專利名稱：照明系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及照明系統(tǒng)，并且特別涉及包括半導體發(fā)光元件和控制光分布的光學單元的照明系統(tǒng)。更為具體的，本發(fā)明涉及包括發(fā)光二極管和控制光分布的光學單元的照明系統(tǒng)，其有效適用于零售業(yè)，商業(yè)，居住地等的照明。
背景技術：
在使用白光LEDs(發(fā)光二極管)作為光源的照明系統(tǒng)中，通常采用彈殼形透鏡，組合全反射型透鏡或者蠅眼透鏡以控制光的分布。
彈殼形透鏡廣泛用于指示器。例如，日本專利申請公開號3065263的專利(參考文獻1)對由樹脂材料做成并且由橢圓形或圓形部分與柱狀部分結合形成的彈殼形透鏡進行了描述。參考附圖中的圖25，照明系統(tǒng)100(LED燈)由嵌入彈殼形透鏡101的發(fā)光二極管芯片102組成。發(fā)光二極管芯片102設置在導向器103中，并且發(fā)光二極管芯片102的主電極端電學連接于導向器103。發(fā)光二極管芯片102的另一主電極端通過導線105連接于導向器104。彈殼形透鏡101收集由發(fā)光二極管芯片102(光源)發(fā)射的大部分光，并且在窄范圍內導引光向前(照明方向D1)，從而實現其能保證窄光分布的照明系統(tǒng)100。
利用照明系統(tǒng)100，不可能有效利用在對發(fā)光二極管芯片102的照明方向D1環(huán)繞延伸的D2方向發(fā)射的光。沒有利用的光會影響由照明系統(tǒng)100發(fā)射的光的有效使用。進一步，在之前描述的照明系統(tǒng)100中，發(fā)光二極管芯片102嵌入到樹脂材料彈殼形透鏡101中，從而其中產生的熱量不能有效地輻射。照明系統(tǒng)100消耗大量電能。因此，難以使用能夠保證大光強度卻產生大量熱量的二極管。由于該原因，包括彈殼形透鏡101的照明系統(tǒng)100不適合用于零售業(yè)，商業(yè)，居住地等的照明。
以下描述的透鏡保證大光強度，并且替代彈殼形透鏡101被使用，如日本專利公報號平4-36588(參考文獻2)；日本專利申請公開號2003-281909(參考文獻3)；美國專利號5,757,557(參考文獻4)；美國專利號6,896,381(參考文獻5)；日本專利申請公開號2005-190954(參考文獻6)；日本專利申請公開號平5-152609(參考文獻7)；以及日本專利申請公開號平7-99345(參考文獻8)。參考文獻2到4描述組合全反射透鏡，而參考文獻5描述使用單個透鏡，單個平面鏡等準直發(fā)光二極管發(fā)出的光的方法。參考圖26，照明系統(tǒng)200包括組合全反射透鏡201，其位于放置于襯底203上的發(fā)光二極管芯片202上。在照明系統(tǒng)200中，由發(fā)光二極管芯片202發(fā)出的D1方向上的光由折射透鏡準直。環(huán)繞D1方向的照明方向D2上的光通過組合全反射表面反射在照明方向D1。因此，大部分由發(fā)光二極管芯片202發(fā)射的全部方向的光在照射方向D1準直，從而光能夠被有效使用。進一步隨著發(fā)光二極管芯片202光發(fā)射產生的熱量能夠經由襯底203散發(fā)，從而該發(fā)光二極管的使用能夠保證大的光強度，并且適用于要求大光強度的照明系統(tǒng)。
參考文獻6描述包括蠅眼透鏡的照明系統(tǒng)，其中光能夠被照射到特定區(qū)域中。該照明系統(tǒng)可以作為整體被減小。
然而，在包括全反射透鏡201的照明系統(tǒng)200中以下問題仍然需要被解決?？傮w而言，類似照明系統(tǒng)200的照明系統(tǒng)使用臨界鏡片系統(tǒng)其將光投射到無窮方向上。如果在光源上存在色彩斑或亮度斑，其會原樣地被投射到照明目標上。白光發(fā)光二極管通常使用下述方法發(fā)射光。
(1)如參考文獻7和8的描述，一個黃色熒光體圍繞藍光發(fā)光二極管放置。一些藍色光被轉化為黃色光，從而藍色和黃色光組合產生白色光。
(2)紅光發(fā)光二極管，綠光發(fā)光二極管以及藍光發(fā)光二極管發(fā)出光，從而紅，綠和藍光組合產生白色光。
(3)RGB熒光層圍繞近紫外線發(fā)光二極管放置，從而近紫外線經由熒光層被轉為白色光。方法(1)保證發(fā)光效率大約比方法(2)和(3)高30％，并且實際用于零售業(yè)，商業(yè)，居住地等要求大的光強度的照明系統(tǒng)。然而，如果使用全反射透鏡201的照明系統(tǒng)200采用方法(1)，由發(fā)光二極管芯片202發(fā)出的藍色光的色彩斑或亮度斑，以及由黃色熒光物發(fā)出的黃色光經由全反射透鏡201被原樣投射到照明目標上。因此難以產生均勻的白色光。方法(2)同樣存在這個問題。
進一步，全反射透鏡201具有折射面和反射面相結合的三維形狀，其要求高制造成本(模鑄成本)。照明系統(tǒng)200不可避免地變貴。進一步，全反射透鏡201具有復雜的三維結構，從而不適合制造為模具的形狀。
再進一步，使用蠅眼透鏡的照明系統(tǒng)包括在發(fā)光二極管和蠅眼透鏡之間的準直透鏡。該準直透鏡準直發(fā)光二極管發(fā)出的光，并且該準直光被設計為分布角度小于30度。然而，由于在光分布角度之外的光沒有被收集而丟失，它們沒有被有效利用。
由于蠅眼具有細微不平的表面，容易被污染，反而會影響光的有效使用。
該發(fā)明目的為了克服相關技術文件中的問題，并且為了提供能夠減少色彩斑的照明系統(tǒng)。
本發(fā)明的再一個目的是為了提供能夠在減少斑的同時促進光的有效使用的照明系統(tǒng)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施例的第一方面中，照明系統(tǒng)包括第一光源發(fā)射第一光；具有部分偏移第一光源的發(fā)光點并且發(fā)射其波長不同于第一光的波長的第二光的第二光源；折射第一和第二光并且平行折射光的第一透鏡面；包括多個并置第一微透鏡并且折射第一和第二光的第二透鏡面；包括多個并置第二微透鏡并且折射由第二透鏡一側折射的第一和第二光的第三透鏡面。在該照明系統(tǒng)中，第二微透鏡一一對應于第一微透鏡；第一微透鏡收集第二微透鏡上的第一和第二光；并且由一個第一微透鏡和一個第二微透鏡折射的第一和第二光的第一照射區(qū)域的部分區(qū)域與由另一個第一微透鏡和另一個第二微透鏡折射的第一和第二光的第二照射區(qū)域的部分區(qū)域重疊。
在該實施例的第二方面中，照明系統(tǒng)包括發(fā)射藍色光的發(fā)光二極管；接收藍色光并且發(fā)射黃色光的熒光體；折射并使該藍色和黃色光為平行光的菲涅爾透鏡；折射通過菲涅爾透鏡的藍色和黃色光的第一蠅眼透鏡；以及折射通過第一蠅眼透鏡的藍色和黃色光的第二蠅眼透鏡。


相似或對應的部分由相似或對應的標號標注。
圖1是根據本發(fā)明的第一實施例的照明系統(tǒng)的示意圖；圖2是其上裝載半導體發(fā)光元件和熒光體的襯底的放大剖面圖；圖3A是圖1所示的照明系統(tǒng)的熒光體的立體圖；圖3B是熒光體的剖面圖；圖3C是熒光體的俯視圖；圖4是圖1所示的照明系統(tǒng)的光分布控制透鏡(光學透鏡)的立體圖；圖5是顯示如何將菲涅爾透鏡作為光分布控制透鏡的剖面圖；
圖6是顯示波長和半導體發(fā)光元件和熒光體的發(fā)光強度之間關系的圖表；圖7是顯示相關技術的比較例的光分布圖；圖8顯示作為比較例的光分布透鏡(蠅眼透鏡)的結構；圖9顯示在相關技術中的光學分布控制透鏡中使用的臨界照明的透鏡的結構；圖10顯示第一實施例的照明系統(tǒng)中的光分布控制透鏡中使用的柯勒照明中的透鏡的結構；圖11顯示第一實施例的照明系統(tǒng)中的光分布控制透鏡中使用蠅眼整體照明中的透鏡的結構；圖12顯示在第一實施例的照明系統(tǒng)中的光分布；圖13顯示本發(fā)明的第二實施例的照明系統(tǒng)的結構；圖14是圖13中的照明系統(tǒng)的光分布控制透鏡(菲涅爾透鏡)的俯視圖；圖15是圖13中的照明系統(tǒng)的光分布控制透鏡(蠅眼透鏡)的俯視圖；圖16是圖13中的照明系統(tǒng)的光分布控制透鏡(平透鏡)的俯視圖；圖17顯示本發(fā)明的第三實施例的照明系統(tǒng)的第一結構；圖18是圖17所示的照明系統(tǒng)的基本部分的放大的示意圖；圖19顯示折射菲涅爾準直儀的光線角度與透鏡的傾斜角度之間的關系；圖20顯示全反射型菲涅爾準直儀的入射角度與透鏡的傾斜角度之間的關系；圖21顯示用于在小口角角度保持恒定時判定全反射型菲涅爾透鏡的角度的特性曲線；圖22顯示本發(fā)明的第三實施例的照明系統(tǒng)的第二結構；圖23顯示本發(fā)明的第三實施例的照明系統(tǒng)的第三結構；圖24A是本發(fā)明的第四實施例中的照明系統(tǒng)的光分布控制透鏡基本部分的俯視圖；圖24B是沿圖24A的線21B-21B取得的光分布控制透鏡的剖面圖；圖25顯示相關技術的實例中具有彈殼形透鏡的照明系統(tǒng)的結構；以及圖26顯示相關技術的另一實例中具有組合反射透鏡的照明系統(tǒng)的結構。
具體實施例方式
將參考在附圖中顯示的實施例對本發(fā)明進行具體描述。
(第一實施例)照明系統(tǒng)的結構在第一實施例中，照明系統(tǒng)1包括半導體發(fā)光元件10(第一光源)，熒光體20(第二光源)，第一透鏡30，以及第二透鏡40。第一透鏡30包括第一透鏡面31和第二透鏡面32。第二透鏡40包括第三透鏡面41和第四透鏡面42。半導體發(fā)光元件10發(fā)出第一光線。熒光體20延伸覆蓋半導體發(fā)光元件10的發(fā)光區(qū)域并且產生波長不同于第一光線的波長的第二光線。第一透鏡面31使第一和第二光線平行。第二透鏡面32包括多個并列的折射由第一透鏡面31折射的第一和第二光線的第一微透鏡321。第三透鏡面41包括多個面朝第一微透鏡321并列設置的折射由第二透鏡面32折射的第一和第二光線的第二微透鏡411。在照明系統(tǒng)1中，第二透鏡面32的第一微透鏡321聚集第一和第二光線至第三透鏡面41的第二微透鏡411上。進一步，由第一微透鏡321之一和第二微透鏡411之一折射的第一和第二光線的第一照明目標的一部分與由第一微透鏡321之一和第二微透鏡411之一折射的第一和第二光線的照明區(qū)域重疊。由照明系統(tǒng)1發(fā)出的第一和第二光線被無窮投射到照明目標50和第二照明目標52上。
“無窮”代表由照明系統(tǒng)1發(fā)出的第一和第二光為平行光的極限點。準確地，該限制點離照明系統(tǒng)1足夠遠，例如，照明系統(tǒng)1被安裝到天花板上時，桌面，地面，墻面等。
照明系統(tǒng)1被設計為適于要求大光強度的零售業(yè)，商業(yè)，居住地等。因此，照明系統(tǒng)1包括半導體發(fā)光元件10，熒光體20。半導體發(fā)光元件10產生藍色光線(其波長為400nm到500nm)。熒光體20將部分藍色光線轉為黃色光線(其波長為500nm到700nm，不同于藍色光線的波長)。藍色光線和黃色光線混合產生白色光線。在該種情況下，比較其它光產生方法白色光能夠有效產生。圖6顯示藍色和黃色光的波長和發(fā)光強度之間的關系。橫坐標指示波長，縱坐標指示發(fā)光強度。熒光體20可以產生其波長為黃色和紅色光線的組合的第二光。
在第一實施例中半導體發(fā)光元件10優(yōu)先選擇藍色光發(fā)光二極管(半導體芯片)，更為具體的，可以使用主要由氮化鎵(GaN)，氧化鋅(ZnO)，或者硒化鋅(ZnSe)做成的藍色光發(fā)光二極管。
如圖2所示，半導體發(fā)光元件10被裝載于襯底11上。為了將半導體發(fā)光元件10包圍其中，熒光體20延伸覆蓋半導體發(fā)光元件10的頂面和側面。襯底11由底座110，底座110上的絕緣體111，絕緣體111上的電路圖形112，具有反射面113R的反射體113，以及由反射面113R為側壁和由底座110的部分(具體地，電路圖形112的部分表面)為底面而定義的凹槽114組成。
為了有效發(fā)散隨著半導體發(fā)光元件10的發(fā)光產生的熱量，襯底11的底座110由例如鋁襯底等具有高熱導率的材料做成。或者，底座110可以由例如玻璃環(huán)氧樹脂，工程塑料，氮化鋁等具有高熱導率的材料做成。
絕緣體111防止電路圖形112和底座110之間的電學短路，并且由即使為了減小電路圖形112到底座110之間的熱阻而減薄半導體發(fā)光元件10仍能夠保證足夠的耐壓的氧硅薄膜或氮化硅薄膜做成。
盡管電路圖形112的版圖沒有被顯示，電路圖形112包括第一配線和第二配線。第一配線在半導體發(fā)光元件10的正面與主電極端具有電學連接。第二配線經由鍵合線，在半導體發(fā)光元件10的背面與主電極端具有電學連接。在該實施例中，電路圖形112由三層金屬層構成。電路圖形112的底層直接被淀積到絕緣體111上，并且由例如銅箔等具有高電導率和熱導率的材料做成。電路圖形112的中間層被放置在銅箔上，并且由具有高反射率的鎳片襯底做成。頂層被放置在中間層上，是具有高電導率和熱導率的銅片襯底，并且容易被鍵合到半導體發(fā)光元件10的背面?；蛘?，電路圖形可由諸如金，銀等貴重金屬制成。
反射體113限定半導體發(fā)光元件10被放置其中的凹槽114，并且其具有對(半導體發(fā)光元件10在方向D2上發(fā)出的)光在垂直于襯底11的照明方向D1上進行反射的反射面113R。反射面113R和凹槽114易于成型，具有高光反射率，由諸如聚丁烯酯(PBT)，聚碳酸酯(PC)等的樹脂材料做成。
熒光體20由釔鋁石榴石(YAG)等分散在硅酮樹酯，環(huán)氧樹酯，改性環(huán)氧樹酯等的透明樹脂材料中，并填充在凹槽114中固化。參考圖3A到3C，半導體發(fā)光元件10具有0.3mm到1.0mm(例如，發(fā)光二極管芯片一側的長度)的尺寸。熒光體20具有倒置的平切圓錐的形狀，其頂圓周的直徑L為2.5mm到3.5mm，壁高為0.5mm到1.0mm。
重新參考圖1，第一透鏡面31和第二透鏡面32作為光分布控制透鏡，即構成光學單元，并置于第一透鏡30的相反兩側。第三透鏡面41和第四透鏡面42為第二透鏡40的相反兩側。
第一透鏡面31面對半導體發(fā)光元件10放置，并且向半導體發(fā)光元件10向外彎曲，并且作為凸透鏡使用。第一透鏡面31聚集半導體發(fā)光元件10和熒光體20發(fā)出的第一和第二光，并且使聚集的光沿照明方向D1準直。如圖1和圖4所示，第一透鏡面31是具有階梯形同心圓31B的菲涅爾透鏡形狀，并且如圖5所示比具有相同焦距的傳統(tǒng)透鏡更薄和扁平。
第二透鏡面32與第一透鏡面31位置相對，并且具有向外彎向第二透鏡40的第三透鏡面41的第一微透鏡321。簡而言之，第二透鏡面32位于第一透鏡面31和第三透鏡面41之間，并且既面對第一透鏡面31又面對第三透鏡面41。第二透鏡面32聚集由第一透鏡面31折射和使之準直的第一和第二光，這樣從光源發(fā)出的光被聚焦到第三透鏡面41上。如圖1和圖4所示，第二透鏡面32是其中第一微透鏡321被排列為矩陣形狀的蠅眼透鏡(fly-eye lens)，這樣使得孔徑比變小，并且第一透鏡30變薄。
第一透鏡30是由諸如丙稀或聚碳酸酯等樹脂材料做成，其具有高光透過率并且易于模制成型。
第三透鏡面41位于與第四透鏡面42位置相對的第二透鏡40的部分。第二微透鏡411向外彎向第二透鏡面32。如圖1所示，通過第二透鏡面32折射和收集的第一和第二光向照明目標50被投射到無窮遠方向。換句話說，第三透鏡面41等效于聚光透鏡，并且控制光分布。參考圖1和圖4，第三透鏡面41是其中第二微透鏡411被排列為矩陣形狀的蠅眼透鏡。每個第二微透鏡411對應每個第一微透鏡321。為了在短距離內將光從光源聚焦到第二微透鏡411，第一微透鏡321被設計為具有小曲率半徑。而為了將光從光源傳遞到無窮遠，第二微透鏡411設計為曲率半徑比第一微透鏡321大。
第四透鏡面42與第三透鏡面41位置相反，并且面向照明目標50。如圖1和4所示，第四透鏡面42是平坦的。由于平面的第四透鏡面42不容易受到污染，即使照明系統(tǒng)1使用很長時間其可防止照明系統(tǒng)1的光效率降低。進一步第四透鏡面42在需要時可以促進光散射。具體地，第四透鏡面42可進行表面粗糙處理或覆蓋涂層材料或者被涂上光散射疊層薄膜。前面敘述的操作可增強入射到第四透鏡面42上的第一和第二光的散射。
第三透鏡面41和第四透鏡面42是由諸如丙稀或聚碳酸酯等的樹脂材料做成，其具有高光透射率。
照明系統(tǒng)的光分布控制接下來將對照明系統(tǒng)1的光分布的控制進行描述。首先，將參考圖26對相關技術的照明系統(tǒng)200進行描述。照明系統(tǒng)200包括組合全反射透鏡201，并且利用藍色光發(fā)光二極管芯片202和黃色熒光體發(fā)射白色光。照明系統(tǒng)200保證高的光利用效率。圖7顯示通過照明系統(tǒng)200發(fā)射的光的分布。藍色光的光強度在靠近中心的窄的光分布角度較強，而在在藍色光的周邊附近的較廣的分布角變黃。根據透鏡的形狀，藍色光的強度比黃色光的強度大約兩到四倍。當利用臨界照明類型的全反射透鏡201控制具有之前描述的光分布的光時，光將在特定方向為藍色，照明目標上出現明顯的色彩斑和亮度斑。
出現上述現象的原因在于發(fā)光二極管芯片202比熒光體20小很多，即第一光(藍色光)和第二光(黃色光)在不同位置被發(fā)射。
而，在第一實施例的照明系統(tǒng)1中，由半導體發(fā)光元件10發(fā)射的第一光(藍色光)以及由熒光體20發(fā)射的響應第一光的第二光(黃色光)通過第一透鏡面31(菲涅爾透鏡)被折射和準直。準直的第一和第二光被照射到第二透鏡面32(蠅眼透鏡)的整個區(qū)域。第二透鏡面32折射和收集已準直光，并且將光源的光聚焦于第三透鏡面41(蠅眼透鏡)上或其周圍。第三透鏡面41(蠅眼透鏡)將第二透鏡面32的第一微透鏡321上的略微模糊的光向無窮遠投射。(因此，該第一和第二光能夠足夠大致相同地分布到照明目標50上。
在圖8中顯示的由蠅眼透鏡實現的光分布控制透鏡中。如果光源15沒有出現在第一微透鏡321(2)和第二微透鏡411(2)所共有的光軸(中心軸)La上時，由光源15發(fā)出的光通過第一微透鏡321(2)并且聚焦于另一個在第一和第二小微透鏡321和411的延伸部分上的第二微透鏡411(1)上。該種光被認為沒有用途。作為對比，在第一實施例中的照明系統(tǒng)中，第一透鏡面31(菲涅爾透鏡)被置于光源15(半導體發(fā)光元件10)和第二透鏡面32的第一微透鏡321之間。半導體發(fā)光元件10設置為看上去像是在第一微透鏡321(1)和第二微透鏡411(1)所共有的光軸La上；以及在第一微透鏡321(2)和第二微透鏡411(2)所共有的光軸La上。簡而言之，由半導體發(fā)光元件10發(fā)出的光通過第一微透鏡321并且聚焦在第二微透鏡411上。這樣有效降低第一和第二微透鏡321和411之間的光損失，并且促進光的有效使用。
包括組合全反射透鏡201的照明系統(tǒng)200(臨界照明)不同于后文中描述的本發(fā)明的照明系統(tǒng)1。為了簡便起見，假設接觸透鏡(contact lens)，聚光透鏡，(capacitor lens)或準直透鏡(parallel lens)沒有諸如非常規(guī)反射或衰減的干擾，在后文中將對理想的光學系統(tǒng)進行描述。換句話說，照明系統(tǒng)1可能由干擾引起使用效率降低或光損失。
圖9所示的臨界照明包括光源15和光學共軛(成像關系)的照明目標50。聚光透鏡45被放置于光源15和照明目標50之間。如果光源15的發(fā)光表面具有色彩斑或亮度斑，相似的色彩斑或亮度斑同樣會產生于聚光透鏡45上。包括組合全反射透鏡201并且被顯示在圖26中的照明系統(tǒng)200具有與臨界照明大致相同的結構。
而，如柯勒照明如圖10所示，聚光透鏡45(capacitor lens)與光源15光學共軛同時集光透鏡35(collector lens)與照明目標50光學共軛。即使在光源15的各發(fā)光點存在色彩斑或亮度，通常，色彩或亮度的改變對方向的依賴性相對不大。集光透鏡35由光源15相對均勻地照射以使集光透鏡35不具有微小色彩斑。在集光透鏡35的孔徑內具有亮度分布的光被投射到照明目標50，這樣光源15的光被大致均勻地照射到照明目標50上。進一步，當集光透鏡35將光源15的光聚焦于聚光透鏡45的孔徑上，通過集光透鏡35的光同樣通過聚光透鏡45。這樣有效減小光損失并且促進光的有效使用。
更為進步的柯勒照明被稱為“蠅眼積分器照明”，(fly-eye integrator illumination)其被采用于本發(fā)明的第一實施例中。如圖11所示，各對集光透鏡35的微透鏡351和聚光透鏡45的微透鏡451組成柯勒照明。由光源15發(fā)出的光被由準直鏡36折射和準直。為平行光的光被微透鏡351折射和收集，從而光源15的光被聚焦于微透鏡451，并且通過微透鏡451被無窮投射。
照明目標50的被照射區(qū)域的尺寸比該蠅眼積分器照明系統(tǒng)的照明系統(tǒng)的整個尺寸大。因此，通過與各個微透鏡451無窮照明的區(qū)域疊加，這樣照明目標50的相同部分將被照射。
照明系統(tǒng)的優(yōu)點圖12顯示由照明系統(tǒng)1發(fā)出的光的分布。在圖12中，橫坐標指示光分布角度縱坐標指示光強度。由半導體發(fā)光元件10(藍色光發(fā)光二極管)發(fā)出的藍色光的分布角度與由熒光體20(黃色光發(fā)光二極管)發(fā)出的黃色光的分布角度大致相同。簡而言之，藍色光和黃色光的光分布相同，使得照明系統(tǒng)1能夠均勻照射要求大亮光的零售業(yè)，商業(yè)，居住地等。
在照明系統(tǒng)1中，第一透鏡面31是菲涅爾透鏡，第二透鏡面32是蠅眼透鏡，使得第一透鏡30變?yōu)楸∑螤?。進一步，第三透鏡面41是蠅眼透鏡同時第四透鏡面42是平面透鏡，使得第二透鏡40為薄片形狀。簡而言之，照明系統(tǒng)1的光分布控制透鏡可以變薄，從而能夠降低照明系統(tǒng)1尤其是第一透鏡30和第二透鏡40的制造成本。進一步，多個照明系統(tǒng)1能夠被排列從而具有模具化的結構。
假設第一透鏡30和第二透鏡40通過注模成形法制作。樹脂材料透鏡從其表面向中心逐漸變硬。如果樹脂材料透鏡較薄，它們相對不受收縮或變形的影響。該樹脂透鏡受污染緩慢，并且不受雙折射影響。進一步，樹脂透鏡易于成型并且易于被模鑄成型。
完全使樹脂透鏡的內部變硬的時間周期基本與其厚度的平方成正比。之前描述的組合全反射透鏡201較厚，并且變硬花費時間較多。作為對比，由于照明系統(tǒng)1的第一和第二透鏡30和40較薄，它們能在較短時間內變硬，意味著灌入模具壓制的時間變短。這樣，能夠降低照明系統(tǒng)1制造的成本和時間。
進一步，第四透鏡面42為平面，不容易受到污染，并且易于清潔。這一點使照明系統(tǒng)1抵抗諸如灰塵和泥土的污染，從而防止光利用效率的降低。
第二實施例在第二實施例中，多個照明系統(tǒng)1被集中以具有模塊結構。每個照明系統(tǒng)1包括光單元1A到1F，其由熒光體20，反射體113s，第一透鏡30和第二透鏡40。每個光單元1A到1F都包括半導體發(fā)光元件10。在該實施例中，6個光單元1A到1F被排布為矩陣的形狀。不必說，光單元的數目不受限制但是可以依據光量和應用確定數目。
襯底11通常用于光單元1A到1F。如圖13至圖15所示，具有第一透鏡面31(菲涅爾透鏡)和第二透鏡面32(蠅眼透鏡)的第一透鏡30被模具成型為單片。進一步，如圖13，15和16所示，第二透鏡40的第三透鏡面41(蠅眼透鏡)和第四透鏡面42(平面透鏡)同樣被模具成型為單片。由于第一和第二透鏡30和40較薄，在光單元1A到1F中，它們可制成為單片。第一和第二透鏡30和40被附接到襯底11的外圍的框架60并被其支持。
根據第二實施例，光單元1A到1F能夠根據零售業(yè)，商業(yè)，居住地等所需的光的量作為模塊被制造。
第三實施例為了促進光的有效使用，第一或第二實施例的照明系統(tǒng)1被改進。照明系統(tǒng)的第一結構參考圖17，該實施例的照明系統(tǒng)1與第一實施例的照明系統(tǒng)1的結構基本相同。照明系統(tǒng)1包括半導體發(fā)光元件10(第一光源)；熒光體20(第二光源)；第一透鏡面31；第二透鏡面32；以及第四透鏡面42。半導體發(fā)光元件10發(fā)出第一光。熒光體20延伸覆蓋半導體發(fā)光元件10的發(fā)光區(qū)域，并且響應第一光產生第二光。第二光的波長不同于第一光的波長。第一透鏡面31包括用于折射第一和第二光和使之為平行光的折射區(qū)域311，以及用于反射第一和第二光和使之為平行光的反射區(qū)域312。第二透鏡面32包括多個折射和反射第一和第二光的第一微透鏡321，并且它們被并置。第四透鏡面42在其表面具有多個第二微透鏡411，并且折射已經被第二透鏡面32折射的第一和第二光。第一微透鏡321與第二微透鏡411一一對應。第一微透鏡321將第一光和第二光收集至第二微透鏡411。由一個第一微透鏡321和一個第二微透鏡411折射的光的一部分與由另一個第一微透鏡321和另一個第二微透鏡411折射的第一和第二光的第二照明區(qū)域52重疊(參考圖1)。由照明系統(tǒng)1發(fā)出的第一和第二光被無窮聚焦到照明目標50上，其為第一照明區(qū)域51和第二照明區(qū)域52。
在第一透鏡30的第一透鏡面31中，折射區(qū)域311位于第一和第二光的光軸La中心部分。利用全反射的反射區(qū)域312設置在可折射區(qū)域311的周圍。折射區(qū)域311包括圓形部分3111，第一連續(xù)棱鏡3112。圓形部分3111在光軸La的中心環(huán)繞光軸，并且向半導體發(fā)光元件10和熒光體20彎曲。第一連續(xù)斜側面3112包括階梯型同心圓3112a以及折射表面3112b。各折射表面3112b位于圓形部分3111的周圍，并且在與光軸La相交的方向(如垂直方向)折射第一和第二光。折射表面3112b和階梯型同心圓3112a被交替排布。折射區(qū)域311的彎曲部分3111設置在使光軸La和光源(半導體發(fā)光元件10和熒光體20)發(fā)出的第一和第二光之間形成角度。該角度為例如，10度或更小。且圓形部分3111位于該角度接近等于平行光的角度的范圍中。在第一結構中，圓形部分3111具有其頂角為150度到180度的圓錐形狀。
第一連續(xù)棱鏡3112是菲涅爾透鏡。如圖18所示，第一連續(xù)棱鏡3112的折射表面3112b圍繞光源與光軸La形成30度或更小的角度。簡言之，從光源發(fā)出的第一和第二光到達折射表面3112b，并且被變?yōu)槠叫泄狻８鶕D5所示的原理階梯型同心圓3112a與光軸一致。
如圖19所示，折射表面3112b傾斜θU角度，該角度是為了滿足以下條件確定的理想值，其中θ表示從光源到折射表面3112b的光和光軸之間的角度，并且n表示透鏡的折射率。
θU=tan-1(n-cosθsinθ)...(1)]]>而為了在30度或更大角度有效使用由光源發(fā)出的第一和第二光，反射區(qū)域312包括由接收第一和第二光的入射面3121a以及反射入射的第一和第二光的反射面3121b組成的第二連續(xù)棱鏡3121。入射面3121a和反射面3121b交替排布。第二連續(xù)棱鏡3121是菲涅爾透鏡。入射面3121a接收從光源發(fā)出的第一和第二光，并且向折射區(qū)域311稍微傾斜。反射面3112b傾斜30度或更大角度，并且使通過第二連續(xù)棱線面入射面3121a的第一和第二光準直為平行光。反射面3121b是全反射類型。
如上所述，從光源發(fā)出的第一和第二光被入射面3121a接收和折射，并且通過反射面3121b全部反射，并且大致變?yōu)槠叫泄?。如圖20所示，在入射面3121a和反射面3121b的的傾斜角度θL和θU與從光源中心發(fā)出的光和光軸La之間的角度θ最好滿足下列關系式。
cos(θ+θL)＝ncos(2θU+θL) …(2)折射的第一和第二光能夠被準直成為平行光，并且平行于光軸La。
“全反射”按照以下描述定義。當通過具有兩個不同折射率的兩個透明介質時，光在介質的邊界被折射。例如，這里假設一個介質具有折射率n1同時另一介質的折射率為n2(n1＞n2)并且光以入射角θ達到該邊界。當入射角θ較小(例如θ小于臨界角)，光在邊界折射并向前傳播。入射角θ越大，折射角越接近90度。當sinθ＝n2/n1時，折射角等于90度。在該種狀態(tài)下，入射角等于臨界角。進一步，如果入射角θ大于臨界角時，光在邊界完全被反射。該現象被稱為“全反射”。在第三實施例中，由于具有折射系數“1”的空氣被作為一個介質以代表n2，之前的條件表達式表示為sinθ＝1/n1。
第二連續(xù)棱鏡3121的入射面3121a和反射面3121b形成的所有頂角角度相同。圖21顯示通過公式(2)表達的關系。
在圖21中描繪了幾條對應于光的入射角度的曲線。從圖21的圖表能夠看出，僅當已知θ和“n”時，θU和θL不能夠唯一確定。這是因為一個參數仍然未知。當小口角(byteangle)為給定值，即增加θU+θL＝常數的條件，θU和θL能夠被唯一確定。在圖21中，增加直線θU+θL＝45°。θU和θL能夠根據與特定θ相關的曲線和小口角45°的交點決定。如果θU+θL在0度和90度之間，對任意θ都有解。因此，小口角可以是0度至90度的任意值。
在反射區(qū)域312中，由第二連續(xù)棱鏡3121的入射面3121a和反射面3121b形成的頂角角度都相同。最低點(其由折射區(qū)域311的各階梯型同心圓3112a和各折射表面3112b形成)以及其他最低點(其由反射區(qū)域312的第二連續(xù)棱鏡3121的入射面3121a和反射面3112b形成)在相同平面(即與光軸La垂直)。當利用并旋轉昂貴的鉆石切割器，沿光軸La切割，易于制造第一透鏡30。在這種情況下，第一透鏡30或者鉆石切割器可以相對旋轉。例如，鉆石切割器可優(yōu)選采用三角形狀的刀鋒以削掉第二連續(xù)棱鏡3121的一個入射面3121a和一個反射面3121b。進一步，該鉆石切割器同樣用于制造折射區(qū)域311的圓形部分3111和第一連續(xù)棱鏡3112。
進一步，第一透鏡30的圓形部分3111，第一連續(xù)棱鏡和第二連續(xù)棱鏡3121都具有直線狀輪廓的橫截面，這樣它們易于模具成型制造并且可以注模成型法成形。
第三實施例的照明系統(tǒng)1與第一實施例的照明系統(tǒng)1同樣有效并且具有優(yōu)勢。進一步，折射區(qū)域311和反射區(qū)域312設置于第一透鏡面31上，從而出現在第一透鏡面31周圍并且沒有被菲涅爾透鏡折射的第一和第二光被反射并且使之成為平行光。這有效促進第一透鏡面31周圍的光的有效利用。
照明系統(tǒng)的第二結構在第三實施例的照明系統(tǒng)1中，折射區(qū)域311的圓形部分3111可以在第一透鏡面31上像凸透鏡一樣彎向光源。參考圖22，第一連續(xù)棱鏡3112的折射表面3112b和階梯型同心圓3112a的頂角和第二連續(xù)棱鏡3121的入射面3121a和反射面3121b的頂角可以位于相同平面。易于制作注模成型的模具。
具有第二結構的照明系統(tǒng)1與具有第一結構的照明系統(tǒng)1同樣有效和具有優(yōu)勢。
照明系統(tǒng)的第三結構如圖23所示第三實施例的照明系統(tǒng)1可以被改進。在第一透鏡30的第一透鏡面31上，由第一棱鏡面3112的折射表面3112b和階梯型同心圓3112a形成的最高點(頂角角度位置)，以及由反射區(qū)域312的入射面3121a和反射面3121形成的最高點可以在同一平面。進一步，最高點和最低點之間的距離可以慢慢增加。在該種情況下，入射面3121a的面積和入射角可以向離心方向逐漸增加，這樣有利于促進光的有效使用。
具有第三結構的照明系統(tǒng)1與具有第一結構的照明系統(tǒng)1同樣有效和具有優(yōu)勢。
在之前描述的照明系統(tǒng)1中，折射區(qū)域311的圓形部分3111可以被展平到光能夠準直。
第四實施例為了進一步促進光的有效使用，第一到第三實施例的照明系統(tǒng)1可以被改進。
在本實施例的照明系統(tǒng)1中，如圖24A和24B所示，第一透鏡30的第二透鏡面32(蠅眼透鏡)的第一微透鏡321和第二透鏡40的第三透鏡面41(蠅眼透鏡)的第二微透鏡411緊密設置。更為具體地，在第二透鏡面32上，在第一微透鏡321之間的死區(qū)(平區(qū))被最小化以提高緊密度。第二微透鏡411和第一微透鏡321的設置類似。第一微透鏡321被填充得越密，光能夠更為有效地被使用。該原理對第二微透鏡411同樣適用。
制造第二透鏡面32和第三透鏡面41以滿足以下公式，其中“a”表示微透鏡(蠅眼透鏡)之間的間距，“r”指示蠅眼透鏡的曲率半徑，并且“h”指示蠅眼透鏡的高度r-r2-(22a)2<h<r...(3)]]>在第四實施例的照明系統(tǒng)1中，第二透鏡面32的第一微透鏡321和第三透鏡面41的第二微透鏡411可以被排布得非常緊密，這樣有利于促進光的有效使用。
其它實施例這里公開的發(fā)明已經通過特定實施例和其中的應用被表述，在該技術領域內的技術熟練者能夠在不背離本發(fā)明的范圍內做出多種改進和變形。
例如，在之前描述的實施例中1的半導體發(fā)光元件10為藍色發(fā)光二極管。作為替代，多個發(fā)光點不同的光源可以被組合使用，例如，綠色發(fā)光二極管和藍色發(fā)光二極管可以組合使用以產生白色光。半導體激光器可以代替半導體發(fā)光元件10被使用。
在之前描述的實施例中第一微透鏡321和第二微透鏡411為凸透鏡。作為替代，第一微透鏡321和第二微透鏡411的某一個或兩者可以為菲涅爾透鏡。更為具體的，第一微透鏡321可以為菲涅爾透鏡而第二微透鏡411可以為凸透鏡。在該種情況下，第一透鏡30可以被做得更薄，從而縮短制造周期。
在之前的實施例中的照明系統(tǒng)1中，第一透鏡面31是簡單菲涅爾透鏡。作為替代，可以使用復雜菲涅爾透鏡。進一步，其中階梯型同心圓被獨立設計的菲涅爾透鏡可以用作第一透鏡面31。
進一步，兩個或多個第一到第四實施例的照明系統(tǒng)1可以被組合使用。
權利要求
1.一種照明系統(tǒng)，其特征在于，包括發(fā)射第一光的第一光源；發(fā)射第二光的第二光源，其發(fā)光點的一部分偏離所述第一光源，所述第二光的波長不同于第一光的波長；折射并準直第一光和第二光的第一透鏡面；包括多個并置的第一微透鏡并且折射第一光和第二光的第二透鏡面；和包括多個并置的第二微透鏡并且折射由第二透鏡面折射的第一光和第二光的第三透鏡面；其中，所述第二微透鏡一一對應于所述第一微透鏡；所述第一微透鏡把第一光和第二光聚集于所述第二微透鏡上；并且由一個第一微透鏡和一個第二微透鏡折射的第一光和第二光的第一照射區(qū)域的部分區(qū)域與由另一個第一微透鏡和另一個第二微透鏡折射的第一和第二光的第二照射區(qū)域的部分區(qū)域重疊。
2.如權利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中所述第一光源是半導體發(fā)光元件，所述第二光源是覆蓋該半導體發(fā)光元件的第一發(fā)光區(qū)域的熒光體，該熒光體響應第一光發(fā)出熒光。
3.如權利要求2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中所述第一透鏡面與所述半導體發(fā)光元件相對設置，并且向該半導體發(fā)光元件彎折。
4.如權利要求2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中第一透鏡面與所述半導體發(fā)光元件相對設置，并且其為向該半導體發(fā)光元件彎折的菲涅爾透鏡。
5.如權利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中所述第二透鏡面與所述第一透鏡面相反，并且位于所述第一透鏡面和所述第三透鏡面之間，面對所述第三透鏡面，并且向所述第三透鏡面彎曲成弧狀。
6.如權利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中所述第三透鏡面面對所述第二透鏡面設置；并且所述第二微透鏡向第三透鏡面彎曲成弧狀。
7.如權利要求5所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中所述第一透鏡面是菲涅爾透鏡，所述第二透鏡面是蠅眼透鏡。
8.如權利要求6所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中第一透鏡面是菲涅爾透鏡，所述第三透鏡面是蠅眼透鏡。
9.如權利要求2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中所述半導體發(fā)光元件發(fā)射波長等于藍色光波長的第一光。
10.如權利要求2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中所述熒光體發(fā)射黃色的或者波長為黃色和紅色光波長的組合的第二光。
11.一種照明系統(tǒng)，其特征在于，包括發(fā)射藍色光的發(fā)光二極管；接收藍色光并且發(fā)射黃色光的熒光體；折射并使該藍色光和黃色光準直的菲涅爾透鏡；折射通過菲涅爾透鏡的藍色光和黃色光的第一蠅眼透鏡；和以及折射通過所述第一蠅眼透鏡的藍色光和黃色光的第二蠅眼透鏡。
12.如權利要求11所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述菲涅爾透鏡和所述第一蠅眼透鏡位于第一透鏡的相反兩面，所述第二蠅眼透鏡位于第二透鏡的一面上。
13.如權利要求12所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中所述第二透鏡的另一面為平面。
14.如權利要求13所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中所述第二透鏡的平面處理成對光進行散射。
15.如權利要求11所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括中心處設置所述發(fā)光二極管的襯底；被放置在所述襯底外圍周圍并且反射所述發(fā)光二極管發(fā)出的藍色光的反射體；以及填充在所述襯底和所述反射體的中心所定義的凹陷處的熒光體，用以收藏所述發(fā)光二極管。
16.如權利要求15所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，包括發(fā)光二極管、熒光體、反射體、第一透鏡和第二透鏡的多個照明單元被集成在襯底上并且具有模塊結構。
17.如權利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中所述第一透鏡面包括折射和準直第一光和第二光的折射區(qū)域，以及反射和準直第一光和第二光的反射區(qū)域。
18.如權利要求17所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中所述第一透鏡面的折射區(qū)域位于第一和第二光源的光軸中心部分；全反射型的反射區(qū)域位于所述折射區(qū)域的周圍。
19.如權利要求17所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中所述第一透鏡面為菲涅爾透鏡，其包括位于所述折射區(qū)域的向第一和第二光源彎曲的圓形部分；與光軸相交的平面部分；折射第一和第二光的折射部分；包含在與光軸相交的方向交替排布的階梯型同心圓和折射第一和第二光的折射部分的第一連續(xù)棱鏡；以及包含在與光軸相交的方向交替排布的第一光和第二光入射部分和第一光和第二光反射部分的第二連續(xù)棱鏡。
20.如權利要求19所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中在所述第一透鏡面中，所述折射區(qū)域上的所述第一連續(xù)棱鏡的折射面和階梯型同心圓的頂點與第二連續(xù)棱鏡的入射面和反射面的頂點位于同一平面。
21.如權利要求19所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中在所述第一透鏡面中，折射區(qū)域的第一連續(xù)棱鏡的折射面和階梯型同心圓的最低點與第二連續(xù)棱鏡的入射面和反射面的最低點位于同一平面。
22.如權利要求19所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中由入射面和第一和第二透鏡面的反射面形成的頂角角度相同。
23.如權利要求11所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，其中所述第一和第二蠅眼透鏡面滿足以下公式，r-r2-(22a)2<h<r]]>其中“a”表示蠅眼間距，“r”表示曲率半徑，“h”表示高度。
全文摘要
照明系統(tǒng)包括發(fā)出第一光的第一光源；發(fā)出第二光的第二光源；折射第一和第二光并且使折射光變?yōu)槠叫泄獾牡谝煌哥R面；包括多個第一微透鏡并且折射第一和第二光的第二透鏡面；以及包括多個第二微透鏡并且折射由第二透鏡面折射的第一和第二光的第三透鏡面。
文檔編號F21V13/00GK1948822SQ20061013623
公開日2007年4月18日 申請日期2006年10月13日 優(yōu)先權日2005年10月14日
發(fā)明者白土昌孝, 戶田雅宏, 廣野方敏 申請人:株式會社東芝, 東芝照明技術株式會社