专利名称：Led的内部收集反射器光学器件的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及来自发光二极管(LED)的光的收集和控制。更具体地，本发明针对来自LED的光的宽角发射，以产生高度受控的光束。
背景技术：
许多产品需要对从光源发出的光进行有效地收集和控制。较高等级的控制被需要以产生用于现场表演、特殊的事件和照明高结构的探照灯所需要的类型的准直的光束。所述探照灯使用氙弧类型的灯作为光源，并使用深抛物面反射器来收集和控制光方向和光束角度。这个方法已经使用了很多年，甚至在电灯泡的发明之前就已经使用了。这种类型的现有技术的探照灯一般需要比它的弧隙大很多的反射器。1000瓦特氙灯将它的大部分光产生在直径为Imm的球体内部。为了产生高度准直的光束，典型地需要 直径为20英寸的反射器。虽然氙光源在小面积中产生了极大量的光，但是这种类型的灯的效率是较低的。1000瓦特的灯电能量的每瓦特仅可以产生35流明。这些灯的另一缺陷是它们的寿命只有几千小时。最后，氙光源由高压气体填充。当对探照灯进行作业时，更换氙灯的人员需要穿保护服并带保护面罩。氙光系统的另一缺陷是由于光学表面上污垢的聚集而引起的性能的降低。这种聚集是由所述灯光典型地需要强制风冷的事实而合成。氙系统至少有污垢能够聚集并减少输出的四个表面。这些表面的第一个是灯自身的表面。第二个是反射器的表面。第三和第四个是窗口的内部和外部。在这四个表面的任意表面上仅有较小量的污垢严重地减小该系统的光输出。由探照灯制造商对深抛物面反射器的使用为整个系统增加了很小的效率。由灯产生的大量光存在于抛物面反射器开口端前面，并且不能对没有打到反射器的光所产生的准直光束作出贡献。探照灯制造商想要使用LED作为他们的探照灯的光源。LED并不产生像氙光源一样高强度的光。LED灯的低强度导致对于与氙系统一样的输出需要大得多的反射器。在一些情况中，使用LED需要10倍于具有氙光源的系统所使用的反射器的尺寸的反射器。总之，当前基于氙的照明系统的主要缺陷是它们的短寿命、对系统作业时的危险和它们的低效率。从LED收集和控制光的光学器件系统通常结合传统的反射器和折射光学器件。这种类型的系统的典型示例如图I所示。虽然这种类型的系统在收集从LED发出的所有光是有效的，但是其控制输出的能力是有限的。由系统的反射器部分收集的光，当其离开反射器时，有大体上相同的锥角。在这个示例中，锥角在3. 9°到4. 5°之间变化。折射光学器件(也就是穿过透镜传输的光)有大得多的锥角，41°。因此，在探照灯系统中，从折射光学器件发出的光并没有对探照灯光束作出贡献，其产生了溢散光。图I的现有系统固有的另一缺陷是输出光从两个光源(透镜和反射器)发出。从透镜发出的光的性质与从反射器发出的光的性质是大不相同的。因此对同时从两个来源的输出进行优化是非常困难的。对从透镜输出的光有积极影响的输出控制测量常常对从反射器输出的光有消极影响，反之亦然。传统反射器光学器件的另一个变型是将LED置于抛物面反射器的焦点的灯。LED表面的输出法线定向于沿着抛物面的轴。从LED发出的光以半球形方向发射，离开法线+90°和一 90°。抛物面收集所有所发射的光，并将大部分光以设计的方向定向。LED及其装备吸收一些没有被阻隔而以设计的方向前进的光。这个吸收发生是因为LED在由抛物面反射的光的输出路径上。电流必须被施加到LED以生成产生热量的光。为了给LED降温，使用热管将热量从LED传导至反射器后面的散热器。这些部件也吸收一些光，因此甚至进一步降低了照明系统的效率。LED照明系统中的反射器须较大，以收集来自LED的半球形±90°输出。如果锥角能够减小到小于±45°，反射器可能会小得多。根据从反射器的中心到反射器的边缘的距离，现有技术的产品的反射器的输出光束角较大地变化。该光束角的变化需要反射器大于如果在反射器的直径上的光束角的变化减小所需要的反射器。、因此，需要高效的照明系统，其对污垢和灰尘并不敏感，其提供输出光束角的高度控制，并且其包含在紧凑的封装中。
发明内容
本发明的各种实施方式公开了具有定向输出的光学系统。该系统包括提供光源的至少一个LED。所述系统还包括减小光源的光输出的锥角的光学器件元件。光以锐角从反射表面反射。然后所反射的光形成输出光束。本发明的其它实施方式可以公开一种具有定向输出的照明系统，该照明系统包括光学系统阵列。每个光学系统包括提供光源的至少一个LED和减小光源的光输出的锥角的光学器件元件。光接触反射表面，并且所述光以锐角从反射表面被反射。然后所反射的光形成输出光束。光学系统的阵列的光束被组合以形成照明系统输出光束。本发明的其它实施方式仍然公开一种具有定向输出光学系统，该光学系统包括提供光源的至少一个LED。所述光源置于系统的输出光路径中。光学器件元件减小光源的光输出的锥角。反射表面以锐角将从光源发出的光反射。所反射的光形成系统的输出光束。
图I是现有技术的侧视图。图2是示例性光学系统的等距视图。图3是示例性光学系统的侧视图。图4是示出了光线的示例性光学系统的侧视图。图5是另一不例性光学系统的侧视图。图6是光学系统示例性阵列的等距视图。
具体实施例方式本发明的各种实施方式公开了控制光输出的方向和角度的系统。该系统的输出通过将一个或更多LED产生的非常高的百分比的光具体定向到指定为将被照明的物体来减小功率消耗。首先参考图2和图3，光学系统200包括LED装配件210，该LED装配件210耦合到光导管220。本领域技术人员可以理解，LED装配件210的类型和尺寸可以随着将在给出的应用中使用的特定的光学系统而变化。LED装配件210被示出具有从LED晶片(die)310传导热量的散热板230 (见图3)。尽管LED晶片310在附图中的几个图中通常被描述单个元件，但是所述LED晶片310可以由多个晶片形成。当多个晶片被用于形成LED晶片310时，所述多个晶片可以结合
在一起。光导管220可以至少部分地作为内衬反射材料的管子、光纤、中空的光导管、基于突光的系统和/或其它适于传输光的装置来实施。光导管220可以稱合到LED晶片310,光导管220可以依次耦合到散热板230。光导管220可以光学地耦合到LED晶片310的发射表面。当光导管220和LED晶片310的发射表面光学地用凝胶或粘合剂耦合时，因为来自LED晶片310主体的反射损失是光导管220和LED晶片310的接合表面处的反射损失，所以来自LED晶片310主体的反射损失减小。如果反射损失不被认为是关键的，那么LED装配件210可以被构建，以使在LED晶片310和光导管220的第一末端之间存在狭窄的空气间隙。光导管220的第二末端可以光学地稱合到光学器件兀件240。光学器件兀件240可以是圆柱形的横截面。光导管220与LED晶片310和光学器件兀件240的光稱合减小了在光导管220的末端处的光损失。在光导管220内移动的光可以在相对于光导管220中心线大约+42°到大约一42°的范围中移动。光移动的实际角度将依赖于光导管220的折射率和LED晶片310的具体输出。光导管220将光传导至光学器件元件240。光学器件元件240可以是圆柱形的横截面，但是也可以利用其它形状。光学器件元件240可以具有或不具有与光导管220相同的折射率。光学器件元件240可以有比空气的折射率大得多的折射率，空气的折射率非常接近于I。丙烯酸塑料的折射率大约是I. 49，对于聚碳酸酯来说，折射率大约是I. 58。有些塑料有更高的折射率，而玻璃材料可以有高得多的折射率。用于形成光学器件元件240的材料的折射率越高，相对于光导管中心线410的锥角越窄(见图4)。对于由聚碳酸酯形成的 光学器件元件来说，锥角大约是±39°。参考图4，当被定向于沿着光导管中心线410的来自LED装配件210的光进入光学器件兀件240时将以相同的方向继续。在光学器件兀件240中，光最终将与内部反射表面250相交。对于准直的光束，反射表面250将是抛物面。内部反射表面250的形状可以根据输出光束的期望的特性而变化。输出光束可以是准直的，但是可以期望不同类型的输出光束。反射表面250可以是椭圆体的或非球面的，以为输出光束提供不同的效果。反射表面250在光学器件兀件240中产生内部反射效果。反射表面250可以通过用高反射比材料涂覆光学器件元件240的表面来形成。例如，高反射比材料可以是银、铝或高性能干涉涂层。对于适于应用的涂层的具体材料的选择是考虑特定应用的需要和预期的的预算限制的工程决策。
光导管中心线410和反射表面250的交叉点可以在反射表面250的中点附近。构建系统200以使中心线410在反射表面250的中点附近，这样使撞击在反射表面250上的光量最大化。可以注意到，如果系统中使用的光学器件元件240并不是由高折射率材料形成的，离开光导管的光的锥角在±90°范围内。大的锥角是光在光导管的输出表面被折射的结果。如果光导管由丙烯酸塑料制成，并且非高折射率的光学器件元件是充满空气的中空元件，也可以产生大的锥角。光学系统200的几何形状可以是这样的，以使得光从光离开光学器件元件240的位置附近进入光学器件元件240。通过在出口附近定位入口，在输出中心线430和光导管中心线410之间的夹角可以是最小的。两个中心线410、430之间的夹角越小，正内部射线440的长度和负内部射线450的长度之间的差越小，其中，正内部射线440为距离光导管中心线410为正角的射线，负内部射线450为距离光导管中心线410为负角的射线。射线440、450的长度和几何形状通过它们的几何形状确定输出光束锥角。减小光 导管中心线410和输出中心线430之间的夹角可以减小系统200的尺寸。光导管中心线410和输出中心线430之间的夹角越大,系统200可以越大，以实现相同的输出光束锥角。在图4描述的系统中，光学长度可以从标称(nominal)大约变化±30%。如果两个中心线410、430之间的夹角大得多，例如60°，那么标称长度的差将更接近于大约±60 %。为了维持相同的输出光束锥角，反射器将需要整个尺寸更大。总之，光学器件元件240的折射率越高，系统200可以越紧凑。而且，中心线410、430之间的夹角越小，系统200可以越紧凑。本领域技术人员将注意到，离开高折射率光学器件元件240的光可以在输出表面420被折射，以至于通过输出表面420的光可以有比光学器件元件240中的光更大的锥角。输出表面420可以是平的。输出表面420也可以有其他几何形状。输出表面420的几何形状可以基于整个系统需求和期望的发光效果来选择。其他光学器件元件可以添加到输出表面420的系统200下游(downstream)。如果期望给定的设置，光导管220可以从光学系统200除去。在这种情况下，LED装配件210可以直接地光学耦合到光学器件元件240。系统200的光学性能可以通过减小散热板230的尺寸或重新配置散热板230来维持。如果使用散热板230，光导管220的长度依赖于LED装配件210的尺寸及它的散热器230。图5示出了另一个示例性光学系统500的侧视图。在光学系统500中，LED晶片510置于输出光路径中。在这个配置中，输入光路径和输出光路径的中心线是一致的，它们之间的夹角是零。因此该配置可以带来最小尺寸的系统500。电流必须传导至LED 510，而热量必须从LED 510传导出。如果传导组件较大，那么它们能够吸收大量的光。因此，高功率系统可能一般不在输出路径中配置LED。图6示出了光学系统200的示例性阵列600的等距视图。阵列600可以用于需要大量光的系统，例如高功率探照灯。通过使用光学系统200阵列，热消散可以变得更简单。通过利用相对于单个大LED更小的光学模块阵列，产生的热量在更大的面积上传播，因此更容易消散。光学系统200的阵列600的深度可以小于使用单个大LED或光学器件元件的等效系统所需的深度。本领域技术人员可以认识到，阵列600可以以在本文中描述的任意配置实现。
上述公开并不在于用作限制。本领域技术人员将容易地看出，在保持本发明的教导的同时可以对所述装置进行很多修改和变型。因此，上述公开应该被理解为为仅由所附的权利要求书的限制来限定。
权利要求
1.一种具有定向输出的光学系统，该光学系统包括 至少一个LED，该至少一个LED提供光源； 光学器件元件，该光学器件元件减小所述光源的光输出的锥角；以及 反射表面，其中光输出从所述反射表面以锐角被反射，所反射的光形成输出光束。
2.根据权利要求I所述的光学系统，其中，定向到所述反射表面的光的中心线与从所述反射表面反射的光的中心线之间的夹角是60°或者小于60°。
3.根据权利要求I所述的光学系统，其中，光导管将所述光源光学地耦合到所述光学器件兀件。
4.根据权利要求I所述的光学系统，其中，所述反射表面具有抛物面外形。
5.根据权利要求I所述的光学系统，其中，所述反射表面具有椭圆外形。
6.根据权利要求I所述的光学系统，其中，所述反射表面具有非球面外形。
7.根据权利要求I所述的光学系统，其中，所述光学器件元件的折射率是I.3或大于I. 3。
8.根据权利要求I所述的光学系统，其中，所述光源由多个LED晶片构成。
9.一种具有定向输出的照明系统，该照明系统包括 光学系统阵列，每个所述光学系统包括 至少一个LED，该至少一个LED提供光源； 光学器件元件，该光学器件元件减小所述光源的光输出的锥角；以及反射表面，其中从所述光源发出的光从所述反射表面以锐角反射，所反射的光形成输出光束，并且其中所述光学系统的所述输出光束被组合以形成照明系统输出光束。
10.根据权利要求9所述的照明系统，其中，定向到所述反射表面的光的中心线与从所述反射表面反射的光的中心线之间的夹角是60°或者小于60°。
11.根据权利要求9所述的照明系统，其中，光导管将所述光源光学地耦合到所述光学器件兀件。
12.根据权利要求9所述的照明系统，其中，所述反射表面具有抛物面外形。
13.根据权利要求9所述的照明系统，其中，所述反射表面具有椭圆外形。
14.根据权利要求9所述的照明系统，其中，所述反射表面具有非球面外形。
15.根据权利要求9所述的照明系统，其中，所述光学器件元件的折射率是I.3或大于I. 3。
16.根据权利要求9所述的照明系统，其中，所述光源由多个LED晶片构成。
17.一种具有定向输出的光学系统，该光学系统包括 至少一个LED，该至少一个LED提供光源； 光学器件元件，该光学器件元件减小所述光源的光输出的锥角；以及反射表面，其中光输出从所述反射表面以锐角被反射，所反射的光形成输出光束，并且其中所述光源置于输出光路径中。
18.根据权利要求17所述的光学系统，其中，定向到所述反射表面的光的中心线与从所述反射表面反射的光的中心线之间的夹角是O °。
19.根据权利要求18所述的光学系统，其中，所述反射表面具有抛物面外形。
20.根据权利要求18所述的光学系统，其中，所述反射表面具有椭圆外形。
21.根据权利要求18所述的光学系统，其中，所述反射表面具有非球面外形。
22.根据权利要求18所述的光学系统，其中，所述光学器件元件的折射率是I.3或大于I.3。
23.根据权利要求18所述的光学系统，其中，所述光源由多个LED晶片构成。
全文摘要
公开了一种使用LED光源的光学系统。光输出耦合到光学器件元件，所述光学器件元件由具有高折射率的材料形成。光到高折射率材料的耦合显著减小了光的锥角。该系统非常有效，因为几乎所有由LED产生的光被定向到预期的目标。
文档编号F21V1/00GK102713421SQ201080052440
公开日2012年10月3日 申请日期2010年11月18日 优先权日2009年11月18日
发明者布朗·爱德华·理查德森 申请人:拉姆伯斯国际公司