CN101501392B - 包括光源和光导的照明设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种照明设备(1)，其包括用于生成光的半导体光源(10)以及用于把所述光馈送到次要光学系统(30)的主光学系统(20)，所述次要光学系统被提供来辐射所述光并且用于实现所期望的辐射图案。所述半导体光源可以包括LED和/或激光二极管。所述主光学系统包括光导，所述光导具有镜像端面(24)和用于把光引导到所述次要光学系统中的外耦合结构(25)。所述镜像端面光学地折叠所述光导，从而有效地延长在所述光导内有利地均匀化所述光的长度。此外，通过光学地折叠所述光导可以更为经济地使用所述次要光学系统内的空间。这在设计对应于基于卤素的照明设备的现有外形的基于LED的改进型时是特别有利的。

Description

包括光源和光导的照明设备
技术领域
本发明涉及一种照明设备，其包括：半导体光源装置；主光学系统，其包括光导，所述光导具有第一端部、第二端部、在所述第一端部与第二端部之间延伸的光轴以及位于所述第一端部与第二端部之间以用于外耦合光的外耦合结构，其中所述光源装置被设置成把光耦合到所述第一端部中；次要光学系统，其中所述光导被设置成把外耦合的光引导到所述次要光学系统中以便实现所期望的光辐射图案(radiation pattern)。这种照明设备的规格特别被确定成替代使用白炽、卤素或气体放电灯泡或灯头的传统照明设备。
背景技术
可以从申请WO2006054199中获知所提到的该类照明设备的一个实施例。该文献公开了一种光源，所述光源包括光引擎(其特别具有至少一个半导体发光元件，比如LED和/或激光二极管)和作为主光学系统的光导，所述光导是改进型，从而其可以与诸如反射镜和/或透镜之类的传统的次要光学系统(其被特别设计用于上面提到的传统光源)组合使用，并且可以替换这些传统的系统而不会显著降低所述辐射图案特性的质量。
这种方法的优点在于，可以与LED相对于传统光源的增强性能(比如更长的使用寿命和更低的能量消耗)组合应用已知的次要光学系统。此外，可以按照传统的外形制造整个设备，比如低电压卤素PAR或分色反射镜灯。
但是WO2006054199所没有覆盖的最终的光辐射图案的一个特性是在使用了分别具有不同颜色的多个发光元件的情况下的颜色均匀性。颜色均匀性对于高质量照明来说是非常重要的，这是因为人眼对于近距离的两点之间颜色差异非常敏感。特别在具有光束生成光学器件的设备内利用LED芯片的多色阵列来产生白色光时存在上述问题。这种设备的一个例子将是基于发白光的卤素的照明设备——比如具有GU5.3底座的50mm直径分色抛物面反射镜灯——其中所述阵列包括红色、绿色和蓝色LED。于是可以明显看出所述红色、绿色和蓝色光的原点在空间上是分开的。于是如果在混合这些不同颜色时不采取预防措施，那么所述空间分离在所述设备的辐射图案中将变得显而易见。
为了解决所述混合问题已经提出了几种解决方案，但是所有这些解决方案都存在牺牲了一条或多条标准的缺点，所述标准比如是发光体的尺寸、光束的角宽度或者总体效率。此外，某些混合解决方案具有非常严格的对准要求。
针对所述混合问题的一种公知的解决方案是光导。这种“混合棒”的优点在于，其(与用于准直的附加光学器件相组合)保留了所述光束的角宽度以及设备的总体效率。但是这些混合棒的缺点在于，良好的颜色混合需要较大的长度/厚度比。但是这样也将降低内耦合效率，从而减低所述设备的总体效率。替换方案是增大所述光导的长度。但是这与在WO2006054199中公开的设备的在现有灯外形中实现所述照明设备的目的不一致。由于抛物面反射镜的焦点的位置靠近反射镜杯(reflector cup)的底座，并且必须把所述光导的外耦合结构放置在该焦点处，用于改进所述均匀性的显而易见的解决方案将是把所述光导延伸到所述反射镜的后部并且延伸到所述底座中。但是在给定现有的外形的情况下，所述底座的长度是固定的。
发明内容
本发明的一个目的是提供上面阐述的该类照明设备，其中利用光导执行良好的光混合，所述光导短到足以装配到现有的灯外形中。该目的是利用如权利要求1所限定的根据本发明的照明设备来实现的。所述照明设备包括：半导体光源装置；主光学系统，其包括光导，所述光导具有第一端部、第二端部、在所述第一端部与第二端部之间延伸的光轴以及位于所述第一端部与第二端部之间以用于外耦合光的外耦合结构，其中所述光源装置被设置成把光耦合到所述第一端部中；次要光学系统，其中所述光导被设置成把外耦合的光引导到所述次要光学系统中以便实现所期望的光辐射图案，所述光导的第二端部具有镜像端面。
本发明提供一种窄束照明设备，其具有现有灯外形(比如PAR灯)的紧致性并且具有改变及控制颜色和功率的能力。
通过对所述光导的第二端部应用镜像，所述光被反射回所述光导中，从而有效地延长了所述光在所述光导内部所行经的路径。从光学的角度来说，通过对其端面应用镜像而折叠了所述光导。上面描述的解决方案的一个显著的优点在于，对所述次要光学系统内部的空间的使用更为经济。这样有效地产生了延长的长度，否则所述长度必然将凸出到后部。
在本发明的一个实施例中，通过提供一种照明设备来进一步改进所述光辐射图案的均匀性，在所述照明设备中，所述光导具有与所述光轴正交的多边形截面。
根据本发明的一个实施例，所述照明设备包括光导，其中所述第一和第二端部具有不同的横向多边形截面。
在根据本发明的照明设备的一个实施例中，所述第一和第二端部分别具有一定的横截面积，其特征在于，所述第二端部的截面积大于所述第一端部的截面积。
在本发明的一个实施例中，所述第二与第一端部的横截面积的比值大于2。优选地，该比值大于9。
在一个实施例中，所述第一和第二端部围成一个过渡部分(transition portion)，所述过渡部分具有外表面，所述外表面与所述光轴围成一个小于90°的角(α)。
在一个实施例中，所述过渡部分具有外表面，所述外表面是从包括锥形面和小平面(facetted surface)的组中选择的。
根据一个实施例，所述外耦合结构位于所述过渡部分中，并且在所述光导的周界的至少一部分上延伸。为了获得所述照明设备的最优效率，优选地把所述外耦合结构设置成基本上横断所述光轴外耦合光。
这可以有利地通过为所述外耦合结构的表面涂覆反射层来实现。或者，所述外耦合结构的表面可以具有用于发射漫射光的构造。
在一个实施例中，所述外耦合结构在所述过渡部分的一定体积上延伸，所述体积包括漫散射材料。或者，所述过渡部分的所述体积包括全息光栅。
参照下面描述的实施例，本发明的上述和其他方面将变得显而易见。
附图说明
在下面结合附图对示例性的优选实施例做出的描述中将公开本发明的其他细节、特征和优点。
图1是穿过照明设备的第一实施例的纵截面。
图2示出了与所述光导的光轴正交的多种可能的多边形截面。
图3示出了沿着从所述第一端部到第二端部的所述光导的光轴的视图。
图4A-D示意性地示出了具有不同的外耦合结构的所述光导的多种纵截面。
具体实施方式
图1示出了穿过根据本发明的照明设备1的第一实施例的纵截面。所述照明设备包括用于生成光的半导体光源10以及用于把所述光馈送到次要光学系统30的主光学系统20，所述次要光学系统被提供来辐射所述光并且实现所期望的辐射图案。
所述半导体光源10包括至少一个发光元件，比如LED或激光二极管。
所述主光学系统20包括光导，所述光导具有第一端部21、第二端部22、在所述第一和第二端部之间延伸的光轴23、镜像端面24以及外耦合结构25，所述外耦合结构位于所述第一和第二端部之间以用于把外耦合的光引导到所述次要光学系统30中。
所述次要光学系统30包括反射镜和/或透镜系统，其被设计成实现所期望的光辐射图案。优选地，所述外耦合结构25位于该次要光学系统的聚焦区域内。
由所述光源10生成的光有利地位于所述次要光学系统30的外部，从而可以很容易地应用吸热器(未示出)，以便从所述LED中吸取过多的能量而不会妨碍所述次要光学系统30的光学功能。通过应用标准光学元件(未示出)来准直由所述LED生成的光，并且将其导向所述光导的第一端部21，从而使得所述光处在所述光导的TIR角内。
所述光源10可以包含不同颜色的LED或激光二极管(例如红色、绿色、蓝色和琥珀色LED)，以便产生具有可调节的颜色(或温度-温度白色)光。可替换地，所述光源10可以包含涂覆了磷光体的LED。可以明显看出，所述红色、绿色、蓝色和琥珀色光的原点在空间上是分开的。结果，在混合这些不同的颜色以便形成均匀的辐射图案时必须采取特殊的预防措施。众所周知，由折射率大于1的透明材料制成的光导可以执行该混合功能。玻璃和塑料都是公知的适当材料，所述塑料比如是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmetacrylate)(PMMA)或聚碳酸酯(PC)。此外，利用延长的光导长度来改进所述光的混合也是公知的。
由于所述次要光学系统30(例如抛物面、分段式或双曲面反射镜)的焦点位于其底座附近并且所述光导的外耦合结构必须位于该焦点处，因此针对改进所述均匀性的显而易见的解决方案将是把所述光导延伸到所述次要光学系统的后部。
如果想要在现有的灯外形(比如具有GU5.3底座的PhilipsStandard Line 50mm直径分色抛物面反射镜灯(未示出))中利用光导作为混合棒来实现基于LED的照明设备，则该外形设定了对应于所述设备的总体长度的边界条件。于是把所述光导延伸到所述次要光学系统的后部的做法与所述设计目的的边界条件不一致。
通过对所述光导的第二端部22的端面24应用镜像，所述光被反射回所述光导中，从而有效地延长了所述光在所述光导内部所行经的路径。可以在所述端面24处提供银或铝的涂层以便构造所述镜像。或者可以使用形成干涉涂层的具有交替的高/低折射率的多层层叠。
作为应用所述镜像的结果，在所述光被外耦合之前，在所述光导的侧壁处的TIR反射的次数增多。这种解决方案的一个显著优点在于，对所述次要光学系统30内部的空间的使用更为经济。
例如考虑上面提到的Philips Standard Line灯。该设备从所述杯的前面到所述电连接引脚的后面的总体长度是53mm。此外，所述反射镜杯的前面与所述反射镜的底座之间的距离是30mm。这在所述抛物面反射镜的焦点与所述灯的后端之间为设计者留下了仅仅20mm的距离来容纳所述光导。此外还应当注意到，由于所述LED、吸热器、控制电子装置和内耦合光学器件的配置，该长度通常被减小。另一方面，已经发现根据WO2006054199中的公开内容的线性混合棒对于可以接受的均匀性需要至少30mm的长度。
在上面阐述的该类照明设备的一个实施例中，所述光导将具有20mm的总长度，其中大约在中点处具有外耦合结构。由于在所述第二端部的端面处应用了所述镜像，所述混合棒的光学长度总共是30mm，其中大约20mm处于所述反射镜杯的内部。但是所述杯内部的物理长度仅有大约10mm。
鉴于所述光导在很大程度上位于所述反射镜杯的内部，必须采取预防措施以防止所述光导本身阻断从所述次要光学系统反射的光。因此优选地是在基本上与所述光导的光轴23正交的方向上从所述光导外耦合所述光。
为了优化所述照明设备的效率，在所述外耦合结构25处从所述光导中提取出的光量优选地尽可能大。用来实现这一点的一种独创性方式是把所述光导的第一21和第二22端部设计成具有不同的横(即与所述光轴正交)截面积，从而使得有一个过渡部分位于所述两个端部之间。优选地，所述外耦合结构25位于该过渡部分处，并且在所述光导的周界的至少一部分上延伸。如果用a表示所述光导的第一端部的横截面积，并且用A表示第二端部的横截面积，那么所述外耦合效率就按照比值A/a缩放。也就是说，如果A＝9a，那么耦合到所述光导的第一端部中的光的大约90％将到达所述外耦合结构25。因此，所述比值A/a优选地至少是2，或者更好的是大于9。
图2示出了所述光导的多种横截面。虽然所述光导的截面可以是圆形的，但是其优选地具有非圆的形状，以便进一步改进所述不同光颜色的混合。所述横截面可以是三角形、正方形、五边形、六边形或者更高阶的多边形。优选地，所述多边形的阶数低于12，这是因为更高阶的多边形将过于接近地模拟圆形截面，从而减损了在颜色混合方面的改进。对于所述光导的截面使用哪一种多边形的选择特别是由所述光源10中的LED芯片的配置决定的。已经发现，五边形截面非常适用于混合被设置在正方形的各角处的LED芯片的光。还发现前面阐述的该类照明系统的一个附加的优点在于，所述LED关于所述光导的光轴23的对准变得没有那么关键。
特别在所述光导的第一21和第二22端部具有不同的横截面积的情况下，有利的是令所述两个端部具有不同的多边形截面。较厚的端部的多边形的阶数优选地是较薄的端部多边形的阶数的两倍。其优点在于，可以很容易地设计所述过渡部分的表面的分段数，这是因为所述分段本身就将是多边形。这可以从图3中看出，其中从所述第一端部21到第二端部22给出沿着所述光导的光轴23的视图。在这里，所述第一端部21较薄并且具有五边形截面，所述第二端部22则具有十边形界面。在本例中，所述过渡部分的表面的各分段本身是五边形。或者，所述过渡部分的表面可以被设计成具有锥形面。
在其中所述过渡部分具有锥形面的后一种情况下，该表面与所述光轴23围成一个角度α，这是因为所述圆锥由其顶角指定。如图4A所示，当所述角度α小于90°时，所述过渡部分为凹。如图4B所示，当所述角度α大于90°时，所述过渡部分为凸。对于所述过渡部分的小平面，所述顶角不是唯一定义的，这是因为该表面不具有C∞对称性。从图3中给出的例子可以看出，由所述小平面与所述光轴23围成的角度α受到范围限制。图3中的五边形的各顶点位于与所述光轴23正交的单一平面内，所述十边形的各顶点并不处在单一横平面内。实际上，有两组各5个顶点位于两个横平面内。因此，与所述光轴23相交于点V并且位于所述过渡部分的其中一个小平面内的一条线在与最靠近所述点V的横平面内的所述十边形的其中一个顶点相连时将形成最大角度α。或者，一条类似的线在与最远离所述点V的横平面内的所述十边形的其中一个顶点相连时将形成最小角度α。在结合切割过渡部分讨论所述角度α时应当理解，应当取得所述最大角度。
图4A-D示出了4种不同的外耦合结构25。在图4A示出的实施例中，所述过渡部分具有外表面，所述外表面与所述光轴围成一个小于90°的角度α。为了在基本上与所述光轴正交的方向上把所述光51耦合出所述光导，为所述外表面涂覆反射层40。与所述第二端部22的端面24的情况一样，该反射层可以由银、铝、干涉多层层叠或者本领域中已知的任何其他高度反射涂层制成。
在图4B示出的实施例中，所述过渡部分具有外表面，所述外表面与所述光轴围成一个大于90°的角度α。在这种情况下，所述过渡部分的外表面优选地具有构造41以用于从所述光导中发射漫射光52。在α＞90°的情况下，所述过渡部分的外表面处的漫发射构造优于反射涂层。在前一种情况下，所述光被直接耦合出所述光导。在后一种情况下，所述光行经所述光导到达所述过渡部分周界的另一侧。所述光可能在该处被反射回所述光导，从而降低了所述外耦合效率。
在图4C和4D示出的实施例中，所述过渡部分具有外表面，所述外表面与所述光轴围成一个等于90°的角度α。此外图中还示意性地示出，取代由所述过渡部分的外表面形成所述外耦合结构，所述外耦合结构在所述过渡部分的一定体积上延伸。所述体积可以包括例如由小粒子制成的漫散射材料42，其折射率不同于宿主材料，并且分散在所述光导的过渡部分的整个体积内。或者，所述体积可以包括全息光栅43，其例如由具有重复折射率光栅的结构制成。在使用这种基于体积的外耦合结构时，有利的是使得所述外耦合结构的可用体积最大化。因此，有利的是组合这种基于体积的外耦合结构，其中所述过渡部分具有外表面，所述外表面与所述光轴围成一个等于90°的角度α。
虽然参照上面描述的实施例阐述了本发明，但是可以明显看出，可以替换地使用其他实施例来实现相同的目的。因此，本发明的范围不限于上面描述的实施例，而是可以被应用于其中期望有特定的光辐射图案的任何其他应用设备，比如汽车头灯照明系统或者显示器投影系统。
还应当注意到，在本说明书及所附权利要求书中，“包括”一词应当被理解成指定所声明的特征、整数、步骤或组件的存在，而不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、组件或其组合。还应当注意到，在权利要求中，元件之前的“一个”不排除多个这种元件的存在。此外，任何附图标记都不限制所附权利要求书的范围；本发明可以用硬件和软件来实现，并且可以用同一项硬件来表示几个“装置”。此外，本发明在于每一个新颖特征或特征组合。

Claims (14)

1.一种照明设备(1)，其包括：主光学系统(20)，其包括光导，所述光导包括第一端部(21)、具有镜像端面(24)的第二端部(22)、在所述第一端部与第二端部之间延伸的光轴(23)以及位于所述第一端部与第二端部之间以用于外耦合光的外耦合结构(25)；半导体光源装置(10)，其被设置成将光耦合到所述第一端部中；以及次要光学系统(30)，所述光导被设置成将外耦合的光引导到所述次要光学系统中，以便实现所期望的光辐射图案，其特征在于，所述光导的第一(21)和第二(22)端部具有不同的多边形横截面。
2.根据权利要求1的照明设备，其中所述第一(21)和第二(22)端部分别具有横截面积，所述第二端部的截面积大于所述第一端部的截面积。
3.根据权利要求2的照明设备，其中所述第二(22)与第一(21)端部的横截面积的比值大于2。
4.根据权利要求3的照明设备，其中所述第二(22)与第一(21)端部的横截面积的比值大于9。
5.根据权利要求2的照明设备，其中所述第一(21)和第二(22)端部围成过渡部分，所述过渡部分具有外表面，所述外表面与所述光轴围成小于90°的角(α)。
6.根据权利要求2的照明设备，其中所述第一(21)和第二(22)端部围成过渡部分，所述过渡部分具有外表面，所述外表面是从包括锥形面和小平面的组中选择的。
7.根据权利要求2的照明设备，其中所述第一(21)和第二(22)端部围成过渡部分，并且所述外耦合结构(25)位于所述过渡部分中并在所述光导的周界的至少一部分上延伸。
8.根据权利要求7的照明设备，其中所述外耦合结构被设置成基本上与所述光轴正交地外耦合所述光。
9.根据权利要求7的照明设备，其中所述外耦合结构(25)具有涂覆了反射层(40)的表面。
10.根据权利要求7的照明设备，其中所述外耦合结构(25)的表面具有用于发射漫射光的构造(41)。
11.根据权利要求7的照明设备，其中所述外耦合结构(25)在所述过渡部分的一定体积上延伸，所述体积包括漫散射材料(42)。
12.根据权利要求7的照明设备，其中所述外耦合结构(25)在所述过渡部分的一定体积上延伸，所述体积包括全息光栅(43)。
13.根据权利要求1的照明设备，其中所述光导由从包括玻璃和塑料的组中选择的材料制成。
14.根据权利要求13的照明设备，其中所述塑料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)。
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