專利名稱：使用發(fā)光二極管照明所用的邊側(cè)反射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及用于聚集來自一個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管的光反射器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是從半導(dǎo)體結(jié)發(fā)光的器件。通過在結(jié)處的載流子復(fù)合，LED在一個(gè)寬角度范圍上發(fā)光LED發(fā)光的大發(fā)射角使得其更難以聚集和導(dǎo)向該光線以用于照射光學(xué)器件。另一方面，LED的小尺寸、長壽命及通常把超過電能的50％轉(zhuǎn)換成光能的高光效，使得LED成為令人關(guān)注的用于照明例如顯示器、投影系統(tǒng)等照明光學(xué)裝置的光源。因此需要一種方法在保持小尺寸和低成本的同時(shí)以高效率來聚集及導(dǎo)向LED發(fā)光。

發(fā)明內(nèi)容
用于本發(fā)明的照明單元的具體實(shí)施例具有第一反射器，包括形成為圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的一個(gè)表面的反射面。第一發(fā)光二極管(LED)單元，具有圍繞第一LED軸發(fā)光到該反射面的發(fā)光區(qū)。該第一LED軸與該第一旋轉(zhuǎn)軸不平行，并且該第一LED單元的發(fā)光區(qū)被實(shí)際定位在該反射面的焦點(diǎn)位置。
本發(fā)明的另一實(shí)施例涉及用于反射照明光的反射器單元。該反射器單元具有包括一個(gè)體軸的反射器主體。該反射器主體包括順應(yīng)圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的第一表面的第一反射面，及與第一反射面整合形成的第二反射面。該第二反射面順應(yīng)圍繞一個(gè)第二旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的一個(gè)第二表面。該第一和第二反射面被圍繞該體軸橫向定位。
本發(fā)明的上述概要不打算描述本發(fā)明的每一個(gè)示出的實(shí)施例或每一實(shí)施方案。隨后的附圖和詳細(xì)描述更具體地給出了這些實(shí)施例的不例。


結(jié)合附圖考慮本發(fā)明各種實(shí)施例的下列詳細(xì)描述將可以更完整地理解本發(fā)明，其中圖1A示出LED單元發(fā)光的示意圖；圖1B和1C給出笛卡爾和極性曲線，分別表示圖1A所示LED單元的輻射圖案的示意圖；圖2A-2C示出一個(gè)照明單元實(shí)施例的示意截面圖和透視圖，該照明單元包括根據(jù)本發(fā)明原理的一個(gè)邊側(cè)反射器；圖3A-3C示出一個(gè)照明單元實(shí)施例的示意截面圖，該照明單元包括根據(jù)本發(fā)明原理的實(shí)心邊側(cè)反射器；圖4A-4B示出一個(gè)照明單元實(shí)施例的示意圖，該照明單元包括根據(jù)本發(fā)明原理的邊側(cè)反射器；圖4C示出一個(gè)照明單元實(shí)施例的示意圖，該照明單元包括多個(gè)根據(jù)本發(fā)明原理的邊側(cè)反射器；圖5示意性地示出一個(gè)照明單元的截面圖，該照明單元包括多個(gè)根據(jù)本發(fā)明原理的邊側(cè)反射器；圖6A-6B示意性地示出包括不同數(shù)目的根據(jù)本發(fā)明原理的邊側(cè)反射器的照明單元；圖7A和7B示意性地示出根據(jù)本發(fā)明原理的另一實(shí)施例；圖8A-8C示出一個(gè)照明單元實(shí)施例的示意截面圖，該照明單元包括根據(jù)本發(fā)明原理的實(shí)心邊側(cè)反射器；圖9示意性地示出一個(gè)照明單元的示意截面圖，該照明單元包括多個(gè)根據(jù)本發(fā)明原理的邊側(cè)反射器；圖10A示意性地示出一個(gè)照明單元的透視圖，該照明單元包括多個(gè)根據(jù)本發(fā)明原理的拋物面邊側(cè)反射器；圖10B和10C給出從圖10A的照明單元的不同實(shí)施例中發(fā)射的光的計(jì)算的輻射圖案；圖11A和11B示出根據(jù)本發(fā)明原理的實(shí)驗(yàn)邊側(cè)反射器照明單元的透視圖；圖12A示意性地示出通過在進(jìn)行聚集器效率?；惺褂玫妮S上光聚集器的反射截面圖；和圖12B示意性地示出一個(gè)照明單元，該單元具有在進(jìn)行聚集器效率?；惺褂玫木哂兴膫€(gè)反射器的可反射的軸上光聚集器。
雖然本發(fā)明可有各種改進(jìn)和可選形式，但是已經(jīng)以實(shí)例的方式在附圖中示出具體形式，并且將詳細(xì)描述這些具體形式。但是應(yīng)該理解，本申請(qǐng)不打算把發(fā)明限制到描述的具體實(shí)施例。相反，本申請(qǐng)?jiān)噲D覆蓋落入由所附的權(quán)利要求書限定的本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍中的全部修改、等同物和替換。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明可用于光學(xué)系統(tǒng)，尤其可用于光的聚集和管理系統(tǒng)，用于以來自一個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管(LED)的光對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行照明。
具有較高輸出功率的LED正在變得更為可利用，這開始了對(duì)于LED照明的新應(yīng)用。可由高功率LED進(jìn)行的一些應(yīng)用包括其在投影和顯示系統(tǒng)中用作光源，在機(jī)器視覺系統(tǒng)和照相/視頻應(yīng)用中、及甚至在例如汽車前燈的遠(yuǎn)距離照明系統(tǒng)中用作照明光源。
LED通常在大角度上發(fā)光，并且對(duì)于這種光學(xué)設(shè)計(jì)者來說的挑戰(zhàn)之一是有效地聚集由LED產(chǎn)生的光并且將光導(dǎo)向到一個(gè)選擇的目標(biāo)區(qū)域。另一挑戰(zhàn)是有效地封裝該LED。這種要求包括聚集來自具有多個(gè)LED的一個(gè)組合的光并且把該聚集的光導(dǎo)向到在一個(gè)給定受光錐區(qū)(acceptance cone)之內(nèi)的一個(gè)給定目標(biāo)區(qū)域。而且，重要的是該光的聚集和導(dǎo)向系統(tǒng)能夠以一小封裝生產(chǎn)。
現(xiàn)參照?qǐng)D1A-1C描述LED單元100的一個(gè)實(shí)例。
LED單元100包括LED發(fā)射區(qū)域102，通常由基片上的半導(dǎo)體二極管器件形成。LED通常封裝在操作為一個(gè)透鏡104的透光體內(nèi)。如示出的那樣，用于高功率LED的常見透鏡形狀是半球透鏡，具有定位在該球透鏡中心的發(fā)射源。在一個(gè)大角度范圍上發(fā)射光106。出自通常LED單元輻射圖案在圖1B中的笛卡爾的坐標(biāo)和圖1C中的極坐標(biāo)中示出。輻射圖案接近于是朗伯曲線。來自LED發(fā)射源102的發(fā)射通常關(guān)于與0°輻射對(duì)應(yīng)的LED軸108對(duì)稱。在多數(shù)LED中，發(fā)射區(qū)域102是平坦的，使得LED軸垂直于該平坦發(fā)射區(qū)域102。在輻射圖案不對(duì)稱的情況下，LED軸108對(duì)應(yīng)于從該發(fā)射區(qū)域102發(fā)出的光所沿循的平均方向。在圖1B和1C所示的實(shí)例中，由LED發(fā)出的光強(qiáng)度半角是大約65°，光強(qiáng)度半角是所在位置的強(qiáng)度衰減到最大值一半的角度。
現(xiàn)參考圖2A-2C示意性地示出的照明單元200來討論對(duì)與由LED單元發(fā)出的光進(jìn)行聚集和導(dǎo)向的一個(gè)方案。光線206由具有LED發(fā)射區(qū)域203的LED單元202發(fā)射，并且由反射器204反射。LED單元202具有LED軸208。反射器204具有反射面210，反射面210的形狀至少順應(yīng)圍繞反射器旋轉(zhuǎn)軸212旋轉(zhuǎn)的一個(gè)表面的一部分。例如該反射面210可以順應(yīng)橢圓或拋物面，或其它的類型的旋轉(zhuǎn)表面。光發(fā)射器區(qū)域203的定位將接近于或是在旋轉(zhuǎn)軸212上的旋轉(zhuǎn)表面的一個(gè)焦點(diǎn)。在本說明書中應(yīng)該理解，當(dāng)反射面被描述為與一個(gè)旋轉(zhuǎn)表面順應(yīng)時(shí)，并不意味著該反射面必須包括一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)反射面被描述為順應(yīng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)表面時(shí)，該反射面力圖至少順應(yīng)旋轉(zhuǎn)表面的一部分，而不需要是一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)。
LED軸208不與旋轉(zhuǎn)軸212平行。例如，圖2C示意性地所示的照明單元250具有LED軸208和旋轉(zhuǎn)軸212之間的一個(gè)角度θ。角度θ是在LED軸208和旋轉(zhuǎn)軸212之間的最小角。通常，θ的值在45°≤θ≤90°的范圍內(nèi)，并且可在60°≤θ≤90°的范圍內(nèi)。LED軸208和旋轉(zhuǎn)軸212也可以是近似垂直，其中角度θ具有大約90°的值，如圖2A所示。反射光214可以是朝向軸212、平行于軸212總體會(huì)聚或可以是遠(yuǎn)離軸212發(fā)散。
反射器表面210可由任何適當(dāng)?shù)姆瓷洳牧辖M成，用于以由LED單元202發(fā)出光的波長反射光。例如，反射器表面可由多個(gè)聚合物層形成，其厚度被選擇來增加該反射器表面210的反射性。在另一實(shí)例中，反射器表面可以被噴涂金屬，或可被以無機(jī)電介涂料所涂覆。
圖2B示意性地示出照明單元200的透視圖。在本示出的實(shí)施例中，反射面210順應(yīng)一個(gè)橢圓表面。光線214由反射面導(dǎo)向到目標(biāo)區(qū)域216。LED單元202可與發(fā)射源203一起被放置在橢圓表面的一個(gè)焦點(diǎn)。因此，反射光214總體上導(dǎo)向到該橢圓的第二焦點(diǎn)。目標(biāo)區(qū)域216可被設(shè)置在該橢圓的第二焦點(diǎn)。目標(biāo)區(qū)域216是期望用來自LED單元202的光線來照明的任何區(qū)域。例如，在照明單元被用于照明一個(gè)投影系統(tǒng)的情況下，目標(biāo)區(qū)域可以是到一個(gè)通道積分器的入射孔徑，或用于均質(zhì)化該光線的其它裝置。應(yīng)該理解，可以存在光學(xué)象差，所以該反射光可以不被帶引到該橢圓的第二焦點(diǎn)的確切聚焦，即使該發(fā)射區(qū)域被確切地定位在該第一聚焦。
如圖2A-2C所示，該反射器可以是空心的，或如現(xiàn)將參照?qǐng)D3A-3C討論的那樣，可以是實(shí)心的。照明單元300包括一個(gè)LED單元302，具有實(shí)際在反射器304焦點(diǎn)的一個(gè)發(fā)射源303a。LED軸308垂直、或接近垂直于該反射器旋轉(zhuǎn)軸312。
反射器304包括實(shí)心、透明體309和反射面310。實(shí)心體309可由任何適當(dāng)?shù)耐该鞑牧闲纬?，例如塑型聚合物，例如聚碳酸酯、環(huán)狀石蠟共聚物(COC)，例如乙烯和降菠烯的共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。來自LED單元302的光線在反射面310反射，并且該反射光314穿過主體309的出行表面316。反射面310可以使用任何適當(dāng)類型的反光材料。例如，反射面310可被金屬化或可以使用多層電介質(zhì)反射器?？墒褂枚鄬訜o機(jī)層形成一個(gè)多層電介質(zhì)反射器，或使用具有可選折射指數(shù)的聚合物層的層疊來形成。
透明體309可具有與LED發(fā)射區(qū)域303a的位置同心的凹陷表面311，并且LED單元302可利用例如光學(xué)膠合劑而固定在該凹陷表面中。由于LED單元302的半球透鏡和透明體309之間的接合界面至少是部分地指數(shù)匹配，因而這種固定是方便的，因此降低折射效應(yīng)并降低反射損耗。
實(shí)心體反射器304運(yùn)作不同于空心反射器。參照從LED單元302在接近于與旋轉(zhuǎn)軸312并行的方向發(fā)射的光束306a來描述一個(gè)差異。光束306a被反射為光束314a。由于透鏡303b由透明體309材料環(huán)繞，所以透鏡303b的折射功率低于透鏡在空氣中的折射功率。因此，光束314a可以經(jīng)過透鏡303b到主體309的出行表面316。在空心反射器的情況下，由于透鏡一般是安裝在空氣中而沒有在透鏡的折射率匹配，因此該透鏡把反射光線314a折射到遠(yuǎn)離目標(biāo)區(qū)域的方向。因此，當(dāng)使用實(shí)心體反射器304時(shí)，可以增加達(dá)到目標(biāo)區(qū)域的光量。
實(shí)心體反射器和空心反射器之間的另一差異是該實(shí)心體309的出行表面316提供一個(gè)可被用于控制反射光314的方向的折射面。這將為設(shè)計(jì)者提供另一自由度來控制從照明單元300出行的光的方向。在圖3A所示的實(shí)施例中，該出行表面316是平坦的并且實(shí)際垂直于旋轉(zhuǎn)軸312。將理解到，平坦的出行表面316不必垂直于旋轉(zhuǎn)軸312，并且出行表面316和旋轉(zhuǎn)軸312之間的角度可能具有不是90°的某些角度。
出行表面316不需要是平坦表面。如圖3B所示，出行表面可以有小平面。小平面的出行表面316a可以包括兩個(gè)或更多個(gè)小平面，以便在不同方向折射不同的反射光線314。出行表面也可以是彎曲表面，如圖3C所示。彎曲的出行表面316b起到一個(gè)透鏡的作用，并且可以用作正透鏡來增加反射面310的聚焦能力，或可以用作負(fù)透鏡來減小反射面的聚焦能力。將理解到，出行表面不必在其整個(gè)區(qū)域上都是曲面，并且出行表面可以部分是平面而部分是曲面。而且，該出行表面的不同部分可以具有不同的彎曲，使得該出行表面的不同部分具有不同的聚焦能力。
幾個(gè)反射器和分別的LED單元可被封裝在一起，以便增加來自照明單元的發(fā)光量。把若干光源封裝在一起時(shí)通常重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是，在保持照入具體圓錐角的照明高效率的同時(shí)降低該多光源封裝的總尺寸。如參考圖4A-4C描述的那樣，本發(fā)明的邊側(cè)照明反射器在保持把光高效聚集到一期望的圓錐角中的同時(shí)而在減少封裝尺寸方面提供某些靈活性。圖4A示意性地示出具有單一反射器404的照明單元400，光線從LED單元進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域410。示出的反射器404是半透光反射器，以便使得觀者看到循跡的(traced)光線406。反射器404示出為一個(gè)四分之一橢圓體。由于LED單元在近似LED軸的方向上最大發(fā)光，所以那些距由LED軸和反射鏡軸形成的平面最遠(yuǎn)及接近反射器404的下緣408的該反射鏡的部分404a所反射的光將少于那些接近于LED軸的部分404c所反射的光。而且，接近由LED軸和反射鏡軸形成的平面、但距LED軸最遠(yuǎn)的反射器的部分404b所反射的光少于靠近LED軸的部分404c所反射的光。
圖4B示意地示出一個(gè)照明單元420，其中反射器424的形成類似于反射器404，但去除了部分404a和404b。這將以比圖4A所示型式較少的光426目標(biāo)區(qū)域10，因此反射器424的總體反射效率較低。然而，由于去除了部分404a和404b，所以可將多個(gè)反射器組合在一起，來以在一個(gè)期望圓錐角中的光照明該目標(biāo)，這將增加傳遞到目標(biāo)的光量。圖4C示意地示出多個(gè)反射器照明單元440的一個(gè)示例，具有由六個(gè)像反射器424一樣的反射器形成一個(gè)反射器主體444。能以不同方式形成反射器主體444，例如通過組合像反射器424的單獨(dú)的反射器，或可被形成為一個(gè)一體化單元。雖然入射的在目標(biāo)區(qū)域450上的光量也許不是多到入射在目標(biāo)區(qū)域410上的光的六倍，但入射在目標(biāo)區(qū)域450上的光446要比入射在目標(biāo)區(qū)域410或10上的光明顯地多。下面將參考某些具體實(shí)例討論一些計(jì)算的照明效率。
圖5中示意地給出了貫穿多個(gè)反射器照明單元500的截面。照明單元500具有反射器主體504，由具有不同照明LED單元502a和502b的兩個(gè)反射器504a和504b形成。以反射面510a和510b形成反射器504a和504b的每一個(gè)，反射面510a和510b順應(yīng)圍繞各自旋轉(zhuǎn)軸512a和512b旋轉(zhuǎn)的表面。例如該反射器504a和504b可以是橢圓、拋物面，或其它形狀。LED單元502a和502b分別發(fā)送光506a和506b到反射器504a和504b，反射器504a和504b反射光514a和514b。LED單元502a和502b分別具有與其各自旋轉(zhuǎn)軸512a和512b不平行的LED軸508a和508b。在本示出的實(shí)施例中，LED軸508a和508b實(shí)際垂直于其各自的旋轉(zhuǎn)軸512a和512b。
在示出的實(shí)施例中，反射面510a和510b是橢圓的，使得反射光514a和514b大部分會(huì)聚。此外，軸512a和512b彼此不平行，使得來自反射器504a和504b每一個(gè)的反射光514a和514b在如此的方向上傳播，以便重疊。在本示出的實(shí)施例中，軸512a和512b相交在鄰近目標(biāo)區(qū)域516的位置，使得來自反射器504a和504b每一個(gè)的光514a和514b照明該目標(biāo)區(qū)域516。反射器主體504定義一個(gè)軸518，反射器504a和504b可以圍繞該軸對(duì)稱放置。雖然不必需是這種情況，在示出的實(shí)施例中的軸512a和512b與體軸518相交在同一個(gè)交點(diǎn)，并且對(duì)于體軸518形成相同的角度。
將理解到，反射器主體可以包括不同數(shù)目的反射鏡。圖6A-6C示意地示出了一些實(shí)例。在圖6A中，照明單元600具有由四個(gè)反射器604a形成的反射器主體604。各個(gè)LED單元602把光發(fā)送到反射器604a，用于聚焦到目標(biāo)區(qū)域606。在圖6B中，照明單元620具有由八個(gè)反射器624a形成的反射器主體624。各個(gè)LED單元622把光發(fā)送到反射器624a，用于聚焦到目標(biāo)區(qū)域626。
圖6C示意地示出照明單元640，其中存在反射鏡644a的雙層648a和648b。第一層648a組成反射器主體644，有圍繞孔隙650設(shè)置的十個(gè)反射鏡644a。各個(gè)LED單元642a產(chǎn)生由第一層648a的反射鏡644a朝向目標(biāo)區(qū)域646反射的光。第二層648b組成反射器主體654，具有定位在一起的六個(gè)反射器654a，使得把來自各個(gè)LED單元642a的光通過孔隙648朝向目標(biāo)區(qū)域646導(dǎo)向。將理解到，第一層648的反射器644a可與第二層的反射器654a形狀相同或不同。
反射器無需把光朝向目標(biāo)區(qū)域?qū)驎?huì)聚，而是可被用于把總體平行的光朝向目標(biāo)區(qū)域?qū)颍虬寻l(fā)散光朝向該目標(biāo)區(qū)域?qū)?。例如可以使用一個(gè)橢圓反射器來實(shí)現(xiàn)這種導(dǎo)向，該橢圓反射器在橢圓聚焦之外的位置設(shè)置有LED單元。也可以使用具有橢圓以外的形狀的反射面來實(shí)現(xiàn)這種導(dǎo)向。這種形狀的一個(gè)實(shí)例是拋物面形狀。在圖7A和7B中示意地示出了這種情況，其中照明單元700包括一個(gè)LED單元702，把光導(dǎo)向到拋物面反射器704反射光714在一定程度上朝向該目標(biāo)區(qū)域716發(fā)散。在一個(gè)具體實(shí)例中，LED單元702具有0.5mm×0.5mm的發(fā)射區(qū)，以圖1B和1C示出的類似輻射圖案發(fā)光。反射光714的大約73％被包括在5°的半角圓錐體內(nèi)。照明單元700可被制成具有小的尺寸(footprint)，例如24mm×12mm×12mm。
圖8A示意性地示出貫穿具有拋物面反射器804的照明單元800的截面圖。LED單元802把光806導(dǎo)向到反射面810。LED單元802具有LED軸808。反射面810具有順應(yīng)通過圍繞旋轉(zhuǎn)軸812旋轉(zhuǎn)形成的拋物面的形狀。光發(fā)射器區(qū)域803的定位將接近于或是在該軸812上的拋物面的一個(gè)焦點(diǎn)。雖然不是必要條件，在示出的實(shí)施例中的LED軸808垂直于旋轉(zhuǎn)軸812。反射光814總體上平行，并且與軸812一定程度平行地傳播。
拋物面反射器可以是空心反射器或?qū)嵭捏w反射器。
圖8B和8C示意地示出實(shí)心體反射器的兩個(gè)實(shí)例。圖8B中的照明單元820包括實(shí)心體反射器824，由來自LED單元822的光826所照明。LED單元822具有實(shí)際垂直于旋轉(zhuǎn)軸832的LED軸828。由反射面830反射的光834與旋轉(zhuǎn)軸近似平行地傳播。實(shí)心體反射器804具有出行表面836，該出行表面836可以設(shè)置不同表面輪廓。在一個(gè)實(shí)施例中，出行表面836是平面并且垂直于旋轉(zhuǎn)軸。在圖8B示出的實(shí)施例中，出行表面836具有若干不同的小平面836a、836b，依據(jù)出行該反射鏡824的情況對(duì)光838折射。小平面836a、836b以不同方向?qū)騺碜猿鲂斜砻?36的不同部分的光。例如，小平面836a可以對(duì)光838導(dǎo)向來與來自小平面836b的光重疊。
出行表面也可以是彎曲表面，例如在圖8C中所示。該反射面830是拋物面的情況下，入射在出行表面846上的光834在一定程度上平行，并與軸832平行。如示出的那樣，彎曲的出行表面846可被用于會(huì)聚該折射的光848，或發(fā)散該折射的光848。將理解到，出行表面846無需在整個(gè)區(qū)域上彎曲，并且出行表面846可以有部分是平面而一部分是曲面。而且，該出行表面的不同部分可以設(shè)置不同的彎曲，使得該出行表面的不同部分具有不同的聚焦能力。
圖9的截面圖示意地給出了多個(gè)反射器照明單元900的一個(gè)示例。照明單元900具有反射器主體904，由具有不同照明LED單元902a和902b的兩個(gè)反射器904a和904b形成。以反射面910a和910b形成反射器904a和904b的每一個(gè)，反射面904a和904b順應(yīng)圍繞各自的反射器旋轉(zhuǎn)軸912a和912b旋轉(zhuǎn)的表面。LED單元902a和902b分別把光906a和906b發(fā)送到反射器904a和904b，反射器904a和904b反射光914a和914b。LED單元902a和902b分別具有實(shí)際垂直于其各自旋轉(zhuǎn)912a和912b的LED軸908a和908b。
在該示出的實(shí)施例中，反射面910a和910b是拋物面，使得反射光914a和914b實(shí)際為平行光束，并且分別與軸912a和912b平行。在本具體實(shí)施例中，軸912a和912b也彼此平行，使得反射光914a與反射光914b平行。然而，旋轉(zhuǎn)軸912a和912b無需是彼此平行，并且可以被導(dǎo)向，例如使得來自反射器904a和904b的每一個(gè)的光相重疊。
現(xiàn)參考圖10A來描述多個(gè)反射器照明單元1000的另一示例。單元1000具有反射器1004，包括十個(gè)拋物面反射器1004a，實(shí)際上把來自不同LED單元1002的光反射為平行光束。反射器1004a排列成5×2的規(guī)則陣列。在一個(gè)具體實(shí)施例中，反射器軸是平行的，使得來自每一個(gè)反射器1004a的光被一定程度上成平行。圖10B示出遠(yuǎn)場(chǎng)中的該照明單元1000的計(jì)算照明圖。對(duì)于這一計(jì)算來說，相鄰的LED單元1002之間的間距是10mm，并且以1m計(jì)算該遠(yuǎn)場(chǎng)圖。來自每一個(gè)LED單元1002的發(fā)光實(shí)質(zhì)上在遠(yuǎn)場(chǎng)中重疊，產(chǎn)生具有10°全圓錐角的一個(gè)點(diǎn)(全角度，半最大值)。
在參考圖10C討論的另一具體實(shí)施例中，反射器軸不平行，而是排列使使得把來自每一個(gè)LED單元的光擴(kuò)散遠(yuǎn)離從相鄰發(fā)射器發(fā)射的光。計(jì)算的輻射圖案顯示，照明了一個(gè)總體為矩形的區(qū)域1010。相對(duì)地高強(qiáng)度的點(diǎn)1012對(duì)應(yīng)于來自每一個(gè)反射器1004a的光。為計(jì)算圖10C示出的輻射圖案，假設(shè)每一個(gè)反射器的旋轉(zhuǎn)軸以距相鄰的反射器10°的一個(gè)角度放置。
圖11A和11B給出了6反射器照明單元1100的具體實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例的透視圖。反射器主體1104包括六個(gè)反射器1104a。在反射器基座1106上形成反射器主體1104，并且可由例如鋁的金屬形成，或可由例如聚丙烯的聚合物形成?？墒褂昧庑涡D(zhuǎn)把主體形成為正確形狀，或如果該主體材料是可塑的，可被鑄型形成。反射器主體1104可被涂覆以反射涂層。例如，反射器主體1104可被涂覆以鋁或銀反射涂層。可以選擇反射涂層以使得優(yōu)先反射一個(gè)期望波長帶中的光。
LED單元1102被緊靠其各自的反射器1104a定位。圖11A僅示出一個(gè)LED單元1102，以便使得觀者看到反射器主體1104。在圖11B中，全部示出的六個(gè)LED單元1102都通過LED安裝支架1108安裝到反射器基座1106。
實(shí)例針對(duì)不同類型的照明單元計(jì)算照明效率，以便把本發(fā)明的照明單元的功效與傳統(tǒng)照明單元的功效相比較。在各種情況中，有價(jià)值的判別標(biāo)準(zhǔn)包括在一個(gè)±21°受光錐區(qū)之內(nèi)通過6.4mm×6.4mm孔隙的最大光量的聚集。該有價(jià)值的判別標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值計(jì)算是幾何聚集效率(GCE)，是在該具體受光錐區(qū)之內(nèi)通過具體孔隙的光強(qiáng)與從該LED發(fā)出的總光強(qiáng)之比。即使當(dāng)分析多個(gè)LED照明單元時(shí)，該GCE也被表示為對(duì)于從一個(gè)LED發(fā)射的總光強(qiáng)的歸一化值。因此，在GCE具有300％的值的情況下，該GCE表示該聚集的光效率等于由一個(gè)LED總發(fā)光的三倍。這種優(yōu)績(jī)數(shù)字實(shí)現(xiàn)了不同照明單元類型的一致估計(jì)，并且與使用的LED的數(shù)量無關(guān)。在每種情況下，該LED被認(rèn)為具有圖1B和1C示出的輻射圖案、以及一個(gè)0.5mm×0.5mm的發(fā)射區(qū)。
在下面提供的實(shí)例中將分析兩種類型的光聚集器。第一種是反射聚集器，其中LED軸平行于旋轉(zhuǎn)軸，而第二種是根據(jù)本發(fā)明的反射聚集器，該LED軸不與該反射器軸平行。
實(shí)例1-反射的、軸上聚集器一種用于聚集來自LED的光的公知方案是圍繞LED放置橢圓反射器，其中的旋轉(zhuǎn)軸與LED軸平行，例如在圖12A中示意性地示出的照明單元1200。LED單元1202與LED發(fā)射器1203一起定位在反射器軸1212上。用與旋轉(zhuǎn)軸1212平行及一致的軸來校準(zhǔn)LED單元1202。LED單元1206發(fā)射光1206，反射到目標(biāo)區(qū)域作為反射光1214，并且也發(fā)射直接入射在目標(biāo)區(qū)域上的光1216。反射器1204具有反射面1210，形成為圍繞軸1212的橢圓。發(fā)射器1203定位在橢圓的第一焦點(diǎn)，使得反射光1214及直接入射光1216在接近該橢圓的第二焦點(diǎn)的一個(gè)點(diǎn)被聚集。
這種系統(tǒng)的聚集效率取決于橢圓的幾何參數(shù)，并且能夠是相當(dāng)高。例如，單橢圓能夠具有81％的聚集效率?？蓪⑺膫€(gè)圖12A示出的橢圓反射器單元組合在一起，如圖12B示意性地所示?？墒窃谘刂D(zhuǎn)軸的尺寸上該反射器1204很短，使得能夠互相接觸地放置相鄰的反射器1204，同時(shí)仍然滿足在目標(biāo)區(qū)域1216的±21°圓錐體入射的要求。此配置的GCE是130％。如果在不妨礙相鄰的反射器1204的條件下沿著該旋轉(zhuǎn)軸延伸反射器1204的各個(gè)部分，則此照明單元的GCE上升到大約160％。
實(shí)例2-邊側(cè)反射器邊側(cè)反射器是一個(gè)其中旋轉(zhuǎn)軸不與LED軸平行的反射器，已經(jīng)參考本發(fā)明的圖2-圖11討論了邊側(cè)反射器的實(shí)例。該反射器具有橢圓形狀的情況下，討論過的邊側(cè)反射器的各種實(shí)施例具有比軸上反射聚集器更高的GCE。已經(jīng)針對(duì)具有不同數(shù)目LED單元的聚集器計(jì)算了邊側(cè)聚集器的GCE，并且其中假定在全部情況中的LED軸都垂直于相關(guān)反射器的旋轉(zhuǎn)軸。結(jié)果列出在表I中，表I還列出針對(duì)反射、軸上聚集器的GCE的值用于比較。該表還列出示出具體實(shí)施例的圖號(hào)。在所有情況中，假設(shè)LED單元的每一個(gè)具有500μm×500μm的發(fā)射區(qū)域，并具有由PMMA形成的2.8mm半徑的半球狀透鏡。
表I對(duì)于各種聚集幾何形狀的幾何聚集效率的比較

如能從表中看到的那樣，雖然在僅使用一個(gè)LED時(shí)軸上聚集器的反射與邊側(cè)反射器有同樣效率，但在LED的數(shù)量增加時(shí)該邊側(cè)反射器將迅速獲得領(lǐng)先。例如，當(dāng)使用四個(gè)LED時(shí)，軸上聚集器具有的總體GCE大約為160％，或每一LED大約40％。比較而言，利用四個(gè)LED的邊側(cè)反射器的總體GCE大約為256％，對(duì)應(yīng)于每一LED大約64％。
該邊側(cè)反射器還允許該照明單元封裝被制作得小于以軸上反射方案的照明單元封裝。例如，對(duì)于單一LED單元來說，軸上反射器裝在35mm×28mm×28mm大小的一個(gè)封裝中，相比較而言，邊側(cè)聚集器的封裝尺寸為20mm×11mm×22mm。
雖然本說明書的描述主要集中在橢圓及拋物面，但不限制僅使用這些旋轉(zhuǎn)表面，并且也可以使用其它類型的旋轉(zhuǎn)表面。而且，由這些不同的旋轉(zhuǎn)表面形成的反射器可以是空心反射器或可以是實(shí)心反射器。
因此，本發(fā)明不局限于上述具體實(shí)例，而應(yīng)該理解覆蓋如所附權(quán)利要求公平提及的所有方面。本專業(yè)技術(shù)人員通過直接查閱本說明書將顯見本發(fā)明可應(yīng)用的各種改進(jìn)、等效處理、以及許多結(jié)構(gòu)。權(quán)利要求書將力圖覆蓋這種修改和裝置。
權(quán)利要求
1.一種照明單元，包括第一彎曲反射器，包括限定第一反射器軸的第一反射面；及第一發(fā)光二極管(LED)，定位來通常沿著不與第一反射器軸平行的一個(gè)LED軸發(fā)光，來自該第一LED的光由第一反射面朝向第一目標(biāo)焦點(diǎn)反射地會(huì)聚；其中由第一反射器軸和LED軸形成的第一平面以一個(gè)相交區(qū)域與該反射面相交，該第一反射面的相交區(qū)域比該相交區(qū)域之外的第一反射面的區(qū)域向該第一焦點(diǎn)延伸的更近。
2.如權(quán)利要求1的照明單元，其中該第一LED軸形成對(duì)于第一反射器軸的θ角，其中45°≤θ≤90°，而θ是在該LED軸和該第一反射器軸之間的最小角度。
3.如權(quán)利要求2的照明單元，其中18°≤θ≤90°。
4.如權(quán)利要求2的照明單元，其中θ近似90°。
5.如權(quán)利要求1的照明單元，其中該第一反射面順應(yīng)一個(gè)圍繞第一反射器軸旋轉(zhuǎn)的第一表面。
6.如權(quán)利要求5的照明單元，其中該第一反射面順應(yīng)一個(gè)橢圓，該第一LED的發(fā)光區(qū)被實(shí)際定位在該橢圓的第一焦點(diǎn)，該第一目標(biāo)焦點(diǎn)被近似定位在該橢圓的第二焦點(diǎn)。
7.如權(quán)利要求1的照明單元，其中該第一反射器由一種透射介質(zhì)組成，該透射介質(zhì)具有限定在其外表面上的反射面，該透射介質(zhì)定位在第一LED和第一反射器的反射面之間。
8.如權(quán)利要求7的照明單元，其中該第一反射器具有第一出行孔隙，會(huì)聚來自第一LED的光而通過該第一出行孔隙出行，該透射介質(zhì)在該第一出行孔隙具有一個(gè)實(shí)際平坦的表面。
9.如權(quán)利要求7的照明單元，其中該第一反射器具有第一出行孔隙，會(huì)聚來自第一LED的光而通過該第一出行孔隙出行，該透射介質(zhì)在該第一出行孔隙具有一個(gè)有小平面的表面。
10.如權(quán)利要求7的照明單元，其中該第一反射器具有第一出行孔隙，會(huì)聚來自第一LED的光而通過該第一出行孔隙出行，該透射介質(zhì)在該第一出行孔隙具有一個(gè)彎曲的表面。
11.如權(quán)利要求7的照明單元，其中該透射介質(zhì)具有一個(gè)凹陷表面，形成用于接收第一LED的凹陷，至少該第一LED的透鏡的一部分被置于該凹陷中。
12.如權(quán)利要求11的照明單元，還包括放置在第一LED和凹陷表面之間的指數(shù)匹配材料。
13.如權(quán)利要求11的照明單元，其中該第一LED被光學(xué)膠合到該凹陷表面。
14.如權(quán)利要求1的照明單元，其中該第一反射面由一個(gè)反射器支撐介質(zhì)所支撐，該反射面被放置在該第一LED和該反射器支撐介質(zhì)之間。
15.如權(quán)利要求1的照明單元，還包括至少一個(gè)第二反射器，該第二反射器包括定義不與該第一反射器軸并行的一個(gè)第二反射器軸的一個(gè)第二反射面；以及一個(gè)第二LED，被定位來發(fā)射總體上不與該第二反射器軸平行的光，來自該第二LED的光由該第二反射面反射地會(huì)聚。
16.如權(quán)利要求15的照明單元，其中該第一和第二反射器軸在接近該第一目標(biāo)焦點(diǎn)的位置相交。
17.一種照明單元，包括具有體軸的反射器主體，該反射器主體包括具有第一軸和第一焦點(diǎn)的第一反射面，該第一反射面具有使得來自第一焦點(diǎn)的光由第一反射面會(huì)聚地反射的一個(gè)形狀；和相鄰該第一反射面放置的第二反射面，該第二反射面具有第二軸和第二焦點(diǎn)，該第二反射面具有使得來自該第二焦點(diǎn)的光由該第二反射面會(huì)聚地反射的形狀；其中該第一和第二反射面被圍繞體軸橫向定位，并且該第二軸不與該第一軸平行，使得來自第一焦點(diǎn)的由該第一反射面會(huì)聚地反射的光與來自第二焦點(diǎn)的由該第二反射面會(huì)聚地反射的光相重疊。
18.如權(quán)利要求17的照明單元，還包括第一發(fā)光二極管(LED)，鄰近該第一軸定位并且設(shè)置來以總體上橫切該第一軸的方向朝著該第一反射面發(fā)光；以及第二LED，鄰近該第二軸定位并且設(shè)置來以總體上橫切該第二軸的方向朝著該第二反射面發(fā)光。
19.如權(quán)利要求18的照明單元，其中該第一和第二LED被分別接近該第一和第二焦點(diǎn)定位。
20.如權(quán)利要求17的照明單元，其中該第一和第二軸都不平行于該體軸。
21.如權(quán)利要求20的照明單元，其中該第一和第二軸與體軸相交在一個(gè)交點(diǎn)。
22.如權(quán)利要求17的照明單元，其中該第一和第二反射面的每一個(gè)都順應(yīng)分別圍繞第一和第二軸旋轉(zhuǎn)的表面。
23.如權(quán)利要求22的照明單元，其中該第一和第二旋轉(zhuǎn)表面是橢圓。
24.如權(quán)利要求23的照明單元，其中該第一和第二橢圓表面具有實(shí)質(zhì)長度相同的主軸和實(shí)質(zhì)長度相同的次軸。
25.如權(quán)利要求17的照明單元，其中該第一和第二反射面的每一個(gè)都限定各自的輔助焦點(diǎn)。
26.如權(quán)利要求25的照明單元，其中該第一和第二反射面的輔助焦點(diǎn)被近似地布置在該體軸上。
27.如權(quán)利要求17的照明單元，還包括至少一個(gè)鄰近第一和第二反射面放置的第三反射面，該至少一個(gè)第三反射面具有第三軸和第三焦點(diǎn)，該第一、第二和第三反射面被橫向地圍繞該體軸定位，該第三反射面限定一個(gè)第三焦點(diǎn)，并且被成形為使得來自該第三焦點(diǎn)的光由該第三反射面會(huì)聚地反射的形狀。
28.如權(quán)利要求27的照明單元，其中該第一、第二和第三軸都不平行于該體軸。
29.如權(quán)利要求28的照明單元，其中該第一、第二和第三軸與該體軸實(shí)際相交在單一交點(diǎn)。
30.如權(quán)利要求27的照明單元，其中該第一、第二和至少的第三反射面包括圍繞體軸對(duì)稱設(shè)置的至少四個(gè)反射面。
31.如權(quán)利要求27的照明單元，其中當(dāng)該第一、第二和第三反射面被以分別靠近該第一、第二和第三反射面的第一、第二和第三焦點(diǎn)定位的第一、第二和第三發(fā)光二極管(LED)照明時(shí)，該第一、第二和至少的第三反射面被校準(zhǔn)照明對(duì)應(yīng)于第一、第二和至少的第三反射面的分別的輔助焦點(diǎn)的一個(gè)共同目標(biāo)區(qū)域。
32.如權(quán)利要求27的照明單元，其中該第一、第二和至少的一個(gè)第三反射面形成具有一個(gè)貫穿孔隙的閉封形狀，這孔隙處在該體軸上，并且還包括至少一個(gè)第四反射面，設(shè)置來反射該光通過該孔隙，該至少一個(gè)第四反射面順應(yīng)圍繞至少一個(gè)第四旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的至少一個(gè)第四表面。
33.如權(quán)利要求17的照明單元，其中該第一和第二反射面的每一個(gè)都包括多層光薄膜。
34.如權(quán)利要求17的照明單元，其中該第一和第二反射面限定用于分別的空心反射器的反射面。
35.如權(quán)利要求17的照明單元，其中該第一和第二反射面限定用于分別的實(shí)心體反射器的反射面。
36.如權(quán)利要求17的照明單元，其中該實(shí)心體反射器的至少之一具有小平面的出行表面。
37.如權(quán)利要求17的照明單元，其中該實(shí)心體反射器的至少之一具有平坦的出行表面。
38.如權(quán)利要求17的照明單元，其中該實(shí)心體反射器的至少之一具有彎曲的出行表面。
39.用于產(chǎn)生光束的裝置，包括包括第一反射面的反射模塊，該第一反射面具有第一反射器軸和第一反射器焦點(diǎn)；以及第一發(fā)光二極管(LED)，接近該第一反射器焦點(diǎn)定位并沿著通常橫切該第一反射器軸的一個(gè)第一LED軸把光朝著該第一反射面的方向?qū)?，通過該反射模塊把從該第一LED入射在該第一反射面上的光會(huì)聚到處在該反射模塊之外的一個(gè)目標(biāo)焦點(diǎn)。
40.如權(quán)利要求39的裝置，其中該第一LED軸形成對(duì)于第一反射器軸的θ角，其中45°≤θ≤90°，而θ是在該第一LED軸和該第一反射器軸之間的最小角度。
41.如權(quán)利要求40的裝置，其中18°≤θ≤90°。
42.如權(quán)利要求40的裝置，其中θ近似90°。
43.如權(quán)利要求39的裝置，其中該第一反射面順應(yīng)一個(gè)圍繞第一反射器軸旋轉(zhuǎn)的第一表面。
44.如權(quán)利要求43的裝置，其中該第一反射面順應(yīng)具有第一和第二焦點(diǎn)的一個(gè)橢圓，該第一LED具有實(shí)際定位在該橢圓面的第一焦點(diǎn)的一個(gè)發(fā)光區(qū)，并且該第一目標(biāo)焦點(diǎn)被接近該橢圓體面的第二焦點(diǎn)定位。
45.如權(quán)利要求39的裝置，其中該反射模塊由一種透射介質(zhì)組成，該透射介質(zhì)具有設(shè)置在其外表面上的反射面，該透射介質(zhì)定位在該第一LED和該反射面之間。
46.如權(quán)利要求45的裝置，其中來自該第一LED的光經(jīng)過一個(gè)第一出行孔隙出行該反射模塊，并且該透射介質(zhì)在該第一出行孔隙具有一個(gè)實(shí)質(zhì)平坦的表面。
47.如權(quán)利要求45的裝置，其中來自該第一LED的光經(jīng)過一個(gè)第一出行孔隙出行該反射模塊，并且該透射介質(zhì)在該第一出行孔隙具有一個(gè)有小平面的表面。
48.如權(quán)利要求45的裝置，其中來自該第一LED的光經(jīng)過一個(gè)第一出行孔隙出行該反射模塊，并且該透射介質(zhì)在該第一出行孔隙具有一個(gè)彎曲的表面。
49.如權(quán)利要求45的裝置，其中該透射介質(zhì)具有一個(gè)凹陷表面，形成用于接收第一LED的凹陷，至少該第一LED的透鏡的一部分被置于該凹陷中。
50.如權(quán)利要求39的裝置，其中利用設(shè)置在該第一LED單元和一個(gè)反射器支撐介質(zhì)之間的該反射面形成該第一反射器。
51.如權(quán)利要求39的裝置，其中該反射模塊還包括至少一個(gè)具有第二反射器軸和第二反射器焦點(diǎn)的第二反射面，一個(gè)第二LED被大致定位在該第二反射器焦點(diǎn)，并且把光朝著該第二反射面方向?qū)颉?br> 52.如權(quán)利要求51的裝置，其中從該第二LED入射在該第二反射面上的光被會(huì)聚到該目標(biāo)焦點(diǎn)。
53.如權(quán)利要求52的裝置，其中來自該第二LED的光由該第二反射面反射地會(huì)聚到該目標(biāo)焦點(diǎn)。
54.如權(quán)利要求51的裝置，其中該第一和第二反射器軸是不平行的。
55.如權(quán)利要求54的裝置，其中該第一和第二反射器軸大致相交在該第一目標(biāo)焦點(diǎn)。
全文摘要
LED照明單元使用一個(gè)第一反射器(204)，該第一反射器(204)包括形成為圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸(212)旋轉(zhuǎn)的一個(gè)表面的反射面(210)。該LED(202)圍繞第一LED軸(208)朝向該第一反射器(204)的反射面(210)發(fā)光。第一LED軸(208)與第一旋轉(zhuǎn)軸(212)不平行，并且該第一LED單元(202)的發(fā)光區(qū)被實(shí)際定位在該反射面(210)的焦點(diǎn)位置。該反射器(204)也可以具有兩個(gè)或多個(gè)反射面，用于聚集并導(dǎo)向來自兩個(gè)或多個(gè)不同LED的光。
文檔編號(hào)F21Y101/02GK1879228SQ200480032805
公開日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2004年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月4日
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