CN101657745B - 改进的光导和光输出设备 - Google Patents

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Abstract

一种光导(11；101；111)，包括第一和第二相对设置的表面、用于内耦合来自光源(12a-f；95a-f；102；106a-c；112a-f)的光的内耦合部分(13a-f)以及位于所述内耦合部分(13a-f)邻近的外耦合部分(15a-f；103；113a-f)。所述外耦合部分(15a-f；103；113a-f)被配置成以比次级光束更低的外耦合效率向外耦合初级光束，所述初级光束具有离开所述内耦合部分(13a-f)中的位置的传播方向，所述次级光束具有离开光导(11；101；111)中的所述内耦合部分(13a-f)之外的位置的传播方向。通过这种方式，可以在光导内实现良好的光混合，而无需对内耦合光的准直施加任何特殊要求。

Description

改进的光导和光输出设备
技术领域
本发明涉及平面光导，其包括第一和第二相对设置的表面(face)、用于向内耦合来自光源的光的内耦合位置以及位于内耦合位置邻近的外耦合部分。
本发明还涉及包括这种光导以及至少一个光源的光输出设备。
背景技术
到目前为止，荧光照明通常用作选用于办公照明的照明系统。
然而，为了允许建筑师和室内设计师创建明显将一幢建筑物与另一幢建筑物区分的室内风格，越来越需要尽可能不令人生厌地将照明集成到室内。
已知基于荧光照明的常规灯具(luminaire)具有大约50mm的最小厚度。另一方面，基于允许薄灯具的可替换光源的照明系统，例如包括若干发光二极管(LED)以及用于混合和分布由这些LED发射的光的光导的照明系统，在设计灯具方面提供了多得多的自由度。
在光导中实现足够程度的光混合是获得基于光导的灯具的改进的观察特性的重要因素。这样的改进可以包括例如从光导向外耦合的光的增大的均匀性以及降低的最大亮度。
WO2006/034831公开了一种用于实现这种混合的方法，依照该方法，光导配备了金字塔形外耦合小平面(facet)，这些小平面与外耦合表面形成一定角度，使得几乎平行的光在向外耦合之前在光导中经历若干次反射。
WO2006/034831中描述的光导的缺陷在于，它要求内耦合光高度准直以便发挥适当的功能。
发明内容
因此，本发明的目的是减轻现有技术的至少一些缺陷并且提供允许使用更加多样的光源的改进的光导。
依照本发明，这些和其他目的是通过一种光导来实现的，该光导包括第一和第二相对设置的表面(face)、用于内耦合来自光源的光的内耦合部分以及位于内耦合部分邻近的外耦合部分。外耦合部分被配置成以比次级光束更低的外耦合效率向外耦合初级光束，所述初级光束具有离开(directed from)内耦合部分中的位置的传播方向，所述次级光束具有离开光导中的内耦合部分之外的位置的传播方向。
所述光导可以例如由单种电介质材料的或者电介质材料的组合的平板(slab)制成。适当的电介质材料包括不同的透明材料，例如各种类型的玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等等。光导可以是平面的、平坦的或者具有弯曲的外观。平板型光导典型地依赖于全内反射(TIR)以便包含耦合到该波导中的光。
在光导的特定外耦合部分中，次级光束可能来源于可以包含在光导中的另一内耦合部分，或者可能是起初来自与该特定外耦合部分关联的内耦合部分，但是由于例如反射而改变了其传播方向的光。
应当指出的是，为一个外耦合部分中的初级光束的光束典型地为与另一内耦合部分(如果有的话)关联的另一外耦合部分中的次级光。
通过配置外耦合部分，使得它以比次级光束更低的外耦合效率向外耦合初级光束，确保了内耦合光的大部分在作为次级光向外耦合之前经历光导的相对表面内的若干次反射。这可以例如通过配置外耦合部分来实现，使得对于初级光束满足TIR(全内反射)条件但是对于次级光束则不满足TIR。
通过这种方式，可以实现光在光导中的良好混合，而无需对内耦合光的准直施加任何特殊的要求。
依照本发明的光导还可以包括重定向装置，其用于对初级光束重定向，从而将初级光束转换成次级光束。
这种重定向装置可以包括有源和/或无源装置。有源装置可以例如包括具有可控折射率和/或反射率的光学元件，无源装置可以例如包括固定反射结构和/或具有不同折射率的材料之间的界面。
在离开内耦合部分的传播方向上传播的初级光束可以例如由一个或多个反射器反射，所述反射器可以位于光导的边缘处，或者位于光导的分段的边界处。在这样的分段边界处的反射器可以例如由空气间隙或者另一具有低折射率的物质形成、由半透明反射器涂层形成或者通过选择性地提供基本上完全反射的涂层而形成。这样的分段可以为组装起来以形成复合光导的若干光导，或者光导可以通过例如在适当的位置处形成通过光导部分地延伸的狭缝而部分地被分离成分段。
当在反射结构处的若干反射之后，起初离开内耦合部分的光束在不同的方向上通过外耦合部分行进时，它更可能被向外耦合。这样，即使对于具有单个内耦合部分的光导，也获得了改进的均匀性。因此，重定向装置的提供改善了光导中的光束的空间以及角度混合。这在光导中使用了多个不同颜色的光源的情形中是特别有利的。
依照本发明的光导还可以包括在内耦合部分处形成的内耦合结构。
这种内耦合结构为这样的结构，其适于允许将来自光源的光内耦合到光导中，并且可以被设置在各个不同的位置，例如在光导的边缘处、沿着光导的相对设置的表面之一的某处或者在光导的内部。
此外，内耦合结构可以包括用于准直内耦合光的光束定形装置。
在这里，对光准直应当被理解为限制由光源发射的光的角分布。
通过提供与适当设计的光导相结合的这样的光束定形装置，可以从光导向外耦合准直的光。这特别对于其中应当避免或者至少限制眩光的办公照明是重要的。
光束定形装置可以包括常规准直光学元件，例如反射漏斗或者TIR元件。可替换地或者与这样的光学元件相结合，可以通过内耦合结构本身的适当几何结构来提供光束定形装置。
此外，所述内耦合结构可以包括从第一或第二表面在光导内形成的凹口(recess)。
该凹口可以部分地通过光导延伸，或者形成为通孔(through-goinghole)。
因此，可以方便地从光导的任何表面将光源插入到光导中。
对于具有多个内耦合部分的光导，这些可以有利地形成为分布在一个或两个表面之上的凹口，从而允许光源跨越光导的均匀分布。
此外，所述凹口在平行于光导的平面内有利地可以具有矩形截面，从而允许在与光导平行的平面内准直内耦合光。
具有矩形截面的内耦合凹口允许将由在所有方向上发射光的光源发射的光沿着与光导平行的平面内的两个正交轴分裂为单独的光束。
这样的凹口配置因而将初级光束的方向限制到与光导平行的平面内。这反过来特别在外耦合部分方面有助于光导的制造。
此外，依照本发明的光导还可以有利地包括准直层，其用于减小由外耦合部分向外耦合的光的角扩展。
“准直层”应当被理解为准直的层，即减小通过其中的光的角扩展的层。
通过提供准直层，可以减少眩光的量，这当在用于普通照明目的的灯具中使用了光导时是特别有利的。
准直层可以在光导的表面上提供并且可以包括技术人员已知的任何种类的准直光学元件。例如，准直层可以包括具有基本上为三角形的界面的分开的结构，从而形成漏斗状准直结构。可替换地，可以使用所谓的同心抛物线形聚光器(CPC)以便进一步改善准直。
具有上述三角形截面或者任何其他准直形状的准直结构(例如上述CPC)可以例如通过使用挤出成型并且随后将反射涂层施加到这些结构来制造。所述涂层可以有利地施加到准直结构的所有侧面上，但是特别在光导与准直结构之间不存在光学接触时，可以省略这些结构面向光导的侧面上的反射涂层。
此外，所述外耦合部分可以包括多个外耦合结构。
这些外耦合结构可以在光导的任一表面上提供或者在光导的内部提供，并且可以是表现出依赖于方向的外耦合性能的任何结构。可替换地或者与提供外耦合结构相结合，依赖于方向的外耦合可以借助于例如光导折射率的适当空间变化来实现。
这些外耦合结构可以有利地包括多个在光导的第一和第二表面中的至少一个上形成的凹槽，每个凹槽沿着对应初级光束在光导表面上的投影延伸。
在所述表面中的至少一个上形成与离开内耦合部分的光的主方向平行延伸的外耦合凹槽确保了光在耦合出去之前行进一定距离并且因而在一定区域上散布。该光可以在反射之后在与其来源的光源关联的外耦合部分中向外耦合，或者在相邻外耦合部分中向外耦合。
所述凹槽可以例如是V形并且具有可以有利地配备反射涂层的侧面或小平面。
依照一种示例性准直保留配置，所述凹槽可以具有基本上为V形的截面，其张开角大约为90°。
作为这种准直保留凹槽配置的替换或补充，光导可以配备包括与外耦合结构对准的准直结构的准直层。对于以凹槽形式提供的外耦合结构，这些准直结构于是可以与凹槽平行地延伸以便准直由凹槽向外耦合的光。
通过提供与外耦合结构对准的这样的准直结构，可以实现充分低水平的眩光，而无需使得外耦合结构像这样准直保留。因此，可以使用更加多样的外耦合结构，这可以有助于制造并且从而导致光导成本的降低。
为了实现准直结构的最佳性能，它们应当与外耦合结构充分对准。优选地，准直结构与基本上平行的外耦合结构之间的横向未对准应当低于相邻外耦合结构之间的距离(外耦合结构的间距)的10％。而且，准直结构的角位移(相对于外耦合结构的旋转)(以弧度为单位)优选地应当小于相邻外耦合结构之间的距离与光导长度之比的10％。
此外，依照一个实施例，外耦合部分可以包括具有随着相对于内耦合部分的距离的增加而增大的厚度的光导的一部分。
通过提供这种相对于内耦合结构向外张开的结构(flaringstructure)，在垂直于光导的平面内具有给定方向的光束在光导的表面上的入射角变得依赖于光导平面内的光束的方向。离开内耦合部分的初级光束将以比具有另一方向的次级光束更低的外耦合效率向外耦合。
这种结构可以作为上述凹槽的替换方案或者与上述凹槽相结合而提供。
为了实现来自光导的光的高效率外耦合，光导可以附加地包括设置在其一侧上的反射层。
当外耦合部分包括在光导的一个表面上的外耦合结构时，所述反射层可以在相同或相对的表面上提供，这取决于外耦合结构的配置。
在外耦合结构为凹槽的情况下，所述反射层可以在这些凹槽的一些或全部小平面上提供。可替换地，所述反射层可以以在光导的外耦合部分处基本上平行于光导地设置的反射膜的形式提供。
通过使用这种反射层而不是在凹槽的小平面上施加反射层，可以有助于光导的制造，然而这典型地以外耦合光的准直程度的降低为代价。
因此，这种反射膜可以有利地与上述准直层结合使用。
有利的是，可以基本上防止这种反射膜与光导之间的光学接触，以便避免由反射膜中不必要的反射造成的光损失。因此，优选的是，基本上只有由光导的外耦合部分从光导向外耦合的光碰撞该反射膜。
光学接触可以通过将反射膜与光导分开来防止。此外，应当指出的是，如果反射膜被放置成与光导机械接触，那么典型地在其间不存在任何光学接触。
有利的是，依照本发明的光导可以包括多个内耦合部分和多个外耦合部分，每个内耦合部分适于向内耦合来自关联的光源的光，每个外耦合部分邻近相应的内耦合部分并且被配置成以比次级光束更低的外耦合效率向外耦合初级光束，所述初级光束具有离开所述相应内耦合部分中的位置的传播方向，所述次级光束具有离开光导中的所述相应内耦合部分之外的位置的传播方向。
为了获得适当的办公室以及住宅照明，希望从光导发射的光是均匀分布的并且避免令人不舒适的高的最大局部亮度。光的均匀分布可以通过使光从多个光源出射来获得。然而，诸如发光二极管(LED)之类的光源典型地具有稍微不同的颜色和通量特性，这称为分级问题(binningproblem)。因此，由不同光源发射的光优选地应当在向外耦合之前在光导中充分混合以便实现外耦合光的均匀分布。良好的光混合被获得，因为初级光束在大的程度上包含在光导内，从而它们在作为次级光束耦合出去之前行进一定距离并且因而在一定区域上散布。
此外，来自多个内耦合部分的光在光导中混合还对防止一些光源的失效的鲁棒性产生贡献。
此外，光导可以有利地包括至少一个位于相邻外耦合部分之间的引导部分，以便防止其间的串扰。
对于一些类型的外耦合结构，例如可以在光导的一个或两个表面上提供的具有反射侧面的凹槽，光束可以通过两个或更多凹槽内的连续反射而向外耦合。典型地将导致外耦合光束的不希望的重定向的这样的连续反射，可以通过至少在相邻外耦合部分的选定部分之间提供未结构化的引导部分来避免。
此外，所述内耦合部分可以被设置在形成矩形栅格图案的阵列中。
该栅格图案可以由方形或非方形矩形形成。
此外，依照本发明的光导还可以包括至少一个全方向外耦合部分，所述全方向外耦合部分被配置成以基本上相等的外耦合效率向外耦合光束，而不管它们在平行于光导的平面内的方向如何。
通过在跨越光导的适当位置处、优选地在与相邻内耦合部分关联的外耦合部分之间提供这样的全方向外耦合结构，确保了起源于一个内耦合部分的、碰巧具有与和另一个内耦合部分关联的外耦合部分中的初级光束的方向重合(或者正好相反)的方向的光束事实上从光导向外耦合并且不继续在内耦合部分处被吸收或散射。
所述全方向外耦合结构可以以独立于光在光导平面内的方向而向外耦合光的任何常规外耦合结构的形式提供。
此外，依照本发明的光导可以包括多个全方向外耦合部分，每个全方向外耦合部分位于矩形栅格图案阵列中两个相邻内耦合部分之间的对角线上。
而且，具有多个被设置在栅格状阵列中的内耦合部分的平面光导可以有利地包括多个内耦合凹口，每个凹口在相应的内耦合部分处提供并且具有平行于平面光导的矩形截面，其中每个矩形内耦合凹口的相对拐角基本上与所述栅格图案中的相应栅格线重合，并且每个外耦合部分包括四组基本上在每组内平行的凹槽，其在所述第一或第二表面中的至少一个上提供，每组凹槽基本上与矩形内耦合凹口的关联侧面垂直延伸。
在这种配置中，所述矩形内耦合结构对光准直，从而允许提供仅在两个主方向上延伸的简化外耦合结构。
如上所述，所述内耦合凹口可以在方形或者非方形栅格状阵列中提供。通过选择非方形栅格，外耦合凹槽不直接指向相邻的内耦合结构。因此，更少的光由相邻内耦合位置处的吸收或散射而损失。
此外，依照本发明的光导可以有利地包含在光输出设备中，所述光输出设备例如灯具，其还包括至少一个设置在所述内耦合部分处的光源。
本发明的其他方面、益处和有利特征根据以下说明和权利要求书将是清楚明白的。
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加详细地描述本发明的这些和其他方面，在附图中：
图1a为依照本发明的灯具的示例性实施例的示意性顶视图，该灯具具有多个设置在方形栅格阵列中的光源；
图1b示意性地示出了在其中考虑了一个内耦合部分处的部分光束的示例性情况下由图1a中的灯具发射的光；
图1c示意性地示出了在其中考虑了一个内耦合部分处的部分光束并且在外耦合部分之间提供了空气狭缝的示例性情况下由图1a中的灯具发射的光；
图1d为图1a中的灯具的平面图，其具有在与不同光源关联的外耦合部分之间提供的不同颜色的光源和半透明反射镜；
图1e为具有不同颜色的光源和半透明反射镜的另一灯具的平面图，其中该灯具的边缘被修改以提供外耦合光的改进的颜色均匀性；
图2a为示例性矩形内耦合凹口的平面图，其中示意性地示出了它的准直性质；
图2b示出了图2a中的内耦合凹口的尺寸；
图2c示出了修改的内耦合凹口，其中连接凹口的拐角的侧面弯曲以实现进一步改善的准直；
图3a-b为沿着垂直于图1a中的灯具的剖面(section)的示意性截面视图，其示出用于在垂直于光导的方向上准直光的示例性光束定形结构；
图4a为图1a中的灯具的截面视图，其示出当在相邻的外耦合部分之间行进时光束的传播；
图4b为图1a中的光导的截面视图，其示意性地示出了用于控制从光导的向外耦合的外耦合结构设计参数；
图4c为图1a中的灯具的变型的截面视图，其还包括外耦合部分之间的未结构化引导部分。
图5a示意性地示出了灯具的剖面，该灯具具有V形凹槽形式的外耦合结构，凹槽的小平面涂敷了反射层；
图5b示意性地示出了图5a中的剖面和准直层，该剖面具有邻近光导处提供的反射膜而不是小平面中的反射涂层；
图5c示意性地示出了具有与图5b的实施例相比在光导的相对表面处提供的外耦合结构的另一示例性实施例；
图6为示意性地示出不同实施例的外耦合光的角分布的示图；
图7为依照本发明的灯具的另一示例性实施例的示意性顶视图，其具有多个设置在非方形栅格阵列中的光源；
图8为依照本发明的灯具的另一示例性实施例的示意性顶视图，其具有设置在相邻内耦合部分之间的对角线上的全方向外耦合结构；
图9a-c为依照本发明灯具的另外的示例性实施例的示意性顶视图；
图10a-b示意性地示出了另外的示例性实施例，其利用了在光导的边缘处通过反射重定向光；
图11a为示意性地示出具有可替换外耦合结构的示例性灯具的透视图；
图11b为图11a中的灯具的截面视图。
具体实施方式
当前详细的描述主要涉及灯具，其包括平面光导以及一个或多个在光导的表面之一中提供的内耦合凹口中设置的发光二极管。
应当指出的是，这绝没有限制本发明的范围，本发明同样可适用于其他类型的光源(例如半导体激光器)以及其他种类的内耦合结构，包括例如反射镜、棱镜等等。
在下文中，将描述若干优选的实施例。
首先，将参照图1a-e描述具有多个设置在方形栅格阵列中的光源的灯具的基本配置。在图1a中，示出了示例性灯具10，其包括光导11以及多个位于相应的内耦合部分13a-f处的、这里为全方向LED形式的光源12a-f，所述内耦合部分中的每一个在图1a中配备了凹口14(出于附图清楚性的原因，在图1a中仅仅明确示出了这些凹口之一)形式的内耦合结构，所述凹口在光导11的平面中具有方形截面。邻近每个内耦合部分13a-f，提供了关联的外耦合部分15a-f。这些外耦合部分中的每一个包括四个具有凹槽形外耦合结构17的区域16a-d，所述凹槽形外耦合结构在相对于位于中心的内耦合部分13e的45°、135°、225°和315°方向上延伸。
通过将内耦合结构形成为在光导11的平面中具有矩形/方形截面的凹口14，由未准直的光源12e(例如全方向LED)发射的光在光导11的平面中被准直并且因而沿着两个正交的轴分裂成四个单独的光束18a-d，如图1a中示意性表示的。内耦合凹口14的这种准直性质将在下面结合图2a-c更加详细地进行描述。
由图1a可见，内耦合凹口14被定向成使得光束18a-d的方向基本上与外耦合部分15e的四个区域16a-d中的外耦合结构17的方向一致。因此，光导11中内耦合部分13e处的向内耦合的光束18a将：遇到平行的凹槽17，其不向外耦合该光；或者遇到垂直取向的凹槽20、21，其确实向外耦合该光。这在图1b中仅针对光束18a而被表示出，光通过灯具10的所示部分22a-d向外耦合。
特定光源发射的光的向外耦合不一定发生在光导的与另一光源关联的外耦合部分中，如图1b所示。相反地，来自一定光源的光可以在反射之后在与该光源关联的外耦合部分中向外耦合，所述反射使得由该光源发射的光束在光导的平面内改变方向。因此，参照图1c并且考虑仅由光源12e发射的初级光束之一18a，该初级光束18a在反射结构处反射时可以被转换成次级光束，所述反射结构在这里为光导11中提供的空气狭缝23a-b(这里，为了附图清楚起见仅表示了这些空气狭缝中的两个)。然后，如图1c中的大箭头所示，这些次级光束由与光源12e关联的外耦合部分15e的分段16a中的外耦合结构17向外耦合(并且在较小的程度上由光导11中的其他外耦合结构向外耦合，如图1c中的较小的箭头所示)。
这种效果可以以各种方式来实现。例如，光导11可以包括单独的光导，其可以例如与上面提到的外耦合部分一致。这些单独的光导可以例如通过空气狭缝彼此隔离。
如图1c示意性所示，由于所述光导分段之间的边界处的反射，跨越灯具的光分布因而完全被改变了。作为图1c中所示空气狭缝23a-b的可替换方案，所述光导分段可以利用低折射率胶粘物粘合在一起，在这种情况下，分段边界处反射以及跨过分段边界的对应部分光将转向(shift)，从而导致介于图1b和图1c中所示情形之间的外耦合光分布。依照另外的可替换方案，可以在完整的光导的选定位置处形成例如空气狭缝形式的反射结构。
上面结合图1c讨论的重定向在使用不同颜色的光源的情况下是特别有利的，如下面将要参照图1d-e所解释的。
图1d为灯具10的示意性平面图，该灯具基本上对应于图1c中绘出的灯具，例外之处在于，反射结构形式的重定向装置仅在灯具的外耦合部分15a-f之间的边界处提供，而不是在外耦合部分内的外耦合分段之间的边界处提供。此外，内边界处的反射结构以半透明反射镜25的形式提供，而外边界处的反射结构以基本上完全反射的反射镜26的形式提供。
在图1d的灯具10中，一半光源12a、12c、12e发射暖白色光，而其余的光源12b、12d、12f发射冷白色光。在这种情形下，如果在外耦合部分之间没有提供反射结构，那么由于不同颜色的光源的原因，用户可以察觉到不同颜色的光带。
这些彩色带出现的原因在于，当在特定位置观看灯具10时，只有特定的光源是可见的，从而每个光源看起来处于不同的位置。
通过如图1d所示在外耦合部分之间的边界处提供半透明反射镜25，每个光源(例如12b)的镜像在相邻光源12a、12c、12e的位置处产生。如果不同颜色的光源位于相邻位置处，如图1d中分别用“W”和“C”所示，那么可以实现良好的颜色混合。
然而，为了实现更进一步改善的颜色混合，灯具边缘处的特殊条件也应当加以考虑。
这在图1e中被示意性地示出，其中示出了小的示例性灯具10，其具有两个位于灯具10内部的光源28a-b以及9个位于其外边界处的光源29a-j。通过观看图1e可以理解的是，由于对称性的原因，灯具外边界处的光源29a-j不仅应当具有交替的颜色，而且与位于灯具10内部的光源28a-b相比，对于沿着边缘的光源29b、29d、29e、29g、29i、29j而言应当为一半大小且发射大约一半的光量，并且对于灯具拐角处光源29a、29c、29f、29h而言应当为大约四分之一大小且发射大约四分之一的光量。
此外，基本上完全反射的反射镜26应当沿着灯具10的外边界而存在。作为一半大小和四分之一大小的光源的可替换方案，可以使用具有一半和四分之一强度的全尺寸光源。当利用发光二极管(LED)实现光源28a-b、29a-j时，一种选项是提供位于内部的、4个LED形式的光源28a-b中的每一个并且提供沿着边界的、分别为2个LED和一个LED形式的光源。在这种情况下，每个LED应当发射基本上相同的光量。
图1d和图1e中的外耦合部分15a-f之间的半透明反射镜25可以例如以基本上连续的半透明反射层的形式提供、通过适当尺寸的空气狭缝提供或者以覆盖边界表面一部分(比如一半)的基本上完全反射的结构的形式提供。在这种情况下，其中反射为大约100％和大约0％的区域理想地应当小于光源的展度(extension)，或者当可应用时，小于光源中包含的LED。
此外，图1d和图1e中示出的灯具可以通过对光束预准直并且将它们更多地沿着外耦合部分15a-f的对角线定向来扩展到多于两种颜色。
应当指出的是，上面描述的灯具10以及下面讨论的其他示例性灯具是以简化且示意的方式来说明的。特别地，实际的灯具典型地具有数量大得多的光源。然而，这里公开的实施例应当足以允许相关领域的技术人员制造和使用本发明。现在，将参照图2a-c描述用于准直由光导平面内的光源12a-f发射的光的、凹口形式的示例性内耦合结构。
在图2a-b中，示意性地示出了矩形(这里为方形)内耦合凹口14形式的内耦合结构。如图2a中的箭头所示，碰撞凹口的壁的光束朝凹口14的壁的法向折射，使得由全方向光源发射的光被分裂成4个不同的光束。
转向图2b，现在将讨论标注(dimensioning)用于在图1a的光导11平面内实现可接受的准直程度的图2a中的矩形凹口14。对于点光源而言，四个光束18a-d中的每一个都在2x 45度内准直(在空气中)。然而，对于有限光源而言，凹口14的侧面30a-d(假设为方形截面)的长度D应当大约2.5倍于光源直径d，以便产生如图2b中示意性示出的60度截止角(cut-off angle)Θcut-off。为了在光导11平面中实现窄于2x45度的准直，可以使用附加的光束定形装置，例如常规的准直器漏斗。
仿真和实验表明，通过如图2c中示意性示出的使得凹口14的壁30a-d为凹形可以实现光导平面内的准直的改善。事实上，使用诸如图2c中所示之类的内耦合结构，可以实现比2x45度更窄的准直。
现在，将参照图3a-b简要地描述两个用于在垂直于光导11的平面内实现准直的示例性光束定形装置。
在图3a中，示出了侧面发射LED封装35，其包括插入到光导11内的内耦合凹口14中的准直TIR(全内反射)元件36。LED 37发射的光在其内耦合表面38处耦合到TIR元件36中，并且然后通过TIR元件的几何结构内反射以便作为光束39(这里仅在一个方向上示出)而发射，该光束39在垂直于光导11的方向上被准直。
图3b示意性地示出了反射漏斗40形式的另一示例性光束定形装置，其如图3b中绘出的光束所示重定向由LED 37发射的光。
这样结合图2a-c和图3a-b描述了各种内耦合结构配置之后，现在将参照图4a-c和图5a-c描述若干示例性外耦合结构配置。
在图4a中，示意性地示出了光导11的截面，其平行于图1a中的内耦合部分13e处向内耦合的光束42。光束42从具有外耦合凹槽17的外耦合部分15e传递到具有外耦合凹槽21的外耦合部分15f，所述外耦合凹槽17基本上平行于光束42的方向(在光导11的平面内)，所述外耦合凹槽21基本上垂直于光束42的传播方向。
由图4a显然可知，只要光束42保留在与该光束42离开的内耦合部分13e关联的外耦合部分15e内，那么光束42就将包含在光导内，并且在垂直的凹槽形外耦合结构21中反射之后将通过光导11的顶面向外耦合。
通过如图1a中示意性示出的这些V形外耦合凹槽21的适当配置，平均说来，光可以基本上垂直于光导11地向外耦合。此外，这些外耦合结构可以被配置成保持内耦合光的准直，从而避免眩光。这种适当配置的一个实例是提供作为反射凹槽的外耦合结构，其如图1a所示在光导中定向在45°，并且具有如图4a所示的2x45°对称张开角。
如图4b所示意性示出的，凹槽45的反射侧44a-b可以间隔一定距离w1。此外，凹槽45可以相互间隔一定距离w2。这些距离w1、w2是重要的设计参数，并且通过其适当的选择，可以控制光导11的相应部分的外耦合效率。通过增加距离w1和w2，可以逐渐降低外耦合效率。
在图4c中，示意性地示出了图1a中的灯具的变型，其中在外耦合部分15e-f之间提供未结构化的引导部分43。该引导部分43降低了相邻外耦合部分15e-f中的外耦合结构17、21之间的串扰。
如上所述，灯具10的用户觉察的眩光可以通过提供保持光导11中光的准直的外耦合结构来降低。这样的准直保持外耦合结构的一个实例是具有图4a-c所示的反射侧面或小平面44a-b的凹槽21。
现在，将参照图5a-c和图6进行带有具有反射小平面44a-b的外耦合结构21的这种配置与没有反射小平面的配置之间的比较。
在图5a-c中的每一幅中，示出了灯具10的相应部分，其具有矩形凹口13a中的光源(比如12a)以及一部分具有V形凹槽21形式的外耦合结构的外耦合部分15a。
在基本上等效于图4a的图5a中，凹槽21的小平面44a-b涂敷了反射层，并且从灯具10向外耦合的光的主要方向由箭头50表示。
在图5b中示意性示出的灯具部分中，V形凹槽21未被涂敷，并且改为在光导11具有V形凹槽21的表面处光导11配备了反射膜52。光导还包括在其与反射膜52相对的侧面上的准直层53。通过如图5b所示利用反射膜52替换凹槽21中的反射涂层，与图5a所示的配置相比，降低了光导的准直保持能力。这部分地通过提供准直层53来补救，如图5b中的示例性外耦合光束55所示。
图5b中示出的示例性准直层53包括多个具有三角形截面的杆54a-b形式的准直结构。这些杆54a-b如图5b所示与凹槽21对准并且优选地附接到光导11上。在光导11与杆54a-b之间，优选地提供某种反射装置。这种装置可以是反射层、空气间隙或者具有比光导11的材料更低的折射率的胶粘物。这是为了防止来自光导11的通过杆54a-b的光的不希望的向外耦合。
准直层53可以以单独的杆54a-b的形式提供，或者作为包括多个杆的薄板而提供。例如，邻近的杆可以通过垂直延伸的杆连接。
图5c示出了图5b中的配置的一种可替换方案，其中反射层52在与凹槽21相对的光导11侧提供，并且准直层53在与凹槽21相同的侧面提供。准直层53的功能由图5c中的示例性外耦合光束56示意性地示出。
为了证明图5a-c中示出的各种配置的准直保持性质，针对具有以下度量的光导进行了计算机仿真：
外耦合部分15a的长度：72mm；
外耦合部分15a的宽度：48mm；
光导11的厚度：4mm；
V形凹槽21的间距：4mm；
凹槽21的宽度：1mm；
凹槽的深度：0.5mm；
杆54a-b底部(at base)之间的距离：2mm
杆的间距：4mm；
杆的高度：4mm；
针垫形内耦合凹口，具有侧面长度：8.5mm
侧面曲率半径：8mm；以及
光源：侧面发射LED。
图6示出了针对不同的外耦合配置的由灯具10发射的光线的相对光强与角度的函数关系的径向曲线图60、61、62。
由针对图5a的配置的径向曲线图60可见，超过40°的角度处的强度非常低。
当简单地由反射膜52替换凹槽21的小平面45a-b上的反射涂层而不也添加准直层时，在更大的角度处也存在相当的强度，如径向曲线图61所示。
由图6中的最后曲线图62显然可知，通过如图5b所示添加准直层相当程度地改善了结果。当分析由诸如图1a所示具有多个设置在方形栅格阵列中的光源的灯具之类的灯具10发射的光的角分布时，在与栅格的对角线(依照关于图1a的描述中使用的符号(notation)的45°、135°、225°、315°)相应的方向上找到了最小值。这些最小值归因于一些光将在内耦合部分之间行进而不向外耦合这一事实，因为该光仅仅遇到平行于该光的凹槽。这(小)部分光最终在沿着相关对角线的相邻内耦合部分处损失掉。
图7中示意性地示出了一种改进由该效应引起的角度非均匀性的方式，该图为灯具70的顶视图，灯具70与图1a中的灯具10的不同之处在于，光源设置在非方形矩形栅格阵列中的栅格点处。如图1a中同样所示出的，每个光源发射的光将被分裂成四个正交光束71a-d。然而，由图7显然可知，光的峰值分布不再指向对角线相对侧上的内耦合部分，并且因而在沿着对角线的相邻内耦合部分处更少的光由吸收而损失掉。
图8示意性地示出了一种改进由相邻内耦合部分处的光吸收而引起的上述角度非均匀性的方式。
图8为灯具80的顶视图，灯具80与图1a中的灯具10的不同之处在于，全方向外耦合结构81a-b在相邻内耦合部分82a-f之间的对角线上提供。
这些全方向外耦合结构能够向外耦合在前面讨论的任何一个主方向(依照关于图1a的描述中使用的符号的45°、135°、225°、315°)上行进的光。
除了上面描述的本发明的示例性实施例，大量变型是可能的，并且可以根据应用的领域而有利于使用。
图9a-c示意性地示出了两个附加的示例性实施例。应当理解的是，这里描述的实施例仅仅是实例并且大量进一步的变型都处于所附权利要求书的范围内。
在图9a中，示意性地示出了灯具90，其中光源更加密集分布并且部分地共享依赖于方向的外耦合部分。利用该实施例，在光束91a-d的主方向上在相邻内耦合部分处存在更多的光损失。然而，这在光源之间的距离足够大的情况下可以被容忍。
在迄今所描述的实施例中，已经描述了光在四个主要方向上以一定光束宽度向内耦合到光导中的情形。显然，光源和/或内耦合结构可替换地可以被配置成使得光在更少的主方向上被向内耦合。因此，可以减少或者甚至完全消除相邻内耦合部分之间的相互作用。图9b中示意性地示出了利用仅仅两个主方向上向内耦合的光的示例性灯具。
在图9b中，示意性地示出了示例性灯具93，其包括光导94以及多个被配置成仅在两个主方向96a-b上发射光的光源95a-f。这些光源95a-f中的每一个可以例如包括两个单方向侧面发射器，例如Nichia侧面点火(side-firing)LED，其通常用在用于移动电话的背光源中。
未使用的内耦合小平面97a-b可以配备反射器或者外耦合小平面，以便减少相邻光源之间的相互作用。
在图9c中，示意性地示出了另一个示例性灯具98，其与图9b中的灯具93的不同之处在于，光源95a-f改为被配置成仅在两个相对朝向的主方向99a-b上发射光。
如下面将参照图10a-b所描述的，本发明的教导可以利用单个外耦合部分以及通过反射的初级光的重定向来实现。因此，可以实现均匀发射的照明设备，例如仅包括一个光源的背光源或灯具。可替换地，如下面也将描述的，相同的原理可以利用多个光源来实现。
在图10a中，示意性地示出了照明设备100，其包括光导101以及单个侧面发射光源102，例如单方向侧面点火LED。在光导表面的至少一个上，提供了依赖于方向的外耦合结构103，其被配置成在主方向上以比具有其他方向的光更低的外耦合效率向外耦合由光源102发射的光。
其结果是，在光导101的反射边缘104a-d处的反射之前，实际上没有光将被向外耦合。通过关于其相距反射边缘104a-d的距离以及光导101的总体几何结构而适当地调节外耦合结构103，可以利用单个光源102实现跨越照明设备100的均匀光输出。
外耦合光的均匀性可以通过使用漫反射边缘104a-d而进一步提高。然而，这可能增加外耦合光的角分布。
在图10b中，示意性地示出了类似的照明设备105，其与图10a中的照明设备100的不同之处在于，使用了多个单方向光源106a-c。
上述实施例中实现的凹槽形外耦合结构仅仅是可以在依照本发明的光导中包含的依赖于方向的外耦合结构的一个实例。
现在，将参照图11a-b描述可以实现为先前描述的V形凹槽的可替换方案的或者可以与这些凹槽相结合地实现的另外的示例性外耦合结构。
在图11a中，示意性地示出了示例性灯具110，其包括光导111以及设置在相应的内耦合部分处的光源112a-f。光导111具有邻近每个内耦合部分的外耦合部分113a-f。这些外耦合部分中的每一个配备了倾斜小平面114a-d形式的宏观外耦合结构。
现在，将参照图11b描述这些外耦合结构114a-d的依赖于方向的外耦合，图11b为沿着直线A-A’的灯具110的截面。
图11b示意性地示出了由光源112e发射的光束115如何不在与该光源关联的外耦合部分113e内被向外耦合，因为由于光导111的局部倾斜的表面114c而满足了TIR条件。然而，当光束115进入相邻外耦合部分113f中时，其由于光导111的表面的入射角而如图11b所示耦合出光导111。
本领域技术人员应当认识到，本发明绝不限于这些优选实施例。例如，可以代替上述具有反射侧面的凹槽或者与这些凹槽相结合地提供光导的发射表面上的具有透明侧面的外耦合凹槽。此外，可以提供外耦合结构，作为在径向方向上从每个内耦合部分延伸的凹槽。而且，许多其他的内耦合配置都是可行的，包括在光导平面内具有圆柱形截面的凹口或孔。

Claims (10)

1.一种光导(11；101；111)，包括第一和第二相对设置的表面；用于向内耦合来自光源(12a-f)的光的内耦合部分(13a-f)；以及位于所述内耦合部分(13a-f)邻近的外耦合部分(15a-f；103；113a-f)，
其中所述外耦合部分(15a-f；103；113a-f)被配置成以比次级光束更低的外耦合效率向外耦合初级光束，所述初级光束具有离开所述内耦合部分(13a-f)中的位置的传播方向，所述次级光束具有离开光导(11；101；111)中的所述内耦合部分(13a-f)之外的位置的传播方向，
其中所述外耦合部分(15a-f；103；113a-f)包括多个外耦合结构(17，20，21；114a-d)，并且
其中所述外耦合结构包括多个在光导(11)的所述第一和第二表面中的至少一个上形成的凹槽(17，20，21)，每个所述凹槽(17，20，21)基本上沿着对应的所述初级光束在光导(11；101)的所述表面中的所述外耦合部分上的投影延伸，
其中，所述光导还包括重定向装置，该重定向装置用于对所述初级光束重定向，从而将所述初级光束转换成次级光束，
其中，所述光导还包括在所述内耦合部分(13a-f)处形成的内耦合结构(14)，其中所述内耦合结构(14)包括用于准直所述内耦合光的光束定形装置(14；36；40)。
2.依照权利要求1的光导(11；101；111)，其中所述内耦合结构包括从所述第一或第二表面在所述光导(11；101；111)内形成的凹口(14)。
3.依照权利要求2的光导(11；101；111)，其中所述凹口在平行于所述光导(11；101；111)的平面内具有矩形截面，从而允许在与所述光导(11；101；111)平行的平面内准直内耦合光。
4.依照权利要求1的光导(11；101；111)，包括多个准直结构(54a-b)，所述准直结构与相应的多个所述外耦合结构(17，20，21)对准。
5.依照权利要求中1的光导(11；101；111)，还包括至少在所述外耦合部分(15a-f；103；113a-f)处设置在该光导的一侧上的反射层(52)。
6.依照权利要求中1的光导(11；111)，包括多个内耦合部分(13a-f)和多个外耦合部分(15a-f；113a-f)，每个内耦合部分适于向内耦合来自关联的光源(12a-f；112a-f)的光，每个外耦合部分邻近相应的所述内耦合部分(13a-f)并且被配置成以比次级光束更低的外耦合效率向外耦合初级光束，所述初级光束具有离开所述相应内耦合部分(13a-f)中的位置的传播方向，所述次级光束具有离开光导(11；111)中的所述相应内耦合部分(13a-f)之外的位置的传播方向。
7.依照权利要求6的光导(11；111)，还包括至少一个位于相邻外耦合部分(15e-f)之间的引导部分(43)，以便防止其间的串扰。
8.依照权利要求6或7的光导(11；111)，其中所述内耦合部分(13a-f)被设置在形成矩形栅格图案的阵列中。
9.一种光输出设备(10；70；80；90；98；100；105；110)，包括依照前面的权利要求中任何一项的光导(11；101；111)以及至少一个设置在所述内耦合部分(13a-f)处的光源(12a-f；95a-f；102；106a-c；112a-f)。
10.一种光输出设备(10；70；80；90；98；110)，包括依照权利要求6-8中任何一项的光导(11；111)，具有设置在邻近的外耦合部分(15a-f；113a-f)之间的重定向装置(25)，所述光输出设备还包括多个光源(12a-f；112a-f)，每个光源设置在对应的所述内耦合部分处，其中相邻的所述光源适于发射不同颜色的光，从而改善了由所述光输出设备输出的光的颜色均匀性。
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