專利名稱：用發(fā)光二極管的照明設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有使來自多種顏色發(fā)光二極管陣列的光混合的反射器的照明設(shè)備，并且更具體地涉及從這種陣列生成白光的聚光燈。
對(duì)于小到去調(diào)節(jié)窄尺寸光源發(fā)光用于照明和一般照明的標(biāo)準(zhǔn)光源是白熾/鹵素?zé)襞?，比如拋物面鍍鋁反射面(PAR)燈。這些光源是小巧和通用的，但它們并不很有效。給定的燈對(duì)于固定的功率在給定的色溫下運(yùn)轉(zhuǎn)，而同時(shí)它們是可變暗的，色溫按照黑體定律隨所施加的功率改變，這可能是也可能不是使用者需要的變化。
呈多種顏色中每一種的發(fā)光二極管陣列提供了創(chuàng)造色溫可在任何功率電平被調(diào)節(jié)的照明設(shè)備的可能性，從而使可變暗的燈能在任何功率電平下發(fā)射均勻的白光。
JP-A-06237017的英文文摘公開了發(fā)射多色光的發(fā)光二極管燈，它具有兩種類型的發(fā)光二極管的3×3陣列，第一種類型具有供發(fā)射紅光及藍(lán)光用的元件，而第二種類型具有供發(fā)射紅光及綠光的元件。所說明的對(duì)象是去混合顏色以使混合成的顏色可被認(rèn)作在任何方向有相同的顏色，但并沒有光學(xué)裝置去促進(jìn)混合。它僅僅是在用樹脂填充的燈盒內(nèi)的LED的二維陣列，這只不過是形成一些漫射。
WO 98/16 777公開了具有為了信號(hào)裝置，例如交通管理色燈，的呈單一顏色的LED陣列的信號(hào)燈。軸對(duì)稱的外殼環(huán)繞著陣列，但分岔以使來自LEDs的光無反射地被傳播到準(zhǔn)直的費(fèi)涅耳透鏡。如果單色的LEDs被多色的陣列替代，透鏡將使各個(gè)LED成象而不將顏色混合。
本發(fā)明的目的是提供LED光源，它將保持PAR燈的全部合乎需要的性能，加上當(dāng)全功率及變暗時(shí)改變和調(diào)節(jié)色溫的能力，全都處于較高的照明效率。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是為L(zhǎng)EDs陣列的擴(kuò)展規(guī)模提供良好的顏色混合。
更進(jìn)一步的目的在于提供從光源出射的混合光的平行光束。
根據(jù)本發(fā)明的光源利用包含呈多種顏色中每一種的至少一個(gè)LED的LEDs陣列用于發(fā)射多種顏色中每一種的光。陣列被配置在反射筒的入射孔，該筒有與入射孔對(duì)置的出射孔，光在延伸于兩孔之間周圍的壁被反射并被混合后由出射孔射出。光源具有在該兩孔之間周圍壁中央延伸的光軸，及垂直于光軸的橫截面。
根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方案，橫截面至少沿部分光軸是非圓形的。橫截面最好沿光軸的全部長(zhǎng)度是多邊形的。正方形或八邊形的橫截面已被發(fā)現(xiàn)適合用于混合不同顏色的光。
使周圍的壁從入射孔到出射孔岔開也是可取的，從而出射孔比入射孔大。從光軸看去，周圍的壁最好具有外凸的形狀，并且朝著出射孔向外反射光斑。也就是說，壁的曲率半徑朝向出射孔減小，使反射器有點(diǎn)成喇叭形。
本發(fā)明基于三個(gè)基本原理。第一，混合是成象的對(duì)立物；第二，混合能比較有效；以及第三，混合寬光束比窄光束更容易。
在理想的成象系統(tǒng)中，物平面上的每一點(diǎn)被映射到象平面上一個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)。理論上，不出現(xiàn)混合，在實(shí)際中直到系統(tǒng)的分辨極限的尺度上這是確實(shí)的。拋物柱面反射鏡在輸入與輸出之間保持了一定量的相關(guān)性，這是由于其軸向形狀和橫截面形狀兩方面對(duì)成象的影響。
拋物面的軸向形狀會(huì)聚反射時(shí)入射的平行光，并使發(fā)散的入射光線變得不太發(fā)散，來自單個(gè)點(diǎn)的光線被反射成平行的。任何凹面形狀看來象拋物面(局部地)。反之，如果軸向形狀是凸的(即成喇叭形)，則入射光在反射時(shí)將趨于發(fā)射，而靠近的輸入點(diǎn)將趨于被映射成距離更遠(yuǎn)的輸出點(diǎn)。
圓形橫截面維持了入射光線方位角的一致。也就是說，入射與反射光線之間在方位角上的差別是相同的，不依賴于入射的方位角(在給定的軸向平面內(nèi))。另一方面，在多邊形橫截面的情況下，方位角的差別隨入射的方位角強(qiáng)烈變化。
為了說明這些原理，在
圖1a至4b所表現(xiàn)的四組模擬是使用光線跟蹤程序模擬系統(tǒng)匯編組件(ASAP)被完成的。圖1和2表現(xiàn)來自具有拋物面軸向形狀反射器的光分布，該反射器具有Z軸作為光軸，焦點(diǎn)(0,0,0)，以及在z=0平面內(nèi)的10mm的孔。圖3和4表現(xiàn)來自具有凸的軸向形狀反射器的光分布，該反射器與優(yōu)選的喇叭形設(shè)計(jì)相似，在z=0平面具有10mm入射孔。圖1和3表現(xiàn)圓形橫截面，而圖2和4表現(xiàn)正方形橫截面。在圖1a至4a中光源在x=0處，在圖1b至4b中光源在x=3mm處。光源發(fā)射平行于Z軸的寬朗伯錐(錐角80°)。在各個(gè)圖中光的分布在距z=0處的點(diǎn)光源0.5m的平面中被模擬，在各個(gè)視域中的點(diǎn)標(biāo)明光軸的中心。
圖1中的圓形拋物面反射器展示最強(qiáng)的成象，當(dāng)光源移離光軸時(shí)(在每種情況光模擬試驗(yàn)在x=0,1,2,3和4mm處被運(yùn)行，圖僅表現(xiàn)x=0和3mm)。圖2的正方形拋物面反射器產(chǎn)生較寬的圖象，定性地講它們比圖1的情況彼此更相似。然而有濃厚的外形(線條)和不連續(xù)的強(qiáng)度改變(方格盤)，當(dāng)點(diǎn)光源移離光軸時(shí)它們?cè)谶M(jìn)展中彼此不吻合。
圖3的圓形喇叭展示圓形橫截面的強(qiáng)斜角成象，然而喇叭形的更緩慢變化的寬背景。圖4的正方形喇叭仍然顯示殘余的結(jié)構(gòu)，然而相對(duì)強(qiáng)度的差別是輕微的，初看起來給出了無特征分布的印象。對(duì)于所表明的來自空間分散光源顏色混合的目標(biāo)，正方喇叭形的幾何形狀給出了最佳結(jié)果。
混合能比較有效的原理必須被考慮以防止混合的程度正比于反射次數(shù)N的觀念。對(duì)于長(zhǎng)的反射管混合是好的但效率是低的，因?yàn)槿绻車诘姆瓷渎适荝，則光線被傳播的強(qiáng)度是RN。根據(jù)本發(fā)明的反射器的形狀在使混合達(dá)到最大限度的同時(shí)將反射次數(shù)減至極小，這歸因于外凸的形狀和由多邊形橫截面所給予的反射光的方位角的改變。
關(guān)于混合對(duì)寬光束比對(duì)窄光束更好的原理，考慮長(zhǎng)度L和橫向長(zhǎng)度A的直壁筒。對(duì)于給定的縱橫比(L/A)，該結(jié)構(gòu)對(duì)廣角光源混合得最好，由于平均的N較大。如果出射孔的尺寸增大，保持側(cè)壁為平面(但傾斜的)，平均發(fā)射角減小，如同平均的N一樣。然而這種趨勢(shì)并不無限地延續(xù)，因?yàn)椴槐环瓷涔饩€的角分布擴(kuò)大，直到它們最終統(tǒng)治了輸出分布。
概括地說，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案使用LEDs陣列，該陣列填充在具有多邊形橫截面的喇叭形反射器的入射孔。
圖1a說明來自具有圓形橫截面并且點(diǎn)光源在其焦點(diǎn)的拋物面反射器的光分布；圖1b說明在點(diǎn)光源偏離焦點(diǎn)情況下的分布；圖2a說明來自具有正方形橫截面并且點(diǎn)光源在其焦點(diǎn)的拋物面反射器的光分布；圖2b說明在點(diǎn)光源偏離焦點(diǎn)情況下的分布；圖3a說明來自具有圓形橫截面并且點(diǎn)光源在入射孔中心的喇叭形反射器的光分布；圖3b說明在點(diǎn)光源在入射孔內(nèi)偏移情況下的光分布；圖4a說明來自具有正方形橫截面并且點(diǎn)光源在入射孔中心的喇叭形的光分布；圖4b說明在點(diǎn)光源在入射孔內(nèi)偏移情況下的分布；圖5是展示喇叭形的尺寸及光混合的示意圖；圖6是呈紅、綠和藍(lán)色的18個(gè)LEDs的六邊形陣列的平面示意圖；圖7a是16個(gè)LEDs的正方形陣列的平面視圖；圖7b說明關(guān)于在具有正方形橫截面的喇叭形反射器中圖7a的陣列的合成光分布；圖8是說明對(duì)應(yīng)于圖7a和圖7b計(jì)算的和測(cè)量的光分布隨離光軸角度變化的曲線圖；圖9a是填充在入射孔的4個(gè)大LEDs的正方形陣列的平面視圖；圖9b說明合成的光分布；圖10a是在入射孔中心的4個(gè)小LEDs的正方形陣列的平面視圖；圖10b說明合成的光分布；圖11a是16個(gè)LEDs的正方形陣列的平面視圖；圖11b說明在具有圓形橫截面的喇叭形反射器情況下合成的光分布；圖12a是16個(gè)LEDs的正方形陣列的平面視圖；圖12b說明在具有八邊形橫截面的喇叭形反射器情況下合成的光分布。
圖5說明用于圖7-11中所說明的模擬試驗(yàn)的喇叭形反射器的尺寸。這個(gè)喇叭形具有沿光軸(Z軸)的100mm的側(cè)向長(zhǎng)度L，橫向長(zhǎng)度Aex=75mm的正方形出射孔，以及橫向長(zhǎng)度As=30mm的正方形入射孔。盡管沒有關(guān)于筒形反射器的理想形狀被確定，為了ASAP光線跟蹤模擬試驗(yàn)器壁根據(jù)下列的四階多項(xiàng)式在XZ平面內(nèi)被確定Z=225+1.996x+3.034x10-2x2+3.345x10-4x3+3.438x10-6x4]]>曲線的概括的特點(diǎn)是器壁在鄰近入射孔處接近平行以改進(jìn)混合，然后向外反射光斑以使光束作為一個(gè)整體收縮。
模擬試驗(yàn)是假定純鏡面反射被完成的，但是原型使用了鏡面加漫射反射材料，特別是，具有約90％反射的薄片?？晒┨鎿Q的方法將是使反射器本體為具有按需要被施加到外壁的反射涂層的固態(tài)透明片。這種設(shè)計(jì)可以取得全內(nèi)反射(TIR)的優(yōu)點(diǎn)，因而更加有效。不管怎樣，反射性能是能被用于加強(qiáng)混合的設(shè)計(jì)參數(shù)。
在這里被稱之為L(zhǎng)EDs陣列的實(shí)際上是發(fā)射器陣列，其中每個(gè)發(fā)射器是一個(gè)或更多的LED薄片加上確實(shí)發(fā)射樣式的主要光學(xué)器件的組件。實(shí)例采用半錐角αs=50°(全錐角100°)，以錐軸平行于Z軸的截頭朗伯發(fā)射，然而每個(gè)發(fā)射器軸可以以極角Ps向Z軸傾斜，并具有方位取向Ns。
發(fā)射器最好按在X-Y平面內(nèi)觀察具有下列性質(zhì)的式樣被配置(1)每個(gè)光源的顏色分布(紅、綠及藍(lán))具有其位于光軸的重心，以及(2)每個(gè)光源的顏色分布具有距光軸的相同的平均徑向距離。對(duì)于所要求的顏色比例R∶G∶B是2∶3∶1的原型，用具有圖6的六邊形陣列將得到滿意的結(jié)果。然而如將從圖7a,11a及12a被明顯看到對(duì)于使用正方形陣列的模擬試驗(yàn)，第二個(gè)性質(zhì)是難于去精確實(shí)現(xiàn)的。
下面要談到的光分布圖象通過對(duì)LED光源三種顏色的每一種按ASAP運(yùn)行獨(dú)立的模擬分析，并將空間分布的結(jié)果放入標(biāo)準(zhǔn)的RGB位圖的三個(gè)通道而被生成。如果混合是完善的，則每個(gè)象素對(duì)R,G和B通道具有相同的值，并且圖象呈現(xiàn)純單色的。如果在三個(gè)顏色通道中存在差別，即不完善的混合，則圖象含有顏色的深淺。盡管圖7b和9b至12b在這里呈現(xiàn)成黑和白，但在原始圖中在深淺上的變化將被描述。
圖7b展示對(duì)于具有在入射孔按圖7a的正方形陣列被配置的16個(gè)LEDs的基本的正方喇叭形的光分布。輸出的分布具有2×20°的角寬度?；旌系馁|(zhì)量是好的，即原始圖具有將要求非常少漫射的基本上單色的外觀。
圖8展示計(jì)算的和測(cè)量的角分布。對(duì)于原型，當(dāng)沒有漫射體被使用時(shí)，混合并不完全象對(duì)ASAP模型那樣好。漫射體的使用大大地改善了顏色的混合，但是以被增大的光束寬度(2×30°，如在圖中被看出的)為代價(jià)。
圖9b展示對(duì)于具有按圖9a的正方形陣列被配置的4個(gè)LEDs的基本的正方喇叭形的光分布。盡管中心是質(zhì)量相當(dāng)好的白色，但在邊緣存在強(qiáng)色彩的膺象。特別是，左下角和鄰近的邊緣是藍(lán)色，而右上部是紅色。由于需要兩個(gè)綠色，綠色的膺象較少，但在左上部和右下角可見到。足夠有力去校正這個(gè)瑕疵的漫射體將使光束增寬到約2×90°，所以這種結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是不好的?？梢杂邪盐盏?cái)喽▽?duì)于給定的總光源面積，大量小的、分散的光源比較少量較大的光源運(yùn)行得更好。
圖10b展示對(duì)于具有按圖10a的正方形陣列被配置的4個(gè)LEDs的基本的正方喇叭形的光分布。這些具有象在圖9a中同樣的對(duì)稱性，然而是較小的LEDs并且被集結(jié)在入射孔的中心。顏色的混合比對(duì)圖9a的4個(gè)較大的LEDs更好，但混合仍然不象對(duì)圖7a的16個(gè)小光源那樣好，盡管較大的陣列具有距光軸較大的平均距離。因而在入射孔內(nèi)分布的規(guī)模和均勻性兩方面都影響最后輸出的混合。
圖11b展示對(duì)于具有按圖11a的正方形陣列配置的16個(gè)LEDs的持有圓形橫截面的喇叭形的光分布。由于保持入射光線的方位角的一致，混合是不好的。環(huán)狀的黃色膺象環(huán)繞著中心呈現(xiàn)，伴隨著紅色朝向角落和綠色鄰近側(cè)壁的中點(diǎn)。
圖12b展示對(duì)于具有按圖12a的正方形陣列配置的16個(gè)LEDs，持有八邊形橫截面的喇叭形的光分布。混合比圖11的圓形橫截面好得多，但不完全象圖7的正方形橫截面那樣好。然而八邊形給出了比正方形圓得多的整體光束形狀，這可能對(duì)用戶是重要的性能。
如以上描述的光學(xué)系統(tǒng)的效率0能被寫作O=RN×T，其中R是反射器材料的反射率，N是光線在出射前作出的平均反射次數(shù)，而T是在出射孔上蓋片的透射率。對(duì)于沒有漫射蓋片的正方喇叭形，使用ASAP片并取R=0.9(對(duì)AlanodMiro7薄片的測(cè)量值)，N=1.5，從而0=0.85。所以用具有測(cè)得的透射率T=0.92的工業(yè)漫射物效率0=0.79。原型的數(shù)據(jù)在測(cè)量的精度范圍內(nèi)與模擬試驗(yàn)一致。應(yīng)注意漫射物在這里幾乎沒有被詳細(xì)地描述，由于它們的主要功能是機(jī)械的防護(hù)，光學(xué)漫射及轉(zhuǎn)向；它們的設(shè)計(jì)選擇將依賴于系統(tǒng)的全部要求。
以上的是示范性的而不是用于限制下述權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1．光源包含發(fā)光二極管陣列包含呈多種顏色中每一種的至少一個(gè)發(fā)光二極管，用于發(fā)射呈多種顏色中每一種的光以及反射筒具有入射孔，出射孔，在該兩孔之間延伸的反射的周圍壁，以及在該壁中央的該兩孔之間延伸的光軸，該發(fā)光二極管陣列被設(shè)置在該入射孔中，該周圍壁被設(shè)置以使來自該發(fā)光二極管陣列的光反射和混合。
2．如權(quán)利要求1中的光源，其中該周圍壁具有垂直于該光軸的橫截面，該橫截面至少沿部分該光軸基本上是非圓形的。
3．如權(quán)利要求2中的光源，其中該橫截面是多邊形的，該周圍壁包含多個(gè)側(cè)壁，側(cè)壁在該橫截面中基本上是直的。
4．如權(quán)利要求3中的光源，其中該橫截面是正方形的。
5．如權(quán)利要求3中的光源，其中該橫截面是八邊形的。
6．如權(quán)利要求1中的光源，其中該周圍壁從該入射孔到該出射孔岔開。
7．如權(quán)利要求6中的光源，其中該周圍壁，從光軸看，具有外凸的形狀。
8．如權(quán)利要求7中的光源，其中該周圍壁朝著該出射孔向外反射光斑。
9．如權(quán)利要求1中的光源，其中呈現(xiàn)各種顏色的發(fā)光二極管確定具有重心位于光軸的顏色分布。
10．如權(quán)利要求9中的光源，其中每種顏色分布距光軸具有相同的平均徑向距離。
11．如權(quán)利要求1中的光源另外包含在出射孔上的漫射蓋片。
12．如權(quán)利要求1中的光源，其中該反射的周圍壁由鏡面加漫射的反射材料制成。
全文摘要
光源包含呈多種顏色,如紅、綠及藍(lán),中每一種的在筒形反射器入射孔內(nèi)的發(fā)光二極管(LED)陣列,反射器最好具有面對(duì)光軸的凸壁及朝著出射孔向外的反射光斑,并最好具有多邊形,如正方形,的橫截面。通過利用許多小的發(fā)光二極管,以各種顏色的發(fā)光二極管聚集在光軸中心,顏色的混合被進(jìn)一步改進(jìn)。
文檔編號(hào)F21V7/04GK1310790SQ00801002
公開日2001年8月29日 申請(qǐng)日期2000年3月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月26日
發(fā)明者T·馬沙爾, M·D·帕施利, S·赫爾曼, J·A·施米祖 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司