圓弧形照明設備的製作方法

2023-07-07 09:32:31

專利名稱：圓弧形照明設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及包括光源和被設置成對光準直的波導的圓弧形(round)照明設備，其 中波導包括第一波導表面、第二波導表面、波導入射窗口以及波導邊緣窗口。
背景技術：
相對平坦的和圓弧形的光源在本領域中是已知的並且例如記載於US702M82和 US7181378。US702M82例如描述了一種光導部件和照明設備，其能夠高效且均勻地將照明光 輻射到僅僅需要照明的區域。因此，反射面由以同心圓形狀展寬的諸如大量凹槽之類的反 射條紋形成。來自光源單元的光通過諸如反射稜鏡之類的漫射部分朝該整個反射面展寬， 而沒有不規則性。因此，可以沒有不規則性地僅僅照明實際需要照明的範圍，並且提高了使 用前燈的照明範圍的可見性。US7181378描述了將輸入輻射的第一分布轉變成輸出輻射的第二分布的設備和制 造這樣的設備的方法。在一些實施例中，可以通過以下方式限定該設備產生三個有效光學 表面的二維表示，包括分別基於第一、第二和第三廣義笛卡爾卵形線計算第一表面、進入表 面和第二表面的片斷並且連續地重複計算第一和第二表面的片斷，以及圍繞中心軸旋轉地 掃掠所述二維表示，提供三維表示。在一些實施例中，第一和/或第二表面的一部分可以是 全內反射(TIR)的。該文獻特別描述了包括接收光的主體的摺疊光學設備，該主體包括第 一、第二和第三表面；第三表面限定腔體，並且第三表面的至少一部分是折射的；第二表面 大體徑向地遠離腔體延伸，並且第二表面包括反射區；第一表面的至少第一部分提供內反 射摺疊，並且第一表面的至少第二部分提供主體與主體外部之間的折射過渡。此外，W02008047278描述了一種包括光引導層和多個LED的照明器，所述LED容 納於設置在光引導層內的至少一個孔中，以用於將光發射到光引導層中。光引導層還包括 至少一個外耦合結構以用於將光耦合出光引導層。

發明內容
圓形光導可以具有以下優點沿方位方向的準直可以通過相對於源(或者光內耦 合區)的半徑增大光外耦合區的半徑而相對簡單地改善。然而，對於良好控制的光束而言， 也需要對徑向方向準直。在平坦的透明燈中，徑向準直可以通過LED上的準直光學器件來完成(例如，側面 發射器封裝具有在光導平面內達到峰值的光分布)。對於需要高度準直的光束的應用(例 如聚光燈)而言，方位方向上的準直可以通過擴大光導半徑來改善。然而，徑向方向上的改 善的準直需要LED上更大的準直光學器件，這導致更厚的系統。這惡化了系統的超薄外觀。 特別地，需要對於所述兩個準直方向的控制以便控制光分布尾部的光束截止。該光束截止 是遵照有關普通照明設備的眩光的歐洲規範所必需的。因此，平坦的圓形光導事實上可以簡單地通過增大光導的半徑來允許沿著方位方向的不受限制的準直。然而，為了產生準直良好的光束，也必須控制徑向方向。對於高度準 直的光束而言，如果使用的話，這將導致準直LED光學器件的不希望的厚度增加。因此，希望提供一種基於光導的可替換的平坦圓形照明設備，並且進一步改善這 樣的平坦圓形光導的光束形狀。因此，本發明的一個方面是提供一種可替換的照明設備，其優選地進一步消除上 述缺陷中的一個或多個，並且其優選地提供準直光束。依照第一方面，本發明提供了一種被設置成提供照明設備光的基本上圓弧形的照 明設備，該照明設備包括被設置成徑向地產生光源光的光源和可選的光學器件以及被設置 成對徑向產生的光準直的基本上圓弧形的且優選地基本上平面的波導，其中該波導包括第 一波導表面、第二波導表面、基本上圓弧形的波導入射窗口、基本上圓弧形的波導邊緣窗口 以及中心軸，其中-第一波導表面或第二波導表面或者第一波導表面和第二波導表面二者優選地還 包括多個伸長結構，每個伸長結構具有基本上與垂直於中心軸的半徑平行的伸長軸，並且-波導入射窗口至少部分地環繞(enclose)光源並且被設置成接收來自光源的徑 向產生的光源光。在一個實施例中，波導入射窗口被設置成基本上垂直於第一波導表面和第二波導 表面並且基本上平行於中心軸。在又一個實施例中，第一波導表面和第二波導表面被設置 成基本上平行。因此，它們形成基本上平面的波導。在這裡，特別地相對於基本上圓弧形的 且基本上平面的波導描述本發明。這樣的波導是基本上圓弧形的(參見本文限定的基本上 圓弧形的入射窗口以及基本上圓弧形的波導邊緣)且基本上平面的(參見本文限定的基本 上平行設置的第一和第二波導表面)。為了簡潔起見，所述基本上圓弧形的且基本上平面的波導在這裡也表示為「平面 波導」或者簡稱為「波導」。為了簡潔起見，措詞「圓弧形的」用作「基本上圓弧形的」的簡 稱，並且措詞「平面的」用作「基本上平面的，，的簡稱。類似地，措詞「照明設備，，或「設備，， 在這裡用於基本上圓弧形的照明設備。此外，為了簡潔起見，措辭「基本上圓弧形的波導入 射窗口」和「基本上圓弧形的波導邊緣窗口，，在這裡分別表示為「入射窗口，，或「波導入射 窗口」以及「邊緣窗口」或「波導邊緣窗口」。在這裡，本領域技術人員應當清楚的是，像「垂 直」、「平行」、「平面的」和「平坦的」那樣的措詞尤其涉及具有基本上垂直、基本上平行、基本 上平面的和基本上平坦的特徵的實施例。在另一實施例中，波導邊緣窗口被設置成提供照明設備光。在另一個實施例中，邊 緣窗口被設置成將光源光反射到照明設備的外部，從而提供照明設備光。邊緣窗口也可以 表示為外耦合結構，其被設置成或者經由透射通過邊緣窗口「直接地」或者經由反射以及隨 後的透射(尤其是通過第一或第二波導表面之一)「間接地」向外耦合光。看起來令人驚奇的是，這種設備可以提供具有有利的光束形狀的光束，其可以是 良好準直的。不受限於任何理論，依照一個優選的實施例，看起來通過沿著其中光源光傳播的 徑向方向在光導的第一和/或第二波導表面(也表示為頂部表面和/或底部表面)上施加 伸長結構(在這裡也表示為「凹槽」)，準直被改善。看起來通過從這些凹槽反射，光源光線 的方位方向與垂直於光導的方向混合。當光在徑向方向上傳播時，只有方位方向被準直。這4兩個方向的混合確保了這兩個方向的光源光都被準直。因此，在不改變其他光學部件的情 況下，尤其是在不增大系統的厚度的情況下，這兩個方向上的光束準直將隨著半徑的增大 而改善。措辭「基本上圓弧形」指的是圓形(例如圓形形狀的(平面)波導)、橢圓形(例 如橢圓形形狀的(平面)波導)，但是也指圓形扇區(例如具有圓形扇區(「楔形蛋糕」)形 狀的平面波導)和橢圓形扇區(例如具有橢圓形扇區形狀的(平面)波導)。在橢圓形波導的情況下，橢圓形的中心，即為連接兩個焦點的線段的中點(或者 長軸和短軸的交點)的橢圓形內部的點在中心軸上。此外，措辭「基本上圓弧形」也可以指具有成角度的邊緣的結構，例如具有帶有6 個角和6條邊的邊緣的六邊形波導，以及更高階多邊形形狀，例如八邊形波導(8個角/8條 邊)等等。在這裡，它尤其指正凸多邊形(等角(所有角度全等)且等邊(所有邊具有相 同長度)並且其為凸的多邊形)，例如具有正六邊形、八邊形、十邊形等等的形狀的波導。當 使用具有多邊形形狀的基本上圓弧形的結構時，例如具有多邊形形狀的波導，邊(或角或 頂點)的數量η至少為6，更優選地至少為10，甚至更優選地至少為大約M。因此，在一個 特定實施例中，尤其是對於基本上圓形或者基本上橢圓形的形狀而言，所述照明設備具有 多邊形形狀，其中邊的數量η優選地至少為6。使用六邊形(即η = 6)的優點在於，它們可 以用來無間隙地覆蓋平面區域。因此，照明面源可以通過組合若干六邊形形狀的子系統來 構造。在一個優選的實施例中，所述照明設備具有圓形形狀。在另一個實施例中，該照明 設備具有橢圓形形狀。在一個實施例中，光源包括多個LED (發光二極體)。特別地，在一個實施例中，光 源包括多個LED，這些LED設置成基本上圓弧形的配置，從而使得光源能夠徑向地產生光源 光。例如，這些LED可以設置成圓形並且從而形成產生徑向光源光(即徑向方向的光)的 圓形光源。在一個實施例中，所述多個LED可以包括相同發射顏色的LED，但是也可以包括 不同發射顏色的LED (例如黃色和藍色LED，或者紅色、綠色和藍色LED等等)。在一個實施例中，一個LED或多個LED也可以被發光材料包圍，所述發光材料被設 置成吸收LED發射的至少一部分並且發射另一波長的發光材料光。例如，光源可以包括至 少部分地被包含發光材料的窗口環繞的一個藍色LED或多個藍色LED，所述發光材料被設 置成吸收並且轉換藍色發射的至少一部分，例如YAG:Ce和類似化合物。在一個實施例中， 光源包括多個LED，並且入射窗口包括被設置成吸收且轉換LED發射的至少一部分的發光 材料(例如藍色LED以及YAG:Ce和類似化合物)。其他發光材料或者發光材料的組合是本 領域技術人員已知的。來自所述照明設備的照明設備光可以是白色的，但也可以是彩色的。 可選地，在一個實施例中，照明的顏色是可變的且可控的。所述光源也可以包括不同於LED的光源，例如緊湊型螢光燈、滷素燈或者雷射二極體等等。在一個實施例中，光源腔體由一個或兩個蓋(cap)封閉，所述蓋選自包括漫射器 蓋和反射器蓋的組。漫射器蓋可以改善腔體的光混合質量，即腔體內各光源的貢獻較不易 區分。這可能在使用不同顏色的LED時是特別重要的。在沒有漫射器的情況下，不希望的 顏色效應可能對於注視燈的任何人都可見，但是也在光束本身中(照明區域的顏色變化、彩色陰影)。漫射器蓋和/或反射器蓋促進光源光向內耦合到波導中。漫射器蓋和/或反 射器蓋不僅可以覆蓋光源腔體，而且可以覆蓋波導表面的至少一部分，從而促進邊緣窗口 處或者靠近邊緣窗口的光的向外耦合。所述一個或兩個腔體蓋可以被認為是(優選的)可 選的光學器件。波導入射窗口具有相對於中心軸的入射窗口半徑，並且波導邊緣窗口具有相對於 中心軸的邊緣窗口半徑。特別地，邊緣窗口半徑和入射窗口半徑的比值等於或大於大約 1.5(即(邊緣窗口半徑)/(入射窗口半徑)彡大約1.5，優選地彡大約2，甚至更優選地彡 大約4)，並且通常不大於大約150。這可能依賴於所需的光束準直。寬束向下照明應用可 能需要小的比值，而聚光應用可能需要大的比值。對於每個窄束0X6°束寬或更小)，100 的比值並非不可想像。所述照明設備的波導可以基本上包括兩個反射板，其中入射窗口和/或邊緣窗口 可以包括實心透明材料或者可替換地可以是開放的。因此，在一個實施例中，照明設備的波 導可以基本上包括其間具有空氣的兩個反射板(為了簡潔起見，也表示為「開放波導」)。然而，在一個優選的實施例中，波導包括實心透明波導，尤其是平面實心透明波導 (例如板)。該實心透明波導可以包含選自包括PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)、PE(聚乙 烯)、PP(聚丙烯)、PC(聚碳酸酯)、P(M)MA(聚(甲基)丙烯酸甲酯)、PEN(聚萘二甲酸乙 二醇酯)、PDMS (聚二甲基矽氧烷)和COC (環烯烴共聚物)的組。PMMA例如給出良好的結 果。然而，在另一個實施例中，透射窗口包括無機材料。優選的無機材料選自包括玻璃、(熔 融)石英、陶瓷和矽樹脂的組。當波導包括實心透明材料時，由於全內反射(TIR)，第一和/或第二波導表面不必 包含反射材料，因為根據定義它們因IlR而是反射的。然而，當波導基本上包括其間具有空 氣的兩個反射板(入射窗口和/或邊緣窗口可選地包含實心透明材料)時，第一和第二波 導表面優選地包括反射器。當波導包含實心透明材料並且邊緣窗口傾斜時，邊緣窗口特別地被設置成將光源 光反射到照明設備的外部，從而提供照明設備光。在這樣的實施例中，邊緣窗口可選地還可 以包括反射器或漫射器。在這種實施例中，光源光的外耦合可以經由第一或第二波導表面 發生。在一個實施例中，所述伸長結構具有ν形剖面。在另一個實施例中，這些伸長結構 具有彎曲的剖面，例如正弦狀形狀。本領域技術人員應當清楚的是，也可以應用不同形狀的 伸長結構的組合。優選地，第一波導表面和第二波導表面包括這些伸長結構。由於照明設 備的性質，這些伸長結構具有優選地基本上與垂直於中心軸的半徑平行並且(因而)也基 本上與光源的光線(或半徑)平行的伸長軸。優選地，伸長結構總數的一部分(例如伸長 結構總數的10-100%，特別地20-100% )具有波導徑向長度的大約50-100%的範圍內的長 度(即分別第一波導表面和/或第二波導表面的邊緣窗口半徑與入射窗口半徑之間的長度 差)。伸長結構可以具有恆定的寬度和/或高度，或者該寬度和/或高度可以在波導半徑上 彼此獨立地變化。通過這種方式，第一波導表面和/或第二波導表面的整個表面可以包括 伸長結構，但是它也可以被選擇成具有兩個鄰近伸長結構之間的中間空間。措辭「伸長結構 具有優選地基本上與半徑平行的伸長軸」表示這些伸長結構設置在基本上徑向方向上(相 對於中心軸)。
如上所述，優選地平面的波導可以包括圓形或者橢圓形，優選地包括圓形，但是 在另一個實施例中也可以包括圓形或橢圓形的扇區。因此，在一個實施例中，波導在大約 2-360°範圍內的波導方位角上延伸，其中優選地波導每10°包括至少1個伸長結構，更優 選地至少2個。在一個實施例中，波導相對於垂直於中心軸的半徑、相對於中心軸在大約 20-180°的範圍內的波導方位角上延伸。在又一個實施例中，波導相對於垂直於中心軸的 半徑、相對於中心軸在大約180-360°的範圍內(例如270° )的波導方位角上延伸。在另 一個實施例中，波導相對於垂直於中心軸的半徑、相對於中心軸在360°的波導方位角上延 伸(即圓形(或橢圓形))。在一個實施例中，邊緣窗口具有相對於第一波導表面或第二波導表面的大約 85-105°範圍內的傾斜角。這也意味著第一波導表面的邊緣窗口半徑短於(或長於)第二 波導表面的邊緣窗口半徑(除了大約90°的角度以外)。特別地，邊緣窗口具有相對於第一 波導表面或第二波導表面的大約35-55°、尤其是大約40-50°範圍內、更特別地大約45° 的傾斜角。當邊緣窗口被設置成透射光源光並且將該光源光作為照明設備光向外耦合時， 大約85-105°範圍內的傾斜角是特別有用的。當邊緣窗口被設置成反射光源光並且經由第 一或第二波導表面將該光源光作為照明設備光向外耦合時，大約35-55°範圍內的傾斜角 是特別有用的。在前一實施例中，邊緣窗口還可以包括漫射器；在後一實施例中，邊緣窗口 優選地還可以包括反射器。假設邊緣窗口包括實心透明材料，那麼邊緣窗口可以是平坦的，但也可以是含刻 面的(facetted)。因此，在一個實施例中，波導包括含刻面的邊緣窗口。在另一個實施例中，邊緣窗口是彎曲的(即不僅在垂直於中心軸的平面內彎曲， 而且在平行於且包含中心軸的平面內也彎曲)。應當指出的是，措詞平坦的在這裡涉及邊緣 窗口在平行於且包含中心軸的平面內的邊緣(在垂直於中心軸的平面內，邊緣窗口是基本 上圓弧形的)。在這裡，措辭「彎曲邊緣窗口」以及類似的措辭涉及其傾斜角變化(在平行 於且包含中心軸的平面內)的邊緣窗口。措辭「在平行於且包含中心軸的平面內」涉及包 含中心軸且平行於該軸的虛擬平面。採用ζ為中心軸的xyz坐標系統，xz平面或yz平面 為平行於且包含中心軸的平面。在另一個特定實施例中，邊緣窗口具有V形剖面，即它具有相對於第一波導表面 的一定傾斜角並且具有相對於第二波導表面的另一傾斜角。這種實施例可以用來將光向外 耦合到照明設備的兩側，即向外耦合到遠離第一波導表面的側面以及遠離第二波導表面的 側面。在一個實施例中，波導可以包括多個(傾斜)邊緣窗口。這可以例如通過在波導中 提供附加的反射(傾斜)表面，例如通過在波導中引入(傾斜)狹縫來獲得。這樣的(傾 斜)狹縫也可以充當反射器(像傾斜邊緣窗口一樣)並且從而充當附加的邊緣窗口。各邊 緣窗口的傾斜角可以彼此無關。應當指出的是，傾斜角原則上對於同一個邊緣窗口也可以 變化(即在垂直於中心軸的平面內變化)。如上所述，傾斜邊緣窗口還可以包括反射器或漫 射器。在這裡，術語光導或波導可互換使用。

現在將僅通過實例參照示意性附圖描述本發明的實施例，其中示意性地描繪了非 限制性的基本上平面的波導，其中相應的附圖標記表示相應的部分，並且其中圖Ia-Ib以側視圖示意性地描繪了依照本發明的照明設備的實施例；圖以頂視圖示意性地描繪了依照本發明的照明設備的實施例；圖3a_3e示意性地描繪了依照本發明的照明設備的邊緣窗口的更詳細側視實施例；圖如-如示意性地描繪了波導的伸長結構；圖4f以透視圖示意性地描繪了依照本 發明的照明設備的實施例，並且圖4g示意性地描繪了依照本發明的照明設備的光源的實 施例；圖5描繪了具有不同半徑並且具有或者沒有所述伸長結構的照明設備實施例的 積分強度與極角(相對於中心軸)的函數關係；以及圖6a_6b示意性地描繪了依照本發明的照明設備的實施例的實例。
具體實施例方式圖Ia-Ib以側視圖示意性地描繪了依照本發明的照明設備的實施例。為了清楚起 見，在這些示意圖中沒有繪出所有細節(例如伸長結構)。在所述側視圖中，描繪了基本上圓弧形的照明設備1，其被設置成提供照明設備光 5 ( 「設備光」)。照明設備1包括被設置成徑向地產生光源光15的光源10以及在該實施例 中可選的光學器件30。可選的光學器件30可以例如是鏡或漫射器(或者鏡和漫射器)，其 在這裡表示為第一腔體蓋31和第二腔體蓋32。這些可選的光學器件特別地被設置成促進 將光源光15引導到波導中(參見下文)和/或在一個實施例中促進光的混合(如果可應 用的話)。照明設備1還包括被設置成對徑向產生的光源光15準直的基本上圓弧形的且基 本上平面的波導20。波導20包括第一波導表面21 (其在該示意圖中也可以表示為頂部波 導表面21)和第二波導表面0 (其在該示意圖中也可以表示為底部波導表面22)、基本上 圓弧形的波導入射窗口 23 ( 「入射窗口」)、基本上圓弧形的波導邊緣窗口 「邊緣窗口」) 以及中心軸100。尤其是在旋轉對稱設備(例如圓形形狀的照明設備)的情況下，中心軸 100特別地可以處於一個或多個對稱平面內。中心軸100也可以垂直於對稱面，圖Ia和圖 Ib的示意圖中就是這種情況。術語對稱尤其與波導20和波導表面21、22的布置有關。應 當指出的是，術語「對稱」尤其指的是波導20的對稱。在一個實施例中，第一波導表面21和第二波導表面22被設置成基本上彼此平行， 如圖Ia和圖Ib中所示。因此，波導在這裡表示為平面的波導20。波導20特別地被配置成 至少部分地(參見下文)或者基本上完全地(圓形的或橢圓形的)包圍中心軸100並且徑 向地向外延伸到邊緣，即邊緣窗口 24。原則上，第一波導表面21和第二波導表面22也可以不是基本上平行的。因此，在 一個實施例中，厚度d (參見下文)在徑向方向上增大，而在另一個實施例中，厚度d在徑向 方向上減小。在這裡描述的且示意性繪出的實施例中，厚度d沿著特定半徑101是基本上 恆定的(「平面波導」)。在一個優選的實施例中以及在這裡示意性地繪出的實施例中，波導入射窗口 23被設置成基本上垂直於第一波導表面21和第二波導表面22並且被設置成基本上平行於中 心軸100。基本上平行於中心軸100在這裡指的是入射窗口 23和中心軸的角度大約為0°， 但是尤其小於大約6°，更優選地小於大約2°。在這裡示意性地繪出的實施例中，入射窗 口 23被設置成基本上垂直於第一波導表面21和第二波導表面22。在其中入射窗口 23不包括實心透明材料的實施例中，例如圖Ia中示意性地繪出 的，假設入射窗口 23根據定義基本上平行於中心軸100。波導20可以是空心的，其中第一波導表面21和第二波導表面22環繞或「夾住」諸 如空氣之類的氣體，如圖Ia中示意性地繪出的，但是也可以是實心透明波導40，如圖Ib中 示意性地繪出的。在前一實施例(「開放波導」)中，如圖Ia中示意性地繪出的，照明設備 1的波導20基本上可以包括利用附圖標記221和222表示的兩個反射板，這些反射板分別 具有第一和第二波導表面21和22。在該實施例中，第一和第二波導表面21、22優選地包 括反射器。可選地，板221和/或222是透明的，但是外表面(分別利用附圖標記221a和 22 表示)包括反射器。在後一實施例(「實心透明波導」)中，如圖Ib中示意性地繪出 的，第一和第二波導表面21、22處出現全內反射並且這些表面不必也包括反射器(儘管這 可以是可能的)。因此，在一個實施例中，波導20基本上包括兩個其間具有諸如空氣之類的氣體並 且分別具有第一和第二波導表面21和22的反射板221、222。因此，在另一個實施例中，波 導20包括實心透明波導40。實心透明波導40可以例如基本上由玻璃或珀思配克斯有機玻 璃(Perspex)或者如本文提到的其他材料構成。在其中波導20包括這種實心透明材料並且因而為實心透明波導40的實施例中， 入射窗口 23和邊緣窗口 M包括實心透明材料。當波導20包括實心透明波導40時，入射窗口 23和邊緣窗口 M特別地將為波導 20的邊緣。當波導20是空心的時候，即在第一和第二波導表面21、22之間基本上不存在 波導材料時，入射窗口 23和邊緣窗口 M可以獨立地封閉或開放。圖Ia示意性地描繪了其 中兩個窗口 23、對開放的實施例。入射窗口 23或邊緣窗口 M或者入射窗口 23和邊緣窗 口 M 二者可以進一步包括諸如漫射器、磷光體層、透鏡陣列之類的光學元件。此外，邊緣窗 口 M可選地可以包括反射器。儘管在若干實施例中邊緣窗口 M可以是開放的，但是為了 清楚起見，波導20的這個部分仍然表示為波導邊緣24，雖然在嚴格意義上不是物理邊緣。因此，所述兩個波導表面21、22優選地為材料-空氣界面，使得它們可以通過HR 反射。它們也可以設有金屬或電介質反射器，但是(由於吸收損耗的原因)優選地不與波導 材料(除非這是空氣)光學接觸。入射窗口 23是透明的或者至少半透明。入射窗口 23可 以是空氣或者空氣-透明材料界面。在光源腔體12的出口處和/或在波導20的入口(即 光源10的下遊和在入射窗口 23處或者其上遊)處，也可以存在磷光體和/或漫射器(作 為可選的光學器件30)。術語「圓弧形」尤其涉及波導20的邊緣，即窗口 23和對。這些窗口是圓弧形的 或彎曲的。在這裡，術語「圓弧形」與垂直於中心軸100的平面內的曲率有關(也參見圖 2a4e、圖 4a 和圖 4f)。優選地，入射窗口 23被設置成平行於中心軸100(參見上文)。通過這種方式，獲 得了一種圓柱形腔體(包括橢圓柱形腔體)。中心腔體或光源腔體利用附圖標記12表示。因此，波導入射窗口 23至少部分地環繞光源10。在這裡，應用了措辭「至少部分地環繞光 源10」，因為波導不一定是整個圓或橢圓(參見下文)。因此，在一個實施例中，波導20特 別地被配置成至少部分地(參見下文)或者基本上完全地(圓形的或橢圓形的)包圍光源 腔體12並且徑向地向外延伸到邊緣，即邊緣窗口 24。因此，該波導入射窗口 23也被設置成接收來自光源10的徑向產生的光源光15。 參照圖Ia和圖Ib以及本文的其他示意性繪出的實施例，照明設備1也可以被描述為具有 盤狀波導、具有中心腔體或光源腔體12的盤狀燈。因此，在一個適宜的實施例中，第一腔體 蓋31和第二腔體蓋32被設置成封閉由入射窗口 23基本上容納的光源腔體12。為了清楚起見，這些示意圖中沒有包括可選地存在的熱沉。波導邊緣窗口 M被設置成促進照明設備光5的外耦合，即它允許光源光15的至 少一部分從照明設備1的波導20逃逸到外部。邊緣窗口 M可以是傾斜的或者不傾斜的 (參見下文)。促進光源光作為照明設備光5的外耦合可以通過在該邊緣窗口 M處的反射 (以及在第一波導表面21或第二波導表面22處的隨後透射)和/或通過該窗口本身的透 射來實現。當邊緣窗口 M是開放的時候，透射將發生在該邊緣窗口 M處；然而，當邊緣窗 口 M例如在實心透明波導40的情況下包括實心透明材料時，根據傾斜的邊緣，可能發生透 射和/或反射(也參見下文)。中心軸100是波導圍繞其設置的軸。光源10的至少一部分可以與該中心軸100 的部分重合(如這些附圖中繪出的)。中心軸100也可以看作所有設備光5的虛擬起點，因 為光源10、可選的光學器件30以及波導20特別地被設置成提供一種圓弧形設備，其中幾乎 所有設備光5來源於中心軸100。這不一定意味著光源10完全與中心軸100重合(參見例 如圖4g)。事實上，諸如LED之類的光源可以放置在腔體12內的任何位置，只要來自光源的 光被充分散射(例如通過作為可選的光學器件30的一個或多個漫射器)以避免區分各個 源。波導厚度，即第一波導表面21與第二波導表面22之間的距離利用附圖標記「d」表 示。從入射窗口 23到中心軸的距離，即事實上光源腔體12的半徑利用附圖標記rl表示。 該半徑在這裡也表示為「入射窗口半徑」rl並且也可以表示為波導20的「內半徑」。波導 20的外半徑利用附圖標記r2表示。實際上，可以存在不同的半徑，因為如下文所示，第一波 導表面21和第二波導表面22不一定具有相同的半徑。因此，第一波導表面21的半徑利用 附圖標記r21表示並且第二波導表面22的半徑利用附圖標記r22表示。平均半徑(在高 度或厚度d上)利用外半徑r2表示。半徑r2、r21和r22可能不僅在波導20的厚度d上 變化，而且在垂直於中心軸100的平面內變化。例如，波導20也可以是橢圓形的(參見下 文)。術語「平均半徑r2」僅僅指的是在與中心軸100平行且包含中心軸100的平面內的 厚度d上的平均半徑。在一個優選的實施例中，邊緣窗口半徑r2和入射窗口半徑rl的比值等於或大於 大約2，特別地>大約4，並且通常不大於大約150。這樣的實施例通常提供良好的方位準 直，並且尤其是與伸長結構(參見下文)結合，也提供良好的徑向準直。附圖示意性地示出了起源於光源10的一些光線(用附圖標記15表示)如何可以 通過波導20傳播。伸長結構將在下面參照圖4a_4f加以討論，但是首先將進一步討論照明設備1的原理。圖示意性地描繪了依照本發明的照明設備的頂視實施例。為了清楚起見， 沒有繪出諸如第一腔體蓋31之類的可選光學器件30。如上所述，包括基本上圓弧形的平面 波導20的基本上圓弧形的照明設備1可以具有不同的形狀。圖描述了一定數量的 這些實施例，其不應當以限制的方式加以解釋。圖加示意性地描繪了一種圓形設備。因此，在一個特定實施例中，照明設備1具 有圓形形狀。由該頂視圖可見，中心腔體是圓弧形的，這裡在該實施例中為圓形的，並且入 射窗口 23是基本上圍繞中心軸100旋轉對稱的。此外，波導20具有圓弧形邊緣，即邊緣窗 口 M是圓弧形的，在這裡為圓形的。因此，在該實施例中，邊緣窗口 M也基本上是圍繞中 心軸100旋轉對稱的。原則上，圓形形狀的波導20不一定要求圓形形狀的中心腔體12。為 了理解起見，繪出了垂直於中心軸100的半徑，其用附圖標記101表示。在另一個實施例中，照明設備1具有橢圓形形狀。該實施例在圖2b中示意性地繪 出。原則上，橢圓形形狀的波導20不一定要求橢圓形形狀的中心腔體12。因此，這裡在圖 2a中均為圓形並且在圖2b中均為橢圓形的光源腔體12以及邊緣窗口 M的形狀不必具有 相同的形狀。參照圖h_2b，選擇特定半徑101，波導方位角為360°，即照明設備1和波導20具 有圓形或橢圓形形狀。然而，在一個實施例中，照明設備1和波導20具有圓(或橢圓)段 的形狀。舉例而言，圖2c中示出了一個實施例。波導方位角用Y表示。這裡，在圖2c中， 波導方位角Y處於大約45°的範圍內。因此，在一個實施例中，波導20相對於垂直於中 心軸100的特定半徑101、相對於中心軸100優選地在大約2-360°的範圍內的波導方位角 Y上延伸。在一個優選的實施例中，波導20相對於垂直於中心軸的特定半徑101、相對於 中心軸100在大約20-180°的範圍內的波導方位角Y上延伸。在另一個實施例中，波導相 對於垂直於中心軸100的特定半徑101、相對於中心軸在360° (即圓形(或橢圓形)的波 導方位角Y上延伸。這樣的圓段或橢圓段用附圖標記120表示。當波導方位角γ小於360°時，優選地，波導20還包括封閉波導邊緣沈和27 (其 可以例如包括反射器)。在這裡，同樣地，波導20可以是空心的，具有相互獨立的開放的入 射窗口 23和邊緣窗口 24，並且在一個特定實施例中包括封閉波導邊緣沈和27，但是波導 20也可以是實心透明波導40，具有圓段(或橢圓段)的形狀。在後一實施例中，波導邊緣 26和27可選地可以包括反射器。應當指出的是，在這些實施例中，仍然應用了術語「中心 軸」 100，因為同樣在這些實施例中，該軸100可以作為設備光5的虛擬起點而出現。此外，如上所述，措辭「基本上圓弧形的」也可以指具有成角度的邊緣的結構，例如 具有含有6個角和6條邊部分的邊緣的六邊形波導20以及更高階多邊形形狀，例如八邊形 波導(8個角/8條邊)等等。在這裡，它尤其指正凸多邊形(等角(所有角度全等)且等 邊(所有邊具有相同長度)並且其為凸的多邊形)，例如具有正六邊形、八邊形、十邊形等等 的形狀的波導。優選地，當使用具有多邊形形狀的基本上圓弧形的結構時，例如具有多邊形形狀 的波導，那麼邊(或角或頂點)的數量至少為6，更優選地至少為10，甚至更優選地至少為 大約M。舉例而言，圖2d和圖加中示意性地繪出了具有成角度的邊緣的兩個實施例。在 圖2d中，波導20的邊緣窗口 M具有14個角和14條邊；類似地，入射窗口 23具有14個角和14條邊。圖加示意性地繪出了具有3條邊的圓段120，即入射窗口 23具有3條邊並且 邊緣窗口 M也具有3條邊。術語邊也可以解釋為面。圖3a_;3e更詳細地示意性繪出了依照本發明的照明設備1實施例的邊緣窗口 M 的側視實施例。圖3a和圖3b基本上與圖la( 「開放波導」)和圖Ib ( 「封閉波導」)相同， 並且僅出於比較的原因而繪出開放邊緣窗口用附圖標記241表示(圖3a)；與中心軸100 平行(且垂直於第一和第二波導表面21、2幻的封閉邊緣窗口用附圖標記M2表示(圖北)。圖3c示意性地繪出了照明設備1實施例的側視圖，其中邊緣窗口 M是傾斜的，即 它具有相對於第一波導面21或第二波導面22之一的不等於90°的傾斜角β。這種邊緣 窗口 M基本上不與中心軸100平行。舉例而言，在圖3c中，傾斜角β相對於第一波導表 面21繪製，但是本領域技術人員應當清楚的是，措詞第一和第二在本文中可以互換。在一個優選的實施例中，邊緣窗口 M具有相對於第一波導表面21或第二波導表 面22的85-105°範圍內的傾斜角β。當傾斜角β為90°時，獲得圖Ib和圖北中示意性 繪出的實施例(具有(事實上不傾斜的)邊緣窗口 Μ2)。措詞「傾斜的」或者「傾斜邊緣 窗口」涉及相對於第一或第二波導表面具有不等於90°的角度β的邊緣窗口。在另一個優選的實施例中，邊緣窗口 M具有相對於第一波導表面21或第二波導 表面22的傾斜角β，該傾斜角處於大約35-55°的範圍內，尤其是處於大約40-50°的範圍 內，例如尤其是大約45°。具有不等於90°的角度β的傾斜邊緣窗口 M用附圖標記Μ3 表示並且在圖3c中示出。圖3d示意性地繪出了其中邊緣窗口 M具有含刻面形狀，表示為含刻面邊緣窗口 M4的實施例。這些刻面可以具有90°的刻面角度θ，但是不等於90度的刻面角度θ也 是可能的。在後一種情況下，獲得傾斜的含刻面邊緣窗口。這種後一實施例在圖3d中示意 性地繪出。因此，在一個實施例中，波導20包括含刻面邊緣窗口 Μ4，其可選地也是至少部 分傾斜的。應當指出的是，所有邊緣窗口刻面都可以是透射的或反射的，或者它們中的一個 或多個可以是透射的並且它們中的一個或多個可以是反射的。圖!Be示意性地繪出了其中波導20包括多個(即彡2個)邊緣窗口 M的實施例。 在圖3e中所示的示意性實施例中，提供了用附圖標記M(I)和表示的兩個邊緣窗口 24。通常，這樣的邊緣窗口將是傾斜邊緣窗口，如圖所示，儘管一個或多個傾斜邊緣窗口 243 以及垂直邊緣窗口 241的組合也可以是可能的(即圖北和圖!Be中示意性繪出的實施例的 組合)。類似地，一個或多個傾斜窗口 23以及含刻面邊緣窗口 243的組合也可以是可能的。 因此，在一個實施例中，波導20包括多個邊緣窗口 24。每個邊緣窗口 M被設置成促進光源 光15從波導20向外耦合到照明設備1的外部。半徑r2以及r21和r22特別地結合最外面的邊緣窗口 24 (在圖；^中為邊緣窗口 24(2))來計算。在上文中，大體上描述了設備1。現在，將參照圖4a_4f描述依照本發明優選實施 例的伸長結構。圖4a4e示意性地繪出了波導的伸長結構；圖4f以透視圖示意性地繪出了 依照本發明的照明設備的實施例，並且圖4g示意性地繪出了依照本發明的照明設備的光 源的實施例。如上所述，在一個優選的實施例中，第一波導表面21或第二波導表面22或者第一12波導表面21和第二波導表面22 二者還包括多個伸長結構200，每個伸長結構具有基本上與 垂直於中心軸100的半徑101平行的伸長軸201。措辭「垂直於中心軸100的半徑101」指的是一個或多個任意半徑。來自光源10 的光線基本上遵循半徑101，即平行於半徑101。在這裡示意性繪出的實施例中，入射窗口 23基本上垂直於這樣的半徑101，並且第一波導表面21和第二波導表面22基本上平行於 這樣的半徑101。所述伸長結構基本上平行於這些半徑(即基本上垂直於中心軸100)。措詞「伸長 結構」指的是波導表面21和/或22的結構，其向這些基本上平坦的表面21和/或22提供 不規則性。這樣的結構可以具有大約0. 05mm到大約d的範圍內的高度h，但是優選地它們 位於大約0. 05mm到大約0. 5d的範圍內，甚至更優選地處於大約0. 05mm到大約0. Id的範 圍內。伸長結構的特性高度h處於大約0.05-2mm的範圍內。類似地，伸長結構200的用附 圖標記w表示的特性底部寬度也可以處於大約0. 05-2mm的範圍內。所述寬度或者底部寬度w可以沿著半徑101變化。在圖如中，示出了其中波導表 面21或22(這裡示意性地繪出了它們之一(或二者)的實施例)未完全用伸長結構200「填 充」的實施例。通過改變伸長結構的高度h和/或通過沿著半徑101改變伸長結構的底部 寬度《，可以能夠利用伸長結構200完全填充各波導表面21、22(也參見圖4f)。這樣的伸長結構200將附加的反射表面202添加到波導表面21和/或22。看起 來，通過從這些伸長結構200反射，光源光線的方位方向與垂直于波導20的方向混合。當 在徑向方向上傳播時，光線僅在方位方向上被準直。這兩個方向的混合確保了光源光15的 兩個方向將被準直。因此，在不改變其他光學部件的情況下，尤其是在基本上不增大設備1 的厚度的情況下，這兩個方向上的光束準直將隨著半徑的增大而改善。優選地，伸長結構的總數的一部分具有波導徑向長度的大約50% -100%的範圍 內的長度1，即分別第一波導表面21和/或第二波導表面22的邊緣窗口半徑r2 (或者r21 和r22)與入射窗口半徑rl之間的長度差。在圖4f的示意性實施例中，所有伸長結構200 具有波導徑向長度的大約100%的長度1，即分別為r21和r22的第一波導表面21和/或 第二波導表面22的所述長度。由於照明設備1的性質，優選的伸長結構200具有伸長軸201，其優選地基本上與 垂直於中心軸100的特定半徑101平行，並且因而也基本上與光源10的光線(或半徑)平 行。伸長結構200的實施例以示意性頂視圖示於圖如中。圖4b和圖如中示出了示意性側視圖，其中第一和第二表面21和22之間的中間 空間可以例如是空氣(「開放波導」)。圖4d和圖如示意性地繪出了其中波導20包括實 心透明波導40的側視實施例。伸長結構200可以例如具有ν形剖面(圖4b、圖4d和圖如)，或者可以例如具有 諸如正弦狀剖面之類的彎曲剖面，如圖4c中示意性所示。伸長結構200可以像在圖如中 一樣彼此緊鄰，但是也可以在鄰近的伸長結構200之間存在距離。不管伸長結構200彼此 緊鄰，還是在相鄰伸長結構200之間存在距離，也可以沿著半徑101變化(比較例如示意圖 4f和6a/6b)。如上所述，伸長結構100可以具有恆定的寬度w和/或高度h，或者寬度w和 /或高度h可以在波導20的半徑101上彼此獨立地變化。通過這種方式，第一波導表面21 和/或第二波導表面22的整個表面可以包含伸長結構200，但是它也可以被選擇成在兩個鄰近伸長結構200之間留下空間。伸長結構200可以例如通過向尤其是實心透明波導40的第一和/或第二表面21、 22提供凹槽而容易地提供。通過引入V形凹槽或正弦形凹槽或者其他類型的凹槽，相對容 易地為伸長結構200提供反射表面202。這樣的凹槽可以通過蝕刻或者雕刻凹槽來獲得，從 而獲得伸長結構200。然而，也可以應用本領域技術人員已知的其他方法，比如伸長結構的 注射成型或熱壓印或者複製。圖4f更詳細地示意性繪出依照本發明的照明設備的實施例，其具有傾斜邊緣窗 口 M043)以及分別用於第一和第二表面21、22的從入射窗口 23延伸到邊緣窗口 M的伸 長結構200。該圖示出了包括圓形波導20的本發明實施例，其中光15在中心(即光源腔體 12)處耦合進來，並且在外緣(即傾斜邊緣窗口對幻處耦合出去。頂側和底側，即波導20 的第一和第二波導表面21、22包含具有90°頂角的、從中心徑向延伸到外緣的V形凹槽。在一個優選的實施例中，波導20每10°波導方位角Y包含至少1個伸長結構 200，特別地每10°波導方位角Y包含大約1到5個伸長結構200。圖4g示意性地繪出了包括設置成圓形的多個LED 18 (尤其是彡6個LED 18)的 光源10的實施例。LED 18可以提供白色光或彩色光，或者各LED 18可以提供不同顏色的 光，這些顏色例如黃色和藍色，或者RGB(紅色、綠色和藍色)等等。因此，在一個實施例中， 所述多個LED 18可以設置成圓形LED陣列，並且在另一實施例中，波導20可以基本上是圓 形的，其提供具有改善的光學性能的結構。LED 18可以是側面發射LED，其導致緊湊的設計 以及光高效地向內耦合到波導20中。圖5繪出了具有45°傾斜角β的照明設備的若干實施例的積分強度與極角(相 對於中心軸)的函數關係，所述極角是相對於中心軸100的角度。假設極角為0°，沿著照 明設備1的中心軸100的方向測量強度；在90°極角下，沿著垂直於中心軸100的方向(即 在與特定半徑101—致的位置處)測量強度。給定極角的積分強度是0度與該極角之間的 範圍內的總通量。產生了若干具有不同半徑r2、具有或者沒有伸長結構200、但是都具有 45°傾斜角β的實施例。在表1中，表示了對於每條曲線的相關設備參數表1 具有45°傾斜邊緣窗口 24、具有PMMA波導20的照明設備1的依賴於極角(相對於中心軸)的相對積分強度(％ )
權利要求
1.一種被設置成提供照明設備光(5)的基本上圓弧形的照明設備(1)，該照明設備(1) 包括-被設置成徑向地產生光源光(1 的光源(10)和可選的光學器件(30)，以及-被設置成對徑向產生的光源光(1 準直的基本上圓弧形的且基本上平面的波導 (20)，其中該波導00)包括第一波導表面(21)、第二波導表面(22)、基本上圓弧形的波導 入射窗口(23)、基本上圓弧形的波導邊緣窗口 04)以及中心軸(100)，其中-第一波導表面或第二波導表面0 或者第一波導表面和第二波導表面 (22) 二者還包括多個伸長結構000)，每個伸長結構具有基本上與垂直於中心軸(100)的 半徑(101)平行的伸長軸001)，-波導入射窗口 至少部分地環繞光源(10)並且被設置成接收來自光源(10)的徑 向產生的光源光(15)。
2.依照權利要求1的照明設備(1)，其中照明設備(1)具有圓形形狀。
3.依照權利要求1的照明設備(1)，其中照明設備(1)具有橢圓形形狀。
4.依照權利要求1的照明設備(1)，其中照明設備(1)具有多邊形形狀，並且邊數η至 少為6。
5.依照前面的權利要求中任何一項的照明設備(1)，其中波導入射窗口03)具有相 對於中心軸(100)的入射窗口半徑(rl)，並且其中波導邊緣窗口 04)具有相對於中心軸 (100)的邊緣窗口半徑(r2)，並且其中邊緣窗口半徑(r2)和入射窗口半徑(rl)的比值等 於或大於1.5。
6.依照前面的權利要求中任何一項的照明設備(1)，其中波導OO)包括實心透明波導 00)。
7.依照權利要求1-6中任何一項的照明設備(1)，其中伸長結構(200)在橫貫軸(201) 的截面內具有ν形剖面。
8.依照權利要求1-6中任何一項的照明設備(1)，其中伸長結構(200)在橫貫軸(201) 的截面內具有彎曲的剖面。
9.依照前面的權利要求中任何一項的照明設備(1)，其中波導00)相對於垂直於中心 軸(100)的半徑(101)、相對於中心軸(100)在2-360°範圍內的波導方位角(Y)上延伸， 並且其中波導00)每10°波導方位角(Y)包括至少1個伸長結構(200)。
10.依照權利要求1-9中任何一項的照明設備(1)，其中邊緣窗口04)具有相對於第 一波導表面或第二波導表面02)的大約85-105°範圍內的傾斜角(β)。
11.依照權利要求1-9中任何一項的照明設備(1)，其中邊緣窗口04)具有相對於第 一波導表面或第二波導表面02)的大約35-55°範圍內的傾斜角(β)。
12.依照前面的權利要求中任何一項的照明設備(1)，其中波導OO)包括含刻面的邊 緣窗口 (244) ο
13.依照前面的權利要求中任何一項的照明設備(1)，其中波導OO)包括多個邊緣窗口 04)。
全文摘要
本發明提供了一種基本上圓弧形的照明設備(1)，該照明設備(1)包括光源(10)和基本上圓弧形的波導(20)。波導(20)包括第一波導表面(21)、第二波導表面(22)、基本上圓弧形的波導入射窗口(23)、基本上圓弧形的波導邊緣窗口(24)以及中心軸(100)。第一波導表面(21)或第二波導表面(22)或者第一波導表面(21)和第二波導表面(22)二者還包括多個伸長結構(200)，每個伸長結構具有基本上與垂直於中心軸(100)的半徑(101)平行的伸長軸(201)。
文檔編號G02B6/00GK102047156SQ200980120114
公開日2011年5月4日 申請日期2009年5月20日 優先權日2008年5月30日
發明者M·C·J·M·維森伯格 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司