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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201180076228.3 (22)申请日 2011.09.22 61/385,675 2010.09.23 US F21V 5/04(2006.01) F21V 3/00(2015.01) (71)申请人光处方革新有限公司 地址美国加利福尼亚州 (72)发明人帕布罗贝尼特斯 奥列佛兆斯 麦基尔埃尔南德斯 胡安卡罗斯米纳诺 (74)专利代理机构北京金信知识产权代理有限 公司 11225 代理人黄威 王智 (54) 发明名称 壳积分器 (57) 摘要 具有光源和壳积分器的照明设备。壳积分器 具有透明圆顶置于光源上，透明圆顶具有小透镜 阵列。
2、形成的内和外表面。内表面的每个小透镜将 光源成像至外表面的对应小透镜上，且外表面的 每个小透镜将内表面的对应透镜以虚拟图像形成 成像至光源。圆顶可以是半球形的。光源和积分 器可位于准直器的输出处。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2013.05.23 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2011/052679 2011.09.22 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2012/040414 EN 2012.03.29 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图12页 (10)申请公布。
3、号 CN 104487768 A (43)申请公布日 2015.04.01 CN 104487768 A 1/1 页 2 1.一种照明设备，包括光源和壳积分器，其中 壳积分器包括光源上方的透明圆顶，所述透明圆顶具有小透镜阵列形成的内表面和外 表面 ； 所述内表面的每个小透镜将光源成像至所述外表面的对应的小透镜上 ；以及 所述外表面的每个小透镜将对应的内表面小透镜作为虚拟图像成像至所述光源。 2.根据权利要求 1 中所述的照明设备，其中所述透明圆顶基本上是半球形的并且中心 定在所述光源的中心。 3.根据权利要求 1 中所述的照明设备，其中所述虚拟图像合并形成平面积分区域。 4.根据权利要求 1 。
4、中所述的照明设备，其中所述虚拟图像合并形成半球形积分区域。 5.根据权利要求 1 中所述的照明设备，其中所述光源被封闭在透明的封闭物内，并且 所述透明圆顶的内表面与所述封闭物隔开。 6.根据权利要求 5 中所述的照明设备，其中所述虚拟图像合并形成积分区域，所述积 分区域的直径基本上等于所述光源直径乘以封闭物的折射系数。 7.根据权利要求 1 中所述的照明设备，进一步包括准直器，所述光源和所述壳积分器 位于所述准直器的输入处。 8.根据权利要求 1 中所述的照明设备，其中所述光源包括不同颜色光的和 / 或所述光 源的亮度空间变化。 9.根据权利要求 1 中所述的照明设备，其中所述内和外表面的每个。
5、小透镜包括一个极 点小透镜和多个小透镜的环，其中所述环位于基本上相等的高度间隔处，所有所述环上的 小透镜位于方位角等于所述环的高度间距的距离处，从而环绕得到在每个环上均匀分布的 全部小透镜。 10.一种壳积分器，包括透明圆顶，所述透明圆顶具有小透镜阵列形成的内表面和外表 面； 所述内表面的每个小透镜将在圆顶中间的公共光源区域成像至所述外表面的对应的 小透镜 ；以及 所述外表面的每个小透镜将对应的内表面的小透镜作为虚拟图像成像至所述公共光 源区域。 11.根据权利要求 10 中的壳积分器，其中所述透明圆顶基本上是半球形的并且中心定 于所述光源的中心。 12.根据权利要求 10 中的壳积分器，其中。
6、所述虚拟图像合并形成平面积分区域。 13.根据权利要求 10 中的壳积分器，其中所述虚拟图像合并形成半球形积分区域。 14.根据权利要求 10 中的壳积分器，其中所述虚拟图像合并形成积分区域，所述积分 区域的直径基本上等于所述公共光源区域直径乘以所述封闭物的透明材料的折射率。 15.根据权利要求 10 中的壳积分器，其中每个所述内和外表面的小透镜中包括一个极 点小透镜和多个小透镜的环，其中所述环位于基本上相等的高度间隔处，所有所述环上的 小透镜位于方位角等于所述环的高度间距的距离处，从而环绕得到在每个环上均匀分布的 全部小透镜。 权 利 要 求 书CN 104487768 A 1/5 页 3 。
7、壳积分器 0001 相关申请的交叉引用 0002 本申请要求申请号为 61/385,675 的美国临时申请“Shell Integrator( 壳积分 器 )”的权益，该申请由申请人贝尼特斯和兆斯在 2010 年 9 月 23 日提交，在此并入本文以 作参考。 背景技术 0003 大多数 LED 芯片制造商都不提供大于 11mm 的芯片。虽然每个这种芯片能够生 成的光通量不断增加，但是对于很多应用来说，单个 LED 芯片不能够产生足够的光，因此产 生了具有很多芯片的 LED 光源。在其他情况下，不同颜色的芯片 ( 包括不同的荧光粉转换 芯片，用于增加白色、黄色或绿色色调)被组合以得到颜色可切换。
8、的LED光源或高显色性白 光 LED 光源的产品。 0004 这些 LED 光源由排列在平面基板上的多个芯片组成，所述芯片之间有或无显著的 间距。典型的布置是 22 或 33 个芯片排列成密集的正方形或长方形，或者任何更多数 量的芯片，例如 25 个范围内。甚至更多数量的通常小于 11mm 芯片被用于某些 LED 产品 中。 0005 在所有情况下，芯片的全阵列被介质材料覆盖用作保护措施和提高光萃取。在某 些情况下，增加用于白光生成的荧光粉。有时也采用体扩散帮助调色。这些 LED 可以具有 几千流明的光通量。 0006 这些光源出现两个问题。第一个问题是，当回看光源时，用户觉察到单个芯片是 单。
9、独的亮斑。如果所有的芯片都是相同颜色这是可以接受的，但是在不同颜色的芯片混合 (例如红色、绿色和蓝色)的情况下通常是行不通的。当二次光学元件加至这些多个LED芯 片时出现第二个问题 ：很多光学元件，尤其是那些在远场强度模式下或在照度模式下，在目 标表面上生成高准直、再现光源结构，取决于其设计的目标。这导致可见亮度变化，或者更 糟糕，在可以清晰地再现采用芯片的不同颜色模式下，RGB LED 这种最糟情形下，导致颜色 偏移。 0007 尽管有一些效率损失的代价，但通常在折射或反射的表面采用扩散器或细分曲面 能够缓解这些问题。此外，需被加至光学系统以消除颜色或亮度赝像的扩散角通常必须比 二次光学元件。
10、产生的角度范围大几倍，以使二次光学元件的准直效果被部分地消除。 0008 解决这一问题的一个可能方法是采用科勒积分光学元件，更准确地说是叫做“蝇 眼阵列”的几对微透镜的阵列，用来消除光图像中的颜色和亮度赝像。“蝇眼阵列”的一些 缺点是 ：微透镜阵列必须足够大以覆盖准直光学元件的整个出口孔径 ；只有高度准直光束 时才运行 ；制造昂贵 ；产生的光图像通常是平顶辐射图像，这与一般照明中需要的光滑辐 射图像截然不同。另外，蝇眼阵列自身会带来正方形或矩形赝像，这取决于组成蝇眼阵列的 单个微透镜的轮廓。 发明内容 说 明 书CN 104487768 A 2/5 页 4 0009 不是增加积分器至准直器的出。
11、口孔径，而是在 LED 上增加一个壳积分器透镜，在 二次光学元件之前进行积分。来自 LED 包的初始发光主要是朗伯的，积分壳透镜之后的光 放射仍可能 ( 但不不然 ) 主要是朗伯的。然而，在一个实施例中，壳积分器改变了来自 LED 包的光，在某种程度上，使得组合的 LED 包和积分器像是一个稍大点的、但颜色完全相同的 光源，独立于包内 LED 芯片的排列。因此壳积分器透镜的实施例产生了具有相同颜色和亮 度的一个虚拟光源。此时，随后的二次光学元件能够获取来自壳积分器的光，并准直该光， 不产生任何来自远场或目标平面上的初始光源的颜色或强度赝像。另一个优点是能够生成 多种强度模式的标准准直器可被用于。
12、同样的光源和壳积分器透镜。 0010 同时，当回看光源时，观察者看不到初始光源，而是分散的虚拟光源。如果壳积分 器采用小透镜，并且这些小透镜足够小，那么虚拟光源在人眼看来就是统一的。 0011 在一个实施例中壳积分器透镜起着类似于标准平面蝇眼积分阵列。该实施例由基 本上为半球形的介质壳组成，该介质壳的内外表面都有微透镜。介质壳被放置在 LED 光源 上方，以使得壳积分器透镜的内腔比 LED 封装物的直径更大。 附图说明 0012 本发明的上述及其他方面的特征和优点将结合下列附图在以下内容中有更具体 的描述，其中 ： 0013 图 1 显示了具有扩散器的现有技术中的抛物面反射镜，用来进行颜色混合。
13、。 0014 图 2 显示了具有蝇眼透镜的现有技术中的抛物面反射镜，用来进行颜色混合。 0015 图 3A 和图 3B 显示了壳积分器的某些工作原理。 0016 图 4 显示了壳积分器的积分区域和小透镜的位置。 0017 图 5A 显示了第一优选实施例中，具有少量不规则微透镜的壳积分器的外表面。 0018 图 5B 显示了第二优选实施例中，具有较多数量不规则微透镜的壳积分器的外表 面。 0019 图 6 显示了优选实施例中，具有较多数量的测地线微透镜的壳积分器的内外表 面。 0020 图 7 显示了由 RGB LED 光源、壳积分器、椭圆体反射器和目标平面组成的测试设 置。 0021 图8显示。
14、了图7中测试设置中的红色、绿色和蓝色芯片的辐照图像，没有采用壳积 分器的单独光照。 0022 图9显示了图7中测试设置中的红色、绿色和蓝色芯片的辐照图像，在适当位置采 用了壳积分器的单独光照。 0023 图 10 显示了三个通道结合的照射分布，在顶端没有采用壳积分器和在底部合适 位置采用了壳积分器。 具体实施例 0024 参考下列对本发明实施例的详细阐述和采用了不同原理的附图，可以对本发明的 不同特征和优点有更好的理解。 0025 图 1 显示了具有三个 LED 的 RGB LED 光源，一个红色 101，一个绿色 102 和一个蓝 说 明 书CN 104487768 A 3/5 页 5 色 。
15、103。反射镜 104 是抛物线，用来准直光，将光源成像到远场。然而，当离开反射器，这将 在远场生成三个不同的斑点 ：一个红色、一个绿色和一个蓝色的，如图 1 中的示例性光线所 示。为了生成白光，这三种颜色必须混合，通过增加扩散器 105 来从三个 LED 扩散光这种方 法来完成，如图 1 中所示的示例性光线在扩散器中的不规则偏转。但是扩散增大了输出角， 因此降低了传送准直光的光学性能。扩散器显著地增大了出射光的集光率。 0026 图 2 显示了与图 1 相似的情形，但在抛物线型准直器 104 的出口孔径处用科勒积 分器 201 代替了扩散器。来自每个 LED 的光源的角度“扩散”可以有控制的。
16、方式完成，理想 地，穿过积分器元件的光源的集光率也可被保持。 0027 图3A和图3B显示了积分器的工作原理，积分器透镜301具有几个内部微透镜303 和相应的外部微透镜 304。内部微透镜 303 将光源 302 成像至外部微透镜 304，外部微透镜 304 产生微透镜 303 叠加在光源 302 的虚拟图像。 0028 因为内部微透镜 303 将光源 302 成像至外部微透镜 304，来自光源 302 的中心点 306 的光线 305 集中到外部微透镜 304 中心的点 307。另一方面，因为微透镜 304 产生微透 镜 303 叠加在光源 302 的虚拟图像，来自内部微透镜 303 的右。
17、边缘 308、并击中外部微透镜 304 的光线将射出微透镜 304，像是其来自光源 302 的右边缘 309。由于同样的原因，来自 内部微透镜 303 的左边缘 310、并击中外部微透镜 304 的光线将射出 304，像是其来自光源 302 的左边缘 311. 0029 因为内部微透镜303将光源302成像至外部微透镜304，来自光源的左边缘311的 光线将被成像至微透镜 304 的右边缘 312。由于同样的原因，来自光源右边缘 309 的光线 被成像至微透镜 304 的左边缘 313. 另一方面，因为微透镜 304 产生了微透镜 303 叠加在光 源 302 的虚拟图像，来自微透镜 303 。
18、的中心 315 的光线将射出微透镜 304，像是其来自光源 302 的中心 306。 0030 图 4 显示了在半径 R1 表面上的一组内部微透镜，和一组在较大半径 R2 表面上的 一组外部微透镜。 0031 在壳积分器的内外表面上的微透镜的数量是一样的，并且小透镜是成对计算的。 在积分器内表面上的第一微透镜被设计用来聚焦光源404的中心点401至壳积分器的外表 面。微透镜的轮廓可以是球形、椭圆形或非球面的。为简单起见，采用旁轴近似进行计算， 所以假定是球形小透镜。我们定义 r1 和 r2 为相应透镜对的内部和外部透镜的曲率半径。 在第一个实施例中，壳积分器是球形的 ：R1 和 R2 是壳积分。
19、器内外表面的半径。积分区域是 包括整个视在光源的大小的空间。换句话说，积分区域是被所有由内表面的微透镜 ( 例如 图 3A 和图 3B 中的 304) 形成的虚拟图像占有并定义的空间。为简单起见，该积分区域在本 计算中被假定为球形，在图 4 中由点虚线的圆形表示。积分区域的视在半径由最外面的发 射点 403 和 404 的实际光源大小放大覆盖在实际光源上的封装物的折射率来定义。然而， 如果虚拟图像与 LED 芯片的平面阵列相一致，如前所述的有关图 3A 和图 3B，这将成为平面 ( 通常约为圆形 ) 积分区域。 0032 需要满足的条件是选择内部小透镜曲率半径 r1 来聚焦来自积分区域 401。
20、 的中心 的光线至外壳表面，并且积分区域的边缘被内部微透镜成像至外部微透镜的边缘。选择外 部小透镜曲率半径 r2，为使来自内部小透镜中心点的光线被折射以在实际光源的中心 401 处形成虚拟光源。 说 明 书CN 104487768 A 4/5 页 6 0033 从这两种情况可以很容易推导出下列公式 ： 0034 1/r1 1/(n-1)*(1/R1+n/(R2-R1) 0035 1/r2 1/(n-1)*(-1/R2+n/(R2-R1) 0036 其中 n 代表设计采用的介质材料的折射率。 0037 积分区域宽度 H 可由下式得出 ： 0038 H n*eps*R1R2/(R2-R1) 003。
21、9 其中 eps 是从光源看到的小面的开度角。 0040 开度角 eps 来自被选择排列在球面上的小面的数量。确定好 eps 后，可以通过改 变壳积分器 R1 和 R2 来调节对采用光源的积分区域。 0041 科勒积分的一般条件是假如第一小透镜的孔径之上的辐照度对于每个颜色来说 是恒定的，则第二小透镜将生成均匀混合的光输出。这种条件在很多情况下具有小角度优 点。 0042 从照明设备的包装方面来讲，小壳积分器是有利的，但是因为制造成本的原因，产 生了一些限制。对于非常小的微透镜来说，微透镜的制造将变得非常复杂，所以角度 eps 不 能选的太小。对于非常薄的壳 (R1 和 R2 之间的距离很小 。
22、)，小透镜的 f/# 变得非常小，因此 其成像质量降低。目前优选地，壳积分器的内径必须至少约为积分区域半径的两倍大小，这 就给出了内部和外部壳的小透镜的能够现实地进行商业制造的解决方案。 0043 如果积分区域被选择为球形的，则所有的小面都具有相同的参数。一对对小面需 被放置在壳积分器的内部和外部球面上。在球面上自然地镶嵌将导致小透镜是多边形的。 有好的理由，选择镶嵌以确保在半球形上多边形的大小几乎是一样的以使积分区域大小 在整个设计中保持恒定。此外，选择镶嵌以确保所有的多边形像实际的“圆”一样圆，因为每 个小面对的积分区域具有和小面轮廓相同的几何图形。内部和外部球面的镶嵌是一样的。 0044。
23、 图 5A 和图 5B 显示了以序列 5 的镶嵌 501 和以序列 7 的镶嵌 502，每个壳分别具有 总共 54 个和 110 个小面。这就是说，从半球的极点到边缘分别有 5 和 7 层或环的小面，极 点处的单个小面作为第一层。 0045 计算小面的中心取决于在半球形表面上的相同轴 ( 垂线 ) 偏移角度西塔的圆圈， 和得到的每个圆圈上大量小面的情况，所述圆圈提供与由所选数量的环推算出的高度相类 似的小面宽度 ( 在方位角方向上的 )。 0046 如果西塔 -k 是距离微透镜第 k 环的 z 轴轴偏移角，每个环上微透镜的数量可被 容易地推导 ：圆 (4m sin( 西塔 -k)，其中 m 是。
24、被选择的环的数量。对于镶嵌序列 m 5 来 说，在 z 轴的一个中心小面被看作第一环，第二环上有 6 个小面，随后的环上分别有 12、16、 和 19 个小面。 0047 对于 m 7 的镶嵌，每个环上小面的数量将分别为 1、62、17、22、5 个。因为每 个环上的小面的数量是取整为一个整数，一些数字可能与在此给出的相差 1。小面参数可 在CAD程序中被很容易地得到，所述CAD程序在半球形给定位置构造所有球形小面表面，并 将这些表面彼此交叉。生成的小面通常是不规则的，在此意义上具有不同的形状和顶点数。 每个积分小面对可以在准直后的光图像中生成轮廓类似于小面几何形状的赝像。这种许多 小面的不规。
25、则才是有利的，因为每个小面对产生不同的赝像，结果是由于大量的小面，赝像 冲淡并变得不那么明显。 说 明 书CN 104487768 A 5/5 页 7 0048 图 6 显示了在每个表面具有大约 300 个小面的测地线 (geodesic) 圆顶 601，从底 层向上看，所以半球形的内部和外部两部分都可以看到。 0049 这是不同的镶嵌，称作测地线圆顶镶嵌，其基于截角二十面体。它提供了只有五边 形和六边形的更规则的镶嵌。构造方法也可得到。在半球形上六边形具有非常类似的大 小。五边形比六边形小点，但是每个半球面只有 6 个五边形，所以对于具有更高序列的测地 线圆顶，五边形不太影响积分质量。 00。
26、50 在本具体实施例中，设计参数是内部半径 6mm、外部半径 8mm、积分区域具有大约 2.8mm 直径。该装置要效果好需在 1mm 芯片上集成大于 22 个芯片，并且大概长 2.8mm 的 总对角线。但是设备可被扩展，以使两倍大的版本具有两倍大的积分区域。 0051 图 7 显示了与图 6 中相同的壳积分器 701，具有轴对称的椭圆形反射器。光源 703 是RGB LED，假定是由一个红色、一个蓝色和两个绿色LED芯片组成的22阵列。每个芯片 假定大小为11mm，并且4个芯片紧密排列，芯片间只有0.2mm的小间隙。该简化的光源被 放置在椭圆形反射镜的第一焦点 703 处，辐射图像被采用或不采。
27、用壳积分器地记录在在反 射器的第二焦点 704 处。当采用抛物线反射镜将光聚焦到远场时，结果质量是一样的。在 本实施例中，尺寸 d1 100mm、d2 69.8mm。尺寸 D1 是在第一焦点 703 处的光源到第二 焦点 704 的长度。尺寸 D2 是椭圆形反射器 702 的开口端的直径。如果 LED 光源的大小与 假定的 22mm 正方形不同，系统的其它尺寸也通常变化。 0052 图 8 显示了图 7 中红色 (801)、绿色 (802) 和蓝色 (803) 输出在焦点 704 平面上的 辐照，此时图 7 中没有采用壳积分器，椭圆形反射器直接作用于 RGB LED 光源。颜色越深表 示辐照度。
28、越高。这些结果表明没有采用壳积分器时，红色、绿色和蓝色辐照图像存在显著差 异。 0053 图 9 显示了图 7 中红色 (801)、绿色 (802) 和蓝色 (803) 输出在焦点 704 平面上的 辐照，此时图 7 中采用了壳积分器，椭圆形反射器作用于罩上了壳积分器的 RGB LED 光源。 颜色越深表示辐照度越高。这些结果表明采用了壳积分器时，红色、绿色和蓝色辐照图像是 相似的。 0054 图 10 显示了图 7 中没采用壳积分器 (1001) 和采用了壳积分器 (1002) 时在焦点 704 平面上的辐照情况。图 10 的曲线图显示了在轴偏移距离为 Y -5mm 到 Y +5mm 的水 。
29、平轴的对应纵轴上的辐照度 ( 相关单位的单位面积功率 )。采用了壳积分器的辐照变得更 加均匀，但是通过使用了壳积分器产生的辐照度分布变得稍宽。这是光源轻微的集光率稀 释，原因有三。第一，积分区域是圆形的，但光源是正方形的，所以虚拟光源具有至少包括正 方形光源的圆环大小。第二，积分区域的直径比实际光源的直径稍微大一点。这是必须的， 因为微透镜通常不是圆形。第三，在本设计中，采用了包含平面光源盘的球形积分区域，以 使得当从侧面看时，生成的半球形虚拟光源远远大于从侧面看到的盘。然而，总体的集光率 稀释很小，而且当然可通过在采用扩散器的相同的设置中试着产生相似的均匀白光输出， 而被保持更小。 说 明 。
30、书CN 104487768 A 1/12 页 8 图1 说 明 书 附 图CN 104487768 A 2/12 页 9 图2 说 明 书 附 图CN 104487768 A 3/12 页 10 图 3A 说 明 书 附 图CN 104487768 A 4/12 页 11 图 3B 说 明 书 附 图CN 104487768 A 5/12 页 12 图4 说 明 书 附 图CN 104487768 A 6/12 页 13 图 5A 说 明 书 附 图CN 104487768 A 7/12 页 14 图 5B 说 明 书 附 图CN 104487768 A 8/12 页 15 图6 说 明 书 附 图CN 104487768 A 9/12 页 16 图7 说 明 书 附 图CN 104487768 A 10/12 页 17 图8 说 明 书 附 图CN 104487768 A 11/12 页 18 图9 说 明 书 附 图CN 104487768 A 12/12 页 19 图 10 说 明 书 附 图CN 104487768 A 。