CN101529156A - 照明设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及照明设备(10)。照明设备包括光导板(12)和至少一个发光二极管(LED)阵列(14)，LED容纳在布置于光导板中的孔内，其中每一个孔具有：至少两个侧面(18)，来自LED的光通过所述侧面横向地耦合进入光导板；以及至少一个拐角(20)，其由至少两个侧面的两个相交侧面形成。这促进了在相邻光源处的TIR，并且因此减少了由于在相邻孔的处吸收或散射而引起的损失。

Description

照明设备
技术领域
本发明涉及包括光导板和多个发光二极管的照明设备。
背景技术
在固态光源(比如发光二极管(LED))的亮度、发光效率和承受能力方面的进展使得新照明应用不再局限于机会市场(nichemarket)。LED提供了超越传统光源的多个优点，比如长寿命、低工作电压、瞬时接通等等。由于这些和其他原因，LED变得越来越适用于制作用于多种应用的灯，比如变色灯、聚光灯、LCD背光照明、建筑照明、舞台照明等等。
对于许多照明应用，单个LED的光是不够的，并且需要组合多个LED的光以形成光源。一种解决方案是：在光射出照明设备之前，在光导中混合了复数个LED所发射的光。例如，在网址为http://www.lumileds.com/pdfs/Luxeon_light_source_solutions .pdf的由Lumileds2004年在西雅图提供的文献“LED Backlightdesigns using luxeon high flux light source solutions”中，公开了一种这样的方案。图1a-1b中示意性示出了该文献中描述的基于侧发光LED的背光灯(backlight)。参照图1a-1b，背光灯100包括设有圆形通孔104b的光导102，该通孔以线性阵列的形式沿着光导的边缘106布置。在每一个通孔中，设置侧发光LED 108，从而来自LED的光通过通孔的侧壁耦合进入光导，如示范性的光线轨迹110所示。
然而，在这个方案中，当向内耦合孔104具有小间距时，可能发生的是：来自一个LED 108a的光通过相邻的孔104离开光导102，并且在该孔内部的LED 108b处被吸收或散射。这可以通过图1a中的示范性光线轨迹112来示出。仿真已经显示：对于侧发光LED的密集线性阵列，漏光典型地为大约10％(每个相邻孔5％)。因此，降低了这种照明设备的发光效率。
发明内容
本发明的目的是克服或至少缓解这个问题并且提供一种具有改进的发光效率的照明设备。
从下面描述中将显而易见的这个和其他目的可以通过一种包括光导板和至少一个发光二极管(LED)阵列的照明设备实现，所述LED容纳在布置于光导板中的孔内，其中每一个孔具有：至少两个侧面，来自布置于孔内LED的光通过所述侧面横向地耦合进入光导板；以及至少一个拐角，其由至少两个侧面的两个相交(conver gi ng)侧面形成。
通过具有在两个向内耦合侧面之间的拐角的孔结构，来自布置于孔内LED的光可以分成子光束，每一个子光束大约地垂直于其起始侧面，从而使光的方向能够控制，以阻止光进入相邻孔。因此，可以减少由于在照明设备中相邻光源处的吸收或散射所造成的损失，并且可以提高照明设备的发光效率。为此，优选地，孔布置成将子光束反射远离相邻孔的侧面，并且因此不进入相邻的孔内。
例如，在一个实施例中，一个孔的至少一个拐角的角指向相邻孔。也就是说，优选地，孔的中心与拐角之间的假想直线延长部分横贯相邻孔。通过将孔的拐角(corner)指向给定方向，更少的光将发送到那个方向。因此，通过一个孔的向内耦合侧面耦合进入光导板的光通常(如果发生过的话)以较大的入射角度(例如，与上述现有技术方案相比)撞击相邻孔的侧面，由此提高了相邻孔的侧面处全内反射(TIR)的概率，使得光不会进入那个孔。
在另一个实施例中，一个孔的拐角和相邻孔的拐角彼此指向对方。也就是说，一个孔的拐角不仅指向相邻孔，而且具体地指向相邻孔的拐角。这进一步确保了来自第一孔的光不会进入第二相邻孔，且反之亦然，但是代之由TI R反射。
如上所示，具有“拐角”的孔不必限于单拐角孔。为此，在优选实施例中，每一个孔具有正方形的横向截面(“横向”是相对于光导板的平面)。可替代地，孔可以是三角形、五边形、六边形、菱形、风筝形状、具有相对圆弧的形状、等等。进一步地，形状不必是规则的。
光导板优选地包括用于将光耦合到光导板之外的至少一个向外耦合结构。向外耦合结构可以例如是光导板的边缘或布置在光导板中的倾斜镜子，以在光导板法线的方向上将光引导到光导板之外。可替代地，例如，向外耦合结构可以由凹槽、凹痕或散射材料形成。关于(多个)向外耦合结构，孔的侧面优选地与至少一个向外耦合结构对齐。这样的布置确保了从孔中发出的光束按照基本垂直的方向撞击向外耦合结构，这可以产生从光导板耦合出的均匀且准直的光。在优选实施例中，光导板具有有向外耦合边缘的正方形，并且拐角对拐角布置的正方形孔的线性阵列与正方形光导板的对角线方向对齐。在这样的实施例中，正方形孔的侧面大约地平行于正方形光导板的向外耦合边缘。例如，单个LED阵列可以设置在对角线上，或者，可以使用形成相对于正方形光导板旋转大约45°的正方形的四个LED阵列。
代替线性阵列，LED可以可替代地以圆形阵列的形式布置。在圆形阵列中，可以选定孔的形状，以促进向外耦合并且/或者阻止在阵列相对侧处LED之间的相互作用。而且，光导板可以具有有与圆形LED阵列同心的向外耦合圆周的圆形形状，以确保朝向向外耦合结构的入射角度不会变得太大。
光导板可以进一步具有用于将由LED发射的光对准光导板的区域、而不受孔的影响的装置。该引导装置可以例如包括缝隙或其他反射元件。在一个实施例中，其中LED阵列沿着光导板的反射边缘布置，该引导装置包括缝隙，所述缝隙布置成：将由边缘反射的光对准阵列孔之间的间隔，从而明显降低在附近光源处损失光的概率。在特定实施例中，光导板具有直角三角形的形状，其中三角形光导板的一个直角边由反射性边缘形成，LED沿着所述边缘放置。另一个直角边优选地也是反射性边缘，并且斜边优选地包括如上所述的、用于将光耦合到光导板之外的向外耦合结构。这种三角形照明设备具有均匀且准直的光分布。在另一个实施例中，其中两个LED阵列彼此并排布置，引导装置包括缝隙，所述缝隙布置成：将来自一个阵列的光对准另一个阵列孔之间的间隔，从而明显降低在附近光源处损失光的概率。
附图说明
现在将参照显示了本发明的当前优选实施例的附图来更详细地描述本发明的这个和其他方面。
图1a是根据现有技术的背光的顶视图，
图1b是图1a的背光的横截面侧视图，
图2a是根据本发明实施例的照明设备的部分顶视图，
图2b是图2b的照明设备的横截面侧视图，
图3a-3g示出图2a-2b中公开类型的各种照明设备，
图4a-4c示出示范性的孔形状，
图5是根据具有圆形LED阵列的实施例的照明设备顶视图，
图6a是具有带有反射性边缘的光导板的照明设备的部分顶视图，
图6b是根据本发明的另一个实施例的具有附加缝隙的图6a照明设备的部分顶视图，
图6c是图6b的照明设备特定实施例的示意性顶视图，
图7a是具有LED平行阵列的照明设备的顶视图，以及
图7b是根据本发明的又一个实施例的具有附加缝隙的图7a照明设备的顶视图。
具体实施方式
现在将参照图2a-2b来描述根据本发明实施例的基于发光二极管(LED)的照明设备。用10表示的照明设备包括光导板12。光导板12是透明的并且可以由例如玻璃或塑料制成。
照明设备10进一步包括通常以14标示的多个LED，所述LED容纳在通常以16标示、且布置于光导板12中的孔内。孔16可以是通孔(如图2b中)或具有仅仅朝向光导板12一侧的开口的孔。LED 14优选地是侧发光全方向LED。可替代地，可以使用相向对准的单向LED或单向LED组。
图2a-2b中示出的实施例中的每一个孔16是具有通常用18标示的四个向内耦合侧面的正方形。在每两个邻接的向内耦合侧面18之间，形成通常用20标示的拐角(corner)。正方形孔的拐角为90°。当LED14运行时，光通过侧面18耦合进入光导板12，并且形成基本与孔16的相应侧面18正交的四束光线。
进一步定向和设置孔16，使得孔16a的至少一个拐角20a指向相邻的孔16b，正如在光导板的平面中所见。更精确地，在图2a-2b中示出的实施例中，LED14(并且因此孔16)以线性阵列22的形式布置，使得孔16a的拐角20a指向相邻孔16b的拐角20b，并且相邻孔16b的拐角20b指向孔16a的拐角20a。换句话说，孔从一个位置侧一起(side a1ong side)旋转大约45°。
在照明设备10运行时，与图1a-1b示出的现有技术方案相比，从孔16a通过侧面18a向内耦合进入光导板12的光24以更大的入射角度撞击相邻孔16b的侧面18b，在现有技术方案中孔具有圆形形状并且入射角可能非常小。由此明显提高了在相邻孔16b的侧面18b处全内反射(TIR)的概率。因此，来自孔16a的较小数量的光或根本没有光进入相邻孔16b，从而在那个孔16b的LED14处发生很少或不发生散射和/或吸收。总之，这提高了照明设备10的发光效率。
照明设备10可以进一步包括用于将光耦合到光导板12之外的装置(未示出)，比如倾斜的反射性元件。
上文中的TIR假定：来自孔16a的光以由光导板12和孔16的材料所给定的足够大的入射角度射到相邻孔16b的侧面18b上。相对于在折射边界处的法线来测量入射角度。对于由玻璃(折射率n大约为1.5)制成的光导板12和充满空气的孔16，这种入射角度大约为arcsin1/n＝42°。为此，在上述实施例中，朝向孔16b的最近侧面18b、以相对于侧面法线42°或更小的角度从孔16a出射的任何光26将以48°或更大的角度(＞42°，安全限度为6°)撞击那个侧面(或根本不撞击侧面18b)，并且因此被反射而不进入孔16b。相反地，朝向孔16b的侧面18b、以大约50°或更大的角度从孔16a出射的任何光将以40°或更小的角度(＜42°)撞击那个侧面，并且因此进入孔16b。然而，当使用如上所述的以正方形孔为形式的全方向侧发射光源时，出射角(angle of departure)不能超过42°，这将被本领域技术人员所理解。
而且，出射角和入射角，以及因此的TIR出现率取决于孔的形状。即，对于相对锐角(acute angle)的拐角(corner)，在相邻孔处的TIR发生概率比对的钝角的拐角更大。为此，相邻孔的出射侧面18a与接收侧面18b之间的相关角度足够大以实现TIR，所述角度取决于相邻孔的角半径和准直性。在上述实施例中，已经示出：以线性阵列为形式的90°拐角(corner)半径(正方形孔)对于TIR是足够的。现在将结合图3a-3g来描述图2a-2b中公开的类型的各种照明设备。
图3a是具有正方形光导板12的照明设备10的顶视图。光导板12的外边缘28适于将光耦合到光导板12之外。关于上述图2所讨论的类型的一个线性阵列22进一步设置在光导板12中。即，阵列22与光导板12的对角线方向对齐，从而孔16的侧面18平行于光导板12的向外耦合边缘28。由此可见，在运行期间，从孔16发出的大多数光束从基本垂直的方向撞击边缘28。
图3b的照明设备是图3b的正方形照明设备的进一步发展。在图3b的照明设备10中，具有正方形的孔30设置在光导板12的中心，并且由此得到的内缘32适于将光耦合到光导板12之外。关于上述图2所讨论类型的四个线性阵列22进一步地设置在光导板12中。即，具有孔和LED的四个阵列22形成相对于光导板12旋转45°的正方形，所述正方形设置在中心孔30的周围。也就是说，阵列22与光导板12的对角线方向对齐，从而孔的侧面平行于光导板12的向外耦合边缘28和32。由此可见，在运行期间，从孔16发出的大多数光束从基本垂直的方向撞击边缘28和32，由此产生了从光导板12耦合出的均匀且准直的光。
图3c中的照明设备是矩形照明设备，其由图3b示出类型的两个正方形照明设备彼此紧邻设置而组成。彼此面对的两个外部向外耦合边缘28a和28b可选地可以由镜子代替。
图3d-3e示出其他矩形照明设备10，其中，基本上来自图3b的四个阵列的正方形中心孔和旋转的正方形被分为两个部分且彼此距离一定距离，从而形成两组，每一组包括以直角形式布置的两个线性阵列22和具有矩形形状和向外耦合边缘的孔30。附加的向外耦合结构34可以布置在每一组中，或者单个向外耦合结构34可以设置在两组之间。向外耦合结构34可以例如是倾斜的镜子或类似物。
图3f示出另一个矩形照明设备10，其中，两个线性阵列22形成位于光导板12中部的“X”。
最后，图3g示出又一个矩形照明设备10，其由图3a示出类型的两个正方形照明设备彼此紧邻设置而构成。两个对角设置的线性阵列22是彼此的镜像。
代替如上述图2-3中的正方形孔，孔可以具有获得相似结果的其他形状，比如三角形孔(图4a)、六边形孔(图4b)、以及具有相对弧形状的孔(图4c)。注意到，图4b的六边形孔具有有相对更小锐角的不规则六边形形状，以确保如上所述的TIR。而且，代替以上图2-3中的线性阵列，LED14可以以圆形阵列的形式布置，如图5中所示意性示出。在图5中，正方形孔布置成圆形。圆应该具有足够大的半径，从而不损害在相邻孔处的TIR。更特别地，对于正方形孔，孔可以在保持TIR的情况下彼此间旋转直到大约6°(上面提到的安全限度)。圆形阵列有利地与具有向外耦合圆周的圆形光导板(未示出)结合。类似于如上图3b中的正方形，这种圆形光导还可以具有内部的向外耦合结构。
图6a-6b示出了在其中光导板附加地具有反射性边缘36(比如镜子)的照明设备10。反射性边缘36用来阻止任何光通过光导板12的边缘漏出，并且将入射到边缘上的光反射回光导板。然而，即使使用角对角(corner to corner)布置的正方形孔16，来自一个孔16a的光可以由反射性边缘36朝向具有不发生TIR的这种入射角的另一个邻近孔16b反射，且光进入孔16b中，并在容纳在孔16b内的LED14b处散射和/或吸收。这在图6a中通过示范性光线轨迹38示出。
为了避免这种情况，光导板12设有多个空气缝隙40，其布置成：将由边缘反射的光对准孔16之间的间隔42，如图6b中所示。对于相对于反射性边缘36旋转大约45°、并靠近反射性边缘36设置的正方形孔16，空气缝隙40在面向远离反射性边缘36的侧面18c延长部分中、孔16与反射性边缘36之间延伸。因此，形成分离的光导44，每一个分离的光导在侧面18的法线方向朝向反射性边缘延伸，并且具有等于侧面18的长度l的宽度。以大约地平行于缝隙40之一的小出射角发射的光线44经TIR由缝隙40反射，其中光线以别的方式反射远离边缘36并进入孔16b(如图6a中)。因此，一般地，由从侧面出射的多个光线所组成的光束的发散通过缝隙40来限制。在边缘36反射之后，光线44改变方向并以较小的入射角度朝向缝隙40传播，并且因此通过它以及进入孔16a与16b之间的间隔42。然而，可能在错误的方向上发生一些菲涅尔反射(菲涅尔损失)。这些菲涅尔损失可以通过将具有比光导板12材料折射率更低的折射率的材料填充到缝隙40中来抑制。
图6c示意性示出图6b的照明设备的特定实施例。在这里，光导板12具有直角三角形的形状。反射性边缘36构成直角三角形的一个直角边或底边(leg side)，LED14沿着所述反射性边缘36设置。另一个直角边也是反射性边缘46，并且斜边包括形式为倾斜的反射性边缘的向外耦合结构48。反射性边缘可以例如是TIR镜子或规则的镜子。
在运行中，从每一个孔16的所有四个侧面发出的光直接地或经反射性直角边边缘36和46中至少一个射向向外耦合结构48，并以基本上直角撞击向外耦合结构48。这通过示范性光线轨迹50示出，并且它保证了均匀且准直的光分布。
刚刚描述的三角形照明设备可以有利地设置在房间的角落。除了照明的目的，它还可以用作比如电视机的棚架(shelf)。应当注意，三角形照明设备可以表现为没有缝隙40，但是这种三角形照明设备将具有有些降低的性能。而且，向外耦合结构48可以在纵向不是直的，而是弯曲的。
图7a-7b示出了照明设备10，在其中LED14的线性阵列22a布置为平行于LED14的另一个线性阵列22b。然而，即使使用角对角布置的正方形孔16，来自一个阵列22a中孔16a的光可以以不发生TIR的这种入射角度入射到另一个阵列22b中的相邻孔16b上，且光进入孔16b，并在容纳在孔16b内的LED14b处散射和/或吸收。这在图7a中用示范性光线轨迹52示出。为了防止这种情况，光导板12设有多个空气缝隙(air slit)40，所述空气缝隙布置成：将来自一个阵列22a的光对准另一个阵列22b的孔16之间的间隔42，如图6b所示。对于在两个线性平行LED阵列22a、22b中的角对角布置的正方形孔16，一个阵列22a的空气缝隙40在面向远离另一个阵列22b的侧面18c延长部分中、远离面向另一个阵列22b的侧面18a延伸。以大约平行于缝隙40之一的小出射角发射的光线54经TIR由缝隙40反射，该光线否则将进入阵列22b的孔16b(如图7a中)。因此，一般地，由从侧面出射的多个光线所组成的光束的发散通过缝隙来限制。在缝隙40a处反射之后，光线54以较小的入射角度朝向阵列22b的相应缝隙40b传播，并且因此通过它朝向间隔42进入光导板12。
本领域的技术人员意识到，本发明绝不限于上述优选实施例。相反地，许多修改和改变可能在所附权利要求的范围之内。例如，图6b和7b分别所示的实施例可以合并为具有至少平行的LED阵列和至少一个反射性边缘的照明设备。

Claims (16)

1.一种照明设备(10)，其包括：
光导板(12)，和
至少一个发光二极管(LED)阵列(14)，所述LED容纳在布置于光导板中的孔(16)内，
其中每一个孔具有：
-至少两个侧面(18)，来自布置于所述孔内LED的光通过所述侧面横向地耦合进入光导板，以及
-至少一个拐角(20)，其由所述至少两个侧面的两个相交侧面形成。
2.根据权利要求1的设备，其中所述孔布置成使得，来自布置于孔内LED的光分成子光束，所述子光束被引导，以便他们反射远离相邻孔的侧面。
3.根据权利要求1或2的设备，其中一个孔的所述至少一个拐角的角指向相邻孔。
4.根据权利要求3的设备，其中在孔的中心与拐角之间的假想直线延长部分横贯相邻孔。
5.根据权利要求3的设备，其中一个孔的拐角和相邻孔的拐角彼此指向对方。
6.根据任一前述权利要求的设备，其中每一个孔的横向截面的形状是正方形。
7.根据任一前述权利要求的设备，其中光导板包括用于将光耦合到光导板之外的至少一个向外耦合结构(28，32，34，48)，并且其中每一个孔的侧面与至少一个向外耦合结构对准。
8.根据任一前述权利要求的设备，其中至少一个LED阵列包括至少一个线性LED阵列(22)。
9.根据权利要求8的设备，其中光导板是正方形形状的，并且至少一个线性LED阵列布置成相对于正方形光导板倾斜，优选地以大约45°倾斜。
10.根据权利要求1到7中任意一项的设备，其中至少一个LED阵列包括至少一个圆形LED阵列。
11.根据权利要求10的设备，其中光导板是圆形形状的。
12.根据任一前述权利要求的设备，其中光导板进一步包括装置(40)，用于引导由LED发射的光通过所述引导装置，朝向没有孔的光导板区域。
13.根据权利要求12的设备，其中LED阵列沿着光导板的反射性边缘(36)布置，并且其中引导装置包括缝隙(40)，所述缝隙布置成：将由边缘反射的光引向阵列孔之间的间隔(42)。
14.根据权利要求13的设备，其中光导板具有直角三角形的形状，并且其中三角形光导板的一个直角边由反射性边缘形成。
15.根据权利要求14的设备，其中三角形光导板的另一个直角边是反射性边缘(46)，并且三角形光导板的斜边包括用于将光耦合到光导板之外的向外耦合结构(48)。
16.根据权利要求12的设备，其中两个LED阵列(22a，22b)彼此并排布置，并且其中引导装置包括缝隙(40)，所述缝隙布置成：将来自一个阵列的光引向另一个阵列的孔之间的间隔(42)。
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