CN103958963B - 高循环率固态光源装置 - Google Patents

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Abstract

光源装置包括具有近朗伯发光面的LED光源或波长转换材料。所述光源装置包括将小角度光(接近发光面的法线方向的光)反射回光源的光再循环***，及收集和输出大角度光(远离法线方向的光)的光收集***。被光再循环***反射的光被发射面向所有方向上散射，其中大角度散射光被光收集***收集，小角度散射光再次被光再循环***反射。可以设置没有波长转换材料的第二激励光源或其自身具有波长转换材料的第二光源，并且由合适的光学元件将第二光导向至发光面。

Description

高循环率固态光源装置
技术领域
本发明涉及固态光源装置，特别地涉及使用光再循环以提高输出亮度的固态光源装置。
背景技术
发光二极管(LED)已成为常见光源。然而，LED光源的亮度通常不能满足一些特定的应用领域，比如大显示设备、汽车前灯、舞台照明***等。为了改善LED光源的亮度，一种方法是提高每个LED芯片的输入功率。但是高功率增加了热耗散的需求，因为蓄积的热量可引起LED芯片的温度升高，降低了LED芯片的发光效率。这通常导致LED光源亮度的上限。此外，大的驱动电流可缩短LED装置的寿命和降低其可靠性。因此，不能通过无限增加驱动电流的方式提高LED光源的亮度。
由LED装置或形成于LED装置表面上的波长转换材料发射的光，通常具有近朗伯分布，即其亮度在所有方向上近似均匀。已经使用一些技术来减少LED光源的光分布角度，以提高其亮度。图13示例了光源装置20，其中来自LED芯片21的小角度光，即相对接近垂直于LED芯片表面的法线方向的光，被光学元件22比如透镜、反射器、光纤等输出。大角度光B，即相对远离法线方向的光，被球面反射器23朝向LED芯片21反射。反射回LED芯片21的光被该芯片向所有方向散射；在散射光中，小角度光由光学元件22输出，大角度光被反射器23再次反射。以这种方法，大角度光被循环，而输出光具有相对小的发散角(即，低集光率)，引起光源装置20的亮度提高。
发明内容
图13中所示光源装置存在有一个问题，因为球面反射器23对于大角度光具有相对大的光行差，在被反射器23反射之后，大部分的大角度光并没有回落到LED芯片21上，因此未被循环。这降低了所述装置的光循环效率。
因此，本发明涉及LED光源，其基本上避免了由于相关技术的局限和缺点引起的一个或多个问题。
本发明的一个目的是提高LED光源的光循环效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书部分中阐述，并且部分根据说明书将是显而易见的，或者可通过实施本发明来获得。本发明的目的及其它优点将通过在书面说明和其权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为了实现这些及其它优点，并根据如上具体和广泛描述的本发明的目的，本发明提供一种光源装置，其包括∶具有发光面的第一光源，其在一定方向范围内发射光和/或散射光，包括小角度光和大角度光，相对于发光面的法线方向，所述小角度光具有比大角度光更小的夹角；和光再循环***，包括各自设置在第一光源一侧的两个反射器，用于将小角度光导向返回第一光源。
在另一个方面，本发明提供一种光源装置，其包括：发射光的片状光源；光漫射器，其漫射光使其分成在一定方向范围，包括小角度光和大角度光，相对于光漫射器的法线方向，所述小角度光具有比大角度光更小的夹角，所述光漫射器不同于光源；和光再循环***，其包括两个反射器，其中所述光源和光漫射器位于两个反射器之间，并且其中所述两个反射器将来自光漫射器的小角度光导向返回光漫射器。
在另一个方面，本发明提供一种产生输出光的方法，其包括：由第一光源的发光面产生光，所述光具有一定方向范围，包括小角度光和大角度光，相对于发光面的法线方向，所述小角度光具有比大角度光更小的夹角；将小角度光导向返回光源的发光面；收集和输出大角度光。
应当理解，前述的一般说明及随后的详细说明仅仅为示例性的和说明性的，以便于为本发明提供进一步的解释说明。
附图说明
图1示例根据本发明的第一个实施例的光源装置，其使用球面反射器循环小角度光，且使用光收集***收集大角度光用于输出。
图2示例了根据本发明的第二个实施例的光源装置，其使用波长转换元件和作为光源的远端激励光。
图2A和2B示例出图2实施例中波长转换元件的两个方式。
图2C示例图2实施例中光源的另一个方式。
图3示例根据本发明的第三个实施例的光源装置，其设置有第二激励源。
图4示例根据本发明的第四个实施例的光源装置，其使用相对的两个LED。
图5示例根据本发明的第五个实施例的光源装置，其使用两个光源。
图6示例根据本发明的第六个实施例的光源装置，其使用第二激励光源。
图7示例根据本发明的第七个实施例的光源装置，其为第五个实施例的替代方式。
图8示例根据本发明的第八个实施例的光源装置，其使用两个相对的LED，且LED之间具有反射器。
图9示例根据本发明的第九个实施例中的光源装置，其中两个光源照射散射面。
图10示例根据本发明的第十个实施例中的光源装置，其中两个激励光源照射波长转换材料。
图11示例根据本发明的第十一个实施例中的光源装置，其中使用角度选择性二向色滤光器以循环小角度光。
图11A示例图11的二向色滤光器的示例性透射率图表。
图12用示意图示例光源装置，显示所述装置的不同功能元件。
图13示例使用球面反射器以循环大角度光的传统LED装置。
具体实施方式
为了解决上述与图13所示传统LED装置的有关问题，根据本发明的实施例设计的LED光源，其使用球面反射器以循环小角度光，并且使用光收集***收集大角度光以用于输出。
图1示例根据本发明的第一个实施例中的光源装置。所述光源装置100包括光源110、光再循环***和光收集***。光源110可以是LED芯片。LED芯片可以发射所需颜色的光，比如紫外线、蓝光、绿光、红光、红外线等。LED芯片也可以包括在其表面上形成的波长转换材料，其将来自LED的较短波长的光(例如紫外线、蓝光等)转化成较长波长的光(例如绿光、黄光、红光等)。优选地，在LED内部，光发射材料下方具有反射面，使得图中以向下方向传播的发射光向上反射以将其呈现而不消失。光再循环***包括具有球形结构的第一反射器120，其设置在光源110上且覆盖靠近由光源110定义的平面P的法线方向N(中心轴)的区域，但不会一直扩展至光源平面P。因此，来自光源110的小角度光A(即，相对接近法线方向的光)被球面反射器120反射回光源110。反射器120优选地在其内表面上具有能有效反射光的高反射率涂层。
来自光源110的大角度光B被光收集***收集。所述光收集***可以由一个或多个反射器、或一个或多个棱镜、或一个或多个透镜、或反射器、棱镜、和透镜的组合等形成。在图1所示的实施例中，光收集***包括第一和第二收集反射器130和140。第一收集反射器130设置于比球面反射器120更远离光源110处，且通常以向上的方向(即，远离平面P)和向内的方向(即，朝向中心轴N)反射来自光源的大角度光B。第二收集反射器140设置在球面反射器120上，且通常如图中以向上(竖直)的方向反射来自第一收集反射器130的光。注意到图1是剖面图；反射器123、130和140的形状优选地具有围绕中心轴N的轴向对称结构(为避免过度拥挤，图1仅示例了一面的第一和第二收集反射器130和140)。第一和第二收集反射器130和140的形状和位置被设计为：使得基本所有未被第一反射器120挡住的来自光源110的光都被第一收集反射器130反射向第二反射器140，并且进而如图所示被第二收集反射器140基本上以垂直方向反射。在图1所示实施例中，第一收集反射器130用于会聚光，第二收集反射器140用于轻微发散光(如剖面图所示)。
第一和第二收集反射器130和140可以使用任何合适形状和位于任何合适位置，只要其能有效地收集并且以理想的方向输出大角度光B。优选地，光收集***保持光源110的发射光的集光率。例如，反射器130和反射器140可以在形状上旋转对称，或者它们可以是任意形状(非旋转对称)。在一个优选实施例中，反射器130和反射器140具有旋转对称的非球面表面，但是它们也可以具有旋转对称的球面表面。或者，为了获得来自光源的不同光分布，反射器130和反射器140可以设计为具有以多种方式定义的任意形状，所述方式比如在计算点之间的不均匀的，旋转样条曲线、线性内插或其它高阶多项式内插(如剖面图所示)。
被光再循环***(球面反射器120)反射回光源110的光被光源110部分散射至所有方向上，且部分传输到光源中。传输至光源的光将被循环，并且其中一部分光将被再次发射至所有方向上。在散射和再发射的光中，大角度光被光收集***收集(反射器130和140)并输出，小角度光再次被球面反射器120反射回光源110。反射的小角度光再次被光源部分反射，且部分传输到光源中，并且重复该过程。以这种方法，反射器120对光进行循环。小角度光被光再循环***循环，大角度光被光收集***输出。
在图1所示的结构中，因为光收集***(反射器130和140)设置在反射器120后面，由反射器120的空间范围确定循环什么光和输出什么光。相对于法线方向，反射器120反射的光具有相对小角度，光收集***输出的光具有相对大角度。应当理解，术语大角度和小角度是相对的。
因为被光再循环***反射的小角度光具有小光行差，光再循环***可以基本上将所有小角度光有效地反射回光源。总之，上述光再循环***和光收集***具有非常高的效率，并且可以有效地收集光源110发射的光和显著地提高输出光的亮度。
图2示例根据本发明的第二个实施例的光源装置。在图2所示的光源装置100A中，光再循环***(第一反射器120)和光收集***(第一和第二收集反射器130和140)与图1所示第一个实施例的相应***类似或相同。光源110A包括载有波长转换材料的波长转换元件111，所述波长转换材料比如荧光材料、量子点、发光染料等，其由外部激励光源112照射，经由合适的光传输元件113(例如透镜、反射器、光纤等)传输。从光源110A的表面发射的光具有近朗伯分布。激励光源112优选地为在蓝光或紫外线区域发光的LED。激励光源112可以设置在远离波长转换元件111处，只要使用合适的光学元件传输光。特别地，波长转换元件111可以包括载有不同波长转换材料(或没有波长转换材料)的多个区域，并且可以可移动地安装在移动***比如回转轮上，以便波长转换元件的不同分段交替暴露于激励光源112的光。载有波长转换材料的移动轮描述在共同拥有的美国专利No.7547114中。
在图2A所示一个优选的方式中，波长转换元件111A，对应于图2的波长转换元件111，包括一层波长转换材料111A-1和二向色滤光器111A-2，该二向色滤光器111A-2透射激励光D(蓝光或紫外线)和反射转换自波长转换材料111A-1发射光的较长波长光。二向色滤光器111A-2设置在波长转换材料111A-1和由其引入激励光的光传输元件113之间。在波长转换材料111A-1层和二向色滤光器111A-2之间设有空气间隙。波长转换材料111A-1在所有方向上发射所转换的光；光A1正向朝着反射器120和130传输，反向行进光A2被二向色滤光器111A-2(其充当这类光的高反射率反射镜)反射为正向行进。二向色滤光器111A-2和反射器120非常高的反射率一起获得高效循环。
图2B所示的另一个方式与图2A所示的方式类似，不同在于波长转换材料111B-1和波长转换元件111B的二向色滤光器111B-2之间没有空气间隙。二向色滤光器111B-2可以是在其下表面上具有二向色涂层的玻璃材料。可替代地，二向色涂层可以位于玻璃的上表面上，邻近波长转换材料111B-1，但是该结构对转换光可能具有较低的反射率。与图2A的方式相比，图2B的方式更容易制备，且散热更有效。
图2C显示光源110A的变形。透镜113和二向色滤光器111A-2和111B-2被弧形反射器114替换，弧形反射器114将来自波长转换材料111C的反向行进光A3(至少小角度反向行进光)反射回波长转换材料111C，而反射器114具有允许激励光D落在波长转换材料114上的小孔。大角度光B是从波长转换材料111C的一侧或双侧输出的。图2C中的反射器120相应于图2中的反射器120。
图3示例根据本发明的第三个实施例的光源装置。在图3所示的光源装置100B中，光收集***(第一和第二收集反射器130和140)与图1所示第一个实施例的相应***类似或相同；光再循环***(第一反射器120B)与第一个实施例中的反射器120类似，不同在于二向色元件，对此将于下文解释。光源包括由LED照射的波长转换材料110B。光源可以是LED芯片，其具有与之一体成型的波长转换材料，或者其可以是由与图2、2A和2B所示光源110A类似的外部激励光源照射的波长转换元件。在示例的结构中，第一激励光从下方照射波长转换材料。
另外，第二激励光源112B设置在第一反射器120B上方，从上方激励波长转换材料110B。第二激励光源112B优选地为在蓝光或紫外线区域发光的LED。在该实施例中，第一反射器120B为二向色元件，该二向色元件透射来自第二激励光源112B的蓝光或紫外线光C，但是反射来自波长转换材料的转换光A，该转换光A具有比蓝光或紫外线更长的波长范围。这可以通过在反射器120B的表面涂布二向色元件实现。使用合适的光学元件113B(例如透镜)将来自第二激励光源112B的第二激励光导向波长转换材料110B。优选地，为了提高效率，第二激励光源112B(包括光学元件113B)的集光率小于波长转换元件110B的集光率。
波长转换材料110B将第二激励光转换成转换光。以参照图1描述的方式，使来自所有激励光源的转换光被循环和输出。
图4用示意图示例根据本发明的第四个实施例的光源装置。所述光源装置200包括两个光源，各自为其上形成有波长转换材料211的LED芯片210。两个LED芯片210平行设置，以使波长转换材料211彼此面对。由两个波长转换材料211发射的大角度光B穿过两个波长转换材料之间的空间由侧面离开，其中离开的光被收集***收集。收集***包括设置在两个LED芯片210周围的反射器230，以便收集和输出大角度光。每个(第一)波长转换材料211发射的小角度光A落在另一个(第二)波长转换材料的表面上，并被该表面向所有方向散射。在散射光中，大角度光由侧面离开，并被光收集***230收集用于输出，而小角度光落在第一波长转换材料上，并被再次散射至所有方向。以这种方法，循环小角度光，并输出大角度光。在第四个实施例中，各个光源的波长转换材料211充当另一光源的光再循环***来循环小角度光。而且，使用两个LED提高了光源装置的亮度。
图5示例根据本发明的第五个实施例的光源装置。光源装置300包括第一和第二光源310和312，各自为其上形成有波长转换材料的LED芯片。选择的两个波长转换材料使其不能强吸收彼此的转换光。两个LED芯片310和312平行设置，以使波长转换材料彼此面对。包括反射器320和透镜321的光再循环***被设置在两个光源(第二光源312可以认为是光再循环***的一部分)之间。反射器320，优选复合抛物面聚光镜(CPC)，设置在第二光源312周围。透镜321设置在靠近反射器320的输出端口，以将来自第一光源的小角度光导向到反射器320中。光收集***包括反射器330，其设置在第一光源310周围，以反射输出第一波长转换材料发射的大角度光B。
第一光源310发射的小角度光被导向到反射器320中，并反射到第二光源312。第二光源312的第二波长转换材料的表面将所述光向所有方向散射。第二波长转换材料散射的光以及第二波长转换材料发射的转换光都被反射器320反射，且被透镜321导向到第一光源310的表面上。上述光被第一光源310的第一波长转换材料的表面向所有方向散射。在散射光中，大角度光被光收集***(反射器330)收集用于输出，小角度光被透镜321和反射器320再次导向到第二光源312。以这种方法，反射器320、透镜321和第二光源312的表面循环小角度光。
图6示例根据本发明的第六个实施例的光源装置。所述光源装置300A包括具有波长转换材料310的第一光源。第二光源314，其为在蓝光或紫外线区域发光但不含波长转换材料的LED，平行且面向第一光源310设置。第二光源314起第二激励光源的作用，类似于图3所示第三个实施例中的激励光源112b。设置在第二激励光源314周围的反射器320A反射第二激励光C，并经由透镜321将其导向到第一光源310以激励第一光源的波长转换材料。
光收集***包括设置在第一光源310周围的反射器330，以反射波长转换材料发射的大角度光B用于输出。来自第一光源310的波长转换材料的小角度光被透镜321导向至反射器320A。二向色元件设置在反射器320A之内或其上，以反射来自波长转换材料310的转换光。二向色元件透射第二激励光源314发射的蓝光或紫外线，但是反射波长转换材料310发射的较长波长的转化光A。反射的转换光被透镜321导向返回第一光源310。反射光被波长转换材料310的表面向所有方向散射。在散射光中，大角度光B被光收集***(反射器330)输出，小角度光A被透镜321收集，且被二向色元件321反射回波长转换材料310。以这种方法，小角度光被光再循环***(透镜321和二向色元件322)循环。
在示例的实施例中，二向色元件322位于反射器320A的输出端口。当反射器320A为实心CPC时，二向色膜可以涂布在CPC的扁平输出表面上。当反射器320A是中空CPC时，二向色元件可以设置在CPC输出端口或其内部。在另一个实施例中，二向色元件可以形成或置于第二激励光源314的表面上。
图7示例根据本发明的第七个实施例的光源装置。该实施例与图5中所示的第五个实施例类似，不同在于用具有弧形(凸状)输出表面320B的实心CPC替代图5中的反射器(CPC)320和透镜321。类似地(未图示)，具有凸状输出表面320B的实心CPC可以替代图6的实施例中的反射器320A和透镜321，不同在于在该情况下，二向色元件不能在CPC的输出表面上形成。
在图5、6和7所示的实施例中，具有第一波长转换材料的第一LED310可以被类似于图2、2A和2B中所示的光源110A的外部激励光源替代，所述外部激励光源照射载有波长转换材料的波长转换元件。进一步，结合图2所述，波长转换元件可以包括载有不同波长转换材料(或没有波长转换材料)的多个分段，并且可以可移动地安装在移动***上。图5和7中具有第二波长转换材料的第二光源312可以类似地替换。
优选地，在图5、6和7所示的实施例中，为了提高效率，第二光源312或第二激励光源314的集光率应小于第一光源材料310的集光率。
图8用示意图示例根据本发明的第八个实施例的光源装置。所述光源装置400包括两个光源，各自为其上形成有波长转换材料411的LED芯片410。两个LED芯片410平行设置，以便波长转换材料411彼此面对。光再循环***包括设置在两个波长转换材料411之间且与其平行的扁平双面反射器450。反射器450将来自波长转换材料411的小角度光反射回自身，同时将大角度光朝向侧面反射，以使其从两个LED芯片410之间的空间离开。双面反射器450也可以为双面散射面，其将光向所有方向散射。光收集***(图8中未显示)设置在LED芯片410周围，以收集和输出大角度光。光收集***可以包括类似于图4所示反射器230的反射器。
图9示例根据本发明的第九个实施例的光源装置。所述光源装置500包括第一和第二个光源510和512，各自为其上形成有波长转换材料的LED芯片。两个LED芯片510和512平行设置，使得波长转换材料彼此面对，光再循环***包括第一反射器520和第一透镜521、第二反射器523和第二透镜524、及设置在两个光源510、512之间的扁平双面散射面(光漫射器)550。第一和第二反射器520、523分别设置在第一和第二光源510、512周围。第一和第二透镜521、524分别设置在靠近第一和第二反射器520和523的输出端口。扁平双面散射面550设置在第一和第二透镜521和524之间。包括反射器530的光收集***设置在双面散射面550周围，以反射大角度光B。
每个光源510、512发射的光分别被反射器520、523反射，然后分别被透镜521、524导向到双面散射面550上并由其将上述光向所有方向散射。在散射光中，大角度光B被光收集***(反射器530)反射输出。小角度光A再进入透镜521、524，并被反射器520、523反射回各自的光源510、512。反射光被光源510、512的波长转换材料散射回双面散射面550。如此，小角度光A被光再循环***循环，并且大角度光B被光收集***输出。
从另一角度看该实施例，散射面550可以被认为是具有近朗伯分布的光发射面。来自该发光面550的大角度光被光收集***(反射器530)输出，并且来自该发光面的小角度光被再循环***(反射器520和透镜521，及反射器523和透镜524)循环。
在该实施例中，第一和第二反射器520、523优选地为中空或实心CPC。每个CPC520、523及各自的透镜521、524可以被类似于图7所示的CPC320B的具有弧形(凸状)输出表面的实心CPC所替代。
在该实施例中，每个LED510、512都可以被类似于图2、2A和2B所示光源110A的外部激励光源替代，所述外部激励光源照射载有波长转换材料的波长转换元件。进一步，结合图2所述，波长转换元件可以包括载有不同波长转换材料(或没有波长转换材料)的多个分段，并且可以可移动地安装在移动***上。
图10示例根据本发明的第十个实施例的光源装置。所述光源装置500A包括第一和第二激励光源510A和512A，各自为在紫外线或蓝光区域发光的LED芯片，但LED芯片上不具有波长转换材料。两个LED芯片510A和512A平行设置，以便它们彼此面对。波长转换元件560设置在两个激励光源510A、512A之间。第一和第二反射器520A、523A分别设置在第一和第二激励光源510A、512A周围。第一和第二透镜521、524分别设置在靠近第一和第二反射器520A和523A的输出端口。第一反射器520A和第一透镜521、及第二反射器523A和第二透镜524分别从两侧将第一和第二激励光C导向波长转换元件560。波长转换元件560载有将激励光转换成转换光的波长转换材料。
包括反射器530的光收集***设置在波长转换元件560周围。波长转换元件560发射的大角度转换光B被反射器530反射输出。波长转换元件560发射的小角度转换光A被透镜521、524导向反射器520A和523A。二向色元件522、525设置在各自反射器520A、523A的输出端口，以将转换光经由透镜521、524反射回波长转换元件560。二向色元件透射激励光源510A、512A发射的蓝光或紫外线C，但是反射波长转换元件560发射的更长波长的转换光A。当转换光反射回波长转换元件560时，上述光被波长转换材料向所有方向散射。在散射光中，大角度光B被反射器530反射输出。小角度光A被透镜521、524导向到二向色元件522、525，并被二向色元件522、525再次反射。如此，小角度光A被光再循环***(透镜521、524和二向色元件522、525)循环，而大角度光B被光收集***(反射器530)输出。
在示例的实施例中，二向色元件522和525位于各自的反射器520A、523A的输出端口，但是它们可以位于别的地方。如果反射器520A、523A为实心CPC，则二向色膜可以涂布在各个CPC的扁平输出表面上。如果反射器520A、523A是中空CPC，则二向色元件可以置于各自的CPC的内部或输出端口。在另一个实施例中，二向色元件可以形成于或置于激励光源510A、512A的表面上。进一步，每个CPC520A、523A和各自的透镜521、524可以被类似于图7所示的CPC320B的具有弧形(凸状)输出表面的实心CPC替代；然而，在这种情况下，二向色元件不能涂布在CPC的输出表面上。
在图9所示的第九个实施例中，两个光源510和512均为具有波长转换材料的LED。在图10所示的第十个实施例中，两个光源510A和512A均为发射激励光但不具有波长转换材料的LED。在另一个实施例中，光源之一为载有波长转换材料(例如510)的LED，并且扁平元件550/560的相应侧为散射面，而另一个光源为发射激励光(蓝光或紫外线)且不具有波长转换材料的LED，并且扁平的元件550/560的相应侧载有波长转换材料。
因为使用两个LED芯片，图3至10的实施例的一个优点是光源装置的整体亮度得到进一步提高。
图11示例根据本发明的第十个实施例的光源装置。所述光源装置600包括光源610和设置在光源610上方并用作光再循环***的角度选择性二向色元件620。二向色元件620反射小角度光且透射大角度光。该光源装置并不需要反射器来循环小角度光。光收集***(未显示)设置在光源610和二向色元件620周围，以收集大角度光用于输出。
光源610可以是LED或载有波长转换材料的波长转换元件。在后者情形中，设置类似于图2所示光源110A的激励光源(未显示)以激励波长转换材料，并且可以设置类似于图2A和2B所示滤光器111A-2和111B-2的滤光器以正向反射反向行进光。另外，波长转换元件610可以包括载有不同波长转换材料(或没有波长转换材料)的多个分段，并且可以可移动地安装在移动***，比如回转轮，以便波长转换元件的不同分段交替暴露于激励光源的光。
图11A示例二向色元件620的示例性的透射率曲线。在小的入射角(例如入射角＝0度)下，感兴趣的波长(例如，波长转换材料发射的转换光的波长通常落入500nm至700nm的范围之内)的透射率低。在较大入射角(例如入射角＝60度)下，感兴趣的波长的透射率高。换句话说，对于感兴趣的波长，二向色元件反射小角度光并透射大角度光。
因此，如图11所示，在光源610发射的光中，大角度光B穿过二向色元件620并且被输出；小角度光A被二向色元件620反射回光源610，并将光向所有方向散射。在散射光中，大角度光被输出且小角度光被再次循环。
优选地，为了获得更好的循环效率，二向色元件620位于邻近光源610处。
角度选择滤光器已经作为LED光源的输出装置描述。例如，美国专利8008694描述了使用反射大角度光且透射小角度光的角度选择滤光器。在本发明的实施例中，使用循环小角度光且输出大角度光的角度选择滤光器，避免了穿过光源边缘而漏光所造成的可循环光损失的潜在问题。
在上述实施例中，发光面可为发射光的表面或散射光的表面或同时发射和散射光的表面。实际结构可以包括同时发射和散射的一层，或如图12中用示意图示例的两个分离层。图12显示包括下述功能元件的光源装置700：片状光源710，设置在光源710的两侧的第一和第二反射器720和730，和设置在两个反射器720和730之间的至少一个光漫射器740。应当注意，该示例是高度示意性的，不一定代表部件的实际形状和位置。光源710可以在一侧或双侧发光。实际上，光源典型地向所有方向发光，即具有近朗伯分布。反射器720和730都将小角度光反射回光源710(或漫射器740)。它们之中至少一个不反射来自光源的大角度光，即其允许大角度光被输出。用于输出大角度光的光收集***在图12中没有显示。位于两个反射器720和730之间的漫射器740漫射(散射)光，使来自光源710或反射器720和/或730的光落入一定方向范围。漫射器740和光源710之间的空间关系不限于任何特定的排列。而且，漫射器740和光源710可以具有进行发射和漫射功能的在物理上相同的结构。在该结构中，从光源710发射的小角度光将来回反射：光在每次经过漫射器后，其中一些小角度光将漫射变成大角度光，然后输出；因此，在该循环过程中，大部分最初的小角度光将以大角度输出。
图12所示的光源装置700的功能元件以各种形式存在于之前描述的第一个至第十一个实施例中。在第一个和第六个实施例(图1和6)中，LED110/310结合了光源710、漫射器740和第二反射器730的功能，其中LED内部的表面充当第二反射器以反射所有角度的光，LED的上表面充当漫射器和光源。在第二个实施例(图2、2A和2B)中，波长转换材料111A-1/111B-1充当漫射器和光源，二向色滤光器111A-2/111B-2充当第二反射器以反射所有角度的转换光和透射激励光。在图2C所示第二个实施例的方式中，波长转换材料111C充当光源和漫射器，反射器114充当第二反射器。在第四个、第五个和第七个实施例(图4、5和7)中，存在两个光源211/310/312和两个漫射器211/310/312，并且每个元件211/310/312同时充当光源和漫射器。在第八个和第九个实施例(图8和9)中，光源411/510/512和漫射器450/550是物理分离的元件。在第十个实施例(图10)中，波长转换材料560同时充当光源和漫射器，反射器522/525充当第一和第二反射器。在第十一个实施例(图11)中，角度选择性二向色滤光器620充当第一反射器，光源610充当光源、漫射器和第二反射器。
在图12所示结构的另一个方式中，漫射器740和第二反射器730是通过单一元件实现的，其为位于光源710下面的白色漫射器(例如，附着于光源710后面)。
在上述说明书中，应当理解当光被描述为向“所有方向”发射和散射时，其意味着光在一宽泛方向范围中发射或散射。
根据本说明书描述的多个实施例的光源装置，其可以应用于比如投影仪、前照灯、聚光灯、探照灯等。
对本领域技术人员将显而易见的是，在不背离本发明的精神或范围下，可以对本发明的光源装置进行各种修改和变化。因此，本发明意图涵盖所附权利要求书及其同等体范围之内的修改和变化。

Claims (15)

1.光源装置，包括∶
第一光源，其具有发光面以在一定方向范围内发射和/或散射光，包括小角度光和大角度光，相对于发光面的法线方向，所述小角度光具有比大角度光更小的夹角；
光再循环***，包括分别设置在第一光源一侧的两个反射器，所述反射器包括一个或多个球面反射器，所述球面反射器设置在光源上且覆盖靠近由光源定义的平面的中心轴的区域，用于将小角度光导向返回第一光源以循环小角度光；光收集***，用于收集和输出大角度光。
2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于所述光再循环***的两个反射器包括邻近发光面设置的角度选择滤光器，其反射小角度光且透射大角度光。
3.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于所述光收集***包括设置在第一光源周围的一个或多个反射器、或一个或多个棱镜、或一个或多个反射器和一个或多个棱镜的组合。
4.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于所述第一光源包括一个发光二极管，并且其中所述发光面为发光二极管的表面。
5.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于所述第一光源包括：
第一发光二极管，其发射具有第一波长的第一激励光；和
波长转换元件，其具有至少一种波长转换材料，该波长转换材料吸收第一发光二极管发射的第一激励光且发射具有比第一波长更长波长的转换光，并且其中发光面是波长转换材料的表面。
6.根据权利要求5所述的光源装置，其特征在于所述波长转换元件具有两种或多种不同的波长转换材料，所述波长转换元件是可移动的以使所述两种或多种不同波长转换材料交替暴露于第一激励光。
7.根据权利要求5所述的光源装置，进一步包括用于将来自第一发光二极管的第一激励光传输至波长转换元件的光传输元件。
8.根据权利要求7所述的光源装置，其特征在于所述波长转换元件进一步包括二向色滤光器，其设置在波长转换材料和光传输元件之间，用于朝向光再循环***正向反射反向行进的转换光。
9.根据权利要求8所述的光源装置，其特征在于二向色滤光器和波长转换材料之间设置有空气间隙。
10.根据权利要求5所述的光源装置，进一步包括∶
第二发光二极管，其发射具有第二波长的第二激励光；和
光学***，其与光再循环***配合将第二激励光导向波长转换材料，其中所述波长转换材料吸收第二发光二极管发射的第二激励光，并且发射具有比第二波长更长波长的转换光。
11.根据权利要求10所述的光源装置，其特征在于所述第二发光二极管设置在光再循环***之后，并且其中所述光再循环***包括反射转换光并透射第二激励光的二向色元件。
12.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于第一光源的发光面包括将光向一定方向范围散射的散射面。
13.根据权利要求1所述的光源装置，包括∶
片状光源，其用于发射光；和
光漫射器，其向一定方向范围漫射光，包括小角度光和大角度光，相对于光漫射器的法线方向，所述小角度光具有比大角度光更小的夹角，所述光漫射器不同于光源；
其中所述光源和光漫射器位于光再循环***的两个反射器之间，并且其中所述两个反射器将来自光漫射器的小角度光导向返回光漫射器。
14.一种用于产生输出光的方法，包括∶
由位第一光源的发光面产生光，所述光具有一定方向范围，包括小角度光和大角度光，相对于发光面的法线方向，所述小角度光具有比大角度光更小的夹角；
使用光再循环***将小角度光导向返回所述光源的发光面；所述光再循环***包括分别设置在第一光源一侧的两个反射器，所述反射器包括一个或多个球面反射器，所述球面反射器设置在光源上且覆盖靠近由光源定义的平面的中心轴的区域，用于将小角度光导向返回第一光源以循环小角度光；和
使用设置在第一光源周围的光收集***收集和输出大角度光。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于所述产生步骤包括∶发射具有第一波长的第一激励光；和
波长转换材料将第一激励光转换成具有比第一波长更长波长的转换光，
其中所述方法进一步包括∶
发射具有第二波长的第二激励光；
将第二激励光导向波长转换材料；和
波长转换材料将第二激励光转换成具有比第二波长更长波长的转换光。
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