CN104487768B - 壳积分器 - Google Patents

Abstract

具有光源和壳积分器的照明设备。壳积分器具有透明圆顶置于光源上，透明圆顶具有小透镜阵列形成的内和外表面。内表面的每个小透镜将光源成像至外表面的对应小透镜上，且外表面的每个小透镜将内表面的对应透镜以虚拟图像形成成像至光源。圆顶可以是半球形的。光源和积分器可位于准直器的输出处。

Description

壳积分器

相关申请的交叉引用

本申请要求申请号为61/385,675的美国临时申请“Shell Integrator(壳积分器)”的权益，该申请由申请人贝尼特斯和兆斯在2010年9月23日提交，在此并入本文以作参考。

背景技术

大多数LED芯片制造商都不提供大于1×1mm的芯片。虽然每个这种芯片能够生成的光通量不断增加，但是对于很多应用来说，单个LED芯片不能够产生足够的光，因此产生了具有很多芯片的LED光源。在其他情况下，不同颜色的芯片(包括不同的荧光粉转换芯片，用于增加白色、黄色或绿色色调)被组合以得到颜色可切换的LED光源或高显色性白光LED光源的产品。

这些LED光源由排列在平面基板上的多个芯片组成，所述芯片之间有或无显著的间距。典型的布置是2×2或3×3个芯片排列成密集的正方形或长方形，或者任何更多数量的芯片，例如25个范围内。甚至更多数量的通常小于1×1mm芯片被用于某些LED产品中。

在所有情况下，芯片的全阵列被介质材料覆盖用作保护措施和提高光萃取。在某些情况下，增加用于白光生成的荧光粉。有时也采用体扩散帮助调色。这些LED可以具有几千流明的光通量。

这些光源出现两个问题。第一个问题是，当回看光源时，用户觉察到单个芯片是单独的亮斑。如果所有的芯片都是相同颜色这是可以接受的，但是在不同颜色的芯片混合(例如红色、绿色和蓝色)的情况下通常是行不通的。当二次光学元件加至这些多个LED芯片时出现第二个问题：很多光学元件，尤其是那些在远场强度模式下或在照度模式下，在目标表面上生成高准直、再现光源结构，取决于其设计的目标。这导致可见亮度变化，或者更糟糕，在可以清晰地再现采用芯片的不同颜色模式下，RGB LED这种最糟情形下，导致颜色偏移。

尽管有一些效率损失的代价，但通常在折射或反射的表面采用扩散器或细分曲面能够缓解这些问题。此外，需被加至光学系统以消除颜色或亮度赝像的扩散角通常必须比二次光学元件产生的角度范围大几倍，以使二次光学元件的准直效果被部分地消除。

解决这一问题的一个可能方法是采用科勒积分光学元件，更准确地说是叫做“蝇眼阵列”的几对微透镜的阵列，用来消除光图像中的颜色和亮度赝像。“蝇眼阵列”的一些缺点是：微透镜阵列必须足够大以覆盖准直光学元件的整个出口孔径；只有高度准直光束时才运行；制造昂贵；产生的光图像通常是平顶辐射图像，这与一般照明中需要的光滑辐射图像截然不同。另外，蝇眼阵列自身会带来正方形或矩形赝像，这取决于组成蝇眼阵列的单个微透镜的轮廓。

发明内容

不是增加积分器至准直器的出口孔径，而是在LED上增加一个壳积分器透镜，在二次光学元件之前进行积分。来自LED包的初始发光主要是朗伯的，积分壳透镜之后的光放射仍可能(但不不然)主要是朗伯的。然而，在一个实施例中，壳积分器改变了来自LED包的光，在某种程度上，使得组合的LED包和积分器像是一个稍大点的、但颜色完全相同的光源，独立于包内LED芯片的排列。因此壳积分器透镜的实施例产生了具有相同颜色和亮度的一个虚拟光源。此时，随后的二次光学元件能够获取来自壳积分器的光，并准直该光，不产生任何来自远场或目标平面上的初始光源的颜色或强度赝像。另一个优点是能够生成多种强度模式的标准准直器可被用于同样的光源和壳积分器透镜。

同时，当回看光源时，观察者看不到初始光源，而是分散的虚拟光源。如果壳积分器采用小透镜，并且这些小透镜足够小，那么虚拟光源在人眼看来就是统一的。

在一个实施例中壳积分器透镜起着类似于标准平面蝇眼积分阵列。该实施例由基本上为半球形的介质壳组成，该介质壳的内外表面都有微透镜。介质壳被放置在LED光源上方，以使得壳积分器透镜的内腔比LED封装物的直径更大。

附图说明

本发明的上述及其他方面的特征和优点将结合下列附图在以下内容中有更具体的描述，其中：

图1显示了具有扩散器的现有技术中的抛物面反射镜，用来进行颜色混合。

图2显示了具有蝇眼透镜的现有技术中的抛物面反射镜，用来进行颜色混合。

图3A和图3B显示了壳积分器的某些工作原理。

图4显示了壳积分器的积分区域和小透镜的位置。

图5A显示了第一优选实施例中，具有少量不规则微透镜的壳积分器的外表面。

图5B显示了第二优选实施例中，具有较多数量不规则微透镜的壳积分器的外表面。

图6显示了优选实施例中，具有较多数量的测地线微透镜的壳积分器的内外表面。

图7显示了由RGB LED光源、壳积分器、椭圆体反射器和目标平面组成的测试设置。

图8显示了图7中测试设置中的红色、绿色和蓝色芯片的辐照图像，没有采用壳积分器的单独光照。

图9显示了图7中测试设置中的红色、绿色和蓝色芯片的辐照图像，在适当位置采用了壳积分器的单独光照。

图10显示了三个通道结合的照射分布，在顶端没有采用壳积分器和在底部合适位置采用了壳积分器。

具体实施例

参考下列对本发明实施例的详细阐述和采用了不同原理的附图，可以对本发明的不同特征和优点有更好的理解。

图1显示了具有三个LED的RGB LED光源，一个红色101，一个绿色102和一个蓝色103。反射镜104是抛物线，用来准直光，将光源成像到远场。然而，当离开反射器，这将在远场生成三个不同的斑点：一个红色、一个绿色和一个蓝色的，如图1中的示例性光线所示。为了生成白光，这三种颜色必须混合，通过增加扩散器105来从三个LED扩散光这种方法来完成，如图1中所示的示例性光线在扩散器中的不规则偏转。但是扩散增大了输出角，因此降低了传送准直光的光学性能。扩散器显著地增大了出射光的集光率。

图2显示了与图1相似的情形，但在抛物线型准直器104的出口孔径处用科勒积分器201代替了扩散器。来自每个LED的光源的角度“扩散”可以有控制的方式完成，理想地，穿过积分器元件的光源的集光率也可被保持。

图3A和图3B显示了积分器的工作原理，积分器透镜301具有几个内部微透镜303和相应的外部微透镜304。内部微透镜303将光源302成像至外部微透镜304，外部微透镜304产生微透镜303叠加在光源302的虚拟图像。

因为内部微透镜303将光源302成像至外部微透镜304，来自光源302的中心点306的光线305集中到外部微透镜304中心的点307。另一方面，因为微透镜304产生微透镜303叠加在光源302的虚拟图像，来自内部微透镜303的右边缘308、并击中外部微透镜304的光线将射出微透镜304，像是其来自光源302的右边缘309。由于同样的原因，来自内部微透镜303的左边缘310、并击中外部微透镜304的光线将射出304，像是其来自光源302的左边缘311.

因为内部微透镜303将光源302成像至外部微透镜304，来自光源的左边缘311的光线将被成像至微透镜304的右边缘312。由于同样的原因，来自光源右边缘309的光线被成像至微透镜304的左边缘313.另一方面，因为微透镜304产生了微透镜303叠加在光源302的虚拟图像，来自微透镜303的中心315的光线将射出微透镜304，像是其来自光源302的中心306。

图4显示了在半径R1表面上的一组内部微透镜，和一组在较大半径R2表面上的一组外部微透镜。

在壳积分器的内外表面上的微透镜的数量是一样的，并且小透镜是成对计算的。在积分器内表面上的第一微透镜被设计用来聚焦光源404的中心点401至壳积分器的外表面。微透镜的轮廓可以是球形、椭圆形或非球面的。为简单起见，采用旁轴近似进行计算，所以假定是球形小透镜。我们定义r1和r2为相应透镜对的内部和外部透镜的曲率半径。在第一个实施例中，壳积分器是球形的：R1和R2是壳积分器内外表面的半径。积分区域是包括整个视在光源的大小的空间。换句话说，积分区域是被所有由内表面的微透镜(例如图3A和图3B中的304)形成的虚拟图像占有并定义的空间。为简单起见，该积分区域在本计算中被假定为球形，在图4中由点虚线的圆形表示。积分区域的视在半径由最外面的发射点403和404的实际光源大小放大覆盖在实际光源上的封装物的折射率来定义。然而，如果虚拟图像与LED芯片的平面阵列相一致，如前所述的有关图3A和图3B，这将成为平面(通常约为圆形)积分区域。

需要满足的条件是选择内部小透镜曲率半径r1来聚焦来自积分区域401的中心的光线至外壳表面，并且积分区域的边缘被内部微透镜成像至外部微透镜的边缘。选择外部小透镜曲率半径r2，为使来自内部小透镜中心点的光线被折射以在实际光源的中心401处形成虚拟光源。

从这两种情况可以很容易推导出下列公式：

1/r1＝1/(n-1)*(1/R1+n/(R2-R1))

1/r2＝1/(n-1)*(-1/R2+n/(R2-R1))

其中n代表设计采用的介质材料的折射率。

积分区域宽度H可由下式得出：

H＝n*eps*R1R2/(R2-R1)

其中eps是从光源看到的小面的开度角。

开度角eps来自被选择排列在球面上的小面的数量。确定好eps后，可以通过改变壳积分器R1和R2来调节对采用光源的积分区域。

科勒积分的一般条件是假如第一小透镜的孔径之上的辐照度对于每个颜色来说是恒定的，则第二小透镜将生成均匀混合的光输出。这种条件在很多情况下具有小角度优点。

从照明设备的包装方面来讲，小壳积分器是有利的，但是因为制造成本的原因，产生了一些限制。对于非常小的微透镜来说，微透镜的制造将变得非常复杂，所以角度eps不能选的太小。对于非常薄的壳(R1和R2之间的距离很小)，小透镜的f/#变得非常小，因此其成像质量降低。目前优选地，壳积分器的内径必须至少约为积分区域半径的两倍大小，这就给出了内部和外部壳的小透镜的能够现实地进行商业制造的解决方案。

如果积分区域被选择为球形的，则所有的小面都具有相同的参数。一对对小面需被放置在壳积分器的内部和外部球面上。在球面上自然地镶嵌将导致小透镜是多边形的。有好的理由，选择镶嵌以确保在半球形上多边形的大小几乎是一样的，以使积分区域大小在整个设计中保持恒定。此外，选择镶嵌以确保所有的多边形像实际的“圆”一样圆，因为每个小面对的积分区域具有和小面轮廓相同的几何图形。内部和外部球面的镶嵌是一样的。

图5A和图5B显示了以序列5的镶嵌501和以序列7的镶嵌502，每个壳分别具有总共54个和110个小面。这就是说，从半球的极点到边缘分别有5和7层或环的小面，极点处的单个小面作为第一层。

计算小面的中心取决于在半球形表面上的相同轴(垂线)偏移角度西塔的圆圈，和得到的每个圆圈上大量小面的情况，所述圆圈提供与由所选数量的环推算出的高度相类似的小面宽度(在方位角方向上的)。

如果西塔-k是距离微透镜第k环的z轴轴偏移角，每个环上微透镜的数量可被容易地推导：圆(4m sin(西塔-k))，其中m是被选择的环的数量。对于镶嵌序列m＝5来说，在z轴的一个中心小面被看作第一环，第二环上有6个小面，随后的环上分别有12、16、和19个小面。

对于m＝7的镶嵌，每个环上小面的数量将分别为1、6、12、17、22、25个。因为每个环上的小面的数量是取整为一个整数，一些数字可能与在此给出的相差1。小面参数可在CAD程序中被很容易地得到，所述CAD程序在半球形给定位置构造所有球形小面表面，并将这些表面彼此交叉。生成的小面通常是不规则的，在此意义上具有不同的形状和顶点数。每个积分小面对可以在准直后的光图像中生成轮廓类似于小面几何形状的赝像。这种许多小面的不规则才是有利的，因为每个小面对产生不同的赝像，结果是由于大量的小面，赝像冲淡并变得不那么明显。

图6显示了在每个表面具有大约300个小面的测地线(geodesic)圆顶601，从底层向上看，所以半球形的内部和外部两部分都可以看到。

这是不同的镶嵌，称作测地线圆顶镶嵌，其基于截角二十面体。它提供了只有五边形和六边形的更规则的镶嵌。构造方法也可得到。在半球形上六边形具有非常类似的大小。五边形比六边形小点，但是每个半球面只有6个五边形，所以对于具有更高序列的测地线圆顶，五边形不太影响积分质量。

在本具体实施例中，设计参数是内部半径6mm、外部半径8mm、积分区域具有大约2.8mm直径。该装置要效果好需在1mm芯片上集成大于2×2个芯片，并且大概长2.8mm的总对角线。但是设备可被扩展，以使两倍大的版本具有两倍大的积分区域。

图7显示了与图6中相同的壳积分器701，具有轴对称的椭圆形反射器。光源703是RGB LED，假定是由一个红色、一个蓝色和两个绿色LED芯片组成的2×2阵列。每个芯片假定大小为1×1mm，并且4个芯片紧密排列，芯片间只有0.2mm的小间隙。该简化的光源被放置在椭圆形反射镜的第一焦点703处，辐射图像被采用或不采用壳积分器地记录在在反射器的第二焦点704处。当采用抛物线反射镜将光聚焦到远场时，结果质量是一样的。在本实施例中，尺寸d1＝100mm、d2＝69.8mm。尺寸D1是在第一焦点703处的光源到第二焦点704的长度。尺寸D2是椭圆形反射器702的开口端的直径。如果LED光源的大小与假定的2×2mm正方形不同，系统的其它尺寸也通常变化。

图8显示了图7中红色(801)、绿色(802)和蓝色(803)输出在焦点704平面上的辐照，此时图7中没有采用壳积分器，椭圆形反射器直接作用于RGB LED光源。颜色越深表示辐照度越高。这些结果表明没有采用壳积分器时，红色、绿色和蓝色辐照图像存在显著差异。

图9显示了图7中红色(801)、绿色(802)和蓝色(803)输出在焦点704平面上的辐照，此时图7中采用了壳积分器，椭圆形反射器作用于罩上了壳积分器的RGB LED光源。颜色越深表示辐照度越高。这些结果表明采用了壳积分器时，红色、绿色和蓝色辐照图像是相似的。

图10显示了图7中没采用壳积分器(1001)和采用了壳积分器(1002)时在焦点704平面上的辐照情况。图10的曲线图显示了在轴偏移距离为Y＝-5mm到Y＝+5mm的水平轴的对应纵轴上的辐照度(相关单位的单位面积功率)。采用了壳积分器的辐照变得更加均匀，但是通过使用了壳积分器产生的辐照度分布变得稍宽。这是光源轻微的集光率稀释，原因有三。第一，积分区域是圆形的，但光源是正方形的，所以虚拟光源具有至少包括正方形光源的圆环大小。第二，积分区域的直径比实际光源的直径稍微大一点。这是必须的，因为微透镜通常不是圆形。第三，在本设计中，采用了包含平面光源盘的球形积分区域，以使得当从侧面看时，生成的半球形虚拟光源远远大于从侧面看到的盘。然而，总体的集光率稀释很小，而且当然可通过在采用扩散器的相同的设置中试着产生相似的均匀白光输出，而被保持更小。

Claims (20)

1.一种照明设备，包括光源和包围所述光源的壳积分器，其中

所述壳积分器配置为将从所述光源输出的光转换为叠加在所述光源的虚拟图像；

所述壳积分器包括由透明材料制成的圆顶，该圆顶具有折射的内表面和折射的外表面，其中所述内表面和所述光源之间有空间；

所述内表面和外表面形成为凸出小透镜阵列，其向远离所述透明材料的圆顶的方向凸出，其中所述内表面上的所述阵列中的每个凸出小透镜与所述外表面上的所述阵列的相关联的凸出小透镜成对；

所述内表面和所述外表面两者上的所述凸出小透镜阵列的每个凸出小透镜的边缘形成在所述透明材料上、成为多边形的镶嵌，形成相邻小透镜之间的共同边缘和顶点，从而基本覆盖所述圆顶而没有间隙；

所述内表面的每个小透镜将光源成像至所述外表面的对应的相关联的小透镜上；

所述外表面的每个小透镜将对应的相关联的内表面小透镜成像为位置在所述光源位置处的虚拟子图像，该虚拟子图像形成叠加在所述光源的所述虚拟图像的一部分；以及

所述内表面的每个小透镜被配置以将所述光源成像到所述外表面的基本全部对应的相关联的小透镜上。

2.根据权利要求1中所述的照明设备，其中所述透明圆顶基本上是半球形的并且中心定在所述光源的中心。

3.根据权利要求1中所述的照明设备，其中所述虚拟子图像合并形成平面积分区域。

4.根据权利要求1中所述的照明设备，其中所述虚拟子图像合并形成半球形积分区域。

5.根据权利要求1中所述的照明设备，其中所述光源被封闭在透明的封闭物内，并且所述透明圆顶的内表面与所述封闭物隔开。

6.根据权利要求5中所述的照明设备，其中所述虚拟子图像合并形成积分区域，所述积分区域的直径基本上等于所述光源直径乘以封闭物的折射系数。

7.根据权利要求1中所述的照明设备，进一步包括准直器，所述光源和所述壳积分器位于所述准直器的输入处。

8.根据权利要求1中所述的照明设备，其中所述光源包括不同颜色光的光源和/或所述光源的亮度空间变化。

9.根据权利要求1中所述的照明设备，其中所述内和外表面的每个小透镜包括一个极点小透镜和多个小透镜的环，其中所述环位于基本上处于相等的高度间隔，所有所述环上的小透镜位于在方位角方向上的间隔上且等于所述环的高度间距，从而环绕得到在每个环上均匀分布的全部小透镜。

10.根据权利要求1中的所述照明设备，其中所述多边形的镶嵌中的至少一些具有弯曲边缘。

11.根据权利要求1中的所述照明设备，其中，所述透明圆顶的内径为所述光源的宽度的至多4.25倍。

12.根据权利要求1中的所述照明设备，其中，所述内表面的每个小透镜被配置成将所述光源在所述外表面的对应的相关联的小透镜的基本整个区域上成像为在基本上等于到所述外表面的距离的距离处的图像；以及

所述外表面的每个小透镜被配置成将所述内表面的对应的小透镜成像为在与外表面的距离基本上等于到所述光源的距离处的虚拟图像，并且该虚拟图像位置在所述光源的位置处。

13.根据权利要求1中的所述照明设备，其中所述内表面的每个小透镜具有近轴曲率半径r1，使得至少对于近轴光线，n/(R2-R1)+1/R1≈(n-1)/r1，由此，所述内表面的所述小透镜被配置为将所述光源成像到所述外表面的相应小透镜上；并且

所述外表面的每个小透镜具有近轴曲率半径r2，使得至少对于近轴光线，n/(R2-R1)-1/R2≈(n-1)/r2，由此所述外表面的所述小透镜被配置为将所述内表面的对应的小透镜成像为具有在所述光源位置上的位置的虚拟图像；

其中R1是从所述光源到所述内表面的半径；R2是从所述光源到所述外表面的半径；并且n是所述内表面和所述外表面之间的透明圆顶材料相对于空气的折射率。

14.根据权利要求1中的所述照明设备，其中H/R1≥n*eps*R1R2/(R2-R1)，其中H是积分区域宽度，其中eps是从光源看到的小面的开度角，R1是从所述内表面到所述光源的半径；R2是从所述外表面到所述光源的半径；并且n是所述内表面和所述外表面之间的透明圆顶材料相对于空气的折射率。

15.一种壳积分器，包括：

由透明材料制成的圆顶，其具有折射的内表面和折射的外表面；

所述壳积分器配置为将从所述圆顶中间的公共光源区域输出的光转换为邻近所述公共光源区域的虚拟图像，其中所述内表面和所述公共光源区域之间有空间；

所述内表面和外表面形成为向远离所述透明材料的圆顶的方向凸出的小透镜阵列，其中所述内表面上的所述阵列中的每个凸出小透镜与所述外表面上的所述阵列的相关联的凸出小透镜成对；

所述内表面和所述外表面两者上的所述小透镜阵列的每个凸出小透镜的边缘形成在所述透明材料上、成为多边形的镶嵌，形成相邻小透镜之间的共同边缘和顶点，从而基本覆盖所述圆顶而没有间隙；

所述内表面的每个小透镜被形成以将所述公共光源区域成像至所述外表面的对应的相关联的小透镜上；以及

所述外表面的每个小透镜被形成以将对应的相关联的所述内表面的小透镜成像为所述公共光源区域上的虚拟子图像，形成邻近所述公共光源区域的所述虚拟图像的一部分；并且

所述内表面的每个小透镜被配置以将所述公共光源区域成像到所述外表面的基本全部对应的相关联的小透镜上。

16.根据权利要求15中的壳积分器，其中所述透明圆顶基本上是半球形的并且中心定于所述公共光源区域的中心。

17.根据权利要求15中的壳积分器，其中所述虚拟子图像合并形成平面积分区域。

18.根据权利要求15中的壳积分器，其中所述虚拟子图像合并形成半球形积分区域。

19.根据权利要求15中的壳积分器，其中所述虚拟子图像合并形成积分区域，所述积分区域的直径基本上等于所述公共光源区域直径乘以封闭物的透明材料的折射率。

20.根据权利要求15中的壳积分器，其中每个所述内和外表面的小透镜中包括一个极点小透镜和多个小透镜的环，其中所述环位于基本上处于相等的高度间隔，所有所述环上的小透镜位于在方位角方向上的间隔上且等于所述环的高度间距，从而环绕得到在每个环上均匀分布的全部小透镜。