用于发光二极管的光学歧管的制作方法

专利名称：用于发光二极管的光学歧管的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及光源，特别是使用一个或多个发光二极管 (LED)的光聚集/分配系统。
背景技术：
发光二极管(LED)是用途广泛、便宜、及效率高的光源。对于 低光应用如野营照明， 一个或多个LED即可提供足够的光。然而，为 利用LED用于要求更多光的应用，如汽车前灯，则必须结合多个LED 的输出。现有技术中的LED在合并多个发射极芯片的发光输出方面并 不令人满意。物理芯片邻接的确可产生较大的光源，但热量排除的限 制降低了总亮度。同样，在相邻的发射极之间几乎没有光照度的连续 性，从而在各个发射体之间留下暗黑区域。LED可从很多提供商购买 到，且在市场上可获得的LED中，发射极本身已具有各种亮度变化。 例如， 一些提供商(如加利福尼亚州San Jose的OSRAM公司和加利 福尼亚州Santa Barbara的Cree公司)制造了具有引线和焊接区的 高功率LED，其阻挡来自发射芯片上面的光。相反，加利福尼亚州San Jose的Lumileds公司的高功率LED作为倒装芯片的例子，其没有引 线或焊接区，而是在正面阻挡光发射。然而，即使这些LED，其跨发 射极均具有很大的亮度变化。例如，Lumileds的Luxeon工和Luxeon III LED，从中心到边缘的亮度变化达因子10，并在一芯片与下一芯 片之间具有随机的光栅。这样的不合需要的光栅，无论是在倒装芯片 上还是前引线芯片上，均可在准直或聚光透镜的光束中产生有害的人 工因素。尽管可在这些透镜上方放置漫射器，但漫射器将损耗15% 的光并使得光束边缘模糊。 一种更有效的源极均化方法，其保持明显 的边缘，应是光照光学领域很有意义的进展。尽管薄膜LED已大大改 善了传统基于衬底的LED的均匀性，但其之所以总是具有非均匀的光 照度有根本的原因，因为其固有地、向下通过活性、光生成层的非均 匀电流分布。使用较大的焊接电极将在其与LED的接合点处产生更多 无用的表面复合，从而必须保持电极是小电极。相反，在此描述的光 学变换器重视电流馈电的来者位置，放大非均匀性。由于LED的未经处理的锯齿边缘将倒装表面复合，电流不被允许到达它们，从而LED
在到其边缘的所有方向均不能被照亮。提供可减轻LED固有的亮度不
均匀性的光学变换器应是优点。
除了使得单源均匀以外，需要更好的光学方法来结合空间上分开
的LED芯片的输出，当严密封装时其更容易冷却。这样的光源结合装 置在光学上应产生具有明显边缘的均匀亮度。除了更容易的热管理以 外，还需要光源结合，其使得任何LED的各种变化甚至失效将不引人 注意。
现有技术中的LED还在用于LED中的磷光体的几何结构方面不太 令人满意，所述LED如产生白光的LED。直接涂在lram蓝色芯片上的 四分之一毫米(250微米)或更厚的磷光体涂层必然增加源面积，有 时增加达因子4，因而降低了亮度。磷光体在这样的小芯片上的应用 必然导致跨每一芯片及芯片之间的色温变化。同样，导致大量磷光体 输出反向散射。即，其不经济地照回芯片内，而芯片有相当吸收性。 最后，磷光体必须经受芯片的高工作温度，及有差异的热膨胀引起附 着问题，从而如果磷光体松掉则大大降低输出。尽管较薄的磷光体层 具有较少的应力问题及更大的亮度，但只有一家制造商Lumileds公 司具有先进的磷光体沉积技术可用于其白光LED的共形25微米涂覆， 比其余制造商的要薄10倍。(来自其它公司的实验室样品已被展示， 但这些方法到目前为止尚未被证实可商业化)。即使这样，设备将跨 其表面及芯片之间改变色温。
如果磷光体能位于远离LED的位置将是有利的。具体地，如果 LED器件中的磷光体层位于足够远的位置从而不受LED自身温度变化 的影响将是有利的。这样的磷光体目标可以是与分开的LED芯片的结 合区一样小，从而使亮度最大化。传统的白光LED阵列遭受色温的变 化。为克服该问题，制造商采用成本高昂的装箱(birming)程序。 然而，目前最新的LED仍有相当的色温变化，即使使用密封箱也是如 此。此外，由于装得紧紧的LED阵列必须具有一个或多个芯片宽度的
17间隔，磷光体在整个阵列上的简单应用将导致冲淡的、高度不均匀的 亮度。
自LED实现更高的白光亮度，同时具有均匀性和颜色一致性，对
LED进入一般照明应用市场非常关键，LED的更低的功耗和更长的寿 命将大大有利于节能。更大和更有效的磷光体涂层可被使用，如果它 们可与其蓝光源分开的话。这样的进步将使汽车前灯特别受益，而目 前的白光LED如应用于汽车其亮度至多勉强够格。实际上，跨光束的 色温变化可导致多余的蓝光，其对眼科而言非常危险。
在一些应用中，从单一较大的源产生大量较小尺寸的源是有利 的。这在由于光学元件太厚和/或太大而使得光学设计很难铸模时非 常有用。如果所述大的单一源被分成多个具有相同总面积的较小尺寸 的源，则相同的透镜设计可用于每一这样的源，正好按比例縮小到可 模制的大小。可能还希望这些较小的源比较大的本源更均匀，或它们 具有规定的亮度输出。
在其它应用中，将单一源或多个源的形状改变成另一形状是有用 的，如从正方形改变成实质上具有相等面积的长方形，反之亦然。这 对于类似于LED头灯这样的应用是有用的，其需要产生高宽比(长比 宽)在2: l到6: l之间的长方形源。当然，这样的方法必须尽可能 地保持源亮度。
最后，希望具有极为有效的、用于生产白光LED光源的装置，其 不使用磷光体，其通过将两个或多个不同波长的LED结合为单个同质 源进行。传统上，这种方法已使用三种不同颜色的LED来实现白光， 所述三种颜色LED通常是红、绿和蓝光LED。然而，传统的光学方法 没有通过使用这样的RGB光源产生长方形或正方形均匀光源。具有通 过结合三种以上LED波长而产生光源的装置是有利的。另外，具有能 产生光源色度可调节的光源的装置是有用的。

发明内容
18在此描述的光学歧管实施例提供将多个LED或其它光源输出有 效结合为单一输出的能力，所述光学歧管实质上是可由介质材料制成 的、同质的、小的、有成本效益的管壳。光学歧管可用于结合多个相
同颜色LED的输出以提供高通量和高强度输出光束，或者可用于产生 多波长光束。例如，红、绿和蓝光LED可被结合以实现"白光"输出。 所公开的实施例还使用单一 LED或多个LED以及布置在远处的磷光体 涂层，使得反向散射光致发光被再循环到输出。光学歧管使用非成像 光学的原理，其被设计来实质上减轻LED发射表面上的亮度变化，并 提供实质上均匀的光源。此外，这些光学歧管可用于使用正方形形状 的LED产生多种非正方形形状的光源，包括长方形和非对称高通量光 源。这些高通源可用于许多应用，如固态照明汽车前灯。例如，对于 该应用，希望具有长宽比为4: l的、均匀、长方形、基于LED的光 源。这可以使用在此描述的光学歧管实现。 一般意义上的固态照明及 具体的发光二极管，受益于在此描述的光学变换器，可发现新的应用。 例如，为提供白光LED，公开了用于将一个或多个蓝光芯片的光传送 到空间上分开的磷光体的光学系统。于是，这样的磷光体目标可以与 分开的芯片的结合区一样小，从而使亮度最大化。磷光体层位于足够 远从而不受LED本身温度变化的影响。
在此描述的光学变换器总体上涉及使用非成像光学的原理、因新 型光学歧管的出现而满足上述照明工程需要。非成像光学的边缘光线 原理提出源光束扩展量最小增长的表面，非成像光学的中心量。光束 扩展量是源面积As和源的输出的投影立体角的积乘以包围源的光学 介质的折射率n的平方
五=sin2 P
其中e是立体圆锥角的偏位角，立体圆锥角等价于源的辐射图。
散射Lambertian发射到2 II球面度由e 二 90°表示。该散射输出 是LED芯片自身的发射的特征。理想的光学系统光束扩展量守恒，从而理想的准直管的扩大的输 出面积导致窄射束角内的高强度，而日光聚光器的焦斑的小尺寸导致 自其宽射束角有效增加的通量。
在此描述的光学变换器提供新型的光学歧管，其提供平行光束的 光束扩展量有限的光照、多个光源的光束扩展量有限的结合、及光束 扩展量有限的磷光体利用。通过在此描述的光学变换器而有效地实现 这些重要的任务标志着LED发展的新阶段。例如，除磷光体以外的其 它光致发光材料也可与在此描述的光学变换器一起使用，其较直接布
置在LED上更容易，所述光致发光材料如光致发光半导体AIInGaP。
在此公开的一些实施例仅利用全内反射，因而不需要在其表面施 加金属反射体涂层。另一些实施例包括注模分部，这些分部可组合为 完整的歧管以从几个较小尺寸的LED芯片的发射产生大的"虚拟芯 片"。虚拟芯片较实际芯片具有更好的亮度和颜色均匀性，并可用有 效限制的角输出进行配置。同样，受控制的非均匀性可与所述角限制 一起进行设计，使得通过将投影透镜的焦面放在歧管输出上而满足强 度规定。
光程的可逆性使得在此公开的实施例可同样用于通过将大的源 转换为几个较小的源而使其分散，与用单一 LED照明汽车仪表板上的 多个仪器仪表一样。使用在此描述的光学变换器，很容易获得备用 LED,其也支持仪表板的光学歧管。


为更完整地理解本发明，参考下面结合附图的详细描述，其中 图1A为具有相邻复合抛物线聚光器(CPC)反射器的薄膜LED的 截面图。
图IB为图1A中的上部发射LED的放大截面图，其漫反射器与活 性外延层接触。
图2A为与10°填充电介质的CPC光接触进行浸入的薄膜LED的 截面图，其示出了CPC的底部。图2B为图2A的填充电介质的CPC的底部的截面图，其示出了全 部10°电介质CPC。
图2C为组合图2A和2B中所示的截面的光学歧管的截面图，包 括用于高效率光引出的高折射率CPC和用于校准的低折射率CPC。
图2D为图2C中部分示出的整个CPC的截面图。
图3A为浸入小半球的薄膜LED的截面图。
图3B为浸入最小可能的球形透镜的薄膜LED的截面图。
图3C为浸入电路板上的典型结构团的薄膜LED的截面图。
图4A为两个薄膜LED和棱镜耦合器的截面图。
图4B为利用图4A中所示的棱镜耦合器的光学歧管的截面图，包 括两个浸入在较小的CPC中的薄膜LED,每一薄膜LED均带有棱镜耦 合器，还包括大的CPC。
图5为用于两个LED的反射光学歧管反射器的截面图，每一 LED 具有馈入单一、更大的矩形CPC的CPC，其提供输出。
图6A为2:1电介质光耦合器的截面图。
图6B为与图6A类似的电介质耦合器的截面图，其还包括混合棒。 图6C为具有CPC输入的混合光学歧管及在空气中具有角度受限 的输出的锥形体的截面图。
图6D为包括锥形体或特制反射镜和复合透镜的光学歧管的截面图。
图6E为与图6E类似的结构的截面图，但使用复合菲涅耳透镜。 图6F为包括复合TIR透镜的光耦合器的截面图。 图6G为使用多个(如55个)圆形对称透镜的六边形平铺光学歧 管的的平面图，其可用如图6A-6F例示的任何透镜实施。 图6H为复合TIR透镜输入侧的透视图。 图61为图6H的复合T工R透镜的输出侧的透视图。 图7A为光束扩展量有限的通量从圆顶LED传入空气中的图象的
21图7B为另一光束扩展量有限的通量从圆顶LED传入空气中的图
图7C为另一光束扩展量有限的通量从圆顶LED传入空气中的图
图7D为具有二向色滤光片的双准直透镜的侧视图，还包括涂覆 磷光体的表面。
图7E为另一具有二向色滤光片的双准直透镜的侧视图，也包括 涂覆磷光体的表面。
图7F为另一具有二向色滤光片的双准直透镜的侧视图，包括离 轴LED和离轴磷光体系统。
图7G为另一具有二向色滤光片的双准直透镜的侧视图，包括离 轴LED三合一阵列和离轴磷光体三合一阵列系统。
图7H为与离轴LED和磷光体系统一起使用的另一双准直透镜的
图71为具有远程磷光体的交叉CEC的截面图。
图8A为包括多个按2x2:1结构布置的正方形CPC的光学歧管的
图8B为包括2x2:1结构正方形CPC的光学歧管的端视图。
图9A为用于8个LED和2:1矩形输出的2x4:1光学歧管的侧视 图，还包括混合棒。
图9B为另一用于8个LED和2:1矩形输出的2x4:1光学歧管的 侧视图，还包括混合棒。
图10A为4x4光学歧管输入侧的透视图，其通过蓝通滤光片馈给 16个蓝光LED的输出。
图10B为图10A的歧管从输出侧的透视图，其中蓝通后的光被聚 光在高度均匀磷光体小片上。
图10C为磷光体、单片陶瓷、光学连接到CPC的特写分解透视图。
图IOD为图10A的光学歧管的透视图中的射线跟踪，其示出了磷 光体的光输出怎样由滤光片返回，大大增加了磷光体效率和亮度。图IOE为在图IOA的光学歧管中安装在绿光磷光体上面的红光半 导体的分解透视图。
图IOF为由红光和蓝光LED馈给的歧管，还包括涂覆磷光体的表面。
图10G为由红光和蓝光LED馈给的歧管的磷光体端的另 一 图。 图IOH为单片陶瓷浸入于其中的电介质圆顶的特写分解图，还包 括涂覆磷光体的表面。
图101为从另一视角的特写分解图，其示出接收磷光体的圆顶缺□。
图IIA为自蓝光LED的光输出的光谱图，还包括传输曲线。 图IIB为黄光磷光体的吸收和发射光谱的曲线图，还包括蓝通滤 光片的传输曲线。
图IIC为绿光磷光体的吸收和发射光谱曲线图，还包括红通滤光
片的传输曲线。
图12为角压縮器的截面图。
图13A为包括角转向器的现有技术的图。
图13B为图13A中所示的现有技术的射线跟踪。
图13C为光学歧管的角旋转器的截面图。
图13D为与图13C类似的角旋转器的另一实施例。
图13E为图13D中所示的角旋转器的射线跟踪。
图14为包括两个经修改的角旋转器的光源移动器(shifter)的
截面图。
图15A为半宽度光源移动器的截面图。 图15B为全宽度光源移动器的截面图。
图15C示出了可怎样改变光源移动器的几何形状以使能进行不 同的横向光位移。
图16为光源绞扭器的截面图。 图17为2:1光学歧管的截面图。
图18为具有类似于图17的外形的矩形2:1光学歧管的透视图。
23图19为具有类似于图17的外形的正方形1:2光学歧管的透视图。
图20A为具有不同输入颜色的3:1光学歧管的截面图。 图20B为图20A的3:1光学歧管的另一实施例，LED之间的间隔 更大。
图21为具有共面输入的4:1光学歧管的截面图，每一输入具有 一个角旋转器。
图22为另一具有共面输入的4:1光学歧管的截面图，每一输入
具有两个角旋转器。
图23为4"光学歧管的另一实施例的截面图，具有用于浸入的
输入的角压縮器。
图24为按大约圆弧形状布置的光学歧管的截面图。
图25为降低半径的弧上的光学歧管的截面图。
图26A为具有中间角旋转器的2x2:1光学歧管的透视图。
图26B为具有图26A中所示中间角旋转器的2x2:1光学歧管的透视图。
图26C为更公然分支的2x2:1歧管的视图。 图26D为3x3:1歧管的视图。 图27A为4x4:1分支的光学歧管的透视图。 图27B为图27A中所示的4x4:1分支的光学歧管从另一角度看的 透视图。
图28A为4x4:1绞扭分支光学歧管的透视图。 图28B为图28A中所示的4x4:1绞扭分支光学歧管从另一角度观 看的透视图。
图29为任意分支的光学歧管的另一实施例的透视图。 图30为亮度移动器的透视图。
图31A为定义单片光束扩展量挤压器(etendue-squeezer)的光 学歧管的另一实施例的分解透视图。
24图31B为图31A的分解图中所示的单片光束扩展量挤压器合成后 的透视图。
图31C为图31A和31B中所示的单片光束扩展量挤压器的另一透 视图。
图32为单片9:1光束扩展量挤压器的透视图。 图33A为具有光学无活性表面的亮度传输管道的截面图。 图33B为与图33A实施例类似的角旋转亮度管道的截面图。 图34为具有对称放置的端口的角旋转亮度管道的截面图。 图35为具有无活性表面的4:1管道的截面图。 图36为具有两个无活性表面的双向对称管道的截面图。 图37A为合成系统的截面图，其包括四个具有图35结构的结合 管道。
图37B为另一合成系统中的光学歧管的另一实施例的截面图。 图37C为合成系统中光学歧管的另一实施例的截面图，还包括涂 覆磷光体的表面。
图38A为照明另一 CPC的电介质CPC的截面图。 图38B为图38A的另一结构的截面图。
图39A为包括电介质CPC的另一光学歧管的截面图，其示出了以 90°连接两个CPC的缺点。
图39B为包括两个如图39A中那样的电介质CPC的另一光学歧管 的截面图，其示出了气隙怎样防止射线漏出。
图40为利用磷光体反向发射的交替结构的截面图。
图41为如图40那样的另一交替结构的截面图，还包括涂覆磷光 体的表面。
图42为图41的另一交替结构的截面图，还包括涂覆磷光体的表面。
图43为图42的自由空间版的截面图，还包括涂覆磷光体的表面。 图44为将组合器添加到图43的交替结构的截面图，还包括涂覆 磷光体的表面。图45为交替结构的截面图，其包括带有一个光源(不是三个) 的折射输出区的正交三色自由空间组合器，以提供多波长输出。
图46为交替结构的截面图，其包括如图45中的正交组合器以提
供多波长输出，但具有四棱镜滤光片结构。
图47为提供多波长输出的交替结构的截面图，其包括具有窄角 输出的正交棱镜组合器。
图48为示出具有窄角输出的平行三色组合器的交替结构的截面图。
图49为包括具有输出区n倍于一输入的自由空间平行组合器的 交替结构的截面图。
图50为可用于结合多个不同颜色LED以提供多波长光输出的交 替结构的截面图，包括具有两个横向CPC的棱镜组合器。
图51A为包括具有三个平行布置的横向CPC的棱镜组合器的交替 结构的截面图，以结合光并提供多波长光输出。
图51B为歧管的截面图，其使用不同颜色的LED和涂覆磷光体的 表面产生多波长输出。
图51C为歧管的交替结构的截面图，其使用不同颜色的LED和涂 覆磷光体的表面产生多波长输出。
图52为包括两倍宽度亮度移动器的光学歧管的交替结构的截面图。
图53A为三重光学歧管的平面图。 图53B为图53A的三重光学歧管的侧视图。 图54A为从图53A和53B的歧管发射的远场强度的等值线图。 图54B为从图53A和53B的歧管发射的远场强度图的中心水平和 垂直面。
图55为来自图53A和53B的歧管的输出面的空间输出的等值线图。
图56A为三重光学歧管的另一实施例的透视图，连同电路板上的 三个输入LED。图56B为图56A的光学歧管的透视图，还包括自由形态射束成形透镜。
图56C为图56B的光学歧管和射束成形透镜的透视图，以及其照 在射束成形反射器上的输出的射线跟踪。
图57为包括四个如图56C中所示结构的透视图，例如形成完成 指示的汽车灯。
图58A为用于产生射束亮度图形状的出口孔的非对称歧管的透
视图，其符合汽车前灯照明要求。
图58B为图58A的非对称歧管的另一透视图。
图59示出了交叉CPC的结构。
图60A为交叉CPC远程磷光体系统的侧视图。
图60B示出了离开交叉CPC远程磷光体系统的射线。
图61为边角射线怎样超出接收圆圈的方向-空间图。
图62A为能流数学图。
图62B为能流的波长组成。
图62C为远程磷光体性能曲线。
图63A为具有圆形CPC的4:1远程磷光体系统。
图63B为图63A的远程磷光体系统的另一图。
图64A为遮蔽白光、亮度增加的远程磷光体的截面图。
图64B为图64A的远程磷光体的立体图。
图65A为具有分开的蓝光和黄光输出的远程磷光体。
图65B为具有白光输出的远程磷光体。
图65C为远程磷光体的变体，其中LED和磷光体共面。
图65D为远程磷光体的变体，其中LED和磷光体共面且具有分开
的蓝光和黄光输出。
图65E为远程磷光体的变体，其中LED和磷光体片共面且具有白
光输出。
图66A为图65A、 65B和65D的滤谱器特性。
图66B为图65A、 65B和65D的另一滤谱器特性。
27图66C为图65C的滤谱器特性。
图66D为图65E的滤谱器特性。
图67为实际滤光片的光谱透射率的图。
图68A为10。正方形CPC馈给15。正方形CPC的图。
图68B为长方形交叉CPC的图。
图69A为具有冷却的共面LED和磷光体片的远程磷光体，其具有 重合但失配的蓝光和黄光输出。
图69B为具有补偿漫射体的远程磷光体。
图69C为具有较小输出反射镜的远程磷光体。
图70为具有空间及角度重合的蓝光和黄光输出的非再循环远程 磷光体系统。
图71为具有16个蓝光LED和4个磷光体的远程磷光体，所有
LED和磷光体均共面，产生空间和角度一致的聚合白光输出光束。 图72A和图72B为具有锥形及透镜而不是大的电介质CPC的远程
磷光体的立体图。
图73A为侧向发射远程磷光体系统的截面图，其中LED和磷光体
片大约位于同一轴上。
图73B为具有空间上分开的连续短和长波输出端口的远程磷光
体系统的截面图。
图73C为图73A的侧向发射远程磷光体系统的另一实施例。 图74为T形远程磷光体系统，其白光输出的色温可控。 图75示出了类似的系统，但LED和磷光体片在同一平面内。 图76为图75的另一实施例，其中两个LED和磷光体片在同一平面内。
图77为使用图75教示的原理并具有八个蓝光LED和四个磷光体 片的远程磷光体系统的立体图。
图78为具有可调色温的、使用两个蓝光LED的远程磷光体系统 的截面图。图79为具有可调色温的、使用部分再循环的黄光的远程磷光体 系统的截面图。
图80为同样远程磷光体系统的变体的截面图。 在几个图中，同一附图标记指同一组件。
CEC CPC
交叉CPC 二向色滤光片 LED的圆顶 边缘光线原理
具体实施例方式
本发明将在下面结合附图进行描述，其中同一附图标记代表相同 或相似的元件。
术语和縮写词表
下述术语和縮写词用于具体实施方式
的整个描述中
角旋转器 将亮度从一平面传送到另一倾斜于第一平面的设备 复合椭圆形聚光器 复合抛物线形聚光器
在两个正交方向具有二维CPC外形的三维结构 具有两个不同的传输峰值的滤光片 由透明介质材料制成的、近似球状的LED罩 非成像光学的基本原理，藉此来自孔边缘的规定的光 线集被保证传送到另一孔的边缘，但第一孔不被成像 在第二孔上
熵的光学表示，定义为源面积A,和源的输出的投影立 体角的积乘以包围源的光学介质的折射率n的平方 铟锡氧化物
发光二极管，将低压直流转换为窄的光谱带中的光的 直流转换器
20世纪的新语，代替19世纪使用的"发光体"，用 以描述光源及功能上相关的光控制装置，如反射器或 灯罩
将亮度传送到不同横向坐标的设备 数值孔径
光束扩展j
ITO LED
照明器
亮度移动器 NA磷光体 响应于外部激发而发光的光致发光材料，通常在激发
中止后仍继续
磷光体片 具有给定大小和形状并包含磷光体的构件。其可包括
磷光体或分布在密封剂如硅酮液中的磷光体。磷光体 片也可制造为合成材料，其中磷光体层(具有或没有 密封剂)在批量生产过程中沉积在适当的透明衬底 上，如片或薄膜
PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯，透明丙烯酸塑料的聚合物成分
RIIR透镜 具有指定顺序的折射(R)和内部反射(I)表面的透
镜系统
SMS 产生双表面光学设备的光学设计方法，所述光学设备
将两个指定的输入波前变换为两个指定的输出波前，
如美国专利申请10/269,479、 10/880,386和美国专 利6， 639， 733、 6， 867， 929中公开的那样
薄膜LED 包括非常薄的层且从其顶面发射其几乎100%的放射
线的LED
TIR 全内反射
波前 传播电磁场中的固定相表面
概述
为说明的目的，"光学歧管"类似于引擎的排气歧管。在光学歧 管中，提供了多个通道，其或将多个光输出结合为单一输出，或将单 一输出跨空间分配。该术语可指光纤扇入和扇出设备，如Simmons等 人的美国专利6， 850， 684、 6， 847， 774、 6,832,032、 6， 655， 848、 6，556，754和6，549，710中所公开的。这种多输入、多输出功能是不 同于照明的有效分布的信息任务。在光纤说法中，这样的分布有时称 为"扇入"和"扇出"，表示将几个光程连接为一个。
.当考虑可逆性时，"扇入"和"扇出"之间的区别非常重要。也 就是说， 一些这样的光纤设备在功能上不能互换，因为在反向光程上
30的一些光可能散开并在内部损耗。然而，具有能可逆传送光的系统是 有利的，从而其实施可用于两个方向。因而，在此描述的光学歧管的 实施例可用于两种光分布从高功率源到应用的多点及将许多源光结 合为一个大的、与其输入源具有相同亮度的合成源。
术语"光学歧管"已由Campbell等人用在美国专利4， 362， 361 中，但在那里该术语指部分反射涂层，当其在板内挖通道时其重复允 许小部分激光束逃避反射，从而多个光束被合成一个光束。这种使用 不同于传统意义上的使用，因为"光学歧管"现在指分支多对一光程。
美国专利6, 186， 650公开了分支光波导的"光学歧管"，并说明 了几个实施例。然而，可以认为这些结构的实际光线跟踪有相当的分 散，如该专利的图19A和图19B所示。此外，可以相信，该现有技术 的光束扩展量不守恒，其输出大大弱于输入。这是因为端口的弄成方 形的终端将导致在那里导向的光的大部分将向后反射。
光束扩展量，与熵类似，是光学无序的度量，其基本上等于空间 范围和角范围的积。增加光的光束扩展量可被认为是将功变为废热的 光学等价行为，其中光学功是发光亮度，废热是该光的无用分散。一 旦不可避免的反射和散射被引起时，"光束扩展量受限的"光学设备 以几乎最初的亮度传送光。在此描述的光学变换器是光束扩展量受限 的变换器，因为输入面积-角乘积被保留用于通过其的光。在此描述 的光学变换器的一些实施例从多个源接收光以产生大的、高度均匀的 合成源，其将证明在照明领域中非常有用。其它实施例将形成分布式 照明系统，如车辆仪表板，其既保持光度又保持光束扩展量，使得在 完成照明任务时只需要较少的LED光源。
光束扩展量受限的光学元件的一个例子是复合抛物线形聚光器 (CPC)，由Winston在美国专利4， 002， 499中公开。另一例子是复 合椭圆形聚光器(CEC)，由Winston在美国专利3， 957， 031中公开。 这两种聚光器均可用作在此描述的光学变换器的构件。最近的例子是 Fein在美国专利6， 819， 687中公开的角转向元件，其仅在角度在临 界角之下时才是光束扩展量有限的(NA〈1)。设计来与光纤照度的角
31限制一起使用，该设备具有非常大的局限性，而在此描述的光学变换 器的、与其外表类似但几何结构不同的角转向部件远优胜过该设备。
Fein的设备为NA二O. 5范围的光纤照度，从而当光在NA二1中时，光 将漏出该设备(NA二1是在此描述的光学变换器的范围。)在此描述 的光学变换器具有NA二1的范围，因为这使其能够传送四倍于酷=0.5 系统如Fein的系统的辐照度。Fein的设备的另一局限在于其设计极 限是NA4，因为其主要应用是生物医学设置中的直角转向，对此， 在NA^0.5时使用两个45。旋转器。相反，在此描述的光学变换器的 实施例的角旋转部件在N=l的任何转向角其传送的光具有非常小的 漏光，从而在此说明的90°角旋转器很容易扩展到包括适于螺旋形 结构的360°设备，如果这样的新需求出现的话。这种灵活性使在此 描述的光学变换器实施例能够用于跨光结合和光分布的整个应用，且 具有最大通量，某些东西仍由现有技术完成。这种灵活性还由在此描 述的光学歧管的实施例例证，其包括两个相对的、用作亮度移动器的 角旋转器，系统的另一有用的元件可任意分支分布式照明的图案。
在此提供的另一改进涉及光学变换器的可制造性。在现有技术 中，如Fein例示的技术，所有表面必须旋光作用在所述光学角转向 设备上。这使其很难在不损害旋光作用表面的情况下具有注入点。在 此描述的光学变换器通过沿设备的长度方向提供无旋光表面而克服 了该问题，所述无旋光表面可用于注入点。无旋光表面可用作保持设 备的手段，且它们可自由地修改为各种形状，而不会影响设备的旋光 表面的形状。无旋光表面由角旋转器内的光线分布图故意产生，提供 与光场的无相互作用包封，在其内可制造无损附属装置。
描述
通过参考下面对本发明及附图的详细描述可更好地理解在此描 述的光学变换器的特征和优点。下面的描述提出了其中使用本发明原 理的例证性实施例。在此描述的光学歧管从多个固态源接收光并将其结合为具有和 输入总和一样的光束扩展量的、单一虚拟源输出。当光源具有不同的 主波长时，输出光具有其比色混合物的色度。由于光的可逆性，同样 形状的歧管可用于将来自单一大固态光源的光在在多个虚拟源之间 分散。
具体地，两种固态光源用于在此描述的光学变换器薄LED和圆 顶封装的高功率LED。它们的封装几何结构意味着不同的注入装置结 构用于在此描述的光学变换器。现有技术包括几种类型的注入器装
置，包括CPC和浸没透镜，以及传统的圆顶封装。
图1A为包括薄膜式LED10的光学歧管的截面图，LED10包括发 光层11、反射装置12和窗口 13。 LED10嵌入在保护性透明环氧树脂 或凝胶14中。所述凝胶的例子为马萨诸塞州Fairhaven的Nye Optical Products生产的Nyogel 0C431A，其具有1. 46的折射率及 使其保持在适当位置的触变粘度。外部的CPC反射器15准确地位于 环氧树脂14的表面上，从而其正好跨在LED10上方的窗口 13上，通 常为1mm的跨越。在此描述的光学歧管的一个优点在于其允许较大
(或多个)LED的更有效的冷却。冷却较大或多个芯片的困难在于在 此描述的光学变换器的动机之一。(电气和热量排除装置未示出。) 薄膜式LED，如图1A中所示的LED10，从器件的上表面发射其几 乎100%输出通量。这样的器件已在实验室中制造出来，并已为公众 所知，如德国Regensburg的OSRAM半导体公司，其在2005年年中已 开始商业化生产红、黄、绿、蓝LED。目前，加利福尼亚州San Jose 的0SRAM公司提出了多种薄膜式发射器技术，包括磷化铟镓铝
(INGaAIP)和氮化铟镓(InGaN) 。 0SRAM半导体公司迄今为止示出 的所有发射体系结构均在其上表面上使用丝焊。目前这些器件中的发 射层厚度在O. l微米级且整个芯片深度在2-5微米。因此，自这些器 件的侧向发射非常小，从而它们可理想地适于用于本发明的许多实施图1A还示出了发射边缘射线16的源点lls，其正好通过CPC15
的上边缘。同样还示出了水平发射的边缘射线17e，从而截接反射器 15的底部，其从底部反射入射线17r中，之后其正好通过CPC15的 上边缘。所示为45°设计角。其应用于直接射线16和反射线17r。 双箭头18指由CPC15产生的虚拟源的宽度。该宽度为发射层11的宽 度的1/sin 45°倍，从而保持光束扩展量。
尽管图1A所示CPC15为中空金属反射器，其也可填充以电介质 如铸入环氧树脂。如果45°设计角被稍微降低到临界角(40。 )， CPC 将变为略高于45。设计角的情形，因跨CPC15顶部的平面大气干扰， 极端射线16和17r将被折射到水平方向。这样的填充的CPC将以等 于透明填充材料的折射率的横向放大率使LED与空气连接。(面积增 加n2因子。)对于更大的放大率，需要更窄的设计角。当该角度降低 到时10° ，由于全内反射足够，将无需反射器15，如图2中所示。
Berg和Saul的美国专利3， 739, 217示教了从高折射率体内引出 光可通过使高折射率层的前发射表面或后表面粗糙而得以增加，该粗 糙后的后表面与反射层相接。然而，Berg等的专利既未指出反射器 材料也未指明反射器是否应与高折射率体的所有表面直接接触。Berg 等的专利似乎在图2和3中指示在图示的体和后反射器之间有气隙。
图1B为图1A的LED10的放大图，其示出发射层11包括位于中 间的薄活性层lla (大约0. 1微米)、在其上部的InGaN层llu、和 在其下部的层llb。窗口13具有倾斜角13w以防止光漏出。图1B还 示出了提高上发射LED (或主要采取上发射的LED)的发光引出效率 的方法，其中导电反射层12还用于向外延层11供电，由此其为直接 接触。粗糙表面lli为接触表面。所述粗糙化可通过化学刻蚀或其它 公知方法在外延层U上进行。 一旦外延层被粗糙化，反射层12可通 过真空、溅射或其它沉积方法沉积于其上。
反射层12的材料特性必须准确地指定以与外延层的特性匹配。 例如，当需要导电反射层的情况下，金属材料是最佳选择，但其折射 率必须具有适当的复值以获得高漫反射率。例如，对于使用GalnN或
34GaN外延层的蓝光LED, GalnN和GaN的可见波长折射率为约2. 54。 计算这样的金属层的反射率包括在费涅反射等式中使用复折射率，使 得候选材料的折射率的实数和虚数部分均为临界值。以零入射角入射 的射线的反射率可提供用于选择适当材料的度量。实现所述分析的适
当等式为
* = [(^ D2 + ^ ] + ^ )2 + g ]
其中
R为在外延和金属层的分界面零入射的反射率； N—为外延层的折射率； Ns为金属折射率的实数部分；及 k,为金属折射率的虚数部分。
假设外延层具有2. 54的折射率，金属需要低实数部分和高虚数 部分。银在从450nm (k=2. 47)到700nm (k二4. 52)的波长范围具有低 的实数部分(0. 12)和非常高的虚数部分。在550nm时，厚的银层具 有约0. 12的折射率(实数)和3. 34的虚数值。将这些值带入前述等 式得出0. 93的反射率。作为比较，铝层在与GaIN接触时具有低得多 的反射率，因为其在550nm时具有0. 76的实数值和5. 32的虚数值。 这样，对于零入射角射线，在两种材料的分界面的反射率可用同一等 式计算为0.80。这是非常大的区别，特别是对于与该层的反射率具 有非线性关系的器件的引出效率，因为外延内的内部射线在或被吸收 或从外延层引出之前经历许多边界反射。因此，该底部分界层的反射 率的小改善可在LED的外量子效率方面产生大的改善。
这样的反射层也可使用多层方法用介质材料制成，特别是工业通 用的Bmgg反射器。然而，为向半导体供电，称为vias的导电通路 必须通过该非传导层引入在某一地方。然而，介质层的使用可增加器 件的内阻因而增加给定施加电压产生的内部热量。此外，大家都知道 很难设计对大范围波长和入射角均具有高反射率的Bragg反射器。这 对于在管芯上采用保形磷光体涂覆的LED更是问题。因此，银可被视为优于介质反射器的解决方案，因为其在大范围的入射角和波长的情 况下均表现良好。
美国专利6,784,462示教了怎样通过在银层前面组合四分之一 波长的氧化铟锡(IT0)层而制造用于LED的、具有非常高反射率的 "全向"后反射器。然而，在'462专利中的薄膜方法假设银和IT0 层是光滑的，排除了LED底部即"外延层"的任何适当粗糙，因为其 通过真空中的原子束制造在衬底的上面。由于高折射率材料立方体内 的广泛光陷阱，标准LED几何结构，要实现最大引出效率，其必须在 反射器与外延层接触的分界面具有粗糙表面。这是实现高漫反射率所 需要的，其使得捕集的光将被任意改方向从而有另 一机会漏出。此外， ITO较银具有低得多的电导，这对于某些设计而言是一个缺点。
使捕集的光被吸收之前散射出去需要或底部漫射器或顶部散射 层与图1A的层llu合并。也可使用两种方法的结合。然而，当同时 使用顶部和底部散射层因而降低器件的引出效率时，会在器件中引入 太多的散射。可见，如果不在层llu内引入顶部散射，如美国专利 6, 784， 462中描述的完美反射器将不如在此描述的银漫反射器。此外， 在许多情况下，希望在层llu的顶部具有光滑分界面，因而不能在其 分界面或其顶部发射表面的下面引入散射或漫反射层。在这些情况 下，后部漫反射器证明最有利并已在此叙述，其将胜过甚至100%完 美的镜面反射器。
此外，如果不适当地保护以使其免与空气或腐蚀材料(其很容易 与硫反应)接触，银将损耗其反射率，从而其必须用适当的保护层密 封。通常，如果银夹在外延层和适当的衬底如锗之间，则不会发生该 材料的显著降级，因为其已被气密。如果需要边缘保护，半导体设计 领域的技术人员已知有许多适当的材料可使用。
关于由银制成的粗糙后反射器的问题，通过使用公知的 Monte-Carlo射线跟踪技术对其进行的计算机仿真表明在此描述的光
学变换器将因在LED中具有该特征而大大受益，特别是那些在下面公 开的重复利用磷光体的发射的实施例中。当然，该粗糙的银反射器可大大有利于薄膜式LED,无论是否与
在此描述的光学变换器结合使用。再次参考图1B，另一所述LED光 学改进是降低下外延层lib的吸收比，其中大部分光度损耗发生在外 延层11内。作为外延，该层通常沉积在蓝宝石晶体上。在制造薄膜 式LED时，从蓝宝石去除外延晶片。(从蓝宝石衬底去除InGaN晶片 所需要的过程的主要内容已由0SRAM-0pto的K. Streubel博士在 2004年10月20-22日在美国加利福尼亚州圣地亚哥举行的 Intertech LED2004会议上在题为"Thinfilm Technology for Light Emitting Diodes"的演讲中描述，其通过引用而全部组合于此。) 下层的吸收对其功能而言不是必须的，似乎限于表面原子晶面， 与该层的5000nm总厚度不相称的几十纳米。根据德国UIm大学的S. Schad和B. Neubert的研究，见UIm大学光电子学系2003年的年度 报告中题为 "Absorption in InGaN-on-Saph ire Based Light-Emitting Diodes"的论文，其通过引用而全部组合于此，InGaN 型LED的第一薄层生长在蓝宝石衬底上，大约65nm，在蓝光波长时 其负责InGaN LED的大部分吸收比。它们推理认为生长在衬底上的其 余半导体材料高度透明。这些平面非常靠近蓝宝石从而它们的晶体结
构和吸收比大大增加。在一些实施例中，层lla和llu均不具有这种 薄的吸收层。可用磁流变抛光准确去除该应变子层，从而大大降低吸 收比，进而提高LED的外量子效率。
提高该效率的另一可能是导致图IB的前端层llu具有体积散射 特征，而不是典型的完全透明。使用射线跟踪模型的研究表明将 100/mm的散射系数引入层llu将使得SMD型LED的效率增加大约40 %，其中层llu没有任何明显的散射且没有磷光体层与其接触。类似 的改善也可在圆顶型单色LED中发生。如果散射系数增加到200/mm， 只有非常微小的改善。反之，如超过该水平，其达到性能从最大开始 降级的点。当与已经描述的粗糙后反射器方法结合使用时，在前端层 中应用散射手段通常对性能没有有利影响。如果糙化后反射器与具有10/mm散射系数的层llu结合使用，引出效率只有非常微小的改善。
超过该前端散射的水平，性能将低于只使用单一方法的情况。
当LED的引出效率为高时，在此公开的重获反向散光的光学歧管 可被大大增强。具体地，在此描述的远程磷光体实施例在外量子效率 方面将优于现有技术，特别是保形磷光体LED。在此公开的新的光学 系统当与上部发射或实质上上部发射LED结合使用时其性能将得以 大大改善，特别是那些采用具有合适散射的反射背面层的LED。
图2A为填充电介质的CPC的底部的截面。如图1A中一样，薄膜 式LED10被浸入透明电介质14中。光学上与透明电介质14连续的是 填充电介质的CPC20，由CPC表面21形成，其通过全内反射单独工 作，因而不需要反射涂层。在实际实施中，CPC20应单独制造并在光 学上与透明电介质14连结，刚才上面的薄膜式LEDIO。
图2B为图2A的填充电介质的CPC的底部的截面，其示出了整个 CPC20，具有成形为10°输出角的抛物线形轮廓21，这是CPC仅使用 全内反射的最宽可能。轮廓21的上边缘211为虚拟源22的外缘。 CPC20内的电介质继续向右而成为另外的实施方式(未在图2中示 出)，由图5中的CPC54和较大的CPC53例示。
在一些实施例中，CPC20的折射率高于包括图1B的透明电介质 14的环氧树脂材料的折射率。例如，珠宝级的立体氧化锆具有2.2 的折射率，与钻石相似。即使目前其比聚合物塑料光学器件昂贵，这 样的高折射率透明材料在将来必将经济可用。其对于形成光学上与薄 膜式LED连结的CPC以形成在此描述的光学变换器实施例是有利的。 在二氧化钛薄膜的高折射率( 2.5)与LED材料匹配的同时，薄膜 的高吸收比使其不适于形成CPC。来自华盛顿红外材料集团的海军研 究实验室的溶胶凝胶材料正被开发以进行浇铸或以晶锭形式，其可用 折射率为空前的2.4-3高值，足够与LED材料匹配的折射率。另外， 这些高折射率材料可被设计和制造以在可见光波长时具有非常低的 吸收比系数，与最高光度PMMA材料类似。这可以消除使目前LED困 扰的光陷阱和高菲涅耳反射率。图2C为使用这种方法的变化的另一
38光学歧管的截面图，其中用两个cpc代替cpc20。第一 cpc2002与 led2001接触，并由与半导体折射率匹配的溶胶凝胶材料制成，第二、 上面的cpc2003由较低折射率材料制成，如pmma。第一 cpc2002设 计用于部分校准并全部反射第二 cpc2003， cpc2003执行另外的校准。 图2c中所示的布置大大增加了来自管芯的通量的全部引出。由此， led2001在其底部应具有镜面反射层，与图1b的漫反射镜不同。包 围硅酮材料2004，具有1. 4的低折射率，是用于浇铸cpc2002的初 始模子，其后为小的cpc2002提供结构支撑，减轻其与上表面led2001 连接处的应力。cpc2001按折射率比为2.5:1.4进行设计，完全以全 内反射方式工作。其出口面为与较大cpc2003的平界面2005。边缘 射线2006r和2006l被示出由cpc2001的上缘反射，之后由分界面 2005折射为70°边缘射线2007r和2007l。它们由cpc2003内部反 射为最后校准的射线2008r和2008l。与它们相邻的是边缘射线 2008e，源自射线2006r和2006l，其通过分界面2005直接折射之后 全内反射离开cpc2003的壁。
图2d为图2c中部分示出的整个cpc2003的截面图，包括边缘射 线2008e的最终位置。
图2c和2d的器件的另一实施例在led2001和cpc2002之间的分 界面包括薄的、高匹配折射率层。在这种情况下，匹配折射率磷光体 层经如电泳沉积方法沉积在led上(带电胶状粒子或分子在施加的电 场的影响下迁移穿过溶液通常由浸入的电极提供，也称为电泳)。一 种方法是在磷光体和led的上表面之间提供高接触面积的方法。 led2001、小cpc2002和磷光体的折射率应精密匹配，最好在0. 1的 偏差之内。这样，对于在上部无活性表面具有2. 5折射率的InGaN LED， 磷光体和小cpc的材料应具有在2. 4和2. 5之间的折射率。基于该器 件的实施例不使用或不需要短通滤光片如下面图10b实施例中所示 的短通滤光片105为来自led的反向散光设陷阱。当折射率匹配时， 光将在磷光体和led背面反射镜之间再循环。图3A为嵌入在圆顶30中的薄LED10的截面图，圆顶为商业封装 的典型结构。圆顶30被示为最小的可能大小，对于环氧树脂的折射 率(n = l. 54)，与所有从LED10发射的射线避开全内反射一致。LED10 为正方形，并可在截面图中看见。点10d标记LED10的拐角半径。超 过该半径，部分射线将不能出到圆顶外面。假想的示例性射线31被 内部反射，因为其起点太靠近半球30的表面。
图3B为浸入在球形透镜33中的LED10的截面图。几乎水平的边 缘射线34e被折射到外部射线34r，其表示30°的偏转。该角度降低 对快速光学系统聚集光束是有用的。在实践中，球33应被胶粘到透 明衬底14上。由于其象差，这样的透镜将稍微增加光束扩展量。其 大于图3A的半球，但其大小被类似地确定，使得其正好允许通过 LED10的拐角发射的所有射线能够未经反射的漏出。
图3C为电路板37上的薄LED36的截面图，其浸入在环氧树脂团 38中，其简明的形状源自环氧树脂十分便于大规模生产的特征。不 利的是，其拦住一些光。然而，这种形状与大规模生产十分调和，从 而在此描述的光学变换器的其它元件可被成形为与其连结。
图4A为棱镜耦合器40的截面图，其具有适于棱镜材料的临界角 ac的内角。薄LED41跨气隙41a发送Lambertian发射，其中其被 限制在上边缘射线41e和下边缘射线41L之间。薄LED42跨气隙42a 发射并进入棱镜40，其中其Lambertian发射变成被限制在角a c的 一半以内，在上边缘射线42e和下边缘射线42L之间。内角40A为 2 a c的目的在射线41e被看见内反射离开气隙42加入射线42L时变 得很明显。因此，内部反射的光填充入射光边缘射线外的角度空间。
图4B为使用图4A中所示的棱镜耦合器的光学歧管44的截面图。 光学歧管44包括电介质CPC44c和结合棱镜块44b。薄LED45浸入在 电介质CPC45c中，其在气隙45a处更宽，跨该气隙将Lambertian光 照入歧管44，其中折射将其限制在临界角cic。类似的方法也用于 LED46、 CPC46c和气隙46a。之后，棱镜耦合器通过45a和46a接收 跨越2 a c角的两个辐射输入并将它们在44b变为全Lambertian式样(约±90°全角)。CPC44c在块44b处扩大其宽度指到其出口面44a。 这使得所有光在Lambertian发射44e时均能退出，从而形成"虚拟 芯片"。在44b的出口表面将拦住超过临界角dc的光，从此使用 CPC44c。
图5为用于两个LED51和52作为输入的反射光学歧管的截面图， 分别具有馈入单一、更大矩形CPC53进行输出的小CPC54和55。这
是结合两个发光二极管的输出的简单方式。反射光学歧管50接收第 一 LED芯片51和第二 LED芯片52的光输出。歧管50包括上部复合 抛物线形聚光器(上部CPC) 53和分别接收芯片51和52的光的下部 复合抛物线形聚光器(下部CPC) 54和55。分界线50d描绘CPC53 的输入平面和CPC54及55的输出平面。输出开口 56将两个LED的结 合输出发射到约±90° 。
CPC54的运行由边缘射线57示出，其为来自芯片51的几乎水平 的射线的曲面法线58附近的反射。在线50d反射之后，边缘射线57 到输出开口58的边缘，由虚线的退出线表示，因此其被反射回到水 平方向，不幸地，这使得所述虚线稍微不明显。
在此描述的光学变换器的另外的实施例通过使用图5的聚类抽 样原理是可能的，其被建立在图1A的反射器上。图6A到6I的一系 列示了聚类的另外 一些实施例。
图6A为光学歧管610的截面图，其基于如图2中所示的电介质 CPC。歧管610包括输入CPC611和612及输出CPC613。 LED被安装在 入口 611L和612L，且它们的结合输出形成在出口 613E。分界线610D 是输入和输出CPC之间的边界。光的可逆性表明可以是大的LED照入 出口613E，并使得光在入口 611L和612L发射。
图6B为光学歧管620的截面图，包括输入电介质CPC621和622 及更大的输出CPC623。输入CPC621还包括混合棒621M，正好从源 621L向内，其具有可能用于引导的光的最小宽度。这有助于消除源 621L中的非均匀性，以确保出口 623E的均匀亮度。施例的截面图，包括电介质CPC输
入歧管621和622，及特制的反射镜623，其与透镜表面620S共同用 于在出口 623E的空气中产生光束扩展量受限的输出。
图6D为光学歧管的另一实施例630的截面图，包括反射输入锥 形体631和632、输出锥形体633、及透镜634。来自LED631L和632L 的光在输出端口 633E结合。
图6E为光学歧管的另一实施例640的截面图，包括反射输入反 射镜641和642,输出反射镜643、及菲涅耳透镜644。来自LED641L 和642L的光在输出端口 64犯结合。为了清晰，菲涅耳透镜644的厚 度被放大，在实际实施中可能更薄。
图6F为光学歧管的另一实施例650的截面图，包括输入TIR透 镜651和652及输出TIR透镜653。输入LED651L和652L使其输出 在聚焦区65犯结合。图6A-6E的界面可以矩形或圆形几何结构体现。 然而，TIR透镜为内在圆形对称，需要对它们进行一些修整以镶嵌为 阵列。
图6G为复合透镜660的平面图，包括55个六边形、修整的、圆 形对称输入装置，如图6A-6F例示的装置。每一透镜661聚焦在LED662 上。
图6H为自光学歧管670的输入侧的透视图，包括7个圆形TIR 透镜671，每一透镜聚集在LED672上并接收其光。
图6I为图6H的光学歧管670自其另一侧的透视图，示出了输出 TIR透镜673和出口区673E。
一旦本发明的原理被理解，前述元件的许多其它组合可进行明确 地表达。例如，图6A中的大输出电介质CPC610可用图6F的大的修 整后的TIR透镜653代替。在这种情况下，输出图象被形成在空气中。 该后面的结构具有优点，因为整个光学系统在长度上更短且在某些情 况下，TIR透镜较长的CPC或交叉CPC更容易铸模，成本更低。
在所有上面的结构中，组件或可被铸模为单独的件然后连结在一 起，或可被铸模为一件。
42迄今为止，所示的光学歧管的实施例已使用薄的通常扁平的LED 为输入源，且许多实施例依赖于靠近扁平发射芯片放置光学歧管的扁
平输入。在如图4-6所示的实施例中，图3A中所示的圆顶LED仅可 由图6F-6I的TIR透镜用作输入。对于一些其它歧管结构，将亮度从 圆顶引出并将其成像在空气中是必要的，当然，在芯片浸入在折射率 n的情况下，其在尺寸上将表现为n倍大于其它情况。
图7A为光束扩展量有限的通量从圆顶LED传入空气中的图象的 侧视图。图7A示出了高功率LED管壳700，包括管座701、发射芯片 702、和透明圆顶703。固体介质双透镜710包括下部透镜711和同 样的上部透镜712，方向相对并沿线710D连结，两个透镜均关于轴 710A圆形对称。下部透镜711包括中央双曲透镜711h和周围的通用 笛卡尔椭圆形反射器711t，其校准传出中柱711c的光。双曲透镜711h 用作入口，被聚焦在LED芯片702的中心。上部透镜712包括中央双 曲透镜712h和周围的全内反射表面712t。光以±90°会聚在芯片图 象710E上，另一光学歧管可从这里接收输入光。示例性的主光线715 具有自芯片702的极角P并等于在图象710E的极角fT。当这样的 透镜被精确制造和布置时，图象710E的光束扩展量没有增加而高于 光源的光束扩展量，且光源亮度不均匀性被消除，因为图象上的点从 光源上的许多点接收光。这种非成像作用通过侧面711t和712t的反 射镜反转作用实现，其像道威棱镜一样作用以旋转消除全内反射的 光。
图7B为另一光束扩展量有限的通量从圆顶LED传入空气中的图 象的侧视图。图7B示出了两小平面双TIR透镜720的截面图，安装 在LED管壳700上。下部TIR透镜721包围圆顶703并校准芯片702 的光，跨分界面720d将其送入上部TIR透镜722，其继而将光聚焦 在出口图象720E上。透镜720关于LED管壳700的轴720A圆形对称。 示例性的主光线725与轴720A对向相等的P和3'角。该优选实施 例的制造光学准确度必须高，以使图象720E具有和芯片702 —样的光束扩展量。图象720E的面积相比芯片702有增加，其正比于LED702 嵌入于其中的圆顶703的材料折射率的平方。
图7C为SMS设计的RIIR透镜730的侧视图，关于中心轴730a 旋转对称，并具有将其分为下部透镜731和上部透镜732的赤道平面 730d。中央透镜731c聚集从LED芯片702向上去的光，并将其校准 到中央透镜732c，中央透镜732c继而将其聚焦在出口图象730e上。 包围中央透镜731c的是铃状表面731e，适于将光从芯片702分布在 全内反射表面732r上，其将光校准在下部全内反射表面731r上，随 即会聚在铃形表面732e上，铃形表面将光聚焦在出口图象730e上。 示例性的主光线725以极角P退出芯片702的中心以在进入表面 731e被折射[R]、在上表面732r内部反射[I]、在下表面731r内部 反射[I]、最后通过出口表面732e折射[R]，因此透镜730是RIIR透 镜。透镜730的表面的连续性意味着正方形LED芯片702将在730E 具有正方形图象，只有非常小的光束扩展量增加。这是因为所有RIIR 光程如725和726具有相等的光程长度，从而确保准确确定图象730e 的边界(尽管是在空气中)，因而尺寸上n倍大于芯片702 (使用折 射率包围芯片)。因为透镜730是非成像透镜，芯片702的亮度不均 匀性被涂抹。该透镜相较图7A和7B的透镜更紧凑，因而图7C中所 示的实施例对于某些目的更优于图7A和7B的实施例。
另外的实施例图示在图7D和7E中，但具有下面结合图11所述 的特征，即用于再利用磷光体发射的蓝通二向色滤光片，定位与图 7A、 7B和7C中的赤道平面710D、 720d和730d叠合。图7D为通过 双透镜系统740的截面图。LED管壳700包括底座701、蓝光发射芯 片702 (也被示在右边的平面图中)、填充凝胶的圆顶703。光学上 连接到圆顶703的是折射率为约1. 5的透镜741。光学上依次与其相 连的是折射率为1. 34的硅酮透镜742。在透镜系统740的赤道平面 中是蓝通二向色滤光片743，其再利用目的将在下面的图11中论述。 在其上面是硅酮透镜744，具有与下面的硅酮透镜742实质上一样的 形式。除了增加圆顶745d以外，最上面的透镜745在形式上与下面
44的透镜741—样，在圆顶内浸入远程磷光体746 (也被示在右边的平 面图中)。硅酮透镜742和744分别通过透镜741和745内的全内反 射一致作用于直接射线747。射线748从中心线749以角P进行发 射，并以相等的角P'照在磷光体746上。
图7E为穿过双透镜系统750的侧视图，在功能上类似于图7D的 系统，具有类似的LED。填充凝胶的圆顶703在光学上连接到下面的 透镜751，包括全内反射外侧面751t、内准直透镜751c、及光学无 活性圆柱形壁751w。蓝通二向色滤光片753在系统750的赤道平面 中。倒置的上部透镜755在形式上与下面的透镜751 —样，但增加了 圆顶755d，磷光体756浸入于其中。磷光体756也被示在平面图的 右边，照蓝光发射芯片702的样子。射线758相对于中心对称轴759 以角0进行发射，并以相等的入射角e'照在磷光体756上。
图7F为穿过双透镜系统760的侧视图，其类似于图7E所示的双 透镜。在该实施例中，LED766被移位到器件轴777的旁边，使得LED766 的一边缘在轴777上。磷光体层765位于透镜760的成像聚焦位置， 但在器件轴777的相对LED766的另一侧。双透镜764清晰地将LED766 成像在磷光体层765上，随即一些射线被导入固体介质光学部件762 中，其余射线被反向散射到滤光片761。滤光片761重定向所有反向 散射的射线并以与磷光体层765 —样的高度将其成像在成像焦点位 置，但在器件轴的另一侧。这些射线被引向固体介质光学部件762中， 随即它们被从该器件进行指向。最后的光学部件762将来自765的蓝 白色和黄色混合为均匀的白色。射线763说明与本实施例相关联的关 键原理。双透镜764通过应用SMS设计方法进行设计。该器件理论上 较图7E中的实施例具有更低的潜在亮度，因为光源的虚拟面积更大。 然而，其较图7E采用的方法具有优点，因为在反向散射的射线能退 出器件之前只有一次再利用。
图7G是类似于图7F描述的光学系统。在该实施例中，单一 LED 和单一磷光体目标被用三合一 LED775和三合一磷光体目标774代替。 器件的原理和运行类似于图7F中所示的器件。双透镜773清晰地将LED775成像在磷光体目标774上，在其上一些射线被引导到固体电 介质光学部件776中，其它射线772被反向散射到滤光片771。滤光 片771重新引导反向散射的射线并将其成像在与磷光体目标774相对 的空间上。
图7H所示为使用与图7F和7G所示实施例的单次再循环相同原 理的实施例，但光学体系结构稍微不同。在该方法中，滤光片787通 过光学部件782的下半部分和上半部分嵌入在其整个面上。光学部件 782的每一半具有外部固体介质TIR元件785、内部折射透镜对786 和784，透镜对之间有气隙。这些光学特征共同在单一LED/磷光体对 或管芯和磷光体阵列的磷光体上提供LED管芯的受控偏移成像。分界 面783可具有与其连接的第二介质光学部件如图7F的762，以引出 直接和再循环的射线。
图71为远程磷光体系统790的截面图，包括LED芯片791、高 折射率复合椭圆形聚光器(CEC) 792、及高折射率磷光体层793。对 于正方形或长方形LED, —实施例为交叉CEC。最新的高折射率 (2.4-2.8)磷光体为硫化-硒化锌(zinc-selenide-sulfide)，可 从Phosphor-Tech Corporation获得，象能够高组装密度的电泳沉积， 折射率由硒硫比控制。另一高折射率CPC可用作类似于图2C的 CPC2002的上层793。该实施例在LED791的后面包括镜面反射器，最 好是美国专利6， 784， 462中所述的银或混合银/IT0全向反射器，所 述专利通过引用而全部组合于此。这将以良好的效率反射磷光体的向 后方的发射，有助于使其前向亮度几乎翻倍。
图1A-2D涉及在此描述的光学变换器的光聚集。它们示出了对在 附图中的平面中延伸的射线起作用的二维剖面。在实践中，3维系统 通过与其平面正交地突出这样的剖面而形成。该突出距离的厚度通常 等于或稍大于正方形芯片的宽度。这将导致在射线的突出方向损耗而 不是在被突出剖面的平面中损耗。作为代替，可使用双向交叉CPC， 与正交方向中使用的具有相同的外形。这在图8A、 8B、 9A、 10A和 10B中图示。由于这些实施例内的光通路的多通道特性，高系统效率的关键是使用具有适当低吸收比的透明材料。例如，聚碳酸酯，习惯 采用的注模塑料，具有太多的吸收从而这些实施例将有严重的损耗， 而丙烯酸衍生物则不会有此问题。
图8A为光学歧管80的透视图，填充电介质的2x2:1多CPC实施 例。其包括四个输入交叉CPC81和输出交叉CPC82，所有CPC的截面 为正方形，如分界线80d处所见。这四个交叉CPC中的每一个的截面 类似于图2B的截面。从而浸入的LED83将使其所有光跨平面80d送 入交叉CPC82。
图8B为光学歧管80的另一透视图，还示出了出口表面84，其 必须连接到具有类似折射率的另一器件，否则部分聚集的光将通过内 部反射返回。可将歧管80与下面所示的一些实施例结合。
图9A为2x4:1光学歧管90的透视图，包括从相应的多个浸入 LED92接收光的多个输入交叉CPC91、从多个交叉CPC91接收光的矩 形混合部分93、及从矩形混合部分接收光的矩形输出交叉CPC94。
图9B为图9A中所示的歧管90的另一透视图，还包括输出交叉 CPC94的大致矩形的输出表面95。混合部分93的几何形状在图68B 中详细示出。
关于在此描述的光学变换器的这些及其它多端口实施例，图2C 的高折射率CPC方案可被实施以硅酮层2004，其扩大为包括多个缺 口以形成多模高折射率CPC从而查看多个LED。因此，高折射率浇铸 的溶胶凝胶方法可适应在此描述的光学变换器的许多不同实施例。
图10A为4x4:1光学歧管100的透视图，包括多个(在该实施例 中为16个)正方形电介质输入交叉CPCIOI、对应的多个分别连接到 交叉CPC的浸入LED102、及连接来全体接收来自每一交叉CPC的光 输出的近似正方形的输出电介质交叉CPC103。同样还示出了浸入的 正方形滤光片105，安装用于蓝光LED102的情况。在一些实施例中， 正方形滤光片105将是跨输出CPC103的输入面施加的蓝通反射器， 之后光学连接到输入交叉CPC101的阵列。这样的蓝通反射器可以本 领域技术人员所公知的几种方式构建，如在适当的衬底上沉积薄膜多
47层电介质或其它材料，及通过单层或多层反射或透射全息涂覆。在
1981年的公开物(Miles、 Webb和Griffith在Optics Letters第6 巻12期(1981年12月)616-618页的题为"半球形视场、非成像窄 带滤谱器")中，两个中空反射CPC被面对面地使用以将光校准到窄 带滤谱器中，继而聚光所过滤的光。相反，在此描述的光学变换器的 实施例使用电介质CPC代替中空CPC。另一区别在于使用短通滤光片 或带通滤光片(而不是窄带滤光片)，通过该滤光片透射短的波长而 反射长的波长。对于许多应用，具有比工作频率范围低的截止频率的 带通滤光片可被当作与短通滤光片等效的滤光片。图10A的实施例具 有多个输入CPC，而不是单个CPC。如图10C中所示，聚光器CPC103 具有磷光体目标106。聚光器CPC103结合来自16个LED的输入并将 其均匀在磷光体目标106位于其上的单个出口表面上。图IOA的新颖 性在于滤光片105的功能，这未由Miles等人公开，其反射磷光体 105的反向发射，如图10D中所示。这是在此描述的光学变换器的再 循环原理，其是具有新颖性的特征。
图10B为图10A中所示的光学歧管100的另一透视图，其另外包 括大致为矩形的出口面104。
图10C为在出口面104的出口 CPC103的特写图，其示出了因突 变远离其安装在104上的实际位置的薄磷光体层106。磷光体层接收 交叉CPC103的全部浸入Lambertian光学输出。有利地是，来自蓝光 LED102的光的均匀总和不会由于任一 LED的涨落或故障而损耗均匀 性。有利地，不需要各个LED的波长装箱，从而质量控制有能力保持 多个LED中的任一个的平均中心波长为常数。
图IOA、 10B和10C所示的光学歧管还具有从磷光体结构产生的 优点，这对于传统施加在各个蓝光芯片上的磷光体层是不可能的。在 传统的白光LED中，蓝光芯片接收半流体粘合剂中的粉末磷光体浆 滴。所述浆滴在制造期间在沉积于蓝光芯片上之后干燥(或被UV固 化)。传统方法的缺点很多。首先，薄的、厚度受控的磷光体共形层 的沉积非常难实现在lmm高功率LED发射器的表面上，其被认为是制造LED时使用的材料、其沉积表面的小尺寸、及许多可用于在发射表
面沉积固定厚度层的技术可能损害LED的事实的结果。其次，磷光体 层遭受高热条件，因为其最接近LED，这将导致涂层的加速热降解或 因源自失配热膨胀的力而有形损害磷光体/LED分界面。磷光体频谱 发射曲线，将在下面结合图11A、 11B和11C描述，随温度升高而移 到更长的波长，导致不合需要的LED颜色温度依赖性。该技术还有其 它问题为本领域技术人员所知，包括上述控制颜色温度的困难。
相反，图IOC示出了在此描述的光学变换器在其在陶瓷制品内烘 烤后怎样直接利用磷光体，大的均匀厚度的薄片，如25-60微米。之 后，大片可很方便地用激光器切划或劈成层106大小的片，其在4-6mm 的范围内。当然，同样厚度但较大的磷光体片可被用在较大的光学歧 管中以用于更大的白光亮度。该方法在亮度和色温方面提供高均匀 性，这是由于对磷光体厚度的更大控制及缺少热循环。
图10D为图IOA、 10B和10C的光学歧管100内的射线跟踪，示 出了蓝通滤光片层105的功能，其跨输出交叉CPC103的输入面安装。 来自LED102的蓝光通过蓝通滤光片层105并到达磷光体层106。磷 光体层106发射示例性的带黄色Lambertian分布射线110r。光学可 逆性意味着交叉CPC103将压縮磷光体层106内侧的全角范围内的 Lambertian发射，由射线110r代表。当该发射反射离开蓝通滤光片 105时，其窄角使其将被返回到磷光体106。也就是说，大的CPC103 将所有射线的离轴角降低到10°以下。这些返回的射线将在磷光体 层106内散射，但不会被吸收，而是具有另外的50%漏出磷光体层 106的外侧的机会。该特征使白光亮度几乎双倍于将磷光体直接涂在 蓝光LED上的亮度。大的CPC103由于其非成像本质将产生出众的均 匀性。在此描述的光学歧管的一些实施例的另一新颖特征在于通过磷 光体厚度的精确且均匀的应用而精确控制色温。均匀蓝光照明和大的 光致发光层的结合是新颖的。
可以相信，可利用光致发光半导体如来自AIInGaP晶片的薄片在 由蓝光照明时产生红光。由于该材料是透明的，其可覆盖在绿色磷光体上并用以代替黄色磷光体。当半导体的量子效率大于黄色磷光体的 量子效率时使用绿色磷光体是有利的。图IOE示出了这样的结构的例 子，其示出了带出口面104的大CPC103。绿色磷光体106P连结于其 上，薄的红色半导体层106S安装在绿色磷光体上。
另一使用绿色磷光体的方式是用红色LED光源。图10F为光学歧 管1000的透视图，其包括通过平面滤光片1005馈给大CPC1003的 16个小CPC1001。在该例子中，LED中的四个1002R为红色，其余12 个LED1002B为蓝色。图10G为歧管1000的另一图，其示出了在大 CPC1003出口平面的绿色磷光体1006。所示滤光片1005包括较小的 红通滤光片1005R和L形状的蓝通滤光片1005B。滤光片1005R位于 四个红色LED1002R的上方，而滤光片1005B位于12个蓝色LED1002B 的上方。该复合滤光片具有图10D中射线110r所示的再循环作用。
另一问题源自磷光体材料的折射率，对于一些当前使用的磷光体 106，其被认为是约1.8。这将因全内反射而导致光被拦在磷光体中。 图10H是类似于图10C的分解图，但添加可使从磷光体的光引出增加 的光学系统。图10H示出了电介质交叉CPC103、单片陶瓷磷光体106、 和电介质半球108，其安在磷光体上。
图101为该装配的另一图，其还示出了半球108的赤道表面108'， 包括接收磷光体106并在光学上连结到那里的正方形缺口 109。这种 布置通过产生磷光体的放大图象增加光引出。然而，当磷光体散射为 高时，人们相信这样的圆顶不太有用。在那样的情况下，由扁平磷光 体层拦住的光将经与滤光片105或1005的相互作用而再散射和再循 环，直到其或被引出或被吸收为止，所述滤光片可以是蓝通、短通、 或带通滤光片。如果适当地设计短通滤光片，其应具有0.99的反射 率并具有可以忽略的吸收比。假设选择用于光学部件的再循环部分的 材料也具有低吸收比(如PMMA)，则在多次散射中损耗的通量很小， 在该系统中引出的光会较高。这将使得亮度实质上高于圆顶情形下的 亮度，虽然整个光度有稍微降低(5-10%)。通常需要适当材料的扁平保护罩保护磷光体层。适当的材料包括环氧树脂、P丽A、聚碳酸酯， 例如具有比磷光体低的折射率的其它材料。
图IIA为分光光度计绘图110中滤光片105的输出曲线图，包括 跨越极限可见光谱的水平波长坐标lll，从400到800纳米。垂直坐 标112绘出相对强度或透射率。线113示出用作图10A的蓝通滤光片 105的短通滤光片的例子的光谱透射率。上面的线113h接近100%， 因为滤光片105通常具有仅稍低于可注模塑料如聚碳酸酯的折射率。 例如， 一种适合这种滤光片的适当材料为PYREX晶片。
图11A还绘出了透射率图113，其示出了在左侧485nm和右侧 495nm之间的陡峭悬崖113c。具有透射率和反射率突变的短通滤光片 可在市场上买到，跨很宽范围的中心波长，如从加利福尼亚州Santa Rosa的JDS Uniphase Corporation获得。适当的短通滤光片在规定 的波长之下具有高透射率(通常高于90%，即使在包括菲涅耳损耗 的空气中)及对于仅高于传输截止波长5nm开始的波长具有高反射率 (高于99%)。此外，这些滤光片可保持高达150nm的高反射率带 宽。最后，这些短通滤光片当夹在电介质光学部件之间或在空气中时 可满足这些用于射线入射角为10°或更小的规约。中心波长本身在 正入射时证明并被描述为随滤光片内的入射角的余弦变化，如理论所 指出的那样。绘图线114描绘蓝光LED的典型分光光度计绘图。只有 很少一部分114f在透射率曲线113的外面。然而，这样的光谱过滤 对角度敏感，波长偏移115示出27°偏位入射的效果。这表明绘图 114将被偏移足够多从而使得所有蓝光将被反射。图10A的输入CPC 具有10°出射角，其仅导致约495(1-cos 10° ) = 7nm的偏移，悬 崖113c的宽度的一半。这仅增加1%到2%的反射损耗。
图11B为类似于图11A的曲线图，但具有不同的光谱绘图110B， 其示出了滤光片透射率图的重要性，且并列磷光体吸收曲线115 (虚 线)和磷光体发射曲线116。吸收曲线115几乎与图11A的蓝光LED 发射曲线114重合，并全部在曲线113的传输侧。发射曲线116几乎
51全部在曲线113的反射侧，这是导致图10D的白光射线110r返回的 原因，其确保自磷光体106向内发射的白光的再循环。
图IIC示出了与图IIA和IIB类似的曲线，但具有不同的光谱图 1110，其示出了图10G中复合滤光片1005的光谱作用。图10G的蓝 通滤光片1005B具有图11C中的传输曲线1113。虚线曲线1115为绿 色磷光体的激发函数，实线曲线1116为其发射函数。图10G的红通 滤光片1005R具有图11C中的传输曲线1117。图IOG的红光LED1002R 具有图11C的光谱分布1118。两种滤光片均反射曲线1116的绿色磷 光体发射波长，从而使能在大CPC内再循环磷光体反向发射。
用于该应用的滤光片可通过将PYREX晶片用作衬底并在该衬底 的一侧上使用公知汽相沉积方法沉积许多材料薄层而进行制造。适当 的PYREX晶片很容易从康宁、康宁(纽约)公司获得，其厚度大约为 0.3mm，尺寸公差为士0.05腿。这种材料在可见光范围内具有1.47 的平均折射率。制造这种器件的沉积方法、设计过程和需要的材料均 可从现有技术中获得。例如，在前面提及的PYREX晶片上使用45层 二氧化硅和五氧化钽交替薄层，对于400-495nm的波长，滤光片可被 设计达到高于85%的最小透射率，同时在约515-700nm的波长范围 内具有高于98%的反射率。这样的器件可被制成大晶片，然后按照 需要的形状切割成较小的片以匹配滤光片105的大小。这种方法可相 当地降低滤光片的成本。其它甚至更有效的设计也很容易从工业来源 获得，如可从加利福尼亚州Santa Rosa的JDS Uniphase获得的器件， 其使用多种非常确实的方法、材料和设计过程。
希望浸入LED的Lambertian分布被压縮到临界角，但扩大光束 扩展量守恒方式的面积。图12示出了分布变换元件120，其具有由 终点123和124标记的宽角度(±90° )端口121，及空间上更宽但角 度更窄的端口 122，由终点125和126标记。点127是终点123和125 之间的元件120表面上的点，自该点的一与构成元件120的透明介质 成临界角e的射线将正好在相对侧上的终点126离开元件120。点 128与点127直接相对。从终点123到点127，元件120的外形为椭圆，聚焦在相对点124和126。在终点125和127之间为抛物线形， 聚焦在点124，且轴平行于从点127延伸到点126的射线。相对侧， 从终点124到点128及从点128到终点126，被相应成形。在点127 和128的左边是CEC (复合椭圆形聚光器)，其右边为CPC。分布变 换元件120的窄角度输出用作另外实施例的适当输入。该装置相对于 具有2 e出口角的简单CPC的优点在于TIR更易于实现在底部边缘 123和124。
对于在此描述的光学变换器的光学歧管的构件块同等重要的是 光束扩展量守恒的方式，从而以高NA (通常约为1)传输亮度，同时 对其混合以获得高均匀性和不变色。NA可使用下述等式之一计算
A^ = Msin(>/2-《)="7(1-1/"2)
其中ec为材料的临界角，n为材料的折射率。该等式用于确定 系统的NA，其中输入射线束已经在电介质内。在这种情况下，等式 中的n值大于1.0。
关于照明传输的现有技术如Fein的美国专利6， 189， 687中所示， 特别是其图1F。该角转向结构只可与传统的反射器一起使用，因为 对于进入的任意射线TIR将失效。对于所有TIR操作，Fein在其图 3B中具有45。转向的器件。具有类似几何结构的光学部件在此重画 在图13A中，以帮助识别在此公开的角旋转器相对于其的区别和优 占。
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图13A示出了 Fein的角转向器1350的结构，具有相互呈45° 角方向的端口 1351和1352。其使用结构角9，该角为临界角9c二 sin—'(l/n)的余角，对于n二1.495， e = 49° 。这对应于引导的光的 最大角，或大体上NA4。内壁1353为TIR可用于其的平面镜，从端 口 1351上的点Fl延伸到端口 1352上的点F2。外壁1354包括从端 口 1351上的点Pl延伸到点P2的抛物线形弧，聚焦在点F2且轴在近 乎垂直于线F2-Pl的方向(如图13A中所见的顺时针方向)与入口孔 1351的法线成9角，从点P2延伸到点P3的抛物线形弧，焦点为Fl 和F2，从点P3延伸到端口 1352上的点P4的抛物线形弧，聚焦在点Fl，其轴与垂直于出口孔1352的方向成6角。当以大约NA二1限制 光射线时，作图线1355以同样方式自外壁1354反射。
尽管这些作图线用于NA大约等于1的情况，Fein的图3B的器 件实际上不能仅经全内反射传输这样的辐射。这在图13B中图示，其 图示角转向器1310的射线跟踪。边缘射线1357与垂直于入口孔的方 向成一定角度，其是该器件的材料的临界角的余角。它们中只有一个 即射线1357e被反射。所有其余的、折射传输的射线1357r构成漏光 和部分器件失效。更完全的射线跟踪表明仅在射线入射角小于等于连 接点Fl和P4的线与垂直于图13A的入口孔的线之间的角度时才可获 得100%传输。在图13A的例子中，该角度大约为3度。 一些入射角 大于3度的射线将漏到光学部件的外面。如果所有光借助于全内反射 重定向，很明显Fein描述的器件即其图3B所示的器件仅适于旋转高 度校准的光源。
角旋转器用在满足所有射线全内反射(相当于最高可能NA)的 光学歧管中。图13C为角旋转器130的截面图，具有第一端口 131和 第二端口 132，其为2 9角宽度的光的完全交换。该角度两倍于旋转 器130的透明材料的临界角的余角。第二端口 132在自端口 131平面 的P角处，通常在大约45。的方便值，使两个角旋转器能够传输大 约直角弯曲的亮度，实质上没有损耗，对简单的圆形或正方形截面的 现有技术而言，这种情形必将导致不可避免的损耗。
在图13C中，扁平侧壁133延伸在椭圆形段134的焦点Fl和F2 之间，其由扁平侧壁135和136侧翼包围。侧壁135的方向垂直于入 口孔131，侧壁136的方向垂直于出口孔132。射线137经单次全内 反射从焦点Fl延伸到焦点F2，射线138经单次全内反射从端口 131 点Fl的对边延伸到端口 132点F2的对边。这示出了角旋转器130怎 样将± e内的所有射线从第一端口 131传到第二端口 132，没有任何 漏光。这种非成像光学结构有助于消除其接收的任何亮度非均匀性。 这种消除是因为第二端口 132上的每一点从整个端口 131及从角旋转器130的壁反射接收光。由于图象正好是另一类型的亮度非均匀性， 这就是为什么本实施例及其它实施例在此称为"非成像"的原因。
图13D是与图13C类似的角旋转器1300的截面图，包括曲率中 心在点C的外弧1301和中心也在点C的内弧1302。简单的曲线1303 终止于弧1302的两端，简单的曲线1304终止与弧1301的两端。曲 线1303和1304共同定义端部1305和1306。它们的双向特性由相对 定向的射线1307和1308表示，以外入射角a和内角p分别自弧 1301和1302全内反射。端部未被显示为折射射线，因为它们预期将 与如在此公开的其它光学歧管连接。
图13E也示出了角旋转器1300，但具有边缘射线的平行通路的 完全集1309和1310，其定义角度限制，旋转器1300在角度限制内 将经全内反射通过大弧传送所有光度。
图14是光学移动器140的截面图，包括第一角旋转器141和相 对方向的第二角旋转器142。为装配在一起，已通过去除与图13C的 平段135类似的段而对两个旋转器进行修改。因而，段F「F3比输入 光宽。移动器140的净效应是横向偏移输入亮度分布的1. 5倍宽，当 然，其被限制在构成其的透明材料的临界角范围内。在移动器140内 的多次内部反射意于消除进入其的任何亮度非均匀性。
图15A为光学移动器150的截面图，也用于没有角度旋转的横向 亮度偏移。第一端口 151跨点F/和F2。第二端口 152跨点F,和F2' 并从端口 151偏移一半宽度，如虚线150L所示。当端口之一与空气 接界时，进入端口的光必须在150的透明材料的临界角e内。直线 段F/Pi垂直于端口 152，直线段F2'P2垂直于端口 151。抛物线F,P, 焦点在F2且轴平行于射线rl。抛物线F^2焦点在R且轴平行于射线 r2。作为非成像光学器件，如先前结合图13C所述，元件150意于消 除进入其的任何亮度非均匀性。
图15B为光学移动器155的截面图，用于横向亮度偏移其全部宽 度，如线155L所示。第一端口 156跨越从轴155L —端处的点15BPT1 到点15BPT2。第二端口 157跨越从点15BPT3到轴155L另一端处的
55点15BPT4。如先前所述，光被限制在构成移动器155的透明材料的 临界角15BA1范围内。这在图15B中示作在从点15BPT3到15BPT7的 射线确定的线和轴155L之间形成的锐角。移动器155的周界部分由 直线组成，从点15BPT2到点15BPT5及从点15BPT3到点15BPT6，这 些线垂直于端口 156和157。抛物线段158从点15BPT5延伸到点 15BPT4，且其焦点在点15BPT1及轴平行于点15BPT7和15BPT3确定 的射线。抛物线段159从点15BPT6延伸到点15BPT1，且其焦点在点 15BPT4及其轴也平行于点15BPT7和15BPT3确定的射线。
图15C为图15B中所述光学移动器155的截面图。通过以下述方 式相对于左手侧(段15BPT1-15BPT3-15BPT4)移动装置的右手侧(段 15BPT1-15BPT2-15BPT4)，即点15BPT1总是在左抛物线159上及第 一端口 156被移到位置15BPT1[15BPT2、在保持其孔径张角的同时， 光的横向位移可改变为任何值。
图15A和15B示出了沿亮度横向偏移的可能值的连续区间的两种 变化。更大的偏移仅需要比图15B的155更长的移动器。
图16为光学绞扭器160的透视图，其具有第一矩形端口 161和 方向垂直于其的第二端口 162。螺线163是四个形成160的拐角的螺 线之一。还示出了跨气隙160g放置的Lambertian LED165，使得器 件160内的光被限制在其材料的临界角内，从面161到162的传送几 乎没有损耗。
图17为组合了角旋转器的光学歧管170的截面图。具体地，图 17示出了角旋转器可怎样被限制以制造光学歧管170。 LED171和172 跨相应的气隙171g和172g将它们的光照入各自的角旋转器173和 174，后者根据直线段175的长度定位。出射口 176的整个宽度从两 个LED接收光。
图18为组合在三维设计内的光学歧管170的实施例的透视图。 Lambertian LED181和182照入歧管180及其照入的光从出射口 183 流出。来自每一 LED的光实质上遍布183的整个宽度。在图18中， 二维外形通过使用正交通路方向挤压在三维立体中。或者，所述挤压可以为具有1或2度斜度角的锥形以有助于去除来自注模的部分。在 该方法中，开始或结束侧面将小于其它侧面，这被认为将仅导致器件 性能的很小降低。
图19为具有正方形输入扣191的光学歧管190的透视图。相续
的角旋转器192和193馈给矩形输出口 194。直的矩形部分195馈给 相续的角旋转器196和197，继而矩形输出口 198。部分195的长度 适于使端口 198位于与端口 194 一样的平面内。
图20A为光学歧管200的示意图，包括从红光LED R接收光的横 向移动器201、从绿光LED G接收光的混合棒202、及从蓝光LED B 接收光的横向移动器203。管道204接收它们的混合光。在歧管200 内，所有光均不限制在临界角e内，因为，如先前所述，LED跨小 气隙如所示的201g照射。
图20B是光学歧管205的示意图，与歧管200 (图20A)类似， 具有由三个分支207-209馈给的输入管道206。然而，为达到更多分 开的光源，歧管205更大。输入分支207和208中的每一个包括两个 相反定向的角旋转器。上面的分支207被示作包括向上弯曲的第一角 旋转器207a和向下弯曲的后继角旋转器207b，虚线207d连接它们。 上面的分支207用于红光LED R，下面的分支208用于蓝光LED B， 而更长的混合棒209用于绿光LED G。
图21为4:1光学歧管210的截面图，具有共面输入口 211、角 旋转器212、及其整个跨度从每一输入口接收光的输出口 213。然而， 类似狭缝的裂缝214在实际实践中将被稍微圆角化，即用更宽的圆头 代替这样的长裂缝的尖头，可能千分之几英寸宽，角旋转器212在所 述裂缝处并入光学歧管210的组合器内。
射线跟踪已表明这样的违背理想形式的实践仅导致百分之几的 损耗，且跨出口面只有很小的均匀性偏差。这样的设计修改太小以致 于按这些图的绘图比例不容易看见，且它们的执行成本较小。部分地， 这是由于在此描述的光学变换器的大整合能力，藉此，输入光的大空 间变化将导致非常小的输出均匀性偏离。例如，LED上的暗黑结合区将导致仅5%的均匀性偏离，远小于商业显示器的非正式的50%极 限。
图22示出了4:1光学歧管220，具有共面LED221、双角旋转器 222和出射口 223。在图22中，共面LED221之间的间隔大于图21的 那些LED之间的间隔。
图21和22的LED跨气隙将其Lambertian光注入，使得在歧管 内光被限制在临界角内。图23示出了 4:1光学歧管230，共面LED231 浸入在角变换器232中，与图12那一样。来自它们的光依次进行到 角旋转器233、出射口 234。根据在此示教的原理，输入口之间的距 离可被调节到任何需要的距离，同时允许这些端口位于同一平面上。 当设计用于位于同一电路板上的多个LED的特定歧管组合器时这种 能力特别有用，因为良好热管理所需的LED之间的距离很容易进行调
图24所示为弓形4:1光学歧管240，具有输入口 241、角旋转器 242和出射口 243。外壁244、 245和246及内壁247为同心在点C的 圆弧。半径R必须足够大以防止漏出这些弓形壁。本发明所有实施例 实际上均有可能，该器件的明显折痕可通过削角或圆角进行修改，或 二者结合，对传送效率或输出均匀性没有任何明显影响。
图25为弓形4:1光学歧管250的示意图，包括四个输入口 251， 每一输入口具有小的角旋转器252，及包括一共用输出口 253。小的 角旋转器254、中等大小的角旋转器255和大的角旋转器256使歧管 250能够具有从小半径257、到中间半径258、到大曲率半径259的 曲率半fe变化。这些半径及分支内间隔由包括特定歧管的各个角旋转 器的旋转角和相对大小控制。
图26A为2x2:1光学歧管260的透视图，具有非共面正方形输入 口261，每一输入口具有小的角旋转器262。每对旋转器262将矩形 分布馈给大的角旋转器263。在图26A中，四个端口261中的每一个 己被放置在任意不同的平面中，但也可容易地放在同一平面中。图26B为图26A的2x2:1光学歧管260的透视图，还示出了由矩 形角旋转器263馈给的正方形出射口 264，角旋转器263由在垂直于 旋转器263所在平面的平面中起作用的角旋转器262馈给。
图26C为4:1歧管2650的透视图，包括由两个角旋转器2652馈 给的输出口 2651，每一角旋转器由一对在正交平面中的角旋转器 2653馈给。这四个旋转器中的每一个通过两个以上旋转器形成四个 分支2655中的一个。
图26D为9:1歧管2660的透视图，具有与图26C的2655 —样的 转角分支2665，但具有更大的输出口 2661。在转角分支2665之间是 中央分支2666和侧向分支2667，其包括上部角旋转器2667A和下部 角旋转器2667B，由光管2667P连接。中央光管2668在该3x3光学 管道阵列的最中间。
图27A为更精心制作的4x4:1光学歧管270的透视图，其具有 16个共面输入口271，每一输入口具有双角旋转器272。每列四个双 角旋转器馈给大的双角旋转器273。
图27B为图27A的4x4:1光学歧管270的另一透视图，其示出了 正方形的输出口 274。
图28A为4x4:1光学歧管280的透视图，其具有16个共面输入 口 281，每一输入口具有馈给第二角旋转器283的双角旋转器282， 第二角旋转器位于双角旋转器282所在平面旋转90°的平面中。这 些双角旋转器中的四个的列馈入四个绞扭器284，之后馈给大的角旋 转器285。
图28B为图28A的歧管280从另一角度的透视图，其示出了正方 形的出射口 286。
为举例说明在此描述的光学歧管的多用途性，图29为光学歧管 290的透视图，其与可用于照明汽车仪表板的仪器的光学歧管类似。 为了可靠性，双输入LED291馈入歧管290， 一种可能用作主要照明 器，第二种用作备用或日间照明器。或者，两个LED可具有不同的颜 色从而以信号告知完全不同的条件。输入光在混合棒292中拆分，大约一半去向4x4输出阵列293，另一半继续拆分并馈给矩形输出口
294。
在此描述的光学歧管的另一优点在于其不仅改变进入其的光的 极限角而且改变进入其的亮度的空间形状的能力，具体地，从正方形 变为长方形。图15A和15B的亮度移动器可用于该目的，使能产生拉 长的亮度分布。
图30为亮度移动器300的透视图，形成自宽度w的侧面301 (在 端口 302)，通过w/2的正交扫描，使得第一端口 302为2:1矩形。 第二端口 303被偏移w/2，如图15A所示。
图31A为另一实施例的分解透视图。上面的四分之一宽度移动器 300U跨线300Ud与w/2宽的正交移动器305U连接，向下偏移w/4。 几乎一样但倒置的下移动器300L与移动器305L连接，以侧移w/2及 向上偏移w/4。
图31B为图31A分解图中所示单片光束扩展量挤压器310的透视 图。在图31B中，正方形输入面311被分为上管道311U和下管道311L， 还分叉以形成4:1矩形输出面(未示出)。如先前所述，该器件作用 于其透明材料临界角内的光。
图31C为图31B中所示光束扩展量挤压器310的另一透视图，其 示出了 4:1矩形输出面312，还示出了其宽度2w和高度w/2。
图32为单片9:1光束扩展量挤压器320的透视图，包括左上 光管道321、中央矩形管道322、右下光管道323。这些光管道将正 方形正面端口 324分为三个部分，每一部分具有3:1的比，其被移位 并重新连接为9:1拉长的矩形管道325。矩形325的形状可用作9个 小光管道的扇出或光源的合成光源，特别是在涂覆磷光体时。
在此描述的光学歧管的许多实施例的实际问题在于将用于把歧 管安装在适当位置的固定点放在哪里。当表面为光学活性表面时，将 安装夹持机构放在那里将导致光损害，其通过光转向从其去往的目的 地损耗。因此，必须安排一些光学无活性表面作为歧管的一部分。
60在图33A中，每一项的名称符合这样的规则其以图号(33A)
开始，之后为确定对象类型的代码(PT代表点、P代表抛物线、E代 表椭圆、FM代表平面镜、R代表光射线)，然后是个别确定每一项的 数字。其余的项没有任何确定对象类型的代码，只有图号(33A)和 数字。图33A为具有输入端口 33A1和输出端口 33A2的光管道330的 截面图，两个端口均具有有限的入射角9。管道330的侧面包括焦 点在点33APT12、轴平行于光线33AR1并从点33APT1延伸到点33APT2 的抛物线弧33AP1。点33APT2在通过点33APT15的直线上并在相对 于入口孔33A1的法线成e角的方向上。侧壁以焦点在33APT15和 33APT12的椭圆弧33AE1继续，其从点33APT2延伸到点33APT3。抛 物线弧33AP2从点33APT3延伸到点33APT5,其焦点在点33APT12及 轴平行于射线33AR2。椭圆弧33AE2焦点在33APT13和33APT12,及 从点33APT5延伸到点33APT6。椭圆弧33AE3焦点在33APT13和 33APT16,及从点33APT6延伸到点33APT8。平面镜33AFM1完成光导 的左侧，其从点33APT8延伸到点33APT9。点33APT8通过使垂直于 出口 33A2、通过点33APT9的直线与另一通过点33APT10的直线相交 获得，且其与出口 33A2的法线成e角。点33APT16在连接点33APT8 和33APT10的直线上。在右手侧，光导以抛物线弧33AP3开始，其焦 点为33APT16及轴平行于射线33AR4，并从点33APT10延伸到 33APT12。轮廓以非光学有效曲线33A3继续，其可以是给定的任何形 状，只要不与连接点33APT12和33APT13的直线相交即可。抛物线弧 33AP4焦点在点33APT1，其轴平行于射线33AR3并从点33APT13延伸 到点33APT14。平面镜33AFM2完成设计并从点33APT14延伸到点 33APT15。
图33B为与图13D所示类似的角旋转亮度管道3300的截面图， 其具有由角33B1指示的全90°光旋转。受光角和出口角33B4为相 同的值。在该图的命名法中，MP代表宏焦(macrofocal)抛物线(如 D. Spencer在1965年1月的"the Optical Society of America" 期刊第55巻、第1期、第5—11页、题为"Macrofocal Conies asReflector Contours"的论文所定义)，C代表圆。侧壁以从点33BPT1 延伸到点33BPT2的宏焦抛物线33BMP1为开始。其反射平行于射线 33BR2的射线，正切于中心为33BPT8及半径等于从点33BPT8到点 33BPT3的距离的圆形焦散面33B2。光导以圆形反射镜33BC1继续， 其中心为33BPT8及从点33BPT2延伸到点33BPT7。内壁由从点33BPT5 延伸到点33BPT4的平面镜33BFM1组成。该平面镜垂直于出口孔。 Macrofocal抛物线33BMP2从点33BPT4延伸到点33BPT3并反射平行 于射线33BR1的射线，就像它们正切于圆周33B3 —样，其为焦散面 33B2的延伸。该反射镜的行为由射线33BR1例示，在反射后其表现 为从正切点33BPT6到圆周33B3。轮廓由非光学有效表面33B6完成， 其可以是给定的任何形状，只要其不与中心在33BPT8并从点33BPT3 到33BPT9的圆形焦散面33B2相交即可。光学部件相对于垂直线33B5 对称。由于反射镜33BC1为圆形反射镜，33B2为圆形焦散面，二者 具有相同的中心，光学部件提供的旋转可通过改变角33B1而容易地 改变(相应降低33BC1和33B2的弧长度及旋转侧面反射镜)，同时 保持其余几何形状不改变。
图34为光管道340的截面图，其具有对称放置的端口 341和342。 其下部轮廓左边包括抛物线形反射镜34Pl，该反射镜从点34PT1延 伸到34PT2、焦点在34PT3及轴平行于34Rl。上部轮廓左边包括垂直 于端口 341、从点34PT6延伸到点34PT5的平面镜段34FM1。之后， 其以从点34PT5到点34PT4的抛物线形反射镜34P2继续，所述反射 镜焦点在34PT1及轴平行于射线34Rl。所述轮廓由非光学有效曲线 343完成，其可以是给定的任何形状，只要不与连接点34PT4和34PT3 的直线相交即可。受光角等于出口角并由射线34R1和连接点34PT1 及34PT5的线之间的角确定。设计相对于垂直线344对称。
图35为具有多个输入口 351及出射口 352的光管道350的截面 图。输入口 351垂直于平面镜35FM3和35FM1。装置的受光角由从点 35PT2到点35PT12的线和射线35R1之间的角确定。二者与平面镜 35FM3和35FM1成相同的角。出口角由连接点35PT8和35PT10的线及包含点35PT9和35PT7的线之间的角确定。平面镜35FM1从点35PT1 延伸到点35PT2。光导外周以抛物线弧35P1继续，其从点35PT2延 伸到点35PT3、焦点在35PT11、轴平行于射线35R1。椭圆弧35E1从 点35PT3延伸到35PT4并具有焦点35PT12和35PT11。抛物线弧35P2 从点35PT4延伸到点35PT6，其焦点在35PT12及轴平行于射线35R2。 椭圆弧35E2在点35PT6和35PT7之间延伸且其焦点在35PT12和 35PT9。抛物线35P3从点35PT7延伸到点35PT8，其焦点在35PT12 及轴平行于从点35PT7到点35PT7的射线。在另一侧，光导轮廓以从 点35PT9延伸到点35PT10的平面镜35FM2为开始。抛物线弧35P4从 点35PT10延伸到35PT11,其焦点在点35PT8及轴平行于射线35R2。 设计由从点35PT11延伸到点35PT12的非光学有效表面353结束，其 可以是给定的任何形状，只要不与连接点35PT11和35PT12的直线相 交即可。
图36为亮度管道360的截面图，具有关于从点36PT1到点36PT2 的虚线的双向对称的结构，并具有端口 363。光学部件361和362与 光学部件350 —样，其中平面镜35FM1和35FM3及端口 351均己去除。 图36中从点36PT1至lj 36PT2的线与图35中从点35PT2到点35PT12 的线相同。
图37A为包括图35的系统350的扩展光学歧管的截面图，四部 分歧管371由四个LED372馈给。光学歧管371包括图36的四个部分 360，及角旋转器374和角变换器375,这些被示为通过箭头376连 到管道350。光学无活性表面373可用于安装及用于注模中的注入门 和脱模销的定位。
图37B为光学歧管的另一实施例的透视图。图37B中的光学歧管 3700结合先前图中的元件。在图37B中，光学歧管3700包括四个输 入口 3701 (每一个具有CPC3703)及仅具有它们的结合光束扩展量的 单一输出3702，使得进入输入口的所有光将被传出出射口。每一输 入口 3701馈给角旋转器3704之一，外形与图33A的实施例中的一样。 旋转器馈给组合器3705，与图22的一样，其继而与大的旋转器3706连接。结构梁3707与旋转器3704的光学无活性凸缘连接，在不同于 凸缘3708的平面提供可靠安装。
图37C为另一组合的截面图，其示出了两个具有远程磷光体的单 独双透镜LED3750，与图7E的一样，包括蓝通二向色滤光片3755， 可见磷光体反向发射的再循环射线3756。每一磷光体馈给角旋转器 3770，它们的光度在输出口 3780结合。托架3775提供坚实的支撑， 使得磷光体3760不会接受结构负荷。
图38A为具有源Sl的电介质CPC的截面图，发射边缘射线383 照射具有接收器R1的电介质CPC382。跨S1的非均匀性将被消除以 在Rl给出均匀分布。弯曲的正面使该实施例比平面CPC短。
图38B为另一结构的电介质CPC的截面图。因为边缘射线的自由 空间传播对位置误差不能容忍，图38B示出了确保光传送的备选结 构。具有光源S2的平面电介质CPC385照射电介质块387，其继而照 射具有接收器R2的CPC386。在使用该CPC结构的光学部件中，对于 一些实施例，需要气隙388。抗反射涂层可被施加到块387靠近气隙 的面以使因菲涅耳反射引起的损害最小。
图39A和39B为包括电介质CPC的另一方案的截面图。当需要 90°转向时，图39A的结构表明棱镜耦合器可怎样用于传输通量。CPC 39A3从源39A1收集光并将其对准在对角线反射镜39A5上，对角线 反射镜将所述光向CPC 39A4反射，CPC 39A4将光聚集在接收器39A2 上。然而，这种几何结构不是完美的结构，离开源的部分射线39AR3 将透过光学部件的侧壁，与射线39AR1和39AR2的情形一样。图39B 的光学部件为类似的结构，但为图39A的改进。在该实施例中，CPC 39B3从源39B1收集光并通过气隙39B6对准。对角线反射镜39B5反 射该光使其通过气隙39B7、进入CPC 39B4， CPC 39B4继而将所述光 聚集在接收器39B2上。光学部件内的光线通路由光线39BR1例示。 气隙39B7在从CPC 39B3出来的辐射流线的方向上，气隙39B6在由 反射镜39B5反射的光及CPC 39B4的光的流线方向上。这种结构使能 完美地将光从源39B1几何传输到接收器39B2。由于气隙处的菲涅耳损耗从而将有一些光损耗，因此，可采用抗反射涂层将损耗降低到可 以忽略的水平。
图40为光学歧管的另一结构的截面图。参考图10D的再循环磷 光体反向发射所示及所述的方法利用蓝通滤光片，其将该反向发射返 回到磷光体。这种方法利用磷光体的低吸收特性。图40的结构可用
于对其自己的发射波长没有有效吸收的磷光体。电介质CPC401具有 与其连接的蓝光LED402，其直接输出被示作边缘射线403。该蓝光不 受阻止的通过对角线蓝通滤光片404并进入电介质CPC405以照射磷 光体小片406。磷光体反向发射向滤光片404进发并被反射入第三电 介质CPC407，其具有出口面408。平部407f用于将入射角限制到小 于临界角ac，对于包括CPC407的电介质材料的折射率n， a c= sin—1 (1/n)。
图41为光学歧管的另一结构的截面图。图41示出了与图40类 似的结构，包括具有蓝光LED412与其连接的电介质CPC411。 CPC411 具有对角线出口面413，蓝通滤光片覆盖在那里。光学连接到面413 的是对角线棱镜414。与棱镜414相邻的是电介质CPC415，在其出口 面上具有磷光体小片416。磷光体反向发射通过棱镜414，自对角线 出口面413反射入电介质CPC417。这种反射的反向发射在CPC417的 出口面形成虚拟源418。展开图示出了平部417f怎样用于将在面418 上的入射角限制到临界角ac。
图42为光学歧管的另一结构的截面图。图42示出了与图41类 似的结构。电介质CPC421连到蓝光LED422并具有蓝通反射镜覆盖于 其上的对角线出口面423，其光学上连到棱镜424。电介质CPC425从 LED422接收蓝光并将其聚集在磷光体426上。磷光体反向发射通过 棱镜424反射入对角线棱镜427。第三电介质CPC428从棱镜427接 收反向发射并通过出口面429聚集。
图43为图42的自由空间版的截面图。弯曲的上电介质CPC431 连到蓝光LED432，并通过蓝通滤光片433将其光发送给第二电介质 CPC434，在434出口面具有磷光体小片435。磷光体反向发射由滤光片433反射到反射镜436，随即反射入第三CPC437，在那里其通过出 口面438聚集。
图44为类似图43的光学歧管的另一结构的截面图。图44具有 CPC441、蓝光LED442、蓝通滤光片443、第二 CPC444、磷光体小片 445、对角线反射镜446、及第三CPC447。 Y形组合器448具有两倍 于磷光体小片445的面积的输出面449。
图45为可用于组合多个不同颜色的LED以提供多波长光输出的 光学歧管的截面图。当将多个不同颜色的LED组合为白光合成时，如 果输出区与任一颜色的输入区大约一样而不是它们的和则是有利的， 因为这将增加亮度，例如增加约3的因子。(应注意，严格来说，如 果LED被嵌入在适于所有光从输出区出射到空气中的固体介质中，则 输出区的大小必须比输入区大等于介质材料折射率的平方的因子。) 图45示出了实现此的一种方式。示出了三个曲面电介质CPC，包括 红光CPC451、绿光CPC452和蓝光CPC453。对应的LED光源R、 G、 B 与其各自的CPC光接触，即没有气隙。对角线滤光片454仅反射红光。 第二对角线滤光片453'仅反射蓝光。从而所有三种颜色被覆盖并发 送到第四CPC455，其将它们的光在出口面456结合为白光合成。出 口面456实际上怎样比面R、 G或B大一因子，其至少等于包括四个 CPC451、 452、 453和455的介质材料的折射率n。(该因子仅适用二 维情形。在三维情形下，出口面的面积将大n2。)然而，第四CPC455 不同于其它，因为其还独自包括基部直线部分，其用于将面456上的 入射角限制到最大为临界角ac。其尖端的几何形状与图40中的特 写407f中所示的类似。折射射线出口面456将高达90。。
图46为可用于组合多个不同颜色的LED以提供多波长光输出的 光学歧管的另一结构的截面图。图46示出了红光电介质CPC461、绿 光CPC462、和蓝光CPC463。第一对角线滤光片464仅反射红光，第 二对角线滤光片465仅反射蓝光。棱镜块466装配自四个较小的棱镜， 这些滤光片覆盖在它们之上。第四电介质CPC467接收三个重叠辐射 输入并将它们在出口面468结合为单一白光输出，其边缘n倍于三种颜色的CPC的边缘之一的大小。直部467f将入射射线限制到临界角 a Co
图47为与图46类似的光学歧管的另一结构的截面图。当需要具 有窄角的白光合成时，第四CPC可被省却。同样，在棱镜块和绿光 CPC之间不是绝对必须气隙。图47示出了该结果，红光电介质CPC471 和蓝光电介质CPC473与前述一样，但绿光CPC472具有双对角线出口 面。红光反射器474和蓝光反射器475被应用于对角线子棱镜476、 477和478的面。结合的白光输出479具有a射束宽度，其是三个 CPC的内角e的Snellian合成。
图48为可用于组合多个不同颜色的LED以提供多波长光输出的 光学歧管的另一结构的截面图。如果LED可在同一平面，则将更方便。 因而，图48示出了多个平行电介质CPC,包括红光CPC481 、绿光CPC482 和蓝光CPC483。第一和第二对角线反射器-棱镜484和485也被示出。 子棱镜486、 487和488与前述一样，提供白光输出489。
图49为可用于组合多个不同颜色的LED以提供多波长光输出的 光学歧管的另一结构的截面图。共面光源的自由空间版也是可能的。 图49示出了具有混合棒491m和注入器491i的红光CPC491、绿光弯 曲上CPC492、具有与CPC491 —样结构的蓝光CPC493。侧面CPC491 和493设计成接受限制到临界角中的辐射，所述临界角由来自LED的 光的方向和折射如这些CPC的电介质材料内的光的方向确定。对于光 学上连接到光学部件的LED (使用胶水或凝胶)，混合棒491m和493m 的上部尖端需要小的CPC变换LED的Lambertian辐射，使得其限制 到混合棒的临界角内，因此所述辐射可沿混合棒向下传输，而没有侧 向损耗。在这种情形下，侧面CPC491和493设计成接受限制在临界 角内的光，而中间CPC492设计成接受由中央LED发射的全部 Lambertian辐射。对角线反射镜494将红光偏转在红光反射器496 上，同时反射镜495将蓝光偏转在蓝光反射器497上。第四CPC498 将这些射束在出口面499结合为白光输出，平部498f将在499的入 射角限制到临界角ac。图50为可用于组合多个不同颜色的LED以提供多波长光输出的
光学歧管的另一结构的截面图。在图50中，光学歧管具有带对角线 出口面的红光CPC501、绿光CPC502、及蓝光CPC503。棱镜504在其 对角线面具有红通绿光反射器。过渡棱镜505接收结合的红、绿光并 光学上连接到棱镜506，棱镜506在其对角线上具有蓝光反射器，且 白光输出507从其出射。
图51A为使用共面光源的光学歧管的另一结构的截面图。图51A 的实施例包括红光电介质CPC511、绿光电介质CPC512和蓝光电介质 CPC513。对角线反射镜棱镜514反射红光向下通过过渡棱镜515。光 学上连到棱镜515的是具有绿光反射器覆盖在其对角线上的对角线 棱镜516，其发送绿光通过过渡棱镜517。光学上连到棱镜517的是 具有蓝光反射器覆盖在其对角线上的对角线棱镜518。白光输出519 以射束宽度a出射棱镜519的底部。LED之间的距离可通过独立延 伸光导515禾口/或517而容易改变。
现在参考图51B。在一些实施例中，可在于此描述的光学变换器 的蓝光激发实施例中采用两种不同的磷光体。具有良好量子效率的绿 光磷光体可产生与蓝光激发LED相同辐射输出的绿光LED —样的光 度，但其更宽的波长范围更有利于颜色再现。第二磷光体可以是传统 的黄光磷光体，非常像现在白光LED中使用的磷光体，但被掺杂以减 少其发射的红光部分。这是有利的，因为红光波长当通过光致发光产 生时具有大的Stokes损耗。而是，红光LED与两种磷光体混合以产 生极好的白光光源。图51B示出了产生多波长光输出的光学歧管结构 的截面图。具体地，图51B的光学系统包括白光LED歧管5100，并 包括两个蓝光LED5101和红光LED5102作为发光输入。蓝光LED5101 馈给CPC5103，其将它们的光校准在蓝通二向色滤光片5104上，滤 光片5104位于CPC5105的上面。绿光磷光体5106和黄光磷光体5107 使其反向发射由滤光片5104再循环，且它们的增强的正向发射由小 的CPC5108收集，其继而馈给角旋转器对5109。每一第二旋转器馈给输出混合棒5110，其在出射口 5111传送均匀的亮度和均匀的白色度。
图51C为产生多波长光输出的光学歧管的另一结构的截面图。图
51C的实施例仅具有绿光磷光体。图51C的光学系统包括具有馈给 CPC5152的输入蓝光LED5151的歧管5150，其接触蓝通滤光片5153。 CPC5154在其小端具有绿光磷光体5155。磷光体5155馈给CPC5156, 其将磷光体的光校准在对角线红光反射滤光片5157上。蓝光LED5158 馈给CPC5159，其发送校准的蓝光通过滤光片5157。红光LED5150馈 给CPC5161，其将校准的光发送在滤光片5157上，滤光片5157随即 将该光沿大的CPC5162反射90° 。大的CPC5162混合来自小的 CPC5156、 5159和5161的光，并将它们传到角变换器5163，其使它 们的角变窄从而折射出出口面5164。
在此描述的光学变换器结合多个LED光源的能力使能使用和结 合三种以上波长。因为人眼的色差令人不安地将RGB视频的红色和蓝 色图象分开，可添加淡黄色和青色以减少这样的效应。例如，图51A 的堆叠结构可被扩充以额外两个用于淡黄色和青色光源的CPC和滤 光片。
现在参考图52，其为光学歧管的另一结构的截面图。返回亮度 移动器的主题并继续图15A的半宽横向移动器150及图15B的全宽移 动器155的顺序，图52的实施例包括能够双倍宽度横向偏移的亮度 移动器520。如图所示，光被限制到从轴520a画到出射口 521上的 角e 。输入口 522具有更小的宽度并相对于出射口 521横向偏移。 输入和输出口之间大小有差异的原因在于输入口 522完全接受来自 LED的Lambertian光，而输出口521发射限于角e的光。左侧面包 括从点F4延伸到点Pl的平部523、焦点在F3且轴平行于线rl的延 伸于点Pl和P2之间的抛物线形弧524、及焦点在F2和F3的从点P2 延伸到焦点Fl的椭圆形弧525。右侧面包括焦点在Fl且轴平行于线 rl的、从点F2延伸到点F3的抛物线形弧526。图53A为三重光学歧管530的平面图，其包括图52的左亮度移 动器531 (成像在左边)、中间亮度管道532、及图52的右亮度移动 器533，所有三个均具有各自的输入口 531i、 532i、和533i，且在 该例子中，每一输入口具有约1.2mm的宽度。两个移动器沿这两个移 动器(图52的523)的直部的长度方向与中间管道532啮合。中间 管道在其入口具有CPC侧面532c，其约3. 12mm高且使光与角534对 准。该角与侧向光移动器的角匹配，如图52中所示的角e。之后， 离开CPC532c的光由光管532f传送。在该例子中，所得的光学系统 的结合的出口表面530e具有约7. 2ram的宽度。
图53B为图53A中所示三重光学歧管530的侧视图，其示出在该 例子中其宽度为约2. 33mrn。图53A中的所有三个歧管在正交于图53A 的侧面的方向具有CPC侧面530c。该CPC侧面的高度为约2. 28mm并 具有出口角536。因此，中间管道532f的入口部分利用电介质交叉 CPC以将垂直和水平出射角调整到符合需要的规格。三倍歧管垂直和 水平方向的输出角(角534和536)可相互独立设置。
图54A为从图53A和53B的歧管发射的远场强度的等值线图540， 水平角轴541从50。左(50L)延伸到右(50R)，垂直轴542从50°上 (50U)延伸到下(50D)。等值线540c表明强度水平高达3. 25瓦特每球 面度。等值线具有约± 30°的水平边界。等值线的垂直边界不太陡峭， 为约±40° 。
图54B为将从图53A和53B的歧管发射的水平强度概图示为实线 546和将垂直强度概图示为虚线547的图545。两个概图具有明确的 边界和陡峭的边缘。尽管馈给歧管的LED的个体差异，但它们的整个 形态完全可再现。
图55为图53A和53B中所示歧管实施例的输出面530e的空间亮 度图550，按毫米绘制。图53A的LED531i、 532i和533i被模拟中 央暗黑区，很强形式的输入非均匀性。尽管如此，图550相比馈给歧 管的LED具有显著的均匀性，并具有陡峭的明确的边缘。这种分布几 乎不受LED的通常定位容差或它们亮度个体差异的影响。其均匀性和清晰度也优于其它高亮度光源如白炽灯丝或电弧。等值线在真正边缘
被标记为15， 000 W/m2，在中心高于60，000。这种高功率强度来自输 入的单一辐射瓦特。
图56A、 56B和56C示出了三重光学歧管的另外的结构。图56A 为三重光学歧管560连同三个输入LED561、 562和563的透视图，所 有输入LED均在电路板564上。
图56B为如图56A的三重光学歧管560的透视图，还示出了球根 状自由形态透镜565，其成形歧管560的发光输出。
图56C为如图56A的光学歧管560的透视图，还示出了弯曲的矩 形反射镜566，其用于从透镜565的发光输出567形成准直射束568。 射束568满足汽车头灯照明规定或其它要求。
图57为一组四个光源570的透视图。
图58A和58B示出了产生用于汽车照明特别是汽车头灯应用的非 对称射束的另一方法。图58A示出了具有图53A的三重歧管530的形 状的非对称歧管580的外向透视图，还包括与主管道582啮合的辅助 管道581。图58B为另一透视图。管道582在出口表面583的截面形 状的外边界与远场汽车头灯射束亮度或强度图的形状大致匹配。管道 582在一个或多个方向可沿其长度成锥形以调节出口表面583上各个 点的强度。580在垂直和水平方向的角输出也可由三重歧管580m的 设计调整。自出口表面583的输出接着还可由采用成像或非成像原理 的辅助光学部件调整。
返回图10A和IOB，小的电介质交叉CPC101和大的电介质交叉 CPC103均为基本CPC轮廓的双向扫描，如图1A、 2B和2C中所示。 图59将交叉CPC的几何结构示为具有相同平面截面593的两个槽即 相互垂直的直线扫描CPC591和592的立体交叉590。由于每一槽具 有恒定不变的截面593，从孔594发射的任何光将在槽592的受光角 内离开所述槽592，假定所述槽甚至比图59中所示的还要长。问题 在于，尽管所述槽光学上理想，但它们的交叉590光学上不理想。在 浅截面593的情况下，与完美相差无几，但更深的构造是另一问题。
71图60A示出了级联交叉CPC60，其由左侧交叉CPC61和右侧交叉 CPC62组成。它们按大端对大端定向，在面60m连接在一起。光在面 60s进入，在此也称为入射口，及在相对的面60r接收光，在此也称 为出口。射线跟踪模拟表明在60s进入的光以几乎100%的几何效率 传送到连接面60m，如CPC常识所预期的那样。然而，当所述光进入 右侧CPC62时，损耗很严重。这未在先前关于非成像光学部件的描述 中报告，及这启发几个下面描述的优选实施例。
图60B示出了同样的级联交叉CPC60，但充满光线63，所述光线 从图60A的源60s向右发射。从右边的泄漏射线64A明显可见10。％ 的损耗，及从左边的泄漏射线64B明显可见另外的5X损耗。泄漏射 线64A损失是由于射线的TIR失败，其使图60A的右侧交叉CPC62的 壁多重交叉。泄漏射线64B首先由右侧交叉CPC62向后反射，从而进 入左侧交叉CPC61并最终按如图所示射出。该15%的损耗对于寻求 改善传统磷光体转换LED的照明系统是不可接受的。
交叉CPC结构的相关低效率在于图10D中所示的再循环功能。然 而，实际的射线痕迹表明该过程的效率仅为89%。这对于整个再循 环不是好的兆头，因此，由于所述过程依赖于图IOD中所示过程的多 次重复，每重复一次即侵蚀再循环光强度的11%。
这些相关低效率是交叉CPC特有的。它们源于在任一CPC槽(图 59中所示)的2D受光角内的射线，但3D中的射线在其外面。这可 在图61中看见，其表示用于射线-方向图6101的显示的角度-空间图 6100，代表离开交叉CPC大端的光。可看见射线限制在任一轴的10° 内的方向。然而，圆周6110也具有半径10。，但可看见大量射线在 其外面，如图6100的各角落所示。这些射线是由于所述的低效率， 因为它们中的许多射线均损失。参考图60A的3D几何结构，CPC61 和62具有正方形截面并在正方形平面区60m交汇。CPC61在正方形 平面区60m的各角落的流线不垂直于60m。 CPC62的流线也是如此， CPC62的流线与CPC61的流线对称。因此，这些流线不匹配。同样， 由两CPC形成在60m的各点处的边缘射线圆锥指向不同方向，这将导致CPC62拒绝由CPC61射入其内的部分光。只有在由第一 CPC发射并 由第二CPC接受的光的相空间中的交叉将被透射。
在公开本后续申请的进一步改进之前，上述低效率的全部负面影
响必须算术地说明。图62A示意性地示出了远程磷光体系统6200， 其包括作为光源的蓝光LED6201、第一CPC6202、中线二向色滤光片 6203、第二 CPC6204及远程磷光体片6205。总的来说，所述磷光体 片相当薄，具有两个表面， 一个表面从CPC接收光，在下文中称为内 表面，相对侧在下文中称为外表面。还示出了通量图6210，虚线6211 代表LED6201，虚线6212代表滤光片6203，虚线6213代表磷光体片 6205。图6210使用下述数学符号
L二从蓝光LED6201进入CPC6202的光通量。
T二对于光学部件6202和6204，从LED6201到磷光体片6205的 蓝光透射率，但不包括与滤光片6203相关的损耗。
R二再循环因子，反向散射的光的部分由CPC6204再循环回到磷光 体片6205。交叉CPC具有89X的值。
P^LED6201的综合反射率。70X的值表明更高质量的LED。
Py =滤光片6203对磷光体发射波长的综合反射率。
t b =滤光片6203对LED蓝光波长的透射率。
Pb 二散射回到第二 CPC6204的部分。
PT =透过磷光体片6205的光部分，其将进一步从磷光体的前面 透射出。除了反向散射损耗之外，该变量还包括蓝-黄转换损耗及菲 涅耳反射(如果在磷光体片6205上方有罩，包括相关损耗)。关于 发明人著述引用的现有技术，见2005年8月在美国加利福尼亚州圣 迭戈举行的 Nonimaging Optics and Efficient Illumination Systems II的Proc. SPIE Vol. 5942中由B. Parkyn、 J. Chaves 、 W. Falicoff 所著"Remote phosphor with recycling blue-pass mirror〃及W. Falicoff、 J. Chaves 、 B. Parkyn所著〃PC-LED luminance enhancement due to phosphor scattering", 其通过弓l用而全部引入在此，其中使用相同的符号Pt，仅看作反向散射因子， 不包括磷光体转换损耗。
X =在磷光体转换之后剩余的总能量部分，其中X = b + yQSs。 b
为剩余的未转换蓝光部分，y为转换的黄光部分，Q为磷光体的量子 效率，Ss为小数磷光体Stokes效率。
在前述引用的发明人现有技术中，他们开发了使用变量P 「的等 式，其被规定为滤光片的综合反射率。由于PF与波长大大相关，对 于黄光接近于1而对于蓝光接近于0，决定使用参数P y更准确地表示 黄光的再循环系统。当再循环的黄光量远大于再循环的蓝光量时，该 单一参数更准确地处理实际系统性能。例如，如果假定黄光:蓝光为 2:1，其中黄光被完全反射，P"又为0.65，而Py在这些条件下为1.0。
根据Rensellaer Polytechnic的 一 个小组进行的研究 (Narendran等，"Extracting phosphor photons to improve white LED efficiency" ， Rapid Research Letters ， 2005 ， www.pss-rapid.com)，其通过引用而全部引入于此，从YAG磷光体 层反射的蓝光完全不变，近似所有磷光体厚度和密度的12%。在与 发明人之一的私下交流中，Narendran教授表明其论文中的该值包括 来自衬底(两个表面)菲涅耳反射，磷光体层放在所述衬底上进行测 试。他估计来自YAG磷光体层(其自身)的适于产生白光的蓝光反射 在5%和7%之间。如果正是如此，则黄光和蓝光之间的平衡将更接 近于10:1。从而滤光片综合反射率Pp的现实值为90X。然而，这依 然大大低于发明人指出的、滤光片6203的约99%的黄光反射率值。
在于此所述的简化分析中，假定行经滤光片的未反射黄光连同未 透过滤光片的蓝光一起损失。这些假设使预测模型稍微不利，因为在 黄光未被滤光片反射的情况下，其部分将由于LED反射率而再循环。
色平衡要求约2/3-3/4的蓝光被吸收。好的磷光体将该吸收的光 的90-95%转换为黄光发射。然而，由于该发射的光子能量较低，更 多发光的黄光仅具有在磷光体吸收相同蓝光波长时应具有的辐射测 量通量的80-85。％。因而，即使所有蓝光和黄光均从前面出来及没有反向散射，PT的最大值为0.33+0.67*0.9*0.85=0.84。通常，对于黄 光磷光体发射PB=50-60%，从而Pt通常大大低于0. 5。
小的5-10微米大小的典型磷光体粉末悬浮给定约100/mm的散射 系数。这样的散射强度导致反向散射部分PB将为约55%或更多，因 为对于更低的色温需增加额外的磷光体厚度。因而，如果PB为55X 及色平衡为2/3黄光，且磷光体量子和Stokes系数分别为90%和80 %，则Pi为26. 3%。
模拟表明变量Pt随憐光体厚度増加而降低，其值从15%到80% ， 尽管后面的值针对不切实际的薄磷光体而言。当需要更大的黄光优势 时，出现更低的值，二者均用于更大的发光效能及色温的舒适减少。
图62A的图6210表明进入系统6200的初始通量L，其具有透射 率T。这不包括滤光片中的损耗，而仅包括光学元件中的损耗。还考 虑蓝光通过滤光片的损耗，在中途拦截磷光体片6205的通量在较低 的通量水平LTh。对于交叉CPC类型，该系统透射率T为89X (下 面不同的优选实施例将具有99%的透射率)。在其通过磷光体时， 部分蓝光被转换为黄光，但损失部分能量，从而保留部分，其为参数 x。总的来说，对于量子效率n。(约90% )和Stokes效率(约80% )， 转换2/3的蓝光导致x=l/3+0. 72(2/3) =0.81。蓝光和黄光通量被 多次散射，从而变量PT测量它们在该第一通路的组合输出通量。显然 但很重要地，应注意，参数x还必须等于PT和PB的和。因此，在第 一次通过时从源进入空气中的通量为LTThPT。该项将被添加到其它 组成部分以确定来自远程磷光体系统6200的通量总量。
返回箭头LT t bpB6220表明重新进入CPC6204的通量，向左流到 滤光片6203。该通量的部分lY为黄光，另一部分Ib为蓝光，其中Ih =1-Iy。
通量的黄光部分将被反射，反射率Py相对于返回的白光。这产 生反射通量箭头LTPB t bIYp y6221。 CPC6204具有作用于其的再循环因 子R，给出所接收的黄光返回通量箭头LTTbPBIYpyR6224。然而，该 黄光在其通过磷光体层进行磷光体转换时不损失能量。因此，对于与该黄光相关联的每次通过，Pt的值需要增加与参数X和Pt有失的因子。 该针对PT的倍增调节因子等于U+(1-X)/PTK通过使PT乘以该因子， Pt被使得等于1-Pb。因此，该第一再循环黄光通过，来自系统的通量
因而为LT t bPBIYp yR(l-PB)，如通量箭头6226所指。在每一随后的通
过时，提取的量将为PBRPy乘以先前通过的值。因此，与该黄光再循
环相关联的通量可被当作无穷级数的和
"|^"=丄，其中，a= LTTbPJYPyR(l-PB)，r=PBRpy
如果滤光片6203对蓝光具有透射率h，则返回通量的蓝光部分 在行经滤光片6203之后为通量箭头6222所示的LT t bpB t hIb，这将 使其到达LED6201时通量减少与其初始通过一样的透射率T。部分 P ,.由LED5201反射，并按通量箭头LT2 t bpB IB T b p l6223向右开始其 返回。该蓝光通量将再次减少透射率T，从而产生返回的蓝光通量箭 头LT t bPBlB t b2 p J26225。在这种情况下，为确定通量中行经磷光体 的部分，必须使所述值乘以PT。因此，透过磷光体的该次通过的通量 为LT t bpBlB t h2p ^.T2PT，如通量箭头6227所示。在每一随后的通过时， 提取的量将为PBT2P ,^2乘以前一次通过的值。因此，与该蓝光再循 环相关联的通量也被看作无穷级数的和
=丄，其中，在该情形下，a = lttbPBIbtb2p J2PT， r=PJ2
P
之后，总光输出u是第一通过分量、黄光再循环分量和蓝光再循
环分量的和。表达式变为
用值替代大交叉CPC(T二85。/。， R=89%)，连同其余系统值(PB=55%， PT=26.3%, IY=2/3， b=l， py=l， pL=0.7， Q=0.90， Se=0.85)，系统效率nE=LVL仅为53%，不比传统的高性能共形磷光体LED好多少， 交叉CPC的低效率是主要原因。
为了建模彻底性，该一般等式可被容易地修改以处理多种情形。 在LED和CPC光学部件的接口处有连接损耗的情况下，将向前方向的 这些部分连接损耗指定为F。。upling，向后方向的指定为B。。uplin(!，这将等 式变化为
<formula>formula see original document page 77</formula>
在所有光均为黄光(Ifl)及P产1的特定情况下，没有光回到LED， 从而IB=0且没有连接损耗<formula>formula see original document page 77</formula>
如果远程磷光体系统非对称，即连到LED的光学部件不同于连到 磷光体的光学部件，则从蓝光芯片到磷光体的光透射率TYp不同于从 磷光体到LED的光透射率TV"在这种情况下，L。的表达式为
<formula>formula see original document page 77</formula> ;
最大化U可被计入辐射或光度计量单位中。在辐射测量中，蓝光 到黄光的转换损耗仅计算为减量，但这些损耗在相比蓝光大大增加的 黄光功效面前变得不重要。进一步的光转换产生进一步的流明及更低 的色温。这通过加厚磷光体实现，这对于传统共形磷光体LED是不利 的，因为其增加了从磷光体向后进入LED的反向散射。本发明使能使 用更厚的磷光体而没有这些反向散射损耗，这是由于独特的黄光再循 环。
先前基于图62A的数学处理使用单一概率PT指示对于给定蓝光 输入的组合黄光和蓝光输出。在进一步的详细描述中，图62B图解地 示出了磷光体片6235，并代表更详细的磷光体建模方法，受如 Lotusl23或Microsoft Excel电子表格程序的作用，通过其每一行可代表单一波长带(一纳米或lnm，足够窄)。对于每一蓝光波长 入b，通常延伸400-500纳米，有初始通量F(Ab)，被示为进入图62A 的磷光体片6205的后表面R。这代表LED源的蓝光波长的光谱分布， 以全Lambertian角分布在整个后表面R上均匀遍布。该功能对应于 图IIA的曲线114。
在图62B中，更多的项如下
PA(入J为波长为Ab的蓝光由磷光体吸收的概率。该功能也称为 激发光谱。
PhF( A J为波长为A b的蓝光进入磷光体片6235并使其前进到前 表面F及离开所述层的概率。该光计入前面提及的数量Pr。
PbK(入b)为波长为入b的蓝光离开后表面R的概率。
PB(入h)为波长为Ab的再循环蓝光的效率。再循环的光加入原 始通量F(入h)。
n。为磷光体的量子效率，引起发射的所吸收蓝光部分。
入b/入y为蓝光与发射的黄光波长比。这称为Stokes比。由于吸 收和发射发生在不连续的光子数量中，刺激蓝光的较高能量hc/入h 与辐射黄光的较低能量he/入y之间的差损失为热量。
Fy(入》为由波长为"的所吸收蓝光产生的黄光的总通量。
PyF(人h)为由波长为入b的蓝光产生的黄光通量立即离开前表面F 的概率。该概率与波长有关，因为在不同波长的不同蓝光吸收量导致 黄光发射点的不同空间分布，因而不同的离开概率。强烈吸收的波长 使得发射靠近后表面R，从而降低离开前表面F的概率。
PyK( A h)为由波长为入b的蓝光产生的黄光通量立即离开后表面R
Eb指示所有蓝光波长的总和以给出离开后表面R的总黄光通量。 P R( A y)为黄光的再循环效率。由于远程磷光体中与波长有关的
滤光片，这比蓝光的再循环效率PK(入b)高。
F(入y)为所有再循环的黄光的总通量。由于没有黄光吸收，下面
的两个概率与波长有关P,:y为进入后表面R的黄光离开前表面F的概率。
PKy为进入后表面R的黄光离开后表面的概率。该光的再循环未被
示出，因为其已在图62A中描述。
这些概率与磷光体材料展现的散射程度及其激发光谱有关。它们
可由Monte-Carlo计算机例程中的公知光子迁移方法进行计算。先前 的与颜色无关的概率是蓝光项P" A J和黄光项PyF( A h)的和，基于所 有蓝光波长入b求和。
公知的色度学方法，如由Wyszecki & Stiles, Wiley在1982年 "Color Science"第162页所阐述的方法，其通过引用而全部包含 于此，表明来自磷光体的蓝光和黄光输出通量怎样数学组合为可计算 色度的单一白色，相关的色温如前述文献的224页所述。磷光体的化 学成分将确定其发光光谱及其通量与未吸收蓝光的任何比例所得的 颜色。所述光谱在此描述为近似黄光，因为其外部特征如此。
图62C示出了一个所述计算机模拟的结果。图表6250具有列举 Pt的信的水平袖6251及列举与颜色无关的提取效率iu二L。/L的值的 纵轴6252。曲线6253给出特定PT值的提取效率的值，假定磷光体散 射系数为100/mrn。点A说明具有共形磷光体和平坦窗口的常规白光 LED。点B说明同样的LED但其具有圆顶。点C说明具有平坦窗口的 远程磷光体，点D说明同样的远程磷光体但其具有圆顶。这表明本发 明远程磷光体方法的优点。
如上所述，正方形CPC在磷光体反向发射的再循环及蓝光通量传 送给磷光体方面欠缺。这些分析突出表明在本发明远程磷光体实施例 的整个光学链上均需要极高的光学效率。因此，圆形对称CPC或其它 光学部件可用于具有远程磷光体的大元件以明显提高效率，如图6D、 6E、 6F、 6G和6H所示实施例中的大的圆形对称光学部件。图63A和 图63B示出了包括蓝光LED6301、小的长方形CPC6302和大的圆形对 称CPC6303的远程磷光体系统。正方形6304由小CPC6302的顶端形 成并在其处放置蓝通滤光片(不可见)。反射镜涂层6306将所有光， 蓝光或黄光，反射回到远程磷光体6305。由于建模考虑，圆角6302f
79形成公共下表面，其连接CPC6302的外表面。由发明人进行的射线跟
踪模拟表明如果四个CPC6302中的两个在相邻CPC的两个共同表面之 间具有小的圆角(半径在0.25mm级)，则系统的该性能不受影响。
根据图61中所述的理由，圆形对称CPC6303具有15。的受光角， 从而来自小CPC的所有光均被接受。与10°圆周6110不同，15°圆 周包括由点6101表示的所有方向。这导致99.5%的透射，而不是图 10A中正方形CPC系统的89X。然而，远程磷光体片6306为圆形且 几倍于LED6301的组合面积。因而，该更有效的结构已降低亮度，因 为磷光体片的面积大于初始四个LED的面积。
使大的再循环光学部件的受光角大于馈给其的较小光学部件有 另一优点。众所周知，这样的滤光片的透射率波长随着受光角增加而 向更短的波长偏移。也就是说，反射开始起作用的波长将向更短的波 长偏移。如果再循环光学部件的受光角大于CPC或其它光学部件的受 光角，从远程磷光体经再循环光学部件回到滤光片的辐射将以更大的 平均入射角到达滤光片。这对于捕获重叠蓝光LED和磷光体发射的辐 射非常有用。从10°光学部件到15。光学部件，可使滤光片向后方 向的有效反射向蓝光增加5-10nm。
在这种情形下，具有15°受光角的CPC6303具有97.5。/^的理论 再循环因子R，这远高于交叉CPC的85%。在先前所有交叉CPC系统 的例子中，其效率(包括磷光体转换损耗)被估计为53%。在等式 中使用如前所述一样的值但1=99%及R=97.5%，远程磷光体系统 6300的估计效率变为69%。考虑磷光体转换损耗相当大(16%)， 远程磷光体6300的理论系统效率为0.69除以0.84，即82%。由发 明人进行的远程磷光体6300的Monte-Carlo射线跟踪建模甚至展现 更好的效率(接近90%)，使用商用射线跟踪包LightTools，其同 样考虑波长接波长效率而不是单一集总数字。尽管程序还包括电介质 材料内吸收的有害影响，这是不太完美的滤光片透射和反射曲线。清 楚的是，圆形CPC方法提供较交叉CPC更出众的性能，且较现有技术 磷光体转换白光LED有很大改善。在图63A所示实施例的4X4结构中，大的电介质CPC在大小和 重量方面变得不实用。在这种情形下，对于包括图63A的系统的实施 例，图6C的锥形体-透镜结构可为备选实施例，如图72A所示。
图64A为远程磷光体6400的截面图，图64B为其立体图，其包 括磷光体片6401、具有正方形切口 6402c的不透明漫射反射层6402、 及具有斜缘6403e的透明衬底6403，所述斜缘与图63B的大CPC6303 的斜度匹配。当然，这将降低总光输出，因为更大量的光必被再循环 且具有一些损耗，但所增加的亮度值得这样的牺牲。同样，切口 6402c 可以是任意形状，包括不规则的形状，即不同于简单凸曲线或多边形 的形状，如字母数字字符。磷光体片6401在发射正方形6402c内具 有一般厚度(如50微米)及在漫射反射器6402下方具有更大的厚度。 这导致其上的大部分蓝光转换为黄光，所述黄光可比初始蓝光更有效 地再循环。然而，使漫射反射器6402下面的层与发射正方形内的磷 光体一样厚或比其薄也是可能的，因为漫射器下面的有效磷光体通路 长度加倍。在图64A中，透明衬底6403具有中央正方形隆起6403r 以支持磷光体片6401的中心厚度。这样的结构也适于透明磷光体， 从其提取光很困难，因为其折射率更高(约1.8，而CPC为1.5)。 然而，非均匀的磷光体厚度也可通过其它手段调节，如漫射反射器 6402具有唇缘，其包围在漫射器区域下面的磷光体内边周围。在该 方法中，向下的唇缘在发射磷光体层的小的外边区终止，因而使透明 衬底6403的底部可制成平坦的底部。该方法还具有优点，厚的磷光 体层的侧向发射的部分被反射回到其自身，可能提高磷光体的外部发 射部分的均匀性。 一旦本领域技术人员理解与本发明有关的基本发 明，可容易地预见其它方法。
除了字符之外，其它不规则或任意形状如车灯发射图案也可被描 绘以成像在远场内，选择非均匀磷光体厚度以产生空间可变的亮度。
作为图63A、 63B、 64A和64B结构的备选实施例，蓝通滤光片可 直接放在磷光体片6401的下面。之后，磷光体片6401被包在反射黄 光的材料盒中，但由切口 6402c形成的输出端口除外。之后，通过输出端口 6402c的黄光发射极高。既不由磷光体片6401吸收又不通过 输出端口 6402c发射的蓝光从漫射反射层6402反射回去，例如，所 述漫射反射层可以是具有大于99%反射率的二氧化碳粉末。如图64A 中所见，反射层6402覆盖磷光体层6401的薄缘及外面，从而不需要 在反射层6402和蓝通滤光片之间留下间隙。由于短通滤光片对入射 角的敏感性，以大于约40。或45°的入射角入射在滤光片上的蓝光 被反射回到磷光体片6401。具有低于15°入射角的蓝光被CPC6303 接收，用作准直器并返回到LED6301，其将约75%的光反射回系统。 入射角在15°和约30°之间的蓝光在光学系统内反射且最终大部分 返回到磷光体片6401。因而，基本上，只有已通过磷光体6401两次 及已由反射器6402散射到约30。和约40°之间的入射角的蓝光加上 由磷光体自身散射回的同样角度范围内的少量光从系统损失，实现高 效率。
图64A和64B的结构是磷光体形状的一般概念的例子，其在本发 明的多个实施例中使用，所述磷光体形状从单块件切割并粘附到透明 衬底上。或者，磷光体片可被制成合成材料，其中磷光体层在批量生 产过程中沉积在适当的透明衬底上如片或薄膜。这样的合成磷光体可 被制成大的片然后使用已知方法切割为多个零件。之后，所述零件被 粘附到再循环光学部件的端部。这种类型的合成磷光体方法可与在此 描述的任何实施例或其派生结合。最后，磷光体层6401可经喷墨印 刷或本领域技术人员已知的其它方法直接沉积在透明衬底6403的表 面上，所述方法如美国乔治亚州PhosphorTech of Lithia Springs 开发和使用的电泳沉积方法。
回到图62C，其示出了图64A和64B的漫射罩的好处，可能希望 通过降低源面积而不明显降低提取效率生产更高亮度的源。如果提取 效率的降低少于面积的减少，则这是可能的。该面积减少导致PT的降 低，其表现为曲线6253。对于具有共形磷光体源的LED，如果曲线 6253的导数小于1，尽管有一些流明损耗，但亮度将增加。例如，参 看图62C中建模的远程磷光体系统的效率曲线的斜度，所述曲线有多个部分出现这种情况。如果将曲线上点D的Pt信減半，Pt从大約0. 22
降为O. 11。然而，效率仅从0.66下降到大约0. 58。从而，当P,降低 50%时效率仅下降12%。在这种情形下，以输出损耗8%为代价，亮 度可增加76%。
显然的是，如果用理想的漫射罩使磷光体反射面积的大小降低一 半，这将使未覆盖发射磷光体的&值也降低一半。在这样的理想系统 中，P，的值等于PT的初始值乘以发射磷光体面积与覆盖及未覆盖磷光 体的总面积之比。如果漫射罩不是理想的反射器，当然在系统中将有 额外的损耗。然而，有具有99%漫射反射率的材料可用，其由美国 特拉华州W. L Gore & Associates生产。同样，有具有陶瓷或其它填 充物(如二氧化钛)的注模塑性材料可用，其在可见波长具有与Gore 材料类似的漫射反射率。这些混合塑性材料的优点在于它们可用于以 低成本制造高度精确的零件。这样的材料目前用于制造背光中使用的 混合室。具有与上述材料类似的反射率的高反射率镜面反射镜也可 用，且还可用作罩。美国明尼苏达州的3M Corporation在它们的 Vikuiti生产线中生产薄膜，该薄膜适于这种应用。同样，高反射率 全向镜面反射器可用在许多光学厂商的多种衬底上。制造所述反射器 的公司之一是美国加利福尼亚州的JDS Uniphase。
该增加亮度的新方法还可用于非常高效率的LED (其被期望在近 期商用)，具有或没有磷光体，如果这些器件的内部损耗非常低的话。 使用高度反射的反射镜，通过将向器件后部发射的光折转成向前，LED 已几乎使活性层(其通常各向同性发射)的亮度加倍。在理想LED中 (没有损耗机制)，前表面上的孔径光阑，如镜面或漫射反射镜，将 增加所述器件的亮度。同样，在具有共形磷光体的PCLED的情况下， 不需要磷光体层位于漫射罩的下方，因为所述器件预计将同等地反射 所有波长。此外，该方法不限于特定颜色或波长的LED。
目前显然的是，高于在此所述的亮度增强的使用，本发明的远程 磷光体实施例相对现有商用PC LED具有确定的优点。图62C中的两 个点A和B表示对分别具有平坦和圆顶罩的高性能PC LED其效率随Pi变化而变化。这些代表PC LED领域的状态。如果将这样的LED建
模为Pt的函数，可以看出，它们的效率曲线(落在同一曲线上)在
PT的有用值处非常陡。减少这些LED的反射面积实际上降低了亮度并 大大降低了提取效率。
覆盖磷光体片6401的部分的漫射反射器6402可设想变为磷光体 片的完全包围罩，实质上去除图64B中所示的正方形切口。相反，图 65A为远程磷光体系统6500 —部分切掉的立体图，其包括辐射到第 一准直器6502 (在此示为圆形CPC)内的蓝光LED6501，所述准直器 使其光在输出顶面6502t准直。长通二向色反射器6503位于与准直 器6502成45度角处，其将所有短波长蓝光向下反射到第二 CPC6504 中，同样为圆形及具有同样的10°受光角。该"最蓝"光到达厚的 磷光体片(未示出)，所述厚磷光体片由白光反射器6505封闭，从 而实质上所有这样的蓝光被完全转换为效能高得多的黄光。光致发光 黄光向上发射到CPC6504内，并被校准在传统全波长对角线反射器 6506上，其后形成黄光输出光束6507。通过滤光片6503的较长蓝光 波长将形成蓝光输出光束6508。这些蓝光和黄光光束可由图40-50 的任一多波长方法重新结合。它们分开使用可分开空间调制，以用彩 色图象将重新结合的光束形成图案。空间调制器，如液晶显示器，对 图象形成领域的技术人员是公知的。
图65A的延伸圆柱6509是所述器件的实际外表面的典型情形， 其中滤光片6503夹在分开的片状透明电介质圆柱和实体电介质三角 柱6506p之间，这防止来自CPC6502和6504的准直的光被偏转(经 滤光片6503表面处的折射)。实体电介质三角柱6506p还能支持反 射器6506。实施例6500还可构造成具有开放反射器，在这种情形下， 实体电介质三角柱6506p不再需要。
图65A的白光反射器6505也可在其中包含用于管理磷光体转换 过程中产生的热量的装置。这样的装置的许多变化，其可经被动或主 动冷却原理起作用，对热工程领域的技术人员是公知的。远程磷光体 相对传统共形磷光体具有热优点，因为其与源的热量隔离。进一步地，
84源也具有热优点，因为更少的黄色磷光体光返回到磷光体部分吸收， 随之发生的热量也更少。同样，磷光体自身产生的热量不被增加到源
的热量中。该热量可被例示，对于产生300mW蓝光的1瓦特LED，产 生700mW的热量。如果该蓝光的三分之二被吸收，即200mW，则其约 10%变为磷光体中的热量，剩下180mW用于激励。黄光的较长波长意 味着所述激励只有85% (153mW)变为光能，其余15% (27mW)为热 量，从而总热负荷为47mW。在共形磷光体中，至少三分之一的黄光 在芯片中吸收，总共100mW的额外热量，比单独芯片的情况增加14 %。在远程磷光体中，47mW/mm2的热通量等于50sun，因而将需要额 外的冷却措施，因为空气自由对流太弱(30"C温差去除lsim热量) 从而不能单独通过磷光体片自身的表面冷却磷光体片。图63A和63B 的圆形CPC6303上的磷光体片面积相对LED增加5%，则其热负荷降 低到10sun。尽管如此，忽略该问题将导致磷光体过热条件，如果没 有去除多余热量的装置，这将危及由注模塑料制成的电介质CPC的结 构完整性。或者，电介质光学部件6303可由高工作温度材料制成， 其比用于光学组件的典型塑料具有更高的传导性和热扩散能力。例 如，石英具有3 W/m°K的热传导率，而丙烯酸树脂的热传导率为 0.18W/mflK。同样，玻璃的热扩散系数远高于塑料，石英比塑料高10 倍以上。对于基于电介质的远程磷光体实施例，可采用其它手段从远 程磷光体去热。再次回到图64A和64B，罩6402可以是多层罩，内 反射层由高热传导率陶瓷材料制成，外层由铜或其它高传导率材料制 成，适当保护以免受环境影响。陶瓷和/或铜层可延伸到比孔径更宽 的地方，甚至可包括热交换结构件如散热片。也可采用主动冷却，如 在大多数个人计算机中发现的那样，用高度可靠的微型风扇强迫空气 流动。
再次回到图65A，用漫射白光反射器6505完全包围磷光体片的 外表面的另一优点存在于透明磷光体使用具有非常小散射的单晶形 成的情况。该材料的高折射率(1.8)导致广泛的光截留，当光必须 经过其时，这使得其比散射磷光体更没用。但使用与透明磷光体接触的漫射反射器，通过反射器的散射消除光截留。因而，磷光体周围的 漫射反射器相对使用透明磷光体的现有技术特别有利，所述透明磷光
体可从北卡罗来纳州Charlotte的Baikowski International Corporation购得。这很重要，因为所述磷光体比传统散射磷光体具 有更高的量子效率(95%对90%)。同样，透明磷光体非常硬和结 实，与传统磷光体的粉末形式不同。因此，为了更好的光学接触，可 将其放入注模然后在其上模制反射白光罩。
图65A的二向色反射器6503由图66A描述，其所示的图表6600 具有代表以纳米为单位的波长的横轴6601及左边代表反射率和相对 强度的纵轴6602R、右边代表透射率的纵轴6602T，在这样的非吸收 滤光片中，这些总计为1的反射率。滤光片反射率函数6603，其描 述长通滤光片6503的波长特性，包括延伸到465nm的全反射部分 6603h。该波长仅稍长于蓝光LED光谱6604的458nm峰值。滤光片函 数6603的陡峭部分6603c在475nm时几乎下降到零。位于6603c右 边的蓝光光谱部分6604将成为图65A的输出光束6508的一部分。该 光具有来自图65A的蓝光LED6501的所有蓝光波长的最高效能。然而， 其现色性并不差。也就是说，仅使用越过470nm (而不是图11B中滤 光片的500nm)的蓝光将保持良好的色度色移及良好的现色性。当蓝 光照过磷光体片时，约一半的未吸收蓝光非常短，相比超过470nm的 蓝光波长，接近紫光的波长效能低10倍以上。因而，使用部分波长 用于透射及使用所有其余波长用于发光相比使用所有蓝光波长的情 形具有出众的效能，使用所有蓝光波长的情形忽略了效能的巨大差升。
图65B为另一远程磷光体系统6510的侧视图。蓝光LED6511辐 射到第一准直器6512内形成蓝光光束b。倾斜的反射镜6513，其对 较长波长透明及部分反射蓝光波长，反射短波长的蓝光，类似于图 65A的滤光片6503。该短波长光被示为光束s，其进入第二聚光器6514 (在该图中示为CPC)并被聚集在磷光体片6515上，磷光体片底部 由白光反射器(未示出)包围，使得所有黄光向上行并由CPC6514校准为黄光光束y。对角线黄光反射器6516以与长波蓝光输出光束bL 一致的方向发出黄光光束y， 二者包括具有均匀亮度和色度白光窄角 (±10° )输出光束。辅助反射镜6517再循环未吸收的短波蓝光使 其回到CPC6514内。LED6511的正方形形状及其随后的CPC6512的不 完全填充是该优选实施例遭受的位于亮度减量。同样还示出了用于 LED6511的大热交换器6518及用于磷光体片6515的小热交换器 6519。虚线6510g指示类似于图39B的间隙398和399的小间隙，并 可用较低折射率的材料如硅酮填充，因为它们的功能仅为倾斜射线。 使用这样的材料而不是气隙大大降低了在法线入射与其交叉的任何 射线的菲涅耳反射率。例如，如果CPC6502和CPC6504的材料的折射 率大约为1. 49，则硅酮液体或凝胶应具有大约1. 43的折射率。
滤光片6513也可是长通滤光片，其对部分或所有蓝光波长具有 部分反射能力。图66B所示图表6610具有代表以纳米为单位的波长 的横轴6611及左边代表反射率的纵轴6612R和右边代表透射率的纵 轴6612T。反射率函数6613包括水平段6613，其表明滤光片6513怎 样在较长波长时透明及对蓝光LED6511的波长反射70%，从而30% 的蓝光将透过滤光片6513并直接退出所述器件。其余70%的蓝光将 被滤光片6513反射，最终到达磷光体片6515。从磷光体转换的黄光 返回到蓝光短通滤光片6516并由滤光片6516反射和退出所述器件。 反射镜6517将到达其的任何蓝光再循环回到磷光体片6515进行可能 的转换。 .
图65C示出了另一远程磷光体系统，其在同一平面具有磷光体片 和LED。远程磷光体系统6520包括蓝光LED6521、在该图中示为 CPC6522的圆形对称光学部件、对角线全波长反射镜6523、对角线青 光反射带通滤光片6524、在该图中示为CPC6526的具有对角线全波 长反射镜6525的第二圆形对称光学部件、及对角线黄光反射器6528。
图65C的青光反射器6524具有图66A的滤光片反射率曲线6605， 使得其透射激励磷光体的短波长蓝光及因而发射的黄光，其具有曲线 6606所示的光谱分布。反射器6524仅将长波长蓝光反射到由其及反射镜6528向上反射的黄光形成的白光输出光束。图65C的平面镜再 循环滤光片6524向下发送到其的任何光并将这些光发送回到滤光 片，滤光片继而改变所述光的方向使之回到反射镜6525，所述光最 终终止于磷光体片6515，在那里所述光具有另一被转换的机会。
图65C的滤光片6524也可是长通滤光片，如图66C所示，其所 示的图表6630具有代表以纳米为单位的波长的横轴6631及代表反射 率的纵轴6632。滤光片函数6633包括指示对部分或全范围的蓝光波 长部分反射30X的水平段6633h，如先前所述，及包括陡峭的截止陡 壁6633c。虚线6636示出了图65C的黄光滤光片6528对于磷光体的 谱函数6635的反射率。
图65C的包括滤光片6528、 6524和反射镜6529的组件可关于连 接反射镜6523和6525的中心的线确定的轴旋转。如果该组件关于所 述轴旋转90度，则退出远程磷光体系统6520的光将在垂直于初始方 向的方向。如果希望远程磷光体系统6520的高度最小，如有时建筑 凹室应用所要求的那样，这是非常有用的构造。同样，机械旋转节可 包含在6520内以使能旋转定位该组件，使得输出光束的方向可关于 所述轴调节。
图65D示出了图65A的备选远程磷光体实施例，其中磷光体片和 LED大约位于同一平面上。图65D示出了远程磷光体系统6530，包括 具有热管理器件6531的蓝光LED6532。来自LED6532的蓝光被导入 第一准直器6533 (在该图中示为CPC)，其将光对准在倾斜的长通二 向色滤光片6534上，该滤光片具有与图65A的滤光片6503 —样的特 性，如图66A所述。二向色滤光片6534位于与准直器6533 (在该图 中示为CPC)成45度角处，将所有短波长的蓝光向左反射到第二倾 斜的长蓝通二向色滤光片6536 (不可见)内。滤光片6536具有与滤 光片6534 —样的波长特性。滤光片6536将短波长蓝光向下反射到光 学部件6537，其继而将光聚集在厚的磷光体片6538上，所述磷光体 片由白光反射器6539包围，使得实质上所有这样的蓝光均被转换为 效能高得多的黄光。白光反射器6539包括热管理元件如具有散热片的热交换器。转换的黄光向上发射到光学部件6537并被对准在倾斜
的长蓝通滤光片6536上，其后形成黄光输出光束6540。通过滤光片 6534的较长波长的蓝光将形成蓝光输出光束6541。蓝光和黄光光束 可由图40-50的任一多波长方法重新结合。同样还示出了实体电介质 三角柱6542，其具有侧面6535。棱柱6542防止来自准直器6533和 6537的平行光在滤光片6534和6536的表面偏转。或者，实施例6530 可被构造成具有开放反射器，在这种情形下，棱柱6542不再需要。
图65E是图65B所示实施例的备选结构，但LED和磷光体片位于 同一平面上。图65E示出了远程磷光体系统6545，包括具有热管理 器件6561的蓝光LED6550。来自LED6550的蓝光被导入第一圆形对 称准直器6551 (在该例子中示为CPC)，其将光对准在长通滤光片 6555中，对来自蓝光LED6550的部分或所有波长蓝光部分反射。滤 光片6555让预定部分的蓝光通过并将剩余部分的蓝光反射到全波长 反射器6556。未被滤光片6555反射的蓝光，作为平行蓝光光束b 6557 退出。到达全波长反射器6556的光向下转90度进入圆形对称聚光器 6559 (在该例子中示为CPC)，在那里光到达厚的磷光体片6560，该 磷光体片的底部由白光反射器包围(未示出)，从而所有黄光均向上 行并由6559对准。全波长反射镜6556改变该平行光的方向使其到达 蓝光短通滤光片6553 (与所述反射镜成45度角)，将磷光体片发射 的所有黄光和较长波长作为平行黄光光束y 6558反射出所述装置。 蓝光光束b 6557及黄光光束y 6558结合以产生白光。反射镜6554 再循环未被滤光片6553经全波长反射器6556和光学部件6559反射 回到磷光体片6560的蓝光以进行可能的转换。虚线6562指示在不同 组件之间需要气隙的地方，所述气隙与图39B的间隙398和399类似。
图66D所示图表6640具有代表以纳米为单位的波长的横轴6641 及代表反射率的纵轴6642。滤光片函数6643，其对应于图65E的滤 光片6555，包括指示对部分或全范围的蓝光波长部分反射70%的水 平段6643h及包括陡峭的截止陡壁6643c。虚线6646是图65E的滤 光片6553的反射函数，成形为配合磷光体光谱6645。
89热管理器件6561被示作蓝光LED6550和磷光体片6560共用。然 而，在实践中，在该器件中可以有热中断，使得磷光体片不接收大量 从LED回来的热量，反之亦然。
远程磷光体系统的效率与其二向色滤光片的效用有关。为说明一 个真实滤光片例子的性能，实际的光谱透射率测量数据已由其制造商 -美国加利福尼亚州的JDS Uniphase使得可用。所述性能及与该滤光 片有关的其它规约由发明人提供给该公司，以在图63A和63B中所示 实施例中由发明人设计的实际远程磷光体系统中起作用。图67所示 图表6700具有代表浸入波长的横轴6701及代表透射率的纵轴6702。 理论性能由实线6703指示，测得的性能由虚线6704指示。同样还示 出了虚线6705，其表示在n=l. 5的电介质内在10°入射角测得的性 能，和本发明几乎一样。透射光谱区T包括99.3-99.9X的值。反射 光谱区R包括99.9%的反射率，具有不可测量的小的吸收。这论证 了本发明的可行性。
虽然圆形CPC的效率出众，但可能在非再循环设计中使用正方形 CPC，以图48的方式使用波长变化的滤光片。为避免正方形与圆形失 配，可能改变图60A的结构并导致大CPC62具有更大的受光角如14° 或15° ，分别导致98%和99%的传送效率(而10°时为85%)。 图68A为远程磷光体系统680的立体图，包括蓝光LED681、 10°电 介质交叉CPC682、蓝通滤光片683、 15°电介质交叉CPC684及磷光 体片685，所述磷光体片比LED681大50%。不幸地，CPC683对于来 自磷光体片685的再循环光仅具有90X的效率R。因而，下述更实际 的非再循环设计使用10°和15°正方形CPC，它们被示为具有单一 LED和磷光体片，但多个蓝光LED同样可被示出，如图10A。
图68B为长方形截面的CPC6810。延伸在边缘6812和6817之间 的面及延伸在边缘6814和6816之间的相对面成形为线性挤压的CPC 轮廓。同样，延伸在边缘6813和直线6819之间的面和延伸在边缘 6811和直线6820之间的相对面成形为线性挤压的CPC轮廓。直线6819和边缘6815之间的表面及直线6820和边缘6818之间的相对表 面为平坦表面。
图69A为远程磷光体系统690的侧视图。蓝光LED691照入 CPC692，其将光对准到具有士 a (在此为10° )散度的蓝光光束b。对 角线反射镜693将这些射线横向发送到上部对角线反射蓝光的反射 镜695，其将一部分蓝光向外反射，还发送到对角线反射蓝光的反射 镜694，其改变光的方向使其向下到达更小的第二CPC697，所述第二 CPC是与图68B中所述类似的长方形截面的CPC。磷光体片698接收 由对角线反射蓝光的反射镜694反射的蓝光并将其转换为黄光， CPC697将其对准到通过反射镜694和695的黄光输出光束y (具有更 大的散度士e，在此为15° )。大的热交换器699L冷却蓝光LED691， 而小的热交换器699S冷却磷光体片698。虚线指示与图39B的间隙 398和399类似的微小气隙。该结构具有光学缺陷，黄光和蓝光输出 光束将不适当地组合，因为它们具有不同的散度ct和^ 。更小尺寸 的上部反射蓝光的反射镜695意味着光束在空间上不均匀。
图69B示出了同样的系统，但增加了全息漫射器690d，其使来 自CPC692的±10°蓝光加宽，使得其发散角等于来自CPC697的 ±15° 。反射蓝光的反射镜695必须足够长以将所有这样的蓝光向出 口反射。现在，两个光束将在远场结合以形成白光。然而，在近场， 两个光束不重合。
图69C示出了同样的系统，但上部蓝光反射镜被示为分为两个更 小的反射镜695s。进一步地，拆分为小的以至不能辨别的多个反射 镜将给出空间上均匀的白光输出。
图70示出了远程磷光体系统7000。由大的热交换器7011冷却 的蓝光LED7010照入第一CPC7020，其将光对准到具有士IO。散度的 射线b。对角线反射镜7030透射该光的部分，其后，所述光由漫射 器7040扩展到±15°散度。之后，其通过反射黄光的对角线反射镜 7050并退出。对角线反射镜7030还将射线b的一部分横向反射到反 射蓝光的对角线反射镜7070，其将它们向下反射到第二CPC7080，第二 CPC继而将它们聚集到磷光体片7090 (由热交换器7091冷却)上。 对角线反射镜7030可以是常规的分束器(约2/3反射、1/3透射)， 也可是如图66D中所示的分束蓝光反射镜，其为部分反射短波长的长 通滤光片。由于第二 CPC7080具有与第一 CPC7020相等的孔径但具有 更大的受光角，磷光体片7090也成比例地更大。相比第一CPC7020， 棒7081补偿第二 CPC7090的更短的高度。虚线指示与图39B的间隙 398和399类似的微小气隙。由磷光体片7090产生的光致发光黄光 照入CPC7080，其将所述黄光形成具有±15°散度的射线y，射线通 过反射蓝光的对角线反射镜7070并到达对角线折转反射镜7060，从 而横向反射到反射黄光的对角线反射镜7050，其将射线向上反射以 与蓝光输出结合从而形成空间及角度均匀的白光输出。虚线指示用较 低折射率材料如硅酮填充的气隙。它们的74°临界角足以反射倾斜 射线。
图71为基于图70的实施例的远程磷光体系统7100的立体图， 将多个蓝光LED和多个磷光体片的输出组合为单一、高度均匀的窄角 白光光束。例如，这样的系统可有利地应用于汽车头灯。蓝光LED7110 排成4X4阵列，每一 LED连接到小的交叉CPC7120，继而所有CPC 连接到长方形混合管道7130。对角线部分蓝光反射镜7140位于其上， 所述反射镜将部分蓝光横向反射到对角线蓝光反射镜7150，从那里 向下到大CPC7160，该CPC将蓝光聚集到磷光体片7170上。它们的 黄光由大CPC7160平行校正并通过对角线蓝光反射镜7150到达对角 线折转反射镜7180并因而向内横向反射。对角线蓝通黄光反射镜 7190以与蓝光重合的方式发出黄光(其由漫射器7195加宽)以形成 白光输出光束。所有LED和磷光体片方便地位于同一平面中。
在经更大量的蓝光LED获取更高的功率时，对于图63A和63B的 实施例，电介质CPC被证明体积太大且昂贵。而可使用图6C的锥形 体和透镜方案。因而，图72A示出了远程磷光体系统7200，具有32 个蓝光LED7201，每一LED具有其自己的交叉电介质CPC7202，在滤 光片和反射镜平面7203上排成不完全正方形。该结构使所述平面的77%可被覆盖，不同于完全正方形情形的64%。大的反射锥形体7205 被示为一部分切掉，以显示具有正方形中心孔7207的磷光体片7206， 所述孔具有与32个LED7201 —样的面积。锥形体7205具有金属底座， 连接到径向热交换器散热片7210。锥形体7205不限于使用反射箔所 要求的锥形截面，其也可具有特制截面，如可用注模制造。非成像光 学部件领域的技术人员已知的所述特制形状通常连同透镜7204 —起 设计，如图72B中所示。这样的组合透镜/反射器光学部件可接近理 论极限运行。为了实现这样的高性能，折射透镜应被完全涂覆多层及 反射器对所需波长应具有接近100%的反射率。涂覆多层的高透射率 透镜可从多个来源获得。不可展表面上的非常高反射率的涂层可从工 业源获得。同样， 一些高反射率薄膜如可从美国明尼苏达州3M公司 获得的薄膜已成功模制成不可展形状。这样的薄膜也可用于制造锥形 反射器，如锥形体7205，因为锥形体是可由扁平薄膜制成的可展表 面。
图72B为远程磷光体系统7200的另一立体图，其示出的小的交 叉电介质CPC7202、反射器锥形体7205、折射透镜7204及热交换器 散热片7210。同样还示出了中心磷光体孔7207，其由漫射反射器7206 包围，由连接到散热片7210的高度传导的材料支撑，所述材料用于 从磷光体片7206传导去除5瓦特的无用热量。该系统应能够产生约 4000流明，亮度为40 candela/mm2，仅次于弧光灯。
图73A示出了侧向发射远程磷光体系统的优选实施例，其具有分 开的短和长波输出端口。图73A的远程磷光体系统7300使用图68A 的原理，其中第二光学部件的受光角大于连接到蓝光LED的光学部件 的受光角。在该实施例中，第二光学部件具有长方形截面，而第一光 学部件具有正方形截面。远程磷光体系统7300包括蓝光LED7301， 其辐射到具有受光角7302的第一交叉CPC7313 (或具有正方形截面 的其它准直器)，所述CPC将来自蓝光LED7301的光对准到倾斜的反 射镜7305及具有受光角7308的光学链，从而将光聚集到具有高度反 射的罩和热交换器(二者均未示出)的远程磷光体片7309上。到达倾斜的反射镜7305的所述蓝光的一部分被反射及重定向到短波长输
出端口，其光束输出由箭头7311指示。未到达反射镜7305的蓝光部 分通过所述光学链，该链由倾斜的短通滤光片7306 (如图11A所示) 及长方形交叉CPC7314 (或具有长方形截面的其它聚光器)组成。 CPC7314具有所述比交叉CPC7313的受光角7302大的受光角7308。 从磷光体片7309发出的光由长方形交叉CPC7314向倾斜的短通滤光 片7306对准，其将黄光及较长波长反射到长波长输出端口，该端口 的光束输出由箭头7312指示。长方形截面CPC7314具有上部直部 7310u和下部直部73101及正交方向的扩展部分(未示出)，如图68B 的几何结构。由箭头7311指示的短波蓝光的光束角可被扩散以与来 自长波长输出端口的光的光束角匹配。这些蓝光和黄光光束可由图 40-50的任一多波长方法重新结合。实施例7300的一个优点在于所 述装置不需要任何气隙并可制造为单件。LED7301和磷光体片7309 在垂直方向较薄，使其适于需要该属性的应用。或者，所述装置可被 构造成具有几个气隙及所有光学表面被完全涂覆多层。
图73B为远程磷光体系统的优选实施例，其具有分开的邻接蓝光 和黄光输出端口。图73B的远程磷光体系统7320使用图68A的原理， 其中第二光学部件的受光角大于连接到蓝光LED的光学部件的受光 角。在该实施例中，第二光学部件具有长方形截面，而第一光学部件 具有正方形截面。远程磷光体系统7320包括蓝光LED7321，其辐射 到第一交叉CPC7329 (或每端具有正方形截面的其它准直器)，所述 CPC将来自蓝光LED7321的光对准到倾斜的反射镜7323及漫射器 7324。到达漫射器7324的蓝光部分(粗线)被扩展并作为光束输出 7326离开短波长输出端口。由反射镜7323反射的蓝光部分被倾斜的 黄通滤光片7325再次向长方形截面聚光器7330反射，示为底部上的 CPC部分及顶部的直部。聚光器7330的受光角等于或大于交叉 CPC7329的输出角。交叉CPC7330将蓝光聚集到具有高度反射的罩(未 示出)及热交换器7328的远程磷光体片7322上。从磷光体片7322 向上发出的光由长方形交叉CPC7330向倾斜的长通滤光片7325对准，
94其将黄光和较长波长传输到平坦输出端口 7331以形成黄光光束
7327。对角线棱柱7332光学上连接到滤光片7325，使得在黄光光束 7327离开滤光片的倾斜表面时不被偏转。而是其以法线入射离开， 因而未被偏转。长方形截面CPC7330具有与图68B中所示类似的几何 结构。漫射器7324扩展蓝光光束，使得其孔径张角与来自准直器7330 的黄光的张角匹配。
图73C为图73A所示远程磷光体系统侧向发射实施例的备选结 构，其具有一个共用输出端口。图73C的远程磷光体系统7340使用 图68A的原理，其中第二光学部件的受光角大于连接到蓝光LED的光 学部件的受光角。在该实施例中，第二光学部件具有长方形截面，而 第一光学部件具有正方形截面。远程磷光体系统7340包括蓝光 LED7341，其辐射到具有受光角7342的第一交叉CPC7347 (或每端具 有正方形截面的其它准直器)，所述CPC将来自蓝光LED7341的光对 准到倾斜的反射镜7344及具有受光角7343的光学链，从而将光聚集 到具有高度反射的罩和热交换器(二者均未示出)的远程磷光体片 7342上。反射镜7344可双重弯曲和/或空间上漫射，使得反射在其 上的蓝光的孔径张角从7342增加到7343。到达倾斜的反射镜7344 的所述蓝光的一部分被重定向到输出端口，其光束输出由箭头7345 指示。未到达反射镜7344的蓝光部分通过所述光学链，该链由倾斜 的短通滤光片7348及长方形交叉CPC7346 (或每端具有长方形截面 的其它聚光器)组成。CPC7346具有所述比交叉CPC7347的受光角7342 大的受光角7343。从磷光体片7342发出的光由长方形交叉CPC7346 向倾斜的短通滤光片7348对准，其将黄光及较长波长反射到所述输 出端口，该端口的光束输出由箭头7345指示。实施例7340的一个优 点在于所述装置不需要任何间隙并可制造为单件。或者，所述装置可 被构造成在CPC7347的较宽端和CPC7346的较宽端具有间隙及在间隙 处的所有光学表面或被完全涂覆多层(在气隙的情况下)或用较低折 射率材料如硅酮填充。这种修改使所述输出端口尺寸最小。上述远程磷光体系统的色温是有多少蓝光被不同滤光片放出的 结果。由于滤光片具有不可改变的谱反射函数，该色温不易于调节。 因而，下述五个优选实施例具有增加第二蓝光LED的手段，使得来自
第一蓝光LED的所有光完全由磷光体吸收。之后，随着第二 LED的输 出增加或第一LED的输出降低，色温上升，所述第一LED的输出向磷 光体提供能量。
图74示出了远程磷光体系统7400，包括第一蓝光LED7401、光 学上连接到第一 LED的具有10°聚集的第一准直器7402(示作CPC)、 第二蓝光LED7403、光学上连接到第二 LED的具有15°聚集且方向正 交于第一准直器7402的第二准直器7404、倾斜的短通滤光片7405 (如图11A所示)、从第一准直器7402接收光线bl并将它们聚集到 具有高度反射的罩和热交换器(二者均未示出)的磷光体片7407上 的聚光器7406 (示作CPC)。在射线bl的光刺激下，磷光体7407辐 射黄光，其由聚光器7406 (用作相反方向射线的准直器)校准为光 束y。倾斜的短通滤光片7405反射与直接来自第二准直器7404的射 线b2重合的所述黄光。相对于第一准直器7401的输出改变第二蓝光 LED7403的输出将导致重合输出光束y和b2的白光的色温的伴发变 化。
图75示出了类似的系统，但两个LED和磷光体片便利地在同一 平面中。远程磷光体系统7500包括第一蓝光LED7501、光学上连接 到第一 LED的将光校准到10°的第一准直器7502 (示为交叉CPC)、 倾斜的长通滤光片7503、倾斜的全波长反射镜7504、具有15°受光 角的聚光器7505 (示为交叉CPC)、具有高度反射的罩和热交换器(二 者均未示出)的远程磷光体片7506、第二 LED7507、将光校准到15° 的准直器7508、扩展器-混合器部分7509、倾斜的短通滤光片7510、 及具有窄隙7512的五个对角线棱柱块7511，所述窄隙优选使用低折 射率硅酮填充。平行白光输出光束7520由两个重合光束组成，即来 自磷光体的黄光及来自第二蓝光LED7507的蓝光。其色温由两个蓝光 LED的相对输出控制。图76示出了图75的备选实施例，其中两个LED和磷光体片位于 同一平面中，但输出光束位置在中央。远程磷光体系统7600包括第 一蓝光LED7601、光学上连接到第一 LED的将光校准到10°的第一准 直器7610 (示为交叉CPC)、倾斜的全波长反射镜7605和7606、具 有15°受光角的聚光器7609 (示为交叉CPC)、具有高度反射的罩 和热交换器(二者均未示出)的远程磷光体片7603、第二LED7602、 将光校准到15°的准直器7612、扩展器-混合器部分7604、倾斜的 短通滤光片7607、及具有窄隙7611的五个对角线棱柱块7613，所述 窄隙优选使用低折射率硅酮填充。平行白光输出光束7608由两个重 合光束组成，即来自磷光体的黄光及来自第二蓝光LED7602的蓝光。 其色温由两个蓝光LED的相对输出控制。
图71的实施例示出了 LED阵列和磷光体片阵列通过图70实施例 教示的原理的逻辑延伸可怎样被组合为单一输出装置。所述逻辑延伸 可应用于在此教示的所有远程磷光体系统实施例，但具有分开的短波 和长波输出端口的那些实施例如图65A和65B所示实施例除外。在这 些情形下，LED阵列和磷光体片阵列可被调节，但需要有至少两个输 出端口。
为进一歩说明具有单一输出端口的远程磷光体实施例可怎样逻 辑延伸到包括组件阵列，为此提供图77所示的实施例。该实施例基 于图75教示的原理。图77示出了具有位于同一平面上的八个LED和 四个磷光体片的系统。远程磷光体系统7700包括第一阵列蓝光LED
7702、 光学上连接到所述第一阵列的将光校准到10°的第一阵列四 个准直器7706 (示为交叉CPC)、倾斜的长通滤光片7709、倾斜的 全波长反射镜7708、具有15°受光角的四个聚光器的阵列7707 (示 为交叉CPC)、四个远程磷光体片的阵列7701，每一远程磷光体片具 有高度反射的罩和热交换器(二者均未示出)、第二四个LED的阵列
7703、 将光校准到15°的四个准直器的阵列7704、扩展器-混合器部 分7705、倾斜的短通滤光片7710、及具有窄隙7713的五个对角线棱 柱块7711，所述窄隙优选使用低折射率材料如硅酮填充。来自单一输出端口的平行白光输出光束7712由两个重合光束组成，即来自磷
光体的黄光及来自第二蓝光LED阵列7703的蓝光。其色温由两个蓝 光LED阵列的相对输出控制。
图77的实施例也可采用其它混合结构。例如，四个远程磷光体 片的阵列7701可被组合为一个磷光体片，其通过将四个聚光器的阵 列7707转换为单一准直器实现。该原理在图71中由大CPC7160图示， 其中两个大CPC7160中的每一个接受来自四个蓝光LED的光。
具有远程磷光体系统是有益的，其中白光的色温容易调整为包括 值范围。这样的远程磷光体系统使其色温能够调整以满足或制造过程 期间或随后在现场的技术要求。同样，这些系统可包括测量装置的当 前色温的反馈环路，并可被构造成具有将该色温调节为所需值或调节 到值范围内的电子装置。这是有利的，因为蓝光LED可在其寿命期限 内改变特性。图78、 79和80的实施例示出了实现该目标的几种方式。 图78示出了怎样使用与图73C类似的非再循环远程磷光体系统实现 所述目标，而图79和80的实施例使用新的原理，即黄光部分再循环 及部分非再循环。可能构造这样的系统以获得非常高的亮度。
图78示出了远程磷光体系统7800，其使所发射的白光的色温可 调，这通过调节两个蓝光LED的通量输出的比实现。该实施例基于图 73C中教示的原理，在该实施例中，蓝光LED7341、准直器7347和倾 斜的短通滤光片7348分别由LED7801及7802、准直器7807及7808、 和倾斜的短通滤光片7803代替。由蓝光LED7801发射的蓝光由反射 镜/漫射器7805部分反射，所述反射镜/漫射器使该光扩散使得其与 来自准直器7810的黄光的孔径张角匹配。同样还示出了可选混合部 分7809，用于使从准直器7810接收的光均匀。黄光磷光体7804接 收来自蓝光LED7802和7801的光，因此所发射白光的黄光分量取决 于两个蓝光LED的输出。然而，所发射白光的蓝光分量近源自蓝光 LED7801的蓝光在反射镜/漫射器7805处的反射。相对于蓝光LED7802 改变蓝光LED7801的输出使能相当大地控制所反射白光7806的色温。图79示出了远程磷光体系统7900，其具有可调的色温及采用具
有部分再循环和部分非再循环的混合系统。远程磷光体系统7900包 括三个蓝光LED7903及两个磷光体片7901和7902，所有这五个元件 均共平面。接收来自中央蓝光LED7903的蓝光的准直器7917被构造 成使得其受光角等于聚光器7914和7912的受光角。在该实施例中， 该受光角被设为15。，及7917、 7914和7912的外形被示为CPC。实 施例7900还包括右边的三角形短通滤光片7908、全波长折转反射镜 7904和7905、倾斜的长通滤光片7906和7907、完全涂覆多层(在 气隙情况下)或填充低折射率材料的间隙7910、及输出端口 7911。 来自中央LED7903的蓝光由准直器7917校准，其将所述蓝光引到混 合器部分7916，所述混合器部分也可构造为与图75的部分7509类 似的扩展器-混合器部分。来自混合器部分7916的蓝光透过低折射率 间隙(示为虚线)及三角形短通滤光片7908，继而退出输出端口 7911。 来自右边和左边蓝光LED7903的光分别由准直器7913和7915及长通 滤光片7907和7906校准，继而每一蓝光光束由全波长折转反射镜 7905和7904引入具有出口的光学链，所述出口具有远程磷光体片。 每一磷光体片将具有高度反射的罩且通常具有热管理装置(二者均未 示出)。在这点上，7900的每一半与图75的实施例一样运行，因为 磷光体转换的光被校准和重定向到全波长折转反射镜7905或7904， 继而水平方向反射。在图75的实施例中，所有水平的光均被引到输 出端口。在系统7900中，只有到达三角形短通滤光片7908的射线才 退出输出端口。未退出的水平方向的光行进到装置的另一半，继而被 全波长反射镜反射，最终聚集到相对的磷光体片上。到达磷光体片 7901和7902的黄光及较长波长光将被散射、校准和重定向朝向三角 形短通滤光片7908，继而其一部分或退出输出端口或被再次再循环。 由三角形短通滤光片7908截取的光部分可通过选择准直器7917 和扩展器-混合器7916的适当形状和受光角进行调节。例如，如果准 直器7917和混合器7916用准直器7508和扩展器-混合器7509代替， 则每次通过时由短通滤光片7908截取的光部分将为50。％。系统7900的色温可通过相对于为磷光体转换设计的两个蓝光LED的通量改变
7903的中央蓝光LED的通量输出进行调节。
为实现系统7900的最大效率，每一组件的光学传输效率均很高 非常重要，特别是在再循环模式下更是如此。这可在正方形截面准直 器/聚光器中通过使用比交叉CPC更理想的光学部件实现，所述光学 部件通常由具有恒定折射率的材料制成。非成像光学部件领域的技术 人员已知有几种方法可满足该条件。 一种方法是在交叉CPC的壁中引 入波纹，通过使用优化算法改变这些波纹的形状实现解决方案。另一 种方法是设计光学部件，假设其没有恒定的折射率。可变折射率解决 方案在Elsevier于2005年出版的、R. Winston、 J. C. Minano和 P. Benitez所著Nonimaging Optics书的第6章给出，其通过引用 而全部包含于此。在这两种方法中，光学部件的每一端均为正方形， 而中间部分可以也可不是正方形。基于非成像光学部件领域技术人员 己知的这些及其它方法的光学准直器和聚光器可用于在此描述的任 何实施例。
图80示出了远程系统8000，其为图79的备选实施例，其中不 需要全波长折转反射镜7904和7905。该实施例相比图79的实施例 具有进一步的优点，即组件的数量可以更少。远程磷光体系统8000 包括蓝光LED8012、正方形截面准直器8010， 二者均在左侧，还包括 具有准直器8004的可调蓝光LED8001、磷光体片8003 (具有高度反 射的罩及散热片，未示出)及相关联的正方形截面聚光器8005、可 选混合室8006、全波长反射镜8008、倾斜的短通滤光片8002、输出 端口 8007及间隙(示为虚线)。输出端口 8007的通量由通量箭头 8011表示，其是可调蓝光LED8001和反射的黄光及来自短通滤光片 8002的较长波长的组合输出。由短通滤光片8002反射的未退出输出 端口 8007的光由全波长反射镜8008反射并回到短通滤光片8002， 继而其被反射到可选混合室8006、聚光器8005的光学链，最后回到 磷光体片8003。磷光体片8003接收该未退出的光，使其散射和再循 环。图80的实施例被构造成具有两个蓝光LED8012，但通过将更多 成对的元件8010和8005添加到竖直的堆叠可容易地进行扩展。同样， 蓝光LED8001也可构造为更大的LED阵列，这通过应用图77实施例 的原理添加更多的LED和准直器8004实现。
图77示出了具有多个LED和磷光体片的优选实施例，足以使得 易于预见具有更大数量的LED和磷光体片的优选实施例，其很难清楚 地图示，如图72A所示。这些磷光体片发射绿光而不是传统的黄光类 型也是可能的，及增加一些红光LED也是可能的，如上结合图10E所 述。部分蓝光LED刺激绿光磷光体而其它蓝光LED直接贡献输出光束 也是可能的。红光LED或可位于图77的第二 LED阵列7703中，在这 种情形下，正位于红光LED上方的短通滤光片7710必须改为长通滤 光片以使红光能被透射而反射绿光磷光体的波长。或者，红光LED可 位于第一 LED阵列7701内。后一方法不需要系统改变滤光片。
绿光磷光体相比图40-51的优选实施例中使用的绿光LED更有 利，这是因为其出众的效能(绿光LED目前比蓝光LED具有低得多的 外部量子效率，从而绿光磷光体的转换损耗小很多)及因为其具有更 宽的波长范围。这导致更好的现色性及眼睛纵向彩色色差的较小颜色 分离，其在如投影电视和背光的成像应用的传统窄带RGB LED中产生 明显的伪影。这样的波长扩展在所述方法中使用蓝光和红光LED也可 能实现，其通过使用450nm和472nm蓝光LED，许多红光波长中的几 个可用，如610、 625和640nm。这样的多波长光源可颜色连续模.式 运行，具有红光、绿光和蓝光输出，每一输出单独供电三分之一的电 视帧时间以照亮单色空间调光器，如LCD。这些具有比传统白光彩色 LCD (3-5%)高得多的吞吐量(30-50%)，所述传统白光彩色LCD 具有低效率颜色滤光片，其浪费了大多数输入白光。
为增加亮度，图77的多LED方法可应用于图79和图80的再循 环结构，图79和图80仅示出了单一LED。 LED的有力冷却使它们能 被过驱动以获得最大光度，而高效再循环使能使用甚至比图79中的 孔更小的孔，而不过多牺牲总光度。该方法使能实现弧光灯的亮度等级(300 cd/mm2平均值)，而没有弧光灯那样的成本、体积、易碎性、
高温及短寿命。弧光灯还需要混合及冷凝光学部件(最多普普通通的 光学效率)以克服其非均匀的亮度及缺乏清晰边界，从而导致低很多
的可使用亮度。然而，本发明在窄角(±15° )光束中传递最大亮度，
其具有高空间均匀性及非常清晰的边界，且光学效率不低于弧光灯。 此外，固态照明系统对一般照明提供可调输出色度及对投影电视提供
颜色连续照明，而没有现有技术RGB LED系统的不利窄带光谱。
本说明书描述了各个光学部件及将它们结合为构件块的几个实
施例。这些元件及它们的组合的一个共同主题是通过光束扩展量守恒
保持光源亮度，其使用了非成像光学原理的新应用。
前面对目前实施在此描述的光学变换器的最佳模式的描述并不
构成对本发明的限制，其仅用于描述本发明的一般原理的目的。本发
明的范围由权利要求确定。
本领域的那些技术人员应该意识到的是，根据这些示教，可实施
另外的实施例，而不背离本发明的精神或范围。本发明仅由下面的权
利要求限定，当连同上面的说明书和附图观看时，其包括所有这样的
实施例和修改。
权利要求
1、多波长光源，包括发射主波长的光的光源；连接到所述光源并校准其光的输入光学系统；中间光学系统，所述中间光学系统构造为具有第一端及在另一端具有出口的聚光器；一个或多个输出端口；将来自所述输入光学系统的平行光的第一部分引到所述一个或多个输出端口中的至少一个及将来自所述输入光学系统的平行光的第二部分引到所述中间光学系统的所述第一端的一个或多个反射镜；形成在所述出口上的磷光体片，所述磷光体片材料的成分使其响应于所述光源产生的光的激发而发光，所述磷光体片发射的光返回通过并离开所述中间光学系统以到达所述一个或多个输出端口中的至少一输出端口。
2、 根据权利要求1的多波长光源，其中所述光源包括至少一发 光二极管LED。
3、 根据权利要求2的多波长光源，其中所述至少一 LED为顶发 射LED或实质上顶发射的LED。
4、 根据权利要求1-3任一所述的多波长光源，其中所述磷光体 片具有薄缘和两个表面，即接收来自所述中间光学系统的光的内表面 及相对的外表面；所述磷光体片还透射来自所述光源的光；高度反射的表面覆盖所述磷光体片的所述外表面，使得已由所述 磷光体片的所述外表面发射的光改为连同所述内表面发射的光一起 返回通过并离开所述中间光学系统。
5、 根据权利要求4的多波长光源，其中所述反射表面被提供有 散热片。
6、 根据权利要求1-5任一所述的多波长光源，其中所述一个或 多个输出端口包括至少两个输出端口，及光输出为来自不同所述输出 端口的两个或多个空间上分开的不同光谱组成的光束。
7、 根据权利要求6的多波长光源，其中光输出为来自不同所述输出端口的两个或多个空间上分开的光束，至少包括一与来自所述光 源的所述光相同光谱组成的光束及一与所述磷光体片发射的所述光 相同光谱组成的光束。
8、 根据权利要求1-7任一所述的多波长光源，其中所述光源和 所述磷光体片位于同一平面上。
9、 根据权利要求1-7任一所述的多波长光源，其中所述光源和 所述磷光体片位于同一轴上。
10、 根据权利要求l-9任一所述的多波长光源，其中所述输入校 准系统和所述中间光学系统位于公共轴上。
11、 根据权利要求i-io任一所述的多波长光源，其中所述输出 端口可关于轴旋转。
12、 根据权利要求11的多波长光源，其中所述光的所述第一部 分及所述发射的光沿所述旋转轴进入所述可旋转输出端口。
13、 根据权利要求1-12任一所述的多波长光源，其中所述输入 校准光学系统具有比所述中间光学系统小的受光角。
14、 根据权利要求1-13任一所述的多波长光源，其中一个或多 个漫射器加宽所述光的所述第一部分的光束发散角。
15、 根据权利要求1-14任一所述的多波长光源，其中至少一所 述输入光学系统和所述中间光学系统的至少一聚光器具有长方形截 面。
16、 根据权利要求1-15任一所述的多波长光源，其中所述光源 是光源阵列，所述出口为出口阵列，及所述磷光体片为磷光体片阵列。
17、 根据权利要求1-16任一所述的多波长光源，其中所述光源 和所述磷光体片被提供有散热片。
18、 根据权利要求1-17任一所述的多波长光源，构造成部分再 循环及部分非再循环。
19、 根据权利要求1-18任一所述的多波长光源，其中所述一个 或多个反射镜包括定位成反射所述平行光的一部分及被所述平行光 的另一部分错过的反射镜。
20、 根据权利要求1-19任一所述的多波长光源，还包括 发射主波长的光的第二光源；及引导来自所述第二光源的光并校准所述光通过一个或多个所述反射镜的第二输入光学系统；其中所述一个或多个反射镜将来自所述第二光源的平行光传到 所述中间光学系统。
21、 根据权利要求20的多波长光源，其中来自第一所述光源的 所述光的所述第一部分与所述光的所述第二部分的比例不同于来自 所述第二光源的所述光的所述第一部分与所述光的所述第二部分的 比例。
22、 根据权利要求20或21的多波长光源，可用作可变色温光源。
23、 根据权利要求20-22任一所述的多波长光源，其中第一所述 光源为光源阵列，所述第二所述光源为光源阵列，所述出口为出口阵 列，及所述磷光体片为磷光体片阵列。
24、 根据权利要求23的多波长光源，其中 所述磷光体片阵列包括一个或多个绿光磷光体片；所述第一或第二光源阵列包括一个或多个红光光源；及对于所述第一光源阵列中的每一红光光源，接收来自所述红光光 源的光的所述反射镜为长通滤光片，其透射来自所述一个或多个红光 光源的红光及将来自绿光磷光体的所述一个或多个磷光体片的光反 射到所述输出端口。
25、 根据权利要求24的多波长光源，其中所述第一和第二光源 及所述磷光体片被提供有散热片。
26、 根据权利要求20-23任一所述的多波长光源，其中所述一个或多个反射镜包括一个或多个倾斜的短通滤光片， 其将波长小于规定波长的所述平行光传到所述输出端口 ，所述规定的 波长位于第一所述光源的光谱内；其中所述一个或多个倾斜的短通滤光片将来自所述第二光源的 波长小于规定波长的平行光传到所述中间光学系统，所述规定的波长 位于所述第二光源的光谱内；其中所述中间光学系统将所述磷光体片发射的光返回到所述一 个或多个倾斜的短通滤光片中的至少一个，及所述至少一倾斜的滤光 片将所述发射的光反射到所述输出端口 。
27、 根据权利要求20-25任一所述的多波长光源，其中 所述一个或多个反射镜包括一个或多个倾斜的短通滤光片，其将波长小于规定波长的所述平行光传到所述输出端口 ，所述规定的波长 位于第一所述光源的光谱内；所述第二输入光学系统将所述光校准到一个或多个倾斜的长通 滤光片；所述一个或多个倾斜的长通滤光片将波长小于规定波长的平行 光反射到一个或多个全波长折转反射镜，所述规定的波长位于所述第 二光源的光谱内；所述全波长折转反射镜将所述平行光反射到所述中间光学系统； 其中所述中间光学系统将所述磷光体片发射的光返回到至少一 所述全波长折转反射镜，所述至少一全波长折转反射镜将所述发射的 光引到至少一所述倾斜的短通滤光片，及所述至少一倾斜的滤光片将 所述发射的光反射到所述输出端口 。
28、 根据权利要求20-25任一所述的多波长光源，其中 所述一个或多个反射镜包括一个或多个倾斜的短通滤光片，其将波长小于规定波长的所述平行光传到所述输出端口 ，所述规定的波长 位于第一所述光源的光谱内；所述第二输入光学系统将来自所述第二光源的所述光校准到一 个或多个倾斜的全波长折转反射镜；所述一个或多个倾斜的全波长折转反射镜将波长小于规定波长 的平行光反射到一个或多个另外的全波长折转反射镜，所述规定的波 长位于所述第二光源的光谱内；所述另外的全波长折转反射镜将所述平行光反射到所述中间光学系统；其中所述中间光学系统将所述磷光体片发射的光返回到至少一 所述另外的全波长折转反射镜，所述至少一另外的全波长折转反射镜 将所述发射的光引到至少一所述倾斜的短通滤光片，及所述至少一倾 斜的短通滤光片将所述发射的光反射到所述输出端口。
29、 根据权利要求28的多波长光源，其中所述倾斜的短通滤光 片截面为三角形。
30、 根据权利要求l-25任一所述的多波长光源， 其中所述一个或多个反射镜包括一个或多个倾斜的滤光片，其反射来自所述输入光学系统的波长小于规定波长的平行光并将较长波 长传到输出端口，所述规定的波长位于所述LED的光谱内使得所述滤 光片用作光谱分束器；其中所述中间光学系统将所述发射的光返回到所述一个或多个 滤光片；还包括一个或多个全波长反射镜，其将从所述一个或多个滤光片 接收的所发射的光重定向到所述输出端口。
31、 根据权利要求1-25任一所述的多波长光源， 其中所述反射镜包括一个或多个倾斜的滤光片，其将波长小于规定波长的光部分传到所述输出端口及部分反射较短波长及透射较长 波长，所述部分透射和反射波长位于所述光源的光谱内使得所述滤光 片用作光谱分束器；一个或多个倾斜的光学短通滤光片透射波长小于规定波长的光 及反射较长波长的光；所述发射的光返回到一个或多个所述倾斜的短通滤光片，其将所 述发射的光反射到所述输出端口。
32、 根据权利要求31的多波长光源，其中所述中间光学系统还 包括至少一折转反射镜及一个或多个将未被所述短通滤光片反射的 较短波长的光重定向回到所述磷光体片的反^f镜。
33、 根据权利要求1-25任一所述的多波长光源，其中所述一个或多个反射镜包括至少一倾斜的滤光片，其部分透射及部分反射率规定波长短的光；所述规定波长位于所述光源的光谱内使得所述滤光片用作光谱 分束器；所述滤光片透射率所述规定波长长的波长及使所述部分透射的 光能被引到短波长输出端口；所述中间光学系统包括一个或多个倾斜的长通滤光片； 所述发射的光返回到所述长通滤光片；所述长通滤光片透射所述发射的光并将所述光引到长波长输出 端口。
34、 根据权利要求1-25任一所述的多波长光源， 其中所述一个或多个反射镜包括一个或多个倾斜的光学反射镜，所述反射镜将所述光反射到一个或多个分束滤光片，所述滤光片部分透射及部分反射率规定波长短的所述光；所述规定波长位于所述光源的光谱内使得所述滤光片用作所述光谱内的光谱分束器；所述滤光片透射率所述规定波长长的波长并使所述部分反射的光能被引到输出端口；所述光源还包括一个或多个倾斜的光学短通滤光片，其透射波长小于规定波长的光及反射较长波长的光；所述中间光学系统包括一个或多个倾斜的反射镜； 由所述磷光体片发射的光返回到所述短通滤光片； 所述短通滤光片反射所述发射的光及将所述光引到所述输出端□。
35、 根据权利要求1-25任一所述的多波长光源，其中所述一个或多个反射镜包括一个或多个倾斜的光学反射镜， 其将所述光的一部分反射到一个或多个长通滤光片；所述长通滤光片将比规定波长短的光反射到所述输出端口 ；其中所述规定波长位于所述光源的光谱内，及所述滤光片透射率所述规定波长长的波长；所述中间光学系统连接来接收从所述倾斜光学反射镜反射的光 的其余部分；所述中间光学系统包括一个或多个长通滤光片，其将来自所述倾斜反射镜的光的所述其余部分反射到所述出口 ；由所述磷光体片发射的光返回到所述长通滤光片； 其中所述长通滤光片透射所述发射的光及将所述发射的光引到所述输出端口。
36、 根据权利要求1-25任一所述的多波长光源， 其中所述一个或多个反射镜包括一个或多个滤光片，其部分透射和部分反射率规定波长短的所述光；其中所述规定波长位于所述LED的光谱内，使得所述滤光片用作光谱 分束器；及所述光谱分束器反射率所述规定波长长的波长并成角为将所述 部分透射的光引到一个或多个漫射器，所述漫射器加宽所述部分透射 的光的光束发散角，所述光束引到一个或多个短通滤光片； 其中所述短通滤光片能透射并将所述光引到输出端口； 所述中间光学系统包括一个或多个倾斜的长通滤光片； 有所述磷光体片发射的光返回到所述长通滤光片； 其中所述长通滤光片透射所述发射的光并将所述发射的光引到 一个或多个辅助折转反射镜；其中所述辅助折转反射镜将发射的光重定向到所述短通滤光片， 所述短通滤光片将所述发射的光反射到所述输出端口 。
37、 根据权利要求1-25任一所述的多波长光源，其中所述一个或多个反射镜包括一个或多个光学反射镜，其将所 述平行光的一部分重定向到所述输出端口 ；所述中间光学系统包括一个或多个倾斜的短通滤光片； 所述磷光体片透射来自所述光源的光； 由所述磷光体片发射的光返回到所述短通滤光片； 其中所述短通滤光片反射所述发射的光并将所述光引到所述输 出端口。
38、 根据权利要求36的多波长光源，其中所述输出端口包括短波输出端口和长波输出端口。
39、 根据权利要求l-25任一所述的多波长光源， 其中所述输入校准光学系统引导来自所述至少一 LED的光的一部分通过短波输出端口；其中所述中间光学系统包括一个或多个倾斜的长通滤光片，其重 定向来自所述一个或多个反射镜的所反射的光；其中由所述磷光体片发射的光返回到所述长通滤光片，及所述长 通滤光片将所述发射的光传到与所述短波输出端口邻接的长波输出 端口。
40、 多波长光源，包括 发射主波长的光的至少一光源； 反射规定波长的光并透射其它波长的滤光片； 引导来自所述至少一光源的光通过所述滤光片的输入校准光学系统；连接来接收来自所述滤光片的所述光吞吐量的输出光学系统，所 述输出光学系统构造为聚光器并在相对端上具有出口 ；形成在所述出口上的磷光体片，所述磷光体具有发光成分，响应 于所述至少一光源产生的光的激发发射所述滤光片反射波长的光；其中所述磷光体片包括光学上连接到所述光学输出系统的所述 出口的合成材料；所述合成材料包括沉积在适当的透明衬底上并从大的合成片切割的磷光体层；及所述磷光体片具有两个表面，即接收来 自所述输出光学系统的光的内表面及相对的外表面；其中所述磷光体片透射来自所述至少一光源的光，使得所述磷光 体片的所述外表面可用作所述光源的发射器，或者所述磷光体片发射 的光被返回通过所述输出光学系统继而到达输出端口；及其中所述输出光学系统具有校准来自所述磷光体片的反向散射 发光的形状，其通过将所述反向散射的发光引到所述滤光片继而其被 反射回到所述出口进行校准。
41、 根据权利要求40的多波长光源，其中所述至少一光源包括 至少一发光二极管LED。
42、 根据权利要求41的多波长光源，其中所述至少一LED为顶 发射LED或实质上顶发射的LED。
43、 根据权利要求41或42的多波长光源，其中 所述至少一LED发射蓝光； 所述滤光片包括短通蓝光滤光片；及所述磷光体片具有发射较长波长的成分，响应于所述至少一 LED 产生的所述蓝光的所述激发发光，所述发光的光谱分布数学上与所述 蓝光结合以提供白光光源。
44、 根据权利要求40-43任一所述的多波长光源，其中所述磷光体片具有非均匀厚度。
45、 根据权利要求40-44任一所述的多波长光源，其中所述磷光体片具有薄缘，其中所述缘和所述磷光体片的所述外表面的部分由具 有高于90%的反射率的反射壁遮蔽。
46、 根据权利要求45的多波长光源，其中所述反射壁可用于通 过所述外表面的所述遮蔽增加所述光源的亮度，所述反射壁使得遮蔽 的光再循环到其余通光孔径中。
47、 根据权利要求45或46的多波长光源，其中所述磷光体片上 方的所述输出面具有不规则形状的边界。
48、 根据权利要求47的多波长光源，其中所述不规则形状的边 界为汽车头灯光束图案的形状。
49、 根据权利要求40-48任一所述的多波长光源，其中所述磷光体片被提供有散热片。
50、 根据权利要求40-49任一所述的多波长光源，其中所述输入 校准光学系统不是圆形对称系统，其中所述输出聚光器为非成像聚光 器且为圆形对称，所述输出聚光器对来自所述输入校准光学系统的光 输出的接收具有等于所述光输出的最大斜角的受光角。
51、 根据权利要求40-50任一所述的多波长光源，其中所述输出 光学系统包括在其内表面具有高镜面反射率的二次曲面反射器及平 凸透镜或透镜阵列，所述透镜的平面接受来自所述滤光片的光。
52、 根据权利要求51的多波长光源，其中所述二次曲面反射器 被提供有散热片。
53、 多波长光源，包括 发射主波长的光的至少一光源； 反射规定波长的光并透射其它波长的滤光片； 引导来自所述至少一光源的光通过所述滤光片的输入校准光学系统；连接来接收来自所述滤光片的所述光吞吐量的输出光学系统，所 述输出光学系统构造为聚光器并在相对端上具有出口 ；形成在所述出口上的磷光体片，所述磷光体具有发光成分，响应 于所述至少一光源产生的光的激发发射所述滤光片反射波长的光；所述磷光体片具有接收来自所述输出光学系统的光的内表面、相 对的外表面、及薄缘，其中所述缘和所述磷光体片的所述外表面的部 分由具有高于90%的反射率的反射壁遮蔽；其中所述磷光体片透射来自所述至少一光源的光，使得所述磷光 体片的所述外表面可用作所述光源的发射器；其中所述输出光学系统具有校准来自所述磷光体片的反向散射 发光的形状，其通过将所述反向散射的发光引到所述滤光片继而其被 反射回到所述出口进行校准。
54、 根据权利要求53的多波长光源，其中所述滤光片在所述输入校准光学系统和所述输出光学系统之间，其中所述输出光学系统连 接来接收来自所述滤光片的光吞吐量并将所述光传到所述磷光体片。
55、 根据权利要求53的多波长光源，其中所述滤光片在所述输 出光学系统和所述磷光体片之间。
56、 根据权利要求53-55任一所述的多波长光源，其中所述反射 壁可用于通过所述外表面的所述遮蔽增加所述光源的亮度，所述反射 壁使得遮蔽的光再循环到其余通光孔径中。
57、 根据权利要求53-56任一所述的多波长光源，其中所述磷光体片具有非均匀厚度。
58、 根据权利要求53-57任一所述的多波长光源，其中所述至少 一光源包括至少一发光二极管。
59、 根据权利要求58的多波长光源，其中所述发光二极管为顶 发射发光二极管。
60、 根据权利要求53-59任一所述的多波长光源，其中所述磷光体片上方的所述输出面具有不规则形状的边界。
61、 根据权利要求60的多波长光源，其中所述不规则形状的边界为汽车头灯光束图案的形状。
62、 根据权利要求53-61任一所述的多波长光源，其中所述磷光体片被提供有散热片。
63、 根据权利要求53-62任一所述的多波长光源，其中所述输入 校准光学系统为多边形系统，其中所述输出聚光器为非成像输出聚光 器且为圆形对称，所述输出聚光器对来自所述输入校准光学系统的光 输出的接收具有等于所述光输出的最大斜角的受光角。
64、 根据权利要求53-63任一所述的多波长光源，其中所述输出光学系统包括在其内表面具有高镜面反射率的二 次曲面反射器及平凸透镜或透镜阵列，所述透镜平面接受来自所述滤 光片的光。
65、 根据权利要求64的多波长光源，其中所述二次曲面反射器 被提供有散热片。
66、 根据权利要求53-65任一所述的多波长光源，其中 所述至少一LED发射蓝光； 所述滤光片包括短通蓝光滤光片；及所述磷光体片具有响应于所述光源产生的所述蓝光的所述激发 发射较长波长发光的成分，所述发光的光谱分布数学上与所述蓝光结 合以提供白光光源。
67、 多波长光源，包括 发射主波长的光的至少一光源； 反射规定波长的光并透射其它波长的滤光片； 引导来自所述至少一光源的光通过所述滤光片的输入校准光学系统，该输入校准光学系统包括一个或多个多边形输入准直器；连接来在一端接收来自所述滤光片的所述光吞吐量的输出光学 系统，所述输出光学系统构造为聚光器并在相对端上具有出口，其中 所述输出聚光器为非成像输出聚光器且为圆形对称，所述输出聚光器 对来自所述输入校准光学系统的光输出的接收具有等于所述光输出 的最大斜角的受光角；形成在所述出口上的磷光体片，所述磷光体具有发光成分，响应 于所述至少一光源产生的光的激发发射所述滤光片反射波长的光；所述磷光体片具有两个表面，即接收来自所述输出光学系统的光 的内表面及相对的外表面；其中所述磷光体片透射来自所述至少一光源的光，使得所述磷光 体片的所述外表面可用作所述光源的发射器；及其中所述输出光学系统具有校准来自所述磷光体片的反向散射 发光的形状，其通过将所述反向散射的发光引到所述滤光片继而其被 反射回到所述出口进行校准。
68、 根据权利要求67的多波长光源，其中所述输入校准光学系 统为正方形，及其中所述一个或多个准直器包括一个或多个正方形CPC，所述输出光学系统的所述受光角至少是所述一个或多个正方形 CPC的受光角的两倍以用于平行于所述正方形一侧的轴平面中的光。
69、 根据权利要求68的多波长光源，其中所述输出光学系统的 所述受光角至少为约15° ，所述一个或多个正方形CPC的所述受光 角最多为约IO。。
70、 根据权利要求67-69任一所述的多波长光源，其中所述输出 聚光器不与所述输入光学系统连接的部分用具有至少90%的反射率 的反射器覆盖。
71、 根据权利要求67-72任一所述的多波长光源，其中所述至少 一光源包括至少一发光二极管。
72、 根据权利要求67-71任一所述的多波长光源， 其中所述输出光学系统包括在其内表面具有高镜面反射率的二次曲面反射器及平凸透镜或透镜阵列，所述透镜平面接受来自所述滤 光片的光。
全文摘要
本发明公开了在小的有成本效益的包装中、有效结合多个蓝光LED输出以照射磷光体从而获得单一实质上均匀的输出的光学歧管。所公开的实施例使用单一或多个LED和远程磷光体，中间选择波长的滤光片安排成使得反向散射的光致发光被再循环以增加亮度和输出孔的通量。另外的光阑遮片用于增加磷光体亮度，只有适度的光度损耗。备选非再循环实施例提供平行光束的蓝光和黄光，或分开或组合为白光。
文档编号F21V9/00GK101449098SQ200780002376
公开日2009年6月3日 申请日期2007年1月11日 优先权日2006年1月11日
发明者儒利奥·C.·沙维斯, 奥利弗·德罗斯, 小威廉·A.·帕基恩, 巴勃罗·本尼兹, 瓦基迪·发利科夫, 罗伯托·阿尔瓦雷斯, 胡安·C.·米纳诺 申请人:光处方革新有限公司