在磷光體片6515上，磷光體片底部 由白光反射器(未示出)包圍，使得所有黃光向上行并由CPC6514校準(zhǔn)為黃光光束y。對(duì)角線黃光反射器6516以與長(zhǎng)波藍(lán)光輸出光束bL 一致的方向發(fā)出黃光光束y， 二者包括具有均勻亮度和色度白光窄角 (±10° )輸出光束。輔助反射鏡6517再循環(huán)未吸收的短波藍(lán)光使 其回到CPC6514內(nèi)。LED6511的正方形形狀及其隨后的CPC6512的不 完全填充是該優(yōu)選實(shí)施例遭受的位于亮度減量。同樣還示出了用于 LED6511的大熱交換器6518及用于磷光體片6515的小熱交換器 6519。虛線6510g指示類(lèi)似于圖39B的間隙398和399的小間隙，并 可用較低折射率的材料如硅酮填充，因?yàn)樗鼈兊墓δ軆H為傾斜射線。 使用這樣的材料而不是氣隙大大降低了在法線入射與其交叉的任何 射線的菲涅耳反射率。例如，如果CPC6502和CPC6504的材料的折射 率大約為1. 49，則硅酮液體或凝膠應(yīng)具有大約1. 43的折射率。
濾光片6513也可是長(zhǎng)通濾光片，其對(duì)部分或所有藍(lán)光波長(zhǎng)具有 部分反射能力。圖66B所示圖表6610具有代表以納米為單位的波長(zhǎng) 的橫軸6611及左邊代表反射率的縱軸6612R和右邊代表透射率的縱 軸6612T。反射率函數(shù)6613包括水平段6613，其表明濾光片6513怎 樣在較長(zhǎng)波長(zhǎng)時(shí)透明及對(duì)藍(lán)光LED6511的波長(zhǎng)反射70%，從而30% 的藍(lán)光將透過(guò)濾光片6513并直接退出所述器件。其余70%的藍(lán)光將 被濾光片6513反射，最終到達(dá)磷光體片6515。從磷光體轉(zhuǎn)換的黃光 返回到藍(lán)光短通濾光片6516并由濾光片6516反射和退出所述器件。 反射鏡6517將到達(dá)其的任何藍(lán)光再循環(huán)回到磷光體片6515進(jìn)行可能 的轉(zhuǎn)換。 .
圖65C示出了另一遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)，其在同一平面具有磷光體片 和LED。遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)6520包括藍(lán)光LED6521、在該圖中示為 CPC6522的圓形對(duì)稱(chēng)光學(xué)部件、對(duì)角線全波長(zhǎng)反射鏡6523、對(duì)角線青 光反射帶通濾光片6524、在該圖中示為CPC6526的具有對(duì)角線全波 長(zhǎng)反射鏡6525的第二圓形對(duì)稱(chēng)光學(xué)部件、及對(duì)角線黃光反射器6528。
圖65C的青光反射器6524具有圖66A的濾光片反射率曲線6605， 使得其透射激勵(lì)磷光體的短波長(zhǎng)藍(lán)光及因而發(fā)射的黃光，其具有曲線 6606所示的光譜分布。反射器6524僅將長(zhǎng)波長(zhǎng)藍(lán)光反射到由其及反射鏡6528向上反射的黃光形成的白光輸出光束。圖65C的平面鏡再 循環(huán)濾光片6524向下發(fā)送到其的任何光并將這些光發(fā)送回到濾光 片，濾光片繼而改變所述光的方向使之回到反射鏡6525，所述光最 終終止于磷光體片6515，在那里所述光具有另一被轉(zhuǎn)換的機(jī)會(huì)。
圖65C的濾光片6524也可是長(zhǎng)通濾光片，如圖66C所示，其所 示的圖表6630具有代表以納米為單位的波長(zhǎng)的橫軸6631及代表反射 率的縱軸6632。濾光片函數(shù)6633包括指示對(duì)部分或全范圍的藍(lán)光波 長(zhǎng)部分反射30X的水平段6633h，如先前所述，及包括陡峭的截止陡 壁6633c。虛線6636示出了圖65C的黃光濾光片6528對(duì)于磷光體的 譜函數(shù)6635的反射率。
圖65C的包括濾光片6528、 6524和反射鏡6529的組件可關(guān)于連 接反射鏡6523和6525的中心的線確定的軸旋轉(zhuǎn)。如果該組件關(guān)于所 述軸旋轉(zhuǎn)90度，則退出遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)6520的光將在垂直于初始方 向的方向。如果希望遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)6520的高度最小，如有時(shí)建筑 凹室應(yīng)用所要求的那樣，這是非常有用的構(gòu)造。同樣，機(jī)械旋轉(zhuǎn)節(jié)可 包含在6520內(nèi)以使能旋轉(zhuǎn)定位該組件，使得輸出光束的方向可關(guān)于 所述軸調(diào)節(jié)。
圖65D示出了圖65A的備選遠(yuǎn)程磷光體實(shí)施例，其中磷光體片和 LED大約位于同一平面上。圖65D示出了遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)6530，包括 具有熱管理器件6531的藍(lán)光LED6532。來(lái)自LED6532的藍(lán)光被導(dǎo)入 第一準(zhǔn)直器6533 (在該圖中示為CPC)，其將光對(duì)準(zhǔn)在傾斜的長(zhǎng)通二 向色濾光片6534上，該濾光片具有與圖65A的濾光片6503 —樣的特 性，如圖66A所述。二向色濾光片6534位于與準(zhǔn)直器6533 (在該圖 中示為CPC)成45度角處，將所有短波長(zhǎng)的藍(lán)光向左反射到第二傾 斜的長(zhǎng)藍(lán)通二向色濾光片6536 (不可見(jiàn))內(nèi)。濾光片6536具有與濾 光片6534 —樣的波長(zhǎng)特性。濾光片6536將短波長(zhǎng)藍(lán)光向下反射到光 學(xué)部件6537，其繼而將光聚集在厚的磷光體片6538上，所述磷光體 片由白光反射器6539包圍，使得實(shí)質(zhì)上所有這樣的藍(lán)光均被轉(zhuǎn)換為 效能高得多的黃光。白光反射器6539包括熱管理元件如具有散熱片的熱交換器。轉(zhuǎn)換的黃光向上發(fā)射到光學(xué)部件6537并被對(duì)準(zhǔn)在傾斜
的長(zhǎng)藍(lán)通濾光片6536上，其后形成黃光輸出光束6540。通過(guò)濾光片 6534的較長(zhǎng)波長(zhǎng)的藍(lán)光將形成藍(lán)光輸出光束6541。藍(lán)光和黃光光束 可由圖40-50的任一多波長(zhǎng)方法重新結(jié)合。同樣還示出了實(shí)體電介質(zhì) 三角柱6542，其具有側(cè)面6535。棱柱6542防止來(lái)自準(zhǔn)直器6533和 6537的平行光在濾光片6534和6536的表面偏轉(zhuǎn)?；蛘?，實(shí)施例6530 可被構(gòu)造成具有開(kāi)放反射器，在這種情形下，棱柱6542不再需要。
圖65E是圖65B所示實(shí)施例的備選結(jié)構(gòu)，但LED和磷光體片位于 同一平面上。圖65E示出了遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)6545，包括具有熱管理 器件6561的藍(lán)光LED6550。來(lái)自LED6550的藍(lán)光被導(dǎo)入第一圓形對(duì) 稱(chēng)準(zhǔn)直器6551 (在該例子中示為CPC)，其將光對(duì)準(zhǔn)在長(zhǎng)通濾光片 6555中，對(duì)來(lái)自藍(lán)光LED6550的部分或所有波長(zhǎng)藍(lán)光部分反射。濾 光片6555讓預(yù)定部分的藍(lán)光通過(guò)并將剩余部分的藍(lán)光反射到全波長(zhǎng) 反射器6556。未被濾光片6555反射的藍(lán)光，作為平行藍(lán)光光束b 6557 退出。到達(dá)全波長(zhǎng)反射器6556的光向下轉(zhuǎn)90度進(jìn)入圓形對(duì)稱(chēng)聚光器 6559 (在該例子中示為CPC)，在那里光到達(dá)厚的磷光體片6560，該 磷光體片的底部由白光反射器包圍(未示出)，從而所有黃光均向上 行并由6559對(duì)準(zhǔn)。全波長(zhǎng)反射鏡6556改變?cè)撈叫泄獾姆较蚴蛊涞竭_(dá) 藍(lán)光短通濾光片6553 (與所述反射鏡成45度角)，將磷光體片發(fā)射 的所有黃光和較長(zhǎng)波長(zhǎng)作為平行黃光光束y 6558反射出所述裝置。 藍(lán)光光束b 6557及黃光光束y 6558結(jié)合以產(chǎn)生白光。反射鏡6554 再循環(huán)未被濾光片6553經(jīng)全波長(zhǎng)反射器6556和光學(xué)部件6559反射 回到磷光體片6560的藍(lán)光以進(jìn)行可能的轉(zhuǎn)換。虛線6562指示在不同 組件之間需要?dú)庀兜牡胤剑鰵庀杜c圖39B的間隙398和399類(lèi)似。
圖66D所示圖表6640具有代表以納米為單位的波長(zhǎng)的橫軸6641 及代表反射率的縱軸6642。濾光片函數(shù)6643，其對(duì)應(yīng)于圖65E的濾 光片6555，包括指示對(duì)部分或全范圍的藍(lán)光波長(zhǎng)部分反射70%的水 平段6643h及包括陡峭的截止陡壁6643c。虛線6646是圖65E的濾 光片6553的反射函數(shù)，成形為配合磷光體光譜6645。
89熱管理器件6561被示作藍(lán)光LED6550和磷光體片6560共用。然 而，在實(shí)踐中，在該器件中可以有熱中斷，使得磷光體片不接收大量 從LED回來(lái)的熱量，反之亦然。
遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)的效率與其二向色濾光片的效用有關(guān)。為說(shuō)明一 個(gè)真實(shí)濾光片例子的性能，實(shí)際的光譜透射率測(cè)量數(shù)據(jù)已由其制造商 -美國(guó)加利福尼亞州的JDS Uniphase使得可用。所述性能及與該濾光 片有關(guān)的其它規(guī)約由發(fā)明人提供給該公司，以在圖63A和63B中所示 實(shí)施例中由發(fā)明人設(shè)計(jì)的實(shí)際遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)中起作用。圖67所示 圖表6700具有代表浸入波長(zhǎng)的橫軸6701及代表透射率的縱軸6702。 理論性能由實(shí)線6703指示，測(cè)得的性能由虛線6704指示。同樣還示 出了虛線6705，其表示在n=l. 5的電介質(zhì)內(nèi)在10°入射角測(cè)得的性 能，和本發(fā)明幾乎一樣。透射光譜區(qū)T包括99.3-99.9X的值。反射 光譜區(qū)R包括99.9%的反射率，具有不可測(cè)量的小的吸收。這論證 了本發(fā)明的可行性。
雖然圓形CPC的效率出眾，但可能在非再循環(huán)設(shè)計(jì)中使用正方形 CPC，以圖48的方式使用波長(zhǎng)變化的濾光片。為避免正方形與圓形失 配，可能改變圖60A的結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致大CPC62具有更大的受光角如14° 或15° ，分別導(dǎo)致98%和99%的傳送效率(而10°時(shí)為85%)。 圖68A為遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)680的立體圖，包括藍(lán)光LED681、 10°電 介質(zhì)交叉CPC682、藍(lán)通濾光片683、 15°電介質(zhì)交叉CPC684及磷光 體片685，所述磷光體片比LED681大50%。不幸地，CPC683對(duì)于來(lái) 自磷光體片685的再循環(huán)光僅具有90X的效率R。因而，下述更實(shí)際 的非再循環(huán)設(shè)計(jì)使用10°和15°正方形CPC，它們被示為具有單一 LED和磷光體片，但多個(gè)藍(lán)光LED同樣可被示出，如圖10A。
圖68B為長(zhǎng)方形截面的CPC6810。延伸在邊緣6812和6817之間 的面及延伸在邊緣6814和6816之間的相對(duì)面成形為線性擠壓的CPC 輪廓。同樣，延伸在邊緣6813和直線6819之間的面和延伸在邊緣 6811和直線6820之間的相對(duì)面成形為線性擠壓的CPC輪廓。直線6819和邊緣6815之間的表面及直線6820和邊緣6818之間的相對(duì)表 面為平坦表面。
圖69A為遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)690的側(cè)視圖。藍(lán)光LED691照入 CPC692，其將光對(duì)準(zhǔn)到具有士 a (在此為10° )散度的藍(lán)光光束b。對(duì) 角線反射鏡693將這些射線橫向發(fā)送到上部對(duì)角線反射藍(lán)光的反射 鏡695，其將一部分藍(lán)光向外反射，還發(fā)送到對(duì)角線反射藍(lán)光的反射 鏡694，其改變光的方向使其向下到達(dá)更小的第二CPC697，所述第二 CPC是與圖68B中所述類(lèi)似的長(zhǎng)方形截面的CPC。磷光體片698接收 由對(duì)角線反射藍(lán)光的反射鏡694反射的藍(lán)光并將其轉(zhuǎn)換為黃光， CPC697將其對(duì)準(zhǔn)到通過(guò)反射鏡694和695的黃光輸出光束y (具有更 大的散度士e，在此為15° )。大的熱交換器699L冷卻藍(lán)光LED691， 而小的熱交換器699S冷卻磷光體片698。虛線指示與圖39B的間隙 398和399類(lèi)似的微小氣隙。該結(jié)構(gòu)具有光學(xué)缺陷，黃光和藍(lán)光輸出 光束將不適當(dāng)?shù)亟M合，因?yàn)樗鼈兙哂胁煌纳⒍萩t和^ 。更小尺寸 的上部反射藍(lán)光的反射鏡695意味著光束在空間上不均勻。
圖69B示出了同樣的系統(tǒng)，但增加了全息漫射器690d，其使來(lái) 自CPC692的±10°藍(lán)光加寬，使得其發(fā)散角等于來(lái)自CPC697的 ±15° 。反射藍(lán)光的反射鏡695必須足夠長(zhǎng)以將所有這樣的藍(lán)光向出 口反射。現(xiàn)在，兩個(gè)光束將在遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)合以形成白光。然而，在近場(chǎng)， 兩個(gè)光束不重合。
圖69C示出了同樣的系統(tǒng)，但上部藍(lán)光反射鏡被示為分為兩個(gè)更 小的反射鏡695s。進(jìn)一步地，拆分為小的以至不能辨別的多個(gè)反射 鏡將給出空間上均勻的白光輸出。
圖70示出了遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7000。由大的熱交換器7011冷卻 的藍(lán)光LED7010照入第一CPC7020，其將光對(duì)準(zhǔn)到具有士IO。散度的 射線b。對(duì)角線反射鏡7030透射該光的部分，其后，所述光由漫射 器7040擴(kuò)展到±15°散度。之后，其通過(guò)反射黃光的對(duì)角線反射鏡 7050并退出。對(duì)角線反射鏡7030還將射線b的一部分橫向反射到反 射藍(lán)光的對(duì)角線反射鏡7070，其將它們向下反射到第二CPC7080，第二 CPC繼而將它們聚集到磷光體片7090 (由熱交換器7091冷卻)上。 對(duì)角線反射鏡7030可以是常規(guī)的分束器(約2/3反射、1/3透射)， 也可是如圖66D中所示的分束藍(lán)光反射鏡，其為部分反射短波長(zhǎng)的長(zhǎng) 通濾光片。由于第二 CPC7080具有與第一 CPC7020相等的孔徑但具有 更大的受光角，磷光體片7090也成比例地更大。相比第一CPC7020， 棒7081補(bǔ)償?shù)诙?CPC7090的更短的高度。虛線指示與圖39B的間隙 398和399類(lèi)似的微小氣隙。由磷光體片7090產(chǎn)生的光致發(fā)光黃光 照入CPC7080，其將所述黃光形成具有±15°散度的射線y，射線通 過(guò)反射藍(lán)光的對(duì)角線反射鏡7070并到達(dá)對(duì)角線折轉(zhuǎn)反射鏡7060，從 而橫向反射到反射黃光的對(duì)角線反射鏡7050，其將射線向上反射以 與藍(lán)光輸出結(jié)合從而形成空間及角度均勻的白光輸出。虛線指示用較 低折射率材料如硅酮填充的氣隙。它們的74°臨界角足以反射傾斜 射線。
圖71為基于圖70的實(shí)施例的遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7100的立體圖， 將多個(gè)藍(lán)光LED和多個(gè)磷光體片的輸出組合為單一、高度均勻的窄角 白光光束。例如，這樣的系統(tǒng)可有利地應(yīng)用于汽車(chē)頭燈。藍(lán)光LED7110 排成4X4陣列，每一 LED連接到小的交叉CPC7120，繼而所有CPC 連接到長(zhǎng)方形混合管道7130。對(duì)角線部分藍(lán)光反射鏡7140位于其上， 所述反射鏡將部分藍(lán)光橫向反射到對(duì)角線藍(lán)光反射鏡7150，從那里 向下到大CPC7160，該CPC將藍(lán)光聚集到磷光體片7170上。它們的 黃光由大CPC7160平行校正并通過(guò)對(duì)角線藍(lán)光反射鏡7150到達(dá)對(duì)角 線折轉(zhuǎn)反射鏡7180并因而向內(nèi)橫向反射。對(duì)角線藍(lán)通黃光反射鏡 7190以與藍(lán)光重合的方式發(fā)出黃光(其由漫射器7195加寬)以形成 白光輸出光束。所有LED和磷光體片方便地位于同一平面中。
在經(jīng)更大量的藍(lán)光LED獲取更高的功率時(shí)，對(duì)于圖63A和63B的 實(shí)施例，電介質(zhì)CPC被證明體積太大且昂貴。而可使用圖6C的錐形 體和透鏡方案。因而，圖72A示出了遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7200，具有32 個(gè)藍(lán)光LED7201，每一LED具有其自己的交叉電介質(zhì)CPC7202，在濾 光片和反射鏡平面7203上排成不完全正方形。該結(jié)構(gòu)使所述平面的77%可被覆蓋，不同于完全正方形情形的64%。大的反射錐形體7205 被示為一部分切掉，以顯示具有正方形中心孔7207的磷光體片7206， 所述孔具有與32個(gè)LED7201 —樣的面積。錐形體7205具有金屬底座， 連接到徑向熱交換器散熱片7210。錐形體7205不限于使用反射箔所 要求的錐形截面，其也可具有特制截面，如可用注模制造。非成像光 學(xué)部件領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的所述特制形狀通常連同透鏡7204 —起 設(shè)計(jì)，如圖72B中所示。這樣的組合透鏡/反射器光學(xué)部件可接近理 論極限運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)這樣的高性能，折射透鏡應(yīng)被完全涂覆多層及 反射器對(duì)所需波長(zhǎng)應(yīng)具有接近100%的反射率。涂覆多層的高透射率 透鏡可從多個(gè)來(lái)源獲得。不可展表面上的非常高反射率的涂層可從工 業(yè)源獲得。同樣， 一些高反射率薄膜如可從美國(guó)明尼蘇達(dá)州3M公司 獲得的薄膜已成功模制成不可展形狀。這樣的薄膜也可用于制造錐形 反射器，如錐形體7205，因?yàn)殄F形體是可由扁平薄膜制成的可展表 面。
圖72B為遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7200的另一立體圖，其示出的小的交 叉電介質(zhì)CPC7202、反射器錐形體7205、折射透鏡7204及熱交換器 散熱片7210。同樣還示出了中心磷光體孔7207，其由漫射反射器7206 包圍，由連接到散熱片7210的高度傳導(dǎo)的材料支撐，所述材料用于 從磷光體片7206傳導(dǎo)去除5瓦特的無(wú)用熱量。該系統(tǒng)應(yīng)能夠產(chǎn)生約 4000流明，亮度為40 candela/mm2，僅次于弧光燈。
圖73A示出了側(cè)向發(fā)射遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例，其具有分 開(kāi)的短和長(zhǎng)波輸出端口。圖73A的遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7300使用圖68A 的原理，其中第二光學(xué)部件的受光角大于連接到藍(lán)光LED的光學(xué)部件 的受光角。在該實(shí)施例中，第二光學(xué)部件具有長(zhǎng)方形截面，而第一光 學(xué)部件具有正方形截面。遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7300包括藍(lán)光LED7301， 其輻射到具有受光角7302的第一交叉CPC7313 (或具有正方形截面 的其它準(zhǔn)直器)，所述CPC將來(lái)自藍(lán)光LED7301的光對(duì)準(zhǔn)到傾斜的反 射鏡7305及具有受光角7308的光學(xué)鏈，從而將光聚集到具有高度反 射的罩和熱交換器(二者均未示出)的遠(yuǎn)程磷光體片7309上。到達(dá)傾斜的反射鏡7305的所述藍(lán)光的一部分被反射及重定向到短波長(zhǎng)輸
出端口，其光束輸出由箭頭7311指示。未到達(dá)反射鏡7305的藍(lán)光部 分通過(guò)所述光學(xué)鏈，該鏈由傾斜的短通濾光片7306 (如圖11A所示) 及長(zhǎng)方形交叉CPC7314 (或具有長(zhǎng)方形截面的其它聚光器)組成。 CPC7314具有所述比交叉CPC7313的受光角7302大的受光角7308。 從磷光體片7309發(fā)出的光由長(zhǎng)方形交叉CPC7314向傾斜的短通濾光 片7306對(duì)準(zhǔn)，其將黃光及較長(zhǎng)波長(zhǎng)反射到長(zhǎng)波長(zhǎng)輸出端口，該端口 的光束輸出由箭頭7312指示。長(zhǎng)方形截面CPC7314具有上部直部 7310u和下部直部73101及正交方向的擴(kuò)展部分(未示出)，如圖68B 的幾何結(jié)構(gòu)。由箭頭7311指示的短波藍(lán)光的光束角可被擴(kuò)散以與來(lái) 自長(zhǎng)波長(zhǎng)輸出端口的光的光束角匹配。這些藍(lán)光和黃光光束可由圖 40-50的任一多波長(zhǎng)方法重新結(jié)合。實(shí)施例7300的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于所 述裝置不需要任何氣隙并可制造為單件。LED7301和磷光體片7309 在垂直方向較薄，使其適于需要該屬性的應(yīng)用?；蛘?，所述裝置可被 構(gòu)造成具有幾個(gè)氣隙及所有光學(xué)表面被完全涂覆多層。
圖73B為遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例，其具有分開(kāi)的鄰接藍(lán)光 和黃光輸出端口。圖73B的遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7320使用圖68A的原理， 其中第二光學(xué)部件的受光角大于連接到藍(lán)光LED的光學(xué)部件的受光 角。在該實(shí)施例中，第二光學(xué)部件具有長(zhǎng)方形截面，而第一光學(xué)部件 具有正方形截面。遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7320包括藍(lán)光LED7321，其輻射 到第一交叉CPC7329 (或每端具有正方形截面的其它準(zhǔn)直器)，所述 CPC將來(lái)自藍(lán)光LED7321的光對(duì)準(zhǔn)到傾斜的反射鏡7323及漫射器 7324。到達(dá)漫射器7324的藍(lán)光部分(粗線)被擴(kuò)展并作為光束輸出 7326離開(kāi)短波長(zhǎng)輸出端口。由反射鏡7323反射的藍(lán)光部分被傾斜的 黃通濾光片7325再次向長(zhǎng)方形截面聚光器7330反射，示為底部上的 CPC部分及頂部的直部。聚光器7330的受光角等于或大于交叉 CPC7329的輸出角。交叉CPC7330將藍(lán)光聚集到具有高度反射的罩(未 示出)及熱交換器7328的遠(yuǎn)程磷光體片7322上。從磷光體片7322 向上發(fā)出的光由長(zhǎng)方形交叉CPC7330向傾斜的長(zhǎng)通濾光片7325對(duì)準(zhǔn)，
94其將黃光和較長(zhǎng)波長(zhǎng)傳輸?shù)狡教馆敵龆丝? 7331以形成黃光光束
7327。對(duì)角線棱柱7332光學(xué)上連接到濾光片7325，使得在黃光光束 7327離開(kāi)濾光片的傾斜表面時(shí)不被偏轉(zhuǎn)。而是其以法線入射離開(kāi)， 因而未被偏轉(zhuǎn)。長(zhǎng)方形截面CPC7330具有與圖68B中所示類(lèi)似的幾何 結(jié)構(gòu)。漫射器7324擴(kuò)展藍(lán)光光束，使得其孔徑張角與來(lái)自準(zhǔn)直器7330 的黃光的張角匹配。
圖73C為圖73A所示遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)側(cè)向發(fā)射實(shí)施例的備選結(jié) 構(gòu)，其具有一個(gè)共用輸出端口。圖73C的遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7340使用 圖68A的原理，其中第二光學(xué)部件的受光角大于連接到藍(lán)光LED的光 學(xué)部件的受光角。在該實(shí)施例中，第二光學(xué)部件具有長(zhǎng)方形截面，而 第一光學(xué)部件具有正方形截面。遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7340包括藍(lán)光 LED7341，其輻射到具有受光角7342的第一交叉CPC7347 (或每端具 有正方形截面的其它準(zhǔn)直器)，所述CPC將來(lái)自藍(lán)光LED7341的光對(duì) 準(zhǔn)到傾斜的反射鏡7344及具有受光角7343的光學(xué)鏈，從而將光聚集 到具有高度反射的罩和熱交換器(二者均未示出)的遠(yuǎn)程磷光體片 7342上。反射鏡7344可雙重彎曲和/或空間上漫射，使得反射在其 上的藍(lán)光的孔徑張角從7342增加到7343。到達(dá)傾斜的反射鏡7344 的所述藍(lán)光的一部分被重定向到輸出端口，其光束輸出由箭頭7345 指示。未到達(dá)反射鏡7344的藍(lán)光部分通過(guò)所述光學(xué)鏈，該鏈由傾斜 的短通濾光片7348及長(zhǎng)方形交叉CPC7346 (或每端具有長(zhǎng)方形截面 的其它聚光器)組成。CPC7346具有所述比交叉CPC7347的受光角7342 大的受光角7343。從磷光體片7342發(fā)出的光由長(zhǎng)方形交叉CPC7346 向傾斜的短通濾光片7348對(duì)準(zhǔn)，其將黃光及較長(zhǎng)波長(zhǎng)反射到所述輸 出端口，該端口的光束輸出由箭頭7345指示。實(shí)施例7340的一個(gè)優(yōu) 點(diǎn)在于所述裝置不需要任何間隙并可制造為單件?；蛘?，所述裝置可 被構(gòu)造成在CPC7347的較寬端和CPC7346的較寬端具有間隙及在間隙 處的所有光學(xué)表面或被完全涂覆多層(在氣隙的情況下)或用較低折 射率材料如硅酮填充。這種修改使所述輸出端口尺寸最小。上述遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)的色溫是有多少藍(lán)光被不同濾光片放出的 結(jié)果。由于濾光片具有不可改變的譜反射函數(shù)，該色溫不易于調(diào)節(jié)。 因而，下述五個(gè)優(yōu)選實(shí)施例具有增加第二藍(lán)光LED的手段，使得來(lái)自
第一藍(lán)光LED的所有光完全由磷光體吸收。之后，隨著第二 LED的輸 出增加或第一LED的輸出降低，色溫上升，所述第一LED的輸出向磷 光體提供能量。
圖74示出了遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7400，包括第一藍(lán)光LED7401、光 學(xué)上連接到第一 LED的具有10°聚集的第一準(zhǔn)直器7402(示作CPC)、 第二藍(lán)光LED7403、光學(xué)上連接到第二 LED的具有15°聚集且方向正 交于第一準(zhǔn)直器7402的第二準(zhǔn)直器7404、傾斜的短通濾光片7405 (如圖11A所示)、從第一準(zhǔn)直器7402接收光線bl并將它們聚集到 具有高度反射的罩和熱交換器(二者均未示出)的磷光體片7407上 的聚光器7406 (示作CPC)。在射線bl的光刺激下，磷光體7407輻 射黃光，其由聚光器7406 (用作相反方向射線的準(zhǔn)直器)校準(zhǔn)為光 束y。傾斜的短通濾光片7405反射與直接來(lái)自第二準(zhǔn)直器7404的射 線b2重合的所述黃光。相對(duì)于第一準(zhǔn)直器7401的輸出改變第二藍(lán)光 LED7403的輸出將導(dǎo)致重合輸出光束y和b2的白光的色溫的伴發(fā)變 化。
圖75示出了類(lèi)似的系統(tǒng)，但兩個(gè)LED和磷光體片便利地在同一 平面中。遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7500包括第一藍(lán)光LED7501、光學(xué)上連接 到第一 LED的將光校準(zhǔn)到10°的第一準(zhǔn)直器7502 (示為交叉CPC)、 傾斜的長(zhǎng)通濾光片7503、傾斜的全波長(zhǎng)反射鏡7504、具有15°受光 角的聚光器7505 (示為交叉CPC)、具有高度反射的罩和熱交換器(二 者均未示出)的遠(yuǎn)程磷光體片7506、第二 LED7507、將光校準(zhǔn)到15° 的準(zhǔn)直器7508、擴(kuò)展器-混合器部分7509、傾斜的短通濾光片7510、 及具有窄隙7512的五個(gè)對(duì)角線棱柱塊7511，所述窄隙優(yōu)選使用低折 射率硅酮填充。平行白光輸出光束7520由兩個(gè)重合光束組成，即來(lái) 自磷光體的黃光及來(lái)自第二藍(lán)光LED7507的藍(lán)光。其色溫由兩個(gè)藍(lán)光 LED的相對(duì)輸出控制。圖76示出了圖75的備選實(shí)施例，其中兩個(gè)LED和磷光體片位于 同一平面中，但輸出光束位置在中央。遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7600包括第 一藍(lán)光LED7601、光學(xué)上連接到第一 LED的將光校準(zhǔn)到10°的第一準(zhǔn) 直器7610 (示為交叉CPC)、傾斜的全波長(zhǎng)反射鏡7605和7606、具 有15°受光角的聚光器7609 (示為交叉CPC)、具有高度反射的罩 和熱交換器(二者均未示出)的遠(yuǎn)程磷光體片7603、第二LED7602、 將光校準(zhǔn)到15°的準(zhǔn)直器7612、擴(kuò)展器-混合器部分7604、傾斜的 短通濾光片7607、及具有窄隙7611的五個(gè)對(duì)角線棱柱塊7613，所述 窄隙優(yōu)選使用低折射率硅酮填充。平行白光輸出光束7608由兩個(gè)重 合光束組成，即來(lái)自磷光體的黃光及來(lái)自第二藍(lán)光LED7602的藍(lán)光。 其色溫由兩個(gè)藍(lán)光LED的相對(duì)輸出控制。
圖71的實(shí)施例示出了 LED陣列和磷光體片陣列通過(guò)圖70實(shí)施例 教示的原理的邏輯延伸可怎樣被組合為單一輸出裝置。所述邏輯延伸 可應(yīng)用于在此教示的所有遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)實(shí)施例，但具有分開(kāi)的短波 和長(zhǎng)波輸出端口的那些實(shí)施例如圖65A和65B所示實(shí)施例除外。在這 些情形下，LED陣列和磷光體片陣列可被調(diào)節(jié)，但需要有至少兩個(gè)輸 出端口。
為進(jìn)一歩說(shuō)明具有單一輸出端口的遠(yuǎn)程磷光體實(shí)施例可怎樣邏 輯延伸到包括組件陣列，為此提供圖77所示的實(shí)施例。該實(shí)施例基 于圖75教示的原理。圖77示出了具有位于同一平面上的八個(gè)LED和 四個(gè)磷光體片的系統(tǒng)。遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7700包括第一陣列藍(lán)光LED
7702、 光學(xué)上連接到所述第一陣列的將光校準(zhǔn)到10°的第一陣列四 個(gè)準(zhǔn)直器7706 (示為交叉CPC)、傾斜的長(zhǎng)通濾光片7709、傾斜的 全波長(zhǎng)反射鏡7708、具有15°受光角的四個(gè)聚光器的陣列7707 (示 為交叉CPC)、四個(gè)遠(yuǎn)程磷光體片的陣列7701，每一遠(yuǎn)程磷光體片具 有高度反射的罩和熱交換器(二者均未示出)、第二四個(gè)LED的陣列
7703、 將光校準(zhǔn)到15°的四個(gè)準(zhǔn)直器的陣列7704、擴(kuò)展器-混合器部 分7705、傾斜的短通濾光片7710、及具有窄隙7713的五個(gè)對(duì)角線棱 柱塊7711，所述窄隙優(yōu)選使用低折射率材料如硅酮填充。來(lái)自單一輸出端口的平行白光輸出光束7712由兩個(gè)重合光束組成，即來(lái)自磷
光體的黃光及來(lái)自第二藍(lán)光LED陣列7703的藍(lán)光。其色溫由兩個(gè)藍(lán) 光LED陣列的相對(duì)輸出控制。
圖77的實(shí)施例也可采用其它混合結(jié)構(gòu)。例如，四個(gè)遠(yuǎn)程磷光體 片的陣列7701可被組合為一個(gè)磷光體片，其通過(guò)將四個(gè)聚光器的陣 列7707轉(zhuǎn)換為單一準(zhǔn)直器實(shí)現(xiàn)。該原理在圖71中由大CPC7160圖示， 其中兩個(gè)大CPC7160中的每一個(gè)接受來(lái)自四個(gè)藍(lán)光LED的光。
具有遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)是有益的，其中白光的色溫容易調(diào)整為包括 值范圍。這樣的遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)使其色溫能夠調(diào)整以滿足或制造過(guò)程 期間或隨后在現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)要求。同樣，這些系統(tǒng)可包括測(cè)量裝置的當(dāng) 前色溫的反饋環(huán)路，并可被構(gòu)造成具有將該色溫調(diào)節(jié)為所需值或調(diào)節(jié) 到值范圍內(nèi)的電子裝置。這是有利的，因?yàn)樗{(lán)光LED可在其壽命期限 內(nèi)改變特性。圖78、 79和80的實(shí)施例示出了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的幾種方式。 圖78示出了怎樣使用與圖73C類(lèi)似的非再循環(huán)遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 所述目標(biāo)，而圖79和80的實(shí)施例使用新的原理，即黃光部分再循環(huán) 及部分非再循環(huán)?？赡軜?gòu)造這樣的系統(tǒng)以獲得非常高的亮度。
圖78示出了遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7800，其使所發(fā)射的白光的色溫可 調(diào)，這通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)藍(lán)光LED的通量輸出的比實(shí)現(xiàn)。該實(shí)施例基于圖 73C中教示的原理，在該實(shí)施例中，藍(lán)光LED7341、準(zhǔn)直器7347和傾 斜的短通濾光片7348分別由LED7801及7802、準(zhǔn)直器7807及7808、 和傾斜的短通濾光片7803代替。由藍(lán)光LED7801發(fā)射的藍(lán)光由反射 鏡/漫射器7805部分反射，所述反射鏡/漫射器使該光擴(kuò)散使得其與 來(lái)自準(zhǔn)直器7810的黃光的孔徑張角匹配。同樣還示出了可選混合部 分7809，用于使從準(zhǔn)直器7810接收的光均勻。黃光磷光體7804接 收來(lái)自藍(lán)光LED7802和7801的光，因此所發(fā)射白光的黃光分量取決 于兩個(gè)藍(lán)光LED的輸出。然而，所發(fā)射白光的藍(lán)光分量近源自藍(lán)光 LED7801的藍(lán)光在反射鏡/漫射器7805處的反射。相對(duì)于藍(lán)光LED7802 改變藍(lán)光LED7801的輸出使能相當(dāng)大地控制所反射白光7806的色溫。圖79示出了遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7900，其具有可調(diào)的色溫及采用具
有部分再循環(huán)和部分非再循環(huán)的混合系統(tǒng)。遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)7900包 括三個(gè)藍(lán)光LED7903及兩個(gè)磷光體片7901和7902，所有這五個(gè)元件 均共平面。接收來(lái)自中央藍(lán)光LED7903的藍(lán)光的準(zhǔn)直器7917被構(gòu)造 成使得其受光角等于聚光器7914和7912的受光角。在該實(shí)施例中， 該受光角被設(shè)為15。，及7917、 7914和7912的外形被示為CPC。實(shí) 施例7900還包括右邊的三角形短通濾光片7908、全波長(zhǎng)折轉(zhuǎn)反射鏡 7904和7905、傾斜的長(zhǎng)通濾光片7906和7907、完全涂覆多層(在 氣隙情況下)或填充低折射率材料的間隙7910、及輸出端口 7911。 來(lái)自中央LED7903的藍(lán)光由準(zhǔn)直器7917校準(zhǔn)，其將所述藍(lán)光引到混 合器部分7916，所述混合器部分也可構(gòu)造為與圖75的部分7509類(lèi) 似的擴(kuò)展器-混合器部分。來(lái)自混合器部分7916的藍(lán)光透過(guò)低折射率 間隙(示為虛線)及三角形短通濾光片7908，繼而退出輸出端口 7911。 來(lái)自右邊和左邊藍(lán)光LED7903的光分別由準(zhǔn)直器7913和7915及長(zhǎng)通 濾光片7907和7906校準(zhǔn)，繼而每一藍(lán)光光束由全波長(zhǎng)折轉(zhuǎn)反射鏡 7905和7904引入具有出口的光學(xué)鏈，所述出口具有遠(yuǎn)程磷光體片。 每一磷光體片將具有高度反射的罩且通常具有熱管理裝置(二者均未 示出)。在這點(diǎn)上，7900的每一半與圖75的實(shí)施例一樣運(yùn)行，因?yàn)?磷光體轉(zhuǎn)換的光被校準(zhǔn)和重定向到全波長(zhǎng)折轉(zhuǎn)反射鏡7905或7904， 繼而水平方向反射。在圖75的實(shí)施例中，所有水平的光均被引到輸 出端口。在系統(tǒng)7900中，只有到達(dá)三角形短通濾光片7908的射線才 退出輸出端口。未退出的水平方向的光行進(jìn)到裝置的另一半，繼而被 全波長(zhǎng)反射鏡反射，最終聚集到相對(duì)的磷光體片上。到達(dá)磷光體片 7901和7902的黃光及較長(zhǎng)波長(zhǎng)光將被散射、校準(zhǔn)和重定向朝向三角 形短通濾光片7908，繼而其一部分或退出輸出端口或被再次再循環(huán)。 由三角形短通濾光片7908截取的光部分可通過(guò)選擇準(zhǔn)直器7917 和擴(kuò)展器-混合器7916的適當(dāng)形狀和受光角進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，如果準(zhǔn) 直器7917和混合器7916用準(zhǔn)直器7508和擴(kuò)展器-混合器7509代替， 則每次通過(guò)時(shí)由短通濾光片7908截取的光部分將為50。％。系統(tǒng)7900的色溫可通過(guò)相對(duì)于為磷光體轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的兩個(gè)藍(lán)光LED的通量改變
7903的中央藍(lán)光LED的通量輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。
為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)7900的最大效率，每一組件的光學(xué)傳輸效率均很高 非常重要，特別是在再循環(huán)模式下更是如此。這可在正方形截面準(zhǔn)直 器/聚光器中通過(guò)使用比交叉CPC更理想的光學(xué)部件實(shí)現(xiàn)，所述光學(xué) 部件通常由具有恒定折射率的材料制成。非成像光學(xué)部件領(lǐng)域的技術(shù) 人員已知有幾種方法可滿足該條件。 一種方法是在交叉CPC的壁中引 入波紋，通過(guò)使用優(yōu)化算法改變這些波紋的形狀實(shí)現(xiàn)解決方案。另一 種方法是設(shè)計(jì)光學(xué)部件，假設(shè)其沒(méi)有恒定的折射率?？勺冋凵渎式鉀Q 方案在Elsevier于2005年出版的、R. Winston、 J. C. Minano和 P. Benitez所著Nonimaging Optics書(shū)的第6章給出，其通過(guò)引用 而全部包含于此。在這兩種方法中，光學(xué)部件的每一端均為正方形， 而中間部分可以也可不是正方形?；诜浅上窆鈱W(xué)部件領(lǐng)域技術(shù)人員 己知的這些及其它方法的光學(xué)準(zhǔn)直器和聚光器可用于在此描述的任 何實(shí)施例。
圖80示出了遠(yuǎn)程系統(tǒng)8000，其為圖79的備選實(shí)施例，其中不 需要全波長(zhǎng)折轉(zhuǎn)反射鏡7904和7905。該實(shí)施例相比圖79的實(shí)施例 具有進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，即組件的數(shù)量可以更少。遠(yuǎn)程磷光體系統(tǒng)8000 包括藍(lán)光LED8012、正方形截面準(zhǔn)直器8010， 二者均在左側(cè)，還包括 具有準(zhǔn)直器8004的可調(diào)藍(lán)光LED8001、磷光體片8003 (具有高度反 射的罩及散熱片，未示出)及相關(guān)聯(lián)的正方形截面聚光器8005、可 選混合室8006、全波長(zhǎng)反射鏡8008、傾斜的短通濾光片8002、輸出 端口 8007及間隙(示為虛線)。輸出端口 8007的通量由通量箭頭 8011表示，其是可調(diào)藍(lán)光LED8001和反射的黃光及來(lái)自短通濾光片 8002的較長(zhǎng)波長(zhǎng)的組合輸出。由短通濾光片8002反射的未退出輸出 端口 8007的光由全波長(zhǎng)反射鏡8008反射并回到短通濾光片8002， 繼而其被反射到可選混合室8006、聚光器8005的光學(xué)鏈，最后回到 磷光體片8003。磷光體片8003接收該未退出的光，使其散射和再循 環(huán)。圖80的實(shí)施例被構(gòu)造成具有兩個(gè)藍(lán)光LED8012，但通過(guò)將更多 成對(duì)的元件8010和8005添加到豎直的堆疊可容易地進(jìn)行擴(kuò)展。同樣， 藍(lán)光LED8001也可構(gòu)造為更大的LED陣列，這通過(guò)應(yīng)用圖77實(shí)施例 的原理添加更多的LED和準(zhǔn)直器8004實(shí)現(xiàn)。
圖77示出了具有多個(gè)LED和磷光體片的優(yōu)選實(shí)施例，足以使得 易于預(yù)見(jiàn)具有更大數(shù)量的LED和磷光體片的優(yōu)選實(shí)施例，其很難清楚 地圖示，如圖72A所示。這些磷光體片發(fā)射綠光而不是傳統(tǒng)的黃光類(lèi) 型也是可能的，及增加一些紅光LED也是可能的，如上結(jié)合圖10E所 述。部分藍(lán)光LED刺激綠光磷光體而其它藍(lán)光LED直接貢獻(xiàn)輸出光束 也是可能的。紅光LED或可位于圖77的第二 LED陣列7703中，在這 種情形下，正位于紅光LED上方的短通濾光片7710必須改為長(zhǎng)通濾 光片以使紅光能被透射而反射綠光磷光體的波長(zhǎng)?；蛘撸t光LED可 位于第一 LED陣列7701內(nèi)。后一方法不需要系統(tǒng)改變?yōu)V光片。
綠光磷光體相比圖40-51的優(yōu)選實(shí)施例中使用的綠光LED更有 利，這是因?yàn)槠涑霰姷男?綠光LED目前比藍(lán)光LED具有低得多的 外部量子效率，從而綠光磷光體的轉(zhuǎn)換損耗小很多)及因?yàn)槠渚哂懈?寬的波長(zhǎng)范圍。這導(dǎo)致更好的現(xiàn)色性及眼睛縱向彩色色差的較小顏色 分離，其在如投影電視和背光的成像應(yīng)用的傳統(tǒng)窄帶RGB LED中產(chǎn)生 明顯的偽影。這樣的波長(zhǎng)擴(kuò)展在所述方法中使用藍(lán)光和紅光LED也可 能實(shí)現(xiàn)，其通過(guò)使用450nm和472nm藍(lán)光LED，許多紅光波長(zhǎng)中的幾 個(gè)可用，如610、 625和640nm。這樣的多波長(zhǎng)光源可顏色連續(xù)模.式 運(yùn)行，具有紅光、綠光和藍(lán)光輸出，每一輸出單獨(dú)供電三分之一的電 視幀時(shí)間以照亮單色空間調(diào)光器，如LCD。這些具有比傳統(tǒng)白光彩色 LCD (3-5%)高得多的吞吐量(30-50%)，所述傳統(tǒng)白光彩色LCD 具有低效率顏色濾光片，其浪費(fèi)了大多數(shù)輸入白光。
為增加亮度，圖77的多LED方法可應(yīng)用于圖79和圖80的再循 環(huán)結(jié)構(gòu)，圖79和圖80僅示出了單一LED。 LED的有力冷卻使它們能 被過(guò)驅(qū)動(dòng)以獲得最大光度，而高效再循環(huán)使能使用甚至比圖79中的 孔更小的孔，而不過(guò)多犧牲總光度。該方法使能實(shí)現(xiàn)弧光燈的亮度等級(jí)(300 cd/mm2平均值)，而沒(méi)有弧光燈那樣的成本、體積、易碎性、
高溫及短壽命。弧光燈還需要混合及冷凝光學(xué)部件(最多普普通通的 光學(xué)效率)以克服其非均勻的亮度及缺乏清晰邊界，從而導(dǎo)致低很多
的可使用亮度。然而，本發(fā)明在窄角(±15° )光束中傳遞最大亮度，
其具有高空間均勻性及非常清晰的邊界，且光學(xué)效率不低于弧光燈。 此外，固態(tài)照明系統(tǒng)對(duì)一般照明提供可調(diào)輸出色度及對(duì)投影電視提供
顏色連續(xù)照明，而沒(méi)有現(xiàn)有技術(shù)RGB LED系統(tǒng)的不利窄帶光譜。
本說(shuō)明書(shū)描述了各個(gè)光學(xué)部件及將它們結(jié)合為構(gòu)件塊的幾個(gè)實(shí)
施例。這些元件及它們的組合的一個(gè)共同主題是通過(guò)光束擴(kuò)展量守恒
保持光源亮度，其使用了非成像光學(xué)原理的新應(yīng)用。
前面對(duì)目前實(shí)施在此描述的光學(xué)變換器的最佳模式的描述并不
構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制，其僅用于描述本發(fā)明的一般原理的目的。本發(fā)
明的范圍由權(quán)利要求確定。
本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到的是，根據(jù)這些示教，可實(shí)施
另外的實(shí)施例，而不背離本發(fā)明的精神或范圍。本發(fā)明僅由下面的權(quán)
利要求限定，當(dāng)連同上面的說(shuō)明書(shū)和附圖觀看時(shí)，其包括所有這樣的
實(shí)施例和修改。
權(quán)利要求
1、多波長(zhǎng)光源，包括發(fā)射主波長(zhǎng)的光的光源；連接到所述光源并校準(zhǔn)其光的輸入光學(xué)系統(tǒng)；中間光學(xué)系統(tǒng)，所述中間光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造為具有第一端及在另一端具有出口的聚光器；一個(gè)或多個(gè)輸出端口；將來(lái)自所述輸入光學(xué)系統(tǒng)的平行光的第一部分引到所述一個(gè)或多個(gè)輸出端口中的至少一個(gè)及將來(lái)自所述輸入光學(xué)系統(tǒng)的平行光的第二部分引到所述中間光學(xué)系統(tǒng)的所述第一端的一個(gè)或多個(gè)反射鏡；形成在所述出口上的磷光體片，所述磷光體片材料的成分使其響應(yīng)于所述光源產(chǎn)生的光的激發(fā)而發(fā)光，所述磷光體片發(fā)射的光返回通過(guò)并離開(kāi)所述中間光學(xué)系統(tǒng)以到達(dá)所述一個(gè)或多個(gè)輸出端口中的至少一輸出端口。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的多波長(zhǎng)光源，其中所述光源包括至少一發(fā) 光二極管LED。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2的多波長(zhǎng)光源，其中所述至少一 LED為頂發(fā) 射LED或?qū)嵸|(zhì)上頂發(fā)射的LED。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述磷光體 片具有薄緣和兩個(gè)表面，即接收來(lái)自所述中間光學(xué)系統(tǒng)的光的內(nèi)表面 及相對(duì)的外表面；所述磷光體片還透射來(lái)自所述光源的光；高度反射的表面覆蓋所述磷光體片的所述外表面，使得已由所述 磷光體片的所述外表面發(fā)射的光改為連同所述內(nèi)表面發(fā)射的光一起 返回通過(guò)并離開(kāi)所述中間光學(xué)系統(tǒng)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4的多波長(zhǎng)光源，其中所述反射表面被提供有 散熱片。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述一個(gè)或 多個(gè)輸出端口包括至少兩個(gè)輸出端口，及光輸出為來(lái)自不同所述輸出 端口的兩個(gè)或多個(gè)空間上分開(kāi)的不同光譜組成的光束。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6的多波長(zhǎng)光源，其中光輸出為來(lái)自不同所述輸出端口的兩個(gè)或多個(gè)空間上分開(kāi)的光束，至少包括一與來(lái)自所述光 源的所述光相同光譜組成的光束及一與所述磷光體片發(fā)射的所述光 相同光譜組成的光束。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1-7任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述光源和 所述磷光體片位于同一平面上。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1-7任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述光源和 所述磷光體片位于同一軸上。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l-9任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述輸入校 準(zhǔn)系統(tǒng)和所述中間光學(xué)系統(tǒng)位于公共軸上。
11、 根據(jù)權(quán)利要求i-io任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述輸出 端口可關(guān)于軸旋轉(zhuǎn)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11的多波長(zhǎng)光源，其中所述光的所述第一部 分及所述發(fā)射的光沿所述旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)入所述可旋轉(zhuǎn)輸出端口。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1-12任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述輸入 校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)具有比所述中間光學(xué)系統(tǒng)小的受光角。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1-13任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中一個(gè)或多 個(gè)漫射器加寬所述光的所述第一部分的光束發(fā)散角。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1-14任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中至少一所 述輸入光學(xué)系統(tǒng)和所述中間光學(xué)系統(tǒng)的至少一聚光器具有長(zhǎng)方形截 面。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1-15任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述光源 是光源陣列，所述出口為出口陣列，及所述磷光體片為磷光體片陣列。
17、 根據(jù)權(quán)利要求1-16任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述光源 和所述磷光體片被提供有散熱片。
18、 根據(jù)權(quán)利要求1-17任一所述的多波長(zhǎng)光源，構(gòu)造成部分再 循環(huán)及部分非再循環(huán)。
19、 根據(jù)權(quán)利要求1-18任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述一個(gè) 或多個(gè)反射鏡包括定位成反射所述平行光的一部分及被所述平行光 的另一部分錯(cuò)過(guò)的反射鏡。
20、 根據(jù)權(quán)利要求1-19任一所述的多波長(zhǎng)光源，還包括 發(fā)射主波長(zhǎng)的光的第二光源；及引導(dǎo)來(lái)自所述第二光源的光并校準(zhǔn)所述光通過(guò)一個(gè)或多個(gè)所述反射鏡的第二輸入光學(xué)系統(tǒng)；其中所述一個(gè)或多個(gè)反射鏡將來(lái)自所述第二光源的平行光傳到 所述中間光學(xué)系統(tǒng)。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20的多波長(zhǎng)光源，其中來(lái)自第一所述光源的 所述光的所述第一部分與所述光的所述第二部分的比例不同于來(lái)自 所述第二光源的所述光的所述第一部分與所述光的所述第二部分的 比例。
22、 根據(jù)權(quán)利要求20或21的多波長(zhǎng)光源，可用作可變色溫光源。
23、 根據(jù)權(quán)利要求20-22任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中第一所述 光源為光源陣列，所述第二所述光源為光源陣列，所述出口為出口陣 列，及所述磷光體片為磷光體片陣列。
24、 根據(jù)權(quán)利要求23的多波長(zhǎng)光源，其中 所述磷光體片陣列包括一個(gè)或多個(gè)綠光磷光體片；所述第一或第二光源陣列包括一個(gè)或多個(gè)紅光光源；及對(duì)于所述第一光源陣列中的每一紅光光源，接收來(lái)自所述紅光光 源的光的所述反射鏡為長(zhǎng)通濾光片，其透射來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)紅光 光源的紅光及將來(lái)自綠光磷光體的所述一個(gè)或多個(gè)磷光體片的光反 射到所述輸出端口。
25、 根據(jù)權(quán)利要求24的多波長(zhǎng)光源，其中所述第一和第二光源 及所述磷光體片被提供有散熱片。
26、 根據(jù)權(quán)利要求20-23任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述一個(gè)或多個(gè)反射鏡包括一個(gè)或多個(gè)傾斜的短通濾光片， 其將波長(zhǎng)小于規(guī)定波長(zhǎng)的所述平行光傳到所述輸出端口 ，所述規(guī)定的 波長(zhǎng)位于第一所述光源的光譜內(nèi)；其中所述一個(gè)或多個(gè)傾斜的短通濾光片將來(lái)自所述第二光源的 波長(zhǎng)小于規(guī)定波長(zhǎng)的平行光傳到所述中間光學(xué)系統(tǒng)，所述規(guī)定的波長(zhǎng) 位于所述第二光源的光譜內(nèi)；其中所述中間光學(xué)系統(tǒng)將所述磷光體片發(fā)射的光返回到所述一 個(gè)或多個(gè)傾斜的短通濾光片中的至少一個(gè)，及所述至少一傾斜的濾光 片將所述發(fā)射的光反射到所述輸出端口 。
27、 根據(jù)權(quán)利要求20-25任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中 所述一個(gè)或多個(gè)反射鏡包括一個(gè)或多個(gè)傾斜的短通濾光片，其將波長(zhǎng)小于規(guī)定波長(zhǎng)的所述平行光傳到所述輸出端口 ，所述規(guī)定的波長(zhǎng) 位于第一所述光源的光譜內(nèi)；所述第二輸入光學(xué)系統(tǒng)將所述光校準(zhǔn)到一個(gè)或多個(gè)傾斜的長(zhǎng)通 濾光片；所述一個(gè)或多個(gè)傾斜的長(zhǎng)通濾光片將波長(zhǎng)小于規(guī)定波長(zhǎng)的平行 光反射到一個(gè)或多個(gè)全波長(zhǎng)折轉(zhuǎn)反射鏡，所述規(guī)定的波長(zhǎng)位于所述第 二光源的光譜內(nèi)；所述全波長(zhǎng)折轉(zhuǎn)反射鏡將所述平行光反射到所述中間光學(xué)系統(tǒng)； 其中所述中間光學(xué)系統(tǒng)將所述磷光體片發(fā)射的光返回到至少一 所述全波長(zhǎng)折轉(zhuǎn)反射鏡，所述至少一全波長(zhǎng)折轉(zhuǎn)反射鏡將所述發(fā)射的 光引到至少一所述傾斜的短通濾光片，及所述至少一傾斜的濾光片將 所述發(fā)射的光反射到所述輸出端口 。
28、 根據(jù)權(quán)利要求20-25任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中 所述一個(gè)或多個(gè)反射鏡包括一個(gè)或多個(gè)傾斜的短通濾光片，其將波長(zhǎng)小于規(guī)定波長(zhǎng)的所述平行光傳到所述輸出端口 ，所述規(guī)定的波長(zhǎng) 位于第一所述光源的光譜內(nèi)；所述第二輸入光學(xué)系統(tǒng)將來(lái)自所述第二光源的所述光校準(zhǔn)到一 個(gè)或多個(gè)傾斜的全波長(zhǎng)折轉(zhuǎn)反射鏡；所述一個(gè)或多個(gè)傾斜的全波長(zhǎng)折轉(zhuǎn)反射鏡將波長(zhǎng)小于規(guī)定波長(zhǎng) 的平行光反射到一個(gè)或多個(gè)另外的全波長(zhǎng)折轉(zhuǎn)反射鏡，所述規(guī)定的波 長(zhǎng)位于所述第二光源的光譜內(nèi)；所述另外的全波長(zhǎng)折轉(zhuǎn)反射鏡將所述平行光反射到所述中間光學(xué)系統(tǒng)；其中所述中間光學(xué)系統(tǒng)將所述磷光體片發(fā)射的光返回到至少一 所述另外的全波長(zhǎng)折轉(zhuǎn)反射鏡，所述至少一另外的全波長(zhǎng)折轉(zhuǎn)反射鏡 將所述發(fā)射的光引到至少一所述傾斜的短通濾光片，及所述至少一傾 斜的短通濾光片將所述發(fā)射的光反射到所述輸出端口。
29、 根據(jù)權(quán)利要求28的多波長(zhǎng)光源，其中所述傾斜的短通濾光 片截面為三角形。
30、 根據(jù)權(quán)利要求l-25任一所述的多波長(zhǎng)光源， 其中所述一個(gè)或多個(gè)反射鏡包括一個(gè)或多個(gè)傾斜的濾光片，其反射來(lái)自所述輸入光學(xué)系統(tǒng)的波長(zhǎng)小于規(guī)定波長(zhǎng)的平行光并將較長(zhǎng)波 長(zhǎng)傳到輸出端口，所述規(guī)定的波長(zhǎng)位于所述LED的光譜內(nèi)使得所述濾 光片用作光譜分束器；其中所述中間光學(xué)系統(tǒng)將所述發(fā)射的光返回到所述一個(gè)或多個(gè) 濾光片；還包括一個(gè)或多個(gè)全波長(zhǎng)反射鏡，其將從所述一個(gè)或多個(gè)濾光片 接收的所發(fā)射的光重定向到所述輸出端口。
31、 根據(jù)權(quán)利要求1-25任一所述的多波長(zhǎng)光源， 其中所述反射鏡包括一個(gè)或多個(gè)傾斜的濾光片，其將波長(zhǎng)小于規(guī)定波長(zhǎng)的光部分傳到所述輸出端口及部分反射較短波長(zhǎng)及透射較長(zhǎng) 波長(zhǎng)，所述部分透射和反射波長(zhǎng)位于所述光源的光譜內(nèi)使得所述濾光 片用作光譜分束器；一個(gè)或多個(gè)傾斜的光學(xué)短通濾光片透射波長(zhǎng)小于規(guī)定波長(zhǎng)的光 及反射較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光；所述發(fā)射的光返回到一個(gè)或多個(gè)所述傾斜的短通濾光片，其將所 述發(fā)射的光反射到所述輸出端口。
32、 根據(jù)權(quán)利要求31的多波長(zhǎng)光源，其中所述中間光學(xué)系統(tǒng)還 包括至少一折轉(zhuǎn)反射鏡及一個(gè)或多個(gè)將未被所述短通濾光片反射的 較短波長(zhǎng)的光重定向回到所述磷光體片的反^f鏡。
33、 根據(jù)權(quán)利要求1-25任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述一個(gè)或多個(gè)反射鏡包括至少一傾斜的濾光片，其部分透射及部分反射率規(guī)定波長(zhǎng)短的光；所述規(guī)定波長(zhǎng)位于所述光源的光譜內(nèi)使得所述濾光片用作光譜 分束器；所述濾光片透射率所述規(guī)定波長(zhǎng)長(zhǎng)的波長(zhǎng)及使所述部分透射的 光能被引到短波長(zhǎng)輸出端口；所述中間光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)傾斜的長(zhǎng)通濾光片； 所述發(fā)射的光返回到所述長(zhǎng)通濾光片；所述長(zhǎng)通濾光片透射所述發(fā)射的光并將所述光引到長(zhǎng)波長(zhǎng)輸出 端口。
34、 根據(jù)權(quán)利要求1-25任一所述的多波長(zhǎng)光源， 其中所述一個(gè)或多個(gè)反射鏡包括一個(gè)或多個(gè)傾斜的光學(xué)反射鏡，所述反射鏡將所述光反射到一個(gè)或多個(gè)分束濾光片，所述濾光片部分透射及部分反射率規(guī)定波長(zhǎng)短的所述光；所述規(guī)定波長(zhǎng)位于所述光源的光譜內(nèi)使得所述濾光片用作所述光譜內(nèi)的光譜分束器；所述濾光片透射率所述規(guī)定波長(zhǎng)長(zhǎng)的波長(zhǎng)并使所述部分反射的光能被引到輸出端口；所述光源還包括一個(gè)或多個(gè)傾斜的光學(xué)短通濾光片，其透射波長(zhǎng)小于規(guī)定波長(zhǎng)的光及反射較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光；所述中間光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)傾斜的反射鏡； 由所述磷光體片發(fā)射的光返回到所述短通濾光片； 所述短通濾光片反射所述發(fā)射的光及將所述光引到所述輸出端□。
35、 根據(jù)權(quán)利要求1-25任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述一個(gè)或多個(gè)反射鏡包括一個(gè)或多個(gè)傾斜的光學(xué)反射鏡， 其將所述光的一部分反射到一個(gè)或多個(gè)長(zhǎng)通濾光片；所述長(zhǎng)通濾光片將比規(guī)定波長(zhǎng)短的光反射到所述輸出端口 ；其中所述規(guī)定波長(zhǎng)位于所述光源的光譜內(nèi)，及所述濾光片透射率所述規(guī)定波長(zhǎng)長(zhǎng)的波長(zhǎng)；所述中間光學(xué)系統(tǒng)連接來(lái)接收從所述傾斜光學(xué)反射鏡反射的光 的其余部分；所述中間光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)長(zhǎng)通濾光片，其將來(lái)自所述傾斜反射鏡的光的所述其余部分反射到所述出口 ；由所述磷光體片發(fā)射的光返回到所述長(zhǎng)通濾光片； 其中所述長(zhǎng)通濾光片透射所述發(fā)射的光及將所述發(fā)射的光引到所述輸出端口。
36、 根據(jù)權(quán)利要求1-25任一所述的多波長(zhǎng)光源， 其中所述一個(gè)或多個(gè)反射鏡包括一個(gè)或多個(gè)濾光片，其部分透射和部分反射率規(guī)定波長(zhǎng)短的所述光；其中所述規(guī)定波長(zhǎng)位于所述LED的光譜內(nèi)，使得所述濾光片用作光譜 分束器；及所述光譜分束器反射率所述規(guī)定波長(zhǎng)長(zhǎng)的波長(zhǎng)并成角為將所述 部分透射的光引到一個(gè)或多個(gè)漫射器，所述漫射器加寬所述部分透射 的光的光束發(fā)散角，所述光束引到一個(gè)或多個(gè)短通濾光片； 其中所述短通濾光片能透射并將所述光引到輸出端口； 所述中間光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)傾斜的長(zhǎng)通濾光片； 有所述磷光體片發(fā)射的光返回到所述長(zhǎng)通濾光片； 其中所述長(zhǎng)通濾光片透射所述發(fā)射的光并將所述發(fā)射的光引到 一個(gè)或多個(gè)輔助折轉(zhuǎn)反射鏡；其中所述輔助折轉(zhuǎn)反射鏡將發(fā)射的光重定向到所述短通濾光片， 所述短通濾光片將所述發(fā)射的光反射到所述輸出端口 。
37、 根據(jù)權(quán)利要求1-25任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述一個(gè)或多個(gè)反射鏡包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)反射鏡，其將所 述平行光的一部分重定向到所述輸出端口 ；所述中間光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)傾斜的短通濾光片； 所述磷光體片透射來(lái)自所述光源的光； 由所述磷光體片發(fā)射的光返回到所述短通濾光片； 其中所述短通濾光片反射所述發(fā)射的光并將所述光引到所述輸 出端口。
38、 根據(jù)權(quán)利要求36的多波長(zhǎng)光源，其中所述輸出端口包括短波輸出端口和長(zhǎng)波輸出端口。
39、 根據(jù)權(quán)利要求l-25任一所述的多波長(zhǎng)光源， 其中所述輸入校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)引導(dǎo)來(lái)自所述至少一 LED的光的一部分通過(guò)短波輸出端口；其中所述中間光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)傾斜的長(zhǎng)通濾光片，其重 定向來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)反射鏡的所反射的光；其中由所述磷光體片發(fā)射的光返回到所述長(zhǎng)通濾光片，及所述長(zhǎng) 通濾光片將所述發(fā)射的光傳到與所述短波輸出端口鄰接的長(zhǎng)波輸出 端口。
40、 多波長(zhǎng)光源，包括 發(fā)射主波長(zhǎng)的光的至少一光源； 反射規(guī)定波長(zhǎng)的光并透射其它波長(zhǎng)的濾光片； 引導(dǎo)來(lái)自所述至少一光源的光通過(guò)所述濾光片的輸入校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)；連接來(lái)接收來(lái)自所述濾光片的所述光吞吐量的輸出光學(xué)系統(tǒng)，所 述輸出光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造為聚光器并在相對(duì)端上具有出口 ；形成在所述出口上的磷光體片，所述磷光體具有發(fā)光成分，響應(yīng) 于所述至少一光源產(chǎn)生的光的激發(fā)發(fā)射所述濾光片反射波長(zhǎng)的光；其中所述磷光體片包括光學(xué)上連接到所述光學(xué)輸出系統(tǒng)的所述 出口的合成材料；所述合成材料包括沉積在適當(dāng)?shù)耐该饕r底上并從大的合成片切割的磷光體層；及所述磷光體片具有兩個(gè)表面，即接收來(lái) 自所述輸出光學(xué)系統(tǒng)的光的內(nèi)表面及相對(duì)的外表面；其中所述磷光體片透射來(lái)自所述至少一光源的光，使得所述磷光 體片的所述外表面可用作所述光源的發(fā)射器，或者所述磷光體片發(fā)射 的光被返回通過(guò)所述輸出光學(xué)系統(tǒng)繼而到達(dá)輸出端口；及其中所述輸出光學(xué)系統(tǒng)具有校準(zhǔn)來(lái)自所述磷光體片的反向散射 發(fā)光的形狀，其通過(guò)將所述反向散射的發(fā)光引到所述濾光片繼而其被 反射回到所述出口進(jìn)行校準(zhǔn)。
41、 根據(jù)權(quán)利要求40的多波長(zhǎng)光源，其中所述至少一光源包括 至少一發(fā)光二極管LED。
42、 根據(jù)權(quán)利要求41的多波長(zhǎng)光源，其中所述至少一LED為頂 發(fā)射LED或?qū)嵸|(zhì)上頂發(fā)射的LED。
43、 根據(jù)權(quán)利要求41或42的多波長(zhǎng)光源，其中 所述至少一LED發(fā)射藍(lán)光； 所述濾光片包括短通藍(lán)光濾光片；及所述磷光體片具有發(fā)射較長(zhǎng)波長(zhǎng)的成分，響應(yīng)于所述至少一 LED 產(chǎn)生的所述藍(lán)光的所述激發(fā)發(fā)光，所述發(fā)光的光譜分布數(shù)學(xué)上與所述 藍(lán)光結(jié)合以提供白光光源。
44、 根據(jù)權(quán)利要求40-43任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述磷光體片具有非均勻厚度。
45、 根據(jù)權(quán)利要求40-44任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述磷光體片具有薄緣，其中所述緣和所述磷光體片的所述外表面的部分由具 有高于90%的反射率的反射壁遮蔽。
46、 根據(jù)權(quán)利要求45的多波長(zhǎng)光源，其中所述反射壁可用于通 過(guò)所述外表面的所述遮蔽增加所述光源的亮度，所述反射壁使得遮蔽 的光再循環(huán)到其余通光孔徑中。
47、 根據(jù)權(quán)利要求45或46的多波長(zhǎng)光源，其中所述磷光體片上 方的所述輸出面具有不規(guī)則形狀的邊界。
48、 根據(jù)權(quán)利要求47的多波長(zhǎng)光源，其中所述不規(guī)則形狀的邊 界為汽車(chē)頭燈光束圖案的形狀。
49、 根據(jù)權(quán)利要求40-48任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述磷光體片被提供有散熱片。
50、 根據(jù)權(quán)利要求40-49任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述輸入 校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)不是圓形對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)，其中所述輸出聚光器為非成像聚光 器且為圓形對(duì)稱(chēng)，所述輸出聚光器對(duì)來(lái)自所述輸入校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)的光 輸出的接收具有等于所述光輸出的最大斜角的受光角。
51、 根據(jù)權(quán)利要求40-50任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述輸出 光學(xué)系統(tǒng)包括在其內(nèi)表面具有高鏡面反射率的二次曲面反射器及平 凸透鏡或透鏡陣列，所述透鏡的平面接受來(lái)自所述濾光片的光。
52、 根據(jù)權(quán)利要求51的多波長(zhǎng)光源，其中所述二次曲面反射器 被提供有散熱片。
53、 多波長(zhǎng)光源，包括 發(fā)射主波長(zhǎng)的光的至少一光源； 反射規(guī)定波長(zhǎng)的光并透射其它波長(zhǎng)的濾光片； 引導(dǎo)來(lái)自所述至少一光源的光通過(guò)所述濾光片的輸入校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)；連接來(lái)接收來(lái)自所述濾光片的所述光吞吐量的輸出光學(xué)系統(tǒng)，所 述輸出光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造為聚光器并在相對(duì)端上具有出口 ；形成在所述出口上的磷光體片，所述磷光體具有發(fā)光成分，響應(yīng) 于所述至少一光源產(chǎn)生的光的激發(fā)發(fā)射所述濾光片反射波長(zhǎng)的光；所述磷光體片具有接收來(lái)自所述輸出光學(xué)系統(tǒng)的光的內(nèi)表面、相 對(duì)的外表面、及薄緣，其中所述緣和所述磷光體片的所述外表面的部 分由具有高于90%的反射率的反射壁遮蔽；其中所述磷光體片透射來(lái)自所述至少一光源的光，使得所述磷光 體片的所述外表面可用作所述光源的發(fā)射器；其中所述輸出光學(xué)系統(tǒng)具有校準(zhǔn)來(lái)自所述磷光體片的反向散射 發(fā)光的形狀，其通過(guò)將所述反向散射的發(fā)光引到所述濾光片繼而其被 反射回到所述出口進(jìn)行校準(zhǔn)。
54、 根據(jù)權(quán)利要求53的多波長(zhǎng)光源，其中所述濾光片在所述輸入校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)和所述輸出光學(xué)系統(tǒng)之間，其中所述輸出光學(xué)系統(tǒng)連 接來(lái)接收來(lái)自所述濾光片的光吞吐量并將所述光傳到所述磷光體片。
55、 根據(jù)權(quán)利要求53的多波長(zhǎng)光源，其中所述濾光片在所述輸 出光學(xué)系統(tǒng)和所述磷光體片之間。
56、 根據(jù)權(quán)利要求53-55任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述反射 壁可用于通過(guò)所述外表面的所述遮蔽增加所述光源的亮度，所述反射 壁使得遮蔽的光再循環(huán)到其余通光孔徑中。
57、 根據(jù)權(quán)利要求53-56任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述磷光體片具有非均勻厚度。
58、 根據(jù)權(quán)利要求53-57任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述至少 一光源包括至少一發(fā)光二極管。
59、 根據(jù)權(quán)利要求58的多波長(zhǎng)光源，其中所述發(fā)光二極管為頂 發(fā)射發(fā)光二極管。
60、 根據(jù)權(quán)利要求53-59任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述磷光體片上方的所述輸出面具有不規(guī)則形狀的邊界。
61、 根據(jù)權(quán)利要求60的多波長(zhǎng)光源，其中所述不規(guī)則形狀的邊界為汽車(chē)頭燈光束圖案的形狀。
62、 根據(jù)權(quán)利要求53-61任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述磷光體片被提供有散熱片。
63、 根據(jù)權(quán)利要求53-62任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述輸入 校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)為多邊形系統(tǒng)，其中所述輸出聚光器為非成像輸出聚光 器且為圓形對(duì)稱(chēng)，所述輸出聚光器對(duì)來(lái)自所述輸入校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)的光 輸出的接收具有等于所述光輸出的最大斜角的受光角。
64、 根據(jù)權(quán)利要求53-63任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述輸出光學(xué)系統(tǒng)包括在其內(nèi)表面具有高鏡面反射率的二 次曲面反射器及平凸透鏡或透鏡陣列，所述透鏡平面接受來(lái)自所述濾 光片的光。
65、 根據(jù)權(quán)利要求64的多波長(zhǎng)光源，其中所述二次曲面反射器 被提供有散熱片。
66、 根據(jù)權(quán)利要求53-65任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中 所述至少一LED發(fā)射藍(lán)光； 所述濾光片包括短通藍(lán)光濾光片；及所述磷光體片具有響應(yīng)于所述光源產(chǎn)生的所述藍(lán)光的所述激發(fā) 發(fā)射較長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光的成分，所述發(fā)光的光譜分布數(shù)學(xué)上與所述藍(lán)光結(jié) 合以提供白光光源。
67、 多波長(zhǎng)光源，包括 發(fā)射主波長(zhǎng)的光的至少一光源； 反射規(guī)定波長(zhǎng)的光并透射其它波長(zhǎng)的濾光片； 引導(dǎo)來(lái)自所述至少一光源的光通過(guò)所述濾光片的輸入校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)，該輸入校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)多邊形輸入準(zhǔn)直器；連接來(lái)在一端接收來(lái)自所述濾光片的所述光吞吐量的輸出光學(xué) 系統(tǒng)，所述輸出光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造為聚光器并在相對(duì)端上具有出口，其中 所述輸出聚光器為非成像輸出聚光器且為圓形對(duì)稱(chēng)，所述輸出聚光器 對(duì)來(lái)自所述輸入校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)的光輸出的接收具有等于所述光輸出 的最大斜角的受光角；形成在所述出口上的磷光體片，所述磷光體具有發(fā)光成分，響應(yīng) 于所述至少一光源產(chǎn)生的光的激發(fā)發(fā)射所述濾光片反射波長(zhǎng)的光；所述磷光體片具有兩個(gè)表面，即接收來(lái)自所述輸出光學(xué)系統(tǒng)的光 的內(nèi)表面及相對(duì)的外表面；其中所述磷光體片透射來(lái)自所述至少一光源的光，使得所述磷光 體片的所述外表面可用作所述光源的發(fā)射器；及其中所述輸出光學(xué)系統(tǒng)具有校準(zhǔn)來(lái)自所述磷光體片的反向散射 發(fā)光的形狀，其通過(guò)將所述反向散射的發(fā)光引到所述濾光片繼而其被 反射回到所述出口進(jìn)行校準(zhǔn)。
68、 根據(jù)權(quán)利要求67的多波長(zhǎng)光源，其中所述輸入校準(zhǔn)光學(xué)系 統(tǒng)為正方形，及其中所述一個(gè)或多個(gè)準(zhǔn)直器包括一個(gè)或多個(gè)正方形CPC，所述輸出光學(xué)系統(tǒng)的所述受光角至少是所述一個(gè)或多個(gè)正方形 CPC的受光角的兩倍以用于平行于所述正方形一側(cè)的軸平面中的光。
69、 根據(jù)權(quán)利要求68的多波長(zhǎng)光源，其中所述輸出光學(xué)系統(tǒng)的 所述受光角至少為約15° ，所述一個(gè)或多個(gè)正方形CPC的所述受光 角最多為約IO。。
70、 根據(jù)權(quán)利要求67-69任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述輸出 聚光器不與所述輸入光學(xué)系統(tǒng)連接的部分用具有至少90%的反射率 的反射器覆蓋。
71、 根據(jù)權(quán)利要求67-72任一所述的多波長(zhǎng)光源，其中所述至少 一光源包括至少一發(fā)光二極管。
72、 根據(jù)權(quán)利要求67-71任一所述的多波長(zhǎng)光源， 其中所述輸出光學(xué)系統(tǒng)包括在其內(nèi)表面具有高鏡面反射率的二次曲面反射器及平凸透鏡或透鏡陣列，所述透鏡平面接受來(lái)自所述濾 光片的光。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了在小的有成本效益的包裝中、有效結(jié)合多個(gè)藍(lán)光LED輸出以照射磷光體從而獲得單一實(shí)質(zhì)上均勻的輸出的光學(xué)歧管。所公開(kāi)的實(shí)施例使用單一或多個(gè)LED和遠(yuǎn)程磷光體，中間選擇波長(zhǎng)的濾光片安排成使得反向散射的光致發(fā)光被再循環(huán)以增加亮度和輸出孔的通量。另外的光闌遮片用于增加磷光體亮度，只有適度的光度損耗。備選非再循環(huán)實(shí)施例提供平行光束的藍(lán)光和黃光，或分開(kāi)或組合為白光。
文檔編號(hào)F21V9/00GK101449098SQ200780002376
公開(kāi)日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2007年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月11日
發(fā)明者儒利奧·C.·沙維斯, 奧利弗·德羅斯, 小威廉·A.·帕基恩, 巴勃羅·本尼茲, 瓦基迪·發(fā)利科夫, 羅伯托·阿爾瓦雷斯, 胡安·C.·米納諾 申請(qǐng)人:光處方革新有限公司