光输出设备和方法

专利名称：光输出设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种光输出设备，该设备包括第一光源；第二光源；以及部分透明 镜。本发明还涉及一种光输出方法。
背景技术：
在美国专利申请US 2006/0274421A1 (Okamitsu等人)中公开了通过技术领域提 到的类型的光输出设备。具体而言，结合US2006/0274421A1中的图la，描述了一种包括发 光阵列对的固态光源。发光阵列输出直接传向目标表面的光线，而其它射线产生由其它射 线入射于其上的光学混合元件产生的组合辐射。光学混合元件可以是半反射镜，该半反射 镜将其它射线的发射基本上拆分成反射射线和透射射线，这些射线被混合使得它们相互叠 加。然而，US 2006/0274421A1的图Ia的固态光源的问题在于直接传向目标表面的光 线造成在目标表面的不均勻混合。

发明内容
本发明的目的在于至少部分地克服这一问题并且提供一种具有改进的混合的光 输出设备。根据以下描述将变得清楚的这一和其它目的由根据所附独立权利要求的一种光 输出设备和方法实现。根据本发明的一个方面，提供一种光输出设备，该设备包括第一光源；第二光 源；以及部分透明镜，其中部分透明镜在设备的操作期间接收第一和第二光源发射的基本 上所有光，并且反射第一光源发射的光的一部分而透射第二光源发射的光的一部分，以及 反之亦然，从而来自第一光源的光在部分透明镜处的反射/透射之后完全叠加于来自第二 光源的光上。由于第一和第二光源发射的所有光撞击部分透明镜，所以可以实现理想混合。另 外，无需添加一个或多个发散器，这意味着可以提供高度准直的光束。在本发明的有利实施例中，部分透明镜为半透明或者半反射镜(也就是说，反射 入射光的约一半而透射另一半)，第一和第二光源对称地布置于部分透明镜的各侧上，和/ 或第一和第二光源具有基本上相同的辐射模式。另外，第一光源优选地适合于发射具有第一波长光谱的光，而第二光源适合于发 射具有与第一波长光谱不同的第二波长光谱的光。以这一方式可以有利地混合两种不同颜 色或者有色光和白光。优选地，第一和第二光源中的各光源包括至少一个发光二极管(LED)。各光源的 LED可以有相同或者不同颜色。LED的益处包括高效率、使用寿命长等。然而，在一些实施 例中可以代之以使用诸如激光器、荧光灯、TL管等其它光源。另外优选地，本设备还包括适合于至少部分地准直第一和第二光源的光的准直装4置，从而在操作期间第一和第二光源的基本上所有至少部分准直的光入射于部分透明镜 上。在一个实施例中，在设备的操作期间，第一和第二光源的至少部分准直的光入射 于部分透明镜上，从而产生第一和第二混合光束，其中光输出设备还包括用于将第一和第 二混合光束中的一个混合光束重引向另一混合光束的方向的平面镜。在这一实施例中，准 直可以包括两个半复合抛物面聚光器(CPC)(各CPC分别用于各光源)，尽管可以使用其它 准直装置，比如普通CPC或者卡塞格伦准直器。通过优化准直角度和在准直装置与部分透 明镜之间的角度，可以最小化光输出设备的尺寸。在这一实施例中，设备优选地包括适合于 聚焦叠加的光的至少一个透镜，以便有利地恢复损失的集光率。代替透镜，专门适配的镜可 以用来聚焦光。在另一实施例中，准直装置包括两个抛物面镜，其中部分透明镜布置于两个抛物 面镜之间，并且其中第一光源在一个抛物面镜与该一个抛物面镜的焦点之间布置于该一个 抛物面镜的光轴上，而第二光源在另一抛物面镜与该另一抛物面镜的焦点之间布置于该另 一抛物面镜的光轴上。在这一实施例中，无需透镜，但是该设备优选地包括适合于准直叠加 的光的辅助准直装置。在混合之后的后准直具有的优点在于该设备保持为小。代替抛物面 镜，可以使用诸如椭球、多面镜等其它形状。在又一实施例中，该设备还包括附加光源，该设备的光源布置于两行中，各行分别 在部分透明镜的各侧上，从而提供线性光输出设备。根据本发明的一个方面，提供一种光输出方法，该方法包括借助部分透明镜，接 收第一光源和第二光源发射的基本上所有光；并且借助部分透明镜，反射第一光源发射的 光的一部分而透射第二光源发射的光的一部分，以及反之亦然，从而来自第一光源的光在 部分透明镜处的反射/透射之后完全叠加于来自第二光源的光上。本发明这一方面的优点 和特征类似于本发明的上述方面的优点和特征。


现在将参照示出了本发明当前优选实施例的附图更详细地描述本发明的这些和 其它方面。图1是根据本发明一个实施例的光输出设备的示意横截面侧视图。图2是图1中的设备的半CPC的透视图。图3是根据本发明另一实施例的光输出设备的示意横截面侧视图。图4是图3中的设备的示意底视图。图5是用于图3和图4中的设备的可选准直器的透视图。图6是根据本发明又一实施例的光输出设备的示意透视图。图7a是图6中的设备的示意底视图。图7b是图6和图7a中的设备的一种变形的示意底视图。图8是根据本发明的光输出方法的流程图。
具体实施例方式图1是根据本发明一个实施例的光输出设备10的示意横截面侧视图。5
光输出设备10包括两个光源(具体为两个LED 12a、12b)以及两个半CPC 14a、 14b、半透明镜16、平面镜18和出口孔20。LED 1加、12b为不同颜色(包括白色)。LED 1 例如可以适合于发射红光而另一 LED 12b可以适合于发射绿光以便混合红光和绿光。LED 1加、12b例如可以是顶发射LED。 两个LED 1加、12b具有相同辐射模式。半CPC是由镜对半地切割的CPC构成的准直器。借助(全)内反射来实现镜的功 能。在图2中图示了半CPC的透视图。平面部分为镜，而弯曲部分为半个CPC。半CPC不 具有如CPC的相同角分布，但是最大准直角度相同。在本设备中，优选地使用半CPC而不 是CPC，因为这允许准直器更近地放置在一起，这又减少设备10的尺寸。设备10的半CPC 14a、14b为相等尺寸和形状。半透明或者半反射镜16通常透射入射光的一半而反射入射光的另一半以产生如 下混合光，该混合光包括来自各LED 1加、12b的基本上相等数量的光。半透明镜16可以有 利地由在各侧面上具有25%反射器的衬底组成。在设备10中，LED 12a、12b如图1中所示位于半CPC 14a、14b的入口 22a、22b，并 且两个半CPC 14a、14b以镜像方式朝着半透明镜16布置。放置图1中的半CPC 14a、14b 使得半CPC之一的最多发散出射射线如从辐射模式^a、26b所见恰好错过另一个半CPC的 出口表面Ma、Mb。另外，如从图1的透视图所见，半CPCHa、14b的出口表面Ma、Mb布置 成相对于彼此约90度，而半透明镜16布置成相对于出口表面约45度。另外，参照光源的 辐射模式26a(虚线)J6b (点线)(在由半CPC Ha、14b准直之后)以及光源(和半CPC) 和半透明镜16的放置，设定半透明镜16的尺寸，使得光源发射的所有光(如由半CPC 14a、 14b成形)撞击半透明镜16。另外，如图1中所示，平面镜18布置成平行于半透明镜16，平 面镜18的一端邻接出口表面Ma、24b之一的一端。设定平面镜18的尺寸，使得经过镜16 透射的来自CPC 14a的光和镜16反射的来自CPC 14b的光撞击平面镜18至少一次。在光输出设备10的操作期间，LED 12aU2b发射的光至少部分地由半CPC 14a、 14b准直从而获得辐射模式沈￡1、^b。LED 1加、12b发射的所有光撞击半透明镜16。LED 12a 发射的光的约一半由半透明镜16反射，而另一半经过半透明镜16透射。类似地，LED 12b 发射的光的约一半由半透明镜16反射，而另一半经过半透明镜16透射。由于设备10的上 述布置，所以LED 1 发射并且半透明镜16反射的光优选地叠加于LED 12b发射并且经过 半透明镜16透射的光上从而形成混合光束观^类似地，LED 1 发射并且经过半透明镜 透射的光优选地叠加到LED 12b发射并且半透明镜反射的光上从而形成混合光束^b。混 合光束28a被立即引向设备10的出口孔20。另一方面，如图1中所示，混合光束28b先入 射于平面镜18上，该平面镜18在与混合光束28a相同的方向上将混合光束引向出口孔20。 由于设备10的上述布置，所以光束28b在光束28a —旁离开出口孔20。优选地设定出口孔 20的尺寸和位置，使得混合光束^aJSb的基本上所有光可以从设备10输出。实际上，在设备10中，通过借助镜像产生虚拟光源来理想地重叠不同颜色的光源 (LED 12a、12b)。换而言之，各光源看来放置于两个不同位置。仿真表明本设备10理想地 混合光。对于光输出设备10，除了准直器(即半CPC 14a、14b)的尺寸以外，准直角度(θ ) 和在半CPC Ha、14b与半透明镜16之间的角度(Φ)确定设备10中的各种元件的尺寸，并且因此确定设备10的尺寸。可以优化长度LX高度H的产品。在图1中表示了长度L和 高度H。对于θ =24°和Φ =45°，这一产品为最小。这一产品与CPC 14a、14b的入口 半径的平方成比例。对于1. 5mm的入口半径，设备10将分别具有^mm和^mm的长度和高 度。设备10的深度(图1中的χ方向)为沈讓。另外，可以在深度方向上准直射线。在本实施例中，在深度方向上未应用准直器， 尽管可以添加这样的准直器。如果未放置准直器以在深度方向上准直射线，则设备体积对 于θ = °为最小。在深度方向上准直光将减少出口孔的尺寸以及减少集光率增加。也在本实施例中，集光率对于Φ =45°和尽可能小的θ为最小。对于θ = ° 和Φ =45°，在出口孔20的集光率为在半CPC入口的集光率的约三十倍。集光率较大是 因为射线在它们经过设备10时保持发散。因此，优选地，透镜(未示出)放置于出口孔20 或者另一个半CPC Ha、14b的各出口表面Ma J4b。这一透镜收窄一个或多个光束的发散， 因此减少集光率。图3是根据本发明另一实施例的光输出设备50的示意横截面侧视图，而 图4是图3的设备的示意底视图。光输出设备50包括两个光源(具体为两个LED 52a、52b)以及两个抛物面成像准 直器或者抛物面镜Ma、54b和半透明镜56。LED 5加、5沘为不同颜色(包括白色)并且例如可以是顶发射LED。两个LED 52a、 52b具有相同辐射模式。抛物面镜Ma、54b为相等尺寸和形状。半透明或者半反射镜56类 似于上述半透明镜16。半透明镜56如图3和图4中所示放置于两个相对邻接抛物面镜Ma、54b之间。半 透明镜56完全覆盖在两个抛物面镜Ma、54b之间的通道。LED 52a在抛物面镜5 与它的 焦点58a之间放置于抛物面镜Ma的光轴57a上。LED 5 —般被定向成使得一些发射光 引向抛物面镜^a，而其余发射光直接引向半透明镜56。类似地并且对称地，LED 52b在抛 物面镜54b与它的焦点58b之间放置于抛物面镜Mb的光轴57b上，并且一般被定向成使 得一些发射光引向抛物面镜Mb，而其余发射光直接引向半透明镜56。直接引向半透明镜 的来自LED的光也将聚焦于两个LED之间中。在设备50的操作期间，在到达半透明镜56之前撞击抛物面镜5 的来自LED 52a 的示例光线60a (实线)由抛物面镜重引向另一抛物面镜Mb。在半透明镜56，射线60a被 拆分成经过半透明镜56透射的射线60a’和由半透明镜56反射的射线60a”。透射的射线 60a’然后由抛物面镜54b重引向光轴57b或者向光轴57b投射。类似地，反射的射线60a” 由抛物面镜5 重引向光轴57a或者向光轴57a投射。直接撞击半透明镜56的来自LED 52a的另一示例射线60b (点线)被拆分成经过半透明镜56透射的射线60b’和由半透明镜 56反射的射线60b”，这些射线60b，、60b”也分别重引向光轴57b、57a并且向光轴57b、57a 投射。在适当地选择尺度时，所有光投射于光源之间。与此类似，从另一光源52b发射的光也引向于两个光源之间。由于两个抛物面镜 54a,54b以及两个LED 5h、52b在如半透明镜56成像的彼此镜像上，所以在一侧上撞击半 透明镜56的射线重叠于从另一侧撞击半透明镜56的射线上。因此，半透明镜56反射的射 线也投射于两个光源之间。例如，从LED 52b发射的示例光线60c (虚线)由半透明镜56 拆分成透射的射线60c’和反射的射线60c”，射线60c’叠加于射线60a”上而射线60c”叠 加于射线60a，上。
实际上，在设备50中，通过借助镜像产生虚拟光源来理想地重叠不同颜色的光源 (LED 52a、52b)。换而言之，与在设备10中类似，各光源看来放置于两个不同位置。然而， 在设备50中，成像光学器件(例如抛物面镜Ma、Mb)用来保持设备为小。另外，在设备50中，LED 52a,52b相对于抛物面镜Ma、Mb的焦点58a、58b的位 置而言的放置和抛物面镜^a、54b的长度L2决定射线何处离开设备50。为求最佳输出，应 当选择设备50的尺度使得所有光在尽可能小的区域上投射于两个LED 5h、52b之间。设 备50的总尺寸也应当最小。当各LED落在抛物面镜与它的焦点之间并且抛物面镜Ma、Mb 的总长度L2为焦距L3的三倍时满足要求。在图3和图4中表示了 L2和L3。在理论上，抛 物面镜长度L2为焦距L3的3/2倍也足够了，然而在实践中它不是的。在至此描述的光输出设备50中，在抛物面镜Ma、Mb的出口表面，叠加的光有些 在y方向上准直而在χ方向上未准直。为了在两个方向上准直光，设备还可以包括在抛物 面镜Ma、Mb的出口表面布置的辅助准直器(为求简洁而在图4中未示出)。在图5中示 出了示例辅助准直器62的形状。辅助准直器62包括由相对平面镜66a、66b链接的相对抛 物面镜64a、64b。在操作期间，使用抛物面镜64a、64b来准直在χ方向上的光，而使用平面 镜66a、66b来准直在y方向上的光。为不同方向选择不同形状是因为来自抛物面镜Ma、 54b的光在一个方向上已经部分地准直并且因为准直器输入辐射分布具有椭圆形状。代替辅助准直器62，可以使用其它光学装置。例如，可以使用使斑在y方向上的尺 寸收缩的不对称去准直器，尽管光束发散将增加。这将使角分布更对称而斑更圆。在去准 直之后，可以放置对称准直器以获得期望的光束发散。示例设备50被设计成具有用于各光源52a、52b的直径为2. 55mm的圆形输入区 域。对于这些输入区域，设备50具有40mm的长度和22X 20mm的输出区域。对于这一尺寸， 出射光束具有在士20°和士 10°的出射角度内包含的通量的80%。包括光的80%的光束 的集光率是在两个LED均点亮时的集光率的两倍。因子为2的这一集光率损失由辅助准直 器引起，但是并非主要的。仿真示出了设备50提供理想色混合。与图1-图2的设备10比较，设备50的特 征在于集光率增加大为减少，并且也有体积减少。对于两个设备，混合质量相同。图6是根据本发明又一实施例的光输出设备70的示意透视图。设备70包括LED、 抛物面镜结构74、半透明镜76和辅助准直装置78。设备70的横截面类似于光输出设备50 的横截面，但是设备70包括附加LED。LED在χ方向上布置于两行中。设备70如同若干设 备50在χ方向上接连放置、但是具有共同抛物面镜结构74和半透明镜76。LED包括适合 于发射具有第一颜色的光的LED 7 和适合于发射具有第二不同颜色的光(或者白光)的 LED 72b。优选地，如图7a中所示，两类LED放置于交替布置中。取而代之，如图7b中所示， 第一颜色的所有LED 7 布置于一行中，而第二颜色或者白色的所有LED 72b布置于另一 行中。在设备70中，两行LED可以替换为两个不同TL管。图8是如例如在上述设备中进行的根据本发明的一种光输出方法的流程图，该方 法包括以下步骤借助部分透明镜，接收(步骤Si)第一光源和第二光源发射的基本上所有 光；并且借助部分透明镜，反射第一光源发射的光的一部分而透射第二光源发射的光的一 部分，以及反之亦然(步骤S2)，从而来自第一光源的光在部分透明镜处的反射/透射之后 完全叠加到来自第二光源的光上。
本设备和方法的应用包括但不限于用于照明或者光照的聚光灯，因为本设备满足 对聚光灯的需求，这些聚光灯包括产生很小光束、具有小的体积并且具有小的出口直径的 聚光灯。其它应用包括路灯、舞台灯、微观光照等。本领域技术人员认识到本发明决不限于上述优选实施例。恰好相对，许多修改和 变形在所附权利要求书的范围内是可能的。例如可以在各光源中使用多个LED。例如为了将冷和暖白色混合在一起，暖白LED 和冷白LED可以放置于准直装置的各入口或者输入处，例如一个在另一个上方。在一个入 口的顶部位置将为暖白色，而在另一入口的顶部位置将为冷白色，从而冷白色的镜像应当 总是出现于暖白色LED上面，以及反之亦然。代替仅两种颜色，本发明也可以包括更多颜色，例如通过在交叉配置中放置两个 半透明镜并且调节光的入射角度，从而保证光撞击两个半透明镜。提供多于两种颜色的另 一方式是通过串联放置两个设备。
权利要求
1.一种光输出设备(10，50，70)，包括:第一光源(12a，52a，72a)；第二光源(12b，52b，72b)；以及部分透明镜(16，56，76)，其特征在于所述部分透明镜在操作期间接收由所述第一和第二光源发射的基本上所有光，并且反 射由所述第一光源发射的光的一部分而透射由所述第二光源发射的光的一部分，以及反之 亦然，从而来自所述第一光源的光在所述部分透明镜处反射/透射之后完全叠加于来自所 述第二光源的光上。
2.根据权利要求1所述的光输出设备，其中所述部分透明镜为半透明镜。
3.根据权利要求1或者2所述的光输出设备，其中所述第一和第二光源分别对称地布 置于所述部分透明镜的各侧上。
4.根据任一前述权利要求所述的光输出设备，其中所述第一和第二光源具有基本上相 同的辐射模式。
5.根据任一前述权利要求所述的光输出设备，其中所述第一光源适合于发射具有第一 波长光谱的光，并且其中所述第二光源适合于发射具有与所述第一波长光谱不同的第二波 长光谱的光。
6.根据任一前述权利要求所述的光输出设备，其中所述第一和第二光源中的各光源包 括至少一个发光二极管。
7.根据任一前述权利要求所述的光输出设备，其中还包括准直装置，适合于至少部 分地准直所述第一和第二光源的光，从而在操作期间所述第一和第二光源的基本上所有至 少部分准直的光入射于所述部分透明镜上。
8.根据权利要求7所述的光输出设备，其中在操作期间所述第一和第二光源的至少部 分准直的光入射于所述部分透明镜上，从而产生第一和第二混合光束，所述光输出设备还 包括用于将所述第一和第二混合光束中的一个混合光束重引向另一混合光束的方向的平 面镜。
9.根据权利要求8所述的光输出设备，还包括适合于聚焦叠加的光的至少一个透镜。
10.根据权利要求7所述的光输出设备，其中所述准直装置包括两个抛物面镜，所述部 分透明镜布置于所述两个抛物面镜之间，并且所述第一光源在所述抛物面镜中的一个抛物 面镜与所述一个抛物面镜的焦点之间布置于所述一个抛物面镜的光轴上，而所述第二光源 在所述抛物面镜中的另一抛物面镜与所述另一抛物面镜的焦点之间布置于所述另一抛物 面镜的光轴上。
11.根据权利要求10所述的光输出设备，还包括适合于准直叠加的光的辅助准直装置。
12.根据权利要求10或者11所述的光输出设备，还包括附加光源，所述设备的光源布 置于两行中，各行分别在所述部分透明镜的一侧上。
13.一种光输出方法，包括借助部分透明镜(16，56，76)，接收由第一光源(12a, 52a, 72a)和第二光源(12b，52b， 72b)发射的基本上所有光；以及借助所述部分透明镜，反射由所述第一光源发射的光的一部分而透射由所述第二光源 发射的光的一部分，以及反之亦然，从而来自所述第一光源的光在所述部分透明镜处反射/ 透射之后完全叠加于来自所述第二光源的光上。
全文摘要
本发明涉及一种光输出设备(10，50，70)，该设备包括第一光源(12a，52a，72a)；第二光源(12b，52b，72b)；以及部分透明镜(16，56，76)。该设备的特征在于部分透明镜在操作期间接收第一和第二光源发射的基本上所有光，并且反射第一光源发射的光的一部分而透射第二光源发射的光的一部分，以及反之亦然，从而来自第一光源的光在部分透明镜处的反射/透射之后完全叠加于来自第二光源的光上。本发明还涉及一种光输出方法。
文档编号F21V7/00GK102057214SQ200980121690
公开日2011年5月11日 申请日期2009年6月5日 优先权日2008年6月10日
发明者A·J·里杰克, M·J·J·雅克, R·P·范戈尔科姆 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司