專利名稱：Led準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊和使用該模塊的燈具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及人工光或者人工照明的創(chuàng)建，并且具體地，涉及可以單獨(dú)采用或者以陣列布置在共同基座上的發(fā)光二極管(LED)準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊和使用該模塊的燈具。
背景技術(shù)：
目前的LED芯片封裝可以針對(duì)每個(gè)封裝包含多個(gè)LED芯片，并且可以在封裝本身上具有相對(duì)簡(jiǎn)單的光學(xué)器件，這些光學(xué)器件使得第二光學(xué)系統(tǒng)成為必要，以提供任何需要的顏色混合、準(zhǔn)直或者其他波束成形。這些現(xiàn)有的LED芯片封裝必須使功率與包括準(zhǔn)直和顏色混合的波束成形需求相平衡。舉例來(lái)說(shuō)，在舞臺(tái)照明應(yīng)用中(諸如那些與產(chǎn)生戲劇、舞蹈、歌劇和其他表演藝術(shù)有關(guān)的照明)，所需要的強(qiáng)度和與待照亮的區(qū)域的距離以及燈具的光線或者視場(chǎng)角度決定了 LED芯片封裝具有相當(dāng)大的功率。此外，由于應(yīng)用的性質(zhì)，還需要良好成形的光線。亮度需求通過(guò)使用大量LED來(lái)滿足，而這些LED繼而使得難以將光的集合形成為單個(gè)均勻并且同質(zhì)的光瞳(homogenous pupil)。通常，必須為均勻性而犧牲功率， 反之亦然。仍然需要處理一方面是功率與另一方面是準(zhǔn)直和顏色混合之間的折衷的解決方案。公開(kāi)了 LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊、使用該模塊的燈具以及光學(xué)裝置。本文給出的解決方案緩和了一方面是功率與另一方面是準(zhǔn)直和顏色混合之間的折衷。在LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的一個(gè)實(shí)施方式中，LED芯片提供多個(gè)光源。例如，可以是光導(dǎo)管、管或者柱的光學(xué)導(dǎo)體被疊置在LED芯片上，以混合從光源接收的光。在穿過(guò)光學(xué)導(dǎo)體之后，經(jīng)混合的光進(jìn)入復(fù)合式拋物面聚光器(CPC)，該CPC耦合到光學(xué)導(dǎo)體。CPC使從光學(xué)導(dǎo)體接收的光準(zhǔn)直，從而使得發(fā)射基本上同質(zhì)的光瞳。在燈具的一個(gè)實(shí)施方式中，分別在基座上布置多個(gè)LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊。外殼適于容納該基座和LED光學(xué)器件模塊。燈具可以提供針對(duì)各種應(yīng)用的完整發(fā)光設(shè)備。在舞臺(tái)照明領(lǐng)域中的光學(xué)器件的一個(gè)實(shí)施方式包括光學(xué)導(dǎo)體(例如，可以是管、 光導(dǎo)管或者柱)，其用于在輸入孔徑處接收光并且將光傳播通過(guò)該孔徑到輸出孔徑，該輸出孔徑具有基本上等于輸入孔徑的截面面積的截面面積。第一壁部分將輸入孔徑與輸出孔徑連接在一起，以使用反射性材料限定多個(gè)傳輸路徑，以允許混合從光學(xué)導(dǎo)體的輸入孔徑到輸出孔徑的光。主體(可以是錐形主體)從入口孔徑起截面面積增加，該入口孔徑貫穿光學(xué)導(dǎo)體的輸出孔徑到出口孔徑。第二壁部分(其可以是拋物線壁部分)將入口孔徑與出口孔徑相連接，并且從入口孔徑的截面面積發(fā)散到屬于出口孔徑的較大截面面積。第二壁部分允許光從入口孔徑到輸出孔徑的準(zhǔn)直傳輸。


為了更完整地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在將與附圖一起參照本發(fā)明的詳細(xì)描述，在附圖中，不同附圖中的對(duì)應(yīng)標(biāo)記指代對(duì)應(yīng)部分，并且在附圖中
圖IA是并入了根據(jù)本文給出的教導(dǎo)的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的燈具的一個(gè)實(shí)施方式的透視圖；圖IB是在圖IA中描繪的燈具的透視圖，其具有部分截面以更好地解釋內(nèi)部部件；圖IC是圖示了圖IA和圖IB的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的陣列的進(jìn)一步細(xì)節(jié)的透視圖；圖ID是在圖IC中示出的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的陣列的頂視圖；圖2是LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的陣列的另一實(shí)施方式的頂視圖；圖3是LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的陣列的又一實(shí)施方式的頂視圖；圖4A是LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的一個(gè)實(shí)施方式的正視圖；圖4B是圖4A中圖示的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的橫截面圖；圖4C是圖4A中圖示的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的頂視圖；圖4D是當(dāng)沿圖4A的線4D-4D觀看時(shí)的LED芯片封裝的頂視圖；圖5A是橫貫圖4A中圖示的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的單個(gè)光線的橫截面圖；圖5B是橫貫圖4A中圖示的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的多個(gè)光線的橫截面圖；圖6是橫貫LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的另一實(shí)施方式的多個(gè)光線的橫截面圖；圖7是橫貫LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的又一實(shí)施方式的多個(gè)光線的橫截面圖；圖8至圖10是供與本文給出的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊一起使用的光學(xué)導(dǎo)體的各種實(shí)施方式的頂部橫截面圖；圖11至圖13是供與本文給出的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊一起使用的主體的各種實(shí)施方式的頂部橫截面圖；圖14至圖15是供與本文給出的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊一起使用的光學(xué)導(dǎo)體的各種實(shí)施方式的頂部橫截面圖；圖16至圖17是供與本文給出的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊一起使用的CPC的各種實(shí)施方式的頂部橫截面圖；圖18是強(qiáng)度與豎直角的示意圖，其表示了針對(duì)圖5A至圖5B的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的基準(zhǔn)強(qiáng)度；圖19是強(qiáng)度與豎直角的示意圖，其表示LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的優(yōu)化的基準(zhǔn)強(qiáng)度；圖20是強(qiáng)度與豎直角的示意圖，其表示LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的圓形間隔封裝陣列的基準(zhǔn)強(qiáng)度；圖21是LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的圓形間隔封裝陣列的、光效率和峰值光通量與電流密度的示意圖；圖22是針對(duì)LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的圓形間隔封裝陣列的相對(duì)于U’、V’顏色平面的琥珀色裸片色度圖；以及圖23是針對(duì)LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的圓形間隔封裝陣列的相對(duì)于U’、V’顏色平面的白色裸片色度圖。
具體實(shí)施方式
盡管以下將詳細(xì)討論本發(fā)明的各種實(shí)施方式的使用和制造，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明提供了許多可應(yīng)用的發(fā)明性概念，這些概念可以體現(xiàn)在各種具體上下文中。本文討論的具體實(shí)施方式
僅是舉例說(shuō)明了使用和制作本發(fā)明的具體方式，而并不限定本發(fā)明的范圍。首先參照?qǐng)DIA至圖1D，其中描繪了根據(jù)本文給出的教導(dǎo)的燈具的一個(gè)實(shí)施方式， 該燈具被示意性地圖示并且一般性地指定為10。外殼12適于容納基座14和統(tǒng)一標(biāo)記為 16并且緊固在外殼12內(nèi)的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊。LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊包括各個(gè)LED 準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16-1、16-2、16-3、16-4、16-5、16-6以及16_7。同樣安裝到基座14并且封閉在外殼12中的散熱器子組件18吸收并且耗散由發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16產(chǎn)生的熱。在一個(gè)實(shí)施方式中，在散熱器的數(shù)目與發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16的數(shù)目之間存在一對(duì)一的對(duì)應(yīng)性。此外，在一個(gè)實(shí)施方式中，散熱器子組件18包括基本上靜音的風(fēng)扇，該風(fēng)扇可以為包括發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16的內(nèi)部部件提供強(qiáng)迫的空氣冷卻。外殼12由旋轉(zhuǎn)地連接到支撐結(jié)構(gòu)22的軛狀物20裝配在適當(dāng)位置。貫穿外殼12、 軛狀物20以及支撐結(jié)構(gòu)22定位的電子器件子組件M向燈具10提供機(jī)動(dòng)化的移動(dòng)和電子器件。電子器件子組件M可以包括多個(gè)板上處理器，這些處理器提供診斷和自校準(zhǔn)功能以及內(nèi)部測(cè)試?yán)毯蛙浖履芰?。燈?0還可以包括任何所需的電子器件，諸如到電源的連接。如圖所示，包括了最后的透鏡26，以添加末端效應(yīng)。LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16布置在單層緊密封裝布置觀中，而LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16-1至16-6定位在與中心定位的光學(xué)器件模塊16-7接觸的六邊形位置中。外圍LED 準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16-1至16-6觸及兩個(gè)相鄰的外圍LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊以及內(nèi)部地布置的光學(xué)器件模塊16-7。舉例來(lái)說(shuō)，LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16-1觸及鄰近的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16-2和16-6以及定位在內(nèi)部的光學(xué)器件模塊16-7。在一個(gè)實(shí)施方式中，LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16-1至16-7的陣列可以具有8英寸(8. 32厘米)的直徑。相對(duì)于LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16-4，LED芯片封裝30向用于混合光的光學(xué)導(dǎo)體32提供光。CPC 34耦合到光學(xué)導(dǎo)體32，以使從光學(xué)導(dǎo)體32接收的光準(zhǔn)直。在準(zhǔn)直之后，光作為基本同質(zhì)的光瞳離開(kāi)燈具10。燈具10的部件或者整個(gè)燈具10可以視為用于舞臺(tái)照明和相關(guān)應(yīng)用的光學(xué)器件模塊。圖2和圖3描繪了 LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16的其他實(shí)施方式。關(guān)于圖2，LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16定位在單層圓形間隔封裝布置36中。在該布置中，LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16-1至16-6分別定位在圍繞中心定位的模塊的外圍點(diǎn)處，該中心定位的模塊為L(zhǎng)ED 準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16-7。在一個(gè)實(shí)施方式中，LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16之間的間隔近似為 0. 19 英寸(3mm)。關(guān)于圖3，LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16_1至16_3定位在線性單層布置38中，其中內(nèi)部LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16-2被布置成與外部LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16_1、16_3接觸。 應(yīng)當(dāng)理解，LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊可以布置在除了圖IA至圖1D、圖2和圖3中圖示的陣列的其他陣列中。可以在陣列中利用任何數(shù)目的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊，并且該陣列可以采取各種形式，包括那些在LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊之間提供緊密接觸，以及那些在LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊之間提供間隔，甚至包括那些提供以上組合的形式。此外，LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16可以以呈角度的方式、線性方式或者它們的組合的方式來(lái)布置。圖4A至圖4D描繪了 LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16_4。LED芯片封裝30提供光源并且包括布置在單個(gè)伸長(zhǎng)基座構(gòu)件44上的陣列42中的多個(gè)有顏色的LED芯片G、R、B、W，基座構(gòu)件44可以包括提供焊接引線(未示出)。如圖所示，LED芯片G、R、B、W已經(jīng)被定位成相對(duì)于光學(xué)導(dǎo)體32和CPC 34提供期望的角度發(fā)射模式，以增加顏色混合。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，依賴于應(yīng)用，LED芯片G、R、B、W可以布置在其他類型的陣列中。陣列42的LED芯片G、R、B、W包括分別發(fā)射綠光、紅光、藍(lán)光和白光的常規(guī)綠色、紅色、藍(lán)色和白色LED芯片。這種LED芯片有助于有效注入到光學(xué)導(dǎo)體32中，并且極大地增強(qiáng)光混合。如所描繪的，為了進(jìn)一步增強(qiáng)由LED芯片封裝生成的白光的質(zhì)量，利用了包括一個(gè)紅色LED芯片(R)、一個(gè)綠色LED芯片(G)、一個(gè)藍(lán)色LED芯片(B)和一個(gè)白色LED芯片 (W)的四個(gè)LED芯片。然而，考慮隨著LED芯片設(shè)計(jì)進(jìn)步，可以在陣列中使用不同數(shù)目的LED 芯片和/或不同顏色LED芯片以優(yōu)化由LED芯片封裝30生成的光的質(zhì)量。舉例來(lái)說(shuō)，在一個(gè)實(shí)施方式中，利用了包括一個(gè)紅色LED芯片(R)、一個(gè)綠色LED芯片(G)、一個(gè)藍(lán)色LED芯片(B)、一個(gè)琥珀色LED芯片(A)的四個(gè)LED芯片。進(jìn)一步舉例來(lái)說(shuō)，在另一實(shí)施方式中，利用了包括一個(gè)紅色LED芯片(R)、兩個(gè)綠色LED芯片(Gl、G2)、一個(gè)藍(lán)色LED芯片(B)的四個(gè)LED芯片。進(jìn)一步考慮可以在LED芯片封裝30中使用高功率LED芯片和低功率LED芯片這兩者。在本文給出的教導(dǎo)的一個(gè)實(shí)施方式中，伸長(zhǎng)的基座構(gòu)件44可以包括電絕緣外殼 46，其例如由塑料或者陶瓷制成，該外殼將在其上具有少量硅的金屬散熱器納入其中。金屬散熱器為布置在其上的LED芯片封裝30提供散熱。此外，進(jìn)一步熱耗散由散熱器子組件18 提供，該子組件如所闡明的包括基本上靜音的風(fēng)扇，以在金屬散熱器附近供應(yīng)強(qiáng)迫的空氣冷卻。伸長(zhǎng)的基座構(gòu)件44可以進(jìn)一步包括弓丨線，這些引線通過(guò)外殼與金屬散熱器和LED芯片G、R、B和W電隔離。焊接線將LED芯片G、R、B和W電連接到引線。光學(xué)導(dǎo)體32在第一末端處具有截面面積為^ir12的輸入孔徑48，其中半徑為Γι，并且在第二末端處具有截面面積為^ir22的輸出孔徑50，其中半徑為r2。光學(xué)導(dǎo)體32疊置在 LED芯片封裝30以及LED芯片G、R、B和W上，以在輸入孔徑48處接收來(lái)自光源的光，并且將光遞送至輸出孔徑50。第一截面面積^ir12可以基本上等于第二截面面積^ir22,從而使得輸入孔徑48和輸出孔徑50具有基本上相等的直徑，并且巧可以等于r2。可以是圓柱壁部分的壁部分52將輸入孔徑48與輸出孔徑50相連接，并且可以包括大體上形成圓柱體的旋轉(zhuǎn)表面。壁部分52包括反射性材料M，其限定多個(gè)傳輸路徑，以允許光在從輸入孔徑48 至輸出孔徑50在內(nèi)部空間56內(nèi)混合。在一個(gè)實(shí)施方式中，壁部分52可以是用于混合光的壁裝置，從而將輸入孔徑48與輸出孔徑50相連接。光學(xué)導(dǎo)體32的長(zhǎng)度I1由與由光源發(fā)射的光的混合有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)決定。此外，光學(xué)導(dǎo)體32的長(zhǎng)度I1沿著光學(xué)導(dǎo)體32的縱向軸測(cè)量，該軸基本上與LED芯片封裝30的水平軸正交。CPC 34耦合到光學(xué)導(dǎo)體32。關(guān)于CPC 34，形成主體60，該主體在一個(gè)實(shí)施方式中可以為錐形主體，該主體在第一末端處具有截面面積為^ir32的入口孔徑62，其中半徑為 r3，并且在第二末端處具有截面面積為^ir42的出口孔徑64，其中半徑為r4。入口孔徑62橫貫輸出孔徑50并且錐形主體60被布置成將光遞送至出口孔徑64。入口孔徑62的截面面積π r32基本上等于輸出孔徑50的截面面積π r22，并且出口孔徑64的截面面積π r42大于入口孔徑62的截面面積πι·32。因此，在該實(shí)現(xiàn)方式中，r4 > r3 = r2 =巧。在第二末端處的緣72可以具有多種形式，包括所圖示的弧形邊緣，該弧形邊緣包括一系列相鄰弧線。這種類型的緣實(shí)施方式允許LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊以彼此齊平接觸放置在緊密封裝布置中。
可以是彎曲壁部分的壁部分66將入口孔徑62與出口孔徑64相連接，并且從截面面積^ir32到截面面積^ir42發(fā)散。壁部分66包括反射性材料68，從而允許光從入口孔徑 62至出口孔徑64的準(zhǔn)直傳輸。壁部分66可以是將入口孔徑62與出口孔徑64相連接，并且從截面面積nr32到截面面積^ir42發(fā)散的壁裝置。壁部分66可以包括拋物線壁部分，該拋物線壁部分包括大體上形成錐形的旋轉(zhuǎn)表面。CPC 34的長(zhǎng)度I2例如由與期望的準(zhǔn)直和光混合程度有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)決定。此外，CPC 34的長(zhǎng)度I2沿著CPC 34的縱向軸測(cè)量，該軸基本上與光學(xué)導(dǎo)體32的縱向軸對(duì)準(zhǔn)并且與LED芯片封裝30的水平軸正交。應(yīng)當(dāng)理解，依賴于應(yīng)用，長(zhǎng)度I1與長(zhǎng)度I2之間的關(guān)系可能與所描繪的不同。在一個(gè)實(shí)施方式中，CPC 34其特征在于以下事實(shí)在其最小孔徑(入口孔徑62) 處進(jìn)入裝置的光線在其在較大孔徑(出口孔徑62)處離開(kāi)CPC 34時(shí)，從內(nèi)部表面到彎曲壁部分66只反射一次。在該實(shí)現(xiàn)方式中，CPC 34被設(shè)計(jì)成使在輸入孔徑62處接收的光能量
的給定通量準(zhǔn)直。在該實(shí)施方式中，本文描述的聚光器(無(wú)論該聚光器是否具有拋物線或者其他幾何特性均稱為CPC)具有由棱形、透明的低傳輸損耗介電材料制成的反射材料68。如將在圖 11至圖13中討論的，其他幾何特性也在本文給出的實(shí)施方式的范圍內(nèi)。CPC 34的內(nèi)部反射表面70的反射材料68能夠由其制成的介電材料包括具有高折射率的透明聚合物，諸如但是不限于丙烯酸聚合物或者基于聚碳酸酯的聚合物。圖5A描繪了橫貫LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16_4的單個(gè)光線。光學(xué)導(dǎo)體32 (其可以是光混合柱或者光導(dǎo)管)使由光源在其中傳輸?shù)墓馐|(zhì)化。光束的強(qiáng)度重心以縱向方式從輸入孔徑48向輸出孔徑50移動(dòng)。沿光混合柱布置的反射材料M的反射表面包括相對(duì)于光在其中移動(dòng)的縱向方向或者軸向方向垂直或者傾斜的表面法線。反射性材料為光線提供路徑(諸如路徑80、82)，以便于行進(jìn)，并且借此彼此混合。LED芯片(G、R、B、W)使至少一部分的方向朝向光學(xué)導(dǎo)體32的內(nèi)部空間56定向。CPC ；34以θ^θ。描繪，其中Qi標(biāo)識(shí)輸入角，并且Θ。標(biāo)識(shí)輸出角。通過(guò)取具有其焦點(diǎn)Q的拋物線I3R的一段并且圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)該段可以更好地理解一個(gè)實(shí)施方式的幾何特性，該段與拋物線的軸ζ呈角度Qi，軸ζ垂直于穿過(guò)LED芯片封裝30的水平軸χ。圍繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的軸限定了入口孔徑和出口孔徑的中心。這樣的CPC構(gòu)造其特征在于在輸入孔徑處以相對(duì)于軸ζ呈小于+/_ θ i的角度進(jìn)入的光線將在相對(duì)于軸ζ呈小于+/_ θ。的角度內(nèi)的不多于一個(gè)反射之后離開(kāi)CPC。如圖所示，光線84、86從LED芯片封裝40的LED芯片R發(fā)射。從光線84的入射角為使得光線84并不與光學(xué)導(dǎo)體32的內(nèi)部空間56接觸。在另一實(shí)施方式中，由于光學(xué)導(dǎo)體 32的位置，所有或者幾乎所有光線都與內(nèi)部表面56接觸。然而，光線86與內(nèi)部表面56接觸，并且隨后在進(jìn)入CPC 34之前從光學(xué)導(dǎo)體32的反射性材料M反射6次，在CPC 34處， 光線86由從CPC 34的內(nèi)部表面70的單個(gè)反射準(zhǔn)直。如圖所示，在光學(xué)導(dǎo)體32中的多個(gè)反射促使光線86越過(guò)光學(xué)導(dǎo)體32的縱向軸z，借此對(duì)光混合做出貢獻(xiàn)。圖5B描繪了橫貫LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的多個(gè)光線。光學(xué)導(dǎo)體32疊置在LED芯片30上，以在輸入孔徑48處從LED G、R、B、W源接收光。LED G_1、R、B、W至少部分地朝向光學(xué)導(dǎo)體32的內(nèi)部空間56定向。如圖所示，在LED G、R、B、W之間存在橫向偏移，以在LED和反射性材料之間提供入射角，以供應(yīng)從該反射性材料的反射。光學(xué)導(dǎo)體32提供被多個(gè)光線(統(tǒng)稱為光束洲)橫貫的多個(gè)路徑89。多個(gè)路徑89將所接收的光線混合，并且促使光束88的強(qiáng)度重心以縱向的方式從輸入孔徑48向輸出孔徑50移動(dòng)。光學(xué)導(dǎo)體的反射性材料被定向成將光從輸入孔徑48向輸出孔徑50傳播，其中，經(jīng)混合的光由CPC 34在入口孔徑62處接收。然后發(fā)生光從入口孔徑62到出口孔徑64的準(zhǔn)直的傳輸，以從單個(gè)反射產(chǎn)生基本上同質(zhì)的光瞳，在CPC 34內(nèi)的準(zhǔn)直傳輸。光束作為基本上同質(zhì)的光瞳90離開(kāi)出口孔徑64。圖6和圖7描繪了 LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的其他實(shí)施方式。參照?qǐng)D6，LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16-8產(chǎn)生光的基本上同質(zhì)的光瞳92，其與在圖5中產(chǎn)生的光具有不同的輪廓。 在圖7中，LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16-9具有圓形的聚碳酸酯光導(dǎo)管94和在標(biāo)識(shí)為CPC 96 的中空金屬化反射器內(nèi)近似80%的反射率的組合，該模塊產(chǎn)生光的另一基本上均勻的光瞳 98。應(yīng)當(dāng)理解，在圖5A至圖7中圖示的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的構(gòu)造可以變化。例如，光學(xué)導(dǎo)體和CPC可以集成地形成或者綁定在一起以形成集成單元。諸如應(yīng)用特定的特性和成本之類的因素可以確定優(yōu)選的構(gòu)造技術(shù)。圖8至圖10描繪了供與LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16 —起使用的光學(xué)導(dǎo)體32的各種實(shí)施方式。在圖8中，光學(xué)導(dǎo)體32包括壁部分52。然而，應(yīng)當(dāng)理解，光學(xué)導(dǎo)體32并不限于圓柱壁部分。光學(xué)導(dǎo)體32還可以包括創(chuàng)建不同的壁部分和相應(yīng)的內(nèi)部空間56的非圓柱形狀，例如壁。舉例來(lái)說(shuō)，參照?qǐng)D9，光學(xué)導(dǎo)體32包括具有6個(gè)邊的小面化壁部分，其標(biāo)識(shí)為六邊形壁部分100。進(jìn)一步舉例來(lái)說(shuō)，在圖10中，光學(xué)導(dǎo)體32包括具有8個(gè)邊的壁部分，標(biāo)識(shí)為八邊形壁部分102。光學(xué)導(dǎo)體32可以包括任何數(shù)目的邊或者小面，并且其還可以包括圓形或者圓柱壁部分。圖11至圖13描繪了 CPC 34的主體60的各種實(shí)施方式。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16并不限于具有如圖11所示的彎曲壁部分66的錐形主體60。 備選地，如在圖12和圖13中所示，發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16可以包括具有任何數(shù)目的邊或者面的主體，諸如圖12的主體60和圖13的主體60。在這些實(shí)施方式中，不是利用彎曲壁部分，而是利用了具有邊或者小面的壁部分，諸如分別在圖12和圖13中給出的壁部分104和壁部分106。主體60可以包括任何數(shù)目的邊或者小面，并且其還可以包括以上提到的彎曲壁部分。圖14至圖15描繪了供與本文給出的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16 —起使用的光學(xué)導(dǎo)體32的一些實(shí)施方式。如先前所討論的，光學(xué)導(dǎo)體32可以采取各種形狀。除了具有多種形狀之外，光學(xué)導(dǎo)體32例如可以是具有側(cè)壁的管或者混合管(例如，圖8)、柱(例如，圖 14)、其中具有主體的管(例如，圖1 或者以上的組合。具體地，參照?qǐng)D14，光學(xué)導(dǎo)體32是具有包括反射材料M的壁部分52的柱。參照?qǐng)D15，光學(xué)導(dǎo)體32包括具有其中具有主體 32b的管構(gòu)件32a以及相關(guān)的壁部分52a、5 和反射性材料Ma、Mb。圖16至圖17描繪了供與本文給出的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊16 —起使用的CPC 34的主體60的實(shí)施方式。與光學(xué)導(dǎo)體32類似，CPC34的主體60可以具有多種形式，例如， 包括具有側(cè)壁的主體60(例如，圖11)；為實(shí)心構(gòu)件的主體60(例如，圖16)，其具有壁部分 66和反射性材料68 ；具有側(cè)壁構(gòu)件60a和布置在其中的實(shí)心構(gòu)件60b的主體60(圖17)， 其具有壁部分66a、66b以及反射性材料68a、68b ；或者以上的組合。
圖18描繪了表示針對(duì)具有六邊形定位的單層緊密封裝布置的基準(zhǔn)強(qiáng)度的、強(qiáng)度相對(duì)于豎直角的示意圖。此處，光入射的豎直角以度數(shù)表達(dá)，并且強(qiáng)度如線110所示。圖19 描繪了表示針對(duì)發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的六邊形陣列的基準(zhǔn)強(qiáng)度的、強(qiáng)度相對(duì)于豎直角的示意圖。線120表達(dá)了強(qiáng)度與豎直角之間的關(guān)系。在該實(shí)施方式中，優(yōu)化的基準(zhǔn)強(qiáng)度模型產(chǎn)生了可能的最窄的角度分布，而不損害顏色均勻性。該模型的角度分布可以通過(guò)減小光導(dǎo)管輸入平面或者增加光導(dǎo)管輸出平面的尺寸而進(jìn)一步減小。最后，圖20描繪了表示LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的單層圓形間隔封裝布置的基準(zhǔn)強(qiáng)度的、強(qiáng)度相對(duì)于豎直角的示意圖。在該附圖中，線130示出了強(qiáng)度與豎直角的關(guān)系。由該圖表示的設(shè)計(jì)超過(guò)了 10000 流明的光通量需求。六邊形+CPC實(shí)施方式(圖18)效率為69%并且具有更好的顏色均勻性，而圓形+中空CPC(圖20)反射體實(shí)施方式效率為49%，其具有包括圓形聚碳酸酯光導(dǎo)管和中空金屬化CPC反射體的兩片方式。圖21是示出了相對(duì)照明效率以及峰值光通量作為電流密度的函數(shù)的示意圖。光效率的線140表達(dá)了光通量與輻射通量的比率(以每瓦流明為單位(lm/W))作為電流密度 (A/mm2)的函數(shù)。此外，峰值光通量的線150表達(dá)了流明通量(以流明為單位(Im))作為電流密度(A/mm2)的函數(shù)。圖22描繪了針對(duì)前述具有單層圓形間隔封裝布置的LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的圓形陣列的、相對(duì)于u’、v’比色法顏色空間坐標(biāo)的琥珀色裸片色度圖。所描繪的CIELUV顏色空間，CIE 1976 (L*，u*，V*)是Adams色差顏色空間，并且是CIE 1964顏色空間(CIEUVff) 的更新。它們的差別包括輕微修改的亮度標(biāo)度，以及修改的統(tǒng)一色度標(biāo)度(例如，其中坐標(biāo)中的一個(gè)ν’是其I960個(gè)前任的ν的1. 5倍)。所顯示的波長(zhǎng)以納米(nm)表達(dá)。以下轉(zhuǎn)換和變換是可應(yīng)用的L* = 116(Y/Yn)1/3-16，Y/Yn > (6/29)3(29/3)3 (Y/Yn)，Y/Yn < = (6/29)3u* = 13L*(u，-U，n)ν* = 13L*(v，-ν，n)u，= 4X (X+15Y+3Z) = 4x/(_2x+12y+3)v，= 9Y (X+15Y+3Z) = 9Y/ (-2x+12Y+3)關(guān)于從(U’，V’)到(x，y)的變換χ = 9u，/(6u，-16v，+12)y = 4v，/(6u，-16v，+12)u，= u*/13L*+u，nv，= v*/13L*+v' nY = YnL* (3/29)3，L* < = 8Yn(L*+16)/116)3，L* > 8X = Y(9u，/4v，)ζ = Y((12_3u，_20v，)/4v，)被轉(zhuǎn)動(dòng)的U形軌跡邊界160表示單色光或者光譜顏色，或者松散的彩虹顏色。軌跡的下邊界表示紫色的線，并且表示通過(guò)混合紅色和藍(lán)色波長(zhǎng)的光而獲得的非光譜顏色。應(yīng)當(dāng)理解，在實(shí)際中，該邊界是不明顯的(hard)，這是由于由眼睛的神經(jīng)末梢的敏感度在可見(jiàn)光譜的極限端的下降而導(dǎo)致顏色恰好變得越來(lái)越暗。在軌跡的外圍上的顏色為飽和的，并且顏色變得越來(lái)越不飽和并且在曲線的中間的某些位置處趨于白色。在曲線外部的顏色在色域(gamut)之外，然而，色度圖不是被感知地均勻的。也就是說(shuō)，曲線的任何區(qū)域的面積并不是很好地與在該區(qū)域中感知地可分辨的顏色相關(guān)。此外，不同光的LED源可以具有本質(zhì)上不同的顏色色域。圖23描繪了針對(duì)具有單層圓形間隔封裝布置的發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊的圓形陣列的、相對(duì)于U’、V’比色法顏色空間坐標(biāo)的白色裸片色度圖。與圖22類似，所顯示的波長(zhǎng)以納米(nm)表達(dá)，并且被轉(zhuǎn)動(dòng)的U形軌跡邊界170表示單色光。如圖所示，被轉(zhuǎn)動(dòng)的U形軌跡邊界160表示在u’、v’中的人眼不可分辨的偏離，并且平均色度值為0. 06的數(shù)量級(jí)。盡管已經(jīng)關(guān)于示例性的實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但是該描述并不應(yīng)當(dāng)被理解為限制性的。當(dāng)參照該描述時(shí)，對(duì)示意性實(shí)施方式的各種修改和組合以及本發(fā)明的其他實(shí)施方式對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)明顯。因此，旨在使所附權(quán)利要求書涵蓋任何這種修改或者實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊(16)，包括發(fā)光二極管芯片(30)，提供多個(gè)光源(G、R、B、W)；光學(xué)導(dǎo)體(32)，具有為第一截面面積(^ir12)的輸入孔徑(48)，和為第二截面面積 Qr22)的輸出孔徑(50)，所述光學(xué)導(dǎo)體(32)疊置在所述發(fā)光二極管芯片(30)上，以在所述輸入孔徑0 處從所述多個(gè)光源(G、R、B、W)接收光，并且將所述光遞送到所述輸出孔徑(50)，所述第一截面面積(^ir12)基本上等于所述第二截面面積(^ir22)；第一壁部分(52)，將所述輸入孔徑08)與所述輸出孔徑(50)相連接，所述第一壁部分 (52)為第一反射性材料64)，所述第一反射性材料(54)限定多個(gè)傳輸路徑，從而允許混合從所述輸入孔徑0 到所述輸出孔徑(50)的光；主體(60)，在第一末端處形成具有為第三截面面積(π r32)的入口孔徑(6 ，并且在第二末端處形成具有為第四截面面積(nr42)的出口孔徑(64)，所述入口孔徑(6 貫穿所述輸出孔徑(50)，并且所述主體(60)布置成將所述光遞送到所述出口孔徑(64)，所述第三截面面積(η r32)基本上等于所述第二截面面積(η r22)，所述第四截面面積(π r42)大于所述第三截面面積Ur32)；以及第二壁部分(66)，將所述入口孔徑(6 與所述出口孔徑(64)相連接，并且從所述第三截面面積(Jir32)到所述第四截面面積(Jir42)發(fā)散，所述第二壁部分(66)為第二反射性材料(68)，從而允許所述光從所述入口孔徑(6 到所述出口孔徑(64)的準(zhǔn)直的傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊(16)，其中，所述發(fā)光二極管芯片(30)進(jìn)一步包括多個(gè)發(fā)光二極管(G、R、B、W)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊(16)，其中所述發(fā)光二極管芯片(30)進(jìn)一步包括綠色、紅色、藍(lán)色以及白色發(fā)光二極管(G、R、B、W)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊(16)，其中所述發(fā)光二極管芯片(30)進(jìn)一步包括綠色、紅色、藍(lán)色以及琥珀色發(fā)光二極管(G、R、B、A)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊(16)，進(jìn)一步包括基座(14)， 所述發(fā)光二極管芯片(30)和所述光學(xué)導(dǎo)體(3 安裝在所述基座(14)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊(16)，其中，所述光學(xué)導(dǎo)體 (32)的縱向軸(Z)基本上與所述發(fā)光二極管芯片(30)的水平軸(X)正交。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊(16)，進(jìn)一步包括安裝到所述主體(60)的所述出口孔徑(64)的最后的透鏡( )，所述最后的透鏡06)用于調(diào)節(jié)所述光。
8.一種發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊(16)，包括發(fā)光二極管芯片(30)，提供多個(gè)光源(G、R、B、W)；光學(xué)導(dǎo)體(32)，疊置在所述發(fā)光二極管芯片上，所述光學(xué)導(dǎo)體(3 用于混合從所述多個(gè)光源(G、R、B、W)接收的光；以及復(fù)合式拋物線聚光器(34)，耦合到所述光學(xué)導(dǎo)體(32)，所述復(fù)合式拋物線聚光器(34) 用于使從所述光學(xué)導(dǎo)體(3 接收的所述光準(zhǔn)直。
9.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊(16)，其中，所述多個(gè)光源 (G、R、B、W)發(fā)射至少部分朝向所述光學(xué)導(dǎo)體(32)的內(nèi)部空間(56)定向的光。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊(16)，其中所述光學(xué)導(dǎo)體(32)進(jìn)一步包括反射性材料(M)，所述反射性材料(54)將所述光從所述發(fā)光二極管芯片 (30)傳播到所述復(fù)合式拋物線聚光器(34)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊(16)，其中，所述光在入口孔徑(62)處進(jìn)入所述復(fù)合式拋物線聚光器(34)，并且在出口孔徑(64)處離開(kāi)所述復(fù)合式拋物線聚光器之前，在所述復(fù)合式拋物線聚光器的內(nèi)表面反射一次。
12.一種燈具(10)，包括:基座(14)；多個(gè)發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊(16-1至16-7)，分別布置在所述基座(14)上，所述多個(gè)發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊(16-1至16-7)的每個(gè)包括發(fā)光二極管芯片(30)，提供多個(gè)光源(G、R、B、W)；光學(xué)導(dǎo)體(32)，疊置在所述發(fā)光二極管芯片(30)上，所述光學(xué)導(dǎo)體(3 用于混合從所述多個(gè)光源(G、R、B、W)接收的光；以及復(fù)合式拋物線聚光器(34)，耦合到所述光學(xué)導(dǎo)體(32)，所述復(fù)合式拋物線聚光器(34) 用于使從所述光學(xué)導(dǎo)體(3 接收的所述光準(zhǔn)直；以及外殼(12)，適于容納所述基座(14)和所述多個(gè)發(fā)光二極管光學(xué)器件模塊(16-1至 16-7)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燈具(10)，其中，所述多個(gè)發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊 (16-1至16-7)被布置成使得由相應(yīng)復(fù)合式拋物線聚光器(34)發(fā)射的光形成單個(gè)同質(zhì)的光瞳(90)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燈具(10)，其中，所述多個(gè)發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊 (16-1至16-7)的一部分線性地布置在所述基座(14)上。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燈具(10)，其中，所述多個(gè)發(fā)光二極管準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊 (16-1至16-7)的一部分以呈角度的方式布置在所述基座(14)上。
全文摘要
公開(kāi)了一種LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊(16)和使用該模塊的燈具(10)，以及用于舞臺(tái)照明的光學(xué)器件。在LED準(zhǔn)直光學(xué)器件模塊(16)的一個(gè)實(shí)施方式中，LED芯片(30)提供多個(gè)光源(G、R、B、W)。光學(xué)導(dǎo)體(32)疊置在LED芯片(30)上，以用于混合從多個(gè)光源(G、R、B、W)接收的光。在穿過(guò)所述光學(xué)導(dǎo)體(32)之后，經(jīng)混合的光進(jìn)入復(fù)合式拋物線聚光器(34)，該復(fù)合式拋物線聚光器(34)耦合到光學(xué)導(dǎo)體(32)。該復(fù)合式拋物線聚光器(34)用于使從光學(xué)導(dǎo)體(32)接收的所述光準(zhǔn)直，從而發(fā)射同質(zhì)的光瞳(90)。
文檔編號(hào)G02B6/00GK102369391SQ201080014696
公開(kāi)日2012年3月7日 申請(qǐng)日期2010年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者J·A·亞當(dāng)斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司