CN101517754A - 提供准直光的基于led的平薄照明设备 - Google Patents

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CN101517754A CNA2007800341837A CN200780034183A CN101517754A CN 101517754 A CN101517754 A CN 101517754A CN A2007800341837 A CNA2007800341837 A CN A2007800341837A CN 200780034183 A CN200780034183 A CN 200780034183A CN 101517754 A CN101517754 A CN 101517754A
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W·L·伊泽曼
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Abstract

提供一种发光设备(100)，它包含设置在基板(108)上相互间隔的多个发光二极管(107)。该设备进一步地包含具有前表面(102)和相对的后表面(103)的导光板(101)，导光板具有向所述基板延伸的突出部(104)阵列。导光板被设置成使得发光二极管朝向突出部(104)的光接收面(105)发光。此外，准直仪(110)设置在发光二极管和光接收面之间，以便在光进入导光板之前对光进行准直。来自所述多个LED的光将被传送到导光板中，并且在光通过导光板的前侧出射导光板之前所述光被分布在导光板之中。因此，本发明提供一种发光设备，它提供来自于多个点光源的分布均匀且准直的光。

Description

提供准直光的基于LED的平薄照明设备
技术领域
本发明涉及一种发光设备，包含设置在基板上的多个相互间隔开的发光二极管以及导光板。
背景技术
尤其是如果在例如办公室或专业环境中应用照明设备，那么照明设备应该满足若干要求。第一，光源应该具有足够长的使用寿命。传统的照明设备通常基于荧光灯管，其使用寿命相对有限。在典型的办公室环境下，每6000小时就需要更换这些灯管本身。这相当于每两年进行一次更换，增加了物主的费用。
第二，照明设备的光输出对抗灰尘和其他污垢应该是强健的。因为污垢阻挡光，所以积聚灰尘的照明设备效率降低。因为清洁照明设备是费用昂贵的事情，所以其设计应该强健对抗灰尘和污垢。
第三，照明设备应该满足防眩光要求(统一的眩光率应该足够小)。该防眩光要求意味着照明设备不应该显示任何亮斑。特别地，如果以倾斜的角度观看照明设备，那么照明设备应当没有亮斑。现有技术的照明设备在US6241358中公开，其描述了由一组光导模块串联组成的照明板(lighting panel)，其中单独的荧光灯管为每个光导模块提供光。来自荧光灯管的光被传输到各个光导模块中，被分布在其中并被传输通过光导模块的输出表面。
然而，如上所述，荧光灯管使用寿命有限并且更换费用高。此外，该现有技术中的照明设备中，单个荧光灯管的故障会对照明板的发光能力以及来自照明板的光的均匀性产生严重的负面影响。这样，当其中一个灯管损坏时，必须立即更换这个损坏的灯管。
此外，荧光灯管发射恒定光谱，这限制了这种照明板的颜色可变性能力。
发明内容
本发明的目的在于至少部分地克服现有技术的问题，提供一种使用寿命长的平板照明设备。
本发明的另一个目的在于提供一种提供良好准直的光的发光设备。
本发明的发明人已经发现，通过根据所附权利要求的发光设备可实现上述目的。因此，在一个方面，本发明提供一种发光设备，它包含设置在基板上互相间隔开的多个发光二极管，所述发光二极管设置成在沿着所述基板的表面的整体方向上发光。
此外，该发光设备包含半透明材料制成的导光板，该导光板具有面向所述基板的后表面和相对的前表面，所述后表面包含朝向所述基板延伸的第一阵列突出部，所述突出部提供光接收面以及光反射面，所述光接收面被设置成将来自于发光二极管的光传输到所述导光板中，所述光反射面被设置成将在所述导光板中的光朝向所述前表面反射，所述导光板具有沿着所述光的整体方向的方向元件。
更进一步地，准直器被设置在所述发光二极管和所述光接收面之间的光路上。准直器通常呈漏斗形。
来自多个LED的光将被传输到导光板中，并且在光通过导光板的前表面出射导光板之前，光将被在其中进行分布。因此，本发明提供一种发光设备，它提供来自多个点光源的良好分布的光。
由于发光二极管的使用寿命长，所以利用发光二极管作为主要光源非常有益。因此，维修间隔(service interval)将得以延长，使得物主的费用降低。
此外，发光二极管能够发出饱和色的光，这允许发光设备产生具有较高颜色可变性的光。在本发明的优选的具体实施方式中，准直器将所述发光二极管发射的光在沿着所述基板表面以及垂直于发光二极管所发射光的整体方向的方向进行准直。
由于其设计，导光板将作为准直器，使得从导光板出射的光将在沿着第一阵列突出部的方向进行准直。然而，导光板基本上不会提供在垂直于沿第一阵列或突出部方向的方向上的光的任何准直。通过设置准直器使得进入导光板的光被在沿着所述基板表面以及垂直于发光二极管所发射光的整体方向的方向准直，出射导光板的光将被在垂直于沿着第一阵列或突出部的方向准直。
在本发明的具体实施方式中，反射层可以被设置在准直器和导光板之间，使得经由后表面出射导光板的光可朝向导光板的前表面反射回来，因此增加该设备的光利用效率。
此外，另一个反射层可以被设置在准直器和基板之间，以便防止光从准直器出射朝向基板的方向，并防止来自于发光二极管的散射光通过准直器的表面进入到准直器中，该准直器的表面不是用于接收光的。在本发明的具体实施方式中，反射层可以被设置在所述第一阵列突出部的反射面的后表面一侧。
因为通过反射面出射导光板的光可朝向前表面被反射回来，所以这种反射层增加了光的利用效率。此外，它防止光经由反射面传输到导光板中。在本发明的具体实施方式中，多个一个的发光二极管可以将光提供给突出部的单个光接收面。
例如，设置成向单个光接收面提供光的多个LED可一起形成一个扩展的光源，在多个LED中的一个或几个LED损坏的情况下，由于邻近的LED仍处于工作状态，因此该光源不会完全失效。
此外，不同颜色的多个LED(通常是独立可寻址的)可以向单个接收面提供光，从而提供颜色可变的发光设备。典型地，所述第一阵列突出部具有三角形的横截面，优选地，其中光接收面和导光板的前表面之间的角度大于光反射面和前表面之间的角度。在本发明的具体实施方式中，其上设置有发光二极管的基板可以包含多个互相间隔开的凹槽。
这种凹槽可以用来改善和方便导光板在基板上的对齐。在本发明的具体实施方式中，重新定向薄片可以设置在所述导光板的前侧，其中重新定向薄片具有面向导光板前侧的棱柱面的表面。这种重新定向薄片可以设置成将出射导光板的光重新定向到所需方向上。
附图说明
现在参考所附的显示本发明当前优选实施方式的附图，本发明的这个方面和其他方面将被更详细地描述。
图1a以横断面视图图示本发明的发光设备的具体实施方式。
图1b以透视图图示图1a的具体实施方式。
图1c图示图1b中所示的准直器的可替换的设计。
图2图示本发明的发光设备的另一个具体实施方式。
图3图示本发明的发光设备的又一个具体实施方式。
具体实施方式
图1a中显示本发明的一个具体实施方式中的发光设备100，它包含设置在基板108上的互相间隔的多个发光二极管(LED)107的阵列。
发光二极管107设置成发射基本上与整体方向L方向相同的、基本上沿着基板108的表面、以及沿着LED阵列方向的光。
能够在基本上沿着安装LED的基板表面的整体方向上发光的LED尤其适用于本发明。这种二极管的实例通常被称为侧面发光二极管。然而，在本文中，缩写为“LED”的术语“发光二极管”是指本领域技术人员所知的任何类型的发光二极管，包括但不限于基于无机的发光二极管、基于有机的发光二极管(OLED和polyLED)以及激光二极管。
发光设备100进一步地包含半透明材料制成的导光板101，其具有前表面102和面向发光二极管107的相对的后表面103。导光板设置成经由后表面103接收来自发光二极管的光，分布所接收的光，并经由前表面102将已分布的光传输到周围环境中。
用于导光板101的适合材料包含半透明材料，例如但不限于聚合材料(即PMMA或聚碳酸酯)、陶瓷材料和玻璃材料。
导光板101的后表面103存在着向基板108延伸的第一阵列突出部104。突出部104设计成具有光接收面105，来自发光二极管107的光通过该光接收面105进入导光板101。突出部104还具有光反射面106，典型地是突出部的交替面，那些已经被传输到导光板101中的光在光反射面106上被朝向导光板的前表面反射。
导光板101被设置成使得第一阵列突出部104与基板108上的LED107阵列对齐。
典型地，突出部具有三角形的横截面，优选地如图1a中所示，其不对称使得接收面105具有比反射面106更陡的斜度。
典型地，接收面105和导光板101的前表面102之间的角度α大于反射面106和前表面102之间的角度β。
角度α的范围典型地为从60°到90°，角度β的范围典型地为从1°到15°。
导光板101的突出部104的间距，即相邻突出部之间的重复距离典型地在1毫米到30毫米的范围内，比如从大约10毫米到大约20毫米。
在工作状态下，来自发光二极管107的光经由突出部104的接收面105被传输到导光板中。当光在导光板中传播时，光交替地遇到导光板的前表面102或突出部的反射面106。
取决于遇到前表面102时的入射角，并根据Snell折射定律，光朝向后表面103被透射出导光板101，或者被反射回(全内反射)到导光板中，在后表面103，光会遇到反射面106，从而再次朝向前表面102反射。由于在前表面102和反射面106之间的角度，第二次遇到前表面102时的入射角将小于先前遇到前表面102的入射角，直到入射角最后变成小于透射出导光板的临界角。
在反射面106上的反射，至少部分地取决于这些表面上的全内反射。
然而，当反射面106上的入射角如此允许时，光还将能通过导光板的后表面103出射导光板。为了还能够利用从导光板后表面传输出的光，在设置了发光二极管107的基板108上提供反射涂层或类似物质是有益的，以便将该光向导光板101反射回来且进入导光板101中。
此外，反射面106可提供有反射涂层109。经由反射面106从导光板传输出来的光将朝向导光板的前表面反射回来。这会提高该设备的光利用效率。
比如这种反射层109可以由反射材料制成的薄片(foil)组成，并且可设置在反射面106和基板108之间，或者设置在反射面106和准直器110之间(典型地，在反射面106附近)，或者作为在反射面106的后表面一侧上的反射涂层。优选地，反射层109由靠着反射面106放置的反射薄片构成。在本具体实施方式中，准直器110位于发光二极管107和对应的接收面105之间的光路中，从而在光进入导光板101之前对光进行准直。
尤其是，准直器110适用于对沿着基板108的表面以及垂直于发光二极管发射的光的整体方向的光进行准直。
如在本文中所使用的，术语“准直”是指减少光的角展度的动作。因此，“准直器”是指能够接收来自光源的光并减少所接收的光的角展度的光学元件。
典型地，准直器110具有楔形漏斗形状，使得准直器具有逐渐增加的横截面积，准直器接收来自于LED的光的一侧(即输入侧)的面积最小，而输出侧的面积最大，用于将光传输出准直器并进入突出部104的光接收面105。
如本领域的技术人员所公知的那样，由于光在准直器的楔形侧壁上的反射，经由输出侧出射出准直器的光比在输出侧进入准直器的光具有更小的角展度(即将更为准直)。
如图1b中所示，准直器110可以具有直的楔形侧壁，但如图1c中所示，准直器110还可以具有曲线的楔形侧壁。具有曲线的楔形侧壁的准直器110的具体例子通常被称为复合抛物面聚光器(CPC)准直器，其中侧壁的曲率类似于抛物线的曲率。
使用具有曲线的楔形侧壁的准直器的一个益处在于，为了实现特定的准直，这种准直器的长度与具有直线的楔形侧壁的准直器相比可以被降低。因此，可获得更紧凑的准直器。然而，还有本领域的技术人员已知的其他形状的准直器可以用于本发明，以便在光进入导光板之前对光进行准直。
例如，准直器还可以设计成也在沿着基板法线的方向准直光，以便在与光的主方向(L)正交的两个方向上提供经过良好准直的光。
准直器110的侧壁可以是光亮的壁，其中准直器内部的光的反射依赖于全内反射。然而，至少其中一些侧壁(除输入表面和输出表面之外)可以是不透明的镜面。
任选地，反射层111可以设置在准直器110和导光板之间，以便防止光从准直器出射向导光板的其它位置而没有通过预定的准直器输出侧。
此外，反射层112任选地可以设置在准直器110和基板之间，以便防止光从准直器出射向基板。
典型地，反射层111和112是靠着准直器110的相应表面放置的反射薄片，或者可选地，可以是在准直器上的反射涂层。
反射层111可以是单独的一层，或者可选地，实际上就是上面所描述的反射层109，比如双面镜。
如图1b中所示，突出部104阵列是延伸的、互相平行的突出部阵列，并且在这种情况下，多于一个的发光二极管的阵列被设置成向单个接收面105提供光。
对来自于这种发光二极管阵列的光进行准直的准直器110对于阵列中的每个LED而言可以是分离的准直器，或者可以是并排结合在一起的几个准直器的布置，以接收和准直来自于多个LED的光。
如图1b中所示，互相间隔开的LED 107阵列可以是互相间隔开的行的阵列，其中每行包含多个LED。突出部104阵列可以是延伸的、互相平行的突出部阵列，其中一整行(即多于一个发光二极管)位于两个相邻的突出部之间的单个间距中。因此，多于一个发光二极管107向接收面105提供光。
例如，排成一行并向单个接收面105提供光的多个LED 107可作为空间上延伸的线性光源。如果在这样的一行中的这些发光二极管中的一个偶然损坏，其对发光设备的整体性能的影响仅仅是次要的，因为向与该损坏的发光二极管同样的接收面提供光的邻近的发光二极管仍然在工作。
此外，多于一种颜色的发光二极管可用来向同一接收面提供光，以便提供一种颜色可变的发光设备。例如，不同颜色(比如红色LED、绿色LED和蓝色LED)的三个或以上的独立可寻址的发光二极管可以形成颜色可变的发光单元(RGB单元)。在本发明的另一个具体实施方式中，如图2中所示，其上设置LED的基板108包含在互相间隔开的发光二极管107之间的多个凹槽209。基板108中的多个凹槽209优选地与导光板的周期特性相对齐，即与突出部104阵列对齐。因此，两个相邻的这种凹槽209之间的距离对应于导光板101的两个相邻的突出部104之间的距离。
例如，准直器110的部分可以位于凹槽209中。这改善且便于将LED 107与导光板的突出部104的接收面105相对齐。如对于本领域的技术人员来说将是显而易见的那样，如图1和图2中所示的来自于发光设备的光典型地将经由导光板的前表面102以关于前表面102的法线的一个很明显的角度从导光板中出射到周围环境中。
例如，这种发光设备很适合于被悬挂在墙壁上时用于照亮天花板，或者被设置在天花板上时用于照亮墙壁，并且可用于想要偏离前表面的法线的光发射的其他目的。
然而，在某些应用中，想要重新定向从导光板出射的光，比如以获得具有处于或接近于导光板前表面的法线的主方向的光。
因此，在本发明的具体实施方式中，如图3所示，重新定向薄片310可设置在前表面102上以接收经由前表面102出射该导光板101的光，以便重新定向该光的主方向。
这种重新定向薄片310的例子包含半透明材料(即，塑料、陶瓷、或玻璃)制成的薄片，其具有面向导光板前表面102的棱柱表面311。
在一个具体实施方式中，棱柱表面311包含互相平行的突出部312的第二阵列。为了高效率，有益地，第二阵列的突出部312与导光板101的突出部104基本上相平行。
典型地，第二阵列的突出部312具有三角形的横截面，其顶角在20至70°的范围内。典型地，第二阵列的突出部312以一个间距(两个相邻突出部之间的距离)形成，该间距明显小于第一阵列的突出部104的间距。典型地，第二阵列的突出部312的间距在大约50微米到500微米的范围之内。
第二阵列的突出部312关于导光板前表面102的法线可以是对称的，或是不对称的，在此意义上，突出部的中心线可以平行(对称)或不平行(不对称)于前表面102的法线。
具有三角形横截面的突出部的中心线是一条想象的线，其将顶角划分成两个同样大的部分。
一种量化对称/不对称的方法是将倾角γ定义为突出部312的中心线与导光板101的前表面102的法线之间的角度。因此，γ＝0°指的是对称的突出部，γ＞0°指的是沿着发光二极管发射的光的整体方向倾斜的不对称的突出部，而γ＜0°指的是与发光二极管发射出的光的整体方向相反倾斜的不对称的突出部。因此，如果发光二极管发射出的光的整体方向向右，那么γ＞0°指的是朝右倾斜的突出部，而γ＜0°指的是朝左倾斜的突出部(如图3所示)。
典型地，第二阵列的突出部312的倾角γ在-15°到15°的范围内，而且可以是固定的或者可以沿着阵列改变。
第二阵列的突出部312的顶角和倾角已经被显示影响从重新定向薄片出射到周围环境中的光。
重新定向薄片310的一种效果是给出出射光倾向于在相对于该重新定向薄片的法线的不同角度上显示多个强度峰值。
顶角值大约为40°时，仅仅出现了一个强度峰值。因此，在本发明的一些具体实施方式中，由于实现了单个强度峰值，所以大约40°表示一个优选的顶角。
此外，在大约11°的倾角γ，光出射重新定向薄片310，与重新定向薄片的法线大致平行。因此，在本发明的一些具体实施方式中，优选大约11°的倾角，因为这种发光设备产生垂直于发光设备表面的光。在更小的倾角，比如0°，光以相对于重新定向薄片的法线成负角出射重新定向薄片310。在更大的倾角，比如15°，光以相对于重新定向薄片的法线成正角出射重新定向薄片310。在本发明的另一个具体实施方式中，为了将来自于该设备的不同部分的光导向不同的方向，第二阵列的突出部312的倾角γ沿着第二阵列的延伸而变化。比如，倾角γ可以沿着第二阵列在LED所发射的光的整体方向减少，比如从大约15°减少到-5°(诸如从11°减少到0°)(即，如果LED设置成通常向右发光，则第二阵列突出部312的倾角γ在第二阵列的左部分的值大于在该阵列的右部分的值)。这种改变倾角的方式将会导致来自本发明的发光设备的光的聚焦。
本领域的技术人员意识到本发明决不限于上述优选的具体实施方式。相反，在所附权利要求的范围内，有可能进行许多修改和变动。比如，重新定向薄片310可以被分成两个或更多的区域，其中重新定向薄片的突出部312的倾角γ在第一这样的区域内具有第一值，而在第二区域内具有第二这样的值。这可以被使用以实现例如在两个不同的角度下具有两个强度峰值的光强分布。

Claims (12)

1、光发射设备(100)，包含相互间隔地设置在基板(108)上的多个发光二极管(107)，所述发光二极管(107)设置成沿着所述基板表面的整体方向(L)发光，其中
该光发射设备进一步包含半透明材料的导光板(101)，该导光板具有面向所述基板(108)的后表面(103)以及相对的前表面(102)，
所述后表面(103)包含朝向所述基板(108)延伸的第一阵列突出部(104)，所述突出部(104)提供光接收面(105)以及光反射面(106)，所述光接收面(105)用于将来自于发光二极管(107)的光传输到所述导光板中，所述光反射面(106)用于将光反射在所述导光板(101)中，所述光具有沿着所述光的整体方向、朝向所述前表面(102)的方向分量，以及
其中准直器(110)设置在所述发光二极管(107)和所述光接收面(105)之间的光路中。
2、根据权利要求1的光发射设备，其中所述准直器(110)将所述发光二极管发射的光在沿着所述基板(108)的表面和垂直于所述发光二极管(107)发射的光的整体方向(L)的方向进行准直。
3、根据权利要求1或2的光发射设备，其中所述准直器(110)呈漏斗形。
4、根据前述任意权利要求的光发射设备，其中反射面(111)设置在所述导光板和所述准直元件之间。
5、根据前述任意权利要求的光发射设备，其中反射面(112)设置在所述基板和所述准直元件之间。
6、根据前述任意权利要求的光发射设备，其中反射层(109)设置在所述突出部(104)的至少一部分的反射面(106)的后表面侧。
7、根据前述任意权利要求的光发射设备，其中多于一个的发光二极管向单个光接收面(105)提供光。
8、根据前述任意权利要求的光发射设备，其中所述第一阵列突出部(104)包含相互平行的延伸的突出部。
9、根据前述任意权利要求的光发射设备，其中所述的第一阵列突出部(104)具有三角形的横截面。
10、根据前述任意权利要求的光发射设备，其中所述光接收面(105)和所述前表面(102)之间的角度(α)大于所述光反射面(106)和所述前表面(102)之间的角度(β)。
11、根据前述任意权利要求的光发射设备，其中所述基板(208)包含多个相互间隔开的凹槽(209)。
12、根据前述任意权利要求的光发射设备，其中重新定向薄片(310)设置在所述导光板的所述前表面(102)上，所述重新定向薄片具有面向所述前表面(102)的棱柱面的表面(311)。
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