密致折叠型光学元件照明透镜
阅读：1发布：2023-01-22
专利汇可以提供密致折叠型光学元件照明透镜专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种装置制造法，所述装置配置成把输入 辐射 第一分布转换到输出辐射第二分布。该法包括步骤：对光学设备的至少三个有效光学表面形成一种二维表示法，包括把基于边缘光线组的一段第一表面计算计算为第一通用笛卡儿椭圆，把基于边缘光线组的一段入射表面计算为第二通用笛卡儿椭圆，把基于边缘光线组的一段第二表面计算为第三通用笛卡儿椭圆，再连续重复沿朝向 光源 的方向计算该段第一表面和计算该段第二表面的步骤，而且围绕中 心轴 线旋转地扫描该二维表示法，得出光学设备的三维表示法。，下面是密致折叠型光学元件照明透镜专利的具体信息内容。
1. 一种折叠式光学装置，其特征在于，所述折叠式光学装置包括： 透明体，它包括第一表面、第二表面和形成在至少第二表面内的腔； 其中，所述腔具有第三表面； 所述第二表面包括径向离开腔延伸的反射区；和 所述第一表面包括环形区，所述环形区被配置成提供内反射折叠以及在透明体与透明体外部之间的折射过渡。
2. 如权利要求1所述的装置，其中腔配置成位于光学设备附近，使第三表面 贴近光学设备，第一表面发射输出光束。
3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括限定在光学设备与第三表 而之间的间隙。
4. 如权利要求2所述的装置，其中光学设备是一光源，第三表面是让发自光 源的光通过第三表面进入透明体的入射表面。
5. 如权利要求1所述的装置，其中第一、第二和第三表面都是光学有效表面。
6. 如权利要求5所述的装置，其中第一表面内反射在透明体内传播的光束， 井在光束通过第一表面时折射所述光束；第二表面反射在透明体内传播的光束；而第三表面在光束通过第三表面时折射地再分布光束。
7. 如权利要求1所述的装置，其中腔通过透明体延伸到形成通孔的第一表面。
8. 如权利要求1所述的装置，其中光束从第一表面出射，出射束被准直到作 为第一表面的孔径和有效光源直径的函数的聚光本领极限。
9. 如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括至少部分定位在腔内靠近腔 第三表面的检光器，使透明体第一表面接收的光通过腔第三表面撞击检光器。
10. 如权利要求l所述的装置，其中腔配置成位于白炽灯光源附近，使第三表 而靠近光源，让发自光源的光通过第三表面进入透明体。
11. 如权利要求1所述的装置，其中第一表面还包括吸收性的中心区。
12. 如权利要求1所述的装置，其中第一表面还包括反射性的中心区。
13. 如权利要求1所述的装置，其中第一表面还包括折射性的中心区。
14. 如权利要求1所述的装置，其中第一表面是平面。
15. 如权利要求1所述的装置，其中第一表面有一反射的中心尖形凹部。
16. 如权利要求1所述的装置，其中透明体由多个不对称部构成，多个不对称部提供双向不对称分布。
17. 如权利要求l所述的装置，其中第一、第二和第三表面构成一折叠式边缘 光线设备。
18. 如权利要求1所述的装置，其中腔包括一种抑制光源角度范围的钟形状。
19. 如权利要求l所述的装置，其中腔包括一削尖的弓形，配置使光偏离第一表面的中心区。
20. 如权利要求l所述的装置，其中第一、第二和第三表面被配置成使输出光 束具有跨越出射直径的可变准直度，以符合特定的照明要求。
21. 如权利要求1所述的装置，其中透明体用玻璃、硅酮或注射模压塑料构成。
22. 如权利要求1所述的装置，其中第三表面包括一防反膜。
23. 如权利要求1所述的装置，其中透明体包括具有安装凸缘的外围部。
24. —种把输入辐射第一分布转换到输出辐射第二分布的光学设备，其特 征在于，所述光学设备包括：第一、第二和第三有效表面，其中第一和第二表面是相对的有效非球面光 学表面，第一、第二和第三有效表面由对称扩展的二维表示法限定而形成一种 三维设备；和第一和第三有效表面在所述三维设备被第一、第二和第三表面限定的主体 的内外部之间为第 一 和第二辐射提供过渡。
密致折叠型光学元件照明透镜技术领域本发明一般涉及光学照明透镜，尤其涉及折叠式通路光学照明透镜。 背景技术先前的非成像折叠式光学元件，应用必须浸没透镜介质的光源，光源埋设意味着含该源(通常为LED源)的封装件与透镜永远粘合。粘合还要求使用透明 粘剂，较费人工。或者，先前的光学元件通过注射模产生，要求LED坚固得足以承受注射 模工艺的严格性。在任一场合中，光源都深深地埋在设备体内。 本发明有利地针对上述与其它要求。发明内容本发明通过提供一种设计和/或通过光学设备的方法，有利地解决了以上要求和其它要求。该方法包括步骤：对光学设备的至少三个有效光学表面产生二 维表示法，并绕中心轴线旋转扫描该二维表示，由此提供该光学设备的三维表 示。另外，产生二维表示的步骤包括步骤：根据源的边缘光线组，把一部分第 一表面作为通用笛卡儿椭圆来计算；根据同一边缘光线组的内反射光线和其该 部分第一表面的折射，把一部分第二反射表面作为通用笛卡儿椭圆来计算；并 沿朝源的方向连续重复计算该部分第一表面和该部分第二反射表面的步骤。在一些实施例中，本发明提供一种紧凑的折叠式通路光学照明透镜，具有 包绕源的装置和关联的机械特征或带充气隙(一般为空气)的辅助光学元件。在另一实施例中，本发明以一种光束生成光为特征。该法包括步骤：折射 初始光；使光全内反射；再反射该光；使光折射，由此产生至少部分准直的输 出光。在一些实施例中，本发明产生中心光线基本上平行于透镜轴线出射的输 出光。面、第二表面与形成在至少第二表面内的腔的透明体；有第三表面的腔；第二 表面包括径向延伸离开该腔的发射区；和包含一环形区的第一表面，该环形区 被配置成提供内反射折叠和在透明体与其外部之间的光学折射过渡。在另一实施例中，本发明表征为一种制造将输入辐射第一分布转换到输出 辐射第二分布的光学设备的方法，包括步骤：设置一个二维模型，把输入辐射的第一分布描述为边缘光线输入束，把输出辐射的第二分布描述为边缘光线输 出来，并在相位一空间表示法中以各光线用折射率加权的长度上角度一正弦量纲的位置代表各个输入和输出边缘光线束；响应于相位一空间表示法的边缘光 线边界条件，定义三个有效光学表面的二维表示法，包括连续计算几部分至少 第一和第二表面；对称地延伸所述光学表面的所述二维表示法，提供三维光学设备。在一附加实施例中，本发明被表征为一种把输入辐射第一分布转换到输出 辐射第二分布的光学设备，包括：第一、第二和第三有效表面，其中第一和第 二表面是相对的有效非球形光学表面，第一、第二和第三有效表面由对称延伸 的二维表示法限定，形成一种三维设备；而第一与第三有效表面在第一、第二 与第三表面形成的三维设备主体的内外部之间提供了第一和第二辐射的转换。参照以下对提出应用本发明原理的示例实施例的发明内容与附图的详细， 能更好地理解本发明的诸特征与优点。附图说明通过以下结合下列附图所作的更具体的描述，本发明的各个方面、特征与 优点将更清楚了，其中：图1示出先前的RXI(折射与反射和内反射)发射器透镜；图2示出本发明一实施例中透镜的简化截面图；图3示出位于光学源上面类似于图2的透镜；图4示出透镜的准直作用，透镜类似于图2和3;图5示出一源的放大截面图，光线扇页自源辐射；图6示出一部分光源和一部分位于源附近入射表面的放大截面图；图7〜12示出本发明一实施例中位于源附近的透镜的一系列用于测定和/ 或配置透镜参数的局部截面图；图13按照本发明一实施例示出一例透镜与光源配置的光度输出;图14示出本发明一实施例的透镜的简化截面图；图15示出本发明另一实施例的RXIR装置简化的截面图；图16示出本发明另一实施例的RXIR装置简化的截面图；图17示出本发明一实施例的RXIR装置简化的截面图；图18示出本发明一实施例的光折叠准直装置简化的截面图；图19示出图18所示光学装置简化的俯视正面图；图20是图18和19所示装置中央放大的正视图；和图21是有多个不对称部分的透镜简化的俯视正面图。诸附图中相应的标号指相应的元件。具体实施方式下面实施本发明较佳的方式并无限制意义，只用于描述发明的一般原理， 发明的范围由权利项决定。在一实施例中，为有效地准直发光二极管(LED)等光源的光学发射，本发 明的装置设置了一条折叠式光路。在一实施例中，本发明设置了一种可提供折 叠光路的紧凑型光学透镜。本发明还提供一种该装置的配置与生成方法，为有 效的准直提供折叠光路。先前的高效非成像光学元件把光源埋在透镜介质内。在2001年9月20曰 公布的题为HIGH-EFFICIENCY NON-IMAGING OPTICS的国际专利申请PCT 公开号WO-01/69300-A2中，描述了一例埋没光源的先前的系统，该申请通过 引用包括在这里。光源埋没意味着光源即通常含光源或LED源的封装件永久固定或粘合在 透镜介质内。另外，粘合光源要用粘剂，而且相当费人工。再者光源(如LED) 要坚固得足以承受注射模制的严密性。在任一种情况下，光源都在设备主体内 埋得很深，阻碍了故障发射体的调换。将LED深置在透镜里更难排热， 一般要 用支座把LED升到高于印刷电路板(PCB)。另外，这种光学埋置法很难配用于 火炽光源。热应力因素表明，热灯泡不能与透镜粘合，因厚度大得多。本发明特地提供了众多允许有附加设计自由度的实施例，其方法是部分地 改变光输入表面形状，以截获大部分光源产生的输出光。本发明对先前的RXI透镜难以用于照明提供一种非埋置的解法，这里的RXI是先前设备的简称，由向里回到源的出射束限定，其中存在折射(R)、反射 (X)与内反射(I)。或者，根据寻迹回到源的输出束，本发明提供一种折射、反射、 内反射与折射(RXIR)，终端折射(R)是附加的入射面折射。在一实施例中，对于 密致性与应用性优良的折叠光学照明透镜而言，中心腔作为入射面。本发明提供照明，在一些实施例中发射源自中央光源的被准直光。在一些 实施例中，同类配置结构可将光束聚集到一目标诸如光通信接收器(如光二极管) 上。在一实施例中，本发明包括单件专门配置的透明介质，其第一和第二表面 都被分成中央与外围区域，中央区离光源(或光学接收器)最近。在一些实施例 中，中央区位于光源周期，至少部分包封或围绕光源，允许辐射光折射地进入 透镜内部，于是光传播通过反射折叠的光学元件，从第一表面折射地出射为已 准直束。在另一些实施例中，透镜配置成包括穿通透镜体一般沿中心轴线对准 的通孔、腔孔或管件，经向围绕或包封到光源，诸如高温源(如管状白炽灯）。上述非贯穿型透镜通常在其第二面(如下面)包括一位于中央的凹口或腔， 该凹口包括一折射入射面，它位于光源附近，包封至少一部分较佳地几乎所有 的来自源的光。在一些实施例中，非贯通型透镜配用工作温度足够低的光源， 使透镜可用塑料诸如丙烯酸或聚碳酸酯制作。至少一部分余下的第二表面配置 成包绕腔与入射面的二次曲面形成，还可包含一反射涂层。或者，将一独立的 保角反射器定位成直接靠近第二表面。根据期望的效应与透镜具体的配置，相对的第一表面的中心区或部分为反 射—、吸收或折射。第一表面包括一外围区，它配置成对朝源的方向提供内反射， 并对来自第二表面的方向提供折射的出射面。第一和第二表面一般都承载构成光学折叠的反射器。第二表面反射一般由 表面上的反射涂层实现，而顶反射一般通过全内反射(TIR)实现，除了上表面中 心附近的反射涂层以外。在利用改成一折叠光学元件的入射面方面，本发明提 供了密致、有效和便于制造的特征，还便于调换故障的光源(或接收器)，能应 付较高温光源。源发射的光通过凹口入射面而进入透镜内部。在一实施例中，光起初反射 离开第一表面，从而向反射性或小镜涂覆型第二表面偏转，接着第二表面把光 朝第一表面反射回去，于是光通过第一表面从透镜出射。随着光传出第一表面，它在出射时通常经过一次折射偏转，形成准直输出束。凹口或腔正确成形的入射表面，操作时至少部分包绕光源，接收来自几乎 全部围绕光源的光。由于光源不埋在透镜内，本发明利用了建立在腔入射表面 与光源外表面之间的光源周围空气一介质界而提供的增强的偏转容量。在原有 技术的RXI埋设透镜中，没有该空气一介质界面。来自光源的光一通过腔入射表面进入透镜本体，光就经历一次或多次反 射，出射时再折射。光源来宽广的传播角在其折叠通过透镜期间减小了，形成 角范围窄的准直的输出束。对透镜型面稍作设计修改，就可展宽光的角输出范 围，以适应具体的照明规定，即汽车头灯的强度指标、表面上的照明图案或其 它照明要求，例如在应用平面的法线时，COS^强度图案将在其上形成均匀的亮 度。本发明增大了由多个部署在第一和第二透镜表面上的有效表面(如三个、四个或更多)所提供的自由度。若干实施例配置成配用LED光学发射器。若干实 施例通过注射模制透明聚合物塑料诸如丙烯酸、聚碳酸酯、多芳基化合物与环 烯而被制成，例如后者可用于高的操作温度，比如16厂C，通常为14(TC，其例 子有日本Zeon公司生产的环烯基产品Zeonor 1600R。另一些实施例适用于高温。透镜可用玻璃、硅酮或其它类似的透明或部分 透明材料制作，这些材料在高温下可保持其形态。此类透镜适应与白炽光源关 联的如用于汽车头粉的高温和其它高温光源。在供高温光源使用的一些实施例 中，透镜包括普通穿透整块透镜的中心腔，如管孔或管腔。管孔还可配置对流 冷却热源。部署在第一和第二透镜表面上的多个光学有效表面(如三个光学有效表面) 的形状，通过一种联立多表面(SMS)法导出。根据一实施例，本发明在至少部 分该方法中用SMS处理在一系统中共同连续生成两个光学有效表面。本方法应 用了边缘光线、光线束和部分通用笛卡儿椭圆，从而在指定的具体初始条件诸 如相对于光源的透镜尺寸下，本装置变换光源的输出而完成照明任务。在一些实施例中，本发明的SMS法是一种二维SMS法，开始时先分析LED 光源、LED阵列或另一类光源的具体特性及其结构和/或外观如何相对于封装轴 线的方向而变化。先前的光学准直器诸如抛物镜与凸透镜，因为LED呈现为不 相千源(即不匀质)的源放射宽度而不适用。通过本文揭示的本SMS法测定了透镜参数与配置，使透镜被应用于几乎任一种LED光源而不管其光学封装如何， 还被应用于其它光源。在上述用作参考的国际专利申请中，更一般地部分揭示 了 SMS法。本发明提供另一种求导透镜型面的方法，该法可供准面透镜应用，而且在 一阶光学元件的框架内应用了来自光源中心的光线。在一实施例中，该过程对 发射源小中心部分在数学上应用了以下全面描述的SMS法。本SMS法应用了光源的边缘光线，把它们变换成准直的输出(如把它们形 成可能最窄的输出)或变换成满足特定照明要求的输出。在这两种情况下，SMS 法在一实施例中生成一种径向分布，通过绕中心轴线旋转扫描该分布而形成三 维透镜。边缘光线是一光束或光源代表源的角度或空间极值的光线，因而形成 源的相位一空间边界。另外，相位空间是一种抽象的二维空间，代表源或束发 射方向的空间变化。除了此类旋转对称透镜外，本发明可以配置得略微偏离这种对称性，使分 布在旋转扫描时经历适中变化，适应不对称的照明要求，诸如汽车头灯的照明 要求。在一实施例中，本发明对管状白炽光源包括一中心小孔。在一种配置中， 本发明包括一种带四个四分体的透镜结构，各四分体的再生分布略微不同，但 模制成单块透镜。在一种配置中，本发明包括一种双体聚集器，带左右对称的旋转可变分布，这种改进的双经透镜而若干有利的属性，其中两个优点是：优 异的对流可冷却光源(如火炽光源），縮小的体积便于制造。这是因为在一些实 施例中，可将双体聚集器模制成两块镜像自由形式的半透镜，当被置于光源任 一侧时，其间有一小的垂直定向间隙，系统产生的烟道状气流消除了灯玻璃罩 吸收的长波长热量。这里使用的术语光和照明不限于380〜750纳米的可见波长范围，还包括 适合于几何光学元件的整个紫外与红外范围。在这些不可见范围内，本发明具 有与在可见范围内类似的技术优点。尽管适合紫外区的透明材料相对较少，但这里对汽车头灯揭示的火炽灯结 构也适合半导体制造的远紫外石印术，因为本发明提供了高聚集效率和优异的 束形成能力。本发明还同样适用于近紫外LED，这种LED将作为用于激发可 见光荧光体的主光源而异军突起。在近红外区内（如700〜1100nm)，基于本发明的夜视照明器可把市售的近 红外LED用作透镜光源，它可以用上述的塑料模制，方法与可见光照明器相同。 本发明提供优良的准直作用，使它适合最后一英里抽枝领域(the burgeoning field oflast-mile)即自由空间光通信数据链路。在更大的中长波红外波长，本发 明提供的旋转对称性使它适合用红外光学元件使用的同样的钻石切削技术制 造。本发明一例特别重要的应用是一种有成本效益的对信热寻导弹的小型机载 红外干扰防御设施。图1示出先前的RXI(折射与反射和内反射)发射器透镜，包括实心介质体1 和位于其光学中心的埋置式LED2。电极对3把电力从驱动/控制器4导向LED2。 LED发射的中心光线束5反射离开中心镜涂层6，外围光线束7内反射离开正 面8。两组反射(示成向下)行进光线反射离开镀膜背面9，通过正面8出射为准 直束10。包括与之制作在一起的辅光学元件的LED2必须浸没透镜1,因而光 源与透镜之间不存在气隙或其它此类折射率界面。图2示出本发明一实施例中透镜18的简化截面图。点26指示的坐标原点 位于光源腔19内入射表面25上部25a的弯曲中心，坐标原点26 —般也是光源 30中心的标称位置(见图4)。当该装置工作为光学接收器时，该坐标原点带是 接收光的焦点或焦区。中心轴线27是旋转对称中心。透镜体20配置成在透镜外围包括安装凸缘 21。透镜的第一表面即上表面包括中心平坦表面或区22，包围弯曲约表面或区 域23。图2a示出透镜18上表面俯视透视图。再参照图2，透镜下表面包括外反射表面或小镜24，并且包括腔19，腔实 际上具有接纳光源的任一种形状或式样。在一实施例中，腔19呈钟形，入射 表面25形成腔接纳表面，在有些实施例中几乎闭了光源。无效表面28(几乎不 截取光)包围住指定给透镜容纳安装凸缘21厚度的额外厚度，没有该额外厚度， 透镜将更加小巧，应用不同的安装类别或方式。图2b示出透镜18带反射表面 24的下表面和带入射表面25的腔19的透视图。图2b所示透镜18的实施例无 凸缘，具有作其它安装方式的外围锐缘61。本发明可应用若干不同的安装方式。在一实施例中，用搭扣配合安装法紧 固和精密地安装透镜。图2c示出透镜900的透视图，示出了可用注射模制的透 明聚合物形成的下表面。透镜900包括一交错的中心腔922，它被成形为接纳 先前设想的LED封装件(如下面讨论的Luxeon)，与其形状精密相符。透镜卯0用配入安装凸缘905的紧固和/或定位器或装置安装。搭扣装置包括一条或多条槽910〜914(诸如方位槽)和栓钉或接头915〜917。搭扣元件与照 明产品联锁部件上配合透镜900的相应搭扣元件一起作用，该搭扣保征组装符 合要求的容差，同时不能及后镜表面924。图3示出的透镜20类似于图2的透镜，被定位在诸如圆顶封装型LED30、 LED阵列等光源或其它光源上面，LED实际上是任一种LED。在有些实施例 中，LED辐射成几乎为半球形。图示LED类似于市售的Lamileds公司制造的 Luxeon白色LED，有土100。放射图案。然而，通过这里描述的SMS法，可将透 镜配置成应用几乎任一种LED、宽角LED、安装型LED和其它光源与宽角光 源。同样地，这里提出的设计过程也可使用几乎任一种其它市售的光源到器件。 Luxeon提供高的白光发光度，由于Luxeon被称为倒装片，故顶电极不引入不 均匀啮合阴影。光源30的透明圆顶包括在其下面延伸到短柱段32的半球区31。发射芯片 33埋在例如折射率为1.54的圆顶媒体内并装在基片34上。芯片33和基片34 被平反射表面或小镜35包绕。通常，包括圆顶31与芯片33的光源30同透镜 共用一根旋转对称的中心轴线27,图示成伸入透镜20与轴线27 —起(另见图 2)。发射芯片33—般呈方形，因而轴线27与芯片33的四对称轴线相一致。光源30至少部分定位在腔19内，透镜围绕光源30定位，使腔19的入射 表面25定位得保持贴近LED源。在有些实施例中，腔的入射表面与相对于LED 的预定位置保持在至少土1.0mm内，较佳地至少在士0.1mm内，更佳地至少在 土0.05mm内。图4示出透镜20提供的准直作用，透镜可以类似于图2和3的透镜。透 镜20定位成靠近LED光源封装件30并在其上面，它发射的准直的中心光线 40原来从坐标原点26发出，沿透镜内折叠的光路传播。本发明还附带提出一种派生诸透镜实施例以实现所需输出40诸如所需准 直束40的方法。在一实施例中，推导透镜的特性与结构的该方法以审察光源 的辐射发射的光学结构开始，并应用了联立多表面(SMS)法。本发明还确定了 一种新颖的附加第三入射表面25，改进了先前的透镜配置。本发明的旋转对称性围绕中心轴线27(见图3)，围绕轴线27形成和集中组 织了准直输出40。该中心轴线一般穿过光源33的中心。图3和4的圆顶封装 型LED30通常沿中心轴线27对准，而轴线27对准该透镜实施例的对称轴线(用通常为光源30设计的光源腔19配置），因此通过本方法产生的透镜分布一般位于图中所示并在下面讨论的模截平面内。透镜分布可以旋转掠过360。而生成本发明透镜的诸表面。根据一较佳实施例，在确定透镜配置的初始步骤之一中，示意地图示和表 征了规定贴近建议光源的详细的空间-角度发光度分布。这样在与其它参数诸如 光源尺寸与准直光学元件直径等一起考虑了这一分布信息后，就可对设计确定最大可能的准直度。因此，图5和5a示出圆顶LED30和装在硅基座34上的发 光芯片33简化的截面方块图，硅基座34则装在平面反射表面即小镜35上。 参照示出光源放大截面图的图5，光线扇50从第一角或丝例如芯片33最后角 36辐射，它代表通常从中向外传播的球形波前。因波前离开圆顶31的中心，故在所折射到圆顶31表面周围的空气后变为 非球形(即畸变)。图5的光线向外延伸超过圆顶31的封装件边界，示出表面的 定向分布。在有些实施例中，通常在圆顶表面31与透镜入射表面25之间形成 气隙(如气隙宽O.lmm)。本发明还要指出，圆顶31外面的封装件上角39形成 光线扇50的最后光线50e。点51示出波前的折射， 一些光线在该点同其在半 球表面31折射两偏转。这些光线属于折射波前，代表一组用于较佳透镜20设 it过程的边缘光线。除了光线扇50外，图5a还示出从芯片33第二角即最左角辐射并通过圆 顶31向外传播的镜像光线扇52。透镜配置法还应用了从中辐射的该边缘光线 扇52。考虑了来自芯片33薄面(如高度为0.15mm，取决于光源与制造高)的光发 射。透镜设计法应用了芯片该侧面部分得出的发光度，因为在其表面上得到了 高的发射亮度(芯片四个发射面的面积约占顶部面积的60%，侧面芯片上的荧光 层产生与顶部一样的亮度)。图56示出装在不透明硅基座34上的发射芯片33 的放大图，基座34下面是小镜35。芯片33的角53形成另一组边缘光线55， 通常在透镜设计法的一实施例的初始阶段使用。边缘光线扇55代表芯片底角 53发射的光线偏离刚好未射入到器件角39的最后光线约100°。从发射芯片33底53到侧面，图5c示出发射芯片33的放大图，扇边缘光 线54用于透镜设计。芯片侧面56发射的边缘光线54传播到刚好未射入LED 封装件遮断角39的圆顶表面31外面。图5d示出一侧简化的相位一空间图，这些边缘光线50、 52、 54与55代表光涂相应相位一空间的边界。更具体地说，这些边缘光线代表芯片33顶部 平面内发射的相位一空间边界。该例的光源封装件的介质折射率为n。相位一空间图右边，图示的光源芯片33在顶部和两侧有三条形成角ot的表面法线。左 边是按土nsina垂直延伸的"光源相位一空间"图，n=1.54, a在土90。内，与表 面法线成逆时针角的光线为负值。发射芯片33顶部发出的光线处于相位空间 在左边-0.5mm与右边+0.5mm之间的部分。任一侧面都是两个较小的侧面发射区。对称轴线27还在光源相位空间的中心形成一同义点。这里用各种线条代 表前述诸图中的光线扇。在光源相位空间内，左右边界线52与50代表图5a 的左右光线扇52与50。同样地，图5b的角光线扇53是最外面的线53，直线 54对应于图5c的限制光线54。中心线59是中心光线束，源自芯片中心，这里定为点27。相位空间的概念是一种二维数学结构， 一根轴线是与旋转对称轴线的距离 x的空间坐标，另一根轴线是光线与该轴线的倾角a的正弦乘上光线在其中传播 的介质的折射率n。这种坐标已为众所周知，在Hamiltonian光学原理中介绍。 本发明方法使用了这些边缘光线，因为只要它们被准直，则在它们所形成的相 位空间边界内的光线也被准直。因此，为建立透镜分布图，下述设计法应用了 这些边缘光线。芯片发射的相位一空间表示的总面积，通常称为聚光本领E，可在相位空 间内作数值计算。该聚光本领还可定义为表征光源或光束的相位一空间面积， 无法用光学设备增大。热力学第二定律在应用于不相干光源时，等效于聚光本 领守恒定理，说明芯片发射的聚光本领在通过光学系统期间不能增大。若系统 的出射孔经D固定，则聚光本领守恒对输出角准直固定一下限(若不丢失光功 率），当把输出束限到窄发射角a时可实现这一目的。该输出束的聚光本领由下 式给出：E=2Dsina 因此，聚光本领受限设备将有-a=sin-l(E/20)参照图5e，图3中透镜表面23的光学有效直径对应于前述制造的透镜的 35毫米。参照图5d，光源芯片33(如Luxeon)宽度(如lmm)辐射为土90。，高度 如为0.15mm，使侧面辐射成100。角，全在折射率例如约1.54的圆顶介质内。相位-空间轮廓线形成的聚光本领为：E=([2+2 X 0.15 X (l-cos100。)] X 1.54)=3.62mm这表明透镜输出束20可以不窄于：ct=sin-l(3.62/2X35))=2.%° 这样导致图5e示出空气中的输出孔径(上图)和输出相位空间(下图)刚好在透镜 上方，这里假设r^1。例如，孔径宽度D为35mm,相位空间为土sin(a)(n-l)跨 越，聚光本领(相位一空间面积)与图5d的光源相位空间一样。注意，直线89 代表跨过整个透镜宽度出射的平行光线，所有这些光线都在发射器中心发出且 位于图5d的直线59上，因而光源上某一点在透镜出射处变为一条直线，同时 光线离开该点的所有角度变成跨越透镜出射处的平行光线。这可以想像为相位 一空间转动了卯°。这一oc-士2.96。准直的小值实际上比同直径的抛物面镜的值更窄，因为从抛 物面反射器的焦点到形成分布的诸点的距离变化很大，该缺点在成像光学中作 为彗差是众所周知的。但在本发明中，多个折叠表面如上下表面23与24的形 状所提供的自由度，使光路长度几乎同从光源到出射表面23上各个点的长度 一样，得到跨过透镜基本上均匀的角度输出。本文揭示的SMS方法通过适当改变边缘光线输出角a，能满足对整个束发 光度归一化的规定的照明图案，但形状因子限制了边缘光线输出能变化的大 小。或者或另外，如图4例示那样使中心光线呈现出发散或收剑，可修改输出 强度图案。图6示出光源30—部分放大的截面图，LED33浸没圆顶内，腔19的一部 分入射表面25定位得靠近光源30和圆顶表面31。腔19的入射表面25的设计 经特殊配置，影响着至少一部分边缘光线包括左右光线扇52与50的传播。只通过光源封装件30的角39的最后光线53，通过入射表面25从其原来 的角度(如100。)偏转一预定的角度变化cp，例如30。的角度变化。这一30。的角 度变化对于折射率n=1.54的单次折射等于实际的最大量，因而边缘光线在角度 上被压縮到±70°，较之先前的RXI设备如图1的设备有若干改进。其中的四个 改进包括：(1) 光源30可以位于出射面或表面平面的下面，能直接朝向PCB安装。如 图1所示，先前的设备要求光源芯片2位于下表面外缘9的上方；(2) 可减小整个透镜厚度，配置更密致。取消凸缘21和无效表面2S(见图2)可再减小透镜厚度；(3) 能在图1所示从光源2到透镜顶部8限定的先前设备很小的距离增大通 常在中心的透镜厚度；和(4) 光源33不浸没透镜18(见图2)，便于置换或替代故障光源、选用光源或 改进的光源，还可取消先前设备中将光源粘合到图l透镜的麻烦而易于起泡的步骤。推荐的埋没优点是在每一空气一塑料界面(表面31与25)把菲涅耳反射损 失减除了约4%。在一些实施例中，本发明通过在腔19入射表面25上应用防 反膜，减小了这种双重损失。在这些实施例中，还对封装件30的半球表面31加了防反膜。再参照图6，还示出了一拐点，指示沿入射表面25该表面从一般中心球形 闪亮的一点。中心球形一般与LED到装件的圆顶同心。注意，在拐点60下面 通过入射表面25的光线，近似平行于最后光线50e的70°角，正好绕过角39 或到装件30。透镜上下表面的每一点接收各自来自左右光线扇52和50的一条 边缘光线(为清楚起见，示出少量光线)。在后面的设计阶段中，违反这一条件 就意味着必须修改设计输入参数。在一实施例中，本方法依赖于每一求出的只 遇到单对边缘光线的点，限制了本发明入射表面可能的形状。图7〜12按本发明一实施例示出定位成靠近光源30的透镜20的一系列截 面图，表示至少部分本方法用于确定和/或配置透镜参数的设计阶段。在这些图 中，为清楚起见，图示的LED封装件30的相对尺寸减小了，只将研究的部分 示出上下透镜表面23和24。这些图示出了透镜分布的推导，因而只示出透镜 分布的右侧，左侧被理解为绕透镜中心轴线(即图2的轴线27)的镜像。设计步骤基于非成像光学的边缘光线理论，通常在入射光学系统的所有边 缘光线结束离开时限定，因而所有光线都在它们形成的相位一空间边界内。应 用边缘光线理论，本发明把芯片的发射变换成聚光本领e有限的输出束，为计 算光学设备把芯片的边缘光线变换成士a输出束的边缘光线的分布，这是必需而 且充分的。期望的束直径在Q点具有直缘，这可能是真的，但此时为虚的(如 图7中）。再参照图5e,图中示出从最右点71延伸到最左点72的输出孔径70，还 示出输出相位一空间矩形80。点71和72分别对应于图7的Q点及其镜像Q'(图7中未示出）。仍参照图5e，准直束73从出射孔70最左点72发射，代表相位空间矩形 80的左边界83。通过孔中心点74的中心束75代表中心线85，最右束76代表 矩形80的右边界86。上边界87代表来自搭跨孔70的最后准直边缘光线，下 称+ oc完成，而下相位空间边界88代表来自横跨孔70的最左准直边缘光线， 下称-(x光线。中心线89代表穿过该孔与孔70的表面法线79对准的光线。图7表示透镜设计的第一阶段。发射芯片33从最左点R'延伸到最右点R。 在一实施例中，本发明方法以预定次序连续计算图7的各元件，例如先设定点 Q的位置。水平位置只是设备光学有效孔的外半径，通常对指定的应用场合确 定。另外，运用孔宽度0、有效发射芯片宽度d(如1.3mm)与封装件折射率n的 聚光本领极限公式，Q的水平位置决定了发射角oc，算式为： Dsinct=nd另一方面，Q的垂直位置为一自由参数。自虚源Q起，经ri出射边缘光线roo的辐射对应于图5e的相位一空间边界线86。该法下一步如图7所示，选择顶光源23的最外孔点A。点A选成沿从光 源Q向上传播的光线n，实际上是点C的虚像。然后对顶表面23选择点C的 位置，用低次多项式规定出射表面分布段AC,最好元拐点。点B是曲线AC 沿上表面23与光线^的交点，而光线rcK)的不折射反向迹线通过Q。再计算光 线r00在被曲线AC代表的表面的折射。刚好绕过封装件30最外角39的最低光线r0向上折射到点c，这是在入射 表面的MN段最外点M完成的，而且还在点N与入射表面中心半球部分平滑 地接合。段MN把来自光源33的点R和R'的光线折射成会聚在点C的光线， 因而段MN是一特定的通用化笛卡儿椭圆问题：找出把一指定波前的光线变换 成另一指定波前光线的折射或反射表面。在十七世纪由Descavtes陈述并证明 的原始笛卡儿儿问题，找出了将源自一点的球面波前折射或反射成另一会聚取 不同点的球面波前的表面(称为笛卡儿椭圆）。笛卡儿椭圆一般是一个四次多项 式(但包括椭圆、双曲线与球面等特殊情况）， 一旦对它固定了单个点，就被唯 一地确定（当然假定给出了球面波前与表面类型、折射或反射)。通用化笛卡儿 椭圆问题的解法也是众所周知的（自1900年的Levi-Civita以来），就是使与两个 给定被前关联的程函方程相等(在忽略辐射通量而只应用光线的位置与方向时， 可将程函定义为电磁波的数学表示)。以下按同样的方法用该通用笛卡儿椭圆规 定透镜上下表面分布的连续段。在规定了入射表面的通用笛卡儿椭圆段MN和上表面的AC后，把反射底 表面的段ED作为通用笛卡儿椭圆来计算，该通用笛卡儿椭圆将从C全内反射 的光线变换成向上传播到段AB的光线，而段AB将光线变换成从虚源Q传播 的出射光线扇，包括把光线ro变换成光线roo。在发射芯片33上，发自点R与R'的边缘光线最终被变换成出射束士a，其 虚原点在Q。若将Q与A选择相互接近，也会使点A〜E靠近在一起，使底表 面24向上偏移，直到消除无效表面28和凸缘21(见图2)。图26所示的这种配 置是本发明的另一较佳实施例，该例的反射表面24配置成包围腔19并径向外 延到镜缘61。入射表面25高于拐点N的部分(远离点M)被选为简型半球的上部。如下 所述，其它形状可形成不同的较佳实施例。图8示出该透镜设计法的下一阶段。发自发射芯片33最左点R'的边缘光 线n〜i"2被入射表面25的半球部(点N上方)折射，几乎平行地行进到分布段 CC'段CC'是一个通用笛卡儿椭圆，对该组边缘光线(n〜r2)内反射，使它们传播 到分布段ED。段ED将光线向上反射成被分布AB折射为基本上平行的光线组 +a。注意，发自光源空间边缘的光线在准直输出的角缘结束。图9示出该方法确定下表面分布段EE'的下一步骤。发射芯片33的底角点 S和顶角R限定光线刚好未射入而通过LED封装件30遮断角的原点。这些光 线经反射传播，使它们被入射表面25所折射并被已求出的分布段CC'全内反射 之后，作为基本上平行的出射表面组-a而结束。分布段EE'是通用笛卡儿椭圆， 把这些边缘光线反射为从分布段CC'向下行进的光线。 一旦被下边缘光线24的 段EE'反射，光线就向上传播成被分布段BC'折射，从而在准直束40里出射(图 2)。图10和11示出本透镜设计方法一实施例的继续，包括分别推导上表面分 布段C'C"与下表面分布段E'E"。图IO示出由源自最后点R'的光线产生的平行 出射边缘光线+a，从而能在数学方法生成分布段C'C"。图11同样示出用平行 出射边缘光线-a生成分布段E'E"的方法。这一两步处理法沿上表面23继续向 内重复，以完成整个透镜分布的推导，如图2所示。为了在全内反射条件(入射 角>临界角)不再保持时确保金属性反射，还计算了顶反射部或小镜22(见图2) 的宽度或直径。 一旦作出了点M、 A、 C和Q的原始选择，就独特地生成透镜 分布，从而变成优化其位置选择的实际手段。就是说，可按不同的成组起始点生成各种候选的透镜分布。在设计过程中改变中心光线在出射孔的角度a和倾角y，得出非均匀束，该 束可以做成服从由强度Iout(Q)规定的特定旋转对称照明要求，其中Q是与光 轴的出射发射角。Iout(Q)对输出束40整个Q范围的积分，等于无透镜损失的(入 射与出射的菲涅尔反射比、表面或体积散射及吸收)封装件发光度。实际上，本 方法可用任一对产生强度IouT(Q)的函数a(x)与Y(x)来求出离中心轴线每一距离 x的上下表面分布高度。例如，由于r(x)K)描绘出可能的最窄束，因而更宽的 束应使用单调的r(x)，或是发散(dr/dxX))，或是会聚(dr/dx〈0)，视透镜附近期望的束特性而定，在远场内，结果同为IoUT(Q)。满足某种规定的透镜，是在一系列中生成各种光线迹线收敛于该规定的候 选分布的结果。对a(x)和口(x)的初步试验，以多项式形式使用它们，系数可用 常规的多参数优化法调整，再重复试验达到细调目的。假设卩(X)是与经线中心光线I"m的光轴形成的角度，而光线I"m从芯片截面的中心点O发出，由设备出射，从出射孔在位置x的点以角(3(x)发射。芯片以方 向卩发射的强度为：-LCW , (1)式中L是芯片的亮度(变化公式为L((3))， d是芯片顶面的横向宽度，而D((3)是 芯片的经线截面投射在垂直于光线rm的平面内的大小。函数D((3)为：rfcos;3 + Asin;?如果0S;5;^-兀，-2, (2)Asin;9如果式中h为芯片高度（如这里所模拟的Luxeon， d=lmm,h=0.15mm)。公式(2)的上 部表示有两项，第一项对应于芯片的顶面发射，第二项对应于芯片的侧面发射。 在下部表示中(对卩超过90。的值)，只存在侧面发射(对于Luxeon， （3MAX=100°)。 前述的主光线发散角r(x)的单调特性，规定了(3与e之间的单调相依性，这 种相依性能使强度通过透镜传递期间的通量守恒由一次光学近似法给出如下：7„^0?)/w(^¥/? =±/卿(^^ , 【3)式中Tl。pties是在计及了沿光线通路中中心角P有关的折射与金属性反射而估算 的。±^用来选择收敛输出束设备(+ )或发射型设备(-)。对公式(3)两边积分，得出函数p二f(e)，积分常数不详，通过选择边界条件(如6=0时，（3=0)来决定。在一次近似法中，由于束的中心光线在非成像光条构内起着流线的作用，故聚光本领守恒陈述为：2sino:cosj^/j (。必, （4)式中n是芯片周期的折射率。取y〜e，得：因此，a(x)可自由选择(除了单数情况)，而r(x)可通过公式(5)的积分算出，反之变然。在一实施例中，该装置被配置成使光束发散，倾角随与光轴的距离而线性 变化，光轴在光学设备后面产生芯片的视在虚像(给出发亮的深度）。这里揭示 的一般类别是折射入射表面围绕其定位的折叠式照明透镜，至少部分包围光源 (在照明透镜的情况下)或宽度受光器，LED也能扮演这一角色。若允许函数Ff(e)为不单调，因部分输出束将发散而其余输出束将收敛， 故自由度增大了。于是例如可在发散部自由选择a(x)，或自由选择r(x)。通过 上述方法计算收敛部的函数r(x)，产生规定的强度IouT(e)减去发射部产生的强 度(它可以计算出来，因为a(x)与r(x)早已设置在发散部里）。腔19入射表面25 的半球形配置，可用于同光源封装件30的半球形状相符。图12示出定位得靠 近光源30的透镜20的一部分放大截面图。 一般而言，从发射芯片33相对两 侧发射的向上行进的光线U与V，被第一或上表面的中心透镜部22反射，于 是光线被第二或下表面24反射回在规定准直角土a外面的出口 。若光线U与V 不能被精确地反射或有其它问题，还可将中心部22配成平坦且做成有吸收性。 有了这种吸收性配置，就不存在超出指定输出束的杂散光。吸收区可以设计成 对设备效率产生最小的影响(百分之几)。图13示出一例本发明一实施例的透镜与光源配置的光度输出。生成光束 的准直度那么严密(即聚光本领受限)，使以90%与10%等照度线标出的输出束 具有像光源一样的方形。用于数值透镜分布生成的该SMS方法，分别列出一系列上下光学表面23 和24的点(如期望的那么多）。在一实施例中，本发明对于比单纯坐标清单更简 单的表面指标，提供多个点例如与某个高次多项式的拟合，而该多项多能以足 够的精度近似透镜表面分布数据。由于斜率误差是光学上最苛刻的，故在一实 施例中，为实现精密拟合，本发明将二次斜率误差减至最小。举个例说，前述35mm透镜设计的一种较佳拟合，对顶表面按下列公式提供了后面的诸系数：对于底表面： 对于入射表面：其中在执行表示该公式的算法时，0°=1。表1示出几例顶表面、底表面和入射表面的许多点。
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