具有回收光的led照明系统的制作方法

专利名称：具有回收光的led照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光照明系统，并且更具体地涉及LED照明系统。
背景技术：
针对诸如LED (发光二极管)照明应用的许多照明应用，可以通过使用发射特定颜色的光的各种颜色的LED元件来实现颜色变化。通常，使用三原色LED元件来生成期望的彩色图像。三原色是红色、绿色和蓝色(RGB)。因此，使用红色、緑色和蓝色LED元件来生成期望的彩色图像。在某些应用中，除RGB之外还使用诸如黄色、青色和品红色LED元件的其他原色LED以产生更完美且更亮的彩色图像。诸如投影式显示器的许多LED照明应用要求在小的有效发射区域中具有高水平亮度的照明系统。按照惯例，可以通过添加更多光源来实现此高水平的亮度。然而，如果存在用于集成光源的有限空间，则这些常规方法在技术上能是不可能的，并且在经济上是不切实际的，因为集成和使用多个光源是非常昂贵的。增加亮度的替换方法是使用较大透镜以尝试收集尽可能多的光。这也可能是非常不切实际的，因为制造较大的准确透镜并将其集成到照明系统中是相当昂贵的。因此，期望提供ー种针对给定光源以简单且经济的方式来増加光输出的照明系统和方法。

发明内容
根据本发明的一方面，一种LED照明系统包括至少一个LED兀件和具有透射口径的回收(recycling)反射器，发射的光通过该透射口径。回收反射器具有曲面，其适合于将照射光反射回到LED元件以通过透射口径获得改善的光输出。根据本发明的另一方面，ー种LED照明系统包括LED阵列和具有透射口径的回收反射器，发射的光通过该透射口径。LED阵列具有关于LED阵列的中心对称地布置的至少ー对相同顔色的LED元件。回收反射器具有曲面，其适合于将照射光反射回到LED元件以通过透射口径获得增加的光输出。根据本发明的另一方面，所述回收反射器具有通过LED阵列的中心的光轴，并且所述曲面包括球面，其适合于将来自ー个LED元件的发射光反射回到另ー LED元件以通过透射口径获得增加的光输出。


图1示出了根据本发明的实施例的具有回收反射器的LED照明系统。图2示出了根据本发明的实施例的具有至少ー个对称布置的颜色对的四个LED元件的LED阵列。图3A示出了根据本发明的实施例的六个对称布置的LED元件的LED阵列。图3B示出了具有图3A的LED阵列的照明系统的透视图。图4A示出了根据本发明的实施例的八个对称布置的LED元件的LED阵列。图4B示出了根据本发明的实施例的八个LED元件的另ー LED阵列。图5示出了根据本发明的实施例的十二个对称布置的LED元件的LED阵列。图6示出了根据本发明的实施例的九个对称布置的LED元件的LED阵列。图7示出了根据本发明的实施例的五个对称布置的LED元件的LED阵列。图8A示出了根据本发明的实施例的被用作回收反射器的非引导光学透明固体。图SB示出了具有图8A的非引导光学透明固体的照明系统的透视图。图9示出了根据本发明的实施例的具有波导光导管的LED照明系统。图1OA示出了根据本发明的实施例的其中波导光导管具有弯曲反射面的LED照明系统。图1OB示出了具有图1OA的波导光导管的照明系统的透视图。图11示出了根据本发明的实施例的结合了回收反射器的示例性投影系统。
具体实施例方式简要地，本发明公开了ー种其中可以将彩色LED元件混合且可以降低集光率(etendue)的高效回收方案。光回收方法包括I)提供具有弯曲反射面的回收反射器，或2)相对于LED封装的中心/回收反射器的光轴或这两者以对称模式布置彩色LED元件以显著增加光输出。图1示出了根据本发明的一个实施例的具有回收反射器的LED照明系统。照明系统2可以与如本文所示的任何LED阵列一起使用。照明系统2包括LED封装/芯片4、用于驱动LED芯片的驱动电路3、诸如位于LED芯片前面的回收套环(collar)的回收反射器6和LED光所通过的透射口径8。LED封装4通常包括具有发射光的发射区域的ー个或多个LED元件10和在其上面安装LED元件的衬底12。例如,此类LED封装可从马萨诸塞州比尔里卡的Luminus Devices公司获得。LED元件10被布置成使得回收反射器6的透射口径8的光轴16经过LED元件的中心20 (參见图2)，并且该中心也基本上在回收反射器的曲率中心附近。LED元件10优选地被布置在同一平面中且接近地定位以使LED元件的任何两个发射区域之间的任何空间最小化。LED元件10可以发射诸如红色、绿色和蓝色的单种颜色的光或发射白光。发射角通常为180度或更小。LED封装4还可以包括在LED元件前面的保护窗(未示出)和被附接在衬底12后面的热沉(未示出)。回收套环6相对于LED元件10以凹陷方式弯曲。内表面14是反射面，使得照射在内表面上的LED光被反射回到光源，即LED元件。可以通过对套环6的外表面进行涂覆或通过使单独反射镜被附接于套环来提供反射面。根据优选实施例，回收套环6相对于LED元件10的中心20而言在形状上是球形的，使得输出被等大地反射回其本身。因此，其事实上是成像系统，在其中LED元件10在其本身上形成图像。有利地，照射在内部球形反射面14上的基本上所有LED光都被反射回至光源，即LED元件。如本领域的普通技术人员可以认识到的，未通过常规照明系统的透射口径的任何LED光永久地丢失。然而，通过使用弯曲反射面14，本发明允许恢复基本上已丢失的光量。例如，在其透射口径尺寸捕获约20%的发射光的照明系统中，回收套环6允许收集发射光的附加20%。有利地，这是所捕获的光吞吐量方面的100%的改善，这导致亮度的显著改善。图2示出了根据本发明的另ー实施例的四个彩色LED元件10的LED阵列18。具体地，LED阵列18包括发射红色光的一个红色LED元件R、布置在相对拐角处且关于中心20対称的发射蓝色光的一个蓝色LED元件B以及布置在相对拐角处且关于LED阵列的中心20対称的发射绿色光的两个绿色LED元件G1、G2。LED阵列18被布置成使得回收反射器6的光轴16通过中心20，并且该中心也基本上在回收反射器6的曲率中心附近。虽然示出了具有四个LED元件的LED阵列18，但本发明可以在至少ー个LED元件的情况下起作用，只要照射在弯曲反射面14上的光反射回到LED元件。并且，在ー对LED元件的情况下，虽然优选的是该对中的LED元件发射相同顔色，但其可以发射不同的顔色，虽然效率可能较低。此外，如图7所示阵列中的每个LED元件的尺寸可以不同于任何其他LED元件。应注意的是虽然每个LED元件被示为正方形，但其可以是矩形的。优选地，LED阵列18的总发射区域应该具有与要被投射的图像相同的纵横比。例如，为了投射其纵横比是9:16的高清晰度电视图像，LED阵列18的总发射区域应具有相同的9:16维度。类似地，除了别的之外，LED阵列18的维度可以是4:3、1:1、2. 2:1，这也是流行的纵横比。在图2的实施例中，两个绿色LED元件G1、G2被成像到彼此上。具体地，照射在内反射面14上的来自LED元件Gl的任何光被反射回到对称地定位的LED元件G2,并且反之亦然。为了对称布置的相同顔色的LED元件很好地工作，驱动电路3同时驱动相同顔色的LED元件(例如Gl、G2)。因此，此布置提供高回收效率。另ー方面，来自蓝色LED元件B的光被成像到红色LED元件R上且反之亦然。因此，对于这两种颜色而言，回收效率较低。为了利用多彩色LED元件来增加效率，可以使用如图3所示的对称配置。在本实施例中，红色芯片(LED元件R)相对于中心20对称地布置。同样地，红色芯片被以高回收效率成像到彼此上。类似地，蓝色芯片(LED元件B)和绿色芯片(LED元件G)也相对于中心20对称地布置，并且将以高回收效率被成像到彼此上。图3B示出了图1的回收套环6和图3A的LED阵列的透视图。图4A、4B和5示出了其中相同颜色的LED元件(芯片)10被相对于中心20对称地放置的其他配置。在图4A和4B中，四个绿色LED元件、两个红色LED元件和两个蓝色LED元件被相对于中心20对称地放置。在图5中，四个绿色、四个红色和四个蓝色LED元件被相对于中心20对称地放置。图4A、4B和5所示的实施例对于要求非常高亮度的某些照明应用而言是特别期望的。图6示出了根据本发明的实施例的九个对称布置的LED元件的LED阵列。在图6中，中心LED元件X被布置在其他关于中心20对称地布置的LED元件的周界内。在所示的实施例中，在周界中存在四个绿色LED元件G、两个红色LED元件R和两个蓝色LED元件B。中心LED元件X的发光颜色可以是独立于其他的任何颜色。该颜色可以是红色、蓝色、绿色或白色或针对特定成像应用用于实现期望输出的任何其他颜色。中心LED元件X将被成像到其本身上，因为从LED元件X照射在反射面14上的光将被反射回到LED元件X本身。图7示出了其中可以将由ー个或多个LED元件/芯片制成的彩色LED定位于中心的LED阵列。如所示，可以相对于中心20对称地将另ー颜色C2的LED元件放置在任何地方。类似地,如所示,可以相对于中心20对称地将另ー颜色C3的LED元件放置在任何地方。根据期望的特定输出，LED元件X的尺寸可以如所示地大于、小于或等于其他LED元件。类似地，对于LED元件C2和C3，可以添加相同或其他顔色的更多LED元件/芯片以增加期望的颜色输出。图8A示出了具有被用作回收反射器的分立光学元件22的照明系统。元件22是用玻璃、丙烯酸、PMMA (聚甲基丙烯酸甲酷)等制成的非波导光学透明固体。光学透明固体22具有侧壁24、弯曲反射面26和LED光所通过的透射口径28。弯曲反射面26优选地相对于中心20在形状上是球形的。在所示的实施例中，口径28是透镜，根据期望的光轮廓，其可以是准直透镜或聚焦透镜。替换地，口径28可以是光所通过的扁平垂直表面。如在图1中，LED元件10被布置成使得光学透明固体22的透射口径28的光轴16经过LED元件的中心20(參见图2)，并且该中心也基本上在光学透明固体的曲率中心附近。在图8所示的实施例中，图2的RGGB LED阵列仅仅是出于图示目的示出的。本领域的普通技术人员将认识到可以使用具有诸如本申请的图2 — 7中的那些的对称布置的LED元件的任何LED阵列。在所示的实施例中，由于用于光学透明固体22的折射率基本上高于ー(例如1.5)，所以其被设计成将来自LED元件10的发射光向内折射，使得其只落在反射面26或透射口径28上。因此，侧壁22是非光学活性的，并且不以任何方式引导光。如可以看到的，从LED元件Gl照射在球形反射面26上的光被朝着对称布置的LED元件G2反射回来且反之亦然。图SB示出了具有图8A的非引导光学透明固体的照明系统的透视图。图9示出了其中LED阵列的输出被耦合到波导光导管32中的示例性回收照明系统30。換言之，波导光导管32被用作本发明的回收反射器。由于光导管30的小尺寸，本实施例在需要相对小的照明系统的情况下可能是特别有用的。LED元件10被附接于热沉42。波导光导管32具有反射面34和LED光所通过的透射口径36。反射面26可以是光导管32的外表面上的反射涂层或被附接于光导管外面的单独反射器35的一部分。如在图1中，LED元件10被布置成使得光导管32的光轴16经过LED元件的中心20 (參见图2)。反射面34将光的部分反射回到LED元件10，其一部分接着又将被朝着口径36反射回去，从而增加输出量。净效果是每单位发射面积的输出的増加，其等同于亮度的増加。然而，在图9所示的实施例中，进入光导管32的光在多次反射之后被扰乱。当使用彩色LED时，顔色将在回收期间在LED处被混合，因此降低回收效率。图1OA示出了其中使得光导管44的反射面38凹陷(相对于LED元件10)的本发明的实施例，其中，曲率被调整为使得来自相同颜色的LED元件10的光被绕着光导管的中心光轴16对称地成像到彼此上。具体地，从ー个LED元件照射在球形反射面26上的光被朝着对称布置的相同顔色的LED元件反射回来，并且反之亦然(參见图1OA中的箭头)。输出端处的口径40允许以降低的集光率将光从系统耦合出来。图1OB示出了具有图1OA的波导光导管的照明系统的透视图。在一个实施例中，反射凹面38的曲率半径基本上等于光导管的长度。换言之，反射面38相对于LED阵列18的中心20而言在形状上是球形的。集光率的减小允许输出到成像面板的高效耦合。如本文公开的其他类型的回收反射器一祥，可以将任何LED阵列与光导管32—起使用，所述任何LED阵列具有诸如本申请的图2 — 7中的那些的对称布置的LED元件。图11示出了根据本发明的实施例的结合了回收反射器的示例性投影系统。LED阵列18包含对称布置的彩色LED元件10。回收反射器50増加光输出，其然后经过复眼透镜52和中继透镜54。该光然后被中继至投影引擎56中，其包括射束分离器57、诸如LCoS(硅上液晶)芯片的成像面板58和DLP (数字光处理)芯片和投影透镜60。在投影引擎56中，射束分离器57将光指引到成像面板58。根据本发明，来自成像面板58的被成像光返回到射束分离器57，并且然后通过投影透镜60以便以増加的亮度在屏幕(未示出)上显示。以上公开内容意图是说明性而非穷举的。本描述将使人想到在不脱离本发明的范围的情况下可以由本领域的普通技术人员进行许多修改、变更以及替换。本领域的技术人员可以认识到本文所述的特定实施例的其他等价物。因此，本发明的范围不限于前述说明书。
权利要求
1.一种LED照明系统,包括； 至少一个LED元件，其具有发射光的光发射区域；以及 回收反射器，其具有适合于将照射光反射回到LED元件的曲面和发射光所通过的透射口径。
2.权利要求1的LED照明系统，其中，所述回收反射器包括球形反射面。
3.权利要求1的LED照明系统，其中，所述回收反射器包括非引导光学透明固体，其具有适合于将照射光反射回到LED元件的曲面。
4.权利要求1的LED照明系统，其中，所述回收反射器包括波导光导管，其具有适合于将照射光反射回到LED元件的曲面。
5.权利要求1的LED照明系统，其中，所述至少一个LED元件包括具有至少一对LED元件的LED阵列。
6.权利要求5的LED照明系统，其中，所述至少一对LED元件发射相同的颜色，使得来自一个LED元件的发射光被反射回到另一 LED元件。
7.—种LED照明系统,包括； LED阵列，其具有关于LED阵列的中心对称地布置的至少一对相同颜色的LED元件，每个LED元件都具有发射光的光发射区域；以及 回收反射器，其具有适合于将照射光反射回到LED元件的曲面和发射光所通过的透射口径。
8.权利要求7的LED照明系统，其中，所述回收反射器包括球形反射面。
9.权利要求7的LED照明系统，其中，所述回收反射器包括球面镜。
10.权利要求7的LED照明系统，其中，所述回收反射器包括将照射光反射回到LED元件的反射器套环，所述套环具有光所通过的中心口径。
11.权利要求10的LED照明系统，其中，所述反射器套环包括将照射在其上面的基本上所有光反射回到LED元件的球形反射面。
12.权利要求7的LED照明系统，其中，所述回收反射器包括非引导光学透明固体，其具有适合于将照射光反射回到LED元件的曲面。
13.权利要求12的LED照明系统，其中，所述光学透明固体包括球形反射面。
14.权利要求12的LED照明系统，其中，所述光学透明固体的透射口径包括准直透镜。
15.权利要求12的LED照明系统，其中，所述光学透明固体的透射口径包括聚焦透镜。
16.权利要求7的LED照明系统，其中，所述回收反射器包括波导光导管，其具有适合于将照射光反射回到LED元件的曲面。
17.权利要求16的LED照明系统，其中，所述光导管包括球形反射面。
18.权利要求16的LED照明系统，其中，所述光导管包括在所述曲面外面的反射涂层。
19.权利要求16的LED照明系统，其中，所述光导管的透射口径在形状上是矩形的或圆形的。
20.权利要求7的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括至少两对LED元件，其中，每对中的LED元件被关于LED阵列的中心对称地布置，并且第二对中的LED元件发射不同于第一对LED元件的第二颜色的光。
21.权利要求20的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括发射三种不同颜色(C1、C2、C3)的光的至少三行LED元件，其中LED元件的发光颜色是按照以下顺序布置的 在行η中C2 ; 在行η+1中C3、C1、C3 ;以及 在行n+2中C2。
22.权利要求7的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括至少三对LED元件，其中，每对中的LED元件发射三种不同颜色(C1、C2和C3)的对应一种的光，并且被关于LED阵列的中心对称地布置。
23.权利要求22的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括至少三行LED元件，其中LED元件的发光颜色是按照以下顺序布置的 在行η中C1、C3 ； 在行η+1中C2、C2 ;以及 在行n+2中C3、C1。
24.权利要求23的LED照明系统，其中，C2的颜色是绿色。
25.权利要求22的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括至少三行LED元件，其中LED元件的发光颜色是按照以下顺序布置的 在行 η 中 C1、C2、C3 ； 在行η+1中C2、X、C2 ;以及 在行n+2中03、02、(1，其中，父是(1、02、03或白色。
26.权利要求22的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括至少四行LED元件，其中LED元件的发光颜色是按照以下顺序布置的 在行η中C1、C3 ； 在行η+1中C2、C2 ; 在行n+2中C2、C2 ;以及 在行n+3中C3、C1。
27.权利要求22的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括至少四行LED元件，其中LED元件的发光颜色是按照以下顺序布置的 在行η中C2、C2 ； 在行η+1中C3、C1 ; 在行n+2中C1、C3 ;以及 在行n+3中C2、C2。
28.权利要求22的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括至少四行LED元件，其中LED元件的发光颜色是按照以下顺序布置的 在行η中C1、C1 ； 在行 η+1 中 C3、C2、C2、C3 ； 在行n+2中C3、C2、C2、C3 ;以及 在行n+3中Cl、Cl。
29.权利要求7的LED照明系统，还包括适合于同时驱动至少一对相同颜色的LED元件的驱动电路。
30.权利要求29的LED照明系统，其中所述回收反射器具有通过LED阵列的中心的光轴；以及 所述弯曲反射面包括相对于LED阵列的中心的球形反射面。
31.权利要求30的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括至少三对LED元件，其中，每对中的LED元件发射三种不同颜色(C1、C2和C3)中的对应一种的光，并且被关于LED阵列的中心对称地布置。
32.一种LED照明系统，包括； LED阵列，其具有关于LED阵列的中心对称地布置的至少一对相同颜色的LED元件，其中每个LED元件都具有发射光的光发射区域；以及 回收反射器，其具有通过LED阵列的中心的光轴、发射光所通过的透射口径和适合于将来自一个LED元件的发射光反射回到另一 LED元件的球面。
33.权利要求32的LED照明系统，其中，所述回收反射器包括反射器套环，其将照射光反射回到LED元件,该套环具有光所通过的中心口径。
34.权利要求32的LED照明系统，其中，所述回收反射器包括非引导光学透明固体，其具有适合于将照射光反射回到LED元件的曲面。
35.权利要求34的LED照明系统，其中，所述光学透明固体包括球形反射面。
36.权利要求34的LED照明系统，其中，所述光学透明固体的透射口径包括准直或聚焦透镜。
37.权利要求32的LED照明系统，其中，所述回收反射器包括波导光导管，其具有适合于将照射光反射回到LED元件的曲面。
38.权利要求32的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括至少两对LED元件，其中，每对中的LED元件被关于LED阵列的中心对称地布置，并且第二对中的LED元件发射不同于第一对LED元件的第二颜色的光。
39.权利要求38的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括发射三种不同颜色(C1、C2、C3)的光的至少三行LED元件，其中，LED元件的发光颜色是按照以下顺序布置的 在行η中C2 ; 在行η+1中C3、C1、C3 ;以及 在行n+2中C2。
40.权利要求32的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括至少三对LED元件，其中，每对中的LED元件发射三种不同颜色(C1、C2和C3)中的对应一种的光，并且被关于LED阵列的中心对称地布置。
41.权利要求40的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括至少三行LED元件，其中LED元件的发光颜色是按照以下顺序布置的 在行η中C1、C3 ； 在行η+1中C2、C2 ;以及 在行n+2中C3、C1。
42.权利要求41的LED照明系统，其中，C2的颜色是绿色。
43.权利要求40的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括至少三行LED元件，其中LED元件的发光颜色是按照以下顺序布置的 在行 η 中 C1、C2、C3 ；在行η+1中C2、X、C2 ;以及 在行n+2中03、02、(1，其中，父是(1、02、03或白色。
44.权利要求40的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括至少四行LED元件，其中LED元件的发光颜色是按照以下顺序布置的 在行η中C1、C3 ； 在行η+1中C2、C2 ; 在行n+2中C2、C2 ;以及 在行n+3中C3、C1。
45.权利要求40的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括至少四行LED元件，其中LED元件的发光颜色是按照以下顺序布置的 在行η中C2、C2 ； 在行η+1中C3、C1 ; 在行n+2中C1、C3 ;以及 在行n+3中C2、C2。
46.权利要求40的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括至少四行LED元件，其中LED元件的发光颜色是按照以下顺序布置的 在行η中C1、C1 ； 在行 η+1 中 C3、C2、C2、C3 ； 在行n+2中C3、C2、C2、C3 ;以及 在行n+3中Cl、Cl。
47.权利要求32的LED照明系统，还包括适合于同时驱动至少一对相同颜色的LED元件的驱动电路。
48.权利要求47的LED照明系统，其中 所述回收反射器具有通过LED阵列的中心的光轴；以及 所述弯曲反射面包括相对于LED阵列的中心的球形反射面。
49.权利要求48的LED照明系统，其中，所述LED阵列包括至少三对LED元件，其中，每对中的LED元件发射三种不同颜色(C1、C2和C3)中的对应一种的光，并且被关于LED阵列的中心对称地布置。
全文摘要
一种LED照明系统包括至少一个LED元件和具有透射口径的回收反射器，发射的光通过该透射口径。回收反射器具有适合于将照射光反射回到LED元件以通过透射口径获得改善的光输出的曲面。
文档编号F21V7/00GK103038566SQ201180027117
公开日2013年4月10日 申请日期2011年3月31日 优先权日2010年4月1日
发明者K.李 申请人:微阳有限公司