专利名称：用于混合和重定向光的光学器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及照明领域，特别是涉及用于混合和重定向光的光学器件。
背景技术：
诸如固态半导体和有机发光二极管(LED)之类的发光器件的光通 量的开发和改良上的进展使得这些器件适合用于普通的照明应用，包括 建筑、娱乐和道路照明。发光二极管相对于诸如白炽灯、荧光灯和高强 度放电灯之类的光源正变得越来越具有竟争力。在设计LED发光体方面的问题之一是难于均匀地照射光所导向的 表面。例如，当发光体位于所述表面的上部附近时，难于以可与处于上 部的亮度相比较的亮度照射该表面的下部。当发光体位于所述表面的下 部附近时，也相似地存在这一问题。此外，特别对于LED而言，另一个 要求是需要有效地混合由不同类型LED所发出的不同颜色光的颜色，以 便产生希望的均匀颜色的光，例如白光。美国专利No.6,200,002公开了 一种光源，其在管状反射器的入射孔 径处包括诸如红色、绿色和蓝色之类的多种颜色中的每种颜色的LED 阵列，所述管状反射器具有面向光轴的凸壁并且朝出射孔径向外闪光。 LED颜色的混合定义为通过利用大量的小LED来提升，每种颜色的LED 集中在光轴上。特别地，该专利针对的是来自多个LED的光的混合，然 而，它没有解决关于当光源的放置使得其相对于表面的中心区域偏离时 均匀照射该表面的问题。此外，美国专利No.6,547，416公开了一种光源，其在管状反射器的 入射孔径处包括诸如红色、绿色和蓝色之类的多种颜色中的每种颜色的 LED部件阵列，所述管状反射器具有出射孔径、在这些孔径之间延伸的 光轴以及在这些孔径之间延伸以反射和混合来自所述LED部件阵列的 光的反射周缘壁。限定了所述反射器主体的周缘壁的至少一部分在与光 轴正交的方向上具有多边形截面，并且所述截面平行于光轴的至少一部 分包括一个接一个连接的曲线段，以形成多个用于将来自所述LED部件4的光发射到所述出射孔径的小面。该专利针对的是混合多种颜色的光以 便形成颜色控制的聚光灯。然而，它没有解决关于当光源的放置使得其 相对于表面偏离时能够均匀照射该表面的问题。美国专利No.4,964,025公开了 一种与非成像光源一起使用的光学器 件。该光学器件是在汽车刹车灯中使用的非对称反射杯。所述杯的侧面 是不同的，其中在截面上，每侧包含圆形部分和两个不同的抛物状部分。 该光学器件的这种构造允许以相对较窄范围的角度发出光，其中水平和 竖直范围不同，从而使得观察者可以看见汽车。同样，该专利没有解决 关于能够在光源被偏离表面放置时均匀照射该表面或者混合多种颜色 的光的问题。美国专利No.4,441,783公开了用于导航灯的对称和非对称复合抛物 型集光器，其中这些灯提供了 一种看见船舰并且不照射特定目标的手 段。该专利描述了用于投射光的两种几何构造，即对称和非对称复合抛 物型集光器，其中每种都可以被构造成反射腔或折射电介质，从而提供 了用于在锐边界水平能见弧上实现均匀发光强度并且也用于实现希望 的竖直能见弧的四种基本设计。然而，该专利没有给出用于同时混合不 同颜色的光以形成均匀颜色的任何方法。此外，美国专利No.5,727,108公开了 一种复合抛物型集光器(CPC ), 其具有用作CPC的反射表面的修改的棱镜电介质结构，所述CPC充当 折射反射器。光线在CPC的输入孔径和输出孔径之间经历来自棱镜表面 的单次反射。然而，该专利没有解决关于能够在光源被偏离表面放置时 均匀照射该表面的问题。因此，需要一种新的光学器件，其能够在当光源相对于表面的中心 区域偏离时允许基本上均匀地照射该表面，同时附加地提供希望水平的 光混合以便从不同有色光源产生均匀颜色的光。这些背景信息被提供来揭示本发明的申请人认为可能与本发明有 关的信息。其不一定旨在也不应当认为承认任何前述信息构成了针对本 发明的现有技术。发明内容本发明的目的是提供用于混合和重定向光的光学器件。依照本发明 的一个方面，提供了 一种用于混合和重定向由两个或更多个发光元件产生的光的光学器件，该光学器件包括入射孔径和出射孔径；以及在入 射孔径和出射孔径之间延伸的反射器主体，该反射器主体包括被定位成 与第二对壁正交的第一对壁，所述第一对壁包括对称反射元件，并且所述第二对壁包括非对称反射元件；其中所述反射器主体被配置成重定向依照本发明的另一个方面，提供了一种光源，该光源包括由两个 或更多个发光元件组成的阵列，用于发出一种或多种颜色的光；光学器 件，包括入射孔径、出射孔径以及在入射孔径和出射孔径之间延伸的反 射器主体，该反射器主体包括被定位成与第二对壁正交的第一对壁，所 述第一对壁包括对称反射元件，并且所述第二对壁包括非对称反射元 件；其中所述两个或更多个发光元件的阵列放置在紧邻入射孔径的位 置，并且其中所述反射器主体被配置成重定向和混合由所述两个或更多 个发光元件产生的光。
图1为依照本发明一个实施例的光学器件的截面视图，其中所述截 面是沿第一轴截取的。图2为图1的光学器件的截面视图，其中所述截面是沿与第一轴正 交的第二轴截取的。图3说明了与依照本发明 一个实施例的光学器件的输出平面平行的 平面上的光强分布。图4为依照本发明一个实施例的光学器件阵列的透视图。图5为图4光学器件阵列的底视图。图6为沿直线A-A截取的图4光学器件阵列的截面视图。图7为沿直线B-B截取的图4光学器件阵列的截面视图。图8为图4光学器件阵列的端视图。
具体实施方式
定义术语"发光元件，，用来定义当例如通过在其两端施加电位差或者使 电流流过其中来激励时，发出电磁频谱的任何区域或者区域组合中的辐 射的任何器件，所述区域或区域组合例如可见区域、红外和/或紫外区域。因此，发光元件可以具有单色、准单色、多色或者宽带频谱发射特性。
发光元件的实例包括半导体、有机或聚合物/聚合发光二极管，光泵磷光
体涂敷发光二极管，光泵纳米晶体发光二极管或者容易由本领域:技术人 员理解的其他类似的器件。
当使用于本文中时，术语"大约"指的是相对于标称值的+/-10%的变
化。应当理解的是，不管是否特别地指出，本文提供的任何给定值中总 是包含了这种变化。
除非另有定义，本文中使用的所有技术和科学术语都具有本发明所 属领域普通技术人员通常理解的相同含义。
本发明提供了与包括两个或更多个发光元件的光源 一起使用的光 学器件。该光学器件用于形成非对称照射束模式，同时附加地混合由所 述两个或更多个发光元件产生的光。该光学器件包括在入射孔径和出射 孔径之间延伸的反射器主体，其中所述两个或更多个发光元件相对于入 射孔径放置并且在反射器主体内反射的光在出射孔径处出射。反射器主 体包括具有对称反射元件的第 一对壁以及与第 一对壁正交的第二对壁， 其中第二对壁包括非对称反射元件。第一对壁提供了用于混合由所述两
个或更多个发光元件产生的光并且产生关于第一轴对称的束^^式的手 段。沿着与第一轴正交的第二轴，第二对壁提供了用于混合由所述两个
图1和2说明了依照本发明一个实施例的光学器件的正交纵截面。 该光学器件包括入射孔径10、出射孔径20以及由其间基本上为方形截 面的反射器主体限定的光操纵室45。如图1所示，反射器主体包括对称 配置的第一对壁50和60。在这个实施例中，第一对壁被配置成用于混 合由置于入射孔径10处的两个或更多个发光元件产生的光的抛物型反 射元件。对称配置的抛物型壁50和60还提供了从所述光学器件的出射 孔径20发出的沿第一方向的对称束模式。两个或更多个发光元件11被 置于紧邻入射孔径的位置并且在那里发出的光在反射器主体内反射，从 而在出射孔径处出射。
如图2所示，所述反射器主体还包括非对称配置的第二对壁30和 40。壁40被配置成抛物型反射元件并且壁30被配置成平面反射元件， 其一起用于混合由置于入射孔径10处的两个或更多个发光元件产生的 光。非对称配置的壁30和40还提供了沿第二方向从所述光学器件的出射孔径20发出的非对称束模式。 反射器主体
所述反射器主体包括取向彼此正交的第一对壁和第二对壁。第一对 壁对称配置并且第二对壁非对称配置。由于第一和第二对壁的正交取 向，因而第一对壁和第二对壁能够独立地调节第一和第二正交方向上的 束模式，所述束模式从所述光学器件的出射孔径处发出。此外，由该反 射器主体限定的操纵室提供了用于混合由所述两个或更多个发光元件 发出的光的区域。
所述对称壁提供了混合光沿第一方向的对称均匀分布。图3说明了
分布实例。如图所:，关于直^^5 的光强分布基本上是对称的。'、'
在一个实施例中，沿第一方向的对称光强分布可以提供一种用于水 平照射表面使得在沿着该表面的水平方向上可以看到近似均匀的亮度 的手段。 '
所述非对称壁提供了混合光沿与第一方向正交的第二方向的非对 称分布。沿第二方向非对称操纵光可以用于将混合光优选地重定向到光
强分布的希望的部分。进一步参照图3，关于直线52的光强分布是非对 称的，其中相对于较低光强53的较高光强54的位置偏离光强分布的中心线。
在一个实施例中，非对称光分布可以提供一种用于当包括依照本发 明的光学器件的光源置于表面的上部区域附近时基本上均匀地垂直照 射该表面的手段。在这个实例中，所述表面的下部离开光源的距离更远， 并且因而投射于其上的照明将需要更大的强度以便与该表面的上部同 等程度地照明该表面。
形成所述反射器主体的 一 个或多个壁的反射元件可以以多种形状 来构造。例如，该反射元件可以是抛物状、双曲状、平面状、椭圆状、 圆弧状或者任何其他希望的形状。本领域技术人员应当了解的是，对于 上述定义的形状中的每一种都存在多种格式，其中可以基于由所迷光学 器件提供的光混合和操纵的希望水平来确定所述形状的格式。
在另一个实施例中，可以从具有不同斜率的两个或更多个平面部分 形成所述反射元件，例如分段反射元件。
本领域技术人员应当理解的是，可以基于所述光学器件的希望的光输出模式来确定反射元件的形状。例如，从所述光学器件的出射孔径发 出的希望的光输出模式可以确定用于所述反射器主体的反射元件的特 定抛物面的弯曲部分。
在本发明的 一 个实施例中，所述反射器主体的反射元件由反射材料 制成，所述反射材料例如镜面铝、金属化塑料或者容易为本领域二忮术人 员理解的其他形式的反射材料。举例而言，由镜面铝材料制成的反射元
件可以提供大约95%效率的照射重定向。
在本发明的 一个实施例中，第 一对壁和第二对壁限定了截面形状基 本上呈方形的反射器主体。
在本发明的另一个实施例中，所述反射器主体还包括第三对壁和第 四对壁，从而导致截面形状基本上呈八边形的反射器主体。第三和第四 对壁可以提供一种用于附加地混合所述反射器主体的操纵室内的光的 手段。
在本发明的一个实施例中， 一个或多个所述反射元件与一个或多个 折射元件结合。与一个或多个折射元件一起提供所述反射元件，可以给
述反射器主体中的手段。； 5' ' " ' ' " fc
发光元件
发光:件的数量、类型^颜色可以提供一"用;i现例;口高发光效率、 高颜色再现指数(CRI)以及大色域的手段。所述两个或更多个发光元 件可以使用有机材料(例如OLED或PLED)或者无机材料(例如半导 体LED)来制造。所述两个或更多个发光元件可以是能够发出包括蓝色、 绿色、红色或其他颜色的颜色的初级发光元件。可选地，所迷两个或更 多个发光元件可以是将初级源的发射转换成一种或多种单色波长或准 单色波长的次级发光元件，例如光泵LED。此外，可以提供初级和/或 次级发光元件的组合，该组合可以基于希望的光输出来确定。
在本发明的 一个实施例中，选择的所述发光元件具有集中在与颜色 红、绿和蓝对应的波长处的光语输出。可选地，可以附加地-使用其他光 傳输出的发光元件，例如在琥珀色波长区域处辐射的发光元件，或者可 选地，所述发光元件可以包括在青色波长区域处辐射的一个或多个发光 元件。发光元件的选择可以直接与希望的色域和/或希望的最大照射光通量以及要形成的颜色再现指数有关。 光学器件阵列
在一个实施例中，可以将依照本发明的两个或更多个光学器件耦合 在一起，以便形成光学器件阵列。该阵列可以被配置成线性阵列或者平 面阵列，其中该阵列的构造可以基于要产生的希望的光分布模式来确定。
在本发明的一个实施例中，配置光学器件阵列，以便该阵列内光学 器件中的每一个具有基本上相同的取向。
在本发明的另 一个实施例中，在预定模式中以变化的取向配置所述 阵列内的光学器件的取向。
在本发明的另 一个实施例中，随机地配置所述阵列内的光学器件的取向。
在本发明的一个实施例中，可以将多个光学器件阵列耦合在一起。
图4说明了依照本发明一个实施例的光学器件的平面阵列的透视 图。该平面阵列被配置成2x3光学器件阵列。图5图示了图4的阵列的 底视图。图6和7为分別沿直线A-A和B-B截取的所述阵列的截面。
参照图6,所述光学器件阵列置于紧邻多个发光元件的位置，使得
而进入。在光操纵室95内，所述光通过反射元件130和140而混合并 且沿出射孔径90对称分布，所述反射元件130和140形成第一对壁。
参照图7，第二对壁110和IOO被配置成一对非对称的壁，其中反 射元件IOO是平面壁并且反射元件IIO是抛物型壁。所述光学器件阵列 可以在结构上使用一个或多个支撑杆127固定在一起，从而形成基本上 刚性的阵列。
在一个实施例中，如图7所示的耦合元件70和75可以4是供一种用 于相邻阵列的配对的手段并且可以附加地提供一种用于将所述阵列固
定到例如发光体的手段。此外，支撑元件120和125可以向耦合元件提
供结构强度。
图8说明了依照图4所示实施例的光学器件阵列的侧视图。 显然，本发明的上述实施例是示例性的并且可以按照许多方式进行 变化。这样的当前或未来的变化不应当被认为脱离了本发明的精神和范 围，并且对于本领域技术人员显而易见的所有这样的修改都应当期望包括在下列权利要求的范围内
权利要求
1.一种用于混合和重定向由两个或更多个发光元件产生的光的光学器件，该光学器件包括a)入射孔径和出射孔径；以及b)在入射孔径和出射孔径之间延伸的反射器主体，该反射器主体包括被定位成与第二对壁正交的第一对壁，所述第一对壁包括对称的反射元件，并且所述第二对壁包括非对称的反射元件；其中所述反射器主体被配置成重定向和混合由所述两个或更多个发光元件产生的光。
2. 依照权利要求1的光学器件，其中所述对称反射元件具有从包括 抛物状、双曲状、平面状、椭圆状以及圆弧状的组中选择的形状，其中 这些形状选择为对称的。
3. 依照权利要求1的光学器件，其中所述非对称反射元件中的每一 个具有从包括抛物状、双曲状、平面状、椭圆状以及圆弧状的组中选择 的形状，其中这些形状选择为非对称的。
4. 依照权利要求1的光学器件，其中的两个对称反射元件都是抛物 状的，第一非对称反射元件是抛物状的，并且第二非对称反射元件是平 面状的。
5. 依照权利要求1的光学器件，其中所述对称反射元件是分段反射元件。
6. 依照权利要求1的光学器件，其中所述非对称反射元件是分段反射元件。
7. 依照权利要求1的光学器件，其中所述对称反射元件还包括折射元件。
8. 依照权利要求1的光学器件，其中所述非对称反射元件还包括折射元件。
9. 依照权利要求1的光学器件，其中所述反射器主体还包括第三对 壁和第四对壁，从而导致具有基本上呈八边形截面形状的反射器主体。
10. 依照权利要求1的光学器件阵列，其中所述光学器件阵列是线性阵列。
11. 依照权利要求1的光学器件阵列，其中所述光学器件阵列是平面阵列。
12. 依照权利要求10或11的光学器件阵列，其中所述光学器件阵列的每个光学器件具有相同的取向。
13. 依照权利要求10或11的光学器件阵列，其中所述光学器件阵 列的光学器件具有随机的取向。
14. 依照权利要求10或11的光学器件阵列，其中所述光学器件阵 列的光学器件具有形成预定模式的取向。
15. —种光源，包括a) 由两个或更多个发光元件组成的阵列，用于发出一种或多种颜 色的光；b) 光学器件，包括入射孔径、出射孔径以及在入射孔径和出射孔 径之间延伸的反射器主体，该反射器主体包括被定位成与第二对壁正交 的第一对壁，所述第一对壁包括对称反射元件，并且所述第二对壁包括 非对称反射元件；其中所述两个或更多个发光元件的阵列放置在紧邻入射孔径的位 置，并且其中所述反射器主体被配置成重定向和混合由所述两个或更多 个发光元件产生的光。
16. 依照权利要求15的光源，其中所述两个或更多个发光元件中的 一个或多个是初级发光元件。
17. 依照权利要求15或16的光源，其中所述两个或更多个发光元 件中的一个或多个是次级发光元件。
18. 依照权利要求15的光源，包括三个或更多个发光元件，所述发 光元件发出具有包括红色、绿色和蓝色的颜色的光。
19. 依照权利要求15的光源，包括四个或更多个发光元件，所述发 光元件发出具有包括红色、绿色、蓝色和琥珀色的颜色的光。
20. 依照权利要求15的光源，包括四个或更多个发光元件，所述发 光元件发出具有包括红色、绿色、蓝色和青色的颜色的光。
21. 依照权利要求15的光源，包括五个或更多个发光元件，所述发 光元件发出具有包括红色、绿色、蓝色、琥珀色和青色的颜色的光。
全文摘要
本发明提供了一种光学器件，其被配置用于形成非对称照射束模式，同时附加地混合由两个或更多个发光元件产生的光。该光学器件包括在入射孔径和出射孔径之间延伸的反射器主体，其中所述两个或更多个发光元件相对于入射孔径放置，并且在反射器主体内反射的光在出射孔径处出射。该反射器主体包括具有对称反射元件的第一对壁以及与第一对壁正交的第二对壁，其中第二对壁包括非对称反射元件。第一对壁提供了一种用于混合由所述两个或更多个发光元件产生的光并且产生关于第一轴对称的束模式的手段。沿着与第一轴正交的第二轴，第二对壁提供了一种用于混合由所述两个或更多个发光元件产生的光并且产生非对称束模式的手段。
文档编号F21V7/06GK101405538SQ200780009376
公开日2009年4月8日 申请日期2007年3月8日 优先权日2006年3月13日
发明者K·曼 申请人:Tir科技公司