專利名稱：密致折疊型光學(xué)元件照明透鏡的制作方法
發(fā)前背景本發(fā)明一般涉及光學(xué)照明透鏡，尤其涉及折疊式通路光學(xué)照明透鏡。
先前的非成像折疊式光學(xué)元件，應(yīng)用必須浸沒透鏡介質(zhì)的光源，光源埋設(shè)意味著含該源(通常為LED源)的封裝件與透鏡永遠(yuǎn)粘合。粘合還要求使用透明粘劑，較費(fèi)人工。
或者，先前的光學(xué)元件通過注射模產(chǎn)生，要求LED堅(jiān)固得足以承受注射模工藝的嚴(yán)格性。在任一場合中，光源都深深地埋在設(shè)備體內(nèi)。
本發(fā)明有利地針對上述與其它要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供一種設(shè)計(jì)和/或通過光學(xué)設(shè)備的方法，有利地解決了以上要求和其它要求。該方法包括步驟對光學(xué)設(shè)備的至少三個有效光學(xué)表面產(chǎn)生二維表示法，并繞中心軸線旋轉(zhuǎn)掃描該二維表示，由此提供該光學(xué)設(shè)備的三維表示。另外，產(chǎn)生二維表示的步驟包括步驟根據(jù)源的邊緣光線組，把一部分第一表面作為通用笛卡兒橢圓來計(jì)算；根據(jù)同一邊緣光線組的內(nèi)反射光線和其該部分第一表面的折射，把一部分第二反射表面作為通用笛卡兒橢圓來計(jì)算；并沿朝源的方向連續(xù)重復(fù)計(jì)算該部分第一表面和該部分第二反射表面的步驟。
在一些實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種緊湊的折疊式通路光學(xué)照明透鏡，具有包繞源的裝置和關(guān)聯(lián)的機(jī)械特征或帶充氣隙(一般為空氣)的輔助光學(xué)元件。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明以一種光束生成光為特征。該法包括步驟折射初始光；使光全內(nèi)反射；再反射該光；使光折射，由此產(chǎn)生至少部分準(zhǔn)直的輸出光。在一些實(shí)施例中，本發(fā)明產(chǎn)生中心光線基本上平行于透鏡軸線出射的輸出光。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明以折疊式光學(xué)元件裝置為特征，包括含第一表面、第二表面與形成在至少第二表面內(nèi)的腔的透明體；有第三表面的腔；第二表面包括徑向延伸離開該腔的發(fā)射區(qū)；和包含一圖區(qū)的第一表面，該圓區(qū)配置成在透明體與其外部之間提供內(nèi)反射折疊與光學(xué)折射變換。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明表征為一種制造將輸入輻射第一分布轉(zhuǎn)換到輸出輻射第二分布的光學(xué)設(shè)備的方法，包括步驟設(shè)置一個二維模型，把輸入輻射的第一分布描述為邊緣光線輸入束，把輸出輻射的第二分布描述為邊緣光線輸出來，并在相位-空間表示法中以各光線用折射率加權(quán)的長度上角度-正弦量綱的位置代表各個輸入和輸出邊緣光線束；響應(yīng)于相位一空間表示法的邊緣光線邊界條件，定義三個有效光學(xué)表面的二維表示法，包括連續(xù)計(jì)算幾部分至少第一和第二表面；對稱地延伸所述光學(xué)表面的所述二維表示法，提供三維光學(xué)設(shè)備。
在一附加實(shí)施例中，本發(fā)明被表征為一種把輸入輻射第一分布轉(zhuǎn)換到輸出輻射第二分布的光學(xué)設(shè)備，包括第一、第二和第三有效表面，其中第一和第二表面相對于有效非球形光學(xué)表面，第一、第二和第三有效表面由對稱延伸的二維表示法限定，形成一種三維設(shè)備；而第一與第三有效表面在第一、第二與第三表面形成的三維設(shè)備主體的內(nèi)外部之間提供了第一和第二輻射的轉(zhuǎn)換。
參照以下對提出應(yīng)用本發(fā)明原理的示例實(shí)施例的發(fā)明內(nèi)容與附圖的詳細(xì)，能更好地理解本發(fā)明的諸特征與優(yōu)點(diǎn)。
附圖簡介通過以下結(jié)合下列附圖所作的更具體的描述，本發(fā)明的各個方面、特征與優(yōu)點(diǎn)將更清楚了，其中

圖1示出先前的RXI(折射與反射和內(nèi)反射)發(fā)射器透鏡；圖2示出本發(fā)明一實(shí)施例中透鏡的簡化截面圖；圖3示出位于光學(xué)源上面類似于圖2的透鏡；圖4示出透鏡的準(zhǔn)直作用，透鏡類似于圖2和3；圖5示出一源的放大截面圖，光線扇頁自源輻射；圖6示出一部分光源和一部分位于源附近入射表面的放大截面圖；圖7～12示出本發(fā)明一實(shí)施例中位于源附近的透鏡的一系列用于測定和/或配置透鏡參數(shù)的局部截面圖；圖13按照本發(fā)明一實(shí)施例示出一例透鏡與光源配置的光度輸出；
圖14示出本發(fā)明一實(shí)施例的透鏡的簡化截面圖；圖15示出本發(fā)明另一實(shí)施例的RXIR裝置簡化的截面圖；圖16示出本發(fā)明另一實(shí)施例的RXIR裝置簡化的截面圖；圖17示出本發(fā)明一實(shí)施例的RXIR裝置簡化的截面圖；圖18示出本發(fā)明一實(shí)施例的光折疊準(zhǔn)直裝置簡化的截面圖；圖19示出圖18所示光學(xué)裝置簡化的俯視正面圖；圖20是圖18和19所示裝置中央放大的正視圖；和圖21是有多個不對稱部分的透鏡簡化的俯視正面圖。
諸附圖中相應(yīng)的標(biāo)號指相應(yīng)的元件。
較佳實(shí)施例的詳述下面實(shí)施本發(fā)明較佳的方式并無限制意義，只用于描述發(fā)明的一般原理，發(fā)明的范圍由權(quán)利項(xiàng)決定。
在一實(shí)施例中，為有效地準(zhǔn)直發(fā)光二極管(LED)等光源的光學(xué)發(fā)射，本發(fā)明的裝置設(shè)置了一條折疊式光路。在一實(shí)施例中，本發(fā)明設(shè)置了一種可提供折疊光路的緊湊型光學(xué)透鏡。本發(fā)明還提供一種該裝置的配置與生成方法，為有效的準(zhǔn)直提供折疊光路。
先前的高效非成像光學(xué)元件把光源埋在透鏡介質(zhì)內(nèi)。在2001年9月20日公布的題為HIGH-EFFICIENCY NON-IMAGING OPTICS的國際專利申請PCT公開號WO-01/69300-A2中，描述了一例埋沒光源的先前的系統(tǒng)，該申請通過引用包括在這里。
光源埋沒意味著光源即通常含光源或LED源的封裝件永久固定或粘合在透鏡介質(zhì)內(nèi)。另外，粘合光源要用粘劑，而且相當(dāng)費(fèi)人工。再者光源(如LED)要堅(jiān)固得足以承受注射模制的嚴(yán)密性。在任一種情況下，光源都在設(shè)備主體內(nèi)埋得很深，阻礙了故障發(fā)射體的調(diào)換。將LED深置在透鏡里更難排熱，一般要用支座把LED升到高于印刷電路板(PCB)。另外，這種光學(xué)埋置法很難配用于火熾光源。熱應(yīng)力因素表明，熱燈泡不能與透鏡粘合，因厚度大得多。
本發(fā)明特地提供了眾多允許有附加設(shè)計(jì)自由度的實(shí)施例，其方法是部分地改變光輸入表面形狀，以截獲大部分光源產(chǎn)生的輸出光。
本發(fā)明對先前的RXI透鏡難以用于照明提供一種非埋置的解法，這里的RXI是先前設(shè)備的簡稱，由向里回到源的出射束限定，其中存在折射(R)、反射(X)與內(nèi)反射(I)。或者，根據(jù)尋跡回到源的輸出束，本發(fā)明提供一種折射、反射、內(nèi)反射與折射(RXIR)，終端折射(R)是附加的入射面折射。在一實(shí)施例中，對于密致性與應(yīng)用性優(yōu)良的折疊光學(xué)照明透鏡而言，中心腔作為入射面。
本發(fā)明提供照明，在一些實(shí)施例中發(fā)射源自中央光源的被準(zhǔn)直光。在一些實(shí)施例中，同類配置結(jié)構(gòu)可將光束聚集到一目標(biāo)諸如光通信接收器(如光二極管)上。在一實(shí)施例中，本發(fā)明包括單件專門配置的透明介質(zhì)，其第一和第二表面都被分成中央與外圍區(qū)域，中央?yún)^(qū)離光源(或光學(xué)接收器)最近。在一些實(shí)施例中，中央?yún)^(qū)位于光源周期，至少部分包封或圍繞光源，允許輻射光折射地進(jìn)入透鏡內(nèi)部，于是光傳播通過反射折疊的光學(xué)元件，從第一表面折射地出射為已準(zhǔn)直束。在另一些實(shí)施例中，透鏡配置成包括穿通透鏡體一般沿中心軸線對準(zhǔn)的通孔、腔孔或管件，經(jīng)向圍繞或包封到光源，諸如高溫源(如管狀白熾燈)。
上述非貫穿型透鏡通常在其第二面(如下面)包括一位于中央的凹口或腔，該凹口包括一折射入射面，它位于光源附近，包封至少一部分較佳地幾乎所有的來自源的光。在一些實(shí)施例中，非貫通型透鏡配用工作溫度足夠低的光源，使透鏡可用塑料諸如丙烯酸或聚碳酸酯制作。至少一部分余下的第二表面配置成包繞腔與入射面的二次曲面形成，還可包含一反射涂層?；蛘?，將一獨(dú)立的保角反射器定位成直接靠近第二表面。
根據(jù)期望的效應(yīng)與透鏡具體的配置，相對的第一表面的中心區(qū)或部分為反射、吸收或折射。第一表面包括一外圍區(qū)，它配置成對朝源的方向提供內(nèi)反射，并對來自第二表面的方向提供折射的出射面。
第一和第二表面一般都承載構(gòu)成光學(xué)折疊的反射器。第二表面反射一般由表面上的反射涂層實(shí)現(xiàn)，而頂反射一般通過全內(nèi)反射(TIR)實(shí)現(xiàn)，除了上表面中心附近的反射涂層以外。在利用改成一折疊光學(xué)元件的入射面方面，本發(fā)明提供了密致、有效和便于制造的特征，還便于調(diào)換故障的光源(或接收器)，能應(yīng)付較高溫光源。
源發(fā)射的光通過凹口入射面而進(jìn)入透鏡內(nèi)部。在一實(shí)施例中，光起初反射離開第一表面，從而向反射性或小鏡涂覆型第二表面偏轉(zhuǎn)，接著第二表面把光朝第一表面反射回去，于是光通過第一表面從透鏡出射。隨著光傳出第一表面，它在出射時通常經(jīng)過一次折射偏轉(zhuǎn)，形成準(zhǔn)直輸出束。
凹口或腔正確成形的入射表面，操作時至少部分包繞光源，接收來自幾乎全部圍繞光源的光。由于光源不埋在透鏡內(nèi)，本發(fā)明利用了建立在腔入射表面與光源外表面之間的光源周圍空氣-介質(zhì)界而提供的增強(qiáng)的偏轉(zhuǎn)容量。在原有技術(shù)的RXI埋設(shè)透鏡中，沒有該空氣-介質(zhì)界面。
來自光源的光-通過腔入射表面進(jìn)入透鏡本體，光就經(jīng)歷一次或多次反射，出射時再折射。光源來寬廣的傳播角在其折疊通過透鏡期間減小了，形成角范圍窄的準(zhǔn)直的輸出束。對透鏡型面稍作設(shè)計(jì)修改，就可展寬光的角輸出范圍，以適應(yīng)具體的照明規(guī)定，即汽車頭燈的強(qiáng)度指標(biāo)、表面上的照明圖案或其它照明要求，例如在應(yīng)用平面的法線時，cos-3強(qiáng)度圖案將在其上形成均勻的亮度。
本發(fā)明增大了由多個部署在第一和第二透鏡表面上的有效表面(如三個、四個或更多)所提供的自由度。若干實(shí)施例配置成配用LED光學(xué)發(fā)射器。若干實(shí)施例通過注射模制透明聚合物塑料諸如丙烯酸、聚碳酸酯、多芳基化合物與環(huán)烯而被制成，例如后者可用于高的操作溫度，比如161℃，通常為140℃，其例子有日本Zeon公司生產(chǎn)的環(huán)烯基產(chǎn)品Zeonor 1600R。
另一些實(shí)施例適用于高溫。透鏡可用玻璃、硅酮或其它類似的透明或部分透明材料制作，這些材料在高溫下可保持其形態(tài)。此類透鏡適應(yīng)與白熾光源關(guān)聯(lián)的如用于汽車頭粉的高溫和其它高溫光源。在供高溫光源使用的一些實(shí)施例中，透鏡包括普通穿透整塊透鏡的中心腔，如管孔或管腔。管孔還可配置對流冷卻熱源。
部署在第一和第二透鏡表面上的多個光學(xué)有效表面(如三個光學(xué)有效表面)的形狀，通過一種聯(lián)立多表面(SMS)法導(dǎo)出。根據(jù)一實(shí)施例，本發(fā)明在至少部分該方法中用SMS處理在一系統(tǒng)中共同連續(xù)生成兩個光學(xué)有效表面。本方法應(yīng)用了邊緣光線、光線束和部分通用笛卡兒橢圓，從而在指定的具體初始條件諸如相對于光源的透鏡尺寸下，本裝置變換光源的輸出而完成照明任務(wù)。
在一些實(shí)施例中，本發(fā)明的SMS法是一種二維SMS法，開始時先分析LED光源、LED陣列或另一類光源的具體特性及其結(jié)構(gòu)和/或外觀如何相對于封裝軸線的方向而變化。先前的光學(xué)準(zhǔn)直器諸如拋物鏡與凸透鏡，因?yàn)長ED呈現(xiàn)為不相干源(即不勻質(zhì))的源放射寬度而不適用。通過本文揭示的本SMS法測定了透鏡參數(shù)與配置，使透鏡被應(yīng)用于幾乎任一種LED光源而不管其光學(xué)封裝如何，還被應(yīng)用于其它光源。在上述用作參考的國際專利申請中，更一般地部分揭示了SMS法。
本發(fā)明提供另一種求導(dǎo)透鏡型面的方法，該法可供準(zhǔn)面透鏡應(yīng)用，而且在一階光學(xué)元件的框架內(nèi)應(yīng)用了來自光源中心的光線。在一實(shí)施例中，該過程對發(fā)射源小中心部分在數(shù)學(xué)上應(yīng)用了以下全面描述的SMS法。
本SMS法應(yīng)用了光源的邊緣光線，把它們變換成準(zhǔn)直的輸出(如把它們形成可能最窄的輸出)或變換成滿足特定照明要求的輸出。在這兩種情況下，SMS法在一實(shí)施例中生成一種徑向分布，通過繞中心軸線旋轉(zhuǎn)掃描該分布而形成三維透鏡。邊緣光線是一光束或光源代表源的角度或空間極值的光線，因而形成源的相位-空間邊界。另外，相位空間是一種抽象的二維空間，代表源或束發(fā)射方向的空間變化。
除了此類旋轉(zhuǎn)對稱透鏡外，本發(fā)明可以配置得略微偏離這種對稱性，使分布在旋轉(zhuǎn)掃描時經(jīng)歷適中變化，適應(yīng)不對稱的照明要求，諸如汽車頭燈的照明要求。
在一實(shí)施例中，本發(fā)明對管狀白熾光源包括一中心小孔。在一種配置中，本發(fā)明包括一種帶四個四分體的透鏡結(jié)構(gòu)，各四分體的再生分布略微不同，但模制成單塊透鏡。在一種配置中，本發(fā)明包括一種雙體聚集器，帶左右對稱的旋轉(zhuǎn)可變分布，這種改進(jìn)的雙經(jīng)透鏡而若干有利的屬性，其中兩個優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)異的對流可冷卻光源(如火熾光源)，縮小的體積便于制造。這是因?yàn)樵谝恍?shí)施例中，可將雙體聚集器模制成兩塊鏡像自由形式的半透鏡，當(dāng)被置于光源任一側(cè)時，其間有一小的垂直定向間隙，系統(tǒng)產(chǎn)生的煙道狀氣流消除了燈玻璃罩吸收的長波長熱量。
這里使用的術(shù)語光和照明不限于380～750納米的可見波長范圍，還包括適合于幾何光學(xué)元件的整個紫外與紅外范圍。在這些不可見范圍內(nèi)，本發(fā)明具有與在可見范圍內(nèi)類似的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。
盡管適合紫外區(qū)的透明材料相對較少，但這里對汽車頭燈揭示的火熾燈結(jié)構(gòu)也適合半導(dǎo)體制造的遠(yuǎn)紫外石印術(shù)，因?yàn)楸景l(fā)明提供了高聚集效率和優(yōu)異的束形成能力。本發(fā)明還同樣適用于近紫外LED，這種LED將作為用于激發(fā)可見光熒光體的主光源而異軍突起。
在近紅外區(qū)內(nèi)(如700～1100nm)，基于本發(fā)明的夜視照明器可把市售的近紅外LED用作透鏡光源，它可以用上述的塑料模制，方法與可見光照明器相同。本發(fā)明提供優(yōu)良的準(zhǔn)直作用，使它適合最后-英里抽枝領(lǐng)域(the burgeoningfield of last-mile)即自由空間光通信數(shù)據(jù)鏈路。在更大的中長波紅外波長，本發(fā)明提供的旋轉(zhuǎn)對稱性使它適合用紅外光學(xué)元件使用的同樣的鉆石切削技術(shù)制造。本發(fā)明一例特別重要的應(yīng)用是一種有成本效益的對信熱尋導(dǎo)彈的小型機(jī)載紅外干擾防御設(shè)施。
圖1示出先前的RXI(折射與反射和內(nèi)反射)發(fā)射器透鏡，包括實(shí)心介質(zhì)體1和位于其光學(xué)中心的埋置式LED2。電極對3把電力從驅(qū)動/控制器4導(dǎo)向LED2。LED發(fā)射的中心光線束5反射離開中心鏡涂層6，外圍光線束7內(nèi)反射離開正面8。兩組反射(示成向下)行進(jìn)光線反射離開鍍膜背面9，通過正面8出射為準(zhǔn)直束10。包括與之制作在一起的輔光學(xué)元件的LED2必須浸沒透鏡1，因而光源與透鏡之間不存在氣隙或其它此類折射率界面。
圖2示出本發(fā)明一實(shí)施例中透鏡18的簡化截面圖。點(diǎn)26指示的坐標(biāo)原點(diǎn)位于光源腔19內(nèi)入射表面25上部25a的彎曲中心，坐標(biāo)原點(diǎn)26一般也是光源30中心的標(biāo)稱位置(見圖4)。當(dāng)該裝置工作為光學(xué)接收器時，該坐標(biāo)原點(diǎn)帶是接收光的焦點(diǎn)或焦區(qū)。
中心軸線27是旋轉(zhuǎn)對稱中心。透鏡體20配置成在透鏡外圍包括安裝凸緣21。透鏡的第一表面即上表面包括中心平坦表面或區(qū)22，包圍彎曲約表面或區(qū)域23。圖2a示出透鏡18上表面俯視透視圖。
再參照圖2，透鏡下表面包括外反射表面或小鏡24，并且包括腔19，腔實(shí)際上具有接納光源的任一種形狀或式樣。在一實(shí)施例中，腔19呈鐘形，入射表面25形成腔接納表面，在有些實(shí)施例中幾乎閉了光源。無效表面28(幾乎不截取光)包圍住指定給透鏡容納安裝凸緣21厚度的額外厚度，沒有該額外厚度，透鏡將更加小巧，應(yīng)用不同的安裝類別或方式。圖26示出透鏡18帶反射表面24的下表面和帶入射表面25的腔19的透視圖。圖2b所示透鏡18的實(shí)施例無凸緣，具有作其它安裝方式的外圍銳緣61。
本發(fā)明可應(yīng)用若干不同的安裝方式。在一實(shí)施例中，用搭扣配合安裝法緊固和精密地安裝透鏡。圖2c示出透鏡900的透視圖，示出了可用注射模制的透明聚合物形成的下表面。透鏡900包括一交錯的中心腔922，它被成形為接納先前設(shè)想的LED封裝件(如下面討論的Luxeon)，與其形狀精密相符。
透鏡900用配入安裝凸緣905的緊固和/或定位器或裝置安裝。搭扣裝置包括一條或多條槽910～914(諸如方位槽)和栓釘或接頭915～917。搭扣元件與照明產(chǎn)品聯(lián)鎖部件上配合透鏡900的相應(yīng)搭扣元件一起作用，該搭扣保征組裝符合要求的容差，同時不能及后鏡表面924。
圖3示出的透鏡20類似于圖2的透鏡，被定位在諸如圓頂封裝型LED30、LED陣列等光源或其它光源上面，LED實(shí)際上是任一種LED。在有些實(shí)施例中，LED輻射成幾乎為半球形。圖示LED類似于市售的Lamileds公司制造的Luxeon白色LED，有+100°放射圖案。然而，通過這里描述的SMS法，可將透鏡配置成應(yīng)用幾乎任一種LED、寬角LED、安裝型LED和其它光源與寬角光源。同樣地，這里提出的設(shè)計(jì)過程也可使用幾乎任一種其它市售的光源到器件。Luxeon提供高的白光發(fā)光度，由于Luxeon被稱為倒裝片，故頂電極不引入不均勻嚙合陰影。
光源30的透明圓頂包括在其下面延伸到短柱段32的半球區(qū)31。發(fā)射芯片33埋在例如折射率為1.54的圓頂媒體內(nèi)并裝在基片34上。芯片33和基片34被平反射表面或小鏡35包繞。通常，包括圓頂31與芯片33的光源30同透鏡共用一根旋轉(zhuǎn)對稱的中心軸線27，圖示成伸入透鏡20與軸線27一起(另見圖2)。發(fā)射芯片33一般呈方形，因而軸線27與芯片33的四對稱軸線相一致。
光源30至少部分定位在腔19內(nèi)，透鏡圍繞光源30定位，使腔19的入射表面25定位得保持貼近LED源。在有些實(shí)施例中，腔的入射表面與相對于LED的預(yù)定位置保持在至少±1.0mm內(nèi)，較佳地至少在±0.1mm內(nèi)，更佳地至少在±0.05mm內(nèi)。
圖4示出透鏡20提供的準(zhǔn)直作用，透鏡可以類似于圖2和3的透鏡。透鏡20定位成靠近LED光源封裝件30并在其上面，它發(fā)射的準(zhǔn)直的中心光線40原來從坐標(biāo)原點(diǎn)26發(fā)出，沿透鏡內(nèi)折疊的光路傳播。
本發(fā)明還附帶提出一種派生諸透鏡實(shí)施例以實(shí)現(xiàn)所需輸出40諸如所需準(zhǔn)直束40的方法。在一實(shí)施例中，推導(dǎo)透鏡的特性與結(jié)構(gòu)的該方法以審察光源的輻射發(fā)射的光學(xué)結(jié)構(gòu)開始，并應(yīng)用了聯(lián)立多表面(SMS)法。本發(fā)明還確定了一種新穎的附加第三入射表面25，改進(jìn)了先前的透鏡配置。
本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)對稱性圍繞中心軸線27(見圖3)，圍繞軸線27形成和集中組織了準(zhǔn)直輸出40。該中心軸線一般穿過光源33的中心。圖3和4的圓頂封裝型LED30通常沿中心軸線27對準(zhǔn)，而軸線27對準(zhǔn)該透鏡實(shí)施例的對稱軸線(用通常為光源30設(shè)計(jì)的光源腔19配置)，因此通過本方法產(chǎn)生的透鏡分布一般位于圖中所示并在下面討論的模截平面內(nèi)。透鏡分布可以旋轉(zhuǎn)掠過360°而生成本發(fā)明透鏡的諸表面。
根據(jù)一較佳實(shí)施例，在確定透鏡配置的初始步驟之一中，示意地圖示和表征了規(guī)定貼近建議光源的詳細(xì)的空間-角度發(fā)光度分布。這樣在與其它參數(shù)諸如光源尺寸與準(zhǔn)直光學(xué)元件直徑等一起考慮了這一分布信息后，就可對設(shè)計(jì)確定最大可能的準(zhǔn)直度。因此，圖5和5a示出圓頂LED30和裝在硅基座34上的發(fā)光芯片33簡化的截面方塊圖，硅基座34則裝在平面反射表面即小鏡35上。參照示出光源放大截面圖的圖5，光線扇50從第一角或絲例如芯片33最后角36輻射，它代表通常從中向外傳播的球形波前。
因波前離開圓頂31的中心，故在所折射到圓頂31表面周圍的空氣后變?yōu)榉乔蛐?即畸變)。圖5的光線向外延伸超過圓頂31的封裝件邊界，示出表面的定向分布。在有些實(shí)施例中，通常在圓頂表面31與透鏡入射表面25之間形成氣隙(如氣隙寬0.1mm)。本發(fā)明還要指出，圓頂31外面的封裝件上角39形成光線扇50的最后光線50e。點(diǎn)51示出波前的折射，一些光線在該點(diǎn)同其在半球表面31折射兩偏轉(zhuǎn)。這些光線屬于折射波前，代表一組用于較佳透鏡20設(shè)計(jì)過程的邊緣光線。
除了光線扇50外，圖5a還示出從芯片33第二角即最左角輻射并通過圓頂31向外傳播的鏡像光線扇52。透鏡配置法還應(yīng)用了從中輻射的該邊緣光線扇52。
考慮了來自芯片33薄面(如高度為0.15mm，取決于光源與制造高)的光發(fā)射。透鏡設(shè)計(jì)法應(yīng)用了芯片該側(cè)面部分得出的發(fā)光度，因?yàn)樵谄浔砻嫔系玫搅烁叩陌l(fā)射亮度(芯片四個發(fā)射面的面積約占頂部面積的60％，側(cè)面芯片上的熒光層產(chǎn)生與頂部一樣的亮度)。圖56示出裝在不透明硅基座34上的發(fā)射芯片33的放大圖，基座34下面是小鏡35。芯片33的角53形成另一組邊緣光線55，通常在透鏡設(shè)計(jì)法的一實(shí)施例的初始階段使用。邊緣光線扇55代表芯片底角53發(fā)射的光線偏離剛好未射入到器件角39的最后光線約100°。
從發(fā)射芯片33底53到側(cè)面，圖5c示出發(fā)射芯片33的放大圖，扇邊緣光線54用于透鏡設(shè)計(jì)。芯片側(cè)面56發(fā)射的邊緣光線54傳播到剛好未射入LED封裝件遮斷角39的圓頂表面31外面。
圖5d示出一側(cè)簡化的相位-空間圖，這些邊緣光線50、52、54與55代表光涂相應(yīng)相位-空間的邊界。更具體地說，這些邊緣光線代表芯片33頂部平面內(nèi)發(fā)射的相位-空間邊界。該例的光源封裝件的介質(zhì)折射率為n。相位-空間圖右邊，圖示的光源芯片33在頂部和兩側(cè)有三條形成角α的表面法線。左邊是按+nsinα垂直延伸的“光源相位-空間”圖，n＝1.54，α在+90°內(nèi)，與表面法線成逆時針角的光線為負(fù)值。發(fā)射芯片33頂部發(fā)出的光線處于相位空間在左邊-0.5mm與右邊+0.5mm之間的部分。任一側(cè)面都是兩個較小的側(cè)面發(fā)射區(qū)。
對稱軸線27還在光源相位空間的中心形成一同義點(diǎn)。這里用各種線條代表前述諸圖中的光線扇。在光源相位空間內(nèi)，左右邊界線52與50代表圖5a的左右光線扇52與50。同樣地，圖5b的角光線扇53是最外面的線53，直線54對應(yīng)于圖5c的限制光線54。中心線59是中心光線束，源自芯片中心，這里定為點(diǎn)27。
相位空間的概念是一種二維數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，一根軸線是與旋轉(zhuǎn)對稱軸線的距離x的空間坐標(biāo)，另一根軸線是光線與該軸線的傾角α的正弦乘上光線在其中傳播的介質(zhì)的折射率n。這種坐標(biāo)已為眾所周知，在Hami1tonian光學(xué)原理中介紹。本發(fā)明方法使用了這些邊緣光線，因?yàn)橹灰鼈儽粶?zhǔn)直，則在它們所形成的相位空間邊界內(nèi)的光線也被準(zhǔn)直。因此，為建立透鏡分布圖，下述設(shè)計(jì)法應(yīng)用了這些邊緣光線。
芯片發(fā)射的相位-空間表示的總面積，通常稱為聚光本領(lǐng)E，可在相位空間內(nèi)作數(shù)值計(jì)算。該聚光本領(lǐng)還可定義為表征光源或光束的相位-空間面積，無法用光學(xué)設(shè)備增大。熱力學(xué)第二定律在應(yīng)用于不相干光源時，等效于聚光本領(lǐng)守恒定理，說明芯片發(fā)射的聚光本領(lǐng)在通過光學(xué)系統(tǒng)期間不能增大。若系統(tǒng)的出射孔經(jīng)D固定，則聚光本領(lǐng)守恒對輸出角準(zhǔn)直固定一下限(若不丟失光功率)，當(dāng)把輸出束限到窄發(fā)射角α?xí)r可實(shí)現(xiàn)這一目的。該輸出束的聚光本領(lǐng)由下式給出E＝2Dsinα因此，聚光本領(lǐng)受限設(shè)備將有α＝sin-1(E/20)
參照圖5e，圖3中透鏡表面23的光學(xué)有效直徑對應(yīng)于前述制造的透鏡的35毫米。參照圖5d，光源芯片33(如Luxeon)寬度(如1mm)輻射為±90°，高度如為0.15mm，使側(cè)面輻射成100°角，全在折射率例如約1.54的圓頂介質(zhì)內(nèi)。相位-空間輪廓線形成的聚光本領(lǐng)為E＝([2+2×0.15×(1-cos100°)]×1.54)＝3.62mm這表明透鏡輸出束20可以不窄于α＝sin-1(3.62/2×35))＝2.96°這樣導(dǎo)致圖5e示出空氣中的輸出孔徑(上圖)和輸出相位空間(下圖)剛好在透鏡上方，這里假設(shè)n＝1。例如，孔徑寬度D為35mm，相位空間為±sin(α)(n＝1)跨越，聚光本領(lǐng)(相位-空間面積)與圖5d的光源相位空間一樣。注意，直線89代表跨過整個透鏡寬度出射的平行光線，所有這些光線都在發(fā)射器中心發(fā)出且位于圖5d的直線59上，因而光源上某一點(diǎn)在透鏡出射處變?yōu)橐粭l直線，同時光線離開該點(diǎn)的所有角度變成跨越透鏡出射處的平行光線。這可以想像為相位-空間轉(zhuǎn)動了90°。
這一α＝±2.96°準(zhǔn)直的小值實(shí)際上比同直徑的拋物面鏡的值更窄，因?yàn)閺膾佄锩娣瓷淦鞯慕裹c(diǎn)到形成分布的諸點(diǎn)的距離變化很大，該缺點(diǎn)在成像光學(xué)中作為彗差是眾所周知的。但在本發(fā)明中，多個折疊表面如上下表面23與24的形狀所提供的自由度，使光路長度幾乎同從光源到出射表面23上各個點(diǎn)的長度一樣，得到跨過透鏡基本上均勻的角度輸出。
本文揭示的SMS方法通過適當(dāng)改變邊緣光線輸出角α，能滿足對整個束發(fā)光度歸一化的規(guī)定的照明圖案，但形狀因子限制了邊緣光線輸出能變化的大小?；蛘呋蛄硗?，如圖4例示那樣使中心光線呈現(xiàn)出發(fā)散或收劍，可修改輸出強(qiáng)度圖案。
圖6示出光源30一部分放大的截面圖，LED33浸沒圓頂內(nèi)，腔19的一部分入射表面25定位得靠近光源30和圓頂表面31。腔19的入射表面25的設(shè)計(jì)經(jīng)特殊配置，影響著至少一部分邊緣光線包括左右光線扇52與50的傳播。
只通過光源封裝件30的角39的最后光線53，通過入射表面25從其原來的角度(如100°)偏轉(zhuǎn)一預(yù)定的角度變化，例如30°的角度變化。這一30°的角度變化對于折射率n＝1.54的單次折射等于實(shí)際的最大量，因而邊緣光線在角度上被壓縮到±70°，較之先前的RXI設(shè)備如圖1的設(shè)備有若干改進(jìn)。其中的四個改進(jìn)包括
(1)光源30可以位于出射面或表面平面的下面，能直接朝向PCB安裝。如圖1所示，先前的設(shè)備要求光源芯片2位于下表面外緣9的上方；(2)可減小整個透鏡厚度，配置更密致。取消凸緣21和無效表面28(見圖2)可再減小透鏡厚度；(3)能在圖1所示從光源2到透鏡頂部8限定的先前設(shè)備很小的距離增大通常在中心的透鏡厚度；和(4)光源33不浸沒透鏡18(見圖2)，便于置換或替代故障光源、選用光源或改進(jìn)的光源，還可取消先前設(shè)備中將光源粘合到圖1透鏡的麻煩而易于起泡的步驟。
推薦的埋沒優(yōu)點(diǎn)是在每一空氣-塑料界面(表面31與25)把菲涅耳反射損失減除了約4％。在一些實(shí)施例中，本發(fā)明通過在腔19入射表面25上應(yīng)用防反膜，減小了這種雙重?fù)p失。在這些實(shí)施例中，還對封裝件30的半球表面31加了防反膜。
再參照圖6，還示出了一拐點(diǎn)，指示沿入射表面25該表面從一般中心球形閃亮的一點(diǎn)。中心球形一般與LED到裝件的圓頂同心。注意，在拐點(diǎn)60下面通過入射表面25的光線，近似平行于最后光線50e的70°角，正好繞過角39或到裝件30。透鏡上下表面的每一點(diǎn)接收各自來自左右光線扇52和50的一條邊緣光線(為清楚起見，示出少量光線)。在后面的設(shè)計(jì)階段中，違反這一條件就意味著必須修改設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)。在一實(shí)施例中，本方法依賴于每一求出的只遇到單對邊緣光線的點(diǎn)，限制了本發(fā)明入射表面可能的形狀。
圖7～12按本發(fā)明一實(shí)施例示出定位成靠近光源30的透鏡20的一系列截面圖，表示至少部分本方法用于確定和/或配置透鏡參數(shù)的設(shè)計(jì)階段。在這些圖中，為清楚起見，圖示的LED封裝件30的相對尺寸減小了，只將研究的部分示出上下透鏡表面23和24。這些圖示出了透鏡分布的推導(dǎo)，因而只示出透鏡分布的右側(cè)，左側(cè)被理解為繞透鏡中心軸線(即圖2的軸線27)的鏡像。
設(shè)計(jì)步驟基于非成像光學(xué)的邊緣光線理論，通常在入射光學(xué)系統(tǒng)的所有邊緣光線結(jié)束離開時限定，因而所有光線都在它們形成的相位-空間邊界內(nèi)。應(yīng)用邊緣光線理論，本發(fā)明把芯片的發(fā)射變換成聚光本領(lǐng)e有限的輸出束，為計(jì)算光學(xué)設(shè)備把芯片的邊緣光線變換成+α輸出束的邊緣光線的分布，這是必需而且充分的。期望的束直徑在Q點(diǎn)具有直緣，這可能是真的，但此時為虛的(如圖7中)。
再參照圖5e，圖中示出從最右點(diǎn)71延伸到最左點(diǎn)72的輸出孔徑70，還示出輸出相位-空間矩形80。點(diǎn)71和72分別對應(yīng)于圖7的Q點(diǎn)及其鏡像Q’(圖7中未示出)。
仍參照圖5e，準(zhǔn)直束73從出射孔70最左點(diǎn)72發(fā)射，代表相位空間矩形80的左邊界83。通過孔中心點(diǎn)74的中心束75代表中心線85，最右束76代表矩形80的右邊界86。上邊界87代表來自搭跨孔70的最后準(zhǔn)直邊緣光線，下稱+α完成，而下相位空間邊界88代表來自橫跨孔70的最左準(zhǔn)直邊緣光線，下稱-α光線。中心線89代表穿過該孔與孔70的表面法線79對準(zhǔn)的光線。
圖7表示透鏡設(shè)計(jì)的第一階段。發(fā)射芯片33從最左點(diǎn)R’延伸到最右點(diǎn)R。在一實(shí)施例中，本發(fā)明方法以預(yù)定次序連續(xù)計(jì)算圖7的各元件，例如先設(shè)定點(diǎn)Q的位置。水平位置只是設(shè)備光學(xué)有效孔的外半徑，通常對指定的應(yīng)用場合確定。另外，運(yùn)用孔寬度0、有效發(fā)射芯片寬度d(如1.3mm)與封裝件折射率n的聚光本領(lǐng)極限公式，Q的水平位置決定了發(fā)射角α，算式為Dsinα＝nd另一方面，Q的垂直位置為一自由參數(shù)。白虛源Q起，經(jīng)r1出射邊緣光線r00的輻射對應(yīng)于圖5e的相位-空間邊界線86。
該法下一步如圖7所示，選擇頂光源23的最外孔點(diǎn)A。點(diǎn)A選成沿從光源Q向上傳播的光線r1，實(shí)際上是點(diǎn)C的虛像。然后對頂表面23選擇點(diǎn)C的位置，用低次多項(xiàng)式規(guī)定出射表面分布段AC，最好元拐點(diǎn)。點(diǎn)B是曲線AC沿上表面23與光線r00的交點(diǎn)，而光線r00的不折射反向跡線通過Q。再計(jì)算光線r00在被曲線AC代表的表面的折射。
剛好繞過封裝件30最外角39的最低光線r0向上折射到點(diǎn)c，這是在入射表面的MN段最外點(diǎn)M完成的，而且還在點(diǎn)N與入射表面中心半球部分平滑地接合。段MN把來自光源33的點(diǎn)R和R’的光線折射成會聚在點(diǎn)C的光線，因而段MN是一特定的通用化笛卡兒橢圓問題找出把一指定波前的光線變換成另一指定波前光線的折射或反射表面。在十七世紀(jì)由Descavtes陳述并證明的原始笛卡兒兒問題，找出了將源自一點(diǎn)的球面波前折射或反射成另一會聚取不同點(diǎn)的球面波前的表面(稱為笛卡兒橢圓)。笛卡兒橢圓一般是一個四次多項(xiàng)式(但包括橢圓、雙曲線與球面等特殊情況)，一旦對它固定了單個點(diǎn)，就被唯一地確定(當(dāng)然假定給出了球面波前與表面類型、折射或反射)。通用化笛卡兒橢圓問題的解法也是眾所周知的(自1900年的Levi-Civita以來)，就是使與兩個給定被前關(guān)聯(lián)的程函方程相等(在忽略輻射通量而只應(yīng)用光線的位置與方向時，可將程函定義為電磁波的數(shù)學(xué)表示)。以下按同樣的方法用該通用笛卡兒橢圓規(guī)定透鏡上下表面分布的連續(xù)段。
在規(guī)定了入射表面的通用笛卡兒橢圓段MN和上表面的AC后，把反射底表面的段ED作為通用笛卡兒橢圓來計(jì)算，該通用笛卡兒橢圓將從C全內(nèi)反射的光線變換成向上傳播到段AB的光線，而段AB將光線變換成從虛源Q傳播的出射光線扇，包括把光線r0變換成光線r00。
在發(fā)射芯片33上，發(fā)自點(diǎn)R與R’的邊緣光線最終被變換成出射束±α，其虛原點(diǎn)在Q。若將Q與A選擇相互接近，也會使點(diǎn)A～E靠近在一起，使底表面24向上偏移，直到消除無效表面28和凸緣21(見圖2)。圖26所示的這種配置是本發(fā)明的另一較佳實(shí)施例，該例的反射表面24配置成包圍腔19并徑向外延到鏡緣61。
入射表面25高于拐點(diǎn)N的部分(遠(yuǎn)離點(diǎn)M)被選為簡型半球的上部。如下所述，其它形狀可形成不同的較佳實(shí)施例。
圖8示出該透鏡設(shè)計(jì)法的下一階段。發(fā)自發(fā)射芯片33最左點(diǎn)R’的邊緣光線r1～r2被入射表面25的半球部(點(diǎn)N上方)折射，幾乎平行地行進(jìn)到分布段CC’段CC’是一個通用笛卡兒橢圓，對該組邊緣光線(r1～r2)內(nèi)反射，使它們傳播到分布段ED。段ED將光線向上反射成被分布AB折射為基本上平行的光線組+α。注意，發(fā)自光源空間邊緣的光線在準(zhǔn)直輸出的角緣結(jié)束。
圖9示出該方法確定下表面分布段EE’的下一步驟。發(fā)射芯片33的底角點(diǎn)S和頂角R限定光線剛好未射入而通過LED封裝件30遮斷角的原點(diǎn)。這些光線經(jīng)反射傳播，使它們被入射表面25所折射并被已求出的分布段CC’全內(nèi)反射之后，作為基本上平行的出射表面組-α而結(jié)束。分布段EE’是通用笛卡兒橢圓，把這些邊緣光線反射為從分布段CC’向下行進(jìn)的光線。一旦被下邊緣光線24的段EE’反射，光線就向上傳播成被分布段BC’折射，從而在準(zhǔn)直束40里出射(圖2)。
圖10和11示出本透鏡設(shè)計(jì)方法一實(shí)施例的繼續(xù)，包括分別推導(dǎo)上表面分布段C’C″與下表面分布段E’E″。圖10示出由源自最后點(diǎn)R’的光線產(chǎn)生的平行出射邊緣光線+α，從而能在數(shù)學(xué)方法生成分布段C’C″。圖11同樣示出用平行出射邊緣光線-α生成分布段E’E″的方法。這一兩步處理法沿上表面23繼續(xù)向內(nèi)重復(fù)，以完成整個透鏡分布的推導(dǎo)，如圖2所示。為了在全內(nèi)反射條件(入射角＞臨界角)不再保持時確保金屬性反射，還計(jì)算了頂反射部或小鏡22(見圖2)的寬度或直徑。一旦作出了點(diǎn)M、A、C和Q的原始選擇，就獨(dú)特地生成透鏡分布，從而變成優(yōu)化其位置選擇的實(shí)際手段。就是說，可按不同的成組起始點(diǎn)生成各種候選的透鏡分布。
在設(shè)計(jì)過程中改變中心光線在出射孔的角度α和傾角γ，得出非均勻束，該束可以做成服從由強(qiáng)度Iout(Q)規(guī)定的特定旋轉(zhuǎn)對稱照明要求，其中Q是與光軸的出射發(fā)射角。Iout(Q)對輸出束40整個Q范圍的積分，等于無透鏡損失的(入射與出射的菲涅爾反射比、表面或體積散射及吸收)封裝件發(fā)光度。實(shí)際上，本方法可用任一對產(chǎn)生強(qiáng)度IOUT(Q)的函數(shù)α(x)與γ(x)來求出離中心軸線每一距離x的上下表面分布高度。例如，由于r(x)＝0描繪出可能的最窄束，因而更寬的束應(yīng)使用單調(diào)的r(x)，或是發(fā)散(dr/dx＞0)，或是會聚(dr/dx＜0)，視透鏡附近期望的束特性而定，在遠(yuǎn)場內(nèi)，結(jié)果同為IOUT(Q)。
滿足某種規(guī)定的透鏡，是在一系列中生成各種光線跡線收斂于該規(guī)定的候選分布的結(jié)果。對α(x)和□(x)的初步試驗(yàn)，以多項(xiàng)式形式使用它們，系數(shù)可用常規(guī)的多參數(shù)優(yōu)化法調(diào)整，再重復(fù)試驗(yàn)達(dá)到細(xì)調(diào)目的。
假設(shè)β(x)是與經(jīng)線中心光線rm的光軸形成的角度，而光線rm從芯片截面的中心點(diǎn)0發(fā)出，由設(shè)備出射，從出射孔在位置x的點(diǎn)以角β(x)發(fā)射。芯片以方向β發(fā)射的強(qiáng)度為IIN(β)＝LD(β)d， (1)式中L是芯片的亮度(變化公式為L(β))，d是芯片頂面的橫向?qū)挾?，而D(β)是芯片的經(jīng)線截面投射在垂直于光線rm的平面內(nèi)的大小。函數(shù)D(β)為 式中h為芯片高度(如這里所模擬的Luxeon，d＝1mm，h＝0.15mm)。公式(2)的上部表示有兩項(xiàng)，第一項(xiàng)對應(yīng)于芯片的頂面發(fā)射，第二項(xiàng)對應(yīng)于芯片的側(cè)面發(fā)射。在下部表示中(對β超過90°的值)，只存在側(cè)面發(fā)射(對于Luxeon，βMAX＝100°)。
前述的主光線發(fā)散角r(x)的單調(diào)特性，規(guī)定了β與θ之間的單調(diào)相依性，這種相依性能使強(qiáng)度通過透鏡傳遞期間的通量守恒由一次光學(xué)近似法給出如下ηoptics(β)IIN(β)dβ＝±IOUT(θ)dθ， (3)式中ηoptics是在計(jì)及了沿光線通路中中心角β有關(guān)的折射與金屬性反射而估算的?！捆斡脕磉x擇收斂輸出束設(shè)備(+)或發(fā)射型設(shè)備(-)。對公式(3)兩邊積分，得出函數(shù)β＝f(θ)，積分常數(shù)不詳，通過選擇邊界條件(如θ＝0時，β＝0)來決定。
在一次近似法中，由于束的中心光線在非成像光條構(gòu)內(nèi)起著流線的作用，故聚光本領(lǐng)守恒陳述為2sinαcosγdρ＝nD(β)dβ＝nD(f(θ))f′(θ)dθ， (4)式中n是芯片周期的折射率。取γ～θ，得2sinαdρ=nD(f(γ))f′(γ)cosγdγ---(5)]]>因此，α(x)可自由選擇(除了單數(shù)情況)，而r(x)可通過公式(5)的積分算出，反之變?nèi)弧?br> 在一實(shí)施例中，該裝置被配置成使光束發(fā)散，傾角隨與光軸的距離而線性變化，光軸在光學(xué)設(shè)備后面產(chǎn)生芯片的視在虛像(給出發(fā)亮的深度)。這里揭示的一般類別是折射入射表面圍繞其定位的折疊式照明透鏡，至少部分包圍光源(在照明透鏡的情況下)或?qū)挾仁芄馄鳎琇ED也能扮演這一角色。
若允許函數(shù)r＝f(θ)為不單調(diào)，因部分輸出束將發(fā)散而其余輸出束將收斂，故自由度增大了。于是例如可在發(fā)散部自由選擇α(x)，或自由選擇r(x)。通過上述方法計(jì)算收斂部的函數(shù)r(x)，產(chǎn)生規(guī)定的強(qiáng)度IOUT(θ)減去發(fā)射部產(chǎn)生的強(qiáng)度(它可以計(jì)算出來，因?yàn)棣?x)與r(x)早已設(shè)置在發(fā)散部里)。腔19入射表面25的半球形配置，可用于同光源封裝件30的半球形狀相符。圖12示出定位得靠近光源30的透鏡20的一部分放大截面圖。一般而言，從發(fā)射芯片33相對兩側(cè)發(fā)射的向上行進(jìn)的光線U與V，被第一或上表面的中心透鏡部22反射，于是光線被第二或下表面24反射回在規(guī)定準(zhǔn)直角±α外面的出口。若光線U與V不能被精確地反射或有其它問題，還可將中心部22配成平坦且做成有吸收性。有了這種吸收性配置，就不存在超出指定輸出束的雜散光。吸收區(qū)可以設(shè)計(jì)成對設(shè)備效率產(chǎn)生最小的影響(百分之幾)。
圖13示出一例本發(fā)明一實(shí)施例的透鏡與光源配置的光度輸出。生成光束的準(zhǔn)直度那么嚴(yán)密(即聚光本領(lǐng)受限)，使以90％與10％等照度線標(biāo)出的輸出束具有像光源一樣的方形。
用于數(shù)值透鏡分布生成的該SMS方法，分別列出一系列上下光學(xué)表面23和24的點(diǎn)(如期望的那么多)。在一實(shí)施例中，本發(fā)明對于比單純坐標(biāo)清單更簡單的表面指標(biāo)，提供多個點(diǎn)例如與某個高次多項(xiàng)式的擬合，而該多項(xiàng)多能以足夠的精度近似透鏡表面分布數(shù)據(jù)。由于斜率誤差是光學(xué)上最苛刻的，故在一實(shí)施例中，為實(shí)現(xiàn)精密擬合，本發(fā)明將二次斜率誤差減至最小。舉個例說，前述35mm透鏡設(shè)計(jì)的一種較佳擬合，對頂表面按下列公式提供了后面的諸系數(shù)Z=Σi=0nai·xi;]]>對于底表面Z=Σi=0nbi·xi;]]>對于入射表面Z=Σi=0nci·xi]]>其中在執(zhí)行表示該公式的算法時，0°＝1。表1示出幾例頂表面、底表面和入射表面的許多點(diǎn)。


表1如上所述，入射表面在頂面23上從N到軸線和從A到C的中心部分通常隨著選擇，這種自由度緣于本發(fā)明的SMS法規(guī)定了兩個表面。如上所述，能固定其另一些表面或部分，例如可將頂表面23固定為平坦，通過形成入射表面25和反射涂布的透鏡底表面24，實(shí)現(xiàn)透鏡精度的光折疊設(shè)計(jì)。這種平頂適合某些應(yīng)用場合，例如陣列呈扁平形。圖14示出本發(fā)明一實(shí)施例中透鏡820的簡化截面圖，透鏡820配置了基本上平頂?shù)谋砻?23。該透鏡還包括按本SMS法設(shè)計(jì)的底反射器表面824和入射表面825，其中入射點(diǎn)位于焦點(diǎn)826附近，中心軸線827垂直于平頂823。
圖15示出本發(fā)明另一實(shí)施例的RXIR裝置118的簡化截面圖。裝置118包括對入射表面125形狀的另一種設(shè)計(jì)。LED封裝件130裝在電路板101上。該RXIR裝置118包括準(zhǔn)直鏡120，位于靠近而且至少部分圍住封裝件130。透鏡120的上表面包括反射涂布的中心區(qū)122和延伸至安裝凸緣121的外部全內(nèi)反射區(qū)123。透鏡120還包括圍繞腔119的下反射表面124，腔119通過中心入射表面125形成。入射表面從下表面124拱起直到中心的尖形點(diǎn)127。從位于中心焦點(diǎn)126的LED發(fā)出的輸出光線140，以良好準(zhǔn)直的(不特別聚光本領(lǐng)受限)分布從透鏡出射，類似于上述的本發(fā)明諸實(shí)施例。發(fā)出的中心光線141被入射表面125更加徑向地折射，因而包含在準(zhǔn)直束內(nèi)。
圖16示出本發(fā)明另一實(shí)施例的RXIR裝置218的簡化截成圖，具有圖16所示類似的中心斷續(xù)微略，但適用于上表面222、223的中心。透鏡220至少部分圍繞LED和封裝件230，后者裝在電路板201上。透鏡的上表面包括反射涂布的中心區(qū)222，它到達(dá)該尖形點(diǎn)227，被全內(nèi)反射外圍表面223包圍并延伸到安裝凸緣221。下表面包括有入射表面225和圍繞反射涂布表面224的中心腔219。光線240從焦點(diǎn)226向外傳播，通過入射表面225進(jìn)入透鏡，被上表面反射到反射器224再反射，接著經(jīng)上表面223射出透鏡。
圖17示出本發(fā)明一實(shí)施例的RXIR裝置320的簡化截面圖，它比某些實(shí)施例更小巧。透鏡320包括位于上表面中心的中心折射透鏡322。透鏡320位于裝在電路板301上的LED封裝件330上面，其上表面包括被全內(nèi)反射外圍表面323包圍并延伸到安裝凸緣321的折射中心區(qū)322。下表面包括有入射表面325與包繞反射涂布表面324的中心腔319，在有些實(shí)施例中，該下表面近似為錐形。準(zhǔn)直光線340原來從位于焦點(diǎn)326的LED向外傳播，經(jīng)入射表面325進(jìn)入透鏡。原始光線的最外部分或一部分被表面323全內(nèi)反射而向下到反射器324，再經(jīng)上表面323反射出透鏡。中心透鏡322與入射表面325的中心上部329一起形成內(nèi)光束341，這與某些其它實(shí)施例不同，其中在其近場環(huán)形束內(nèi)有一中心空白區(qū)。中心光束341的束寬比主束光線340更大，因?yàn)橹行耐哥R322的聚光本領(lǐng)受限直徑更小。
本發(fā)明還可配用其它光源，如白熾光源。在本發(fā)明有些實(shí)施例中，透鏡用玻璃模制，與眾不同的中心腔是-通孔。在有些實(shí)施例中，中心腔做成柱形孔，可以包封管狀白熾光源。
圖18示出本發(fā)明一實(shí)施例中光折疊準(zhǔn)直裝置600的簡化截面圖，該裝置可用作頭燈或其它光源。該裝置包括可用玻璃制作的透鏡620。裝置600包括有端節(jié)611的光源610(如白熾燈)，玻璃透鏡620有一通常用柱形入射表面625形成的中心孔或通道621。透鏡定位成讓光源610定位于中心孔621內(nèi)，使入射表面在四周圍住光源610。透鏡620具有鏡涂布的后表面624與前表面623。通常由直線629指示的軸線把后反射表面624分成中心的內(nèi)準(zhǔn)拋物面段628與SMS設(shè)計(jì)的外表面630，因而裝置600應(yīng)用一種雙形透鏡，其分布比常規(guī)全拋物面更稠密，準(zhǔn)直度更優(yōu)。準(zhǔn)拋物面段628的性能與原來的后向光線內(nèi)準(zhǔn)直器一樣好，見圖18。
圖19示出圖18所示光學(xué)裝置600的簡化俯視正面圖。中心孔621包圍著密封在中心端節(jié)611的光源610，這一特征的光學(xué)意義在于能將足夠的光散射成可在主束外看到。
圖20是圖18和19中裝置600的中心特寫或放大的正視圖，中心管狀孔621包封住白熾燈610，還示了端節(jié)611。在有些實(shí)施例中，燈610的設(shè)計(jì)直徑?jīng)Q定于其玻殼的極限溫度。中心孔621配置成對燈610直徑有一最小間隙，以防過量熱穿過間隙614傳導(dǎo)。另外，間隙614還能配置成建立自然的對流，例如間隙可大于2mm，較佳地大于5mm。對流包括從孔621正面或后面進(jìn)入的項(xiàng)高空氣646，左右側(cè)氣流647與648合成最后的氣流649，于是沿表面625μ流出圖20的平面，在孔621正面或后面排出。
在有些實(shí)施例中，為滿足旋轉(zhuǎn)上不對稱的照明要求，諸如汽車頭燈的法定照明要求，輸出方式不按旋轉(zhuǎn)對稱性。在一實(shí)施例中，把透鏡因而也把頭粉分成多個部分或多件，例如四個分四分體，每一部分有一稍微不同的旋轉(zhuǎn)對稱透鏡，差異可在背表面上實(shí)現(xiàn)。圖21示出有多個不對稱部分的透鏡600的簡化俯視正面圖。該透鏡包括上四分體600U、下四分體600D、左四分體600L(示于右邊，但在在些實(shí)施法中示于左邊，例如汽車的頭燈)和四分體600R，各四分體具有略不同的正表面形狀，但有一公共的中心氣隙641。這些形狀是通過把本發(fā)明的SMS法限定于同一后鏡表面而配置的。
在一實(shí)施例中，制造這種透鏡的模具最好用從不同機(jī)加工正表面切下的四分體組裝，然后在最后光制階段混裝在一起，消除會妨礙玻璃模制的任何脊部或峭壁。用徑向脊或突起627a～627d代替界面。得到的透鏡600具有旋轉(zhuǎn)不對稱的熾光圖案。在一實(shí)施例中，左右頭燈的模具不同，可制成期望的雙向不對稱分布互為鏡像的透鏡。
應(yīng)用本發(fā)明，可用基于LED的聚光燈代替使用小白熾燈的聚光燈。對于在型白熾燈，可配置本發(fā)明已在有些實(shí)施例中揭示過的玻璃型式。本發(fā)明提出了密致的透鏡和確定透鏡配置的方法，這些方法至少用三個光學(xué)上有效的表面形成嚴(yán)格限定的窄角輸出來，無論是準(zhǔn)直的還是規(guī)定的強(qiáng)度分布。透鏡用其表面的徑向截面規(guī)定，但這種分布的方位變化能滿足不對稱要求。較之先前設(shè)備的埋沒折疊式光學(xué)元件，本裝置改進(jìn)了光信號傳輸和/或準(zhǔn)直度。
雖然本文揭示的本發(fā)明已通過諸特定實(shí)施例及其應(yīng)用作了描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對此作出各種修改與變化而不建背權(quán)項(xiàng)所提出的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)設(shè)備制造方法，其特征在于包括步驟對光學(xué)設(shè)備至少三個有效光學(xué)表面形成二維表示法，包括步驟根據(jù)作為第一通用笛卡兒橢圓的邊緣光線組，計(jì)算一段第一表面；根據(jù)作為第二通用笛卡兒橢圓的邊緣光線組，計(jì)算一段入射表面；根據(jù)作為第三通用笛卡兒橢圓的邊緣光線組，計(jì)算一段第二表面；而且沿朝光源的方向連續(xù)重復(fù)計(jì)算第一表面段和計(jì)算第二表面段的步驟；和繞中心軸線旋轉(zhuǎn)掃描二維表示法，形成光學(xué)設(shè)備的三維表示法。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中計(jì)算第一表面段的步驟包括先計(jì)算第一表面的周邊段；而計(jì)算第二表面段的步驟包括先計(jì)算第二表面的周邊段。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中計(jì)算入射表面段的步驟，包括先計(jì)算入射表面段的步驟，包括先計(jì)算入射表面的第一表面，其中入射表面的第一表面的第一端是沿入射表面的拐點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中計(jì)算入射表面段的步驟包括先計(jì)算入射表面的第一表面，而入射表面第一表面的第二端是近緣外部光線沿入射表面的截?cái)帱c(diǎn)。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其中計(jì)算入射表面段的步驟包括確定入射表面段第一端的位置，包括步驟確定邊緣光線截?cái)嗳肷浔砻娴谝欢蔚耐繖?quán)重；確定邊緣光線組所有表面的通量權(quán)重；和把截?cái)嗳肷浔砻娴谝欢蔚倪吘壒饩€的通量權(quán)重的最后之和定為邊緣光線組所有邊緣光線的一部分通量權(quán)重。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其中連續(xù)重復(fù)計(jì)算第一表面段的步驟，包括把第一表面第二段計(jì)算為基于遠(yuǎn)邊緣光線組的第四通用笛卡兒橢圓。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中計(jì)算第一表面第二段的步驟包括計(jì)算所述第二段，使遠(yuǎn)邊緣光線組從第一表面第二段反射后截?cái)嗟诙砻娴闹苓叾巍?br> 8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中連續(xù)重復(fù)計(jì)算第二表面段的步驟的步驟，包括把第二表面第二段計(jì)算為基于近邊緣光線組的第五通用笛卡兒橢圓。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中計(jì)算第二表面第二段的步驟包括計(jì)算所述第二段，使近邊緣光線組從第一表面第二段反射后截?cái)嗟诙砻娴诙巍?br> 10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成二維表示法的步驟包括計(jì)算第一、第二和第三表面，使三維表示法配置成把光準(zhǔn)直到由孔徑與有效光源直徑的相對尺寸所限定的聚光本領(lǐng)極限。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成二維表示法的步驟包括計(jì)算第一、第二和第三表面，使三維表示法配置成提供具有可變發(fā)射角和可變中心光線傾角的出射光束，從而在穿過出口直徑匯集時，符合預(yù)定的照明要求。
12.一種光束生成方法，其特征在于包括步驟折射初始光；內(nèi)反射所述光；再反射所述光；和折射所述光，形成至少部分準(zhǔn)直的輸出光。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中內(nèi)反射所述光的步驟包括室內(nèi)反射所述光。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中輸出光被準(zhǔn)直到由孔徑與有效光源直徑地相對尺寸所限定的聚光本領(lǐng)極限。
15.一種折疊式光學(xué)裝置，其特征在于包括透明體，包括第一表面、第二表面和形成在至少第二表面內(nèi)的腔；有第三表面的腔；第二表面，包括徑向離開腔延伸的反射區(qū)；和第一表面，包括配置成提供內(nèi)反射折疊的環(huán)形區(qū)和透明體與透明體外部之間的折射地渡區(qū)。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中腔配置成位于光學(xué)設(shè)備附近，使第三表面貼近光學(xué)設(shè)備，第一表面發(fā)射輸出光束。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，還包括限定在光學(xué)設(shè)備與第三表面之間的間隙。
18.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中光學(xué)設(shè)備是一光源，第三表面是讓發(fā)自光源的光通過第三表面進(jìn)入透明體的入射表面。
19.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中第一、第二和第三表面都是光學(xué)有效表面。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中第一表面內(nèi)反射在透明體內(nèi)傳播的光束，并在光束通過第一表面時折射所述光束；第二表面反射在透明體內(nèi)傳播的光束；而第三表面在光束通過第三表面時折射地再分布光束。
21.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中腔通過透明體延伸到形成通孔的第一表面。
22.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中光束從第一表面出射，出射束被準(zhǔn)直到由孔徑與有效光源直徑的相對尺寸所限定的有聚光本領(lǐng)極限。
23.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于還包括至少部分定位在腔內(nèi)靠近腔第三表面的檢光器，使透明體第一表面接收的光通過腔第三表面撞擊檢光器。
24.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中腔配置成位于白熾燈光源附近，使第三表面靠近光源，讓發(fā)自光源的光通過第三表面進(jìn)入透明體。
25.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中第一表面還包括吸收性的中心區(qū)。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中第一表面還包括反射性的中心區(qū)。
27.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中第一表面還包括折射性的中心區(qū)。
28.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中第一表面是平面。
29.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中第一表面有一反射的中心尖形凹部。
30.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中透明體包括中心區(qū)，所述中心區(qū)含一展開的束形成反射器。
31.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中透明體由多個不對稱部構(gòu)成，多個不對稱部提供雙向不對稱分布。
32.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中第一、第二和第三表面構(gòu)成一折疊式邊緣光線設(shè)備。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其中形成構(gòu)成一RXIR設(shè)備的第一、第二和第三表面。
34.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中腔包括一種抑制光源角度范圍的鐘形狀。
35.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中腔包括一削尖的弓形，配置使光偏離第一表面的中心區(qū)。
36.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中第一、第二和擴(kuò)展表面被配置成使輸出光束具有跨越出射直徑可變的準(zhǔn)直度，以符合特定的照明要求。
37.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中透明體用玻璃、硅酮或注射模壓塑料構(gòu)成。
38.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中第三表面包括一防反膜。
39.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中透明體包括帶搭配裝置的外圍部。
40.一種光學(xué)設(shè)備制造法，所述光學(xué)設(shè)備把輸入輻射的第一分布轉(zhuǎn)換到輸出輻射的第二分布，其特征在于包括建立一個將輸入輻射第一分布描繪成輸入邊緣光線束而將輸出輻射第二分布描繪成輸出邊緣光線束的二維模型，并在相位-空間表示法中以各光線在空間的位置代表各輸入和輸出邊緣光線束；按照相位-空間表示法的邊界條件，形成三個有效光學(xué)表面的二維表示法，包括連續(xù)計(jì)算至少第一和第二表面的諸段；和對稱地?cái)U(kuò)展所述光學(xué)表面的所述二維表示法，產(chǎn)生三維光學(xué)設(shè)備。
全文摘要
一種裝置制造法，所述裝置配置成把輸入輻射第一分布轉(zhuǎn)換到輸出輻射第二分布。該法包括步驟對光學(xué)設(shè)備的至少三個有效光學(xué)表面形成一種二維表示法，包括把基于邊緣光線組的一段第一表面計(jì)算計(jì)算為第一通用笛卡兒橢圓，把基于邊緣光線組的一段入射表面計(jì)算為第二通用笛卡兒橢圓，把基于邊緣光線組的一段第二表面計(jì)算為第三通用笛卡兒橢圓，再連續(xù)重復(fù)沿朝向光源的方向計(jì)算該段第一表面和計(jì)算該段第二表面的步驟，而且圍繞中心軸線旋轉(zhuǎn)地掃描該二維表示法，得出光學(xué)設(shè)備的三維表示法。
文檔編號G02B5/10GK1726410SQ200380105214
公開日2006年1月25日 申請日期2003年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月11日
發(fā)明者P·本尼茲, J·C·米納諾, F·姆諾茲 申請人:光處方革新有限公司