CN101529158B - 照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及照明装置(10)。所述装置包括光导板(12)和发光二极管(LED)(16)的至少一个阵列(14)，所述LED容纳在布置于所述光导板中的孔(20)中。所述装置的特征在于：透镜(26)的阵列(24)，其被布置成使得由LED发射的穿过所述透镜阵列的光被至少部分地导向没有孔的光导板的区域(28)。

Description

照明装置
技术领域
本发明涉及包括光导板和至少一个发光二极管阵列的照明装置。
背景技术
比如发光二极管(LED)的固态光源在亮度、流明功效和可购买性的进展实现了不再局限于微型市场的新照明应用。与传统光源相比，LED提供了若干优势，比如寿命长、工作电压低、瞬时接通等等。基于这些以及其他原因，LED正变得越来越适合于制作用于若干应用的灯，比如颜色可变灯、聚光灯、LCD背光、建筑照明、舞台照明，等等。
对于许多照明应用，单个LED的光不够，而是需要组合多个LED的光来形成光源。一个解决方案是在光离开照明装置之前，在光导中混合多个LED的光。这种解决方案的示例被公开于2004年Lumileds在西雅图发表的文献“LED Backlight designs using Luxeon high fluxlight source solutions”中，参见http://www.lumileds.com/pdfs/Luxeon_light_source_solutions. pdf。在这个文件中所描述的基于侧发射LED的背光被示意性地示于图1a-1b中。参照图1a-1b，背光100包括设有圆柱形通孔104的光导102，这些圆柱形通孔104沿光导的边缘106被布置成线性阵列。在每个通孔中，提供侧发射LED 108，由此来自LED的光通过通孔的侧壁而被耦合到光导内，如示例性光线轨迹110所示。边缘106优选地是反射性的，以避免光经由该边缘非预期地耦合出去。
然而，在这种解决方案中，当密集的LED 108的阵列靠近边缘106放置时，可能出现如下情况：来自一个LED 108a的光经由反射离开边缘106(示例性光线轨迹112)而指向另一个附近的孔104b并在这个孔内的LED 108b处被吸收或散射。因而，降低了这种照明装置的流明效率。
发明内容
本发明的一个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流明效率的照明装置。
将从以下描述中变得明显的这个以及其他目的可以通过根据所附权利要求1的照明装置实现，该照明装置包括光导板和至少一个发光二极管(LED)阵列，所述LED容纳在布置于该光导板中的孔中，该照明装置的特征在于：透镜阵列，所述透镜阵列被布置成使得由LED发射的穿过所述透镜阵列的光被至少部分地导向没有孔的光导板的区域。
由于该透镜阵列，没有光或很少的光射到附近的孔上。因此，LED能够被更紧密地放置在一起，并且减少了由于在照明装置中的附近LED处的吸收或散射所致的损耗。总的说来，能够提高照明装置的发光效率和功率。
优选地，该透镜阵列包括至少一行正透镜，从而将光容易地引导到想要的方向。还优选地，透镜间距大约是LED间距的1/2，这提供了一种照明装置的可行设计。
在一个实施例中，所述透镜阵列被放置在一个LED阵列和该光导板的反射性边缘之间以使得由阵列中的LED发射的并经反射体反射的光被透镜阵列引导以穿过阵列中的LED之间。从而，减少了由于在阵列中的相邻LED/孔处的吸收或散射所致的损耗，并且提高了照明装置的发光效率。为了进一步增强这些效果，LED优选地与透镜阵列中的两个相邻透镜之间的每隔一个结点对准。
在另一个实施例中，所述透镜阵列被放置在第一LED阵列和第二LED阵列之间以使得由第一阵列中的LED发射的并穿过透镜阵列的光被透镜阵列引导以穿过第二阵列中的LED之间。从而，减少了由于在附近阵列中的LED/孔处的吸收或散射所致的损耗，并且提高了照明装置的发光效率。为了进一步增强这些效果，第一LED阵列和透镜阵列之间的距离与第二LED阵列和透镜阵列之间的距离优选地相等。此外，第一阵列的LED可与透镜阵列一行中的每隔一个透镜的光轴对准，而第二阵列的LED可与透镜阵列该行中的每隔另一个透镜的光轴对准。可替代地，所述LED可与透镜阵列一行中的两个相邻透镜之间的每隔一个结点对准。
优选地，这些孔是圆柱形孔，并且所述LED优选地是侧发射LED，其用于将光耦合进入光导板内。
附图说明
现在将参照示出本发明的当前优选实施例的附图，更详细地描述本发明的这个方面以及其他方面。
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2是根据本发明的第一实施例的照明装置的部分顶视图。
图3是根据本发明的第二实施例的第一变型的照明装置的部分顶视图。
图4是根据本发明的第二实施例的第二变型的照明装置的部分顶视图。
具体实施方式
现在将参照图2描述基于根据本发明的第一实施例的照明装置的发光二极管(LED)。
标记为10的照明装置包括光导板12。例如，光导板12是透明的并且能够由玻璃或塑料(比如PMMA或PC)制成。
照明装置10进一步包括LED 16的线性阵列14，其沿着属于光导板12的反射性边缘18布置。反射性边缘18用来引导任何入射光回到光导板12内，以避免来自光导板12的光经由边缘非预期地耦合出去。LED 16优选地是侧发射全向LED(side-emitting omnidirectionalLED)。
LED 16容纳在具有圆形横向截面的圆柱形孔20中，这些孔20被布置在光导板12中。“横向”是相对于光导板的平面。每个孔20都具有圆周侧面(圆柱体壁)22，通过该侧面，来自所容纳的LED 16的光将被横向地耦合进入光导板12内。这些孔20可以是通孔或者是仅有朝向光导板12一侧的开口的孔。
根据本发明，照明装置10进一步包括透镜阵列24。透镜阵列24放置在反射性边缘18和LED阵列14之间，并且透镜阵列包括一个线性行的正透镜(positive lens)26。这些透镜26可被单独地形成或形成为光导板12的整体部分。透镜26和反射性边缘18之间的任何间隙能够例如填有空气。透镜阵列24用来把从LED 16发射并被反射而离开边缘18的光导向光导板12的没有或无孔20(或因而无LED 16)的区域。即，光被引导以穿过LED 16之间。为此，在优选实施例中，透镜间距P1是LED间距P2的1/2(P1＝1/2*P2)，并且线性透镜阵列24中两个相邻透镜26之间的每隔一个结点(junction)30就对准了LED16。LED间距P2是两个相邻LED 16的中心之间的距离，而“与...对准”在这里意指来自结点30的与透镜阵列的主线性方向垂直的假想线(imaginary line)经过LED 16的中心。而且，透镜26的焦度(focalstrength)应当满足以下关系1/f＝1/D，其中f是焦距而D是LED阵列14和透镜阵列24之间的距离(总透镜焦度ftot是经由通过透镜26两次而形成的；1/ftot＝1/f+1/f＝2/f且1/ftot＝1/D+1/D＝2/D；因此，1/f＝1/D)。焦距f由f＝(n/(n-1))R1给出，其中n是光导板12的材料的折射率而R1是每个透镜26的半径。PMMA的折射率典型地大约为1.49，而PC的折射率典型地大约为1.56。上面提及的各种参数应当被选择成：使得透镜半径R1大于透镜间距P1的1/2(R1＞1/2*P1)，否则透镜阵列24不能得以实现。此外，为了避免过于弯曲的透镜表面(这可能很难制作)，这些参数应当优选地被选择成：使得不会显然地(byfar)违背R1＞1/2*P1。在可行的设计中，圆柱形孔18的半径是3mm而LED间距P2是9mm。透镜间距P1是LED间距P2的一半，即P1＝4.5mm。例如，当D＝15时，透镜半径R1变成D*(n-1)/n＝5mm，其大于透镜间距P1的一半，由此满足R1＞1/2*P1。
当照明装置10工作时，由LED 16a发出的光线32在其朝反射性边缘18的路上被透镜阵列24的相应透镜26聚焦，否则光线32将会被反射而离开边缘18并进入到相邻的孔20b中(如图1a)。在被反射而离开边缘18之后，光线32再次被相应透镜26聚焦而朝向孔20a和孔20b之间的空间28’因而错过了孔20b。另一方面，由LED 16a发射的光线34的方向不会被透镜阵列24显著改变，原因在于光线34靠近透镜26的光轴行进(而光线32离轴地(off-axis)穿过透镜26并更强地被折射)，否则光线34将会被反射而离开边缘18朝向孔20a和孔20c之间的空间28”。因此，光线34仍被导向孔20a和孔20c之间的空间28”因而错过了相邻的LED 16。总的来说，透镜阵列24用来把LED 16的反射成像到实际LED 16b之间的空间28处，由此减少了由于在相邻LED处的吸收或散射所致的损耗，并且提高了照明装置10的发光效率。
透镜阵列还可以有利地用于第二实施例，其中两个LED阵列彼此平行地布置，如图3-4所示。透镜阵列的功能在此是避免来自一个阵列的光在另一阵列中的LED处被吸收或散射。
在第二实施例的第一变型(图3)中，标记为10的照明装置包括光导板12。例如，光导板12应当是透明的并且能够由玻璃或塑料(比如PMMA或PC)制成。
照明装置10进一步包括LED 16的两个平行线性阵列14。LED 16优选地是侧发射全向LED。
LED 16容纳在具有圆形横向截面的圆柱形孔20中，这些孔20被布置在光导板12中。每个孔20都具有圆周侧面(圆柱体壁)22，通过该侧面，来自所容纳的LED 16的光将被耦合到光导板12中。这些孔20可以是通孔或者是仅有朝向光导板12一侧的开口的孔。
根据本发明，照明装置10进一步包括布置在光导板12中的透镜阵列24。该透镜阵列24以面内(in-plane)布置方式放置在两个LED阵列14之间。透镜阵列24通过切割或另外去除光导板12的一部分36来形成，该部分36具有双凹透镜(biconcave or double concave lens)的线性阵列的形式。留下的是具有两行相对的正透镜26的线性透镜阵列24。透镜阵列24用来把从一个阵列中的LED 16发射并穿过透镜阵列24的光导向光导板12的没有或无孔20(或因而无LED 16)的区域。即，光被引导以穿过另一个阵列的LED 16之间。为此，在优选实施例中，透镜间距P1是LED间距P2的1/2(P1＝1/2*P2)，LED阵列14a和透镜阵列24之间的距离Da与LED阵列14b和透镜阵列24之间的距离Db相等(Da＝Db)，并且阵列14a的LED 16a与一行中的每隔一个透镜26的光轴38a对准，而阵列14b的LED 16b与该行中的每隔另一个透镜26的光轴38b对准(因而，这两个阵列14a和14b彼此相对移位LED间距P2的一半)。而且，两个相对透镜26的焦度应当满足以下关系1/f＝1/Da+1/Db，其中f是焦距。焦距f由f＝(1/2)(n/(n-1))R1给出，其中n是光导板12的材料的折射率而R1是每个透镜26的半径。PMMA的折射率典型地大约为1.49，而PC的折射率典型地大约为1.56。上面提及的各种参数应当被选择成：使得透镜半径R1大于透镜间距P1的1/2(R1＞1/2*P1)，否则透镜阵列22不能得以实现。此外，为了避免过于弯曲的透镜表面(这可能很难制作)，这些参数应当优选地被选择成：使得不会显然地违背R1＞1/2*P1。在可行的设计中，圆柱形孔18的半径是3mm而LED间距P2是9mm。透镜间距P1是LED间距P2的一半，即P1＝4.5mm。对于Da＝Db＝15的系统，透镜半径R1变成5mm，其大于透镜间距P1的一半，由此满足R1＞1/2*P1。
当照明装置10工作时，由LED 16a’发射的光束40被透镜阵列24中的两个相对透镜26聚焦以致LED 16a’在阵列14b中的两个孔20b之间的空间28b’处成像，否则光束40将会至少部分地射到相邻LED阵列14b中的至少一个孔20b。因而光束40错过了LED阵列14b中的孔20b。类似地，光束42被透镜阵列24聚焦以使LED16a’在空间28b”处成像，等等。总的来说，透镜阵列24用来使一个阵列14a的LED 16a在另一个阵列14b的LED 16b之间的空间28b处成像，反之亦然，由此减少了由于附近阵列中的LED处的吸收或散射所致的损耗，并且提高了照明装置10的发光效率。
在第二实施例的第二变型(图4)中，LED 16与透镜阵列22一行中的两个相邻透镜26之间的每隔一个结点30对准。这里，由LED 16a’发射的光束44被透镜阵列24中的两个相对透镜26聚焦以致LED 16a’被成像在阵列14b中的两个孔20b之间的空间28b’处。因而，光束44错过了LED阵列14b中的孔20b。类似地，光束46被透镜阵列24聚焦以使LED 16a’在空间28b”处成像，等等。
本领域技术人员意识到，本发明绝不会受限于上面描述的优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内可以进行许多修改和改变。例如，在第一实施例中，代替笔直的反射性边缘和线性LED阵列，LED可以沿弯曲的反射性边缘而被布置成弯曲的阵列，假定曲率半径比LED间距大很多。在第二实施例中，透镜阵列可以只包括一行正透镜。这要求透镜更加弯曲。在第一实施例和第二实施例两者中，LED间距-透镜间距比可以不同，例如1∶1。此外，第一和第二实施例可以在包括若干平行LED阵列的单个装置中进行组合，其中一个LED阵列沿光导板的反射性边缘放置。

Claims (11)

1.一种照明装置(10)，包括：
光导板(12)，和
发光二极管LED(16)的至少一个阵列(14)，所述LED容纳在布置于所述光导板中的孔(20)中，
其特征在于：
透镜阵列(24)，所述透镜阵列被布置成：使得由所述LED发射的穿过所述透镜阵列的光被至少部分地导向所述光导板的没有孔的区域，从而使所述LED或其反射在孔之间的空间(28)处成像。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述透镜阵列(24)包括至少一行正透镜(26)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中透镜间距P1是LED间距P2的1/2。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述透镜阵列被放置在一个LED阵列和所述光导板的反射性边缘(18)之间，使得由所述LED阵列中的LED发射并被反射体反射的光被所述透镜阵列引导以穿过所述LED阵列中的LED之间。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述LED与所述透镜阵列中的两个相邻透镜之间的每隔一个结点(30)对准。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述透镜阵列被放置在第一LED阵列(14a)和第二LED阵列(14b)之间，使得由第一阵列中的LED发射并穿过所述透镜阵列的光被所述透镜阵列引导以穿过第二阵列中的LED之间。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一LED阵列和所述透镜阵列之间的距离Da与所述第二LED阵列和所述透镜阵列之间的距离Db相等。
8.根据权利要求6所述的装置，其中第一阵列的LED(16a)与所述透镜阵列一行中的每隔一个透镜的光轴(38a)对准，而第二阵列的LED(16b)与所述透镜阵列该行中的每隔另一个透镜的光轴(38b)对准。
9.根据权利要求6所述的装置，其中所述LED与所述透镜阵列一 行中的两个相邻透镜之间的每隔一个结点(30)对准。
10.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述孔是圆柱形孔。
11.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述LED是侧发射LED。 
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