CN101971365B - 用于颜色混合的全内反射透镜 - Google Patents

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Abstract

用于颜色混合的全内反射透镜包括具有外表面和延伸穿过所述主体构件的内部开口通道的主体构件。该主体构件和内部开口通道基本相对于光轴对称，外表面的形状设置成提供全内反射。主体构件在开口通道的第一端部区域处具有用于容纳光源的第一端部表面区域，并且具有与第一端部表面区域相对的第二端部表面区域。第二端部表面区域包括围绕着开口通道的第二端部区域定位的多个折射表面区域。透镜构造为在光源偏离光轴设置时提供相对于光轴基本居中的投射光。

Description

用于颜色混合的全内反射透镜
相关申请的交叉引用
该申请要求2008年10月14日递交的题为“TOTAL INTERNALREFLECTION LENS FOR COLOR MIXING”的美国临时申请No.61/105,407的优先权，并将其全部内容通过引用结合在这里。
本申请也涉及2007年6月29日递交的题为“MATRIX MATERIALINCLUDING AN EMBEDDED DISPERSION OF BEADS FOR A LIGHT-EMITTING DEVICE”的美国专利申请No.11/824,233，并将其全部内容通过引用结合在这里。
技术领域
本发明主要涉及照明设备，更具体地，涉及用于提供居中(centered)光输出的方法和器件。在一些实施例中，改善的全内反射透镜和/或LED封装方法和材料即使在光源偏离光轴而定位时也可以产生居中的光。
背景技术
发光器件包括光源以及用于支撑光源并且将从光源发出的光引导、会聚、过滤或增强的封装。一些光源的示例包括发光二极管(LED)、白炽灯、蓝宝石晶体灯和荧光灯。
LED是在施加沿着p-n结的正向电偏压时发出非相干的窄光谱的光的半导体器件。这种效果是一种形式的电致发光。发出的光的颜色由使用的半导体材料的成分和条件决定，并且可以是红外的、可见的或近紫外的。LED相对于其他照明源的优点包括紧凑、非常低的重量、低功率消耗、简单并且不昂贵的制造、没有烧穿问题、高抗振以及经受频繁重复操作的能力。除了广泛地应用到电子产品(诸如指示灯等)中之外，在白炽灯和荧光灯传统地占统治地位的各种应用中，LED也已经变为重要的替换光源。
虽然LED通常是单色的，但是例如通过使用荧光体作为光“转换器”也可以使用LED来产生白光。在通常的基于LED的白光产生器件中，产生单色可见光的LED被封装在含有补偿荧光体的材料中。从补偿荧光体发出的光的波长与由LED发出的光的波长互补，使得来自LED和补偿荧光体的波长混合到一起，来产生白光。例如，基于蓝色LED的白光光源通过使用蓝色单色LED以及在由蓝光激发时产生互补黄色的荧光体来产生白光。在这些器件中，小心地控制封装中的荧光体的量，使得蓝光的一部分被荧光体吸收并且剩余的蓝光穿过而不被吸收。由荧光体发出的互补黄色的光以及未被吸收的蓝光混合而产生白光。
在另一种一般的基于LED的白光产生器件中，多个单色LED被封装在透明材料中。例如，红色LED元件、两个绿色LED元件以及蓝色LED元件可以形成红-绿-蓝(RGGB)LED光源。可以独立地将电流施加到每个LED元件，以调整颜色的平衡。因此，可以产生白光。
不幸的是，根据导致不均匀的颜色分布的光源位置或观察光的角度，白光的颜色平衡可能变化。已经尝试使用特殊的混合透镜来补偿颜色分布的不均匀性。然而，虽然可以减小变化，但是颜色仍然根据发出照明光的角度或者接收或观察照明光的角度而明显地变化。这种颜色不均匀性可能负面地影响光源(诸如点光源或其它一般照明应用)的设计以及彩色显示技术(诸如消费计算机以及电视监视器、投影电视、大型广告显示器的应用中的有源矩阵薄膜晶体管液晶显示器(TFTLCD))。颜色变化问题的一个解决办法是将具有光混合设计的次级透镜用在发光器件上。不幸地，次级透镜通常导致由发光器件输出的光强度减小40％到50％。
颜色的质量(也称为保色性(color rendition))在许多应用中也是非常重要的。例如，医疗人员依赖于颜色来在手术期间识别组织。保色性的一个标准是光源再现由光源照射的各种物体的颜色的能力，其可以由显色性指数(CRI)来量化。最好的保色性被规定为100CRI，而最差的保色性被规定为0CRI。在诸如手术的应用中，小于70的CRI导致许多颜色丢失并且提供较差的照明，使得组织难以辨认。通常，大于80-90的CRI对于医疗应用是优选的。发出基本上黑体辐射的白炽灯泡的CRI接近一百。然而，白炽灯也产生大量热量。所需要的是具有大于80-90的CRI的冷光源。虽然白光LED光源可以调节为发出沿着一个特定方向具有高CRI的光，但所需要的是可以在宽的角度范围内均匀地发出具有高CRI的白光的LED光源。
已知LED(特别是使用多颜色元件的LED)作为光源的重要性，存在对于减轻上述问题的改善的透镜和LED封装方法以及材料的需要。还需要也可以减小在大角度处的光损失并且允许LED从更小的封装或占地面积产生更高的光学性能(流明/封装、流明/面积)(这些对于许多光源应用是非常重要的)的方法和材料。
随着对于更好的照明器件的需求持续增加，应当期望提供具有改善的效率和亮度的高性价比的基于LED的光源。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了用于颜色混合的全内反射(TIR)透镜。该透镜包括主体构件，主体构件具有外表面和纵向地延伸穿过所述主体构件的内部开口通道。该主体构件和内部开口通道基本相对于光轴对称，外表面的形状被设置成提供全内反射。主体构件在开口通道的第一端部区域处具有用于容纳光源的第一端部表面区域，并且具有与第一端部表面区域相对的第二端部表面区域。第二端部表面区域包括围绕着开口通道的第二端部区域而定位的多个折射表面区域。在本发明的实施例中，透镜构造为在光源偏离光轴设置时提供相对于光轴基本居中的投射光。在特定实施例中，用于提供居中的白光的照明设备包括这种透镜和多个光源。
在透镜的特定实施例中，内部开口通道的特征在于基本圆柱形的侧壁。在实施例中，内部开口通道的侧壁在不弯曲或不成角度的状态下从内部开口通道的一端沿着直的路径延伸另一端。在一些实施例中，侧壁相对于光轴形成小的角度(例如，1度)。换言之，内部开口通道的一端比另一端略大。这种通道构造可以简化制作工艺，诸如塑料模制工艺。
在某些实施例中，上述透镜可以在照明设备中与一个或多个发光二极管(LED)一同使用。在特定实施例中，照明设备包括发光二极管(LED)、重叠在LED上的具有第一折射率的基质材料以及分散在基质材料内的珠体，该珠体具有与第一折射率不同的第二折射率。
在实施例中，照明设备包括如上所述的透镜以及四个LED：红色LED、绿色LED、蓝色LED和琥珀色LED。在示例中，照明设备构造为提供基本居中的白光。
根据本发明的另一个实施例，发光器件包括支撑件、设置在支撑件上的光源以及设置在光源上方的具有第一折射率的基质材料。基质材料包括分散珠体，其中珠体具有与第一折射率不同的第二折射率。
根据本发明的另一种实施例，提供了一种用于混合来自两个光源的光，以在角度范围内提供均匀颜色的光的方法。该方法包括从设置在支撑件上的两个光源发出光，每个光源发出不同颜色的光，并且通过基质材料来传递来自两个光源的光，其中基质材料具有第一折射率并且包括具有散布在基质材料中的、具有第二折射率的珠体。在一些实施例中，基质材料包括第一玻璃，并且珠体材料包括具有比第一玻璃更高的折射率和更高的熔点的第二玻璃。珠体可以直径小于10微米并且按重量计算小于基质材料的百分之二十。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的示意性发光器件的立体图；
图2是图1的发光器件的截面图；
图3是图1的发光器件的俯视图；
图4是图1的发光器件的替换实施例的发光器件的截面图，其示出了多层基质材料；
图5是示出了根据本公开的实施例的示例性发光器件上的透镜的截面图；
图6是示出了根据本公开的另一个实施例的多个光源元件的发光器件的俯视图；
图7示出了从发光器件发出的光的截面光线图；
图8是示出了从图7的发光器件发出的光的、随着发射角θ而变化的相关色温(CCT)；
图9示出了用于将来自发光器件的光耦合到数字光处理器(DLP)的光管道；
图10描绘了根据本发明的示例性实施例的方法；
图11是示出了包括根据本发明的实施例的透镜和光源的照明设备的简化截面图；
图12A和图12B是示出了根据本发明的实施例的透镜的简化截面图；
图13示出了描述根据本发明的实施例的透镜的外表面的公式；
图14列出了根据本发明的特定实施例的全内反射(TIR)透镜的设计参数；
图15是示出了根据本发明的实施例的透镜的表面区域中的多个折射区域的简化截面图；
图16是根据本发明的实施例的透镜的表面区域中的多个折射区域的简化俯视图；
图17A-17D是分别示出了在根据本发明的实施例的照明设备中位于偏离光轴的四个不同位置中的四个LED的光强的简化线图；
图18A-图18D是分别示出了在根据本发明的实施例中的位于偏离光轴的四个不同位置中的四个LED的光强的简化扫描图；
图19A是示出了根据本发明的实施例的具有位于偏离光轴的四个不同位置中的四个LED的照明设备的总光强的简化线图；
图19B是示出了根据本发明的实施例的具有位于偏离光轴的四个不同位置中的四个LED的照明设备的总光强的简化扫描图。
具体实施方式
本发明提供了用于在照明设备中提供居中的光输出的方法和装置。在一些实施例中，经改善的全内反射透镜和/或LED封装方法和材料即使在光源可以偏离光轴定位时，也能产生居中的光。
在实施例中，本发明提供了包括对光源进行封装的透明基质材料的发光器件。本发明的发光器件可以采用在从紫外(UV)到红外(IR)的波长范围(其覆盖从200到2000纳米的范围)上工作的白炽光源、蓝宝石晶体光源、荧光光源或LED光源。
在一个示例中，发光器件包括构造为发出多种颜色的光的多个单色LED元件。透明基质材料包括将从LED元件发出的光散射为透过基质材料的光的分散珠体。珠体提供所发出的光的均匀混合，使得从各个LED结合的颜色在角度范围内看起来好像是恒定的颜色。
在另一个示例中，发光器件包括基质材料以及构造为发出单色光(例如蓝光)的LED。基质材料包括荧光体，该荧光体构造为吸收部分蓝光并且产生具有互补的黄色的光，而剩余的蓝色光未被吸收而从其中穿过。由荧光体发出的互补黄色光以及未被吸收的蓝色光结合以产生白光。基质材料还包括分散珠体，该分散珠体构造为对于蓝色光和互补黄色光进行散射和混合并提供均匀的白光。
使用分散珠体的另外的优点是改善了发光装置的发光效率。从使用包括珠体的基质材料的LED或另一个光源发出的光的量比从使用具有混合装置的次级透镜的类似的发光器件发出的光的量更大。经改善的发光效率也允许更小的封装，以使其在更低温度下与较大的低效率封装发出一样多的光。在宽角度范围上改善CRI是将分散珠体包括在基质材料中的另一个优点。
因此，根据本公开的示例性发光器件具有以下特征中的一个或多个：(1)它们提供发光器件能够提供均匀的颜色以及照明强度的宽角度范围；(2)它们通过使得每个LED管芯的发光度相比于使用具有光混合设计的次级透镜的发光器件的发光度增大30％以上，来提供较高的性能；以及(3)它们在宽角度范围上提供了均匀的CRI。在白光LED应用的情况下，本公开提供了用于改善白光LED效率的实施例。因此，本发明使得新等级的均匀颜色控制的基于LED光源和显示应用成为可能。
图1是根据本公开的实施例的示例性发光器件100的立体图。在各种实施例中，光源110包括发光二极管(LED)、包括多个LED元件的管芯、蓝宝石晶体以及灯丝光源等。发光器件100包括构造为为光源110提供支撑的主体120。在本实施例中，主体120包括从主体120的顶面140向下延伸的腔体130。腔体130包括构造为粘接光源110的基底150。发光器件100还包括设置在腔体130内的基质材料(在下文中进行讨论)。基质材料对光源110进行封装。在一些实施例中，发光器件100具有方形占地面积，使得多个发光器件100可以紧密地设置为矩形阵列。
在图1中示出的实施例中，腔体130的侧壁160以角度倾斜，使得腔体130具有翻转的截头圆锥形的形状。侧壁160也可以是垂直的，或者几乎是垂直的。在一些实施例中，腔体160的侧壁160以45度角倾斜。在其它实施例中，侧壁160采用抛物线形状并且可以涂有反射材料以使得光改变方向和/或聚焦。
图2是图1的发光器件100的截面图，并且图3是图1的发光器件100的俯视图。发光器件100还包括设置在腔体130内的基质材料210。基质材料210包括分散的珠体220。在各种实施例中，基质材料210包括透明材料，例如，玻璃、硅树脂、聚合物、环氧树脂或塑料。珠体220构造为混合来自光源110的光并且将这些光的散射传播经过基质材料210。
在各种实施例中，珠体220包括透明材料，例如，玻璃、硅树脂、聚合物、环氧树脂或塑料。珠体220的折射率与基质材料210的折射率不同。通常，珠体220的折射率比基质材料210的折射率更大。在一些实施例中，基质材料210的折射率的范围包括约1.40-1.85。通常，基质材料210的折射率在约1.40-1.60的范围内。在一些实施例中，珠体220的折射率范围包括约1.40-1.89。通常，珠体220的折射率在约1.44-1.65的范围内。
在一些实施例中，基质材料210包括构造为在第一波长处吸收光并且在第二波长处发射光的荧光体。例如，基质材料可以吸收由光源110发射的蓝光的一部分并且在可见光谱的黄色区域内的波长处发出具有互补黄色的光。可以调整蓝色和互补黄色的结合以从发光器件100发出期望的颜色。珠体220构造为将来自光源110的第一波长的光与从基质材料发出的第二波长的光混合，以提供所期望的颜色的均匀输出。
在一些实施例中，散布在基质材料210中的珠体220的量按重量计算大于约百分之一并且小于约百分之八十。通常，散布在基质材料210中的珠体220的量包括按重量计算约百分之二到约百分之十的范围。在一些实施例中，珠体220的尺寸包括约0.3微米到约20微米的范围。通常，珠体220的尺寸包括约0.5微米到约10微米的范围。一般地，珠体均匀地散布在基质材料中。在一些实施例中，可以使用高速混合器来将珠体均匀地散布在基质材料中。
在一些实施例中，包括具有第一折射率的玻璃的珠体220可以被散布在包括具有第二折射率的玻璃的基质材料210中。珠体220的玻璃的熔点高于基质材料210的玻璃的熔点，从而有助于将珠体220混合到基质材料210的玻璃中。
图4是示出了基质材料的多个层410、420和430的发光器件400的截面图，其中发光器件400是图1的发光器件100的替换实施例。发光器件400可以包括比图4中示出三个层410、420、430更多或更少的层。在一些实施例中，层410包括热隔离基质材料，以形成热屏障。层420的示例包括发光基质材料。层430的示例包括构造为从上部封闭腔体130的辅助基质材料。
在一些实施例中，发光器件400的一个或多个层可以具有折射率匹配层的功能。例如，层410、420、430的折射率可以逐渐地下降，使得层410的折射率比层420的折射率更高，而层420的折射率依次比层430的折射率更高，层430的折射率依次比外界(例如空气)的折射率更高。因此，层410、420、430可以提供光源110与发光器件400之间的折射率匹配。例如，发光器件400可以使用具有1.6的折射率的光源110并且将光发射到具有约1.0的折射率的空气中。层410、420和430可以分别具有1.55、1.50和1.45的折射率。本领域技术人员将会认识到折射率匹配层可以通过增加临界角来减小全内反射并且增加从层的发射，其中临界角由折射定律来确定。因此，发光器件400的效率随着层之间的折射率的差的减小以及临界角的增加而增加。
在一些实施例中，层410中的热隔离基质材料至少部分地保护层420中的发光基质材料，使其免受由光源110产生的热量，以更好地将热学特性(诸如光转换效率以及输出波长)保持在最优的值或其附近。层410的热隔离基质材料也可以是这样一种材料：其折射率被选择为与光源110的材料的折射率接近地匹配。层410因此在这里被称作热隔离和/或折射率匹配层。热隔离材料可以包括聚合物、陶瓷、玻璃及其混合物以及其他合适的材料。特别的示例是由Brewer Science，Inc.和Hitachi Chemical Co.，Ltd.提供的高光学质量聚酰亚胺材料。在这些可以买到的高透明度聚酰亚胺材料中，OptiNDEX B38(Brewer Science)和PIQ 2200(Hitachi Chemical)可以被用作本发明中的热隔离材料。OptiNDEX B38和PIQ 2200是可以形成合适的膜的可固化液体。在2005年1月13日递交的题为“Light-emittingDevice with a Thermal Insulating and Refractive Index Matching Material”的美国专利申请11/036,559中描述了可以用在本公开中的关于热隔离材料的其他信息，通过引用将其结合在这里。
虽然一些现有技术的发光器件试图尽可能多得将热量经由含有荧光体的层(例如，层420中的发光基质材料)消散出去，但是主体120可以构造为提供充分的热传导，使得没有必要经由层420中的含有荧光体的发光基质材料来传导热量。因此，可以将热隔离物引入层410中，以屏蔽层420中的发光基质材料免受热量影响。例如，本公开的封装还可以使用2005年10月26日递交的题为“Method of Manufacturing Ceramic LEDPackages”的美国专利申请11/260,101中描述的热技术，通过引用将其结合在这里。
层420中的基质材料可以包括发光材料。适合于本发明的发光材料包括荧光材料(荧光体)和磷光材料。在基质材料包括荧光材料时，层420在这里被称作荧光体层。荧光体对于基于LED的白光光源非常有用。用于这种目的的常见的荧光体包括钇铝石榴石(YAG)材料、铽铝石榴石(TAG)材料、ZnSeS+材料、赛隆(SiAlON)材料，基于硅酸盐的荧光体材料以及包括硝化硅酸盐的基于氮化物的荧光体材料，诸如Sr2Si5N8:Eu2+(红色荧光体)和SrSi2O2N2:Eu2+(绿色荧光体)。层420中的基质材料例如可以包括玻璃、硅树脂、聚合物、环氧树脂和塑料。
层430中的基质材料可以作为构造为从上部封闭腔体130的保护或封项层。层430中的基质材料的示例包括保护层、粘合剂层和透镜。层430中的基质材料例如可以包括玻璃、硅树脂、聚合物、环氧树脂和塑料。在2007年4月27日递交的题为“LED Packages with Mushroom Shaped Lensesand Methods of Manufacturing LED Light-Emitting Devices”的美国专利申请11/796,240中描述了合适的粘合剂，通过引用将其结合在这里。在一些实施例中，层430中的基质材料形成构造为将透镜附着到主体120上的粘合剂层。可选择地，层430中的基质材料包括用于会聚从发光器件400发出的光的光学透镜(例如菲涅尔透镜)。层420中的基质材料优选地对于从层420发出的宽范围波长是透明的。
图4示出了层420的基质材料内的分散珠体220。然而，应该理解层410、420或430中的基质材料可以包括分散珠体220。在各种实施例中，散布在层410、420或430中的珠体220例如包括玻璃、硅树脂、聚合物、环氧树脂和塑料。如上所述，珠体220的折射率与各个层410、420和430的基质材料的折射率不同。通常，珠体220的折射率比各个层410、420和430的基质材料的折射率更高。在一些实施例中，珠体的折射率的范围包括约1.40-1.89。通常，珠体220的折射率在约1.40-1.60的范围内。本领域技术人员可以理解，层410、420和430中的每个都可以包括具有与其它层中的珠体220具有不同或相同折射率的分散珠体220。
如上所述，散布在层410、420或430的基质材料内的珠体220的量通常按重量计算大于约百分之二并小于约百分之二十。然而，散布在层410、420和/或430的基质材料内的珠体的量可以在按重量计算约百分之一到约百分之三十的范围内。本领域技术人员可以理解，层410、420和430中的每个可以包括与另一层中的珠体220的量相同或不同的珠体22。
如上所述，珠体220的尺寸包括从约0.3微米到约20微米的范围。在一些实施例中，珠体220的尺寸包括从约0.5微米到约10微米的范围。本领域的技术人员可以理解，层410、420和430中的每个可以包括与其它层中的珠体220的尺寸相同或不同的珠体220。
在一些实施例中，珠体220包括具有第一折射率的玻璃并且散布在包括具有第二折射率的玻璃的层410、420和430中的基质材料中。珠体220的玻璃的熔点高于基质材料的玻璃的熔点，有助于将珠体220混合到各个基质材料的玻璃中。
在一些实施例中，可以选择珠体220的尺寸和数量以控制热膨胀系数(CTE)。例如，层410通常进行封装并且受到由光源110产生的热量。此外，如上所述，层410可以为层420提供热屏障。可以选择将珠体220散布在层410中的基质材料中，以减小CTE并且增强热屏障。例如，散布在环氧树脂基质材料中的玻璃珠体可以减小环氧树脂的CTE。
图5是示出了根据本公开的实施例的示意性发光器件500上的透镜510的截面图。发光器件500包括构造为附着到透镜510的主体520。主体520包括腔体530以及环形插槽550。透镜510包括基质材料570和散布在基质材料570中的珠体220，并且构造为插入插槽550中。插槽550构造为接收透镜510并且有利地提供引导，以在组装过程中将透镜510定位在光源110的中央。层430可以包括粘合剂，该粘合剂形成构造为保护透镜510的粘合剂层。在一些实施例中，透镜510可以形成在插槽550中的位置中。例如参见美国专利申请11/796,240。
将透镜510设置在发光器件500上的一个方法包括将包括液态硅树脂的基质材料570沉积在层430的表面上。硅树脂的粘性和表面张力可以控制流动经过层430的表面的硅树脂的高度和趋势。此外，层430表面上的涂层可以进一步控制硅树脂在层430表面上的流动。例如，层430的外围区域上的涂层可以与硅树脂的表面张力相互影响，以防止硅树脂流动到已经沉积了涂层的外围区域。此外，可以根据构造为对于透镜510产生期望形状的图案来沉积涂层。可选择地，另一种类型的涂层可以增强硅树脂经过涂层向外接区域中的流动。
透镜510的基质材料570可以包括用于层210、410、420和430的任何基质材料。相似地，散布在基质材料570中的珠体220的比例、材料和特性可以包括散布在层210、410、420和430的基质材料中的珠体220的任意比例、材料和特性。图5示出了透镜510的基质材料570内的分散珠体220。然而，可以理解，层410、420和430以及透镜510中的基质材料的任何一者或者全部都可以包括分散珠体220。例如，所有的三个层410、420和430以及透镜510都可以包括硅树脂基质材料和玻璃珠体。在一些实施例中，可以为层410、420和430以及透镜510分别使用1.55、1.50、1.45和1.40的折射率，来提供光源110与发光器件100的外界之间的折射率匹配。
如6是示出了根据本发明的另一个实施例的多个光源元件610A、610B、610C和610D的发光器件100的俯视图。发光器件600包括设置在腔体130中的基质材料210以及散布在基质材料210中的珠体220。为了清楚，从图示中由虚线划界的切面区域省略珠体220和基质材料210。在一些实施例中，光源元件610A、610B、610C和610D包括单色LED。例如，在构造“RGGB”光源110的过程中，光源元件610A可以是单色的红色LED、610B和610C可以是单色的绿色LED并且610D可以是单色的蓝色LED。
虽然理论上可以将任何数目的光源元件设置在本发明的发光器件600中，但是示出了包括LED的四个光源元件610A、610B、610C和610D。四个光源元件610A、610B、610C和610D可以相同或不同，并且在一些实施例中可以独立地操作。在一些实施例中，多个LED光源元件610A、610B、610C和610D可以选择性地操作并且可以以任何结合方式操作。例如，可以独立地调节各个光源元件610A、610B、610C和610D的电流，以提供期望的颜色，包括白色。
图7示出了从发光器件100发出的光的截面光线图。表示法线710的线构造为穿过发光器件100的中心。然而，法线710可以设置在发光器件100中的任何位置。光线720示出了从发光器件100的基质材料210的表面以相对于法线710的发射角θ出射的光。从基质材料210如所示地发出的光线720延伸穿过基质材料210而与法线710交叉。然而，本领域技术人员将会认识到从光源110发出的光线在沿着平行于光线720的轨迹从基质材料210出射之前可能经受多次散射。发射角θ可以是角度范围。在一些实施例中，发射角θ包括-90度到+90度的范围。
图8是示出了从图7的发光器件100发出的光的、随着发射角θ而变化的相关色温(CCT)。纵轴表示CCT并且横轴表示所发出的光的发射角θ。图8中的横轴示出了-90度到+90度的发射角θ的范围。线810示出了随着从根据现有技术的发光器件发出的光的发射角θ而变化的CCT。线810的CCT随着发射角θ的变化而显著改变并且在以各种发射角θ观察现有技术的发光器件时可以一般可以看到表现为可察觉的颜色差异的变化。例如，从现有技术器件发出的光从一些角度θ看来是红色，并且从另外的角度θ看来是蓝色，而从正上方观察(θ＝0)时，光看起来是白色。由没有珠体的现有技术发光器件所投影出的阴影可以在阴影的边缘具有颜色变化。
线820示出了随着使用散布在基质材料210中的珠体220(在图7中未示出)的发光器件100的发射角θ而变化的CCT。随着发射角θ变化，CCT基本恒定。关于发光器件100，在各个发射角θ处不能察觉到颜色变化。例如，在从不同角度观察时(包括正上方(θ＝0))，从发光器件100发出的光看上去是白色。由发光器件100投影出的阴影在边缘处几乎不具有可察觉的颜色变化。
图9示出了用于将来自发光器件100的光耦合到数字光处理器(DLP)930中的光管道900。光管道900(也被称作光导管)包括主体910和基质材料920。从发光器件100发出的光经由光管道900的基质材料920耦合到DLP 930。珠体220(例如玻璃珠体)可以散布在光管道900的基质材料920中，以增加从发光器件100传递到DLP 930的光的亮度和颜色均匀度。在各种实施例中，基质材料920例如包括具有折射率n1的玻璃、硅树脂、聚合物、环氧树脂和塑料。发光器件100的基质材料210具有折射率n2。通常，基质材料920的折射率n1约等于发光器件100的折射率n2，以改善从光源110收集光的效率。珠体220也可以散布在发光器件100的基质材料210中，以增加所发出的光的亮度和颜色均匀度。
虽然图9中示出的发光器件100描绘了具有一个层的基质材料210，本领域的技术人员将会认识到发光器件100可以包括基质材料的多个层并且珠体220可以散布在任何层或所有的层中。例如，发光器件100可以包括如发光器件400一样的三个层(图4)，并且所有的三个层都可以包括散布在具有变化折射率的硅树脂基质材料中的玻璃珠体220。与光管道900相邻的层的硅树脂基质材料可以具有与基质材料920的折射率n1相等的折射率n2。
图10描绘了根据本发明的示例性实施例的方法1000。方法1000包括从设置在支撑件上的两个光源发光的步骤1010，以及将光经过具有第一折射率的基质材料和散布在基质材料中的具有不同的第二折射率的珠体传送的步骤1020。
在另一个实施例中，本发明提供了构造为即使在光源偏离透镜的光轴时，也能提供基本居中的光输出的透镜。在一些实施例中，本发明也提供了结合这种透镜的照明设备。
图11是示出了根据本发明的实施例的包括透镜和光源的照明设备的简化截面图。如图所示，照明设备1100包括光源1101和透镜1110。透镜1110具有光轴1120。在本发明的实施例中，透镜构造为即使在光源偏离光轴设置时，也能够提供基本居中的投射光。
根据实施例，透镜1110可以由不同材料制成，例如，玻璃或者透明塑料，诸如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。当然，也可以使用具有合适的折射率和透明度的其他材料。
在特定实施例中，透镜1110具有主体构件1112，该主体构件1112具有外表面区域1114和纵向延伸穿过主体构件1112的内部开口通道1116。主体构件1112和内部开口通道1116基本关于光轴1120对称。在实施例中，外表面区域1114的形状被设置成提供全内反射。
如图11所述，主体构件1112在开口通道1116的第一端部1117处具有用于容纳光源的第一端部表面区域1130。主体构件1112在开口通道1116的第二端部1118处具有与第一端部表面区域1130相对的第二端部表面区域1140。第二端部表面区域1140具有包括围绕着开口通道1116的第二端部1118定位的多个折射区域1144的圆形表面1142。
在一些实施例中，内部开口通道116的特征在于基本圆柱形的侧壁1119。在一些实施例中，圆柱体侧壁的表面在没有弯曲的状态下从开口通道1116的第一端部1117延伸到第二端部1118。根据特定实施例，基本直线的侧壁可以在开口通道中提供更多的反射以及更好的光混合。因此，在一些实施例中，期望开口通道侧壁不具有弯曲或者角度。在一些实施例中，长并且窄的开口通道可以提供更好的光反射和混合。基本圆柱形的侧壁1119可以略微地成锥形(例如，1度以下或者5度以下)，使得第一端部1117处的开口略微地小于第二端部1118处的开口。
在某些实施例中，内部开口通道1116能够对中央区域中的光进行准直。全内反射表面1114可以防止光损失，并且多个折射区域1144可以使光均匀地分布。在一些实施例中，在透镜1110的端部区域1140中的多个折射区域1144可以具有六边形或蜂窝形状。蜂窝图案中的六边形的尺寸可以用实验方法优化。
在某些实施例中，开口通道的一个端部比另一个略大。例如，圆柱形侧壁1119的界面轮廓可以相对于光轴1120形成小的角度(例如，1度)。略微扩展的开口通道可以简化制造透镜的工艺。例如，可以使用塑料模制过程来制造透镜，并且略微倾斜的侧壁可以有助于透镜和模子的分离。
根据本发明的实施例，透镜1110的外表面1114的形状被设置成提供全内反射。在实施例中，外表面1114的形状可以由以下公式描述：
z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 - - - ( 1 )
在以上公式中，如图11的右下角的坐标所示，z表示纵坐标(等于0的纵坐标是第一端部区域1117的平面)，并且r是从光轴1120测量的半径。曲率c和圆锥常数k是可调整的参数。
根据实施例，照明设备1100可以采用可以在从紫外(UV)到红外(IR)的波长范围(覆盖从约200纳米到2000纳米的范围)内工作的白炽灯光源、蓝宝石晶体光源、荧光灯光源或LED光源。在一些实施例中，光源1101可以包括发光二极管(LED)。例如，光源1101可以包括如参照图1到图10描述的基于LED的光源。在一些实施例中，光源1101可以包括多个LED。
例如，光源1110可以包括与上述参照图6描述的LED构造相类似的四个LED。在四个LED的构造中，图11中的光源示出了两个LED 1102和1104的截面，这两个LED都偏离光轴1120设置。如上所述，透镜1110被构造为即使在光源被定位成偏离光轴时，也能够提供基本居中的投射光。在实施例中，光源1101包括红色LED、绿色LED、蓝色LED和琥珀色(amber)LED，并且透镜构造为提供基本居中的白光。
在特定实施例中，光源包括发光二极管(LED)和叠置在LED上的、具有第一折射率的基质材料。珠体可以散布在基质材料中并且珠体具有与第一折射率不同的第二折射率。在上文中参照图1到图10描述了这种基质材料的示例。
为了确认上述照明设备和透镜的概念，我们已经执行了各种实验。在下文中对一些结果进行归纳。在一个实施例中，光源包括四个LED管芯，分别构造为发出不同的颜色，红色、绿色、蓝色和琥珀色。每个管芯的尺寸约为1mm×1mm。四个LED以与图6中示出的构造相似的构造设置在10W反射杯中。相邻LED之间的间隔约为0.1mm。如下所述，为该构造设计了与图11中的透镜1110相似的透镜，其具有约25mm的长度和34mm的直径的尺寸。
图12A是示出了根据本发明的实施例的透镜1200的简化截面图。透镜1200的主要构造与上文中参照图11描述的透镜1110的构造类似。图12A提供了根据本发明的实施例的透镜1200的实体尺寸。图12B是根据本发明实施例的透镜1200的简化俯视图。特别地，图12B示出了围绕着开口通道的端部区域1218定位的多个折射表面区域1244。
图13示出了描述根据本发明的实施例的透镜的外表面的公式。与上文的公式(1)一样，z表示纵坐标，r是从光轴测量的半径，c是曲率并且k是圆锥常数。对于图12的透镜1200，c＝0.3并且k＝-1.1381。图14列出了根据本发明的特定实施例的图12的全内反射(TIR)透镜1200的公差。
图15是示出了根据本发明的实施例的图12B的透镜1200的表面区域中的多个折射表面1244的简化截面图。图16是根据本发明的实施例的图12B的透镜1200的表面区域中的多个折射表面1244的简化俯视图。在该特定实施例中，折射表面区域是形状为六边形形状并且设置为蜂窝图案的微透镜。每个六边形微透镜具有如图15所示的凸出的曲率。当然，可以存在其他变化、修改和替换。除了特殊说明的之外，这些附图以及这里的其他附图中的尺寸单位为毫米。
为了确认透镜1200的性能，在距离照明设备1米的位置处使用四个表面探测器来检测平坦的目标表面上的光。每个探测器使用两个滤光片以仅收集红色、绿色、蓝色或琥珀色光谱的光线。对总共1亿个光线进行了追迹，并且半峰全宽(FWHM)观看角约为23度。以下的附图示出了每种颜色的线截面以及表面强度分布。
图17A-17D是分别示出了在根据本发明的实施例的照明设备中位于偏离光轴的四个不同位置中的四个LED的光强的简化线图。纵轴表示亮度的强度(单位是Lux)，并且横轴表明距离中心点约-400mm到400mm的位置。如图所示，即使所有的LED都偏离光轴设置，全部四个LED(红色、蓝色、绿色和琥珀色)的光图案也都基本居中了。
图18A-图18D是分别示出了根据本发明的实施例的位于偏离光轴的四个不同位置中的四个LED的光强的简化光栅图。在每个图中，光强被示出为二维光栅图，每种颜色的对应的Lux值示出在光栅图的右侧。再一次地，对于全部四个LED来说，光图案都基本居中。
图19A是示出了根据本发明的实施例的具有位于偏离光轴的四个不同位置中的四个LED的照明设备的总光强的简化线图。这里，所有的四个LED都被打开。可以看到结合的光图案基本居中。
图19B是示出了根据本发明的实施例的具有位于偏离光轴的四个不同位置中的四个LED的照明设备的总光强的简化光栅图。再一次地，四个LED输出的光的结合基本居中。
通过本发明的实施例可以实现许多优点。如图12A到图19B所示，将10W的RGBA(红色、绿色、蓝色和琥珀色)LED与混合TIR透镜1200结合的照明设备产生具有强的强度的、基本居中的光输出。此外，使用这种透镜的RGBA LED的波长分布在光场上是均匀的。因此，相比于传统的器件，本发明的实施例可以提供出众的性能。本发明的实施例以高光学效率提供高得多的均匀颜色分布。在上述实验中，光学效率确定为约70％，并且对于每种颜色的光输出的对称性大于90％。
相反，传统的颜色混合透镜通常不能同时提供好的光混合均匀度以及高的光学效率。通常需要做出可以牺牲一种性能参数或者另外一种性能参数的折衷。例如，一些传统的器件在牺牲光学效率为代价的情况下使用漫射部件来改善光混合。因此，传统的透镜趋向于提供较差的光混合或者具有较低的光学效率(例如，～40％)。
在一些实施例中，本发明提供了用于提供均匀的光颜色混合的方法。如图19A和19B所示，四个LED组合的照明设备可以提供居中的光。此外，每个LED的强度可以例如以电的方式调节，以获得各种光组合。在特定实施例中，四个LED(红色、绿色、蓝色和琥珀色)可以被用来提供具有好的光学效率(例如，约70％)的基本居中的白光。
相反，具有用于4-LED(RGBA)封装的次级透镜的传统器件通常表现出四个不相重叠的区域，每个区域示出其自身的颜色。在全部四种颜色并存的中心区域可以表现出混合的颜色，但是四个边缘区域趋向于表现出每种独立的颜色。此外，边缘区域相当大，并且因为每个LED的偏离轴线的空间位置而通常具有倾斜卵形或椭圆形的形状。
虽然已经示出并描述了本发明的某些实施例，但是接受了本教导的本领域的技术人员将会认识到本发明不仅限于这些实施例。对于本领域的人员来说，大量的修改、改变、变化、替换和等价都是很明显的。因此，可以理解本发明意图将全部的变化、修改和等价都覆盖在权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种透镜，其包括：
主体构件，所述主体构件具有外表面和纵向地延伸穿过所述主体构件的内部开口通道，所述主体构件和所述内部开口通道基本相对于光轴对称，所述外表面的形状被设置成提供全内反射；
所述主体构件在所述开口通道的第一端部区域处具有用于容纳光源的第一端部表面区域，并且具有第二端部表面区域，该区域与所述第一端部表面区域相对并且围绕所述开口通道的第二端部区域，所述第二端部表面区域包括围绕着所述开口通道的所述第二端部区域而定位的多个折射表面区域，
其中，所述光源包括红色LED、绿色LED、蓝色LED和琥珀色LED，所述透镜构造为在所述光源被定位成偏离所述光轴时提供相对于所述光轴基本居中的白光，
其中，所述外表面的形状由以下公式描述：
z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 - - - ( 1 )
其中，z是与所述第一端部区域所在平面之间的距离，r是从所述光轴测量的半径，c是曲率，k是圆锥常数。
2.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述内部开口通道的特征在于基本圆柱形的侧壁。
3.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述内部开口通道的侧壁在基本不弯曲的状态下从所述内部开口通道的第一端部区域延伸到所述第二端部区域。
4.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述内部开口通道的侧壁相对于所述光轴形成约1度的角。
5.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述多个折射表面区域包括蜂窝排列的六边形区域。
6.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述光源还包括重叠在所述LED上的具有第一折射率的基质材料以及分散在所述基质材料内的珠体，所述珠体具有与所述第一折射率不同的第二折射率。
7.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述光源包括的发光二极管的数目是四个。
8.一种照明设备，包括：
光源，所述光源包括红色LED、绿色LED、蓝色LED和另一绿色LED；以及
与所述光源相邻设置的透镜，
其中，所述透镜具有光轴并且构造为在所述光源被定位成偏离所述光轴时提供相对于所述光轴基本居中的白光，所述透镜包括主体构件，所述主体构件具有外表面和延伸穿过所述主体构件的内部开口通道，所述主体构件在所述开口通道的第一端部区域处具有用于容纳光源的第一端部表面区域，
其中，所述外表面的形状由以下公式描述：
z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 - - - ( 1 )
其中，z是与所述第一端部区域所在平面之间的距离，r是从所述光轴测量的半径，c是曲率，k是圆锥常数。
9.根据权利要求8所述的照明设备，其中，所述透镜还包括：
所述主体构件和所述内部开口通道基本相对于光轴对称，所述外表面的形状被设置成提供全内反射；
所述主体构件具有与所述第一端部表面区域相对并且围绕所述开口通道的第二端部区域的第二端部表面区域，所述第二端部表面区域具有围绕着所述开口通道的所述第二端部区域定位的多个折射表面区域。
10.根据权利要求8所述的照明设备，其中，所述内部开口通道的特征在于基本圆柱形的侧壁。
11.根据权利要求8所述的照明设备，其中，所述内部开口通道的侧壁在基本不弯曲的状态下从所述内部开口通道的第一端部区域延伸到所述第二端部区域。
12.根据权利要求8所述的照明设备，其中，所述内部开口通道的侧壁相对于所述光轴形成约1度的角。
13.根据权利要求8所述的照明设备，其中，所述光源还包括重叠在所述LED上的具有第一折射率的基质材料以及分散在所述基质材料内的珠体，所述珠体具有与所述第一折射率不同的第二折射率。
14.根据权利要求8所述的照明设备，其中，所述光源包括的发光二极管的数目为四个。
15.一种照明设备，包括：
光源，所述光源包括红色LED、绿色LED、蓝色LED和琥珀色LED、重叠在所述LED上的具有第一折射率的基质材料以及分散在所述基质材料内的珠体，所述珠体具有与所述第一折射率不同的第二折射率；以及
透镜，所述透镜具有主体构件，所述主体构件包括外表面和纵向地延伸穿过所述主体构件的内部开口通道，所述主体构件和所述内部开口通道基本相对于光轴对称，所述外表面的形状被设置成提供全内反射，
其中，所述透镜被构造为在所述光源被定位成偏离所述光轴时提供相对于所述光轴基本居中的白光，
其中，所述外表面的形状由以下公式描述：
z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 - - - ( 1 )
其中，z是与所述第一端部区域所在平面之间的距离，r是从所述光轴测量的半径，c是曲率，k是圆锥常数。
16.根据权利要求15所述的照明设备，其中，所述内部开口通道的特征在于基本圆柱形的侧壁。
17.根据权利要求15所述的照明设备，其中，所述内部开口通道的侧壁在基本不弯曲的状态下从所述内部开口通道的第一端部区域延伸到所述第二端部区域，其中，所述内部开口通道的特征在于具有基本圆柱形的侧壁。
18.根据权利要求15所述的透镜，其中，所述内部开口通道的侧壁相对于所述光轴形成约1度的角。
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