專利名稱：用于披覆熒光體的透鏡的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
、
本公開一般涉及光學(xué)系統(tǒng)。更特別地，本公開涉及用于使用透鏡的系統(tǒng)和方法。本公開還涉及使用LED/透鏡陣列，以生成具有選定顏色和/或色溫的高度均勻的光分布。
背景技術(shù)：
突光體是沿所有方向發(fā)射光的各向同性的發(fā)射器。在傳統(tǒng)的LED實(shí)施方式中，突光體被施加在LED芯片上，在與LED緊鄰的硅樹脂基體中、或者LED拱頂(dome)或其它LED封裝的外側(cè)。拱頂或透鏡可以應(yīng)用于披覆有突光體的LED芯片以控制從朗伯(Lambertian)到非常窄的斑點(diǎn)的光束角(形狀)。這種裝置的范圍為從半球形透鏡到T-5mm(Tl3/4)非球面。例如，一個用于制造白光LED的常規(guī)系統(tǒng)構(gòu)造有泵藍(lán)光/紫外線的LED芯片和緊鄰的在諸如硅樹脂的粘合基體中的熒光體的混合物。術(shù)語“杯中的糊狀物(goop)”用于描述在反射杯內(nèi)藍(lán)光泵上方具有平坦的或非常接近于平坦的熒光體與硅樹脂混合物的LED。在遠(yuǎn)距離的熒光體系統(tǒng)中，在拱頂外側(cè)或半球形殼體內(nèi)側(cè)遠(yuǎn)離芯片地施加熒光體以增大轉(zhuǎn)換效率。然而，可能需要附加的透鏡以控制光束形狀。GE VIO采用了遠(yuǎn)距離的熒光體方案。當(dāng)前的系統(tǒng)由于LED芯片和熒光體顆粒的發(fā)熱而遭受效率損失。另外，當(dāng)前許多系統(tǒng)要求輔助光學(xué)器件或附加的透鏡，以使從拱頂或披覆熒光體的LED發(fā)射的光成形為期望的射束角。透鏡到拱頂?shù)鸟詈显斐纱蠹s10%或更大的效率損失。此外，在使用多種顏色熒光體時，當(dāng)前系統(tǒng)由于交叉激發(fā)而遭受轉(zhuǎn)換損失。例如，發(fā)射紅光的熒光體可以吸收來自發(fā)射綠光的突光體的下變頻(down convert)的光而非泵波長，由此引入進(jìn)一步的損失。下列美國專利描述了先前在應(yīng)對熒光體轉(zhuǎn)換發(fā)光裝置中一些挑戰(zhàn)方面的努力。美國專利No. 6，614，179公開了具有藍(lán)色發(fā)光二極管和熒光體部件的發(fā)光裝置。美國專利No. 5，998，925,6, 069, 440和6，608, 332公開了白色發(fā)光裝置，每個白色發(fā)光裝置具有氮化物化合物半導(dǎo)體和包含釔-鋁-石榴石(YAG)成分的熒光體。氮化物化合物半導(dǎo)體用作發(fā)光層。熒光體吸收發(fā)光層發(fā)射的光的一部分，并發(fā)射波長與吸收的光不同的光。美國專利No. 6，737，681公開了用于白色光封裝的芯片放置設(shè)計(jì)。一示例包括具有凹形圓弧的彎曲表面的熒光構(gòu)件，其從外殼底部的高度，以基本上沿著橢圓或伸長的圓形的全部周邊延伸的形狀傾斜地向上延伸。它反射從半導(dǎo)體發(fā)光元件的側(cè)面發(fā)射的光，以更有效地利用由半導(dǎo)體發(fā)光兀件發(fā)射的光的一部分和由側(cè)面發(fā)射的光的大部分。美國專利No. 6, 924, 596公開了顏色轉(zhuǎn)換型發(fā)光設(shè)備，其具有發(fā)光裝置和由包含光致發(fā)光熒光物質(zhì)的且直接披覆發(fā)光裝置的環(huán)氧樹脂形成的顏色轉(zhuǎn)換構(gòu)件。美國專利No. 7，091，656和7，247，257公開了發(fā)光裝置，其為了更完全的顏色重現(xiàn)而使用至少兩種熒光體的混合物。美國專利No. 7，071，616公開了一種光源，其具有藍(lán)色LED、具有接收來自藍(lán)色LED的光注入的平坦主表面和端面的光波導(dǎo)板以及位于藍(lán)色LED和光波導(dǎo)板之間的包含熒光材料的透明樹脂或玻璃的涂層材料。光波導(dǎo)板用于最后的光混合。美國專利No. 7，026，756,7, 126，274,7, 329，988,7, 362，048公開了包括用于顯示器背光的發(fā)射光譜和封裝設(shè)計(jì)的發(fā)光裝置，其具有藍(lán)光LED和熒光體部件。美國專利No. 6，960，878公開了 LED芯片，其具有藍(lán)光晶片(die)和熒光體，并為了更好的可靠性和光學(xué)穩(wěn)定性而包括環(huán)氧樹脂。美國專利No. 7，256，468公開了發(fā)光裝置，其具有發(fā)光元件和具有散熱特性與機(jī)械強(qiáng)度的用于容置發(fā)光元件的金屬封裝。

發(fā)明內(nèi)容
在此描述的實(shí)施例提供了光學(xué)系統(tǒng)，其中熒光體可以在光進(jìn)入透鏡主體之前對光進(jìn)行下變頻。一實(shí)施例可包括包含了 LED、透鏡和布置在透鏡上的熒光體的系統(tǒng)。LED被安 置于由基底和一個或更多個側(cè)壁限定的空腔中。熒光體被布置在透鏡上在透鏡主體的入射面和LED之間，以使得從LED發(fā)射的光將入射在熒光體上，并在通過入射面進(jìn)入透鏡主體之前至少部分地被下變頻。安置透鏡以使得熒光體與LED分離開一定間隙。熒光體可以被布置作為在透鏡主體的入射面上、在熒光體和入射面之間的緩沖層上或者布置在透鏡上的涂層。根據(jù)一實(shí)施例，透鏡主體可被成形為發(fā)射在期望的半角內(nèi)具有均勻分布的光。另外，透鏡主體可被成形為保存(conserve)亮度或在期望的百分比內(nèi)保存亮度?？涨豢删哂袀?cè)壁，該側(cè)壁被成形為將空腔中的光引導(dǎo)至LED的入射面?？蛇x擇形成空腔側(cè)壁的材料以將光反射到入射面。在另一個實(shí)施例中，反射器可圍繞LED。反射器可以是單獨(dú)的部件，或根據(jù)一實(shí)施例，如果空腔填充了密封劑則可以由空腔邊緣處的表面張力形成。光學(xué)系統(tǒng)的另一個實(shí)施例可以包含次安裝基臺(submount)、安裝到次安裝基臺的LED陣列、外殼和一組透鏡。外殼可以和次安裝基臺協(xié)同而至少部分地限定一組LED空腔。外殼還可以限定一組透鏡空腔以容納透鏡。每個透鏡空腔可以對相應(yīng)的LED空腔開口。透鏡可以布置在透鏡空腔中，每個透鏡包含入射面，該入射面與對相應(yīng)LED空腔的開口緊鄰。可以在每個透鏡上在入射面和相應(yīng)LED之間布置一層熒光體，以使得光在進(jìn)入透鏡主體之前被下變頻。每個透鏡的入射面被安置為與相應(yīng)LED相隔一距離，以使得在LED和熒光體之間存在間隙?？梢皂樞虻爻练e多種熒光體以減少交叉激發(fā)。每個透鏡空腔可以由一組側(cè)壁限定。這組側(cè)壁可以成形為使得透鏡空腔在與對相應(yīng)LED空腔的開口緊鄰處較小，而在遠(yuǎn)離相應(yīng)LED空腔的開口處較大。在這組透鏡中的每個透鏡可以被配置為發(fā)射在選定半角中具有均勻分布圖案的光。這組透鏡可以被緊密地組裝，以使得光學(xué)系統(tǒng)在比該組透鏡中的單個透鏡大的區(qū)域之上在選定半角中以均勻分布圖案發(fā)射光。另外，可以將這組透鏡中的每個透鏡成形為保存亮度。根據(jù)一實(shí)施例，系統(tǒng)可以包括在相應(yīng)的透鏡空腔內(nèi)支撐一個或更多個透鏡的蓋子。蓋子和一個或更多個透鏡可以由單片材料形成?？蛇x擇布置在每個透鏡上的熒光體層，以使得該組透鏡中的不同透鏡發(fā)射不同顏色的光。舉例來說，然而并非限制，選擇布置在每個透鏡上的熒光體層以使得光學(xué)系統(tǒng)形成一個或更多個白光單元。由在此描述的實(shí)施例提供的一個優(yōu)點(diǎn)是，從LED芯片上去除了熒光體。因此減少或防止LED芯片的發(fā)熱。作為另一個優(yōu)點(diǎn)，由于熒光體與LED有源層分離，因此可以增大熒光體轉(zhuǎn)換效率。由于斯托克位移的熒光體的自身發(fā)熱可以由通過透鏡材料和系統(tǒng)次安裝基臺/散熱器的熱耗散抑制。作為一些實(shí)施例的又一個優(yōu)點(diǎn)，由于在透鏡的入口處的降低的通量密度，因此可以實(shí)現(xiàn)較高的熒光體轉(zhuǎn)換效率。
作為各種實(shí)施例的另一個優(yōu)點(diǎn)，在亮度保存的單獨(dú)光學(xué)裝置的入射表面處安置熒光體可以提供在熱方面的考慮和有效的突光體封裝效率之間的最佳平衡。在此描述的實(shí)施例還提供靈活的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因?yàn)榭梢詫⑴矡晒怏w的透鏡與LED芯片分離，所以它可與各種類型的光學(xué)裝置(包括常規(guī)的發(fā)光裝置)結(jié)合使用。作為又一個優(yōu)點(diǎn)，在同一個光學(xué)裝置處可以實(shí)現(xiàn)光束圖案控制、混色和顏色轉(zhuǎn)換。實(shí)施例可以通過使用亮度保存的透鏡提供在遠(yuǎn)場的均勻空間分布來提供另一個優(yōu)點(diǎn)，使得下面的光學(xué)系統(tǒng)能夠保存光源的擴(kuò)展度(etendue)。亮度保存熒光體透鏡的實(shí)施例通過允許近場和/或遠(yuǎn)場顏色和空間的均勻性或者允許近場和/或遠(yuǎn)場修整的(tailored)顏色分布和空間分布來提供另一個優(yōu)點(diǎn)。在此公開的實(shí)施例可以進(jìn)一步地允許緊密組裝披覆熒光體的透鏡。在此描述的實(shí)施例還提供使用LED (或其它光源)和透鏡的陣列的系統(tǒng)，以便在選定光束角內(nèi)生成高度均勻的光。


通過參考結(jié)合附圖的以下描述，可以獲得對實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)的更完整的理解，在附圖中類似的附圖標(biāo)記指示類似的特征，并且在附圖中圖1-4是光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)施例的圖示；圖5-6是披覆熒光體透鏡的實(shí)施例的圖示；圖7是封裝陣列的一實(shí)施例的圖示；圖8是封裝陣列的實(shí)施例的截面的圖示；圖9是在空腔中的LED的圖示；圖10是封裝陣列的實(shí)施例的一部分的圖示；圖11是封裝陣列的實(shí)施例的另一部分的圖示；圖12是安裝在次安裝基臺上的LED陣列的圖示；圖13是封裝陣列的外殼的一部分的實(shí)施例的圖示；圖14是封裝陣列的另一個實(shí)施例的一部分的圖示；圖15是封裝陣列的實(shí)施例的另一部分的圖示；圖16是透鏡組件的實(shí)施例的圖示；
圖17A是用于確定側(cè)壁形狀的透鏡的模型的截面的圖示；圖17B是透鏡側(cè)壁的一部分的實(shí)施例的圖示；圖17C是示出了可以使用計(jì)算機(jī)程序限定用于側(cè)壁的小平面(facet)的圖示；圖17D是具有成形為引起TIR以使得射線從側(cè)壁反射到出射表面的側(cè)壁的透鏡的一實(shí)施例的圖不;圖18是示出了出射平面的一實(shí)施例的圖示；圖19是用于估計(jì)有效立體角的一實(shí)施例的圖示；圖20A-20E是描述用于估計(jì)有效立體角的另一個實(shí)施例的圖示；圖21是光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)施例的圖示；圖22是光學(xué)系統(tǒng)的另一個實(shí)施例的圖示；圖23A和23B是顯示了示出30度半角光組合的透鏡/LED組合的圖示；圖24是透鏡陣列和產(chǎn)生的光圖案的圖示；圖25A-25C是彩色光源的排列的圖示；圖26是光學(xué)單元陣列和控制器的實(shí)施例的圖示；圖27是具有熒光體的透鏡的另一個實(shí)施例的圖示；圖28是具有熒光體的透鏡的又一個實(shí)施例的圖示；圖29是具有熒光體的透鏡的一實(shí)施例的圖示；以及圖30是另一個具有熒光體的透鏡的圖示。
具體實(shí)施方式

參考在附圖中示出且在下面說明書中詳細(xì)描述的示例性的且因此非限制性的示例，來更充分地說明實(shí)施例及其各個特征和有利細(xì)節(jié)?？梢允÷砸阎脑牧虾凸に嚨拿枋鲆员悴粫槐匾啬：竟_的細(xì)節(jié)。但是，應(yīng)當(dāng)理解，在指示優(yōu)選實(shí)施例時的詳細(xì)描述和具體的示例是以僅僅例證的方式而不是以限制的方式給出的。根據(jù)本公開，在內(nèi)在的發(fā)明構(gòu)思的精神和/或范圍內(nèi)的各種替換、修改、增加和/或重新布置對本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得明顯。這里使用的術(shù)語“包括”、“包括......的”、“包含”、“包含......的”、“具有”、
“具有......的”或其任何其它變形意圖覆蓋非排它的包括。例如，包括一列要素的工藝、
產(chǎn)品、物品或裝置不一定僅僅限于那些要素，而是可以包括沒有明確列出的或這種工藝、產(chǎn)品、物品或裝置固有的其它元件。此外，除非有明確的相反的陳述，否則“或”指的是兼或(inclusive or)而不是異或。例如，以下中的任何一種滿足條件“A或B”:A是真(或存在)且B是假(或不存在)、A是假(或不存在)且B是真(或存在)、以及A和B 二者都是真(或存在)。另外，這里給出的任何示例或例證不應(yīng)以任何方式被視為對它們使用的任何一個或多個術(shù)語的限制、局限于所述任何一個或多個術(shù)語、或者表示對所述任何一個或多個術(shù)語的限定。相反，這些示例或例證應(yīng)被視為是對于一個特定實(shí)施例而描述的并且僅僅是說明性的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，這些示例或例證使用的任何一個或多個術(shù)語涵蓋在此處或在說明書中其它地方可能給出或可能沒有給出的其它實(shí)施例及其實(shí)施方式和修改，并且所有這樣的實(shí)施例意圖被包括在該一個或多個術(shù)語的范圍內(nèi)。指明這樣的非限制性示例和例證的語言包括但不限于“例如”、“比如”、“舉例來說”、“在一個實(shí)施例中”等等。現(xiàn)在將詳細(xì)參考本公開的示例性實(shí)施例，附圖中示出了其示例。只要可能，類似的數(shù)字將在全部附圖中被用來指示各個附圖的類似的和對應(yīng)的部件(元件)。在此描述的實(shí)施例提供一種光學(xué)系統(tǒng)，其將光子轉(zhuǎn)換材料維持為離開光源并在光源和透鏡的入射面之間。光源可以被布置在具有基底和側(cè)壁的空腔內(nèi)。在一實(shí)施例中，空腔可以由外殼和次安裝基臺協(xié)同形成?？梢园仓猛哥R以使得透鏡的入射面與光源相距選定的距離?？梢栽谕哥R上在透鏡的入射面和光源之間布置一層光子轉(zhuǎn)換材料，以使得該材料在光進(jìn)入透鏡之前將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)換為不同的波長。光子轉(zhuǎn)換材料可以被直接布置在透鏡的入射面上、緩沖層上或透鏡的另一層上。在下面的示例中光源為LED而光子轉(zhuǎn)換材料包括熒光體和/或量子點(diǎn)。然而應(yīng)當(dāng)理解，在此公開的實(shí)施例可以使用其它光源和光子轉(zhuǎn) 換材料。圖1-4是包含與LED 110分離一定間隙的透鏡105的光學(xué)系統(tǒng)的圖示。LED可以是如圖I和圖2中所示的橫向LED、在圖3中所示的倒裝芯片的LED、如圖4中所示的豎直LED或任何其它合適類型的LED或光源。LED 110可以包括襯底115，該襯底115具有包括藍(lán)寶石、碳化硅、金剛石、模制玻璃或其它襯底材料的任何合適的LED襯底材料。另外，LED110可以具有非襯底層120，其可以包括一個或更多個摻雜的層或區(qū)域、緩沖層或其它層。非襯底層120可以包括發(fā)光區(qū)(或有源區(qū))，典型地諸如InGaN或AlInGaP或AlGaN的化合物半導(dǎo)體。LED 110可以是矩形的(包括正方形)、六角形的、圓形的或具有另一個幾何圖形的或不規(guī)則的形狀。LED 110安裝于次安裝基臺125。根據(jù)一實(shí)施例，可以由具有高熱導(dǎo)率的材料制成的次安裝基臺125散布及傳導(dǎo)由LED 110產(chǎn)生的熱量。可以使用本領(lǐng)域中任何已知的或開發(fā)的合適的次安裝基臺。LEDllO被布置在由外殼135限定的LED空腔130中。外殼135可以是較大外殼的一部分、安裝在次安裝基臺125上的材料層(多層)或安置在LED 110周圍與次安裝基臺125或其它層協(xié)同形成空腔的其它材料。例如，根據(jù)一實(shí)施例，材料135可以是安裝于次安裝基臺125的一層模制塑料。根據(jù)一實(shí)施例，LED空腔130可以具有平行于LED的側(cè)面的筆直的側(cè)壁(即，從圖I中看是豎直的)。在其它實(shí)施例中，LED空腔130的壁可以是彎曲的(例如，拋物線的、多拋物線的或其它曲線形狀)、錐形的或被成形為更好地引導(dǎo)光向上。LED空腔130可以填充有空氣、模制硅樹脂、混有熒光體顆粒的硅樹脂、模制塑料或其它密封劑。使用具有比LED110更高折射率的材料可以防止光由于LEDllO中的全內(nèi)反射(“TIR”)而陷在LED 110中，由此允許更多的光脫離進(jìn)入LED空腔130中。布置在LEDllO周圍的反射器140(見圖2)可以朝著透鏡105反射光。在一些實(shí)施例中，反射器140可以是分立元件。舉例來說，然而并非限制，反射器可以是特氟綸(Teflon)、特氟綸紙、漫反射塑料、覆銀的塑料、白紙、覆TiO2的材料或其它反射材料。在另一個實(shí)施例中，反射器140可以通過材料135或密封劑的選擇來形成。例如，材料135可以是白色塑料材料，使得壁固有地形成漫射白光反射器。在另一個實(shí)施例中，反射器140可以由布置在LED空腔130中的密封劑的表面張力形成。在一些情況下，LED可以僅從LED的某些部分的側(cè)面向外漏光。在圖4的實(shí)施例中，例如，襯底115可以包括不透明側(cè)面，使得LEDllO不從它的襯底115的側(cè)面發(fā)射光。于是，可以構(gòu)造光學(xué)系統(tǒng)110，以使得反射器140僅圍繞通過其發(fā)射光的LED 110的側(cè)面部分。透鏡105可以包括入射面150以接收進(jìn)入透鏡105的透鏡主體107之內(nèi)的光。透鏡主體105是負(fù)責(zé)將光從入射面引導(dǎo)或分配到出射面的透鏡105的主要部分。然而，應(yīng)當(dāng)注意，透鏡105可以包括光在進(jìn)入入射面150之前可能穿過的附加層，比如緩沖層或保護(hù)層。根據(jù)一實(shí)施例，入射面150可以平行于LEDllO的主要發(fā)射平面(例如，平行于圖2中的面117的平面)。在其它實(shí)施例中，入射面相對于LED的主要發(fā)射平面可以具有另一個方向(例如，垂直的)。熒光體層145可以布置在透鏡105上在透鏡主體107的入射面和LED110之間。突光體層可以直接布置在入射面150上或在位于突光體層145和入射面150之間的緩沖層上。在熒光體層145中的熒光體吸收能量較高、波長短的光波，并且再發(fā)射能量較低、波長較長的光。由熒光體層145發(fā)射的光可以通過入射面150進(jìn)入透鏡主體107。根據(jù)一實(shí)施例，熒光體層145可以在披覆在透鏡主體107的入射面150上的粘合材料(比如硅樹脂)中包括熒光體顆粒層。熒光體顆?？梢园ㄈ魏魏线m尺寸的熒光體顆 粒，包括但不限于納米熒光體顆粒、量子點(diǎn)或者更小或更大的顆粒，且可以包括單色或多色的熒光體顆粒。在其它實(shí)施例中，可以通過一個或更多個緩沖層將熒光體層145與透鏡主體107的入射面150分離。也可以有與透鏡主體107耦合的附加材料層在熒光體層145間，使得，例如，熒光體層145夾在入射面150和一個或更多個附加材料層之間?？梢杂谜凵渎蕘磉x擇材料和粘合劑，使得在層邊界不會出現(xiàn)損失或使損失最小化。可以使用本領(lǐng)域中任何已知的或開發(fā)的技術(shù)(包括但不限于絲網(wǎng)法、模版印刷、襯墊印刷、針筒分配或噴射)來布置熒光體。系統(tǒng)100發(fā)射的光的顏色可以基于LED 110和在熒光體層145中的熒光體顆粒來選擇。例如，LED 110可以是紫外光LED，并且熒光體層145可以包括將紫外光下變頻為紅光、綠光、藍(lán)光、黃光或其它顏色光的熒光體。在另一個示例中，LED 110可以是藍(lán)光LED，并且熒光體層145可以將藍(lán)色光下變頻為期望的顏色?？梢赃x擇反射器140以反射由LED110發(fā)射的彩色光和從熒光體層145下變頻的光。安置透鏡105以使得熒光體層145與LED 110保持距離?？梢杂猛鈿肀３滞哥R105的位置，將透鏡105耦合于LED空腔130中的密封劑，或者相對LED 110安置透鏡105。如果透鏡105粘附于密封劑，可以使用折射率等于或大于密封劑的粘合劑以防止在密封劑/粘合劑邊界的TIR。透鏡105可以充當(dāng)光導(dǎo)以引導(dǎo)光從入射面150到出射面155?？梢岳迷诔尚蔚膫?cè)壁157處的TIR以將光引導(dǎo)至出射面155的透鏡105的示例描述如下，并且在2006年I月5日提交的Duong等人的題為“Optical Device”的美國臨時專利申請No. 60/756，845和2007 年 I 月 3 日提交的題為 “Separate Optical Device for Directing Light from anLED”的美國專利申請No. 11/649,018中，其中每個申請的全部通過參考而被并入于此。透鏡105可以是單獨(dú)的光學(xué)裝置，其被設(shè)計(jì)為使得在可能的最小的封裝設(shè)計(jì)中可以通過對出射面面積155、出射面155和入射面150之間的距離以及側(cè)壁157的設(shè)計(jì)的選擇將所有的光提取至出射面155外(不考慮菲涅耳損失)。其它實(shí)施例可以被成形為具有不同的尺寸或?qū)崿F(xiàn)不同的提取效率。例如，根據(jù)一實(shí)施例，可以配置透鏡105使得至少70%的在入口 150處進(jìn)入透鏡主體107的光逸出出射面155。也可以使用具有較低提取效率的透鏡105。另夕卜，可以選擇透鏡105以提供均勻的光分布并在期望的半角內(nèi)發(fā)光。根據(jù)一實(shí)施例，可以如下所述結(jié)合圖19A-19D來選擇透鏡105的形狀。還可以使用透鏡的其它實(shí)施例，包括但不限于拱頂、菲涅耳、圓錐的、錐形或其它透鏡。根據(jù)一實(shí)施例，透鏡主體107可以是具有單一折射率的一片立體材料。操作中，LED 110產(chǎn)生可以從表面117 (見圖2)和側(cè)面119 (見圖2)逸出LED 110的光。反射器140用作用于將脫離側(cè)面119的光重新引導(dǎo)到透鏡主體107的入射表面150的重新引導(dǎo)透鏡。當(dāng)光入射在熒光體層145上時，熒光體層145將光下變頻并發(fā)射光進(jìn)入透鏡主體107之內(nèi)和回到LED空腔130之內(nèi)。反射器140可以再一次將LED空腔130中的光引導(dǎo)至入射面150。透鏡主體107引導(dǎo)進(jìn)入入射面150的光從熒光體層145到出射面155。如果透鏡主體107提供在期望的半角內(nèi)均勻分布的光，那么就不要求必須附加透鏡以使光束成形。于是，可以用單一透鏡實(shí)現(xiàn)顏色轉(zhuǎn)換和光束成形。一個考慮是熒光體在使用期間可以發(fā)熱達(dá)到大約150°C的溫度。于是，透鏡主體107可以由可以在此溫度經(jīng)得起連續(xù)使用的材料構(gòu)造。在另一個實(shí)施例中，可以在熒光體層145和透鏡105的入射面150之間引入硅的或其它能經(jīng)得起高溫的材料的緩沖層。在可以使用更厚或更薄的緩沖器的同時，一實(shí)施例可以包括一層100到200微米厚的硅。這可以允許，例如，為透鏡主體107使用聚碳酸酯。例如，圖5和圖6是具有主體107、緩沖器160層和熒光體層145的透鏡105的實(shí)施例的圖示。緩沖層可以是合適的耐高溫材料，比如硅或其它可以經(jīng)得起所選的熒光體層145的工作溫度的材料。在一實(shí)施例中，緩沖器160可以粘附于或耦合于透鏡主體107的底部，或者，如圖7所示，緩沖器160的所有或一部分可以靜置于在透鏡105的入射面處形成的容器(pocket)內(nèi)。熒光體層可以作為緩沖層160上的涂層而被布置在透鏡105上。圖5和6也示出了將透鏡105粘附于LED空腔130中的密封劑的粘合層(圖1_4)。在此描述的實(shí)施例提供了優(yōu)于和LED —起使用熒光體的傳統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)闊晒怏w從LED移開了一定距離。因?yàn)闊晒怏w位于透鏡的入口，所以有高耦合效率。另外，可以降低熒光體由于斯托克位移的自身發(fā)熱，因?yàn)榭梢酝ㄟ^透鏡140、外殼135和/或次安裝基臺125的材料耗散熱量。由于在透鏡105的入射面150處的低通量密度，因此還可以實(shí)現(xiàn)更高的熒光體轉(zhuǎn)換效率?？梢詢?yōu)化熒光體145和LED 110之間的距離以提供熱方面的考慮和有效的熒光體封裝效率之間的最佳平衡。雖然可以根據(jù)需要或期望使用任何有合適間隙尺寸的間隙，但是光學(xué)系統(tǒng)的一實(shí)施例在表面117 (見圖2)和熒光體層145之間具有100-200微米的間隙。另外，在此描述的實(shí)施例提供靈活的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因?yàn)榕矡晒怏w的透鏡可以與LED芯片分離，所以可將它與各種類型的光學(xué)裝置(包括常規(guī)的發(fā)光裝置)連同使用。此夕卜，LED 110可以依據(jù)需要與各種不同的透鏡類型一起使用。透鏡105的有些實(shí)施例可以以陣列方式被緊密地組裝。根據(jù)一實(shí)施例，可以形成透鏡105的陣列，其中選擇每個透鏡105來在期望的半角內(nèi)發(fā)射在近場和遠(yuǎn)場具有均勻分布的光。透鏡105可以被間隔開為使得在由相鄰?fù)哥R105發(fā)射的光之間沒有可覺察的間隙。因?yàn)閺拿總€透鏡105發(fā)射的光是均勻的并且在期望的半角內(nèi)，所以陣列的光輸出將會在期望的半角內(nèi)具有均勻的近場和遠(yuǎn)場分布，但是比通過單一透鏡發(fā)射的光覆蓋更大的區(qū)域。這為顯示器或照明制造商提供了非常實(shí)際的益處，因?yàn)椴辉傩枰郊拥墓鈱W(xué)器件以將來自使用熒光體的LED陣列的光變?yōu)槠谕慕嵌戎畠?nèi)。
圖7是封裝陣列200的一實(shí)施例的圖示。在圖7的實(shí)施例中，封裝陣列200包含次安裝基臺125、主外殼205和蓋子210。次安裝基臺125為LED提供機(jī)械支撐和電學(xué)連接。次安裝基臺材料的實(shí)施例包括但是不局限于具有熱通孔的低溫共燒陶瓷(LTCC)、具有熱通孔的高溫共燒陶瓷(HTCC)、氧化鈹(BeO)陶瓷、礬土陶瓷、硅、氮化鋁(AlN)、金屬(Cu、Al等)和柔性電路。主外殼205可以由合適的材料(包括但不限于塑料、熱塑性塑料和其它類型的聚合材料)形成。也可以使用合成材料或其它工程用材料。在一些實(shí)施例中，主外殼205可以通過塑料注射成型制造工藝來制造。還可以使用各種成型工藝和其它類型的制造工藝。在一些實(shí)施例中，主外殼205可以是不透明的。在一些實(shí)施例中，主外殼205可以是透明的或半透明的。主外殼205可以被接合或耦合到材料層215，以便完成LED和透鏡周圍的外殼。在其它實(shí)施例中，外殼可以由合適材料的任意數(shù)量的層或塊形成，該合適材料將不會在操作期間由于加熱而不可接受地變形，并且可以針對使用、運(yùn)輸或制造期間預(yù)期的接觸或沖擊而保護(hù)LED和透鏡。 在圖7的實(shí)施例中，封裝陣列200是4X4陣列，并且每4個透鏡一組共用一個蓋子210。在其它實(shí)施例中，單個蓋子210可以被用于所有的透鏡，或者每個透鏡可以具有其自己的蓋子210。根據(jù)一實(shí)施例，蓋子210可以具有足夠的厚度以防止透鏡在封裝陣列200的操縱期間受到損害。圖8是示出了主外殼205、透鏡105、蓋子210、LED 110、LED空腔130、外殼層215和次安裝基臺125 (為清晰起見僅示出了單個的示例)的封裝陣列200的一實(shí)施例的截面圖的圖示。在圖8的實(shí)施例中，蓋子210與透鏡105集成，使得它們形成單個透鏡組件。蓋子210可以與其它透鏡105集成，以使得單個透鏡組件將具有蓋子部分和多個透鏡部分。透鏡105的主體107和蓋子210可以由單片模制塑料、聚碳酸酯或其它材料制成。在其它實(shí)施例中，蓋子210可以使用粘合劑耦合于透鏡105。蓋子210還可以簡單地與透鏡105接觸或可以與透鏡105分離開一定間隙。如果透鏡105設(shè)計(jì)成在特定的周圍介質(zhì)(例如，空氣)中限制出射面處的TIR，那么可以選擇耦合于出射面的任何層或蓋子以使得增加了層或蓋子的時候不會發(fā)生TIR。例如，蓋子210和任何粘合劑或在透鏡105和蓋子210之間的其它層可以具有選定的折射率，以使得如果在沒有層/蓋子時不會發(fā)生TIR，則它們不會在透鏡105的出射面引起TIR。在其它實(shí)施例中，可以考慮了到蓋子210的轉(zhuǎn)變(transition)來選擇透鏡主體107的形狀。蓋子210可以是光學(xué)透明材料(比如塑料、玻璃、合成材料或其它材料)，并且可以包括一個或更多個層。另外，蓋子210可以包括執(zhí)行光子轉(zhuǎn)換(例如，附加的熒光體層)、濾光或與逸出透鏡105的光有關(guān)的其它功能的材料層。主外殼205形成尺寸適合透鏡105的透鏡空腔220。透鏡空腔220的側(cè)壁225可以是彎曲的，以匹配或接近透鏡105的側(cè)壁形狀，以使得透鏡空腔220的尺寸在緊鄰對應(yīng)的LED空腔130處較小而在遠(yuǎn)離LED空腔130處較大。在其它實(shí)施例中，側(cè)壁225可以是豎直方向上筆直的(從圖8看)，或者可以是錐形的。側(cè)壁225可以包括反射涂層或其它涂層以反射任何從透鏡105的側(cè)面泄漏到蓋子205的出口的光。在另一個實(shí)施例中，主外殼205可以由白色塑料或其它顏色材料形成以使側(cè)壁225形成反射器。根據(jù)一實(shí)施例，可以限定透鏡空腔220的尺寸，以使得在透鏡主體107的側(cè)壁和透鏡空腔220的側(cè)壁225之間存在間隙以保持在透鏡主體107內(nèi)的TIR。間隙的尺寸可以是恒定的，或者可以從透鏡空腔220的基底開始進(jìn)一步地增大或減小。間隙可以填充有空氣或其它材料。優(yōu)選地，材料具有與透鏡105的主體107相比相同或較低的折射率。在其它實(shí)施例中，側(cè)壁225可以接觸透鏡主體107的側(cè)壁，并且充當(dāng)在透鏡主體107內(nèi)的光的反射器。主外殼205可以包括肩部230，在該肩部230上靜置了蓋子210的壁架(ledge) 235。粘合劑、機(jī)械緊固件或其它合適的緊固機(jī)構(gòu)可被用于將蓋子210耦合于主外殼205。在其它實(shí)施例中，輔助結(jié)構(gòu)(比如夾具結(jié)構(gòu))可以相對于主外殼205維持住蓋子210。根據(jù)一實(shí)施例，通過將蓋子210耦合于主外殼205，透鏡105被保持在透鏡空腔220內(nèi)的期望的位置。在這種情況下，透鏡105可以不需要為蓋子205附加附件。在其它實(shí)施例中，透鏡105的一部分可以在透鏡空腔220的基底處粘附于或者耦合于肩部240，或者透鏡105的其它部分可以耦合于主外殼205。 主外殼205與次安裝基臺125和外殼層215協(xié)同限定了 LED空腔130的一部分或全部。雖然LED空腔130顯示有豎直的側(cè)壁，但是LED空腔130可以具有錐形、彎曲或其它形狀的側(cè)壁以充當(dāng)重新引導(dǎo)透鏡。到LED空腔130的開口可以具有與LED 110相同的形狀，并且旋轉(zhuǎn)地與LED 110對準(zhǔn)，或者可以具有其它形狀或?qū)?zhǔn)?？梢跃o鄰入射面150布置熒光體層，使得逸出LED空腔130的光將入射在熒光體層上。熒光體層在光進(jìn)入透鏡主體107之前將光下變頻。下變頻的光被引導(dǎo)通過透鏡105并且從蓋子210出射。透鏡主體107的入射面150可以具有與到LED空腔130的開口相同的形狀，并且旋轉(zhuǎn)地與到LED空腔130的開口對準(zhǔn)，或者可以具有其它形狀或?qū)?zhǔn)。圖9是LED空腔130的一實(shí)施例的截面圖的圖示。次安裝基臺125形成空腔的基底，同時由主外殼205和層215形成側(cè)壁。根據(jù)一實(shí)施例,LED 110的一部分可以延伸進(jìn)入由主外殼205限定的LED空腔130的部分之內(nèi)。例如，包括LED的有源區(qū)的非襯底層120可以延伸進(jìn)入這一開口之內(nèi)，或者，在倒裝芯片設(shè)計(jì)中，襯底115可以延伸進(jìn)入這一部分內(nèi)。LED空腔130可以在離次安裝基臺125更近處變得更大，以容納電學(xué)連接或提供圍繞LED 110的空間。雖然顯示了主外殼205、層215和次安裝基臺125的一部分，但是封裝陣列200可以包括限定空腔130的附加層。圖10是移除了主外殼205的封裝陣列200的圖示?？梢栽趫D10中注意到，透鏡主體107的入射面150與相應(yīng)的LED 110保持了一定距離。于是，任何布置在入射面上或接近入射面的熒光體也將與LEDllO分離。圖11是具有為每個LED 110形成單獨(dú)的LED空腔130的層215和次安裝基臺125的封裝陣列200的一部分的一實(shí)施例的圖示。雖然在圖11的實(shí)施例中LED空腔130具有筆直的豎直側(cè)壁，但是LED空腔130可以具有彎曲、錐形或者其它形狀的側(cè)壁，并且可以充當(dāng)反射器。由層215限定的LED空腔130的面積可以比由主外殼205限定的大，以容納電學(xué)連接或提供圍繞LED 110的空間。在其它實(shí)施例中，空腔可以具有均勻的尺寸，或者在它接近透鏡105時變得更寬?？涨?30可以全部地或部分地填充有密封劑、空氣、硅樹脂“糊狀物”或其它填充材料。層215可以粘附或耦合于次安裝基臺125。圖12是安裝在次安裝基臺125上的LED 110的一個實(shí)施例的圖示。如圖12所示，次安裝基臺125可以為LED 110提供支撐，并且提供電連接250?？梢允褂煤线m的金屬或其它導(dǎo)體來提供電連接。雖然示出了特定的圖案和類型的電連接，但是可以提供任何合適的到LED 110和次安裝基臺125的電連接。圖13是限定具有適合透鏡105的尺寸的透鏡空腔220的主外殼205的一實(shí)施例的圖示。透鏡空腔220從到LED空腔130的開口 260延伸到第二開口 265。根據(jù)一實(shí)施例，開口的尺寸可以具有與透鏡的出射面和入射面的尺寸比相同的比率。在另一個實(shí)施例中，開口 260可以和透鏡105的入射面的尺寸大約相同，而開口 165比出射面大。側(cè)壁225可以是彎曲的、錐形的、豎直的或具有其它選擇的形狀。肩部230提供蓋子210可以與之耦合的表面。在圖13的實(shí)施例中，主外殼205形成4X4陣列。然而，主外殼205可以容納更大的或更小的陣列或單個光學(xué)系統(tǒng)。另外，主外殼205可以被成形為以一個緊密組裝的陣列的方式來容納圓形的、六角形的或其它形狀的透鏡105。 圖8-13提供封裝的LED的一個示例性實(shí)施例。然而，如上面討論的，在封裝陣列內(nèi)可以有附加的外殼部分或其它部件。例如，圖14的實(shí)施例與圖8的實(shí)施例類似，但是還示出了層255。容置LED 110的空腔的一部分可以由層255而不是主外殼205形成。在這種情況下，主外殼205可以限定具有延伸至層255的側(cè)壁的透鏡空腔220。另一方面，外殼層255和215限定了 LED空腔130。層215和255可以包括任何合適的材料，包括塑料或其它材料。層255可以從層215處插入以形成可以與主外殼205接合的壁架。層215和255的使用可以通過提供對準(zhǔn)主外殼205的機(jī)構(gòu)來改善可制造性。圖15是除去了透鏡105和蓋子210的封裝陣列200的一部分的一實(shí)施例的圖示，示出了層255可以限定LED空腔130的一部分并提供到LED空腔130的開口。圖16是包含具有成形側(cè)壁的形成透鏡105的透鏡主體107的部分和不具有成形側(cè)壁的作為蓋子210的部分的透鏡組件275的圖示。成形的和未成形的部分可以是單片材料。每個透鏡105可以是選來發(fā)射期望顏色的光的披覆熒光體的透鏡。如果系統(tǒng)中使用了超過一個熒光體透鏡，多種類型的熒光體可用來實(shí)現(xiàn)期望的色溫和CRI。例如，三個黃色的熒光體透鏡和一個紅色的熒光體透鏡可以連同藍(lán)光泵一起使用以獲得暖白光。由于四個熒光體透鏡中的每一個都可以以相同遠(yuǎn)場分布發(fā)光，因此顏色將受到疊加而不會滲出或生成環(huán)狀效應(yīng)。作為另一個示例，在所示的透鏡的2X2陣列中，每個透鏡可以被選擇為發(fā)射紅色、綠色或藍(lán)色光。來自透鏡105的光可以被結(jié)合以形成白色光。在另一個實(shí)施例中，每個組件275可以發(fā)射單一顏色光。在圖7所示的4X4陣列中，例如，可以使用四個透鏡組件275。一個透鏡組件275可以發(fā)射藍(lán)色光，一個組件275可以發(fā)射紅色光，而兩個組件275可以發(fā)射綠色光，使得陣列整體充當(dāng)白色光源。一個透鏡組件275可以包括任意數(shù)量的透鏡 105。如以下討論的，透鏡105可以被配置有被成形為保存輻射率(或在可接受的保存輻射率的百分比的范圍內(nèi))的透鏡主體107，控制光的發(fā)射角，并發(fā)射具有均勻的或其它期望分布的光。根據(jù)一實(shí)施例，透鏡105可以是緊密組裝的，以使得在鄰近的出射面之間沒有間距或間距最小。只要透鏡105足夠緊密地組裝，在透鏡105發(fā)射的光之間就沒有間隙。于是，由陣列200發(fā)射的光總體上將在期望的半角之內(nèi)，且顯現(xiàn)均勻而沒有暗點(diǎn)或重影。再一次參考圖1，圖I示出了具有帶有入射面150、出射面155和側(cè)壁157的透鏡主體107的透鏡105的實(shí)施例。根據(jù)一實(shí)施例，可以在熒光體層145將均勻地發(fā)射進(jìn)入入射面150之內(nèi)的光的假定下構(gòu)造透鏡105。為了保存輻射率以使所有通過入射面150進(jìn)入透鏡主體107的光可以通過出射面155被提取，根據(jù)擴(kuò)展度公式選擇出射面155的面積以使得=A2 [公式 I]其中Q I =通過入射面150進(jìn)入的有效立體角；Q2 =光離開出射面155的有效立體角夂=入射面150的面積；A2 =出射面155的面積叫=透鏡主體107的材料的折射率；并且n2 =透鏡主體107的出射面155外部的物質(zhì)(例如，空氣或其它介質(zhì))的折射率。在另一實(shí)施例中，可以假設(shè)，A1是熒光體層的尺寸并且熒光體層用作該面積之上均勻的發(fā)射器。存在用于確定有效立體角的各種模型，包括在2007年10月I日提交的Duong等人、的題為“LED System and Method”的美國專利申請No. 11/906，194、2007年10月I日提交的Duong等人的題為“LED System and Method”的美國專利申請No. 11/906，219和2007年I 月 3 日提交的題為 “Separate Optical Device for Directing Light from an LED” 的美國專利申請No. 11/649,018中描述的那些，由此這些專利申請中的每一個的全部通過參考被并入于此。優(yōu)選地，出射面155的面積在為保存輻射率所必需的最小面積的30% (正或負(fù))以內(nèi)?？梢赃x擇在出射面155和入射面150之間的距離，以使得從入射面150到出射面155具有筆直傳輸路徑的所有光線以小于或等于出射面155處的臨界角地入射在出射面155上，以防止出射面155處的TIR。根據(jù)一實(shí)施例，可以基于限制光線來選擇最短距離。限制光線是從入射面150到出射面155行進(jìn)最長直線距離的光線。對于正方形或矩形的面150和155，限制光線將是從入射面150的一角行進(jìn)到出射面155的對立角的光線。優(yōu)選地，在入射面150和出射面155之間的距離在這一最短距離的30%之內(nèi)，但是可以使用更小的距離。此外，可以使側(cè)壁157成形。廣泛地說，確定側(cè)壁的形狀以使得任何入射在側(cè)壁上的光線被反射到出射面155并以臨界角或更小的角入射在出射面155上(即，以使得沒有出射面155處的內(nèi)反射造成的損失)。雖然在一實(shí)施例中使側(cè)壁成形為使得所有的碰到側(cè)壁內(nèi)表面的光線經(jīng)受向出射面155的全內(nèi)反射，并以臨界角或更小的角入射在出射面155上，但是可以使用允許一些損失的其它側(cè)壁形狀。圖17A是用于確定側(cè)壁形狀的透鏡305的模型的截面的圖示?？梢允褂糜?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)確定側(cè)壁形狀。側(cè)壁的模型可以在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序包中生成并進(jìn)行模擬以確定合適的側(cè)壁形狀。根據(jù)一個實(shí)施例，每個側(cè)壁可以被分成n個小平面，其中每個小平面為平坦的部分。例如，模型側(cè)壁370由15個平坦的小平面372a-372o而不是連續(xù)的曲線構(gòu)成。每個小平面的變量可以被迭代地調(diào)整，并且結(jié)果得到的分布輪廓(profile)分析直到獲得滿意的輪廓，如下所述。雖然使用了 15個小平面的示例，但是每個側(cè)壁可以被分成任意數(shù)量的小平面，包括20個或更多的小平面。每個小平面可以關(guān)于在透鏡之內(nèi)反射一定子集的光線來被分析。該所關(guān)心的區(qū)域可以被限定為“對向角(angular subtense)”。用于小平面的對向角可以在從預(yù)定點(diǎn)發(fā)出的光線的角度方面被限定。優(yōu)選地，所選的點(diǎn)是將給出在小平面上的具有最大入射角的光線的那個點(diǎn)，因?yàn)檫@種光線最少可能在小平面處經(jīng)受TIR。根據(jù)一實(shí)施例，對于選定的Ap A2和高度，可以確定將入射在給定側(cè)壁(例如，側(cè)壁370)上的先前沒有被另一個側(cè)壁反射的任何光線的角374的最大值。在此示例中，從點(diǎn)378發(fā)射的光線376針對側(cè)壁370建立最大角374。如果角374的最大值為48度并有15個小平面用于側(cè)壁370，每個小平面(假定均勻分布的對向角)將對應(yīng)于角度374的3. 2度帶(例如，第一小平面為從點(diǎn)378以0-3. 2度的角度17發(fā)射的光線所入射的區(qū)域，第二小平面為從點(diǎn)378以3. 2-6. 4度的角度95發(fā)射的光線所入射的區(qū)域，等等)。對于每個小平面，可以設(shè)置小平面的出射角、小平面尺寸、傾角或其它參數(shù)，以使得入射在小平面上的所有光線遭受TIR并被反射到出射面355使得它們以小于或等于臨界角的入射角入射在出射面355上。優(yōu)選地，側(cè)壁也被成形為使得在截面圖中觀察的光線僅 擊中側(cè)壁一次。然而，可能有附加的來自部分平面外的側(cè)壁的反射。對于全3D分析，擊中靠近角落的第一側(cè)壁的光線可能接著反彈躍向鄰近于第一個的第二側(cè)壁，并從那里到出射面?？梢詧?zhí)行曲線擬合或其它數(shù)值分析以產(chǎn)生最佳擬合期望的小平面的曲線的側(cè)壁形狀。為了優(yōu)化每個小平面的變量，可以建立模擬的檢測器平面380。檢測器平面380可以包括X個檢測器來獨(dú)立地記錄入射功率。可以執(zhí)行穿過透鏡305的光的模擬，并分析由檢測器平面380接收到的強(qiáng)度和輻照度分布。如果強(qiáng)度和輻照度分布對于特定應(yīng)用不令人滿意，則可以調(diào)整小平面的角和對向角，生成新的彎曲表面，并且再執(zhí)行模擬直到到達(dá)滿意的強(qiáng)度輪廓、出射率輪廓或其它光輸出輪廓。可以分析附加的檢測器平面以確保近場和遠(yuǎn)場圖案兩者都滿意?？商娲兀梢允褂眯∑矫娑皇菑澢砻鎭韴?zhí)行模擬，并且在到達(dá)期望的光輸出輪廓之后確定表面曲線。在又一個實(shí)施例中，側(cè)壁可以保持有小平面的，而不生成曲線。根據(jù)另一個實(shí)施例，可以基于用每個平坦小平面表示拋物線的一部分的線性近似的多個拋物線來選擇側(cè)壁形狀。例如，圖17B是模制透鏡305的一部分的圖示。在圖17B中，描述了假想光線384從拋物線388的焦點(diǎn)386發(fā)射，并相交于側(cè)壁370使得由于TIR其反射離開側(cè)壁370，并以小于臨界角的出射角390相交于出射平面355地穿過透鏡305，并逸出透鏡305進(jìn)入空氣中或其它介質(zhì)之內(nèi)。正如從圖17B可見的，在從透鏡305到空氣的轉(zhuǎn)變中，光線384如斯涅耳定律所描述地彎曲了。由于從拋物線確定側(cè)壁的切點(diǎn)，并且因?yàn)槿肷浜头瓷潆x開側(cè)壁的光線在相同的介質(zhì)中，因此光線將平行于拋物線的光軸。這樣，以半角392投射光。可以調(diào)整限定側(cè)壁370的形狀的對向角396以使得假想光線384反射離開側(cè)壁370，使得光線384以期望的出射角390穿過出射面355，或者以期望的半角392投射 光。在一實(shí)施例中，在制造側(cè)壁或計(jì)算側(cè)壁的對向角的時候，朝向側(cè)壁的基底(即離熒光體層較近)可以使用較精細(xì)的對向角，因?yàn)榭拷追瓷鋾r對向角的影響更大或更敏感，并且這樣更精細(xì)的對向角允許具有更好TIR性質(zhì)的側(cè)壁，然而，在遠(yuǎn)離基底處，對向角的影響較小，對向角可以是更粗糙的。這樣，朝向透鏡主體107的基底的側(cè)壁的小平面可以在個數(shù)上更大。在一實(shí)施例中，側(cè)壁可以具有20或更多個小平面，在側(cè)壁的基底處具有較精細(xì)的小平面，其中小平面近似一個或更多個對向角。
小平面可以是拋物線388的一部分的線性近似。可以調(diào)整拋物線388的參數(shù)直到部分達(dá)到期望的入射在該部分上的所有光線反射到出射面355使得光線具有小于臨界角的出射角390的目標(biāo)。每個小平面可以由具有不同的參數(shù)的拋物線組成。這樣，對于一個對向角的小平面可以基于一拋物線，而另一個小平面基于另一個拋物線。例如，20個小平面的側(cè)壁可以基于20個不同的拋物線。圖17C描述可以被用來通過對向角的規(guī)格來設(shè)計(jì)如圖形510所示的側(cè)壁形狀的電子數(shù)據(jù)表500。投射半角列550包含多個對應(yīng)于圖4B的投射半角450的角度。出射角列540a (弧度)和540b (度)包含多個對應(yīng)于圖17B的出射角392的出射角度。更特別地，在列540a中的角度的全部或子集可以是小于臨界角的角度，使得以那些角度相交于出射面的光線穿過出射面逸出成形的裝置。列540a和540b可以用于導(dǎo)出拋物線焦點(diǎn)列560，包含多個限定不同拋物線的焦點(diǎn)。對向角列565包含多個角度(弧度)，其限定可以連同拋物線焦點(diǎn)列560被用于限定側(cè)壁的形狀使得光線反射離開側(cè)壁以以小于臨界角的角度逸出出射面的對向角的界限。使用包含在拋物線焦點(diǎn)列560和對向角列565中的值，可以導(dǎo)出 0列570和半徑列575，其中列570和575的相應(yīng)值對應(yīng)于在針對對向角的期望的拋物線上的點(diǎn)。依次，9列570和半徑列575可以用于為近似于用于對向角的拋物線的側(cè)壁上的點(diǎn)導(dǎo)出笛卡兒坐標(biāo)(例如坐標(biāo)變換列577)。例如，用戶可以指定成形裝置的入射面的尺寸(在此情況下為標(biāo)記的LED尺寸)和材料指標(biāo)。尺寸可以對應(yīng)于入射面的尺寸或熒光體層的發(fā)射尺寸。使用尺寸為I、折射率為I. 77的假想示例，可以如下完成屏幕500中的一行。用戶可以指定列550中的空氣中的出射角(假定空氣是透鏡在其中工作的介質(zhì))。在第一行的示例中，用戶已經(jīng)選定55. 3792度。透鏡中的出射角列540a可以被計(jì)算為sin(55. 3792/180 * Ji)/I. 77或.4649323弧度。列540b可以被計(jì)算為asin(. 4649323)/ji * 180 = 27.2058407。拋物線的焦點(diǎn)可以被計(jì)算為 1(尺寸)/2* (1+cos (Ir/2-27. 2058407/180 * Ji) =.732466。對向角列 565可以基于下一列的數(shù)(表示特定小平面的相對尺寸)被計(jì)算為(90-27.7058047)/20 =3.114708?？梢允褂眠x定個數(shù)(在此示例中為20)的小平面來計(jì)算0列570。例如，第一行中，9被計(jì)算為(9027.7058407)+3,114708 * 20 = 124.5883。用于第一小平面的拋物線的半徑(列575)可以被計(jì)算為2 * . 732466/(1+cos (124. 5883/180 * ji))。對于第一行坐標(biāo)變換列577的內(nèi)容可以計(jì)算如下X =-3. 3885 * cos (124. 5883/180 * Ji) = I. 923573 ；y = -3. 3885 * sin (124. 5883/180 * Ji) = 2. 789594 ；X= I. 923573 * cos (27. 7058407/180 * n )+2. 789594 * sin (27. 7058407/180
* 31);Y = 2. 789594 * cos (27. 7058407/180 * n )-1. 923573 * sin (27. 7058407/180
~k 3i )-1(尺寸)/2 = I. 075452，以及Y，= -Y ;于是X、Y坐標(biāo)可以用作Excel中的形狀擬合圖表的數(shù)據(jù)點(diǎn)輸入。例如圖形510基于在X和Y列中的數(shù)據(jù)點(diǎn)(Y列值用作圖形510中的X軸坐標(biāo),而X列值用作y軸坐標(biāo))。除X和Y值之外，可以設(shè)置初值(例如，.5和O)。來自圖形510的形狀可以編入到光學(xué)設(shè)計(jì)封裝和模擬運(yùn)行之中。如果模擬不令人滿意，用戶可以調(diào)整電子數(shù)據(jù)表500中的值直到達(dá)到滿意的輪廓。在達(dá)到了滿意的效率和強(qiáng)度輪廓時，可以形成具有指定參數(shù)的單獨(dú)光學(xué)裝置。這樣的透鏡主體107的示例顯示在圖17D中，其提供具有成形為引起TIR以使得光線從側(cè)壁反射到出射表面的側(cè)壁的透鏡主體107的一實(shí)施例的圖示。每個側(cè)壁的形狀，在此實(shí)施例中，是由各種小平面所限定的多個起伏表面的疊加。雖然為了可制造性的改善執(zhí)行了曲線擬合，但是其它實(shí)施例可以保持有小平面的側(cè)壁。在上述示例中，為了使透鏡成形的目的，假定光的出射平面是透鏡的出射面。然而，如圖16的實(shí)施例所示，成形的透鏡105的出射平面可以是從成形的部分到另一個部分(比如蓋子210)的轉(zhuǎn)變。如果蓋子210和成形的部分是相同材料的或具有相同的折射率，出射平面可以是在透鏡主體107的成形的部分和蓋子210之間的轉(zhuǎn)變。例如，圖18示出了具有成形的透鏡主體107和蓋子210的作為集成的透鏡105的透鏡105。在光通過蓋子210逸出透鏡組件的時候，在成形的透鏡主體107和蓋子210之間的轉(zhuǎn)變400可以用作“出射面”來如上所述確定透鏡105的形狀。如果蓋子210具有與透鏡主體107相同的折射率，那么在使透鏡105成形時所用的臨界角是相同的，就好像轉(zhuǎn)變400暴露于外面的介質(zhì)一樣，因?yàn)槿绻庖孕∮诨虻扔谂R界角地穿過轉(zhuǎn)變400，它也將以小于或等于臨界角入射在表面404上。如果蓋子210 (或任何粘合劑或在蓋子210和透鏡主體107之間的其它層)的折射率較低，在出射面處的臨界角將是基于較低的折射率的臨界角。可以為單獨(dú)的光學(xué)裝置確定各個邊界條件，特別是出射表面155的面積，以使得亮度可以被保存。可以從上面的公式I確定出射表面155的最小面積，其取決于各個有效立體角。典型地，基于源自作為朗伯發(fā)射器發(fā)光但是被當(dāng)作點(diǎn)來對待的光源的公式來確定光的有效立體角，因?yàn)樗P(guān)心的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光源的尺寸。觀察到的朗伯光源的輻射強(qiáng)度(通量/球面度)隨著與光源法向的夾角以該角度的余弦值而變化。這是因?yàn)楸M管輻射率(通量/球面度/m2)在所有方向保持相同，但是隨著觀察到的角度增加至90度，光源的有效面積減小至O。在全半球體之上的這個效果的積分得到了等于球面度的投射立體角值。轉(zhuǎn)向圖19，假定給定半徑(R)的球體630圍繞點(diǎn)光源632 (在此示例中，點(diǎn)光源632近似于在相當(dāng)遠(yuǎn)處的朗伯光源)。球體的半球體的投影面積是nR2，而全球體的投影面積是2 R2.此模型可用于設(shè)計(jì)透鏡，因?yàn)闊晒怏w可以建模為朗伯發(fā)射器，使得從中心位于界面上的假想半球體上任一點(diǎn)出發(fā)，在界面上的給定點(diǎn)將具有相同的輻射率。面積A3可以使用圓634的半徑(R。)作為平坦的、圓形的表面(例如，表面636)被計(jì)算，該表面由所關(guān)心的光束立體角對向(subtend)，該半徑為從法向射線到球面交叉點(diǎn)的距離。對于光束的0的給定的半角637，R。是R(球體半徑)和角度0的正弦的乘積，使得Rc = R^Sin ( 9 ) [公式 2]面積等于A3 =兀Rf =兀(R * Sin(S))2 [公式 3A]面積A3是立體角在它與球體相交時的投射面積。面積A3除以半球體的投射面積(Ah = R2)，商乘以全半球體的投射立體角(等于)，得到投射立體角Q，使得Q = M期望的立體角的投射面積}/(半球體的投射面積)[公式3B]
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)系統(tǒng)，包括 LED，布置在由基底和一個或更多個空腔側(cè)壁限定的空腔中； 透鏡，進(jìn)一步包括 具有被安置以接收來自LED的光的入射面的透鏡主體； 熒光體層，布置在透鏡上、在透鏡主體的入射面和LED之間，以使得從LED發(fā)射的光將入射在熒光體上，并在通過入射面進(jìn)入透鏡主體之前被下變頻；以及其中，透鏡被安置為使得熒光體與LED分離開一個間隙。
2.如權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中一個或更多個空腔側(cè)壁被成形為將入射在側(cè)壁上的光引導(dǎo)至透鏡的出射面。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中一個或更多個空腔側(cè)壁由用作反射器的材料形 成。
4.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，還包括至少部分地填充空腔的密封劑，其中該密封劑通過表面張力形成圍繞LED的反射器。
5.如權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中熒光體被布置為在透鏡主體的入射面上的熒光體涂層。
6.如權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中由一個或更多個材料層將熒光體與透鏡主體的入射面分離開。
7.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中熒光體層被布置在適于保護(hù)透鏡主體免受熒光體產(chǎn)生的熱影響的材料的緩沖層上。
8.如權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中透鏡主體被成形為在選定的光束角內(nèi)發(fā)射大于50%的光。
9.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中透鏡主體被成形為保存亮度。
10.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中一個或更多個空腔側(cè)壁被成形為將入射到空腔側(cè)壁的光引導(dǎo)到透鏡的入射面，其中空腔側(cè)壁由用作LED和熒光體所產(chǎn)生的光的反射器的材料形成。
11.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)系統(tǒng)，還包括反射器，用于將空腔內(nèi)的光反射至透鏡的入射面。
12.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中空腔至少部分地用密封劑填充，且反射器由該密封劑的表面張力形成。
13.—種光學(xué)系統(tǒng),包括 次安裝基臺； LED陣列，被安裝到次安裝基臺； 外殼，該外殼協(xié)同次安裝基臺至少部分地限定一組LED空腔并且至少部分地限定一組透鏡空腔，每個透鏡空腔對相應(yīng)的LED空腔開口且尺寸設(shè)置為容納透鏡； 布置在透鏡空腔內(nèi)的一組透鏡，每個透鏡包括 具有與對相應(yīng)LED空腔的開口緊鄰的入射面的透鏡主體； 以及 熒光體層，布置在透鏡上、在入射面和相應(yīng)的LED之間以使得由相應(yīng)的LED發(fā)射的光在進(jìn)入透鏡主體之前將被下變頻；其中每個透鏡的入射面被安置為與相應(yīng)的LED有一定距離。
14.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中該組透鏡中的每個透鏡的透鏡主體被配置為在選定的半角內(nèi)以均勻分布圖案發(fā)射光。
15.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中該組透鏡被緊密地組裝以使得光學(xué)系統(tǒng)在比該組透鏡中的單個透鏡大的區(qū)域之上在選定的半角內(nèi)以均勻分布圖案發(fā)射光。
16.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中該組透鏡中的每個透鏡的透鏡主體被成形為保存亮度。
17.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中每個透鏡空腔由一組側(cè)壁限定，其中每個透鏡空腔的側(cè)壁被成形為使得該透鏡空腔在緊鄰對相應(yīng)LED空腔的開口處較小，而在遠(yuǎn)離相應(yīng)LED空腔的開口處較大。
18.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)系統(tǒng)，還包括支撐相應(yīng)的透鏡空腔內(nèi)的一個或更多個透鏡的蓋子。
19.如權(quán)利要求18所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中蓋子和一個或更多個透鏡主體由單片材料形成。
20.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中布置在每個透鏡上的熒光體層被選擇為使得該組透鏡內(nèi)的不同透鏡發(fā)射不同顏色的光。
21.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中布置在每個透鏡上的熒光體層被選擇為使得光學(xué)系統(tǒng)形成一個或更多個白光單元。
全文摘要
這里公開的實(shí)施例提供了與光源和LED結(jié)合地利用光子轉(zhuǎn)換材料的光學(xué)系統(tǒng)。LED可以安置在由基底和一個或更多個側(cè)壁限定的空腔內(nèi)。熒光體可以布置在透鏡的入射面上在透鏡主體的入射面和LED之間，以使從LED發(fā)射的光將入射在熒光體上，并在通過入射面進(jìn)入透鏡主體之前被下變頻?？梢园仓猛哥R以使熒光體與LED分離開一定間隙。
文檔編號F21V7/04GK102686936SQ201080042880
公開日2012年9月19日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月20日
發(fā)明者D·T·董, P·N·溫伯格, R·E·約漢遜, 高賢哲 申請人:伊魯米特克有限公司