專利名稱：線性光學(xué)光耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種照明系統(tǒng)，尤其是涉及一種包括多個(gè)光源的高耦合效率的照明系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
照明系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛。家用、醫(yī)用、牙醫(yī)及工業(yè)應(yīng)用中都需要使用光源。類 似地，航空、航海及陸地交通中也需要使用到高亮度的照明光束。傳統(tǒng)的發(fā)光系統(tǒng)經(jīng)常使用白熾燈或者弧光燈，它們有些包括聚焦透鏡和/或反射面 以將產(chǎn)生的光會聚成光束。但是，在某些具體應(yīng)用如游泳池的照明中，最終的光線輸 出端可能安裝在一些不方便使用電插座的環(huán)境里。在另一些應(yīng)用中，例如車前燈，則 需要將光源從暴露、易損壞的位置轉(zhuǎn)移到更安全的地方。還有一些應(yīng)用中，空間、安 裝或外觀需要等方面的限制要求將光源安裝在與照明區(qū)域不同的地方。為了滿足這些需要，人們已經(jīng)開發(fā)出了利用光學(xué)波導(dǎo)將光線從光源處引導(dǎo)到需要 照射的地方的照明系統(tǒng)。 一種方法是使用單個(gè)強(qiáng)光源或利用一簇聚在一起的光源形成 一個(gè)單獨(dú)的照明光源。這種光源發(fā)出的光通過聚焦裝置被引導(dǎo)至一個(gè)光學(xué)波導(dǎo)如塑料 核心光纖中，并通過波導(dǎo)傳導(dǎo)到遠(yuǎn)處。在其他方案中，單一的光纖也可以為光纖束所代替?，F(xiàn)有的方法傳導(dǎo)效率很低，有時(shí)會造成大約70%的損失。在多光纖系統(tǒng)中，損失 可能是由光纖束中光纖的間隙和將光線引導(dǎo)到光纖束的低效率引起的。在單光纖系統(tǒng) 中，為了得到強(qiáng)照明所需的足夠光線，光纖需要具有足夠大的直徑，但這又會使光纖 變得太粗而缺乏柔軟性，不利于安裝。一些發(fā)光系統(tǒng)利用激光的相干性和低散射性，采用激光作為光源。但是，激光只 能輸出單波長的單色光源，而照明系統(tǒng)通常需要寬得多的"白光"源。編號5， 299， 222 的美國專利公開了一種高能單波長激光二極管的應(yīng)用，不是將這種激光二級管作為照明光源，而是利用它將光與對波長敏感的增益介質(zhì)相耦合。使用這種特定的激光二級 管時(shí)，由于其發(fā)射的光束形狀不對稱，為了使光更高效率地與光纖相耦合，需要廣泛 運(yùn)用波束成形光學(xué)元件。另外，有些激光二級管工作時(shí)會產(chǎn)生熱量，因而需要嚴(yán)格控 制其溫度，例如使用熱電冷卻器等，這也使得使用成本昂貴。仍然需要一種利用光源傳送高亮度的照明的發(fā)光系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種發(fā)光或照明總成。更具體地，本發(fā)明涉及一種包括多個(gè)被設(shè)置與 照明的輸出端隔得很遠(yuǎn)的光源的高耦合效率的照明系統(tǒng)。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題 是如何提高照明系統(tǒng)的耦合效率。同時(shí)，還需要提供一個(gè)可以用光源發(fā)出高亮度照明 的發(fā)光系統(tǒng)。本發(fā)明所述的發(fā)光或照明系統(tǒng)，即所述照明裝置，包括多個(gè)LED單體，多個(gè)對應(yīng) 的光學(xué)波導(dǎo)，每個(gè)光學(xué)波導(dǎo)具有一個(gè)第一端部和一個(gè)第二端部，每個(gè)第一端部與對應(yīng) 的LED單體光學(xué)連通， 一個(gè)相對應(yīng)的光學(xué)元件陣列連接在所述多個(gè)LED單體組與相應(yīng) 的多個(gè)所述光學(xué)波導(dǎo)的第一端部之間。本發(fā)明所述的發(fā)光系統(tǒng)采用相互獨(dú)立的LED單體、LED芯片或激光二極管，光學(xué) 波導(dǎo)包括光纖，例如聚合物包層石英光纖。光學(xué)波導(dǎo)第一端部接收發(fā)光源發(fā)出的光， 第二端部可以被捆扎在一起，以便在照明時(shí)形成單一照明光源。本發(fā)明所述的光學(xué)元件包括無源光學(xué)元件，例如輸入導(dǎo)光元件陣列或光集中元件 陣列，其中每一個(gè)波導(dǎo)第一端部都至少與一個(gè)導(dǎo)光/聚焦元件光學(xué)連通，導(dǎo)光/聚焦元 件連接在LED單體與光學(xué)波導(dǎo)第一端部之間，并與它們光學(xué)連通。本發(fā)明所述的光學(xué)元件陣列包括一個(gè)反射鏡陣列?？梢詫Ψ瓷溏R成形以維持LED 單體的低6tendue量，且使該"endue量與接收光纖的6tendue量(該量與光纖的纖 芯面積和接收角的乘積成比例)充分匹配。反射鏡陣列可以成形在一個(gè)基片上，例如 多層光學(xué)膜(M0F)、金屬基片或金屬板。本發(fā)明所述的照明裝置進(jìn)一步包括至少一個(gè)輸出導(dǎo)光元件，例如校準(zhǔn)元件、收集 元件或波束成形元件，以便將波導(dǎo)第二端部發(fā)出的光成形為單一照明源。輸出導(dǎo)光元件還可以包括一個(gè)導(dǎo)光元件陣列，其中每個(gè)波導(dǎo)第二端部都與至少一個(gè)導(dǎo)光元件光學(xué) 連通。本發(fā)明所述的光學(xué)波導(dǎo)組包括光纖組，光纖第二端部包括設(shè)置在每個(gè)光纖的第二 端部的光纖透鏡。類似地，光纖的第一端部也可進(jìn)一步包括光纖透鏡。本發(fā)明所述的照明裝置進(jìn)一步包括第二 LED單體組和第二光學(xué)波導(dǎo)組，每個(gè)波導(dǎo) 均具有第一端部和第二端部，第二光學(xué)波導(dǎo)組中每個(gè)光學(xué)波導(dǎo)的第一端部都與第二 LED單體組中的一個(gè)LED單體光學(xué)連通。在實(shí)施例中，第二光學(xué)波導(dǎo)組的第二端部和 第一光波導(dǎo)的第二端部捆扎在一起，以便在照明時(shí)形成單一照明源?？蛇x擇地，第一 光學(xué)波導(dǎo)組的第二端部形成第一集束，第二光波導(dǎo)組的第二端部形成第二集束，這樣， 可以向相同或不同方向進(jìn)行相互獨(dú)立的照明輸出。本發(fā)明所述第一、第二光源可以具有不同的發(fā)射光譜。在一個(gè)具體實(shí)施例中，第一 LED單體組的輸出光譜本質(zhì)上為白色光，第二 LED單體組包含有一個(gè)紅外光源。在 另一具體實(shí)施例中，兩組(或更多)的LED單體組具有不同的顏色以便混合成有色光。 第一、第二LED單體組可以獨(dú)立或共同發(fā)光以便改變光源亮度。本發(fā)明所述的照明系統(tǒng)包括至少一個(gè)第一輸出光學(xué)元件和一個(gè)第二輸出光學(xué)元 件，第一輸出光學(xué)元件沿著第一路徑將輸出光從第一光學(xué)波導(dǎo)組第二端部導(dǎo)出，第二 輸出光學(xué)元件沿著第二路徑將輸出光從第二光學(xué)波導(dǎo)組第二端部導(dǎo)出。本發(fā)明所述的照明裝置可以被應(yīng)用到汽車或其他車輛及平臺的前燈照明系統(tǒng)里。 在一個(gè)實(shí)施例中，前燈的光束亮度可以通過控制光源陣列中發(fā)光的LED芯片的數(shù)量來 進(jìn)行控制。例如，第一LED單體組發(fā)光以進(jìn)行低亮度的照明，第一LED單體組和/或第二 LED單體組發(fā)光以進(jìn)行高亮度的照明。本發(fā)明所述的照明系統(tǒng)還可以進(jìn)一步包括一個(gè)紅外傳感器以便具有其他功能，例 如碰撞檢測、照明和/或遙感等方面的功能。本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容并非想說明本發(fā)明的每個(gè)說明的實(shí)施例或每個(gè)實(shí)施方式。以下 附圖和詳細(xì)說明更詳細(xì)地例證了上述實(shí)施例
圖1是本發(fā)明實(shí)施例的照明系統(tǒng)的透視圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例中照明系統(tǒng)的光源的簡化側(cè)面剖視圖。圖3是圖2中光源和反射平面的一部分的詳圖。圖4是反射鏡的曲線形狀圖，圖中假設(shè)最大發(fā)射角為80°, LED單體與反射鏡的間 隔為30Mffl。圖5是光集中元件的實(shí)施例的側(cè)面剖視圖。 圖6a是單個(gè)光線接收光纖的實(shí)施例。 圖6b是光線接收光纖束的實(shí)施例。圖7是本發(fā)明的實(shí)施例中照明系統(tǒng)的所使用的LED單體陣列和光學(xué)集中元件陣列 的局部分解圖。圖8-11給出了一些本發(fā)明的照明系統(tǒng)使用的光學(xué)接收器的可選實(shí)施例的端面剖 視圖。圖12是可以同時(shí)制造和封端電纜組件的組裝設(shè)備的簡化圖。 圖13是本發(fā)明實(shí)施例的車輛照明系統(tǒng)的分解透視圖。 圖14是一個(gè)多層、高密度固態(tài)光源結(jié)構(gòu)實(shí)施例示意圖。 圖15、 16是一些裝有熒光材料的LED單體結(jié)構(gòu)的實(shí)施例示意圖。雖然本發(fā)明可以有多種不同改進(jìn)和可選擇的變化，特別是其可以在附圖中以實(shí)例 的形式表示并將詳細(xì)說明。但應(yīng)當(dāng)理解的是其意圖不在于將本發(fā)明限制為已說明的特 定實(shí)施例。相反，其意圖還包括所有在本發(fā)明的權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)的改進(jìn)物、等 同物和可選擇物。
具體實(shí)施例方式通常地，現(xiàn)有的光纖照明系統(tǒng)都因?yàn)轳詈蠐p耗很高而效率很低。本發(fā)明中所涉及 的照明系統(tǒng)提供了更高的光耦合效率。此外，該照明系統(tǒng)提供了一個(gè)不連續(xù)的輸出光， 給人一種點(diǎn)光源的感覺。另外，本發(fā)明的實(shí)施例表明LED點(diǎn)光源陣列可以用來作為高 亮度遠(yuǎn)程光源向一個(gè)或多個(gè)區(qū)域輸出光。此外，本發(fā)明的實(shí)施例還提供了一種可以用來作為高亮度遠(yuǎn)程光源同時(shí)或分別向一個(gè)或多個(gè)區(qū)域輸出單色或多色光的LED點(diǎn)光源 陣列。進(jìn)一步的，由于在工作過程中使用情況會發(fā)生改變，因此光源的顏色或其顏色 的組合也被設(shè)置為可改變的，以滿足其特殊需要。下文還會對其它的實(shí)施例作進(jìn)一步描述o附圖1是包括遠(yuǎn)程照明系統(tǒng)100的第一實(shí)施例。高亮LED點(diǎn)光源104構(gòu)成的陣列 102與光學(xué)元件110構(gòu)成的陣列光學(xué)校直，所述光學(xué)元件可以是多個(gè)無源光學(xué)元件， 例如聚焦透鏡112，或是光學(xué)集中元件，例如反射鏡120 (參見附圖2)。光學(xué)元件IIO 的陣列再與波導(dǎo)陣列124光學(xué)校直，該陣列包括多個(gè)光學(xué)波導(dǎo)，例如光纖122。波導(dǎo) 陣列124為可連接的，其連接器可以包括一個(gè)連接器132以支撐和/或安裝光纖122 的光輸入端。連接器還可以包括一個(gè)連接器130以支撐和/或安裝光纖122的光輸出端。 附圖8至附圖11給出了一些連接器結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。顯而易見，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而 言，光纖122的輸出端也可以捆扎在一起以形成近似的點(diǎn)光源，或其它的有形陣列， 如線形、環(huán)形或其他的有形陣列。陣列102由離散的LED104構(gòu)成，例如LED單體陣列或LED芯片陣列，它們獨(dú)立安 裝，且具有獨(dú)立的連接電路。這種陣列與那種所有LED都通過公共的半導(dǎo)體基質(zhì)相互 連接在一起的LED陣列相比，更利于控制。LED單體可以產(chǎn)生對稱的輻射圖，這使得 它們成為本發(fā)明所需要的光源。LED單體在電光轉(zhuǎn)化過程中具有很高的效率，并且不 像大多數(shù)激光二級管那樣對溫度很敏感。因此，與很多激光二級管相比，LED單體可 以在只有一個(gè)有限的散熱片的情況下充分運(yùn)轉(zhuǎn)。在實(shí)施例中，兩個(gè)相鄰的LED單體之 間的距離大于一個(gè)LED單體的寬度。另外，LED單體可以在-40。C到125。C的環(huán)境下工作，并且工作壽命在100000小 時(shí)左右。而大部分激光二級管的工作壽命在10000小時(shí)左右，汽車的鹵素前燈的工作 壽命為500到1000小時(shí)。在實(shí)施例中，單個(gè)LED單體的輸出亮度不低于50流明。離 散的高功率LED單體已經(jīng)由Cree和Osram等公司推出。在實(shí)施例中，每個(gè)LED單體的 發(fā)光面積為大約300 mX300 Mm，其陣列可以提供一個(gè)發(fā)光區(qū)域小而亮度高的集中光 源。當(dāng)然，也可以使用矩形或多邊形等其它形狀的發(fā)光面。另外，LED單體的上下表 面都可以用來設(shè)置發(fā)光層。在一變形例中，LED陣列可以用垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列代替。無源光 學(xué)元件陣列110可以用來將每個(gè)垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)出的光引導(dǎo)到對應(yīng)的光纖122附圖1所示的實(shí)施例的一個(gè)特點(diǎn)在于光源、相應(yīng)的無源光學(xué)元件(透鏡、聚焦元 件、集中元件或反射元件)和相應(yīng)的波導(dǎo)之間一一對應(yīng)。通電之后，單個(gè)LED單體104 像一個(gè)獨(dú)立光源一樣將光發(fā)射到一個(gè)可彎曲的獨(dú)立光纖122中。在本實(shí)施例中，使用 了大纖芯(例如400 Mm到1000 Mffl)聚合物包層石英光纖(例如根據(jù)名稱為TECSTm的、 St. Paul, Minn.的3M公司銷售的光纖)。依照本發(fā)明的實(shí)施例，也可根據(jù)LED單體輸 出光波長等參數(shù)選擇使用其他種類的光纖，如普通或特制的玻璃纖維。另外，顯而易見，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，根據(jù)本發(fā)明的啟示也可使用其他 類型的波導(dǎo)，如平面波導(dǎo)、聚合物波導(dǎo)或其類似物。每根光纖122的輸出端可以進(jìn)一步設(shè)有光纖透鏡。類似的，光纖的光輸入端也可 以包括一個(gè)光纖透鏡。后文將對附圖13所示的本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)敘述。它是一種LED汽車 前燈，使用可彎曲的大纖芯聚合物包層石英光纖光纖連接光源與前燈。該實(shí)施例的一 個(gè)特點(diǎn)是通過使用較少量的LED源產(chǎn)生所需的亮度與波束圖，以達(dá)到LED光與光纖的 高效耦合。如附圖2所示，每個(gè)LED單體104上都添加了一個(gè)成形的反射鏡120,以便將LED 單體104發(fā)出的光導(dǎo)入到對應(yīng)的光纖122中，該光纖的纖芯直徑可以為600 Mm到650 Wn。在一實(shí)施例中，反射鏡的結(jié)構(gòu)為接收光纖提供了照明光的非成像集光和分配。成 形的反射鏡120可以由多層光學(xué)膜(MOF)、例如St. Paul, Minn的3M公司得到的增 強(qiáng)特定反射(ESR)膜制造而成。多層光學(xué)膜(MOF)可參考編號5, 882， 774和5, 808, 794 的美國專利文獻(xiàn)，這兩個(gè)專利案的全文以引證的方式并入本文中?？蛇x擇地，反射鏡120也可以用金屬或塑料薄板加工成合適的形狀，并用反射性 金屬(例如銀、鋁或無機(jī)薄膜堆積成的多層反射膜)覆蓋。例如，可以加工成注模塑 料薄膜或薄板。其中，所形成的反射腔可以覆蓋以合適的反射性金屬。如此處所述， 反射鏡陣列可以設(shè)置在LED單體的上方、下方或其周圍。另外，反射腔也可以填充配 率材料。如附圖1所示，獨(dú)立光纖122被聚集在一起，向遠(yuǎn)離光源的地方提供遠(yuǎn)程照明。 在一具體實(shí)施例中，光纖122被緊緊地捆扎在一個(gè)輸出連接器130中，以代替例如聚光燈或前燈組件中的燈泡或燈絲。如附圖2所示，在一實(shí)施例中，可以使用單個(gè)藍(lán)色或紫外線LED單體。在某些實(shí) 施例中，LED單體覆蓋有熒光層106，例如YAG:Ce熒光材料，優(yōu)選覆蓋在其發(fā)光面上。 熒光層106可以被用來將LED單體輸出的藍(lán)色光轉(zhuǎn)化為"白色"光。在一變形例中，紅色、藍(lán)色和綠色的LED單體組合可被選擇性地安放在陣列中。 其最終發(fā)出的光被光纖122的陣列收集以便光纖輸出端發(fā)出的光被混合在一起，從而 在觀測者眼中是有色光或"白色"光。如附圖2所示，熒光層可被安裝或直接成形在LED單體的發(fā)光面上。如附圖15 所示，在一實(shí)施例中，可以精確設(shè)置熒光層506以便于充分保持或減少LED單體的表 面放射的6tendue量的衰減。此處"充分保持"指的是LED單體的6tendue量保持不 變或最多增加一倍。如附圖15所示，熒光層506成形在LED單體504上，LED單體表面貼裝在基層540 上。在一實(shí)施例中，LED單體504是藍(lán)色光或紫外線表面發(fā)光二極管?；鶎?40為LED 單體陰極和陽極的連接提供了一個(gè)傳導(dǎo)面。例如， 一根或更多鍵合引線545連接在基 層的電接觸層541和設(shè)置在LED單體504的上表面的一個(gè)或更多結(jié)合區(qū)546之間?？?選擇地，鍵合引線545并不一定需要與LED單體的上表面相連。熒光層506設(shè)置在LED單體上與發(fā)光層充分匹配的某一區(qū)域或其附近。目前已知， LED單體的多個(gè)表面都可以發(fā)光。熒光層506成型為具有充分均勻的厚度(例如，大 約75Mm至大約150Mffi)并部分或整體固化。本實(shí)施例中，熒光層506可以用燒蝕、沖 切或其它能夠產(chǎn)生最小表面變形的技術(shù)加工成型，以與LED單體發(fā)光面的形狀相匹配。 可選擇地，熒光層506的尺寸或形狀也可以與LED單體的發(fā)光面不一致。在設(shè)置LED 單體陣列時(shí)，熒光層可以直接成形在LED單體的表面，或者可選擇地，作為一個(gè)可選 圖案的熒光材料的獨(dú)立覆蓋膜的一部分設(shè)置在LED單體陣列表面上或其附近。在一實(shí)施例中，熒光層506成型為熒光密封劑。例如，可以使用YAG:Ce熒光材料 和紫外線固化環(huán)氧材料(如Norland NOA81紫外線固化環(huán)氧材料)。熒光密封劑可以 被部分或完全固化。在部分固化狀態(tài)下，熒光密封劑環(huán)流在鍵合引線周圍，將其密封， 并將熒光材料與鍵合引線粘貼在LED單體表面。若采用的是防水密封材料，則其電路 連接的可靠性將得到增強(qiáng)。熒光密封劑可以采用低模量材料以將LED單體溫度變化帶 來的反作用減到最小。其中，LED單體材料與熒光材料之間熱膨脹系數(shù)(CTE)的差別可以通過可變形的密封劑進(jìn)行彌補(bǔ)。如果熒光密封劑被完全固化，則可在LED單體表面設(shè)置與鍵合引線厚度大致相當(dāng) 的附加粘結(jié)層。例如，附加粘結(jié)層可以通過沉積或浸涂技術(shù)形成在LED單體表面。這 樣，附加粘結(jié)層可以對鍵合引線進(jìn)行密封，熒光密封劑也可以與LED單體表面通過粘 貼形成無間隙接觸。上述精確設(shè)計(jì)的熒光層結(jié)構(gòu)可以用來充分保持LED單體發(fā)光面的6temiue量。在 該實(shí)施例中，熒光層面積與發(fā)光面面積大致相同。另外，熒光層可以被控制具有合適 的厚度，因?yàn)闊晒鈱釉胶?，它所在的那一面發(fā)出的光就越多。另外，對于具體的應(yīng)用， 可以通過色溫與色均勻參數(shù)來設(shè)計(jì)合適的熒光層厚度以滿足其需要。在附圖16所示的變形例中，熒光層的形狀可進(jìn)一步被設(shè)計(jì)得能充分保持LED單體 光源的6tendue量。此時(shí)，LED單體504通過鍵合引線545與基層540及電接觸面541 相耦合。所述的熒光層506形成在LED單體504的發(fā)光面上.另外，可以進(jìn)一步使用 燒蝕或切削技術(shù)在熒光層506上形成傾斜表面507。如附圖2所示，可以使用反射鏡120將LED單體104發(fā)出的光與光纖122相耦合。 另外，如圖所示，反射鏡可以被設(shè)計(jì)成可在LED單體上方滑動，這樣它的下開口 123 可以與LED單體104的周邊緊密配合。另外，反射鏡的設(shè)計(jì)還包括在支撐LED單體的 基層上覆蓋的反射性涂層。本光學(xué)系統(tǒng)一個(gè)重要的特征就在于反射鏡120的反射面121的形狀。反射鏡120 可以用噴射模塑(injection molding)、傳遞模塑(transfer molding)、微復(fù)制 (microreplication)、模壓(stamping)、沖壓(punching)或熱成型(thermoforming) 等技術(shù)成型。成型有所述反射鏡120 (單獨(dú)或作為反射鏡陣列的一部分)的基層可以 使用金屬、熱塑性材料或多層光學(xué)膜(M0F)等多種材料。成型有所述反射鏡120的基 層材料可以覆蓋以反射性涂層或只是簡單地打磨光滑以增加其反射性能。反射面121的形狀被設(shè)計(jì)來將LED單體(包括熒光LED單體)發(fā)出的各向同性光 轉(zhuǎn)換為一個(gè)符合接收光纖(例如TECS"光纖)接收角標(biāo)準(zhǔn)的光束，從而保持LED單體 發(fā)出的光的能量密度。 一旦LED單體發(fā)出的光被反射鏡聚集并導(dǎo)入接收光纖，這些光 纖能夠通過全內(nèi)反射的方式在低損耗下將光束傳導(dǎo)到遠(yuǎn)處。但是，接收光纖并不僅僅 用來傳導(dǎo)光束。依照本發(fā)明的實(shí)施例，在LED單體陣列處光纖間距很寬，若像緊密的 光纖束那樣使光纖間距變小，散開分布的LED陣列發(fā)射出來的光可以被有效地集中到一個(gè)很小的面積里。另外，例舉的TECSTM光纖的纖芯和包層的光學(xué)設(shè)計(jì)可以將從光纖 束末端射出的光束根據(jù)光纖輸入輸出端的數(shù)值孔徑(NA)成型。正如此處所述，接收 光纖起到光線集中、光束成形和傳導(dǎo)光束的作用。6tendue量(e)可以由下列公式計(jì)算得到e=A*Q n*A*sin2 9 =n*A*NA2此處，Q指發(fā)射立體角或接收立體角(單位為球面度)； A指接收器或發(fā)射器的面積；0指發(fā)射角或接收角； NA指數(shù)值孔徑。試舉一例。假設(shè)一根光纖，其數(shù)值孔徑為0.48，纖芯直徑為600 Mffl，光纖所能接 收并發(fā)射的6tendue量為0. 2 mm2 steradians (sr);同時(shí)，假設(shè)一個(gè)LED單體，其最 大發(fā)射面積為300 MfflX300 Mm (或90000 Mm2)，且該LED單體使用了熒光材料，具有 近似的各向同性或朗伯(Lambertian)亮度分布。若半角為80° ，則該LED單體的6tendue 量大約為0. 28 ram2 sr。這樣，雖然不是所有LED單體發(fā)出的光都能被光纖所收集，但 是50%或更多的光可以被使用此處描述的反射表面設(shè)計(jì)及方向的接收光纖所收集并發(fā) 射。如上所述，在使用熒光層將輸出光轉(zhuǎn)換為"白色"光的實(shí)施例中，可以通過控制 熒光層的大小和/或厚度以保持LED單體發(fā)光面的6tendue量。對反射鏡形狀的改進(jìn)或優(yōu)化能夠增加進(jìn)入光纖的光甚至使之達(dá)到最大。附圖3所 示為針對近似具有朗伯發(fā)射(Lambertian emission)的分布式光源的反射鏡形狀的普 通幾何學(xué)最優(yōu)化示意圖，它是附圖2中反射表面121添加了角度和坐標(biāo)軸的詳圖。根據(jù)附圖3中所示普通幾何學(xué)，LED單體發(fā)出的光以入射角6 i入射到鏡面上一 個(gè)選定點(diǎn)，該點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y)，在該點(diǎn)處鏡面相對于豎直軸成①j角。則鏡面的反射 光束與豎直軸之間具有如下角度9i -2*①j =進(jìn)入角 該角度正是光束射入光纖的進(jìn)入角。12光纖和LED會對光線會產(chǎn)生一些約束，例如1. 熒光LED源尺寸 直徑300 Mm2. 熒光LED發(fā)射角 ±80°3. TECS 光纖尺寸 纖芯直徑600 Mm4. TECS 光纖接收角 NA 0. 48 =進(jìn)入角± 28. 7C為了簡化分析，可以作出一些一般性假設(shè)。 下文中分析的限制條件為不考慮光源的實(shí)際尺寸，盡管在原型中實(shí)際光源是為邊長300陶的正方形。 忽略LED單體與反射鏡最靠近的部分發(fā)出的大角度光線。 分析的假設(shè)條件為光線以小于±28.7°的接收角反射入(或直接射入)光纖，這樣反射光束的約束 條件為I 0i _ Oj I《28.7°。熒光LED的發(fā)射角幾乎為各向同性，其半角可以在O。到80°的范圍內(nèi)變化。以 其最大角度80°在第一分析點(diǎn)建立(x, y)坐標(biāo)系。假設(shè)角度小于28.7°的光線直接射入光纖。模型為旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)(參見前述限制條件)。在分析時(shí)，假定反射曲線上的最低入射點(diǎn)由可變的發(fā)射角決定，該發(fā)射角最大值 為e i=90-80=10° 。根據(jù)該假設(shè)，對于一個(gè)x值，其對應(yīng)的y值或者反射鏡的位置由 ①j的方向決定。例如，假設(shè)在附圖2中反射鏡在LED104右方30Mm處，則經(jīng)過計(jì)算， 第一分析點(diǎn)的位置為330 * tan(90-80)即58 Pm高。得出反射點(diǎn)的y坐標(biāo)后，該點(diǎn)與熒光LED上的最近點(diǎn)的最小角度可以由以下公式 得出tan—1 ( y /( x - 300 ))假設(shè)以300Wn外LED (在本例中假設(shè)為圓形)的最遠(yuǎn)邊緣為x坐標(biāo)原點(diǎn)。對于y 坐標(biāo)為58陶的反射點(diǎn)而言，最小的發(fā)射角為27.3。。通過計(jì)算出的最小、最大發(fā)射角6i，可計(jì)算出最小和最大的反射鏡角度Oj，使 得根據(jù)方程1和上述第一約束條件的反射光線進(jìn)入光纖。另外，反射角大約在0. 7°和 25. 7°之間。這樣，通過對小于80。的各種角度進(jìn)行反復(fù)計(jì)算，可以給出反射鏡形狀的數(shù)學(xué)模 型。在表1中，角度以1°遞減至光纖的接收角(大約為29°)。有了反射鏡的(x， y)坐標(biāo)矩陣，對于反射鏡上任一點(diǎn)(x， yh通過計(jì)算與其最鄰 近的兩個(gè)點(diǎn)的局部導(dǎo)數(shù)，該點(diǎn)處反射鏡的角度都可以被估算出來。在最大角為80°的 實(shí)例中，最初的反射鏡角度為17.5°。根據(jù)圖表，這種方法得到的曲線的近似多項(xiàng)式回歸方程為 y=5E-064-0. 00683+3. 6183x2-859. 5x+76443 (R2=1.0)。此處，如附圖3所示，坐標(biāo)系統(tǒng) 的原點(diǎn)在LED (假設(shè)為圓形)最左邊的邊緣。表格1中給出的例子，該LED的最大發(fā)射角為80°，且LED邊緣與反射鏡邊緣間 隔30咖。根據(jù)表格1，最右邊一列為計(jì)算出的實(shí)際反射鏡曲線的①j值。其中，粗體 字表示在該點(diǎn)LED發(fā)出的光全部被反射入光纖；而斜體字表示在該點(diǎn)部分反射光超過 了光纖的接收角。這一計(jì)算表明除鏡面頂端外，在鏡面其他部分，LED發(fā)出的光基本 可以被反射入光纖。附圖4給出了前面假設(shè)的反射鏡的曲線形狀，如本文中所指出的， 假設(shè)最大發(fā)射角為8(T ， LED與反射鏡之間的間隔為30剛。該圖以不同的圓點(diǎn)型給出 了3種類型圖。中央Y點(diǎn)代表了從LED單體中央到最近邊緣的最小內(nèi)切圓，對角Y點(diǎn) 代表了從LED單體中央到一個(gè)角的最大外接圓，而多項(xiàng)式(中央Y值)是對中央Y值 的多項(xiàng)式擬合。需要注意的是，當(dāng)四階多項(xiàng)式精確符合時(shí)，二階多項(xiàng)式應(yīng)符合R2=0. 997。為了使鏡面的上段能夠?qū)⒐饩€反射入光纖，有一個(gè)方法是將鏡面曲線分段成形的， 例如將上段400剛部分成形為垂直的(①尸0)。最大發(fā)射角Xy最小角①min①max①j8033058.227.3-0.725.717.57933264. 526.4-1.225.217.27833471.025.6-1.524. 716.97733677.624.9-1.924.216.67633884.324.3-2. 223.716.37534091.123.7-2. 523.216.07434298. 123.2-2.822. 715. 773344105.222. 7一3. 022.215.41472346112.422.3-3.221.,715. 171348119.821.8-3.421.,214,870350127.421.4-3.620..714. 569352135.121.0-3.820.,214. 268354143.020.7-4.019..713.967356151.120.3-4.219.,213.666358159.420.0-4.318.,713. 365360167.919.7-4.518.,213. 064362176.619.3-4.717.,712.763364185.519.0-4.817..212. 362366194.6is-7-5.016.,712.061368204.0is.4-5.116.,211. 760370213.618.1-5.315.,711.459372223.517.9-5.415.,211. 158374233.717.6-5.614.710.857376244.217.3-5.714.210. 556378255.017.0-5.813.,710. 255380266.116.7-6.013.29.954382277.516.5-6.112.,79.653384289.416.2-6.212.29.352386301.615.9_6.411.79.051388314.215.6-6.511.28.750390327.215.4-6.710.78.449392340.815.1-6.810.,28.148394354.814.8-6.99.77.847396369.314.6-7.19.27.646398384.314.3-7.28.77.345400400.014.0-7.38.27.044402416.313.8_7.57.76. 743404433.213.5-7.67.26.542406450.913.2-7,76.76.241408469.413.0-7.96.25.940410488.612.7-8.05.75.739412508.812.4-8.15.25.438414529.912.1-8.34.75.237416552.111.9_8,44.24.936418575.311.6-8.53.74. 735420599.811.3-8.73.24.434422625.611.0-8.82.74.233424652.910.8_9.02.24.032426681.710.5-9.11.73.731428712.310.2_9,21.23. 530430744.89.9-9.40.73.329432779.39.6-9.50.23. 128434816.29.3—9.7—0,.3表格l上述反射鏡設(shè)計(jì)可以被應(yīng)用在多種不同使用環(huán)境下的陣列模式中。例如，附圖7 所示為LED單體104的陣列，它與電子連接裝置142相耦合，該連接裝置可安裝在電 路層141 (如柔性電路或半加成柔性電路)上，電路層141安裝在基層上。LED單體 104可以表面貼裝在電路層141上，也可以填入柔性電路層上形成的凹槽內(nèi)。作為上 文提到的鍵合引線連接的一個(gè)變形，當(dāng)使用柔性電路時(shí)，可用LED陣列的互連電路代 替。例如，以化學(xué)洗脫去除絕緣體(如聚酰亞胺)的方法形成導(dǎo)線。該方法可以形成 一條(或兩條)連接LED單體上的電觸頭的懸臂導(dǎo)線以便傳導(dǎo)超聲信號或電信號。所 述懸臂導(dǎo)線的尺寸比鍵合引線小，而且可以充分地平展。如上所述，可以使用熒光元件106將輸出光的波長從LED單體發(fā)射光譜轉(zhuǎn)換為所 需要的照明光譜。另外，可以使用相對應(yīng)的成型在微復(fù)制反射片111上的反射鏡120 的陣列，即無源光學(xué)元件陣列110，可以有效地將LED單體發(fā)出的光與相匹配的光纖 122的陣列(如附圖1所示)相耦合。所述反射片上包括一個(gè)內(nèi)部成形有反射鏡凹槽 的多層光學(xué)膜。另外，反射片lll可以包括有覆蓋了反射涂層(如銀、鋁、金、無機(jī) 電介質(zhì)層或其近似)的注模材料制成的反射鏡120，反射鏡120安裝或覆蓋在反射片 的內(nèi)面上(如附圖2中的121面)。另外，反射鏡120也可由反射鏡形狀的模壓或沖壓 材料形成。另外，可以通過將熒光材料直接混合到陣列110的上表面或下表面的方法來形成 如前所述的熒光層106。如附圖7所示的方形的LED單體陣列，可以根據(jù)應(yīng)用需要使 用具有相關(guān)光學(xué)元件、電子連接裝置、熒光元件和反射鏡形狀的規(guī)則或不規(guī)則的LED 光源。另外，在該設(shè)計(jì)例中，使用基準(zhǔn)符號149使得各陣列層彼此對齊。參考附圖14， 下文將給出多重LED單體光源多層構(gòu)造的一個(gè)實(shí)施例。附圖5所示為LED單體104的支架結(jié)構(gòu)或基層140的實(shí)施例?；鶎?40可以為LED 單體104的散熱提供一個(gè)低熱阻的途徑。在該實(shí)施例中，LED單體104安裝在凹槽140 中，此時(shí)單獨(dú)的LED單體104通過常用的固定方法，如焊料或金屬(如金-錫合金)回 流，固定在基層140上?；鶎?40還可以支撐電路層。在本實(shí)施例中，基層140可以 覆蓋有反射性覆膜。另外，如圖5所示， 一根懸臂導(dǎo)線148通過連接電路層連接到LED 單體上。如附圖5所示，熒光材料106可被安裝在反射鏡的底部，覆蓋或直接形成在一個(gè)上，或者優(yōu)選為沉積在LED單體的頂部。在一實(shí)施例中，通過一個(gè)剛性或柔性的連接電路層來實(shí)現(xiàn)連接。這種柔性電路材 料已由3M公司推出。如附圖5所示，可以將柔性電路層的一部分電絕緣體(如聚酰亞 胺)145布置在反射性覆膜143上。另外，可以將柔性電路層的一部分導(dǎo)體147，如銅 導(dǎo)線和/或其他合金材料(如鎳/金合金)布置在電絕緣體145上以便連接電路。可選擇地，柔性電路層可顛倒放置，單獨(dú)的LED單體可以安置在所述電絕緣體表 面的凹槽內(nèi)，直接與金屬/電路層147接觸。在該變形例中，不需要在基層材料140 上形成凹槽。根據(jù)LED單體電路附件的需要，可以在柔性電路的傳導(dǎo)部分和基層之間 設(shè)置具有較好熱傳導(dǎo)性能的電絕緣材料。一個(gè)變形例，通過使用常見的FR4環(huán)氧樹脂印刷電路板來連接電路，可以在降低 性能的前提下降低成本。在另一變形例中，將導(dǎo)電性環(huán)氧材料或?qū)щ娦杂湍纬稍诤?適的基層上以制作低成本電路，來連接LED單體陣列。如前文所述，與LED單體的點(diǎn)對點(diǎn)光纖傳輸能夠提供更好的照明效率。附圖6a 所示為單獨(dú)一根光纖125， 125a為纖芯，125b為包層。附圖6b所示為19根光纖125 所組成的光纖束127。例如，每根光纖125的外徑為0. 071cm，纖芯直徑大約為650Mm， 則照亮光纖束127所需的光束有效面積約為0.011 cm2。 19根導(dǎo)光纖芯面積大約為 0.0065 cm2。對于一個(gè)假設(shè)的均勻分布光源，可與波導(dǎo)耦合的光與波導(dǎo)的輸入面積成 比例；因此，這種模型的光耦合效率為0. 0065 /0. 011，即大約為60%。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)勢在于可以將光線高效地射入光纖束的獨(dú)立光纖中。以單個(gè)光源 為例，顯而易見，由于無法控制光線發(fā)射角，并且光線可能射向光纖包層以及光纖束 中光纖之間的間隙，效率會被降低。因此，在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，由于沒有將獨(dú)立的LED 與相應(yīng)的光纖配對，光纖之間的暗隙會使光線產(chǎn)生25%至40%的損失。為減少光損失， 這種系統(tǒng)需要將更多的光纖緊密地捆扎在一起。但即使這樣，光線還是會比較分散。與之相反，在本發(fā)明中，接收光纖可以基于光纖直徑被捆扎成很緊密的輸出陣列， 這樣可以產(chǎn)生很緊密的集中發(fā)射光。由于本發(fā)明中單個(gè)的接收光纖直徑相對較小，因此可以被捆扎成一束，而光纖束 的橫截面可以是各種幾何形狀，如圓形、螺旋形、矩形或其他多邊形。本發(fā)明的實(shí)施 例可以將遠(yuǎn)程光源發(fā)出的光聚集到一起并將其有效地傳輸?shù)綗o法以正常的方式得到光源的地方。例如，若用于車輛前燈，如附圖13所示，本發(fā)明提供了一個(gè)高度會聚的光源，該 光源在尺寸與形狀上都與燈絲極為類似，因此發(fā)射光可以由反射面或折射元件成形并 射出。附圖13所示為一個(gè)車輛遠(yuǎn)程照明系統(tǒng)300的實(shí)施例，包括有一個(gè)將車載功率源 (圖中未示)連接到LED單體304的陣列的連接器301。 LED單體304表面貼裝在連接 電路層341上，連接電路層341設(shè)置在導(dǎo)熱材料形成的基層340上。在本實(shí)施例中， 反射鏡320的陣列可以通過例如粘合的方式設(shè)置在連接電路層上，這樣每個(gè)LED單體 的周邊都被反射面所包圍。由LED單體發(fā)出并被反射鏡陣列收集會聚的光可以被導(dǎo)向 棱鏡312的陣列，該棱鏡陣列可以將發(fā)射光聚焦到相應(yīng)的光纖322的輸入端。如附圖13所示，設(shè)置有輸入連接器332以固定光纖322的輸入端。在本實(shí)施例中， 獨(dú)立的光纖被捆扎成兩個(gè)光纖束351和352，這樣光可從不同的位置輸出(例如車的 左右前燈374和375)。設(shè)置有輸出連接器331A和331B以固定各自前燈中的光纖束。 通過這種方法，由于熱光源(例如發(fā)光源——LED單體陣列)遠(yuǎn)離最終的照明輸出區(qū) 域，前燈為"冷"光源。這種排列可以減少前燈中的光學(xué)元件，如反射鏡、覆膜、棱 鏡及其他相關(guān)光學(xué)元件的熱損壞。本發(fā)明另一實(shí)施例中，如附圖13所示的照明系統(tǒng)300可以進(jìn)一步包括一個(gè)紅外傳 感器。在該變形例中， 一個(gè)或更多LED單體陣列中包含紅外線LED單體。所述紅外線 LED單體可以采用常見的紅外線LED單體。該系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括一個(gè)傳統(tǒng)的紅外線 探測器以接收紅外線信號。該變形例可以被用來進(jìn)行沖突檢出。另外，其他類型的傳 感器，如環(huán)境光線探測器，可以被用來在早晨自動使燈變暗和/或在黃昏時(shí)自動使燈變 亮。這樣，在該變形例中，本發(fā)明的照明系統(tǒng)可以提供照明和遙感探測?？晒┻x擇地， 該系統(tǒng)還包括一個(gè)紅外線收發(fā)裝置，該裝置可以是照明系統(tǒng)的一個(gè)部分，也可以是與 照明系統(tǒng)相分離的獨(dú)立部件。附圖8至附圖11給出了多種低成本結(jié)構(gòu)的連接器的例子，它們可以使用在上文提 到的照明系統(tǒng)和組件里。附圖8給出了一種輸入連接器132的設(shè)計(jì)方案，考慮到與光源陣列相對應(yīng)的nXn 的光纖陣列在光纜組件輸入端的齒距，該連接器可以幫助從頂部或底部加載光纖122。 在該實(shí)施例中，輸入連接器132a由兩個(gè)片型結(jié)構(gòu)組成，包括形成有齒135的上層133, 上層與光纖122及下層134相嚙合。下層134包括凹槽136，可以與接收光纖122和18齒135安全配合。這種結(jié)構(gòu)不但可以降低費(fèi)用，還在一步工序內(nèi)組裝二維陣列。而其 它的二維連接器設(shè)計(jì)方案則需要堆疊很多V型槽連接層。附圖9給出了一種可以從頂部和低部安裝光纖122的nXn陣列輸入連接器132b。 本實(shí)施例的連接器132b由三個(gè)片層結(jié)構(gòu)組成，包括形成有光纖接收凹槽138的中層 131，上層133'和下層134'?？晒┻x擇地，連接器132b也可以由一個(gè)單獨(dú)的結(jié)構(gòu)整體 構(gòu)成。本設(shè)計(jì)方案也可以在一步工序內(nèi)組裝二維連接器。為實(shí)現(xiàn)該目的，附圖12所例 舉的組裝機(jī)器可能需要具有兩個(gè)光纖陣列，而非一個(gè)寬的線性光纖陣列。附圖10給出了一種可以從頂部或底部安裝光纖的輸入連接器132c，它使用隔離 物139以設(shè)置光纖之間的間距。本設(shè)計(jì)方案通過插入隔離物來制作二維陣列，從而不 需要堆疊V型槽連接層。附圖11給出了一種光纖電纜組件的輸出連接器130的設(shè)計(jì)方案。本方案可以將光 纖122密集組裝在一起以提供一個(gè)高度集中的照明光源。本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可以根 據(jù)本發(fā)明的方案給出其他的變形例。附圖12所示為可用來制作上述連接器的自動組裝程序示意圖。該圖示意了直線光 纜組裝(INCA)過程，該過程可以同時(shí)制造和封端多個(gè)光纜組件。INCA系統(tǒng)200包括 一個(gè)由N個(gè)光纖軸202組成的陣列，光纖軸上繞有提供給INCA組裝機(jī)210的光纖。通 過使用一個(gè)具有精確間隔的導(dǎo)篦，光纖222被排成具有所需特定間距的陣列。代表性 地，該間距與封端連接器所需要的間距一樣。光纖陣列排列好后，被傳送到連接器組 裝臺230，在該組裝臺上，由至少一個(gè)連接器底座231和隔一段預(yù)先設(shè)定好的距離， 連接器底座231和連接器蓋232被組裝到一起，以便進(jìn)一步使光纖排好位置并最終得 到光纖陣列。連接器組件可以機(jī)械連接或粘結(jié)到光纖上以便形成一個(gè)光纜封端組件， 如通過使用薄片軋輥240和膠帶242。如果只組裝一個(gè)連接器，則該組裝機(jī)將輸出可 連接的尾纖，即一端帶有連接器的光纜。通過間隔一段距離在相反的位置安裝兩個(gè)連 接器，該組裝機(jī)可制作可連接的跳線250，即兩端都具有連接器的電纜。組裝后的連 接器與光纖穿過組裝機(jī)繼續(xù)移動，保護(hù)性電纜外殼被包裹安裝在光纖陣列和連接器周圍。附圖14所示為多層高密度固態(tài)光源400的分解圖，該光源可與光纖相耦合以提供 前文所述的遠(yuǎn)程照明。第一層，即基層440，被用來支撐LED單體404的陣列。如前 文所述，基層440由高導(dǎo)熱性能材料(例如銅)或其類似材料。另外，基層440還可以具有導(dǎo)電性，為LED單體陣列提供電源母線或接地母線。LED單體404可以通過常 用技術(shù)如焊接、粘結(jié)或類似技術(shù)與基層440連接在一起。粘合層405被設(shè)置在LED單 體的上方。粘合層405根據(jù)LED單體的位置和其間距裁減掉與之相對應(yīng)的部分。圖案化粘合層405的上方設(shè)置有圖案化柔性電路層441，以提供一個(gè)連通的電路。 柔性電路層441包括一個(gè)電導(dǎo)線分布圖442以便與LED單體404連接。典型地，LED 單體需要兩個(gè)電路連接——在一些設(shè)計(jì)方案中，LED單體的上下方各有一個(gè)連接電路； 在另一些方案中，兩個(gè)連接電路都在LED單體的上方。在本實(shí)施例中，柔性電路層441 的一部分被裁減掉以與LED單體陣列相匹配。LED單體上方通過柔性電路層441的電 路圖案442實(shí)現(xiàn)電路連接，而其下方則通過基層實(shí)現(xiàn)電路連接。利用基準(zhǔn)符號449以 確?；鶎优c柔性電路層441對齊。成形在微復(fù)制反射片411上的無源光學(xué)元件410 (如反射鏡420)的陣列可被用來 將LED單體發(fā)出的光耦合入對應(yīng)的光波導(dǎo)陣列。在本實(shí)施例中，微復(fù)制反射片411包 括有反射鏡420的陣列。如前文所述的反射鏡420可以由多層光學(xué)膜成形而成，或者， 也可以由反射性材料(如塑料、金屬)片以與LED單體相同的間距經(jīng)鑄模成形、機(jī)械 成形或模壓成形構(gòu)成。另外，反射鏡的反射腔內(nèi)還具有透鏡結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，反射腔內(nèi) 還包括了圖案化的熒光材料，也可以直接將熒光材料設(shè)置在微復(fù)制反射片411的上方 或下方。為了將陣列410粘合到柔性電路層441上，可以使用額外的圖案化粘合層445。 依舊可以利用基準(zhǔn)符號449以對齊各層。可以選擇合適的粘結(jié)材料以確?；鶎雍头瓷?鏡陣列之間具有高附著強(qiáng)度和/或絕緣性。進(jìn)一步，粘結(jié)材料可以降低由于基層與反射 鏡陣列之間熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配所帶來的應(yīng)力。在一變形例中，柔性電路層和反射鏡陣列的位置可以相互交換。例如，柔性電路 層的導(dǎo)線可以穿過反射腔與LED單體的結(jié)合區(qū)相連。上述的照明組件與照明系統(tǒng)相對于現(xiàn)有技術(shù)具有多個(gè)優(yōu)勢。首先，上文所述的LED 單體更小，散發(fā)的熱量也更少，因而使用時(shí)可以避免損失發(fā)光強(qiáng)度。在上文所述的實(shí) 施例中，陣列中的LED單體都被分開設(shè)置以防止在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生熱點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)使得LED 單體可以更大的功率驅(qū)動以提供更多的輸出光，從而光纖的輸出端也可以發(fā)射出亮度 更高的光束。大量LED單體緊密捆綁在一起，即使整體上有比較有效的散熱機(jī)制，長 期信賴性還是有一些問題，因?yàn)榫植渴軣崛阅芸赡軠p少LED的壽命甚至使之突變實(shí)效。將LED單體的間距控制的比LED單體的寬度大時(shí)，導(dǎo)熱性基層可以對沒有局部過熱點(diǎn) 的LED陣列起到較好的散熱作用。與正常工作環(huán)境相比，若能夠提供足夠的散熱，LED 單體可以在更高的電流下運(yùn)轉(zhuǎn)，并提供更高的輸出光。此外，與白熾光源相比，本發(fā) 明所述的LED單體陣列不會由于燈絲發(fā)熱而在光束照射方向產(chǎn)生大量熱量。這種大熱 量會對發(fā)光元件(如車前燈)中可能使用的聚合物透鏡和反射鏡組件造成損害。本發(fā)明第二個(gè)優(yōu)勢在于每個(gè)耦合的LED使用一根單獨(dú)的光纖。現(xiàn)有技術(shù)中，將密 集的LED陣列與一根大直徑的光纖或光纖束相耦合。雖然密集的LED陣列具有前文所 提到的信賴性問題，但是這種應(yīng)用已經(jīng)被證明為能在有損于信賴性的前提下最有效地 將光耦合入光纖。每個(gè)LED配合一根單獨(dú)的光纖能夠使LED單體相互分開，將前文所 述的高度集中的LED的局部熱效應(yīng)最小化。本發(fā)明還有一優(yōu)勢在于相互連接的電線。 一個(gè)例如像上文所述柔性電路層的薄電 線層(例如25至50Mm)可以提供電路連接、傳導(dǎo)部分LED單體發(fā)出的熱量、以及提 供一個(gè)可被壓扁的扁平電路連接結(jié)構(gòu)。最終整體的結(jié)構(gòu)為一個(gè)很薄的層，使得該層的 光學(xué)性能無關(guān)緊要。該扁平的薄層使得整個(gè)陣列可以被層壓成一個(gè)可靠性很高的實(shí)體 或?qū)嶓w塊，該實(shí)體塊由基層上的LED陣列、電路連接層和反射層依次連接在一起形成 的。本發(fā)明所述照明裝置的另一優(yōu)勢在于整個(gè)組件的疊片結(jié)構(gòu)或封裝結(jié)構(gòu)。由于LED 陣列和反射腔可以用固體材料(如環(huán)氧材料或模壓聚碳酸酯)充填，整個(gè)組件可以被 層壓成一個(gè)沒有空隙的實(shí)體塊。電子元件中存在的空隙在某些應(yīng)用中可能會帶來信賴 性上的問題，因?yàn)樗赡軙奂诰酆衔锟障吨?，對長期信賴性造成不利影響。另外，LED單體的前方可以設(shè)置有光束成形反射鏡。進(jìn)一步，反射鏡結(jié)構(gòu)可以由 多層光學(xué)膜制成，這種膜可以被制成反射鏡形狀而不影響在可見光波長范圍內(nèi)的反射 性能以及很寬的入射角范圍下的反射性能。本發(fā)明的另一優(yōu)勢在于提供可選擇的輸出顏色的熒光材料的設(shè)置方法?，F(xiàn)有技術(shù) 中，常常在安裝LED的腔內(nèi)附加熒光材料。這種大量的熒光材料沉積需要使用很多相 對昂貴的熒光材料，同時(shí)，由于熒光材料發(fā)出的光各向同性，LED看起來比實(shí)際體積 要大，因此這種方法會不可避免地降低LED光源的6tendue量。如前文所述，這樣會 最終降低光耦合入光纖或其他波導(dǎo)的耦合效率。如附圖5所示的熒光材料106被覆蓋在一個(gè)薄板上，并被層壓到反射鏡的頂部(或21底部)，或者直接將熒光材料106沉積到LED的表面。使用熒光材料覆層會產(chǎn)生一個(gè)非 常均勻的熒光薄層，能有效地將LED發(fā)出的光轉(zhuǎn)化為"白色"光。熒光層的尺寸可以 控制得不會增大LED光源的表面尺寸，從而可以保持LED的6tendue量，提高系統(tǒng)的 耦合效率。在把添加了熒光材料的環(huán)氧材料直接或間接沉積到LED的發(fā)射面上時(shí)，通 過對極少量熒光材料的精密沉積，可以減少熒光材料的用量，保持LED發(fā)射面的尺寸。本發(fā)明的另一優(yōu)勢在于可以設(shè)計(jì)LED單體陣列發(fā)出的光譜。正如通過LED單體顏 色的組合可以形成"白色"光，數(shù)個(gè)實(shí)施例使用熒光層將藍(lán)色光或紫外線轉(zhuǎn)化為一個(gè) 寬的光譜，如"白色"光。對LED單體陣列使用不同的熒光材料可以得到具有所需色 溫的"白色"光。類似地，通過對LED單體使用不同的熒光材料，可以得到多種顏色 的光。當(dāng)把覆蓋有熒光材料的薄板安置在反射鏡陣列的頂部時(shí)，受光纖有限的接收角所 限制，光能無法以最大的耦合效率與光纖陣列相耦合。因此，這種結(jié)構(gòu)可能對大表面、 高發(fā)散角、且沒有因LED密度過高產(chǎn)生的局部熱點(diǎn)的LED陣列較為有利。根據(jù)專利法的規(guī)定，本發(fā)明的原理及實(shí)施方式已在其優(yōu)選實(shí)施例及附圖中解釋與 說明。然而，應(yīng)當(dāng)知道在不脫離其精祌及范圍的情況下，本發(fā)明可以與上述特定的解 釋及說明不同的方式實(shí)施。例如，本發(fā)明實(shí)施例以汽車前燈為例進(jìn)行說明，相同的照 明系統(tǒng)也可用在航空、航海、醫(yī)用、工業(yè)用、家用以及汽車的其他部件上使用。應(yīng)當(dāng) 知道，所公開的附圖及實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的示例，他們可以用不同的和可替換的方 式實(shí)現(xiàn)。因此，這里所公開的具體細(xì)節(jié)不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制，其只不過是向所 屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員傳授本發(fā)明的各種使用方式的代表性的基本方式。
權(quán)利要求
1.一種照明裝置，包括多個(gè)發(fā)出光輻射的LED單體；一個(gè)為上述LED單體組提供電路連接的連接電路層；多個(gè)光學(xué)波導(dǎo)，其中每根光學(xué)波導(dǎo)都具有一個(gè)第一端部和一個(gè)第二端部，每個(gè)第一端部都與上述多個(gè)LED單體中相應(yīng)的一個(gè)LED單體光學(xué)連通，所述第二端部包含有一個(gè)光學(xué)聚焦元件以接收并聚焦光學(xué)波導(dǎo)第二端部發(fā)射出的光輻射；和一個(gè)光學(xué)元件陣列，該陣列中每一個(gè)光學(xué)元件都連接在一個(gè)相應(yīng)的光學(xué)波導(dǎo)第一端部和相應(yīng)的LED單體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的照明裝置，其特征在于由所述多個(gè)光學(xué)波導(dǎo)構(gòu)成的光學(xué)波導(dǎo) 陣列包括多個(gè)光纖。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于所述的多個(gè)光纖包括多個(gè)聚合物包層 石英光纖，每根聚合物包層石英光纖的纖芯直徑為大約400 Wn至大約lOOO Mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于所述多個(gè)光纖的第二端部被捆扎在一 起以形成單一照明光源。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于所述多個(gè)光纖的第二端部被捆扎成幾 個(gè)獨(dú)立的部分以形成幾個(gè)獨(dú)立的照明光源。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明裝置，其特征在于所述的光學(xué)元件陣列包括一個(gè)無源光 學(xué)元件陣列。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的照明裝置，其特征在于所述無源光學(xué)元件陣列包括一個(gè)光學(xué) 集中元件陣列。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明裝置，其特征在于還包括一個(gè)用來接收并發(fā)多個(gè)光學(xué)波 導(dǎo)的第二端部放射出的光輻射的發(fā)射元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明裝置，其特征在于所述光學(xué)聚焦元件包括光纖透鏡，即 每個(gè)第二端部都包括一個(gè)對應(yīng)的光纖透鏡。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明裝置，其特征在于所述光學(xué)元件陣列包括一個(gè)反射鏡 陣列。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的照明裝置，其特征在于所述反射鏡陣列包括一個(gè)由多層光 學(xué)膜形成的反射鏡的陣列。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的照明裝置，其特征在于所述LED單體緊貼在所述反射鏡陣 列的第一表面，以使得與發(fā)光面法線方向夾角不高于80°的發(fā)射光被反射鏡陣列所反 射。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明裝置，其特征在于所述連接電路層厚度為大約25Mffl 到大約50Pm。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明裝置，其特征在于每個(gè)所述的LED單體都設(shè)置在連接 電路層上的凹穴中。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明裝置，其特征在于所述的光學(xué)元件陣列包括一個(gè)反射 鏡陣列，所述反射鏡陣列中的每一個(gè)反射鏡都具有一個(gè)入口孔和一個(gè)出口孔，每個(gè)所 述的LED單體的發(fā)射面被定位于低于所述的入口孔。
16. —種車輛前燈，其特征在于，具有權(quán)利要求l所述的照明裝置。
全文摘要
一種照明系統(tǒng)，包含有多個(gè)輻射源，例如LED單體，和多個(gè)對應(yīng)的光學(xué)波導(dǎo)，每個(gè)光學(xué)波導(dǎo)具有一個(gè)第一端部和第二端部，每個(gè)第一端部與對應(yīng)的LED單體光學(xué)連通。一個(gè)對應(yīng)的無源光學(xué)元件的陣列插入多個(gè)LED單體與對應(yīng)的多個(gè)光學(xué)波導(dǎo)的第一端部之間。該照明系統(tǒng)提供了足夠高的光耦合效率。在觀測者眼中，該系統(tǒng)像一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出不連續(xù)的輸出光。另外，該照明系統(tǒng)可以向一個(gè)或多個(gè)方向，一個(gè)或多個(gè)位置遠(yuǎn)程輸出光。
文檔編號F21V8/00GK101255975SQ200810008358
公開日2008年9月3日 申請日期2008年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月26日
發(fā)明者阿爾弗雷德·瓦斯勒沃斯基, 馬亨德拉·達(dá)山那亞克 申請人:福特全球技術(shù)公司