專利名稱：高均勻性混光燈具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及帶固態(tài)發(fā)光器件，例如適用于光發(fā)射的半導(dǎo)體器件的 照明裝置，尤其涉及所述照明裝置的混光結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
以固態(tài)發(fā)光器件，例如固態(tài)半導(dǎo)體發(fā)光器件(尤其是LED)為發(fā)光源的 燈具在實(shí)際使用中，絕大多數(shù)都需要由不同顏色的光混合起來進(jìn)行照明。比如基于紅藍(lán)綠 三基色的LED舞臺燈可以分別點(diǎn)亮紅、藍(lán)、綠各單色LED來獨(dú)色或混色照明，如黃色照明光 為同時點(diǎn)亮紅光LED與綠光LED后提供的混色光，粉色照明光為同時點(diǎn)亮紅光LED與藍(lán)光 LED后提供的混色光，而白色照明光為按照一定比例同時點(diǎn)亮紅、藍(lán)、綠光LED后提供的混 色光。當(dāng)對照明光有功率要求時，專利ZL2007200786M提供了一種產(chǎn)生純色大功率照 明光的方案。該方案將一組LED，例如白光LED密集排列在一起，并置于一塊菲涅爾透鏡的 焦點(diǎn)附近，以使LED出射光平行輸出。其不足在于LED的密集排布使燈具散熱困難而制約 了功率的進(jìn)一步提高?？紤]到應(yīng)用場合的特殊要求，比如演播室和博物館對照明顯色指數(shù)的高要求，而 白光LED不足以提供高于90的顯色指數(shù)，白光照明燈具也往往會采用混光方案。例如美國 專利US 7，213，940使用白光LED與紅光LED混合來提供具有高顯色指數(shù)的照明白光。為此，現(xiàn)有大功率燈具往往采用以下幾種方案來進(jìn)行混光1)準(zhǔn)直后直接在遠(yuǎn)場進(jìn)行混光；如圖1所示意，將來自紅光(R)LED和藍(lán)光(B) LED的光分別經(jīng)過一組準(zhǔn)直透鏡(collimator)進(jìn)行準(zhǔn)直后照射到遠(yuǎn)處的屏幕上，光線在 遠(yuǎn)場交疊從而實(shí)現(xiàn)混光。該方案雖光路簡單，但混光效果較差，并易于產(chǎn)生彩影(color shadowing)，原因在于，由于不同顏色光的空間位置不同，在遠(yuǎn)場的屏幕上將難以做到完全 的交疊；另外更重要的是，由于各種LED的厚度不同，準(zhǔn)直透鏡對來自于LED的不同色光的 準(zhǔn)直效果存在差異，將使得遠(yuǎn)場處出現(xiàn)顏色環(huán)。此外，還可能產(chǎn)生彩影，即光照射到物體上 所產(chǎn)生的影子的邊緣所出現(xiàn)的異樣彩色。因此，采用該方案的燈具多為對色彩要求不高的 投射燈或定向照明燈具。2)利用散射來實(shí)現(xiàn)混光；如專利號為200710030310的中國專利所公開的方案，在 LED正面放置一塊散射片或菲涅爾透鏡，利用散光介質(zhì)來使光變得無序而很難控制角度，從 而使燈更具有整體感。采用該方案的燈具適用于普通的大角度通用照明，如家庭室內(nèi)照明。3)利用混光棒來混光，可見于一些高端燈具；將紅(R)、藍(lán)⑶、綠(G)光LED緊密 排列在混光棒的一端，光線耦合到混光棒后在傳播過程中自然混合，從而在混光棒的出口 處提供均勻混光的白(W)光。該方案混光效果好，可以避免出現(xiàn)彩影現(xiàn)象。其不足之處在 于，由于在混光棒傳播過程中的多次反射，光線具有很大的損耗，進(jìn)行大大降低燈具的光效 率。實(shí)用新型內(nèi)容 本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之 處，而提出一種適用于定向照明的燈具，具有更高均勻性的混光效果。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的基本構(gòu)思為將固態(tài)發(fā)光器件陣列排布來提 高燈具的功率，利用準(zhǔn)直透鏡對來自發(fā)光源的光進(jìn)行準(zhǔn)直，再利用復(fù)眼透鏡來實(shí)現(xiàn)勻光及
3調(diào)整燈具的發(fā)光角度大??；為了更好實(shí)現(xiàn)勻光，可以進(jìn)一步考慮利用菲涅爾透鏡的圓周徑 向分布特性，使用一菲涅爾透鏡對來改變勻光的分布趨勢，并與復(fù)眼透鏡對配合，達(dá)到最佳 的勻光效果。作為實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型構(gòu)思的技術(shù)方案是，提供一種兩端開口的外罩殼，由復(fù)數(shù)個 呈陣列排布的固態(tài)發(fā)光器件構(gòu)成的固態(tài)發(fā)光器件陣列安裝在該外罩殼的一開口端，由復(fù)數(shù) 個呈陣列排布的準(zhǔn)直透鏡構(gòu)成的準(zhǔn)直透鏡陣列與該固態(tài)發(fā)光器件陣列的發(fā)光面相鄰，各準(zhǔn) 直透鏡分別對準(zhǔn)一相應(yīng)的固態(tài)發(fā)光器件以準(zhǔn)直輸出來自該固態(tài)發(fā)光器件的光；尤其是，還 包括一復(fù)眼透鏡對，來自所述準(zhǔn)直透鏡陣列的準(zhǔn)直光依次經(jīng)過第一復(fù)眼透鏡、第二復(fù)眼透 鏡后由所述外罩殼的另一開口端射出。具體地說，上述方案中，所述第一復(fù)眼透鏡或第二復(fù)眼透鏡是由緊密聯(lián)結(jié)在一起 的且鏡面曲率相同的復(fù)數(shù)個透鏡單元構(gòu)成。所述第二復(fù)眼透鏡與第一復(fù)眼透鏡之間的間距 可調(diào)。所述準(zhǔn)直透鏡陣列是一體成型的，包括有一透明基板，各所述準(zhǔn)直透鏡基于該透明基 板按陣列排列進(jìn)行無縫連接。各所述準(zhǔn)直透鏡為等焦距凸透鏡，或?yàn)樘匦詤?shù)一致的螺絲 鏡，或?yàn)樘匦詤?shù)一致的自聚焦透鏡或復(fù)合拋物面聚光透鏡。更進(jìn)一步，上述方案中還可以包括一對介于所述準(zhǔn)直透鏡陣列和復(fù)眼透鏡對之間 的菲涅爾透鏡，其中第一菲涅爾透鏡的焦點(diǎn)與第二菲涅爾透鏡的焦點(diǎn)相接近或重合。所述 第一菲涅爾透鏡和第二菲涅爾透鏡各自由復(fù)數(shù)塊具有相同焦距的子菲涅爾透鏡拼接組裝 而成。進(jìn)一步地，所述固態(tài)發(fā)光器件陣列中包括交錯排列的兩種或兩種以上的固態(tài)發(fā)光 器件，該兩種或兩種以上的固態(tài)發(fā)光器件具有不同的發(fā)光波長。采用上述各技術(shù)方案的燈具，用來定向照明的光源可以有多種顏色可調(diào)，光使用 效率高；在所述燈具的光照射范圍內(nèi)，光斑均勻，無彩影出現(xiàn)。此外，燈具的結(jié)構(gòu)簡單，易于 實(shí)現(xiàn)。


圖1是本實(shí)用新型裝置的結(jié)構(gòu)實(shí)施例圖之一；圖2是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的實(shí)施例圖之二，包括一對菲涅爾透鏡；圖3是圖2的改進(jìn)原理示意圖。
具體實(shí)施方式
下面，結(jié)合附圖所示之最佳實(shí)施例進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。如圖2所示，本實(shí)用新型混光燈具包括兩端開口的外罩殼9，由復(fù)數(shù)個呈陣列排布 的固態(tài)發(fā)光器件構(gòu)成的固態(tài)發(fā)光器件陣列1安裝在該外罩殼9的一開口端，由復(fù)數(shù)個呈陣 列排布的準(zhǔn)直透鏡構(gòu)成的準(zhǔn)直透鏡陣列2與發(fā)光二極管陣列1的發(fā)光面相鄰，各準(zhǔn)直透鏡 分別對準(zhǔn)一相應(yīng)的固態(tài)發(fā)光器件以準(zhǔn)直輸出來自該固態(tài)發(fā)光器件的光。其中，固態(tài)發(fā)光器 件陣列1中可以包括規(guī)則排列的兩種或兩種以上的固態(tài)發(fā)光器件，例如但不限于固態(tài)半導(dǎo) 體發(fā)光器件，如紅光LED、藍(lán)光LED或綠光LED ；該兩種或兩種以上的固態(tài)發(fā)光器件具有不同 的發(fā)光波長，交錯排列形成陣列。這樣可以通過控制點(diǎn)亮不同的固態(tài)發(fā)光器件或發(fā)光器件 組合來調(diào)節(jié)本實(shí)用新型裝置的出射光顏色。所述LED可以指帶封裝的發(fā)光二極管，也可以 指基于襯底生成的發(fā)光二極管芯片。從成本方面考慮，所述準(zhǔn)直透鏡陣列2最好是一體成型的，包括有一透明基板，各 所述準(zhǔn)直透鏡基于該透明基板按陣列排列進(jìn)行無縫連接，如以中國專利ZL 200720196085 所公開的一種透鏡陣列位代表。[0022]在準(zhǔn)直透鏡陣列2中，各所述準(zhǔn)直透鏡可以是等焦距凸透鏡，或是特性參數(shù)一致 的螺絲鏡，或是特性參數(shù)一致的自聚焦透鏡或復(fù)合拋物面準(zhǔn)直/聚光(CPC，即Compound parabolicconcentrate)透鏡。為達(dá)到較好的準(zhǔn)直效果，圖1燈具以復(fù)合拋物面準(zhǔn)直透鏡 21為例，這些準(zhǔn)直透鏡21置于限位孔22中得以良好定位，并與LED —一對應(yīng)，把來自對應(yīng) LED的光準(zhǔn)直成發(fā)散半角小于30度的輸出光。圖示的本實(shí)用新型裝置還包括一復(fù)眼透鏡對5、6。來自所述準(zhǔn)直透鏡陣列2的準(zhǔn) 直光依次經(jīng)過第一復(fù)眼透鏡5、第二復(fù)眼透鏡6后由外罩殼9的另一開口端射出。所述第 一復(fù)眼透鏡5和第二復(fù)眼透鏡6相對，均由緊密聯(lián)結(jié)在一起的且鏡面曲率各自相同的復(fù)數(shù) 個透鏡單元構(gòu)成。該復(fù)眼透鏡對對入射光進(jìn)行切割積分來提高光均勻性。第一復(fù)眼透鏡5 中的各透鏡單元的焦距gl可以不等于第二復(fù)眼透鏡6中的各透鏡單元的焦距g2。將所述 第二復(fù)眼透鏡6與第一復(fù)眼透鏡5之間的間距設(shè)置成可調(diào)，可以控制本實(shí)用新型燈具的光 出射角度。用來調(diào)節(jié)所述間距的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以但不限于如圖1所示包括拉桿72與傾斜位 于外罩殼9上的拉桿槽73，所述拉桿72可以沿著該傾斜的拉桿槽73移動，從而帶動套圈 74上下運(yùn)動，進(jìn)而壓迫或放松與該套圈74相接觸的第一復(fù)眼透鏡5，來改變所述距離。為 使第一復(fù)眼透鏡5定位可靠，可以在承載柱71上套至少一彈簧，來提供一使該第一復(fù)眼透 鏡5向上的力，以抵消來自所述套圈74的壓力，從而第一復(fù)眼透鏡5保持平衡。該實(shí)施例 的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)還可以用現(xiàn)有技術(shù)的其它結(jié)構(gòu)來等同替換，不在此一一細(xì)述。當(dāng)本實(shí)用新型裝置單個LED陣列規(guī)模較大或采用多個LED陣列時，復(fù)眼透鏡的面 積會相應(yīng)較大，從而增加了復(fù)眼透鏡的加工難度和成本；為此，本實(shí)用新型還可以將所述復(fù) 眼透鏡5、6分塊進(jìn)行開模加工，然后拼接在一起使用。圖2所示的本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)中還包括一對介于準(zhǔn)直透鏡陣列2和復(fù)眼透鏡對 5、6之間的菲涅爾透鏡3、4。設(shè)其中第一菲涅爾透鏡3的焦點(diǎn)焦距為fl，第二菲涅爾透鏡4 的焦點(diǎn)焦距f2，該對菲涅爾透鏡3、4將擺放得使它們的焦點(diǎn)相接近或重合，以取得最好的 勻光和保持低擴(kuò)散。所述彈簧在承載柱71上的位置可以是在第二菲涅爾透鏡4與第一復(fù) 眼透鏡5之間，從而所述承載柱71可以為一直桿。若使第一菲涅爾透鏡3的受光面面積大 于或等于所述準(zhǔn)直透鏡陣列2的光出射面面積，將有利于提高對發(fā)光源的光利用效率。為 調(diào)節(jié)燈具出射光斑的大小，第二菲涅爾透鏡4的受光面面積可以設(shè)計(jì)成大于或等于第一菲 涅爾透鏡3的受光面面積。為了取得更高的光利用效率，可以優(yōu)化第一菲涅爾透鏡和第二菲涅爾透鏡的焦 距，使第一菲涅爾透鏡的焦距是其受光口徑的1. 5 1. 8倍，第二菲涅爾透鏡的焦距是其受 光口徑的0. 7 1倍，此時的效率比兩片菲涅爾透鏡的焦距都等于其受光口徑時的效率高 10%以上。最優(yōu)化的結(jié)果是，第一菲涅爾透鏡的焦距是其受光口徑的1.65倍，第二菲涅爾 透鏡的焦距是其受光口徑的0. 85倍，此時的效率比兩片菲涅爾透鏡的焦距都等于其受光 口徑時的效率高17%。當(dāng)對燈具的輸出功率或發(fā)光面有較大要求時，光源陣列的尺寸變大將直接導(dǎo)致第 一、第二菲涅爾透鏡之間的距離變大，使得燈具過長。為此，本實(shí)用新型燈具還可以如圖3 所示，對圖2結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。具體是采用復(fù)數(shù)個(以但不限于圖中的2個為例)所述固態(tài) 發(fā)光器件陣列以及相應(yīng)數(shù)目的所述準(zhǔn)直透鏡陣列及菲涅爾透鏡對，即令所述第一菲涅爾透 鏡3和第二菲涅爾透鏡4各自由復(fù)數(shù)塊具有相同焦距f 1和f2的菲涅爾透鏡拼接組裝而成。這樣每一個菲涅爾透鏡的口徑縮小為原來的1/n，焦距也相應(yīng)縮短。本實(shí)用新型還可以通過控制不同固態(tài)發(fā)光器件或固態(tài)發(fā)光器件陣列發(fā)出的光亮 度來實(shí)現(xiàn)燈具的出光勻度、亮度或顏色調(diào)節(jié)。在此類燈具中可以包括一個用來控制或調(diào)節(jié) 各所述固態(tài)發(fā)光器件陣列的出射光功率的調(diào)控裝置。該調(diào)控裝置可以通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電流來 調(diào)節(jié)各所述固態(tài)發(fā)光器件的發(fā)光強(qiáng)度。這樣，當(dāng)如圖3存在多個LED陣列時，可以通過調(diào)控 各LED陣列的發(fā)光強(qiáng)度來使燈具出射光達(dá)到整體均勻。此外，本實(shí)用新型還可以包括一個 或一組光探頭，用來探測燈具不同位置的混光出射光的亮度或顏色，并把信息反饋回所述 調(diào)控裝置，進(jìn)而控制各LED陣列或具有不同發(fā)光波長的LED的發(fā)光強(qiáng)度。這樣可以實(shí)現(xiàn)燈 具出射光的自動調(diào)控，避免了由于不同LED的老化速度不同所造成的燈光顏色漂移；尤其 還便于人為設(shè)定出射光的顏色或顏色變化。為了進(jìn)一步提高輸出光的均勻性，本實(shí)用新型燈具還可以包括一混光光棒，設(shè)置 在所述第一菲涅爾透鏡3與第二菲涅爾透鏡4之間，其入光口靠近第一菲涅爾透鏡3，出光 口靠近第二菲涅爾透鏡4，從而使該第一菲涅爾透鏡3的焦點(diǎn)與第二菲涅爾透鏡4的焦點(diǎn)拉 開距離，不再重合。該拉開的距離取決于混光光棒的口徑與所述焦距Π或f2之間的關(guān)系， 還得疊加考慮該混光光棒的長度。為了達(dá)到最佳的集光效果，混光光棒的長度最好大于其 口徑的三倍。當(dāng)所述菲涅爾透鏡對分別由多個菲涅爾透鏡拼接組裝成時，所述混光光棒也 相應(yīng)具有多個，每一個混光光棒與一組子透鏡對相對。本實(shí)用新型燈具經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有極好的混光均勻性。在圖1和圖2結(jié)構(gòu)中，為了使本實(shí)用新型裝置性能更穩(wěn)定、光源功率更高，還采用 散熱器8來緊貼所述固態(tài)發(fā)光器件陣列1。該散熱器8具有復(fù)數(shù)個裸露在所述外罩殼9的 開口端的葉片時可以提高散熱效率。在本實(shí)用新型燈具功率較小從而采用便攜方式時，可 以對所述散熱器8進(jìn)行改進(jìn)，例如設(shè)置一與各所述葉片的部分邊緣相一體連結(jié)的保護(hù)罩， 在所述開口端的形成防割手用的保護(hù)板，與所述開口平行；或者在所述開口端的延續(xù)部分 形成將各葉片內(nèi)置的保護(hù)環(huán)；否則，對于具有大功率光輸出的本實(shí)用新型燈具，可以考慮在 所述散熱器8各葉片的末端安裝一散熱風(fēng)扇。
權(quán)利要求1.一種高均勻性混光燈具，包括兩端開口的外罩殼(9)，由復(fù)數(shù)個呈陣列排布的固態(tài) 發(fā)光器件構(gòu)成的固態(tài)發(fā)光器件陣列(1)安裝在該外罩殼(9)的一開口端，由復(fù)數(shù)個呈陣列 排布的準(zhǔn)直透鏡構(gòu)成的準(zhǔn)直透鏡陣列( 與該固態(tài)發(fā)光器件陣列(1)的發(fā)光面相鄰，各準(zhǔn) 直透鏡分別對準(zhǔn)一相應(yīng)的固態(tài)發(fā)光器件以準(zhǔn)直輸出來自該固態(tài)發(fā)光器件的光；其特征在 于還包括一復(fù)眼透鏡對(5、6)，來自所述準(zhǔn)直透鏡陣列( 的準(zhǔn)直光依次經(jīng)過第一復(fù)眼透 鏡(5)、第二復(fù)眼透鏡(6)后由所述外罩殼(9)的另一開口端射出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高均勻性混光燈具，其特征在于所述第一復(fù)眼透鏡( 或第二復(fù)眼透鏡(6)各自由緊密聯(lián)結(jié)在一起的且鏡面曲率相同 的復(fù)數(shù)個透鏡單元構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高均勻性混光燈具，其特征在于還包括用來調(diào)節(jié)所述第二復(fù)眼透鏡(6)與第一復(fù)眼透鏡(5)之間間距的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高均勻性混光燈具，其特征在于所述準(zhǔn)直透鏡陣列( 是一體成型的，包括有一透明基板，各所述準(zhǔn)直透鏡基于該透 明基板按陣列排列進(jìn)行無縫連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的高均勻性混光燈具，其特征在于各所述準(zhǔn)直透鏡為等焦距凸透鏡，或?yàn)樘匦詤?shù)一致的螺絲鏡，或?yàn)樘匦詤?shù)一致的 自聚焦透鏡或復(fù)合拋物面準(zhǔn)直/聚光透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高均勻性混光燈具，其特征在于還包括一對介于所述準(zhǔn)直透鏡陣列⑵和復(fù)眼透鏡對(5、6)之間的菲涅爾透鏡(3、4)， 其中第一菲涅爾透鏡(3)的焦點(diǎn)與第二菲涅爾透鏡的焦點(diǎn)相接近或重合。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高均勻性混光燈具，其特征在于所述第一菲涅爾透鏡C3)和第二菲涅爾透鏡(4)各自由復(fù)數(shù)塊具有相同焦距的子菲涅 爾透鏡拼接組裝而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高均勻性混光燈具，其特征在于所述第二菲涅爾透鏡的焦距是該第二菲涅爾透鏡受光口徑的0. 7 1倍，第一菲 涅爾透鏡(3)的焦距是該第一菲涅爾透鏡受光口徑的1. 5 1. 8倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高均勻性混光燈具，其特征在于所述固態(tài)發(fā)光器件陣列(1)中包括交錯排列的兩種或兩種以上的固態(tài)發(fā)光器件，該兩 種或兩種以上的固態(tài)發(fā)光器件具有不同的發(fā)光波長。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的高均勻性混光燈具，其特征在于所述固態(tài)發(fā)光器件包括發(fā)光二極管或發(fā)光二極管芯片。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高均勻性混光燈具，其特征在于還包括緊貼所述固態(tài)發(fā)光器件陣列(1)的散熱器(8)，該散熱器(8)具有復(fù)數(shù)個裸露在 所述外罩殼(9)的開口端的葉片。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高均勻性混光燈具，其特征在于所述散熱器(8)還包括一與各所述葉片的部分邊緣相一體連結(jié)的保護(hù)罩，在所述開口 端形成防割手用的保護(hù)板或保護(hù)環(huán)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高均勻性混光燈具，其特征在于所述散熱器( 還包括一安裝在各葉片末端的散熱風(fēng)扇。
專利摘要一種高均勻性混光燈具，包括兩端開口的外罩殼(9)，由復(fù)數(shù)個呈陣列排布的固態(tài)發(fā)光器件構(gòu)成的固態(tài)發(fā)光器件陣列(1)安裝在該外罩殼(9)的一開口端，由復(fù)數(shù)個呈陣列排布的準(zhǔn)直透鏡構(gòu)成的準(zhǔn)直透鏡陣列(2)與該固態(tài)發(fā)光器件陣列(1)的發(fā)光面相鄰，各準(zhǔn)直透鏡分別對準(zhǔn)一相應(yīng)的固態(tài)發(fā)光器件以準(zhǔn)直輸出來自該固態(tài)發(fā)光器件的光；尤其是，還包括一復(fù)眼透鏡對(5、6)，來自所述準(zhǔn)直透鏡陣列(2)的準(zhǔn)直光依次經(jīng)過第一復(fù)眼透鏡(5)、第二復(fù)眼透鏡(6)后由所述外罩殼(9)的另一開口端射出。采用本實(shí)用新型，便于調(diào)節(jié)燈具的發(fā)光面積、出光角度，同時具有混色均勻的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號F21V14/06GK201851899SQ20102015904
公開日2011年6月1日 申請日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月8日
發(fā)明者楊毅 申請人:深圳市光峰光電技術(shù)有限公司