CN1993581A - 光学引擎 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种光学引擎(1、2、3、4、5)，包括带有至少一个孔(7)的腔室(6)以及多个位于此腔室中的LED元件(13)，其中有效地，腔室(6)的所有内表面实现为高反射面(20)，它们基本不吸收理想波长范围内的光。

Description

光学引擎

本发明涉及一种光学引擎，包括带有至少一个孔的腔室和位于该腔室内部的多个LED元件。

出于例如将该光耦合于一个或多个光纤维中从而使该光离开单个光源传送到多个偏远的地方例如多个汽车头灯/尾灯等处的目的，或者例如为了将非常亮的集中光束直接发射到外界或发射到光导引件的一些实施例中或者出于根据特定理想规格成形和/或瞄准发射光束的原因发射到准直元件中去的原因，存在对于高强度和高发光性局部光源的需求。一个例子是光学引擎，包括例如HID灯的高强度单个光源。其辅助光学器件通常包括至少一个抛物面镜和准直透镜，来自光源的光投影和聚焦在实现光传送的光学纤维阵列上。后者的例子包括显示器背光和汽车头灯。近年来，由于LED光源与传统光源相比时的一些公知益处，用LED光源代替传统光源的兴趣显著增加。

在过去的十年中，关注于LED特别是固态无机LED的设计和制造现在已经快速提高到了无机白光发射LED能够以稍超过40流明/瓦的效率进行制造的水平。这显然超过了传统白炽灯(最多16流明/瓦)和大多数卤素灯(最多30-35流明/瓦)。从单个LED模获得的流明输出现在已经增加到远超过100流明并且期望几年后应当可能在2.7瓦的输入功率情况下实现每LED模75流明/瓦的效率，从而生产出200流明/LED。另一方面，在可预见的将来，每LED模的极限流明输出在用于照明目的的LED普通设备应用中仍存在一个需要克服的障碍。普通照明光源必须产生处于民用时500-1000流明而专用时1000-3000流明的光通量，即普通白炽光源和荧光光源的输出电流。当来自许多LED模的光输出结合在单个夹具中时，这只能用LED提供所谓的光学引擎来实现。这本身不应是个问题，然而当需要高亮度光源时它开始成为一个问题，因为例如来自所有结合的LED的发射光不得不借助于小尺寸紧凑型准直元件进行瞄准。后者的一个公知的例子是汽车头灯。这里，人们通常使用H7卤素灯(55瓦的输入功率)，发射大约1500流明。这些流明以大约30Mcd/平方米的亮度发射。在使用氙气HID灯的情况下，所得的亮度增加到大约80Mcd/平方米。相反，当单个的1平方毫米LED模制成发射50流明的白光，这大约是用现行技术可以获得的最佳情况，此时单个模的亮度是大约8Mcd/平方米，仍然低于卤素灯亮度的几倍并且低于传统HID灯亮度数量级的几倍。当需要多个LED模时由于相邻模之间必要的间距而使情况显著恶化。

LED光学引擎(也称为″发光器″)的一个例子公开在US6402347中，它能够将从多个LED模发出的光输出结合在一起以实现发射光的单个集中(瞄准)光束。其中，单个LED元件安装在背板上，其每一个安装有准直圆顶。相邻对准的菲涅耳透镜用于将单个LED光束投影到单个输出元件上，例如光导引件。这一系统的主要问题是由于从各个光界面的反射造成的大量光损失，其数量可达大约60％。这种光学引擎的其它缺点是它的容积以及辅助光学器件所需的精密对准提高了这种光学引擎的成本。至今，这种LED光学引擎的尺寸和成本还远超过普通高强度光源。

因此，本发明的目的是提供基于LED的光学引擎，它更容易且更便宜地生产，它具有紧凑的尺寸，并且显示出比现有基于LED的光学引擎更良好的性能。

为此，本发明提供一种光学引擎，包括具有至少一个孔的腔室和多个位于该腔室中的LED元件，其中有效地，腔室的所有内表面实现为高反射性、最好是漫反射(也称为″白色反射″)表面，该表面基本不吸收理想波长范围内的光，特别是可见光谱域、紫外线区域和/或红外线区域。术语″高反射性″应被理解为反射率接近100％，优选≥95％，更优选≥98％。

根据本发明，如果所有未被LED元件占据的内表面-包括LED元件之间的表面积-都是高反射性的，则基本上所有由LED元件发射的光将离开腔室穿过该孔，或许在数次甚至多次反射之后终将离开。这种光在腔室中多次反射的现象被称为″内部光循环″。在这种结构中，每个内腔表面实际上是发射表面，无论它本身是像LED元件的表面一样发光，还是反射光。根据本发明的光学引擎不同于现有技术的光学引擎，它不包括内部的辅助光学器件，从而制造更加经济。如果期望的话，根据本发明的光学引擎可具有外部辅助光学器件，最好提供在光学引擎孔附近，其目的是定形和/或瞄准来自光学引擎的发射光束。

以这种方式设计的腔室，作为″集光球″或所谓″积算球″构造，这样由腔室内部的LED发射的绝大部分光将真正穿过该孔离开腔室。显然，整个光学引擎的效率最终依赖于腔室内表面获得的反射率。虽然内表面的反射率不可能准确达到100％，这一极限仍可以相当好地接近。非常良好的性能可用根据本发明的光学引擎获得这一点将在下面进行证明，从而最终获得的值将总是依赖于光学引擎的准确结构参数，例如LED在腔室中的封装密度、LED的反射率、孔开口相对于暴露于光的光学引擎总内表面积的尺寸。因此准确的结构参数应被选择以适应期望的场合。

接下来，假定LED是固态无机LED模，因为它们是目前可用的具有充足发光强度的类型。当然，任何其它电子发光元件均可采用，例如激光二极管、其它类型的半导体发光元件或有机LED，只要它们提供充足的性能。因此，下面的术语″LED″将被认为是任何适当类型电子发光元件的同义词。

从属权利要求和随后的说明书公开了本发明的特别有利的实施例和特征。

内表面的反射率基本能够以任何方式获得。唯一严格的是反射率足够高，优选≥98％。优选地，高反射面可通过在腔壁的内表面上分布漫反射材料来实现。例如，内表面可涂敷形式为足够厚度的粒子/粘结剂涂层的适当材料。

在本发明特别优选的实施例中，漫反射材料容纳在腔壁的内表面与盖板之间，该盖板至少在理想波长范围内透明。漫反射材料因此夹在腔壁的内表面与透明盖板之间。这种结构允许采用例如反射干燥粉末、优选自由流动粉末的漫反射材料。适当的白色反射粉末可包括例如氧化铝、氧化钛、氧化镱、硫酸钡、焦磷酸钙、海磷酸钙(Ca-halophosphate)、或氧化镁的无机粒子或这些粒子的混合物。任何有机粘结剂的缺少都增加粉粒的反射率并避免逐渐经时褪色。特别推荐使用平均粒径5-15微米的焦磷酸钙，因为它的便宜和方便可用性、化学纯度、抗高温(＞1000℃)的能力、当它混合大约1％w/w Alon-C纳米微粒(即，氧化铝纳米微粒，Degussa GmbH，德国)时能用作自由流动粉末，它对于用干燥粉末粒子容易地填充腔室内表面和盖板之间的相对狭窄空间非常有用，以及它那经证明在900℃退火后不吸收可见光的特性。采用焦磷酸钙粉末，反射粉末层最好应具有至少2毫米的厚度，从而达到至少98％-99％的反射率。

为了获得在将输入功率转化为光方面最大可能的效率，必需尽可能使产生在LED元件内部的光真正离开LED进入腔室内部。这不是没有问题的，因为内反射出现在LED模表面与围绕部之间的边界层。因此在本发明的优选实施例中，光学引擎包括用于促使由LED元件发射到腔室内去的光进行外耦合的外耦合装置。

该外耦合装置可包括透明圆顶，例如由硅树脂和/或一些有机聚合材料制成，其每一个都光学连接于相应LED元件的光发射面。优选地，当这一盖板用于覆盖LED元件和/或LED装置主体安装所在的腔壁并用于覆盖/夹合白色漫反射材料时，圆顶穿过孔伸入盖板中。这种围绕LED元件存在的透明圆顶促进光从LED模的外耦合。另一方面，它们的存在不利地影响了光学引擎腔室内部光循环的效率。依赖于LED特征和所包括的波长，光吸收会发生在相应LED元件内部或直接相邻的圆顶的底部。此外，光学引擎内侧上的高反射涂层仅存在于位于圆顶之间的内壁表面积上，该圆顶横截面明显大于相应LED模本身的横截面。

因此，在可选实施例中，LED圆顶被简单省略。然后白色反射涂层可施加于LED模元件之间，并且当与采用圆顶的情况相比时将覆盖内壁表面积的大致更大的部分。由于来自裸LED模的光的外耦合本来效率较低，暴露的LED模表面最好覆盖着与模光学接触的透明散射涂层，或者直接对LED模表面应用微观结构。后者的这些措施促进了来自LED模的光的外耦合。

在最优选的实施例中，覆盖反射材料的透明盖板也覆盖LED元件，并且外耦合装置包括多个透明外耦合元件，其每一个都从相应LED元件的发光表面延伸到透明盖板。从而，光学透明的外耦合元件本身可形成盖板的一部分。

透明的外耦合元件最好具有在外耦合元件与透明盖板之间的分界面处比外耦合元件与相应LED元件之间的分界面处更宽的横截面。例如，透明的外耦合元件可具有圆锥形、抛物线形或金字塔形形状，特征在于横截面在远离相应LED元件的方向内加宽。这种形式确保透明的外耦合元件不仅有助于对产生于LED模中的光进行外耦合并像光导体一样通过透明盖板将其传导到腔室内部，并且还有助于担当LED的准直仪，限制LED的发射角。

实质上，任何LED元件均可采用，例如涂敷有光转换物质(通常称为荧光物质或仅仅是″磷光质″涂层)的LED模。这种LED的磷光质涂层确保由LED发射的特定波长的光的至少一部分转换为不同的波长，从而总体上光线以理想波长特性即特定颜色发射。光学干涉层可设置在LED模与LED模表面上的磷光质涂层之间，用于促使产生在LED模内部的光发射到磷光质层中并使从磷光质层进入LED模中去的磷光质转换光的发射减弱。

在采用磷光质转换LED的情况下，例如磷光质粒子的光转换物质可分布在反射材料上或其内部，例如白色反射粉末，它或作为粒子/粘结剂涂层分布在腔壁内表面上，或作为无粘结剂粉末层夹在腔壁与透明盖板之间。这从处理/封装的观点来看不仅更容易、更便宜，而且提供一种抵抗荧光粉饱和度现象的策略并且有助于提高从模得到的流明输出。通过例如干燥粉末的简单混合将磷光质结合于漫反射白色粉末，简化了LED元件的制造并避免了高光强度下的荧光粉饱和度，因为大量的磷光质能穿过相对较大的表面积传播。漫反射白色粉末层或漫反射粒子/粘结剂涂层中磷光质的数量和位置可进行优化从而获得适当的颜色点。这种情况下，无磷光质LED元件也可采用。

附加地或可选地，不同波长和特征的LED元件，例如红色、绿色、蓝色，可随心所欲地使用和定位在该光学引擎中。当采用根据本发明的光学引擎时多色混合的问题自动得到解决，因为单个LED模不能直接从外部看出并且内部颜色混合由内部光循环处理负责。

该孔可基本由腔壁上的简单开口组成。孔参数对光学引擎的影响此后将进行详细讨论。例如光学纤维或类似物的光导元件可设置在该孔的附近、之中或之上，其中产生在光学引擎中的光被捕捉。在本发明的优选实施例中，光束形成元件设置在孔之中或附近。例如形式为透镜、锥形元件、金字塔形元件或抛物线形元件的光准直元件特别优选。通过孔出去的光在限定的发射角中瞄准和/或通过这样的准直元件在限定的空间/角度光强分布图案中定形。

为了使存在于光学引擎内部的各个光学界面处通过内反射引起的光损失最小化，例如腔室内部与透明盖板之间和/或腔室内部与外耦合装置之间和/或腔室内部与设置在光学引擎孔处的准直元件之间，和/或腔室内部与LED模表面之间的界面处，该腔室最好填充有折射率接近于或优选匹配于透明盖板和/或外耦合装置和/或准直元件和/或LED元件的折射率的材料，因此相对于可见光和/或相对于内部产生并从LED模发射出来的光降低或均匀消除各个光学界面的“光学可见性”。

这种材料可为具有理想(匹配)折射率的有机介质，例如透明液体、特别是油，或是固体树脂、特别是硅树脂，最好相对于可见光和/或内部产生并从LED模发射出来的光大致不吸收。当腔室内的填充材料与所述光学元件光学接触时，这一措施还使位于光学引擎的孔处的光学元件的菲涅耳反射最小化。当材料为用于LED元件前端冷却的液体材料时获得优选的实施例。优选地，液体材料作为光学引擎腔室与一些附加外部冷却装置之间的流体而被循环泵送以增加流体的冷却效果。

根据本发明的光学引擎可用于任何LED照明设备，特别是例如汽车头灯的汽车照明系统，特征在于该照明设备具有有限面积的光输出孔，带有可调亮度和颜色的输出光束，光从该孔发射到几个远方位置。发射的输出光束的亮度可通过改变提供给光学引擎内部的各LED元件的电功率进行方便地调节。在例如红、绿、蓝LED元件的不同波长特征的LED元件存在于光学引擎内部的情况下，发射的输出光束颜色也可通过改变提供给各LED元件的电功率进行调节。

本发明的其它目的和特征将从下列结合附图的详细说明中变得显而易见。当然，要理解的是附图单纯出于描述的目的被设计，而不是为了限定本发明的范围。附图中，自始至终相似的参考字母表示相同的元件：

图1显示了根据本发明的光学引擎的第一实施例；

图2显示了根据图1的光学引擎的一部分腔壁的放大图；

图3显示了根据本发明第二实施例的光学引擎的腔壁的放大部；

图4显示了根据本发明第三实施例的光学引擎的腔壁的放大部；

图5显示了根据本发明第四实施例的光学引擎的腔壁的放大部；

图6显示了根据本发明的光学引擎的第五实施例；

图7显示了根据本发明的光学引擎的第六实施例；

图8显示了根据本发明的光学引擎的第七实施例；

图9显示了根据本发明的光学引擎的第八实施例；

图10显示了根据本发明的光学引擎的第九实施例的腔室形状的简化示意图；

图11是描述孔占比f对下列参数的影响的图表；

-从光学引擎放射(发射)的内部产生光的占比T；

-表示正常来自光学引擎孔中的发射光束的亮度相对于单个LED元件亮度的亮度比B；

-质量参数Q。

图12是显示对于内部反射壁面和LED表面的各种反射率，质量参数Q对孔占比f的依赖性的图表；

图13是显示对于光学引擎内壁上的LED元件的多个包装密度θ_LED，质量参数Q对孔占比f的依赖性的图表；

图14是显示对于各种孔占比f，光集中因子L对准直角度θ_C的依赖性的图表；

图15是显示对于特定第一孔占比f的各种LED包装密度θ_LED，光集中因子L对准直角度θ_C的依赖性的图表；

图16是显示对于特定第二孔占比f的各种LED包装密度θ_LED，光集中因子L对准直角度θ_C的依赖性的图表。

图中对象的尺寸出于清楚的理由进行选择，但未必反映真实的相对尺寸。

图1和2显示了根据本发明光学引擎的特别优选的实施例，其中图1显示了该整个光学引擎的横截面，图2显示了穿过腔壁的放大横截面。

光学引擎1包括以例如长方形或圆柱形的方式构造的腔室6。具有表面积A_exit的开口或孔7位于腔室6的顶部并连接于准直元件8。LED元件13位于腔室6的内壁10上，彼此沿筒壁或在与孔7相对的内表面上隔开一定距离，即栅格隔开。这些LED元件13通过外耦合件15连接于透明盖板11。

这一透明盖板11位于腔室6中与腔室6的内壁隔开一定距离。包括带孔7的顶侧在内的腔室6的所有壁10由透明盖板11覆盖。透明盖板11与腔室6的壁10的内表面之间的间隙充满漫反射白色粉末。反射白色粉末的适当备选物是氧化铝、氧化钛、氧化镱、硫酸钡、焦磷酸钙、海磷酸钙(Ca-halophosphate)、或氧化镁。用于透明盖板11的适当材料包括PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，有机玻璃)、PC(聚碳酸酯)、树脂硅树脂混合物和玻璃。这一构造确保腔室6的所有未被LED模占用的内表面20具有高反射性。

壁部的构造在图2中详细可见。这里，单个LED模13安装在安装块14上，该安装块最好也具有围绕LED模的反射顶面。透明的截断反转金字塔或圆锥体充当外耦合件15，它们光学耦连于透明盖板11。此外，这些外耦合件15借助于树脂或其它适当的胶状材料光学耦连于LED模13。代替用树脂或类似材料将这些外耦合件15光学耦连于透明盖板11，它们也可优选直接形成为透明盖板11的一部分。外耦合件15向着光学引擎1的内部9引导发射光。圆锥形外耦合件15的横截面在远离相应LED模13的方向内加宽。优选地，外耦合件呈现相对于垂直线成5°和65°之间的倾斜角度，更优选相对于垂直线成20°和50°之间的倾斜角度，最优选呈现相对于垂直线成大约45°的倾斜角度。

透明盖板11与腔室6的不透明外壁11的内表面之间的距离，即漫反射粉末层12的厚度最好大于2-3毫米。粉末层12提供腔室6的高反射表面20，它使得内部光循环利用。准直元件8设置在孔7之上，并且例如由透明塑料材料制成，并接收从光学引擎1的孔7发射的光。准直元件8的形状选择为使得基本没有光线从准直元件8的出口表面上大于准直半角θ_C的角度发出，该准直半角相对于发射光束的传播方向测量。

为了促进光线从透明盖板11到腔室6内部的外耦合，并简化从腔室6进入准直元件8的光线的耦合，整个腔室6的内部9充满固体或液体介质22，该介质的折射率接近或最好匹配于透明盖板11的折射率，并且也可能接近或最好匹配于准直元件8的折射率。在盖板11与介质22之间的边界面以及在准直元件8与介质22之间的边界面引起反射的不期望的光线损失从而得以避免或至少得到减少。如果介质22是液体介质，该液体还可用于前端LED冷却的目的，例如通过在腔室9与外部冷却装置之间抽吸液体介质22。

图3显示了腔室6的壁部10的内表面的稍加改造的结构。这里，LED模13直接安装在腔壁10的内表面上。光接触层16位于每个LED模13上。这一接触层16可包含散射粒子以促进光线从LED模13中外耦合。透明盖板11呈现块状外耦合件15，它从透明盖板11向着LED模13伸出，担当扩展部或桥，并提供与接触层16的光学接触。这里透明盖板11与壁部10的内表面之间的空间也充满反射性白色干燥粉末12。

图4显示了另一种可能的结构。如图3所示，LED模13位于内壁10上。为了促进由LED模13发射的光线通过LED模表面外耦合，LED模13最好由与LED模表面光学接触的透明散射层17围绕，从而促进光从LED模13到腔室6中去的外耦合。高漫反射白色粒子/粘结剂层18覆盖着位于各个LED13之间的内壁10的表面。

图5中可看到更可能的结构，其中每个都具有LED模元件(图表中未示出)的LED装置主体23安装在外壁10的内表面上。LED模元件本身封装在LED圆顶19中，确保从LED模发出的光线的良好外耦合。带有适当的网格图案开口的盖板21覆盖LED装置主体23，LED圆顶19穿过这些开口突出。LED圆顶19之间的盖板21的表面用白色漫反射粒子/粘结剂涂层18覆盖，该涂层具有足够的厚度以形成高反射性涂层18。

光学引擎2的另一结构例显示在图6中。它与图1所示例子之间的根本区别在于腔室6构造得与图1中的光学引擎1不同。这里，腔室6具有底壁10，各个LED像图1所示的例子那样安装其上。当然，侧壁10′现在从底壁10朝着孔7锥形延伸。这些侧壁10′上没有LED。为了提供理想的高反射性内表面20，透明盖板11和底壁10一样设置为距侧壁10′的内侧大约2-3毫米的距离，并且盖板11与侧壁10′之间的空间以及底壁10与盖板11之间介于LED安装元件14、模13和外耦合件15之间的空间内充满高反射性白色粉末12。此外，准直元件8设置在孔7处。这种光学引擎2与光学引擎1相比好处在于其缩小的体积，尤其是其缩小的高度。另一方面，相对于腔室内壁总面积而言LED元件的数目较少，因为侧壁10′上不被LED元件占据。

根据本发明的光学引擎3的另一实施例显示在图7中。这种光学引擎3的壳体6具有与光学引擎2的壳体相同的几何形状。当然，LED元件以与图5中相同的方式安装在基座10上，即支撑LED模(图表中未示出)封装所在的LED圆顶19的LED装置主体23占据该基座10。LED安装所在的基座壁10的表面以及LED装置主体23的侧壁和顶面均覆盖着白色漫反射涂层18，仅留突出的圆顶19未经覆盖。带有适当的网格图案开口的透明盖板11′覆盖LED装置主体23，LED圆顶19穿过这些开口伸出。这一透明盖板11′与外壁10的内表面之间的空间充满反射性白色干燥粉末12。逐渐缩小为孔7且带有设置在侧壁10′与透明盖板11之间的反射材料12的圆锥形侧壁10′以与图6中光学引擎相同的方式构造。

图8显示了根据本发明的光学引擎4的另一实施例，对于外壳6而言，它以与图7所述例子相似的方式构造。然而不同于图7中的是，这里不采用透明盖板11′和反射白色干燥粉末12。取而代之的是，圆锥形腔壁10′现在也用白色漫反射粒子/粘结剂层18覆盖在内侧以提供高反射性表面20。此外，白色漫反射粒子/粘结剂层18提供在腔壁10的内表面上以及位于透明圆顶19之间的LED装置主体23的表面上。

图9显示了根据本发明的光学引擎5的另一实施例，它基本上仅在腔室6的外部形状方面与图1和图6中的例子不同。腔室6的下半部是圆柱形或长方形形状，其基座壁10和侧壁10均由设置为特定网格图案的LED元件13占据。腔室6的上部圆锥形缩小为孔7，其方式与图6中光学引擎2的圆锥形侧壁10′相同。腔室6上部的这一圆锥形壁10′内侧未被LED元件13占据，仅具有高反射性表面20。这一高反射性表面20也由距壁部10、10′一定距离设置的透明盖板11形成，白色反射粉末12填充壁部10、10′的内表面与盖板11之间的空间。

在图6至9所示的所有情况中，腔室6的内部9最好充满具有适当折射率的固体或液体介质22，如对图1中的光学引擎1描述的那样。

不同的例子显示出腔室6可基本具有任何表面几何形状类型。此外，必须强调的是孔7不一定必需是侧壁上的圆形开口并且它不必具有光学元件8。任何最好具有较小尺寸的侧壁可简单忽略掉结构，提供孔7。这由图10中的圆柱形腔室6的简图显示出来。基本上，这种腔室6可具有任何基本表面几何形状，例如位于相对侧面上的孔。例如，人们还可以设想伸长的光学引擎立方体，两个小表面均向外界开口。这取决于光学引擎的预期作用，以及光学引擎工作所在空间的限制。

例如腔室几何形状、腔室中LED元件的数目、孔的大小等精确结构参数依赖于例如光学引擎最大尺寸的限制条件以及期望的输出参数。因此下面描述可获得的输出参数如何依赖于光学引擎的结构参数：

假定图1所示光学引擎盒具有表面积为A_exit的单个孔或出口7，包括出口表面积A_exit在内的总内表面积A_engine。假如各个LED模元件13的总数N_LED，每个占用(突出的)平坦顶面积A_LED，各LED模元件安装在光学引擎1的壁部10的内表面上。每个LED元件13被假定具有反射率R_LED并从其模面积A_LED中发射光通量Φ_LED。反射率R_wall的白色漫反射壁20围绕LED元件13横向存在。

穿过孔出口7逃逸到外界的内部产生的光线的发射占比T遵循以下级数：

$T=\frac{A_{\mathrm{exit}}}{A_{\mathrm{engine}}}+(1-\frac{A_{\mathrm{exit}}}{A_{\mathrm{engine}}})R_{\mathrm{av}}\frac{A_{\mathrm{exit}}}{A_{\mathrm{engine}}}+{(1-\frac{A_{\mathrm{exit}}}{A_{\mathrm{engine}}})}^2{R}_{\mathrm{av}}^2\frac{A_{\mathrm{exit}}}{A_{\mathrm{engine}}}+\·\·\·\·\·\·$

将″孔占比″

$f=\frac{A_{\mathrm{exit}}}{A_{\mathrm{engine}}}$

代入其中，得到

$T=\frac{f}{1-R_{\mathrm{av}}(1-f)}---\left(1\right)$

从而根据下式，R_av表示光学引擎内壁表面非出口部的平均内部反射率R_av，

$R_{\mathrm{av}}=\frac{N_{\mathrm{LED}}{A}_{\mathrm{LED}}{R}_{\mathrm{LED}}+(A_{\mathrm{engine}}-A_{\mathrm{exit}}-N_{\mathrm{LED}}{A}_{\mathrm{LED}})R_{\mathrm{wall}}}{A_{\mathrm{engine}}-A_{\mathrm{exit}}}---\left(2\right)$

$={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LED}}{R}_{\mathrm{LED}}+(1-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LED}})R_{\mathrm{wall}}$

其中

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LED}}=\frac{N_{\mathrm{LED}}{A}_{\mathrm{LED}}}{A_{\mathrm{engine}}-A_{\mathrm{exit}}}---\left(3\right)$

表示覆盖着LED元件13的内反射光学引擎表面积A_engine-A_exit的占比。

上述等式不设定光学引擎内壁的任何具体形状。另一方面，等式(1)的级数展开仅适于小的孔占比f。在包括单个平面光发射面的光学引擎的极端情况下，可具有最大的f＝0.5，并且根据定义得到T＝1，因为没有反射面存在于发射光源中。这种情况下，等式(1)错误地预测了T＜1，但只要R_av＞0.90这一错误就不严重，从而可以容易地实现。

对于实际的光学引擎，上限f≈0.3-0.4最好应被保持，但根据本发明光学引擎的概念显然对于更小得多的f值更有利。例如构造为立方体且仅在其六个侧面之一上开口的光学引擎具有孔占比f＝0.17。孔占比f更小的值可通过使立方体更长而容易地获得，同时保持其两个小侧面中仅有一个开口。在本发明的优选实施例中，孔占比f应≤0.15，更优选≤0.1。例如，根据图1的直径2厘米、腔长3厘米、孔径1厘米的光学引擎1具有孔占比f＝0.03。

在R_LED＝R_wall＝R_av＝1的情况下，不存在光损失，并且对于任何任意小孔占比f，将根据等式(1)获得T＝1。这将在理论上允许当f→0时极高亮度的产生。当然，实际上这是不可能的，因为光损失决不会完全得到避免。

因此导出光学引擎1的孔出口7处的可获得亮度的等式作为系统参数的函数也是有意义的。表示孔出口7处的正常亮度B_exit(假定不存在准直元件8)相对于单个LED模元件13的亮度级的亮度比B符合下式：

$=\frac{{\mathrm{TN}}_{\mathrm{LED}}{A}_{\mathrm{LED}}}{A_{\mathrm{exit}}}=T\frac{N_{\mathrm{LED}}{A}_{\mathrm{LED}}}{A_{\mathrm{engine}}-A_{\mathrm{exit}}}\frac{A_{\mathrm{engine}}-A_{\mathrm{exit}}}{A_{\mathrm{exit}}}---\left(3\right)$

$=T{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LED}}(\frac{1}{f}-1)=\frac{f}{1-R_{\mathrm{av}}(1-f)}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LED}}\frac{1-f}{f}=\frac{1-f}{1-R_{\mathrm{av}}(1-f)}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LED}}$

$=\frac{(1-f){\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LED}}}{1-(1-f)[{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LED}}{R}_{\mathrm{LED}}+(1-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LED}})R_{\mathrm{wall}}]}$

它在LED模13和孔出口7发射非准直光(即θ_c＝90°的朗伯光)时可用。

此外，用下式导出第二亮度比L(θ_c)，以下也称为″亮度集中因子″，也是有益的：

$L\left({\mathrm{\θ}}_c\right)=\frac{B_{\mathrm{exit}}\left({\mathrm{\θ}}_c\right)}{B_{\mathrm{screen}}\left({\mathrm{\θ}}_c\right)}---\left(4\right)$

它表示发光出口表面(可能是准直元件8的突出的发光出口表面A_col)的亮度B_exit(θ_c)与LED元件13以封装密度θ_LED安装所在的表面积为A_screen＝A_engine-A_exit的假想屏幕表面的平均亮度B_screen(θ_c)的比。这里，光被假设作为有角度地限定在相对于光束传播方向的准直半角θ_c内的准直光束而发射。对于非准直光，θ_c＝90°。

亮度集中因子L(θ_c)的资料指示出净的光集中是否已经通过将N_LED个模以对应于简单位置的表面封装密度θ_LED一起封装在光学引擎1内部，其中N_LED模以相同的表面封装密度简单安装在平面光发射屏幕上。数值L(θ_c)＞1表示光(亮度)相对集中而数值L(θ_c)＜1表示光(亮度)相对分散。很明显L(θ_c)的值尽可能大并远高于1通常会是理想的。

一旦光学引擎1被制成发射二维准直光，如图1所示，相关出口表面积变成安装在光学引擎1的出口7上的准直元件8的突起的输出表面A_col。根据集光率定律，对于给定的准直半角θ_c，准直元件8的所需最小输出表面积A_col根据下式与图1中光学引擎1的孔7的输出面积A_exit存在关系，

$A_{\mathrm{col}}=\frac{A_{\mathrm{exit}}}{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_c}---\left(5\right)$

并且从而表示在减小θ_c时发射表面A_col不可避免的增大。屏幕平均亮度级B_screen(θ_c)根据下式与B_LED(θ_c)存在关系，

                 B_screen(θ_c)＝θ_LEDB_LED(θ_c)               (6)

在根据图1的光学引擎的实施例中，单个LED元件具有形式为金字塔形外耦合件15的准直元件。因此，单个LED外表上的光发射表面积也增加，但是它们可直接容纳在安装屏幕(以上为等式(4)的推导定义的假想平面屏幕表面积A_screen)上，只要平面安装屏幕上的LED封装密度约束

                    θ_LED≤sin²(θ_c)                   (7)

得到满足就不会扩大屏幕。之后该屏幕表面积A_screen可独立于θ_c获得。

从上可知的是，只要θ_c＜90°，等式(4)中的B_exit表示安装在光学引擎1的孔开口7上的准直元件8的光输出表面处的亮度B_col，遵循的是L(θ_c)可从下式获得：

$=\frac{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_c}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LED}}}B=\frac{(1-f)\mathrm{si}{n}^2\left({\mathrm{\θ}}_c\right)}{1-(1-f)[{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LED}}{R}_{\mathrm{LED}}+(1-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LED}})R_{\mathrm{wall}}]}$

对于θ_c＝90°的特例(朗伯光)，图11显示了在对应于现实条件封装密度θ_LED＝0.05并且发射率R_wall＝0.98且R_LED＝0.50时，作为孔占比f的函数的发射率T与亮度比B的计算值。

从图11中清晰可见，在减少孔占比f时，出口处可获得的亮度比B增加，虽然显著降低了流明输出，该流明输出与离开光学引擎的内部产生的光的发射率T成比例。由于光通量和亮度在与孔占比f的关系中呈现相反的趋势，它根据下式限定质量参数Q是有意义的：

$Q=\mathrm{BT}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LED}}(1-f)f}{{[1-[{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LED}}{R}_{\mathrm{LED}}+(1-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LED}})R_{\mathrm{wall}}\left](1-f)\right]}^2}---\left(9\right)$

在图11中，质量参数Q也描绘为孔占比f的函数。从这一图中变得很明显的是Q在其最佳孔径f_opt处经历最大值。f_opt的值由下式得出：

$f_{\mathrm{opt}}=\frac{1-R_{\mathrm{av}}}{2-R_{\mathrm{av}}}---\left(10\right)$

R_av由等式(2)给定。

当然，在f＝f_opt附近，Q不严重依赖于孔占比f。在高的T比高的B更重要的情况(例如普通照明设备关心的)下，建议选择f＞f_opt。当高的B比高的T更重要时，反之亦然。

图12显示了在封装密度θ_LED＝0.05且θ_c＝90度时，对应于R_LED和R_wall的各种值，质量参数Q因子作为孔占比f函数的计算(I：R_wall＝0.98且R_LED＝0.7；II：R_wall＝0.98且R_LED＝0.5；III：R_wall＝0.96且R_LED＝0.5)。对于f_opt周围的孔占比，如果反射率R_LED和R_wall减小，质量参数Q明显下降，即曲线变平。

此外，图13显示了在恒定R_wall＝0.98且R_LED＝0.5并且θ_c＝90°时，对应于θ_LED各种值，作为孔占比f的函数的质量Q的计算。如图可见，质量参数Q随着增加的封装密度θ_LED在f的整个范围内增加。

图14、15和16显示了在现实反射率R_wall＝0.98以及R_LED＝0.5时，对应于孔占比f的各种值(图14中，保持恒常的封装密度θ_LED＝0.05)，以及对应于θ_LED的各种值(图15中，保持恒常的孔占比f＝0.05；图16中，保持恒常的孔占比f＝0.1)，光集中因子L(θ_c)的计算。在所有的图中，各条线根据等式(7)的限制而画出。

很明显，至少对于θ_c＝60°(普通照明设备)，采用根据本发明的光学引擎使得80％的流明输出(T＝0.8)时实现显著的亮度集中，其因子数值高达5。此外，更高的光集中因子L通过减小孔占比f可得以获得，但其代价是降低的流明效率。

理所当然，R_wall和R_LED总是尽可能选择高的，它基本上决定内壁上的LED元件的封装密度θ_LED，作为孔占比f的函数来影响性能。总是要在亮度方面和流明效率方面之间寻找平衡。此外所需总的流明输出必须要考虑，从而光学引擎的大小与总的流明输出成正比。

在高流明效率最重要的情况下，可建议在低θ_LED≈0.01时选择孔占比f≈0.10-0.12。这获得T≈0.8且B≈0.07，在θ_c＝90°时，它们仍是安装壁的屏幕平均亮度的七倍那么亮。亮度集中因子L(θ_c)在θ_c减小时减小但降至θ_c＝40°时基本保持。

在高亮度最重要的情况下，建议选择较高的LED封装密度θ_LED≈0.05，如果可行甚至可以选择更高。为了增加可获得的LED封装密度，应提供LED元件的冷却，例如借助于如前所述的折射率匹配的冷却液。在f≈0.1时，它具有较小的T＝0.65，但是较高的亮度比B＝0.3，在θc＝90°时仍比安装壁的屏幕平均亮度B＝θ_LED亮六倍。亮度可通过将孔占比f减小到例如f＝0.05而进一步增加。在f≈0.1时，质量参数Q在增加θ_LED时显著提高。为了从根据本发明的光学引擎中获得最多利益，因此将θ_LED增大到θ_LED＝0.10或超过此数值的水平将非常有益。

虽然本发明已经用上述优选实施例和变形的形式进行了公开，应当理解的是可对此做出许多其它修改和变化而不脱离本发明的范围。为了清楚的原因，也应理解的是整个申请中″一″或″一个″的使用并不排除多个，而″包括″不排除其它步骤或元件。

Claims (16)

1、一种光学引擎(1、2、3、4、5)，包括带有至少一个孔(7)的腔室(6)以及多个位于此腔室中的LED元件(13)，其中有效地，腔室(6)的所有内表面实现为高反射面(20)，它们基本不吸收理想波长范围内的光。

2、根据权利要求1所述的光学引擎，包括外耦合装置(15、15′、16、17、19)以提高由LED元件(13)发射到腔室(6)中去的光线的外耦合。

3、根据权利要求1或权利要求2所述的光学引擎，其中高反射面(20)由分布在腔壁(10、10′)内表面上的漫反射材料(12、18)实现。

4、根据权利要求3所述的光学引擎，其中漫反射材料(12)容纳在透明盖板(11、11′)和腔壁(10、10′)的内表面之间。

5、根据权利要求3或4所述的光学引擎，其中漫反射材料(12)包括反射性干燥粉末(12)。

6、根据权利要求4或5所述的光学引擎，其中透明盖板(11)覆盖LED元件(13)，外耦合装置(15、15′)包括多个透明外耦合件(15、15′)，它们中的每一个从相应LED元件(13)的光发射表面延伸到该透明盖板(11)。

7、根据权利要求6所述的光学引擎，其中透明外耦合件(15)具有在外耦合件(15)与透明盖板(11)之间的分界面处比外耦合件(15)与相应LED元件(13)之间的分界面处更宽的横截面。

8、根据权利要求1至7中任一项所述的光学引擎，其中外耦合装置(19)包括透明圆顶(19)，每一个透明圆顶光学连接于相应LED元件的光发射表面。

9、根据权利要求8所述的光学引擎，其中圆顶(19)通过孔(22)伸入覆盖着LED元件安装所在的腔壁(10)的盖板(11′、21)。

10、根据权利要求3至9中任一项所述的光学引擎，其中分布在腔壁(10、10′)内表面上的反射性材料(12)包括光转换物质。

11、根据前述权利要求任一项所述的光学引擎，其中具有不同波长特征的LED元件定位在腔室内部。

12、根据前述权利要求任一项所述的光学引擎，包括定位在腔室(6)的孔(7)处的光准直元件(8)。

13、根据前述权利要求任一项所述的光学引擎，其中腔室(6)充满材料(22)，该材料的折射率接近于或优选匹配于透明盖板(11、11′)和/或外耦合装置(15、15′、19)和/或准直元件(8)和/或LED元件(13)的折射率。

14、根据权利要求13所述的光学引擎，其中材料(22)是液体材料，它还用于LED元件(13)的前端冷却。

15、根据前述权利要求任一项所述的光学引擎，其中由孔(7)的表面积(A_exit)与光学引擎(1、2、3、4、5)的包括孔(7)的表面积(A_exit)的总内表面积(A_engine)的比限定的孔占比(f)优选小于等于0.15，更优选小于等于0.1。

16、一种包括根据前述任一项权利要求所述的光学引擎(1、2、3、4、5)的汽车照明系统。

Images