CN101255975A

CN101255975A - 线性光学光耦合器

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Publication number: CN101255975A
Application number: CNA2008100083583A
Authority: CN
Inventors: 马亨德拉·达山那亚克; 阿尔弗雷德·瓦斯勒沃斯基
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2008-09-03
Also published as: US20080225549A1

Abstract

一种照明系统，包含有多个辐射源，例如LED单体，和多个对应的光学波导，每个光学波导具有一个第一端部和第二端部，每个第一端部与对应的LED单体光学连通。一个对应的无源光学元件的阵列插入多个LED单体与对应的多个光学波导的第一端部之间。该照明系统提供了足够高的光耦合效率。在观测者眼中，该系统像一个点光源发出不连续的输出光。另外，该照明系统可以向一个或多个方向，一个或多个位置远程输出光。

Description

线性光学光耦合器

技术领域：

本发明涉及一种照明系统，尤其是涉及一种包括多个光源的高耦合效率的照明系统。

背景技术：

照明系统的应用十分广泛。家用、医用、牙医及工业应用中都需要使用光源。类似地，航空、航海及陆地交通中也需要使用到高亮度的照明光束。

传统的发光系统经常使用白炽灯或者弧光灯，它们有些包括聚焦透镜和/或反射面以将产生的光会聚成光束。但是，在某些具体应用如游泳池的照明中，最终的光线输出端可能安装在一些不方便使用电插座的环境里。在另一些应用中，例如车前灯，则需要将光源从暴露、易损坏的位置转移到更安全的地方。还有一些应用中，空间、安装或外观需要等方面的限制要求将光源安装在与照明区域不同的地方。

为了满足这些需要，人们已经开发出了利用光学波导将光线从光源处引导到需要照射的地方的照明系统。一种方法是使用单个强光源或利用一簇聚在一起的光源形成一个单独的照明光源。这种光源发出的光通过聚焦装置被引导至一个光学波导如塑料核心光纤中，并通过波导传导到远处。在其他方案中，单一的光纤也可以为光纤束所代替。

现有的方法传导效率很低，有时会造成大约70％的损失。在多光纤系统中，损失可能是由光纤束中光纤的间隙和将光线引导到光纤束的低效率引起的。在单光纤系统中，为了得到强照明所需的足够光线，光纤需要具有足够大的直径，但这又会使光纤变得太粗而缺乏柔软性，不利于安装。

一些发光系统利用激光的相干性和低散射性，采用激光作为光源。但是，激光只能输出单波长的单色光源，而照明系统通常需要宽得多的“白光”源。编号5,299,222的美国专利公开了一种高能单波长激光二极管的应用，不是将这种激光二级管作为照明光源，而是利用它将光与对波长敏感的增益介质相耦合。使用这种特定的激光二级管时，由于其发射的光束形状不对称，为了使光更高效率地与光纤相耦合，需要广泛运用波束成形光学元件。另外，有些激光二级管工作时会产生热量，因而需要严格控制其温度，例如使用热电冷却器等，这也使得使用成本昂贵。

仍然需要一种利用光源传送高亮度的照明的发光系统。

发明内容：

本发明涉及一种发光或照明总成。更具体地，本发明涉及一种包括多个被设置与照明的输出端隔得很远的光源的高耦合效率的照明系统。本发明所要解决的技术问题是如何提高照明系统的耦合效率。同时，还需要提供一个可以用光源发出高亮度照明的发光系统。

本发明所述的发光或照明系统，即所述照明装置，包括多个LED单体，多个对应的光学波导，每个光学波导具有一个第一端部和一个第二端部，每个第一端部与对应的LED单体光学连通，一个相对应的光学元件阵列连接在所述多个LED单体组与相应的多个所述光学波导的第一端部之间。

本发明所述的发光系统采用相互独立的LED单体、LED芯片或激光二极管，光学波导包括光纤，例如聚合物包层石英光纤。光学波导第一端部接收发光源发出的光，第二端部可以被捆扎在一起，以便在照明时形成单一照明光源。

本发明所述的光学元件包括无源光学元件，例如输入导光元件阵列或光集中元件阵列，其中每一个波导第一端部都至少与一个导光/聚焦元件光学连通，导光/聚焦元件连接在LED单体与光学波导第一端部之间，并与它们光学连通。

本发明所述的光学元件阵列包括一个反射镜阵列。可以对反射镜成形以维持LED单体的低étendue量，且使该étendue量与接收光纤的étendue量(该量与光纤的纤芯面积和接收角的乘积成比例)充分匹配。反射镜阵列可以成形在一个基片上，例如多层光学膜(MOF)、金属基片或金属板。

本发明所述的照明装置进一步包括至少一个输出导光元件，例如校准元件、收集元件或波束成形元件，以便将波导第二端部发出的光成形为单一照明源。输出导光元件还可以包括一个导光元件阵列，其中每个波导第二端部都与至少一个导光元件光学连通。

本发明所述的光学波导组包括光纤组，光纤第二端部包括设置在每个光纤的第二端部的光纤透镜。类似地，光纤的第一端部也可进一步包括光纤透镜。

本发明所述的照明装置进一步包括第二LED单体组和第二光学波导组，每个波导均具有第一端部和第二端部，第二光学波导组中每个光学波导的第一端部都与第二LED单体组中的一个LED单体光学连通。在实施例中，第二光学波导组的第二端部和第一光波导的第二端部捆扎在一起，以便在照明时形成单一照明源。可选择地，第一光学波导组的第二端部形成第一集束，第二光波导组的第二端部形成第二集束，这样，可以向相同或不同方向进行相互独立的照明输出。

本发明所述第一、第二光源可以具有不同的发射光谱。在一个具体实施例中，第一LED单体组的输出光谱本质上为白色光，第二LED单体组包含有一个红外光源。在另一具体实施例中，两组(或更多)的LED单体组具有不同的颜色以便混合成有色光。第一、第二LED单体组可以独立或共同发光以便改变光源亮度。

本发明所述的照明系统包括至少一个第一输出光学元件和一个第二输出光学元件，第一输出光学元件沿着第一路径将输出光从第一光学波导组第二端部导出，第二输出光学元件沿着第二路径将输出光从第二光学波导组第二端部导出。

本发明所述的照明装置可以被应用到汽车或其他车辆及平台的前灯照明系统里。在一个实施例中，前灯的光束亮度可以通过控制光源阵列中发光的LED芯片的数量来进行控制。例如，第一LED单体组发光以进行低亮度的照明，第一LED单体组和/或第二LED单体组发光以进行高亮度的照明。

本发明所述的照明系统还可以进一步包括一个红外传感器以便具有其他功能，例如碰撞检测、照明和/或遥感等方面的功能。

本发明的发明内容并非想说明本发明的每个说明的实施例或每个实施方式。以下附图和详细说明更详细地例证了上述实施例

附图说明：

图1是本发明实施例的照明系统的透视图。

图2是本发明实施例中照明系统的光源的简化侧面剖视图。

图3是图2中光源和反射平面的一部分的详图。

图4是反射镜的曲线形状图，图中假设最大发射角为80°，LED单体与反射镜的间隔为30μm。

图5是光集中元件的实施例的侧面剖视图。

图6a是单个光线接收光纤的实施例。

图6b是光线接收光纤束的实施例。

图7是本发明的实施例中照明系统的所使用的LED单体阵列和光学集中元件阵列的局部分解图。

图8-11给出了一些本发明的照明系统使用的光学接收器的可选实施例的端面剖视图。

图12是可以同时制造和封端电缆组件的组装设备的简化图。

图13是本发明实施例的车辆照明系统的分解透视图。

图14是一个多层、高密度固态光源结构实施例示意图。

图15、16是一些装有荧光材料的LED单体结构的实施例示意图。

虽然本发明可以有多种不同改进和可选择的变化，特别是其可以在附图中以实例的形式表示并将详细说明。但应当理解的是其意图不在于将本发明限制为已说明的特定实施例。相反，其意图还包括所有在本发明的权利要求限定的范围内的改进物、等同物和可选择物。

具体实施方式：

通常地，现有的光纤照明系统都因为耦合损耗很高而效率很低。本发明中所涉及的照明系统提供了更高的光耦合效率。此外，该照明系统提供了一个不连续的输出光，给人一种点光源的感觉。另外，本发明的实施例表明LED点光源阵列可以用来作为高亮度远程光源向一个或多个区域输出光。此外，本发明的实施例还提供了一种可以用来作为高亮度远程光源同时或分别向一个或多个区域输出单色或多色光的LED点光源阵列。进一步的，由于在工作过程中使用情况会发生改变，因此光源的颜色或其颜色的组合也被设置为可改变的，以满足其特殊需要。下文还会对其它的实施例作进一步描述。

附图1是包括远程照明系统100的第一实施例。高亮LED点光源104构成的阵列102与光学元件110构成的阵列光学校直，所述光学元件可以是多个无源光学元件，例如聚焦透镜112，或是光学集中元件，例如反射镜120(参见附图2)。光学元件110的阵列再与波导阵列124光学校直，该阵列包括多个光学波导，例如光纤122。波导阵列124为可连接的，其连接器可以包括一个连接器132以支撑和/或安装光纤122的光输入端。连接器还可以包括一个连接器130以支撑和/或安装光纤122的光输出端。附图8至附图11给出了一些连接器结构的实施例。显而易见，对于本领域技术人员而言，光纤122的输出端也可以捆扎在一起以形成近似的点光源，或其它的有形阵列，如线形、环形或其他的有形阵列。

阵列102由离散的LED104构成，例如LED单体阵列或LED芯片阵列，它们独立安装，且具有独立的连接电路。这种阵列与那种所有LED都通过公共的半导体基质相互连接在一起的LED阵列相比，更利于控制。LED单体可以产生对称的辐射图，这使得它们成为本发明所需要的光源。LED单体在电光转化过程中具有很高的效率，并且不像大多数激光二级管那样对温度很敏感。因此，与很多激光二级管相比，LED单体可以在只有一个有限的散热片的情况下充分运转。在实施例中，两个相邻的LED单体之间的距离大于一个LED单体的宽度。

另外，LED单体可以在-40℃到125℃的环境下工作，并且工作寿命在100000小时左右。而大部分激光二级管的工作寿命在10000小时左右，汽车的卤素前灯的工作寿命为500到1000小时。在实施例中，单个LED单体的输出亮度不低于50流明。离散的高功率LED单体已经由Cree和Osram等公司推出。在实施例中，每个LED单体的发光面积为大约300μm×300μm，其阵列可以提供一个发光区域小而亮度高的集中光源。当然，也可以使用矩形或多边形等其它形状的发光面。另外，LED单体的上下表面都可以用来设置发光层。

在一变形例中，LED阵列可以用垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列代替。无源光学元件阵列110可以用来将每个垂直腔面发射激光器发出的光引导到对应的光纤122中。

附图1所示的实施例的一个特点在于光源、相应的无源光学元件(透镜、聚焦元件、集中元件或反射元件)和相应的波导之间一一对应。通电之后，单个LED单体104像一个独立光源一样将光发射到一个可弯曲的独立光纤122中。在本实施例中，使用了大纤芯(例如400μm到1000μm)聚合物包层石英光纤(例如根据名称为TECS^TM的、St.Paul，Minn.的3M公司销售的光纤)。依照本发明的实施例，也可根据LED单体输出光波长等参数选择使用其他种类的光纤，如普通或特制的玻璃纤维。

另外，显而易见，对于本领域的技术人员而言，根据本发明的启示也可使用其他类型的波导，如平面波导、聚合物波导或其类似物。

每根光纤122的输出端可以进一步设有光纤透镜。类似的，光纤的光输入端也可以包括一个光纤透镜。

后文将对附图13所示的本发明一个具体实施例进行详细叙述。它是一种LED汽车前灯，使用可弯曲的大纤芯聚合物包层石英光纤光纤连接光源与前灯。该实施例的一个特点是通过使用较少量的LED源产生所需的亮度与波束图，以达到LED光与光纤的高效耦合。

如附图2所示，每个LED单体104上都添加了一个成形的反射镜120，以便将LED单体104发出的光导入到对应的光纤122中，该光纤的纤芯直径可以为600μm到650μm。在一实施例中，反射镜的结构为接收光纤提供了照明光的非成像集光和分配。成形的反射镜120可以由多层光学膜(MOF)、例如St.Paul，Minn的3M公司得到的增强特定反射(ESR)膜制造而成。多层光学膜(MOF)可参考编号5,882,774和5,808,794的美国专利文献，这两个专利案的全文以引证的方式并入本文中。

可选择地，反射镜120也可以用金属或塑料薄板加工成合适的形状，并用反射性金属(例如银、铝或无机薄膜堆积成的多层反射膜)覆盖。例如，可以加工成注模塑料薄膜或薄板。其中，所形成的反射腔可以覆盖以合适的反射性金属。如此处所述，反射镜阵列可以设置在LED单体的上方、下方或其周围。另外，反射腔也可以填充配率材料。

如附图1所示，独立光纤122被聚集在一起，向远离光源的地方提供远程照明。在一具体实施例中，光纤122被紧紧地捆扎在一个输出连接器130中，以代替例如聚光灯或前灯组件中的灯泡或灯丝。

如附图2所示，在一实施例中，可以使用单个蓝色或紫外线LED单体。在某些实施例中，LED单体覆盖有荧光层106，例如YAG:Ce荧光材料，优选覆盖在其发光面上。荧光层106可以被用来将LED单体输出的蓝色光转化为“白色”光。

在一变形例中，红色、蓝色和绿色的LED单体组合可被选择性地安放在阵列中。其最终发出的光被光纤122的阵列收集以便光纤输出端发出的光被混合在一起，从而在观测者眼中是有色光或“白色”光。

如附图2所示，荧光层可被安装或直接成形在LED单体的发光面上。如附图15所示，在一实施例中，可以精确设置荧光层506以便于充分保持或减少LED单体的表面放射的étendue量的衰减。此处“充分保持”指的是LED单体的étendue量保持不变或最多增加一倍。

如附图15所示，荧光层506成形在LED单体504上，LED单体表面贴装在基层540上。在一实施例中，LED单体504是蓝色光或紫外线表面发光二极管。基层540为LED单体阴极和阳极的连接提供了一个传导面。例如，一根或更多键合引线545连接在基层的电接触层541和设置在LED单体504的上表面的一个或更多结合区546之间。可选择地，键合引线545并不一定需要与LED单体的上表面相连。

荧光层506设置在LED单体上与发光层充分匹配的某一区域或其附近。目前已知，LED单体的多个表面都可以发光。荧光层506成型为具有充分均匀的厚度(例如，大约75μm至大约150μm)并部分或整体固化。本实施例中，荧光层506可以用烧蚀、冲切或其它能够产生最小表面变形的技术加工成型，以与LED单体发光面的形状相匹配。可选择地，荧光层506的尺寸或形状也可以与LED单体的发光面不一致。在设置LED单体阵列时，荧光层可以直接成形在LED单体的表面，或者可选择地，作为一个可选图案的荧光材料的独立覆盖膜的一部分设置在LED单体阵列表面上或其附近。

在一实施例中，荧光层506成型为荧光密封剂。例如，可以使用YAG:Ce荧光材料和紫外线固化环氧材料(如Norland NOA81紫外线固化环氧材料)。荧光密封剂可以被部分或完全固化。在部分固化状态下，荧光密封剂环流在键合引线周围，将其密封，并将荧光材料与键合引线粘贴在LED单体表面。若采用的是防水密封材料，则其电路连接的可靠性将得到增强。荧光密封剂可以采用低模量材料以将LED单体温度变化带来的反作用减到最小。其中，LED单体材料与荧光材料之间热膨胀系数(CTE)的差别可以通过可变形的密封剂进行弥补。

如果荧光密封剂被完全固化，则可在LED单体表面设置与键合引线厚度大致相当的附加粘结层。例如，附加粘结层可以通过沉积或浸涂技术形成在LED单体表面。这样，附加粘结层可以对键合引线进行密封，荧光密封剂也可以与LED单体表面通过粘贴形成无间隙接触。

上述精确设计的荧光层结构可以用来充分保持LED单体发光面的étendue量。在该实施例中，荧光层面积与发光面面积大致相同。另外，荧光层可以被控制具有合适的厚度，因为荧光层越厚，它所在的那一面发出的光就越多。另外，对于具体的应用，可以通过色温与色均匀参数来设计合适的荧光层厚度以满足其需要。

在附图16所示的变形例中，荧光层的形状可进一步被设计得能充分保持LED单体光源的étendue量。此时，LED单体504通过键合引线545与基层540及电接触面541相耦合。所述的荧光层506形成在LED单体504的发光面上。另外，可以进一步使用烧蚀或切削技术在荧光层506上形成倾斜表面507。

如附图2所示，可以使用反射镜120将LED单体104发出的光与光纤122相耦合。另外，如图所示，反射镜可以被设计成可在LED单体上方滑动，这样它的下开口123可以与LED单体104的周边紧密配合。另外，反射镜的设计还包括在支撑LED单体的基层上覆盖的反射性涂层。

本光学系统一个重要的特征就在于反射镜120的反射面121的形状。反射镜120可以用喷射模塑(injection molding)、传递模塑(transfer molding)、微复制(microreplication)、模压(stamping)、冲压(punching)或热成型(thermoforming)等技术成型。成型有所述反射镜120(单独或作为反射镜阵列的一部分)的基层可以使用金属、热塑性材料或多层光学膜(MOF)等多种材料。成型有所述反射镜120的基层材料可以覆盖以反射性涂层或只是简单地打磨光滑以增加其反射性能。

反射面121的形状被设计来将LED单体(包括荧光LED单体)发出的各向同性光转换为一个符合接收光纤(例如TECS^TM光纤)接收角标准的光束，从而保持LED单体发出的光的能量密度。一旦LED单体发出的光被反射镜聚集并导入接收光纤，这些光纤能够通过全内反射的方式在低损耗下将光束传导到远处。但是，接收光纤并不仅仅用来传导光束。依照本发明的实施例，在LED单体阵列处光纤间距很宽，若像紧密的光纤束那样使光纤间距变小，散开分布的LED阵列发射出来的光可以被有效地集中到一个很小的面积里。另外，例举的TECS^TM光纤的纤芯和包层的光学设计可以将从光纤束末端射出的光束根据光纤输入输出端的数值孔径(NA)成型。正如此处所述，接收光纤起到光线集中、光束成形和传导光束的作用。

étendue量(∈)可以由下列公式计算得到：

∈＝A*Ω≈∏*A*sin²θ＝∏*A*NA²

此处，

Ω指发射立体角或接收立体角(单位为球面度)；

A指接收器或发射器的面积；

θ指发射角或接收角；

NA指数值孔径。

试举一例。假设一根光纤，其数值孔径为0.48，纤芯直径为600μm，光纤所能接收并发射的étendue量为0.2mm² steradians(sr)；同时，假设一个LED单体，其最大发射面积为300μm×300μm(或90000μm²)，且该LED单体使用了荧光材料，具有近似的各向同性或朗伯(Lambertian)亮度分布。若半角为80°，则该LED单体的étendue量大约为0.28mm² sr。这样，虽然不是所有LED单体发出的光都能被光纤所收集，但是50％或更多的光可以被使用此处描述的反射表面设计及方向的接收光纤所收集并发射。

如上所述，在使用荧光层将输出光转换为“白色”光的实施例中，可以通过控制荧光层的大小和/或厚度以保持LED单体发光面的étendue量。

对反射镜形状的改进或优化能够增加进入光纤的光甚至使之达到最大。附图3所示为针对近似具有朗伯发射(Lambertian emission)的分布式光源的反射镜形状的普通几何学最优化示意图，它是附图2中反射表面121添加了角度和坐标轴的详图。

根据附图3中所示普通几何学，LED单体发出的光以入射角θ_i入射到镜面上一个选定点，该点坐标为(x，y)，在该点处镜面相对于竖直轴成Φ_j角。则镜面的反射光束与竖直轴之间具有如下角度：

θ_i-2*Φ_j＝进入角

该角度正是光束射入光纤的进入角。

光纤和LED会对光线会产生一些约束，例如：

1.荧光LED源尺寸：直径300μm

2.荧光LED发射角： ±80°

3.TECS^TM光纤尺寸：纤芯直径600μm

4.TECS^TM光纤接收角： NA 0.48＝进入角±28.7°

为了简化分析，可以作出一些一般性假设。

下文中分析的限制条件为：

不考虑光源的实际尺寸，尽管在原型中实际光源是为边长300μm的正方形。

忽略LED单体与反射镜最靠近的部分发出的大角度光线。

分析的假设条件为：

光线以小于±28.7°的接收角反射入(或直接射入)光纤，这样反射光束的约束条件为|θ_i-Φ_j|≤28.7°。

荧光LED的发射角几乎为各向同性，其半角可以在0°到80°的范围内变化。以其最大角度80°在第一分析点建立(x，y)坐标系。

假设角度小于28.7°的光线直接射入光纤。

模型为旋转对称结构(参见前述限制条件)。

在分析时，假定反射曲线上的最低入射点由可变的发射角决定，该发射角最大值为θ_i＝90-80＝10°。根据该假设，对于一个x值，其对应的y值或者反射镜的位置由Φ_j的方向决定。例如，假设在附图2中反射镜在LED104右方30μm处，则经过计算，第一分析点的位置为330*tan(90-80)即58μm高。

得出反射点的y坐标后，该点与荧光LED上的最近点的最小角度可以由以下公式得出：

tan^-1(y/(x-300))

假设以300μm外LED(在本例中假设为圆形)的最远边缘为x坐标原点。对于y坐标为58μm的反射点而言，最小的发射角为27.3°。

通过计算出的最小、最大发射角θ_i，可计算出最小和最大的反射镜角度Φ_j，使得根据方程1和上述第一约束条件的反射光线进入光纤。另外，反射角大约在0.7°和25.7°之间。

这样，通过对小于80°的各种角度进行反复计算，可以给出反射镜形状的数学模型。在表1中，角度以1°递减至光纤的接收角(大约为29°)。

有了反射镜的(x，y)坐标矩阵，对于反射镜上任一点(x，y)，通过计算与其最邻近的两个点的局部导数，该点处反射镜的角度都可以被估算出来。在最大角为80°的实例中，最初的反射镜角度为17.5°。

根据图表，这种方法得到的曲线的近似多项式回归方程为y＝5E-06⁴-0.0068³+3.6183x²-859.5x+76443(R²＝1.0)。此处，如附图3所示，坐标系统的原点在LED(假设为圆形)最左边的边缘。

表格1中给出的例子，该LED的最大发射角为80°，且LED边缘与反射镜边缘间隔30μm。根据表格1，最右边一列为计算出的实际反射镜曲线的Φ_j值。其中，粗体字表示在该点LED发出的光全部被反射入光纤；而斜体字表示在该点部分反射光超过了光纤的接收角。这一计算表明除镜面顶端外，在镜面其他部分，LED发出的光基本可以被反射入光纤。附图4给出了前面假设的反射镜的曲线形状，如本文中所指出的，假设最大发射角为80°，LED与反射镜之间的间隔为30μm。该图以不同的圆点型给出了3种类型图。中央Y点代表了从LED单体中央到最近边缘的最小内切圆，对角Y点代表了从LED单体中央到一个角的最大外接圆，而多项式(中央Y值)是对中央Y值的多项式拟合。需要注意的是，当四阶多项式精确符合时，二阶多项式应符合R²＝0.997。

为了使镜面的上段能够将光线反射入光纤，有一个方法是将镜面曲线分段成形的，例如将上段400μm部分成形为垂直的(Φ_j＝0)。

最大发射

角 x y 最小角 Φmin Φmax Φ_j

80 330 58.2 27.3 -0.7 25.7 17.5

79 332 64.5 26.4 -1.2 25.2 17.2

78 334 71.0 25.6 -1.5 24.7 16.9

77 336 77.6 24.9 -1.9 24.2 16.6

76 338 84.3 24.3 -2.2 23.7 16.3

75 340 91.1 23.7 -2.5 23.2 16.0

74 342 98.1 23.2 -2.8 22.7 15.7

73 344 105.2 22.7 -3.0 22.2 15.4

72 346 112.4 22.3 -3.2 21.7 15.1

71 348 119.8 21.8 -3.4 21.2 14.8

70 350 127.4 21.4 -3.6 20.7 14.5

69 352 135.1 21.0 -3.8 20.2 14.2

68 354 143.0 20.7 -4.0 19.7 13.9

67 356 151.1 20.3 -4.2 19.2 13.6

66 358 159.4 20.0 -4.3 18.7 13.3

65 360 167.9 19.7 -4.5 18.2 13.0

64 362 176.6 19.3 -4.7 17.7 12.7

63 364 185.5 19.0 -4.8 17.2 12.3

62 366 194.6 18.7 -5.0 16.7 12.0

61 368 204.0 18.4 -5.1 16.2 11.7

60 370 213.6 18.1 -5.3 15.7 11.4

59 372 223.5 17.9 -5.4 15.2 11.1

58 374 233.7 17.6 -5.6 14.7 10.8

57 376 244.2 17.3 -5.7 14.2 10.5

56 378 255.0 17.0 -5.8 13.7 10.2

55 380 266.1 16.7 -6.0 13.2 9.9

54 382 277.5 16.5 -6.1 12.7 9.6

53 384 289.4 16.2 -6.2 12.2 9.3

52 386 301.6 15.9 -6.4 11.7 9.0

51 388 314.2 15.6 -6.5 11.2 8.7

50 390 327.2 15.4 -6.7 10.7 8.4

49 392 340.8 15.1 -6.8 10.2 8.1

48 394 354.8 14.8 -6.9 9.7 7.8

47 396 369.3 14.6 -7.1 9.2 7.6

46 398 384.3 14.3 -7.2 8.7 7.3

45 400 400.0 14.0 -7.3 8.2 7.0

44 402 416.3 13.8 -7.5 7.7 6.7

43 404 433.2 13.5 -7.6 7.2 6.5

42 406 450.9 13.2 -7.7 6.7 6.2

41 408 469.4 13.0 -7.9 6.2 5.9

40 410 488.6 12.7 -8.0 5.7 5.7

39 412 508.8 12.4 -8.1 5.2 5.4

38 414 529.9 12.1 -8.3 4.7 5.2

37 416 552.1 11.9 -8.4 4.2 4.9

36 418 575.3 11.6 -8.5 3.7 4.7

35 420 599.8 11.3 -8.7 3.2 4.4

34 422 625.6 11.0 -8.8 2.7 4.2

33 424 652.9 10.8 -9.0 2.2 4.0

32 426 681.7 10.5 -9.1 1.7 3.7

31 428 712.3 10.2 -9.2 1.2 3.5

30 430 744.8 9.9 -9.4 0.7 3.3

29 432 779.3 9.6 -9.5 0.2 3.1

28 434 816.2 9.3 -9.7 -0.3

表格1

上述反射镜设计可以被应用在多种不同使用环境下的阵列模式中。例如，附图7所示为LED单体104的阵列，它与电子连接装置142相耦合，该连接装置可安装在电路层141(如柔性电路或半加成柔性电路)上，电路层141安装在基层上。LED单体104可以表面贴装在电路层141上，也可以填入柔性电路层上形成的凹槽内。作为上文提到的键合引线连接的一个变形，当使用柔性电路时，可用LED阵列的互连电路代替。例如，以化学洗脱去除绝缘体(如聚酰亚胺)的方法形成导线。该方法可以形成一条(或两条)连接LED单体上的电触头的悬臂导线以便传导超声信号或电信号。所述悬臂导线的尺寸比键合引线小，而且可以充分地平展。

如上所述，可以使用荧光元件106将输出光的波长从LED单体发射光谱转换为所需要的照明光谱。另外，可以使用相对应的成型在微复制反射片111上的反射镜120的阵列，即无源光学元件阵列110，可以有效地将LED单体发出的光与相匹配的光纤122的阵列(如附图1所示)相耦合。所述反射片上包括一个内部成形有反射镜凹槽的多层光学膜。另外，反射片111可以包括有覆盖了反射涂层(如银、铝、金、无机电介质层或其近似)的注模材料制成的反射镜120，反射镜120安装或覆盖在反射片的内面上(如附图2中的121面)。另外，反射镜120也可由反射镜形状的模压或冲压材料形成。

另外，可以通过将荧光材料直接混合到阵列110的上表面或下表面的方法来形成如前所述的荧光层106。如附图7所示的方形的LED单体阵列，可以根据应用需要使用具有相关光学元件、电子连接装置、荧光元件和反射镜形状的规则或不规则的LED光源。另外，在该设计例中，使用基准符号149使得各阵列层彼此对齐。参考附图14，下文将给出多重LED单体光源多层构造的一个实施例。

附图5所示为LED单体104的支架结构或基层140的实施例。基层140可以为LED单体104的散热提供一个低热阻的途径。在该实施例中，LED单体104安装在凹槽140中，此时单独的LED单体104通过常用的固定方法，如焊料或金属(如金-锡合金)回流，固定在基层140上。基层140还可以支撑电路层。在本实施例中，基层140可以覆盖有反射性覆膜。另外，如图5所示，一根悬臂导线148通过连接电路层连接到LED单体上。

如附图5所示，荧光材料106可被安装在反射镜的底部，覆盖或直接形成在一个紧压在反射镜底部的薄片上，或者优选为沉积在LED单体的顶部。

在一实施例中，通过一个刚性或柔性的连接电路层来实现连接。这种柔性电路材料已由3M公司推出。如附图5所示，可以将柔性电路层的一部分电绝缘体(如聚酰亚胺)145布置在反射性覆膜143上。另外，可以将柔性电路层的一部分导体147，如铜导线和/或其他合金材料(如镍/金合金)布置在电绝缘体145上以便连接电路。

可选择地，柔性电路层可颠倒放置，单独的LED单体可以安置在所述电绝缘体表面的凹槽内，直接与金属/电路层147接触。在该变形例中，不需要在基层材料140上形成凹槽。根据LED单体电路附件的需要，可以在柔性电路的传导部分和基层之间设置具有较好热传导性能的电绝缘材料。

一个变形例，通过使用常见的FR4环氧树脂印刷电路板来连接电路，可以在降低性能的前提下降低成本。在另一变形例中，将导电性环氧材料或导电性油墨形成在合适的基层上以制作低成本电路，来连接LED单体阵列。

如前文所述，与LED单体的点对点光纤传输能够提供更好的照明效率。附图6a所示为单独一根光纤125，125a为纤芯，125b为包层。附图6b所示为19根光纤125所组成的光纤束127。例如，每根光纤125的外径为0.071cm，纤芯直径大约为650μm，则照亮光纤束127所需的光束有效面积约为0.011cm²。19根导光纤芯面积大约为0.0065cm²。对于一个假设的均匀分布光源，可与波导耦合的光与波导的输入面积成比例；因此，这种模型的光耦合效率为0.0065/0.011，即大约为60％。

本发明的一个优势在于可以将光线高效地射入光纤束的独立光纤中。以单个光源为例，显而易见，由于无法控制光线发射角，并且光线可能射向光纤包层以及光纤束中光纤之间的间隙，效率会被降低。因此，在传统的系统中，由于没有将独立的LED与相应的光纤配对，光纤之间的暗隙会使光线产生25％至40％的损失。为减少光损失，这种系统需要将更多的光纤紧密地捆扎在一起。但即使这样，光线还是会比较分散。

与之相反，在本发明中，接收光纤可以基于光纤直径被捆扎成很紧密的输出阵列，这样可以产生很紧密的集中发射光。

由于本发明中单个的接收光纤直径相对较小，因此可以被捆扎成一束，而光纤束的横截面可以是各种几何形状，如圆形、螺旋形、矩形或其他多边形。本发明的实施例可以将远程光源发出的光聚集到一起并将其有效地传输到无法以正常的方式得到光源的地方。

例如，若用于车辆前灯，如附图13所示，本发明提供了一个高度会聚的光源，该光源在尺寸与形状上都与灯丝极为类似，因此发射光可以由反射面或折射元件成形并射出。附图13所示为一个车辆远程照明系统300的实施例，包括有一个将车载功率源(图中未示)连接到LED单体304的阵列的连接器301。LED单体304表面贴装在连接电路层341上，连接电路层341设置在导热材料形成的基层340上。在本实施例中，反射镜320的阵列可以通过例如粘合的方式设置在连接电路层上，这样每个LED单体的周边都被反射面所包围。由LED单体发出并被反射镜阵列收集会聚的光可以被导向棱镜312的阵列，该棱镜阵列可以将发射光聚焦到相应的光纤322的输入端。

如附图13所示，设置有输入连接器332以固定光纤322的输入端。在本实施例中，独立的光纤被捆扎成两个光纤束351和352，这样光可从不同的位置输出(例如车的左右前灯374和375)。设置有输出连接器331A和331B以固定各自前灯中的光纤束。通过这种方法，由于热光源(例如发光源——LED单体阵列)远离最终的照明输出区域，前灯为“冷”光源。这种排列可以减少前灯中的光学元件，如反射镜、覆膜、棱镜及其他相关光学元件的热损坏。

本发明另一实施例中，如附图13所示的照明系统300可以进一步包括一个红外传感器。在该变形例中，一个或更多LED单体阵列中包含红外线LED单体。所述红外线LED单体可以采用常见的红外线LED单体。该系统可以进一步包括一个传统的红外线探测器以接收红外线信号。该变形例可以被用来进行冲突检出。另外，其他类型的传感器，如环境光线探测器，可以被用来在早晨自动使灯变暗和/或在黄昏时自动使灯变亮。这样，在该变形例中，本发明的照明系统可以提供照明和遥感探测。可供选择地，该系统还包括一个红外线收发装置，该装置可以是照明系统的一个部分，也可以是与照明系统相分离的独立部件。

附图8至附图11给出了多种低成本结构的连接器的例子，它们可以使用在上文提到的照明系统和组件里。

附图8给出了一种输入连接器132的设计方案，考虑到与光源阵列相对应的n×n的光纤阵列在光缆组件输入端的齿距，该连接器可以帮助从顶部或底部加载光纤122。在该实施例中，输入连接器132a由两个片型结构组成，包括形成有齿135的上层133，上层与光纤122及下层134相啮合。下层134包括凹槽136，可以与接收光纤122和齿135安全配合。这种结构不但可以降低费用，还在一步工序内组装二维阵列。而其它的二维连接器设计方案则需要堆叠很多V型槽连接层。

附图9给出了一种可以从顶部和低部安装光纤122的n×n阵列输入连接器132b。本实施例的连接器132b由三个片层结构组成，包括形成有光纤接收凹槽138的中层131，上层133’和下层134’。可供选择地，连接器132b也可以由一个单独的结构整体构成。本设计方案也可以在一步工序内组装二维连接器。为实现该目的，附图12所例举的组装机器可能需要具有两个光纤阵列，而非一个宽的线性光纤阵列。

附图10给出了一种可以从顶部或底部安装光纤的输入连接器132c，它使用隔离物139以设置光纤之间的间距。本设计方案通过插入隔离物来制作二维阵列，从而不需要堆叠V型槽连接层。

附图11给出了一种光纤电缆组件的输出连接器130的设计方案。本方案可以将光纤122密集组装在一起以提供一个高度集中的照明光源。本领域的技术人员也可以根据本发明的方案给出其他的变形例。

附图12所示为可用来制作上述连接器的自动组装程序示意图。该图示意了直线光缆组装(INCA)过程，该过程可以同时制造和封端多个光缆组件。INCA系统200包括一个由N个光纤轴202组成的阵列，光纤轴上绕有提供给INCA组装机210的光纤。通过使用一个具有精确间隔的导篦，光纤222被排成具有所需特定间距的阵列。代表性地，该间距与封端连接器所需要的间距一样。光纤阵列排列好后，被传送到连接器组装台230，在该组装台上，由至少一个连接器底座231和隔一段预先设定好的距离，连接器底座231和连接器盖232被组装到一起，以便进一步使光纤排好位置并最终得到光纤阵列。连接器组件可以机械连接或粘结到光纤上以便形成一个光缆封端组件，如通过使用薄片轧辊240和胶带242。如果只组装一个连接器，则该组装机将输出可连接的尾纤，即一端带有连接器的光缆。通过间隔一段距离在相反的位置安装两个连接器，该组装机可制作可连接的跳线250，即两端都具有连接器的电缆。组装后的连接器与光纤穿过组装机继续移动，保护性电缆外壳被包裹安装在光纤阵列和连接器周围。

附图14所示为多层高密度固态光源400的分解图，该光源可与光纤相耦合以提供前文所述的远程照明。第一层，即基层440，被用来支撑LED单体404的阵列。如前文所述，基层440由高导热性能材料(例如铜)或其类似材料。另外，基层440还可以具有导电性，为LED单体阵列提供电源母线或接地母线。LED单体404可以通过常用技术如焊接、粘结或类似技术与基层440连接在一起。粘合层405被设置在LED单体的上方。粘合层405根据LED单体的位置和其间距裁减掉与之相对应的部分。

图案化粘合层405的上方设置有图案化柔性电路层441，以提供一个连通的电路。柔性电路层441包括一个电导线分布图442以便与LED单体404连接。典型地，LED单体需要两个电路连接——在一些设计方案中，LED单体的上下方各有一个连接电路；在另一些方案中，两个连接电路都在LED单体的上方。在本实施例中，柔性电路层441的一部分被裁减掉以与LED单体阵列相匹配。LED单体上方通过柔性电路层441的电路图案442实现电路连接，而其下方则通过基层实现电路连接。利用基准符号449以确保基层与柔性电路层441对齐。

成形在微复制反射片411上的无源光学元件410(如反射镜420)的阵列可被用来将LED单体发出的光耦合入对应的光波导阵列。在本实施例中，微复制反射片411包括有反射镜420的阵列。如前文所述的反射镜420可以由多层光学膜成形而成，或者，也可以由反射性材料(如塑料、金属)片以与LED单体相同的间距经铸模成形、机械成形或模压成形构成。另外，反射镜的反射腔内还具有透镜结构。进一步，反射腔内还包括了图案化的荧光材料，也可以直接将荧光材料设置在微复制反射片411的上方或下方。

为了将阵列410粘合到柔性电路层441上，可以使用额外的图案化粘合层445。依旧可以利用基准符号449以对齐各层。可以选择合适的粘结材料以确保基层和反射镜阵列之间具有高附着强度和/或绝缘性。进一步，粘结材料可以降低由于基层与反射镜阵列之间热膨胀系数(CTE)不匹配所带来的应力。

在一变形例中，柔性电路层和反射镜阵列的位置可以相互交换。例如，柔性电路层的导线可以穿过反射腔与LED单体的结合区相连。

上述的照明组件与照明系统相对于现有技术具有多个优势。首先，上文所述的LED单体更小，散发的热量也更少，因而使用时可以避免损失发光强度。在上文所述的实施例中，阵列中的LED单体都被分开设置以防止在结构中产生热点。这种结构使得LED单体可以更大的功率驱动以提供更多的输出光，从而光纤的输出端也可以发射出亮度更高的光束。大量LED单体紧密捆绑在一起，即使整体上有比较有效的散热机制，长期信赖性还是有一些问题，因为局部受热仍能可能减少LED的寿命甚至使之突变实效。将LED单体的间距控制的比LED单体的宽度大时，导热性基层可以对没有局部过热点的LED阵列起到较好的散热作用。与正常工作环境相比，若能够提供足够的散热，LED单体可以在更高的电流下运转，并提供更高的输出光。此外，与白炽光源相比，本发明所述的LED单体阵列不会由于灯丝发热而在光束照射方向产生大量热量。这种大热量会对发光元件(如车前灯)中可能使用的聚合物透镜和反射镜组件造成损害。

本发明第二个优势在于每个耦合的LED使用一根单独的光纤。现有技术中，将密集的LED阵列与一根大直径的光纤或光纤束相耦合。虽然密集的LED阵列具有前文所提到的信赖性问题，但是这种应用已经被证明为能在有损于信赖性的前提下最有效地将光耦合入光纤。每个LED配合一根单独的光纤能够使LED单体相互分开，将前文所述的高度集中的LED的局部热效应最小化。

本发明还有一优势在于相互连接的电线。一个例如像上文所述柔性电路层的薄电线层(例如25至50μm)可以提供电路连接、传导部分LED单体发出的热量、以及提供一个可被压扁的扁平电路连接结构。最终整体的结构为一个很薄的层，使得该层的光学性能无关紧要。该扁平的薄层使得整个阵列可以被层压成一个可靠性很高的实体或实体块，该实体块由基层上的LED阵列、电路连接层和反射层依次连接在一起形成的。

本发明所述照明装置的另一优势在于整个组件的叠片结构或封装结构。由于LED阵列和反射腔可以用固体材料(如环氧材料或模压聚碳酸酯)充填，整个组件可以被层压成一个没有空隙的实体块。电子元件中存在的空隙在某些应用中可能会带来信赖性上的问题，因为水可能会聚集在聚合物空隙中，对长期信赖性造成不利影响。

另外，LED单体的前方可以设置有光束成形反射镜。进一步，反射镜结构可以由多层光学膜制成，这种膜可以被制成反射镜形状而不影响在可见光波长范围内的反射性能以及很宽的入射角范围下的反射性能。

本发明的另一优势在于提供可选择的输出颜色的荧光材料的设置方法。现有技术中，常常在安装LED的腔内附加荧光材料。这种大量的荧光材料沉积需要使用很多相对昂贵的荧光材料，同时，由于荧光材料发出的光各向同性，LED看起来比实际体积要大，因此这种方法会不可避免地降低LED光源的étendue量。如前文所述，这样会最终降低光耦合入光纤或其他波导的耦合效率。

如附图5所示的荧光材料106被覆盖在一个薄板上，并被层压到反射镜的顶部(或底部)，或者直接将荧光材料106沉积到LED的表面。使用荧光材料覆层会产生一个非常均匀的荧光薄层，能有效地将LED发出的光转化为“白色”光。荧光层的尺寸可以控制得不会增大LED光源的表面尺寸，从而可以保持LED的étendue量，提高系统的耦合效率。在把添加了荧光材料的环氧材料直接或间接沉积到LED的发射面上时，通过对极少量荧光材料的精密沉积，可以减少荧光材料的用量，保持LED发射面的尺寸。

本发明的另一优势在于可以设计LED单体阵列发出的光谱。正如通过LED单体颜色的组合可以形成“白色”光，数个实施例使用荧光层将蓝色光或紫外线转化为一个宽的光谱，如“白色”光。对LED单体阵列使用不同的荧光材料可以得到具有所需色温的“白色”光。类似地，通过对LED单体使用不同的荧光材料，可以得到多种颜色的光。

当把覆盖有荧光材料的薄板安置在反射镜阵列的顶部时，受光纤有限的接收角所限制，光能无法以最大的耦合效率与光纤阵列相耦合。因此，这种结构可能对大表面、高发散角、且没有因LED密度过高产生的局部热点的LED阵列较为有利。

根据专利法的规定，本发明的原理及实施方式已在其优选实施例及附图中解释与说明。然而，应当知道在不脱离其精神及范围的情况下，本发明可以与上述特定的解释及说明不同的方式实施。例如，本发明实施例以汽车前灯为例进行说明，相同的照明系统也可用在航空、航海、医用、工业用、家用以及汽车的其他部件上使用。应当知道，所公开的附图及实施例仅仅是本发明的示例，他们可以用不同的和可替换的方式实现。因此，这里所公开的具体细节不应理解为对本发明的限制，其只不过是向所属技术领域的技术人员传授本发明的各种使用方式的代表性的基本方式。

Claims

1.一种照明装置，包括：

多个发出光辐射的LED单体；

一个为上述LED单体组提供电路连接的连接电路层；

多个光学波导，其中每根光学波导都具有一个第一端部和一个第二端部，每个第一端部都与上述多个LED单体中相应的一个LED单体光学连通，所述第二端部包含有一个光学聚焦元件以接收并聚焦光学波导第二端部发射出的光辐射；和

一个光学元件阵列，该阵列中每一个光学元件都连接在一个相应的光学波导第一端部和相应的LED单体。

2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于由所述多个光学波导构成的光学波导阵列包括多个光纤。

3.根据权利要求2所述的照明装置，其特征在于所述的多个光纤包括多个聚合物包层石英光纤，每根聚合物包层石英光纤的纤芯直径为大约400μm至大约1000μm。

4.根据权利要求2所述的照明装置，其特征在于所述多个光纤的第二端部被捆扎在一起以形成单一照明光源。

5.根据权利要求2所述的照明装置，其特征在于所述多个光纤的第二端部被捆扎成几个独立的部分以形成几个独立的照明光源。

6.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述的光学元件阵列包括一个无源光学元件阵列。

7.根据权利要求6所述的照明装置，其特征在于所述无源光学元件阵列包括一个光学集中元件阵列。

8.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于还包括一个用来接收并发多个光学波导的第二端部放射出的光辐射的发射元件。

9.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述光学聚焦元件包括光纤透镜，即每个第二端部都包括一个对应的光纤透镜。

10.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述光学元件阵列包括一个反射镜阵列。

11.根据权利要求10所述的照明装置，其特征在于所述反射镜阵列包括一个由多层光学膜形成的反射镜的阵列。

12.根据权利要求10所述的照明装置，其特征在于所述LED单体紧贴在所述反射镜阵列的第一表面，以使得与发光面法线方向夹角不高于80°的发射光被反射镜阵列所反射。

13.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述连接电路层厚度为大约25μm到大约50μm。

14.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于每个所述的LED单体都设置在连接电路层上的凹穴中。

15.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述的光学元件阵列包括一个反射镜阵列，所述反射镜阵列中的每一个反射镜都具有一个入口孔和一个出口孔，每个所述的LED单体的发射面被定位于低于所述的入口孔。

16.一种车辆前灯，其特征在于，具有权利要求1所述的照明装置。