CN106062475B - 壳积分器 - Google Patents

Abstract

一种壳积分器包括具有被形成为小透镜阵列的内表面和外表面的中空透明体。内表面的每个小透镜将在中空体中间的公共源区成像到外表面的相应的小透镜上。外表面的每个小透镜形成在公共源区的内表面的相应的小透镜的虚像。一种积分器具有跟随中空体的表面从在表面中心区域的入口端到在中空体边缘的出口端的光导。光导入口端被成形为接收来自公共源区的光并沿着光导引导这种光。另一种积分器是大致延长的，并且，可以是半圆柱形。这些积分器中的任何一种都可以具有形成菲涅尔透镜的台阶表面。

Description

壳积分器

相关申请的交叉引用

本申请要求Benítez等人于2014年1月6日提交的标题为“Color/luminancetunable light engine with integrated light-guide feedback feature and sensor”的美国临时专利申请第61/964520号的权益，该美国临时专利申请全部通过引用合并于此。

本申请与Benítez等人于2013年4月10日提交的申请号为13/821823的2013年8月1日公布的标题为“Shell integrator”的共同未决的美国专利申请第2013/0194811号有关，该专利申请是于2012年3月29日公布且要求于2010年9月23日提交的美国临时申请第61/385,675号的优先权的国际专利申请第WO 2012/040414号的国家阶段，所有这些专利申请全部通过引用合并于此。

本实施例中的一些合并被授予给等人的标题为“Reflectors Made oflinear Grooves”的与本发明有几个共同的发明人的美国专利第8094393号和第8238050号的教导，这两项美国专利全部通过引用合并于此。

技术领域

本申请涉及一种光引擎，特别地涉及对由光引擎产生的光的颜色和强度二者的均匀性的改进。

背景技术

已知光由发光二极管(LED)或类似装置产生。LED自然地产生特定颜色的光。已经提出了将蓝色LED与将一些蓝光下变频为更长波长的磷光体组合，但这样做低效且产生热，并且，产生的光不被认为是用于所有目的的足够白的光。

因此，提出了使用具有或不具有磷光体下变频的不同颜色的多个LED。于是，为了产生白光，既需要平衡不同颜色的LED的强度，也需要均匀化来自不同颜色的LED的光，无论对具体应用需要什么标准的均匀度和白度。

在上述的共同未决的美国专利申请第13/821823号中，教导了一种命名为“壳积分器”的新的光学器件，其可以均匀化光源阵列，而相对于原始阵列的集光率基本上没有增加输出光束的集光率。

该共同未决的专利申请中所教导的光学结构在颜色和亮度方面改进了光的均匀性。但是，当在可调光引擎中使用壳积分器时，将希望确定光引擎的输出的均匀度及其谱特性，从而可以进行调整来实现期望的输出。还将会希望能够检测光源部件中的一个或多个何时出了故障或者改变了特性。最后，将希望能够通过添加可容易合并到壳混合器光学器件中的光学特征或者与光源阵列结合使用的其他主要光学元件来实现对光引擎的上述增强。理想上，该特征应该对光引擎的效率、混色和亮度具有最少的负面效应。最后，该“反馈”特征应该能够与光传感器接口且很好地工作。

发明内容

在一个实施例中，提供一种光学“反馈”特征，其可以被添加到壳混合器光学器件(或者被添加到任何其他主要光学元件或者正好在裸光源的顶部)，以能够实时地进行光引擎输出颜色和亮度测量和校正，而没有影响壳混合器或其他主光学器件的性能(效率，混色和高亮度)。在一个实施例中，壳混合器被设置有沿着半球形壳混合器的曲线从该壳混合器的天顶行进到基底的一侧的固体电介质光导。在天顶，该光导的一部分将光经由反射特征引入光导中。反射特征优选地通过全内反射(TIR)操作，或者，可选地，是后表面反射镜。光导的电介质部分被整体地模制为壳混合器的附加物，嵌入部分替换原光学器件的小的径向段。此外，本实施例的一方面是位于该光导的基底处的传感器或传感器阵列。

在一个实施例中，壳积分器包括具有被形成为小透镜阵列的内表面和外表面的中空透明体，其中，内表面的每个小透镜将在中空体的内部的中间的公共源区成像到外表面的相应的小透镜上，外表面的每个小透镜形成具有在公共源区的视在位置的内表面的相应的小透镜的虚像，并且光导沿着中空体的所述表面中的一个从在表面的中心区域的入口端到在中空体的边缘的出口端，光导入口端被成形为从公共源区接收光并沿着光导引导这种光。

中空透明体可以是圆顶。

中空透明体可以是延长的。

壳积分器的另一个实施例包括具有被形成为小透镜阵列的内表面和外表面的延长中空透明体，其中，内表面的每个小透镜将在中空体的中间的公共源区成像到外表面的相应的小透镜上，并且外表面的每个小透镜形成具有在公共源区的视在位置的内表面的相应的小透镜的虚像。

在所提及的最后两个实施例中的任意一个中，延长中空透明体可以是大致半圆柱形，或者，可以包括在公共的截断平面处联接的多个截断圆顶。于是，壳积分器可以在每一个截断圆顶上包括相应的所述光导。在任意一种情况下，延长体可以在任意一端或两端处结束于完整的四分之一圆顶中。

小透镜可以是环或环的弧，并且，可以横向于延长体的长度方向。

公共源区可以是沿着延长中空透明体的中间延伸的延长区，并且，内表面的每个小透镜可以然后将公共源区的长度的相应部分成像到外表面的相应的小透镜上。

中空透明体可以在中心区域比在边缘厚，以使从源区通过中空透明体发出的光部分地准直。该边缘可以是圆顶形透明体的边缘，或者，延长透明体的两侧边中的任意一个或两个。

中空透明体的所述表面中的至少一个可以是台阶式的，使得每一台阶在向着中心区域的一侧比在外侧厚，所述台阶形成菲涅尔透镜，并且，壳积分器使从源区通过中空透明体发出的光部分地准直。

中空透明体和光导可以是单个整体件。

光导可以包括具有形成通过全内反射引导光的V形横截面的两面的肋部。

一种灯具可以包括上述的具有光导的壳积分器中的任何一种；在公共源区的光发射器；以及在光导的出口端的光传感器，操作用来通过光导接收来自光发射器的光并通过负反馈控制光发射器。

壳积分器的另一个实施例包括：具有被形成为小透镜阵列的内表面和外表面的中空透明体，其中，内表面的每个小透镜将在中空体的中间的公共源区成像到外表面的相应的小透镜上，并且外表面的每个小透镜形成具有在公共源区的视在位置的内表面的相应的小透镜的虚像；以及包括每一个具有形成V形横截面的两面的多个肋部或凹槽的反射器，被布置为使得从中空透明体的外表面的小透镜发出的来自公共源区的光反射离开所述肋部或凹槽中的一个的一面，然后，反射离开该同一肋部或凹槽的另一面，并在期望的方向上射出。

反射器可以被布置为引导这种光以大致准直的光束射出。

中空透明体和反射器可以是单个整体件。

所述肋部或凹槽可以是在背向中空透明体的反射器的表面上的肋部，并且，这种光可以通过全内反射在所述肋部内反射。

壳积分器可以组合上述实施例中的两个或更多个的特征。

通过组合壳混合器的实施例和本装置的实施例，可以至少部分地实现下述优点中的一些或全部：

所得光学组件是非常紧凑的，并且可以被模制为单件。

假定这些被布置在壳积分器的积分空间内，则它是多功能的，并且与多种类型的芯片阵列兼容。

它与各种各样的应用领域和使用输出光的各种灯具兼容。

它与广泛的传感器兼容。

它提供良好的混色。

它可以实现高的光学效率，潜在地95％或甚至更大。

保持光源的亮度。

使用工业标准或专用传感器，可以实时地进行自动的颜色/光通量调节。

附图说明

根据下面结合附图呈示的本发明的更具体的描述，本发明的上述和其它方面、特征和优点将是清楚的，在附图中：

图1是具有光导的壳积分器的实施例的透视图。

图2A示出使用科勒积分器均匀化彩色光。

图2B示出在半球形壳积分器中使用科勒积分器均匀化彩色光。

图3示出具有光导的壳积分器，其包括用于来自LED阵列的光的传感器阵列。

图4A、图4B和图4C，总称为图4，是与图1的壳积分器类似的壳积分器的实施例的视图。

图5A是光强度与远场中的二维位置之间的关系图。

图5B是色度与位置的曲线图。

图6A示出从LED到传感器的光路。

图6B是图6A的放大细节图。

图6C、图6D、图6E和图6F是几何光学器件的示图。

图7A和图7B示出传感器和LED阵列中的芯片的布置。

图7C是用于图7B中的LED的光导接受度的条形图。

图8至图10是传感器输出电流与LED输入电流的曲线图。

图11A和图11B，总称为图11，是包括几个壳积分器的延长的主光学器件的透视图。

图12是与图11所示的光学器件类似的光学器件的光线跟踪图。

图13是具有圆柱形主光学器件的实施例的透视图。

图14是具有圆柱形主光学器件的另一个实施例的透视图。

图15是包括几个壳积分器的另一个实施例的透视图。

图16是包括几个壳积分器的另一个实施例的透视图。

图17是具有圆柱形主光学器件的另一个实施例的透视图。

图18是具有圆柱形菲涅尔主光学器件的实施例的端视图。

图19是通过与V形凹槽反射器组合的壳积分器的阵列的横截面。

图20是具有光导的另一个实施例的壳积分器的实施例的前视图。

图21A是通过壳积分器的另一个实施例的轴向横截面。

图21B是图21A的壳积分器的透视图。

具体实施方式

将通过参考下述的本发明的实施例的详细描述和附图来获得对本发明的各种特征和优点的更好理解，其阐述利用本发明的具体原理的示范性实施例。

参照附图，最先参照图1，光学器件100的一个实施例包括具有从天顶沿着半球形曲线向下延伸到边缘的光导103的大致半球形壳积分器102。在天顶，光导103被设置有反射面301a(参见图3)，以将来自在半球体的中心的源(在图1中未示出)的光引入光导103中。光学器件100的边缘可以被设置有突出的凸耳104或其他构造，以使光学器件100能够作为灯具的一部分被安装。如图1所示，光导103是单个固体条，与壳积分器102一起由同一透明电介质材料模制在一个整体件中，具有通过全内反射引导光的平滑的弯曲表面101。可替换地，表面101可以具有反射涂层。光导103被嵌入在壳积分器102的厚度中，但通常是不同的厚度。如图1所示，光导103稍微突出超过壳积分器的内表面和外表面二者。光导103替换原始光学器件的小的径向段。如下面所解释的，所得到的从壳积分器输出的光的均匀性的损失小，并且，对于许多种用途而言是可容忍的。也如下面所解释的，传感器或传感器阵列(参见图3)被放置在光导的基底处。

解释壳混合器如何工作

壳混合器，也被称为壳积分器，是基于科勒积分器。一般地，在科勒积分器中，第一光学元件将源成像到第二光学元件上，并且，第二光学元件将第一光学元件成像到目标上。在预计的目标足够远的情况下，第二光学元件可以被视为近似在源的位置处形成第一光学元件的虚像。这样可以从源产生非常有效的均匀的光，以及在目标处变换照明区域的形状，其由第一光学元件的形状而不是源的形状确定。第一光学元件和第二光学元件中的每个可以独立地是，例如，反射镜、薄透镜或厚透镜的一个表面。在壳积分器的大多数实施例中，第一光学元件和第二光学元件是厚透镜的进入表面和离开表面，并且，分别在壳的内表面和外表面上形成为小透镜。

参照图2A，用作颜色均化器(color homogenizer)的科勒积分器的一个例子通常由附图标记200表示。实际科勒光学器件202是在入口面和出口面都具有小透镜阵列的整块透明材料。入口面上的每个小透镜与出口面上的小透镜配对形成科勒积分器。三个LED芯片，即，红色芯片204、绿色芯片205和蓝色芯片206，照明科勒光学器件202的入口侧。该照明的强度和颜色是均匀的，但是，不同颜色的光线在不同的方向上行进，如放大图203所示，其中，红线光线207被示出为虚线，绿色光线208被示出为连续线，并且，蓝色光线209被示出为点线。科勒光学器件202的第一光学元件(入口面小透镜)将三个LED芯片204,205,206成像到第二光学元件(出口面小透镜)上，因此，在科勒光学器件的出口面射出的光在颜色方面不均匀。但是，出口面小透镜将均匀照射的入口面成像到目标(远场)上，因此，不同的彩色光束重叠并合并形成均匀的远场照射光束210。每个双凸状科勒积分器只能照射窄场，但是，形成光学器件202的科勒积分器的阵列重叠以在更宽的场之上提供一致的、均匀的照明。

现在参照图2B，当此原理被应用于壳积分器220时，在半球形光学器件223的中心的有限区域中的LED芯片221,222等将彩色光束225,224分别提供给每个双凸状科勒积分器，如放大细节图226所示。假设LED芯片221,222提供朗伯发射，该装置作为整体将在远场中提供近似朗伯照明，因为，每个双凸状科勒积分器将光分布在比较小的角度之上。为了清晰起见，图2B只示出小数量的大双凸状科勒积分器，但是，实际的实施例通常具有更大数量的较小的双凸状科勒积分器，如图1所示。假若小透镜相比于壳的直径和离远场目标的距离足够小，则为了设计和仿真的目的，可以通过在如图2B中的点线227所示的虚球面上叠加各个小透镜来近似壳积分器。

关于具有传感器的颜色可调光学器件的操作的细节

现在还参照图3和图4，提供良好控制的颜色和光通量输出的稳定的多色光引擎可以在所述芯片中的任何一个发生故障或性能修改的情况下利用外部控制和自动调节。这可以通过使用颜色传感器来实现。传感器优选地在从每个芯片接收相等比例的光或至少从单色的所有的芯片接收相等比例的光的位置处。当存在不同颜色的芯片的情况下，传感器可以接收不同量的光，并且/或者可以对来自不同颜色的芯片的光具有不同的灵敏度，并且，在传感器输出的后续处理中，可以校正该差异。

颜色传感器经常是高度灵敏的，并且，它们所需的最小光通量相当低。但是，它们具有以下约束。例如，当前可用的传感器的响应在特定的有限的入射角内(接受角要求通常在±10°内)良好。在推荐的接受角之外的入射角可以充分地修改传感器响应以产生伪色解释。解决该问题的标准方案是在传感器的顶面放置限制入射角的滤波器，但是，这样给该“智能”光引擎增加复杂性。图3的实施例通过发送高比例的在所需的接受角内被发送入光导且最终到传感器的光来克服该约束。下节中描述的光学实施例在有滤波器和没有滤波器的情况下工作。合适的颜色传感器是由德国耶拿市的MAZeT有限公司供应的MTCSiCS真色(XYZ色空间)传感器。但是，本发明中所教导的方法应该与很多其他可用传感器一起工作。

在图3所示的装置300中，壳积分器305被设置有光学光导301，其提取由芯片302,303,304发射的光中的非常小部分(显然其余部分专用于照明)，并且，将光引导到颜色传感器306(也被示出为306b)，在放大图306a中被更详细地示出。颜色传感器306a(在图4C也被示出为404)位于半球形壳积分器305的基底平面上，该平面是与阵列LED相同的平面，因此，它可以被组装在同一PCB中。

如图4A、图4B和图4C(统称为图4)中更佳可见的，光导301,402在外侧被圆形曲线约束，自壳积分器305,401的出口侧小透镜隆起，并且，在内侧由在壳积分器的入口侧小透镜之间凹进的圆形曲线约束。如图1和图4C所示，光导101,402的内表面和外表面是连续的、平滑的，而没有壳混合器102,401的小透镜特征。从平面图可知，光导402是梯形，因为其侧壁朝向通过光导402的中心的径向和轴向平面以2°拔模角(draft angle)成锥形，以允许从两部分模具中脱模，其中，一部分形成壳积分器的凹内部，另一部分形成壳积分器的凸外部。在天顶，光导301结束于有角度的反射表面301a，该反射表面收集小量的光并将该光引入光导301,402中。表面301a可以通过全内反射(TIR)反射光。光导301,402的其他外表面可以是如镜子的，或者可以通过全内反射(TIR)进行反射。

来自传感器306的输出可以被用来监视芯片302,303,304的操作并在所述芯片中的一个出故障时发出警告。来自传感器306的输出可以被用来控制被供应给芯片302,303,304的功率并在短期内(如果条件使芯片可变地操作)或在长期内(当芯片的特性随着年龄变化)保持期望的光输出。在芯片302,303,304是不同颜色的芯片的情况下，来自传感器306的输出可以被用来分开控制被供应到每一种颜色的芯片的功率，以保持期望的输出颜色。如果提供合适的用户输入控制，则控制可以包括调光和/或调色和/或变色。

由图3和图4C可知，圆顶形壳积分器401的基底被形成为近似圆柱形鼓305a。采用伯朗发射LED，落入在鼓上的光量不足以证明使双凸状表面401一直继续朝下到底部的复杂性，因为形成不能用简单的两部分模具模制的悬垂形状。因此，基底部分被形成有垂直(实际上，为了易于脱模，以2°拔模角成锥形)笛形部。笛形部容易模制，因为从平面图(在半模的分离方向上)可知它们跟随其上方的小透镜的形状而行，并且，至少在圆周(水平)平面上提供科勒积分。

本发明人成功地使用图4所示的积分器来首先通过光线跟踪并然后通过原型测试确定具有上述的MAZeT传感器的光学系统的性能。作为合适尺寸的例子，在用于原型的CAD模型中，如图4A的平面图可知，光导402具有3.23mm的最大宽度：基底的截面轮廓是每边为3.23mm的正方形。所提及的MAZeT传感器具有六边形光入口窗，对边之间的宽度为2.27mm，点之间的宽度为2.62mm。光导特征的宽度朝着光学器件的天顶逐渐变细。如图4A可知，在天顶处的宽度是在基底的宽度的约2/3。离在天顶处的光导的顶部的高度是14.8mm。恒定不变的横截面的矩形光导被认为是光学上满意的。锥形更容易脱模。因为本实施例用具有在天顶方向(垂直于图4A和图4B中的纸平面)分开的半模的两部分模具形成，为脱模设置的2°拔模角本身在其较低端附近在光导的宽度上主要表现为锥形，并且在上端附近表现为梯形横截面。用于原型的材料是聚碳酸酯LED 2245。

壳混合器401的外直径是28mm。因为光导稍微在壳混合器上突起，所以在光导402之上测得的直径是28.8mm。位于壳混合器的基底的相对侧的两个安装片403之上测得的模制的单个光学组件400的最大直径是31.7mm。壳可以是约2.9mm厚，并且，科勒积分器可能能够对来自直径大至11mm的光源且居中于圆顶的中心的光进行积分。在光源被封装于折射圆顶等中的情况下，限制值是光线到达壳混合器401的光源的视在直径。在一个实施例中，使用这样的LED阵列(SSL4EU)，其具有8.5mm的物理直径，但是，折射封装产生具有11mm的视在直径的虚像。这种尺寸的光学器件可以与32个LED的阵列一起使用，每个LED汲取最大200mA，其对应于几千流明的最大光输出。LED大致在壳混合器401的基底的平面中，但是，不需要精确的对准。LED可以降低至少1mm，而在光混合中没有可感知的劣化。

但是，对于广泛的LED芯片阵列配置，可以利用关于传感器的大小、形状和位置的光导特征的基本特性。例如，光导的集光器可以被设计为对与壳混合器“积分”区相同的区域进行采样，从而确保对所有源的正确混合。

希望光导光学特征103,301,402具有如下特性：

光学传输(由传感器检测到的作为由LED芯片发射的光的一部分的光通量)应该对于所有的芯片302,303,304基本上恒定不变，与它们的位置无关，从而，如果LED源中的任何一个发生故障，则传感器都可以检测到它。上述的MAZeT传感器具有±10°的接受角。采用该传感器，希望LED芯片的阵列在集光器301a处的±10°视角内。否则，光导可以被成形为使沿其通过到传感器的接受角内的光部分地准直。

光导及其集光器应该不影响壳混合器性能(在效率和混色方面)。

传感器上的入射角应该尽可能接近垂直：对于示例性的MAZeT传感器，入射角应该<10°。

光学器件应该尽可能小。

来自壳混合器的其他部分的眩光不应该负面地影响系统的信噪比。

在优选实施例中，光导的特征，例如，其形状、大小、边缘和拔模角，应该与注模技术兼容，因此，它可以在单个注射中与壳混合器的其余部分一起被模制。

为了在传感器上提供相对均匀的照明的特征，发明人探讨了不同的光学方法(包括光学特征是与壳隔离的部件的一些方法)。它们全部基于光导在传感器的顶部接口。优选实施例是嵌入到原始壳混合器中的光学特征，根据光学跟踪(以及稍后的原型)，其将能够实时地进行光引擎输出颜色和亮度校正，而没有影响当前的壳混合器性能(效率、混色和高亮度)，如设计约束中规定的。

图5A是与抛物线灯具结合的光引擎的原型的照度图500，示出在离光源2.5m的距离处居中于系统的对称轴的光504。纵坐标尺度502从-450mm延伸到+450mm。横坐标尺度503从-500延伸到+500mm。图5B是示出在离光源2.5m处的组件的横截面颜色坐标图的曲线图510，曲线507以v’单位并且曲线508以u’单位。横坐标尺度506从-500延伸到+500mm。纵坐标尺度505从0延伸到0.6。由图5A和图5B可知，不存在较多的彩色条纹或伪影。少量的彩色条纹可以通过在光导的上侧添加反射镜从而阻止杂散光来避免。

图6A至图6F(统称为图6)以图解的方式示出通过通常表示为600的具有反馈的壳积分器灯具的一个例子的光的流动。由壳积分器604内的LED阵列602发射光。壳积分器604是近似半球形，并且，LED阵列602大致在壳积分器604的基底的直径平面的中心。LED阵列602可以占据高至壳积分器604的直径的约0.4倍的圆形区域。为了清晰起见，未示出由壳积分器604积分且被发射作为照明的来自LED阵列602的光线。

在壳积分器604的天顶是收集来自LED 602的一束光线608的反射镜606。如图6所示，反射镜606由通常表示为612的光导的外表面610形成，并且通过TIR反射光。最好由图6F可知，光在光导的弯曲的底表面614处从下方进入光导612。可替换地，反射镜606可以是在光导612的直立进入表面的前方的开放空间中反射光的表面。射线束608内的光线由反射镜606引导作为沿着光导612的外表面610(其朝内凹进)的光线616。在光导的远端，光线616由传感器618收集。传感器618测量光线616的亮度和/或颜色，并且，可以发送信号到用于LED602的LED驱动器620以增大或减少LED 602的光输出，并且/或者改变由不同颜色的LED发射的光的色平衡。

如图6A所示，优选的是，引导的光线616沿着靠近光导612的外表面610的路径行进。这样有两个好处。第一，因为光线616以平坦的角度反射离开外表面610，所以它们可以通过TIR被有效地引导。第二，它们占据窄圆锥形的角度，因此，它们可以很容易被颜色传感器618收集。如其它地方所提到的，在申请人的原型中使用的传感器具有±10°的接受角，因此，对于该传感器，理想的是保持引导光线616在±10°的圆锥内。

具有宽角度的光线，例如由图6A中的虚线光线622所示，是可能的。光线622以相当陡的角度反射离开光导612的内弯曲表面614和外弯曲表面610。如果要接受如622的光线，则内外弯曲表面610，614两者可能需要额外开销来被金属化。此外，如果光线622在径向-轴向平面上以这样高的角度曲折行进，则它也可以在圆周平面中曲折行进。这种光线将难以限制，因为光导612与壳积分器604的圆顶一起整体地模制，从而，对于其大部分的高度，在光导的侧面没有物理边界。此外，必须使用具有相应较宽的接受角的光传感器618，或者，可以在传感器的前面需要准直光学器件。

但是，如果LED阵列602占据半球形壳积分器604的直径的完整的0.4，则LED阵列602几乎跨越±22°的视角，如在反射镜606可见。为了传感器605同样地“看到”阵列中的所有LED芯片，希望的是，±20°视角应该与传感器的±10°接受角耦合。差异的一部分在光导的内表面处通过折射被吸收。如果该表面是平坦的，并且，如果使用的材料是具有1.58的折射率的聚碳酸酯，则它将光线束608从会聚于几乎为±22°的角度的圆锥缩小到会聚于约±13.5°的圆锥609。在图6F中，圆锥609被示出向后延伸，以表明它形成芯片阵列602的比实际芯片阵列小的虚像。

进一步的缩小可以通过在光线束608进入光导的内表面处形成透镜或者如图6B所示通过使反射表面606弯曲来实现。不需要将整个光线束608的集光率挤入所引导的光线616。如果来自光线608的圆锥的光充分均匀化使得光线616的被引导部分均一地表示整个LED阵列606，就足够了。然后，可以丢弃剩余的光线，这在实践中意味着它们将主要加入射出的照明光。因为所描述的实施例意图在几乎整个上半球之上提供宽角度照明，所以，如果几条光线以不稳定的角度进入输出照明，也并不重要。

现在主要参照图6B至图6F，用于设计图6A所示的原型的过程如下：

对于外引导表面610和内引导表面614，选择球形轮廓。外半径如上面参照图4所述。内半径被选择为与壳混合器的内半径相同。这两个表面的中心在LED阵列602的中心处，该中心被取为坐标的原点(0,0,0)。三个轴向方向是从LED阵列的一侧到另一侧的X、LED阵列末端向前(朝向光导612和传感器618)的Y和朝向天顶的Z。

为了易于制造，光导被嵌入壳积分器中。该步骤改变光导的侧壁的边界。

最初，45°平表面被用作用于光导的集光器606。

检查性能。观察到的主要参数是来自接受高至±10°的光的传感器618的阵列602中的每一个光源的能见度。

最初在中心芯片和左/右(相对于包括光导的中心线的子午面)边界芯片(参见图7B中的芯片5,11,17,23和10,16,22,28)之间观察到大的能见度的差异。为了减少该差异，左/右对称地引入水平曲率到反射表面606。该轮廓是一对椭圆形曲线624,626：曲线624，具有在芯片阵列602的中心的焦点628和在芯片阵列602的左侧边界的焦点630；曲线626，具有在芯片阵列602的中心的焦点628和在芯片阵列602的右侧边界的焦点632。图6C示出左边的离焦点628,630的半径634。这些弯曲表面624,626应该使来自边界芯片的光线偏转，从而，它们看起来好像它们来自中心芯片。

但是，然后，发现中心芯片的能见度远低于边界芯片的能见度。为了校正此，对于表面606的中心部分选择不同的曲率，在两个椭圆624,626的外侧相切的具有4mm的半径的圆636，参见图6D。在图6D中详细地示出由三条曲线624,636,626形成的轮廓线。曲线624,626具有大的半径，非常接近直线，并且在图6B中不容易被看见。为了清晰起见，在图6D中详细地放大了曲率。

然后，通过搜索最佳焦点位置来优化设计。在图6D中，用于原型的最终的焦点位置是焦点630,632的F1(±5.15,0,0)，和椭圆624,626的焦点628的F2(0,0,0)，其中，这些椭圆的在其接触圆636的点之外的部分是用于实际的轮廓构建的部分。

但是，顶部和底部芯片(最靠近和最远离传感器，参见图7B中的芯片1-4和29-32)仍然没有具有与中心芯片相同的能见度。为了校正此，如图6E所示，引入收集表面的垂直弯曲。选择的轮廓是图6E所示的抛物线638，其焦点640在源平面上，轴向方向平行于源平面。焦点位置被优化以获得均匀的芯片能见度，并且，选择的焦点位置在最接近传感器的边缘(0,3.6,0)附近。

反射表面606的最终形状由此通过沿着图6E所示的抛物线638扫描在图6D的细节图中示出的具有轮廓624-636-626的曲线而形成。

图7A示出颜色传感器701的可能的配置。图7B示出32个LED阵列700的配置，以及被编号为1至32的每个LED和光导702的位置。图7C是纵坐标为光导接受度的条形图703，纵坐标被归一化，最大值为100％，沿着横坐标依次是从1至32的32个LED。图7C示出归一化的通量的接受度值从刚不到80％至100％变化。因此，这种变化是约±10％，这在满足照明行业对颜色均匀性的典型要求所需的限制内。此外，通过谨慎选择哪一种颜色的LED分配给32个位置中的哪个，颜色随着方向的实际变化将很可能比±10％显著更小，因为在一定程度上可以抵消来自同一颜色的LED的输出中的角度变化。因为大部分的变化是取决于各个LED相对于光导702的位置的静态变化，一旦LED阵列和传感器被设置和校准，当然就可以以大大优于±10％的灵敏度检测LED输出的后续变化。

原型的可制造性和性能验证的证明

发明人基于根据图1和图4的前述实施例用嵌入式光导制造混合式壳混合器的原型。它通过在标准聚碳酸酯1140塑料中进行注模来制造。优选的材料是超透明的聚碳酸酯Makrolon LED 2245。模具是在基底分开的两件模具。实际的尺寸在上面针对图4给出的尺寸的CAD和制造系统的容限内。

用不同类型的多色芯片阵列测量此概念证明：一种是包括红色、绿色和蓝色芯片，另一种是使用红色和薄荷色LED的多色芯片阵列，第三种使用琥珀色、薄荷色和蓝色LED。薄荷色LED是用黄色/绿色磷光体下变频以产生浅绿色的蓝色LED。传感器输出的信噪比(SNR)高于10，这确认该装置对周围的杂散光和来自壳的其他部分的眩光都不敏感。除此以外，如图8至图10所示(关于使用红色和薄荷色芯片的阵列)，传感器线性地响应以偏置电流增量，如预期的那样。图8、图9和图10是分别示出对于三种不同的情况的以μA计的传感器输出电流(对于三种颜色X,Y,Z颜色分量中的每一种)作为以mA计的不同输入电流的函数的曲线图800,900,1000。横坐标801,907,1013从90延伸至210mA输入电流。纵坐标802,908,1017从0延伸至60μA输出电流。X颜色分量803,909,1014用黑色菱形标记。Y颜色分量804,910,1015用正方形标记。Z颜色分量805,911,1016用三角形标记。图8示出仅仅红色芯片接通的情况。图9示出仅仅薄荷色芯片接通的情况。图10是薄荷色和红色LED芯片接通的情况。

其他主要光学结构的例子

除了图3和图4所示的半球形壳积分器形状以外，本发明的使用主要光学结构的其他实施例也是可能的。例如，与球形相反，主要光学元件的形状可以更加圆柱形。例如，这可以通过如下来实现：采用在纵向方向上起伏的几何形状，或者使用球体的各部分，并且一个接一个地重复它们，直到达到所希望的长度。后一种方法的例子在图11A和图11B中示出，它可以被用于制造线光源，例如，反光槽(troffer)。图11A是四元件主要光学器件1100的立面透视图，其中，每一个元件1101,1102,1103,1104由球形壳积分器的一部分制成。为了清晰起见，科勒特征未被示出，但是，它们可以是与图1和图4所示的特征相同。图11B示出同一主要光学器件的平面透视图。在示例中，每一个元件可以是20mm宽且14mm长。四个元件中的每一个将具有与阵列305或700类似的其自己的芯片阵列(未示出)，并且，可能具有与光导103,402类似的其自己的光导(未示出)。光学器件的末端元件可以在外端是球形，或者如所示的那样被截断。将存在在两个元件的相交处延伸到光学器件的基底和/或关闭截断的末端元件的壁。这些壁可以是反射的，折射的，通过利用多余一种光学原理(包括反射、折射和/或全内反射的组合)的手段来吸收杂散光或重新引导光。这些壁可以具有将光发送回到其起源的光源的逆反射元件。然后，该光的一部分将再次被循环。但是，当LED源充当漫反射器时，循环的光的显著部分将被重新引导到主光学元件并没有返回到逆反射器。另外，LED所处其上的基底和周围的基底可以是漫反射或镜面反射的，并且/或者可以具有在偏好方向上重新引导光的光学特征(未示出)。

如图11A和图11B可知，由每个球形主元件对向的立体角非常接近半球体的立体角。因此，即使不存在逆反射或重新引导光不入射在主光学元件上的其他手段，也仅仅有约5至15％不被控制，或者潜在地丢失。如果元件阵列中的末端元件没有被截断，则可以进一步减少损失。图12示出在一个末端球形元件(具有20mm的最大尺寸)的中心点处具有LED光源1201的3x3mm阵列的四元件主光学器件1200的光线跟踪。假设LED是朗伯半球形发射器。对于这种情况，光线跟踪示出光学器件1200的内表面接收由LED阵列1201发射的光1203的87％。仅仅光1202的13％通过光学器件的开口端逃出。如果LED输出小于半球形立体角(这可以通过在LED上使用不同的主透镜盖来实现)，则到达光学器件1200的光的量可以容易地被提高到高于90％。

在延长实施例中，可以采用两种科勒积分方法：单向积分或双向积分。另外，LED源几何形状可以采用两种简单的形式：通常按恒定间隔的发射器的行，沿延长光学器件的中心；或按间隔的LED簇。组合这些选择提供四种简单的布置。图13示出利用单向积分的具有圆柱形主光学器件1302的实施例1300，其中，存在直线行的发射器1301。主光学器件1302由环形成，每个环在轴向方向上是科勒积分器，但是，在圆周方向上均匀。图14示出利用双向积分的具有圆柱形主光学器件1402的实施例1400，其具有直线行的发射器1401。各个积分器类似于图1至图4所示的那些积分器。

在图13和图14中，每个独立的积分器从该行发射器1301,1401的长度的短部分接收光并对该光进行积分。因此，发射器之间的间隔应该不大于独立积分器的接受度。

如果使用多于一种的LED或其他发射器，则该行发射器1301,1401期望地形成具有不长于由科勒积分器的接受角跨越的长度的重复长度的重复图案，使得每一个积分器接收所有的可用颜色的光。最方便的是，重复长度等于由接受角跨越的长度和/或主光学器件1302,1402的每个科勒积分环的轴向长度，或者是由接受角跨越的长度和/或主光学器件1302,1402的每个科勒积分环的轴向长度的整数分数。

图15示出具有与图11A、图11B和图12所示的类似的重叠圆顶1502的结构1500，其中，类似于图13，存在单向科勒积分。如图12的实施例一样，本实施例具有多个LED阵列1501，在光学器件的基底的平面上，每一个LED阵列位于圆顶形光学壳中的相应一个的中心的下方。图16示出基于与图15类似的形状的优选实施例1600的分解图，但是，该优选实施例在圆顶1602,1604上具有双向积分。本实施例也具有多个4x4的LED阵列1601,1603。对于前述实施例，可以并入具有传感器306,601,701等的反馈光导特征103,402等。这些可以位于主光学器件1100,1200,1502,1600的每一个元件上，其中，主光学器件被形成不同的元件。然后，可以与图3和图4的光导和传感器非常类似地布置光导和传感器。可替换地，光导和传感器可以沿着主光学器件按规则的间隔定位。后一种将适合于基于圆柱形结构的实施例1300,1400。在光发射器聚群时，可以为每一个簇提供一个光导和传感器组件。当光发射器处于均匀的行的情况下，然后，光导和传感器期望地充分靠近在一起，使得每个光发射器在传感器的接受角内。

图17示出实施例1700的例子，其中，壳积分器1702也充当准直器。露出的端面示出作为弯月形透镜的壳积分器透镜的中心部分在其上表面和下表面处具有不同的曲率。在本例子中，存在具有直线行的发射器1701的单向积分。示例性的外单向圆柱形透镜1703在准直透镜的顶表面的后面，并且，示例性的内单向圆柱形透镜1704在准直透镜的内表面的前面。图18示出类似实施例1800的端视图，其中，外表面被塌缩，如箭头1807所标示，使得厚的弯月形透镜1801的出口面1802被菲涅尔透镜1804的外表面1803所替代。弯月形透镜的内表面与图17的实施例相比可能没变。菲涅尔透镜的优点是它较薄(这有利于模制)、较轻。在图18中还可见，如从光发射器1808,1809照射的光线束1805和1806所示的，科勒通道。

图19示出可调色的灯具1900，其包括几个光引擎，每一个光引擎具有壳积分器1901(其可以是上述的圆形或圆柱形设计中的任何一种)、导向传感器阵列1906的光导阵列1903、V槽形反射器1902、LED阵列1907和PCB 1908，该PCB 1908在电学和逻辑上支持和连接LED阵列1907和各个传感器1906。“V槽形反射器”是使用反射器元件的阵列的反射器，每一个反射器元件具有形成V的两个表面。光线进入凹槽，并且反射离开这两个表面。由此，这些光线在沿着凹槽继续其行进的同时在垂直于凹槽的平面上反转，并且，反射束按照沿着V槽的长度的曲线成形。图示的V槽形反射器使用TIR，使得反射光线在材料的内部，并且，光学“V槽”物理上是在反射器的后表面上的V形肋部。

相对于PCB 1908的平面以低的角度由LED阵列1907发射的光线由壳积分器1901积分，然后由V槽形反射器1902准直，如示例性光线束1904所示。以较高的角度发射的光线通过壳积分器1901的中心部分被积分，并且也可以由其准直，但是没有遇到V槽形反射器1902，如示例性光线束1905所示。合适的V槽形反射器在上述的美国专利第8,094,393号和第8,238,050号中被全面描述，并且，为了简要起见，这里不重复此描述。可以替代使用常规反射器。系统1900的优点是，光学元件可以全部被模制为一件，并且，由于V槽形反射器通过TIR操作，不需要金属化。

图21A和图21B，统称为图21，示出并入与图17所示的类似的准直弯月形透镜的大致半球形壳积分器2100的另一个实施例。由图21A中的横截面最佳可知，壳的内表面2102比半球体较少地弯曲，外表面2101比半球体更多地弯曲。由图21B中的透视图最佳可知，由于壳积分器2100的不均匀的厚度，并且，因为每一个双凸状科勒积分器近似是从光源照射的圆锥台，所以，本实施例中的可见小透镜在外表面的中间附近较大。为了审美优势，可以利用此现象。光线跟踪计算示出，壳积分器2100具有部分准直是可行的，以产生从位于壳积分器2100(壳直径为28mm)的基底平面下方的约3mm的视在点源照射的光束进入具有±61°的圆锥角的远场中。这在图21A中由示例性光线2103示出。

虽然在图21中没有被明确地示出，但是，积分器2100当然可以被设置与图4和6的光导和传感器类似的光导和传感器。积分器2100也可以通过使用与图18所示的形状类似的菲涅尔形状来被制得较薄和较低。

虽然上述实施例使用近似正方形或矩形的横截面的光导，但是其他形式的光导也是可能的。图20示出具有带V槽形光导2002的壳积分器2001的光学器件2000的例子。

对实施本发明的当前预期的最佳方式的前述描述不以限制性的意义来理解，而仅仅是用于描述本发明的一般原理的目的。从所描述的具体实施例，各种变化是可能的。例如，专利和专利申请交叉引用上述的可以有利地与本申请的教导结合的系统和方法。虽然描述了具体的实施例，但是技术人员将理解如何可以组合不同实施例的特征。

例如，描述了具有红色和薄荷色LED芯片的混合物的实施例，其中，“薄荷色”芯片通过对蓝色LED发射的磷光体下变频来提供黄色和绿色的光。其他的颜色组合也是可能的。例如，图7A中的阵列700中的32个芯片可以是4个蓝色芯片、10个琥珀色芯片和18个薄荷色芯片。例如，芯片5,11,17和23可以是蓝色的，芯片2,7,10,13,16,19,22,25,28和30可以是琥珀色的，并且，其余的芯片可以是薄荷色的。可替换地，可以使用红色、绿色和蓝色LED，或者提供合适色谱的另一种组合。可以使用直接以特定颜色发射的LED，和/或具有下变频磷光体的LED。“琥珀色”芯片提供波长比“薄荷色”芯片长但不如红色芯片长的光。一种可市售得到的“琥珀色”LED具有在约590nm的峰值发射，其中，“红色”LED可具有更靠近630nm的峰值。

用于从传感器到LED的负反馈的控制电路系统可以是例如在Norbert R.Malik,Electronic circuits:analysis,simulation,and design,Prentice Hall,1995,ISBN0023749105,9780023749100中所述的。

例如，已经提及了在XYZ色空间中产生输出的特定传感器。可以使用其他传感器，包括在其他色空间中产生输出的传感器。将传感器输出转换到正确的色空间以控制对LED芯片的输入所需的微处理器硬件和软件在本领域的普通技术和知识内。

为了简单起见，在大部分实施例中的壳积分器或壳混合器已经被描述为至少近似半球形或半圆柱形，其中，内表面和外表面同心。但是，原则上，为了满足特定灯具的审美或光学要求，可以使用任何合理的圆顶或管形状。特别地，混合器的整体曲线可以被成形为具有具体的光学功能，如图17和图18中的准直透镜所示。一旦已知圆顶的轮廓形状，科勒小透镜的阵列的计算是计算密集的，但并不是不可行的。

为了清晰起见，实施例已经在特定的朝向上被描述，通常，光源在水平面上，壳积分器在该平面的上方。例如，术语“天顶”已经被用来表示在半球体的中心的半球形壳积分器的表面上的点，其直接面向半球体的基底平面中的光源阵列的中心。但是，可以在任何取向上使用所有的实施例。取向的术语可以解释装置的不同的协作部分的相对取向或相对位置，但是，关于装置整体或任何部分的绝对位置或取向不是限制性的。

本发明的整个范围应该参考权利要求被确定。

Claims (25)

1.一种壳积分器，包括具有被形成为小透镜阵列的内表面和外表面的中空透明体，其中：

内表面的每个小透镜将在中空体内部中间的公共源区成像到外表面的相应的小透镜上；并且

外表面的每个小透镜形成内表面的相应的小透镜的虚像，所述虚像具有在公共源区的视在位置，

其特征在于，

光导沿着中空体的所述表面中的一个从在表面的中心区域的入口端到在中空体的边缘的出口端，光导入口端被成形为从公共源区接收光并沿着光导引导这种光。

2.根据权利要求1所述的壳积分器，其中，中空透明体是圆顶。

3.根据权利要求1所述的壳积分器，其中，中空透明体是延长的。

4.根据权利要求3所述的壳积分器，其中，中空透明体是大致半圆柱形的。

5.根据权利要求3所述的壳积分器，其中，中空透明体包括在各公共截断平面处联接的多个截断圆顶。

6.根据权利要求5所述的壳积分器，还包括在每个截断圆顶上的相应的所述光导。

7.根据权利要求3所述的壳积分器，其中，小透镜是横向于延长体的长度方向的环或环的弧。

8.根据权利要求3所述的壳积分器，其中，公共源区是沿着延长中空透明体的中间延伸的延长区，并且其中，内表面的每个小透镜将公共源区的长度的相应部分成像到外表面的相应的小透镜上。

9.根据权利要求1所述的壳积分器，其中，中空透明体在中心区域比在边缘厚，并且使从源区通过中空透明体发出的光部分地准直。

10.根据权利要求1所述的壳积分器，其中，中空透明体的所述表面中的至少一个是台阶式的，每一台阶在向着中心区域的一侧比在外侧厚，所述台阶形成菲涅尔透镜，并且，壳积分器使从源区通过中空透明体发出的光部分地准直。

11.根据权利要求1所述的壳积分器，其中，中空透明体和光导是单个整体件。

12.根据权利要求1所述的壳积分器，其中，光导包括肋部，所述肋部具有形成通过全内反射引导光的V形横截面的两面。

13.一种灯具，包括：

根据权利要求1所述的壳积分器；

在公共源区的光发射器；以及

在光导的出口端的光传感器，操作用来通过光导接收来自光发射器的光并通过负反馈控制光发射器。

14.一种壳积分器，包括具有被形成为小透镜阵列的内表面和外表面的延长中空透明体，其中：

内表面的每个小透镜将在中空体中间的公共源区成像到外表面的相应的小透镜上；并且

外表面的每个小透镜形成内表面的相应的小透镜的虚像，所述虚像具有在公共源区的视在位置，

其特征在于，

光导沿着中空体的所述表面中的一个从在表面的中心区域的入口端到在中空体的边缘的出口端，光导入口端被成形为从公共源区接收光并沿着光导引导这种光。

15.根据权利要求14所述的壳积分器，其中，延长体是大致半圆柱形的。

16.根据权利要求14所述的壳积分器，其中，延长体包括在各公共截断平面处联接的多个截断圆顶。

17.根据权利要求16所述的壳积分器，还包括在每个截断圆顶上的相应的所述光导。

18.根据权利要求14所述的壳积分器，其中，小透镜是横向于延长体的长度方向的环或环的弧。

19.根据权利要求14所述的壳积分器，其中，公共源区是沿着延长中空透明体的中间延伸的延长区，并且其中，内表面的每个小透镜将公共源区的长度的相应部分成像到外表面的相应的小透镜上。

20.根据权利要求14所述的壳积分器，其中，延长中空透明体在中心区域比在侧边缘厚，并且使从公共源区通过中空透明体发出的光部分地准直。

21.根据权利要求14所述的壳积分器，其中，中空透明体的所述表面中的至少一个是台阶式的，每一台阶在向着中心区域的一侧比在外侧厚，所述台阶形成菲涅尔透镜，并且，壳积分器使从源区通过中空透明体发出的光部分地准直。

22.一种壳积分器，包括具有被形成为小透镜阵列的内表面和外表面的中空透明体，其中：

内表面的每个小透镜将在中空体中间的公共源区成像到外表面的相应的小透镜上；并且

外表面的每个小透镜形成内表面的相应的小透镜的虚像，所述虚像具有在公共源区的视在位置；

其特征在于，

包括每一个具有形成V形横截面的两面的多个肋部或凹槽的反射器，被布置为使得从中空透明体的外表面的小透镜发出的来自公共源区的光反射离开所述肋部或凹槽中的一个的一面，然后，反射离开同一肋部或凹槽的另一面，并在期望的方向上射出；并且

光导沿着中空体的所述表面中的一个从在表面的中心区域的入口端到在中空体的边缘的出口端，光导入口端被成形为从公共源区接收光并沿着光导引导这种光。

23.根据权利要求22所述的壳积分器，其中，反射器被布置为引导这种光以大致准直的光束射出。

24.根据权利要求22所述的壳积分器，其中，中空透明体和反射器是单个整体件。

25.根据权利要求22所述的壳积分器，其中，所述肋部或凹槽是在反射器的背向中空透明体的表面上的肋部，并且，这种光通过全内反射被反射。