專利名稱：帶反射器和發(fā)光二極管的光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有反射器結(jié)構(gòu)的光源，反射器結(jié)構(gòu)把從多色發(fā)光二極管(LED)陣列發(fā)出的光混合起來，具體而言是涉及混合從這樣的陣列發(fā)出的光來產(chǎn)生白色點光源的光源。
用于重點照明和普通照明的從小型到中型尺寸的細光束標準光源是白熾/鹵素?zé)襞荩鏟AR(拋物形鍍鋁反射器)燈。這些光源緊湊通用，但是效率不高。特定的燈在特定的色溫下以固定的功率工作，當他們可調(diào)節(jié)時，色溫根據(jù)黑體規(guī)則(blackbody law)隨著外加功率的水平而變化，這種變化可能是用戶想要的，也可能不是用戶想要的。
帶有多種顏色中的每一種顏色的LED陣列提供了生成一個色溫在任何功率水平下都可控的光源的可能性，從而使得燈既能調(diào)節(jié)又能在任何功率水平下發(fā)出均勻的白光。
題為“帶有用于混合從多色LED陣列發(fā)出的光的反射器的光源”的美國專利6200002被授予了和本申請相同的申請人，其內(nèi)容在此引作參考。該申請指出設(shè)計一個利用紅、綠、藍色LED和反射器結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生適用于重點照明和普通照明的可控的白色聚光燈的光源結(jié)構(gòu)所面臨的問題主要在于獲得良好的光混合并仍然保持整體的高傳輸效率以及細而且可控的光束。該申請和現(xiàn)有技術(shù)相比獲得了更好的混合效果，在其結(jié)構(gòu)中，在管狀反射器的入口孔處提供了包括多種顏色，例如紅、綠、藍色中的每一種顏色的LED陣列的光源，所述管狀反射器優(yōu)選地具有面向光軸突起的壁并向出口孔反射，反射器還優(yōu)選地具有多邊形，例如正方形，的橫截面。在該申請中公開和要求保護的本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，光源利用LED陣列，包括每一種顏色至少一個LED，來發(fā)出多種顏色中每一種顏色的光。陣列安排在反射管的入口孔處，反射管具有一個相對的出口孔，光被入口孔和出口孔之間的四壁反射和混合后從出口孔發(fā)出。光源具有一個光軸，在上述孔之間、沿圍繞壁的中央部分延伸，其橫截面和光軸垂直。橫截面優(yōu)選地沿光軸至少有一部分是非圓形的，優(yōu)選地沿著整個光軸都是多邊形的。正方形和八邊形的橫截面用來混合不同顏色的光。最顯著的是，四周的壁從入口孔到出口孔逐漸擴展，出口孔比入口孔大。四周的壁從光軸的的角度看優(yōu)選地有外凸的形狀，并向出口孔方向反射。也就是說，圍繞壁的曲率半徑沿著出口孔方向逐漸減小，使得反射器有一點喇叭的形狀。因為其總體外張的形狀，我們稱這種結(jié)構(gòu)為“喇叭型”光源。我們的喇叭型光源具有位于入口孔的特殊位置的平面LED陣列，從不同顏色的LED發(fā)出的光通過凹曲面壁的幾次反射混合在一起。一般說來，在喇叭型光源的大多數(shù)實施方案中，必須通過一些措施來使LED的光在射到喇叭的主要反射壁時入射到大約2×60°的初始圓錐形角度以內(nèi)。喇叭光源提供PAR燈需要的特性，還有獨立的色溫和調(diào)光控制，發(fā)光效率比PAR燈高。而且，喇叭光源利用一組紅、綠和藍色LED產(chǎn)生均勻的相對細到中等粗細的白色光束。
不過，本領(lǐng)域中仍然需要一種光源，包括象LED組件以及光學(xué)器件一樣有效的發(fā)光設(shè)備，且其中反射體可以接受整個2×90°范圍內(nèi)LED陣列芯片發(fā)出的光而不用在靠近單個LED處提供“主光源”。
本發(fā)明的一個目的是提供一種包括管狀反射器的光源，該反射器象LED組件以及光學(xué)器件一樣有效。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種包括反射器的光源，該反射器可以接受整個2×90°范圍內(nèi)LED部件發(fā)出的光而不需在靠近單個LED處提供“主光源”。
本發(fā)明的這些以及其他的目的根據(jù)本發(fā)明的如下描述得以實現(xiàn)。
本發(fā)明在其優(yōu)選實施方案中利用紅、綠、藍色LED，尤其是LED芯片作為光源，為普通照明或重點照明提供白色或顏色可控的聚光燈。
本發(fā)明是我們前文所述和要求保護的共同未決的序號為09/277645的申請中的喇叭型光源的一個選擇方案。正如該共同未決的申請的發(fā)明，本發(fā)明也(a)提供了LED光源，該光源在滿負荷和被調(diào)光的條件下將提供PAR燈的所有期望特性和調(diào)節(jié)和控制色溫的能力；(b)對于擴展尺寸的LED陣列提供良好的顏色混合；(c)提供了從光源發(fā)出的混合光的校準光束。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方案利用了LED芯片陣列，該陣列填充了具有多邊形截面的反射體的入口孔。
對于經(jīng)濟上可行的產(chǎn)品，對于高光輸出量、照射方式的良好控制、尺寸小、效率高、以及在近處和遠處都有良好的光混合的要求必須滿足，而本發(fā)明的光源就滿足了這些要求。
根據(jù)本發(fā)明，提供了利用紅、綠、藍色LED芯片作為光源，為普通照明或重點照明提供白色或顏色可控的聚光燈，滿足上面描述的經(jīng)濟實用產(chǎn)品的需要。提供了一種改進的LED組件反射器，也就是LED的主組件，以及光源或光學(xué)器件，在第一優(yōu)選方案中，這種反射器具有和光軸垂直的多邊形截面，優(yōu)選地是六邊形或八邊形截面，其中至少一部分圍繞體(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義。
本發(fā)明提供的光源包括LED部件的陣列，包括至少多種顏色中的每一種顏色的LED部件來發(fā)出每一種顏色的光；一個管狀反射器，包括入口孔，出口孔，以及在該出入口孔之間延伸的反射圍繞壁，光軸在兩孔之間圍繞壁的中央延伸，該LED陣列安排在入口孔處，反射壁用來反射和混合從該LED部件中發(fā)出的光，反射管有一個多邊形的橫截面和光軸垂直，優(yōu)選地是六邊形或八邊形截面，至少一部分圍繞體(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義。
改進的反射器可以接受從LED陣列發(fā)出的整個180度的光，在輸出光束的設(shè)計上也更靈活。


圖1a是紅色、綠色、藍色LED六角對稱陣列的示意圖；圖1b是紅色、綠色、藍色LED八角對稱陣列的示意圖；圖2是本發(fā)明發(fā)射器沿著光軸平行方向的截面圖；圖3示出本發(fā)明的兩種不同聚光燈實施方案的參數(shù)；圖4a是圖3所示的第一種實施方案的參數(shù)反射器的截面；圖4b是圖3所示的第二種實施方案的參數(shù)反射器的截面；圖5a和5b示出圖3所示例子的遠場模式的偽彩色圖案。
根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選實施方案的白光方案中，三種主要顏色紅(R)、綠(G)、藍色(B)的LED芯片在反射基片上排列成兩維平面陣列。
在x-y平面上觀察，LED芯片優(yōu)選地排列成具有以下特點的形式(1)每一種原色分布(紅、綠、藍)的重心都落在光軸上，(2)每一種原色分布(紅、綠、藍)距離光軸平均半徑都相同。
方便起見，我們描述只有三色的LED芯片或發(fā)射器。不過，應(yīng)該理解可以有兩種、三種、四種或更多不同顏色LED用來獲得所需的顏色和顏色控制特性。雖然細節(jié)可能不同，但該結(jié)構(gòu)可以適用于混合任意數(shù)目的不同原色。
本發(fā)明的光源具有LED部件或芯片的平面陣列，該陣列位于主反射體入口孔處的反射平面上，因此，是LED以及光源的主陣列。LED對稱陣列模式的具體細節(jié)以及LED芯片的平均半徑和反射器結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計緊密相關(guān)。在有應(yīng)用需要時，本發(fā)明可以用于任意數(shù)目的不同顏色?？蛇x地，單個的LED芯片對單個主光源可能有所要求。但是，這對于本發(fā)明的成功使用并不是必需的?？傮w上，本發(fā)明的主要目的是避免對這種主光源的需要。
為了獲得所需的白光輸出，必須有給定比率的紅、綠、藍LED芯片，這一比率由紅、綠、藍LED芯片的相對光的輸出決定。這種相對的性能可能隨著LED技術(shù)的進步而改變。對于優(yōu)選實施方案，我們已經(jīng)通過如圖1a所示把許多LED芯片排列成六邊形而獲得滿意的結(jié)果。參考圖1a和1b，為了說明的目的，在其中一個例子中，紅(R)、綠(G)、藍色(B)LED芯片數(shù)目比選定為1∶2∶1，也就是R∶G∶B＝1∶2∶1。我們發(fā)現(xiàn)當所有芯片對于光軸的平均半徑相同時(質(zhì)心在光軸上)結(jié)果最優(yōu)。優(yōu)選地，所有的芯片相對于光軸都有盡可能同樣的對稱。在這些條件下，選取藍色芯片和紅色芯片數(shù)目相同，綠色芯片是紅色芯片數(shù)目的兩倍就可以獲得最優(yōu)的結(jié)果。在所研究的幾個實施方案中，芯片數(shù)目比例R∶G∶B分別是(a)3∶7∶3和(b)4∶9∶4。參考圖1a和1b，(a)芯片陣列是六角對稱，(b)芯片陣列是八角對稱。在每一種情況下，外圈是綠色芯片，內(nèi)圈是紅色和藍色相間的芯片。中央的綠色芯片用來使得綠色芯片的平均半徑和紅色和藍色芯片的更接近。如果生產(chǎn)上允許使用不同尺寸的綠色芯片，可以通過在中央用較大的綠色芯片來使得所有芯片的平均半徑都相同。這對于獲得滿意的性能更可取但是并不是必需的。
參考附圖，圖2是一個本發(fā)明中的反射器沿著和光軸平行方向的截面的示意圖。如圖所示，反射器1的至少一部分圍繞壁具有多邊形截面，至少一部分圍繞體包括面50。反射器把從LED陣列40發(fā)出的光線校準到所需的角度分布并混合起來，陣列40包括許多紅、綠、藍色LED芯片10，20和30。反射器的部件2包括LED芯片的填充劑3/密封劑3’材料并形成多芯片LED組件40。頂部部分4如果需要可以置于空氣中，實際上出于費用和重量的考慮最好放在空氣中。圖2，3，4a，4b示出本發(fā)明兩種不同聚光燈實施方案的參數(shù)r0，i，hi，θi。這些參數(shù)將在下文進一步探討。
反射器1是一個n邊(典型地n＝6或8，可以是任意值)關(guān)于光軸(z軸)對稱的中空管狀結(jié)構(gòu)。當反射管1和組成LED陣列40的芯片陣列10，20，30具有相同的對稱性時效果最好。反射管沿光軸方向高為h。假定入口孔5位于平面z＝0，輸出口孔6位于平面z＝-h。和z軸垂直的任意平面的截面是一個以z軸為中心的規(guī)則多邊形，例如六邊形或八邊形。方便起見，取多邊形的一個邊和y軸平行。x-z平面平分這個邊，我們定義“高度為z時的半徑”r(z)作為這個邊的中點的x坐標。這個半徑也是多邊形內(nèi)切圓的半徑。根據(jù)以上定義，一個特定的反射器的形狀可以通過邊數(shù)n和函數(shù)r(z)來確定，其中z取值范圍為0到-h。在反射器主要和優(yōu)選形式中，r(z)是一個分段線性曲線，也就是說，一個由線段組成的曲線。在這種情形下，反射體由連續(xù)的(平面)梯形平面組成，在圖2，4a，4b標為50。
在本發(fā)明的特定優(yōu)選實施方案中可以選擇的特定參數(shù)包括如下參數(shù)在r(z)是分段線性函數(shù)的情況下，函數(shù)可以通過m+1個點(zi，ri)來確定，其中i∈{0，1，…，m)。我們引入“第i段”的概念，指的是反射體被平面z＝zi+1和z＝zi所確定的部分。這一段高度為h＝zi+1-zi，包括n個梯形，這些梯形通過不平行的邊和相鄰的梯形相連來形成一個多邊形管道。每一個梯形對于光軸都傾斜角度θi＝tan-1(ri+1-ri)/(zi+1-zi)。這樣反射器的表面可以通過確定入口孔半徑r0以及2m個參數(shù)(hi，θi)來唯一確定。
圖2顯示了一個反射器截面的示意圖，標注了以上參數(shù)，各個面相互連接在一起形成反射器管。圖3示出本發(fā)明反射器的兩個特殊例子的參數(shù)r0和(hi，θi)的值，這兩個例子分別產(chǎn)生2×20°和2×10°的光束(以全部光通量80％的水平)。圖4a和4b顯示了圖3闡明的兩種設(shè)計的截面(圖不是按照相同比例畫的)，圖5a和5b示出圖3中設(shè)計1和2的反射器的遠場模式的偽彩色圖案4a和4b。每一種具體的聚光燈設(shè)計可以是任意截面，例如六邊形，八邊形等，每一種可以利用圖1中的任一種芯片陣列以及合適的截面。
反射器是一個中空管狀結(jié)構(gòu)，可以將透明的絕緣填充材料3填充到一定程度來增強LED陣列發(fā)出光線的提取，絕緣材料和LED陣列的密封劑材料3’可以相同也可以不同。優(yōu)選地，這些材料相同并填充反射器的下面部件2到一個足夠的高度來使得整個內(nèi)部反射在該界面最小化。在一些優(yōu)選實施方案中，高度大約等于入口孔的半徑就可以了。在另一些優(yōu)選實施方案中，填充材料要填充下部到大約等于入口孔5直徑的兩倍?？蛇x地，在出口孔6處放置蓋板16來進行機械保護和/或光的散射和/或光束導(dǎo)向功能。反射器結(jié)構(gòu)還包括界面8來確定絕緣材料/密封劑3，3’和反射器內(nèi)的空氣的界面。這個界面8是具有特定參數(shù)的光學(xué)材料界面，下文將對此進一步探討。
本發(fā)明的光源可以接受整個2×90°范圍內(nèi)LED陣列發(fā)出的光而不用在靠近LED處提供“主光源”，主光源的使用在本發(fā)明中是可選的而不是必需的。第二個改進是輸出光束的角度可以在更大的角度范圍內(nèi)更方便地調(diào)節(jié)。具體而言，在發(fā)明的一個實施方案中，在80％點上獲得了2×10°的輸出光束。相反地，更寬的光束更容易獲得，因為在本發(fā)明中混合初始大角度的光更簡單。
如上文所述，本發(fā)明的反射器可以包括蓋板16，最好是透明的蓋板。用這個蓋板可以提供對主反射器的機械保護并限定了出口孔6。這個蓋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，棱鏡玻璃，皺紋玻璃等等，它還可以具有導(dǎo)向或折射特性或者這些特性的組合。蓋板的具體性能會影響光源的特性，在某種程度上會影響整個光線輸出分布。但是蓋板對于本發(fā)明的主要性能不是必需的，只提供反射器設(shè)計的靈活性和變化。
如上文所述，因為本領(lǐng)域眾所周知的光學(xué)和制造的原因，LED芯片通常密封在絕緣材料3中。這種材料理想地有盡可能高的折射指數(shù)，高到達到LED芯片的折射指數(shù)。典型地，這種材料的折射指數(shù)大約為1.5到2或更高。具體的產(chǎn)品性能可以通過選擇絕緣空氣界面獲得，也就是密封劑絕緣終止處的界面8(見圖2)，更具體地可以通過選擇光學(xué)材料界面來獲得。考慮到例如一種絕緣材料可以用作芯片的物理密封劑，而另一種指數(shù)和密封劑材料相匹配的材料也可能出現(xiàn)，在這種情況下可以用作物理界面而不必要用光學(xué)材料界面。影響本發(fā)明的反射器特性的是絕緣空氣界面會，這對于發(fā)明的設(shè)計很重要。在根據(jù)本發(fā)明所采用的優(yōu)選平面設(shè)計中，絕緣空氣界面位于平面分開的兩段上。由于這個面上的散射，雖然典型的趨勢是后續(xù)段的角度減小，但這部分的空氣側(cè)的角度θ通常比前述的角度顯著地大。這一段的角度的調(diào)整補償了散射，這正是反射器結(jié)構(gòu)作為一個整體連續(xù)收斂和調(diào)整所需要的角度。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，入射到絕緣空氣界面的光線中即使不是全部，也是大多數(shù)距離法線入射足夠近，從而避免全部內(nèi)反射。在優(yōu)選實施方案中，這一點通過絕緣空氣界面的高度大約是入口孔5直徑的兩倍來獲得。同時優(yōu)選地，絕緣空氣界面8具有粗糙的表面來使得在光線混合時散射效應(yīng)低。
本發(fā)明可以應(yīng)用于其他具體形式的方案而不會偏離其中的主旨、范圍或必需的特性，這里揭示的只是其中的優(yōu)選實施方案。
權(quán)利要求
1.一種光源，包括發(fā)光二極管(LED)組件(10)(20)(30)組成的陣列(40)，包括多種顏色中每種顏色至少一個LED來發(fā)出每種顏色的光；和反射管(1)，具有入口孔(5)和出口孔(6)，反射體部分包括在所述入口孔和出口孔之間延伸的反射壁，在所述反射壁的入口孔和出口孔之間的中央延伸的光軸(z)，所述LED部件(10)(20)(30)組成的陣列(40)位于所述入口孔(5)處，所述反射體部分的圍繞壁用來反射和混合從該LED組件陣列發(fā)出的光；其特征在于反射體的圍繞壁的至少一部分有一個和光軸垂直的多邊形截面，和光軸平行的截面至少一部分包括分段的曲線，每段彼此相連形成多個平面(50)來反射從所述LED部件(10)(20)(30)發(fā)出的光到所述出口孔(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光源，其特征在于所述反射體圍繞壁的部分包括連續(xù)的線性梯形平面(50)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光源，其特征在于與光軸垂直的反射體的截面是六邊形或八邊形截面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光源，其特征在于所述圍繞壁從入口孔(5)到出口孔(6)逐漸增大。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光源，其特征在于每一種顏色的所述LED部件(10)(20)(30)都定義了一種重心位于光軸的顏色分布。
6.一種光源，包括管狀反射器(1)的入口孔(5)處提供的發(fā)光二極管芯片(LED芯片)(10)(20)(30)組成的陣列(40)，所述管狀反射器(1)包括出口孔(6)、具有在入口孔和出口孔之間延伸的反射壁的反射體部分、在反射壁中央的入口孔和出口孔之間延伸的光軸(z)，所述反射體部分的圍繞壁用來反射和混合從所述LED芯片發(fā)出的光，其特征在于反射體的圍繞壁的至少一部分有一個和光軸垂直的多邊形截面，和光軸平行的截面至少一部分包括分段的曲線，這些段彼此相連形成多個連續(xù)的平面(50)來反射從所述LED芯片發(fā)出的光到所述出口孔(6)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的光源，其特征在于所述入口孔(5)和出口孔(6)相對，光線在被包括在入口孔和出口孔之間延伸的所述平面(50)反射和混合后從出口孔發(fā)出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的光源，其特征在于光的混合是通過利用多個小LED芯片來進行的，每一種顏色的芯片的分布都以光軸為中心。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的光源，其特征在于該截面是六邊形或八邊形截面。
全文摘要
一種光源，包括LED部件(10)，(20)，(30)組成的陣列(40)，LED部件包括多種顏色例如紅、綠、藍色的每種顏色至少一個部件，陣列(40)位于管狀反射器(1)的入口孔(5)處，管狀反射器有出口孔(6)以及在入口孔和出口孔之間延伸的光軸，在入口孔和出口孔之間有反射壁來反射和混合從LED部件陣列發(fā)出的光。反射體的四壁的至少一部分有一個和光軸垂直的多邊形截面，和光軸平行的截面至少一部分包括分段的曲線，這些段彼此相連形成多個平面(50)來反射從該LED部件發(fā)出的光到該出口孔(6)。優(yōu)選地，和光軸平行的反射體的截面的曲線的段是連續(xù)的線性梯形面(50)。
文檔編號F21S10/00GK1404564SQ01805345
公開日2003年3月19日 申請日期2001年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月21日
發(fā)明者T·M·馬沙爾, M·D·帕施里, S·赫曼 申請人:皇家菲利浦電子有限公司