CN101606019B - 包括至少一个发光二极管的照明设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种照明设备，其包括至少一个发光二极管和至少一个准直器结构，所述准直器结构包括至少一个发光二极管。本发明特别涉及包括多个这种结构的照明设备。准直器结构中的准直器由透明材料制成。在特定实施例中，提供透明的光瓦。

Description

包括至少一个发光二极管的照明设备
技术领域
本发明涉及包括至少一个发光二极管和至少一个准直器结构的照明设备，所述准直器结构包括至少一个发光二极管。本发明特别涉及包括多个这样的结构的照明设备。
背景技术
包括多个发光二极管(LED)的照明设备在本领域中是公知的。例如，WO2006/045897公开了用单板实现的发光设备的阵列。发光设备包括发光二极管和反射表面。在这个设备中，发光二极管适于向某个方向发射发散的光束，反射表面适合于基本上向这个方向引导从发光二极管发出的光。而且，US2005/0265029(WO2005/119314)描述了一种发光二极管阵列，这个阵列包括安装在基板上的发光二极管阵列。发光二极管在大体上垂直于基板的方向发光。在发光二极管的上方设置光板。将来自发光二极管的并进入光板一侧的至少一部分光沿大体上平行于基板的方向引入到光板内。光提取特征在大体上向前的方向引导来自光板的光。这样的阵列对于几个应用领域是有用的，其中包括空间照明、直接信息显示、液晶显示器的背光照明。光板的扩光效应减小了发光二极管像素之间的黑色空间的量。
发明内容
这些现有技术的灯具有一个或多个缺点，它们具有复杂的结构，或者使用相对复杂的装置以获得在所需方向上发光的设备。再有，现有技术的设备可能不(轻易)允许在包括发光二极管阵列的设备或显示单元内混合不同发光二极管的光。
本发明的一个目的是提供一种可替换的照明设备，它优选地进一步避免一个或多个上述的缺点。在一个特定的实施例中，本发明的目的是提供一种照明设备，其中在使用期间的闪烁基本上不存在或者极低。在下一个特定实施例中，本发明的目的是提供一种照明设备，其中可以混合照明设备中不同发光二极管的光，由此减小例如“装箱”(binning)效应，并由此可以减小观察人员可以看到的可能不期望的效应，即不同的发光二极管可能具有略微不同的不期望出现的发射性质(例如略微不同的颜色)，并且和/或者由此允许使用具有不同颜色的发光二极管，同时还很好地混合发光二极管的光。
按照本发明的第一方面，照明设备包括至少一个发光二极管和至少一个结构，所述结构包括至少一个发光二极管，其中：
a.所述结构具有前表面和后表面；
b.所述结构进一步还包括一个凹槽，将所述凹槽安排成在所述前表面提供开口，凹槽具有凹槽底部和凹槽高度，将所述凹槽进一步安排成包括所述的发光二极管；
c.将发光二极管定位在凹槽的凹槽底部并且安排成通过前表面中的开口发射光；
d.所述结构进一步还包括裂缝，所述裂缝以圆周形式包围所述凹槽，并且提供具有边缘的截头锥状元件，截头锥状元件的半径(r)安排成在从发光二极管到所述前表面的方向上增加，并且其中截头锥状元件包括透明材料。
具体来说，提供一种照明设备，其中照明设备包括多个这些结构。以此方式，照明设备(或照明器)，例如光瓦形式的照明设备可以设有例如发光二极管的两维或三维阵列(或者其它类型或排列，如正方形、六边形、随机的排列、或这些排列中的两个或三个的组合)。
按照本发明的照明设备的优点是，它是一种具有相对较少的光学部件的相对简单的系统，实现了基本上没有闪烁的高亮度设备。还可以混合不同发光二极管的光。甚至于有可能获得这样的照明设备：在使用时，各个发光二极管不再是可见的，照明设备和它的光就像是一种光瓦。此外，还可能调节被引导到前表面、后表面和侧表面方向的光量。
附图说明
现在参照附图借助实例描述本发明，附图中对应的附图标记表示对应的部分。
图1a-1c分别是用在准直发光二极管的光的照明设备中的截头锥状元件的示意侧视图(a)、顶视图(b)和透视图(c)
图2a-2e(用侧视图)示意地描述了按照本发明的照明设备的多个实施例；
图3示意地描述了光线在照明设备中是如何行进的；
图4a-4b示意地描述了照明设备的实施例，照明设备具有包括在多个结构中的多个发光二极管；
图5绘出了对于不同角度α(锥角，见下文)单个发光二极管的强度分布(朗伯，1流明)与角度γ(观察角度)的函数关系，，所述单个发光二极管安装在包括8×4个发光二极管位置的完全透明的发光二极管瓦(100×200mm2)(未示出)中；在此例中参数x(见下文)是常数；
图6描述在上述的发光二极管瓦的前方(三角)、侧面(十字)和后方的(圆圈)通量分数与角度α的函数关系；
图7描绘出亮度(配置的每100流明的cd/m2)与角度α的函数关系。
具体实施方式
本发明提供一种照明设备1，它包括至少一个发光二极管10。缩写“LED”(发光二极管)在这里还指多个发光二极管。例如可以使用多色发光二极管或多个发光二极管，它们可以产生白光和/或彩色光。在本发明中使用的发光二极管10可以包括任何已知的发光二极管，其中包括多色发光二极管、磷光体-发光二极管组合(例如安排成照亮发射黄色光的磷光体涂层或包含磷光体的涂层进而提供白光的蓝色发光二极管)，这对于本领域的普通技术人员来说是公知的。发光二极管10例如可以是顶部发光二极管或者侧面发光二极管(侧面发光的发光二极管)。还可以使用在市场上可以得到的发射白光和/或彩色光的发光二极管10。
照明设备是基于包括发光二极管10和特殊准直器30的结构单元(见下文)。进一步还将这个准直器30表示为截头(truncated)锥状元件30，或者因为它可以是一个单独的体，所以还可以将其表示为截头圆锥状体300(见下文)。在图1a-1c中，更加详细地说明截头锥状元件30。术语“截头圆锥”在本领域中是众所周知的，指的是它的顶点被一个相交平面切掉的圆锥。一般地，这个相交平面平行于锥底(base)。这样一个截头圆锥还称之为“平截头体”。事实上，在这里公开的实施例中，截头锥状元件(或主体)30具有平截头体的形状，即有平行的相交平面和锥底。截头圆锥有一个底部表面(锥底)和一个顶部表面(切掉尖端的相交平面)，其中前者大于后者，并且其中前者的半径大于后者的半径。然而，图1a所示的截头锥状元件30是倒转地画出来的，具有底部表面32和顶部表面33。另外，截头锥状元件30具有边缘34和高度h1，在顶部表面33的最小直径d2，在底部表面32的最大直径d1。在本发明中，边缘34可以是弯曲的、平直的、或者是具有小面的，因此使用术语“圆锥状”。边缘34优选的是弯曲的或平直的，更加优选的是平直的。而且，截头圆锥30可以具有不同的形状，例如底部表面32和顶部表面33这两者可以具有椭圆形状，由此可提供具有椭圆形状的截头锥状元件30。还是因为这个理由，在这里使用术语“圆锥状”。其它的不同形状也是可能的。优选地不是不同地成形截头锥状元件30，优选地截头锥状元件30是平截头体，它具有可选择的弯曲的或具有小面的边缘34。
在示意图1a-1c中，将边缘34画成直的边缘，但是本发明不限于这样的直边缘的截头锥状元件30。在这里，角度α表示的是边缘34相对于底部表面32或顶部表面33的法线的角度。角度α将小于90°并且大于0°，但优选地处于10°-80°的范围，更优选地处于15°-45°的范围。这允许发光二极管(一个或多个)10的相对较窄的光分布，即有良好的准直，由此可减小闪烁(还要参见下面)。截头锥状元件30进一步还有孔135，孔135从顶部表面33延伸到底部表面32，由此在底部表面32和顶部表面33提供开口。对于孔135进行安排，使其包括发光二极管10，即，孔135的尺寸允许发光二极管10至少部分地定位在孔135内，优选地允许发光二极管10完全地定位在孔135内，如在图1a中示意表示的那样。
孔135具有高度h2的孔壁31。这个孔壁31可以是直的，弯曲的，或者具有小面的。孔135优选地是圆筒形的，或者也是截头圆锥状的，并且具有直径d3。在前一种情况下，直径d3在孔135的整个高度h2上基本恒定不变；在后一种情况下，直径d3可以随高度h2变化，其中直径d3在从顶部表面33到底部表面32的方向上增加。孔壁31优选地垂直于底部表面32(和顶部表面33)，即d3在整个高度h2上基本恒定不变。但是也可以将孔壁31安排成相对于底部表面32的法线成角度δ。角度δ的范围优选地在80°-100°，更优选地，范围在90°-100°。当90°＜δ＜180°时，孔135的孔壁31具有截头圆锥形状。
截头锥状元件30的半径r是变化的，在顶部表面33具有较小半径r2，在底部表面32具有较大半径r1(这也适用于椭圆形的截头锥状元件30，对于本领域的普通技术人员来说这是清楚的；在这里还将截头锥状元件描述成平截头体)。对于截头锥状元件30的半径r进行安排，使其在从顶部表面33到前表面32的方向上增加。另外，在顶部表面33，截头锥状元件30从孔壁31到边缘34有距离x，即截头锥状元件30在顶部表面33处的壁宽(也见下面)。
在图1a(和图1c)中，截头锥状元件30封闭了发光二极管10。对于发光二极管10进行安排，使其在底部表面32中的开口的方向上发射光。将发光二极管在孔135中的最高点表示为发光二极管顶部13；将发光二极管在孔135中的最低点表示为发光二极管底部12。从图1a-1c可以看出，所描述的布置是具有准直器布置的发光二极管。因此，在这里也将截头锥状元件30表示为准直器30。然而，截头锥状元件30是具有孔135的“整体式的”准直器。准直器30的材料是透明的。因此，本发明还提供一种透明的准直器或截头锥状元件30(在这里还称作截头锥状体300，见下面)。以此方式，发光二极管的光可以通过孔135(并且通过前表面32中的开口)逃逸出来，但这个光的一部分还要通过孔壁31进入准直器30。已经进入准直器30的部分发光二极管光可以例如在于面34处反射(由全内部反射(TIR)引起)以后在前表面32处离开准直器。但是，进入准直器30的部分发光二极管光也可以在面34处离开准直器30。这种情况在图3中进一步表示出来，见下面。因此，准直器30或截头锥状元件30是透明的，即，其基本上由(基本上)透明的材料构成。
例如可从下面这组材料中选择可以使用的透明材料：玻璃、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、聚甲基基丙烯酸甲酯(PMMA)(Plexiglas或Perspex)、乙酸丁酸纤维(CAB)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙酯(PET)、醇化聚酯(glycol-modified polyethyleneterephthalate)(PETG)。在另一个实施例中，这种材料包括丙烯酸酯，例如PMA或PMMA，尤其是PMMA。这样的材料在本领域中也称为透明塑料。在下一个实施例中，所述材料包括在商业上称为PERSPEXTM或PRISMEXTM的透明塑料。还可以使用本领域的普通技术人员公知的其它基本上透明的材料。可以使用两种(或更多种)材料的组合。本领域的普通技术人员在这里可以理解术语“透明”，在特定实施例中，术语“透明”指的是这样的材料：当用发光二极管的光垂直照射1cm厚的透明材料时，所述材料可以透射发光二极管10发出的可见光的至少70％，优选的是至少80％，更加优选的是至少90％，甚至还要优选的是95％。
对于发光二极管10进行安排以便提供光，这个光可以是白光或者是彩色光(或者两者都有，如在多发光二极管的情况下)。还可以安排照明设备1来提供白光、彩色光、或两者。术语“光”在这里专指可见辐射(VIS)，即在约380纳米到780纳米范围的辐射。在一个实施例中，由一个或多个发光二极管10产生的光包括白色辐射(即白光)，当然在另外的实施例中，一个或多个这样的发光二极管10还可以产生彩色光。
在对截头锥状元件或准直器30以及发光二极管10进行上述的描述之后，现在更详细地描述设备1。
图2a示意地表示本发明的照明设备1的实施例。应该注意的是，设备1可以是更大的，并包括多个发光二极管10和准直器30，也见下面。图中没有表示出对于本领域的普通技术人员公知的外围设备，如镇流器、悬挂系统、壁固定件等等。
图2a中的照明设备1包括主体200和托架50，包括发光二极管10和准直器30。对于托架50进行安排，使其携带发光二极管10，即发光二极管10定位在托架50上。主体200包括准直器30。主体200有前表面22和后表面29；托架50有顶部表面51和底部表面26。托架50的顶部表面51和主体200的后表面29相互附着。主体200和托架50优选地是板。托架50的高度是h7；设备10的高度是h6。
如图可以看出，按照本发明的照明设备1包括至少一个发光二极管10和至少一个结构20，所述结构20包括至少一个发光二极管10。可以将至少一个结构20表示为基础结构、结构单元、或基本单元，它们可以重复，即照明设备1可以包括一个或多个这样的结构20。在图2e、4a和4b中表示出它的一个例子。所述结构具有前表面22和后表面26，并且进一步还包括凹槽35，安排成在前表面22内提供开口37。在准直器30的上述描述中，描述过孔135。在这里，孔有凹槽底部36，其中安置发光二极管10。在一般情况下，凹槽底部36是托架50的顶部表面51的一部分。因此，截头锥状元件30中的孔135表示为凹槽35。术语“凹槽”指的是这样一种结构，其中相对于表面22而言，提供加深部分。凹槽35具有凹槽底部36和高度h3(也见上文)。要注意的是，在图1a-1c中，孔135的高度是h2，在这里可与凹槽35相比，凹槽35在这里是高度h3。
如以上所述，将凹槽35进一步安排成可以包括发光二极管10。这就意味着，要对凹槽35的尺寸进行选择，使其可以包括发光二极管10。凹槽35的高度h3优选地足够高，以便相对于设备1的前表面22按“凹陷”的方式安排所述发光二极管，即发光二极管10的顶部13要(充分)低于前表面22。将发光二极管10定位在凹槽35的凹槽底部36，并且将其安排成可通过前表面22中的开口37发射光：托架50和主体200相互附着并且安排成允许发光二极管10通过(主体200的)前表面22中的开口37发射光。因此，在本发明的实施例中，设备1包括主体200和托架50，其中主体200和托架50包括至少一个结构20，托架50安排成承载发光二极管10，而主体200包括截头锥状元件30。
在这里，凹槽35具有凹槽壁，用附图标记31表示之。如以上所述，单个发光二极管10还可以包括一个或多个发光二极管，如多发光二极管或多色发光二极管。优选地，凹槽35基本上具有圆筒形的形状，即对于整个高度h3，d3基本上是恒定不变的(也见上文)。在这里更详细描述的或示意描述的实施例中，凹槽35的形状都是圆筒形的。
如在图1a中所示，截头锥状元件30的高度h1与孔135的高度h2基本上相同。在图2a等图中，凹槽35的高度h3原则上可以大于或小于截头锥状元件30的高度h1。因而，将这个高度记为标号h3。然而，h1和h3优选地基本上是相同的。在这里更详细描述的和示意描述的实施例中，h3＝h1。在一个优选实施例中，h3＝h1(即凹槽高度h3等于截头锥状元件30的准直器高度h1)。
所述结构20进一步还包括裂缝38，裂缝38以圆周形式环绕凹槽35并且提供带有边缘34的截头锥状元件30，其中将截头锥状元件30的半径r安排成在从发光二极管10到前表面22的方向(即从顶部表面33到底部表面32的方向)上增加。所述半径r通常是在约1.5mm(r2)到约25mm(r1)的范围(也见图1a)。
实际上，这个裂缝38的存在导致截头锥状元件30的存在：裂缝38有裂缝高度h4(即进入主体200的穿透深度，从前表面22开始计算)，并且裂缝高度h4等于截头锥状元件30的高度h1。裂缝高度h4优选地是凹槽高度h3的量级。在这些详细描述和示意地表示的实施例中，h4＝h1＝h3。
裂缝38的宽度w1在原理上是可以变化的。裂缝宽度w1优选地至少约10μm，或者更大些，例如在10到1000μm的范围内。此外，裂缝具有内部表面34(即截头锥状元件30的边缘)和外部表面24(即壁24)(也见下文)。壁34和24这两者可以各自独立地是弯曲的、具有小面的、或平直的。例如，壁34(和/或壁24)可以是弯曲的，以便进一步精细调节光束形状。在示意图中，对于角度α和角度β进行选择，以使α+β＝90°，其中角度α是边缘34相对于设备1的前表面22的法线的角度(或者如以上所述，相对于截头锥状元件30的底部表面32的法线的角度)，角度β是边缘24相对于设备1的前表面22的法线的角度。然而，α+β也可以小于90°，即裂缝38的宽度w1随着与裂缝38的底部39的距离的增加而增加：即裂缝38在前表面22的宽度大于主体200中更深处的宽度。在一个优选实施例中，边缘34是平直的边缘34，其中相对于所述法线的角度α在范围15-45°。在另一个优选实施例中，边缘34(准直器边缘)和边缘24(准直器凹槽边缘)这两者，即裂缝38的边缘，都是平直的，并且α+β＝90°(即平直平行边缘34和24)，即裂缝38的宽度w1在裂缝38的整个高度上都是恒定不变的。在此更详细描述和示意描述的实施例中，裂缝38是平直的，并且有一个恒定不变的裂缝宽度w1。在一个优选实施例中，h4＝h3(事实上，h1＝h3)。在另一个优选实施例中，裂缝38有恒定不变的裂缝宽度w1。裂缝底部39因此通常是托架50的顶部表面51的一部分。
在特定实施例中，底部表面32(即LED光的至少一部分可以通过该面从设备1离开)可以是弯曲的或具有小面。例如，底部表面32相对于前表面22可以是中空的(下凹的)，或者相对于前表面22可以是球状的(上凸的)。以此方式，可使发光二极管10(一个或多个)的光束进一步成形。但在优选实施例中，底部表面32相对于前表面22是平的(即这些面基本上是平行的，优选地基本上在同一个平面)。
裂缝38优选地充满折射率不同于截头锥状元件30的材料的折射率的材料。裂缝38优选地充满空气。截头锥状元件30包括透明材料(也见上文)，或者优选地主要由透明材料组成。
如以上所述，优选地δ＝90°(即凹槽35的形状是圆筒形的)。在优选实施例中，h4＝h3＝h1并且α＝β。在一个优选实施例中，10°≤α≤80°，更优选地15°≤α≤45°。这产生一个有用的性质，即窄光束保持闪烁低或者基本上没有。在另一个优选实施例中，0＜r2/h1≤2，优选地0＜r2/h1≤1。优选地，r2/h1至少为0。在另一个优选实施例中，0＜d3/h1≤1，更优选地0＜d3/h1≤0.5。优选地，d3/h1至少是0.02。在下一个优选实施例中，0＜r1/h1≤8，优选地0＜r1/h1≤2。优选地，r1/h1至少是0.2。
在一个优选实施例中，δ＝90°，h4＝h3＝h1，α＝β，10°≤α≤80°，0＜r2/h1≤2，0＜r1/h1≤8，并且0＜d3/h1≤1；优选地，15°≤α≤45°，0＜r2/h1≤1，0＜r1/h1≤2，并且0＜d3/h1≤0.5。尤其是在这些条件下，获得了充分准直的光束，基本上没有闪烁。
在一个实施例中，凹槽高度h3在1-25mm的范围，优选地在1-10mm的范围。凹槽直径d3优选地在0.5-10mm的范围。在另一个实施例中，在槽壁板31和截头锥状元件30的边缘34之间的最短距离x在0.5-25mm的范围。
因此，所述结构20具有前表面22和后表面26，并且包括凹槽35，凹槽35安排成在前表面22中提供开口37，凹槽35具有凹槽底部36和高度h3，并且进一步还安排成包括发光二极管10。在所述结构中的发光二极管10定位在凹槽35的凹槽底部36，并且安排成通过前表面22中的开口37发射光。结构20进一步还包括裂缝38，裂缝38以圆周形式环绕凹槽35并且提供具有边缘34的截头锥状元件30(准直器)，其中对于截头锥状元件30的半径进行安排，使其在从发光二极管10到前表面22的方向上增加，截头锥状元件30包括透明材料。
这个结构20可以重复出现，即本发明的设备可以包括一个或多个结构20。例如，这样的设备可以包括2-1000个结构，即2-1000个发光二极管10分别安排在2-1000个截头锥状元件或准直器30内，其中截头锥状元件或准直器30包括透明材料。以此方式可以获得设备1，其包括主体200、托架50、前表面20、后表面26和边缘27，设备1进一步还包括多个结构20，例如至少16个结构。在图2e、4a和4b中示意地表示这样的设备的例子。还有，主体200优选地包括透明材料(见下文)。
当按照本发明产生设备1时，尤其是通过选择诸如α、β、δ、d3、h3、h1(即h4)之类的参数和主体200以及截头锥状元件30的材料类型来产生设备1时，可以调整从设备1逃逸的光束形状。然后，利用相对简单的方式可以获得期望的光束形状、截止角度(见下文)等。本发明的设备1允许发光二极管(一个或多个)10在基本垂直于前表面22的方向上发出辐射。
图2a还示出具有前表面22、后表面26和边缘27的设备。设备1的主体200优选地还包括透明材料，该透明材料可以与截头锥状元件30的透明材料相同或不同。按此方式该设备可起到波导的作用。因此，设备1的实施例包括由基本透明的材料组成的主体200。另外，边缘(一个或多个)27可以包括反射材料。例如，可用反射材料涂敷边缘(一个或多个)27，对于反射材料进行选择，以便反射至少一个发光二极管10的(可见)光的至少一部分。在另一个实施例中，后表面29(也)可以包括反射材料。后表面29可以涂敷反射材料，对于反射材料进行选择，以便反射至少一个发光二极管10的(可见)光。此外或者附加地，托架50的顶部表面51可设有反射材料，如反射涂层，以便反射至少一个发光二极管1的(可见)光的至少一部分。
设备1优选地包括板，如具有前表面22、后表面26和边缘(一个或多个)27的圆形、正方形、或矩形的板，其中优选地将表面和边缘(一个或多个)安排成相互基本上成直角。用附图标记h6表示设备的宽度/高度。高度h6一般在2-30mm的范围。以此方式，可以获得光瓦。这个光瓦分别包括至少一个发光二极管10和至少一个准直器30，即光瓦包括至少一个结构20。
截头锥状元件30可以是主体200的一个集成部分。的确，这是可能的，并且凹槽(一个或多个)35和裂缝(一个或多个)是可以获得的，例如通过本领域中公知的激光切割方法或其它方法获得。在一个特定实施例中，可以通过在设备1的主体200中激光切割一个或多个凹槽35和裂缝38来获得一个或多个凹槽35和裂缝38。以此方式，可以获得权利要求1中限定的设备。
然而，其它方法也是可能的。图2b和2c示意地表示获得本发明的设备1的其它可能的方法。
在图2b中，主体200包括准直器凹槽25，凹槽25的形状与截头锥状元件30的形状类似，在这里将截头锥状元件30表示为一个单独的体300，凹槽25用于接纳这个准直器300。术语“单独的”用于区分截头锥状元件30是主体200(或第二体，见下文)的一个集成部分的实施例与准直器或截头锥状元件30是引入进主体200内的单独体的实施例。
因此，在一个特定实施例中，照明设备1包括主体200、托架50和作为单独体300的至少一个截头锥状元件30，单独体300包括底部表面32、顶部表面33和边缘34，单独体300进一步还包括从顶部表面33延伸到底部表面32的孔135，孔135设置成包括发光二极管10。主体200包括至少一个准直器凹槽25，凹槽25安排成在前表面22中提供开口23，准直器凹槽25具有准直器的凹槽底部28和高度h5；准直器凹槽25安排成可接纳截头锥状体300。将发光二极管10定位在准直器凹槽底部28，并且将发光二极管10安排成通过孔135发射光(在组装之后)；并且可以通过在主体200的准直器凹槽25中以凸凹配置安排截头锥状体300来获得照明设备1。图2b通过箭头表示这种情况，其中“凸的”截头锥状元件30作为单独体300安排在“凹的”主体中，即准直器凹槽中。优选的是，准直器凹槽25的高度h5与准直器或截头锥状体300的高度h1基本上相同。以此方式，提供了基本上平的前表面22，同时截头锥状体300的底部表面与前表面22的其余部分处在相同的高度。通过按照凸凹配置在主体200的准直器凹槽25中安排截头锥状体300，也获得了根据权利要求1中所限定的设备。在更详细描述和示意地表示的实施例中，h5＝h1(即，准直器凹槽高度基本上等于截头锥状元件30的高度)。
在图2c中示意地表示了本发明的设备1(和组装方法)的另一个实施例。在这里，可以通过第二体500覆盖主体200，第二体500包括盖板(cover)540，盖板540进一步包括截头锥状元件30作为向盖板的一种突出物。孔135优选地延伸到盖板500中，借此提供延伸的孔535。因此，在下一个实施例中，所提供的照明设备1进一步包括具有盖板540的第二体500，盖板540具有前表面522和后表面526，其中对于盖板540进行安排，使其至少覆盖主体200的一部分，第二体500进一步包括具有边缘34和顶部表面33的突出的截头锥状元件30，盖板540包括从盖板540的前表面522延伸到突出的截头锥状元件30的顶部表面33的孔535，对于孔535进行安排，使其包括发光二极管10。另外，主体200包括准直器凹槽25，将凹槽25安排成在前表面22中提供开口23，其中准直器凹槽25具有准直器凹槽底部28和凹槽高度h5，并且对于准直器凹槽25进行安排，使其接纳从第二体500突出的截头锥状元件30。将发光二极管10定位在准直器凹槽25的凹槽底部28，并且将其安排成通过孔535(并且通过盖板540中的开口537)(在组装之后)发射光。可以通过按照凸凹配置安排包括突出的截头锥状元件30的第二体500和包括准直器凹槽25的主体200，就可以获得照明设备1。第二体500优选地是透明的，即它包括透明材料，或者优选地由透明材料制成，至少在截头锥状元件30和盖板表面522之间的区域是透明材料制的。整个第二体500优选地是由透明材料制成的透明体。在一个优选实施例中，截头锥状元件30、第二体500、以及可选的盖板540基本上由相同材料(例如PMMA)组成。但截头锥状元件30、第二体500、以及可选的盖板540的材料也可以相互不同，例如截头锥状元件30由玻璃制成，而主体200由PC制成。
在这个实施例中，主体200基本上可由第二体500即盖板540覆盖。设备的整个高度还是h6，在这个实施例中，所述整个高度基本上可以等于主体的高度(在这个实施例中记为h8)与盖板540的高度h9之和(即h6≈h8+h9)。这就可能导致前表面22和底部表面526基本上相互接触的配置。第二体500可以是一个单个体，但也可以是其上布置有截头锥状元件(一个或多个)30的盖板540。例如，盖板540和主体200的前表面可以相互粘结到一起。
要说明的是，在组装以后，边缘(一个或多个)34和边缘(一个或多个)24限定了裂缝38(一个或多个)，即在这些边缘之间存在距离(w1，见上文)。
在图2b和2c中示意地绘出的和以上描述的两个通用的实施例中，在一般情况下将发光二极管10安排在准直器凹槽25中，然后再分别将截头锥状元件300或第二体500组装到主体200上。通常，准直器凹槽底部28将是托架50的顶部表面51的一部分。
因此，本发明的产生或组装设备1的方法在一般情况下包括如下步骤：提供具有发光二极管(一个或多个)10的托架50(如印刷电路板)；在托架50上安排主体200，其中主体包括准直器凹槽(一个或多个)，或者在其中提供准直器凹槽(一个或多个)25；随后，在准直器凹槽(一个或多个)25中安排截头锥状元件30，截头锥状元件30或者作为单独体300(即截头锥状元件300)，或者作为第二体500的一部分，如以上所述。以此方式可以实现权利要求1中限定的本发明的设备。例如可以通过粘胶(如紫外胶)或本领域的普通技术人员公知的其它措施(如通过激光的局部熔化)分别将截头锥状元件300或第二体500附接到主体200上。以此方式实现照明设备1，照明设备1包括主体200和托架50，其中主体200分别包括至少一个发光二极管10和至少一个准直器或截头锥状元件30。在图4a和4b中分别示出了在图2b和2c中示意地表示的实施例的三维阵列。例如，可以通过例如PMMA的模注获得截头锥状元件300、第二体500和主体200。
可以将发光二极管10直接连接到托架50(如印刷电路板(PCB))。这样的实施例的例子示意地表示在图2d中。在这里，例如印刷电路板的托架用附图标记50表示。这样的托架50可以是不透明的。如以上所述，可以通过在具有发光二极管(一个或多个)10的托架50上安排主体200、然后在具有发光二极管(一个或多个)10的托架50上安排截头锥状元件300(也见图2b)，获得图2d的设备1。在另一个实施例中，也可以通过在具有发光二极管(一个或多个)10的托架50上分别安排主体200和第二体500(也见图2c)获得这样的设备，如以上所述。在托架50和主体200之间，可以安排反射层(未示出)，反射层至少对于发光二极管10的可见光是反射性的。这样的层可以是在托架50的底部表面29和/或顶部表面51上的涂层。例如可以在主体200和托架50之间施加(镜面的)反射涂层或薄片(或箔)。本领域的普通技术人员显然清楚，薄片或箔可以具有用于发光二极管10的穿孔。
托架50还可以是透明的，并且由上述的透明材料组成。托架50优选地是刚性的。
图2e是按照本发明的照明设备1的一个实施例的示意侧视图，其中使用发光二极管10的阵列，每个发光二极管10都安排在准直器30中。这个图表示具有3个结构20的照明设备。照明设备1包括具有多个结构20的主体200(在这里，对于非限制性实例，是3个结构20)。主体200的材料优选地是透明的。以此方式，在相邻结构20的裂缝38之间的材料是透明的，由此允许光的至少一部分通过主体200而行进(也见下文)。因此，在一个实施例中，主体200是波导，它对于来自至少一个发光二极管10的可见光是透明的。
例如可以通过注模获得主体200、截头锥状元件300和第二体500，这是对于本领域的普通技术人员公知的技术。
图3示意地绘出发光二极管光的光线是如何在设备1中行进的，其中准直器30和主体200由透明材料制成。直射的光通过孔35逃逸，但是一部分光还可能在准直器或截头锥状元件30内被准直，然后再从设备1逃逸。但一部分光还可以离开准直器30并进入主体200。这部分光可能会行进到另一个准直器(在这个图中没有表示出来)，并且在这另一个准直器30处从设备200逃逸。为了促进这个效应，在一个实施例中，截头锥状元件(一个或多个)30的边缘(一个或多个)34具有抗反射涂层。发光二极管10的至少部分光的确进入主体200并且通过这个主体(“波导”)行进到另一个准直器30，这个效应的优点是混合了不同发光二极管10的光，由此提供了混合光并且减小不期望出现的“装箱(binning)”效应。此外，如果要求颜色混合，则使用透明的主体、在边缘(一个或多个)34上可选择地使用抗反射涂层、并且在边缘(一个或多个)24上可选择地使用抗反射涂层，就可以产生这样的颜色混合。
图4a和4b表示本发明的设备1的实施例，它具有结构20的三维阵列，记为结构20(1)、20(2)、20(3)、…等。这个设备可以是一个光瓦，尤其是当主体200的材料是透明的时候(透明光瓦)，即由透明材料制造时。可以将这些结构(即截头锥状元件30和其中的发光二极管10)安排成规则的或不规则的图案，或规则的或不规则的图案的组合。例如通过在(透明的)托架50(如印刷电路板)(未示出)上集成发光二极管、在托架上安排主体200、按照凸凹配置在具有准直器凹槽25的主体上安排截头锥状元件300或第二体500(分别参见图4a和4b)，就可以获得这样的设备。在一个优选实施例中，发光二极管10安排在印刷电路板上，光学器件(即主体200(透明的)和在图2d和2e中描述的截头锥状体300)安排在它的顶部。在图2e、4a和4b中示意地表示的实施例表示照明设备1，照明设备1包括多个结构20。因此，本发明可以提供照明设备1，它是一个透明的发光二极管光瓦(不包括托架50、发光二极管(一个或多个)10和可选择的反射涂层)，照明设备1包括多个发光二极管10，这些发光二极管安排在透明的截头锥状元件或准直器30中，所述截头锥状元件或准直器嵌入光瓦中。
在包括多个结构20的照明设备中，发光二极管10之间的间距p，即两个相邻的发光二极管的中心之间的距离，优选地是2*r1＜p≤10*r1。
如以上所述，本发明的设备1允许根据所选参数例如α、β、δ、d3、h3、h1(即h4)和透明材料的类型(如PMMA、PC、玻璃)产生具有希望角分布的光分布。在优选实施例中，将照明设备1安排成相对于前表面22的法线在γ≥65°的情况下提供≤1000cd/m2的亮度(并且因此，在角度γ＜65°的情况下，亮度＞1000cd/m2)。角度γ是观察角，是相对于设备1的前表面22的法线的角度。以此方式，可以获得基本上没有闪烁的设备1，适合于办公室照明或其它目的。优选地获得在γ≥60°下的≤1000cd/m2的亮度。超过角度γ体验到的亮度便≤1000cd/m2(即，超过这个角度γ则不发射直接光)，这个角度γ称为截止角。截止角这个术语对于本领域的普通技术人员来说是公知的，并且截止角是指由从发光二极管处的直接光的方向画出的线与垂线形成的角度，超过该角度则不发射直接光。短语“超过这个角度则不发射直接光”应按欧洲标准EN I 12464-I(-SC/02168，2002年12月11日修改)进行理解，其中在≤1000cd/m2的亮度设定限制。
在图4a和4b中示意表示的设备1或照明器允许产生具有期望角分布的光，例如满足了闪烁标准，允许进行颜色混合，减小了装箱效应，并且还可能出乎意料地提供一种照明设备，其中各个发光二极管不再被观察为各单个光源，即获得了一种光瓦。
照明设备1可以进一步还包括控制器(未示出)，用于控制光强度和选择性地控制一个或多个发光二极管10的颜色。这可能包括控制多个发光二极管中的各个发光二极管的强度或颜色。控制器可以是“只有硬件”的系统，例如具有开关，如触摸控制器、滑动开关等，用于根据照明设备1的应用场合和使用者的喜好等控制发光二极管10的强度或选择期望的颜色。此外，发光二极管10的强度和/或颜色可以取决于外部参数，如时间、温度、外部源(如太阳)的光强度，这些参数都可以通过传感器(未示出)进行测量。控制器可以通过遥控器进行操作。控制器可以控制一个或多个发光二极管10的强度。在下一个实施例中，控制器可以包括具有可执行指令的存储器、输入-输出单元和处理器；将所述输入-输出单元配置成可以(i)接收来自(1)一个或多个传感器的一个或多个组的一个或多个输入信号和来自(2)用户输入设备的一个或多个输入信号；(ii)发送一个或多个输出信号以控制一个或多个发光二极管10的强度和/或颜色；并且将所述处理器设计成根据可执行指令将一个或多个输入信号处理成一个或多个输出信号。控制器可以提供选自下组的一个或多个功能：切换一个或多个发光二极管10为导通和截止；确定一个或多个发光二极管10的光强度；确定一个或多个发光二极管10的光颜色；确定一个或多个发光二极管10的一个或多个光颜色或强度是否取决于一个或多个外部参数(如时间、温度、外部源的光强度等)。
可以将本发明的设备1用于多种应用场合，其中包括：直接信息显示和液晶显示器的背光照明、普通照明、办公室照明、任务照明、局部照明等。
例1：
图5表示安装在具有8×4个发光二极管位置的完全透明的发光二极管瓦(100×200mm2，厚度h1＝h3(h2)＝h4＝h5＝8mm)中的单个发光二极管(朗伯，1流明)的强度分布。如上所述，使用截头锥状元件30作为嵌入在主体200中的单独体300。使用具有平直边缘34的锥体30；边缘24也是平直的；应用恒定的裂缝宽度w1(约100μm)；另外，凹槽35是圆筒形的(如图所示)。将长度x选为3mm，α是变化的。上边的曲线表示在α为32°(r2/h1＝0.375；h1＝h3＝h4；r1/h＝1.000)的情况下强度随γ(观察角)的变化而变化的情况；下边的曲线(两个最大值)表示的是在α为36.9°(r2/h1＝0.375；h1＝h3＝h4；r1/h＝1.125)的情况；最下边的曲线(约5个最大值)表示的是在α为41.2°(r2/h1＝0.375；h1＝h3＝h4；r1/h＝1.250)的情况。似乎，α越大，即准直器30越宽(对于d3(2.8mm)、h3、x，取相同的值)，光束越宽。
图6绘出在发光二极管瓦(即设备1的一个实施例)的前面(三角形)(即顶部表面22)、侧面(十字叉)(即边缘27(一个或多个))和后面(圆圈)的通量分数与角度α(锥角；见下文)的函数关系。可以通过调整上述参数来有利地调整这个通量分数。
图7绘出亮度(每安装100流明的cd/m2)随角度α的变化而变化的情况。
例2
下面描述如在图4a中所示的光瓦的一个特例。
利用r1/h1＝1.125，r2/h1＝0.375，d3/h1＝0.35，和α＝36.9°制成了一系列照明设备(完整的照明器)。凹槽35的形状是圆筒形的，裂缝38是具有恒定宽度w1(约100μm)的平直裂缝。使用顶部的发光二极管(蓝色发光二极管+YAG:Ce)，发光表面直径为2.6mm；高度h1＝h3(h2)＝h4＝h5＝8mm。发光二极管的间距，即一个发光二极管的中心到下一个发光二极管的中心的距离是25mm(正方形的排列)。每个设备(即每个瓦)包括4×8个发光二极管+准直器；每个瓦的尺寸是100×200mm2。相互串联(长边相互紧邻)的6个瓦的照明器产生1492流明。
应该注意的是，上述实施例说明了本发明，而不是限制了本发明，本领域的普通技术人员能够设计出许多可替换实施例而不偏离所附的权利要求书的范围。在权利要求书中，加在括号之间的任何附图标记不得被解释为对这个权利要求进行限制。使用动词“包括”及其变化形式不排除存在权利要求中所述的元件或步骤以外的元件或步骤。在元件前面的冠词“一”并不排除存在多个这样的元件。本发明可借助包括几个不同元件的硬件并借助适当编程的计算机来实施。在列举几个装置的设备权利要求中，几个这样的装置可以通过同一项硬件来实施。在相互不同的从属权利要求中，引用某些措施的事实并不说明这些措施的组合不可能有利地利用。

Claims (16)

1.一种照明设备(1)，包括含有至少一个发光二极管(10)的至少一个结构(20)，其中：
a.所述结构(20)具有前表面(22)和后表面(26)；
b.所述结构(20)进一步包括凹槽(35)，所述凹槽安排成在所述前表面(22)提供开口(37)，所述凹槽(35)具有凹槽底部(36)和凹槽高度h3，所述凹槽(35)进一步安排成包括所述发光二极管(10)；
c.所述发光二极管(10)定位在凹槽(35)的凹槽底部(36)并且安排成通过前表面(22)中的开口(37)发射光；以及
d.所述结构(20)进一步包括裂缝(38)，所述裂缝以圆周形式环绕所述凹槽(35)并且提供具有边缘(34)的截头锥状元件(30)，其中截头锥状元件(30)的半径r安排成在从发光二极管(10)到所述前表面(22)的方向上增加，并且其中所述截头锥状元件(30)包括透明材料。
2.根据权利要求1所述的照明设备(1)，其中所述边缘(34)是平直的边缘，其相对于前表面(22)的法线成角度α；并且其中相对于所述法线的所述角度α在15-45°的范围内。
3.根据前述权利要求中任何一项所述的照明设备(1)，其中该照明设备在相对于前表面(22)的法线的角度γ≥65°情况下，提供≤1000cd/mm2的亮度。
4.根据前述权利要求1或2述的照明设备(1)，其中该照明设备在相对于前表面(22)的法线的角度γ≥60°情况下，提供≤1000cd/mm2的亮度。
5.根据前述权利要求1或2所述的照明设备(1)，其中凹槽(35)具有凹槽直径d3和凹槽高度h3，并且截头锥状元件(30)具有锥体高度h1，其中h3＝h1并且0＜d3/h1≤1。
6.根据权利要求5所述的照明设备(1)，其中所述截头锥状元件(30)在顶部表面(33)具有最小半径r2，并且在底部表面(32)具有最大半径r1，并具有准直器高度h1，其中0＜r2/h1≤2并且0＜r1/h1≤8。
7.根据权利要求6所述的照明设备(1)，其中0＜d3/h1≤0.5，0＜r2/h1≤1并且0＜r1/h1≤2。
8.根据前述权利要求1或2所述的照明设备(1)，其中所述截头锥状元件(30)的边缘(34)包括抗反射涂层。
9.根据前述权利要求1或2所述的照明设备(1)，其中所述设备(1)包括主体(200)和托架(50)，所述主体(200)和托架(50)包括至少一个结构(20)，所述托架(50)安排成承载发光二极管(10)，并且所述主体(200)包括截头锥状元件(30)。
10.根据权利要求9所述的照明设备(1)，其中所述主体(200)由基本上透明的材料构成。
11.根据权利要求9所述的照明设备(1)，其中所述托架(50)由基本上透明的材料构成。
12.根据权利要求10所述的照明设备(1)，其中所述托架(50)由基本上透明的材料构成。
13.根据权利要求9所述的照明设备(1)，其包括作为单独体(300)的截头锥状元件(30)，其中：
a.所述单独体(300)包括底部表面(32)、顶部表面(33)和边缘(34)，所述单独体(300)进一步包括从顶部表面(33)延伸到底部表面(32)的孔(135)，所述孔(135)安排成包括发光二极管(10)；
b.所述主体(200)包括至少一个准直器凹槽(25)，所述准直器凹槽(25)安排成在前表面(22)中提供开口(23)，所述准直器凹槽(25)具有准直器凹槽底部(28)和高度h5并且安排成接纳所述单独体(300)；
c.所述发光二极管(10)定位在准直器凹槽底部(28)并且安排成通过孔(135)发射光；以及
d.通过在所述主体(200)的准直器凹槽(25)内按照凸凹配置安排单独体(300)可以获得所述照明设备(1)。
14.根据权利要求9所述的照明设备(1)，进一步包括第二体(500)，其中：
a.第二体(500)包括具有前表面(522)和后表面(526)的盖板(540)，所述盖板(540)安排成覆盖所述主体(200)的至少一部分，所述第二体(500)进一步包括具有边缘(34)和顶部表面(33)的突出的截头锥状元件(30)，所述盖板(540)具有从盖板(540)的前表面(522)延伸到所述突出的截头锥状元件(30)的顶部表面(33)的孔(535)，该孔(535)安排成包括所述发光二极管(10)；
b.所述主体(200)包括安排成在前表面(22)中提供开口(23)的准直器凹槽(25)，该准直器凹槽(25)具有准直器凹槽底部(28)和凹槽高度(h5)并且安排成接纳所述突出的截头锥状元件(30)；
c.所述发光二极管(10)定位在所述准直器凹槽(25)的凹槽底部(28)并且安排成通过所述孔(535)发射光；以及
d.通过按照凸凹配置安排包括突出的截头锥状元件(30)的第二体(500)和包括所述准直器凹槽(25)的主体(200)可以获得所述照明设备(1)。
15.根据权利要求14所述的照明设备(1)，其中所述第二体(500)由基本上透明的材料构成。
16.根据权利要求1或2所述的照明设备(1)，其包括多个所述结构(20)。
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