顏色校正光學(xué)元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)元件。具體地，本發(fā)明涉及用于將從波長轉(zhuǎn)換元件發(fā)出的光重新 定向的光學(xué)元件。
【背景技術(shù)】
[0002] 使用用于提供白光的發(fā)光二極管（LED)的照明系統(tǒng)就要在光輸出、光量和效率方 面超越諸如熒光燈之類的傳統(tǒng)照明技術(shù)。
[0003] 然而，難以生產(chǎn)在期望的色溫度下發(fā)出具有統(tǒng)一顏色的白光的LED。因此，通常使 用各種類型的波長轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換由LED發(fā)出的光。舉例來說，發(fā)出藍(lán)色光譜區(qū)的光的LED 通常與黃色磷光體材料結(jié)合，用于實(shí)現(xiàn)白光。從LED進(jìn)入磷光體的光經(jīng)歷波長轉(zhuǎn)換，并且轉(zhuǎn) 換度與光穿過磷光體的距離有關(guān)。因此，從磷光體元件發(fā)出的光的波長取決于光源和磷光 體元件的發(fā)光表面之間的距離。因此，假設(shè)磷光體元件具有平的發(fā)光表面，顏色輸出依賴角 度。
[0004] 與基本上平行于表面發(fā)出的較黃的光相比，依賴角度的顏色輸出將導(dǎo)致從磷光體 元件的表面以接近于表面法線的角度發(fā)出的光更接近藍(lán)色光譜端。這種顏色變化現(xiàn)象被稱 為顏色隨角度（CoA)變化。CoA變化是不期望的，因?yàn)槠湓趤碜粤坠怏w元件的光輸出中產(chǎn)生 環(huán)狀效應(yīng)，其中可能圍繞優(yōu)選白光波束的邊緣看到黃色的環(huán)。
[0005] 已經(jīng)嘗試了用于CoA校正的幾種不同的方法，以便克服上述效應(yīng)，諸如通過將磷 光體層分級(jí)或使用二向色濾光器。然而，這些方法會(huì)降低效率并增加復(fù)雜性，并從而增加照 明系統(tǒng)的制造成本。另一個(gè)提出的解決方法為在準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)的頂部引入微結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 考慮到現(xiàn)有技術(shù)的上述及其他缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供改進(jìn)光學(xué)元件以用于顏 色隨角度校正。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的方面，通過用于使光重新定向的圓形對(duì)稱光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)這個(gè)及其 他目的，該光由光源發(fā)出通過波長轉(zhuǎn)換元件，其中從波長轉(zhuǎn)換元件發(fā)出的光具有依賴于從 波長轉(zhuǎn)換元件的發(fā)出角度的平均顏色C a和波長分布，其中具有平均顏色C A的光具有發(fā)出 角度tA，光學(xué)元件包括：第一光學(xué)部分，被配置為接收從波長轉(zhuǎn)換元件的發(fā)出角度小于t A 的光并且將該光重新定向；和第二光學(xué)部分，被配置為接收從波長轉(zhuǎn)換元件的發(fā)出角度大 于tA的光并且將該光重新定向，其中第一和第二光學(xué)部分被單獨(dú)配置，以便對(duì)于光學(xué)元件 的每個(gè)經(jīng)選擇的親出（out-coupling)角度的光，存在由第一光學(xué)部分接收并重新定向到 光學(xué)元件的經(jīng)選擇的耦出角度的光，并且存在由第二光學(xué)部分接收并重新定向到從光學(xué)元 件的經(jīng)選擇的耦出角度的對(duì)應(yīng)光，以便如遠(yuǎn)場(chǎng)中看到的從光學(xué)元件發(fā)出的總光束具有均一 (homogeneous)彥員色。
[0008] 本發(fā)明基于如下認(rèn)識(shí)：通過光學(xué)元件可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的CoA校正，該光學(xué)元件將波 長比平均顏色短的光與波長比平均顏色長的光結(jié)合，以這樣的方式以便如遠(yuǎn)場(chǎng)中看到的從 光學(xué)元件發(fā)出的光具有均一顏色。通過基于從波長轉(zhuǎn)換元件發(fā)出的光的波長分布和通量分 布來計(jì)算光學(xué)元件的第一和第二部分的形狀，可以實(shí)現(xiàn)這種光學(xué)元件。因此，可以針對(duì)呈現(xiàn) CoA變化的任意光源和波長轉(zhuǎn)換元件的組合實(shí)現(xiàn)提供改進(jìn)的CoA校正的光學(xué)元件。
[0009] 光學(xué)元件是圓形對(duì)稱的，意指其呈現(xiàn)圍繞中心軸的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。此外，光學(xué)元件優(yōu)選 關(guān)于波長轉(zhuǎn)換元件布置，以便中心軸與波長轉(zhuǎn)換元件的中心對(duì)準(zhǔn)，波長轉(zhuǎn)換元件也被假設(shè) 為圓形對(duì)稱。然而，波長轉(zhuǎn)換元件可以具有任意形狀，只要從元件發(fā)出的光的波長分布和通 量分布為基本上圓形對(duì)稱的。波長轉(zhuǎn)換元件可以由單個(gè)層或由磷光體或熒光陶瓷的堆或混 合物形成，并且光源例如可以是藍(lán)色發(fā)光二極管（LED)。然而，總體的發(fā)明構(gòu)思同樣適用于 其他類型的光源，諸如例如UV二極管。黃色磷光體波長轉(zhuǎn)換材料的所得效果是將由LED發(fā) 出的在藍(lán)色光譜端的光轉(zhuǎn)換為波長在黃色區(qū)域的光。由于波長轉(zhuǎn)換度與光在波長轉(zhuǎn)換元件 中行進(jìn)的長度成比例，發(fā)出光的波長分布與從元件的發(fā)出角度成比例。
[0010] 針對(duì)光源和由CIE1931XY色空間中線性的顏色與角度關(guān)系所描述的波長分布的 波長轉(zhuǎn)換元件的組合，來描述光學(xué)元件。
[0011] 關(guān)于本發(fā)明，波長轉(zhuǎn)換元件垂直于表面（即在法線方向上）發(fā)出的光被定義為具 有角度〇°，并且平行于波長轉(zhuǎn)換元件的表面發(fā)出的光被定義為具有角度90°。因此，假設(shè) 發(fā)出角度和波長之間的線性關(guān)系，顏色與角度的關(guān)系可以由xy色空間中針對(duì)以0°發(fā)出的 光的顏色點(diǎn)和針對(duì)以90°發(fā)出的光的顏色點(diǎn)之間的直線來描述，其中以0°發(fā)出的光更接 近藍(lán)色光譜端，并且以90°發(fā)出的光更接近黃色光譜區(qū)域。從波長轉(zhuǎn)換元件發(fā)出的光的平 均顏色(^由發(fā)出光的波長分布和通量分布決定。從而，當(dāng)顏色點(diǎn)c 3立于上述0°和90°之 間的直線上時(shí)，可以找到與發(fā)出平均顏色的角度對(duì)應(yīng)的角度tA。
[0012] 此外，均一顏色可以優(yōu)選對(duì)應(yīng)于平均顏色cA。假如基本上從波長轉(zhuǎn)換元件發(fā)出的 所有光在期望的發(fā)出方向上由光學(xué)元件耦出，并損耗是可忽略的，那么在遠(yuǎn)場(chǎng)中看到的顏 色將對(duì)應(yīng)于平均顏色C A。然而，不同于CA的顏色輸出可以例如通過在光學(xué)元件中阻擋特定 波長或波長范圍來實(shí)現(xiàn)。
[0013] 此外，第一和第二部分之間的交叉點(diǎn)可以通過tA確定。假設(shè)光學(xué)元件的底部部分 被布置在與波長轉(zhuǎn)換元件相同的平面中，并且光學(xué)元件的中心軸與波長轉(zhuǎn)換元件的中心軸 對(duì)準(zhǔn)，由角度t A定義光學(xué)元件的第一和第二部分之間的交叉點(diǎn)，以便以低于t A的角度發(fā)出 的光直接由光學(xué)元件的第一部分接收，并且以大于、的角度發(fā)出的光直接由光學(xué)元件的第 二部分接收。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第一光學(xué)部分可以有利地具有曲面，以用于接收從波 長轉(zhuǎn)換元件發(fā)出的光，并將該光折射向光學(xué)元件的光輸出表面。
[0015] 此外，第一光學(xué)部分可以是平凸透鏡。通過以平凸透鏡的曲面形式提供接收角度 低于tA的光的表面，到達(dá)第一部分的光折射向光學(xué)元件的發(fā)出表面的法線。
[0016] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第二光學(xué)部分可以有利地具有第一表面，以用于接收 并折射從波長轉(zhuǎn)換元件發(fā)出的光；和第二曲面，以用于接收在平面折射的所述光，并且將該 光反射向光學(xué)元件的光輸出表面。
[0017] 如上面所概述的，第一和第二部分的曲率理論上基于來自波長轉(zhuǎn)換元件的波長和 通量分布來確定，以便提供從光學(xué)元件發(fā)出的在遠(yuǎn)場(chǎng)中具有均一顏色的光，如在下面的詳 細(xì)說明中將進(jìn)一步討論的。
[0018] 而且，在各種實(shí)施例中，用于接收并折射光的第一表面可以為平面或曲面。依靠第 一表面被選擇為平面還是曲面，第二部分的對(duì)應(yīng)第二曲面將必須據(jù)此設(shè)計(jì)。
[0019] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第二光學(xué)部分的第二曲面可以被分成具有不同曲率的兩段。在 一些情形中，顏色與角度關(guān)系通過非線性函數(shù)描述。舉例來說，如果該顏色與角度關(guān)系是拋 物線函數(shù)，那么通過將第二光學(xué)部分的第二曲面分為具有不同曲率的兩段，可以實(shí)現(xiàn)與上 述均一光輸出相同的效果。因此，所描述的光學(xué)元件的功能原則上可以針對(duì)任意顏色與角 度關(guān)系實(shí)現(xiàn)。
[0020] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，從光學(xué)元件發(fā)出的光可以有利地具有高斯強(qiáng)度分布。
[0021] 例如，該光學(xué)元件可以被提供為照明設(shè)備的部件，該照明設(shè)備還包括：光源；波長 轉(zhuǎn)換元件，其被布置以便由光源發(fā)出的光穿過波長轉(zhuǎn)換元件，并且進(jìn)一步向前通過根據(jù)上 述描述的光學(xué)元件。
[0022] 在研宄所附權(quán)利要求及以下描述時(shí)，本發(fā)明的進(jìn)一步特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易 見。技術(shù)人員了解，本發(fā)明的不同特征可以被組合以產(chǎn)生不同于下文中描述的實(shí)施例，而不 脫離本發(fā)明的范圍。
【附圖說明】
[0023] 現(xiàn)在將參考示出本發(fā)明的實(shí)施例的附圖，更詳細(xì)描述本發(fā)明的這個(gè)及其他方面。
[0024] 圖1是發(fā)光裝置和波長轉(zhuǎn)換元件的示意圖；
[0025] 圖2是示意地示