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CN110332502A - 光发射装置和集成所述光发射装置的照明设备 - Google Patents

光发射装置和集成所述光发射装置的照明设备 Download PDF

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CN110332502A
CN110332502A CN201910521221.6A CN201910521221A CN110332502A CN 110332502 A CN110332502 A CN 110332502A CN 201910521221 A CN201910521221 A CN 201910521221A CN 110332502 A CN110332502 A CN 110332502A
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light emitting
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lens
edge
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乔治·E·史密斯
罗伯特·C·加德纳
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Quarkstar LLC
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Abstract

一种光发射装置包括：透镜，所述透镜具有折射率n、具有半径R的球面出射面；以及发光元件，所述发光元件被定位成使所述发光元件的发射面的边缘的至少一部分位于与所述出射面相对的具有半径R/n的球面上，由此所述发射面的所述边缘的所述部分由所述球面出射面等光程地成像。所述光发射装置还可包括一个或多个反射侧壁，所述一个或多个反射侧壁被布置来在从所述发光元件发射的光的一部分由所述出射面折射之前使其反射。还提供一种照明设备，所述照明设备集成有外壳和这种类型的光发射装置，所述照明设备可包括一个或多个附加光学元件，诸如用于进一步引导来自所述光发射装置的光并使其成形的反射器或透镜。

Description

光发射装置和集成所述光发射装置的照明设备
本申请是分案申请，其母案申请的申请号是201380080886.9，国际申请号是PCT/US2013/059545，申请日(国际申请日)是2013年9月12日。
技术领域
本发明涉及用于照明的光源，并且更具体地涉及光发射装置和具有改变来自发光元件的光分布的折射面和反射面的照明设备。
背景技术
光发射元件(LEE)在现代社会中无处不在，用在从普通照明(例如，灯泡)到照明电子信息显示器(例如，LCD的背光源和前光源)到医疗装置和治疗设备的应用中。包括发光二极管(LED)的固态照明(SSL)装置越来越多地被各个领域采用，特别是与白炽灯和其他常规光源相比具有低功率消耗、高发光效能和长寿命的前景。照明设备是提供用于将一个或多个光发射元件固持、定位、保护和/或连接到电源的装置的照明单元，并且在一些情况下分布由LEE发射的光。
越来越多地用于照明设备的LEE的一个实例是所谓的“白光LED”。常规的白光LED通常包括发射蓝光或紫外光的“泵浦”LED和磷光体或其他发光材料。所述装置经由以下方式来生成白光：通过磷光体将来自LED(称为“泵浦光”)的蓝光或UV光的一部分降频转换成具有红色、黄色或绿色波长或比泵浦光长的波长组合的光，并且使来自泵和磷光体的具有这些各种波长的光混合。此类白光LED装置也称为磷光体转换LED(pcLED)。与其他类型的照明设备相比，尽管由于光转换会经受一些损耗，然而pcLED的各个方面具有降低的复杂性、更佳的成本效率和基于pcLED的照明设备的耐久性的前景。在常规的pcLED中，磷光体通常直接涂覆在泵浦LED的半导体晶粒上或悬置在非常接近于LED晶粒封装内的半导体晶粒的密封剂内。在此位置，磷光体经受半导体晶粒的高工作温度，并且难以设计和制造具有极好的角度颜色均匀性的晶粒封装。
最近，已将光源引入较大衬底中，磷光体涂覆在所述较大衬底上或悬置在其内，所述磷光体在空间上与LED晶粒封装分开一定距离而不是使其接近所述晶粒。这种配置可被称为“远程磷光体”。增加磷光体与泵浦LED的间隔提供以下许多潜在益处，包括：更佳的颜色控制、更高的系统效率和发光效能、更低的工作温度-从而得到更高的可靠性(照明维持率)和颜色稳定性、用于使发射表面成形的设计自由度和来自较大的发射表面的更低眩光。远程磷光体方法使用于普通照明的高功率和高效率固态光源快速进步。结合与LED光源自身相关联的照明效能的改善，仍存在对需要以高效率引导光的改进的光学器件的需要，所述光学器件是能量效率的另一个部件。
通常与例如放置在所谓的“混合室”中的泵浦LED阵列一起封装的大面积远程磷光体元件相当于朗伯发射表面，所述朗伯发射表面当放置在几乎没有用于使光分布成形的光学器件(即，LED封装外部的光学器件)的简单照明设备中时有利于广角环境照明。而与更多点状、早期生成白光的LED相比，设计和制造用于调整来自这些扩展源发光元件的光分布的有效光学器件是更加困难的，尤其是对于在光束边缘处需要较窄光束图案或陡峭切断的应用而言。用于制造较窄或较陡图案的某些常规方法产生不需要的效率损失，因为来自发光元件的一些光被阻挡而不是重新导入所期望的光学图案中。类似地，使用常规成像光学器件来生成图像形成设计(即使是由经验丰富的从业者来进行)通常产生具有大尺寸并且具有明显小于最大可能光学效率的效率的系统。目前，相对较小比例的设计师精通非成像光学的年轻专业，作为光发射装置和用于照明的照明设备的相关学科，所述专业严格地分析并实现获得效率的最大热力学极限的设计。另外，大部分非成像光学理论文献与光收集集中器而不是光发射装置有关。用于LED和照明设备的光学器件的设计因此在某种程度上滞后于高功率LED光源自身的快速进步。
因此，仍然不断需要新颖的光发射装置和照明设备，所述光发射装置和照明设备被设计成与朗伯扩展源(诸如使用远程磷光体发光元件的那些)一起有效地工作；使用简单的光学器件来制造折射和/或反射面；并且具有调整远场图案以具有对各种普通照明应用有用的分布的能力。
发明内容
因此，本技术提供光发射装置和照明设备，其具有透镜，所述透镜具有折射率n、具有球面折射出射面，并且所述光发射装置和照明设备被设计成结合具有盘状(在一些实施方案中)的扩展源发光元件有效地工作。这是通过将发光元件的发射面的边缘定位在与出射面相对的具有半径R/n(或半径Rn0/n，如果装置发射到具有折射率n0的介质中)的抽象球面上来实现的，使得发射面的边缘的至少一部分由球面出射面等光程地成像。等光程的“清晰”成像产生那些边缘光线的良好控制的角分布，所述边缘光线直接入射在出射面上并且通过具有极少或没有初级像差的球形表面透射到介质中。球面像差和彗形像差的初级单色像差以及象散性倾向于扩宽远离此等光程条件工作的球面透镜的所透射边缘光线的远场角分布的边缘并使其模糊，这可不利于远场光束图案，尤其对于在光束边缘处需要较窄的光束图案或陡峭截断的应用而言。因此，除非适当地控制，像差可降低光发射装置关于落在期望的光束图案内的所发射光的比例的效率。
在一些实施方案中，一个或多个反射侧壁作为透镜的一部分，或作为一个或多个单独的零件来提供，以便使以与光轴成较大发散角从发光元件出现的光线重定向。这些反射侧壁或其他反射器可单独或组合使用，以便进一步引导从光发射装置出现的光或使其成形，例如从而在光束边缘处制造窄远场光束图案或陡峭切断。反射侧壁可例如由全内反射(TIR)工作，或使用直接位于透镜上的反射涂层，或包括邻近透镜侧壁的单独的反射器。反射侧壁可被配置成使一个反射在光线入射到出射面上之前存在最大值，从而可帮助提供良好的光学效率。反射侧壁可以是锥形的，或成形(例如，针对侧壁的至少一部分使用等角螺线形状)来确保TIR，或可包括两个或更多个不同成形的部分或小面。另外，一个或多个单独的反射器可使从侧壁逃回透镜中的光重定向以提高效率，或在定位或延伸超过出射面时，所述反射器可用来使以较大发散角离开折射出射面的光中的一些重定向和/或使其成形，或两者均实现。
在一些实施方案中，提供一种照明设备，其包括支撑光发射装置的外壳。照明设备还可包括光学元件，所述光学元件用于进一步引导来自光发射装置的光和使其成形或对其进行滤波，其中光学元件可以是反射器、透镜、滤波器、漫射器或其他光学元件。
光发射装置的实施方案可在以下情况下无需使用球面出射面上的特殊涂层而展示高效率：通过将由发光元件发射的所有光线几何学地布置成以小于TIR的临界角的角度入射在出射面上。在使用反射侧壁的那些实施方案中，例如，通过将所有光线布置成以不超过比临界角小的更小角度(诸如布鲁斯特角)的角度入射在出射面上来进一步降低内反射损耗。
更确切地说，在某些实施方案中，一种光发射装置具有光轴，所述光发射装置将光辐射到具有折射率n0的介质中。光发射装置具有透镜，所述透镜具有折射率n、具有半径R的以光轴为中心的凸球面出射面；以及发光元件，所述发光元件具有光学耦接到透镜并且将光发射到透镜中的发射面。发光元件被定位成使发射面的边缘的至少一部分近似(例如，在合理的制造容差内)位于与透镜具有相同曲率中心的半径为Rn0/n的抽象球面上，同时发射面近似以光轴为中心、在曲率中心上与出射面相对，由此发射面的边缘的所述部分基本上由透镜的球面出射面等光程地成像。
某些实施方案的特征是一种照明设备，其具有外壳和由所述外壳支撑的光发射装置。光发射装置(其具有光轴并且发射到具有折射率n0的介质中)具有透镜，所述透镜具有折射率n、具有半径R的凸球面出射面，其中曲率中心沿光轴设置；以及发光元件。发光元件具有光学耦接到透镜并且将光发射到透镜中的发射面，并且被定位成使发射面的边缘的至少一部分近似位于与透镜具有相同曲率中心的半径为Rn0/n的抽象球面上。发射面近似以所述光轴为中心、在曲率中心上与出射面相对，由此发射面的边缘的所述部分基本上由透镜的球面出射面等光程地成像。
结合附图参考以下详细描述后，其他特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的。
附图说明
图1是具有球面出射面的光发射装置的截面图；
图2是具有截断的后表面的光发射装置的截面图；
图3A是具有扁平圆盘状发光元件的光发射装置的截面图；
图3B是具有圆顶形发光元件的光发射装置的截面图；
图4是具有锥形反射侧壁的光发射装置的截面图；
图5是具有锥形侧壁的光发射装置的截面图，所述锥形侧壁带有反射涂覆区；
图6是具有锥形侧壁和反射器的光发射装置的截面图；
图7是具有弯曲反射侧壁的光发射装置的截面图；
图8是具有弯曲反射侧壁的光发射装置的截面图，所述弯曲反射侧壁的开口终止在抽象布鲁斯特球面内；
图9是具有后弯曲反射侧壁部分和前锥形反射侧壁部分的光发射装置的截面图，所述后弯曲反射侧壁部分的开口终止在抽象布鲁斯特球面内；
图10是具有包括多个不同形状的部分的后反射侧壁和前锥形反射侧壁的光发射装置的截面图，所述后反射侧壁的开口终止在抽象布鲁斯特球面内；
图11是发光强度随极角而变化的标准化方向极坐标图，其示出图10所示的光发射装置的远场光束图案；
图12是随极角而变化的发光强度的矩形图，其示出图10所示的光发射装置的远场光束图案；并且
图13是集成如图9的光发射装置的照明设备的截面图。
具体实施方式
尽管以下详细讨论各种实施方案的配置和性质，应理解所描述的概念可在多种多样的具体语境中体现。本文讨论的具体实施方案从而仅示出进行和使用本发明的具体方式，并且不旨在界定本发明的范围。
非成像光学设计主要取决于边缘光线原理(W.Welford and R.Winston,TheOptics of Nonimaging Concentrators,New York:Academic Press,1978)，以便设计具有高光学效率的光学系统。根据边缘光线原理，将辐射从进入孔口透射到离开孔口的理想系统(具有最大理论集中和效率)具有以下性质：进入孔口的边界光线同样作为边界光线穿过离开孔口。在进入孔口内起源的所有其他光线横越系统以便在那些边界光线内以角度和/或位置分布，并且从而还无损耗地透射。边缘光线原理最初发展以便描述反射光学系统，但已经一般化以便包括折射系统。类似地，尽管非成像光学器件最初被制定用于应用到其中入射在光学系统上的在一定角度范围内的光集中到较小区域(在较大角度范围内)的集中系统，所述非成像光学已经被应用到其中来自光源的在一定角度范围内发射的光通过光学系统“准直”以便从较大孔口出现在较小角度范围内的照明系统。应用到光源的边缘光线设计原理可如下制定：在扩展光源的边缘点处起源的光线应在离开准直器之后以最大输出光束发散角传播。在光源边缘内的点处起源的光线全部应以最大发散角内的角度出现。满足此情况导致具有期望边缘陡度(光保持在设计的最大发散角内)的形式完善的远场图案。
现参见图1，为讨论操作原理和基本几何学的目的示出光发射装置100的实施方案的截面图。光发射装置100被设计以便通常在正z方向上发射光；术语“前”对“后(back)”(或“后(rear)”)、或“向前”对“向后”将用于分别指朝向正z对负z定位的方向或部件。包括对于感兴趣的波长透明的光学材料的具有半径R的球面透镜110在如图右上方处的坐标系所示的平行于z轴的光轴140和平行于x-y平面的赤道面145的相交处具有曲率中心150。赤道面145是垂直于光轴140并且包括曲率中心150的平面。(为了清晰和减少杂波，图1和本文所示的其他类似视图省略通常在截面图中指示透镜的透明材料的交叉影线。)透镜110浸没在具有一致折射率的介质中，光发射装置100通过透镜110的球面出射面115发射到所述介质中。[注意在不损失普遍性下，本文描述的所有尺寸和表达可正确的按比例设置，同时光发射装置浸没在具有折射率n0代替一致折射率的介质中，仅通过在关于比(n/n0)的那些尺寸和表达中替换值n。]在正z方向上发射光的光源、发光元件120嵌入在透镜110的材料中。此类光源可例如具有电致发光表面或具有包括磷光体的发射面，从单独的泵浦光源光泵浦所述磷光体。为简单起见仅示出发光元件的发射面，如稍后讨论的，可能存在发光元件的其他部件，所述其他部件对照明元件的操作是必要的但不需要直接光学连接到透镜110，并且从而为解释光发射装置100的操作原理而不必要示出。发光元件120具有如沿光轴140的法线测量的最大径向范围r。在此实施方案中，发光元件120的发射面作为球面的一部分成形，并且被布置来位于具有半径R/n(或Rn0/n，如果透镜110浸没在具有折射率n0的介质中)的抽象球面125上，在透镜110内以与曲率中心150相同的中心为中心，并且在抽象球面125的与透镜110的顶点146相对的负z侧面上以光轴140为中心，所述顶点位于光轴140上的透镜110的最大正z范围处。此后，抽象球面125有时应被称为“R/n球面”。为此讨论目的，图1和类似的附图描绘具有关于光轴140的轴向(无限折叠旋转的)对称的光发射装置，使得发光元件120的发射面预期具有圆形边缘126，但发射面可能以除圆形(诸如方形或矩形)之外的方式成形，只要到拐角的最大径向范围等于r，并且拐角接近抽象R/n球面125。
通过将发光元件120的发射面放置位于R/n球面125上，发射面的所有点通过球面透镜110的出射面115等光程地成像以便形成发光元件的清晰虚拟图像130，所述清晰虚拟图像130被定位来位于如图所示具有半径nR(或nR/n0)以及具有径向范围n2r的抽象球面135上。换言之，虚拟图像130通过n2(或更精确地，(n/n0)2，如果透镜110外的介质具有折射率n0)的横向放大倍数在具有一致折射率的介质中形成。抽象球面135也应被称为“nR球面”。图像130为虚拟图像意味着，当从透镜110外的介质观看以及在负z方向上回看到透镜110中时，由发光元件120上的点发射的光线看来似乎是从虚拟图像130上的对应点传出。等光程成像意味着在无球面像差或彗形像差的情况下使虚拟图像130上的点清晰地成像；对于球面出射面115和光源120的此配置，满足阿贝正弦条件，并且也在无像散(其为另一个初级像差)的情况下使虚拟图像130的所有点成像。在边缘光线原理的应用中，发光元件120的发射面的边缘126上的点应成像到基本上没有像差的虚拟图像的边缘136。发光元件120上的点远离准确位于R/n球面125上的偏离导致像差增加、较不清晰的虚拟图像、以及从而光束图案边缘的一些模糊。可在设计中和/或在制造误差的存在下量化和理解此类偏离的光学效应，以便获得某个可接受水平的性质。为此原因，由于将基本上等光程地成像发射面，具有在性质上从完美构造的已知和受限的降级，发光元件120的边缘126可被布置来“大致地”而不是准确地位于R/n球面125上。可容忍在预定容差内的在来自R/n球面125的任何方向上的小偏离。同样，由于用于照明的光源在一定波长范围上发射，并且透镜110的实际材料展示光分散，使得折射率n为波长的函数，甚至完美制造的装置应仅在一个波长处具有准确理想的性质。还应指出因为整个系统的球面对称，发光元件120的中心远离所画出的光轴140的任何偏移(尽管边缘126保持在概念球面125上)期望简单地重新定义新光轴，远场图案以所述新光轴为中心，并且从而除在不同方向上指向之外，远场图案性质根据光束发散将没有减少。
对于发光元件120具有相对小的侧向范围r，使得边缘126位于靠近光轴140，图1的光发射装置的远场光束图案是Lambertian(作为余弦函数下降)向外到等于由arcsin(n0/n)给出的全内反射(TIR)的临界角的切断发散半角。由于从发光元件120发射的接近水平的(几乎平行于x-y平面)光线的高内反射，此切断发生。参考图2可更充分地理解此情况，所述图2示出根据另一个实施方案的光发射装置200的截面图，所述光发射装置200具有类似于图1中的那些配置的带有出射面215的透镜210和带有边缘226的发光元件220。此外，发光元件220假定以朗伯图案朝向透镜210内的正z半空间发射，并且它被放置在抽象R/n球面125上，使得等光程地形成虚拟图像230的所有点。从已知为维尔斯特拉斯点的在轴点225水平发射的光将准确地以TIR的临界角投射到出射面215，并且被成像到虚拟图像230中的对应在轴点235。通过此扁球形发射器，发光元件220的边缘226遮蔽来自维尔斯特拉斯点225的水平光线，但来自边缘226的水平光线几乎以临界角投射到出射面215。边界光线250以接近TIR的临界角的到光轴140的角度出现，并且看来似乎是从附近像点235发出。在负z分量下，没有来自发光元件220的光线入射在出射面215上。从而透镜210将以与图1中的透镜110的相同的方式操作，即使球在发光元件以下的区段245整体去除或截断。在图2和类似附图中，可能或已经去除或截断的透镜部分由粗虚线指示，并且透镜210的剩余暴露表面240将被称为截断表面240。环形截断表面240不具有主光学功能，因为基本上不存在来自发光元件220的入射在其上的直接光线，可能除了杂散光线之外，所述杂散光线可能由于制造误差发生并且可能通过小负z分量在表面240上从边缘226发射。从而表面240不需要是光滑的或另外具有光学质量，除非作为次级因素，例如期望在此实现反射器来使来自出射面215的内部菲涅尔反射重定向以便循环它们从而达成附加效率。
除去除不必要的透镜材料、节约成本和重量之外，如图2所示的截断透镜210具有以下附加优点：允许访问发光元件220的后侧面，使得所述发光元件220的发射面可装配或设置在透镜210上而不需要完全浸没在透镜材料中，并且与发光元件220相关联的、或被需要来操作发光元件220的附加结构(诸如电连接、泵浦LED)可放置在透镜210之外。
图3A和图3B描绘示例性光发射装置，其中尽管发光元件的发射面的边缘根据边缘光线原理大致位于R/n球面125上，在发射面边缘内以及更接近光轴140的点与位于R/n球面125上偏离。此偏离在这些实例中是意图的，而不是由于制造误差并且是由于发射面的三维形状(这不同于图1和图2中)，所述三维形状不符合R/n球面125的形状。尽管发光元件的发射面的边缘被放置在R/n球面125附近，在发射面上的更接近光轴的点可能在R/n球面的任一侧面上偏离并且仍满足边缘光线原理，如将简短解释的。从而发光元件可以是比R/n球面更凹形的(具有更小的曲率半径)、或更平坦的、或朝向前面凸形的(圆顶形的)、或不规则的以及在R/n球面的表面的任一侧面上偏离。图3A示出光发射装置300a，其中发光元件320a为扁平圆盘使得其发射面是大致平面的，并且图3B示出光发射装置300b，其中发光元件320b是圆顶形的，具有朝向前面(即朝向正z)凸形的发射面。
具体地，图3A示出光发射装置300a的截面图，透镜310a具有出射面315a，其中为产生平坦截断表面340a的透镜310a的截断促进放置或附接具有扁平圆盘形(具有径向范围r)的发光元件320a。此外，环形截断表面340a未必具有光学质量，因为其不具有主光学功能。但在此情况下，发光元件320a光学耦接到的透镜310a的区域(比环形截断表面340a更接近光轴140，在半径r处具有内边缘)应具有光学质量，或它应该通过凝胶或粘合剂有效地折射率匹配到发光元件320a的发射面，使得粗糙度不导致从发光元件320a发射的光的不想要的散射。发光元件320a的边缘326a如前所述被布置以便位于抽象球面125上。从而如前所述应用边缘光线原理，并且通过出射面315a来等光程地成像边缘326a。距离光轴140的在比更小r的半径处的位于发光元件320a的发射面上的点不被等光程地成像，因为它们不准确位于R/n球面125上。但在更小半径处的这些点的虚拟图像(未示出)尽管模糊和通过像差放大，但完全包含在边缘326a的清晰圆形边缘图像内。从而没有来自R/n球面125内侧的光线违犯边缘光线原理，并且光束图案不受影响。扁平圆盘源的径向范围r越小，它越接近地靠近维尔斯特拉斯点处的在轴点光源，并且盘上的所有点越接近地位于R/n球面125。更小的盘还投射更窄和更清晰的远场光束图案。随着扁平圆盘源320a在直径上增加，尽管其边缘保持在R/n球面125上，它靠近赤道面145，并且远场图案改变形状和加宽，看起来更像Lambertian，除由于再分布流量的内反射损失的一些展平之外。因此，通过具有相对小的半径r的源来获得来自超半球光发射装置的最有用的图案(诸如图1-3A和3B所示的那些)，例如针对其边缘小于沿R/n球面的半路的发光元件，使得例如r<(1/√2)(Rn0/n)。所有的所描绘的实施方案满足本基准。还注意扁平圆盘源320a的虚拟图像(未示出)位于是朝向z正凸形的球面珀兹伐面上。珀兹伐曲率是场曲率的主要源，使得非圆形发光元件的虚拟图像将经历除已经讨论的像差之外的一些扭曲。
图3A还以示意性方式示出远程磷光体类型的发光元件的示例性配置。扁平圆盘远程磷光体320a由包括泵浦LED 380的泵浦源370示意性展示的泵浦布置激励，其被示出具有半导体片芯(通常以蓝色波长发射)和其自身的圆顶形的包封透镜；以及混合室385，所述混合室385通常包括收集、重定向和均匀化来自泵浦LED的光线的漫反射面，使得发光元件320a的远程磷光体盘在其表面上均匀地照明。远程磷光体盘吸收蓝色泵浦光并且再以黄色波长、绿色波长和/或红色波长发射，同时弹性地散射一些蓝色泵浦光。在大体向前方向上到透镜310a中的从泵浦盘出现的光通常从而是包括从磷光体散射的泵浦光和再发射光的波长的混合，被设计来对于人眼看起来像具有特定色温的白色。尽管这表示发光元件(诸如320a)的典型当前实现方式，其他实现方式当然是可能的，包括根据本发明可集成到光发射装置中的任何光源。(图3B还示出与圆顶形的磷光体一起使用的这种类型的泵浦布置。)在大部分的剩余附图中，为简单起见，通常省略这种类型的扁平圆盘源的表示，并且将不描绘泵浦源370的细节，由于透镜和反射器光学器件不取决于这些细节，但仅取决于发光元件(诸如320a)的发射面的位置。
除扁平圆盘之外，朝向出射面凸起的圆顶形磷光体也是可能的。图3B示出这种布置，所述布置展示具有超半球透镜310b的光发射装置300b，在这种情况下其中凸圆顶形发光元件320b光学耦接到透镜310b并且被定位成使发光元件320b的发射面的边缘326b近似位于R/n球面125上。此外，发光元件320b近似以光轴140为中心位于R/n球面125的与出射面315b的正z顶点相对的(负z)侧面上。透镜310b具有凹陷部以接收发光元件320b，所述发光元件320b可整体形成到透镜310b中或其上，或使用折射率匹配材料来附接。发光元件320b可以多少比所示的圆顶形更圆，并且尽管以所述圆顶形绘制，但是没有必要成形为球面的一部分。示意性地示出发光元件320b，并且附图中表示所述发光元件的线的厚度在物理上并不是显著的；一个显著特征是发射面的形状。例如，发光元件320b的总厚度不必是均匀的，而磷光体层可(例如)涂覆在透镜状衬底上，所述透镜状衬底的中心比边缘更厚或更薄，并且所述透镜状衬底对于发光二极管380所发射的泵浦波长是透明的。或者，在发光元件320b的替代配置中，凸透镜透明体可由分布在其内的悬浮磷光体颗粒填充。在圆顶形发光元件320b的情况下，可能需要多注意截断表面340b，因为来自发光元件320b的一些光线将会具有向后方向上的分量(负z分量)，并且因此将入射到表面340b上。例如，截断表面340b可被制成具有反射性，以便向后朝向正z方向引导光，从而由出射面315b折射，并且进而增加光学效率。类似地，具有圆顶形发光元件320b的光发射装置300b可受益于其后将结合图4和以下附图论述的另外的反射侧壁特征部。
迄今为止所示的示例性实施方案具有所描绘的球面透镜或超半球形状。此类形状在制造上可存在一些挑战。此外，尽管这些光发射装置的远场图案是性质良好的，然而存在由以接近x-y平面的(即，更水平的)角度入射在出射面上的光线的一部分经历的内反射损耗引起的低效率，并且为了获得更窄的光束图案，更多光线可被导向光轴。在一个实施方案中，可将光学耦接以接收来自出射面的光并使其向前重定向的单独的反射器添加到光发射装置。而且，希望将特征部集成到光发射装置的透镜中以控制光分布，使得更少的光学表面相遇并且实现更高效率。现在将示出以下实施方案，其中出射面是半球形或球面的较小部分，并且其中集成有附加特征部使得光发射装置可将更多光辐射到更窄范围的前向角中，同时确保保持低的内反射损耗。虽然可能将光学孔集成到透镜中以限制光线穿过所述透镜的角度范围，但是这种方法可能增加损耗，因为孔通过阻挡光线而不是使其重定向来工作。因此，在使以与光轴的更大角度传播，以便以与光轴的更小角度离开透镜的一些光线重定向的情况下，代替孔，提供内置在透镜中或分开的反射特征部。这些反射特征部经适当设计还可用来通过确保所有光线以小于预定的最大入射角的角度入射在出射面上来降低内反射损耗。反射特征部的一个可能选择是(例如)从出射面向后延伸的锥形侧壁，例如，从与光轴的距离是大部分R的半径处开始，至少部分朝向发光元件的发射面，同时具有被选择来拦截高角光线的给定部分并且使其在更前向方向上重定向的尺寸和锥角。而且，通过其后将描述的实施方案提供对内反射损耗的更多控制。
图4示出具有透镜410的光发射装置400的截面图，其中利用环形表面440在赤道面145处截断半球形出射面415。此外，截断表面440不具有主光学功能，并且其可用于例如机械对准或安装。已经添加了具有锥形形状的反射侧壁430，所述反射侧壁430从接近于发光元件420的边缘426的后边缘432延伸到赤道面中的前边缘438。针对前边缘438的位置的这个选择在某种程度上是任意的，并且已经被选择成与平坦截断表面440的内边缘重合。针对前边缘438的位置的这个选择与半球形出射面415一起形成尽可能大的孔。将前边缘438定位在R/n球面125上还确保：被透射穿过孔或从侧壁430反射的任何光线以不超过TIR的临界角的角度入射在出射面415上。这是R/n球面415的另一个性质：源自所述球面内或看起来起源自所述球面内的任何光线有必要在半径R处以小于临界角的角度入射在出射面415上。示例性光线450和460分别展示以与光轴140的最大可能角度从边缘426入射并且仅仅掠过光轴140的相对侧上的锥形反射器的边缘438的光线450，和被相对锥形反射侧壁430反射出去的光线460。可看出，仍存在半球形出射面415的位于光线450下方并且朝向赤道面145的区段，所述区段不具有入射在其上的光线。
图5示出类似于图4中的400的光发射装置500，但是其具有一些附加特征。取决于折射率的细节和发光元件520的尺寸，锥形侧壁530可能不是由TIR一直向下到后边缘固有地反射。也就是，向后朝向发光元件520投射到侧壁530的光线诸如560不能保证经历全内反射，因为所述光线可能以小于临界角的角度入射在侧壁530上。这对于起源自发光元件520的相对边缘526的光线尤其是可能的。因此，附加反射区域535诸如侧壁530上的反射涂层或所述侧壁外部的单独的反射器可能是必要的，以便保证这些光线至少沿如图5所示的侧壁的后部分反射。涂层535或附加反射器可能没有必要朝向侧壁530的前边缘538。如在其他说明的实施方案中，假设透镜510是单片透明材料，其中出射面515以及锥形反射侧壁530整体形成在所述单片透明材料中。透镜510可被制成不止一片并且与折射率匹配材料一起保持在零件之间以便使界面处的反射最小化。
如前所提及，后取角532不需要精确地同发光元件520的边缘526重合，并且所述后取角不需要位于R/n球面125上；所述后取角仅需要被定位成使反射侧壁530可拦截所有期望的光线。在图5中，这种情形用在R/n球面125下方延伸的后边缘532示出。发光元件520与其边缘526定位在R/n球面125上，并且因此所述发光元件的发射面可设置在透镜510后端的凹部内。这仅仅是可如何以多种方式满足本发明的光学配置的要求，同时允许可例如简化制造或机械安装的一个实例。
图5还展示透镜510的为了消除光学上不必要的区段545的截断，从而留下截断表面540，所述截断表面540如先前结合图4论述。光线550展示的是，大部分极光线不会透射到截断表面540。
为了进一步限制内部菲涅耳反射损耗，代替限制出射面上的入射角小于TIR的临界角，可规定更小的角度。一个方便的选择是通过arctan(n0/n)给出的布鲁斯特角。这是如下角度：就所述角度而言，针对一种偏振内反射损耗是零，并且针对另一种偏振内反射损耗很小。全反射损耗从零入射到布鲁斯特角时相对平坦的，在布鲁斯特角之后所述全反射损耗在临界角处快速增大至100％。因此，布鲁斯特角是用于限制内部入射角的良好选择。类似于R/n球面，存在着具有更小半径的Rn0/√(n0 2+n2)布鲁斯特球面，以使得源自所述球面内或看起来起源自所述球面内的任何光线有必要以小于布鲁斯特角的角度入射在出射面上。
图6示出光发射装置600，其中透镜610具有从发光元件620的外边缘延伸到出射面615的锥形侧壁630。以使锥形侧壁在赤道面145上与布鲁斯特球面155相交的角度选择所述锥形侧壁。这个侧壁可能不是对所有光线呈现TIR的，并且因此示出辅助的单独的反射器635(与侧壁630稍微分开以达指示出所述反射器不是涂层的示意性目的)，所述反射器635可用来将另外从侧壁逃逸的光线反射回透镜中。如图6所示，单独的反射器635还可被构建成延伸超过出射面615、向前延伸到介质中；被出射面615以与光轴140的大角度透射到介质中的一些光线可投射到这个反射器635并且进而被进一步导向光轴140。一般而言，反射器635不需要沿透镜的整个长度延伸或向前延伸超过所述透镜，并且作为一种可能性，所述反射器可从相邻的出射面615朝向正z延伸一定距离，以便进一步引导从出射面615发射的光和/或使其成形，即使TIR发生在光发射装置600中的透镜内更远处，并且反射器635不需要朝向后面。反射器635可具有与侧壁630相同的形状并且与侧壁630平行延伸，其中它们沿如图6所示的长度重叠，或反射器635和侧壁630的形状可彼此不同。反射器635被示出为单个直椎体，但可在透镜610外部以不同方式成形，或反射器635和侧壁630在它们沿光发射装置600的长度前进时可具有匹配但变化的形状，以便调整光束图案或保证各种反射角。例如，侧壁630和/或反射器635可具有沿图6中的标记为655、665、675和685的部分的不同形状。部分685是最接近发光元件620并且在R/n球面125内延伸的所述部分。部分675完全位于布鲁斯特球面155内，使得保证光线670以小于布鲁斯特角的角度入射在出射面615上。部分665同样位于R/n球面125内，并且因此保证光线如660以小于临界角的角度入射；而且在所述部分适当成形时或在检查尺寸和角度以使其达成时，还可保证光线660和出射面615上的类似光线以小于布鲁斯特角的角度入射。但是此需要有意地设计。最后，部分655位于R/n球面125外部，并且因此要注意以确保所有光线如650以小于临界角的角度到达出射面615。然而，甚至可能维持所有这些都小于布鲁斯特角。
就高效率和最低损耗而言，当可能时希望使用TIR反射侧壁。已知的是，当侧壁以等角螺线(还称为对数螺线)的形式适当成形时，所述等角螺线具有大于或等于临界角的设计的入射角，入射在侧壁上的所有光线可满足此标准。图7示出这种设计，所述设计示出具有透镜710的光发射装置700，所述透镜710具有出射面715和发光元件720，其中反射侧壁730呈等角螺线的形状，所述等角螺线邻近发光元件开始并且延伸到赤道面145、终止在R/n球面125内。因此，这个配置既保证了反射侧壁上的TIR，又确保了出射面715上不存在TIR。表面740已经以其不会干扰极光线750的方式截断。一般而言，等角螺线被设计成在半径r处从发光元件720的发射面的外边缘处开始。从发光元件的边缘开始的等角螺线的参量方程是s(t)＝2r exp(tan g)，其中s是从起点到曲线的或“展开的”距离，所述曲线是发光元件720的发射面的相对侧上的边缘，t是参量的展开角，并且g是设计的入射角，所述入射角对于起源自展开点并且在由t确定的每个点处投射到螺线的所有光线是恒定的。而且，取决于发光元件720的尺寸的细节、透镜710和/或透镜710的包含TIR部分的至少后部分(如果透镜被制成不止一片)的折射率，可能难以或不可能设计出在边缘处(精确地在这些位置处)开始和停止的等角螺线。在那些情况下，若干选项是可用的，因为后边缘和前边缘的位置如先前所见具有一定的灵活性。
如果折射率足够高，那么设计角g可被制造得更小并且螺线可被收紧。在图8中所描绘的光发射装置800中示出这种情况，TIR侧壁830等角螺线可被制造得更窄，例如，在发光元件820的边缘处开始并且如所示终止在在赤道面145处、布鲁斯特球面155内，从而保证所有光线诸如透镜810的出射面815上的光线850和光线860的入射角具有小于布鲁斯特角的角度。此外，在表面840处以不反射光线如光线850的方式截断透镜810。然而，为了使光束图案进一步变窄，例如，利用具有更陡的角度的侧壁840进一步截断透镜的前部分可被实现来反射大角度光线中的一些，如光线850。这是在图9中示出的情形。
图9示出具有图8中的光发射装置800的所有特征的光发射装置900，而且透镜910的前部分通过区段945的去除而进一步截断，从而留下截断锥面940。在这种情况下，表面940具有作为反射面的光学功能并且应当是光滑且抛光的，并且在所有光线如光线950不经历TIR时可能反射地涂覆。一般而言，由于表面940的陡峭角度，确保表面940上的TIR并不困难。反射侧壁930同样被示出为从发光元件920开始并且终止在布鲁斯特球面155内的等角螺线。尽管确保截断表面940上的TIR并不困难，然而应当注意不要把角度截断得过窄，因为超过使截断表面940变窄的某一点，可能发生出射面915上的来自光线如950的TIR，所述光线950从侧壁940反射。描绘光发射装置900，其示出包括远程磷光体类型的发光元件920，所述发光元件920包括其泵浦结构370。
图10示出光发射装置1000，前述概念中的若干者都整合在所述光发射装置1000中。发光元件1020耦接到透镜1010，所述透镜1010具有球形出射面1015、具有后反射侧壁1030。侧壁1030包括两个具有不同形状的部分，后部分1034呈等角螺线的形状，并且前部分1036被设计成从赤道面145延伸到等角螺线的切点的直壁椎体。所述两个部分偶然地接合在侧壁1030越过布鲁斯特球面155的位置附近，尽管这不是故意设计的。侧壁1030的两个部分1034和1036的使用允许进一步使远场光束图案成形。在沿光轴的方向(纵向方向)上集成侧壁的不止两个部分可提供对光束图案的更多控制。此外，代替纵向方向或除其之外，反射侧壁1030可在方位角方向上被分成平面或曲面，以便实现光束图案的各种效果，诸如不均匀发光元件的光束图案的均化或特殊效果。另外，已经去除透镜1010的前部区段1045，从而留下截断表面1040，所述截断表面1040用作进一步收紧远场图案的TIR表面。在这种实际设计实例中，光线1050在从表面1040发射出来之前的角度稍稍高于53度。截断表面1040被设置成与光轴成40.65度，从而引起最大角度光线中的一些如光线1050的全内反射。在图11中示出所得的光束图案，所述附图示出发光强度随极角而变化的方向极坐标图，所述光束图案示出光束中心的非常平坦的角分布和刚好低于30度的半峰半宽度(HWHM)光束宽度。在图12中示出具有相同数据但处于矩形轴上的另一个图，其中可看出“裙边”非常陡，而这在实际应用中是经常需要的。
另外的实施方案包括照明设备，所述照明设备包括用于支撑一个或多个光发射装置的外壳。这种照明设备可提供用于安装并且对准一个或多个光发射装置的机构，并且还可任选地包括用于将电源连接到一个或多个光发射装置的机构。还可将用于进一步引导从一个或多个光发射装置发出的光图案或使其成形的附加可选的光学元件集成到照明设备中。
图13示出照明设备1300的实施方案的截面图，所述照明设备1300包括可选的辅助光学元件。图13所示的照明设备1300包括光发射装置1360(例如，在这种情况下类似图9所示的光发射装置900)和用于支撑并保护光发射装置1360的外壳1310。外壳1310可包括用于有助于照明设备1300的安装的结构(未示出)。照明设备1300可提供用于将光发射装置1360电连接到例如所述照明设备外部的电源的机构。电连接件1320被示意性地示出为导线，但是可包括其他连接机构，诸如柔性电路、印刷电路、连接器触点或本领域已知的其他连接机构。在一些实现方式中，可将光发射装置1360耦接到冷却装置1330，诸如散热器。可选的冷却装置1330可用来去除来自光发射装置1360内的光发射元件的区域的热量。冷却装置1330可以是无源的(包括，例如，用于自由对流的散热片)，或可集成有源冷却机制，诸如风扇或热电装置。照明设备1300还可包括可选的电子模块1340。电子模块1340可包括附加电子设备，诸如用于将市电供电电压和电流(其可以是例如线电压AC)转换成适用于驱动光发射装置1360内的光发射元件的某一类型(例如，DC)和电平的电压和电流的转换电子设备。还可将其他功能集成到电子模块1340中，所述功能包括但不限于，用于调光的控制器、与照明设备1300外部的控制器通信以及对周围环境特性(诸如亮度级、人类的存在)的感测。
仍参见图13，照明设备1300的外壳1310还可任选地支撑附加可选的元件，诸如反射器1350。反射器1350可用于从光发射装置1360输出的光的方向、分布或成形。例如，以相对于照明设备1300和光发射装置1360的轴线的大角度发射的光可通过反射器1350的适当设计来重定向成照明设备1300的远场中的更窄光束图案。
图13所示的照明设备1300还包括作为耦接到外壳1310的附加光学元件的可选透镜1355。透镜1355可被配置来执行附加光学功能，所述光学功能改变光的性质，诸如其方向性或光谱。例如，透镜1355可执行此类功能，如漫射光以获得合意的图案或减少眩光，并且可集成附加材料或结构以实现这些功能，所述附加材料或结构诸如悬浮颗粒或表面或嵌入的微结构。透镜1355还可包括具有改变光谱性质的材料或结构，以便例如使用吸收或衍射来执行功能，诸如波长滤波。如图13所示，照明设备的一些实施方案可包括反射器1350和透镜1355。
图13所示的照明设备是示例性实施方案。如本领域技术人员将明白，其他实施方案可使用反射器或透镜的不同配置，以及在具有光发射装置的照明设备内相对于反射器或透镜的不同相对位置。例如，具有不同形状并且以与图13所示的反射器不同的方式定向的反射器可用来使光沿不同于光发射装置的轴线的轴线重定向。在一些实现方式中，透镜可以是例如菲涅尔透镜或具有多个透镜的系统。代替引导或集中光或除其之外，可通过透射光学元件诸如透镜，或通过反射光学元件诸如反射器来执行其他功能。例如，透镜或反射器可具有集成到其内或集成在其表面上的结构，诸如小尺寸的粗糙度或微透镜，所述结构被设计来漫射远场中的光或使其成形。在一些实施方案中，可使用反射器和透镜的组合或具有附加反射光学元件和/或透射光学元件的系统。透射光学元件或反射光学元件可包括改变光谱的性质。
还考虑未画出的附加替代性实施方案。例如，代替透镜的光滑球形表面，所述透镜可具有成阶梯状菲涅尔表面。透镜材料可包括任何透明材料，诸如透明玻璃或透明有机聚合物(例如，硅树脂、聚碳酸酯或丙烯酸酯聚合物、环烯烃聚合物或环烯烃共聚物)。
发光元件可以是自发光的(诸如电致发光装置)；或可以是如本文所述的光泵浦磷光体层，所述磷光体层可直接涂覆在透镜上，或涂覆在单独的平坦或弯曲/圆顶形衬底上，或使用折射率匹配粘合剂胶粘上或以其他方式利用折射率匹配凝胶或液体附接；或可以是悬浮在本体聚合物中并且使用热塑性塑料或热固化过程多步模制的磷光体。发光元件可以是单个元件，或其可包括多个元件，诸如根据本文规定的范围布置的光源阵列，例如，具有布置成近似位于R/n球面上的最大半径范围r的阵列的那些点。
已经描述某些实施方案。其他实施方案在所附权利要求书中。

Claims (35)

1.一种具有光轴并且将光辐射到具有折射率n0的介质中的光发射装置，其包括：
透镜，所述透镜具有折射率n和具有半径R的凸球面出射面，其中曲率中心沿所述光轴设置；以及
发光元件，所述发光元件具有沿所述光轴的法线测量的半径范围r的发射面，所述发射面光学耦接到所述透镜，所述发光元件被定位成使所述发射面的边缘的至少一部分近似位于与所述透镜具有相同曲率中心的半径为Rn0/n的抽象球面上，并且还被定位成使所述发射面近似以所述光轴为中心、跨所述曲率中心与所述出射面相对。
2.如权利要求1所述的光发射装置，其中所述球面出射面使所述发射面的所述边缘的所述部分基本上等光程地成像。
3.如权利要求1或权利要求2所述的光发射装置，其中所述发射面的所述整个边缘近似位于半径为Rn0/n的所述抽象球面上。
4.如权利要求1或权利要求2所述的光发射装置，其中所述发射面是球面的一部分。
5.如权利要求1或权利要求2所述的光发射装置，其中所述发射面是平坦的。
6.如权利要求1或权利要求2所述的光发射装置，其中所述发射面是圆顶形的。
7.如权利要求1或权利要求2所述的光发射装置，其中所述发射面的所述半径范围r小于(1/√2)(Rn0/n)。
8.如权利要求1或权利要求2所述的光发射装置，其中所述发光元件包括磷光体。
9.如权利要求1或权利要求2所述的光发射装置，其中所述发射面被嵌入在所述透镜中。
10.如权利要求1或权利要求2所述的光发射装置，其中使用折射率匹配材料层将所述发射面光学耦接到所述透镜。
11.如权利要求1或权利要求2所述的光发射装置，其中所述发射面设置在所述透镜中的凹部内。
12.如权利要求1或权利要求2所述的光发射装置，其中所述透镜的区段被截断，所述区段位于从所述发射面到所述出射面的具有与所述光轴成预定最大角度的直接光线外部。
13.如权利要求1或权利要求2所述的光发射装置，其中所述透镜还包括从所述出射面朝向所述发射面延伸的反射侧壁，所述反射侧壁被配置成使来自所述发射面的直接光线中的具有大于与所述光轴成预定最大角度的一部分被朝向所述光轴反射。
14.如权利要求1或权利要求2所述的光发射装置，其还包括反射器，所述反射器光学耦接到所述透镜并且被配置来接收和反射所述光的辐射到所述介质中的一部分。
15.如权利要求1或权利要求2所述的光发射装置，其中所述透镜还包括反射侧壁，所述反射侧壁从接近所述发射面的所述边缘的第一边缘延伸到位于与所述光轴相交的平面中的第二边缘，所述平面定位在所述第一边缘与所述透镜的顶点之间，所述反射侧壁被配置成使来自所述发射面的所述光的一部分在照射在所述出射面之前被从所述侧壁反射。
16.如权利要求14所述的光发射装置，其中所述平面垂直于所述光轴。
17.如权利要求14所述的光发射装置，其中所述透镜关于所述光轴轴向对称。
18.如权利要求16所述的光发射装置，其中所述反射侧壁是锥形的。
19.如权利要求14所述的光发射装置，其中所述平面包括所述曲率中心。
20.如权利要求14所述的光发射装置，其中所述第二边缘完全位于与所述透镜具有相同曲率中心的半径为Rn0/n的所述抽象球面内。
21.如权利要求14所述的光发射装置，其中所述第二边缘完全位于与所述透镜具有相同曲率中心的半径为Rn0/√(n0 2+n2)的抽象球面内。
22.如权利要求14所述的光发射装置，其中所述侧壁还包括TIR表面。
23.如权利要求21所述的光发射装置，其中所述TIR表面包括具有呈等角螺线形式的截面的一部分。
24.如权利要求14所述的光发射装置，其中所述侧壁还包括反射涂层。
25.如权利要求14所述的光发射装置，其中所述侧壁包括两个或更多个不同成形的部分。
26.如权利要求14所述的光发射装置，其中所述侧壁包括两个或更多个小面。
27.如权利要求14所述的光发射装置，其还包括邻近所述侧壁的反射器，所述反射器被配置来使来自所述发射面的光中的从所述侧壁逃回所述透镜中的至少一部分重定向。
28.如权利要求26所述的光发射装置，其中所述反射器的一部分延伸超过所述出射面进入所述介质中，并且所述反射器的延伸超过所述出射面的所述部分被配置来接收和反射所述光的辐射到所述介质中的一部分。
29.一种照明设备，其包括：
外壳；以及
由所述外壳支撑的光发射装置，所述光发射装置具有光轴并且发射到具有折射率n0的介质中，所述光发射装置包括：
透镜，所述透镜具有折射率n和具有半径R的凸球面出射面，其中曲率中心沿所述光轴设置，以及
发光元件，所述发光元件具有光学耦接到所述透镜的发射面，所述发光元件被定位成使所述发射面的边缘的至少一部分近似位于与所述透镜具有相同曲率中心的半径为Rn0/n的抽象球面上，并且还被定位成使所述发射面近似以所述光轴为中心、跨所述曲率中心与所述出射面相对。
30.如权利要求28所述的光发射装置，其中所述球面出射面使所述发射面的所述边缘的所述部分基本上等光程地成像。
31.如权利要求28或权利要求29所述的照明设备，其还包括光学元件，所述光学元件由所述外壳支撑并且被配置来接收从所述光发射装置发射的光并且改变所述接收的光的性质。
32.如权利要求30所述的照明设备，其中所述光学元件被配置来改变所述接收的光的方向性。
33.如权利要求30所述的照明设备，其中所述光学元件被配置来改变所述接收的光的光谱。
34.如权利要求30所述的照明设备，其中所述光学元件是反射器。
35.如权利要求30所述的照明设备，其中所述光学元件是透镜。
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