CN105899986B - 用于高亮度led源的颜色混合输出 - Google Patents

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Abstract

一种混合光学器件，其组合各种特征以增强从不同颜色的发光源的组合发射的光的亮度和均匀性。该混合光学器件可以包括重新定向低角度发射的抛物面反射器、空间地混合光的反射光波导以及有角度地混合光的漫射板。在一个实施例中，混合光学器件的输出显示出基本均匀的颜色混合的基本为朗伯型的输出图案，例如显示出单个白色光源的光输出图案。

Description

用于高亮度LED源的颜色混合输出
技术领域
本发明涉及发光器件领域，具体地，涉及有效地混合来自多个光源的颜色以产生具有朗伯特性的基本均匀的可编程颜色输出的光学元件。
背景技术
用于组合来自多个光源的光输出的光学器件在本领域是很普遍的，尤其是用于方向性照射，如图1A和图1B所示。
图1A示出了复合抛物线反射器110的使用，其经由光输入表面120接收来自多个光源101的光输出，并且从发光表面130发出复合光。光源101可以安装在基台105上。
抛物面反射器110的侧表面115可以涂有反射涂层，或者光波导110可以被包入第二反射材料或者折射率有利于通过全内反射而反射的材料中。
传统光源101的光输出图案通常显示出朗伯光输出图案，在每个角度方向上从发光表面发出基本相同量的光。从光源101的发光表面的接近正交角度(未示出)发出的光可以直接从光波导的光出射表面130发出，而不在光波导110内反射。另一方面，如图所示，从发光表面发出的大部分光将在光波导110的侧面115处的一次或多次反射之后从光出射表面130发出。
由于锥形光波导110的表面115处于不与光源101的发光表面垂直的角度，所以与从光源101发出的光的角度相比，相对于光源101的表面光从该表面反射的角度更接近垂直。利用斜面115的每次反射，相对于发光表面的反射角度持续变得更接近垂直。因此，来自出射表面130的光输出比从光源101的表面发出的光更加准直。
表面115的曲率被设计为使得以任何角度从光波导110中心处的点源发出的光将在相对于发光表面垂直的方向上被反射。即，表面115上每个点处曲线的切线相对于该表面处于90-A/2度的角度，其中A是从点源到该点的角度。如果光源实际上是光波导110中心处的点源，则从表面115反射的所有光都将在相同方向(垂直于表面)上被反射，从光波导110产生高度方向性的光输出。
在光源的实际实施例中(诸如半导体发光器件)，从光源的发光表面区域发出光，而不是光波导110中心中的理想单个点。从光源101的表面上的位置(不处于光波导的中心)发出的光将不会在适当点处撞击表面115来垂直于表面被反射，使得光输出图案与来自光波导110中心的单点的光输出相比不太准直。
因此，用于要求高度方向性光输出的应用的设计目的是使得光源的表面积最小化以更加类似于点源。然而，可被半导体发光器件发出的光量取决于器件的发光表面积，通常来说，发光表面积越大，光输出的强度(或亮度)越大。为了实现非常明亮的光输出以及适合于方向性照明，多个发光器件密集地定位在光波导的中心来用于准直光输出。
通常，复合抛物面反射器(CPR)可以用于形成光波导110。然而，用于表征复合抛物面反射器的术语是基于复合抛物面反射器作为光集中器的用途，诸如图6所示。
图6的光集中器610在光波导的宽开口630处接收光601，并且将光重定向至与宽开口630相对的窄开口620。光集中器普遍被用作太阳能收集器来增加撞击在位于窄开口620处或之外的太阳能面板的光量。使用复合抛物面反射器允许集中器610随着太阳的角度而收集光601而不用重定向集中器610。复合抛物面反射器610的特征为其“输入”或“接受”区域630以及角度640，以及其“输出”或“吸收”区域620和角度645。抛物面615、615’朝向窄开口630反射在输入角度640内接收的光。如果点625、625’分别对应于抛物面615、615’的焦点，则输出角度645将为90度；即，所有撞击在入射角度640内的表面615、615’的光将‘离开’开口620。
当作为光发射器使用时，前述的“输入角度”对应于发射光的束宽，并且“输出角度”对应于来自光源的将在“输入角度”内直接发射的或者经由来自抛物面615、615’的反射的光的角度范围。如上所述，以及如USPA2008/0062686中所教导的，发光抛物面反射器通常被设计为对从光源发射的光进行准直，并且因此将具有用于接收来自光源的光的大的“输出角度”和窄的“输入角度”，其中所发射的光基本上被准直，并且准直的程度成反比地取决于输入角度。
在一些实施例中，修改表面115的曲率，从而不“喜欢”从光波导110中心发出的光。即，曲率可以为使得从光波导110中心发出的光以不垂直的角度反射，同时从偏心位置发射的光以更垂直的角度来反射。然而，不管对光波导的修改如何，来自光波导(其接收来自表面区域的光)的光输出与来自接收点源的光的光波导的光输出相比不太准直。
在大多数情况下，尤其当与光波导110中心的最大偏移较小时，缺乏完美的准直不会引入不利的影响，而是产生比理想情况具有更宽带宽的光输出图案。然而，考虑当结合的光源101的表面积较大时以及当不同颜色的光源101没有随机在衬底105上分布时的效应。
图1B示出了被设计为容纳大量光源101R、101G和101B(分别表示红色、绿色和蓝色光源)的示例性光波导160。由于各种制造原因，多色发光器件的阵列通常配置在衬底105上的每种颜色的块中。在该示例中，9x9阵列的光源配置有3x9块的红色光源101R、3x9块的绿色光源101G以及3x9块的蓝色光源101B。
三种光束180R、180G和180B被示为从红色光源101R、绿色光源101G和蓝色光源101B发出。这些光束180R、180G和180B中的每一个都相对于光源101R、101G和101B的表面以相同角度发出。在该示例中，光波导160的侧表面165B的曲率为使得相对于出射表面190以近似垂直的角度反射光180B。然而，以较高高度撞击具有更陡峭的斜率的表面165的光180G，与光180B相比以更加偏离垂直于出射表面190的角度发出；以及在更高的高度撞击的光180R以更加偏离该垂直的角度发出。
另一方面，在侧表面165B上，产生的相反的效应。光185R以近乎垂直的角度反射，而光185B以偏离垂直的角度反射。
本领域技术人员意识到，侧面165A、165B的曲率可以不同，并且可以产生不同的光学效应。例如，侧面165A、165B可以成形为使得来自阵列中心的光180G、185G以垂直角或接近垂直角反射，而不是光180B撞击侧面165A且185R撞击侧面165B，但是这种调整仅使得光180B和185R以充分偏离垂直的角度反射。实际上，选择曲率(抛物面特性)，使得这种不均匀(针对不同颜色的反射的不同角度)最不引人注意或者最不会令人反感的。
图1B的不均匀反射图案的总体效应是：在发光表面190的左侧上，来自蓝色光源101B的非常少的光185B将以垂直角离开表面190，同时来自红色光源101R的充分多的光将以垂直角离开表面190。在发光表面190的右侧，来自红色光源101R的非常少的光180R将以垂直角离开，同时来自蓝色光源101B的充分多的光将以垂直角离开表面190。另一方面，来自绿色光源101G的光将在出射表面190的左侧和右侧上方对称分布，尽管在该示例中不是垂直的。
不同颜色的这种不均匀分布和颜色的不同发射角度呈现出多个缺点，尤其在被设计为提供具有均匀的颜色混合的方向性光输出的系统中，诸如产生方向性白光输出的系统。从垂直方向来看，表面190的右侧可能会比左侧看起来更蓝，而表面190的左侧可能会比右侧看起来更红。随着观看角度的变化，一侧上的偏离垂直的光的强度将看起来增加，而另一侧上偏离垂直的光的强度将看起来降低。
明显注意到，这种颜色的不均匀分布和发射角度主要由用于提供方向性的准直光输出的光学器件160引起。在提供非方向性照明的应用中(诸如具有广域照明的改装灯泡)，来自不同颜色的每个光源的朗伯光输出自然地相互重叠，并且将提供类似的感觉输出而与观看角度无关。
以类似方式，如果每个光源都是相同颜色，或者不同颜色的光源充分随机地分布在衬底上，或者不同颜色以随机方式撞击光波导160的输入表面，则光波导160的每个侧面165A、165B上的反射的不同图案将是不重要的，而不会与真实的准直光输出相比引起增加的带宽。
Gielen等人于2012年3月公开的USP 2012/0069547提供了一种位于光源101和抛物面反射器210之间的颜色混合光学元件250(如图2所示)。以充分偏离垂直的角度从光源101发射的光从颜色混合元件250的壁255反射，增加了来自任何特定光源101的光将离开表面220并以更随机的分布图案撞击反射器210的壁215的可能性，由此产生来自发光表面230的更均匀的光输出。尽管来自表面220的左侧和右侧的光与来自表面220中心的光相比从壁255不同地被反射，但来自每一侧的光的具体颜色或图案更加随机，在表面230上产生更少的特定颜色的不均匀性。
发明内容
有利地提供了一种高亮度光源，其包括不同颜色光输出的混合。还有利地提供高效颜色混合光学器件以提供这种高亮度光源。
为了更好地解决这些问题中的一个或多个，在本发明的实施例中，提供了混合光学器件，其组合各种特征以增强从不同颜色的发光源的组合发出的光的亮度和均匀性。混合光学器件可以包括重新定向小角度发射的抛物面反射器、空间地混合光的反射波导以及角度地混合光的漫射板。在一个实施例中，混合光学器件的输出显示出基本均匀的颜色混合的充分朗伯型的输出图案，例如显示出单个白色光源的光输出图案。
附图说明
进一步参照附图通过示例详细地解释本发明，其中：
图1A和图1B示出了用于提供来自不同颜色发光源的混合的准直光的传统抛物面反射器。
图2示出了位于发光源和抛物面反射器之间的传统颜色混合元件。
图3示出了包括抛物面反射器和光波导的示例性颜色混合光学器件。
图4A至图4C示出了具有均匀颜色的基本为朗伯型输出图案的示例性白光源的示例性实施例。
图5A和图5B示出了具有将矩形光输出图案转换为圆形光输出图案的阁楼式元件(loft element)的示例性白光源的示例性实施例。
在附图中，相同的参考标号表示类似或对应的特征或功能。包括附图是为了说明的目的而不用于限制本发明的范围。
具体实施方式
在以下描述中，为了解释而非限制的目的，阐述了具体细节(诸如特定的架构、界面、技术等)以提供对本发明概念的透彻理解。然而，本领域技术人员应该明白，可以在不背离这些具体细节的其他实施例中实践本发明。以类似方式，本说明书的文本涉及附图中所示的示例性实施例，而不用于将所要求的发明限制到权利要求中明确包括的限制外。为了简化和清楚的目的，将省略已知器件、电路和方法的详细描述，从而不以不必要的细节模糊本发明的描述。
在以下描述中，术语“白”光输出用于定义多颜色光源的期望组合，因为白光通常是最普通的期望复合颜色组合。本领域技术人员将意识到，如果期望不同的复合颜色组合，也可以应用本发明的原理。即，用于光源的特定颜色的选择、光源之间强度的比率等可以与本发明无关地进行确定，并且本发明基本上与这种选择无关。
图2所示现有技术的颜色混合元件的缺点在于，相对于发光元件101的表面以浅角度发射的光被捕获在混合元件250内或者在撞击表面220之前经历大量反射。光学损失的可能性随着每次反射而增加，从而对于浅角度光来说，减少了来自混合元件250的光输出。此外，混合元件250的直线形状引入了对称性，使得浅角度光将可能以相同的浅角度撞击表面220，并且在表面220处被全内反射。假设来自发光源101的发射本质上是朗伯的，则即使只有最浅的10％发射光(例如，81和90度之间发射的光)的损失将导致光输出10％的损失，但是前述由于重复反射的损失将进一步增加这种损失。
图3示出了包括抛物面反射器310和光波导320之间的示例性颜色混合光学器件300，它们之间的界面由点虚线来表示，对应于抛物面310的出射表面318。
混合光学器件300的下部被成形为提供抛物面的侧壁315，形成复合抛物面反射器310。在示例性实施例中，抛物面反射器310具有75°的输入角度以及90°的输出角度，并用于反射和重新定向相对于光源101的表面以浅角度发射的光。输入角度可以在65°和75°的范围内，并且输出角度可以在80°和90°的范围内，尽管根据期望的重新定向的量可以使用其他范围。
通过增加反射光相对于发光元件101的表面的角度，充分减少了以浅角度发射的光的反射次数，并且还降低了光在出射表面330处被全内反射的可能性。
光学器件300的总体尺寸可以取决于光源101的阵列(通常以正方形图案来配置)的大小。抛物面反射器310的输入表面317的尺寸被配置为容纳该阵列而不会远大于光源101的阵列(例如，参见图4B、图4C)。名义上，根据重新定向的期望量，抛物面反射器的高度h1 311可以大约为输入表面317的宽度W 312的四分之一。高度h1 311可以在宽度w 312的0.15至0.40的范围内，尽管可以使用更短或更高的高度。
混合光学器件300的上部被成形为光波导320，其侧壁325基本垂直于抛物面反射器310的出射表面318。由于壁基本垂直于出射表面318并由此垂直于光源101的表面，所以从侧壁325反射的光的角度通常将等于从光源101发射的光的角度。因此，撞击表面330的光将显示出基本朗伯型的图案，除了来自光源101的通过抛物面反射器310重新定向的浅角度光之外。
应该注意，为了易于呈现和理解，本文使用的术语“壁”可以包括单个壁，诸如圆柱形结构的连续壁，其在圆柱的“顶部”和“底部”之间延伸。此外，本文使用的术语“表面”可以包括相邻元件之间的离散界面，或者公共结构的识别部件之间的假想界面。例如，如果使用共同的材料形成结构的不同成形的部件(诸如通过模制复合结构)，不同成形的部件之间的材料平面形成这些元件之间的“表面”。
发生的混合量(即，将引起从侧壁325反射的发射角度的范围)将取决于光波导320的高度h2 321相对于抛物面反射器310的输入表面317的宽度w 312，假设光源101的阵列的大小近似为输入表面317的大小。输入表面317的宽度312的0.75-3倍的高度h2 321通常足以提供颜色的均匀混合和表面330上的入射角度，尽管还可以根据衬底105上光源101阵列内的特定均匀性要求和特定颜色分布来使用其他高度。
在图3中以虚线示出了另一抛物线反射器210。该抛物面反射器210接收来自表面330的复合光输出。由于来自表面330的光输出基本为朗伯型的，所以反射器210可以被设计为优化来自反射器210的光的准直。
尽管从表面330上的不同点发射的光将被反射器210反射(不同于从表面330的中心发射的光)，来自表面330的光的基本朗伯型的图案使得反射器210被设计为提供基本均匀的光输出强度。此外，由光波导320提供的颜色混合可以基本消除跨表面330的可辨别的颜色特有图案。
有效地，从抛物面反射器210的角度来看，光学器件300看起来为白光源，其具有基本为朗伯型的输出图案。即，光学器件300和光源101的组合提供了可由直接发射白光的发光元件产生的输出图案。
图4A至图4C示出了具有均匀颜色的基本为朗伯型的输出图案的示例性白光源的示例性实施例。图4A示出了光源400的轮廓截面，以及图4B和图4C示出了光源300的不同成形结构的顶视图。
在该实施例中，混合光学器件300封装在结构410内以形成可结合在诸如点光源、相机闪光灯、背光等的照明器件内的集成白光源400。为了利于处理，结构410可以是直线的。
衬底405可以包括导电带(未示出)，其互连光源101和/或利于器件400耦合至外部电源。在所示示例中，衬底405横向延伸到器件400外，并且可以在该延伸部分中的衬底405的上和/或下表面上包括针对导电带的接触件。可选地，衬底405的宽度可以与器件400相同，其中针对导电带的接触件位于衬底405的底部上、在器件400下方。这种配置利于直接相邻的器件400的阵列的形成。
混合光学器件300可以是透明材料的离散块，或者其可以仅为结构410中的中空腔。混合光学器件300的抛物面反射器310和光波导320可以形成为单个复合件，或者形成为接合到一起的离散元件。抛物面反射器310和光波导320中的一个或两个可以是结构410内的中空腔。
混合光学器件300的外部可涂有反射材料，和/或结构410可以是反射性的，和/或光学器件300和结构410的材料的折射率可以被选择为在宽范围的入射角内提供全内反射。为了容易参考，本文使用术语“反射表面”来标识从光源101发射的大部分或所有光被反射的表面，而不管用于实现这种反射的具体方案。
混合光学器件300的材料的选择可以取决于使用器件400的发光器件的擦出了以及对应的折射率和其他特性。在一些实施例中，用于混合光学器件的材料可以与发光器件中使用的材料相同，或者其可以为利于来自光源101的光有效耦合到发光器件的材料的界面材料。如果光学器件300的材料不是空气，则结构410可用作模型来形成光学器件300；如果光学器件300是预先形成的，则结构410可以在其周围模制。
为了进一步增强光学器件300的朗伯特性，可以包括漫射层440。当光线撞击漫射层440时，可以通过漫射层440以变化的发射角来发射多个光线，这取决于漫射层440的具体特性。尽管由漫射层44会产生一些反向散射，但基本上撞击漫射层440的光的大部分可以从出射表面430发射。
光学器件300可以具有各种形状，图4B和图4C示出了从器件400顶部看到的两种可能的形状。
在图4B中，光学器件300的壁325可以相互垂直，提供了矩形的光输出表面430A。在该示例中，抛物面反射器310(图4B中未示出)可以形成为复杂的反射器，其具有在朝向发光源110的方向上窄化的矩形周界以及在由壁325A和发光元件101的阵列形成的光波导的每个顶点处的平滑过渡，或者其可以形成为在每个顶点处产生复合斜接状边缘。
在图4C中，光波导320的壁325B形成圆柱形结构，其中光输出表面430B位于光源101的阵列的中心。在该示例中，光学器件300可以是子弹状，其中抛物面反射器310形成为圆柱，在朝向光源101的方向上具有减小的直径。
图5A和图5B示出了具有位于光源400上方的阁楼式元件550的示例性白光源500的示例性实施例。阁楼式元件550将光源400的矩形光输出图案(如图4A和图4B所示)转换为圆形光输出图案。
诸如如图4B所示，矩形光输出表面430A可以是与圆形光输出图案相比更容易(成本更低)提供的图案，或者其可以是更多被期望的光输出图案。设置阁楼式元件550以允许产生具有矩形输出表面430A的混合光学器件400，同时还满足混合光学器件500提供圆形输出表面570的需求。
阁楼式元件550包括接收由器件400的矩形光输出表面430A提供的光的输入开口560。输入开口560可以至少与光输出表面430A一样大，使得来自光学器件400的所有光都被提供给阁楼式元件550。为了提供连续的壁表面，光输入开口560可以与光输出表面430A的尺寸一样大。
阁楼式元件550的发光表面570可以是圆形，其面积等于光输出表面440的面积。(分别)在期望更集中或更分散的输出图案的情况下，圆形的面积可以更小或更大；然而，当发光表面的面积等于光输出表面440的面积时，光学损失通常最小。
阁楼式元件550可以使用从光输出表面440的矩形到圆形光输出表面440的连续过渡来形成，类似于三维中从矩形“变形”为圆形。从矩形到圆形光输出的缓慢过渡提供了最小的光学损失。在示例性实施例中，阁楼式元件550的高度可以在光源101的阵列宽度的一半和两倍之间，尽管还可以根据从矩形到圆形光束图案的过渡中可接受的损失程度来使用其他高度。
尽管光源500被示为在混合光学器件400和阁楼式元件550之间的过渡区具有漫射元件440，但本领域技术人员将意识到，漫射元件440可以在阁楼式元件550的发光表面570处可以为圆形漫射元件。
由于从光学器件400的光输出表面发射的光基本为朗伯型的，所以即使在不具有漫射元件440的情况下，来自器件500的阁楼式元件550的输出也可以认为是朗伯型的，其具有最小的颜色专用特性，从而提供了可与直接提供白色输出的光源的表面的光输出图案相比的输出。
虽然在附图和前面的描述中示出和详细描述了本发明，但这种示出和描述认为是说明性或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
例如，可以在混合光学器件中包括一个或多个波长转换元件的实施例中操作本发明。由于传统波长转换元件的光发射图案在波长转换元件的两个表面上提供了波长转换光的朗伯输出，所以其可以位于包括开口的混合光学器件内的任何高度处。二向色滤色器可用于将来自波长转换元件的“向下”发射向上反射。
本领域技术人员在阅读附图、公开内容和权利要求的基础上可以在实践本发明的过程中理解和实现所公开实施例的其他变化。在权利要求中，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”不排除多个。在多个不同的从属权利要求中引用的特定措施的仅有事实不表示这些措施的组合不能用于获利。权利要求中的任何参考标号不用于限制范围。

Claims (15)

1.一种光学混合器(300、400)，包括：
复合抛物面反射器(310)，具有接收来自光源(101)的光的输入表面(317)；以及
光波导(320)，耦合至所述复合抛物面反射器，其中所述光波导的至少一个壁(325)基本垂直于所述复合抛物面反射器的出射表面(318)；
其中：
所述光波导的壁的高度(321)至少为所述复合抛物面反射器的所述输入表面的宽度(312)的0.75倍大，
所述复合抛物面反射器具有65°和75°之间的输入角度(640)以及80°和90°之间的输出角度(645)，并且
在所述复合抛物面反射器的所述输入表面处接收的光的至少一部分被所述复合抛物面反射器反射到所述光波导中并通过所述光波导，从所述光学混合器的出射表面(330)发射。
2.根据权利要求1所述的光学混合器，其中所述光波导的高度小于所述输入表面的宽度的三倍。
3.根据权利要求1所述的光学混合器，其中所述复合抛物面反射器的高度(311)在所述输入表面的宽度的0.15倍和0.40倍之间。
4.根据权利要求1所述的光学混合器，其中所述光学混合器是单块透明介质。
5.根据权利要求1所述的光学混合器，其中所述复合抛物面反射器和所述光波导中的一个或两个是固体透明介质。
6.根据权利要求1所述的光学混合器，其中所述复合抛物面反射器和所述光波导中的一个或两个是中空光学器件。
7.根据权利要求1所述的光学混合器，包括所述光源。
8.根据权利要求1所述的光学混合器，包括位于所述光波导和所述光学混合器的出射表面之间的漫射元件(440)。
9.根据权利要求1所述的光学混合器，其中所述光学混合器的出射表面是矩形的。
10.根据权利要求1所述的光学混合器，其中所述光学混合器的出射表面是圆形的。
11.根据权利要求1所述的光学混合器，其中所述光波导的出射表面(330)是矩形的。
12.根据权利要求11所述的光学混合器，包括阁楼式元件，所述阁楼式元件接收来自所述光波导的矩形出射表面的光并通过圆形出射表面从所述光学混合器发射光。
13.一种光学混合器(300、400)，包括：
复合抛物面反射器(310)，具有接收来自光源(310)的光的输入表面(317)，以及
光波导(320)，耦合至所述复合抛物面反射器，其中所述光波导的至少一个壁(325)基本垂直于所述复合抛物面反射器的出射表面(318)；
其中：
所述光波导的壁的高度(321)至少为所述复合抛物面反射器的所述输入表面的宽度(312)的0.75倍大，并且小于所述输入表面的宽度的三倍；
所述复合抛物面反射器的高度(311)在所述复合抛物面反射器的所述输入表面的宽度的0.15倍和0.40倍之间；并且
在所述复合抛物面反射器的所述输入表面处接收的所述光的至少一部分被所述复合抛物面反射器反射到所述光波导中并通过所述光波导，从所述光学混合器的出射表面(330)发射。
14.一种光学混合器(300、400)，包括：
复合抛物面反射器(310)，具有接收来自光源(101)的光的输入表面(317)；以及
光波导(320)，耦合至所述复合抛物面反射器，其中所述光波导的至少一个壁(325)基本垂直于所述复合抛物面反射器的出射表面(318)；
其中：
所述复合抛物面反射器具有65°和75°之间的输入角度(640)以及80°和90°之间的输出角度(645)，
所述复合抛物面反射器的高度(311)在所述复合抛物面反射器的所述输入表面的宽度(312)的0.15倍和0.40倍之间，并且
在所述复合抛物面反射器的所述输入表面处接收的所述光的至少一部分被所述复合抛物面反射器反射到所述光波导中并通过所述光波导，从所述光学混合器的出射表面(330)发射。
15.根据权利要求13所述的光学混合器，其中所述光学混合器是单块透明介质。
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