CN105805697A - 一种用于回收光以增加光源亮度的照明系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于增加光源亮度的照明系统，包括耦合至光源的光学回收设备，用于空间和/或角度的回收光，所述光源优选地为发光二极管(LED)。光学回收设备使用反射体或反射镜空间回收由LED发射的光射线的部分回到光源，和/或角度的回收高角度光射线并传输小角度光射线，从而增加光源的输出的亮度。

Description

一种用于回收光以增加光源亮度的照明系统和方法
本申请是申请号为200780021930.3、申请日为2007年6月13日、发明名称为“一种用于回收光以增加光源亮度的照明系统和方法”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于增加照明系统亮度的系统和方法，尤其涉及回收由光源发射的光以增加光源亮度的照明系统和方法。
背景技术
光源用在所有类型的照明应用中。典型的光源包括但不限于弧光灯、卤素灯、荧光设备、微波灯和发光二极管(LED)。很多应用需要在小的有效发射面积具有高水平亮度的照明系统。这种高水平的亮度通常可以通过增加更多光源来完成。然而，如果存在有限的空间用于集成光源，这在技术上是不可能的，并且经济上也是不可行的，因为集成并使用多个光源是昂贵的。因此，本发明寄希望于在不增加光源数目的情况下增加光源亮度。
例如，基于微显示的电视(MDTV)可能低成本且带有大屏幕尺寸。传统的MDTV通常由弧光灯照明。虽然该光源是以最低成本最亮的，但需要将白光分成3个颜色并且寿命短，这使得它较不合适。随着LED技术的发展，必须考虑LED作为在MDTV中光源的使用以获取LED长寿命的特性以及诸如瞬时开启的其它益处。然而，目前，对于使用小成像面板或具有较大屏幕的低成本的应用，LED亮度不足。LED回收方案已经被用于增强光源的亮度，参见授予Zimmerman等人的美国专利6,869,206。然而，Zimmerman等人描述了将LED装入具有一个光输出孔的光反射腔中。同样，授予Zimmerman等人的美国专利6,144,536描述了具有封闭了气体填充的中空内部的带有磷光体涂层的玻璃封罩的荧光灯。由磷光体涂层产生的光的部分被回收回到磷光体涂层。本发明寄希望于提供可被耦合至一个或多个LED以通过有效的回收来增加LED的可用亮度的回收设备，使得可以使用较小的面板或可以用足够的亮度照明大屏幕。
例如，LED是一种用在诸如普通照明、建筑照明和最近的投影电视中的多种照明应用中的光源。例如，当用在投影电视中时，LED必须以高的亮度水平在小的有效发射面积中发射光，以便在电视屏幕上提供必须的高光输出。特别的，LED必须在小的发射面积内以小的和立体的角度提供以流明来测量的强的且亮的光,以在投影电视中有用。不幸的是，目前可用的LED的亮度不足以用在照明大投影电视屏幕，这种照明大投影电视屏幕逐渐受消费者欢迎。
因此，需要一种用于增加LED亮度的方法和系统，以合理的成本提供满足当前和未来应用要求的照明系统。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种解决现有技术的前述的问题的照明系统。
本发明的另一个目的是提供一种包括用于回收由光源发射的光的部分来增加光输出的亮度的回收设备的照明系统。
本发明的另一个目的是提供一种包括用于通过反射由光源发射的光的部分回到光源来回收光来增加光输出的亮度的空间回收设备的照明系统。
本发明的另一个目的是提供一种包括用于传输小角度光并回收高角度光以增加光输出的亮度的角度回收设备的照明系统。
本发明的另一个目的是提供一种包括用于回收由光源发射的光的部分来增加光输出的亮度的空间和角度回收设备的照明系统。
本发明的另一个目的是提供一种如前所述的照明系统，该照明系统附加的包括用于反射和回收具有不期望偏振的光的偏振器，从而增强回收设备的回收效果。
本发明致力于一种回收光以增加光源亮度的照明系统，从而使得照明系统能够以合理成本提供较高光输出。根据本发明的示例性实施例，用于回收光以增加亮度的照明系统包括空间回收设备。空间回收设备包括耦合至光源的光管，该光源优选为安装在基底上的LED芯片。空间回收设备通过利用反射介质或涂层来覆盖光管的输出端的部分来回收光，从而使得来自光源的光被反射介质反射回通过光管进入光源。光源重新发射反射的光进入光管，从而增加来自照明系统的光输出的亮度。
根据本发明的示例性实施例，用于回收光以增加亮度的照明系统包括角度回收设备。角度回收设备包括耦合至光源的锥形光管，该光源优选为安装在基底上的LED芯片。优选地，锥形光管是渐减的锥形光管，该锥形光管从在输入端的较大横截面尺寸至在输出端的较小横截面尺寸形成锥形。角度回收设备传输小角度光并将大角度光反射回进入光源。光源以不同的角度分布重新发射反射的光，从而增加光输出的亮度。
根据本发明的示例性实施例，角度回收设备包括耦合至光源的渐减的锥形光管和耦合至渐减的锥形光管的输出端的渐增的锥形光管，该光源优选为安装在基底上的LED芯片。渐减的锥形光管从在输入端的较小的横截面尺寸至在输出端的较大的横截面尺寸形成锥形。角度回收设备传输小角度光并将大角度光反射回进入光源，从而增加光输出的亮度。
根据本发明的示例性实施例，角度回收设备包括耦合至光源的透镜系统，所述光源优选为安装在基底上的LED芯片。透镜系统包括在被凹面反射体或反射表面包围的中心处的透镜表面或透镜。可选的，反射体可以是双抛物面反射体，在该双抛物面反射体处高角度的光射线在被聚焦回到LED芯片上之前被反射两次。反射体和反射表面将高角度光射线反射回进入LED芯片用于回收，且透镜或透镜表面耦合小角度光射线作为光输出，从而增加光输出的亮度。
根据本发明的示例性实施例，用于增加光源亮度的光学回收设备包括用于从光源传输多个光射线的传输介质。传输介质具有输出端和耦合至光源的输入端。反射镜或反射体被耦合至传输介质的输出端，用于通过将多个光射线的部分经传输介质的输入端反射回光源来回收多个光射线的部分，用于被光源重新发射，从而增加光源输出的亮度。
根据本发明的示例性实施例，一种用于增加照明系统亮度的方法包括以下步骤：提供光源和包括输入端和输出端的光管；所述光管还包括布置在输出端上的反射介质；由光源产生光射线；放置光管使得输入端大体上与光源接近；在输入端收集光射线；通过反射介质将光射线的的部分反射回进入光管；将反射的光射线与光源发射的光耦合；从光管的输出端输出反射的光射线，从而回收光以增加照明系统的亮度。
根据本发明的示例性实施例，一种用于增加照明系统亮度的方法包括以下步骤：提供光源和具有输入端和输出端的锥形光管，其中光管从在所述输入端处的较大横截面尺寸至在输出端处的较小横截面尺寸形成锥形；由光源产生光射线；放置锥形光管使得其输入端大体上与光源接近；在输入端收集光射线；将具有大角度的射线的部分反射回进入渐减的锥形光管，从而减小角度尺寸；从输出端输出小角度光。
根据本发明的示例性实施例，一种用于增加光源亮度的方法包括以下步骤：耦合光学回收设备至光源以从光源接收多个光射线；回收多个光射线的部分回到光源；以及通过光源重新发射多个光射线的部分至光学回收设备，从而增加光源输出的亮度。
通过随后的详细描述，本发明的多种其他目的、优点和特征将变得清晰，并且新颖性特征将在所附权利要求中特别指出。
附图说明
结合附图将最佳的理解以例子方式给出的并不意图限制本发明的下面的详细描述，其中在各附图中类似的部件或特征以类似的附图标记表示；
图1是安装在基底上的LED芯片的横截面侧视图；
图2示出耦合至光管的图1的LED；
图3是根据本发明的示例性实施例的照明系统的横截面视图，示出了覆盖光管的输出端的部分的反射体或反射镜；
图4示出根据本发明的示例性实施例的附加的包括覆盖未被反射体覆盖的光管的输出端的部分的偏振器的图3中的照明系统；
图5是根据本发明的示例性实施例的照明系统的横截面侧视图，示出了围绕锥形光管的输出端的周界的反射体；
图6是根据本发明的示例性实施例的渐减的锥形光管角度回收光的横截面侧视图；
图7是根据具有锥形光管的本发明的示例性实施例的包括图6中的渐减的锥形光管的照明系统的横截面侧视图；
图8是根据本发明的示例性实施例的包括彼此耦合的两个锥形光管的照明系统的横截面侧视图；
图9a-b是根据本发明的示例性实施例的包括两个LED的照明系统的横截面侧视图，其中所述两个LED安装在具有布置在LED之间的基底上的反射涂层的基底上并且分别耦合至直的或锥形的光管；
图10a-b是根据本发明的示例性实施例的包括两个LED的照明系统的横截面侧视图，其中所述两个LED安装在基底上并且分别耦合至直的或锥形的光管，其中所述光管具有布置在所述LED之间的光管的输入端上的反射涂层；
图11a是根据本发明的示例性实施例的包括两个锥形光管的照明系统的横截面侧视图，其中每个锥形光管在输入端耦合至LED且在输出端耦合至相同的直的光管，所述直的光管具有覆盖它的输出端的部分的反射体用于空间回收光；
图11b是根据本发明的示例性实施例的包括两个锥形光管的照明系统的横截面侧视图，其中每个锥形光管在输入端耦合至LED且在输出端耦合至相同的渐减的锥形光管用于角度回收光；
图12示出根据本发明的示例性实施例的附加的包括覆盖直的光管的输出端的反射偏振器的图11a中的照明系统的横截面侧视图；
图13a-d是根据本发明的示例性实施例的包括耦合至直的或锥形光管用于将三个LED芯片的输出组合的彩色束组合器的照明系统的横截面侧视图；
图14a-b是根据本发明的示例性实施例的包括用于安装玻璃片和耦合至基底上的LED的直的或锥形光管的安装架的照明系统的横截面侧视图；
图15a-b是包括两个LED芯片的图14a-b中的照明系统；
图16是根据本发明的示例性实施例的包括实心光学部件的照明系统的横截面侧视图，其中所述实心光学部件具有用于耦合小角度光射线的透镜表面和用于后向反射大角度光射线以角度回收光的两个凹面反射表面；
图17是根据本发明的示例性实施例的包括用于耦合小角度光射线的透镜和用于后向反射大角度光射线以角度回收光的凹面反射体的照明系统的横截面侧视图；
图18是根据本发明的示例性实施例的使用双抛物面反射体或反射表面用于角度回收光的图16或图17的照明系统的横截面侧视图；
图19是根据本发明的示例性实施例的包含光学回收设备的LED照明系统的横截面侧视图；
图20是根据本发明的示例性实施例的具有带有包含光学回收设备的集成的光学元件的LED芯片的LED照明系统的横截面侧视图；
图21是根据本发明的示例性实施例的包含光学回收设备的LED投影系统的横截面侧视图；
图22是根据本发明的示例性实施例的包含光学回收设备的光纤光学系统的横截面侧视图；
图23是具有带有集成的光学元件的LED芯片的图21的LED投影系统或图22的光纤光学系统的横截面侧视图；
图24示出根据本发明的示例性实施例的对于不同LED反射率的所计算的亮度增强曲线；
图25示出根据本发明的示例性实施例的对于不同LED反射率的实验的亮度增强曲线；
图26示出根据本发明的示例性实施例的LED与光管紧密接近情况下所计算的亮度增强曲线。
具体实施方式
参照附图，现在描述本发明的示例性实施例。这些实施例示出了本发明的原理，并且不应该认为是对本发明的范围的限制。
根据本发明的示例性实施例，如图3-5，7-18所示，用于回收光以增加光源亮度的照明系统1000包括光源100和光学回收设备200。如图1中所示，光源100安装在基底140上。基底140优选但不限于为热沉140，用于吸收并驱散光源100发射的热量。光源100优选为发光二极管(“LED”)。LED或光源100可以以裸芯片、具有保护涂层的芯片、或其上安装有透镜或准直透镜的芯片的形式安装在基底140上。芯片大小可以小到小于1mm×1mm，或者大到在技术上可行的范围。商业芯片在尺寸上可以大到3-5mm。这种芯片的尺寸当技术成熟时随时间增加。安装在LED芯片100上的透镜可以是球形的，或者定制成任意形状的芯片以达到最大耦合，所述任意形状的芯片诸如非球面的，或用于传输的成形透镜和用于反射的成形表面的结合。虽然本照明系统是使用LED作为光源100来描述的，光源100可以是任意光源，包括但不限于弧光灯、卤素灯、表面发射设备(SED)、荧光设备、微波灯以及本领域技术人员知道的其他光源。根据本发明的实施例，如图9a-13d和15a-b所示，本系统可以包括安装在单个基底140上的多个光源100。如图11a-12所示，根据本发明的一方面，每个光源100可以安装在独立的基底140上。
根据本发明的示例性实施例，光学设备200可以是与光源100光学连通的空间和/或角度回收设备。如这里所述，空间或角度回收设备200一般包括直的或锥形的光管300。如图2中所示，光源或LED100的输出被耦合至光管300，以在光管300的输出端320提供光的均匀强度轮廓。光管300中的光经过全内反射被引导至输出端320。LED100的输出被光管300捕获并传输到光管300的输出端320。光管300在形状上可以是矩形、六边形或三角形。优选地，光管300的形状与光源或LED100的形状匹配以得到高耦合效率。在理想情况下，LED100的输出被光管300完全捕获。当光管300的横截面尺寸与LED100匹配时，光管300的输出端320的输出亮度将大体上与LED100的输出亮度相同。然而，在商业应用中，人们可以预期在LED100和光管300之间的一些耦合损失以及在光管300中的传输损失。
根据本发明的示例性实施例，如图3-5，9a，10a，11a，12，13a，14a以及15a所示，空间光学回收设备200包括光管300和耦合到光管300的输出端320的反射体、反射镜、反射介质或反射体系统400。光管300的输入端310光学连通至或耦合至光源100，且光管300的输出端320耦合至反射介质400。光学连通可以通过与光源100靠近的放置光管300来完成，使得光管300的输入端310收集从光源100发射的光。可选地，光管300的输入端310可以使用环氧树脂或任意其它这种耐热、透明的连接材料被附着或粘合至光源100。应该理解，光管300可以是中空的或实心的，并且可以具有任意横截面的尺寸形状，包括但不限于矩形、六边形、三角形等。优选地，光管300的形状优选与光源或LED100的形状匹配，以得到高耦合效率。
光管300可以具有一致的横截面尺寸或可以是从输入端310至输出端320具有渐增或渐减的横截面尺寸的锥形。包括具有渐增的横截面尺寸的光管300的光学回收设备200可以减小输出数值孔径。然而，包括具有渐减的横截面尺寸的光管300的光学回收设备200可以提高大角度的光的回收，从而提供光的角度回收。
光管300可以由玻璃、石英、塑料、熔融硅石、丙烯酸树脂等制成。光管300可以具有裸露表面或涂覆有低折射指数的材料的表面，用于类似于标准光纤的光引导，或者光管300可以在其任意或所有表面涂覆有诸如铝的反射涂层。虽然这里描述并示出的回收光管300是实心光管，但在实际的和商业上的应用中，光管300可以是中空的，具有在输入端310和输出端320的开口和形成反射表面的反射镜。在输入端310和输出端320的开口可以涂覆有抗反射材料，以增加光管300在回收光中的效率。
反射介质400安装在光管300的输出端上并且覆盖光管300的输出端320的部分。反射介质400可以是外部反射体、反射镜或反射性的涂覆材料。可选地，反射介质400可以同光管300集成，例如沉积反射涂层在光管300的输出端320上。由于反射介质400覆盖光管300的输出端320的部分，来自光源100的光的部分被反射回进入光管300。反射的光110通过光管300被传输至光源100，并重新发射或反射回进入光管300作为从光源100的输出，如图3中所示。由于光管300的输出端320的面积被反射体400减小了，由反射体400反射回进入光管300的任何光将增强或增加从光源100输出并离开光管300的光的亮度，从而增加根据本发明的实施例的照明系统的亮度。虽然来自光管300的总的输出功率将变小，通过利用本发明的光学回收设备200回收来自光源100的光的部分，光输出的亮度将被增加。
典型的，LED芯片或管芯100具有一定的反射率，该反射率由反射离开表面的光与入射在表面上的光的量的比率所限定。LED芯片100的表面也是非镜面的(non-specula)，其由散射因子所限定。在图24中示出对于不同LED反射率的通过射线追踪计算的空间回收设备200的理论回收效率。相对于LED100的数目画出了本发明的空间回收设备200的亮度增强，所述LED100的数目是在光管300的输出端320的开口的百分比的倒数。例如，对于在光管300的输出端320的20％开口(对应于5个LED)以及60％的LED反射率的情况，本发明的空间回收设备200的输出是1.9倍亮度。
在图25中示出使用由不知名的卖家所制造的LED的空间回收设备200的相对于图24的理论曲线画出的实验性的结果。反射镜400放置在光管300的输出端320，使得可以调整所述反射镜以提供不同百分比的开口。由于LED芯片100被安装在具有透明窗口的热沉140上，因此，在LED100和光管300之间的耦合效率不是100％。此外，在光管300的输出端320的反射镜400的反射率不是100％。由于LED100的反射率损失和造成了损失的其它实验的不完整性，所观察到的反射少于LED的反射率。以LED的R(反射率)和S(散射)作为曲线拟合参数利用ASAP射线追踪程序，获取了实验的空间回收设备200的物理模型。在最佳拟合处，发现反射率R为52％而散射S为18度。同样，ASAP射线追踪是在将窗口移除的情况下进行的，从而使得光管300紧密接近LED管芯100。图26示出LED管芯100同光管300直接接触情况下与LED100的数目相对应的所计算的亮度增强，所述LED100的数目是光管300的输出端320处开口的百分比(％)的倒数。例如，对于该LED管芯100使用在光管300的输出端320处20％开口(对应于5个LED)的本发明的空间回收设备200可以获取1.6倍的亮度增强。
根据本发明的示例性实施例，如图4中所示，光学回收设备200包括偏振分束器(PBS)220或偏振器210以提供偏振的照明系统1000，其中偏振器210优选地为反射偏振器210。反射偏振器210或PBS220可以覆盖光管300的整个输出端320或仅不由反射体400覆盖的输出端320的部分。此外，反射偏振器210或PBS220可以被放置或安装在光管300的输出端320上位于反射体400之前或之后。反射偏振器210或PBS220将具有不期望或不想要的偏振的光反射回光管300，从而增强本发明的光学回收设备200的回收效果并增加输出光的亮度。
根据本发明的示例性实施例，如图4中所示，光学回收设备200包括波片230，以提高光偏振态的不规则性，从而增加光学回收设备200的效率。波片230可以放置在光管300的输出端320和反射偏振器210之间。
现参照图5，根据本发明的示例性实施例，空间和角度回收设备200包括LED芯片100、锥形光管300，该锥形光管300的输入端310比输出端320窄，并且包括围绕锥形光管300的输出端320的周界的反射镜400。LED芯片100安装在热沉140上。锥形光管300的较窄的输入端310与LED芯片100光学连通。应该理解，LED芯片100和锥形光管300的输入端310之间的空气间隙可以被低指数的环氧树脂填充。本发明的该实施例中锥形光管300的使用增加在一定圆锥角内的效率和亮度。当LED100用作光源时，因为通常只有在小角度内的光输出可以被收集，所以亮度通常是最重要的参数。例如，在商业可用的背投电视(RPTV)中的收集角度估计为大约38度，而在这样的RPTV中由LED100发射的从38度至90度的光将不会被利用并且被浪费。本发明的回收锥形光管300收集来自LED100的光，选择作为输出将被传输的光的合适的角度，并且回收剩余的光回到LED100，从而回收在所选的角度外的未被利用的光以有效的增加LED100的亮度。围绕光管300的输出端320的周界放置的反射镜400反射所选择的角度之外的光至LED100，从而回收未使用的光。在所选择的角度内使用本发明的空间回收设备200由LED100输出的光的量大于在所选择的角度内由LED100自身发射的光的量，从而增加在可用范围内LED100的亮度。
根据本发明的示例性实施例，如图14a-b所示，本发明的回收或再利用光管300(直的或锥形的)可以同LED100的封装集成。LED100和安装架600安装在热沉或基底140上。玻璃片或盖650安装在安装架600上，并且可以同光管300集成或者附至光管300。玻璃盖650还用于保护LED芯片100。可以调整安装架600的大小以控制光管300和LED芯片100之间的间隙610。优选地，光管300与LED芯片100紧密接近以用于最大化从LED100进入光管300的光的耦合，并且用于由反射镜400将光经光管300反射回LED100。
如图14a-b中所示，在光管300的输出端320，表面的部分被反射表面(例如，反射介质、涂层或反射镜400)所覆盖以促进光管300中光的回收。优选地，反射介质400围绕光管300的输出端320的表面的周界。虽然未示出，但也可以使用其他配置，例如用偏向一侧或另一侧的反射介质400覆盖输出表面的部分。如这里所述，光管300可以附至玻璃盖650以便于光学回收设备200的各种光学部件的安装。除了玻璃盖650与光管300一起形成之外，对本发明的集成的光管的组装过程与标准的LED组装类似。应该理解，根据应用，光管300可以是锥形的(渐减或渐增)、直的、实心的或中空的。中空光管可以通过利用环氧树脂、焊料或其它接附装置将四个反射镜附至玻璃盖650来组装。
根据本发明的示例性实施例，直的或锥形的光管300可以与诸如在图15a-b中所示的两个LED芯片100的多个LED芯片100的封装集成。多个LED或LED芯片100利用单个安装架600安装在热沉或基底140上。如图15a-b中所示，在光管300的输入端310处，对应于LED芯片100之间的空间的表面被涂覆以反射涂层以促进光管300中光的回收。
应该理解大部分LED具有郎伯(Lambertian)发射模式。由光子晶体制成的特定LED具有在小角度增强的发射模式，使得亮度更高。在每种情况下，在小角度的亮度高于在较高角度的亮度。因此，如果期望较高亮度，只有小角度发射可以使用，这浪费了所有的高角度发射。所得的系统非常低效。为了克服该缺点，使用角度回收系统，使得高角度发射被反射回进入LED而只有低角度发射被传输。图5示出了角度回收系统的示意图。
参照图6-8、9b、10b、11b、13c-d、14b和15b，根据本发明的示例性实施例，光学回收设备200包括中空或实心的锥形光管300。图6示出包括从较大面积至小面积形成锥形的(输入端310大于输出端320)渐减的锥形光管300的角度回收设备200。该渐减的锥形光管300可以用于过滤具有大入射角的输入光。就是说，具有大入射角的输入光被渐减的锥形光管300反射而只有具有小入射角的输入光被渐减的锥形光管300传输。以入射角θa进入渐减的锥形光管300的输入端310的输入光射线a0在渐减的锥形光管300中被反射多次并且通过渐减的锥形光管300的输出端320离开作为输出射线a1。应该理解，输入光射线可以以较大入射角离开渐增的锥形光管300。以大入射角θb进入渐减锥形光管300的输入端310的光射线b0也在渐减的锥形光管300中被反射多次，但在达到渐减的锥形光管300的输出端320之前，光射线b0的角度达到超过90度的入射角。光射线b0开始朝向渐减的锥形光管300的输入端310反射回并离开渐减的锥形光管300的输入端310作为光射线b1，而不是离开渐减的锥形光管300的输出端320，如图6中所示。渐减的锥形光管300实际上作为对入射输入光的角度过滤器，其中具有小入射角的光被渐减的锥形光管300传输而具有大入射角的光被渐减的锥形光管300拒绝或反射。
根据本发明的示例性实施例，如图7-8、9b、10b、11b、13c-d、14b和15b所示，角度回收设备200包括渐减的锥形光管300和多个LED100。LED100放置在渐减的锥形光管300的输入端310之前，该LED100的面积大体上与渐减的锥形光管300的输入端310的面积相同。具有高入射角度的光或高角度光被本发明的渐减的锥形光管300反射回进入LED100。反射的光在LED100中被回收并以与原来的输入光不同的角度分布被反射回进入渐减的锥形光管300。也就是说，所回收的反射的光的部分现在具有小入射角度(或小角度光)，以被渐减的锥形光管300传输并耦合至渐减的锥形光管300的输出。小角度光离开渐减的锥形光管300的输出端320作为输出。由于LED表面具有散射，以较高角度的反射的光的部分被散射以降低角度并耦合出角度回收设备200，从而增加照明系统1000的亮度。根据本发明的示例性实施例，如图8中所示，渐减的锥形光管300的输出端320可以耦合至另一个锥形光管300(优选地，为渐增锥形光管)的输入端310，从而减少来自LED的高角度光并增加光输出面积。
根据本发明的示例性实施例，照明系统1000包括耦合至单个输出光管300的多个LED100。现在转到图11a-b和图12，根据本发明的示例性实施例，使用两个锥形输入光管350将两个LED100耦合至单个输出光管300(如图11a中所示的直的光管或如图11b中所示的锥形光管)，锥形输入光管350优选为渐增锥形光管350。锥形输入光管350的输入端分别耦合至两个LED100并且锥形输入光管350的输出端耦合至输出光管300。如这里所述，输出光管300的输出端320部分涂覆有反射涂层或介质以促进在光学回收设备200中的回收，从而增加照明系统1000的亮度。锥形输入光管350的输出端的尺寸优选与输出光管300的输入端的尺寸匹配，使得在输入光管350的输出端之间的间隙最小以实现光的高度耦合。
根据本发明的示例性实施例，如图9a-b、10a-b、11a-b和12中所示，照明系统1000包括多个LED芯片或LED100，所述多个LED芯片或LED100优选地紧密封装在一维(即，一排LED)或二维阵列中。优选地，如图11a-b和12中所示，LED/LED芯片100和输入光管350是密集或紧密封装的。LED100和输入光管350的形状可以是圆形、三角形、六边形、八边形等。虽然LED100和输入光管350的尺寸可以一致，但是根据照明系统的应用其可以改变。就是说，光学回收设备200可以包括具有不同形状和大小的多个LED100和具有不同形状和大小的多个输入光管350。根据示例性实施例，LED100和LED100所耦合至的输入光管350(即，LED-光管对)具有大体相似的形状。例如，三角形的输入光管350被耦合至三角形的LED100。这有利的允许本发明的照明系统1000被设计用于通过结合现有的和容易获得的各种输出功率和大小的LED100来提供特定的输出功率。此外，多个LED100的使用附加的提供对输出功率和波长的平均效应。通常在LED生产中，LED/LED芯片的输出功率和波长不被很好的控制。当前的LED生产需要LED芯片以几个波长和几个功率范围“重新分级”(binning)。根据本发明的各实施例，当几个LED结合成单个输出源时，在输出功率和波长方面，照明系统1000(或光源)作为整体的平均变化变小。应该理解，如在本发明的各实施例中所述，当足够的LED用作单个光输出源时，可能不需要这种重新分级，从而改进LED/LED芯片的生产并节省制造成本。
通常两个或多个颜色用在彩色投影系统。根据本发明的示例性实施例，照明系统1000包括多种彩色LED或LED芯片100，其可以被结合和混合，例如使用在通过引用全文包含在本申请中的、本申请的共同受让人所拥有的、题为“EtendueEfficientCombinationofMultipleLightSources”的共同未决申请No.11/351,013中所公开的技术。也就是说，例如，可以使用本发明来提供3色(红、绿和蓝)投影系统，或4色和5色投影系统，这些系统开始获得一些发展势头。
根据本发明的示例性实施例，如图9a-b和10a-b中所示，光学回收设备200包括耦合至光管300的输入端310的多个LED芯片100。如这里所述，通过最小化LED芯片100之间的间隔，LED芯片100被密集封装。虽然LED芯片100之间的空间可被制成反射的、部分反射的或不反射的，所述空间优选为反射的以促进光的回收，从而增加光学回收设备200的效率。根据本发明的示例性实施例，如图9a-b所示，LED芯片100之间的基底140的表面(即，空间130)使用反射体、反射镜、反射涂层等被制成反射的。可选地，如图10a-b中所示，对应于LED芯片100之间的空间130的光管300的输入端310可以使用反射体、反射镜、反射涂层等被制成反射的。虽然在图9b和10b中仅示出渐增锥形光管300，但是渐增(小输入端到大输出端)或渐减(大输入端到小输出端)的锥形光管300都可以使用。渐增锥形光管300可以被用于减小输出数值孔径而渐减锥形光管300可以用于增强大入射角的光的回收。
根据本发明的示例性实施例，如图13a和13b中所示，照明系统1000包括光管300(其可以是直的或锥形的光管)和用于组合各种彩色LED100(例如，每个LED100发射具有不同波长的光)的输出成单一输出250的彩色束组合器700。如图13a所示，彩色束组合器700包括立方棱镜P1、P2、P3(优选地，偏振分束器)和立方体G1、G2用于组合诸如红、蓝和绿LED100的各种彩色LED100的输出。立方棱镜P3耦合至光管300的输入端310。红LED(R-LED)100发射红光，该红光被立方棱镜P1反射且进入立方体G1。立方棱镜P2传输从立方体G1接收的红光并反射由绿LED(G-LED)100发射的绿光。立方棱镜P2传输反射的绿光和传输的红光进入立方体G2。立方棱镜P3传输从立方体G2接收的绿光和红光，并反射由蓝LED(B-LED)100发射的蓝光进入光管300。优选地，抛光立方棱镜710、立方体720和光管300的所有面，以有效的引导通过照明系统1000的各种光学部件。如这里所述，光管300的输出端320具有覆盖输出端320的部分的反射涂层、反射体或反射镜400以促进回收，从而增加照明系统1000的亮度。
可选地，诸如三角棱镜730的彩色束组合器700和光管300被集成成单件。如图13b中所示，照明系统1000包括R-LED100、G-LED100,B-LED100、波导部分W1-W5和输出部分300(其可以是锥形的或直的)。优选地，波导部分W1、W3和W5是三角棱镜。该红LED(R-LED)100发射红光，该红光被波导部分W1反射并进入波导部分W2。波导部分W3传输从波导部分W2所接收的红光并反射由绿LED(G-LED)100发射的绿光。波导部分W3传输反射的绿光和传输的红光进入波导部分W4。波导部分W5传输从波导部分W4接收的绿和红光，并反射由蓝LED(B-LED)100发射的蓝光进入输出部分300。彩色束组合器的例子在通过引用全文包含在本申请中的共同未决申请No.11/351,013中公开。优选地，抛光波导部分W1-W5和输出部分300的所有面，以有效的引导通过照明系统1000的各种光学部件。如这里所述，输出部分300的输出端320具有覆盖输出端320的部分的反射涂层、反射体或反射镜400以促进回收，从而增加照明系统1000的亮度。
根据本发明的示例性实施例，照明系统1000包括角度回收设备200。如图16中所示，角度回收设备200包括安装在热沉140上的LED100和具有反射凹面820、830和透镜表面810的由塑料或玻璃制成的实心光学部件800。优选地，反射凹面820、830包围透镜表面810。反射凹面820、830的形状可以是球形的、抛物面形的或椭圆形的并且可以由反射涂层制成反射的。反射表面820、830作为后向反射器用于将高角度射线反射回进入LED100以回收。来自LED100的小角度光射线由透镜表面810耦合并从角度回收设备200输出作为输出250。
可选地，如图17中所示，角度回收设备200包括安装在热沉140上的LED100、反射体840、850和透镜860。来自LED100的高角度射线被反射体840、850反射回进入LED用于回收，并且来自LED100的小角度射线被透镜860耦合并从角度回收设备200输出作为输出250。
根据本发明的的示例性实施例，如图18中所示，图16、17的角度设备200包括双抛物面反射体840、850或反射表面820、830用作双抛物面反射体，用于在被聚焦回到LED100上之前反射高角度射线两次。就是说，从反射表面820或反射体840反射的光被准直并分别被反射表面830或反射体850接收。然后，被准直的光被反射表面830或反射体850重新聚焦并聚焦在LED100上用于回收。此外，应该理解，反射表面820、830和反射体840、850的曲率半径可以比透镜表面810或透镜860的曲率半径小，使得反射表面820、830或反射体840、850比透镜表面810或透镜860距LED更近。
根据本发明的示例性实施例，本发明的光学回收设备200可以被包含到传统的LED照明系统中，以使用光的空间和/或角度回收来增加LED源的亮度。典型的在传统的LED照明系统中，来自LED芯片100的光通过外部光学系统801被耦合至应用900(例如，投影显示屏幕)。如图19中所示，本发明的空间和/或角度光学回收设备200被插入到LED芯片100和外部光学系统801之间，以增加应用900的光的亮度。
现在转到图20，本发明的空间和/或角度回收设备200可以被包含到具有LED芯片100的传统的LED照明系统中，其中LED芯片100具有诸如在LED封装上的模制的透镜的集成的光学元件150，用于从LED芯片100提取光。这里，本发明的空间和/或角度回收设备200被插入在集成的光学元件150和外部光学系统801之间，以增加在应用900处的光的亮度。
根据本发明的示例性实施例，本发明的光学回收设备200可以被包含到传统的LED投影系统中，以使用光的空间和/或角度回收来增加LED源的亮度和/或耦合进入投影系统950的光的量。典型的，在传统的LED投影系统中，使用透镜或透镜系统810，来自LED芯片100的光被耦合至投影系统950。如图21中所示，本发明的空间和/或角度光学回收设备200被插入到LED芯片100和透镜810之间以增加光的亮度和/或耦合进入投影系统950的光的量。
根据本发明的实施例，如图22中所示，本发明的空间和/或角度回收设备200可以被包含到光纤光学系统中，以增加LED源的亮度和耦合至光纤光学元件920的总的光。这里，本发明的空间和/或角度回收设备200插入到LED芯片100和透镜810之间，以增加光的亮度和/或耦合进入光纤光学元件920的光的量。
现在转到图23，本发明的空间和/或角度回收设备200可以被包含到图21的LED投影系统中或图22的光纤光学系统中，其中LED芯片100包括集成的光学元件850，所述集成的光学元件850用于从LED芯片100中提取光。这里，本发明的空间和/或角度回收设备200插入在集成的光学元件850和透镜810之间，以增加光的亮度和/或耦合进入投影系统950或光纤光学元件920的光的量。
已经就本发明进行了描述，本领域的技术人员应该清楚，本发明可以以多种方式变化而不脱离本发明的精神和范围。任何以及所有的这种改变均包含在下面所附的权利要求的范围内。

Claims (35)

1.一种用于增加光源亮度的照明系统，包括：
用于发射多个光射线的光源；以及
光学回收设备，用于传输来自所述光源的所述多个光射线，所述光学回收设备包括具有反射凹面和透镜表面的单个实心光学部件；
其中，所述单个实心光学部件的所述透镜表面形成与所述光源的预定圆锥角，使得所述单个实心光学部件的所述反射凹面通过将从所述光源发射的、在所述预定圆锥角之外的光射线反射回到所述光源来角度地回收所述多个光射线的一部分，所述光源将发射到所述预定圆锥角之外的光射线重新发射到所述角度光学回收设备，从而增加所述光源的输出的亮度；
其中，所述单个实心光学部件的所述透镜表面传输来自所述光学回收设备的、从所述光源发射的在所述预定圆锥角内的光射线；以及
其中，在所述预定圆锥角之外的所有光射线在撞击到任何其他表面之前首先撞击到所述凹面。
2.如权利要求1所述的照明系统，其中所述光源包括多个LED芯片。
3.如权利要求2所述的照明系统，其中所述多个LED芯片被紧密封装在一维或二维阵列中。
4.如权利要求1所述的照明系统，其中所述光源包括多个彩色LED芯片，其中每个彩色LED芯片发射具有不同波长的光。
5.如权利要求1所述的照明系统，其中所述反射凹面形成双抛物面反射表面，以在将从所述光源发射的、在所述预定圆锥角之外的光射线聚焦回到所述光源上之前将其反射两次。
6.如权利要求1所述的照明系统，其中所述反射凹面的形状是球形的、抛物面形的或椭圆形的。
7.如权利要求1所述的照明系统，其中所述反射凹面围绕所述孔。
8.如权利要求1所述的照明系统，其中所述光源包括发光二极管(LED)或LED芯片。
9.如权利要求8所述的照明系统，其中所述LED芯片安装在具有反射表面涂层的基底上。
10.如权利要求8所述的照明系统，其中所述LED芯片包括集成的光学元件，用于从所述LED芯片提取光。
11.如权利要求1所述的照明系统，其中所述实心光学部件的反射凹面的形状是球形的、抛物面形的或椭圆形的。
12.如权利要求1所述的照明系统，其中所述实心光学部件的反射凹面围绕所述实心光学部件的透镜表面。
13.一种用于增加光源亮度的照明系统和一种用于增加亮度的方法，包括：
用于发射多个光射线的光源；以及角度光学回收设备，其用于传输来自所述光源的所述多个光射线，所述角度光学回收设备包括具有孔和反射凹面的单个中空光学部件，所述反射凹面的形状是双抛物面；以及
其中，所述单个中空光学部件的孔形成与所述光源的预定圆锥角，使得所述中空光学部件的所述反射凹面通过将从所述光源发射的、在所述预定圆锥角之外的光射线反射回到所述光源来角度地回收所述多个光射线的一部分，所述光源将发射到所述预定圆锥角之外的光射线重新发射到所述角度光学回收设备，从而增加所述光源的输出的亮度；以及
其中，所述单个中空光学部件的所述孔传输来自所述角度光学回收设备的、从所述光源发射的在所述预定圆锥角内的光射线；以及
其中，在所述预定圆锥角之外的所有光射线在撞击到任何其他表面之前首先撞击到所述双抛物面反射表面之一。
14.如权利要求13所述的照明系统，其中所述双抛物面反射表面在将从所述光源发射的、在所述预定圆锥角之外的光射线聚焦回到所述光源上之前将其反射两次。
15.如权利要求13所述的照明系统，其中所述反射凹面的形状是球形的、抛物面形的或椭圆形的。
16.如权利要求13所述的照明系统，其中所述反射凹面围绕所述孔。
17.如权利要求13所述的照明系统，其中所述光源包括发光二极管(LED)或LED芯片。
18.如权利要求17所述的照明系统，其中所述LED芯片安装在具有反射表面涂层的基底上。
19.如权利要求17所述的照明系统，其中所述LED芯片包括集成的光学元件，用于从所述LED芯片提取光。
20.如权利要求13所述的照明系统，其中所述光源包括多个发光二极管(LED)芯片，其中所述多个发光二极管(LED)芯片被紧密封装在一维或二维阵列中。
21.如权利要求13所述的照明系统，其中所述光源包括多个彩色发光二极管(LED)芯片，其中每个彩色LED芯片发射具有不同波长的光。
22.一种用于增加光源亮度的方法，包括以下步骤：
将光学回收设备耦合至光源以从所述光源接收多个光射线，并且回收所述多个光射线的一部分，所述光学回收设备包括具有反射凹面和透镜表面的单个实心光学部件，所述透镜表面形成与所述光源的预定圆锥角；
通过所述光学部件的所述反射凹面将从所述光源发射的、在所述预定圆锥角之外的光射线反射回到所述光源来角度地回收所述多个光射线的一部分；
从所述光学回收设备通过所述透镜表面传输从所述光源发射的、在所述预定圆锥角之内的光射线；
通过所述光源将发射到所述预定圆锥角之外的光射线重新发射到所述光学回收设备，从而增加所述光源的输出的亮度；以及
其中，在所述预定圆锥角之外的所有光射线在撞击到任何其他表面之前首先撞击到所述凹面之一。
23.如权利要求22所述的方法，还包括如下步骤：通过形成双抛物面反射表面的所述反射凹面，在将从所述光源发射的、在所述预定圆锥角之外的光射线聚焦回到所述光源上之前将其反射两次。
24.如权利要求22所述的方法，还包括如下步骤：从发光二极管(LED)或LED芯片接收所述多个光射线。
25.如权利要求24所述的方法，还包括如下步骤：将所述LED芯片安装在具有反射涂层的基底上。
26.如权利要求24所述的方法，还包括如下步骤：从多个彩色LED芯片接收所述多个光射线，其中每个彩色LED芯片发射具有不同波长的光。
27.如权利要求24所述的方法，还包括如下步骤：使用所述LED芯片上的集成的光学元件从所述LED芯片提取光。
28.如权利要求22所述的方法，还包括如下步骤：从紧密封装在基底上的一维或二维阵列中的多个LED芯片接收所述多个光射线。
29.一种用于增加光源亮度的方法，包括以下步骤：
将光学回收设备耦合至光源以从所述光源接收多个光射线，并且回收所述多个光射线的一部分，所述光学回收设备包括具有反射凹面和孔的单个中空光学部件，所述孔形成与所述光源的预定圆锥角；
通过所述单个中空光学部件的所述反射凹面将从所述光源发射的、在所述预定圆锥角之外的光射线反射回到所述光源来回收所述多个光射线的一部分；
从所述光学回收设备通过所述孔传输从所述光源发射的、在所述预定圆锥角之内的光射线；以及
通过所述光源将发射到所述预定圆锥角之外的光射线重新发射到所述光学回收设备，从而增加所述光源的输出的亮度；以及
其中，在所述预定圆锥角之外的所有光射线在撞击到任何其他表面之前首先撞击到所述凹面。
30.如权利要求29所述的方法，还包括如下步骤：通过形成双抛物面反射表面的所述反射凹面，在将从所述光源发射的、在所述预定圆锥角之外的光射线聚焦回到所述光源上之前将其反射两次。
31.如权利要求29所述的方法，还包括如下步骤：从发光二极管(LED)或LED芯片接收所述多个光射线。
32.如权利要求31所述的方法，还包括如下步骤：将所述LED芯片安装在具有反射表面涂层的基底上。
33.如权利要求31所述的方法，还包括如下步骤：使用所述LED芯片上的集成的光学元件从所述LED芯片提取光。
34.如权利要求29所述的方法，还包括如下步骤：从紧密封装在一维或二维阵列中的多个发光二极管(LED)芯片接收所述多个光射线。
35.如权利要求29所述的方法，还包括如下步骤：从多个彩色LED芯片接收所述多个光射线，其中每个彩色LED芯片发射具有不同波长的光。
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