專利名稱：帶有發(fā)光二極管的光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)有反射裝置的光源，該反射裝置使來自多色的發(fā)光二極管(LED)陣列的光混合起來，更具體地說，設(shè)計(jì)一種不引人注目(low-profile)的光源，它由一個(gè)直線的LED陣列產(chǎn)生白光。
一種用來安裝在天花板中的標(biāo)準(zhǔn)的不引人注目的光源采用有熒光涂層的管狀放電燈，這些涂層決定了發(fā)射光的光譜。這些燈一般是不能變暗的，并且，使用者對于顏色溫度沒有任何控制。
多種顏色中的每一種顏色的LED陣列提供了產(chǎn)生一種可以在任何功率水平上控制顏色溫度的光源的可能性，從而可以獲得一種燈，它可以變暗，并且，可以在任何功率水平下發(fā)射出均勻的白光。
日本專利JP-A-06237017的英文摘要公開了一種多色發(fā)光二極管燈，它有兩種類型的發(fā)光二極管的3×3陣列，第一種類型有發(fā)射紅光和藍(lán)光的元件，而第二種類型有發(fā)射紅光和綠光的元件。該專利說明的目的是混合顏色，使得混合后的顏色在任何方向上為相同的顏色，但是，沒有采取任何光學(xué)措施使混合變得容易。它是簡單地在用樹脂充滿的燈箱中的一個(gè)二維LED陣列，該裝置比提供一定的彌散做得可能稍微多一點(diǎn)。
在1999年3月26日申請的美國申請序列號No.09/277645公開了一種有一個(gè)反射器的光源，該反射器將來自一個(gè)多色的LED陣列的光混合起來。把該陣列設(shè)置在一個(gè)反射管的入口孔中，該陣列最好向外發(fā)光，朝著像一個(gè)喇叭的出口孔，并且，該陣列有方形的截面或其它非圓形的截面。該專利的目的是產(chǎn)生點(diǎn)光形式的準(zhǔn)直的白光光束。然而，該設(shè)計(jì)不適宜于用作大致彌散發(fā)光的不引人注目的光源。
本發(fā)明的目的是提供一種不引人注目的光源，它由一個(gè)多色的LED陣列產(chǎn)生白光，并且，可以在所有功率水平上控制色溫并改變色溫，也可以變暗。
按照本發(fā)明的光源采用了光入射器的一個(gè)直線陣列，它包括多種顏色中每一種，典型地為紅色、綠色和藍(lán)色的至少一個(gè)光入射器。每個(gè)入射器有一個(gè)帶各自顏色的LED，并有一個(gè)設(shè)計(jì)的光學(xué)裝置，用來把所發(fā)射的光線限制在半角為θs的錐體內(nèi)。所述陣列平行于x-y-z坐標(biāo)系中的y軸，并把它設(shè)置成使基本上所有光線在x和z的正方向上發(fā)射。
位于光入射器陣列旁邊的一個(gè)反射器的形狀由x-z平面中在x和z的正方向上的一條曲線確定。所述表面由所述曲線平行于y軸的投影形成，把所述表面設(shè)置成接納基本上所有在陣列中的入射器的半角θs內(nèi)的光線。
按照本發(fā)明的光源的優(yōu)點(diǎn)為顏色溫度可以調(diào)節(jié)，這是因?yàn)榭梢詥为?dú)地控制陣列中的每種顏色的LED的功率。同樣，該光源可以完全變暗，這是因?yàn)榭梢砸恢碌乜刂撇煌伾腖ED的功率。
優(yōu)選的光源也有兩塊平面鏡，它們在表面的端部平行于x-z平面。它們的目的是包容來自入射器和主反射器的光，并使光的方向指向主反射器或指向出口孔。
反射器最好有一個(gè)Lambertian表面，這是一種彌散表面，對于它，反射光的強(qiáng)度基本上與方向無關(guān)(理想的彌散表面為Lambert表面)。一種磷光粉涂層可以產(chǎn)生95-99％的反射，而涂刷的鋁表面可以產(chǎn)生75％的反射。表面可以有部分的鏡面反射能力，從而它有部分定向的反射光。這樣的光源可以用作一種壁燈，其中，一部分光指向地面，用于步行的照明，而其余的光給出大致彌散的照明。
該光源最好也包括一塊蓋板，它對于主反射器提供機(jī)械上的保護(hù)，并確定出口孔。此板可以是透明的，或者，它可以提供任何所要求程度的彌散?？梢园阉O(shè)計(jì)成一個(gè)透鏡，該透鏡與有不均勻強(qiáng)度的一個(gè)反射器合作使用。
要注意到，在這里用來確定光源的幾何形狀所使用的直角坐標(biāo)系統(tǒng)是人為設(shè)定的，它可以是任何其它的坐標(biāo)系統(tǒng)。然而，對于光學(xué)設(shè)備在美國傳統(tǒng)的方式是把光表示為在負(fù)z方向上發(fā)射，由正到負(fù)。


圖1為按照本發(fā)明的一種不引人注目的光源的示意性透視圖；圖2A為該光源的示意性端視圖，示出了其幾何形狀；圖2B為確定圖2A中的參數(shù)的表；圖3為一個(gè)示意性端視圖，示出了帶有一個(gè)蓋板的光源，把該蓋板的構(gòu)形做成一個(gè)Fresnel透鏡；
圖4示出了采用一個(gè)主反射器的一種設(shè)計(jì)變型，把該反射器設(shè)計(jì)成平行于y軸的一系列鏡面反射板條。
參見圖1，按照本發(fā)明的光源包括一個(gè)直線陣列的LED源或入射器10，一個(gè)特殊彎曲的Lambertian反射器20，兩個(gè)鏡面反射平面?zhèn)缺?0，和一個(gè)透明的蓋板40。LED源10和反射器20的設(shè)計(jì)參數(shù)是相關(guān)的。沒有單一的最佳設(shè)計(jì)，而是在像厚度、總光通量輸出以及在蓋板上顏色混合的程度(所有顏色在一定距離處很好地混合)這樣一些參數(shù)之間的一組折衷。為了在蓋板上獲得好的顏色混合，應(yīng)該使不同顏色的LED分布得盡可能均勻。
光源的寬度為W、長度為L、而厚度為T(分別為x,y和z方向的尺寸；畫出的是一個(gè)左手坐標(biāo)系)。對每個(gè)尺寸的限制是不同的，這些限制取決于應(yīng)用，但是，一般地說，寬度為100-400毫米，厚度為寬度的10-25％，而長度可以由大約100毫米變到幾米(對長度沒有限制)。
每個(gè)源10是一個(gè)或多個(gè)LED芯片加上主光學(xué)裝置的組裝體，組成一個(gè)“入射器”。這些入射器的位置在沿著該光源的長度的一個(gè)大致直線的陣列中(平行于y軸，靠近x=0)。每個(gè)入射器發(fā)出的光在半角為θs的一個(gè)錐體中，該半角由一個(gè)反射器確定，反射器比如為一個(gè)復(fù)合的拋物面集聚器(CPC)或其它的光學(xué)裝置。Wolford和Winston(Academic Press,1989)在“高收集能力的成像光學(xué)裝置”中討論了CPC。該半角應(yīng)當(dāng)為5-30度，典型的值為15度。該錐體的軸線在x-z平面中，并且由x軸線朝向z軸線旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度θs，使得極端的光線處在x-z平面中(在z=0處)，與x軸平行。
如上面所提到的，反射器20是一個(gè)Lambertian反射器，它使彌散達(dá)到最大。把該反射器20的形狀做成使得入射器或者沿著x方向均勻地照亮該反射器或者最一般地按照一種特別的(非均勻的)圖案照亮該反射器。圖案的選擇取決于應(yīng)用(見下面采用一種非均勻分布的示例)。由在x-z平面中的一條曲線確定反射器的形狀，該形狀實(shí)現(xiàn)了這種照明圖案。該曲線在y方向上的平行投影確定該表面。重要的是要注意到這樣產(chǎn)生的表面相當(dāng)容易制造。開始的材料(例如玻璃或鋁)可以為平面材料，隨后把它做成適當(dāng)?shù)男螤?，而沒有任何“褶皺”。有許多適用的方式可以形成在x-z平面中的曲線的形狀。
圖2示出了一種方法，其中把入射器發(fā)光錐體的全角2θs分成(2n個(gè))間隔，這些間隔的邊界為(2n+1個(gè))光線。把第一根光線(r1)選擇成該入射器的一根極端的光線，使2θs角度含有x軸。把表面的開始點(diǎn)(x1,y1)選擇在x1=αW，離開入射器的中心(在x=0處)有一個(gè)任意的距離，并且，z1=z0+αWtan(2θs)，從而使發(fā)自入射器的一根極端光線與這一點(diǎn)相交。α典型地大約為0.05，但是，它可以作為一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)改變。z0為入射器的出口孔在z軸的投影。把下一個(gè)點(diǎn)(x2,y2)選擇成使它在下一根光線(r2)上，在x方向上的距離與對于該x坐標(biāo)所希望的光通量份額φ1的倒數(shù)成正比。要注意到，對于均勻分布的情況，對于所有的i,φi=1/(2n)。在所有情況下，用光通量加權(quán)的系數(shù)φ1是歸一化的，即，∑φi=1。通過重復(fù)這一步驟確定后面的各點(diǎn)(見在圖2中導(dǎo)出的公式)，隨后，把這一組點(diǎn)連接起來，并使曲線適當(dāng)?shù)仄交?。對于適當(dāng)?shù)仄鹱饔脕碚f，平滑的細(xì)節(jié)并不重要。也可以經(jīng)驗(yàn)性地設(shè)計(jì)曲線，或者通過實(shí)驗(yàn)，或者采用一個(gè)光線跟蹤程序?？梢杂脟L試的方式改變有圖2的大致形狀的反射器，直到在蓋板上(或在離開該蓋板的某個(gè)中間距離)的分布有所要求的分布，均勻分布或另外的分布。
主反射器20的邊界為兩塊平面鏡30(在y=0和y=L處，與x-z平面平行)。這兩塊鏡子30在z方向上的邊界為x-y平面(在z=0處)和主反射器表面。它們的目的是包容光線(來自LED源的光線、來自主反射器的光線以及由蓋板反射的光線)并使光線重新取向到或者主反射器或者出口孔。
透明的蓋板40向主反射器20提供機(jī)械上的保護(hù)，并形成出口孔。該蓋板也可以是塑料或玻璃的。此蓋板可以是一塊平滑的平板(即，于凈透明的)，或者，它可以有任何所希望數(shù)量的彌散(例如，研磨的玻璃、棱柱玻璃、波紋狀玻璃等等)。蓋板的具體性能將影響光源的外觀，并在一定程度上影響光輸出的整體分布。對于運(yùn)行的原理而言，蓋板不是本質(zhì)性的，而容許有設(shè)計(jì)上的改型。
最基本的可以改變的參數(shù)為入射器的發(fā)射圖案和方向。入射器決定像光源的寬度和厚度、近場顏色混合的程度(即，在出口孔處看到的情況)，以及對于給定的出口孔面積的總光通量輸出這樣的參數(shù)。
作為入射器如何影響光源的尺寸以及如何影響對于給定的光源尺寸的總光通量輸出的一個(gè)示例，考慮參數(shù)θs，即，入射器的發(fā)光的角度的寬度。由于étendue的不變性，角度θs越大，入射器的出口孔可以越小。較小的入射器可以有更高的組裝密度(因此，對于給定的光源長度可以有更多的光通量輸出)。但是，如果θ2s必須較大，就必須增加光源的厚度(如考慮圖2可以看到的那樣)。在另一方面，較大的θs使得近場顏色可以有較好的橫向混合，這是因?yàn)楣馐诜瓷淦魃嫌懈蟮闹丿B。
一個(gè)可能的設(shè)計(jì)變型是可以使每個(gè)入射器的位置為使它的錐體軸線由x-z平面旋轉(zhuǎn)一個(gè)特別的角度θt。例如，可以把離開光源的中點(diǎn)的入射器旋轉(zhuǎn)到稍微朝向中心的點(diǎn)(一個(gè)“前束”角度)。
此外，每個(gè)入射器可以把光發(fā)射進(jìn)一個(gè)橢圓形的錐體中，在x-y平面中較寬，半角可以高達(dá)45度，而在x-z平面中較窄。這樣使混合和尺寸達(dá)到最佳，但是，代價(jià)是一定程度上增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
另一種變型是設(shè)置兩排或更多排入射器。這樣的好處是增加了可用光的數(shù)量，也改進(jìn)了混合(因?yàn)槎嘤谝粋€(gè)的LED可以照亮反射器相同的區(qū)域)，而在一定程度上使主反射器的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，并增加了厚度。
在又一種變型中，可以把主反射器制作成有部分反射率/部分Lambertian反射率(靠幾種技術(shù)中任何一種)。這樣的光源可以有部分定向的光束。一個(gè)示例性的應(yīng)用是一種壁燈，在這種光源中，把光的一部分指向地面，用作步行的照明，而其余的光給出彌散的照明。
圖3示出了一種應(yīng)用的一個(gè)示例，它采用橫截著出口孔的一種非均勻的強(qiáng)度分布?？梢园阎鞣瓷淦髟O(shè)計(jì)成在中心有一個(gè)強(qiáng)度很高的峰值(即，把更多的光集中在x-y平面中靠近x=W/2的線)。透明的蓋板40是一個(gè)圓柱形的Fresnel透鏡，在x-z平面中的輸出分布將集中在-z方向附近。在y-z平面的分布將保持為Lambertian分布。
圖4示出了一種變型，其中，用一系列平的鏡面反射部段32近似彎曲的主反射器30，用不接收光的中間部段34把這些反射部段連接起來。部段32的取向使得可以獲得任何希望方向的反射光，在這里所示出的為所有光線平行于z軸。因?yàn)榇嬖谟袕?qiáng)烈的非各向同性的散布性的金屬反射器，對于這種類型的反射器有相當(dāng)大的設(shè)計(jì)自由度。
上面所述內(nèi)容為示意性的，并不想限制下面的權(quán)利要求書的范圍。
權(quán)利要求
1．一種光源，其包括光入射器的一個(gè)直線陣列，它包括至少一個(gè)入射器(10)，用來發(fā)射多種顏色中的每一種顏色的光，每個(gè)入射器在一個(gè)半角為θs的錐體中發(fā)射光線，所述陣列平行于x-y-z坐標(biāo)系中的y軸，并把它設(shè)置成使得基本上所有所述光線在x和z的正方向上發(fā)射；以及一個(gè)反射器(20)，它的表面的形狀由x-z平面中在x和z的正方向上的一條曲線確定，所述表面由所述曲線平行于y軸的投影形成，把所述表面設(shè)置成接納基本上所有在陣列中的入射器的半角θs內(nèi)的所述光線。
2．如權(quán)利要求1所述的光源，其特征在于，所述反射器(20)為一個(gè)Lambertian反射器。
3．如權(quán)利要求2所述的光源，其特征在于，所述反射器的所述表面涂有一種磷光物質(zhì)。
4．如權(quán)利要求3所述的反射器，其特征在于，所述表面為涂刷的鋁。
5．如權(quán)利要求1所述的光源，其還包括一對平面的反射側(cè)壁(30)，它們平行于x-z平面，并且是反射器(20)的表面的邊界。
6．如權(quán)利要求1所述的光源，其特征在于，反射器(20)的形狀使得入射器(10)在x方向上均勻地照明。
7．如權(quán)利要求1所述的光源，其特征在于，所述光線包括一對極端的光線，它們是在x-z平面中由所述陣列發(fā)射的光線的邊界，所述極端光線之一在z=0處平行于x軸，另一根所述極端光線在z=z0處以相對于x軸有2θs的角度發(fā)射。
8．如權(quán)利要求1所述的光源，其特征在于，每個(gè)入射器(10)包括一個(gè)LED，它發(fā)射各自顏色的光，并包括一個(gè)設(shè)計(jì)的光學(xué)裝置，用來把所發(fā)射的光線限制在半角為θs的錐體內(nèi)。
9．如權(quán)利要求1所述的光源，其特征在于，所述直線陣列包括至少兩排光入射器(10)。
10．如權(quán)利要求1所述的光源，其特征在于，所述曲線由一系列平段(32)近似，把這些平段設(shè)置成與y軸平行，并使它們的取向?yàn)閷τ诿恳桓鍡l隨著x坐標(biāo)改變。
全文摘要
一種沿著一個(gè)反射器(20)的長度設(shè)置多種顏色的LED光源(10)的直線陣列,把該反射器設(shè)置成可以包含在光源(10)的半錐體角內(nèi)的基本上所有光線,并把它的形狀做成沿著它的寬度可以基本上均勻地照明?？梢园逊瓷淦?20)的構(gòu)形做成一個(gè)平滑的Lambertian表面,或者做成由一系列平的鏡面反射段近似的一條曲線。
文檔編號F21V7/09GK1306610SQ00800939
公開日2001年8月1日 申請日期2000年5月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月20日
發(fā)明者T·馬沙爾, M·D·帕施利, S·赫爾曼 申請人:皇家菲利浦電子有限公司