高循環(huán)率固態(tài)光源裝置制造方法
【專利摘要】光源裝置包括具有近朗伯發(fā)光面的LED光源或波長轉換材料。所述光源裝置包括將小角度光(接近發(fā)光面的法線方向的光)反射回光源的光再循環(huán)系統(tǒng)，及收集和輸出大角度光(遠離法線方向的光)的光收集系統(tǒng)。被光再循環(huán)系統(tǒng)反射的光被發(fā)射面向所有方向上散射，其中大角度散射光被光收集系統(tǒng)收集，小角度散射光再次被光再循環(huán)系統(tǒng)反射?？梢栽O置沒有波長轉換材料的第二激勵光源或其自身具有波長轉換材料的第二光源，并且由合適的光學元件將第二光導向至發(fā)光面。
【專利說明】高循環(huán)率固態(tài)光源裝置【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及固態(tài)光源裝置，特別地涉及使用光再循環(huán)以提高輸出亮度的固態(tài)光源
>J-U ρ?α裝直。
【背景技術】
[0002]發(fā)光二極管(LED)已成為常見光源。然而，LED光源的亮度通常不能滿足一些特定的應用領域，比如大顯示設備、汽車前燈、舞臺照明系統(tǒng)等。為了改善LED光源的亮度，一種方法是提高每個LED芯片的輸入功率。但是高功率增加了熱耗散的需求，因為蓄積的熱量可引起LED芯片的溫度升高，降低了 LED芯片的發(fā)光效率。這通常導致LED光源亮度的上限。此外，大的驅動電流可縮短LED裝置的壽命和降低其可靠性。因此，不能通過無限增加驅動電流的方式提高LED光源的亮度。
[0003]由LED裝置或形成于LED裝置表面上的波長轉換材料發(fā)射的光，通常具有近朗伯分布，即其亮度在所有方向上近似均勻。已經(jīng)使用一些技術來減少LED光源的光分布角度，以提高其亮度。圖13示例了光源裝置20，其中來自LED芯片21的小角度光，即相對接近垂直于LED芯片表面的法線方向的光,被光學兀件22比如透鏡、反射器、光纖等輸出。大角度光B,即相對遠離法線方向的光,被球面反射器23朝向LED芯片21反射。反射回LED芯片21的光被該芯片向所有方向散射；在散射光中，小角度光由光學元件22輸出，大角度光被反射器23再次反射。以這種方法，大角度光被循環(huán)，而輸出光具有相對小的發(fā)散角(即，低集光率)，引起光源裝置20的亮度提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]圖13中所示光源裝置存在有一個問題，因為球面反射器23對于大角度光具有相對大的光行差，在被反射器23反射之后,大部分的大角度光并沒有回落到LED芯片21上，因此未被循環(huán)。這降低了所述裝置的光循環(huán)效率。
[0005]因此，本發(fā)明涉及LED光源，其基本上避免了由于相關技術的局限和缺點引起的一個或多個問題。
[0006]本發(fā)明的一個目的是提高LED光源的光循環(huán)效率。
[0007]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書部分中闡述，并且部分根據(jù)說明書將是顯而易見的，或者可通過實施本發(fā)明來獲得。本發(fā)明的目的及其它優(yōu)點將通過在書面說明和其權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現(xiàn)和獲得。
[0008]為了實現(xiàn)這些及其它優(yōu)點，并根據(jù)如上具體和廣泛描述的本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種光源裝置，其包括:具有發(fā)光面的第一光源，其在一定方向范圍內(nèi)發(fā)射光和/或散射光，包括小角度光和大角度光，相對于發(fā)光面的法線方向，所述小角度光具有比大角度光更小的夾角；和光再循環(huán)系統(tǒng)，包括各自設置在第一光源一側的兩個反射器，用于將小角度光導向返回第一光源。
[0009]在另一個方 面，本發(fā)明提供一種光源裝置，其包括:發(fā)射光的片狀光源；光漫射器，其漫射光使其分成在一定方向范圍，包括小角度光和大角度光，相對于光漫射器的法線方向，所述小角度光具有比大角度光更小的夾角，所述光漫射器不同于光源；和光再循環(huán)系統(tǒng)，其包括兩個反射器，其中所述光源和光漫射器位于兩個反射器之間，并且其中所述兩個反射器將來自光漫射器的小角度光導向返回光漫射器。
[0010]在另一個方面，本發(fā)明提供一種產(chǎn)生輸出光的方法，其包括:由第一光源的發(fā)光面產(chǎn)生光，所述光具有一定方向范圍，包括小角度光和大角度光，相對于發(fā)光面的法線方向，所述小角度光具有比大角度光更小的夾角；將小角度光導向返回光源的發(fā)光面；收集和輸出大角度光。
[0011]應當理解，前述的一般說明及隨后的詳細說明僅僅為示例性的和說明性的，以便于為本發(fā)明提供進一步的解釋說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1示例根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例的光源裝置，其使用球面反射器循環(huán)小角度光，且使用光收集系統(tǒng)收集大角度光用于輸出。
[0013]圖2示例了根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例的光源裝置，其使用波長轉換元件和作為光源的遠端激勵光。
[0014]圖2A和2B示例出圖2實施例中波長轉換元件的兩個方式。
[0015]圖2C示例圖2實施例中光源的另一個方式。
[0016]圖3示例根據(jù)本發(fā)明的第三個實施例的光源裝置，其設置有第二激勵源。
[0017]圖4示例根據(jù)本發(fā)明的第四個實施例的光源裝置，其使用相對的兩個LED。
[0018]圖5示例根據(jù)本發(fā)明的第五個實施例的光源裝置，其使用兩個光源。
[0019]圖6示例根據(jù)本發(fā)明的第六個實施例的光源裝置，其使用第二激勵光源。
[0020]圖7示例根據(jù)本發(fā)明的第七個實施例的光源裝置，其為第五個實施例的替代方式。
[0021]圖8示例根據(jù)本發(fā)明的第八個實施例的光源裝置，其使用兩個相對的LED，且LED之間具有反射器。
[0022]圖9示例根據(jù)本發(fā)明的第九個實施例中的光源裝置，其中兩個光源照射散射面。
[0023]圖10示例根據(jù)本發(fā)明的第十個實施例中的光源裝置，其中兩個激勵光源照射波長轉換材料。
[0024]圖11示例根據(jù)本發(fā)明的第十一個實施例中的光源裝置，其中使用角度選擇性二向色濾光器以循環(huán)小角度光。
[0025]圖1lA示例圖11的二向色濾光器的示例性透射率圖表。
[0026]圖12用示意圖示例光源裝置，顯示所述裝置的不同功能元件。
[0027]圖13示例使用球面反射器以循環(huán)大角度光的傳統(tǒng)LED裝置。
【具體實施方式】
[0028]為了解決上述與圖13所示傳統(tǒng)LED裝置的有關問題，根據(jù)本發(fā)明的實施例設計的LED光源，其使用球面反射器以循環(huán)小角度光，并且使用光收集系統(tǒng)收集大角度光以用于輸出。[0029]圖1示例根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例中的光源裝置。所述光源裝置100包括光源110、光再循環(huán)系統(tǒng)和光收集系統(tǒng)。光源110可以是LED芯片。LED芯片可以發(fā)射所需顏色的光，比如紫外線、藍光、綠光、紅光、紅外線等。LED芯片也可以包括在其表面上形成的波長轉換材料，其將來自LED的較短波長的光(例如紫外線、藍光等)轉化成較長波長的光(例如綠光、黃光、紅光等)。優(yōu)選地，在LED內(nèi)部，光發(fā)射材料下方具有反射面，使得圖中以向下方向傳播的發(fā)射光向上反射以將其呈現(xiàn)而不消失。光再循環(huán)系統(tǒng)包括具有球形結構的第一反射器120，其設置在光源110上且覆蓋靠近由光源110定義的平面P的法線方向N(中心軸)的區(qū)域，但不會一直擴展至光源平面P。因此，來自光源110的小角度光A(即，相對接近法線方向的光)被球面反射器120反射回光源110。反射器120優(yōu)選地在其內(nèi)表面上具有能有效反射光的高反射率涂層。
[0030]來自光源110的大角度光B被光收集系統(tǒng)收集。所述光收集系統(tǒng)可以由一個或多個反射器、或一個或多個棱鏡、或一個或多個透鏡、或反射器、棱鏡、和透鏡的組合等形成。在圖1所不的實施例中，光收集系統(tǒng)包括第一和第二收集反射器130和140。第一收集反射器130設置于比球面反射器120更遠離光源110處，且通常以向上的方向(即，遠離平面P)和向內(nèi)的方向(即，朝向中心軸N)反射來自光源的大角度光B。第二收集反射器140設置在球面反射器120上，且通常如圖中以向上(豎直)的方向反射來自第一收集反射器130的光。注意到圖1是剖面圖；反射器123、130和140的形狀優(yōu)選地具有圍繞中心軸N的軸向對稱結構(為避免過度擁擠，圖1僅示例了一面的第一和第二收集反射器130和140)。第一和第二收集反射器130和140的形狀和位置被設計為:使得基本所有未被第一反射器120擋住的來自光源110的光都被第一收集反射器130反射向第二反射器140，并且進而如圖所示被第二收集反射器140基本上以垂直方向反射。在圖1所示實施例中，第一收集反射器130用于會聚光，第二收集反射器140用于輕微發(fā)散光(如剖面圖所示)。
[0031]第一和第二收集反射器130和140可以使用任何合適形狀和位于任何合適位置，只要其能有效地收集并且以理想的方向輸出大角度光B。優(yōu)選地，光收集系統(tǒng)保持光源110的發(fā)射光的集光率。例如，反射器130和反射器140可以在形狀上旋轉對稱，或者它們可以是任意形狀(非旋轉對稱)。在一個優(yōu)選實施例中，反射器130和反射器140具有旋轉對稱的非球面表面，但是它們也可以具有旋轉對稱的球面表面。或者，為了獲得來自光源的不同光分布，反射器130和反射器140可以設計為具有以多種方式定義的任意形狀，所述方式比如在計算點之間的不均勻的，旋轉樣條曲線、線性內(nèi)插或其它高階多項式內(nèi)插(如剖面圖所示)。
[0032]被光再循環(huán)系統(tǒng)(球面反射器120)反射回光源110的光被光源110部分散射至所有方向上，且部分傳輸?shù)焦庠粗?。傳輸至光源的光將被循環(huán)，并且其中一部分光將被再次發(fā)射至所有方向上。在散射和再發(fā)射的光中，大角度光被光收集系統(tǒng)收集(反射器130和140)并輸出，小角度光再次被球面反射器120反射回光源110。反射的小角度光再次被光源部分反射，且部分傳輸?shù)焦庠粗校⑶抑貜驮撨^程。以這種方法，反射器120對光進行循環(huán)。小角度光被光再循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)，大角度光被光收集系統(tǒng)輸出。
[0033]在圖1所示的結構中，因為光收集系統(tǒng)(反射器130和140)設置在反射器120后面，由反射器120的空間范圍確定循環(huán)什么光和輸出什么光。相對于法線方向，反射器120反射的光具有相對小角度，光收集系統(tǒng)輸出的光具有相對大角度。應當理解，術語大角度和小角度是相對的。
[0034]因為被光再循環(huán)系統(tǒng)反射的小角度光具有小光行差，光再循環(huán)系統(tǒng)可以基本上將所有小角度光有效地反射回光源?？傊鲜龉庠傺h(huán)系統(tǒng)和光收集系統(tǒng)具有非常高的效率，并且可以有效地收集光源110發(fā)射的光和顯著地提高輸出光的亮度。
[0035]圖2示例根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例的光源裝置。在圖2所示的光源裝置100A中，光再循環(huán)系統(tǒng)(第一反射器120)和光收集系統(tǒng)(第一和第二收集反射器130和140)與圖1所示第一個實施例的相應系統(tǒng)類似或相同。光源IIOA包括載有波長轉換材料的波長轉換元件111，所述波長轉換材料比如熒光材料、量子點、發(fā)光染料等，其由外部激勵光源112照射，經(jīng)由合適的光傳輸兀件113 (例如透鏡、反射器、光纖等)傳輸。從光源IlOA的表面發(fā)射的光具有近朗伯分布。激勵光源112優(yōu)選地為在藍光或紫外線區(qū)域發(fā)光的LED。激勵光源112可以設置在遠離波長轉換元件111處，只要使用合適的光學元件傳輸光。特別地，波長轉換元件111可以包括載有不同波長轉換材料(或沒有波長轉換材料)的多個區(qū)域，并且可以可移動地安裝在移動系統(tǒng)比如回轉輪上，以便波長轉換元件的不同分段交替暴露于激勵光源112的光。載有波長轉換材料的移動輪描述在共同擁有的美國專利N0.7547114中。
[0036]在圖2A所示一個優(yōu)選的方式中，波長轉換元件111A，對應于圖2的波長轉換元件111，包括一層波長轉換材料11IA-1和二向色濾光器111A-2，該二向色濾光器111A-2透射激勵光D(藍光或紫外線)和反射轉換自波長轉換材料111A-1發(fā)射光的較長波長光。二向色濾光器111A-2設置在波長轉換材料111A-1和由其引入激勵光的光傳輸元件113之間。在波長轉換材料111A-1層和二向色濾光器111A-2之間設有空氣間隙。波長轉換材料11IA-1在所有方向上發(fā)射所轉換的光；光Al正向朝著反射器120和130傳輸,反向行進光A2被二向色濾光器111Α-2(其充當這類光的高反射率反射鏡)反射為正向行進。二向色濾光器111A-2和反射器120非常高的反射率一起獲得高效循環(huán)。
[0037]圖2B所示的另一個方式與圖2A所示的方式類似，不同在于波長轉換材料111B-1和波長轉換元件IllB的二向色濾光器111B-2之間沒有空氣間隙。二向色濾光器111B-2可以是在其下表面上具有二向色涂層的玻璃材料?？商娲兀蛏繉涌梢晕挥诓ＡУ纳媳砻嫔?，鄰近波長轉換材料111B-1，但是該結構對轉換光可能具有較低的反射率。與圖2A的方式相比，圖2B的方式更容易制備，且散熱更有效。
[0038]圖2C顯示光源IlOA的變形。透鏡113和二向色濾光器111A-2和111B-2被弧形反射器114替換，弧形反射器114將來自波長轉換材料IllC的反向行進光A3 (至少小角度反向行進光)反射回波長轉換材料111C，而反射器114具有允許激勵光D落在波長轉換材料114上的小孔。大角度光B是從波長轉換材料IllC的一側或雙側輸出的。圖2C中的反射器120相應于圖2中的反射器120。
[0039]圖3示例根據(jù)本發(fā)明的第三個實施例的光源裝置。在圖3所示的光源裝置100B中，光收集系統(tǒng)(第一和第二收集反射器130和140)與圖1所不第一個實施例的相應系統(tǒng)類似或相同；光再循環(huán)系統(tǒng)(第一反射器120B)與第一個實施例中的反射器120類似，不同在于二向色元件，對此將于下文解釋。光源包括由LED照射的波長轉換材料110B。光源可以是LED芯片，其具有與之一體成型的波長轉換材料，或者其可以是由與圖2、2A和2B所示光源IlOA類似的外部激勵光源照射的波長轉換元件。在示例的結構中，第一激勵光從下方照射波長轉換材料。
[0040]另外，第二激勵光源112B設置在第一反射器120B上方，從上方激勵波長轉換材料IlOB0第二激勵光源112B優(yōu)選地為在藍光或紫外線區(qū)域發(fā)光的LED。在該實施例中，第一反射器120B為二向色元件，該二向色元件透射來自第二激勵光源112B的藍光或紫外線光C，但是反射來自波長轉換材料的轉換光A，該轉換光A具有比藍光或紫外線更長的波長范圍。這可以通過在反射器120B的表面涂布二向色元件實現(xiàn)。使用合適的光學元件113B (例如透鏡)將來自第二激勵光源112B的第二激勵光導向波長轉換材料110B。優(yōu)選地，為了提高效率，第二激勵光源112B(包括光學元件113B)的集光率小于波長轉換元件IlOB的集光率。
[0041]波長轉換材料IlOB將第二激勵光轉換成轉換光。以參照圖1描述的方式，使來自所有激勵光源的轉換光被循環(huán)和輸出。
[0042]圖4用示意圖示例根據(jù)本發(fā)明的第四個實施例的光源裝置。所述光源裝置200包括兩個光源，各自為其上形成有波長轉換材料211的LED芯片210。兩個LED芯片210平行設置，以使波長轉換材料211彼此面對。由兩個波長轉換材料211發(fā)射的大角度光B穿過兩個波長轉換材料之間的空間由側面離開，其中離開的光被收集系統(tǒng)收集。收集系統(tǒng)包括設置在兩個LED芯片210周圍的反射器230,以便收集和輸出大角度光。每個(第一)波長轉換材料211發(fā)射的小角度光A落在另一個(第二)波長轉換材料的表面上，并被該表面向所有方向散射。在散射光中，大角度光由側面離開，并被光收集系統(tǒng)230收集用于輸出，而小角度光落在第一波長轉換材料上，并被再次散射至所有方向。以這種方法，循環(huán)小角度光，并輸出大角度光。在第四個實施例中，各個光源的波長轉換材料211充當另一光源的光再循環(huán)系統(tǒng)來循環(huán)小角度光。而且，使用兩個LED提高了光源裝置的亮度。
[0043]圖5示例根據(jù)本發(fā)明的第五個實施例的光源裝置。光源裝置300包括第一和第二光源310和312，各自為其上形成有波長轉換材料的LED芯片。選擇的兩個波長轉換材料使其不能強吸收彼此的轉換光。兩個LED芯片310和312平行設置，以使波長轉換材料彼此面對。包括反射器320和透鏡321的光再循環(huán)系統(tǒng)被設置在兩個光源(第二光源312可以認為是光再循環(huán)系統(tǒng)的一部分)之間。反射器320,優(yōu)選復合拋物面聚光鏡(CPC),設置在第二光源312周圍。透鏡321設置在靠近反射器320的輸出端口，以將來自第一光源的小角度光導向到反射器320中。光收集系統(tǒng)包括反射器330,其設置在第一光源310周圍，以反射輸出第一波長轉換材料發(fā)射的大角度光B。
[0044]第一光源310發(fā)射的小角度光被導向到反射器320中，并反射到第二光源312。第二光源312的第二波長轉換材料的表面將所述光向所有方向散射。第二波長轉換材料散射的光以及第二波長轉換材料發(fā)射的轉換光都被反射器320反射，且被透鏡321導向到第一光源310的表面上。上述光被第一光源310的第一波長轉換材料的表面向所有方向散射。在散射光中，大角度光被光收集系統(tǒng)(反射器330)收集用于輸出，小角度光被透鏡321和反射器320再次導向到第二光源312。以這種方法，反射器320、透鏡321和第二光源312的表面循環(huán)小角度光。
[0045]圖6示例根據(jù)本發(fā)明的第六個實施例的光源裝置。所述光源裝置300A包括具有波長轉換材料310的第一光源。第二光源314,其為在藍光或紫外線區(qū)域發(fā)光但不含波長轉換材料的LED，平行且面向第一光源310設置。第二光源314起第二激勵光源的作用，類似于圖3所示第三個實施例中的激勵光源112b。設置在第二激勵光源314周圍的反射器320A反射第二激勵光C,并經(jīng)由透鏡321將其導向到第一光源310以激勵第一光源的波長轉換材料。
[0046]光收集系統(tǒng)包括設置在第一光源310周圍的反射器330，以反射波長轉換材料發(fā)射的大角度光B用于輸出。來自第一光源310的波長轉換材料的小角度光被透鏡321導向至反射器320A。二向色元件設置在反射器320A之內(nèi)或其上，以反射來自波長轉換材料310的轉換光。二向色元件透射第二激勵光源314發(fā)射的藍光或紫外線，但是反射波長轉換材料310發(fā)射的較長波長的轉化光A。反射的轉換光被透鏡321導向返回第一光源310。反射光被波長轉換材料310的表面向所有方向散射。在散射光中，大角度光B被光收集系統(tǒng)(反射器330)輸出，小角度光A被透鏡321收集，且被二向色元件321反射回波長轉換材料310。以這種方法，小角度光被光再循環(huán)系統(tǒng)(透鏡321和二向色元件322)循環(huán)。
[0047]在示例的實施例中，二向色元件322位于反射器320A的輸出端口。當反射器320A為實心CPC時，二向色膜可以涂布在CPC的扁平輸出表面上。當反射器320A是中空CPC時，二向色元件可以設置在CPC輸出端口或其內(nèi)部。在另一個實施例中，二向色元件可以形成或置于第二激勵光源314的表面上。
[0048]圖7示例根據(jù)本發(fā)明的第七個實施例的光源裝置。該實施例與圖5中所示的第五個實施例類似，不同在于用具有弧形(凸狀)輸出表面320B的實心CPC替代圖5中的反射器(CPC) 320和透鏡321。類似地(未圖示)，具有凸狀輸出表面320B的實心CPC可以替代圖6的實施例中的反射器320A和透鏡321，不同在于在該情況下，二向色元件不能在CPC的輸出表面上形成。
[0049]在圖5、6和7所示的實施例中，具有第一波長轉換材料的第一 LED310可以被類似于圖2、2A和2B中所示的光源IlOA的外部激勵光源替代，所述外部激勵光源照射載有波長轉換材料的波長轉換元件。進一步，結合圖2所述，波長轉換元件可以包括載有不同波長轉換材料(或沒有波長轉換材料)的多個分段，并且可以可移動地安裝在移動系統(tǒng)上。圖5和7中具有第二波長轉換材料的第二光源312可以類似地替換。
[0050]優(yōu)選地，在圖5、6和7所示的實施例中，為了提高效率，第二光源312或第二激勵光源314的集光率應小于第一光源材料310的集光率。
[0051]圖8用示意圖示例根據(jù)本發(fā)明的第八個實施例的光源裝置。所述光源裝置400包括兩個光源，各自為其上形成有波長轉換材料411的LED芯片410。兩個LED芯片410平行設置，以便波長轉換材料411彼此面對。光再循環(huán)系統(tǒng)包括設置在兩個波長轉換材料411之間且與其平行的扁平雙面反射器450。反射器450將來自波長轉換材料411的小角度光反射回自身，同時將大角度光朝向側面反射，以使其從兩個LED芯片410之間的空間離開。雙面反射器450也可以為雙面散射面,其將光向所有方向散射。光收集系統(tǒng)(圖8中未顯示)設置在LED芯片410周圍，以收集和輸出大角度光。光收集系統(tǒng)可以包括類似于圖4所示反射器230的反射器。
[0052]圖9示例根據(jù)本發(fā)明的第九個實施例的光源裝置。所述光源裝置500包括第一和第二個光源510和512，各自為其上形成有波長轉換材料的LED芯片。兩個LED芯片510和512平行設置，使得波長轉換材料彼此面對，光再循環(huán)系統(tǒng)包括第一反射器520和第一透鏡521、第二反射器523和第二透鏡524、及設置在兩個光源510、512之間的扁平雙面散射面(光漫射器)550。第一和第二反射器520、523分別設置在第一和第二光源510、512周圍。第一和第二透鏡521、524分別設置在靠近第一和第二反射器520和523的輸出端口。扁平雙面散射面550設置在第一和第二透鏡521和524之間。包括反射器530的光收集系統(tǒng)設置在雙面散射面550周圍，以反射大角度光B。
[0053]每個光源510、512發(fā)射的光分別被反射器520、523反射,然后分別被透鏡521、524導向到雙面散射面550上并由其將上述光向所有方向散射。在散射光中，大角度光B被光收集系統(tǒng)(反射器530)反射輸出。小角度光A再進入透鏡521、524，并被反射器520、523反射回各自的光源510、512。反射光被光源510、512的波長轉換材料散射回雙面散射面550。如此，小角度光A被光再循環(huán)系統(tǒng)循環(huán),并且大角度光B被光收集系統(tǒng)輸出。
[0054]從另一角度看該實施例，散射面550可以被認為是具有近朗伯分布的光發(fā)射面。來自該發(fā)光面550的大角度光被光收集系統(tǒng)(反射器530)輸出，并且來自該發(fā)光面的小角度光被再循環(huán)系統(tǒng)(反射器520和透鏡521，及反射器523和透鏡524)循環(huán)。
[0055]在該實施例中，第一和第二反射器520、523優(yōu)選地為中空或實心CPC。每個CPC520、523及各自的透鏡521、524可以被類似于圖7所示的CPC320B的具有弧形(凸狀)輸出表面的實心CPC所替代。
[0056]在該實施例中，每個LED510、512都可以被類似于圖2、2A和2B所示光源IlOA的外部激勵光源替代，所述外部激勵光源照射載有波長轉換材料的波長轉換元件。進一步，結合圖2所述，波長轉換元件可以包括載有不同波長轉換材料(或沒有波長轉換材料)的多個分段，并且可以可移動地安裝在移動系統(tǒng)上。
[0057]圖10示例根據(jù)本發(fā)明的第十個實施例的光源裝置。所述光源裝置500A包括第一和第二激勵光源510A和512A，各自為在紫外線或藍光區(qū)域發(fā)光的LED芯片，但LED芯片上不具有波長轉換材料。兩個LED芯片510A和512A平行設置，以便它們彼此面對。波長轉換兀件560設置在兩個激勵光源510A、512A之間。第一和第二反射器520A、523A分別設置在第一和第二激勵光源510A、512A周圍。第一和第二透鏡521、524分別設置在靠近第一和第二反射器520A和523A的輸出端口。第一反射器520A和第一透鏡521、及第二反射器523A和第二透鏡524分別從兩側將第一和第二激勵光C導向波長轉換元件560。波長轉換元件560載有將激勵光轉換成轉換光的波長轉換材料。
[0058]包括反射器530的光收集系統(tǒng)設置在波長轉換元件560周圍。波長轉換元件560發(fā)射的大角度轉換光B被反射器530反射輸出。波長轉換元件560發(fā)射的小角度轉換光A被透鏡521、524導向反射器520A和523A。二向色元件522、525設置在各自反射器520A、523A的輸出端口，以將轉換光經(jīng)由透鏡521、524反射回波長轉換元件560。二向色元件透射激勵光源510A、512A發(fā)射的藍光或紫外線C，但是反射波長轉換元件560發(fā)射的更長波長的轉換光A。當轉換光反射回波長轉換元件560時，上述光被波長轉換材料向所有方向散射。在散射光中，大角度光B被反射器530反射輸出。小角度光A被透鏡521、524導向到二向色元件522、525，并被二向色元件522、525再次反射。如此，小角度光A被光再循環(huán)系統(tǒng)(透鏡521、524和二向色元件522、525)循環(huán)，而大角度光B被光收集系統(tǒng)(反射器530)輸出。
[0059]在示例的實施例中，二向色元件522和525位于各自的反射器520A、523A的輸出端口，但是它們可以位于別的地方。如果反射器520A、523A為實心CPC，則二向色膜可以涂布在各個CPC的扁平輸出表面上。如果反射器520A、523A是中空CPC，則二向色元件可以置于各自的CPC的內(nèi)部或輸出端口。在另一個實施例中，二向色元件可以形成于或置于激勵光源510A、512A的表面上。進一步，每個CPC520A、523A和各自的透鏡521、524可以被類似于圖7所示的CPC320B的具有弧形(凸狀)輸出表面的實心CPC替代；然而，在這種情況下，二向色元件不能涂布在CPC的輸出表面上。
[0060]在圖9所示的第九個實施例中，兩個光源510和512均為具有波長轉換材料的LED。在圖10所示的第十個實施例中，兩個光源510A和512A均為發(fā)射激勵光但不具有波長轉換材料的LED。在另一個實施例中，光源之一為載有波長轉換材料(例如510)的LED，并且扁平元件550/560的相應側為散射面，而另一個光源為發(fā)射激勵光(藍光或紫外線)且不具有波長轉換材料的LED，并且扁平的元件550/560的相應側載有波長轉換材料。
[0061]因為使用兩個LED芯片，圖3至10的實施例的一個優(yōu)點是光源裝置的整體亮度得到進一步提聞。
[0062]圖11示例根據(jù)本發(fā)明的第十個實施例的光源裝置。所述光源裝置600包括光源610和設置在光源610上方并用作光再循環(huán)系統(tǒng)的角度選擇性二向色元件620。二向色元件620反射小角度光且透射大角度光。該光源裝置并不需要反射器來循環(huán)小角度光。光收集系統(tǒng)(未顯示)設置在光源610和二向色元件620周圍，以收集大角度光用于輸出。
[0063]光源610可以是LED或載有波長轉換材料的波長轉換元件。在后者情形中，設置類似于圖2所示光源IlOA的激勵光源(未顯示)以激勵波長轉換材料，并且可以設置類似于圖2A和2B所示濾光器111A-2和111B-2的濾光器以正向反射反向行進光。另外，波長轉換元件610可以包括載有不同波長轉換材料(或沒有波長轉換材料)的多個分段，并且可以可移動地安裝在移動系統(tǒng)，比如回轉輪，以便波長轉換元件的不同分段交替暴露于激勵光源的光。
[0064]圖1lA示例二向色元件620的示例性的透射率曲線。在小的入射角(例如入射角=O度)下，感興趣的波長(例如，波長轉換材料發(fā)射的轉換光的波長通常落入500nm至700nm的范圍之內(nèi))的透射率低。在較大入射角(例如入射角=60度)下，感興趣的波長的透射率高。換句話說，對于感興趣的波長，二向色元件反射小角度光并透射大角度光。
[0065]因此，如圖11所示，在光源610發(fā)射的光中，大角度光B穿過二向色元件620并且被輸出；小角度光A被二向色兀件620反射回光源610,并將光向所有方向散射。在散射光中，大角度光被輸出且小角度光被再次循環(huán)。
[0066]優(yōu)選地，為了獲得更好的循環(huán)效率，二向色元件620位于鄰近光源610處。
[0067]角度選擇濾光器已經(jīng)作為LED光源的輸出裝置描述。例如，美國專利8008694描述了使用反射大角度光且透射小角度光的角度選擇濾光器。在本發(fā)明的實施例中，使用循環(huán)小角度光且輸出大角度光的角度選擇濾光器，避免了穿過光源邊緣而漏光所造成的可循環(huán)光損失的潛在問題。
[0068]在上述實施例中，發(fā)光面可為發(fā)射光的表面或散射光的表面或同時發(fā)射和散射光的表面。實際結構可以包括同時發(fā)射和散射的一層，或如圖12中用示意圖示例的兩個分離層。圖12顯示包括下述功能元件的光源裝置700:片狀光源710，設置在光源710的兩側的第一和第二反射器720和730，和設置在兩個反射器720和730之間的至少一個光漫射器740。應當注意，該示例是高度示意性的，不一定代表部件的實際形狀和位置。光源710可以在一側或雙側發(fā)光。實際上，光源典型地向所有方向發(fā)光，即具有近朗伯分布。反射器720和730都將小角度光反射回光源710 (或漫射器740)。它們之中至少一個不反射來自光源的大角度光，即其允許大角度光被輸出。用于輸出大角度光的光收集系統(tǒng)在圖12中沒有顯示。位于兩個反射器720和730之間的漫射器740漫射(散射)光，使來自光源710或反射器720和/或730的光落入一定方向范圍。漫射器740和光源710之間的空間關系不限于任何特定的排列。而且，漫射器740和光源710可以具有進行發(fā)射和漫射功能的在物理上相同的結構。在該結構中，從光源710發(fā)射的小角度光將來回反射:光在每次經(jīng)過漫射器后，其中一些小角度光將漫射變成大角度光，然后輸出；因此，在該循環(huán)過程中，大部分最初的小角度光將以大角度輸出。
[0069]圖12所示的光源裝置700的功能元件以各種形式存在于之前描述的第一個至第十一個實施例中。在第一個和第六個實施例(圖1和6)中，LED110/310結合了光源710、漫射器740和第二反射器730的功能，其中LED內(nèi)部的表面充當?shù)诙瓷淦饕苑瓷渌薪嵌鹊墓猓琇ED的上表面充當漫射器和光源。在第二個實施例(圖2、2A和2B)中，波長轉換材料111A-1/111B-1充當漫射器和光源，二向色濾光器111A-2/111B-2充當?shù)诙瓷淦饕苑瓷渌薪嵌鹊霓D換光和透射激勵光。在圖2C所示第二個實施例的方式中，波長轉換材料IllC充當光源和漫射器，反射器114充當?shù)诙瓷淦?。在第四個、第五個和第七個實施例(圖4、5和7)中，存在兩個光源211/310/312和兩個漫射器211/310/312，并且每個元件211/310/312同時充當光源和漫射器。在第八個和第九個實施例(圖8和9)中，光源411/510/512和漫射器450/550是物理分離的元件。在第十個實施例(圖10)中，波長轉換材料560同時充當光源和漫射器，反射器522/525充當?shù)谝缓偷诙瓷淦?。在第十一個實施例(圖11)中，角度選擇性二向色濾光器620充當?shù)谝环瓷淦?，光?10充當光源、漫射器和第二反射器。
[0070]在圖12所示結構的另一個方式中，漫射器740和第二反射器730是通過單一元件實現(xiàn)的，其為位于光源710下面的白色漫射器(例如，附著于光源710后面)。
[0071]在上述說明書中，應當理解當光被描述為向“所有方向”發(fā)射和散射時，其意味著光在一寬泛方向范圍中發(fā)射或散射。
[0072]根據(jù)本說明書描述的多個實施例的光源裝置，其可以應用于比如投影儀、前照燈、聚光燈、探照燈等。
[0073]對本領域技術人員將顯而易見的是，在不背離本發(fā)明的精神或范圍下，可以對本發(fā)明的光源裝置進行各種修改和變化。因此，本發(fā)明意圖涵蓋所附權利要求書及其同等體范圍之內(nèi)的修改和變化。
【權利要求】
1.光源裝置，包括: 第一光源，其具有發(fā)光面以在一定方向范圍內(nèi)發(fā)射和/或散射光，包括小角度光和大角度光，相對于發(fā)光面的法線方向，所述小角度光具有比大角度光更小的夾角；和 光再循環(huán)系統(tǒng)，包括分別設置在第一光源一側的兩個反射器，用于將小角度光導向返回第一光源。
2.根據(jù)權利要求1所述的光源裝置，其特征在于所述光再循環(huán)系統(tǒng)的兩個反射器包括一個或多個球面反射器、一個復合拋物面聚光鏡或一個平面反射器。
3.根據(jù)權利要求1所述的光源裝置，其特征在于所述光再循環(huán)系統(tǒng)的兩個反射器包括鄰近發(fā)光面設置的角度選擇濾光器，其反射小角度光且透射大角度光。
4.根據(jù)權利要求1所述的光源裝置，進一步包括用于收集和輸出大角度光的光收集系統(tǒng)。
5.根據(jù)權利要求4所述的光源裝置，其特征在于所述光收集系統(tǒng)包括設置在第一光源周圍的一個或多個反射器、或一個或多個棱鏡、或一個或多個反射器和一個或多個棱鏡的組合。
6.根據(jù)權利要求1所述的光源裝置，其特征在于所述第一光源包括一個發(fā)光二極管，并且其中所述發(fā)光面為發(fā)光二極管的表面。
7.根據(jù)權利要求1所述的光源裝置，其特征在于所述第一光源包括: 第一發(fā)光二極管，其發(fā)射具有第一波長的第一激勵光；和 波長轉換元件，其具有至少一種波長轉換材料，該波長轉換材料吸收第一發(fā)光二極管發(fā)射的第一激勵光且發(fā)射具有比第一波長更長波長的轉換光，并且其中發(fā)光面是波長轉換材料的表面。
8.根據(jù)權利要求7所述的光源裝置，其特征在于所述波長轉換元件具有兩種或多種不同的波長轉換材料，所述波長轉換元件是可移動的以使所述兩種或多種不同波長轉換材料交替暴露于第一激勵光。
9.根據(jù)權利要求7所述的光源裝置，進一步包括用于將來自第一發(fā)光二極管的第一激勵光傳輸至波長轉換元件的光傳輸元件。
10.根據(jù)權利要求9所述的光源裝置，其特征在于所述波長轉換元件進一步包括二向色濾光器，其設置在波長轉換材料和光傳輸兀件之間，用于朝向光再循環(huán)系統(tǒng)正向反射反向行進的轉換光。
11.根據(jù)權利要求10所述的光源裝置，其特征在于二向色濾光器和波長轉換材料之間設置有空氣間隙。
12.根據(jù)權利要求7所述的光源裝置，進一步包括: 第二發(fā)光二極管，其發(fā)射具有第二波長的第二激勵光；和 光學系統(tǒng)，其與光再循環(huán)系統(tǒng)配合將第二激勵光導向波長轉換材料，其中所述波長轉換材料吸收第二發(fā)光二極管發(fā)射的第二激勵光，并且發(fā)射具有比第二波長更長波長的轉換光。
13.根據(jù)權利要求12所述的光源裝置，其特征在于所述第二發(fā)光二極管設置在光再循環(huán)系統(tǒng)之后，并且其中所述光再循環(huán)系統(tǒng)包括反射轉換光并透射第二激勵光的二向色元件。
14.根據(jù)權利要求13所述的光源裝置，其特征在于所述光學系統(tǒng)包括一個中空或實心復合拋物面聚光鏡(CPC)，并且所述二向色元件設置在CPC的輸出端口。
15.根據(jù)權利要求1所述的光源裝置，其特征在于所述光再循環(huán)系統(tǒng)包括: 第二光源，其具有用于發(fā)射第二光的發(fā)光面；和 光學系統(tǒng)，包括設置在第一光源和第二光源之間的一個或多個反射器，用于將來自第一光源的小角度光導向第二光源的發(fā)光面， 其中經(jīng)由所述光學系統(tǒng)，第二光源的發(fā)光面反射或散射來自第一光源的光返回第一光源，和 其中所述光學系統(tǒng)將來自第二光源的第二光導向第一光源的發(fā)光面。
16.根據(jù)權利要求15所述的光源裝置，其特征在于所述光學系統(tǒng)包括中空復合拋物面聚光鏡(CPC)和設置在中空CPC輸出端口附近的透鏡、或實心CPC和設置在實心CPC輸出端口附近的透鏡、或具有弧形輸出表面的實心CPC。
17.根據(jù)權利要求1所述的光源裝置，其特征在于第一光源的發(fā)光面包括將光向一定方向范圍散射的散射面。
18.光源裝置，包括: 片狀光源，其用于發(fā)射光； 光漫射器，其向一定方向范圍漫射光，包括小角度光和大角度光，相對于光漫射器的法線方向，所述小角度光具有比大角度光更小的夾角，所述光漫射器不同于光源；和光再循環(huán)系統(tǒng)，包括兩個反射器， 其中所述光源和光漫射器位于兩個反射器之間，并且其中所述兩個反射器將來自光漫射器的小角度光導向返回光漫射器。
19.一種用于產(chǎn)生輸出光的方法,包括: 由第一光源的發(fā)光面產(chǎn)生光，所述光具有一定方向范圍，包括小角度光和大角度光，相對于發(fā)光面的法線方向，所述小角度光具有比大角度光更小的夾角； 將小角度光導向返回所述光源的發(fā)光面；和 收集和輸出大角度光。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于所述產(chǎn)生步驟包括: 發(fā)射具有第一波長的第一激勵光；和 波長轉換材料將第一激勵光轉換成具有比第一波長更長波長的轉換光， 其中所述方法進一步包括: 發(fā)射具有第二波長的第二激勵光； 將第二激勵光導向波長轉換材料；和 波長轉換材料將第二激勵光轉換成具有比第二波長更長波長的轉換光。
【文檔編號】F21V7/04GK103958963SQ201280056437
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年9月17日 優(yōu)先權日:2011年9月17日
【發(fā)明者】胡飛, 李屹, 楊毅 申請人:深圳市光峰光電技術有限公司