CN103080643A - 用于白光led照明器的集光器 - Google Patents

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M·伯克尼
R·T·史密斯
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Abstract

本发明涉及一种白光源,包括被配置为以一角分布发射白光的发光二极管(LED)。该白光源还包括光导,以及被配置为收集该角分布上的光的集光器。由集光器收集的光对耦合入光导的白光的总光通量做出贡献。

Description

用于白光LED照明器的集光器
相关申请
本申请要求享有2009年12月22日提交的美国临时申请序列号No.61/288949的优先权,该申请的内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及白光照明源,尤其涉及用于白光LED照明器的集光器。
背景技术
发光二极管(LED)是产生白光照明所期望的,因为与可比较的光源相比,其消耗的能量相当少。但是,使用LED也具有使其不被期望作为光纤照明器(诸如,眼内照明器)中光源的缺点。一个最显著的缺点是宽范围的发射角。白光LED通常包括将蓝光转换成白光的黄磷,并且在大部分情况下,还包括校准由LED发射的白光的圆顶透镜。由于LED的大面积,其用作延展的光源,从而光校准度受限,并且在大的立体角范围上发射光。这使得难以将来自LED的光耦合入光纤或其他光导。典型地,能耦合入光导的光不够亮而难以提供充足的照明。因此,仍然需要一种在耦合入光纤的同时仍能提供LED光源的能量效率特性的光源。
发明内容
在本发明某些实施例中,白光源包括被配置为以一定角分布发射白光的发光二极管(LED)。白光源还包括光导和被配置为收集角分布上的光的集光器。由集光器收集的光对耦合入光导的白光的总光通量做出贡献。
在本发明的特定实施例中,集光器包括中央准直器、外抛物面反射器以及将来自中央准直器的经准直的光聚焦到光导上的聚光透镜。
在本发明的特定实施例中,集光器包括跨所述角分布的第一部分延伸的中央准直器,在角分布的第一部分之外的第二部分内反射光的环形球面镜,以及将来自中央准直透镜的经准直的光聚焦入光导的聚光透镜。
在本发明的特定实施例中,光导是远端光导,而集光器包括近端光导。近端光导具有邻接LED的近端,并且还在远端包括反射材料,以将来自第二光导的光反射回LED。
参考附图以及如下对附图的描述和权利要求,本发明的其他目的、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1例示了根据本发明特定实施例的包括集光器的白光源;
图2例示了根据本发明另一实施例的包括集光器的白光源;以及
图3例示了根据本发明再一实施例的包括近端光导和远端光导的白光源。
具体实施方式
图1例示了根据本发明特定实施例的白光源100。出于本说明书的目的,“白光”指的是通过组合可见光谱的主要范围上的波长,或者由光波长的连续光谱或者通过组合特定波长(包括但不局限于红、绿和蓝波长)而产生的任意光。白光源100包括被配置为发射白光的发光二极管(LED)102。LED 102可以是当由电源供电时发射经组合以形成白光的多个波长的二极管材料。作为替换,LED 102可以是由一个或多个磷光材料包围的发射特定波长的二极管,从而磷光材料和/或LED发射组合成白光的多个波长。
LED 102在发射侧由集光器104围绕。在所描绘的实施例中,集光器104包括中央准直透镜106和外抛物面反射器108。由于LED 102发射跨宽角分布的白光,中央准直透镜106准直在该角分布中心区域内发射的光,同时抛物面反射器108反射回在中心区域之外发射的光线,以形成围绕中央准直光束的平行光束路径。来自中央准直透镜106的经准直的光束以及来自抛物面反射镜108的平行光线随后行进至聚光透镜110,后者将光聚焦至光导112上。由此,LED 102在宽角分布上发射的白光被收集并被有效耦合入光导112,从而耦合入光纤的白光的光通量足够高以提供有效的照明。
图2例示了根据本发明另一实施例的白光源200。在所描绘的实施例中,白光源LED 202在发射侧由集光器204围绕,该集光器204包括中央准直透镜206和曲面镜208。曲面镜208被配置为对由中央准直透镜206覆盖的角范围之外的光进行重定向,允许由LED 202重复利用光能,而这相对于允许光散漏而言,又产生了通过中央准直透镜206的光通量的总体增加。有利地,可以选择镜208的曲率使得对返回LED 202的光的最大部分进行重定向,诸如通过将镜208制成球面。同样地,镜208可以是分色镜,以最大化反射光的强度,并且减少归因于吸收和干涉的光损失。聚光透镜210将中央准直透镜206所发射的经准直的光聚焦至光导212上。
图3例示了根据本发明再一实施例的白光源300。在所描绘的实施例中,白光LED 302是LED半导体芯片。该LED半导体芯片可以例如是覆盖有黄磷层的发射蓝光的半导体结,使得由半导体结发射的蓝光与来自磷的黄光组合以呈现白色。在所例示的实施例中,用近端邻接LED 302的近端光导304用作集光器。所述近端可被固定至LED302,例如使用光学粘合剂和/或机械引导装置。将来自近端光导304的光耦合入远端光导306,后者用于将光从白光源300运送至要被照明的区域。近端光导304可以包括反射材料308,其捕获LED 302在近端光导304与除空气之外的材料接触部分处发射的光。这可防止光导304边界处的光损失,在光导304边界处,光没有被包括在总内反射之中,从而允许由LED 302重复利用所反射的光。优选地,反射材料能够具有至少97%的反射率,以允许收集来自LED 302的基本上所有的白光。例如,反射材料308可以是高度抛光的银。
近端光导304可以有利地被配置为相比于耦合至远端光导306,LED 302更容易耦合至近端光导304。在所描绘的实施例中,近端光导304和远端光导306之间的光耦合界面310,在不同尺寸的光导304和306之间过渡。在特定实施例中,该区域还可以被反射材料包围,诸如在近端光导304的近端处使用的反射材料308,从而允许没有进入光导306的光通过近端光导304返回,以供LED 302重复利用。在这类实施例中,反射材料还可以沿着近端光导304的整个长度延伸,从而例如近端光导304可以是内侧涂银的中空玻璃光导线。为了进一步提高白光源300的效率,还可将具有中心孔径的镜310置于LED 302之上,使得未被发射入近端光导304的光被反射回LED 302上,由此本将散漏的光能由LED 302重复利用。
本文通过实例阐述了本发明,并且本领域普通技术人员可以进行各种修改。虽然详细描述了本发明,但是应当理解,可以对其进行各种改变、替换和更改,而不脱离本发明所声明的范围。

Claims (9)

1.一种白光源,包括:
发光二极管(LED),被配置为以一角分布发射白光;
光导;以及
集光器,被配置为在该角分布上收集光,使得由集光器收集的光对耦合入光导的白光的总光通量做出贡献。
2.根据权利要求1所述的白光源,其中集光器包括中央准直器、外抛物面反射器、以及将来自中央准直器的经准直的光聚焦至光导上的聚光透镜。
3.根据权利要求1所述的白光源,其中集光器包括跨角分布的第一部分延伸的中央准直器、在第一部分之外的角分布的第二部分内反射光的环形球面镜、以及将来自中央准直透镜的经准直的光聚焦入光导的聚光透镜。
4.根据权利要求1所述的白光源,其中光导是远端光导,而集光器包括近端光导,该近端光导具有邻接LED的近端并且还在远端包括反射材料,以将来自第二光导的光反射回LED。
5.根据权利要求4所述的白光源,其中LED包括矩形LED芯片,第一光导包括光纤,而第二光导包括矩形光导。
6.根据权利要求4所述的白光源,其中反射材料具有至少97%的反射系数。
7.根据权利要求4所述的白光源,其中反射材料是银。
8.根据权利要求4所述的白光源,其中使用光学粘合剂将第二光导的近端耦合至LED。
9.根据权利要求4所述的白光源,其中第二光导的近端包括具有中央孔径的镜,所述中央孔径接纳角分布的第一部分内的光,而所述镜则反射LED在角分布的第一部分之外的第二部分内发射的白光。
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