CN1404564A - 带反射器和发光二极管的光源 - Google Patents

带反射器和发光二极管的光源 Download PDF

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Abstract

一种光源，包括LED部件(10)，(20)，(30)组成的阵列(40)，LED部件包括多种颜色例如红、绿、蓝色的每种颜色至少一个部件，阵列(40)位于管状反射器(1)的入口孔(5)处，管状反射器有出口孔(6)以及在入口孔和出口孔之间延伸的光轴，在入口孔和出口孔之间有反射壁来反射和混合从LED部件阵列发出的光。反射体的四壁的至少一部分有一个和光轴垂直的多边形截面，和光轴平行的截面至少一部分包括分段的曲线，这些段彼此相连形成多个平面(50)来反射从该LED部件发出的光到该出口孔(6)。优选地，和光轴平行的反射体的截面的曲线的段是连续的线性梯形面(50)。

Description

带反射器和发光二极管的光源
本发明涉及具有反射器结构的光源，反射器结构把从多色发光二极管(LED)阵列发出的光混合起来，具体而言是涉及混合从这样的阵列发出的光来产生白色点光源的光源。
用于重点照明和普通照明的从小型到中型尺寸的细光束标准光源是白炽/卤素灯泡，例如PAR(抛物形镀铝反射器)灯。这些光源紧凑通用，但是效率不高。特定的灯在特定的色温下以固定的功率工作，当他们可调节时，色温根据黑体规则(blackbody law)随着外加功率的水平而变化，这种变化可能是用户想要的，也可能不是用户想要的。
带有多种颜色中的每一种颜色的LED阵列提供了生成一个色温在任何功率水平下都可控的光源的可能性，从而使得灯既能调节又能在任何功率水平下发出均匀的白光。
题为“带有用于混合从多色LED阵列发出的光的反射器的光源”的美国专利6200002被授予了和本申请相同的申请人，其内容在此引作参考。该申请指出设计一个利用红、绿、蓝色LED和反射器结构来产生适用于重点照明和普通照明的可控的白色聚光灯的光源结构所面临的问题主要在于获得良好的光混合并仍然保持整体的高传输效率以及细而且可控的光束。该申请和现有技术相比获得了更好的混合效果，在其结构中，在管状反射器的入口孔处提供了包括多种颜色，例如红、绿、蓝色中的每一种颜色的LED阵列的光源，所述管状反射器优选地具有面向光轴突起的壁并向出口孔反射，反射器还优选地具有多边形，例如正方形，的横截面。在该申请中公开和要求保护的本发明的一个优选实施方案中，光源利用LED阵列，包括每一种颜色至少一个LED，来发出多种颜色中每一种颜色的光。阵列安排在反射管的入口孔处，反射管具有一个相对的出口孔，光被入口孔和出口孔之间的四壁反射和混合后从出口孔发出。光源具有一个光轴，在上述孔之间、沿围绕壁的中央部分延伸，其横截面和光轴垂直。横截面优选地沿光轴至少有一部分是非圆形的，优选地沿着整个光轴都是多边形的。正方形和八边形的横截面用来混合不同颜色的光。最显著的是，四周的壁从入口孔到出口孔逐渐扩展，出口孔比入口孔大。四周的壁从光轴的的角度看优选地有外凸的形状，并向出口孔方向反射。也就是说，围绕壁的曲率半径沿着出口孔方向逐渐减小，使得反射器有一点喇叭的形状。因为其总体外张的形状，我们称这种结构为“喇叭型”光源。我们的喇叭型光源具有位于入口孔的特殊位置的平面LED阵列，从不同颜色的LED发出的光通过凹曲面壁的几次反射混合在一起。一般说来，在喇叭型光源的大多数实施方案中，必须通过一些措施来使LED的光在射到喇叭的主要反射壁时入射到大约2×60°的初始圆锥形角度以内。喇叭光源提供PAR灯需要的特性，还有独立的色温和调光控制，发光效率比PAR灯高。而且，喇叭光源利用一组红、绿和蓝色LED产生均匀的相对细到中等粗细的白色光束。
不过，本领域中仍然需要一种光源，包括象LED组件以及光学器件一样有效的发光设备，且其中反射体可以接受整个2×90°范围内LED阵列芯片发出的光而不用在靠近单个LED处提供“主光源”。
本发明的一个目的是提供一种包括管状反射器的光源，该反射器象LED组件以及光学器件一样有效。
本发明的另一个目的是提供一种包括反射器的光源，该反射器可以接受整个2×90°范围内LED部件发出的光而不需在靠近单个LED处提供“主光源”。
本发明的这些以及其他的目的根据本发明的如下描述得以实现。
本发明在其优选实施方案中利用红、绿、蓝色LED，尤其是LED芯片作为光源，为普通照明或重点照明提供白色或颜色可控的聚光灯。
本发明是我们前文所述和要求保护的共同未决的序号为09/277645的申请中的喇叭型光源的一个选择方案。正如该共同未决的申请的发明，本发明也(a)提供了LED光源，该光源在满负荷和被调光的条件下将提供PAR灯的所有期望特性和调节和控制色温的能力；(b)对于扩展尺寸的LED阵列提供良好的颜色混合；(c)提供了从光源发出的混合光的校准光束。
本发明的优选实施方案利用了LED芯片阵列，该阵列填充了具有多边形截面的反射体的入口孔。
对于经济上可行的产品，对于高光输出量、照射方式的良好控制、尺寸小、效率高、以及在近处和远处都有良好的光混合的要求必须满足，而本发明的光源就满足了这些要求。
根据本发明，提供了利用红、绿、蓝色LED芯片作为光源，为普通照明或重点照明提供白色或颜色可控的聚光灯，满足上面描述的经济实用产品的需要。提供了一种改进的LED组件反射器，也就是LED的主组件，以及光源或光学器件，在第一优选方案中，这种反射器具有和光轴垂直的多边形截面，优选地是六边形或八边形截面，其中至少一部分围绕体(也就是反射器的壁)包括平面梯形部分或平面或由平面梯形部分或平面定义。
本发明提供的光源包括：
LED部件的阵列，包括至少多种颜色中的每一种颜色的LED部件来发出每一种颜色的光；
一个管状反射器，包括入口孔，出口孔，以及在该出入口孔之间延伸的反射围绕壁，光轴在两孔之间围绕壁的中央延伸，该LED阵列安排在入口孔处，反射壁用来反射和混合从该LED部件中发出的光，反射管有一个多边形的横截面和光轴垂直，优选地是六边形或八边形截面，至少一部分围绕体(也就是反射器的壁)包括平面梯形部分或平面或由平面梯形部分或平面定义。
改进的反射器可以接受从LED阵列发出的整个180度的光，在输出光束的设计上也更灵活。
图1a是红色、绿色、蓝色LED六角对称阵列的示意图；
图1b是红色、绿色、蓝色LED八角对称阵列的示意图；
图2是本发明发射器沿着光轴平行方向的截面图；
图3示出本发明的两种不同聚光灯实施方案的参数；
图4a是图3所示的第一种实施方案的参数反射器的截面；
图4b是图3所示的第二种实施方案的参数反射器的截面；
图5a和5b示出图3所示例子的远场模式的伪彩色图案。
根据本发明，优选实施方案的白光方案中，三种主要颜色红(R)、绿(G)、蓝色(B)的LED芯片在反射基片上排列成两维平面阵列。
在x-y平面上观察，LED芯片优选地排列成具有以下特点的形式：(1)每一种原色分布(红、绿、蓝)的重心都落在光轴上，(2)每一种原色分布(红、绿、蓝)距离光轴平均半径都相同。
方便起见，我们描述只有三色的LED芯片或发射器。不过，应该理解可以有两种、三种、四种或更多不同颜色LED用来获得所需的颜色和颜色控制特性。虽然细节可能不同，但该结构可以适用于混合任意数目的不同原色。
本发明的光源具有LED部件或芯片的平面阵列，该阵列位于主反射体入口孔处的反射平面上，因此，是LED以及光源的主阵列。LED对称阵列模式的具体细节以及LED芯片的平均半径和反射器结构的具体设计紧密相关。在有应用需要时，本发明可以用于任意数目的不同颜色。可选地，单个的LED芯片对单个主光源可能有所要求。但是，这对于本发明的成功使用并不是必需的。总体上，本发明的主要目的是避免对这种主光源的需要。
为了获得所需的白光输出，必须有给定比率的红、绿、蓝LED芯片，这一比率由红、绿、蓝LED芯片的相对光的输出决定。这种相对的性能可能随着LED技术的进步而改变。对于优选实施方案，我们已经通过如图1a所示把许多LED芯片排列成六边形而获得满意的结果。参考图1a和1b，为了说明的目的，在其中一个例子中，红(R)、绿(G)、蓝色(B)LED芯片数目比选定为1∶2∶1，也就是R∶G∶B＝1∶2∶1。我们发现当所有芯片对于光轴的平均半径相同时(质心在光轴上)结果最优。优选地，所有的芯片相对于光轴都有尽可能同样的对称。在这些条件下，选取蓝色芯片和红色芯片数目相同，绿色芯片是红色芯片数目的两倍就可以获得最优的结果。在所研究的几个实施方案中，芯片数目比例R∶G∶B分别是(a)3∶7∶3和(b)4∶9∶4。参考图1a和1b，(a)芯片阵列是六角对称，(b)芯片阵列是八角对称。在每一种情况下，外圈是绿色芯片，内圈是红色和蓝色相间的芯片。中央的绿色芯片用来使得绿色芯片的平均半径和红色和蓝色芯片的更接近。如果生产上允许使用不同尺寸的绿色芯片，可以通过在中央用较大的绿色芯片来使得所有芯片的平均半径都相同。这对于获得满意的性能更可取但是并不是必需的。
参考附图，图2是一个本发明中的反射器沿着和光轴平行方向的截面的示意图。如图所示，反射器1的至少一部分围绕壁具有多边形截面，至少一部分围绕体包括面50。反射器把从LED阵列40发出的光线校准到所需的角度分布并混合起来，阵列40包括许多红、绿、蓝色LED芯片10，20和30。反射器的部件2包括LED芯片的填充剂3/密封剂3’材料并形成多芯片LED组件40。顶部部分4如果需要可以置于空气中，实际上出于费用和重量的考虑最好放在空气中。图2，3，4a，4b示出本发明两种不同聚光灯实施方案的参数r0，i，hi，θi。这些参数将在下文进一步探讨。
反射器1是一个n边(典型地n＝6或8，可以是任意值)关于光轴(z轴)对称的中空管状结构。当反射管1和组成LED阵列40的芯片阵列10，20，30具有相同的对称性时效果最好。反射管沿光轴方向高为h。假定入口孔5位于平面z＝0，输出口孔6位于平面z＝-h。和z轴垂直的任意平面的截面是一个以z轴为中心的规则多边形，例如六边形或八边形。方便起见，取多边形的一个边和y轴平行。x-z平面平分这个边，我们定义“高度为z时的半径”r(z)作为这个边的中点的x坐标。这个半径也是多边形内切圆的半径。根据以上定义，一个特定的反射器的形状可以通过边数n和函数r(z)来确定，其中z取值范围为0到-h。在反射器主要和优选形式中，r(z)是一个分段线性曲线，也就是说，一个由线段组成的曲线。在这种情形下，反射体由连续的(平面)梯形平面组成，在图2，4a，4b标为50。
在本发明的特定优选实施方案中可以选择的特定参数包括如下参数：
在r(z)是分段线性函数的情况下，函数可以通过m+1个点(zi，ri)来确定，其中i∈{0，1，…，m)。我们引入“第i段”的概念，指的是反射体被平面z＝zi+1和z＝zi所确定的部分。这一段高度为h＝zi+1-zi，包括n个梯形，这些梯形通过不平行的边和相邻的梯形相连来形成一个多边形管道。每一个梯形对于光轴都倾斜角度θi＝tan-1(ri+1-ri)/(zi+1-zi)。这样反射器的表面可以通过确定入口孔半径r0以及2m个参数(hi，θi)来唯一确定。
图2显示了一个反射器截面的示意图，标注了以上参数，各个面相互连接在一起形成反射器管。图3示出本发明反射器的两个特殊例子的参数r0和(hi，θi)的值，这两个例子分别产生2×20°和2×10°的光束(以全部光通量80％的水平)。图4a和4b显示了图3阐明的两种设计的截面(图不是按照相同比例画的)，图5a和5b示出图3中设计1和2的反射器的远场模式的伪彩色图案4a和4b。每一种具体的聚光灯设计可以是任意截面，例如六边形，八边形等，每一种可以利用图1中的任一种芯片阵列以及合适的截面。
反射器是一个中空管状结构，可以将透明的绝缘填充材料3填充到一定程度来增强LED阵列发出光线的提取，绝缘材料和LED阵列的密封剂材料3’可以相同也可以不同。优选地，这些材料相同并填充反射器的下面部件2到一个足够的高度来使得整个内部反射在该界面最小化。在一些优选实施方案中，高度大约等于入口孔的半径就可以了。在另一些优选实施方案中，填充材料要填充下部到大约等于入口孔5直径的两倍。可选地，在出口孔6处放置盖板16来进行机械保护和/或光的散射和/或光束导向功能。反射器结构还包括界面8来确定绝缘材料/密封剂3，3’和反射器内的空气的界面。这个界面8是具有特定参数的光学材料界面，下文将对此进一步探讨。
本发明的光源可以接受整个2×90°范围内LED阵列发出的光而不用在靠近LED处提供“主光源”，主光源的使用在本发明中是可选的而不是必需的。第二个改进是输出光束的角度可以在更大的角度范围内更方便地调节。具体而言，在发明的一个实施方案中，在80％点上获得了2×10°的输出光束。相反地，更宽的光束更容易获得，因为在本发明中混合初始大角度的光更简单。
如上文所述，本发明的反射器可以包括盖板16，最好是透明的盖板。用这个盖板可以提供对主反射器的机械保护并限定了出口孔6。这个盖板可以用例如塑料和玻璃材料制成，可以是平坦光滑的透明板，或者可以具有一定的散射特性，可以是毛玻璃，棱镜玻璃，皱纹玻璃等等，它还可以具有导向或折射特性或者这些特性的组合。盖板的具体性能会影响光源的特性，在某种程度上会影响整个光线输出分布。但是盖板对于本发明的主要性能不是必需的，只提供反射器设计的灵活性和变化。
如上文所述，因为本领域众所周知的光学和制造的原因，LED芯片通常密封在绝缘材料3中。这种材料理想地有尽可能高的折射指数，高到达到LED芯片的折射指数。典型地，这种材料的折射指数大约为1.5到2或更高。具体的产品性能可以通过选择绝缘空气界面获得，也就是密封剂绝缘终止处的界面8(见图2)，更具体地可以通过选择光学材料界面来获得。考虑到例如一种绝缘材料可以用作芯片的物理密封剂，而另一种指数和密封剂材料相匹配的材料也可能出现，在这种情况下可以用作物理界面而不必要用光学材料界面。影响本发明的反射器特性的是绝缘空气界面会，这对于发明的设计很重要。在根据本发明所采用的优选平面设计中，绝缘空气界面位于平面分开的两段上。由于这个面上的散射，虽然典型的趋势是后续段的角度减小，但这部分的空气侧的角度θ通常比前述的角度显著地大。这一段的角度的调整补偿了散射，这正是反射器结构作为一个整体连续收敛和调整所需要的角度。
在本发明的优选实施方案中，入射到绝缘空气界面的光线中即使不是全部，也是大多数距离法线入射足够近，从而避免全部内反射。在优选实施方案中，这一点通过绝缘空气界面的高度大约是入口孔5直径的两倍来获得。同时优选地，绝缘空气界面8具有粗糙的表面来使得在光线混合时散射效应低。
本发明可以应用于其他具体形式的方案而不会偏离其中的主旨、范围或必需的特性，这里揭示的只是其中的优选实施方案。

Claims (9)

1.一种光源，包括：
发光二极管(LED)组件(10)(20)(30)组成的阵列(40)，包括多种颜色中每种颜色至少一个LED来发出每种颜色的光；和
反射管(1)，具有入口孔(5)和出口孔(6)，反射体部分包括：在所述入口孔和出口孔之间延伸的反射壁，在所述反射壁的入口孔和出口孔之间的中央延伸的光轴(z)，所述LED部件(10)(20)(30)组成的阵列(40)位于所述入口孔(5)处，所述反射体部分的围绕壁用来反射和混合从该LED组件阵列发出的光；
其特征在于反射体的围绕壁的至少一部分有一个和光轴垂直的多边形截面，和光轴平行的截面至少一部分包括分段的曲线，每段彼此相连形成多个平面(50)来反射从所述LED部件(10)(20)(30)发出的光到所述出口孔(6)。
2.根据权利要求1的光源，其特征在于所述反射体围绕壁的部分包括连续的线性梯形平面(50)。
3.根据权利要求1的光源，其特征在于与光轴垂直的反射体的截面是六边形或八边形截面。
4.根据权利要求1的光源，其特征在于所述围绕壁从入口孔(5)到出口孔(6)逐渐增大。
5.根据权利要求1的光源，其特征在于每一种颜色的所述LED部件(10)(20)(30)都定义了一种重心位于光轴的颜色分布。
6.一种光源，包括：
管状反射器(1)的入口孔(5)处提供的发光二极管芯片(LED芯片)(10)(20)(30)组成的阵列(40)，所述管状反射器(1)包括：出口孔(6)、具有在入口孔和出口孔之间延伸的反射壁的反射体部分、在反射壁中央的入口孔和出口孔之间延伸的光轴(z)，所述反射体部分的围绕壁用来反射和混合从所述LED芯片发出的光，
其特征在于反射体的围绕壁的至少一部分有一个和光轴垂直的多边形截面，和光轴平行的截面至少一部分包括分段的曲线，这些段彼此相连形成多个连续的平面(50)来反射从所述LED芯片发出的光到所述出口孔(6)。
7.根据权利要求6的光源，其特征在于所述入口孔(5)和出口孔(6)相对，光线在被包括在入口孔和出口孔之间延伸的所述平面(50)反射和混合后从出口孔发出。
8.根据权利要求7的光源，其特征在于光的混合是通过利用多个小LED芯片来进行的，每一种颜色的芯片的分布都以光轴为中心。
9.根据权利要求6的光源，其特征在于该截面是六边形或八边形截面。
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