具有复式封壳透镜的LED转让专利
申请号 : CN200680052691.3
文献号 : CN101371371B
文献日 : 2010-12-15
发明人 : 帕特里克·R·德斯藤
申请人 : 3M创新有限公司
摘要 :
一种具有LED发光体以及至少部分围绕所述发光体的封壳的LED光源。所述封壳具有内透镜以及外透镜，所述内透镜的折射率小于所述外透镜的折射率，并且在某些情况下为所述外透镜折射率的70％到80％。所述内透镜及外透镜可沿着曲面彼此接触，并且在某些情况下所述内透镜基本上是平凸的，并且所述外透镜为凹凸的。所述内透镜生成所述发光体的第一虚像，而所述外透镜生成第二虚像，并且所述第一虚像位于所述发光体和所述第二虚像之间。LED光源能够在紧凑的空间内提供均匀的照明。
权利要求 :
1.一种光源，包括：
LED发光体；和
至少部分围绕所述LED发光体的封壳；
其中所述封壳包括内透镜以及外透镜，所述内透镜的折射率为n1并且具有外曲面，同时所述外透镜的折射率n2大于n1，并且具有与所述内透镜的所述外曲面配合的内曲面；和其中所述内透镜生成所述LED发光体的第一虚像，而所述外透镜生成所述第一虚像的第二虚像，并且所述第一虚像位于所述LED发光体和所述第二虚像之间。
2.根据权利要求1所述的光源，其中所述LED发光体发射从轴向到掠射角的广角光到所述内透镜中，并且所述内透镜会聚并透射该广角光到所述外透镜。
3.根据权利要求2所述的光源，其中所述广角光在所述内透镜中呈现0至90度的极角，并且该光以范围为0到θ2MAX的表面角范围从外透镜显现，其中θ2MAX为45度或更小。
4.根据权利要求1所述的光源，其中所述第二虚像相对于所述LED发光体的所述放大倍数在3倍到4倍的范围之内。
5.根据权利要求1所述的光源，其中所述LED发光体基本上呈平面，并且具有最大面内尺寸2h。
6.根据权利要求5所述的光源，其中所述外透镜具有半径为R2的外曲面，并且其中h/R2不大于0.4。
7.根据权利要求6所述的光源，其中h/R2在0.3至0.4的范围内。
8.根据权利要求1所述的光源，其中所述外透镜具有基本上相对于所述第一虚像消球差的外曲面。
9.根据权利要求1所述的光源，其中所述外透镜具有半径为R2的外曲面，所述外透镜暴露在折射率为n0的介质中，并且其中所述第一虚像设置在与所述外透镜的所述外曲面顶点的距离为弛度2的位置处，并且其中弛度2≈R2*((n0+n2)/n2)。
10.根据权利要求1所述的光源，其中n1/n2在0.7至0.8的范围内。
11.根据权利要求10所述的光源，其中n1为1.5并且n2为2。
12.根据权利要求1所述的光源，其中所述内透镜基本上是平凸的，并且所述外透镜基本上是凹凸的。
13.根据权利要求1所述的光源，其中所述内透镜由非固体材料组成，并且所述外透镜由固体材料组成。
14.根据权利要求13所述的光源，其中所述内透镜由透光性液体或凝胶组成。
15.根据权利要求13所述的光源，该光源还包括基底，所述LED发光体安装在该基底上，并且其中所述非固体材料包含在所述外透镜和所述基底之间。
16.根据权利要求1所述的光源，该光源还包括基底，所述LED发光体安装在该基底上，并且其中所述内透镜将所述外透镜粘附到所述基底。
17.根据权利要求1所述的光源，其中所述LED发光体以范围为0到90度的极角θs将光发射到所述内透镜中，并且其中该发射光以范围为0度到θ2MAX的表面角θ2从所述外透镜射出，其中θ2MAX不超过30度。
18.根据权利要求1所述的光源，其中所述外透镜具有外曲面，并且其中所述光源还包括所述外透镜的该外曲面上的抗反射涂层。
19.根据权利要求1所述的光源，其中所述内透镜的所述外曲面具有曲率半径R1，并且具有设置在距离所述LED发光体距离为弛度1的顶点，并且其中弛度1以及R1按照这种方式进行选择，以便使所述内透镜的体积基本上最小，同时涵盖所述LED发光体以及附接到其上的任何引线键合。
20.根据权利要求1所述的光源，其中所述内透镜的所述外曲面具有曲率半径R1，并且具有设置在距离所述LED发光体距离为弛度1的顶点，并且R1＞弛度1。
说明书 :
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)器件，以及这种器件的元件和相关的制品以及工艺。
背景技术
LED在某种程度上是可选光源，因为它们具有相对较小的尺寸、较低的功率/电流要求、快速的响应时间、较长的使用寿命、牢固的封装、有多种可用的输出波长并与现代电路构造具有相容性。这些特性可能有助于解释它们在过去数十年多种不同最终用途中得到广泛应用的情况。在效率、亮度和输出波长方面，LED仍在持续获得改进，进一步扩大潜在最终应用的范围。
LED通常以封装形式销售，封装中包括安装在金属接头上的LED晶粒或芯片。所述接头可配有反射杯，杯中装配LED晶粒，而电引线连接到LED晶粒。某些封装也包括模制的透明树脂，用于包封LED晶粒。胶囊包封树脂可以具有使晶粒射出的光保持部分平行的标称的半球形前表面，或者具有标称的平坦表面。
在图1-5中给出了已知LED光源的实例。
在图1中，光学半导体器件10包括支承体11以及电致发光的半导体二极管12，该二极管通过适用的焊料固定到支承体11的顶部表面。通过支承体11中的开口延伸的端线13固定到支承体上，并且通过电绝缘材料(例如玻璃或陶瓷)制成的垫圈14与支承体电绝缘。每根端线13通过细小线材15电连接到二极管12分隔的触点上。第三根端线16固定到支承体11，该支承体电连接到二极管12。玻璃圆顶17安装并固定到支承体11的顶部表面。玻璃圆顶在二极管12上方延伸并与之紧密接触，以使得二极管发出的辐射均穿过玻璃圆顶。在图1的器件10中，玻璃圆顶基本呈球形。图2示出与器件10相似的光学半导体器件10′，不同的是图2中的玻璃圆顶17′(安装在支承体11上并覆盖了二极管12)是呈半球形的。美国专利3,596,136(费歇尔(Fischer))中进一步描述了图1和图2的器件。例如，费歇尔(Fischer)公开了椭圆、抛物线及其它的玻璃圆顶形状，这些形状是玻璃圆顶以有效的方式将辐射从二极管传输到需要的接收方所需的。费歇尔(Fischer)还提出，除了其它物质外，玻璃圆顶17或17′可由具有高折射率的玻璃制成，该玻璃的折射率优选地大于2并尽可能接近电致发光二极管的折射率，并且具有低吸收率的性质。
图3中示出了半导体发光器件18。器件18包括半导体芯片19，该芯片具有狭窄的光散射区20。球面透镜21通过紫外线硬化粘合剂23安装到芯片的后表面22上。通过划分以及分割更大的半导体晶片来得到半导体芯片19，并且将晶片基底侧(稍后形成芯片19的后表面)高精度研磨到预定厚度，使得透镜21中心以及散射区20中心之间的距离为最佳。美国专利5,403,773(尼塔(Nitta)等人)中进一步描述了所述器件18。尼塔(Nitta)等人提出粘合剂树脂23的折射率应该与器件芯片19以及球面透镜21的折射率相似。
在图4中，受LED激发的基于荧光粉的光源24包括半导电LED25，该LED安装在导电散热器26内，该散热器也会将来自LED25的部分光反射向荧光粉反射器组件27。组件27可以位于光学透明的密封材料28中，可使该材料定形为透镜结构29，从而修整由光源24发出的光。在美国专利申请公开US2004/0145288A1(欧德柯克(Ouderkirk)等人)中进一步描述了光源24。
图5中的多层LED30在美国专利6,717,362(李(Lee)等人)中有更全面的描述，该LED包括形成p-n面结型二极管的半导体材料31，这种材料31由三个层32、33、34封装。32、33、34各层的材料按照这种方式进行挑选，使得各层的折射率逐渐减小，从接近半导体材料31的折射率减小到接近空气35的折射率。根据李(Lee)等人的专利，这导致半导体材料31和第一层32、第一层32和第二层33、第二层33和第三层34以及最后的第三层34和空气35的各自界面之间的折射率差值变小。李(Lee)等人提出，只要层的折射率具有以上属性，可以使用任何数目的层。
LED通常以封装形式销售，封装中包括安装在金属接头上的LED晶粒或芯片。所述接头可配有反射杯，杯中装配LED晶粒，而电引线连接到LED晶粒。某些封装也包括模制的透明树脂，用于包封LED晶粒。胶囊包封树脂可以具有使晶粒射出的光保持部分平行的标称的半球形前表面，或者具有标称的平坦表面。
在图1-5中给出了已知LED光源的实例。
在图1中，光学半导体器件10包括支承体11以及电致发光的半导体二极管12，该二极管通过适用的焊料固定到支承体11的顶部表面。通过支承体11中的开口延伸的端线13固定到支承体上，并且通过电绝缘材料(例如玻璃或陶瓷)制成的垫圈14与支承体电绝缘。每根端线13通过细小线材15电连接到二极管12分隔的触点上。第三根端线16固定到支承体11，该支承体电连接到二极管12。玻璃圆顶17安装并固定到支承体11的顶部表面。玻璃圆顶在二极管12上方延伸并与之紧密接触，以使得二极管发出的辐射均穿过玻璃圆顶。在图1的器件10中，玻璃圆顶基本呈球形。图2示出与器件10相似的光学半导体器件10′，不同的是图2中的玻璃圆顶17′(安装在支承体11上并覆盖了二极管12)是呈半球形的。美国专利3,596,136(费歇尔(Fischer))中进一步描述了图1和图2的器件。例如，费歇尔(Fischer)公开了椭圆、抛物线及其它的玻璃圆顶形状，这些形状是玻璃圆顶以有效的方式将辐射从二极管传输到需要的接收方所需的。费歇尔(Fischer)还提出，除了其它物质外，玻璃圆顶17或17′可由具有高折射率的玻璃制成，该玻璃的折射率优选地大于2并尽可能接近电致发光二极管的折射率，并且具有低吸收率的性质。
图3中示出了半导体发光器件18。器件18包括半导体芯片19，该芯片具有狭窄的光散射区20。球面透镜21通过紫外线硬化粘合剂23安装到芯片的后表面22上。通过划分以及分割更大的半导体晶片来得到半导体芯片19，并且将晶片基底侧(稍后形成芯片19的后表面)高精度研磨到预定厚度，使得透镜21中心以及散射区20中心之间的距离为最佳。美国专利5,403,773(尼塔(Nitta)等人)中进一步描述了所述器件18。尼塔(Nitta)等人提出粘合剂树脂23的折射率应该与器件芯片19以及球面透镜21的折射率相似。
在图4中，受LED激发的基于荧光粉的光源24包括半导电LED25，该LED安装在导电散热器26内，该散热器也会将来自LED25的部分光反射向荧光粉反射器组件27。组件27可以位于光学透明的密封材料28中，可使该材料定形为透镜结构29，从而修整由光源24发出的光。在美国专利申请公开US2004/0145288A1(欧德柯克(Ouderkirk)等人)中进一步描述了光源24。
图5中的多层LED30在美国专利6,717,362(李(Lee)等人)中有更全面的描述，该LED包括形成p-n面结型二极管的半导体材料31，这种材料31由三个层32、33、34封装。32、33、34各层的材料按照这种方式进行挑选，使得各层的折射率逐渐减小，从接近半导体材料31的折射率减小到接近空气35的折射率。根据李(Lee)等人的专利，这导致半导体材料31和第一层32、第一层32和第二层33、第二层33和第三层34以及最后的第三层34和空气35的各自界面之间的折射率差值变小。李(Lee)等人提出，只要层的折射率具有以上属性，可以使用任何数目的层。
发明内容
本专利申请公开了一种LED光源，特别是一种包括LED发光体以及至少部分围绕发光体的封壳的LED光源。封壳包括内透镜以及外透镜，内透镜的折射率基本上小于外透镜的折射率，优选地为外透镜折射率的70％到80％。内透镜及外透镜可以沿着曲面彼此接触，该曲面对应于内透镜的外曲面以及外透镜的内曲面。优选地，内透镜基本上是平凸的而外透镜是凹凸的。内透镜生成发光体的第一虚像，而外透镜生成第二虚像，并且第一虚像位于发光体和第二虚像之间。LED光源能够在紧空间中提供均匀的照明。
在示例性实施例中，曲面具有曲率半径，并在曲面顶点和LED发光体之间存在一段距离(称为弛度1，参见下方的图7)，这段距离按照这种方式进行选择，以便最小化内透镜的体积，并且涵盖LED发光体以及可能附接到LED发光体上的引线键合。
在示例性实施例中，外透镜具有外曲面，所选曲面相对于第一虚像基本上应是消球差的。例如，可以对该外曲面进行优化，使它相对于第一虚像的边缘部分是消球差的，或者相对于第一虚像的边缘部分和中心之间的中间部分是消球差的。
在示例性实施例中，LED发光体以范围为0到90度的极角θS将光发射到内透镜中，然后该发射光以范围为0到不超过45度或者0到不超过30度的极角θ2从外透镜射出。采用这样的受限制的出射角范围，通过在外透镜的外表面上提供四分之一波长或其它适用的抗反射涂层，可以有效地降低表面反射率或菲涅耳反射率。
通过下面详细的描述，本专利申请的这些方面以及其它方面将显而易见。然而在任何情况下，都不得解释成以上概述对受权利要求书保护的主题有所限制，所述主题仅由本文所附的权利要求书限定，该权利要求书在申请过程中可能会有所修正。
在示例性实施例中，曲面具有曲率半径，并在曲面顶点和LED发光体之间存在一段距离(称为弛度1，参见下方的图7)，这段距离按照这种方式进行选择，以便最小化内透镜的体积，并且涵盖LED发光体以及可能附接到LED发光体上的引线键合。
在示例性实施例中，外透镜具有外曲面，所选曲面相对于第一虚像基本上应是消球差的。例如，可以对该外曲面进行优化，使它相对于第一虚像的边缘部分是消球差的，或者相对于第一虚像的边缘部分和中心之间的中间部分是消球差的。
在示例性实施例中，LED发光体以范围为0到90度的极角θS将光发射到内透镜中，然后该发射光以范围为0到不超过45度或者0到不超过30度的极角θ2从外透镜射出。采用这样的受限制的出射角范围，通过在外透镜的外表面上提供四分之一波长或其它适用的抗反射涂层，可以有效地降低表面反射率或菲涅耳反射率。
通过下面详细的描述，本专利申请的这些方面以及其它方面将显而易见。然而在任何情况下，都不得解释成以上概述对受权利要求书保护的主题有所限制，所述主题仅由本文所附的权利要求书限定，该权利要求书在申请过程中可能会有所修正。
附图说明
图1-5为已知LED光源的示意性截面图；
图6为LED光源的示意性截面图，该LED光源包括复式封壳透镜；
图7为图6中的LED光源的另一个示意性截面图；
图8为LED晶粒阵列的平面图，该LED晶粒阵列形成了示例伸展的LED光源；
图9为坐标图，显示了作为LED发光体一半宽度的函数的来自光源(例如图6-7中的光源)的模拟规一化透射，用外透镜外表面半径R2进行规一化；而
图10示出具有附加光学元件的图6-7的光源。
在这些图中，类似的附图标号标明类似的元件。
图6为LED光源的示意性截面图，该LED光源包括复式封壳透镜；
图7为图6中的LED光源的另一个示意性截面图；
图8为LED晶粒阵列的平面图，该LED晶粒阵列形成了示例伸展的LED光源；
图9为坐标图，显示了作为LED发光体一半宽度的函数的来自光源(例如图6-7中的光源)的模拟规一化透射，用外透镜外表面半径R2进行规一化；而
图10示出具有附加光学元件的图6-7的光源。
在这些图中，类似的附图标号标明类似的元件。
具体实施方式
本应用程序公开了采用复式封壳透镜的紧凑LED光源，该透镜形成LED发光体(例如伸展的LED晶粒)的虚拟图像。优选地，这种光源在紧凑的封装中基本保留了LED发光体的光学扩展量，从而可将光源用于有效地照明微型投影仪系统中的LCOS面板或其它像素化面板。
就这一点而言，发光二极管或“LED”涉及发光的二极管，无论是可见光、紫外光或红外光。它包括作为“LED”(不论是常规型还是超亮型)销售的各种不同的盒装或封装半导体器件。如果LED发出不可见光(如紫外光)，以及在一些发出可见光的情况中，可以将它封装成包括荧光粉(或者它可以照亮设置在远处的荧光粉)，以使短波长的光转换为较长波长的光，在某些情况下，还可以得到发射白光的器件。“LED晶粒”是LED最基本的形态，即经半导体加工方法制成的单个元件或芯片的形态。例如，LED晶粒通常是由一种或多种III族元素和一种或多种V族元素的组合形成(III-V半导体)。合适的III-V半导体材料的实例包括氮化物(如氮化镓)和磷化物(如磷化镓铟)。还可以使用其它类型的III-V材料，例如可以使用元素周期表其它族的无机材料。部件或芯片可包括电触点，这些触点适用于向器件提供电压的电能应用。实例包括引线接合、卷带自动结合(TAB)或芯片倒装焊接。该元件或芯片的各个层和其它功能元件通常以晶片规模形成，并且随后可将加工好的晶片切成单个元件，以生产多个LED晶粒。可将LED晶粒构造成表面贴装、板上芯片贴装，或采用其它已知的贴装构型。一些封装LED通过形成在LED晶粒和关联反射杯上形成的聚合物封壳制成。该LED晶粒具有准朗伯曲线发射图形，而且LED晶粒内产生的大部分光由于晶粒表面处的全内反射而被截留，或者从LED晶粒正上方的聚合物封壳发出。
现在参见图6，可以看到图中光源40包括LED发光体42以及至少部分围绕发光体的封壳43。图7描述了完全相同的光源40，但标识出了未在图6中显示的附加参数，以便于参阅。LED发光体42可以是LED晶粒或LED晶粒阵列的发光表面，或者是(例如)涂覆于表面的较薄磷光粉层，或换句话讲，是由这种LED晶粒激发的磷光粉层。优选地，发光体42基本位于平面中，在图6-7中该平面相当于笛卡尔xyz坐标系的x-y平面，但是也可采用其它布置方式。发光体42是广角度光源，而且尽管某些光可能会由于全内反射而截留在发光体42中，但射入内透镜44的光通常分布在整个半球立体角上，该立体角度与范围为0到大约90度的光源角度θS(相对于发光体局部曲面法线测量该角度，该法线对应于图6-7中的z轴)相对应。
封壳43至少由两个截然不同的元件形成，因此可以将它表征为复式封壳。具体地讲，封壳43具有内透镜44以及外透镜46，每个透镜的表面都经过定制，以会聚从发光体42发出的光。优选地，内透镜44的内表面与发光体42紧密接触，并且内透镜44的外表面44a与外透镜46的内表面46a紧密接触或基本上配合。从而发光体42基本上被浸没在内透镜44的材料中。外透镜46具有弯曲外表面46b，该表面暴露在折射率为n0的介质中，该介质通常是但不一定是空气。优选地，内部以及外透镜44、46基本上在光源的光轴48周围旋转对称，同样优选地，发光体42以光轴48为中心。对于光源40，光轴48与笛卡尔坐标系的z轴平行。
内透镜及外透镜各自的折射率n1以及n2，在以下方面并非常规，即与上面引用的李(Lee)等人的教导内容不同，从相对较高的LED发光体42的折射率到相对较低的周围介质的折射率n0着手处理时，这两个折射率不会逐渐减小。相反，外透镜的折射率n2基本大于内透镜的折射率n1。在这点上，在适当波长处测量或评价折射率，例如LED发光体42的峰值输出波长处，不论是红光、绿光、蓝光还是其它可见的色光。优选地，折射率上的差值为足够大，从而在内透镜及外透镜之间形成界面(即表面44a或46a)，该界面具有足够的光学功率使得以掠射角从发光体42发出的光以较小的表面角从外透镜射出，下文将进一步对此进行讨论。另一方面优选的是，差值不是很大，以避免使外表面46b的菲涅耳折射率变得无法接受。因此，n1/n2的比率优选地小于0.8，更为优选地在范围0.7到0.8内。
在示例实施例中，内透镜44由透光性液体、凝胶或其它非固体材料组成。可将该材料容纳或密封在外透镜46的内表面46a和基底50(LED发光体42安装在该基底上)之间的空间内，并且外透镜46也与基底的周边附接。基底50可以是或包括基本平坦的陶瓷块、金属块或其它合适的材料，并且也可以包括其它元件，例如金属触点、销以及其它常规结构。在某些情况下，光源40可以包括一个或多个把LED发光体连接到一个或多个金属触点或销的引线键合52。如果内透镜由液体或凝胶组成，则可以使该引线键合上由热引起的应力最小。在可供选择的实施例中，内透镜最初可由液态的能用紫外线固化的粘合剂或树脂(例如可得自新泽西州新布伦兹维克的诺蓝公司(NorlandProducts，New Brunswick，New Jersey)的粘合剂或树脂)组成，然后通过应用紫外线或其它短波辐射把它固化或换句话讲硬化为固体。在固化之后，该树脂可发挥作用，将外透镜46固定就位并将其与基底50以及发光体42粘结。一种示例的可用紫外线固化的粘合剂为诺蓝光学粘合剂81(NOA81)(Norland Optical Adhesive 81(NOA81))。无论是由液体、凝胶、树脂或其它非固体或固体透光性材料组成，尽管可以采用其它值，内透镜的折射率n1通常在1.4到1.6的范围之内，常常为约1.5。
在示例性实施例中，外透镜46由具有相对高折射率的玻璃或其它适用的光学材料组成。透镜的折射率n2通常至少为1.8，优选地在大约1.9到2.1的范围内或大约为2。示例材料包括兰宝石(折射率1.77)、LASFN9光学玻璃(折射率1.85)以及S-LAH79光学玻璃(折射率2.003)。外透镜46可铸造或模制为图6所示形状，或者为球形或球体，然后经过加工形成内表面46a以及优选地接触基底50的周边46c。
从光学角度来看，由于折射率差异以及曲面形状，内透镜44会聚来自发光体42的光，形成发光体的第一虚像VI1，而外透镜46进一步会聚光，形成第二虚像VI2。第一虚像位于LED发光体42和第二虚像之间。优选地，透镜44、46相结合，将LED发光体42放大3到4倍，更为优选的是放大3.5到4倍。参见图7，LED发光体42、第一虚像VI1以及第二虚像VI2的最大面内尺寸(即在平行于x-y平面的平面中测量的最大横向尺寸)分别为标记的尺寸h、h1和h2的两倍。因此，h2/h的值优选地在3到4的范围内。此外，最终虚像(VI2)的最大面内尺寸(所述尺寸为2h2)优选地接近外透镜46的最大面内尺寸。如果外表面46b可以清楚地以中心点为C2的曲率半径R2来表征，这意味着2h2接近2R2，例如R2≤2h2≤4R2。
表面44a、46a、46b可以是球形或非球形，但是出于经济性考虑，它们优选地基本为球形，由第一曲率半径R1和中心点C1(对于表面44a、46a)以及第二曲率半径R2和中心点C2(对于表面46b)表征。如果封壳是对称的，则中心点C1和C2位于光轴48上。其它在图7中显示的所关注的参数包括：从LED发光体42的顶部或前表面到表面44a/46a顶端的轴向距离，标记为弛度1；从虚像VI1的顶部或前表面到外表面46b的顶端的轴向距离，标记为弛度2；引线键合52相对于LED发光体的顶部或前表面的最大高度，标记为H1；内透镜44在LED发光体平面中的最大面内半宽度或半口径，标记为r1；以及外透镜46在LED发光体平面中的最大面内半宽度或半口径，标记为r2。为了使光源40的总体尺寸或体积最小化，优选地使r2大约等于或仅稍大于r1。
另外，在许多情况下，使内透镜44的体积最小化也是可取的，例如通过谨慎选择R1和弛度1的大小来实现这一点，其中R1＞弛度1。当内透镜由液体或凝胶材料甚至是未固化(液体)紫外线粘合剂材料组成时，使内透镜44的体积最小化有助于减少出现在透镜之内或内外透镜之间的气泡或空隙，这些气泡或空隙会有害地散射光并降低图像质量。如果没有引线键合52，该选择会迫使r1(内透镜的半口径(面内))大约等于h(发光体42的最大半宽度)。如果存在引线键合52(如最大高度H1所示)，则最小体积的形状一般来讲会有所不同，以便同时涵盖LED发光体42和引线键合52。在某些情况下，采用该解决方案会得到表面44a(以及46a)，对于该表面，弛度1≈2H1。
可以选择R1和弛度1，而不使内透镜44的体积最小化，以优化光源40的光学特性。例如，可以选择R1和弛度1，以便最大程度地放大封壳43。
在一些情况下，还期望使光源光学系统中球差和/或彗差的量最小或至少控制这个量。通过在光轴48和LED发光体42的相交处定位C1，可以使表面44a、46a消球差(即几乎或完全没有球差或彗差)，从而使得弛度1≈R1，但是这样做通常与最小化内透镜44的体积是不相容的，并且还会降低或丧失表面44a、46a的会聚能力。因此，控制球差和彗差的更为可取的方法是将外表面46b设计为消球差。对于同轴点，可以通过如下设置第一虚像VI1(用作外透镜的“物像”)和外表面46b顶点之间的距离实现这一点：
弛度2≈R2*((n0+n2)/n2) (1)
在n2大约为2并且n0为1(空气)时，该式可以简化为
弛度2≈1.5*R2 (2)
请注意上述最小体积以及消球差条件可以作为起点，由此可深入优化，例如使用常规光学设计软件进行优化。例如，可以根据上述公式(1)设计外表面46b，然后进行优化以最小化虚像VI1边缘上或边缘附近的偏轴远点的球差和/或彗差。
结合图6-7讨论的设计有一个意想不到的有益效果，即能够降低整体菲涅耳表面反射，尤其是降低外透镜外表面46b上的菲涅耳表面反射。就这一点而言，“整体菲涅耳表面反射”指对于LED发光体42在几乎整个角范围(0≤θS≤90)发射的光，并且同时对于指定界面上给定点处入射光的s和p偏振成分，在外表面46b上所发生的所有菲涅耳表面反射的总数或平均数。在一种极端情况下，轴向光线以方向θS＝0(沿着光轴48)从发光体42的中心部分无偏转地(但是有部分被反射)通过表面44a、46a，然后以0度的内表面角(相对于局部表面法线在外透镜介质n2中测量)在外表面46b上射入，再以0度的外表面角θ2(相对于同一局部表面法线在介质n0中测量)显现。对于该轴向光线，界面上的菲涅耳反射率基本上为((n2-n0)/(n2+n0))2，当n0≈1并且n2≈2时，相当于约11％反射率。在另一种极端情况下，以掠射角θS≈90度从LED发光体42射入内透镜44的掠射光被部分反射，但是也会在曲面44a、46a偏转，这取决于该表面的曲率R1以及定位(弛度1)。之后，经过偏转的光于外表面46b上在周边46c附近的点射入，然后以最大外表面角(θ2＝θ2MAX)从那里显现。注意，在最大表面角θ2MAX情况下，为局部s和p偏振成分而平均的菲涅耳反射率明显高于垂直入射角度(θ2＝0)情况下的菲涅耳反射率。如果在设计透镜44、46时没有仔细考虑，θ2MAX可能为或接近90度，并且大量由LED发光体42发出的光会因外表面46b上的菲涅耳反射而丢失。
幸运的是，通过使用外透镜折射率比内透镜折射率大很多(并且其中外透镜和内透镜在适当曲面处相接)的外透镜/内透镜组合，就可以大大减小外表面46b处的最大表面角θ2MAX，优选地减小到45、40、35或30度或更小，同时仍然维持高放大倍率成像系统。采用这种封壳出射光采用受限表面角范围的情况下，通过在外透镜的外表面上提供四分之一光波或其它适用的抗反射涂层，还有机会有效地更进一步降低整体表面反射或菲涅耳反射。该涂层基本上可在整个受限表面角范围(0到30度或0到45度)内有效，但是在范围大得多的表面角范围(例如0到大约90度)内效果会差一些。要注意的是，如果n2为大约2并且n0为大约1(空气)，则最佳单层四分之一光波抗反射涂层的折射率为√(n2*n0)，即√2或大约1.4，该折射率与氟化镁的折射率有利地相符，氟化镁是一种尤其坚固并且经过证明的光学涂层材料。
与减小外透镜46外表面46b表面角范围相关的优点是，外表面46b有源部分的球形折射得到减小。这就是说外表面46b的有源部分(即从LED发光体发出的光在其上以整个半球立体角(0≤θS≤90度)射出外表面46b的部分)可以是完整球体的较小部分，或者可以对向更小的立体角度。事实上，外表面46b的有源部分基本上为半球状(而非超球面)或小于半球(对向2π或更小球面度的立体角度)比较实用。
现在参见图8，可以看到包含在半径为r1的圆形边界中的示例LED发光体60的平面图，该圆形边界相当于内透镜44的外表面44a与LED发光体的平面的相交处。LED发光体是伸展但并不连续的，由方形LED晶粒62组成的4x3阵列构成，这些LED晶粒之间具有小间隙，形成大致为矩形的形状，该矩形的最大面内尺寸为2h(矩形相对角之间的距离)。发光体60以光轴48为中心。
在给定发光体60尺寸的情况下，如果需要最小化光源的整体体积或尺寸，可以减小内透镜和外透镜的尺寸，至少最小化r1、r2以及R2(请参见图7)。然而，由于光源的延伸性质以及渐晕问题，过小的透镜会导致虚像VI2或任何通过虚像形成的实像在整个图像上具有不可接受的与渐晕相关的亮度变化，亮度在光源中心(最靠近光轴)最高，在光源的边缘或角落(离光轴最远处)减小至最低。加大透镜尺寸可缓解渐晕问题，但也会加大光学系统的尺寸和重量。如果使用球透镜，使球直径保持≤5mm以及更为优选地≤4mm，实际上可以使之更易于从现有透镜制造商处获得，并且价格通常更为低廉。
图9示出简单但具有代表性的光学系统的建模结果，该系统用于标识光源与透镜的优选比率，以便采用透镜尺寸平衡渐晕，使用尽可能小的透镜保持小的渐晕损耗。模型假定平坦光源的厚度为零并且最大面内尺寸2h以光轴为中心，光源位于半球形平凸的(半径为R并且折射率为1.533)中，并且透镜也以光轴为中心并由空气围绕。模型从光源的所有区域从所有方向发出光，并且计算按照与光源的几何或近轴(虚拟)图像相对应的方向射出透镜的光百分比。该计算得出的百分比在图9中称为“规一化透射”。该建模是为离散值h/R以及两种典型光源形状而构建的，这两种光源形状为：半径为h的圆形，以及正方形(从正方形的中心到其任意角的距离均为h)。这两种光源的最大面内尺寸均为2h。以曲线70示出圆形光源的规一化透射，并以曲线72示出正方形光源的规一化透射。曲线证实，在相对于R可以忽略h时(h/R接近0)，圆形光源以及正方形光源的规一化透射均接近1。曲线还示出，在h大小接近R时(h/R接近1)，规一化透射会单调减小。有趣的是，相对于曲线70(圆形光源)，曲线72(正方形光源)的向下变化证实了这样一个事实，即图像退化主要在光源的最外边缘或边角处发生。如果将最小许可规一化透射选择为0.9(与渐晕相关的损耗为10％)，则根据图9，应选择的h/R的值为大约0.4或更小。为了使透镜尺寸R保持相对紧凑，我们为h/R的值选择大约为0.2或0.3的下限。因此，在诸如图6-7的系统中，我们优先选择(并非必须)h/R2的值不超过0.4，优选地在0.3至0.4的范围内。
本发明所公开的紧凑光源可用于多种光学系统中，图10中显示了其中一种光学系统。在图10中，微型准直系统80包括上述光源40，以及外部准直透镜82以及可选的反射式偏振器84。出于紧凑性考虑，将透镜82绘制为分段或分区菲涅耳透镜，但是如果需要也可使用任何传统的块状光学透镜或其它已知透镜。为了实现准直，透镜82的焦距和位置按照这种方式进行选择，使得由外透镜46形成的最终虚像IM2位于透镜82的后焦点上。注意，由于LED发光体42的延伸性，准直的光出射透镜82实际上将具有非零的角展度。
准直系统80也包括可选的反射式偏振器84。根据需要，偏振器可用于提供线性、圆形或椭圆形的偏振光。尽管吸收式偏振器也可用于该目的，但是如果光源40中存在一种结构或机构将至少一部分受阻的偏振状态转换为垂直的“通过”状态，反射式偏振器(优选的是，其中的“受阻”偏振状态会以镜面方式反射，而不会被吸收或散射)能够提供增加的效率。事实上，下面实例中描述的光源结合了准直透镜以及美国专利5,882,774(约查(Jonza)等人)中描述的共挤出多层反射式偏振器类型，该反射式偏振器在偏振器的两侧均施加有抗反射涂层，并观测到增加的偏振光输出超过10％(相对于采用吸收式偏振器的类似系统，而非反射式偏振器)。在美国专利6,916,440(杰克逊(Jackson)等人)、6,939,499(梅里尔(Merrill)等人)、6,949,212(梅里尔(Merrill)等人)以及6,936,209(杰克逊(Jackson)等人)中公开了制作共挤出多层偏振膜的示例性方法。其它示例性反射式偏振器包括VikuitiTM双层增亮薄膜(DBEF)，可得自明尼苏达州圣保罗市的3M公司(3M Company，St.Paul，Minnesota)。还可以想到使用胆甾型偏振器。如上所述，可以在偏振器的一个或两个表面上使用抗反射涂层，以最小化由于菲涅耳表面反射而引起的损耗。作为另外一种选择，可以将偏振器层合到另一个光学元件(例如透镜或板)的光滑、优选为平坦的表面上，或者将它层合在两个侧面上，并夹在两个该类光学元件之间。
本发明所公开的紧凑光源也可用于投影系统，例如采用了硅基液晶(LCOS)面板或其它像素化面板的投影系统。在共同转让的美国专利申请11/322801中公开了一种示例性投影系统，该专利申请的标题为“带光束均匀器的投影系统(Projection System With BeamHomogenizer)”(律师案卷号61338US002)。
实例
对类似结合图6-7所述光源进行加工以及测试。光源采用市售LuxeonTM LED白光发光体(型号LXHL-PW01)构建而成，该发光体可得自加利福利亚州圣何塞市的卢米雷兹照明公司(Lumileds Lighting，SanJose，California)。在不损坏四颗LED晶粒、晶粒前表面上的荧光粉薄涂层、安装有晶粒的基底或引线键合的情况下，将随发光体一起提供的封壳透镜移除。这些剩余的元件将保持不变，并在本文中称为“LED基座”。四颗LED晶粒在形状上呈矩形，但彼此相邻安装，以便在平面图中名义上形成正方形，正方形边长为1.1mm，但是在每对相邻的晶粒之间都存在细小间隙。白光从荧光粉涂层(基本平坦)射出，该涂层名义上具有相同正方形区域(但不连续)。
此外，可从新泽西州巴灵顿的艾德蒙德科技公司(EdmundScientific Co.，Barrington，New Jersey)获得由S-LAH79玻璃(折射率2.003)制成的直径为5mm的球透镜。球透镜被截平，然后通过精加工在截平区域形成半径为2.76mm的内腔。之后向内腔填充未固化(液体)诺蓝光学粘合剂(Norland Optical Adhesive 81(NOA81))，将所得结构置于LED基座上，使得LED晶粒、荧光粉涂层和引线键合位于内腔中，以及截平球透镜的外周边(参见图6中的结构46c)与LED基座的基底相接触。然后将所得结构暴露在紫外线中，紫外线用于固化(以及凝固)液体粘合剂，将外透镜与基底以及LED晶粒粘结。所得光源具有LED发光体(位于LED晶粒表面上的荧光粉薄涂层)以及复式封壳透镜，该封壳透镜具有基本上为平凸的内透镜(由固化的紫外线粘合剂组成)以及由折射率更高的光学玻璃组成的凹凸外透镜。光源也具有以下属性及特征：
n0＝1
n1＝1.53
n2＝2.003
R1＝2.76mm
R2＝2.5mm
弛度1＝1.1mm
弛度2＝3.4mm
弛度2/R2＝1.36
r1＝2.19mm
r2＝2.35mm
h＝0.77
h/R2＝0.31
h2＝2.58
h2/R2＝1
光源射出角范围θS＝0至大约90度
外表面46b上的表面角范围θ2＝0至大约30度
复式封壳透镜的放大倍数：3.35
除非另外指明，否则本说明书和权利要求中用来表达数量、特性量度等的所有数字应当理解为在所有情况下均由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的指示，否则说明书和权利要求中列出的数值参数均为近似值，并且根据本领域内的技术人员利用本发明的教导内容所希望获得的所需特性而有所不同。在最低程度上，并且不是旨在将等同原则学说的应用限制于权利要求的范围，至少应按照所报告有效数字的数和通过采用常舍入法来解释每一个数字参数。虽然阐述本发明广义范围的数值范围和参数是近似值，但是本说明依然尽可能精确地报告在具体实施例中所列出的数值。然而，任何数值固有地包含一定的误差，这些误差必然地由各自测试量度中所存在的标准偏差引起。
上述具体实施方式为示例性的，并且并非旨在限制本发明的范围。本文所公开的实施例可能存在变化和修改形式，本领域的普通技术人员研究本专利文档后应该能够理解实施例中多种元件的实际替代物和等同物。在不脱离本发明范围和精神的前提下，可以对本文所公开的实施例应用这些以及其它的变化和修改形式。
就这一点而言，发光二极管或“LED”涉及发光的二极管，无论是可见光、紫外光或红外光。它包括作为“LED”(不论是常规型还是超亮型)销售的各种不同的盒装或封装半导体器件。如果LED发出不可见光(如紫外光)，以及在一些发出可见光的情况中，可以将它封装成包括荧光粉(或者它可以照亮设置在远处的荧光粉)，以使短波长的光转换为较长波长的光，在某些情况下，还可以得到发射白光的器件。“LED晶粒”是LED最基本的形态，即经半导体加工方法制成的单个元件或芯片的形态。例如，LED晶粒通常是由一种或多种III族元素和一种或多种V族元素的组合形成(III-V半导体)。合适的III-V半导体材料的实例包括氮化物(如氮化镓)和磷化物(如磷化镓铟)。还可以使用其它类型的III-V材料，例如可以使用元素周期表其它族的无机材料。部件或芯片可包括电触点，这些触点适用于向器件提供电压的电能应用。实例包括引线接合、卷带自动结合(TAB)或芯片倒装焊接。该元件或芯片的各个层和其它功能元件通常以晶片规模形成，并且随后可将加工好的晶片切成单个元件，以生产多个LED晶粒。可将LED晶粒构造成表面贴装、板上芯片贴装，或采用其它已知的贴装构型。一些封装LED通过形成在LED晶粒和关联反射杯上形成的聚合物封壳制成。该LED晶粒具有准朗伯曲线发射图形，而且LED晶粒内产生的大部分光由于晶粒表面处的全内反射而被截留，或者从LED晶粒正上方的聚合物封壳发出。
现在参见图6，可以看到图中光源40包括LED发光体42以及至少部分围绕发光体的封壳43。图7描述了完全相同的光源40，但标识出了未在图6中显示的附加参数，以便于参阅。LED发光体42可以是LED晶粒或LED晶粒阵列的发光表面，或者是(例如)涂覆于表面的较薄磷光粉层，或换句话讲，是由这种LED晶粒激发的磷光粉层。优选地，发光体42基本位于平面中，在图6-7中该平面相当于笛卡尔xyz坐标系的x-y平面，但是也可采用其它布置方式。发光体42是广角度光源，而且尽管某些光可能会由于全内反射而截留在发光体42中，但射入内透镜44的光通常分布在整个半球立体角上，该立体角度与范围为0到大约90度的光源角度θS(相对于发光体局部曲面法线测量该角度，该法线对应于图6-7中的z轴)相对应。
封壳43至少由两个截然不同的元件形成，因此可以将它表征为复式封壳。具体地讲，封壳43具有内透镜44以及外透镜46，每个透镜的表面都经过定制，以会聚从发光体42发出的光。优选地，内透镜44的内表面与发光体42紧密接触，并且内透镜44的外表面44a与外透镜46的内表面46a紧密接触或基本上配合。从而发光体42基本上被浸没在内透镜44的材料中。外透镜46具有弯曲外表面46b，该表面暴露在折射率为n0的介质中，该介质通常是但不一定是空气。优选地，内部以及外透镜44、46基本上在光源的光轴48周围旋转对称，同样优选地，发光体42以光轴48为中心。对于光源40，光轴48与笛卡尔坐标系的z轴平行。
内透镜及外透镜各自的折射率n1以及n2，在以下方面并非常规，即与上面引用的李(Lee)等人的教导内容不同，从相对较高的LED发光体42的折射率到相对较低的周围介质的折射率n0着手处理时，这两个折射率不会逐渐减小。相反，外透镜的折射率n2基本大于内透镜的折射率n1。在这点上，在适当波长处测量或评价折射率，例如LED发光体42的峰值输出波长处，不论是红光、绿光、蓝光还是其它可见的色光。优选地，折射率上的差值为足够大，从而在内透镜及外透镜之间形成界面(即表面44a或46a)，该界面具有足够的光学功率使得以掠射角从发光体42发出的光以较小的表面角从外透镜射出，下文将进一步对此进行讨论。另一方面优选的是，差值不是很大，以避免使外表面46b的菲涅耳折射率变得无法接受。因此，n1/n2的比率优选地小于0.8，更为优选地在范围0.7到0.8内。
在示例实施例中，内透镜44由透光性液体、凝胶或其它非固体材料组成。可将该材料容纳或密封在外透镜46的内表面46a和基底50(LED发光体42安装在该基底上)之间的空间内，并且外透镜46也与基底的周边附接。基底50可以是或包括基本平坦的陶瓷块、金属块或其它合适的材料，并且也可以包括其它元件，例如金属触点、销以及其它常规结构。在某些情况下，光源40可以包括一个或多个把LED发光体连接到一个或多个金属触点或销的引线键合52。如果内透镜由液体或凝胶组成，则可以使该引线键合上由热引起的应力最小。在可供选择的实施例中，内透镜最初可由液态的能用紫外线固化的粘合剂或树脂(例如可得自新泽西州新布伦兹维克的诺蓝公司(NorlandProducts，New Brunswick，New Jersey)的粘合剂或树脂)组成，然后通过应用紫外线或其它短波辐射把它固化或换句话讲硬化为固体。在固化之后，该树脂可发挥作用，将外透镜46固定就位并将其与基底50以及发光体42粘结。一种示例的可用紫外线固化的粘合剂为诺蓝光学粘合剂81(NOA81)(Norland Optical Adhesive 81(NOA81))。无论是由液体、凝胶、树脂或其它非固体或固体透光性材料组成，尽管可以采用其它值，内透镜的折射率n1通常在1.4到1.6的范围之内，常常为约1.5。
在示例性实施例中，外透镜46由具有相对高折射率的玻璃或其它适用的光学材料组成。透镜的折射率n2通常至少为1.8，优选地在大约1.9到2.1的范围内或大约为2。示例材料包括兰宝石(折射率1.77)、LASFN9光学玻璃(折射率1.85)以及S-LAH79光学玻璃(折射率2.003)。外透镜46可铸造或模制为图6所示形状，或者为球形或球体，然后经过加工形成内表面46a以及优选地接触基底50的周边46c。
从光学角度来看，由于折射率差异以及曲面形状，内透镜44会聚来自发光体42的光，形成发光体的第一虚像VI1，而外透镜46进一步会聚光，形成第二虚像VI2。第一虚像位于LED发光体42和第二虚像之间。优选地，透镜44、46相结合，将LED发光体42放大3到4倍，更为优选的是放大3.5到4倍。参见图7，LED发光体42、第一虚像VI1以及第二虚像VI2的最大面内尺寸(即在平行于x-y平面的平面中测量的最大横向尺寸)分别为标记的尺寸h、h1和h2的两倍。因此，h2/h的值优选地在3到4的范围内。此外，最终虚像(VI2)的最大面内尺寸(所述尺寸为2h2)优选地接近外透镜46的最大面内尺寸。如果外表面46b可以清楚地以中心点为C2的曲率半径R2来表征，这意味着2h2接近2R2，例如R2≤2h2≤4R2。
表面44a、46a、46b可以是球形或非球形，但是出于经济性考虑，它们优选地基本为球形，由第一曲率半径R1和中心点C1(对于表面44a、46a)以及第二曲率半径R2和中心点C2(对于表面46b)表征。如果封壳是对称的，则中心点C1和C2位于光轴48上。其它在图7中显示的所关注的参数包括：从LED发光体42的顶部或前表面到表面44a/46a顶端的轴向距离，标记为弛度1；从虚像VI1的顶部或前表面到外表面46b的顶端的轴向距离，标记为弛度2；引线键合52相对于LED发光体的顶部或前表面的最大高度，标记为H1；内透镜44在LED发光体平面中的最大面内半宽度或半口径，标记为r1；以及外透镜46在LED发光体平面中的最大面内半宽度或半口径，标记为r2。为了使光源40的总体尺寸或体积最小化，优选地使r2大约等于或仅稍大于r1。
另外，在许多情况下，使内透镜44的体积最小化也是可取的，例如通过谨慎选择R1和弛度1的大小来实现这一点，其中R1＞弛度1。当内透镜由液体或凝胶材料甚至是未固化(液体)紫外线粘合剂材料组成时，使内透镜44的体积最小化有助于减少出现在透镜之内或内外透镜之间的气泡或空隙，这些气泡或空隙会有害地散射光并降低图像质量。如果没有引线键合52，该选择会迫使r1(内透镜的半口径(面内))大约等于h(发光体42的最大半宽度)。如果存在引线键合52(如最大高度H1所示)，则最小体积的形状一般来讲会有所不同，以便同时涵盖LED发光体42和引线键合52。在某些情况下，采用该解决方案会得到表面44a(以及46a)，对于该表面，弛度1≈2H1。
可以选择R1和弛度1，而不使内透镜44的体积最小化，以优化光源40的光学特性。例如，可以选择R1和弛度1，以便最大程度地放大封壳43。
在一些情况下，还期望使光源光学系统中球差和/或彗差的量最小或至少控制这个量。通过在光轴48和LED发光体42的相交处定位C1，可以使表面44a、46a消球差(即几乎或完全没有球差或彗差)，从而使得弛度1≈R1，但是这样做通常与最小化内透镜44的体积是不相容的，并且还会降低或丧失表面44a、46a的会聚能力。因此，控制球差和彗差的更为可取的方法是将外表面46b设计为消球差。对于同轴点，可以通过如下设置第一虚像VI1(用作外透镜的“物像”)和外表面46b顶点之间的距离实现这一点：
弛度2≈R2*((n0+n2)/n2) (1)
在n2大约为2并且n0为1(空气)时，该式可以简化为
弛度2≈1.5*R2 (2)
请注意上述最小体积以及消球差条件可以作为起点，由此可深入优化，例如使用常规光学设计软件进行优化。例如，可以根据上述公式(1)设计外表面46b，然后进行优化以最小化虚像VI1边缘上或边缘附近的偏轴远点的球差和/或彗差。
结合图6-7讨论的设计有一个意想不到的有益效果，即能够降低整体菲涅耳表面反射，尤其是降低外透镜外表面46b上的菲涅耳表面反射。就这一点而言，“整体菲涅耳表面反射”指对于LED发光体42在几乎整个角范围(0≤θS≤90)发射的光，并且同时对于指定界面上给定点处入射光的s和p偏振成分，在外表面46b上所发生的所有菲涅耳表面反射的总数或平均数。在一种极端情况下，轴向光线以方向θS＝0(沿着光轴48)从发光体42的中心部分无偏转地(但是有部分被反射)通过表面44a、46a，然后以0度的内表面角(相对于局部表面法线在外透镜介质n2中测量)在外表面46b上射入，再以0度的外表面角θ2(相对于同一局部表面法线在介质n0中测量)显现。对于该轴向光线，界面上的菲涅耳反射率基本上为((n2-n0)/(n2+n0))2，当n0≈1并且n2≈2时，相当于约11％反射率。在另一种极端情况下，以掠射角θS≈90度从LED发光体42射入内透镜44的掠射光被部分反射，但是也会在曲面44a、46a偏转，这取决于该表面的曲率R1以及定位(弛度1)。之后，经过偏转的光于外表面46b上在周边46c附近的点射入，然后以最大外表面角(θ2＝θ2MAX)从那里显现。注意，在最大表面角θ2MAX情况下，为局部s和p偏振成分而平均的菲涅耳反射率明显高于垂直入射角度(θ2＝0)情况下的菲涅耳反射率。如果在设计透镜44、46时没有仔细考虑，θ2MAX可能为或接近90度，并且大量由LED发光体42发出的光会因外表面46b上的菲涅耳反射而丢失。
幸运的是，通过使用外透镜折射率比内透镜折射率大很多(并且其中外透镜和内透镜在适当曲面处相接)的外透镜/内透镜组合，就可以大大减小外表面46b处的最大表面角θ2MAX，优选地减小到45、40、35或30度或更小，同时仍然维持高放大倍率成像系统。采用这种封壳出射光采用受限表面角范围的情况下，通过在外透镜的外表面上提供四分之一光波或其它适用的抗反射涂层，还有机会有效地更进一步降低整体表面反射或菲涅耳反射。该涂层基本上可在整个受限表面角范围(0到30度或0到45度)内有效，但是在范围大得多的表面角范围(例如0到大约90度)内效果会差一些。要注意的是，如果n2为大约2并且n0为大约1(空气)，则最佳单层四分之一光波抗反射涂层的折射率为√(n2*n0)，即√2或大约1.4，该折射率与氟化镁的折射率有利地相符，氟化镁是一种尤其坚固并且经过证明的光学涂层材料。
与减小外透镜46外表面46b表面角范围相关的优点是，外表面46b有源部分的球形折射得到减小。这就是说外表面46b的有源部分(即从LED发光体发出的光在其上以整个半球立体角(0≤θS≤90度)射出外表面46b的部分)可以是完整球体的较小部分，或者可以对向更小的立体角度。事实上，外表面46b的有源部分基本上为半球状(而非超球面)或小于半球(对向2π或更小球面度的立体角度)比较实用。
现在参见图8，可以看到包含在半径为r1的圆形边界中的示例LED发光体60的平面图，该圆形边界相当于内透镜44的外表面44a与LED发光体的平面的相交处。LED发光体是伸展但并不连续的，由方形LED晶粒62组成的4x3阵列构成，这些LED晶粒之间具有小间隙，形成大致为矩形的形状，该矩形的最大面内尺寸为2h(矩形相对角之间的距离)。发光体60以光轴48为中心。
在给定发光体60尺寸的情况下，如果需要最小化光源的整体体积或尺寸，可以减小内透镜和外透镜的尺寸，至少最小化r1、r2以及R2(请参见图7)。然而，由于光源的延伸性质以及渐晕问题，过小的透镜会导致虚像VI2或任何通过虚像形成的实像在整个图像上具有不可接受的与渐晕相关的亮度变化，亮度在光源中心(最靠近光轴)最高，在光源的边缘或角落(离光轴最远处)减小至最低。加大透镜尺寸可缓解渐晕问题，但也会加大光学系统的尺寸和重量。如果使用球透镜，使球直径保持≤5mm以及更为优选地≤4mm，实际上可以使之更易于从现有透镜制造商处获得，并且价格通常更为低廉。
图9示出简单但具有代表性的光学系统的建模结果，该系统用于标识光源与透镜的优选比率，以便采用透镜尺寸平衡渐晕，使用尽可能小的透镜保持小的渐晕损耗。模型假定平坦光源的厚度为零并且最大面内尺寸2h以光轴为中心，光源位于半球形平凸的(半径为R并且折射率为1.533)中，并且透镜也以光轴为中心并由空气围绕。模型从光源的所有区域从所有方向发出光，并且计算按照与光源的几何或近轴(虚拟)图像相对应的方向射出透镜的光百分比。该计算得出的百分比在图9中称为“规一化透射”。该建模是为离散值h/R以及两种典型光源形状而构建的，这两种光源形状为：半径为h的圆形，以及正方形(从正方形的中心到其任意角的距离均为h)。这两种光源的最大面内尺寸均为2h。以曲线70示出圆形光源的规一化透射，并以曲线72示出正方形光源的规一化透射。曲线证实，在相对于R可以忽略h时(h/R接近0)，圆形光源以及正方形光源的规一化透射均接近1。曲线还示出，在h大小接近R时(h/R接近1)，规一化透射会单调减小。有趣的是，相对于曲线70(圆形光源)，曲线72(正方形光源)的向下变化证实了这样一个事实，即图像退化主要在光源的最外边缘或边角处发生。如果将最小许可规一化透射选择为0.9(与渐晕相关的损耗为10％)，则根据图9，应选择的h/R的值为大约0.4或更小。为了使透镜尺寸R保持相对紧凑，我们为h/R的值选择大约为0.2或0.3的下限。因此，在诸如图6-7的系统中，我们优先选择(并非必须)h/R2的值不超过0.4，优选地在0.3至0.4的范围内。
本发明所公开的紧凑光源可用于多种光学系统中，图10中显示了其中一种光学系统。在图10中，微型准直系统80包括上述光源40，以及外部准直透镜82以及可选的反射式偏振器84。出于紧凑性考虑，将透镜82绘制为分段或分区菲涅耳透镜，但是如果需要也可使用任何传统的块状光学透镜或其它已知透镜。为了实现准直，透镜82的焦距和位置按照这种方式进行选择，使得由外透镜46形成的最终虚像IM2位于透镜82的后焦点上。注意，由于LED发光体42的延伸性，准直的光出射透镜82实际上将具有非零的角展度。
准直系统80也包括可选的反射式偏振器84。根据需要，偏振器可用于提供线性、圆形或椭圆形的偏振光。尽管吸收式偏振器也可用于该目的，但是如果光源40中存在一种结构或机构将至少一部分受阻的偏振状态转换为垂直的“通过”状态，反射式偏振器(优选的是，其中的“受阻”偏振状态会以镜面方式反射，而不会被吸收或散射)能够提供增加的效率。事实上，下面实例中描述的光源结合了准直透镜以及美国专利5,882,774(约查(Jonza)等人)中描述的共挤出多层反射式偏振器类型，该反射式偏振器在偏振器的两侧均施加有抗反射涂层，并观测到增加的偏振光输出超过10％(相对于采用吸收式偏振器的类似系统，而非反射式偏振器)。在美国专利6,916,440(杰克逊(Jackson)等人)、6,939,499(梅里尔(Merrill)等人)、6,949,212(梅里尔(Merrill)等人)以及6,936,209(杰克逊(Jackson)等人)中公开了制作共挤出多层偏振膜的示例性方法。其它示例性反射式偏振器包括VikuitiTM双层增亮薄膜(DBEF)，可得自明尼苏达州圣保罗市的3M公司(3M Company，St.Paul，Minnesota)。还可以想到使用胆甾型偏振器。如上所述，可以在偏振器的一个或两个表面上使用抗反射涂层，以最小化由于菲涅耳表面反射而引起的损耗。作为另外一种选择，可以将偏振器层合到另一个光学元件(例如透镜或板)的光滑、优选为平坦的表面上，或者将它层合在两个侧面上，并夹在两个该类光学元件之间。
本发明所公开的紧凑光源也可用于投影系统，例如采用了硅基液晶(LCOS)面板或其它像素化面板的投影系统。在共同转让的美国专利申请11/322801中公开了一种示例性投影系统，该专利申请的标题为“带光束均匀器的投影系统(Projection System With BeamHomogenizer)”(律师案卷号61338US002)。
实例
对类似结合图6-7所述光源进行加工以及测试。光源采用市售LuxeonTM LED白光发光体(型号LXHL-PW01)构建而成，该发光体可得自加利福利亚州圣何塞市的卢米雷兹照明公司(Lumileds Lighting，SanJose，California)。在不损坏四颗LED晶粒、晶粒前表面上的荧光粉薄涂层、安装有晶粒的基底或引线键合的情况下，将随发光体一起提供的封壳透镜移除。这些剩余的元件将保持不变，并在本文中称为“LED基座”。四颗LED晶粒在形状上呈矩形，但彼此相邻安装，以便在平面图中名义上形成正方形，正方形边长为1.1mm，但是在每对相邻的晶粒之间都存在细小间隙。白光从荧光粉涂层(基本平坦)射出，该涂层名义上具有相同正方形区域(但不连续)。
此外，可从新泽西州巴灵顿的艾德蒙德科技公司(EdmundScientific Co.，Barrington，New Jersey)获得由S-LAH79玻璃(折射率2.003)制成的直径为5mm的球透镜。球透镜被截平，然后通过精加工在截平区域形成半径为2.76mm的内腔。之后向内腔填充未固化(液体)诺蓝光学粘合剂(Norland Optical Adhesive 81(NOA81))，将所得结构置于LED基座上，使得LED晶粒、荧光粉涂层和引线键合位于内腔中，以及截平球透镜的外周边(参见图6中的结构46c)与LED基座的基底相接触。然后将所得结构暴露在紫外线中，紫外线用于固化(以及凝固)液体粘合剂，将外透镜与基底以及LED晶粒粘结。所得光源具有LED发光体(位于LED晶粒表面上的荧光粉薄涂层)以及复式封壳透镜，该封壳透镜具有基本上为平凸的内透镜(由固化的紫外线粘合剂组成)以及由折射率更高的光学玻璃组成的凹凸外透镜。光源也具有以下属性及特征：
n0＝1
n1＝1.53
n2＝2.003
R1＝2.76mm
R2＝2.5mm
弛度1＝1.1mm
弛度2＝3.4mm
弛度2/R2＝1.36
r1＝2.19mm
r2＝2.35mm
h＝0.77
h/R2＝0.31
h2＝2.58
h2/R2＝1
光源射出角范围θS＝0至大约90度
外表面46b上的表面角范围θ2＝0至大约30度
复式封壳透镜的放大倍数：3.35
除非另外指明，否则本说明书和权利要求中用来表达数量、特性量度等的所有数字应当理解为在所有情况下均由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的指示，否则说明书和权利要求中列出的数值参数均为近似值，并且根据本领域内的技术人员利用本发明的教导内容所希望获得的所需特性而有所不同。在最低程度上，并且不是旨在将等同原则学说的应用限制于权利要求的范围，至少应按照所报告有效数字的数和通过采用常舍入法来解释每一个数字参数。虽然阐述本发明广义范围的数值范围和参数是近似值，但是本说明依然尽可能精确地报告在具体实施例中所列出的数值。然而，任何数值固有地包含一定的误差，这些误差必然地由各自测试量度中所存在的标准偏差引起。
上述具体实施方式为示例性的，并且并非旨在限制本发明的范围。本文所公开的实施例可能存在变化和修改形式，本领域的普通技术人员研究本专利文档后应该能够理解实施例中多种元件的实际替代物和等同物。在不脱离本发明范围和精神的前提下，可以对本文所公开的实施例应用这些以及其它的变化和修改形式。