CN102686936A - 用于披覆荧光体的透镜的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

这里公开的实施例提供了与光源和LED结合地利用光子转换材料的光学系统。LED可以安置在由基底和一个或更多个侧壁限定的空腔内。荧光体可以布置在透镜的入射面上在透镜主体的入射面和LED之间，以使从LED发射的光将入射在荧光体上，并在通过入射面进入透镜主体之前被下变频。可以安置透镜以使荧光体与LED分离开一定间隙。

Description

用于披覆荧光体的透镜的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.119(e)要求2010年3月31日由Ko等人提交的题为“System and Method for Phosphor Coated Lens”的美国临时专利申请No.61/319,739、以及2009年8月20日由Ko等人提交的题为“Phosphor Coated Lens for Phosphor Converting Type White LightEngine”的美国临时专利No.61/235,491的优先权，并根据35U.S.C.120要求作为2009年12月23日由Ko等人提交的题为“System andMethod for a Phosphor Coated Lens”的美国专利申请12/646,570的部分继续申请的优先权。由此在这一段落中上面所提及的每一个申请的全部通过参考而被并入于此。
技术领域
本公开一般涉及光学系统。更特别地，本公开涉及用于使用透镜的系统和方法。本公开还涉及使用LED/透镜阵列，以生成具有选定颜色和/或色温的高度均匀的光分布。
背景技术
荧光体是沿所有方向发射光的各向同性的发射器。在传统的LED实施方式中，荧光体被施加在LED芯片上，在与LED紧邻的硅树脂基体中、或者LED拱顶(dome)或其它LED封装的外侧。拱顶或透镜可以应用于披覆有荧光体的LED芯片以控制从朗伯(Lambertian)到非常窄的斑点的光束角(形状)。这种装置的范围为从半球形透镜到T-5mm(T13/4)非球面。例如，一个用于制造白光LED的常规系统构造有泵蓝光/紫外线的LED芯片和紧邻的在诸如硅树脂的粘合基体中的荧光体的混合物。术语“杯中的糊状物(goop)”用于描述在反射杯内蓝光泵上方具有平坦的或非常接近于平坦的荧光体与硅树脂混合物的LED。在远距离的荧光体系统中，在拱顶外侧或半球形壳体内侧远离芯片地施加荧光体以增大转换效率。然而，可能需要附加的透镜以控制光束形状。GE VIO采用了远距离的荧光体方案。
当前的系统由于LED芯片和荧光体颗粒的发热而遭受效率损失。另外，当前许多系统要求辅助光学器件或附加的透镜，以使从拱顶或披覆荧光体的LED发射的光成形为期望的射束角。透镜到拱顶的耦合造成大约10％或更大的效率损失。此外，在使用多种颜色荧光体时，当前系统由于交叉激发而遭受转换损失。例如，发射红光的荧光体可以吸收来自发射绿光的荧光体的下变频(down convert)的光而非泵波长，由此引入进一步的损失。
下列美国专利描述了先前在应对荧光体转换发光装置中一些挑战方面的努力。美国专利No.6,614,179公开了具有蓝色发光二极管和荧光体部件的发光装置。美国专利No.5,998,925、6,069,440和6,608,332公开了白色发光装置，每个白色发光装置具有氮化物化合物半导体和包含钇-铝-石榴石(YAG)成分的荧光体。氮化物化合物半导体用作发光层。荧光体吸收发光层发射的光的一部分，并发射波长与吸收的光不同的光。美国专利No.6,737,681公开了用于白色光封装的芯片放置设计。一示例包括具有凹形圆弧的弯曲表面的荧光构件，其从外壳底部的高度，以基本上沿着椭圆或伸长的圆形的全部周边延伸的形状倾斜地向上延伸。它反射从半导体发光元件的侧面发射的光，以更有效地利用由半导体发光元件发射的光的一部分和由侧面发射的光的大部分。美国专利No.6,924,596公开了颜色转换型发光设备，其具有发光装置和由包含光致发光荧光物质的且直接披覆发光装置的环氧树脂形成的颜色转换构件。美国专利No.7,091,656和7,247,257公开了发光装置，其为了更完全的颜色重现而使用至少两种荧光体的混合物。美国专利No.7,071,616公开了一种光源，其具有蓝色LED、具有接收来自蓝色LED的光注入的平坦主表面和端面的光波导板以及位于蓝色LED和光波导板之间的包含荧光材料的透明树脂或玻璃的涂层材料。光波导板用于最后的光混合。美国专利No.7,026,756、7,126,274、7,329,988、7,362,048公开了包括用于显示器背光的发射光谱和封装设计的发光装置，其具有蓝光LED和荧光体部件。美国专利No.6,960,878公开了LED芯片，其具有蓝光晶片(die)和荧光体，并为了更好的可靠性和光学稳定性而包括环氧树脂。美国专利No.7,256,468公开了发光装置，其具有发光元件和具有散热特性与机械强度的用于容置发光元件的金属封装。
发明内容
在此描述的实施例提供了光学系统，其中荧光体可以在光进入透镜主体之前对光进行下变频。一实施例可包括包含了LED、透镜和布置在透镜上的荧光体的系统。LED被安置于由基底和一个或更多个侧壁限定的空腔中。荧光体被布置在透镜上在透镜主体的入射面和LED之间，以使得从LED发射的光将入射在荧光体上，并在通过入射面进入透镜主体之前至少部分地被下变频。安置透镜以使得荧光体与LED分离开一定间隙。荧光体可以被布置作为在透镜主体的入射面上、在荧光体和入射面之间的缓冲层上或者布置在透镜上的涂层。根据一实施例，透镜主体可被成形为发射在期望的半角内具有均匀分布的光。另外，透镜主体可被成形为保存(conserve)亮度或在期望的百分比内保存亮度。
空腔可具有侧壁，该侧壁被成形为将空腔中的光引导至LED的入射面。可选择形成空腔侧壁的材料以将光反射到入射面。在另一个实施例中，反射器可围绕LED。反射器可以是单独的部件，或根据一实施例，如果空腔填充了密封剂则可以由空腔边缘处的表面张力形成。
光学系统的另一个实施例可以包含次安装基台(submount)、安装到次安装基台的LED阵列、外壳和一组透镜。外壳可以和次安装基台协同而至少部分地限定一组LED空腔。外壳还可以限定一组透镜空腔以容纳透镜。每个透镜空腔可以对相应的LED空腔开口。透镜可以布置在透镜空腔中，每个透镜包含入射面，该入射面与对相应LED空腔的开口紧邻。可以在每个透镜上在入射面和相应LED之间布置一层荧光体，以使得光在进入透镜主体之前被下变频。每个透镜的入射面被安置为与相应LED相隔一距离，以使得在LED和荧光体之间存在间隙。可以顺序地沉积多种荧光体以减少交叉激发。
每个透镜空腔可以由一组侧壁限定。这组侧壁可以成形为使得透镜空腔在与对相应LED空腔的开口紧邻处较小，而在远离相应LED空腔的开口处较大。
在这组透镜中的每个透镜可以被配置为发射在选定半角中具有均匀分布图案的光。这组透镜可以被紧密地组装，以使得光学系统在比该组透镜中的单个透镜大的区域之上在选定半角中以均匀分布图案发射光。另外，可以将这组透镜中的每个透镜成形为保存亮度。
根据一实施例，系统可以包括在相应的透镜空腔内支撑一个或更多个透镜的盖子。盖子和一个或更多个透镜可以由单片材料形成。
可选择布置在每个透镜上的荧光体层，以使得该组透镜中的不同透镜发射不同颜色的光。举例来说，然而并非限制，选择布置在每个透镜上的荧光体层以使得光学系统形成一个或更多个白光单元。
由在此描述的实施例提供的一个优点是，从LED芯片上去除了荧光体。因此减少或防止LED芯片的发热。
作为另一个优点，由于荧光体与LED有源层分离，因此可以增大荧光体转换效率。由于斯托克位移的荧光体的自身发热可以由通过透镜材料和系统次安装基台/散热器的热耗散抑制。
作为一些实施例的又一个优点，由于在透镜的入口处的降低的通量密度，因此可以实现较高的荧光体转换效率。
作为各种实施例的另一个优点，在亮度保存的单独光学装置的入射表面处安置荧光体可以提供在热方面的考虑和有效的荧光体封装效率之间的最佳平衡。
在此描述的实施例还提供灵活的光学系统结构。因为可以将披覆荧光体的透镜与LED芯片分离，所以它可与各种类型的光学装置(包括常规的发光装置)结合使用。
作为又一个优点，在同一个光学装置处可以实现光束图案控制、混色和颜色转换。
实施例可以通过使用亮度保存的透镜提供在远场的均匀空间分布来提供另一个优点，使得下面的光学系统能够保存光源的扩展度(etendue)。
亮度保存荧光体透镜的实施例通过允许近场和/或远场颜色和空间的均匀性或者允许近场和/或远场修整的(tailored)颜色分布和空间分布来提供另一个优点。
在此公开的实施例可以进一步地允许紧密组装披覆荧光体的透镜。
在此描述的实施例还提供使用LED(或其它光源)和透镜的阵列的系统，以便在选定光束角内生成高度均匀的光。
附图说明
通过参考结合附图的以下描述，可以获得对实施例及其优点的更完整的理解，在附图中类似的附图标记指示类似的特征，并且在附图中：
图1-4是光学系统的实施例的图示；
图5-6是披覆荧光体透镜的实施例的图示；
图7是封装阵列的一实施例的图示；
图8是封装阵列的实施例的截面的图示；
图9是在空腔中的LED的图示；
图10是封装阵列的实施例的一部分的图示；
图11是封装阵列的实施例的另一部分的图示；
图12是安装在次安装基台上的LED阵列的图示；
图13是封装阵列的外壳的一部分的实施例的图示；
图14是封装阵列的另一个实施例的一部分的图示；
图15是封装阵列的实施例的另一部分的图示；
图16是透镜组件的实施例的图示；
图17A是用于确定侧壁形状的透镜的模型的截面的图示；
图17B是透镜侧壁的一部分的实施例的图示；
图17C是示出了可以使用计算机程序限定用于侧壁的小平面(facet)的图示；
图17D是具有成形为引起TIR以使得射线从侧壁反射到出射表面的侧壁的透镜的一实施例的图示；
图18是示出了出射平面的一实施例的图示；
图19是用于估计有效立体角的一实施例的图示；
图20A-20E是描述用于估计有效立体角的另一个实施例的图示；
图21是光学系统的实施例的图示；
图22是光学系统的另一个实施例的图示；
图23A和23B是显示了示出30度半角光组合的透镜/LED组合的图示；
图24是透镜阵列和产生的光图案的图示；
图25A-25C是彩色光源的排列的图示；
图26是光学单元阵列和控制器的实施例的图示；
图27是具有荧光体的透镜的另一个实施例的图示；
图28是具有荧光体的透镜的又一个实施例的图示；
图29是具有荧光体的透镜的一实施例的图示；以及
图30是另一个具有荧光体的透镜的图示。
具体实施方式
参考在附图中示出且在下面说明书中详细描述的示例性的且因此非限制性的示例，来更充分地说明实施例及其各个特征和有利细节。可以省略已知的原材料和工艺的描述以便不会不必要地模糊本公开的细节。但是，应当理解，在指示优选实施例时的详细描述和具体的示例是以仅仅例证的方式而不是以限制的方式给出的。根据本公开，在内在的发明构思的精神和/或范围内的各种替换、修改、增加和/或重新布置对本领域技术人员将变得明显。
这里使用的术语“包括”、“包括......的”、“包含”、“包含......的”、“具有”、“具有......的”或其任何其它变形意图覆盖非排它的包括。例如，包括一列要素的工艺、产品、物品或装置不一定仅仅限于那些要素，而是可以包括没有明确列出的或这种工艺、产品、物品或装置固有的其它元件。此外，除非有明确的相反的陈述，否则“或”指的是兼或(inclusive or)而不是异或。例如，以下中的任何一种满足条件“A或B”：A是真(或存在)且B是假(或不存在)、A是假(或不存在)且B是真(或存在)、以及A和B二者都是真(或存在)。
另外，这里给出的任何示例或例证不应以任何方式被视为对它们使用的任何一个或多个术语的限制、局限于所述任何一个或多个术语、或者表示对所述任何一个或多个术语的限定。相反，这些示例或例证应被视为是对于一个特定实施例而描述的并且仅仅是说明性的。本领域技术人员将理解，这些示例或例证使用的任何一个或多个术语涵盖在此处或在说明书中其它地方可能给出或可能没有给出的其它实施例及其实施方式和修改，并且所有这样的实施例意图被包括在该一个或多个术语的范围内。指明这样的非限制性示例和例证的语言包括但不限于：“例如”、“比如”、“举例来说”、“在一个实施例中”等等。
现在将详细参考本公开的示例性实施例，附图中示出了其示例。只要可能，类似的数字将在全部附图中被用来指示各个附图的类似的和对应的部件(元件)。
在此描述的实施例提供一种光学系统，其将光子转换材料维持为离开光源并在光源和透镜的入射面之间。光源可以被布置在具有基底和侧壁的空腔内。在一实施例中，空腔可以由外壳和次安装基台协同形成。可以安置透镜以使得透镜的入射面与光源相距选定的距离。可以在透镜上在透镜的入射面和光源之间布置一层光子转换材料，以使得该材料在光进入透镜之前将光源发出的光转换为不同的波长。光子转换材料可以被直接布置在透镜的入射面上、缓冲层上或透镜的另一层上。在下面的示例中光源为LED而光子转换材料包括荧光体和/或量子点。然而应当理解，在此公开的实施例可以使用其它光源和光子转换材料。
图1-4是包含与LED 110分离一定间隙的透镜105的光学系统的图示。LED可以是如图1和图2中所示的横向LED、在图3中所示的倒装芯片的LED、如图4中所示的竖直LED或任何其它合适类型的LED或光源。LED 110可以包括衬底115，该衬底115具有包括蓝宝石、碳化硅、金刚石、模制玻璃或其它衬底材料的任何合适的LED衬底材料。另外，LED 110可以具有非衬底层120，其可以包括一个或更多个掺杂的层或区域、缓冲层或其它层。非衬底层120可以包括发光区(或有源区)，典型地诸如InGaN或AlInGaP或AlGaN的化合物半导体。LED 110可以是矩形的(包括正方形)、六角形的、圆形的或具有另一个几何图形的或不规则的形状。
LED 110安装于次安装基台125。根据一实施例，可以由具有高热导率的材料制成的次安装基台125散布及传导由LED 110产生的热量。可以使用本领域中任何已知的或开发的合适的次安装基台。LED110被布置在由外壳135限定的LED空腔130中。外壳135可以是较大外壳的一部分、安装在次安装基台125上的材料层(多层)或安置在LED 110周围与次安装基台125或其它层协同形成空腔的其它材料。例如，根据一实施例，材料135可以是安装于次安装基台125的一层模制塑料。
根据一实施例，LED空腔130可以具有平行于LED的侧面的笔直的侧壁(即，从图1中看是竖直的)。在其它实施例中，LED空腔130的壁可以是弯曲的(例如，抛物线的、多抛物线的或其它曲线形状)、锥形的或被成形为更好地引导光向上。LED空腔130可以填充有空气、模制硅树脂、混有荧光体颗粒的硅树脂、模制塑料或其它密封剂。使用具有比LED 110更高折射率的材料可以防止光由于LED110中的全内反射(“TIR”)而陷在LED 110中，由此允许更多的光脱离进入LED空腔130中。
布置在LED110周围的反射器140(见图2)可以朝着透镜105反射光。在一些实施例中，反射器140可以是分立元件。举例来说，然而并非限制，反射器可以是特氟纶(Teflon)、特氟纶纸、漫反射塑料、覆银的塑料、白纸、覆TiO2的材料或其它反射材料。在另一个实施例中，反射器140可以通过材料135或密封剂的选择来形成。例如，材料135可以是白色塑料材料，使得壁固有地形成漫射白光反射器。在另一个实施例中，反射器140可以由布置在LED空腔130中的密封剂的表面张力形成。
在一些情况下，LED可以仅从LED的某些部分的侧面向外漏光。在图4的实施例中，例如，衬底115可以包括不透明侧面，使得LED110不从它的衬底115的侧面发射光。于是，可以构造光学系统110，以使得反射器140仅围绕通过其发射光的LED 110的侧面部分。
透镜105可以包括入射面150以接收进入透镜105的透镜主体107之内的光。透镜主体105是负责将光从入射面引导或分配到出射面的透镜105的主要部分。然而，应当注意，透镜105可以包括光在进入入射面150之前可能穿过的附加层，比如缓冲层或保护层。根据一实施例，入射面150可以平行于LED110的主要发射平面(例如，平行于图2中的面117的平面)。在其它实施例中，入射面相对于LED的主要发射平面可以具有另一个方向(例如，垂直的)。荧光体层145可以布置在透镜105上在透镜主体107的入射面和LED 110之间。荧光体层可以直接布置在入射面150上或在位于荧光体层145和入射面150之间的缓冲层上。在荧光体层145中的荧光体吸收能量较高、波长短的光波，并且再发射能量较低、波长较长的光。由荧光体层145发射的光可以通过入射面150进入透镜主体107。
根据一实施例，荧光体层145可以在披覆在透镜主体107的入射面150上的粘合材料(比如硅树脂)中包括荧光体颗粒层。荧光体颗粒可以包括任何合适尺寸的荧光体颗粒，包括但不限于纳米荧光体颗粒、量子点或者更小或更大的颗粒，且可以包括单色或多色的荧光体颗粒。在其它实施例中，可以通过一个或更多个缓冲层将荧光体层145与透镜主体107的入射面150分离。也可以有与透镜主体107耦合的附加材料层在荧光体层145间，使得，例如，荧光体层145夹在入射面150和一个或更多个附加材料层之间。可以用折射率来选择材料和粘合剂，使得在层边界不会出现损失或使损失最小化。可以使用本领域中任何已知的或开发的技术(包括但不限于丝网法、模版印刷、衬垫印刷、针筒分配或喷射)来布置荧光体。
系统100发射的光的颜色可以基于LED 110和在荧光体层145中的荧光体颗粒来选择。例如，LED 110可以是紫外光LED，并且荧光体层145可以包括将紫外光下变频为红光、绿光、蓝光、黄光或其它颜色光的荧光体。在另一个示例中，LED 110可以是蓝光LED，并且荧光体层145可以将蓝色光下变频为期望的颜色。可以选择反射器140以反射由LED 110发射的彩色光和从荧光体层145下变频的光。
安置透镜105以使得荧光体层145与LED 110保持距离。可以用外壳来保持透镜105的位置，将透镜105耦合于LED空腔130中的密封剂，或者相对LED 110安置透镜105。如果透镜105粘附于密封剂，可以使用折射率等于或大于密封剂的粘合剂以防止在密封剂/粘合剂边界的TIR。
透镜105可以充当光导以引导光从入射面150到出射面155。可以利用在成形的侧壁157处的TIR以将光引导至出射面155的透镜105的示例描述如下，并且在2006年1月5日提交的Duong等人的题为“Optical Device”的美国临时专利申请No.60/756,845和2007年1月3日提交的题为“Separate Optical Device for Directing Lightfrom an LED”的美国专利申请No.11/649,018中，其中每个申请的全部通过参考而被并入于此。透镜105可以是单独的光学装置，其被设计为使得在可能的最小的封装设计中可以通过对出射面面积155、出射面155和入射面150之间的距离以及侧壁157的设计的选择将所有的光提取至出射面155外(不考虑菲涅耳损失)。其它实施例可以被成形为具有不同的尺寸或实现不同的提取效率。例如，根据一实施例，可以配置透镜105使得至少70％的在入口150处进入透镜主体107的光逸出出射面155。也可以使用具有较低提取效率的透镜105。另外，可以选择透镜105以提供均匀的光分布并在期望的半角内发光。根据一实施例，可以如下所述结合图19A-19D来选择透镜105的形状。还可以使用透镜的其它实施例，包括但不限于拱顶、菲涅耳、圆锥的、锥形或其它透镜。根据一实施例，透镜主体107可以是具有单一折射率的一片立体材料。
操作中，LED 110产生可以从表面117(见图2)和侧面119(见图2)逸出LED 110的光。反射器140用作用于将脱离侧面119的光重新引导到透镜主体107的入射表面150的重新引导透镜。当光入射在荧光体层145上时，荧光体层145将光下变频并发射光进入透镜主体107之内和回到LED空腔130之内。反射器140可以再一次将LED空腔130中的光引导至入射面150。透镜主体107引导进入入射面150的光从荧光体层145到出射面155。如果透镜主体107提供在期望的半角内均匀分布的光，那么就不要求必须附加透镜以使光束成形。于是，可以用单一透镜实现颜色转换和光束成形。
一个考虑是荧光体在使用期间可以发热达到大约150℃的温度。于是，透镜主体107可以由可以在此温度经得起连续使用的材料构造。在另一个实施例中，可以在荧光体层145和透镜105的入射面150之间引入硅的或其它能经得起高温的材料的缓冲层。在可以使用更厚或更薄的缓冲器的同时，一实施例可以包括一层100到200微米厚的硅。这可以允许，例如，为透镜主体107使用聚碳酸酯。
例如，图5和图6是具有主体107、缓冲器160层和荧光体层145的透镜105的实施例的图示。缓冲层可以是合适的耐高温材料，比如硅或其它可以经得起所选的荧光体层145的工作温度的材料。在一实施例中，缓冲器160可以粘附于或耦合于透镜主体107的底部，或者，如图7所示，缓冲器160的所有或一部分可以静置于在透镜105的入射面处形成的容器(pocket)内。荧光体层可以作为缓冲层160上的涂层而被布置在透镜105上。图5和6也示出了将透镜105粘附于LED空腔130中的密封剂的粘合层(图1-4)。
在此描述的实施例提供了优于和LED一起使用荧光体的传统系统的优点，因为荧光体从LED移开了一定距离。因为荧光体位于透镜的入口，所以有高耦合效率。另外，可以降低荧光体由于斯托克位移的自身发热，因为可以通过透镜140、外壳135和/或次安装基台125的材料耗散热量。由于在透镜105的入射面150处的低通量密度，因此还可以实现更高的荧光体转换效率。
可以优化荧光体145和LED 110之间的距离以提供热方面的考虑和有效的荧光体封装效率之间的最佳平衡。虽然可以根据需要或期望使用任何有合适间隙尺寸的间隙，但是光学系统的一实施例在表面117(见图2)和荧光体层145之间具有100-200微米的间隙。
另外，在此描述的实施例提供灵活的光学系统结构。因为披覆荧光体的透镜可以与LED芯片分离，所以可将它与各种类型的光学装置(包括常规的发光装置)连同使用。此外，LED 110可以依据需要与各种不同的透镜类型一起使用。
透镜105的有些实施例可以以阵列方式被紧密地组装。根据一实施例，可以形成透镜105的阵列，其中选择每个透镜105来在期望的半角内发射在近场和远场具有均匀分布的光。透镜105可以被间隔开为使得在由相邻透镜105发射的光之间没有可觉察的间隙。因为从每个透镜105发射的光是均匀的并且在期望的半角内，所以阵列的光输出将会在期望的半角内具有均匀的近场和远场分布，但是比通过单一透镜发射的光覆盖更大的区域。这为显示器或照明制造商提供了非常实际的益处，因为不再需要附加的光学器件以将来自使用荧光体的LED阵列的光变为期望的角度之内。
图7是封装阵列200的一实施例的图示。在图7的实施例中，封装阵列200包含次安装基台125、主外壳205和盖子210。次安装基台125为LED提供机械支撑和电学连接。次安装基台材料的实施例包括但是不局限于：具有热通孔的低温共烧陶瓷(LTCC)、具有热通孔的高温共烧陶瓷(HTCC)、氧化铍(BeO)陶瓷、矾土陶瓷、硅、氮化铝(AlN)、金属(Cu、Al等)和柔性电路。
主外壳205可以由合适的材料(包括但不限于：塑料、热塑性塑料和其它类型的聚合材料)形成。也可以使用合成材料或其它工程用材料。在一些实施例中，主外壳205可以通过塑料注射成型制造工艺来制造。还可以使用各种成型工艺和其它类型的制造工艺。在一些实施例中，主外壳205可以是不透明的。在一些实施例中，主外壳205可以是透明的或半透明的。主外壳205可以被接合或耦合到材料层215，以便完成LED和透镜周围的外壳。在其它实施例中，外壳可以由合适材料的任意数量的层或块形成，该合适材料将不会在操作期间由于加热而不可接受地变形，并且可以针对使用、运输或制造期间预期的接触或冲击而保护LED和透镜。
在图7的实施例中，封装阵列200是4×4阵列，并且每4个透镜一组共用一个盖子210。在其它实施例中，单个盖子210可以被用于所有的透镜，或者每个透镜可以具有其自己的盖子210。根据一实施例，盖子210可以具有足够的厚度以防止透镜在封装阵列200的操纵期间受到损害。
图8是示出了主外壳205、透镜105、盖子210、LED 110、LED空腔130、外壳层215和次安装基台125(为清晰起见仅示出了单个的示例)的封装阵列200的一实施例的截面图的图示。在图8的实施例中，盖子210与透镜105集成，使得它们形成单个透镜组件。盖子210可以与其它透镜105集成，以使得单个透镜组件将具有盖子部分和多个透镜部分。透镜105的主体107和盖子210可以由单片模制塑料、聚碳酸酯或其它材料制成。在其它实施例中，盖子210可以使用粘合剂耦合于透镜105。盖子210还可以简单地与透镜105接触或可以与透镜105分离开一定间隙。如果透镜105设计成在特定的周围介质(例如，空气)中限制出射面处的TIR，那么可以选择耦合于出射面的任何层或盖子以使得增加了层或盖子的时候不会发生TIR。例如，盖子210和任何粘合剂或在透镜105和盖子210之间的其它层可以具有选定的折射率，以使得如果在没有层/盖子时不会发生TIR，则它们不会在透镜105的出射面引起TIR。在其它实施例中，可以考虑了到盖子210的转变(transition)来选择透镜主体107的形状。
盖子210可以是光学透明材料(比如塑料、玻璃、合成材料或其它材料)，并且可以包括一个或更多个层。另外，盖子210可以包括执行光子转换(例如，附加的荧光体层)、滤光或与逸出透镜105的光有关的其它功能的材料层。
主外壳205形成尺寸适合透镜105的透镜空腔220。透镜空腔220的侧壁225可以是弯曲的，以匹配或接近透镜105的侧壁形状，以使得透镜空腔220的尺寸在紧邻对应的LED空腔130处较小而在远离LED空腔130处较大。在其它实施例中，侧壁225可以是竖直方向上笔直的(从图8看)，或者可以是锥形的。侧壁225可以包括反射涂层或其它涂层以反射任何从透镜105的侧面泄漏到盖子205的出口的光。在另一个实施例中，主外壳205可以由白色塑料或其它颜色材料形成以使侧壁225形成反射器。
根据一实施例，可以限定透镜空腔220的尺寸，以使得在透镜主体107的侧壁和透镜空腔220的侧壁225之间存在间隙以保持在透镜主体107内的TIR。间隙的尺寸可以是恒定的，或者可以从透镜空腔220的基底开始进一步地增大或减小。间隙可以填充有空气或其它材料。优选地，材料具有与透镜105的主体107相比相同或较低的折射率。在其它实施例中，侧壁225可以接触透镜主体107的侧壁，并且充当在透镜主体107内的光的反射器。
主外壳205可以包括肩部230，在该肩部230上静置了盖子210的壁架(ledge)235。粘合剂、机械紧固件或其它合适的紧固机构可被用于将盖子210耦合于主外壳205。在其它实施例中，辅助结构(比如夹具结构)可以相对于主外壳205维持住盖子210。
根据一实施例，通过将盖子210耦合于主外壳205，透镜105被保持在透镜空腔220内的期望的位置。在这种情况下，透镜105可以不需要为盖子205附加附件。在其它实施例中，透镜105的一部分可以在透镜空腔220的基底处粘附于或者耦合于肩部240，或者透镜105的其它部分可以耦合于主外壳205。
主外壳205与次安装基台125和外壳层215协同限定了LED空腔130的一部分或全部。虽然LED空腔130显示有竖直的侧壁，但是LED空腔130可以具有锥形、弯曲或其它形状的侧壁以充当重新引导透镜。到LED空腔130的开口可以具有与LED 110相同的形状，并且旋转地与LED 110对准，或者可以具有其它形状或对准。
可以紧邻入射面150布置荧光体层，使得逸出LED空腔130的光将入射在荧光体层上。荧光体层在光进入透镜主体107之前将光下变频。下变频的光被引导通过透镜105并且从盖子210出射。透镜主体107的入射面150可以具有与到LED空腔130的开口相同的形状，并且旋转地与到LED空腔130的开口对准，或者可以具有其它形状或对准。
图9是LED空腔130的一实施例的截面图的图示。次安装基台125形成空腔的基底，同时由主外壳205和层215形成侧壁。根据一实施例，LED 110的一部分可以延伸进入由主外壳205限定的LED空腔130的部分之内。例如，包括LED的有源区的非衬底层120可以延伸进入这一开口之内，或者，在倒装芯片设计中，衬底115可以延伸进入这一部分内。LED空腔130可以在离次安装基台125更近处变得更大，以容纳电学连接或提供围绕LED 110的空间。虽然显示了主外壳205、层215和次安装基台125的一部分，但是封装阵列200可以包括限定空腔130的附加层。
图10是移除了主外壳205的封装阵列200的图示。可以在图10中注意到，透镜主体107的入射面150与相应的LED 110保持了一定距离。于是，任何布置在入射面上或接近入射面的荧光体也将与LED110分离。
图11是具有为每个LED 110形成单独的LED空腔130的层215和次安装基台125的封装阵列200的一部分的一实施例的图示。虽然在图11的实施例中LED空腔130具有笔直的竖直侧壁，但是LED空腔130可以具有弯曲、锥形或者其它形状的侧壁，并且可以充当反射器。由层215限定的LED空腔130的面积可以比由主外壳205限定的大，以容纳电学连接或提供围绕LED 110的空间。在其它实施例中，空腔可以具有均匀的尺寸，或者在它接近透镜105时变得更宽。空腔130可以全部地或部分地填充有密封剂、空气、硅树脂“糊状物”或其它填充材料。层215可以粘附或耦合于次安装基台125。
图12是安装在次安装基台125上的LED 110的一个实施例的图示。如图12所示，次安装基台125可以为LED 110提供支撑，并且提供电连接250。可以使用合适的金属或其它导体来提供电连接。虽然示出了特定的图案和类型的电连接，但是可以提供任何合适的到LED 110和次安装基台125的电连接。
图13是限定具有适合透镜105的尺寸的透镜空腔220的主外壳205的一实施例的图示。透镜空腔220从到LED空腔130的开口260延伸到第二开口265。根据一实施例，开口的尺寸可以具有与透镜的出射面和入射面的尺寸比相同的比率。在另一个实施例中，开口260可以和透镜105的入射面的尺寸大约相同，而开口165比出射面大。侧壁225可以是弯曲的、锥形的、竖直的或具有其它选择的形状。肩部230提供盖子210可以与之耦合的表面。
在图13的实施例中，主外壳205形成4×4阵列。然而，主外壳205可以容纳更大的或更小的阵列或单个光学系统。另外，主外壳205可以被成形为以一个紧密组装的阵列的方式来容纳圆形的、六角形的或其它形状的透镜105。
图8-13提供封装的LED的一个示例性实施例。然而，如上面讨论的，在封装阵列内可以有附加的外壳部分或其它部件。例如，图14的实施例与图8的实施例类似，但是还示出了层255。容置LED 110的空腔的一部分可以由层255而不是主外壳205形成。在这种情况下，主外壳205可以限定具有延伸至层255的侧壁的透镜空腔220。另一方面，外壳层255和215限定了LED空腔130。层215和255可以包括任何合适的材料，包括塑料或其它材料。层255可以从层215处插入以形成可以与主外壳205接合的壁架。层215和255的使用可以通过提供对准主外壳205的机构来改善可制造性。图15是除去了透镜105和盖子210的封装阵列200的一部分的一实施例的图示，示出了层255可以限定LED空腔130的一部分并提供到LED空腔130的开口。
图16是包含具有成形侧壁的形成透镜105的透镜主体107的部分和不具有成形侧壁的作为盖子210的部分的透镜组件275的图示。成形的和未成形的部分可以是单片材料。每个透镜105可以是选来发射期望颜色的光的披覆荧光体的透镜。如果系统中使用了超过一个荧光体透镜，多种类型的荧光体可用来实现期望的色温和CRI。例如，三个黄色的荧光体透镜和一个红色的荧光体透镜可以连同蓝光泵一起使用以获得暖白光。由于四个荧光体透镜中的每一个都可以以相同远场分布发光，因此颜色将受到叠加而不会渗出或生成环状效应。作为另一个示例，在所示的透镜的2×2阵列中，每个透镜可以被选择为发射红色、绿色或蓝色光。来自透镜105的光可以被结合以形成白色光。在另一个实施例中，每个组件275可以发射单一颜色光。在图7所示的4×4阵列中，例如，可以使用四个透镜组件275。一个透镜组件275可以发射蓝色光，一个组件275可以发射红色光，而两个组件275可以发射绿色光，使得阵列整体充当白色光源。一个透镜组件275可以包括任意数量的透镜105。
如以下讨论的，透镜105可以被配置有被成形为保存辐射率(或在可接受的保存辐射率的百分比的范围内)的透镜主体107，控制光的发射角，并发射具有均匀的或其它期望分布的光。根据一实施例，透镜105可以是紧密组装的，以使得在邻近的出射面之间没有间距或间距最小。只要透镜105足够紧密地组装，在透镜105发射的光之间就没有间隙。于是，由阵列200发射的光总体上将在期望的半角之内，且显现均匀而没有暗点或重影。
再一次参考图1，图1示出了具有带有入射面150、出射面155和侧壁157的透镜主体107的透镜105的实施例。根据一实施例，可以在荧光体层145将均匀地发射进入入射面150之内的光的假定下构造透镜105。为了保存辐射率以使所有通过入射面150进入透镜主体107的光可以通过出射面155被提取，根据扩展度公式选择出射面155的面积以使得：
n 1 2 A 1 Ω 1 n 2 2 Ω 2 = A 2 [公式1]
其中Ω1＝通过入射面150进入的有效立体角；Ω2＝光离开出射面155的有效立体角；A1＝入射面150的面积；A2＝出射面155的面积；n1＝透镜主体107的材料的折射率；并且n2＝透镜主体107的出射面155外部的物质(例如，空气或其它介质)的折射率。在另一实施例中，可以假设，A1是荧光体层的尺寸并且荧光体层用作该面积之上均匀的发射器。
存在用于确定有效立体角的各种模型，包括在2007年10月1日提交的Duong等人的题为“LED System and Method”的美国专利申请No.11/906,194、2007年10月1日提交的Duong等人的题为“LEDSystem and Method”的美国专利申请No.11/906,219和2007年1月3日提交的题为“Separate Optical Device for Directing Light from anLED”的美国专利申请No.11/649,018中描述的那些，由此这些专利申请中的每一个的全部通过参考被并入于此。优选地，出射面155的面积在为保存辐射率所必需的最小面积的30％(正或负)以内。
可以选择在出射面155和入射面150之间的距离，以使得从入射面150到出射面155具有笔直传输路径的所有光线以小于或等于出射面155处的临界角地入射在出射面155上，以防止出射面155处的TIR。根据一实施例，可以基于限制光线来选择最短距离。限制光线是从入射面150到出射面155行进最长直线距离的光线。对于正方形或矩形的面150和155，限制光线将是从入射面150的一角行进到出射面155的对立角的光线。优选地，在入射面150和出射面155之间的距离在这一最短距离的30％之内，但是可以使用更小的距离。
此外，可以使侧壁157成形。广泛地说，确定侧壁的形状以使得任何入射在侧壁上的光线被反射到出射面155并以临界角或更小的角入射在出射面155上(即，以使得没有出射面155处的内反射造成的损失)。虽然在一实施例中使侧壁成形为使得所有的碰到侧壁内表面的光线经受向出射面155的全内反射，并以临界角或更小的角入射在出射面155上，但是可以使用允许一些损失的其它侧壁形状。
图17A是用于确定侧壁形状的透镜305的模型的截面的图示。可以使用计算机辅助设计确定侧壁形状。侧壁的模型可以在计算机辅助设计程序包中生成并进行模拟以确定合适的侧壁形状。
根据一个实施例，每个侧壁可以被分成n个小平面，其中每个小平面为平坦的部分。例如，模型侧壁370由15个平坦的小平面372a-372o而不是连续的曲线构成。每个小平面的变量可以被迭代地调整，并且结果得到的分布轮廓(profile)分析直到获得满意的轮廓，如下所述。虽然使用了15个小平面的示例，但是每个侧壁可以被分成任意数量的小平面，包括20个或更多的小平面。
每个小平面可以关于在透镜之内反射一定子集的光线来被分析。该所关心的区域可以被限定为“对向角(angular subtense)”。用于小平面的对向角可以在从预定点发出的光线的角度方面被限定。优选地，所选的点是将给出在小平面上的具有最大入射角的光线的那个点，因为这种光线最少可能在小平面处经受TIR。
根据一实施例，对于选定的A1、A2和高度，可以确定将入射在给定侧壁(例如，侧壁370)上的先前没有被另一个侧壁反射的任何光线的角374的最大值。在此示例中，从点378发射的光线376针对侧壁370建立最大角374。如果角374的最大值为48度并有15个小平面用于侧壁370，每个小平面(假定均匀分布的对向角)将对应于角度374的3.2度带(例如，第一小平面为从点378以0-3.2度的角度17发射的光线所入射的区域，第二小平面为从点378以3.2-6.4度的角度95发射的光线所入射的区域，等等)。
对于每个小平面，可以设置小平面的出射角、小平面尺寸、倾角或其它参数，以使得入射在小平面上的所有光线遭受TIR并被反射到出射面355使得它们以小于或等于临界角的入射角入射在出射面355上。优选地，侧壁也被成形为使得在截面图中观察的光线仅击中侧壁一次。然而，可能有附加的来自部分平面外的侧壁的反射。对于全3D分析，击中靠近角落的第一侧壁的光线可能接着反弹跃向邻近于第一个的第二侧壁，并从那里到出射面。可以执行曲线拟合或其它数值分析以产生最佳拟合期望的小平面的曲线的侧壁形状。
为了优化每个小平面的变量，可以建立模拟的检测器平面380。检测器平面380可以包括x个检测器来独立地记录入射功率。可以执行穿过透镜305的光的模拟，并分析由检测器平面380接收到的强度和辐照度分布。如果强度和辐照度分布对于特定应用不令人满意，则可以调整小平面的角和对向角，生成新的弯曲表面，并且再执行模拟直到到达满意的强度轮廓、出射率轮廓或其它光输出轮廓。可以分析附加的检测器平面以确保近场和远场图案两者都满意。可替代地，可以使用小平面而不是弯曲表面来执行模拟，并且在到达期望的光输出轮廓之后确定表面曲线。在又一个实施例中，侧壁可以保持有小平面的，而不生成曲线。
根据另一个实施例，可以基于用每个平坦小平面表示抛物线的一部分的线性近似的多个抛物线来选择侧壁形状。例如，图17B是模制透镜305的一部分的图示。在图17B中，描述了假想光线384从抛物线388的焦点386发射，并相交于侧壁370使得由于TIR其反射离开侧壁370，并以小于临界角的出射角390相交于出射平面355地穿过透镜305，并逸出透镜305进入空气中或其它介质之内。正如从图17B可见的，在从透镜305到空气的转变中，光线384如斯涅耳定律所描述地弯曲了。由于从抛物线确定侧壁的切点，并且因为入射和反射离开侧壁的光线在相同的介质中，因此光线将平行于抛物线的光轴。这样，以半角392投射光。可以调整限定侧壁370的形状的对向角396以使得假想光线384反射离开侧壁370，使得光线384以期望的出射角390穿过出射面355，或者以期望的半角392投射光。
在一实施例中，在制造侧壁或计算侧壁的对向角的时候，朝向侧壁的基底(即离荧光体层较近)可以使用较精细的对向角，因为靠近基底反射时对向角的影响更大或更敏感，并且这样更精细的对向角允许具有更好TIR性质的侧壁，然而，在远离基底处，对向角的影响较小，对向角可以是更粗糙的。这样，朝向透镜主体107的基底的侧壁的小平面可以在个数上更大。在一实施例中，侧壁可以具有20或更多个小平面，在侧壁的基底处具有较精细的小平面，其中小平面近似一个或更多个对向角。
小平面可以是抛物线388的一部分的线性近似。可以调整抛物线388的参数直到部分达到期望的入射在该部分上的所有光线反射到出射面355使得光线具有小于临界角的出射角390的目标。每个小平面可以由具有不同的参数的抛物线组成。这样，对于一个对向角的小平面可以基于一抛物线，而另一个小平面基于另一个抛物线。例如，20个小平面的侧壁可以基于20个不同的抛物线。
图17C描述可以被用来通过对向角的规格来设计如图形510所示的侧壁形状的电子数据表500。投射半角列550包含多个对应于图4B的投射半角450的角度。出射角列540a(弧度)和540b(度)包含多个对应于图17B的出射角392的出射角度。更特别地，在列540a中的角度的全部或子集可以是小于临界角的角度，使得以那些角度相交于出射面的光线穿过出射面逸出成形的装置。列540a和540b可以用于导出抛物线焦点列560，包含多个限定不同抛物线的焦点。对向角列565包含多个角度(弧度)，其限定可以连同抛物线焦点列560被用于限定侧壁的形状使得光线反射离开侧壁以以小于临界角的角度逸出出射面的对向角的界限。使用包含在抛物线焦点列560和对向角列565中的值，可以导出θ列570和半径列575，其中列570和575的相应值对应于在针对对向角的期望的抛物线上的点。依次，θ列570和半径列575可以用于为近似于用于对向角的抛物线的侧壁上的点导出笛卡儿坐标(例如坐标变换列577)。
例如，用户可以指定成形装置的入射面的尺寸(在此情况下为标记的LED尺寸)和材料指标。尺寸可以对应于入射面的尺寸或荧光体层的发射尺寸。使用尺寸为1、折射率为1.77的假想示例，可以如下完成屏幕500中的一行。用户可以指定列550中的空气中的出射角(假定空气是透镜在其中工作的介质)。在第一行的示例中，用户已经选定55.3792度。透镜中的出射角列540a可以被计算为sin(55.3792/180＊π)/1.77或.4649323弧度。列540b可以被计算为asin(.4649323)/π＊180＝27.2058407。抛物线的焦点可以被计算为1(尺寸)/2＊(1+cos(π/2-27.2058407/180＊π)＝.732466。对向角列565可以基于下一列的数(表示特定小平面的相对尺寸)被计算为(90-27.7058047)/20＝3.114708。可以使用选定个数(在此示例中为20)的小平面来计算θ列570。例如，第一行中，θ被计算为(9027.7058407)+3,114708＊20＝124.5883。用于第一小平面的抛物线的半径(列575)可以被计算为2＊.732466/(1+cos(124.5883/180＊π))。对于第一行坐标变换列577的内容可以计算如下：
x＝-3.3885＊cos(124.5883/180＊π)＝1.923573；
y＝-3.3885＊sin(124.5883/180＊π)＝2.789594；
X＝1.923573＊cos(27.7058407/180＊π)+2.789594＊sin(27.7058407/180＊π)；
Y＝2.789594＊cos(27.7058407/180＊π)-1.923573＊sin(27.7058407/180＊π)-
1(尺寸)/2＝1.075452，以及
Y’＝-Y；
于是X、Y坐标可以用作Excel中的形状拟合图表的数据点输入。例如图形510基于在X和Y列中的数据点(Y列值用作图形510中的x轴坐标，而X列值用作y轴坐标)。除X和Y值之外，可以设置初值(例如，.5和0)。来自图形510的形状可以编入到光学设计封装和模拟运行之中。如果模拟不令人满意，用户可以调整电子数据表500中的值直到达到满意的轮廓。
在达到了满意的效率和强度轮廓时，可以形成具有指定参数的单独光学装置。这样的透镜主体107的示例显示在图17D中，其提供具有成形为引起TIR以使得光线从侧壁反射到出射表面的侧壁的透镜主体107的一实施例的图示。每个侧壁的形状，在此实施例中，是由各种小平面所限定的多个起伏表面的叠加。虽然为了可制造性的改善执行了曲线拟合，但是其它实施例可以保持有小平面的侧壁。
在上述示例中，为了使透镜成形的目的，假定光的出射平面是透镜的出射面。然而，如图16的实施例所示，成形的透镜105的出射平面可以是从成形的部分到另一个部分(比如盖子210)的转变。如果盖子210和成形的部分是相同材料的或具有相同的折射率，出射平面可以是在透镜主体107的成形的部分和盖子210之间的转变。例如，图18示出了具有成形的透镜主体107和盖子210的作为集成的透镜105的透镜105。在光通过盖子210逸出透镜组件的时候，在成形的透镜主体107和盖子210之间的转变400可以用作“出射面”来如上所述确定透镜105的形状。如果盖子210具有与透镜主体107相同的折射率，那么在使透镜105成形时所用的临界角是相同的，就好像转变400暴露于外面的介质一样，因为如果光以小于或等于临界角地穿过转变400，它也将以小于或等于临界角入射在表面404上。如果盖子210(或任何粘合剂或在盖子210和透镜主体107之间的其它层)的折射率较低，在出射面处的临界角将是基于较低的折射率的临界角。
可以为单独的光学装置确定各个边界条件，特别是出射表面155的面积，以使得亮度可以被保存。可以从上面的公式1确定出射表面155的最小面积，其取决于各个有效立体角。典型地，基于源自作为朗伯发射器发光但是被当作点来对待的光源的公式来确定光的有效立体角，因为所关心的距离远远大于光源的尺寸。观察到的朗伯光源的辐射强度(通量/球面度)随着与光源法向的夹角以该角度的余弦值而变化。这是因为尽管辐射率(通量/球面度/m2)在所有方向保持相同，但是随着观察到的角度增加至90度，光源的有效面积减小至0。在全半球体之上的这个效果的积分得到了等于π球面度的投射立体角值。
转向图19，假定给定半径(R)的球体630围绕点光源632(在此示例中，点光源632近似于在相当远处的朗伯光源)。球体的半球体的投影面积是πR2，而全球体的投影面积是2πR2.此模型可用于设计透镜，因为荧光体可以建模为朗伯发射器，使得从中心位于界面上的假想半球体上任一点出发，在界面上的给定点将具有相同的辐射率。面积A3可以使用圆634的半径(Rc)作为平坦的、圆形的表面(例如，表面636)被计算，该表面由所关心的光束立体角对向(subtend)，该半径为从法向射线到球面交叉点的距离。对于光束的θ的给定的半角637，Rc是R(球体半径)和角度θ的正弦的乘积，使得
Rc＝R*Sin(θ)    [公式2]
面积等于：
A 3 = π R c 2 = π ( R * Sin ( θ ) ) 2 [公式3A]
面积A3是立体角在它与球体相交时的投射面积。面积A3除以半球体的投射面积(Ah＝πR2)，商乘以全半球体的投射立体角(等于π)，得到投射立体角Ω，使得：
Ω＝π{期望的立体角的投射面积}/(半球体的投射面积)[公式3B]
Ω＝(π)＊[{π(R＊Sin(θ))2}/(πR2)]    [公式3C]
＝π＊Sin2(θ)    [公式4]
对于图1的入射面150，例如，θ为90度，得到π＊Sin2(90)的投射立体角，而对于期望的30度半角，投射立体角为π＊Sin2(30)。将这些Ω1和Ω2值用于公式1，可以确定对于任何半角的A2。
在上述示例中，使用从建模为点光源的朗伯光源导出的公式来确定立体角。这些公式不考虑光可以通过可以是正方形的、矩形的、圆形的、椭圆的或其它形状的界面进入透镜主体107的事实。虽然上述描述的方法可以给出立体角的较好的估计，其稍后可以在必要时基于经验或计算机模拟测试来进行调整，但是可以使用用于确定有效立体角的其它方法。
图20A-20E描述用于为透镜确定有效立体角的另一个方法。图20A是透镜760的入射面750和出射面755以及光投射于其上的假定目标平面756的一实施例的图示。图20A示出了有效光源原点752、中央法线753和有效输出原点754的位置的示例。为了进一步讨论的目的，假定界面750的中心在笛卡尔座标系中处于0，0，0。目标平面756代表结果得到的图案的参数(例如，被其它光学器件所使用的尺寸和半角)。根据一实施例，在对角线处的半角(在图20B中显示为α1)为起点。例如，如果在目标平面756处的期望的光有最大30度的半角，对于正方形或矩形面的单独的光学装置，α1是30度。于是可以根据以下确定在单独的光学装置之内的半角(标记为β1，也在图20C中示出)：
n2Sin(α1)＝n1Sin(β1)    [公式5]
其中n1是透镜760的IOR；
n2是光从透镜760投射出来所进入的材料(典型地为空气)的IOR；
α1是在透镜760外部的介质中的出射面处的半角；
β1是透镜760的期望的半角。
例如，如果期望的半角α1是30度，且具有1.5的IOR的透镜投射进入具有1的IOR的空气之内，那么β1＝19.47度。对于从在入射表面150的长边和短边上的点投射出的光线，可以执行类似计算。例如，如图22B和22C所示，对于从入射表面450上的一边界的中心行进到出射表面755的对立的边界的中心的光线，可以确定α2和β2。(临界角同为19.47，但是β1和β2不同。β2由到光学装置的高度和边的几何形状确定。)
使用计算的角度，可以确定有效的点光源757的位置。对于长度为l1的正方形的入射面450，有效的点光源位于X＝0，Y＝0以及
Z eps = l 1 2 * tan ( β 1 ) [公式6]
其中Zeps是有效的点光源从LED的发射面位移的距离。
假定F1交叉单位半径的球体，可以根据以下计算从有效的点光源757到点F1和F2的X、Y和Z距离：
XF1＝cos(Ψ1)sin(β1)    [公式7]
YF1＝sin(Ψ1)sin(β1)    [公式8]
ZF1＝cos(β1)    [公式9]
XF2＝cos(Ψ2)    [公式10]
YF2＝sin(β2)    [公式11]
ZF2＝cos(β2)    [公式12]
其中Ψ1是X-Y平面中的对角线光线的角度(对于正方形是45度)，而其中如图20C所示，对于从平行于X坐标轴的边的中点投射出的光线，Ψ2＝90度。可以使用基于先前计算的几何形状的类似方法来确定其它点(例如，举例来说，可以基于点F1和F2的位置以及目标平面756处的光的期望半角来确定点T1和T2的位置)。
图20D示出了对角线光线以及来自投射到对于出射面755的球体759上和对于目标平面756的球体761上的短边的一光线。对于出射面755，到出射面755的平面上的边界光线在球体759处的交叉的投影形成椭圆形的片段。同样地，在目标平面的边缘的衍射出射光线的投影交叉球体761。图20E例如指出落在由目标面756的边界763交叉球体761形成的平面中的光线的圆形交叉、以及交叉到目标平面756上的投影。通过计算围绕目标面正方形的每个椭圆形片段的面积，并且将其加上目标面的面积，我们得到目标面的总投射面积，可以使用公式3B为目标平面确定有效立体角。类似地，通过使用球体159和在其上由光线形成的椭圆形片段，可以为光学装置确定有效立体角。例如，如上所述确定总投射面积，并在公式3B中插入为“期望的立体角的投射面积”。
作为一例证性的示例，对于具有正方形的LED和输出面的30度半角，使用上述方法得到针对空气中的目标的0.552球面度的有效立体角。相反，具有30度半角的传统圆形投射面积的使用将得到0.785球面度的有效立体角。当在公式1中使用这些值时，对于给定的IOR和通量，传统的(圆形的)计算得到尺寸缩小了约30％的所要求的出射面积。如果一个人要使用此方法设计系统，可应用的物理学(辐射率守恒)将使光输出比最佳设计降低30％。相反地，使用如上所述修正的有效立体角计算出射面面积，将产生比用圆形的计算可达到的多42％的光输出。
尽管以上描述了为单独的光学装置确定有效立体角的特定方法，但是可以使用任何本领域中已知的或开发的方法。替代地，可以凭经验确定为了保存亮度的最小的表面面积。此外，虽然上面的最小表面面积计算假定单独的光学装置的100％的发射入射面接收光，但是可以仅在入射表面的一部分布置荧光体层使得使用更小的入射表面面积。可以调整出射平面的最小面积的计算以考虑接收光的实际面积。也就是说，荧光体层的实际面积可以用作A1。
可以使用如上所述模型针对使用荧光体层145作为入射面处的均匀的发射器来优化透镜主体107。按照在此描述的实施例，透镜可以在透镜主体内以高达96％的理论效率将光投射到期望的10-60度的圆锥角之内(意味着从荧光体接收的96％的光发射在期望的半角内，有4％的菲涅耳损失)。没有菲涅耳损失的情况下，效率可以是100％。
透镜实施例可以被成形为在小的封装尺寸中达到最佳效率。在其它实施例中，透镜可以被成形为实现较低的效率，同时仍然提供超过传统系统的优点。例如，在一实施例中，透镜可以被成形为有出射面，其至少有为了保存以从出射平面发射的光的选定半角进入入射面的光的辐射率所必需尺寸的70％。侧壁可以具有形状，以使得至少大多数的具有从入射面到出射平面的笔直的传输路径的光以小于或等于临界角的角度入射在出射平面上。即使仅仅具有60％或70％效率，此实施例提供的效率也比许多其它技术大，同时在近场和远场也都产生均匀的或接近均匀的强度分布(或其它可控的分布)。
可以构造透镜105来以具有或者陡峭或者软截止(即，转变)的均匀的分布图案发光。使用以30度半角发射光的透镜的示例，在一实施例中，透镜可以被成形为使得均匀光轮廓延伸通过整个30度并陡峭地截止。在另一个实施例中，透镜可以被成形为产生在25度半角内是均匀的但是在25和30度之间逐渐截止的轮廓。在一个这样的实施例中，可以选择出射面的尺寸以保存对30度半角的辐射率，以及侧壁被成形为在25度半角内产生均匀分布轮廓。在一些情况中，透镜105的高度可以更短，以允许一些光脱离侧壁进入30度半角之内。举例来说，然而并非限制，可以选择透镜的几何形状以在30度半角内以均匀轮廓发射90％的光，而在剩余的面积内发射其它10％。可以使用以上论述的最小高度的30％的高度来制造产生具有比较软的边界而不是陡峭截止的光轮廓的透镜，并且仍然达到大于70％的提取效率。
透镜105还可以成形为投射一定百分比的光进入选定的光束角度之内，同时允许其它的光脱离侧壁或落在选定的角度之外。例如，可以构造透镜使得从透镜发射的40％或更大的光落在选定的全光束角之内。举例来说，然而并非限制，可以构造透镜105以使得由透镜发射的大于50％(包括在一些实施例中大于90％)的光落入10度的全光束角(5度半角)之内。
在上述实施例中，透镜与LED分离一间隙。在其它实施例中，透镜可以接合于或耦合于LED。图21是包括透镜105和LED 110的光学系统900的一实施例的图示。虽然示出了单个LED 110，多个LED可以与单个透镜105一起使用。透镜105可以是被成形为在保存辐射率(或者具有其它期望光提取效率)的同时发射在期望的半角内均匀分布的光的单独的光学装置。图21描述耦合于LED 110的主出射面的透镜105。在其它实施例中，透镜105也可以完全地或部分地围绕LED 110的侧面。
透镜105可以使用摩擦玻璃料、光学接合剂或其它耦合机构(机械的、化学的或其它)而耦合于LED 110。优选地，在图21的实施例中，透镜105由具有单一折射率(“IOR”)“n”的电介质的光学传输材料(比如光学上透明的硅树脂或丙烯酸)的单个的模制的片形成，但是可以使用其它材料。此外，透镜105的IOR优选地处于LED110的衬底的IOR的20％之内(而理想地，单独的透镜105的IOR等于或大于衬底的IOR)。
图22是给光学系统增加荧光体的一实施例的图示。图22也示出了透镜105可以围绕在LED 110侧面。根据一实施例，如图22所示，附件装置902或封装可用于将透镜105固定于次安装基台903、电路板或其它结构。可以在LED 110和透镜105之间用荧光体颗粒904披覆LED 110或透镜105的入射面。管道(passage)906可用于在透镜105和LED 110之间引入荧光体层904和光学粘合剂。在另一个实施例中，透镜105不具有管道906，而可以在将单独的透镜105耦合于LED 110之前施加荧光体层904。根据一实施例，荧光体层904可以包括载有荧光体颗粒的光学接合材料。
如此，荧光体可以以许多配置方式布置在LED和透镜的入射面之间。来自LED的光由荧光体进行下变频。透镜105可以在期望的半角内发射具有均匀轮廓的光。透镜105的这种能力允许形成在期望的半角内具有均匀轮廓的LED阵列。这有提供均匀遍布光场的颜色和亮度的益处。图案的均匀性允许来自多个透镜的光叠加(重叠)，使得任何一点处目标区域上的光是所有单元的混合。
图23A是具有透镜105和LED 110的光学单元905的一实施例的图示。来自LED 110的光可以或可以不通过荧光体下变频。如果使用了荧光体，荧光体涂层可以布置在透镜105、LED 110上，或者布置在LED 110和透镜105的主体的入射面之间。尽管仅示出了一个LED，但是可以与单个透镜105一起使用多个LED。可以构造透镜105来以具有或者陡峭或者软截止的角的均匀分布的图案发光。在图23A的示例中，透镜105在30度半角处具有陡峭的截止。
图23B是具有与单元905的尺寸相比有相当大的距离(在此示例中大约20∶1)的目标表面907的单元905的照明图案的图示。在20倍于透镜出射面的尺寸的距离处，光场尺寸将为出射面的20＊2＊tan(30)＝23倍宽。在这个距离，图案是均匀的，且具有限定清晰的边缘。
当紧挨着第一个放置另一个单元时，它将具有与第一个单元相同的场尺寸(假定相似的几何形状)，但是场会仅仅移动透镜出射面的宽度(假定透镜是紧密组装的，以使得在邻近的透镜之间有一点或没有距离)。这样的效果是，对于大部分的场区，来自单元的照明图案重叠起来生成具有较不均匀边界的均匀轮廓。图24示出了光学单元905的阵列910。虽然阵列910的每个透镜105显示为单独的，但是透镜105可以是透镜组件的一部分。根据一实施例，可以如上所述结合图7-16地封装光学单元阵列，或者可以是其它封装。在其它实施例中，每个透镜105可以直接耦合于相应的LED而不是分开一间隙。
可以配置透镜105来发射全部的光轮廓以生成重叠的可以用提供非常均匀的颜色区域的混合色温照明的照明区915。随着照明表面和阵列905之间的距离增大，边界区域916的宽度保持相同尺寸，而照明区增大。在远场，边界区域916变得不显著。此外，可以安排多个阵列，这样边界区域重叠产生边界区域内更好的均匀性，导致具有均匀轮廓的更大的照明区域。由于由阵列910产生的照明区域的正方形或矩形的形状，因此多个阵列可以间隔期望的距离来提供遍布大区域的均匀照明。照明区域不会具有由圆形场图案装置产生的照明区域内发现的亮区和暗区。
如此，一实施例可以包括具有光学上耦合于LED阵列内的每个LED的一组透镜的LED阵列。可以配置每个透镜，使得光在具有硬截止或软截止的半角内是以均匀轮廓发射的。可以配置一组透镜来投射具有包括重叠区域和边界区域的照明区域的整个照明图案。重叠区域可以具有均匀轮廓，而边界区域可以具有与重叠区域不同的强度。具有均匀轮廓的重叠区域的尺寸取决于目标表面(例如屏幕)到透镜的距离，使得照明区域的尺寸随着目标表面到透镜的距离的增大而增大。边界区域的宽度不取决于目标表面到透镜的距离。于是，随着目标表面到透镜的距离增大，具有均匀轮廓的重叠区域的百分比接近100％。
重叠区域915的颜色可以取决于每个透镜发射的颜色，其又可以取决于选择的LED和荧光体。根据一实施例，每个LED可以是连同纯的荧光体或混合的荧光体一起使用的蓝光或紫外光LED，以使得相应透镜发射期望颜色的光。荧光体可以披覆在透镜105、LED本身上，或者布置在LED和透镜之间。在其它实施例中，选择的一些或全部透镜可以不使用荧光体涂层发射期望颜色的光。如此，例如，阵列中的一些LED可以是连同荧光体使用的蓝光或紫外光(或其它颜色)LED，而其它LED可以是不用荧光体的红光(或其它颜色)LED。可以控制LED以使得在重叠区域915内的组合输出具有期望的光谱功率分布和颜色坐标。
可以使用的荧光体的示例包括但不局限于：掺杂Ce3+的石榴石(比如Y3Al5O12:Ce或YAG)、掺杂Eu2+的硅酸盐(比如(MgSrBa)2SiO4:Eu或BOS)、掺杂Eu2+的氮化物(比如(MgCaSr)AlSiN3:Eu)和其它本领域中已知的合适的材料。这些荧光体可以单独使用(例如YAG或BOS)，或根据获得期望的颜色坐标和/或显色指数(CRI)数值的需要进行混合。根据一实施例，可以选择荧光体以获得1931CIE色度图中的期望的x和y数值。特别地，阵列的颜色坐标将位于或接近于普朗克轨迹，由此产生各种白光的包调(例如，“冷”白色，“中性”白色，或“暖”白色)。在色度图中普朗克轨迹周围的合意的区域由ANSI C78.377-2008色度标准限定，在相对色温(CCT)值的范围内。然而，在此描述的实施例可用来获得任何颜色坐标。
使用具有与纯荧光体或荧光体混合物一起使用的蓝光或紫外光芯片的单元矩阵的优点是使独立元件之间的色度变化(由荧光体载荷或芯片波长的随机差别引起的)进行平均，且与独立LED部件相比，光源与光源之间的颜色变化由此降低了。针对ANSI色区(bin)的良率因此提高了。
具有与不同颜色纯荧光体一起使用的蓝光或紫外光芯片的矩阵封装的进一步优点(除了颜色坐标的平均之外)是消除了荧光体之间的相互作用。这样的相互作用起因于一个荧光体的发射光谱和另一个的激发光谱之间的显著的重叠，且可以导致CRI值、效率或者两者的下降。例如，以棋盘图形包括披覆有YAG的8个元件和披覆有红色氮化物荧光体的另外8个元件的矩阵封装，与披覆有同样两个相同色度规格的荧光体的混合的类似封装相比，具有显著地更高的CRI值。
矩阵封装的又一个优点是能够提供具有窄光束角度的“混合”方案。一实施例可以在一组单元上连同绿黄荧光体(比如YAG或BOS)使用蓝光或紫外光LED，在另外一组单元中使用红光LED。相信这样的混合方案可以产生效率很高的具有高CRI的暖白光。如果期望，如上所述透镜的使用可以产生窄光束图案。举例来说，但是并非限制，透镜105可以用来产生10度或更大的光束角度。
另外，作为一些示例，通过使用发射各种颜色的单元(添加或者没有添加荧光体)，可以获得光的动态颜色控制(例如通过使用RGB方法)，或者在一天的过程中从暖色到中性到冷色(必要时反向)的动态的白光变化。如上所述被构造为在控制的光束角度内发射均匀光的透镜的使用允许极好的颜色混合(没有漫射体相关的损失)以及同时出众的光束角度控制。
在图24和图25的实施例中，每个LED具有它自己的透镜，并且透镜阵列起到均匀化光场亮度的作用。由于消除了荧光体与荧光体的相互作用，因此这提供了对于给定的ANSI色区在总体产品良率方面的优点。
图25A-25C示出了产生白光单元的彩色光学系统的配置。每个白光单元包含发射选定彩色的光以使得混合光产生白色光的彩色光源。在图25A-25C中，例如，白光单元包括2个绿光光源、一个红光光源和一个蓝光光源。白光单元可以共用重叠的彩色光源(例如，在图25C中，一个绿光光源和蓝光光源在白光单元间公用)。图25A-25C的每个彩色光源可以是发射选定颜色的单个光学单元，或者可以是共同起作用以产生期望的颜色的光的阵列。在后面的情况中，可以构造发射选定颜色的光的阵列，且发射不同颜色的阵列可以组合以形成白光单元。
图26是包含显示控制器955和单元905的阵列960的系统950的一实施例的图示。系统950可以包含单元905的LED与之电气连接的电路板970。根据一实施例，可以排列单元905以形成白光单元。控制器955可以包括与LED电气连接以向LED发射控制信号的接口975。处理器980可以执行保存在计算机可读存储器990内的一组指令985以生成对LED的控制信号。LED的强度可以分别控制以改变由白光单元产生的颜色。在另一个实施例中，可以控制单元的阵列。因此，例如，控制器955可以控制多个单元的阵列以总体上调节阵列的强度，而不是控制阵列内的独立单元。控制器955可以实现为单独的控制模块、微处理器和相关硬件、ASIC和相关硬件、或者其它适于控制LED的硬件和/或软件。指令可以被植入作为固件、软件或硬件，或者取决于任何其它合适的结构。
虽然在期望的半角内以均匀分布发光的透镜105提供了光混合以产生均匀的白色或彩色光的优点，但是其它透镜的实施例也可以与荧光体一起使用。例如，图27是其中使用了固体拱顶透镜280的系统的一实施例的图示。在图27的实施例中，LED 110布置在具有充当反射器140的锥形侧壁的LED空腔130中。一层荧光体145盖住拱顶透镜280的主体282的入射面。在阵列中，每个LED可以具备单独的空腔和拱顶透镜280。在另一个实施例中，LED阵列可以被放入透镜下面的每个空腔中。可以使用拱顶透镜的各种实施例，包括比空腔的尺寸更大的拱顶透镜。
图28是光学系统的另一个实施例的图示。在图28的实施例中，在LED空腔130中的LED 110周围的密封剂形成凸起部分285。具有荧光体涂层145的透镜105可以粘附于凸起部分275，或者粘附于外壳或另一个结构。光学系统可以组装使得在透镜105和凸起部分285之间没有空气间隙。举例来说，然而并非限制，透镜105可以包括凹形的入射面。在另一个实施例中，可以使用具有凹形入射面的中间层。在阵列中，每个LED可以具备单独的空腔和拱顶透镜280。
本领域技术人员可以理解，荧光体可以以各种方式布置在透镜上。如同以上连同几个实施例所论述的，荧光体可以用作入射面或者缓冲层的涂层。图29是另一个实施例的图示。在图29的实施例中，透镜805在面向透镜主体807的入射面815处包括容器810。将荧光体颗粒820装进容器，并用粘合材料或用另一层材料825固定在原地。材料825优选地为耐得住荧光体820的温度的光学透明材料。图30示出了透镜830的又一个实施例，其中荧光体835层夹在缓冲层840和另一层合适的材料845之间。多个层的叠层可以耦合于透镜主体850。材料层可以包括玻璃、聚碳酸酯、硅或其它层。
尽管本公开描述了特定的实施例，但是应当理解该实施例是示例性的而且本发明的范围不局限于这些实施例。对如上所述的实施例的许多变体、变形、添加和改进是可能的。例如，所提供的各种范围和尺寸是作为示例提供的，而LED和透镜可以是在使用其它尺寸的其它范围之内可操作的。可以认为这些变体、变形、添加和改进落入本公开的范围内。

Claims (21)

1.一种光学系统，包括：
LED，布置在由基底和一个或更多个空腔侧壁限定的空腔中；
透镜，进一步包括：
具有被安置以接收来自LED的光的入射面的透镜主体；
荧光体层，布置在透镜上、在透镜主体的入射面和LED之间，以使得从LED发射的光将入射在荧光体上，并在通过入射面进入透镜主体之前被下变频；以及
其中，透镜被安置为使得荧光体与LED分离开一个间隙。
2.如权利要求1所述的光学系统，其中一个或更多个空腔侧壁被成形为将入射在侧壁上的光引导至透镜的出射面。
3.如权利要求2所述的光学系统，其中一个或更多个空腔侧壁由用作反射器的材料形成。
4.如权利要求2所述的光学系统，还包括至少部分地填充空腔的密封剂，其中该密封剂通过表面张力形成围绕LED的反射器。
5.如权利要求1所述的光学系统，其中荧光体被布置为在透镜主体的入射面上的荧光体涂层。
6.如权利要求1所述的光学系统，其中由一个或更多个材料层将荧光体与透镜主体的入射面分离开。
7.如权利要求6所述的光学系统，其中荧光体层被布置在适于保护透镜主体免受荧光体产生的热影响的材料的缓冲层上。
8.如权利要求1所述的光学系统，其中透镜主体被成形为在选定的光束角内发射大于50％的光。
9.如权利要求8所述的光学系统，其中透镜主体被成形为保存亮度。
10.如权利要求9所述的光学系统，其中一个或更多个空腔侧壁被成形为将入射到空腔侧壁的光引导到透镜的入射面，其中空腔侧壁由用作LED和荧光体所产生的光的反射器的材料形成。
11.如权利要求9所述的光学系统，还包括反射器，用于将空腔内的光反射至透镜的入射面。
12.如权利要求11所述的光学系统，其中空腔至少部分地用密封剂填充，且反射器由该密封剂的表面张力形成。
13.一种光学系统，包括：
次安装基台；
LED阵列，被安装到次安装基台；
外壳，该外壳协同次安装基台至少部分地限定一组LED空腔并且至少部分地限定一组透镜空腔，每个透镜空腔对相应的LED空腔开口且尺寸设置为容纳透镜；
布置在透镜空腔内的一组透镜，每个透镜包括：
具有与对相应LED空腔的开口紧邻的入射面的透镜主体；
以及
荧光体层，布置在透镜上、在入射面和相应的LED之间以使得由相应的LED发射的光在进入透镜主体之前将被下变频；
其中每个透镜的入射面被安置为与相应的LED有一定距离。
14.如权利要求13所述的光学系统，其中该组透镜中的每个透镜的透镜主体被配置为在选定的半角内以均匀分布图案发射光。
15.如权利要求14所述的光学系统，其中该组透镜被紧密地组装以使得光学系统在比该组透镜中的单个透镜大的区域之上在选定的半角内以均匀分布图案发射光。
16.如权利要求15所述的光学系统，其中该组透镜中的每个透镜的透镜主体被成形为保存亮度。
17.如权利要求13所述的光学系统，其中每个透镜空腔由一组侧壁限定，其中每个透镜空腔的侧壁被成形为使得该透镜空腔在紧邻对相应LED空腔的开口处较小，而在远离相应LED空腔的开口处较大。
18.如权利要求17所述的光学系统，还包括支撑相应的透镜空腔内的一个或更多个透镜的盖子。
19.如权利要求18所述的光学系统，其中盖子和一个或更多个透镜主体由单片材料形成。
20.如权利要求13所述的光学系统，其中布置在每个透镜上的荧光体层被选择为使得该组透镜内的不同透镜发射不同颜色的光。
21.如权利要求13所述的光学系统，其中布置在每个透镜上的荧光体层被选择为使得光学系统形成一个或更多个白光单元。
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