LED照明器的製作方法

2023-11-07 13:35:37 5

本發明涉及用於改進的光輸出的LED照明器。

背景技術：

基於半導體的發光二極體（LED）屬於當今可用的最高效的光源。相比於常規的光源，LED提供更長的壽命、更高的光子通量功效、更低的工作電壓、窄帶光發射以及在組裝方面的靈活度。

因此，由於實踐和美學原因，經常期望在公共空間、建築物、辦公室、家等中用於一般照明目的和功能性光的照明器中使用LED。

LED光源的光輸出對於大多數應用一般是不充足的，並且若干LED光源必須組合以產生充足的光水平。然而增加LED照明器中的LED光源的數量並不是直截了當的，因為LED照明器在大小和光輸出上不是容易地可擴展的。因此，當要求更多或更少的LED時，LED照明器的設計必須改變。

LED光源是小的、高亮度的光源的事實展現了機遇和挑戰。一方面，LED光源的小的大小允許LED照明器具有緊湊的設計，但是另一方面，在LED照明器內獲得高效的光分布和避免在LED照明器中出現高亮度的點是有挑戰的。

LED照明器還可以包含波長轉換材料，以便例如使用發射藍光或紫外光的LED來製造白光。這樣的LED照明器的效率經常被LED光源中的光吸收所限制，使得波長轉換材料接收的光的量減少。這導致LED照明器的減少的效率。

JP 2007 173177 A公開了一種照明設備，其包含將光發射到光導中的LED，其中該光導的光出射表面設置在反射器中，該反射器準直和定向從該光導出射的光。

技術實現要素：

本發明的一目的是克服上述問題的至少一些，並且提供具有改進的光輸出和緊湊的設計的LED照明器。

根據本發明的第一方面，這個以及其它目的通過證明一種LED照明器實現。該LED照明器包含LED光源，其布置成將光發射到光導中，該光導布置成將來自LED光源的光引導到光耦出元件，以及形成部分封閉空間的反射器，該反射器包含槽，其中該光導延伸穿過該槽，該光耦出元件布置在該反射器的部分封閉空間之中，並且該LED光源布置在該反射器的部分封閉空間之外，其中該反射器布置成使得從該反射器出射的光具有相對於該光導內的光的傳播方向不為零的角度。

有利的是，有槽的反射器部分地封閉該光耦出元件，而不是LED光源。該反射器從而可以覆蓋從該LED光源發射的光的更大角度範圍，同時減輕與LED光源的光吸收和/或遮蔽相關聯的問題。該反射器也可以高效地重定向和準直從該光耦出元件耦出的光。具有改進的光輸出的LED照明器從而被提供。

由LED光源產生的光還可以通過光導內的多次反射在該光導內空間地分布，使得LED照明器的光分布體積有效地變得更大。光耦出元件還可以具有比LED光源更大的表面和/或體積。結果，更大的體積有助於LED照明器內的光傳播和光發射，使得與斑點相關聯的問題可以減少。為此，LED照明器具有可擴展的架構，因此LED光源的數量可以容易地改變以調整光強度和/或光譜組成。

詞語光導在這裡應該理解為布置成在傳播方向上沿著它的延伸傳輸或引導光的結構。光可以例如通過多次反射在該光導內傳播或被引導。光優選地在光導和它周圍環境的界面處通過多次反射，即通過全內反射，在光導內傳輸。

光耦出元件是布置成將光從它的內部體積耦出到它周圍環境的元件。

詞語反射器應該被解釋為反射和定向光的物體。反射器優選地具有使得光在期望的方向上反射的形狀。

部分封閉空間應該被解釋為，沒有被外殼完全包圍，使得在該外殼上存在至少一個開口的空間。光可以例如穿過該外殼的開口而被反射出來。相反，封閉空間被解釋為在所有面上都封閉的空間或體積。換句話說，封閉空間是在其所有面上都被外殼包圍的空間。

由於從該反射器出射的光具有與光導內的光的傳播方向不同的方向，該光的傳播方向是光導沿其延伸的方向，緊湊的LED照明器可以在至少一個維度上獲得。例如，光導平行於天花板表面而提供，即光導平行於天花板表面而延伸，並且因此，光導內的光的傳播方向平行於天花板表面，並且反射器布置成使得從該反射器出射的光垂直於天花板表面，因此具有相對於光導內的光的傳播方向成90度的角度。在此示例中，LED照明器在垂直於天花板表面的方向上相對緊湊，在此方向上的大小主要由反射器的大小確定。

反射器可以是拋物線反射器。這是優點，因為反射器從而覆蓋從LED光源發射的光的更大角度範圍，使得從LED照明器獲得高效的光發射。

光耦出元件可以布置在該拋物線反射器的焦點上。從幾何焦點散發的光被該拋物線反射器反射，使得形成平行光線。該平行光線平行於彼此以及該拋物線反射器的對稱軸。因此，從該光耦出元件發射的光被該拋物線反射器高效地定向。

光耦出元件可以布置在光導的邊緣部分。這是有利的，因為光可以從該光導高效地耦出。

LED照明器可以包含在與光導的邊緣部分分離的位置布置在該光導上的光耦出元件。這可以增加來自LED照明器的光輸出。

光耦出元件可以包含波長轉換材料。

波長轉換材料意指一種材料，其能夠將第一波長範圍的光轉換為第二波長範圍的光。這提供了調整由LED照明器產生的光的光譜範圍的手段。換句話說，由LED產生的第一波長範圍的光通過該波長轉換材料至少部分地轉換為第二波長範圍的光。

光導可以成形為圓盤或矩形板。光導的形狀提供設計靈活度。通過例如改變光導的形狀，光導內的光分布和/或光耦入光導被調諧。

反射器可以沿著光導的表面延伸。這提供沿著表面的範圍的光耦出，其增加來自LED照明器的光發射。

詞組光導的表面應該解釋為限定光導體積的表面。

光導可以包含半透明材料。LED照明器發射的光從而可以穿過該光導。換句話說，反射器內的光導造成的遮蔽或阻擋效果被減少，這增加了光輸出並且改進了LED照明器的效率。

詞語半透明被理解為允許光的通過。因此，半透明被理解為「允許光的通過」並且半透明材料可以要麼是清淨的，即透明的，要麼傳輸或漫射光，使得光導外的物體不能被清楚看到。透明被理解為「能夠被看穿」。

光導可以包含玻璃或聚合物材料。這允許光導的成本有效的製備。光導還可以通過使用這樣的材料而被製成半透明的。

光導可以具有等於或小於3mm的厚度，優選小於0.5mm。這減少製備光導所需要的材料的量，同時允許光在光導內被引導。

反射器可以包含折射元件，這允許來自LED照明器的光的高效的重定向。

LED光源可以布置在光導中的腔之內。這允許光的高效耦入光導。

LED照明器可以包含幹涉濾光器，其布置成將從LED光源發射的光過濾到光導中。幹涉濾光器提供進入光導的光的光譜和/或角度過濾。進入光導的光的光譜範圍和/或角度分布從而被更好的控制。

注意，本發明涉及權利要求中列舉的特徵的所有可能的組合。

附圖說明

現在將參考示出本發明的實施例的附圖，更詳細地描述本發明的這個以及其它方面。

如在圖中圖示的，層和區域的大小為了圖示的目的而被誇大，並且因此被提供以圖示本發明的實施例的一般結構。相似的參考編號在各處指相似的元件。

圖1圖示根據本發明的實施例的LED照明器的截面圖。

圖2示出圖1的LED照明器的透視圖。

圖3示出LED照明器的透視圖。

圖4示出LED照明器的透視圖。

圖5示出根據本發明的實施例的LED照明器的透視圖。

圖6示出作為反射器尺寸的函數的圖5的LED照明器的計算發光強度。

圖7示出根據本發明的實施例的LED照明器的截面圖。

具體實施方式

本發明現在將參考隨附的附圖在下文中更充分地描述，本發明當前優選的實施例在該附圖中示出。然而，本發明可以以許多不同的形式體現並且不應該被解釋為受限於記載於此的實施例；相反，這些實施例為了徹底性和完整性而提出，並且向本領域技術人員充分地傳達了本發明的範圍。

圖1圖示根據本發明的實施例的LED照明器100的截面圖。LED照明器100包含LED光源102、具有矩形板形狀的光導104、兩個光耦出元件106以及兩個反射器108。

LED光源102布置成將光發射到光導104內。通過在光導104內的全內反射，光從LED光源102引導到布置在光導104的相對側的光耦出元件106。由LED光源102產生的光從而使用光耦出元件106空間地分布，使得LED照明器的發光表面有效地變得更大。換句話說，光耦出元件106可以被感知為減輕與斑點相關的問題的照明源。

LED照明器100具有可擴展的架構，使得LED照明器100可以包含多個LED光源（未示出）而不需要另外改變例如LED照明器100的耦出元件的形狀和數量。

LED光源可以放置在光導104的任何位置，只要LED光源發射的光被高效地耦合到光導104中。通過提供多個LED光源，可能高效地調整LED照明器100的光強度和/或光譜組成。

LED光源102包含GaN與In的組合(InGaN)或與Al的組合(AlGaN)。使用這些材料組合是有利的，因為它們允許調整由發光結構102發射的光子的發射能量。換句話說，半導體合金的帶隙取決於In和/或Al與GaN的比例。不同的帶隙，即帶隙能量，對應於具有不同的發射能量（不同的顏色）的光的發射。因此，通過改變半導體合金的組成，可以獲得具有範圍是從紅到藍的顏色的LED。

其它III-V族半導體材料也可以用於提供在電磁光譜的紫外、可見或紅外區內工作的高亮度發光結構。材料可以例如包括鎵、鋁、銦、氮、磷和砷的二元、三元和四元合金。II-VI族半導體也可以被使用。

如在圖1中公開的，優選的是，光耦出元件106與光導104形成單個的單元，使得元件106和光導104之間界面處的反射減少。該單個的單元還簡化了LED照明器100的處理。

光導104可以由半透明的聚合物材料聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）製成。這提供了光導的成本有效的製備。

根據其它實施例，光導可以包含例如聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PU）、玻璃材料或矽樹脂的聚合物。

反射器108形成部分封閉空間110。反射器108還包含槽112，光導104延伸穿過該槽使得光耦出元件106位於該部分封閉空間110中。通過此布置，反射器108覆蓋了從LED光源102發射的光的更大角度範圍。換句話說，該布置允許從光耦出元件106出射的光被反射器108高效地反射。槽112在反射器108的一側提供，使得光導104經由反射器108的該側延伸或穿透進入反射器108。反射器108因此布置成使得光導104經由槽112在水平方向上進入反射器108。光在光導104中朝向光導的光耦出元件106被提供的相對側傳播或傳輸，並且在從光耦出元件出射之後，光將被反射器108重定向到與在光導104內的光的傳播方向不同的方向。光導104內的光的傳播方向因此沿著光導104的延伸。

通過將LED光源102布置在反射器108的部分封閉空間110之外，與LED光源102的光吸收和/或遮蔽相關聯的問題被進一步減輕。

LED照明器100包含幹涉濾光器114。根據此實施例，幹涉濾光器114是提供LED光源102發射的光的角度過濾的幹涉濾光器。濾光器反射以小的入射角度入射光導的光，但是讓入射角大於光導的臨界角的光通過。通過此布置，具有大的入射角的光更有效地發送到光導104中，在其中光藉助全內反射被光導104引導。

在小的角度從LED光源102發射的光被反射回LED光源102中，在其中多重散射可以重定向光，使得至少一部分的光通過幹涉濾光器114。換句話說，幹涉濾光器114因此減少以比臨界角小的入射角進入光導104的光的量，即從LED光源102發射的，穿透光導104的光的量減少。因此，光被更有效地引導到光耦出元件106，並且更高效的LED照明器100被提供。

詞語全內反射應該被解釋為當光線相對於邊界表面的法線以比臨界角大的角度到達第一和第二介質之間邊界時發生的光學效果。為了使全內反射發生，需要第一介質即光導的折射率大於第二材料即包圍該光導的空氣的折射率。如果此條件滿足，光線在邊界全反射，使得沒有光傳播超出該邊界並且所有光基本在該邊界反射。

圖2示出如在圖1中圖示的同一LED照明器100的透視圖。光導104被成形為矩形板並且光耦出元件106被布置在光導104的兩個邊緣部分，這種情況下這兩個邊緣部分相對。在另一實施例中（未示出），光導104是杆。矩形形狀允許通過例如擠出而容易製造光導104。該布置是另外有利的，因為來自LED光源102的光被高效地分布在整個光導104中並且接下來通過相對放置的光耦出元件106從光導104耦出。在矩形板形狀的光導104中的光的傳播方向因此沿著光導104的延伸，或者沿著該矩形板的平面。反射器108還沿著光導104的兩個表面116延伸。這提供沿著表面116的範圍的光耦出，其增加了來自LED照明器100的光發射。而且，反射器108將光重定向到與從光導104出射的光的主方向不同的方向，在此示例中，從反射器108出射的光將具有相對於光導104內的光傳播方向成大約90度的角度。在此實施例中，反射器108具有拋物線的橫截面。在此情況中，矩形板形狀的光導104具有與拋物線反射器108的對稱軸成90度的角度。因此，從拋物線反射器108出射的光具有相對於矩形板形狀的光導104中的光的傳播方向成90度的角度，其在此情況中是在位於矩形板形狀的光導104的相對的邊緣部分的光耦出元件106的方向上。換句話說，反射器108重定向從光導104出射的光，使得此光具有相對於光導104中的光的傳播方向成90度的角度。在LED照明器接附到或懸垂在天花板的情況下，其中光導的矩形板平行於天花板表面而布置，緊湊的向下照明的LED照明器被獲得，因為光導在垂直於天花板表面的方向上具有相對小的尺寸，並且拋物線反射器因此主要確定了在垂直於天花板表面的方向上LED照明器的大小。

LED光源102圖示為布置在光導104之下。然而在另一實施例中，LED光源可以布置在光導104之上或者布置在光導104的側表面。

光導可以具有等於或小於3mm的厚度，優選小於0.5mm。這減少了製備光導104所需要的材料的量。另外，這提供了光導104的靈活度，其促進光導104的成形。

圖3圖示具有拱橋形狀的光導104的LED照明器200。該拱橋由半透明的PMMA製成並且具有200mm的直徑。拱的半徑被製成光導104的厚度的10倍，以便允許光導104內的全內反射。LED光源（未示出）可以放置在該拱上的任何位置，例如在弧頂。反射器108布置成使得光導104經由槽112在垂直方向上進入反射器108。

圖4示出具有穹頂形狀的光導104的LED照明器300的透視圖。反射器108沿著該穹頂的全部框邊302延伸以增加來自LED照明器300的光輸出。

圖5示出根據本發明的實施例的LED照明器400的透視圖。LED照明器400具有成形為圓盤的光導104。反射器108沿著該圓盤的整個框邊延伸。在其它實施例中反射器可以沿著該框邊部分地延伸。從這種情況下是拋物線的反射器108出射的光具有相對於圓盤形狀的光導104中的光的傳播方向成90度的角度，在此情況中此傳播方向朝向該圓盤的外邊緣定向。換句話說，反射器108重定向從光導104出射的光，使得此光具有相對於光導104內的光的傳播方向成90度的角度。在此LED照明器被接附到或懸垂在天花板的情況下，其中光導的圓盤平行於天花板表面而布置，緊湊的向下照明的LED照明器被獲得，因為光導在垂直於天花板表面的方向上具有相對小的尺寸，並且該拋物線反射器因此主要確定了在垂直於天花板表面的方向上LED照明器的大小。

對於根據本發明的LED照明器的所有不同實施例，可以選擇反射器108的尺寸以實現LED照明器發射的光的某射束形狀和方向性程度。有利的是，反射器是拋物線反射器，因為拋物線反射器因此可以覆蓋從LED光源發射的光的更大角度範圍，使得從該LED照明器獲得高效的光發射。

光耦出元件106布置在拋物線反射器108的焦點上。從幾何焦點散發的光被拋物線反射器108反射，使得形成平行光線。該平行光線平行於彼此以及拋物線反射器108的對稱軸。結果，從光耦出元件106發射的光可以例如在與光導104內的和從光導104出射的光的主方向不同的另一個主方向上被拋物線反射器108高效地（重）定向。

圖6示出具有300mm直徑的圓盤形狀的光導104的照明器的計算發光強度。光導104具有3mm的厚度並且耦出元件106布置在拋物線反射器108的焦點上，位於f=5mm處。拋物線反射器108的高度在計算中分別是15、30和90mm，並且被稱為短的、原始的或長的。從圖6的圖表中可以推斷出，對於這些尺寸，在LED照明器400下1m的距離處獲得半最大值處全寬度約2x10度的模糊邊緣的點照明輪廓。

應注意，在其它實施例中，光導可以水平地或垂直地或以任何其它角度進入反射器。這提供了LED照明器的附加的設計靈活度。

反射器可以包含焦點一致的多個拋物線結構。起源於耦出元件的光從而可以在多個方向上發射。相應方向上的光平行於彼此以及對應的拋物線反射器的對稱軸。通過這樣的布置，例如懸垂LED照明器的LED照明器可以例如提供天花板照明和向下照明。

根據其它實施例，反射器可以具有不同於拋物線形狀的形狀。反射器可以例如具有半球形狀。

圖7示出LED照明器500的截面圖，其中LED光源102布置在光導104中的腔502之內。這允許光高效耦入光導104之中。在另一實施例中，LED光源集成到光導中，其中光導例如包含LED光源的生長襯底。

LED照明器500包含位於光導104的相對邊緣部分504和與光導104的邊緣部分504分離的位置506的光耦出元件106。反射器108布置在每一個光耦出元件106附近以重定向和聚焦被耦出的光。這增加了來自LED照明器500的光輸出。

反射器108還包含折射元件508。該折射元件在這裡是發散透鏡，其布置成高效地分布從LED照明器反射器發射的光，使得LED照明器照明大面積。

在其它實施例中，LED照明器可以包含例如聚焦透鏡或稜鏡的折射元件。

在其它實施例中，LED照明器可以包含布置在光導的表面內或表面處的多個光耦出元件。

本領域技術人員認識到，本發明絕不限制於上面描述的優選實施例。相反，許多修改和改變在所附權利要求的範圍內是可能的。

例如，LED照明器的LED光源可以與反射器熱接觸，以便提供LED光源的改進的熱管理。

光導可以具有三角形、正方形、七邊形、六邊形形狀，並且還可以包含橢圓形或不規則彎曲的結構。

光耦出元件106可以包含波長轉換材料。由波長轉換材料發射的光可以發射到光導中，光在其被光耦出元件106耦出之前在該光導中經歷多次反射。這增加耦出LED照明器的光的量。

波長轉換材料可以接附到光導104的表面，因為這改進來自光導104的光的耦出。波長轉換材料與光導104的接附可以例如通過塗覆、印刷或黏合完成。

波長轉換材料可替代地可以集成到光導內。

波長轉換材料可以包含磷光體材料。在本發明的上下文中，磷光體材料被限定為在光學激勵後通過冷光、螢光或磷光過程表現光發射的材料或物質。

磷光體材料提供調整LED光源產生的光的光譜範圍的手段，該LED光源可以例如產生藍光。換句話說，藍光可以被轉換為具有更長波長的波長範圍，使得LED照明器發射的光包含具有不同光譜範圍的光。LED照明器產生的光可以被感知為白色。

例如，根據本發明的LED照明器可以通過將從InGaN-GaN LED光源102發射的藍光與包含Y3Al5O12:Ce3+，YAG:Ce的磷光體材料組合，提供白光照明，其中YAG:Ce為發射黃色的磷光體。來自LED光源102的發射具有在440-470nm的波長範圍中的強度最大值。來自LED光源102的光至少部分地被YAG:Ce磷光體吸收，並且向下轉換為該磷光體材料的特徵寬黃色發射。

在其它實施例中，LED照明器發射的光可以具有不同於白色的顏色。

另外，通過研究附圖、公開內容和所附權利要求，技術人員在實踐所要求保護的發明時可以理解和達成對所公開實施例的變型。權利要求中，詞語「包含」不排除其它元件或步驟，並且不定冠詞「一」（a）或「一」（an）不排除複數。在互不相同的從屬權利要求中列舉某些措施的純粹事實並不表示不能有利地使用這些措施的組合。