CN105044810A - 经镜面后向反射加强led亮度，包括避开光束扩展量限制的准直器 - Google Patents

经镜面后向反射加强led亮度，包括避开光束扩展量限制的准直器 Download PDF

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CN105044810A CN201510272478.4A CN201510272478A CN105044810A CN 105044810 A CN105044810 A CN 105044810A CN 201510272478 A CN201510272478 A CN 201510272478A CN 105044810 A CN105044810 A CN 105044810A
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胡安·卡洛斯·米纳诺
威廉·A.·小帕基恩
巴勃罗·本尼兹
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Abstract

LED光源的漫反射率用于再循环其发射的一部分，从而使照明器能避开光束扩展量限制。后向反射器截取去往照明器孔的外部部分的光线，其继而可被截顶。所得的更小的孔具有与完全初始孔一样的光束宽度，虽然由于再循环损失而具有更少的通量。可能减小到初始面积的一半。<pb pnum="1" />

Description

经镜面后向反射加强LED亮度，包括避开光束扩展量限制的准直器
本申请是申请号为200880024592.3、申请日为2008年5月21日、发明名称为“经镜面后向反射加强LED亮度，包括避开光束扩展量限制的准直器”的PCT国际发明专利申请的分案申请。
背景技术
本发明总体上涉及光束形成照明系统，尤其涉及那些具有足够窄的用于输出光束的立体角的、将称为准直器的系统。例子为闪光灯和探照灯。它们的性能的主要限制是光束扩展量不变性，当光源辐射到半球内时，光束的角半径θ由光源直径d与孔直径D之间的比确定：sinθ＝d/D。光束宽度是角半径的两倍，及通常定义为半峰全宽(FWHM)。
发光二极管(LED)是这样的半球形光源的例子。它们的小尺寸和不断提高的发光效能使它们在许多照明领域具有市场优势。由于它们的半球形发射对于大多数照明任务太宽，LED被安装在产生较窄输出角的照明器中。迄今为止，LED闪光灯日益获得市场突出地位，及LED嵌顶灯日益安装在天花板灯座中。具体地，汽车头灯是设备紧致性的市场压力与光束扩展量定理冲突的场合的例子。目前的照明器可加强LED亮度，及一些实施例可实现孔宽度仅为光束扩展量有限的大小的一半，伴随适度牺牲总输出通量。
发明内容
目前的照明器通常涉及准直照明光学器件，尤其但非排他地涉及光束宽度横跨孔是基本上均匀的少数光学器件。输出光束的不同部分由光源在不同偏轴角发射的光产生。经历彗差像差的准直器，如抛物线和菲涅耳透镜，其在输出孔中心处的光束宽度比在边缘处的光束宽度宽。相反，有几种横跨孔具有恒定光束宽度的准直器，包括复合抛物线形聚光器(CPC)。三种以上的前述恒定光束宽度准直器是下述美国专利的主题，这些专利具有与本发明一样的受让人并通过引用组合于此：
1.授予Minano等的US6,639,733。
2.授予Benitez等的US6,896,381，包括US7,152,985和US7,181,378中的后续加强。
3.授予Falicoff等的US7,006,306。
目前的照明器利用发光二极管(或其它光源)相对于外部照明的反射率。具体地，LED将因其自身的发射的后向反射而漫反射照明。在每一所列准直器中，去向孔外面的光镜面后向反射回LED。荧光粉转换白光LED对较长波长的反射率可高达90％。蓝光LED反射蓝光的反射率通常可在70％左右。后向反射辐射在光源处的反射及随之发生的辐射亮度增加因几个原因与热辐射的Kirchhoff定律并不矛盾，这些原因为整个LED的非平衡和非黑体性质。
该LED漫反射率用于再循环后向反射的光，使得部分光通过受限出射孔出去，及其余光被再次后向反射。每一后向反射循环增加LED的初始亮度，虽然返回的光递减。
现有技术中的LED再循环利用近表面的漫反射率，因为在白壁空腔中，LED自身的反射率没有太大作用。然而，目前的照明器使用后向反射器，其使用镜面反射或经全内反射(TIR)进行工作以仅将光返回给LED或其它光源。在许多构型中，LED或其它光源按漫散射方式反射该返回的光，使其部分散射到受限孔内。现有技术中镜面再循环的使用涉及大的镜面反射镜，其反射通过源的反射，尤其是盘绕的白炽灯丝的绕组或电弧灯的透明气体。相反，LED由于小得多的尺寸及半球形操作而适合采取在此公开的新构型。
当恒定光束宽度准直器减为其初始孔径的一半时，只有约1/4的LED通量将被直接透过。将此称为透过部分fT，从而后向反射的量为1-fT。当然，实际准直器并非100％有效的启动，而是具有透射率T，即穿过出射孔依然显现的光线初始能量，该透射率T对于所列准直器通常为85％。后向反射器的金属涂层通常将至多具有88％的反射率，至少在标准商用第二表面镜面涂层中如此。将此称为ρr。更昂贵的多层镜面涂层可能高达98％有效，但也具有与此相当的额外成本。
除了后向反射效率之外，各种光学误差也将导致部分光未达到LED，从而产生截取效率ρI，通常高达约90％。在这里公开的部分优选实施例中，该值接近100％。对于白光LED，LED的漫反射率ρL＝85％，将该返回的光叠加在LED的初始发射上，从而增强LED的表观亮度。
对于LED产生的每一流明，在第一次通过时从孔射出TfT部分，(1-fT)ρrρI部分返回到LED，其从那里反射使得FR＝(l-fT)ρrρIρL＝50.5％部分与初始发射结合。根据众所周知的恒等式该再循环的无穷级数的求和导致孔的总射出为Fe＝TfT/(1-FR)＝40％。这表明使孔径减半将付出相当大的牺牲，因而提出相对较小的减小。例如，孔径减小29％(50％面积)，导致不太麻烦的结果fT＝50％和Fe＝64％。
在更有利的情形下，ρr＝98％和ρI＝98％，对于其面积为初始面积的25％(初始直径的50％)的孔，FR＝61％，给出Fe＝54％；及对于50％面积的孔，FR＝41％和Fe＝71％。这些提高的效率可证明较高后向反射效率的额外代价是正当的。
尽管每一再循环使LED的热负荷累计增加9％，或总共增加9％/(l-FR)＝18％，但LED的启动热负荷约为其光发射的2.5倍，因而该额外的热量不是问题。当然，主要问题是Fe表示的成本。然而，LED效能的最近趋势已从去年的40-60流明每瓦特(LPW)推进到目前的100LPW，LED制造商预测到2009年底将可获得140LPW的输出。因此，具有一半光束扩展量不变的面积的汽车LED头灯尽管有1/3的损耗但相较较大的白炽灯消耗小得多的电流。
许多目前的照明器可分类为两种主要类型的准直器装置。第一类型的准直器增加光源的有效亮度(及设备的出射孔的光束扩展量)，但光学器件的总大小或光学系统(包括后向反射结构件)的直径几乎与具有同样光源的标准准直器一样。第二类型的准直器增加光源的有效亮度而且相较于“标准”光学器件降低光学系统的直径。在这种情况下，新光学器件的直径将小于用相同光源实现同样的准直度的标准光学器件的直径。这些装置均避开了经典的光束扩展量约束，但第二类型由于总系统(不仅仅是光学出射孔)的直径得以减小而相较第一类型具有优势。因此，第二类型的装置应用于这样的应用如汽车前向或后向照明，其中汽车正面的部件稀少但发光性能不能受到损害。实际上，在此公开的所有实施例均属于第二类型，但所教示的原理也可应用于第一类型的装置。
两种类型的准直器装置可进一步分为两个子类。有一种情形为后向反射结构件靠近(或接近)光源和准直结构件远离光源。该类型装置的一个例子如图9中所示，其中透镜22比后向反射器23更远离光源。在第二子类中，后向反射器不接近光源且比光学器件的出射表面上的最近点更远。该类型的准直器的例子如图21中所示。
在一实施例中，提供一种准直照明器，包括漫反射率超过一半的光源。准直器截取光源发出的光。准直器横跨其出射孔产生优选实质上均匀的光束宽度，及后向反射器系统将所发出的光的一部分返回到光源。后向反射器使能除去出射孔的外部部分，使得其余出射孔对于所涉及光束宽度小于光束扩展量有限的孔。
在另一实施例中，提供了一种准直照明器，包括漫反射率超过一半的光源，照明器具有出射孔并在出射孔外面的方向截取光源发出的光。照明器包括至少一至少近似椭圆形的凹面后向反射器，其将所发出的光的一部分返回到光源。
在又一实施例中，提供一种准直照明器，包括漫反射率超过一半的光源，及准直器截取光源发出的光。准直器横跨其出射孔产生实质上均匀的光束宽度。后向反射器系统使能除去出射孔的外部部分，使得出射孔对于前述光束宽度小于光束扩展量有限的孔。
在另一实施例中，提供组合的准直器和后向反射器，其可与适当的光源结合以形成体现本发明的照明器。
形成椭圆形凹面后向反射器的椭圆的至少一焦点可至少约在自光源到达后向反射器的光束的边缘处。则椭圆的至少一焦点可至少约在光源的边缘处。
椭圆的至少一焦点可至少约在隔断光束的不透明物体的边缘处。如果照明器包括至少两个所述后向反射器，形成第一后向反射器的椭圆的至少一焦点可至少约在光源和第一后向反射器之间的第二后向反射器的边缘处。
照明器可包括至少一正向反射器，其定位成以横跨出射孔产生实质上均匀的光束宽度的方式引导所截取的光通过出射孔，其中出射孔对于前述光束宽度小于光束扩展量有限的孔。
至少一正向反射器至少可为近似双曲线的凹面。形成双曲线凹面正向反射器的双曲线的至少一焦点可至少约在自光源到达正向反射器的光束的边缘处。双曲线的至少一焦点可至少约在光源的边缘处。双曲线的至少一焦点可至少约在隔断光束的不透明物体的边缘处，即可以是光源和正向反射器之间的所述后向反射器的边缘处。后向反射器可在空气中运行。后向反射器可在电介质内运行。
后向反射器可通过微线槽反射。后向反射器可通过薄膜堆反射。薄膜堆可具有低折射率材料的初始层，及厚度约等于该堆的标称波长的两倍。
附图说明
本发明的上述及其它方面、特征和优点在下面结合附图对本发明进行的更具体的描述中将更加明显，其中：
图1示出了扁平朗伯光源的双曲线流线及椭圆“正交流线”，“正交流线”是到处与流线正交的曲线。
图2示出了不改变流线的反射器。
图3示出了椭圆形反射器的备选部署。
图4示出了椭圆形反射器的另一备选部署。
图5示出了具有半径R的圆形区域A1和具有半径r的另一圆形区域A2，二者之间间隔开距离d。
图6示出了图1实施例的示例性椭圆形反射器的亮度随LED反射率变化的理论增加的曲线图。
图7为用于产生图6的曲线图的示例性椭圆形反射器的截面图。
图8为图7的椭圆形反射器的焦点位置的平面图。
图9示出了椭圆形反射镜阵列上方的准直透镜。
图10示出了具有镜面涂覆的、外部开槽的圆柱形后向反射器的准直透镜。
图11示出了具有后向反射器的菲涅耳透镜，博客所反射光线的特写。
图12示出了具有流线和正交流线的CPC。
图13示出了CPC孔怎样受限，其中光束扩展量有限的光束宽度未改变。
图14示出了怎样减小CPC宽度。
图15示出了电介质全内反射聚光器(DTIRC)。
图16示出了DTIRC中的一族流线和正交流线，其示出了按比例绘制的三级后向反射器的边界线。
图17示出了具有四级流线后向反射器的DTIRC。
图18示出了按比例绘制的具有三级后向反射器的DTIRC的立体图。
图19示出了另一具有五级流线后向反射器的实施例。
图20示出了与上面提及的授予Benitez等的美国专利6,896,381中所示类似的实施例。
图21示出了与图20类似的设备，但由后向反射器截顶。
图22示出了与上面提及的授予Falicoff等的美国专利7,006,306中所示类似的实施例。
图23示出了由后向反射器截顶的图22的设备。
图24示出了与Falicoff的'306专利中所示类似的另一实施例。
图25示出了由V形槽后向反射器截顶的图24的设备。
图26示出了与图11类似的设备，但具有蘑菇状透镜以减小光束宽度。
图27示出了由微线后向反射器材料制成的椭圆形反射器，其槽为与流线正交的曲线。
图28示出了具有与流线正交的微线后向反射器的椭圆形后向反射器的截面。
图29示出了在0°入射角下反射率随第二表面薄膜反射器的波长而变。
图30示出了照明器的另一实施例中的一族流线和正交流线，其示出了按比例绘制的两级后向反射器的边界线。
具体实施方式
参考下面对本发明进行的详细描述及附图可更好地理解本发明照明器的各个特征和优点，其中附图提出了说明性实施例。在所有附图中对应的附图标记指对应的组件。
流线在非成像光学器件领域众所周知，其在接收来自光源的光的任何点处形成。在一些视点，光线在光源的对面进行接收，及来自光源边缘的光线形成光源图像的边缘。在下列附图的情形下，流线到处均与由来自光源的两个边缘的光线形成的角的等分线正切。
图1为越过光源1的二维图，在点A和B之间向上发射。流线2为以点A和B作为其焦点的共焦双曲线。在流线2上的每一点处，局部切线为到点A和B的线的等分线。线3，在此称为“正交流线”，定义为到处均与流线2正交的一族线。在图1中，正交流线3为共焦椭圆。总的来说，正交流线的形状由流线的形状和分布确定。具体地，共焦椭圆3之一的椭圆形段4形成自光源1的平面延伸的光垒，虚线5表示光垒段4之间的中心孔。
图2示出了延伸在点A和B之间的光源1，椭圆形镜面反射器6和8位于图1的共焦椭圆之中的两个上并由位于图1的双曲线流线上的双曲线镜面反射器7联结。由于它们位于流线上，反射器6、7、8不改变光源1的光场的基本特征，而是仅将来自光源1的辐射的部分返回到光源1。当光源1为反射光源尤其当光源1为漫反射光源时，部分返回的光将向上辐射，错过反射器6、7、8并增加通过孔5显现的光源1的亮度。发光二极管具有漫反射率，从而使本发明的照明器成为可能。
图3示出了延伸在点A和B之间的水平光源1，示例性的竖直虚线9从点B向上延伸。椭圆弧反射器10的焦点在点A和B，及其内端终止于线9上的点C处。在反射器10上方布置椭圆弧反射器11，其焦点在点A和C且其内端终止于线9上的点D处。在反射器11上方布置椭圆弧反射器12，其焦点在点A和D且终止于线9上的点E处。相较图2的系统，该反射器系统对制造误差不太敏感。
图4也示出了延伸在点A和B之间的光源1，反射器13、14和15具有与图3中的点C、D&E类似的终点和焦点F、G&H。然而，与图3中的点C、D&E不同，点F、G&H不共线。
图5示出了具有半径R的圆形区域A1和具有半径r的另一圆形区域A2。圆形区域A1和A2共轴且相隔距离d。点A、B为区域A1的边界上的直径两端的点。点C'、D'为区域A2的边界上的直径两端的点，D'为最靠近B的点，及C'为最靠近A的点。如果A1为光源及A2为来自A1的光穿过其透射的孔，该光的光束扩展量由U＝n2(π/4)([A,D']-[A,C'])2给出，其中[X,Y]指X和Y之间的距离，及n为A1和A2浸入其中的介质的折射率。如果A1为朗伯光源，其发出的光束扩展量为U1＝πn2A1。以迫使辐射通过区域A2传出的方式通过A1再循环A1发出的光的理想光学器件还使辐射的光束扩展量减少因数U/U1。所发出的光的亮度将因而增加。
图6示出了基于图1实施例的椭圆形反射器的理论亮度增加。图6示出了具有横轴17和纵轴18的曲线图16，横轴表示从0到100％变化的LED反射率，及纵轴表示LED光源的亮度的部分增加。假设椭圆形反射器的表面的平均反射率为98％。对于70％的平均LED反射率，亮度从初始LED增加刚过2的因数。由于现代LED对可见光谱具有约70％的反射率，这表明应可达到两倍的亮度增加。
图7示出了在产生图6中所示的结果的光线追踪模型中使用的设备的轴向截面图。图7的椭圆形反射器17'的出射孔的大小由尺寸d1示出。出射孔在LED18'上方的高度由尺寸h示出。图8以平面图示出了图7的椭圆形反射器的焦点19'相对于LED的位置。
图9示出了准直系统的另一实施例20，包括扁平光源21、可与上面提及的授予Minano等的美国专利6,639,733中所示实施例类似的透镜22、及将光返回到光源21从而增强透镜22看见的光源21的亮度的椭圆形反射镜23。
图10示出了轴向对称准直系统30，包括扁平LED光源31、透镜32、及具有后向反射外部小平面的圆柱形套33，其中后向反射外部小平面具有镜面涂层。套33使光源31对于透镜32而言具有增强的亮度。
图11示出了类似的准直系统40，包括扁平LED光源41、准直菲涅耳透镜42、及圆柱形套43，还在两个特写图中示出包括边缘光线44，其可因内表面43i折射及外小平面表面43f后向反射而由第二表面反射镜看见。具体地，光线44d从光源41的边缘向外延伸并作为光线44r反射回到对侧边缘。
图12示出了复合抛物线形聚光器(CPC)50，具有扁平光源51和流线52。环形反射器53覆盖CPC出口的一部分，从而将光返回到光源51。边缘光线59示出在光束宽度由反射器53减小之前CPC50的角光束宽度。
图13示出了截顶的CPC54，环形反射器55沿与流线曲线正交的线而行。图13中的光源51和反射器55之间的反射抛物线表面56对应于图12中的抛物线表面的下半部分。图13中的边缘光线59处于与图12中的边缘光线59一样的光束宽度角，但限制通过反射器55的中心孔的实际光束宽度。
图14示出了截顶更多的CPC57，用菲涅耳后向反射器58代替图13的平滑抛物线轮廓56。边缘光线59表明所有三种构型均具有与初始CPC一样的光束宽度，尽管它们的孔更小。
图15示出了电介质全内反射聚光器(DTIRC)60的截面图，包括浸入的LED光源61、非球形出射表面62、及类似锥形的全内反射侧壁63。边缘光线64在出射表面62处折射为光束扩展量有限的光束宽度65。
图16示出了图15的DTIRC60，其中在电介质内具有按比例绘制的一族流线。同样还示出了从一族线选择流线和正交流线以形成三级后向反射器的边界曲线。后向反射器的六条边界曲线被示为从初始DTIRC的截面图的顶部开始并标为60a(正交流线)、60b(流线)、60c(正交流线)、60d(流线)、60e(正交流线)和60f(流线)。这些曲线用于产生图18中所示的后向反射器。这可通过在DTIRC光学器件的中心轴周围扫描一组边界曲线实现。应注意，边界曲线均彼此相连。同样，可在DTIRC内产生与图16中所绘不同的一族流线和正交流线。可通过选择任何成对(一条流线及相连的正交流线)的一组相连边界曲线从新的正交线组产生新的后向反射器，其中边界曲线沿初始光学器件的长度方向连接。使用该灵活的方法可获得任何数量的设计解决方案。
图17示出了具有四级的电介质后向反射准直系统70的截面，包括浸入的LED光源71、截顶的非球形出射表面72、及后向反射镜面涂覆的有小平面的侧壁73。光束宽度75与图15的光束宽度65相同，尽管出射表面72的孔相较出射表面62减小。
图18为基于图16的DTIRC流线和正交流线的三级准直系统77的立体图。准直系统77的轴向截面的边界曲线以粗线在图16上标出。该设计的边界曲线的坐标在下面的表1和表2中提供。表1从左到右分别给出了边界曲线60a、60b和60c的x、y(y值为纵向测量)坐标。表2从左到右分别给出了边界曲线60d、60e和60f的x、y坐标。
图19示出了具有五级的电介质后向反射准直系统70'的截面，包括浸入的LED光源71、截顶的非球形出射表面72、和后向反射镜面涂覆的有小平面的侧壁73'。尽管出射表面72的孔减小，但光束宽度75与图15的光束宽度一样。上面的四级与图17中所示的准直系统70类似。最靠近LED光源71的那一级为椭圆形，并可按结合图1所述那样置中在光源71上。在图19的实施例中，侧壁73'不与LED边缘交叉，使制造更容易。
图12-16所示的设备可通过与图19类似地增加椭圆形底层而进行修改。
表1
表2
图20示出了与Falicoff的'306专利中所示的实施例类似的气隙RXI准直系统80的截面。LED件81放在准直透镜82的中心处。LED件81发射光线扇84，其被变换为光束扩展量有限的准直光束85。透镜82包括接收光线扇84的内表面82i、将光向下全内反射回在折叠通路上的前表面82f、及将光向上发送回因而离开表面82f的镜面涂覆的后表面82r。
图21示出了截顶的气隙RXI准直系统90的截面，其与同样的LED件91一起运行，及透镜92由纵向布置的后向反射器96截顶。光线扇94的直接照到后向反射器96的部分由透镜92的内表面92i上的反射器涂层97再循环，这样，该表面在此具有与图20的表面82i不同的形状。表面92f和92r对应于图20中的表面82f和82r。因此，后向反射器96再循环来自内反射表面92f的外部的光。作为备选，LED91的外表面的相应部分可被镜像。尽管孔更小，但输出光束95具有与图20的光束85一样的光束宽度。
图22示出了与Falicoff的'306专利中所示类似的准直系统100，包括LED光源101和准直透镜102。示例性的光线103传到有小平面的内表面102i，其中小平面具有水平下表面和圆锥形倾斜上表面。光线103通过下表面向上进入，然后由相关的锥形表面横向全内反射而到达外倾斜表面102f之一，外倾斜表面向上全内反射光线103使得其射出水平表面102e。透镜102还包括折射鼓形透镜102D，其将下部的光线水平引导到最低的倾斜表面102f。透镜102的总形状使得光源101从内表面102i上的各个位置均对向几乎不变的表观角直径。
图23示出了截顶的准直系统110，包括LED光源111和准直透镜112。照到内表面102i上部的光线如图22中那样向外及向上引导。然而，下部倾斜表面102f由多对彼此面对的倾斜表面114代替，从而形成后向反射V形槽。示例性的光线113由内表面102i向外引导，如图22中所示，但后向反射V形槽使它们折转从而可重新加入光源111。槽不需要反射涂层。尽管孔更小，透镜112具有与图22的透镜102一样的光束宽度。
图24示出了准直系统的另一实施例120，其与Falicoff的'306专利中所示的类似，包括LED光源121和准直透镜122，除了圆顶上部准直透镜122L之外，准直透镜122与图23的透镜112类似。
图25示出了截顶的准直系统130，也包括后向反射横向V形槽134，其使光返回到LED光源131。
图26示出了与图11类似的照明器，但另外具有蘑菇形透镜143，其中央凹度用作负透镜以缩小LED光源141的图像从而自其光束扩展量有限的值减小输出光束宽度。
图27示出了由微线后向反射器152制成的椭圆形反射器150，其槽为与流线正交的线，或脊153或谷154。照到反射器150内部上的任何地方的光由脊153任一侧的两个小平面后向反射。亮度增强的光通过中心孔155射出。后向反射器的内部为具有足够高折射率的电介质以通过来自LED表面或其它适当光源的光线的TIR产生后向反射。整个椭圆形空腔可由电介质填充或反射器可包括用空气(n＝1)填充的另一椭圆形空腔。在后一情形下，内表面为没有微型槽的椭圆形。这样的微线后向反射器可在由与流线正交的曲线产生的任何表面中使用，而不仅仅在椭圆形空腔中使用，至少在由每一这样的曲线分割的流线形成平面时如此。这是图1的子午线椭圆的情形，其中分割每一子午线的流线形成包含所涉及子午线的径向和轴向平面。使用这样的线性后向反射器的优点在于反射率可随着金属化过程的避免而增加。应注意，总的来说，包含流线的反射表面可通过TIR工作。
为计算微线反射器的表面，可使用下述过程：使P＝C(u)为与流线正交的线的参数等式(u为沿曲线的参数)。使tp为在P与曲线正切的单位，及使jp为与通过P的流线正切的单位。应注意，jp·tp＝0(即这两个矢量垂直)。槽的两个斜面由下述参数等式给出：P＝C(u)+v(jp±jp×tp)，其中×表示两个矢量的叉积，及其中u和v为表面上的参数。两个矢量jp和tp均与参数u有关。该表面与和流线正交的表面均匀，至少在v＝0时如此。槽的每一侧由其与相邻槽的交叉限制。如果表面不太大，槽的局部行为是具有轴tp的线性后向反射器的行为。
这些后向反射器不同于图23中所示的后向反射器，图23中所示的后向反射器114具有旋转对称性。
图28示出了椭圆形反射器150的断面图，沿子午面切割以显现圆盘光源151，直径156表明反射器150的底部与光源151共面，如先前所述，其被漫反射以再循环由反射器150返回的光。
后向反射器的反射率尽可能高是合乎需要的，以实现亮度的明显增强同时保持高效率。当反射器与空气中的入射和反射光线一起运行时，众所周知在薄膜行业中怎样使用多电介质涂层或混合金属/电介质涂层(其中金属为铝或银)实现高反射率及涂层的待用侧上的固体支撑。这些所谓的第一表面反射器可设计成在某一光线入射角和波长范围内运行。然而，现有技术在对有效实施本发明的许多实施例所需要的第二表面反射器进行高性能设计时受到限制，如图18的设计。典型现有技术设计仅实现90％的平均反射率。下面表3中所示的薄膜设计解决了该问题并提供在可见光和近红外范围具有95％以上反射率的单向第二表面反射器的规则。
用于设计该反射器的主要原理(由本发明的发明人之一)在2007年11月2日申请的、题为“WidebandDichroic-FilterDesignforLED-PhosphorBeam-Combining”的美国实用申请11/982,492中揭示，其通过引用全部组合于此。为增加反射率，初始低折射率层如二氧化硅用作施加到光学器件的电介质的堆的第一层。该层的厚度应不小于需要高度反射的光源的最短波长的两倍。1000nm到1100nm的标称厚度可很好地用于可见光光源。一旦建立该设计的指标矩阵，该厚度随后使用薄膜设计软件包如EssentialMacleod进行优化。优选设计在下表中示出，从电介质(假定为丙烯酸)开始，朝向“空气”向后。材料按顺序沉积在第二表面上，二氧化硅、五氧化钽、二氧化硅、银、铜(保护银免遭分解)、Inconel(纽约NewHartford的SpecialMetalsCorporation的专有金属)。最后的层保护银和铜层。堆的总厚度刚低于1.7微米。应注意，第一二氧化硅层稍低于1100nm。
表3
设计：第二表面
参考波长(nm)：530
入射角(度)：0
对于Macleod目标矩阵中的所有从420nm到700nm的波长，反射率值(对于平均极化状态)均设为1.0。图29示出了曲线图160，其给出第二表面薄膜反射器在0°入射角时对于从350nm到700nm的波长(横轴)带的％反射率(纵轴)。对于410nm，反射率以95％开始；及对于从约425nm直到700nm的所有波长，反射率高于97％。通过采用共轭梯度优化或薄膜设计领域的技术人员众所周知的其它形式的优化可获得稍更高的性能。对于最大性能，入射角和波长的范围应用作指标函数。如果更多的二氧化硅和五氧化钽的交替层添加到设计中，对于宽范围的入射角和波长，反射率可进一步增加到高于99％的反射率。对于高入射角(高于临界角)，当二氧化硅厚层经全内反射反射光时，反射率理论上为100％。
在与图16类似的轴向截面图中，图30示出了照明器的另一实施例300的一组流线和正交流线。照明器300包括光源301和准直及后向反射光学器件302，由折射出射表面304和反射侧表面306、308、310组成界限。表面为图30中所示的中心轴周围的线的旋转表面。反射表面306沿流线从折射出射表面304的边缘朝向光源301延伸。后向反射表面308沿正交流线从反射表面306的近端朝向照明器300的轴延伸。反射表面310沿流线从反射表面308的内边缘延伸到光源301的外周。
为更清楚地示出几何结构，表面310位于其上的流线和出射表面304已被延长到相交。这些延长的线描绘想象的传统准直照明器，图30的照明器300可与其比较。后向反射表面308使出射孔304的大小和光学器件302的总大小能相比于想象的比较照明器减小，同时保持等于想象的比较照明器的角光束宽度312。
光学器件302的有效表面的形状在表4和5中示为沿每一线304、306、308、310的一系列x、y坐标，将光源301的平面取为y＝0，及中心轴取为x＝0。
表4
表5
前面对目前预见的实施本发明的方式的描述不意为限制，而是仅用于描述本发明的一般原理的目的。
例如，辐射源在实施例中已描述为扁平的、正方形或圆形发光二极管(LED)。之所以描述LED光源是因为具有所希望性质(包括高流明效率和与所发射的光相同频率的光漫反射)的LED光源可容易地从商用光源获得。然而，也可使用目前可用的或将来可用的其它光源。之所以在实施例中描述扁平的正方形或圆形光源是因为具有该构型的LED光源可容易地从商用光源获得，及因为所得例子的几何简单性被认为有助于理解根本原理。然而，也可使用其它形状的光源。
例如，一些实施例已结合图中所示的定向、使用相对语言如“顶”和“底”进行描述。然而，所描述的照明器可按其它定向进行使用。
本发明的全部范围应由权利要求确定。
下列另外的美国专利文献被认为与理解本发明有关，其通过引用全部组合于此。
授予Gleckman的U.S.5,684,354。
授予Gleckman的U.S.5,892,325。
授予Gleckman的U.S.6,043,591。
授予Gleckman的U.S.6,496,237。
授予Beeson&Zimmerman的U.S.6,960,872。
授予Beeson&Zimmerman的U.S.6,869,206。
授予Beeson&Zimmerman的U.S.7,025,464。
授予Beeson&Zimmerman的U.S.7,040,774。

Claims (18)

1.一种准直照明器，包括:
漫反射率超过一半的光源，所述准直照明器截取所述光源发出的光，所述照明器横跨其出射孔形成具有实质上均匀的光束宽度的光，及
镜面反射后向反射器系统，包括至少一个凹面后向反射器，该后向反射器系统将所述光源发出的光的一部分返回到所述光源，并且截取所述光源向出射孔以外部分的方向发出的光，使得所述出射孔的光束宽度小于光束扩展量受限的光束宽度，
其中由所述后向反射器系统返回到所述光源的所述发出的光的一部分随后向上辐射，错过所述后向反射器并通过所述光源的漫反射返向到所述出射孔。
2.一种准直照明器，包括：
漫反射率超过一半的光源，所述照明器具有出射孔并截取所述光源向出射孔以外部分的方向发出的光，所述照明器包括至少一近似椭圆形的凹面的镜面后向反射器，该凹面的镜面后向反射器将所述发出的光的一部分返回到所述光源，
其中由后向反射器返回到所述光源的所述发出的光的一部分随后向上辐射，错过所述后向反射器并通过所述光源的漫反射返向到所述出射孔。
3.根据权利要求2的准直照明器，其中形成椭圆形凹面后向反射器的椭圆的一个焦点约在自光源到达所述椭圆形凹面后向反射器的光束的边缘处。
4.根据权利要求3的准直照明器，其中椭圆的另一个焦点约在光源的边缘处。
5.根据权利要求3的准直照明器，其中：
所述后向反射器系统的至少第一后向反射器，其具有出射孔，
在所述光源和第一后向反射器之间的所述后向反射器系统的第二后向反射器，其具有第二出射孔，通过第二出射孔所述光源的发出的光到达所述第一后向反射器和所述出射孔，
及
形成第一后向反射器的椭圆的至少一焦点大致在所述第二后向反射器的边缘处。
6.一种准直照明器，包括：
漫反射率超过一半的光源，所述照明器具有出射孔并截取所述光源向出射孔以外部分的方向发出的光，所述照明器包括至少一个近似椭圆形的凹面后向反射器，该凹面后向反射器将所述发出的光的一部分返回到所述光源，还包括至少一正向反射器，该至少一正向反射器定位成以横跨出射孔形成具有实质上均匀的光束宽度的光的方式引导所截取的光通过出射孔，其中所述出射孔的光束宽度小于光束扩展量受限的光束宽度。
7.根据权利要求6的准直照明器，其中至少一所述正向反射器为近似双曲线的凹面。
8.根据权利要求7的准直照明器，其中形成双曲线凹面正向反射器的双曲线的至少一焦点约在从光源到达正向反射器的光束的边缘处。
9.根据权利要求8的准直照明器，其中双曲线的至少一焦点约在光源的边缘处。
10.根据权利要求9的准直照明器，其中双曲线的至少一焦点约在位于光源和正向反射器之间的所述后向反射器的边缘处。
11.一种准直照明器，包括：
漫反射率超过一半的光源，所述准直照明器截取所述光源发出的光，所述照明器横跨出射孔形成具有实质上均匀的光束宽度的光，及
正向反射器系统，包括位于光源发出的光的流线上的至少一个正向反射器，其将所发出的光的一部分引导到所述出射孔，所述正向反射器系统截取所述光源向出射孔以外部分的方向发出的光，使得所述出射孔的光束宽度小于光束扩展量受限的光束宽度。
12.根据权利要求1所述的准直照明器，其中所述后向反射器在空气中操作。
13.根据权利要求1所述的准直照明器，其中所述后向反射器在电介质内操作。
14.根据权利要求13的准直照明器，其中所述后向反射器通过微线槽进行反射。
15.根据权利要求13所述的准直照明器，其中所述后向反射器通过薄膜堆进行反射。
16.根据权利要求4的准直照明器，其中椭圆的两个焦点约在光源的边缘处。
17.根据权利要求1的准直照明器，其中所述至少一个凹面后向反射器位于光源的正交流线上。
18.一种能够与适当的光源结合以形成根据权利要求1-16中任一所述的准直照明器的准直器和后向反射器。
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