用于混合不同颜色发光二极管的光的装置

摘要

一个小面化表面(22,36),具有第一(24,37)和第二(26,38)小平面,使相应的第一(11′)和第二(12′)光束偏折以产生与第二副光束交替的第一副光束。小面化表面(22)可以是具有相对第二小平面呈120°角的第一小平面的反射器,用以混合彼此成120°角入射的光束。每个光源的100%的反射副光束与其他光源的100%的副光束交替。该小面化表面也可以是一个折射器(30),它是具有两个平行小面化表面(32、36)的透明部件的一部分。第一折射表面(32)折射平行光束以产生分离光束,这些分离光束是被第二折射表面(36)分开的副光束。每个光源的50%折射副光束与每个相邻光源的50%折射副光束交替。

说明书

本发明涉及用于混合来自不同颜色灯的光的装置，特别是为产生白光而进行混合的装置。

用于重点照明和一般照明的中等尺寸的窄光束的标准光源是如PAR灯(抛物线形铝反射器)的白炽灯/卤素灯。这些光源是紧凑的和通用的，但是它们的效率并不高。假定一个灯以固定的功率在给定的色温下工作，当它变暗时，色温根据黑体定律随施加的功率而变化，这可能是或可能不是用户所需要的变化。

在多种颜色中的每一种颜色的发光二极管(LED)阵列提供了产生一种光源的可能性，其中色温可以在任何功率水平下加以控制，因而使灯变暗并在任何功率水平下发出均匀的白光。

在1999年6月24日申请的美国系列申请09/338997中公开了具有用于将来自不同颜色LED的光混合的光束分离器的装置。将一个由四个LED构成的正方形阵列设置成每一对以45°朝着半反射层的反面发出光，从每侧以45°角传输一对混合光束。第二相同的级混合两对混合的光束，使得四个相同的混合光求以平行白光的形式射出。半反射表面可以近似为全反射和全透射区的纵横交错的棋盘形状，这些区域足够小，以至于出现的副光束不能被分辨出来，看起来完全混合。

如背景技术中所述，本发明目的是将来自不同颜色LED的光，如红、绿和蓝色的光混合，以产生白光。根据本发明的装置将四个不同光源输入的光束混合，假设这些光源具有相同的初始光束分布。

本发明采用了与背景技术不同的方法。根据本发明，一个小面化的表面具有与多个平行的第二小平面交替的多个平行的第一小平面，以形成锯齿形状。将小平面设置成使入射到第一小平面且平行于第二小平面的第一光束被第一小平面偏折，形成多个分开的第一副光束，并使入射到第二小平面且平行于第一小平面的第二光束被第二小平面偏折，形成多个分开的第二副光束。第一副光束和第二副光束交替，并且所有副光束平行。

根据第一个实施例，小面化的表面是第一反射表面，每对第一和第二小平面彼此之间夹角为120°，第一和第二光束每个具有与小平面表面的法线成30°的入射角。因此，所有副光束与这些法线成30°角反射，并平行射出。输出的光束具有与输入的光束相同的角度分布。因此，如果输入的彩色光束高度准直，输出的白光也高度准直。

也可以设置一个相同的第二反射表面，以反射作为交替平行副光束的第三和第四光束。一个基本相同的第三表面具有接收来自第一反射表面的混合副光束的第一小平面，和接收来自第二反射表面的混合副光束的第二小平面。第三反射表面反射所有平行的副光束。

根据第二个实施例，小面化的表面是折射表面，它将每个输入的光求折射为分开的平行副光束。对于发射平行于第一和第二小平面的光的两个光源，第一副光束和第二副光束在重叠的区域交替。根据第二个实施例的优选变型，小面化的表面是一个第二折射表面，而第一折射表面平行于第二折射表面。对于发射垂直于第一折射表面的平行输入光束的光源，第一表面的小平面将每个输入光束折射为一对分开的第一和第二光束，这两束光入射到第二折射表面的相应的第一和第二小平面上。对于每对入射到第一折射表面的光束，50％的第一副光束与50％的第二副光束交替。对于若干对构成的线性阵列，这种交替或重叠将随着阵列中对的数量而增加。

第一和第二折射表面最好形成在第一固态折射分离元件的相对两侧。对于四方阵列的光源，将相同的第二分离元件设置成平行于第一元件并旋转90°。如果提供6×6阵列的光源，7×7阵列的副光束将能与5×5阵列混合副光束一起被输出。

根据所有的实施例，小平面的周期(顶点到顶点的间距)小到足以使单色副光束不能被观察者分辨出。产生的白光看上去是白光，正如彩色阴极射线管(CRT)屏幕上的白光区一样，它实际上是红色、绿色和蓝色的混合。根据本发明的两级混合器，典型地是在第一级产生红/绿和蓝/绿混合光束，并在第二级通过混合红/绿和蓝/绿光束产生大致为白色的光束。

本发明的光束混合装置可以提高生产效率，比背景技术更适用。

本发明的这些和其他方面将从参考后文描述的实施例的阐述中更加清楚；

图1是说明混合两个入射光束的小面化的反射器的原理示意图；

图2是具有用于混合四个入射光束的三个小面化的反射器的两级混合部件的透视图；

图3是说明混合两个入射光束的小面化的折射器的原理示意图；

图4是具有用于分离和混合平行输入光束的平行表面的小面化的折射器的示意图；

图5是分离和混合四方格形的36个LED光源的两级小面化的折射器的侧面图；

图6A是由36个LED光源发出的输入光束的示意平面图；

图6B是从图4的折射器的第一级发出的输出光束的示意图；

图6C是从图4的折射器的第二级发出的输出光束的示意图。

这些图纯粹是示意性的且没有按比例绘制。特别是为了清楚，强烈夸张了一些尺寸。图中，相同的参考标号尽可能表示相同的部分。

图1示出用于混合来自两个不同颜色LED光源11、12的两束准直光束11′、12′的反射表面22。尽管是以单个元件11、12显示出的，显然，任何光源可为更小元件的阵列。

反射表面22是小面化的表面，该表面包括与第二组小平面26交替的第一组小平面24。将这些小平面和光源设置成每个输入光束只入射到一组小平面。光束11′入射到第一小平面24且被反射成多个分开的第一副光束，同时光束12′入射到第二小平面26并被反射成多个分开的第二副光束。产生的输出光束包含与多个第二副光束交替的多个第一副光束，所有副光束平行，并垂直于小面化的表面22的平面。

反射器板上的小平面尺寸小到足以使单色的光束难以分辨；这是彩色CRT屏幕上白色区的原理。实际上小平面周期优选为0.1至0.3mm，并可以小到能实际制作的程度。

对于平行于相对的小平面组的入射光束，小平面之间必须呈120°角。这导致入射光束与反射器成30°角入射。实际上，输入的光束不是理想的准直；发散的光导致一些光入射到错误的那组小平面。将两组小平面之间的角度减小到小于120°，能使错误最小化。入射角度增加，一组小平面被每个输入光覆盖。

结合图1描述的两束光混合器能扩展到通过两级混合来混合四束光。图2表示为实现上述功能使用塑料部件的结构，该塑料部件具有作为第一级混合器的第一小面化的表面22和相同的第二小面化的表面28，以及作为第二级混合器的第三小面化的表面29。第一级混合器之一的输入光束11′和12′通常有不同颜色，例如红和绿，通过相应的窗口23、25入射到部件上，并透过图1所示的小平面24、26。对于向其他两级混合器，入射的光束通过相同的窗口入射，并透过第二小面化的表面28的相同小面，其中，入射光束是如蓝和绿的典型的不同颜色。第一级输出的光束作为向第三级混合器29的输入光束，混合器29基本上与第一级混合器的小面化的表面相同，但可能有不同的区域。

塑料部件外侧的反射表面22、28、29涂有反射材料。进入部件的四个光束只在完成混合后输出。也可能由分开的小面化的反射板构成四光束混合器，这样光路完全在空气中。

图3示出模制塑料部件30的形式的折射混合元件，用以混合来自不同颜色LED光源11、12的两束准直光束11′、12′。光束11′、12′通常通过相应的窗口31、31′进入部件，并透过小平面38、37。第一小平面37将入射光折射成多个平行的第一副光束，第二小平面38将入射光折射成多个平行的第二副光束，它与第一副光束交替，以给出一个混合的输出。该实施例尽管几何形状稍微不同，但与上述反射性的实例相同，也可以使用两级来混合四个光束。

图4以模制塑料部件30的形式示出折射元件的优选实施例，该模制塑料部件30具有第一折射表面32，和相对该表面的平行的第二折射表面36。

第一折射表面32包括与平行的第二小平面34交替的平行的第一小平面33，每个小平面使来自每个光源11、12的光在部件中分离成两束分开的光束。第二折射表面包括接收一束分开的光的平行的第一小平面37，以及接收另外分开的光的平行的第二小平面38。第一小平面37将入射光折射成多个平行的第一副光束，第二小平面38将入射光折射成多个平行的第二副光束。所有的分光束从第二折射表面平行射出。来自第一光源的第二副光束与来自第二光源的第一副光束交替，以给出侧面为非混合输出的混合输出。顶部(第二)和底部(第一)折射表面是相同的，在两个表面之间不需要标注。

由光源大小来确定两个表面32、36的距离，并且将光源距离设置成来自每两个相邻光源的一半光正好重叠。棱镜结构的周期(小平面顶点之间的距离)并不是关键。只需足够小到在应用中不能分辨出，且大到制造缺陷不会降低效率为止。代表性的周期为0.1至0.3mm。

棱镜小平面的角度2，即小平面和折射分离器平面之间的角度被设置成使分离器内部的每个光束与一组小平面平行。控制公式为

2sin²2-(n₁/n₂)sin2-1＝0

其中n₁是分离器外部材料，通常是空气，的折射率，n₂是折射分离器的折射率。典型的n₂为1.5，2＝63°。这导致很大的折射角度，所以对于每个表面、入射和出射表面的菲涅耳损失一般高到约11％。这种混合方案的效率得益于抗反射涂层。光束发散将导致一些光入射到错误的小平面，引起光束分布变形。增加角度2能减小变形，但将导致菲涅耳损失的增加。

可不使用固态分离元件30，图4的折射分离器可以由两个之间有空气间隙的薄板构成。这将使系统更便宜，但会导致菲涅耳损失。

图5表示有两个折射分离器30、40的设置，用以混合来自一四方阵列光源的光，这种光源包括与几排绿色和蓝色LED交替的几排红色和绿色LED；再见图6A。第一折射分离器30有设置成垂直于纸平面的延长的小面，混合图6A的输入光束，以产生图6B的输出光束。红、绿和蓝颜色由字母R、G和B表示，包括平行副光束的混合光束由字母对RG和RB表示。

第二折射分离器40与第一折射分离器30相同，但旋转90°，以将小平面设置成平行于纸平面。分离器之间的距离没有下限。第二分离器40接收第一分离器30的输出光束，并将其混合以产生图6C的输出光束。字母W表示白色，看不出它是红、绿和蓝的混合。阵列周围的LED的光没有完全混合产生白光。可以认为是效率损失，当阵列变大时，损失变得非常小。

前述内容只是示例性的，并不限制后面权利要求的范围。

本发明按照每一个新颖的特征和特征的每一个组合被实施过。