CN101061345A - 包含至少一个发光元件的光源和照明设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光源,它包括光引擎(10),该光引擎(10)特别具有至少一个LED和/或至少一个激光发光元件,该光源还包括光导(11)和向外耦合结构(12)。借此,可以提供一种改变LED或基于激光系统的光源尺寸和辐射性质的灵活方案。向外耦合结构(12)的尺寸和位置可以选择成能够比得上传统光源像白炽、卤素或气体放电喷灯的灯丝或电弧的尺寸和位置。从光学角度看,本发明公开的LED/激光光源是式样翻新的,从而它可以替代照明设备内像白炽、卤素或气体放电灯泡或喷灯之类的这些传统光源。
Description
本发明涉及包含光引擎,特别是具有至少一个LED和/或至少一个激光发光元件并特别用于替代照明设备内的至少一个传统光源像白炽、卤素或气体放电灯泡或喷灯的光源。本发明还涉及包括初级光学系统和次级光学系统的照明设备,该初级光学系统具有特别用作替代所述至少一种传统光源的这种光源,该次级光学系统用以辐射产生的光并获得期望的光辐射性质。
LED和激光发光元件与传统的光源像白炽、卤素或气体放电灯泡或喷灯相比有相当多的优点。特别地,它们具有较长寿命、较低能耗这些优点。然而,两者之间还存在一些差别,在设计带有这类LED和/或激光发光元件的照明设备时,与带有传统光源的照明设备相比,或者若在给定的照明设备内,传统的光源应当用至少一个LED和/或至少一个激光发光元件替代,还需要考虑一些问题。
首先,这些光源的光辐射性质彼此明显不同。然而传统光源几乎沿所有方向都发射光,LED只将光发射进一个半球内,激光发光元件通常只以窄束的形式发射光。因而,在这三种情形中,相同的次级光学系统的光辐射性质基本上彼此不同。
其次,使用上述传统的光源,施加在光源上的那部分能量成为剩余能量,这部分能量不能转换成光,主要通过热辐射和对流传递到外界环境。与此相反,在LED和激光发光元件的情形中,这部分剩余能量主要经由元件的支架或插座通过热传导传递到外界环境。当在传统的反射器内使用这些元件时,由于加热过度会引起照明设备的过早损坏。
US 2002/0021573A1披露了用LED替代白炽灯泡的照明设备。该文献披露了一种多色LED闪光灯,其包括组合成一个LED灯泡的、具有不同颜色的多个LED小片,该文献还披露了一种碗形的灯,其中LED位于该灯的表面上,电子电路板位于该碗内。
除存在上述提及的问题外,这些照明设备还存在的不足在于若要提高辐射光的强度,则LED的数目必须相应地增加。但是,这会产生热问题和其他问题,其原因不仅在于空间有限,还在于所有的LED将不再处于相关反射器的焦点,从而效率和辐射性质会降级。
因此,本发明的一个目标是提供一种包括光引擎的光源,特别是具有至少一个类似于LED和/或激光发光元件这类发光元件的光源,该光源是式样翻新的,以便可以与传统的次级光学系统像为上述传统光源而专门设计的反射器和/或透镜组合使用,并且可以代替这些传统光源,而基本上不会因上述提及的尤其是与过度加热有关的问题而恶化光源的辐射性质和/或光强度和/或使用期限。
另外,包含光引擎、特别是具有至少一个类似于LED和/或激光发光元件这类发光元件的光源能够获得的光辐射性质和/或光强度应当分别至少基本等于或者更优于传统光源的光辐射性质和/或光强度。
最后,应该提供包含至少一个这种光源的照明设备,该设备易于设计,并应当容易构造成获得期望的辐射性质和/或期望的光强度。
上述目标用依照权利要求1的光源来实现,该光源包括具有至少一个LED和/或至少一个激光发光元件(或另外合适的发光元件)的光引擎,该光引擎用以产生光并将光耦合进至少一个光导内,该光导设置有用以向外耦合(out-coupling)光的至少一个向外耦合结构,其中光导和/或向外耦合结构被设定尺寸,并被设置用来将向外耦合的光引导到指定的次级光学系统内,以获得期望的光辐射性质。
另外,上述目标用依照权利要求9的照明设备来实现,该照明设备包括至少一个这样的光源,至少一个反射器,和/或至少一个透镜,用以辐射产生的光并获得期望的光辐射性质。
这些解决方案的一个显著优点在于,向外耦合结构的尺寸可以根据传统光源(放电电弧或灯丝)的发光区的尺寸进行几乎精确地设置,或者它可以设置成非常小的点(或线)的形式,从而在将光源定位在次级光学系统的焦点(或焦线)上时,能够显著地提高辐射性质。
光强可以根据具体应用的需要,通过采用数目相应增加的LED和/或激光发光元件来加以增大。通过仔细设计,发光区域(向外耦合结构)的尺寸可以保持为如同光束扩展(etendue)守恒定律所允许的那么低。
另外,通过适当地设定向外耦合结构的尺寸,可以很容易地使光源的光辐射性质(例如入射在具体方向上或者入射进半球内)适合于设计成具有某种光辐射性质和/或光强的给定反射器。
从属权利要求公开了本发明的优选实施例。
依照权利要求2和3的实施例对于优选的应用,即替代传统光源而言是特别有利的。
依照权利要求4的实施例给出了以简单方式使用几个发光元件的可能,这对于期望极高亮度的光源而言是特别有利的。
权利要求5公开了一些优选类型的光导,这些光导很柔韧、很小、很经济而且重量很轻。
权利要求6至8涉及各种向外耦合结构,这些向外耦合结构可以根据光源的具体应用加以选择。
本发明的具体细节、特征和优点公开在下面的示例性描述和与附图结合的优选实施例中,在附图中:
图1是照明设备的第一个实施例的纵向横截面图;
图2是光引擎的第一个实施例的纵向横截面图;
图3是光引擎的第二个实施例的纵向横截面图;
图4是几个向外耦合结构;
图5是照明设备的第二个实施例的纵向横截面图;
图6是照明设备的第三个实施例的纵向横截面图。
图1示出依照本发明的照明设备的第一个实施例的纵向横截面图。该照明设备包括用以产生光并用以将光供给次级光学系统的初级光学系统,次级光学系统被设置用以辐射光并用以获得期望的辐射性质。
初级光学系统包括具有光引擎10的光源1,光导11和向外耦合结构12。次级光学系统包括反射器2。
光引擎10包括至少一个类似于LED和/或激光发光元件的发光元件。光引擎10产生的光耦合进光导11的第一端,并在光导11的第二端供给到向外耦合结构12,从而光通过向外耦合结构12导向到反射器2上。优选地,向外耦合结构12被定位在反射器2的焦点区(例如焦点或焦线)上,并且其具有适于反射器形状和尺寸的辐射性质,从而向外耦合光以最小的光损失照射在反射器2上。
图2示出光引擎10的第一个实施例的纵向横截面图。光引擎10包括像LED 101的发光元件和圆锥形的准直器102,准直器102具有第一较小开口D1和第二较大开口D2。
第一开口D1的尺寸和形状适合于发光元件101的尺寸和形状,从而发光元件101可以用这种方式插入第一开口内,即使发出的光几乎全部耦合进准直器102内。对于公知的LED元件,第一开口D1的典型直径大约为1mm。
第二开口D2的尺寸和形状适合于光导11第一端的横截面尺寸和形状,并且其尺寸被设定使得由准直器102发出的光的角分布位于光导11的TIR角内。在TIR角约为45°的情形中,第二开口D2的直径约为1.4mm。
通过将光引擎10特别是发光元件101定位在(并且远离)反射器2的外部,就可以使用散热器借助于热传导将这些元件产生的剩余能量消除到足够的程度,从而可以避免上述与散热有关的问题。
图3示出光引擎10的第二个实施例的纵向横截面图。这个光引擎10也包括具有第一开口D1和第二开D2的准直器102。一个光学透明的立方体103被设置使其一个表面位于准直器102的第一开口D1内。发光元件101被设置在立方体103的其他五个表面上,该发光元件101将光发射入立方体103,以便光耦合进准直器102内。
如果用磷覆盖发光元件101,那么该实施例能在光导11的输入端处获得更高的亮度。
准直器102第二开口D2的尺寸和形状也适合于光导11第一端的横截面尺寸和形状,并且其尺寸被设定使得由准直器102发出的光的角分布位于光导11的TIR角内,以使尽可能多的光被耦合进光导11内。
使用含有五个发光元件101的该实施例,可以实现强度增强的光源以及相关的照明设备。为了进一步提高所产生光的强度,该五个LED元件101可以是蓝光LED元件,并且可以在立方体103的开口内涂覆黄色磷光层。
图4中(A)至(E)分别示出五个不同的向外耦合结构121至125,每个向外耦合结构都沿着光导11的长度延伸并且至少在光导11的一部分圆周上延伸,优选地,每个向外耦合结构在光导11的第二端处或在第二端的区域内延伸。
向外耦合结构121至125的长度例如可以根据在给定的反射器内要加以替代的传统光源的灯丝或者电弧的长度和尺寸来设定尺寸(或者,在圆柱形反射器的情形中,根据反射器的焦线的长度来设定尺寸)。另一方面,在替代如上所述的传统光源时,同样期望获得点状的光源。
向外耦合结构121至125还可以进一步被设计具有例如适于指定的次级光学系统(2;3)的光辐射性质,以便获得相关照明单元的期望辐射性质。
对于给定反射器内的某些应用,其他的辐射性质也是期望的,例如具有类似圆锥的形状,以专门照射指定的反射器或透镜,或者在所有的方向上要以相同的光强度来发出光。
依照图4(A)至(E)的向外耦合结构121至125可以提供用以获得这些或其他的尺寸和/或辐射性质。
依照图4(A)的第一向外耦合结构121具有一个锥形端,该锥形端基本上呈倒置的收集器的形式,以便促使在光导11内传播的光基本上呈圆锥的形式离开光导11,或者发射进一个半球内。
依照图4(B)的第二向外耦合结构122设置为光导11的一段长度或一部分的形式,该段长度或该部分的表面形成为漫射。借此,可以实现将光辐射基本上漫射进球体内,从而类似于灯丝的辐射性质。
依照图4(C)的第三向外耦合结构123将光导11沿其长度划分为两个平行的半体。第一个半体设置成向外耦合光并发出光,并且设计成例如图4所示其中一个其他的向外耦合结构的形式。第二个半体例如用材料涂覆,或者用另一方式加以处理,使该第二个半体对于光辐射是不透明的。借此,可以获得这样的辐射性质,其中光可以发射进主要沿垂直于光导11长度的方向延伸的空间里。为了有角度地增大或减小该空间,第一个半体和第二个半体显然可以分别沿光导11的圆周延伸多于180°或者少于180°。
在光导11和向外耦合结构12如图5所示基本上沿垂直于反射器2其轴向的方向上延伸进反射器2内的应用中,该实施例是特别优选地。
依照图4(D)的第四向外耦合结构124包括一些斜切进光导11的斜切面,从而光在这些斜切面处通过反射和/或折射从光导11向外耦合并且发出去。通过选择这些斜切面与反射器光轴间所成的角度,并结合反射器辐射的光的角度,可以获得期望的辐射性质。另一个优点是在光导内传播的光的角度性质可以得以保留。
最后,类似地,依照图4(E)的第五向外耦合结构125包括类似于人字纹的线,用以在这些线处通过折射光,向外耦合光并发出光。这些线例如可以通过将几段光导的锥形端相应地胶合在一起来生成。为了增强光的向外耦合,胶的折射率应当与光导所用材料的折射率不同。该实施例具有与第四实施例基本相同的优点,但机械性能更加稳定。
图5示出依照本发明的照明设备的第二实施例的纵向横截面图,该照明设备包括反射器2(次级光学系统)以及具有光导11和向外耦合结构12的光源(初级光学系统)。向外耦合结构12特别地设置成依照图4(C)所示第三实施例123的形式,以使光仅辐射在反射器2上。
与图1所示的第一实施例不同,光源1和反射器2彼此不对称地排列,以获得不对称的辐射性质。替代地或者附加地,反射器2可以相对于向外耦合结构12不对称地形成。
通过使向外耦合结构12的光辐射性质适合于反射器2的形状和形式,可以获得具有几乎任何辐射性质以及任何光强分布的照明设备,同时还具有最小的光损失。
图6示出依照本发明的照明设备的第三实施例的纵向横截面图,该照明设备也包括在其第二端具有向外耦合结构12的光导11。向外耦合结构12特别地以图4(A)所示的第一实施例121的形式,并且在其辐射性质方面该向外耦合结构12适合于次级光学系统的形式和形状,在这个情形中该次级光学系统是透镜3。
一般地,通过根据传统光源内灯丝或电弧的大小设定向外耦合结构12的尺寸,本发明的光源在光学上是试样翻新的,并且适宜替代传统的光源而不会影响到给定照明设备的光辐射性质。
另外,通过如图1所示将光引擎10特别是LED和/或激光元件定位在反射器2的外部,上述有关散热的问题可以得到有效地解决。
通过例如如图4所示那样依赖于某种反射器2或透镜3来设计并形成向外耦合结构12,可以获得实际上具有任何光辐射性质和最小光损失的照明设备。
最后,应当注意,光引擎10还能够包括除上述提及的LED和/或激光发光元件之外的其他发光元件。只要光导11和向外耦合结构12所产生的优点与具体应用相关的话,甚至能够使用传统的光源。
Claims (10)
1.光源,包括具有至少一个LED和/或至少一个激光发光元件(101)的光引擎(10),该光引擎(10)用以产生光并将光耦合进至少一个光导(11)内,该光导(11)设置有用以向外耦合光的至少一个向外耦合结构(12),其中光导(11)和/或向外耦合结构(12)被设定尺寸,并被设置用来将向外耦合的光引导到指定的次级光学系统(2;3)内,以获得期望的光辐射性质。
2.依照权利要求1的光源,其中向外耦合结构(12)沿着光导(11)的长度延伸并至少在光导(11)圆周的一部分上延伸。
3.依照权利要求1的光源,其中向外耦合结构(12)被设置且被设定尺寸以具有与特别像白炽、卤素或气体放电灯泡或喷灯这类传统光源至少基本相等的辐射性质,或者被设置且被设定尺寸使得辐射光基本上专门照射指定的次级光学系统。
4.依照权利要求1的光源,其中光引擎(10)包括具有第一开口(D1)和第二开口(D2)的准直器(102),其中该第一开口(D1)被设置用来接收来自至少一个LED和/或至少一个激光发光元件(101)的光,该第二开口(D2)被设置用来将光耦合进光导(11)内。
5.依照权利要求1的光源,其中光导是玻璃纤维(11)或棒。
6.依照权利要求5的光源,其中向外耦合结构(12)设置成玻璃纤维(11)的锥形端的形式。
7.依照权利要求5的光源,其中向外耦合结构(12)包括位于玻璃纤维(11)上用以发出漫射光的粗糙面。
8.依照权利要求5的光源,其中向外耦合结构(12)包括位于玻璃纤维(11)表面上的切口或凹口。
9.照明设备,包括依照权利要求1的至少一个光源(1),至少一个反射器(2),和/或作为指定的次级光学系统的至少一个透镜(3),用以辐射产生的光并获得期望的光辐射性质。
10.依照权利要求9的照明设备,其中光源(1)的光引擎(10)定位在至少一个反射器(2)的外部,光源(1)的向外耦合结构(12)至少基本上定位在至少一个反射器(2)的焦点区域内。
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