CN111149020A - 用于提高基于led的照明器的效率的折叠光学方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种混合透镜经由折射和反射来准直光源发射的光。所述透镜的折叠光学元件包括外反射表面、透镜输出表面和中空芯，所述中空芯包括具有弯曲轮廓的侧壁、芯输出边界和芯输入开口，所述光源发射的所述光通过所述芯输入开口进入所述中空芯。所述透镜的反射器接收所述光源发射的所述光，将所述光的第一部分反射到所述折叠光学元件的所述中空芯中，并且将所述光的第二部分直接透射到所述中空芯中，而不会被所述反射器反射。在一个实例中，所述透镜输出表面具有65毫米的直径，所述透镜具有约13.5毫米的厚度(在所述光源和所述透镜输出表面之间)，并且提供具有12度或更小的光束发散角的基本准直的光。

Description

用于提高基于LED的照明器的效率的折叠光学方法和装置
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2017年9月26日提交的名称为“HIGH EFFICIENCY HYBRIDOPTIC FOR LUMINAIRES”的美国临时申请序列号62/563,549的优先权，该临时申请全文以引用方式并入本文。
背景技术
常规照明器(包括筒灯和聚光灯)通常包括光学元件以聚焦光源发射的光。光学元件也可以包括在照明器中以提高光耦合效率，其定义为以下比率：1)从照明系统辐射出的光通量与周围环境的比率，以及2)光源产生的光通量的比率。表现出相对较高的光耦合效率的照明器的设计通常需要更大的光学器件，这通常导致更大的尺寸、更大的重量和更高的成本。此外，建筑环境诸如多户住宅或商业办公室通常也具有可用于安装照明器的有限的天花板或墙壁空间，这会限制照明器的尺寸并因此限制照明器的性能。
发明内容
发明人已经认识并意识到，折叠光学器件提供了发光二极管(LED)筒灯或聚光灯的诱人选择，以控制光束角和所产生光的其他方面。然而，发明人也已经认识并意识到在尝试使用此类折叠光学概念来获得高效率时出现的某些挑战。
例如，再次参考上述图1，以大发射角发射的光线(例如光线108)可能会被反射外表面114的基部折射，从而不会从光学器件100辐射出去。结果，与可提供80％-95％效率的常规光学器件相比，折叠光学器件的光耦合效率相对较低，为60％-80％。
鉴于前述内容，本文所公开的各种发明实施方式涉及用于提高基于LED的照明器(例如，结合LED光源的筒灯或聚光灯)的效率的折叠光学方法和装置。在一个或多个实施方式中，混合光学装置包括折叠光学芯和该光学装置的基部处的反射表面。在这些和其他实施方式中，反射表面准直基于LED的照明器的一个或多个LED光源发射的最宽射线，从而与仅包括折叠光学芯的光学器件相比，提高了光学器件的效率。
总而言之，在一个实例中，混合透镜经由折射和反射来准直光源发射的光。透镜的折叠光学元件包括外反射表面、透镜输出表面和中空芯，该中空芯包括具有弯曲轮廓的侧壁、芯输出边界和芯输入开口，光源发射的光通过该芯输入开口进入该中空芯。透镜的反射器接收光源发射的光，将光的第一部分反射到折叠光学元件的中空芯中，并且将光的第二部分直接透射到中空芯中，而不会被反射器反射。在一个实例中，透镜输出表面具有65毫米的直径，透镜具有约13.5毫米的厚度(在光源和透镜输出表面之间)，并且提供具有12度或更小的光束发散角的基本准直的光。
应当理解，前述概念和下面更详细讨论的附加概念的所有组合(假设此类概念并不相互矛盾)被认为是本文所公开的发明主题的一部分。特别地，出现在本公开的结尾处的要求保护的主题的所有组合被认为是本文所公开的发明主题的一部分。还应当理解，本文明确采用的也可能出现在通过引用并入的任何公开中的术语应被赋予与本文所公开的特定概念最一致的含义。
附图说明
本领域技术人员将理解，附图主要是出于说明性目的，并且无意限制本文所述的发明主题的范围。附图不一定按比例绘制；在一些情况下，本文所公开的发明主题的各方面可以在附图中被扩大或放大示出，以促进对不同特征的理解。在附图中，相同的参考特性通常指代相同的特征(例如，功能上类似和/或结构上类似的元件)。
图1A示出了不具有内部中空芯的常规折叠光学元件。
图1B示出了具有内部中空芯的常规折叠光学元件。
图2示出了根据本公开的一些实施方式的示例性混合光学装置。
图3A示出了图2的示例性混合光学装置，详细示出了中空芯和反射外表面的设计。
图3B是详细示出了关于混合光学装置的特定设计的各种设计参数的表格。
图4A是根据本公开的一些实施方式的混合光学装置中的折叠光学元件的俯视透视图。
图4B是图4A的折叠光学元件的仰视透视图。
图4C是图4A的折叠光学元件的俯视图。
图4D是图4A的折叠光学元件的前视图。
图4E是图4A的折叠光学元件的仰视图。
图4F是图4A的折叠光学元件的棱镜结构的放大视图，对应于图4E的小图B。
图4G是与形成在图4A的折叠光学元件的反射外表面上的棱镜结构有关的参数表。
图4H是基于图3B的设计参数详细示出了混合光学装置的几何形状的表。
图4I是图4E的沿标记为A-A的横截面的折叠光学元件的前视截面图。
图5A是根据本公开的一些实施方式的图4A的混合光学装置中的反射器元件的俯视透视图。
图5B是图5A的反射器元件的仰视透视图。
图5C是图5A的反射器元件的俯视图。
图5D是图5A的反射器元件的前视图。
图5E是图5A的反射器元件的仰视图。
图5F是图5E的沿标记为A-A的横截面的反射器元件的前视截面图。
图6A是图4A的混合光学装置的前视图。
图6B是图6A的根据标记为A的小图的混合光学装置的放大视图。
图7是示例性光源的图像。
具体实施方式
以下是与用于改善基于LED的照明器(例如，筒灯和聚光灯)的光耦合效率的折叠光学方法和装置有关的各种概念及其实施方式的更详细描述。应当理解，可以以多种方式来实现上面介绍的和下面将更详细讨论的各种概念。特定实施方式和应用的实例主要出于说明性目的而提供，以便使本领域技术人员能够实践对本领域技术人员显而易见的实施方式和替代方式。
以下描述的附图和示例实施方式并不旨在将本实施方式的范围限制为单个实施方案。通过互换所描述或所示元件的一些或全部，其他实施方式也是可能的。此外，在可以使用已知部件部分或完全实现所公开示例实施方式的某些元件的情况下，在一些情况下，仅描述了此类已知部件的对于理解本实施方式所必需的那些部分，并且省略了对此类已知部件的其他部分的详细描述，以免混淆本实施方式。
减小照明器中的光学元件的尺寸的一种常规方法是使用折叠光学器件。常规折叠光学器件设计的图示在图1A中示出，其包括耦合到光源104的折叠光学元件100。取决于相对于光源104的法线轴定义的发射角以及光源104上的位置，光源104发射的光可以直接或间接地从光学器件100辐射出去。例如，在光源104上的特定位置处，如果以小发射角发射光(例如光线103)，使得输出表面114处的光线103低于全内反射(TIR)的临界角，则光可以经由透射直接从光学器件100辐射出去。如果以中等发射角发射，例如光线106，则光也可以间接地从光学器件100辐射出去。如图1A所示，光线106可以经由TIR在输出表面114处反射并且在反射外表面110处反射，使得光线106以接近法线入射的方式透射通过输出表面114。通过利用输出表面114和反射外表面110两者来间接辐射以较大的发射角发射的光，与常规TIR准直仪相比，折叠光学器件100的厚度可以减小近一半。
然而，图1A所示的折叠光学器件设计的光耦合效率通常较低，因为并非光源104发射的所有光都被耦合出折叠光学器件100。例如，以大发射角发射的光，例如光线199，不会被折叠光学元件100反射，从而不会辐射出去。结果，图1A的折叠光学器件设计通常表现出约60-80％的光耦合效率，而常规TIR准直仪通常表现出约80％-95％的光耦合效率。另外，仅使用输出表面114和反射外表面110来以中等发射角间接辐射光也提供了对光的空间和角度强度分布的较少控制，这可能导致结构化的光束，诸如局部光斑和/或高强度和低强度的光环。结构化的光被认为是美学上不期望的，特别是对于布置在多家庭和住宅空间中的照明器而言。
图1B示出了另一种常规折叠光学元件设计，其中，折叠光学元件180包括耦合到光源104的中空芯102(在本文中也称为“漏斗”)。在光源104上的特定位置处，以中等发射角发射的光(例如，射线106)首先被中空芯102的侧壁折射，然后经由TIR在输出表面114处反射并且在反射外表面110处反射，最后光线106以接近法线入射的方式透射通过输出表面114。包含中空芯102提供了附加表面，例如中空芯侧壁112，以改变空间和角度强度分布，以便提供美学上更加期望的光束。然而，图1B的折叠光学元件设计的光耦合效率仍然很差。
因此，本公开针对用于提高结合有至少一个光源的照明器(诸如筒灯或聚光灯)的光耦合效率的发明装置和方法。在一些实施方式中，采用混合光学装置以提高光耦合效率，其中混合光学装置包括折叠光学元件，用于在布置在受限的天花板或墙壁空间中的照明系统中聚焦光源发射的光。还可以包括位于折叠光学元件的基部的反射器元件，用于耦合以大发射角发射的光，以提高光耦合效率。可以进一步调整混合光学元件的设计以适应具有受限尺寸、可变光源尺寸、期望的输出光束角度以及平滑的空间和角度强度分布的照明系统。
图2示出了根据一个发明实施方式的混合光学装置200的示例性设计。混合光学器件200包括具有中空芯202的折叠光学元件205和具有反射表面260的反射器元件204。示出了光源104以用于关于混合光学器件200的参考。在光源104上的特定位置处，以小发射角发射的光(例如光线203)可以直接从混合光学器件200的输出表面214辐射出去。以中等发射角发射的光(例如光线206)可以经由沿中空芯侧壁212的折射，输出表面214处的TIR以及反射外表面210处的反射而间接地从光学器件200辐射出去。以大发射角发射的光首先被反射表面260反射，并且可以：(1)直接从输出表面214辐射出去，例如，光线208，类似于以小发射角发射的光线203，或者(2)沿中空芯侧壁212折射(例如光线211)，然后在输出表面214处进行TIR，并在反射外表面210处进行反射。这样，在沿光源104的特定位置处以所有角度发射的光可以被基本上耦合出混合光学器件200，从而提高光耦合效率。
光源104发射的光耦合出混合光学器件200的方式取决于光源104上的特定位置以及发射角两者。为简单起见，光源104发射的光可以替代地根据光线进入混合光学器件200中的特定表面被分组在一起，而与光源104上的位置和发射角无关。遵循上述各种光学路径，第一光束(即光线的集合)可定义为直接通过输出表面214从混合光学器件200辐射出的光，例如光线203和208。第二光束可定义为经由沿中空芯侧壁212的折射，输出表面214处的TIR以及反射外表面210处的反射而间接地从混合光学器件200辐射出的光，例如，光线206和211。
因此，可以通过考虑反射和/或折射上述第一和第二光束的各个表面来设计混合光学器件200。例如，中空芯侧壁212和反射外表面210的曲率影响第一光束的耦合效率，而反射表面260和芯输出边界207的曲率影响第二光束的耦合效率。芯输出边界207对应于中空芯侧壁212最靠近输出表面214的边缘。芯输出边界207可以在中空芯侧壁212靠近输出表面214的端部处限定中空芯202的表面。
混合光学器件200的每个相应表面的曲率还可以取决于照明器的其他期望输出特性，诸如期望的空间和角度强度分布。例如，强度分布可以由f(x)表示，其中x是耦合出混合光学器件200的光的位置或角度。如果f(x)和一阶导数df/dx(x)表现出(如果有的话)很少不连续性，而二阶导数d2f/dx2(x)表现出(如果有的话)很少拐点，使得光对人眼而言似乎是非结构化的(例如，没有可观察到的更高或更低强度的光环)，则可以获得足够平滑的强度分布。
附加约束也可以施加在混合光学器件200上，这可以影响混合光学器件200的每个相应表面的曲率和尺寸。例如，混合光学器件200的设计可以取决于从光源104发射的光线的空间和角度分布。例如，在一些实施方式中，混合光学器件200优选地比光源104相对更大，使得光源104发射的光线基本上不随位置变化。然而，在混合光学器件200受限于由照明器限定的特定形状因数和/或嵌入式照明系统情况下的天花板或墙壁的可用空间量的情况下，也可以施加尺寸限制。混合光学器件200的设计也可能受到用于形成混合光学器件200的材料的限制。特别地，折叠光学元件205的折射率影响TIR的临界角，这又可以影响混合光学器件200的曲率和最终尺寸。
在一些实施方式中，中空芯侧壁212、芯输出边界207、反射表面260和反射外表面210的曲率可以使用自由形式的表面(例如，不均匀的有理基础样条(NURBS))来设计，这些表面是不受特定数学形式约束的表面，因此可以被调整为特定的一组约束和期望度量，例如光耦合效率、空间强度分布和角度强度分布。然而，确定自由形式的表面可能非常耗时和/或计算量大。
因此，在一些实施方式中，可以对描述中空芯侧壁212、芯输出边界207、反射表面260和反射外表面210的曲率的数学形式施加约束。例如，可以假设曲线为圆锥形表面，其可包括但不限于球形、抛物面形、椭圆形和双曲线形表面。在一些情况下，曲线可以是一般的非球面轮廓，其部分地包括形式变化的偶数阶的多项式项(例如，x2、x4、x6、x8)。利用这种方法，在更易于实现设计改进中的收敛的情况下，通过减少自由参数和/或混合光学器件200中的每个相应表面可能必须充分满足期望的输出特性和上述约束的可能解的数量以及提供平滑功能，可以显著减少设计混合光学器件200的时间和计算成本。
在一个实例中，混合光学器件200可以是通过围绕混合光学元件200的光轴z扫掠中空芯侧壁212、芯输出边界207、反射表面260和反射外表面210的横截面轮廓而形成的轴对称结构。中空芯侧壁212和反射外表面210可以被约束为具有非球面轮廓。特别地，中空芯侧壁212可以通过以下等式来描述：
Figure BDA0002426261300000061
其中c’是曲率，k’是圆锥阶，并且α′4和α′6是每个多项式项的非球面系数。对于等式(1)中，变量r’和z’分别表示沿等式(1)的非球面轮廓的径向轴的径向距离和沿光轴的垂度。变量r’和z’形成特定于中空芯侧壁212的非球面轮廓的第二坐标系，该第二坐标系可以正交于如图3A所示的混合光学器件200的径向轴r和光轴z。相对于混合光学器件200的r和z，第二坐标系的原点的位置可以被平移以调节被包括作为中空芯侧壁212的非球面轮廓的一部分，如图3A所示。在这种情况下，第二坐标系的平移使得沿z’的偏移沿r轴，而沿r’的偏移沿z轴。
反射外表面210可以通过以下等式来描述：
Figure BDA0002426261300000062
其中c是曲率，k是圆锥阶，并且α1、α2、α3和α4是每个多项式项的非球面系数。对于等式(2)，变量r和z表示沿混合光学器件200的径向轴的径向距离和沿混合光学器件200的光轴的非球面轮廓的垂度。类似于中空芯侧壁212，等式(2)中的非球面轮廓可以沿光轴z平移，以调整所包括的非球面轮廓的一部分以形成反射外表面210。例如，可以不包括靠近顶点的非球面轮廓的一部分，以在折叠光学元件205的芯输入开口209处允许输入开口。
可以假设反射表面260具有相对于光轴z成角度γ定向的线性轮廓，使得反射表面260形成沿由混合光学器件200的径向轴r和极轴θ限定的平面具有圆形横截面的截锥。反射器元件204的在芯输入开口209处重合的边缘也可被约束成与中空芯202的在芯输入开口209处重合的边缘相邻，使得光源104发射的光仅与反射表面260、中空芯侧壁212和芯输出边界207相交。
可以假设芯输出边界207具有曲率半径为R输出的球形轮廓。这样，芯输出边界207限定了具有球形曲率的表面，该表面可以至少部分地聚焦第一光束。球形轮廓还可以沿光轴z平移，以基于球形轮廓的顶点将芯输出边界207定位在距输出表面214一定距离处。
术语c’、k’、α′4、α′6、c、k、α1、α2、α3、α4、γ、R输出可以根据特定应用在特定的一组约束条件下一致地调整以满足期望度量。例如，该示例性设计方法可以用于设计混合光学器件200，该混合光学器件输出在相对于混合光学器件200的光轴限定的12度发散角内的光线215。图3B示出了对于特定应用的各种术语的示例性值，其中期望的透明孔径为32.5mm(透明孔径被定义为可用于耦合出来自光源104的光的输出表面214的半径)，厚度小于16mm，光线215被限制在与混合光学器件200的光轴成小于约12度的角度。
如上所述，折叠光学元件205包括中空芯202，使得第一光束通过芯输出边界207直接从混合光学器件200辐射出，第二光束经由沿中空芯侧壁212的折射间接地从混合光学器件200辐射出。图4A至图4F示出了示例性折叠光学元件205的各种视图。应当理解，图4A至图4F所示的折叠光学元件205的俯视图、仰视图、前视图、后视图、左视图和右视图旨在提供取向，并且可能不表示将折叠光学元件205布置在照明器中的取向。
图4A示出了折叠光学元件205的俯视透视图，详细示出了输出表面214。在一些实施方式中，折叠光学元件205可包括沿输出表面214的外围布置的唇部256，如图4C所示，以促进混合光学装置200到照明器的机械耦合和/或支撑次要光学元件以进一步修改光线215的空间和角度强度分布。例如，可以使用固定环将混合光学器件200夹紧到照明器的外壳上，在该外壳上，夹紧力主要施加到唇部256。在一些实施方式中，唇部256可以从折叠光学元件205的输出表面214突出，以减少在组装和/或操作期间输出表面214的损坏(例如，刮擦)。
图4B示出了折叠光学元件205的仰视透视图，详细示出了反射外表面210。如上所述，反射外表面210的主要功能是反射第二光束中的光线，例如光线206和211，使得光线相对于输出表面214以优选的角度取向(例如，接近输出表面214的法线入射)。图4D和图4E分别示出了反射外表面210的前视图和仰视图，详细示出了棱镜结构。在一些实施方式中，反射外表面210可以是由一系列凹槽270组成的棱镜结构，该一系列凹槽各自沿由混合光学器件200的径向轴r和极轴θ限定的平面具有V形横截面，并且凹槽轴271平行于混合光学器件200的径向坐标r对准，且符合反射外表面210的曲率，如图4D所示。凹槽270可被配置为沿形成凹槽270的两个小面272和274经由TIR反射光线206和211，如图4F所示。
凹槽270可以进一步以凹槽角度β为特征，该角度被定义为凹槽小面272和274之间的角度。β可提供附加参数以调谐光线215的空间和角度强度分布。例如，已经示出了约90.75度至约91.75度，优选地约91.25度的β导致来自混合光学器件200的光束具有相对平滑的空间和角度强度分布。相比之下，常规TIR准直仪(例如3M BEF膜)中通常使用的90度的β已被示出导致“双峰”光束，其中强度沿混合光学器件200的光轴z在光束中心处降低在美学上是不期望的。
图4G示出了针对棱镜结构的一组示例性约束，该棱镜结构由沿混合光学器件200的反射外表面210布置的多个凹槽270形成，以用于图3B的示例性设计。还示出了在输出表面214和芯输入开口209附近的凹槽270的间距275。图4H示出了非球面轮廓的列表值，其描述了针对该特定设计的反射外表面210以及凹槽270的间距275。图4H还示出了根据等式(2)的多项式项的列表值。
在一些实施方式中，反射外表面210可以涂覆有反射材料以促进光线206和211的反射。例如，反射外表面210可以涂覆有各种金属，包括但不限于银、铝、铬和金。在一些情况下，涂层可以是被配置为具有与光源104发射的光的波长基本重叠的光子带隙的电介质布拉格反射镜。粘合层可以布置在反射外表面210和涂层之间，以减少在操作和/或处理期间涂层的分层。例如，由铬或钛的薄层(厚度小于10nm)形成的粘合层可以用于其中反射涂层是另一种金属诸如金的实施方式中。
在一些实施方式中，反射外表面210可以从芯输入开口209延伸到折叠光学元件205的输出表面214。在一些实施方式中，反射外表面210可以沿芯输入开口209和输出表面214之间的外表面仅覆盖折叠光学元件205的一部分。例如，图4D示出了反射外表面210的棱镜结构终止于输出表面214的唇部256处并且与折叠光学元件205的芯输入开口209相距一定距离。折叠光学元件205的外表面在芯输入开口209和反射外表面210之间的部分可以对应于在光源104上与反射表面260相交的各个位置处以各发射角发射的光线。
在反射外表面210是棱镜的情况下，棱镜结构可以与折叠光学元件205的主体同时制造。在一些情况下，棱镜结构可以在制造后使用包括但不限于研磨、冲压、磨削、掺杂(例如，基于折射率的对比来形成棱镜结构)的方法以及本领域普通技术人员已知的任何其他方法形成。在反射外表面210具有涂层诸如金属或电介质布拉格反射镜的实施方式中，可以使用各种沉积方法来完成涂层的沉积，包括但不限于热蒸发、电子束蒸发、溅射、浸涂、化学气相沉积以及本领域普通技术人员已知的任何其他方法。
在一些实施方式中，中空芯202可以完全延伸穿过折叠光学元件205，使得不存在芯输出边界207，而是在输出表面214上存在与中空芯202重合的开口。这样，可以显著减少沿芯输出边界207和/或第一光束中的光线的输出表面214的寄生反射。在一些实施方式中，芯输出边界207可以定位在距折叠光学元件205的输出表面214一定距离处，如图4I所示。该距离可部分地基于提高可制造性的容易性来进行调整(例如，减小输出表面214对裂纹和/或断裂的脆性)。例如，该距离可以在约1mm至约2mm的范围内。另外，通过包封中空芯202，混合光学器件200还可以减少光源104暴露于周围环境，从而减少退化并延长工作寿命。在一些情况下，芯输出边界207可以是基本平坦的，使得芯输出边界207的平面基本平行于输出表面214，以降低制造复杂度。在一些情况下，芯输出边界207可具有曲率(例如，非球面轮廓或球形轮廓)，如上所述和如图4I所示，以通过将来自第一光束的光线折射到相对于输出表面214更优选的角度(例如，更接近法线入射)来提高光耦合效率。曲率还可以通过提供更平滑的空间和角度强度分布来帮助改善混合光学器件200输出的光束的外观。
在一些实施方式中，可以将涂层施加到折叠光学元件205的各个表面上。例如，可以将抗反射(AR)涂层施加到内部中空芯侧壁212和输出表面214的一部分上，以减少由于折叠光学元件205的折射率与空气之间的光学阻抗不匹配而引起的不需要的反射，从而提高光耦合效率。如果折叠光学元件205由具有与空气的折射率相比高的折射率(例如，约1的折射率)的材料形成，则此类寄生反射可能尤其明显。Ar涂层可以是一种或多种均质薄膜，其折射率在折叠光学元件205的主体与空气之间变化，从而形成折射率梯度。该梯度可以使得具有最高折射率的膜靠近折叠光学元件205的主体布置，并且使得具有最低折射率的膜靠近环境空气布置。AR涂层也可以由图案化结构组成，诸如蛾眼涂层或微米/纳米酮阵列，以在更宽的入射角范围内减少不需要的反射。图案化结构可以具有与光的波长相当或小于光的波长的特征尺寸(例如，节距、元件尺寸)。图案化结构也可以直接形成在折叠光学元件205的主体的表面上，使得不需要附加涂层或将其沉积为单独的材料并进行图案化。
在另一个实例中，可以以包层的形式施加涂层。例如，可以将涂层布置在输出表面214上以保护输出表面214免受损坏(例如，刮擦)和/或减少输出表面214的污染(例如，灰尘、污垢)，这可能导致光的不需要的外耦合，例如，相对于混合光学器件200的中心轴以不期望的角度耦合的光。包层可以由具有优选地类似于空气的折射率的材料形成，使得在输出表面214TIR的临界角基本上不受涂层影响。
可以在制造折叠光学元件205的主体之后使用各种沉积方法来施加涂层，包括但不限于热蒸发、电子束蒸发、溅射、浸涂、化学气相沉积以及本领域普通技术人员已知的任何其他方法。在一些实施方式中，可通过掺杂主体的表面来形成涂层，使得形成具有不同于折叠光学元件205的主体的折射率的层。对于图案化结构，可以使用各种图案化方法，包括但不限于光刻、电子束光刻和纳米印刷，并结合各种刻蚀方法，包括但不限于反应性离子刻蚀、湿法化学刻蚀和离子铣。
混合光学器件200中的折叠光学元件205可以由对光源104发射的光的波长透明的材料形成。例如，折叠光学元件205可以被调整以在可见波长例如400-700nm或近红外波长例如700nm-2μm下透射。还可以对材料的折射率进行另外的考虑，这可能会影响混合光学器件200的尺寸。通常，具有较高折射率的材料表现出相对于空气较小的TIR临界角，这可能导致具有较大中空芯202的混合光学器件200较厚，以适应较大范围的中等发射角。取决于期望的工作波长范围和折射率，可以使用各种硬塑料、玻璃和陶瓷，包括但不限于聚碳酸酯、丙烯酸聚合物、环烯烃聚合物(Zeonex)、聚苯乙烯、硅酸盐玻璃、氟化钙、氟化镁、硅、锗或硒化锌。材料的折射率还可以通过在材料中掺杂或引入孔隙率来进一步修改。
取决于用于形成折叠光学元件205的材料，可以使用若干制造方法来制造折叠光学元件205，包括但不限于注塑、铣削、研磨、磨削以及本领域普通技术人员已知的任何其他方法。在一些实施方式中，折叠光学元件205的一些表面(例如中空芯侧壁212、输出表面214)可以被进一步抛光以降低表面粗糙度，从而改善折叠光学元件205的光学质量，例如，通过减少导致一部分光被捕获在折叠光学元件205中的寄生光散射，可以产生更高的光耦合效率。较低的表面粗糙度还可通过增加混合光学器件200被设计来操纵的镜面反射光的比例与漫反射光的比例来导致更平滑的空间和角度强度分布。取决于用于形成折叠光学元件205的材料，可以使用各种抛光方法，包括但不限于化学机械抛光、研磨、机械加工(例如，金刚石车削)以及本领域普通技术人员已知的任何其他方法。
反射器元件204主要用于反射从光源104以较大发射角发射的光，使得光线直接从混合光学器件200辐射出去(例如光线208)，或者间接地从混合光学器件200辐射出去(例如光线211)，从而提高光耦合效率。在一些实施方式中，反射器元件204和折叠光学元件205可以形成为单个部件。在一些实施方式中，反射器元件204可以是机械地和光学地耦合到折叠光学元件205的单独部件。因此，反射器元件204和折叠光学元件205的组合形成混合光学元件200。
图5A至图5F示出了用于反射器元件204被设计为单独部件的实施方式的示例性反射器元件204的各种视图。图5A示出了反射器元件204的俯视透视图。应当理解，图5A至图5F所示的反射器元件204的俯视图、仰视图、前视图、后视图、左视图和右视图旨在提供取向，并且可能不表示将反射器元件204布置在照明器中的取向。如图5A所示，反射器元件204可以是围绕与混合光学器件200的光轴z重合的轴具有径向对称的轴对称部件。来自光源104的光通过输入开口282进入反射器元件204，并且通过输出开口280射出到折叠光学元件205的中空芯202中。反射器元件204包括反射表面260，该反射表面示出为反射器元件204在输入开口282和输出开口280之间的内表面。反射表面260可以被调整为反射的，如下面更详细地讨论的。
图5B示出了反射器元件204的仰视透视图，详细示出了输入开口282。图5C示出了反射器元件204的俯视图，详细示出了输出开口280和凸缘283的示例性尺寸。图5D示出了反射器元件204的前视图，示出了在一些实施方式中输入开口282和输出开口280之间的外表面也可以是截锥。图5E示出了反射器元件204的仰视图，详细示出了底部凸缘287，该底部凸缘可以被放置成与光源104接触或者被布置成靠近光源104(例如，以减少反射器元件204的过度加热)。图5F示出了沿图5E中标记为A-A的横截面的横剖视图。如图所示，反射表面260可以具有线性轮廓，该线性轮廓取向成与混合光学器件200的光轴z成角度γ。在反射器元件204的该特定实例中，角度γ为约39.8度。
在一些实施方式中，反射器元件204可以被设计成支持在升高的温度(例如，高达约150℃)下的操作，以适应来自光源104的热量。反射器元件204还可包括顶部凸缘283，该顶部凸缘在芯输入开口209处耦合至折叠光学元件205的对应凸缘284。可以使用各种附接方法将凸缘283和284耦合在一起，包括但不限于超声焊接、聚合物粘合剂、机械咬合特征，将透镜按压并固定到反射器上的环，或本领域普通技术人员已知的任何其他方法。在一些实施方式中，凸缘283可包括第一耦合特征，诸如图6A和图6B所示的接头285，以促进反射器元件204和折叠光学元件205之间的对准以及增加可用于结合的表面。凸缘284可包括对应的第二耦合特征，诸如腔286，以机械地对准如图6B所示的接头285。在一些实施方式中，凸缘283和284可被有意地粗糙化，以便增加可用于结合的表面积。在一些实施方式中，可以使用多个接头285和腔286和/或对应的凹槽来促进反射器元件204与折叠光学元件205的对准和组装。
反射器元件204可以由各种金属形成，包括但不限于铝、黄铜和不锈钢。在其他实施方式中，反射器可以由非反射材料形成，诸如聚碳酸酯、丙烯酸聚合物、环烯烃聚合物(Zeonex)、聚苯乙烯，并且涂覆有反射材料诸如铬、铝、银、金或电介质布拉格反射镜涂层。取决于用于形成反射器元件204的材料，可以使用若干制造方法来制造反射器元件204，包括注塑、铣削、抛光、研磨、磨削或本领域普通技术人员已知的任何其他方法。反射涂层也可以使用本领域已知的任何沉积方法来施加，包括热蒸发、电子束蒸发、溅射、浸涂或化学气相沉积。粘合层可以布置在反射外表面210和涂层之间，以减少在操作和/或处理期间涂层的分层。例如，由铬或钛的薄层(厚度小于10nm)形成的粘合层可以用于其中反射涂层是另一种金属诸如金的实施方式中。
在一些实施方式中，反射器元件204可以由与折叠光学元件205相同的材料形成，以便于组装。例如，具有基本相似的化学组成的材料可以经由超声焊接更容易地耦合在一起。此外，取决于用于制造的方法，反射器元件204的反射表面260可以被抛光以通过降低表面粗糙度来改善光学质量。取决于用于形成折叠光学元件205的材料，可以使用各种抛光方法，包括但不限于化学机械抛光、研磨、机械加工(例如，金刚石车削)以及本领域普通技术人员已知的任何其他方法。在其中折叠光学元件205和反射器元件204被制造为单个部件的实施方式中，反射器元件204的反射表面260仍可以使用上述沉积方法结合施加到中空芯侧壁212和芯输出边界207的掩模来涂覆反射材料以保持透明。
应当理解，本公开中描述的混合光学器件200可以与各种电光设备一起使用，包括但不限于发光二极管(LED，诸如来自Cree的XLamp LED)、有机发光二极管(OLED)或聚合物发光二极管(PLED)。光源104可以包括各自发光的一个或多个LED。例如，图7示出了示例性光源104，其中多个LED布置在光源104的圆形区域内。如上所述，混合光学器件200可以被设计和调整为用于特定光源104。反射器元件204的输入开口282的尺寸也可以被设计成足够大，使得光源104发射的光基本上进入由反射器元件204的反射表面260和折叠光学元件205的中空芯202限定的内部腔。
发明概述
尽管已经在本文中描述和示出了各种发明实施方式，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能和/或获得结果和/或本文所述的一个或多个优点的多种其他装置和/或结构，并且此类变化和/或修改中的每个都被认为在本文所述的发明实施方式的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易地理解，本文所述的所有参数和配置旨在作为示例性发明特征，并且可以实现本文所述的特定发明实施方式的其他等同形式。因此，应当理解，前述实施方式是作为实例给出的，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，可以以不同于具体描述和要求保护的方式来实践本发明的实施方式。本公开的发明实施方式针对本文所述的每个单独的特征、系统、制品和/或方法。另外，如果此类特征、系统、制品和/或方法不是相互矛盾的，则两个或更多个此类特征、系统、制品和/或方法的任何组合都包括在本公开的发明范围内。
而且，各种发明概念可以体现为一种或多种方法，已经提供了其实例。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造其中以与所示顺序不同的顺序执行动作的实施方式，其可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施方式中被示为顺序动作。
本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献通过引用整体并入本文。
如本文所定义和使用的所有定义应被理解为控制词典定义，通过引用并入的文档中的定义和/或所定义术语的普通含义。
除非明确指出相反的含义，否则本文中在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一个”和“一种”应理解为表示“至少一个”。
在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应当理解为表示这样结合的元件中的“任一者或两者”，即在一些情况下共同存在而在其他情况下不连续存在的元件。用“和/或”列出的多个元件应以相同的方式解释，即，这样结合的元件中的“一者或多者”。除了由“和/或”子句具体指出的元件之外，还可以任选地存在其他元件，无论与具体指出的那些元件相关还是无关。因此，作为非限制性实例，在与开放式语言诸如“包括”结合使用时，对“A和/或B”的引用在一种实施方式中可以仅指A(任选地包括除B之外的元件)；在另一种实施方式中，仅指B(任选地包括除A之外的元件)；在又一种实施方式中，指A和B两者(任选地包括其他元件)等等。
如本文在说明书和权利要求书中所使用的，“或”应被理解为具有与如上文所定义的“和/或”相同的含义。例如，当将列表中的项目分开时，“或”或“和/或”应解释为包括的，即包括多个元件或元件列表中的至少一个(还包括一个以上)以及任选地其他未列出的项目。仅明确指出相反的术语，诸如“仅一个”或“恰好一个”，或当在权利要求书中使用时，“由…组成”将指包括多个元件或元件列表中的恰好一个元件。一般地，本文所使用的术语“或”仅应解释为在排他性术语诸如“任一个”、“一个”、“仅一个”或“恰好一个”之前指示排他的替代方式(即“一者或另一者，但并非两者”)。当在权利要求书中使用时，“基本上由…组成”应具有其在专利法领域中所使用的普通含义。
如本文在说明书和权利要求书中所使用的，在提及一个或多个元件的列表时，短语“至少一个”应理解为指选自该元件列表中的任何一个或多个元件的至少一个元件，但不一定包括元件列表中具体列出的每个元件中的至少一个，并且不排除元件列表中的元件的任何组合。除了短语“至少一个”所指的元件列表中具体指出的元件之外，该定义还允许任选地存在其他元件，无论与具体指出的那些元件相关还是无关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等效地“A或B中的至少一个”，或等效地“A和/或B中的至少一个”)在一种实施方式中可以指至少一个，任选地包括一个以上的A，不存在B(并且任选地包括除B之外的元件)；在另一种实施方式中，指至少一个，任选地包括一个以上的B，不存在A(并且任选地包括除A之外的元件)；在又一种实施方式中，指至少一个，任选地包括一个以上的A，以及至少一个，任选地包括一个以上的B(并且任选地包括其他元件)等等。
在权利要求书以及以上说明书中，所有过渡短语，诸如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“涵盖”、“涉及”、“容纳”、“由…组成”等都应理解为开放式的，即指包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，只有过渡短语“由…组成”和“基本上由…组成”才应分别是封闭的或半封闭的过渡短语。

Claims (98)

1.一种混合透镜(200)，用于在光源(104)工作期间经由所述光源发射的光(203、206、208、211)中的至少一些的折射和反射来准直所述光源发射的所述光，所述混合透镜包括：
折叠光学元件(205)，所述折叠光学元件包括：
外反射表面(210)；
透镜输出表面(214)，基本准直的光(215)从所述透镜输出表面离开所述混合透镜；以及
中空芯(202)，所述中空芯包括：
具有弯曲轮廓的侧壁(212)；
芯输出边界(207)，所述芯输出边界靠近或对准所述折叠光学元件的所述透镜输出表面；以及
芯输入开口(209)，所述光源发射的所述光通过所述芯输入开口进入所述中空芯；以及
反射器(204)，所述反射器光学地耦合到所述折叠光学元件的所述中空芯的所述芯输入开口，以接收所述光源发射的所述光，将所述光源发射的所述光的第一部分反射到所述折叠光学元件的所述中空芯中，并且将所述光源发射的所述光的第二部分直接透射到所述中空芯中，而不会被所述反射器反射。
2.如权利要求1所述的混合透镜，其中：
在所述光源工作期间，所述光源发射的所述光包括：
所述光源在所述光源的发射表面上的第一位置处以相对于所述光源的所述发射表面的法线(216)的第一发射角发射的第一光线(203)；
所述光源在所述光源的所述发射表面上的第二位置处以相对于所述光源的所述发射表面的所述法线的第二发射角发射的第二光线(206)；
所述光源在所述光源的所述发射表面上的第三位置处以相对于所述光源的所述发射表面的所述法线的第三发射角发射的第三光线(208)；以及
所述光源在所述光源的所述发射表面上的第四位置处以相对于所述光源的所述发射表面的所述法线的第四发射角发射的第四光线(211)；
所述第一光线首先进入所述反射器，然后进入所述中空芯而不被所述反射器反射，然后透射通过所述中空芯的所述芯输出边界；
所述第二光线首先进入所述反射器，然后进入所述中空芯而不被所述反射器反射，然后在所述中空芯的所述侧壁处折射，然后在所述折叠光学元件的所述透镜输出表面处反射，然后在所述折叠光学元件的所述外反射表面处反射，然后透射通过所述折叠光学元件的所述透镜输出表面；
所述第三光线首先进入所述反射器并被所述反射器反射到所述中空芯中，然后透射通过所述中空芯的所述芯输出边界；并且
所述第四光线首先进入所述反射器并被所述反射器反射到所述中空芯中，然后在所述中空芯的所述侧壁处折射，然后在所述折叠光学元件的所述透镜输出表面处反射，然后在所述折叠光学元件的所述外反射表面处反射，然后透射通过所述折叠光学元件的所述透镜输出表面。
3.如权利要求1所述的混合透镜，其中在所述光源工作期间：
第一光束首先进入所述反射器，然后进入所述中空芯而不被所述反射器反射，然后透射通过所述中空芯的所述芯输出边界；
第二光束首先进入所述反射器，然后进入所述中空芯而不被所述反射器反射，然后在所述中空芯的所述侧壁处折射，然后在所述折叠光学元件的所述透镜输出表面处反射，然后在所述折叠光学元件的所述外反射表面处反射，然后透射通过所述折叠光学元件的所述透镜输出表面；
第三光束首先进入所述反射器并被所述反射器反射到所述中空芯中，然后透射通过所述中空芯的所述芯输出边界；并且
第四光束首先进入所述反射器并被所述反射器反射到所述中空芯中，然后在所述中空芯的所述侧壁处折射，然后在所述折叠光学元件的所述透镜输出表面处反射，然后在所述折叠光学元件的所述外反射表面处反射，然后透射通过所述折叠光学元件的所述透镜输出表面。
4.如权利要求1所述的混合透镜，其中所述折叠光学元件的所述外反射表面包括第一反射涂层。
5.如权利要求1所述的混合透镜，其中所述折叠光学元件的所述外反射表面包括多个三角形凹槽，所述多个三角形凹槽在所述外反射表面中形成对应的全内反射(TIR)棱镜。
6.如权利要求5所述的混合透镜，其中：
所述多个三角形凹槽中的每个三角形凹槽都具有工具尖角；并且
所述工具尖角不是90度。
7.如权利要求6所述的混合透镜，其中所述工具尖角为91.25度。
8.如权利要求6所述的混合透镜，其中所述工具尖角为91.25度±0.5度。
9.如权利要求1所述的混合透镜，其中所述折叠光学元件的所述外反射表面由第一曲线限定。
10.如权利要求9所述的混合透镜，其中所述第一曲线具有第一非球面轮廓。
11.如权利要求10所述的混合透镜，其中所述第一非球面轮廓由第一关系限定：
Figure FDA0002426261290000021
其中z是沿由所述混合透镜的光轴限定的第一坐标轴的值，并且由所述第一关系给出的z是沿所述第一坐标轴的第一位移分量，其从所述第一非球面轮廓的顶点起，在与所述第一坐标轴的对应距离r处，所述外反射表面上的点位于该处。
12.如权利要求10所述的混合透镜，其中：
所述折叠光学元件的所述外反射表面包括多个三角形凹槽，所述多个三角形凹槽在所述外反射表面中形成对应的全内反射(TIR)棱镜；
所述多个三角形凹槽中的每个三角形凹槽都具有工具尖角；并且
所述工具尖角不是90度。
13.如权利要求12所述的混合透镜，其中所述工具尖角为91.25度。
14.如权利要求12所述的混合透镜，其中所述工具尖角为91.25度±0.5度。
15.如权利要求1所述的混合透镜，其中所述中空芯的所述侧壁由第二曲线限定。
16.如权利要求15所述的混合透镜，其中所述第二曲线具有第二非球面轮廓。
17.如权利要求16所述的混合透镜，其中所述第二非球面轮廓由第二关系限定：
Figure FDA0002426261290000031
其中z’是沿垂直于所述混合透镜的所述光轴的第二坐标轴的值，并且由所述第二关系给出的z’是沿所述第二坐标轴的第二位移分量，其从所述第二非球面轮廓的顶点起，在与所述第二坐标轴的对应距离r’处，所述侧壁上的点位于该处。
18.如权利要求17所述的混合透镜，其中通过围绕所述混合透镜的所述光轴以所述第二非球面轮廓的所述顶点和所述混合透镜的所述光轴之间的预定偏移距离旋转所述第二非球面轮廓的一部分来在所述折叠光学元件中限定所述中空芯。
19.如权利要求18所述的混合透镜，其中：
所述折叠光学元件的所述外反射表面由第一曲线限定；
所述第一曲线具有第一非球面轮廓；并且
所述第一非球面轮廓由第一关系限定：
Figure FDA0002426261290000032
其中z是沿由所述混合透镜的光轴限定的第一坐标轴的值，并且由所述第一关系给出的z是沿所述第一坐标轴的位移分量，其从所述第一非球面轮廓的顶点起，在与所述第一坐标轴的对应距离r处，所述外反射表面上的点位于该处。
20.如权利要求19所述的混合透镜，其中：
所述折叠光学元件的所述外反射表面包括多个三角形凹槽，所述多个三角形凹槽在所述外反射表面中形成对应的全内反射(TIR)棱镜；
所述多个三角形凹槽中的每个三角形凹槽都具有工具尖角；并且
所述工具尖角不是90度。
21.如权利要求20所述的混合透镜，其中所述工具尖角为91.25度。
22.如权利要求20所述的混合透镜，其中所述工具尖角为91.25度±0.5度。
23.如权利要求1所述的混合透镜，其中所述芯输出边界基本平坦。
24.如权利要求1所述的混合透镜，其中所述芯输出边界由第三曲线限定。
25.如权利要求24所述的混合透镜，其中所述第三曲线具有圆形轮廓。
26.如权利要求24所述的混合透镜，其中所述第三曲线具有第三非球面轮廓。
27.如权利要求1所述的混合透镜，其中所述芯输出边界从所述透镜输出表面偏移并且在所述折叠光学元件内，使得所述中空芯被所述透镜输出表面包围。
28.如权利要求1所述的混合透镜，其中所述芯输出边界平行于所述透镜输出表面，并且在所述透镜输出表面中构成芯输出开口，使得所述中空芯完全穿过所述折叠光学元件。
29.如权利要求1所述的混合透镜，其中所述反射器是抛光铝。
30.如权利要求1所述的混合透镜，其中所述反射器是镀铬聚碳酸酯。
31.如权利要求1所述的混合透镜，其中所述反射器是锥形的。
32.如权利要求31所述的混合透镜，其中所述锥形反射器包括：
具有反射侧壁的中空内部部分；
反射器输入开口，用于接收所述光源发射的所述光；以及
反射器输出开口，所述反射器输出开口与所述折叠光学元件的所述芯输入开口对准，并且所述光源发射的所述光通过所述反射器输出开口穿出所述反射器并进入所述折叠光学元件的所述中空芯。
33.如权利要求32所述的混合透镜，其中当所述混合透镜耦合到所述光源时，所述反射器的所述中空内部部分的所述反射侧壁相对于所述光源的发射表面的法线的角大约为40度。
34.如权利要求32所述的混合透镜，其中：
所述反射器是铝；并且
所述反射侧壁是抛光铝。
35.如权利要求32所述的混合透镜，其中：
所述反射器包括聚碳酸酯；并且
所述反射侧壁包括所述聚碳酸酯上的反射涂层。
36.如权利要求35所述的混合透镜，其中所述反射涂层是铬。
37.如权利要求35所述的混合透镜，其中所述折叠光学元件和所述反射器是机械耦合在一起的单独部件。
38.如权利要求37所述的混合透镜，其中所述折叠光学元件是聚碳酸酯。
39.如权利要求38所述的混合透镜，其中：
所述反射器包括至少一个第一耦合特征；并且
所述折叠光学元件包括至少一个第二耦合特征，所述至少一个第二耦合特征与所述反射器的所述至少一个第一耦合特征互补，以促进所述反射器和所述折叠光学元件的机械耦合。
40.如权利要求39所述的混合透镜，其中：
所述至少一个第一耦合特征包括至少一个接头；并且
所述至少一个第二耦合特征包括至少一个腔，所述至少一个接头插入到所述至少一个腔中，以促进所述反射器和所述折叠光学元件的超声结合。
41.如权利要求32所述的混合透镜，其中所述中空芯的所述侧壁由第二曲线限定。
42.如权利要求41所述的混合透镜，其中所述第二曲线具有第二非球面轮廓。
43.如权利要求42所述的混合透镜，其中所述第二非球面轮廓由第二关系限定：
Figure FDA0002426261290000051
其中z’是沿垂直于所述混合透镜的所述光轴的第二坐标轴的值，并且由所述第二关系给出的z’是沿所述第二坐标轴的第二位移分量，其从所述第二非球面轮廓的顶点起，在与所述第二坐标轴的对应距离r’处，所述侧壁上的点位于该处。
44.如权利要求43所述的混合透镜，其中通过围绕所述混合透镜的所述光轴以所述第二非球面轮廓的所述顶点和所述混合透镜的所述光轴之间的预定偏移距离旋转所述第二非球面轮廓的一部分来在所述折叠光学元件中限定所述中空芯。
45.如权利要求44所述的混合透镜，其中：
所述折叠光学元件的所述外反射表面由第一曲线限定；
所述第一曲线具有第一非球面轮廓；并且
所述第一非球面轮廓由第一关系限定：
Figure FDA0002426261290000052
其中z是沿由所述混合透镜的光轴限定的第一坐标轴的值，并且由所述第一关系给出的z是沿所述第一坐标轴的位移分量，其从所述第一非球面轮廓的顶点起，在与所述第一坐标轴的对应距离r处，所述外反射表面上的点位于该处。
46.如权利要求45所述的混合透镜，其中：
所述折叠光学元件的所述外反射表面包括多个三角形凹槽，所述多个三角形凹槽在所述外反射表面中形成对应的全内反射(TIR)棱镜；
所述多个三角形凹槽中的每个三角形凹槽都具有工具尖角；并且
所述工具尖角不是90度。
47.如权利要求46所述的混合透镜，其中所述工具尖角为91.25度。
48.如权利要求46所述的混合透镜，其中所述工具尖角为91.25度±0.5度。
49.如权利要求46所述的混合透镜，其中所述芯输出边界基本平坦。
50.如权利要求46所述的混合透镜，其中所述芯输出边界由第三曲线限定。
51.如权利要求50所述的混合透镜，其中所述第三曲线具有圆形轮廓。
52.如权利要求50所述的混合透镜，其中所述第三曲线具有第三非球面轮廓。
53.如权利要求46所述的混合透镜，其中所述芯输出边界从所述透镜输出表面偏移并且在所述折叠光学元件内，使得所述中空芯被所述透镜输出表面包围。
54.如权利要求46所述的混合透镜，其中所述芯输出边界平行于所述透镜输出表面，并且在所述透镜输出表面中构成芯输出开口，使得所述中空芯完全穿过所述折叠光学元件。
55.如权利要求46所述的混合透镜，其中：
所述基本准直的光从其离开所述混合透镜的所述透镜输出表面具有圆形形状以及大约为或等于65毫米的直径(250)；
所述混合透镜在所述透镜输出表面和所述反射器的用于接收所述光源发射的所述光的反射器输入开口之间的厚度尺寸(252)小于或大约等于13.5毫米；并且
离开所述混合透镜的所述基本准直的光的光束发散角大约为或等于12度。
56.如权利要求55所述的混合透镜，还包括所述光源，其中：
所述光源是具有大约为或等于9毫米的圆直径的基于LED的光源，并且所述基于LED的光源发射的所述光的光束角大约为115度。
57.如权利要求56所述的混合透镜，其中所述反射器输入开口的直径大约为或等于10毫米。
58.如权利要求1至54中任一项所述的混合透镜，其中：
所述基本准直的光从其离开所述混合透镜的所述透镜输出表面具有圆形形状以及大约为或等于65毫米的直径(250)；
所述混合透镜在所述透镜输出表面和所述反射器的用于接收所述光源发射的所述光的反射器输入开口之间的厚度尺寸(252)小于或大约等于13.5毫米；并且
离开所述混合透镜的所述基本准直的光的光束发散角大约为或等于12度。
59.如权利要求58所述的混合透镜，还包括所述光源，其中：
所述光源是具有大约为或等于9毫米的圆直径的基于LED的光源，并且所述基于LED的光源发射的所述光的光束角大约为115度。
60.如权利要求59所述的混合透镜，其中所述反射器输入开口的直径大约为或等于10毫米。
61.如权利要求1所述的混合透镜，其中所述基本准直的光从其离开所述混合透镜的所述透镜输出表面具有圆形形状以及小于70毫米的直径(250)。
62.如权利要求61所述的混合透镜，其中所述透镜输出表面的直径大约为65毫米。
63.如权利要求1所述的混合透镜，其中所述混合透镜在所述透镜输出表面和所述反射器的用于接收所述光源发射的所述光的反射器输入开口之间的厚度尺寸(252)小于15毫米。
64.如权利要求63所述的混合透镜，其中所述混合透镜的所述厚度尺寸小于或大约等于13.5毫米。
65.如权利要求1所述的混合透镜，其中离开所述混合透镜的所述基本准直的光的光束发散角小于15度。
66.如权利要求65所述的混合透镜，其中所述光束发散角大约为或等于12度。
67.如权利要求65所述的混合透镜，其中所述光束发散角大约为或等于10度。
68.如权利要求1所述的混合透镜，还包括所述光源，其中：
所述光源是具有大约为或等于9毫米的圆直径的基于LED的光源，并且所述基于LED的光源发射的所述光的光束角大约为115度。
69.如权利要求1所述的混合透镜，其中：
所述基本准直的光从其离开所述混合透镜的所述透镜输出表面具有圆形形状以及大约为或等于65毫米的直径(250)；
所述混合透镜在所述透镜输出表面和所述反射器的用于接收所述光源发射的所述光的反射器输入开口之间的厚度尺寸(252)小于或大约等于13.5毫米；并且
离开所述混合透镜的所述基本准直的光的光束发散角大约为或等于12度。
70.如权利要求69所述的混合透镜，还包括所述光源，其中：
所述光源是具有大约为或等于9毫米的圆直径的基于LED的光源，并且所述基于LED的光源发射的所述光的光束角大约为115度。
71.如权利要求70所述的混合透镜，其中所述反射器输入开口的直径大约为或等于10毫米。
72.一种用于在光源工作期间经由所述光源发射的光中的至少一些的折射和反射来基本准直所述光源发射的所述光的方法，所述方法包括：
由反射器接收所述光源发射的光；
使所述光源发射的所述光的第一部分反射到折叠光学元件的中空芯中；并且
使所述光源发射的所述光的第二部分透射通过所述反射器并透射到所述折叠光学元件的所述中空芯中，而不会被所述反射器反射。
73.如权利要求72所述的方法，包括：
使第一光束首先进入所述反射器，然后进入所述折叠光学元件的所述中空芯而不被所述反射器反射；
然后使所述第一光束透射通过所述中空芯的芯输出边界；
使第二光束首先进入所述反射器，然后进入所述中空芯而不被所述反射器反射；
然后使所述第二光束在所述中空芯的侧壁处折射；
然后使所述第二光束在所述折叠光学元件的透镜输出表面处反射；
然后使所述第二光束在所述折叠光学元件的外反射表面处反射；
然后使所述第二光束透射通过所述折叠光学元件的所述透镜输出表面；
使第三光束首先进入所述反射器；
使所述第三光束反射到所述中空芯中；
然后使所述第三光束透射通过所述中空芯的所述芯输出边界；
使第四光束首先进入所述反射器；
使所述第四光束反射到所述中空芯中；
使所述第四光束在所述中空芯的所述侧壁处折射；
然后使所述第四光束在所述折叠光学元件的所述透镜输出表面处反射；
然后使所述第四光束在所述折叠光学元件的所述外反射表面处反射；并且
然后使所述第四光束透射通过所述折叠光学元件的所述透镜输出表面。
74.如权利要求72所述的方法，其中所述折叠光学元件包括由具有第一非球面轮廓的第一曲线限定的外反射表面。
75.如权利要求74所述的方法，其中所述中空芯包括由具有第二非球面轮廓的第二曲线限定的侧壁。
76.如权利要求75所述的方法，其中所述第一非球面轮廓由第一关系限定：
Figure FDA0002426261290000091
其中z是沿由所述折叠光学元件的光轴限定的第一坐标轴的值，并且由所述第一关系给出的z是沿所述第一坐标轴的第一位移分量，其从所述第一非球面轮廓的顶点起，在与所述第一坐标轴的对应距离r处，所述外反射表面上的点位于该处。
77.如权利要求76所述的方法，其中所述第二非球面轮廓由第二关系限定：
Figure FDA0002426261290000092
其中z’是沿垂直于所述折叠光学元件的所述光轴的第二坐标轴的值，并且由所述第二关系给出的z’是沿所述第二坐标轴的第二位移分量，其从所述第二非球面轮廓的顶点起，在与所述第二坐标轴的对应距离r’处，所述侧壁上的点位于该处。
78.如权利要求77所述的方法，其中通过围绕所述折叠光学元件的所述光轴以所述第二非球面轮廓的所述顶点和所述折叠光学元件的所述光轴之间的预定偏移距离旋转所述第二非球面轮廓的一部分来在所述折叠光学元件中限定所述中空芯。
79.如权利要求78所述的方法，其中：
所述折叠光学元件的所述外反射表面包括多个三角形凹槽，所述多个三角形凹槽在所述外反射表面中形成对应的全内反射(TIR)棱镜；
所述多个三角形凹槽中的每个三角形凹槽都具有工具尖角；并且
所述工具尖角不是90度。
80.如权利要求79所述的方法，其中所述工具尖角为91.25度。
81.如权利要求79所述的混合透镜，其中所述工具尖角为91.25度±0.5度。
82.如权利要求79所述的方法，包括：
使第一光束首先进入所述反射器，然后进入所述折叠光学元件的所述中空芯而不被所述反射器反射；
然后使所述第一光束透射通过所述中空芯的芯输出边界；
使第二光束首先进入所述反射器，然后进入所述中空芯而不被所述反射器反射；
然后使所述第二光束在所述中空芯的侧壁处折射；
然后使所述第二光束在所述折叠光学元件的透镜输出表面处反射；
然后使所述第二光束在所述折叠光学元件的外反射表面处反射；
然后使所述第二光束透射通过所述折叠光学元件的所述透镜输出表面；
使第三光束首先进入所述反射器；
使所述第三光束反射到所述中空芯中；
然后使所述第三光束透射通过所述中空芯的所述芯输出边界；
使第四光束首先进入所述反射器；
使所述第四光束反射到所述中空芯中；
使所述第四光束在所述中空芯的所述侧壁处折射；
然后使所述第四光束在所述折叠光学元件的所述透镜输出表面处反射；
然后使所述第四光束在所述折叠光学元件的所述外反射表面处反射；并且
然后使所述第四光束透射通过所述折叠光学元件的所述透镜输出表面。
83.一种混合透镜(200)，用于在光源(104)工作期间经由所述光源发射的光(203、206、208、211)中的至少一些的折射和反射来准直所述光源发射的所述光，所述混合透镜包括：
折叠光学元件(205)，所述折叠光学元件包括：
外反射表面(210)；
透镜输出表面(214)，基本准直的光(215)从所述透镜输出表面离开所述混合透镜；以及
中空芯(202)，所述中空芯包括：
具有弯曲轮廓的侧壁(212)；
芯输出边界(207)，所述芯输出边界靠近或对准所述折叠光学元件的所述透镜输出表面；以及
芯输入开口(209)，所述光源发射的所述光通过所述芯输入开口进入所述中空芯；以及
反射器(204)，所述反射器光学地耦合到所述折叠光学元件的所述中空芯的所述芯输入开口，以接收所述光源发射的所述光，将所述光源发射的所述光的第一部分反射到所述折叠光学元件的所述中空芯中，并且将所述光源发射的所述光的第二部分直接透射到所述中空芯中，而不会被所述反射器反射，
其中：
所述折叠光学元件的所述外反射表面由具有第一非球面轮廓的第一曲线限定；
所述中空芯的所述侧壁由具有第二非球面轮廓的第二曲线限定；
所述第一非球面轮廓由第一关系限定：
Figure FDA0002426261290000101
其中z是沿由所述折叠光学元件的光轴限定的第一坐标轴的值，并且由所述第一关系给出的z是沿所述第一坐标轴的第一位移分量，其从所述第一非球面轮廓的顶点起，在与所述第一坐标轴的对应距离r处，所述外反射表面上的点位于该处；
所述第二非球面轮廓由第二关系限定：
Figure FDA0002426261290000111
其中z’是沿垂直于所述折叠光学元件的所述光轴的第二坐标轴的值，并且由所述第二关系给出的z’是沿所述第二坐标轴的第二位移分量，其从所述第二非球面轮廓的顶点起，在与所述第二坐标轴的对应距离r’处，所述侧壁上的点位于该处；并且
通过围绕所述折叠光学元件的所述光轴以所述第二非球面轮廓的所述顶点和所述折叠光学元件的所述光轴之间的预定偏移距离旋转所述第二非球面轮廓的一部分来在所述折叠光学元件中限定所述中空芯。
84.如权利要求83所述的混合透镜，其中在所述光源工作期间：
第一光束首先进入所述反射器，然后进入所述中空芯而不被所述反射器反射，然后透射通过所述中空芯的所述芯输出边界；
第二光束首先进入所述反射器，然后进入所述中空芯而不被所述反射器反射，然后在所述中空芯的所述侧壁处折射，然后在所述折叠光学元件的所述透镜输出表面处反射，然后在所述折叠光学元件的所述外反射表面处反射，然后透射通过所述折叠光学元件的所述透镜输出表面；
第三光束首先进入所述反射器并被所述反射器反射到所述中空芯中，然后透射通过所述中空芯的所述芯输出边界；并且
第四光束首先进入所述反射器并被所述反射器反射到所述中空芯中，然后在所述中空芯的所述侧壁处折射，然后在所述折叠光学元件的所述透镜输出表面处反射，然后在所述折叠光学元件的所述外反射表面处反射，然后透射通过所述折叠光学元件的所述透镜输出表面。
85.如权利要求84所述的混合透镜，其中：
所述折叠光学元件的所述外反射表面包括多个三角形凹槽，所述多个三角形凹槽在所述外反射表面中形成对应的全内反射(TIR)棱镜；
所述多个三角形凹槽中的每个三角形凹槽都具有工具尖角；并且
所述工具尖角不是90度。
86.如权利要求85所述的混合透镜，其中所述工具尖角为91.25度。
87.如权利要求85所述的混合透镜，其中所述工具尖角为91.25度±0.5度。
88.如权利要求85所述的混合透镜，其中所述反射器是锥形的并且包括：
具有反射侧壁的中空内部部分；
反射器输入开口，用于接收所述光源发射的所述光；以及
反射器输出开口，所述反射器输出开口与所述折叠光学元件的所述芯输入开口对准，并且所述光源发射的所述光通过所述反射器输出开口穿出所述反射器并进入所述折叠光学元件的所述中空芯。
89.如权利要求88所述的混合透镜，其中当所述混合透镜耦合到所述光源时，所述反射器的所述中空内部部分的所述反射侧壁相对于所述光源的发射表面的法线的角大约为40度。
90.如权利要求89所述的混合透镜，其中：
所述反射器包括聚碳酸酯；并且
所述反射侧壁包括所述聚碳酸酯上的反射涂层。
91.如权利要求90所述的混合透镜，其中所述反射涂层是铬。
92.如权利要求88所述的混合透镜，其中所述折叠光学元件和所述反射器是机械耦合在一起的单独部件。
93.如权利要求92所述的混合透镜，其中所述折叠光学元件是聚碳酸酯。
94.如权利要求93所述的混合透镜，其中：
所述反射器包括至少一个第一耦合特征；并且
所述折叠光学元件包括至少一个第二耦合特征，所述至少一个第二耦合特征与所述反射器的所述至少一个第一耦合特征互补，以促进所述反射器和所述折叠光学元件的机械耦合。
95.如权利要求94所述的混合透镜，其中：
所述至少一个第一耦合特征包括至少一个接头；并且
所述至少一个第二耦合特征包括至少一个腔，所述至少一个接头插入到所述至少一个腔中，以促进所述反射器和所述折叠光学元件的超声结合。
96.如权利要求88所述的混合透镜，其中：
所述基本准直的光从其离开所述混合透镜的所述透镜输出表面具有圆形形状以及大约为或等于65毫米的直径(250)；
所述混合透镜在所述透镜输出表面和所述反射器的用于接收所述光源发射的所述光的反射器输入开口之间的厚度尺寸(252)小于或大约等于13.5毫米；并且
离开所述混合透镜的所述基本准直的光的光束发散角大约为或等于12度。
97.如权利要求96所述的混合透镜，还包括所述光源，其中：
所述光源是具有大约为或等于9毫米的圆直径的基于LED的光源，并且所述基于LED的光源发射的所述光的光束角大约为115度。
98.如权利要求97所述的混合透镜，其中所述反射器输入开口的直径大约为或等于10毫米。
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