CN1948822A - 照明*** - Google Patents

Abstract

照明***包括发出第一光的第一光源；发出第二光的第二光源；折射第一和第二光并且使折射光变为平行光的第一透镜面；包括多个第一微透镜并且折射第一和第二光的第二透镜面；以及包括多个第二微透镜并且折射由第二透镜面折射的第一和第二光的第三透镜面。

Description

照明***

                          相关申请交叉引用

本申请以2005年10月14日提交的在先日本专利申请号2005-300639的申请以及2006年9月25日提交的日本专利申请号2006-258632的申请为基础并要求其优先权，其全部内容包括在本申请中作为参考。

                            技术领域

本发明涉及照明***，并且特别涉及包括半导体发光元件和控制光分布的光学单元的照明***。更为具体的，本发明涉及包括发光二极管和控制光分布的光学单元的照明***，其有效适用于零售业，商业，居住地等的照明。

                            背景技术

在使用白光LEDs(发光二极管)作为光源的照明***中，通常采用弹壳形透镜，组合全反射型透镜或者蝇眼透镜以控制光的分布。

弹壳形透镜广泛用于指示器。例如，日本专利申请公开号3065263的专利(参考文献1)对由树脂材料做成并且由椭圆形或圆形部分与柱状部分结合形成的弹壳形透镜进行了描述。参考附图中的图25，照明***100(LED灯)由嵌入弹壳形透镜101的发光二极管芯片102组成。发光二极管芯片102设置在导向器103中，并且发光二极管芯片102的主电极端电学连接于导向器103。发光二极管芯片102的另一主电极端通过导线105连接于导向器104。弹壳形透镜101收集由发光二极管芯片102(光源)发射的大部分光，并且在窄范围内导引光向前(照明方向D1)，从而实现其能保证窄光分布的照明***100。

利用照明***100，不可能有效利用在对发光二极管芯片102的照明方向D1环绕延伸的D2方向发射的光。没有利用的光会影响由照明***100发射的光的有效使用。进一步，在之前描述的照明***100中，发光二极管芯片102嵌入到树脂材料弹壳形透镜101中，从而其中产生的热量不能有效地辐射。照明***100消耗大量电能。因此，难以使用能够保证大光强度却产生大量热量的二极管。由于该原因，包括弹壳形透镜101的照明***100不适合用于零售业，商业，居住地等的照明。

以下描述的透镜保证大光强度，并且替代弹壳形透镜101被使用，如日本专利公报号平4-36588(参考文献2)；日本专利申请公开号2003-281909(参考文献3)；美国专利号5,757,557(参考文献4)；美国专利号6,896,381(参考文献5)；日本专利申请公开号2005-190954(参考文献6)；日本专利申请公开号平5-152609(参考文献7)；以及日本专利申请公开号平7-99345(参考文献8)。参考文献2到4描述组合全反射透镜，而参考文献5描述使用单个透镜，单个平面镜等准直发光二极管发出的光的方法。参考图26，照明***200包括组合全反射透镜201，其位于放置于衬底203上的发光二极管芯片202上。在照明***200中，由发光二极管芯片202发出的D1方向上的光由折射透镜准直。环绕D1方向的照明方向D2上的光通过组合全反射表面反射在照明方向D1。因此，大部分由发光二极管芯片202发射的全部方向的光在照射方向D1准直，从而光能够被有效使用。进一步随着发光二极管芯片202光发射产生的热量能够经由衬底203散发，从而该发光二极管的使用能够保证大的光强度，并且适用于要求大光强度的照明***。

参考文献6描述包括蝇眼透镜的照明***，其中光能够被照射到特定区域中。该照明***可以作为整体被减小。

然而，在包括全反射透镜201的照明***200中以下问题仍然需要被解决。总体而言，类似照明***200的照明***使用临界镜片***其将光投射到无穷方向上。如果在光源上存在色彩斑或亮度斑，其会原样地被投射到照明目标上。白光发光二极管通常使用下述方法发射光。

(1)如参考文献7和8的描述，一个黄色荧光体围绕蓝光发光二极管放置。一些蓝色光被转化为黄色光，从而蓝色和黄色光组合产生白色光。

(2)红光发光二极管，绿光发光二极管以及蓝光发光二极管发出光，从而红，绿和蓝光组合产生白色光。

(3)RGB荧光层围绕近紫外线发光二极管放置，从而近紫外线经由荧光层被转为白色光。方法(1)保证发光效率大约比方法(2)和(3)高30％，并且实际用于零售业，商业，居住地等要求大的光强度的照明***。然而，如果使用全反射透镜201的照明***200采用方法(1)，由发光二极管芯片202发出的蓝色光的色彩斑或亮度斑，以及由黄色荧光物发出的黄色光经由全反射透镜201被原样投射到照明目标上。因此难以产生均匀的白色光。方法(2)同样存在这个问题。

进一步，全反射透镜201具有折射面和反射面相结合的三维形状，其要求高制造成本(模铸成本)。照明***200不可避免地变贵。进一步，全反射透镜201具有复杂的三维结构，从而不适合制造为模具的形状。

再进一步，使用蝇眼透镜的照明***包括在发光二极管和蝇眼透镜之间的准直透镜。该准直透镜准直发光二极管发出的光，并且该准直光被设计为分布角度小于30度。然而，由于在光分布角度之外的光没有被收集而丢失，它们没有被有效利用。

由于蝇眼具有细微不平的表面，容易被污染，反而会影响光的有效使用。

该发明目的为了克服相关技术文件中的问题，并且为了提供能够减少色彩斑的照明***。

本发明的再一个目的是为了提供能够在减少斑的同时促进光的有效使用的照明***。

                          发明内容

本发明的实施例的第一方面中，照明***包括第一光源发射第一光；具有部分偏移第一光源的发光点并且发射其波长不同于第一光的波长的第二光的第二光源；折射第一和第二光并且平行折射光的第一透镜面；包括多个并置第一微透镜并且折射第一和第二光的第二透镜面；包括多个并置第二微透镜并且折射由第二透镜一侧折射的第一和第二光的第三透镜面。在该照明***中，第二微透镜一一对应于第一微透镜；第一微透镜收集第二微透镜上的第一和第二光；并且由一个第一微透镜和一个第二微透镜折射的第一和第二光的第一照射区域的部分区域与由另一个第一微透镜和另一个第二微透镜折射的第一和第二光的第二照射区域的部分区域重叠。

在该实施例的第二方面中，照明***包括发射蓝色光的发光二极管；接收蓝色光并且发射黄色光的荧光体；折射并使该蓝色和黄色光为平行光的菲涅尔透镜；折射通过菲涅尔透镜的蓝色和黄色光的第一蝇眼透镜；以及折射通过第一蝇眼透镜的蓝色和黄色光的第二蝇眼透镜。

                        附图说明

相似或对应的部分由相似或对应的标号标注。

图1是根据本发明的第一实施例的照明***的示意图；

图2是其上装载半导体发光元件和荧光体的衬底的放大剖面图；

图3A是图1所示的照明***的荧光体的立体图；

图3B是荧光体的剖面图；

图3C是荧光体的俯视图；

图4是图1所示的照明***的光分布控制透镜(光学透镜)的立体图；

图5是显示如何将菲涅尔透镜作为光分布控制透镜的剖面图；

图6是显示波长和半导体发光元件和荧光体的发光强度之间关系的图表；

图7是显示相关技术的比较例的光分布图；

图8显示作为比较例的光分布透镜(蝇眼透镜)的结构；

图9显示在相关技术中的光学分布控制透镜中使用的临界照明的透镜的结构；

图10显示第一实施例的照明***中的光分布控制透镜中使用的柯勒照明中的透镜的结构；

图11显示第一实施例的照明***中的光分布控制透镜中使用蝇眼整体照明中的透镜的结构；

图12显示在第一实施例的照明***中的光分布；

图13显示本发明的第二实施例的照明***的结构；

图14是图13中的照明***的光分布控制透镜(菲涅尔透镜)的俯视图；

图15是图13中的照明***的光分布控制透镜(蝇眼透镜)的俯视图；

图16是图13中的照明***的光分布控制透镜(平透镜)的俯视图；

图17显示本发明的第三实施例的照明***的第一结构；

图18是图17所示的照明***的基本部分的放大的示意图；

图19显示折射菲涅尔准直仪的光线角度与透镜的倾斜角度之间的关系；

图20显示全反射型菲涅尔准直仪的入射角度与透镜的倾斜角度之间的关系；

图21显示用于在小口角角度保持恒定时判定全反射型菲涅尔透镜的角度的特性曲线；

图22显示本发明的第三实施例的照明***的第二结构；

图23显示本发明的第三实施例的照明***的第三结构；图24A是本发明的第四实施例中的照明***的光分布控制透镜基本部分的俯视图；

图24B是沿图24A的线21B-21B取得的光分布控制透镜的剖面图；

图25显示相关技术的实例中具有弹壳形透镜的照明***的结构；以及

图26显示相关技术的另一实例中具有组合反射透镜的照明***的结构。

                     具体实施方式

将参考在附图中显示的实施例对本发明进行具体描述。

(第一实施例)

照明***的结构

在第一实施例中，照明***1包括半导体发光元件10(第一光源)，荧光体20(第二光源)，第一透镜30，以及第二透镜40。第一透镜30包括第一透镜面31和第二透镜面32。第二透镜40包括第三透镜面41和第四透镜面42。半导体发光元件10发出第一光线。荧光体20延伸覆盖半导体发光元件10的发光区域并且产生波长不同于第一光线的波长的第二光线。第一透镜面31使第一和第二光线平行。第二透镜面32包括多个并列的折射由第一透镜面31折射的第一和第二光线的第一微透镜321。第三透镜面41包括多个面朝第一微透镜321并列设置的折射由第二透镜面32折射的第一和第二光线的第二微透镜411。在照明***1中，第二透镜面32的第一微透镜321聚集第一和第二光线至第三透镜面41的第二微透镜411上。进一步，由第一微透镜321之一和第二微透镜411之一折射的第一和第二光线的第一照明目标的一部分与由第一微透镜321之一和第二微透镜411之一折射的第一和第二光线的照明区域重叠。由照明***1发出的第一和第二光线被无穷投射到照明目标50和第二照明目标52上。

“无穷”代表由照明***1发出的第一和第二光为平行光的极限点。准确地，该限制点离照明***1足够远，例如，照明***1被安装到天花板上时，桌面，地面，墙面等。

照明***1被设计为适于要求大光强度的零售业，商业，居住地等。因此，照明***1包括半导体发光元件10，荧光体20。半导体发光元件10产生蓝色光线(其波长为400nm到500nm)。荧光体20将部分蓝色光线转为黄色光线(其波长为500nm到700nm，不同于蓝色光线的波长)。蓝色光线和黄色光线混合产生白色光线。在该种情况下，比较其它光产生方法白色光能够有效产生。图6显示蓝色和黄色光的波长和发光强度之间的关系。横坐标指示波长，纵坐标指示发光强度。荧光体20可以产生其波长为黄色和红色光线的组合的第二光。

在第一实施例中半导体发光元件10优先选择蓝色光发光二极管(半导体芯片)，更为具体的，可以使用主要由氮化镓(GaN)，氧化锌(ZnO)，或者硒化锌(ZnSe)做成的蓝色光发光二极管。

如图2所示，半导体发光元件10被装载于衬底11上。为了将半导体发光元件10包围其中，荧光体20延伸覆盖半导体发光元件10的顶面和侧面。衬底11由底座110，底座110上的绝缘体111，绝缘体111上的电路图形112，具有反射面113R的反射体113，以及由反射面113R为侧壁和由底座110的部分(具体地，电路图形112的部分表面)为底面而定义的凹槽114组成。

为了有效发散随着半导体发光元件10的发光产生的热量，衬底11的底座110由例如铝衬底等具有高热导率的材料做成。或者，底座110可以由例如玻璃环氧树脂，工程塑料，氮化铝等具有高热导率的材料做成。

绝缘体111防止电路图形112和底座110之间的电学短路，并且由即使为了减小电路图形112到底座110之间的热阻而减薄半导体发光元件10仍能够保证足够的耐压的氧硅薄膜或氮化硅薄膜做成。

尽管电路图形112的版图没有被显示，电路图形112包括第一配线和第二配线。第一配线在半导体发光元件10的正面与主电极端具有电学连接。第二配线经由键合线，在半导体发光元件10的背面与主电极端具有电学连接。在该实施例中，电路图形112由三层金属层构成。电路图形112的底层直接被淀积到绝缘体111上，并且由例如铜箔等具有高电导率和热导率的材料做成。电路图形112的中间层被放置在铜箔上，并且由具有高反射率的镍片衬底做成。顶层被放置在中间层上，是具有高电导率和热导率的铜片衬底，并且容易被键合到半导体发光元件10的背面。或者，电路图形可由诸如金，银等贵重金属制成。

反射体113限定半导体发光元件10被放置其中的凹槽114，并且其具有对(半导体发光元件10在方向D2上发出的)光在垂直于衬底11的照明方向D1上进行反射的反射面113R。反射面113R和凹槽114易于成型，具有高光反射率，由诸如聚丁烯酯(PBT)，聚碳酸酯(PC)等的树脂材料做成。

荧光体20由钇铝石榴石(YAG)等分散在硅酮树酯，环氧树酯，改性环氧树酯等的透明树脂材料中，并填充在凹槽114中固化。参考图3A到3C，半导体发光元件10具有0.3mm到1.0mm(例如，发光二极管芯片一侧的长度)的尺寸。荧光体20具有倒置的平切圆锥的形状，其顶圆周的直径L为2.5mm到3.5mm，壁高为0.5mm到1.0mm。

重新参考图1，第一透镜面31和第二透镜面32作为光分布控制透镜，即构成光学单元，并置于第一透镜30的相反两侧。第三透镜面41和第四透镜面42为第二透镜40的相反两侧。

第一透镜面31面对半导体发光元件10放置，并且向半导体发光元件10向外弯曲，并且作为凸透镜使用。第一透镜面31聚集半导体发光元件10和荧光体20发出的第一和第二光，并且使聚集的光沿照明方向D1准直。如图1和图4所示，第一透镜面31是具有阶梯形同心圆31B的菲涅尔透镜形状，并且如图5所示比具有相同焦距的传统透镜更薄和扁平。

第二透镜面32与第一透镜面31位置相对，并且具有向外弯向第二透镜40的第三透镜面41的第一微透镜321。简而言之，第二透镜面32位于第一透镜面31和第三透镜面41之间，并且既面对第一透镜面31又面对第三透镜面41。第二透镜面32聚集由第一透镜面31折射和使之准直的第一和第二光，这样从光源发出的光被聚焦到第三透镜面41上。如图1和图4所示，第二透镜面32是其中第一微透镜321被排列为矩阵形状的蝇眼透镜(fly-eye lens)，这样使得孔径比变小，并且第一透镜30变薄。

第一透镜30是由诸如丙稀或聚碳酸酯等树脂材料做成，其具有高光透过率并且易于模制成型。

第三透镜面41位于与第四透镜面42位置相对的第二透镜40的部分。第二微透镜411向外弯向第二透镜面32。如图1所示，通过第二透镜面32折射和收集的第一和第二光向照明目标50被投射到无穷远方向。换句话说，第三透镜面41等效于聚光透镜，并且控制光分布。参考图1和图4，第三透镜面41是其中第二微透镜411被排列为矩阵形状的蝇眼透镜。每个第二微透镜411对应每个第一微透镜321。为了在短距离内将光从光源聚焦到第二微透镜411，第一微透镜321被设计为具有小曲率半径。而为了将光从光源传递到无穷远，第二微透镜411设计为曲率半径比第一微透镜321大。

第四透镜面42与第三透镜面41位置相反，并且面向照明目标50。如图1和4所示，第四透镜面42是平坦的。由于平面的第四透镜面42不容易受到污染，即使照明***1使用很长时间其可防止照明***1的光效率降低。进一步第四透镜面42在需要时可以促进光散射。具体地，第四透镜面42可进行表面粗糙处理或覆盖涂层材料或者被涂上光散射叠层薄膜。前面叙述的操作可增强入射到第四透镜面42上的第一和第二光的散射。

第三透镜面41和第四透镜面42是由诸如丙稀或聚碳酸酯等的树脂材料做成，其具有高光透射率。

照明***的光分布控制

接下来将对照明***1的光分布的控制进行描述。首先，将参考图26对相关技术的照明***200进行描述。照明***200包括组合全反射透镜201，并且利用蓝色光发光二极管芯片202和黄色荧光体发射白色光。照明***200保证高的光利用效率。图7显示通过照明***200发射的光的分布。蓝色光的光强度在靠近中心的窄的光分布角度较强，而在在蓝色光的周边附近的较广的分布角变黄。根据透镜的形状，蓝色光的强度比黄色光的强度大约两到四倍。当利用临界照明类型的全反射透镜201控制具有之前描述的光分布的光时，光将在特定方向为蓝色，照明目标上出现明显的色彩斑和亮度斑。

出现上述现象的原因在于发光二极管芯片202比荧光体20小很多，即第一光(蓝色光)和第二光(黄色光)在不同位置被发射。

而，在第一实施例的照明***1中，由半导体发光元件10发射的第一光(蓝色光)以及由荧光体20发射的响应第一光的第二光(黄色光)通过第一透镜面31(菲涅尔透镜)被折射和准直。准直的第一和第二光被照射到第二透镜面32(蝇眼透镜)的整个区域。第二透镜面32折射和收集已准直光，并且将光源的光聚焦于第三透镜面41(蝇眼透镜)上或其周围。第三透镜面41(蝇眼透镜)将第二透镜面32的第一微透镜321上的略微模糊的光向无穷远投射。(因此，该第一和第二光能够足够大致相同地分布到照明目标50上。

在图8中显示的由蝇眼透镜实现的光分布控制透镜中。如果光源15没有出现在第一微透镜321(2)和第二微透镜411(2)所共有的光轴(中心轴)La上时，由光源15发出的光通过第一微透镜321(2)并且聚焦于另一个在第一和第二小微透镜321和411的延伸部分上的第二微透镜411(1)上。该种光被认为没有用途。作为对比，在第一实施例中的照明***中，第一透镜面31(菲涅尔透镜)被置于光源15(半导体发光元件10)和第二透镜面32的第一微透镜321之间。半导体发光元件10设置为看上去像是在第一微透镜321(1)和第二微透镜411(1)所共有的光轴La上；以及在第一微透镜321(2)和第二微透镜411(2)所共有的光轴La上。简而言之，由半导体发光元件10发出的光通过第一微透镜321并且聚焦在第二微透镜411上。这样有效降低第一和第二微透镜321和411之间的光损失，并且促进光的有效使用。

包括组合全反射透镜201的照明***200(临界照明)不同于后文中描述的本发明的照明***1。为了简便起见，假设接触透镜(contact lens)，聚光透镜，(capacitor lens)或准直透镜(parallel lens)没有诸如非常规反射或衰减的干扰，在后文中将对理想的光学***进行描述。换句话说，照明***1可能由干扰引起使用效率降低或光损失。

图9所示的临界照明包括光源15和光学共轭(成像关系)的照明目标50。聚光透镜45被放置于光源15和照明目标50之间。如果光源15的发光表面具有色彩斑或亮度斑，相似的色彩斑或亮度斑同样会产生于聚光透镜45上。包括组合全反射透镜201并且被显示在图26中的照明***200具有与临界照明大致相同的结构。

而，如柯勒照明如图10所示，聚光透镜45(capacitor lens)与光源15光学共轭同时集光透镜35(collector lens)与照明目标50光学共轭。即使在光源15的各发光点存在色彩斑或亮度，通常，色彩或亮度的改变对方向的依赖性相对不大。集光透镜35由光源15相对均匀地照射以使集光透镜35不具有微小色彩斑。在集光透镜35的孔径内具有亮度分布的光被投射到照明目标50，这样光源15的光被大致均匀地照射到照明目标50上。进一步，当集光透镜35将光源15的光聚焦于聚光透镜45的孔径上，通过集光透镜35的光同样通过聚光透镜45。这样有效减小光损失并且促进光的有效使用。

更为进步的柯勒照明被称为“蝇眼积分器照明”，(fly-eye integrator illumination)其被采用于本发明的第一实施例中。如图11所示，各对集光透镜35的微透镜351和聚光透镜45的微透镜451组成柯勒照明。由光源15发出的光被由准直镜36折射和准直。为平行光的光被微透镜351折射和收集，从而光源15的光被聚焦于微透镜451，并且通过微透镜451被无穷投射。

照明目标50的被照射区域的尺寸比该蝇眼积分器照明***的照明***的整个尺寸大。因此，通过与各个微透镜451无穷照明的区域叠加，这样照明目标50的相同部分将被照射。

照明***的优点

图12显示由照明***1发出的光的分布。在图12中，横坐标指示光分布角度纵坐标指示光强度。由半导体发光元件10(蓝色光发光二极管)发出的蓝色光的分布角度与由荧光体20(黄色光发光二极管)发出的黄色光的分布角度大致相同。简而言之，蓝色光和黄色光的光分布相同，使得照明***1能够均匀照射要求大亮光的零售业，商业，居住地等。

在照明***1中，第一透镜面31是菲涅尔透镜，第二透镜面32是蝇眼透镜，使得第一透镜30变为薄片形状。进一步，第三透镜面41是蝇眼透镜同时第四透镜面42是平面透镜，使得第二透镜40为薄片形状。简而言之，照明***1的光分布控制透镜可以变薄，从而能够降低照明***1尤其是第一透镜30和第二透镜40的制造成本。进一步，多个照明***1能够被排列从而具有模具化的结构。

假设第一透镜30和第二透镜40通过注模成形法制作。树脂材料透镜从其表面向中心逐渐***。如果树脂材料透镜较薄，它们相对不受收缩或变形的影响。该树脂透镜受污染缓慢，并且不受双折射影响。进一步，树脂透镜易于成型并且易于被模铸成型。

完全使树脂透镜的内部***的时间周期基本与其厚度的平方成正比。之前描述的组合全反射透镜201较厚，并且***花费时间较多。作为对比，由于照明***1的第一和第二透镜30和40较薄，它们能在较短时间内***，意味着灌入模具压制的时间变短。这样，能够降低照明***1制造的成本和时间。

进一步，第四透镜面42为平面，不容易受到污染，并且易于清洁。这一点使照明***1抵抗诸如灰尘和泥土的污染，从而防止光利用效率的降低。

第二实施例

在第二实施例中，多个照明***1被集中以具有模块结构。每个照明***1包括光单元1A到1F，其由荧光体20，反射体113s，第一透镜30和第二透镜40。每个光单元1A到1F都包括半导体发光元件10。在该实施例中，6个光单元1A到1F被排布为矩阵的形状。不必说，光单元的数目不受限制但是可以依据光量和应用确定数目。

衬底11通常用于光单元1A到1F。如图13至图15所示，具有第一透镜面31(菲涅尔透镜)和第二透镜面32(蝇眼透镜)的第一透镜30被模具成型为单片。进一步，如图13，15和16所示，第二透镜40的第三透镜面41(蝇眼透镜)和第四透镜面42(平面透镜)同样被模具成型为单片。由于第一和第二透镜30和40较薄，在光单元1A到1F中，它们可制成为单片。第一和第二透镜30和40被附接到衬底11的***的框架60并被其支持。

根据第二实施例，光单元1A到1F能够根据零售业，商业，居住地等所需的光的量作为模块被制造。

第三实施例

为了促进光的有效使用，第一或第二实施例的照明***1被改进。照明***的第一结构

参考图17，该实施例的照明***1与第一实施例的照明***1的结构基本相同。照明***1包括半导体发光元件10(第一光源)；荧光体20(第二光源)；第一透镜面31；第二透镜面32；以及第四透镜面42。半导体发光元件10发出第一光。荧光体20延伸覆盖半导体发光元件10的发光区域，并且响应第一光产生第二光。第二光的波长不同于第一光的波长。第一透镜面31包括用于折射第一和第二光和使之为平行光的折射区域311，以及用于反射第一和第二光和使之为平行光的反射区域312。第二透镜面32包括多个折射和反射第一和第二光的第一微透镜321，并且它们被并置。第四透镜面42在其表面具有多个第二微透镜411，并且折射已经被第二透镜面32折射的第一和第二光。第一微透镜321与第二微透镜411一一对应。第一微透镜321将第一光和第二光收集至第二微透镜411。由一个第一微透镜321和一个第二微透镜411折射的光的一部分与由另一个第一微透镜321和另一个第二微透镜411折射的第一和第二光的第二照明区域52重叠(参考图1)。由照明***1发出的第一和第二光被无穷聚焦到照明目标50上，其为第一照明区域51和第二照明区域52。

在第一透镜30的第一透镜面31中，折射区域311位于第一和第二光的光轴La中心部分。利用全反射的反射区域312设置在可折射区域311的周围。折射区域311包括圆形部分3111，第一连续棱镜3112。圆形部分3111在光轴La的中心环绕光轴，并且向半导体发光元件10和荧光体20弯曲。第一连续斜侧面3112包括阶梯型同心圆3112a以及折射表面3112b。各折射表面3112b位于圆形部分3111的周围，并且在与光轴La相交的方向(如垂直方向)折射第一和第二光。折射表面3112b和阶梯型同心圆3112a被交替排布。折射区域311的弯曲部分3111设置在使光轴La和光源(半导体发光元件10和荧光体20)发出的第一和第二光之间形成角度。该角度为例如，10度或更小。且圆形部分3111位于该角度接近等于平行光的角度的范围中。在第一结构中，圆形部分3111具有其顶角为150度到180度的圆锥形状。

第一连续棱镜3112是菲涅尔透镜。如图18所示，第一连续棱镜3112的折射表面3112b围绕光源与光轴La形成30度或更小的角度。简言之，从光源发出的第一和第二光到达折射表面3112b，并且被变为平行光。根据图5所示的原理阶梯型同心圆3112a与光轴一致。

如图19所示，折射表面3112b倾斜θ_U角度，该角度是为了满足以下条件确定的理想值，其中θ表示从光源到折射表面3112b的光和光轴之间的角度，并且n表示透镜的折射率。

${\mathrm{\θ}}_U={\tan }^{-1}\left(\frac{n-\cos \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}\right)...\left(1\right)$

而为了在30度或更大角度有效使用由光源发出的第一和第二光，反射区域312包括由接收第一和第二光的入射面3121a以及反射入射的第一和第二光的反射面3121b组成的第二连续棱镜3121。入射面3121a和反射面3121b交替排布。第二连续棱镜3121是菲涅尔透镜。入射面3121a接收从光源发出的第一和第二光，并且向折射区域311稍微倾斜。反射面3112b倾斜30度或更大角度，并且使通过第二连续棱线面入射面3121a的第一和第二光准直为平行光。反射面3121b是全反射类型。

如上所述，从光源发出的第一和第二光被入射面3121a接收和折射，并且通过反射面3121b全部反射，并且大致变为平行光。如图20所示，在入射面3121a和反射面3121b的的倾斜角度θ_L和θ_U与从光源中心发出的光和光轴La之间的角度θ最好满足下列关系式。

             cos(θ+θ_L)＝ncos(2θ_U+θ_L)                  …(2)

折射的第一和第二光能够被准直成为平行光，并且平行于光轴La。

“全反射”按照以下描述定义。当通过具有两个不同折射率的两个透明介质时，光在介质的边界被折射。例如，这里假设一个介质具有折射率n1同时另一介质的折射率为n2(n1＞n2)并且光以入射角θ达到该边界。当入射角θ较小(例如θ小于临界角)，光在边界折射并向前传播。入射角θ越大，折射角越接近90度。当sinθ＝n2/n1时，折射角等于90度。在该种状态下，入射角等于临界角。进一步，如果入射角θ大于临界角时，光在边界完全被反射。该现象被称为“全反射”。在第三实施例中，由于具有折射系数“1”的空气被作为一个介质以代表n2，之前的条件表达式表示为sinθ＝1/n1。

第二连续棱镜3121的入射面3121a和反射面3121b形成的所有顶角角度相同。图21显示通过公式(2)表达的关系。

在图21中描绘了几条对应于光的入射角度的曲线。从图21的图表能够看出，仅当已知θ和“n”时，θ_U和θ_L不能够唯一确定。这是因为一个参数仍然未知。当小口角(byteangle)为给定值，即增加θ_U+θ_L＝常数的条件，θ_U和θ_L能够被唯一确定。在图21中，增加直线θ_U+θ_L＝45°。θ_U和θ_L能够根据与特定θ相关的曲线和小口角45°的交点决定。如果θ_U+θ_L在0度和90度之间，对任意θ都有解。因此，小口角可以是0度至90度的任意值。

在反射区域312中，由第二连续棱镜3121的入射面3121a和反射面3121b形成的顶角角度都相同。最低点(其由折射区域311的各阶梯型同心圆3112a和各折射表面3112b形成)以及其他最低点(其由反射区域312的第二连续棱镜3121的入射面3121a和反射面3112b形成)在相同平面(即与光轴La垂直)。当利用并旋转昂贵的钻石切割器，沿光轴La切割，易于制造第一透镜30。在这种情况下，第一透镜30或者钻石切割器可以相对旋转。例如，钻石切割器可优选采用三角形状的刀锋以削掉第二连续棱镜3121的一个入射面3121a和一个反射面3121b。进一步，该钻石切割器同样用于制造折射区域311的圆形部分3111和第一连续棱镜3112。

进一步，第一透镜30的圆形部分3111，第一连续棱镜和第二连续棱镜3121都具有直线状轮廓的横截面，这样它们易于模具成型制造并且可以注模成型法成形。

第三实施例的照明***1与第一实施例的照明***1同样有效并且具有优势。进一步，折射区域311和反射区域312设置于第一透镜面31上，从而出现在第一透镜面31周围并且没有被菲涅尔透镜折射的第一和第二光被反射并且使之成为平行光。这有效促进第一透镜面31周围的光的有效利用。

照明***的第二结构

在第三实施例的照明***1中，折射区域311的圆形部分3111可以在第一透镜面31上像凸透镜一样弯向光源。参考图22，第一连续棱镜3112的折射表面3112b和阶梯型同心圆3112a的顶角和第二连续棱镜3121的入射面3121a和反射面3121b的顶角可以位于相同平面。易于制作注模成型的模具。

具有第二结构的照明***1与具有第一结构的照明***1同样有效和具有优势。

照明***的第三结构

如图23所示第三实施例的照明***1可以被改进。在第一透镜30的第一透镜面31上，由第一棱镜面3112的折射表面3112b和阶梯型同心圆3112a形成的最高点(顶角角度位置)，以及由反射区域312的入射面3121a和反射面3121形成的最高点可以在同一平面。进一步，最高点和最低点之间的距离可以慢慢增加。在该种情况下，入射面3121a的面积和入射角可以向离心方向逐渐增加，这样有利于促进光的有效使用。

具有第三结构的照明***1与具有第一结构的照明***1同样有效和具有优势。

在之前描述的照明***1中，折射区域311的圆形部分3111可以被展平到光能够准直。

第四实施例

为了进一步促进光的有效使用，第一到第三实施例的照明***1可以被改进。

在本实施例的照明***1中，如图24A和24B所示，第一透镜30的第二透镜面32(蝇眼透镜)的第一微透镜321和第二透镜40的第三透镜面41(蝇眼透镜)的第二微透镜411紧密设置。更为具体地，在第二透镜面32上，在第一微透镜321之间的死区(平区)被最小化以提高紧密度。第二微透镜411和第一微透镜321的设置类似。第一微透镜321被填充得越密，光能够更为有效地被使用。该原理对第二微透镜411同样适用。

制造第二透镜面32和第三透镜面41以满足以下公式，其中“a”表示微透镜(蝇眼透镜)之间的间距，“r”指示蝇眼透镜的曲率半径，并且“h”指示蝇眼透镜的高度

$r-\sqrt{r^2-{\left(\frac{\sqrt{2}}{2}a\right)}^2}<h<r...\left(3\right)$

在第四实施例的照明***1中，第二透镜面32的第一微透镜321和第三透镜面41的第二微透镜411可以被排布得非常紧密，这样有利于促进光的有效使用。

其它实施例

这里公开的发明已经通过特定实施例和其中的应用被表述，在该技术领域内的技术熟练者能够在不背离本发明的范围内做出多种改进和变形。

例如，在之前描述的实施例中1的半导体发光元件10为蓝色发光二极管。作为替代，多个发光点不同的光源可以被组合使用，例如，绿色发光二极管和蓝色发光二极管可以组合使用以产生白色光。半导体激光器可以代替半导体发光元件10被使用。

在之前描述的实施例中第一微透镜321和第二微透镜411为凸透镜。作为替代，第一微透镜321和第二微透镜411的某一个或两者可以为菲涅尔透镜。更为具体的，第一微透镜321可以为菲涅尔透镜而第二微透镜411可以为凸透镜。在该种情况下，第一透镜30可以被做得更薄，从而缩短制造周期。

在之前的实施例中的照明***1中，第一透镜面31是简单菲涅尔透镜。作为替代，可以使用复杂菲涅尔透镜。进一步，其中阶梯型同心圆被独立设计的菲涅尔透镜可以用作第一透镜面31。

进一步，两个或多个第一到第四实施例的照明***1可以被组合使用。

Claims (23)

1.一种照明***，其特征在于，包括：

发射第一光的第一光源；

发射第二光的第二光源，其发光点的一部分偏离所述第一光源，所述第二光的波长不同于第一光的波长；

折射并准直第一光和第二光的第一透镜面；

包括多个并置的第一微透镜并且折射第一光和第二光的第二透镜面；和

包括多个并置的第二微透镜并且折射由第二透镜面折射的第一光和第二光的第三透镜面；

其中，所述第二微透镜一一对应于所述第一微透镜；所述第一微透镜把第一光和第二光聚集于所述第二微透镜上；并且由一个第一微透镜和一个第二微透镜折射的第一光和第二光的第一照射区域的部分区域与由另一个第一微透镜和另一个第二微透镜折射的第一和第二光的第二照射区域的部分区域重叠。

2.如权利要求1所述的照明***，其特征在于，其中所述第一光源是半导体发光元件，所述第二光源是覆盖该半导体发光元件的第一发光区域的荧光体，该荧光体响应第一光发出荧光。

3.如权利要求2所述的照明***，其特征在于，其中所述第一透镜面与所述半导体发光元件相对设置，并且向该半导体发光元件弯折。

4.如权利要求2所述的照明***，其特征在于，其中第一透镜面与所述半导体发光元件相对设置，并且其为向该半导体发光元件弯折的菲涅尔透镜。

5.如权利要求1所述的照明***，其特征在于，其中所述第二透镜面与所述第一透镜面相反，并且位于所述第一透镜面和所述第三透镜面之间，面对所述第三透镜面，并且向所述第三透镜面弯曲成弧状。

6.如权利要求1所述的照明***，其特征在于，其中所述第三透镜面面对所述第二透镜面设置；并且所述第二微透镜向第三透镜面弯曲成弧状。

7.如权利要求5所述的照明***，其特征在于，其中所述第一透镜面是菲涅尔透镜，所述第二透镜面是蝇眼透镜。

8.如权利要求6所述的照明***，其特征在于，其中第一透镜面是菲涅尔透镜，所述第三透镜面是蝇眼透镜。

9.如权利要求2所述的照明***，其特征在于，其中所述半导体发光元件发射波长等于蓝色光波长的第一光。

10.如权利要求2所述的照明***，其特征在于，其中所述荧光体发射黄色的或者波长为黄色和红色光波长的组合的第二光。

11.一种照明***，其特征在于，包括：

发射蓝色光的发光二极管；

接收蓝色光并且发射黄色光的荧光体；

折射并使该蓝色光和黄色光准直的菲涅尔透镜；

折射通过菲涅尔透镜的蓝色光和黄色光的第一蝇眼透镜；和

以及折射通过所述第一蝇眼透镜的蓝色光和黄色光的第二蝇眼透镜。

12.如权利要求11所述的照明***，其特征在于，所述菲涅尔透镜和所述第一蝇眼透镜位于第一透镜的相反两面，所述第二蝇眼透镜位于第二透镜的一面上。

13.如权利要求12所述的照明***，其特征在于，其中所述第二透镜的另一面为平面。

14.如权利要求13所述的照明***，其特征在于，其中所述第二透镜的平面处理成对光进行散射。

15.如权利要求11所述的照明***，其特征在于，进一步包括：

中心处设置所述发光二极管的衬底；

被放置在所述衬底***周围并且反射所述发光二极管发出的蓝色光的反射体；以及

填充在所述衬底和所述反射体的中心所定义的凹陷处的荧光体，用以收藏所述发光二极管。

16.如权利要求15所述的照明***，其特征在于，包括发光二极管、荧光体、反射体、第一透镜和第二透镜的多个照明单元被集成在衬底上并且具有模块结构。

17.如权利要求1所述的照明***，其特征在于，其中所述第一透镜面包括折射和准直第一光和第二光的折射区域，以及反射和准直第一光和第二光的反射区域。

18.如权利要求17所述的照明***，其特征在于，其中所述第一透镜面的折射区域位于第一和第二光源的光轴中心部分；全反射型的反射区域位于所述折射区域的周围。

19.如权利要求17所述的照明***，其特征在于，其中所述第一透镜面为菲涅尔透镜，其包括：位于所述折射区域的向第一和第二光源弯曲的圆形部分；与光轴相交的平面部分；折射第一和第二光的折射部分；包含在与光轴相交的方向交替排布的阶梯型同心圆和折射第一和第二光的折射部分的第一连续棱镜；以及包含在与光轴相交的方向交替排布的第一光和第二光入射部分和第一光和第二光反射部分的第二连续棱镜。

20.如权利要求19所述的照明***，其特征在于，其中在所述第一透镜面中，所述折射区域上的所述第一连续棱镜的折射面和阶梯型同心圆的顶点与第二连续棱镜的入射面和反射面的顶点位于同一平面。

21.如权利要求19所述的照明***，其特征在于，其中在所述第一透镜面中，折射区域的第一连续棱镜的折射面和阶梯型同心圆的最低点与第二连续棱镜的入射面和反射面的最低点位于同一平面。

22.如权利要求19所述的照明***，其特征在于，其中由入射面和第一和第二透镜面的反射面形成的顶角角度相同。

23.如权利要求11所述的照明***，其特征在于，其中所述第一和第二蝇眼透镜面满足以下公式，

$r-\sqrt{r^2-{\left(\frac{\sqrt{2}}{2}a\right)}^2}<h<r$

其中“a”表示蝇眼间距，“r”表示曲率半径，“h”表示高度。

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