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CN102016402A - 球形发射远距离磷光体 - Google Patents

球形发射远距离磷光体 Download PDF

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CN102016402A
CN102016402A CN2009801140694A CN200980114069A CN102016402A CN 102016402 A CN102016402 A CN 102016402A CN 2009801140694 A CN2009801140694 A CN 2009801140694A CN 200980114069 A CN200980114069 A CN 200980114069A CN 102016402 A CN102016402 A CN 102016402A
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CN
China
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light
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dielectric
light source
exit aperture
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CN2009801140694A
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W·法利科夫
J·C·查韦斯
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Light Prescriptions Innovators LLC
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Light Prescriptions Innovators LLC
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Abstract

本发明公开了一种光源，包括：光激致光的发射器，如一个或多个蓝光LED；反射器，其可以是发散锥体，布置成将来自LED的光朝向出口孔反射；进一步使来自反射器的光准直的特制非球面镜；接收和传送准直后的光的短通滤光器；接收滤光器传自LED的光并将其集中在出口孔上的电介质聚光器；出口孔外部上的、接收所集中的光的电介质发射光学器件；及位于电介质发射光学器件的外部上的一层光敏磷光体，所述光敏磷光体响应于LED光而发射更长波长的光。

Description

球形发射远距离磷光体
相关申请交叉引用
本申请要求Falicoff和Chaves于2008年2月21日申请的美国临时专利申请61/066,528及Falicoff和Chaves于2008年4月29日申请的美国临时专利申请61/125,844的权益，二者通过引用全部组合于此。
背景技术
白光发光二极管(LED)由于其高发光功效、长寿命及强紧致性而注定要成为新照明的主要类型。由于LED半导体芯片内的实际发射器始终为非常薄的界面层，LED芯片主要为扁平发射器。现有技术的白光LED包括位于蓝光发射芯片上的薄磷光体层，从而它们也为扁平发射器。然而，在一般照明中，经常需要传统白炽灯泡那样的球形发射。授予Minano等的美国专利7,021,797公开了具有球形发射的多种构造，且其全部组合于此。一种前述构造如在此的图3所示，用于与本发明进行比较。总的来说，“球形”并不要求完整的球体，在大多数情形下这是不切实际的，但通常希望覆盖与传统白炽灯泡所照明的一样多的球体部分。
发明内容
本发明装置中使用的远距离磷光体概念为授予Chaves等的美国专利7,286,296中的概念，该专利通过引用全部组合于此，该专利还与通过引用全部组合于此的CIP美国专利申请2006/0239006相关联。蓝光LED具有将其光射过具有高黄光反射率的蓝通滤光器的准直光学器件。集中光学器件将所有该光激致的的蓝光放在小的磷光体片上，其向外及向后朝向滤光器发射黄光。该反向发射的黄光通过滤光器返回到磷光体，从而增加其亮度及系统效率。准直器是必须的，因为滤光器仅通过接近正入射的蓝光，通常在约15度的锥体内。聚光器是必须的，否则磷光体必须覆盖整个滤光器，从而大大增加其光束扩展量。
在本发明装置的一实施例中，聚光器被填充电介质(折射率n)，使其小端的面积比相应填充空气的聚光器的入口孔小n2倍。该相对于源面积减小磷光体目标的出口孔的方法在SPIE的2007年学报的6669卷中由Bierhuizen等撰写的论文“Performance and trends of High power Light Emitting Diodes”中提及。作者指出亮度有小的增加，但装置的效率并没有比保形涂覆磷光体的LED好。它们在固体电介质CPC的端部采用扁平磷光体片，与上面提及的US 7,286,296中同样构造(准直器/短通滤光器/聚光器)的初期远距离磷光体系统一样。同样，在US 7,286,296中指出，在前述远距离磷光体构造中的扁平磷光体片将其黄光的大部分(50-65％)向后朝向滤光器发送。预测前述远距离磷光体系统的效率的一般等式在上面提及的美国申请2006/0239006中提供。具体地，确定远距离磷光体系统的性能的关键参数在那里称为PT并定义为到达磷光体片6205的光每遍从磷光体的前面进一步传出的部分。从该申请中的一般等式可以看出，PT的值越高，系统的效率越高。这也在该申请的图62c中示出，其示出了一次计算机模拟的结果。曲线6250具有列举PT的值的横轴6251及列举与颜色无关的提取效率ηE＝LO/L的值的纵轴6252。很显然具有高的PT值非常重要，否则远距离磷光体系统的效率将不比传统白光LED好。
在本申请中，蓝光通过电介质聚光器的小端并进入球体或其它立体形状，其总称为“球”，磷光体沉积在其外表面上。立体形状上磷光体的表面积的增加将相对于电介质聚光器的小端的光束扩展量增加发射表面的光束扩展量。这将约正比于两个面积的比增加系统的PT。例如，如果聚光器的端部为圆形，及立体形状为与该圆具有相同直径的半球，则承受磷光体的表面积将为电介质聚光器的圆形端的面积的两倍。如果电介质聚光器具有为2的折射率，则电介质聚光器的小端将比准直器的入口(假定其为开口反射器)小4倍(n2)。如果在聚光器的出口孔(在下面称为电介质发射光学器件)上有与前述圆具有相同直径的半球形固体电介质，则半球的面积将为该圆的两倍。在理想的系统中，这将使亮度增加为2(4/2)的因数。然而，由于PT的值有明显的增加(磷光体的表面积为聚光器的小端的面积的两倍)，系统的效率将得以提高。因此，该新方法可以光束扩展量的小或零增长(在一些设计中，光束扩展量也可能减小)实现非常高的效率。
该新方法还有另一个优点，即可能将光发射到远大于LED光源的立体角内，其通常限于2π球面度(半球)，但在水平线处具有减小到零的光亮度。涂覆磷光体的球体将非常像灯泡那样进行辐射，具有接近4π球面度的发射(完整的球体，除了因灯泡的不透明基座引起的遮蔽之外)。即使涂覆磷光体的半球也将发射到大的立体角内。同样，其向后进入球体的发射的大部分将自交叉，从而大大增强输出的效率和均匀性，因为该装置非常像积分球那样工作。发明人已确定，具有100微米厚的磷光体层并具有100/mm的体积散射系数的优选电介质发射光学器件(如图5A中所示)提供足够的混合以使正方形LED源的图像均匀并在所有方向(除了向后朝向光源的方向)产生近乎完美的球形图案。来自优选实施例的该球形图案如图5B中所示。
为节约成本，准直器可以是简单的锥体，以利用市售高度有效的薄膜，如3M Corporation的电介质反射器。相较任何曲线轮廓的二次曲面，该锥体的可开发表面使更容易用扁平材料形成。代替专用于蓝光LED的准直器，如在此所述，该简单的锥体连同新型电介质聚光器一起使用。其弧形侧壁的轮廓进行调整以与圆锥形反射器一起工作从而在聚光器的小端获得蓝光的光束扩展量有限的集中。最近开发的可模压玻璃现在可在(磷光体的)n＝1.8甚至更高的折射率利用。例如，日本的OHARA在销售其PBH55玻璃，在可见光谱中具有1.84的折射率及非常高的透射率(对于10mm通路长度高于99％的透射率)。因此，该调整后的聚光器将非常紧凑且高度有效。其它电介质聚光器也可采用在该系统中，尤其是固体电介质复合抛物线型聚光器(CPC)和复合椭圆型聚光器(CEC)。在CPC和CEC电介质聚光器的情形下，优选准直器为锥体和倒平凸透镜的组合(其可有利地为球形)。此外，准直器可以是非成像光学器件设计技术人员已知的开口CPC、CEC或其它光学装置。
附图说明
本发明的上述及其它方面、特征和优点从下面结合附图给出的更具体的描述可明显看出，其中：
图1示出了具有球形电介质发射光学器件的球形发射光源的截面。
图2示出了具有圆锥形电介质发射光学器件的光源的截面图。
图3示出了US 7,021,797的优选实施例。
图4示出了基于CEC的光源。
图5A示出了具有锥体、SMS透镜和固体电介质光源的光源。
图5B示出了图5A的光源的球形发射，具有几乎完全球形的磷光体发射球。
图5C示出了与图5A类似的光源的球形发射，但具有半球形磷光体发射器。
图5D示出了与图5A类似的光源的球形发射，但具有圆锥形磷光体发射器。
图6示出了具有CPC的带正方形角变换器的光源。
图7为球形远距离磷光体的图。
图8为远距离磷光体的性能曲线。
具体实施方式
通过参考下面对本发明实施例及附图的详细描述，可更好地理解本发明的特征和优点，其中提出利用本发明的部分原理的一些说明性实施例。
图1示出了光源实施例100的截面，包括LED管壳101、圆锥形反射器102、平凸透镜103、蓝通滤光器104、电介质聚光器105、及电介质发射球形球107。管壳101包括发射芯片101c和透明圆顶101d，如果希望最高可能的亮度(无可否认，以一定通量损失为代价)，其也可为平坦窗口。在一实施例中，圆锥形反射器102包括扁平材料的反射片，以反射侧在内表面上的形式卷为锥体。在针对高功率实施为优选的备选实施例中，圆锥形反射器102可以为更重的材料铸件并具有适当设计以用作散热件，如US 2006/0239006的图72A和72B中所示。反射器102的底端足够打开以接纳圆顶101d。顶端绕在滤光器104的周界周围，将来自芯片101c的所有光引导在透镜103上，光通过透镜并遭遇滤光器104。芯片101c发射蓝光确保光通过滤光器104并进入聚光器105，其将所有光发送到虚线106指示的上端上。
如果聚光器105和球107制成为单件，虚线106可表示纯粹想象的边界，可以是用于将单独的球107粘合、熔接或连接到聚光器105的胶水线、焊接线等。在实施例中，聚光器105和球107具有相同的折射率n，及线106处的任何结合足够连续使得线106处的光线的偏转和吸收可以忽略。聚光器105的折射率n使得线106比圆顶101d的直径小n倍。该集中的光进入球107并照在球的表面上的磷光体涂层108上。涂层108的蓝光吸收率和散射进行调整以确保其亮度和色温在不同的方向表现一致。滤光器104可以是单独的部分或组合在透镜103的平坦表面或聚光器105的大平坦表面上。聚光器105的上部孔的面积，由虚线106指示，可比锥体102的入口孔的面积小n2倍。然而，如果不需要最大亮度，这可被使得更大。在这种情形下，固体电介质可被缩短，使得整个系统更紧凑。
该设计也可容易地进行修改以处理多个LED或LED芯片。为达到最大亮度，可能希望芯片完全闪现锥体102的入口孔。适当的LED由OSRAM半导体制造，其商标名为OSTAR。这些通常可用在四或六个发射芯片的阵列中。然而，给定足够的生产资源，也可能将它们制造成六边形或八边形构造以更好地包装锥体102的入口孔的圆形开口。
图2示出了光源的备选实施例200，包括LED管壳201、圆锥形反射器202、特制平凸透镜203、蓝通滤光器204、电介质聚光器205、及锥体207形式的发射球，其各向同性地发射到向上方向的半球内，同时较少向下发射。
图3重复了US 7,021,797的优选实施例。光源300包括RGB LED301、复合椭圆型聚光器302、及漫散射球303，该球所有方向均发射光。
图4示出了光源的实施例400从下面看的立体图，包括LED管壳401、下部电介质复合椭圆型反射器402、蓝通滤光器403(为清晰起见，示为矩形突出，而不是实际的圆形)、上部电介质复合椭圆型聚光器404、及涂覆磷光体的球405。光源400的总形状即离轴椭圆体，有点类似其可代替的、拉长的白炽枝形吊灯灯泡，但更对称。然而，灯泡的形状没有功能，而是仅意味着与火焰类似。在光源400的情形下，只有涂覆磷光体的球405发射光。球的表面积为聚光器404的出口的3.4倍，但其整体球形形状使得在如图4中定向的低于水平线的向下方向也具有几乎恒定的光亮度。
图5A示出了光源的另一实施例500，包括LED 501、圆锥形反射器502、非球面凸-凸透镜503、蓝通滤光器504、特制电介质聚光器505、邻接球506、磷光体涂层507、外罩及支撑结构508、具有散热件(未示出)的功率电子设备室509。对于宽度为1mm的LED 501，光源500的全部具有仅为8mm的长度，足够小以替换小的白炽灯，但发光功效高得多。透镜503由US 6,639,733的同时多表面方法设计，尤其使得反射器502可以是简单的锥体。该设计方法将来自光源的对侧边缘的波前耦合到一对所希望的输出波前内。包括光源边缘发射的波前的射线称为边缘射线。电介质聚光器505具有几乎圆锥形的侧壁，其形状针对将为球形的前凸表面进行制作，相较任何非球体更容易和更准确地进行制造。开口反射器502的圆锥形状也更容易进行制造。电介质聚光器505可模制并可由玻璃或塑料制成。也可能将电介质聚光器505和邻接球506模制为一件。磷光体涂层507通过本领域技术人员已知的多种方法进行沉积。适合批量生产的一种方法是电泳沉积方法(带电胶质粒子或分子在通常由浸入的电极施加的电场的影响下通过溶液迁移，也称为电粒泳)。该方法在US6,576,488中描述。
该沉积技术要求衬底具有一薄层导电材料。这可使用已为大家接受的薄膜涂覆技术如溅射或汽相淀积实现。该涂层可以是单层材料或可包括几层，只要与磷光体接触的层导电即可。可设计多层涂覆以增加光从球506到磷光体涂层507的透射率。一种这样的候选导电材料为氧化铟锡。其可以从1.7到2.0的折射率进行沉积。较低的值应是有利的，因为通常连同LED使用的磷光体如YAG的折射率约为1.8。氧化铟锡已成功地沉积在多种塑料和玻璃上。
光源500的球形发射的例子如图5B中所示，示出了极光亮度曲线550，包括输出曲线551的方向的完整圆。可以看出，从正向0°(轴上)到130°相当恒定，在160°时下降到一半。这相较大多数非磨砂白炽灯甚至相较一些磨砂白炽灯实际上更均匀。图5A的邻接球506的半开口角约为155°(全角310°)。图5C示出了当邻接球506的155°半角开口用半球形球(开口半角为90°)代替时光源500的球形发射560的例子。图5D示出了具有圆锥形发射器的光源500的球形发射570，其中锥体的高度是图5A的电介质聚光器505的出口孔的半径的π倍。这使得从侧面看到的锥体投影面积与电介质聚光器505的出口孔106的面积一样。磷光体涂层507沉积在锥体上，其为固体电介质光学器件。如图5D的极等光强图所示，该锥体高度在0°角方向和90°导致几乎相等的光亮度。
下面的表提供图5A的光学系统的优选实施例的所有光学元件的规定，但按任意比例设定。表中的值可依比例决定以正比于光源的尺寸产生所希望大小的光学器件。每一曲线的坐标为圆柱极坐标，列为(x，z)对，其中z为沿光轴测量的纵向位置，及x为垂直于光轴测量的半径。Z从准直器/透镜502/503及聚光器505的最宽点测量，每一情形下的正向为朝向滤光器504的方向。滤光器504周围的空间在透镜503的出口表面和聚光器505的入口表面之间的轴向长度相对不关键，因为该区域中的光大量被准直。之后，所得的轮廓旋转360°以产生三维表面。锥体的端壁如表1中所示。
表1锥体502的端点
  x   z
  1   0(透镜位置)
  0.342020143   -1.482896468(LED位置)
表2SMS透镜503的入口(LED侧)表面
  X   z   x   z
  1   0(透镜边缘)   0.557178902   -0.012469987
  0.999898362   -2.7711E-06   0.544802679   -0.012789168
  0.989811759   -0.00027866   0.532521316   -0.013102007
  0.979724585   -0.000556241   0.52033567   -0.01340839
  0.969707669   -0.000833462   0.50824654   -0.01370822
  X   z   x   z
  0.959592354   -0.00111491   0.496254661   -0.014001408
  0.948990598   -0.001411418   0.484360709   -0.014287876
  0.938701826   -0.00170057   0.472565298   -0.014567557
  0.92818846   -0.001997356   0.458918443   -0.01488545
  0.917056405   -0.002312951   0.443479566   -0.015237444
  0.906898034   -0.002602047   0.428219373   -0.015577069
  0.896340827   -0.002903508   0.413138686   -0.01590428
  0.886220791   -0.00319336   0.398238153   -0.01621906
  0.876127612   -0.0034832   0.38351825   -0.016521419
  0.866062063   -0.003772906   0.368979286   -0.016811396
  0.85545582   -0.004078786   0.354621413   -0.017089054
  0.844324229   -0.004400371   0.340444625   -0.01735448
  0.83322982   -0.004721324   0.326448767   -0.017607784
  0.82217361   -0.005041482   0.310335786   -0.017888376
  0.811144418   -0.00536104   0.292211142   -0.018189512
  0.799421204   -0.005700766   0.274406118   -0.018469997
  0.787745027   -0.006039038   0.256918876   -0.01873029
  0.776117047   -0.006375675   0.239747218   -0.018970893
  0.764538402   -0.006710494   0.222888609   -0.019192345
  0.753958291   -0.007015973   0.206340206   -0.019395215
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  0.626846276   -0.010608588   0.036993039   -0.020594959
  0.612382949   -0.011003168   0.019698785   -0.020623986
  0.598032194   -0.011390739   0.002853439   -0.020635239
  X   z  x   z
  0.582212188   -0.011813092  0   -0.020635239(极)
  0.569649066   -0.012144583
表3SMS透镜503的出口(发射器侧)表面
  x   z   x   z
  -1   0(透镜边缘)   -0.588700169   0.243088814
  -0.999902866   7.53985E-05   -0.577976242   0.247558285
  -0.99195404   0.006213805   -0.567287363   0.251925358
  -0.983882566   0.012383051   -0.553073481   0.257597478
  -0.975516954   0.018709662   -0.538929528   0.263089321
  -0.967258516   0.024888342   -0.524859371   0.26840249
  -0.958834237   0.031123108   -0.510866859   0.273538693
  -0.950550873   0.037187091   -0.496955695   0.278499787
  -0.942300405   0.04316189   -0.483129428   0.28328777
  -0.933782716   0.049262495   -0.469391455   0.287904772
  -0.925243221   0.055310123   -0.455745015   0.292353047
  -0.916353244   0.06153348   -0.442193191   0.296634965
  -0.907442058   0.067697977   -0.428738904   0.300753
  -0.898082668   0.074093616   -0.410931788   0.306000323
  -0.889546588   0.079856625   -0.393309763   0.310966417
  -0.880994458   0.085563904   -0.375878302   0.315657952
  -0.872427332   0.091214796   -0.35864254   0.320081763
  -0.863270533   0.097181623   -0.341607122   0.324244863
  -0.854089724   0.103088826   -0.32477621   0.328154415
  -0.844895632   0.108929518   -0.308153494   0.331817696
  -0.835689577   0.11470302   -0.291742205   0.33524207
  -0.826472882   0.120408682   -0.275545131   0.338434955
  -0.816473367   0.126515153   -0.259564627   0.341403802
  -0.807226042   0.132085129   -0.24901761   0.34326478
  -0.797972175   0.137585278   -0.238568656   0.345031413
  -0.78871311   0.143015082   -0.228217979   0.346705945
  x   z   x   z
  -0.779450191   0.148374062   -0.217965907   0.348290573
  -0.770184762   0.153661769   -0.207812698   0.349787484
  -0.760918166   0.158877791   -0.197758539   0.351198851
  -0.749581266   0.165161313   -0.187803551   0.352526829
  -0.737212346   0.171894777   -0.168191259   0.354941149
  -0.724849814   0.17849834   -0.148975552   0.35704728
  -0.712496812   0.184971413   -0.130155257   0.358861676
  -0.700156458   0.191313518   -0.111728367   0.360400356
  -0.687831843   0.197524287   -0.093692125   0.36167887
  -0.675526022   0.203603462   -0.076043095   0.362712262
  -0.664590596   0.208903848   -0.055920686   0.363628033
  -0.653674656   0.214099767   -0.044647408   0.364018947
  -0.64278018   0.219191301   -0.033540993   0.364318342
  -0.631909212   0.224178545   -0.022599852   0.3645301
  -0.621063765   0.229061663   -0.011822317   0.364657989
  -0.610245819   0.23384088   -0.001206654   0.364705668
  -0.599457318   0.238516481   0   0.364705668(极)
表2和3列出了两个SMS透镜轮廓的坐标点。已为大家接受的样条近似可用于填充点之间的曲线。这由发明人使用射线追踪程序包TracePro中的ACISScheme例程实现。这用于产生图5A的设计。
DTIRC聚光器光学器件505的前凸表面具有球形轮廓。球形轮廓的中心在表5中给出，在聚光器505的最宽点处z＝0。球的半径为1.305。
表4DTIRC光学器件505的球形入口表面的中心
 x   z
 0   -0.839099631
表5DTIRC光学器件505的外面
  x   z   x   z
  1   0(宽端)   0.441380145   -1.613481572
  0.862047184   -0.370961702   0.413299528   -1.689829471
  0.777953048   -0.605928623   0.385866734   -1.760718715
  0.718139151   -0.779011514   0.359178318   -1.82593395
  0.670854171   -0.919911271   0.333406992   -1.885297591
  0.630631033   -1.042417203   0.308797677   -1.93868315
  0.594651234   -1.153446259   0.285662164   -1.986014767
  0.561352514   -1.256562067   0.264370596   -2.027255935
  0.529822757   -1.353557203   0.245338208   -2.062389826
  0.499512797   -1.445246031   0.229005787   -2.091393446
  0.470093045   -1.531896651   (窄端)
图6示出了远距离磷光体光学系统的实施例600，包括用于从平窗顶发射LED管壳接收蓝光的输入平面601、正方形角变换光学器件602、光学器件602的出口孔处的蓝光通过黄光反射正方形滤光器603、圆形集中光学器件604、及涂覆磷光体的球形端帽605。集中光学器件604为圆形以过渡到球形及为了有效的再循环，从而必需剩余反射镜606以使正方形滤光器603完成再循环。角变换光学器件602可设计成与顶发射LED管壳接触，或者，优选地，在LED管壳和光学器件602之间有气隙。在后一情形下，在角变换光学器件602的底部处的受光角取决于材料的折射率。为实现高于98％的耦合效率，光学器件602的底部和LED管壳的顶面之间的距离应为10-15微米级。在优选实施例中，光学器件602的侧面的尺寸应比LED管壳的发射表面的侧面尺寸大约200微米。例如，如果LED管壳的发射表面的侧面尺寸为1000微米，则光学器件602在其底部的侧面应具有1200微米的尺寸。这在x，z平面提供足够的公差，使得几乎所有通量均可被耦合。
对于准直光学器件为固体电介质并与LED或其它光源直接接触的实施例，有两种优选方式来耦合这些部分。在第一种情形下，从LED管壳的芯片有丝焊突出，集中光学器件的底部应制造成具有包围前述丝的间隙。在垂直高度方向50微米的余隙通常足够了。此外，在光学器件的底部处应有凹的空隙，使得其可用适当的、折射率匹配的液体、凝胶或粘合剂填充。折射率匹配的液体可从新泽西州的Cargille Laboratories获得。来自该公司的适当材料为其“LASERLIQUIDS”产品线。如果需要紧固结合，则可采用凝胶或低硬度UV固化粘合剂。适合该应用的凝胶可从多个来源获得，包括马萨诸塞州的Nye Optics、密歇根州的Dow Corning、及加利福尼亚州的Nusil。适当的低硬度UV固化粘合剂可从康涅狄格州的Dymax获得，具有低至0040的硬度。在第二种情形下，没有丝焊，可消除光学器件中的凹口而仅需要凹的空隙。与其它情形下一样，空隙用折射率匹配的液体、凝胶或低硬度粘合剂填充。
在这些实施例中，远距离磷光体材料的球形部署相对于聚光器的出口孔增加其面积。图7示出了一般球形磷光体构造的特写图，聚光器701的轮廓的下部终止于半径为r的出口孔702处。半径r对着自半径为R的球形表面703的中心的角θ，从而r＝R sinθ，及聚光器的输出面积为AO＝πr2。远距离磷光体(太薄以致于看不见)涂覆球形表面703的外面，从而接收聚光器701通过孔702发送的光。该球体的性质之一为其内表面上的基本朗伯辐射器将在该内表面的其余部分上产生均匀的辐照度，因为视角的变化正好补偿从任何视点到辐射器的距离。因此，如果聚光器701在孔702上产生均匀的照明，则球形表面703也将被均匀照明。加强该均匀性在于下述事实：磷光体散射的蓝光及其吸收激励的黄光将在向外发射和回到聚光器的返回发射之间分开。该向外白光发射与聚光器输送的蓝光之间的比为前述的PT。返回到聚光器701的部分为(1-PT)，且必须通过一些再循环手段恢复。本发明装置的球形磷光体用于大大增加PT。
跨出口孔702的扁平远距离磷光体通常将比向外发射多的光发送回聚光器701。球形表面702的外部上的磷光体也具有强的向后发射，但其大部分照在磷光体上的别处，用作一种再循环。回到孔702内的该部分等于出口面积AO与磷光体球面积AP的比，其由下式给出：
Figure BPA00001248938600131
在图7中，该部分仅为11％，远低于半球的50％。必须记住，表面703的面积增加高于出口孔702将导致磷光体亮度也降低该量，但优点是更好的球形发射及提高的效率。
图7示出了表面703上的发光磷光体从由射线704表示的轴上方向到射线705表示的离轴角β＝90-θ均将具有恒定的光亮度。在更大的离轴角时，光亮度非常慢地下降，直到几乎向下的角导致低于轴上光亮度的一半为止。这接近于传统灯泡的几乎球形的发射，从而使能进行合理的功能替代。来自表面703的外面的、从外面重新进入聚光器701的小量辐射将大部分通过聚光器并退出，仅对其外观增加一丝微光。
相较于部署在聚光器出口平面上的扁平磷光体，远距离磷光体部署在球形表面上还将增大效率PT。扁平远距离磷光体的PT是其厚度、磷光体层的散射系数、及磷光体的光致发光成分的吸收率、量子效率和斯托克斯位移的复杂函数。吸收率与光致发光成分的浓度成正比，因而可稍微改变，同时对于任何给定磷光体公式，最后两个因数固定，从而只有层厚度和散射系数可针对具体情形进行调整，但它们也受到色平衡要求的限制，即约四分之一输出光为蓝光，其余光转换为黄光。对于产生白光的典型扁平远距离磷光体，前述重要参数即蓝光输入的不进行任何再循环输出为蓝光或黄光的部分PT在0.15和0.3之间。
磷光体球的光输出为：
P TB = P T 1 - ( 1 - A O A P ) ( 1 - P T ) = A P P T A O ( 1 - P T ) + A P P T
通过磷光体球返回到光学器件的光为：
P OB = A O A P ( 1 - P T ) 1 - ( 1 - A O A P ) ( 1 - P T ) = A O ( 1 - P T ) A O ( 1 - P T ) + A P P T
图8示出了表示面积AP相对于平面面积AO的比的横坐标801及表示球形远距离磷光体的PTB的坐标802。曲线表明，对于给定的PT值及同样的磷光体材料和厚度，PTB怎样随AP/AO变化。对于AP/AO＝1的坐标轴上的每一曲线，PTB的坐标值等于PT，并给出跨出口孔702的扁平磷光体应具有的输出值。工作点803在1/3点处，位于PT＝0.3的曲线804和PT＝0.35的曲线805之间，横坐标为1(扁平磷光体)。对应于图6的构造的、AP/AO＝9的横坐标将系统移到工作点806，PT＝80％。这大大降低了所需要的再循环效率，当PT低至典型扁平远距离磷光体的情形时其必须非常高。这一点及良好的球形发射是本发明装置的原因。在横坐标2处，半球具有工作点807，约50％的效率。半球形远距离磷光体的侧向发射是轴向正向发射的一半，只有少量在水平线之下。
为确定前述等式的准确度，发明人进行了多个射线追踪模拟，其中对两种不同的光学构造进行建模。第一种如图5A中所示。出口孔相对于入口孔减小n2的因数，其中n为聚光器光学器件的折射率。该光学器件假定属于丙烯酸类，在可见光谱的中间，n＝1.495。第二种光学构造使用具有附着到大端的短通滤光器的圆形对称固体电介质CPC。每一CPC为另一CPC的镜像。在该构造中，入口孔和出口孔均为一样的大小。对于每一光学构造，对六种情形进行建模。三种情形针对正方形光源，其它三种情形针对圆形光源。在每一情形下，光源或填充准直光学器件的入口孔(在圆形情形下)或在四个点接触其边界(在正方形光源情形下)。最后，对三种类型的磷光体发射器建模：扁平磷光体片、磷光体片覆盖外表面的半球形球、及具有张角的较大的球，如图5A中所示。磷光体厚度和体积散射系数假定为常数，分别为100微米厚和100/mm。射线追踪程序包TracePro 4.1用于计算第一趟逃脱的通量。系统中再循环的任何光均被吸收。这些模型提供了PT值的合理近似，尽管没有考虑磷光体转换损失(量子效率和斯托克斯位移损失)。
对于作为表面积的比的函数的PT的变化，已确定上面的简单等式与射线追踪模型极为一致，通常在5和10％内。例如，对于图5A的光学系统，对于正方形光源的三种情形，PT值对于扁平磷光体为0.22、对于半球形磷光体为0.34及对于较大的球形磷光体球为0.78。以扁平磷光体情形的值0.22开始，该等式预测PT的值应增加到0.36(对于磷光体表面积加倍)。对于较大的磷光体球情形(表面积增加约20倍)，该等式产生值0.85，比射线追踪模拟高约10％。
射线追踪模拟还证实，磷光体球(半球和较大的磷光体球体)构造使正方形光源的输出均匀分布，使得在光学系统的纵轴附近的光亮度曲线不会出现不对称。也就是说，对于圆形和正方形光源，输出对称性几乎一样。实现该对称性的机会是本发明装置的某些实施例的重要优点，并使它们极为适合用作白炽灯丝的代替光源。
前面关于本发明目前预见的最佳实施方式的描述不意于限制，而是仅用于描述本发明的一般原理的目的。本发明的全部范围应结合权利要求进行确定。
为了清晰，某些实施方式已结合图中所示的方向进行描述。然而，这些实施方式常常也将使用在其它方向，因而所述方向仅为说明性的描述而非限制。

Claims (15)

1.一种光源，包括：
光激致光的发射器；
位于所述发射器周围以将光从所述发射器朝向出口端反射的反射器；
进一步使来自所述反射器的光准直的特制非球面镜；
接收准直后的光并传送来自所述发射器的光的短通滤光器；
在所述滤光器的另一侧上的电介质聚光器，所述聚光器接收所传送的光并将其集中在出口孔上；
所述出口孔外部上的、接收所集中的光的电介质发射光学器件；及
位于所述电介质发射光学器件的外部上的一层光敏磷光体，所述光敏磷光体响应于所述光激致光而发射更长波长的光。
2.根据权利要求1的光源，其中光激致光的发射器包括一个或多个发光二极管。
3.根据权利要求1的光源，其中所述发射器发射蓝光，所述短通滤光器为蓝通滤光器，及所述光敏磷光体发射黄光。
4.根据权利要求1的光源，其中所述反射器为准直器。
5.根据权利要求1的光源，其中所述反射器为圆锥形。
6.根据权利要求1的光源，其中所述出口孔比所述发射器的有效发光表面小。
7.根据权利要求1的光源，所述聚光器旋转对称，具有包括与所述滤光器相邻的正面曲线的轮廓及全内反射侧壁，通过从所述正面曲线延伸到所述电介质发射光学器件定义所述聚光器的长度，所述侧壁具有进行调整以将来自所述反射器的边缘射线反射到所述电介质发射光学器件内的弯曲轮廓，所述边缘射线定义为所述发射器的边缘发射的射线。
8.一种光源，包括：
光激致光的发射器；
安排成收集来自发射器的光并将所收集的光转发给出口孔的光级；
所述出口孔外部上的、接收所转发的光的电介质发射光学器件；及
位于所述电介质发射光学器件的外部上的一层光敏磷光体，所述光敏磷光体响应于所述光激致光而发射更长波长的光。
9.根据权利要求8的光源，还包括所述发射器和所述出口孔之间的并与所述发射器隔开的滤光器，所述滤光器将来自所述发射器的光传到所述出口孔并将来自所述磷光体的光向后朝向所述出口孔反射。
10.根据权利要求9的光源，其中所述光级还包括所述发射器和所述滤光器之间的准直器及所述滤光器和所述出口孔之间的聚光器。
11.根据权利要求8的光源，其中所述光级还包括位于一个或多个二极管周围的圆锥形反射器以将来自所述发射器的光朝向所述出口孔反射，及包括进一步使来自所述反射器的光准直的特制非球面镜。
12.根据权利要求8的光源，其中所述光级还包括安排成将光集中在所述出口孔处的电介质聚光器，及所述电介质发射光学器件通过所述出口孔与所述电介质聚光器光学上接续。
13.根据权利要求8的光源，其中光激致光的发射器包括一个或多个发光二极管。
14.根据权利要求8的光源，其中所述出口孔比所述发射器的有效发光表面小。
15.根据权利要求10的光源，所述聚光器旋转对称，具有包括与所述滤光器相邻的正面曲线的轮廓及全内反射侧壁，通过从所述正面曲线延伸到所述电介质发射光学器件定义所述聚光器的长度，所述侧壁具有进行调整以将来自所述反射器的边缘射线反射到所述电介质发射光学器件内的弯曲轮廓，所述边缘射线定义为所述发射器的边缘发射的射线。
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