CN102187147A - 具有体积散射元件的基于发光二极管的灯 - Google Patents

Abstract

一种灯，具有蜡烛状的外观并且使用一个或多个发光二极管（LED）作为其光源。仅从灯泡中心处或者其附近的小体积发射光。散热器和控制电子装置在灯泡外部。在灯泡内部，二次光学装置的集合将光引导至灯泡内部的规定位置处的发射点。二次光学装置包括引导光远离LED芯片的光管，和从光管接收光、将其散射的体积散射元件，该体积散射元件由透明基材制成并且包括具有预定尺寸和折射率的透明颗粒。体积散射元件中的颗粒密度、颗粒尺寸和颗粒折射率被选择为产生朝向灯泡的基部导向较多的光的散射式样，同时维持合理的效率。

Description

具有体积散射元件的基于发光二极管的灯

相关申请的交叉引用

本申请要求在2008年10月16日提交的具有同一名称的美国临时专利申请第61/105,980号和在2009年1月1日提交的具有同一名称的美国专利申请第12/351,197号的优先权。

技术领域

本发明涉及一种具有灯泡内部的体积散射元件（volume scattering element）的基于发光二极管的灯。

背景技术

在灯泡发明之前，蜡烛是用于效果照明的流行选择。枝形吊灯从房间的天花板垂下，并且支撑若干个蜡烛，这些蜡烛常常以华丽的和装饰的方式围绕枝形吊灯的圆周布置。

当白炽灯泡变得普及时，许多电气枝形吊灯仿效蜡烛固持枝形吊灯的外表。不同于一系列蜡烛，这些电气枝形吊灯具有许多长柱状结构，每个长柱状结构支撑模仿蜡烛火焰的小灯泡。

这些枝形吊灯中使用的灯泡具有流行的形状，常常类似于蜡烛火焰的细高形状。光由灯泡内部的相对小的灯丝产生，其中细线支撑灯丝并且将灯丝电气连接到灯泡的螺纹基部（base）中的电接触部。

近年来，发光二极管（LED）已进入照明市场。已经存在一些尝试来将流行的基于灯丝的白炽灯泡替换为具有相似形状和尺寸的使用一个或多个LED作为它们的光源的灯泡。

图19中示出了一个这样的基于LED的灯200。灯200在商业上可获得自位于West Jordan, UT的Cao Group, Inc.公司。灯200目前在品牌名称DYNASTY下销售，其是Cao Group, Inc.公司的注册商标。该特定的灯是作为“B10 LED枝状烛台灯”销售的。“B10”指的是灯泡形状和尺寸，其具有1.26英寸（32.0 mm）的最大直径，3.87英寸（98.3 mm）的最大总长度以及2.17英寸（55.0 mm）的光心长度（从螺纹（thread）的端部到光发射点的距离）。“枝状烛台（Candelabra）”指的是灯旋入的基部。标准的“枝状烛台”基部还被称为“E12”，从而“E12”灯的基帽（base cap）在螺峰处具有12 mm的直径。较之25、40或60瓦特的典型的白炽瓦特数，该特定的灯仅使用1.7瓦特，因此对于用户存在可观的能量节约。

Dynasty灯200具有玻璃外灯泡201、位于灯泡201内部的光发射点处的LED 202、用于发散LED 202生成的热的灯泡内部的散热器203、以及用于将线电压（120伏特，AC（交流））转换为相对低的电压（约5伏特，DC（直流））并且向LED 202供电的灯泡内部的控制电子装置204。

Dynasty灯200具有优于白炽灯的许多优点。例如，其使用非常小的功率（1.7瓦特），具有非常长的寿命（根据Cao Group, Inc.公司，35,000小时），并且与许多白炽固定设备向后兼容。然而，对于这种灯，存在若干个缺点。

主要缺点在于灯自身在装饰上是不吸引人的。通过灯泡201可以清楚地看见散热器203。控制电子装置204尽管由壳体隐藏，但是也存在于灯泡201中。这些结构减损了Dynasty灯200的整体外观。考虑到其主要用在流行的枝形吊灯中，Dynasty灯200是无吸引力的选择。

基于LED的灯的另一示例在商业上可获得自位于Charlottesville, VA的Watt-Man公司。这种灯是作为“Watt-Man LED装饰灯-B10”销售的。这种灯具有1.25英寸的直径和4.0英寸的最大总长度。这种灯可以使用枝状烛台（E12）或中号（E26）类型的基部。Watt-Man灯的优点和缺点与图19的Dynasty灯200的那些相似。

在2008年2月12日授予Chaves等人的题为“Optical device for LED-based lamp”的美国专利第7,329,029中公开了另一种已知的灯。本申请的图20是从Chaves的图34A复制的。

Chaves公开了一种用于从LED接收光输出并且将其重新导向成主要球形的式样（pattern）的光学元件。该元件包括接收其中的LED的光的所谓的“转移段（transfer section）”以及定位得与转移段相邻以从转移段接收光并且使光通常球形地散开的所谓的“射出体段（ejector section）”。转移段的基部与LED光学对准和/或与LED耦合，从而LED的光进入转移段。转移段可以是经由全内反射进行操作的复合椭圆集中器（concentrator）。射出体段可具有多种形状。

图20示出了Chaves公开的许多光学元件形状中的一个。在图20的底部LED被示出为小矩形，并且从LED发射的光在元件600中向上行进，经历多种内反射和/或折射，直至其在元件600的顶部附近离开元件600。在Chaves的术语中，图20示出了虚拟灯丝600，其包括中心在相对点601f的等角-螺旋转移段601、突出的三次样条（cubic spline）602和中心在近点603f的中心等角螺线603。

值得注意的是，元件600内部的光线遵循受Snell定律（在界面两侧，折射率乘以与表面法线所成角度的正弦保持恒定）和折射定律（与表面法线所成的入射角度等于与表面法线所成的反射角度）支配的确定性路径。元件600中的光传播的这种确定性本质意味着具有若干个缺点。

首先，元件600具有光轴，并且需要相当仔细地对准以适当地操作。如果LED相对于它们的目标位置略微错开，则元件600中的光式样显著移位，其中一些离开角度（exiting angle）接收较多的光而一些离开角度接收较少的光。

其次，由于元件600以确定性方式操作并且对于其最优操作依赖于通常平滑的表面，因此元件600特别易受缺陷的影响。具体地，诸如划痕、结构缺陷（诸如尺寸或形状误差）和材料缺陷（诸如折射率变化或污染）的表面缺陷可能使元件600的性能严重劣化。

存在另一种已知的灯，其具有关于元件中的传播的相似的确定性特性，但是添加了表面漫射体（diffuser）以使离开元件时的光线输出方向随机化。在2006年4月4日授予Mi?ano等人的题为“Optical device for repositioning and redistributing an LED’s light”的美国专利第7,021,797中公开了这种灯。本申请的图21是从Mi?ano的图7A复制的。

在本图21的已知的灯中，LED将光导向至透镜270。光进入转移段271的底部，其包含经全内反射的光并且将其向上导向至射出体段272。射出体段272具有其表面上的漫射体，其可以在其表面处将光线重新导向至离开透镜270的离开角度范围。射出体段272的漫射表面可以被称为“表面漫射体”或“表面散射体”，这是因为在其自身的漫射表面处，光路径的任何随机化发生在光路径中的仅一个点处。

射出体的表面上的表面漫射体优于Chaves的优点在于，其减少了对缺陷的敏感性（上文提到的第二个缺点）。然而，其仍具有如下缺点：透镜270中的确定性传播创建了LED和透镜270之间的相当严格的对准公差。如果LED相对于它们的目标位置错位，则部分转移段272变暗，并且其他部分变亮。

对表面漫射体的有用的模拟是磨砂玻璃灯泡，其中玻璃的磨砂将离开光线导向至多种角度。上文讨论的确定性传播问题将具有使部分灯泡表面比其他部分更亮或更暗的效果。由于玻璃磨砂，可以从多种角度看到这种亮度变化，但是表面漫射体将不会掩蔽（mask）磨砂灯泡表面上的亮度变化。

因此，将有益的是，具有基于LED的灯，其中散热器和驱动器电子装置容纳在灯泡外部，仅由透明材料制成的光学元件位于灯泡内部，并且光学性能展现了对于错开和制造缺陷的增加的抗耐性。

发明内容

实施例是灯，包括：透明灯泡，包围体积并且在纵向末端处具有开口；发光二极管，紧接透明灯泡中的开口安置，用于将光发射到透明灯泡中；透明光管，紧接透明灯泡中的开口安置在透明灯泡内部，用于从发光二极管接收光，光进入光管的近端并且远离近端纵向传播到光管的远端；以及体积散射元件，与光管的远端相邻地安置在透明灯泡内部，用于从透明光管接收光并且用于将光散射到多个离开角度。散射光通过透明灯泡离开灯。体积散射元件包括透明基材和遍布基材分布的多个颗粒。多个颗粒中的每个颗粒是透明的并且具有与基材的折射率不同的折射率。

另一实施例是一种提供光的方法，包括：紧接透明灯泡中的开口设置发光二极管；使用安置在透明灯泡外部的驱动器对发光二极管供电；使用安置在透明灯泡外部的散热器发散发光二极管生成的热；使用安置在透明灯泡内部的光管的近端收集发光二极管发射的光；通过透射通过光管并且通过光管横向边缘（lateral edge）的全内反射将收集的光透射到光管的远端；在体积散射元件处从光管的远端接收光，体积散射元件包括透明基材和遍布基材分布的多个颗粒，多个颗粒中的每个颗粒是透明的并且具有与基材的折射率不同的折射率；以及使用体积散射元件将接收到的光散射到多个方向。

另一实施例是一种灯，包括：透明灯泡，具有开口；发光二极管，紧接透明灯泡中的开口安置，用于将光发射到透明灯泡中；散热器，紧接发光二极管并且与发光二极管热接触，散热器包括面对发光二极管的远侧边缘和围绕灯的圆周远离远侧边缘近侧（proximally）纵向延伸的横向边缘，横向边缘和远侧边缘形成散热器的内部；发光二极管驱动器，安置在散热器内部，用于向发光二极管供电；以及导电基部，从灯近侧延伸，用于从插座接收电力并且向发光二极管驱动器供电，基部与散热器热绝缘。

附图说明

如附图中图示的，通过下文对这里公开的特定实施例的描述，这里公开的前述和其他目的、特征和优点将是明显的，在附图通篇中相同的附图标记表示相同的部件。附图不一定按照比例，而是着重于图示这里公开的原理。

图1是灯的平面图。

图2是图1的灯的分解视图。

图3是图1和2的组装灯的横截面侧视图。

图4是图1-3的灯的端视图。

图5是图1-4的灯的特写细节示图。

图6是图1-5的灯的二次光学装置（secondary optics）的横截面侧视图。

图7是关于图1-6的灯的离开发光二极管并且进入光管的近端的光的示意图。

图8是沿示例性光管传播的光的示意图。

图9是沿另一示例性光管传播的光的示意图。

图10是沿第三示例性光管传播的光的示意图。

图11是示例性体积散射元件的示意图，具有示出基材和各种颗粒的细节。

图12是示例性光管和示例性体积散射元件的示意图。

图13是另一示例性光管和另一示例性体积散射元件的示意图。

图14是与示例性体积散射元件整体制成的示例性光管的示意图。

图15是离开光管并且进入体积散射元件的光的示意图。

图16是从体积散射元件散射的具有近侧和远侧方向的光的示意图。

图17是作为颗粒密度和颗粒折射率的函数的仿真的散射相对方向的图。

图18是作为光波长的函数的另外的仿真的散射相对方向的图。

图19是“Dynasty B10 LED枝状烛台灯”的示意图。

图20是Chaves的已知的灯的图34A的复制图。

图21是Mi?ano的已知的灯的图7A的复制图。

具体实施方式

呈现了具有蜡烛状外观并且使用一个或多个发光二极管（LED）作为其光源的灯。蜡烛状外观出现的原因是在灯泡中心处或者其附近仅从小体积发射光。散热器和控制电子装置设置在灯的灯泡外部。灯泡内部是二次光学装置的集合，其将来自一个或多个LED的光引导至灯泡内部的规定位置处的发射点。二次光学装置包括引导光远离LED芯片的光管，和从光管接收光并且将其散射到各种方向的体积散射元件。体积散射元件由透明基材制成，并且包括具有预定尺寸和折射率的透明颗粒。由于灯典型地用在头上位置，诸如用在悬挂枝形吊灯中，因此体积散射元件中的颗粒密度、颗粒尺寸和颗粒折射率被选择为产生将较多的光导向下（朝向灯泡基部）而非向上的散射式样，同时维持合理的效率（成功离开灯的所产生的光的分数）。呈现了仿真结果。

上段仅是概述，并且不应以任何方式被解释为限制。在下面的文本和图中提供了另外的描述。

本文的剩余部分被粗略地分为三个部分。第一部分涵盖图1至5，描述了灯的结构元件。第二部分涵盖图6至16，描述了灯的从LED通过光管到体积散射元件并且最终离开灯的光学路径。第三部分涵盖图17和18，描述了光学路径的光学建模和仿真。

我们开始于图1至5中的各种视图中示出的示例性灯10的结构元件的描述。更具体地，图1至5分别是灯10的平面图、分解视图、横截面侧视图、端视图和特写细节图。下文结合所有五个图描述了灯10。我们的描述将在图2中从右到左进行。

灯泡20是由玻璃或塑料制成的透明灯泡，具有中空的内部和一个纵向末端处的开口。灯泡可以具有任何适当的尺寸和形状。

在一些应用中，灯泡是所谓的“B-10”灯泡。“B-10”描述了业界已知的并且在现有的装饰灯泡中广泛商用的特定的灯泡形状。“B-10”形状是细长的或鱼雷形的，具有相对小的纵向末端和相对宽的中间部分。灯泡形状自身有些类似于蜡烛火焰的形状。B-10灯泡的横向直径是1.25英寸或32 mm。

二次光学装置30在组装时延伸到灯泡20内部。二次光学装置30包括光管31和体积散射元件，在接下来的部分中更详细地描述了此两者。

光学安装件（optic mount）40用作将二次光学装置30机械固定在适当位置的安装件并且用作LED封装的盖。在一些应用中，光管31通过空气间隙与LED封装隔开，从而在很大程度上使LED芯片生成的热保持远离二次光学装置。在这些应用中，光学安装件40可以用作LED封装和二次光学装置40之间的隔板。光学安装件40可以由任何适当的金属或塑料材料（诸如黄铜、铝或钢）制成。

在一些应用中，光学安装件40包括反射圆柱内表面41，其反射从LED发射的高离开角度（high-exiting-angle）光并且使其朝向光管31的近侧面反射回。反射表面可以成型为其平滑完成物（smooth finish），或者可以被打磨成其平滑完成物。反射表面可以可选地包括增加其反射率的一个或多个反射薄膜。

LED封装50包括作为发射光的区域的LED芯片自身，以及支撑LED芯片的机械封装。在一些应用中，LED封装包括LED芯片上的一个或多个透镜，其可以保护芯片并且可以可选地更改从芯片输出的角度光。

所期望的是，许多商用LED封装中的任何封装可以用在灯10中。作为具体示例，可以使用的一种类型的封装在名称OSTAR下销售，OSTAR是Osram Opto Semiconductors公司的注册商标。Ostar LED在商业上可获得自Osram Opto Semiconductors公司。

Ostar照明LED可以具有“白色”（其具有(0.33,0.33)的色彩坐标(x,y)）或者“暖白色”（其具有(0.42,0.4)的色彩坐标）的发射色彩。Ostar照明LED典型地具有LED芯片阵列，而非单个芯片。阵列布局可以是2×2或者2×3个芯片，其中整个阵列在约2.31 mm×1.9 mm的矩形区域上延伸。Ostar照明LED可以具有芯片阵列上的可选的透镜。Ostar照明LED可以具有由关于无透镜LED的120度以及关于有透镜LED的120或130度的半峰全宽（FWHM）描述的角度输出。

这些Ostar LED是基于磷光体的，意味着实际的LED芯片自身发射相对短波长的光，典型地在光谱的蓝色、紫色或紫外部分中。磷光体吸收短波长光并且发射所需光谱中的较长波长的光。光谱的诸如宽度、平坦度等精确特性在很大程度上由磷光体的化学性质以及其与短波长光的相互作用所确定。对于照明应用，通常期望人眼感知大致“白色”（其具有(1/3,1/3)的色彩坐标(x,y)）的灯发射的光。

Ostar照明LED的机械封装在封装的平面中通常是六角形的，在六个角处具有可以容纳螺钉头的缺口。也可以使用其他适当的封装形状。

Ostar照明LED包括电气连接到芯片的焊盘，但是不包括用于控制去往LED的电流的驱动器电路。该电路与LED驱动器80包括在一起，并且在下文中描述。

LED封装50产生热，其由散热器60发散和导向得远离LED封装。散热器60由诸如铝的热传导金属制成，尽管可以使用任何适当的材料。

散热器60包括面向远侧面，其通常与LED封装50的近侧面齐平并且与LED封装50良好地热接触。面向远侧面可以包括容纳针对LED封装50的电气连接的一个或多个螺孔和/或一个或多个孔。

散热器60通常被整形为壳体，具有与LED芯片接触的通常固体的远侧面，具有通常固体的面向横向壁，并且具有中空内部，不具有限位面向近侧（bounding proximal-facing）壁。所期望的是，散热器60的外部部分具有尽可能大的表面积，因此散热器可以包括增加其表面积的条纹式样或者“鳍”。在一些应用中，散热器60还可以包括装饰特征，诸如装饰条纹，其可能具有围绕散热器的圆周的变化的长度。可选地，散热器可以包括类似从蜡烛顶部滴下的蜡的特征。在一些应用中，散热器可以包括其表面中的孔。

由于散热器60可以是金属的，并且因而是导电的，因此所期望的是使LED驱动器与散热器60电气绝缘。因此，驱动器绝缘体70安置在散热器的大部分或所有的内部。驱动器绝缘体70可以由任何适当的不传导材料制成，诸如塑料。可选地，驱动器绝缘体70应能够承受略微升高的温度，诸如散热器60经历的温度。驱动器绝缘体70通常也是中空的，不具有面向近侧壁。

LED驱动器80被安置在驱动器绝缘体70中，其从而驻留在散热器60内。这种LED驱动器80向LED芯片提供规定的量，并且可以包括获取诸如120伏特或240伏特的AC线电压，并且将其转换为低得多的诸如5伏特DC电压的电路。LED驱动器80可以包括滤波电路，其能够确保LED芯片抵御线电压中的波动引起的破坏。用于上述Ostar照明LED的典型的电流电平是350毫安，尽管也可以使用任何适当的电流电平。

LED驱动器80可以具有两个或更多个电气引线，其通过驱动器绝缘体70和散热器60中的孔延伸到LED封装50。

基部绝缘体90在LED驱动器80的近侧，其用作与驱动器绝缘体70类似的功能。基部绝缘体可以包括一个或多个孔，其能够容纳针对基部的用于接收线电压的电气连接。基部绝缘体90可以由诸如塑料的任何适当的材料制成。

基部100是与插座对接的外螺纹部分。典型地，螺纹用于针对线电压的一个电气连接，其中基部100的纵向末端（最近侧末端）用于另一电气连接。

灯可以具有任何适当的螺纹尺寸。两种常用的螺纹尺寸是枝状烛台（E12）或中号（E26），它们在螺峰处分别具有12 mm和26 mm的直径。

当组装时，灯10将作为单个单元包括从灯泡20到基部100的所有元件。在图1中，作为单个单元包括除了110以外的所有元件，其中螺纹基部100从单元的近端延伸。

元件110是套筒（telescoping）延伸管，其典型地是插座固定件的一部分，而非灯单元（元件20至100）的一部分。管110是中空的，并且通常在重力的影响下落位。管110可以具有任何所需长度，并且可以被装饰性地设计为看起来像蜡烛或烛台。延伸管可以由塑料、金属或任何适当的材料制成，并且可以可选地是白色的或者略带色彩的以为灯10提供高贵的、流行的外观。

延伸管110典型地被视为插座固持件（socket holder）的一部分。图中未示出的插座自身包括与基部100的外螺纹匹配的内螺纹。在一些应用中，基部100和插座使用无螺纹插入连接器，而非旋入螺纹。

以上部分描述了灯10的结构元件。下面的部分描述了灯10中的光学路径。特别地，详细描述了在前面部分中简要提及的二次光学装置30。

图6是图1-5的灯的二次光学装置30的横截面侧视图。

二次光学装置30包括光管31，其将来自LED封装50的离开表面51的光透射到体积散射元件32。对于观察者，存在很少的或者不存在来自光管31的发射，并且来自灯10的所有或者几乎所有光呈现为从体积散射元件32辐射。

该体积散射元件32明显小于完整的灯泡20。由于光呈现为来自灯泡中间的相对小的区域或体积，因此较之诸如磨砂灯泡的其中整个灯泡区域发射光的灯或者具有磨砂灯泡的紧凑荧光灯，灯10在美学上可更加使人愉悦。体积散射元件的相对小的区域为观察者提供了光的“闪烁”，这是所期望的特征并且是非常流行的。该“闪烁”出自灯泡内部的相对小的发射区域，并且类似于天空中星星的“闪烁”。在许多情况中，可使光从其整个表面积辐射的磨砂灯泡不能呈现这样的令人愉悦的“闪烁”。

我们沿着从LED通过光管到体积散射元件并且离开灯泡的光学路径顺序描述二次光学装置中的每个特征。

图7是关于图1-6的灯的离开发光二极管封装50的离开表面51并且进入光管31的近端的光的示意图。

光以特定的角度分布（angular profile）离开LED封装50的离开表面51。在许多情况中，该角度分布是Lambertian，其具有功率相对传播角度的余弦依赖关系。最大（峰值）功率是垂直于LED的平面辐射的，并且从该Lambertian分布的角度下降（angular falloff）随着表面法线和传播光线的角度之间的余弦而变化。Lambertian分布具有2 cos^-1(0.5)或120度的半峰全宽（FWHM）。换言之，以离开表面法线的60度传播的光学功率是平行于表面法线传播的光学功率的一半。角度分布在90度下降到零，因此实际上没有平行于LED的面传播的光学功率。通常，LED封装的角度分布在LED阵列的所有发射位置处相同，尽管这不是必需的。

图7示出了离开LED封装50的多种光线。LED封装被绘制为具有弯曲的离开面51，其对应于有透镜的LED封装，尽管这不是必需的。还可以使用平坦的离开面。光线在离开LED封装中的透镜时折射，从约1.5的较高的折射率去往对应于自由空间传播的1的较低的折射率。

大部分光线离开LED封装，传播通过自由空间，随后进入光管31的近侧表面。一些高角度光线首先撞击光学安装件的反射面41，并且向光管31的近侧表面反射回。

光管31的近侧表面被绘制为平坦的，尽管其可选地可以是弯曲的。如果近侧表面是平坦的，则较之表面弯曲的情况，光管31对于相对LED封装的错开是不太敏感的。该敏感性的降低是所期望的，这是因为其趋向于放松一些对准公差并且因此提高了组装过程的产量。

近侧表面可选地可以包括介电薄膜涂层，其减少表面的反射；该介电涂层可以是单层，或者可以是多层。该抗反射涂层在业界中是公知的，并且可以包括四分之一波长涂层（“V”涂覆）、“W”涂覆或者更复杂的结构。

一旦处于光管31内部，则光线从LED附近的近端行进到体积散射元件附近的远端。大部分光线简单地通过沿光管纵向传播或者以相对光管的纵轴略微倾斜的方式传播而行进。一些较高角度光线被光管的横向侧面反射。这种反射是以大于光管中的临界角度的入射角度而发生的，并且是全内反射。对于全内反射，没有光透射通过光管的横向侧面，并且从灯泡的外部不会看到通过光管的横向侧面离开的光。

在一些情况中，光管31由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制成，其在550 nm的波长下具有约1.49的折射率。该材料是相对廉价的、相对耐用的并且是可成型的，从而光管31可以被成型。在其他情况中，可以使用其他材料，诸如玻璃或者另一种形式的塑料。

在一些情况中，除了体积散射元件32中的散射元件之外，光管31可以包括散射元件。光管31中的可选的散射元件在构造上可以与体积散射元件32中的散射元件相似，诸如具有较之光管31的基材略微不同的折射率的小颗粒。较之体积散射元件32中的颗粒，任何或所有颗粒的折射率、尺寸分布和密度均可以是相同的或不同的。

光管31主要是圆柱形的，具有明显的纵向形状。图8、9和10示出了关于这种主要圆柱形的若干种可能。在图8中，光管31A是准确圆柱的，具有平行于光管的纵轴取得的圆形的横截面。由于光管是准确圆柱的，因此这些圆形横截面在光管31A的近端和远端之间的各处具有相同的尺寸。在图9中，光管31B是略微圆锥形的，从而圆形横截面的尺寸从光管31B的近端到远端下降。圆形的尺寸沿光管31B随距离线性变化。在图10中，光管31C也具有尺寸从光管31C的近端到远端下降的圆形横截面，但是圆形的尺寸并非沿着光管31C随距离线性变化。换言之，对于包括光管的纵轴的切片，光管31A和31B具有直边，而光管31C具有渐缩的（tapered）边。具体地，光管31C的形状可以被称为向外渐缩。渐缩可以是任何适当的形状，只要全内反射被保持在光管31内部。

可替选地，光管不需要具有关于其纵轴的准确的旋转对称。光管可以在一个方向或另一方向上伸长，可以在一个方向上渐缩而在另一方向上不渐缩，或者可以在不同的方向上具有不同的渐缩。对于所有这些，横截面可以是卵形的、椭圆形的或者其他伸长的形状。

在一些情况中，光管可选地可以具有更复杂的形状，诸如螺旋形状，其可选地可以使光在规定位置离开光管。例如，光管可以具有其外表面上的装饰条纹，该装饰条纹可以是划痕、凹槽、缺口或突起，一些光沿着它们离开光管。可替选地，可以存在较小的特征，如点或星，它们可以沿光管的横向边缘发射光。

光沿光管31纵向前进并且进入体积散射元件32。图11中示意性地示出了体积散射元件32的内部结构。

体积散射元件32包括具有折射率n的透明基材33。基材33具有混合到其中的颗粒34的集合，其中颗粒具有规定尺寸、规定形状和略微不同于基材33的折射率n的折射率n’。在许多情况中，通过典型的制造技术，规定形状是球形，或者尽可能球形。在许多情况中，所有颗粒的尺寸是相同的，或者尽可能接近特定的所需尺寸。例如，颗粒可以具有3微米+/-0.1微米的范围中的直径。该范围可以表示截止点，从而直径分布在2.9到3.1微米的范围中是大致均匀的。可替选地，该范围可以表示分布中的宽度点。例如，特定的制造工艺可以产生直径的正态（高斯）分布，具有3.0微米的平均值和0.1微米的标准偏差。其他宽度点可以是半峰全宽（FWHM）、1/e半宽度或全宽度、1/e²半宽度或全宽度、四分位数间距等。

对于以上情况，故意地尝试使颗粒具有相同的尺寸，以在合理的制造公差内。在其他情况中，故意地尝试使用不止一个颗粒尺寸。该直径分布可以包括一个或多个离散尺寸，并且还可以包括以特定尺寸为中心的尺寸分布。在其他情况中，可以存在颗粒折射率的分布，以及颗粒尺寸的可选分布。对于下文执行的仿真，假设颗粒都是球形的，均具有形成特定分布的直径，并且遍布基材以特定的颗粒密度均匀分布。

尽管在图11中将体积散射元件绘制为球状或球形，但是其也可以具有许多其他形状中的一个形状，包括部分球体、半球体、具有面向下的平坦面的半球体、蘑菇形、椭球形、伸长的椭圆、立方体、板、棱锥、扁球、足球形或者任何其他适当的形状。通常，由于体积散射元件中的光传播的本质，体积散射元件的形状远不及上文的背景部分中讨论的光束整形元件的形状关键。在下面的三段中解释了这一点。

对于在背景部分中讨论的纯折射和表面漫射体结构，光线遵循从LED封装通过次数相对少的折射和/或反射到达结构表面上的特定位置的确定性路径。在该情况中，次数“少”的折射和/或反射可以计为或者约为5、10、50或100，其容易地通过确定性光线跟踪软件仿真。这些结构的性能高度依赖于结构的实际形状。例如，Chaves参考文献公开了许多奇异的元件形状，其中形状上的看似细微的改变引起性能的令人惊讶的大的改变。清楚的是，Chaves元件将具有极为严格的制造和对准公差。通常，这些严格的公差是仅依赖于结构内部的确定性光线传播的光重新导向结构的特性。表面散射体可以在光线离开结构时使每个光线方向随机化，但是其不会改变每个光线离开的结构上的位置，并且对减少通常严格的公差的作用很小。

相反地，体积散射元件在光线进入元件时立即开始重新导向光线，而非仅在它们离开元件时进行重新导向它们。由于在元件中可以存在数百万个颗粒，因此在光线进入时和光线最终离开元件时之间可能存在数千甚或数百万个光线重新导向。这些重新导向最容易地是通过随机的或基于概率的分析进行处理，而非通过真实地确定性光线跟踪进行处理。幸运地，许多光线跟踪成套软件可以在常规光线跟踪的框架中执行这些基于概率的计算，从而针对体积散射元件外的光线执行确定性光线跟踪并且基于概率的计算处理体积散射元件内部的光线性能。

由于体积散射元件在其整个体积中而非仅在其表面处执行光线重新导向，因此对其表面轮廓具有比上文讨论的Chaves元件宽松得多的公差。例如，如果体积散射元件的表面上的一个特定位置是畸形的，则对离开光分布的影响很小或没有影响，仅仅是因为，平均起来，每个光线将仅从畸形部分接收其重新导向的极小的部分。

在一些情况中，体积散射元件32的基材33是PMMA，其可以是与光管31相同的材料。在该情况中，由于材料是相同的，因此折射率是相同的，并且不存在在光管31和体积散射元件32之间的界面处出现的反射。在其他情况中，对于体积散射元件和光管，可以使用不同的材料。

在一些情况中，颗粒由在550 nm波长下具有约1.51到约1.59的范围中的折射率的材料制成。对于在550 nm波长下具有约1.49的折射率的PMMA的典型基材，颗粒和基材之间的折射率的差典型地在约0.05到0.06的范围中，尽管该差也可以在该范围之外。颗粒典型地具有约1微米到约10微米的范围中的尺寸（直径）。颗粒通常可以被视为球形的，使用颗粒是球形的假设的仿真产生了与测得量一致的结果。

注意，在一些情况中，基材33是透明的，意味着不存在基材的吸收，并且颗粒34也是透明的。在其他情况中，这两个材料之一或两者可以略微吸收。

在一些情况中，体积散射元件32可以包括混合在散射体内部的磷光体颗粒。这些磷光体颗粒可以吸收来自LED的相对短波长的光并且可以从散射体的内部中的它们各自的位置辐射磷光体发射光。通过将磷光体设置在散射体内，可以使用诸如蓝色LED的短波长LED，而非包括作为LED封装的一部分的其磷光体的白色光LED。

可替选地，除了LED封装中的磷光体，可以包括混合在散射体内的磷光体。该磷光体可以用于调节或调整灯的色彩渲染，或者调整灯的色温。例如，一个特定的磷光体可以主要在光谱的红色部分中辐射，从而将该红色磷光体添加到散射体内部可以向灯输出添加略带红色的着色。其他示例当然是可能的。

作为另外的替选方案，除了LED封装磷光体和/或体积散射体32内部的磷光体之外或者作为其替换，磷光体可以被施加到散射元件32外部。该磷光体可以作为膜施加，而非作为特定体积内的离散颗粒施加。

作为另一替选方案，可选的反射体可以被施加到体积散射元件32的顶部（远端）。该反射体可以是完全或部分反射的，并且可以作为散射体的最远侧表面上的金属或介电膜而被施加。该可选的反射体将减少远侧方向上的发射，并且在近侧方向上将光重新导向回散射体体积中。在一些情况中，反射体可以围绕散射体32的纵轴旋转对称。在一些情况中，反射体可以覆盖散射体32的整个半球体。在其他情况中，反射体可以仅覆盖散射体32的远侧一半的一部分。在一些情况中，反射体可以具有可变的厚度（或反射率），在表面上的最远侧点处最厚（或者最能够反射），并且远离最远侧点下降。

当光通过包括大量小颗粒的材料时，其经历由在每个颗粒的表面处出现的许多小的反射和折射引起的散射。可以向散射给出多种名称，诸如Mie散射、Rayleigh散射等。在不具体考虑颗粒尺寸和其中各项严格应用的波长范围的情况下，足以如下叙述体积散射元件的物理性质。光线进入体积散射元件并且撞击颗粒。大部分功率透射通过颗粒，随后离开颗粒，由于折射而在颗粒的入射面和离开面处存在方向的略微改变。在入射面和离开面处，小部分功率被反射。这些反射和折射的光线随后撞击其他颗粒，并且该过程重复。最终，在与许多、许多颗粒相互作用（即折射和反射）之后，光线离开体积散射元件，其中可以在统计上确定方向。换言之，对于给定的输入方向，存在作为角度的函数的离开分布。该分布可以通过分析来确定（通常非常困难）或者通过嵌入在光线跟踪程序中的基于概率的例程来确定（通常简单得多）。在下面的部分中讨论了探究离开分布的仿真。

光管31和体积散射元件32之间的界面可以取多种形状中的任何一个形状。例如，图12示出了作为准确球体的体积散射元件32A，光管31在其远端处包括与球体的曲率匹配的凹坑。图13示出了具有从其近侧移除的平坦部分的体积散射元件32B，从而邻接的光管31可以具有平坦的远端。可替选地，图14示出了与光管31整体制成的体积散射元件32C。作为实际问题，图12、13和14的情况之间的差异呈现了颗粒34实际驻留在体积散射体中的位置；如果一部分球体缺乏颗粒34，则在光学系统的仿真中容易地对其进行处置。

在一些情况中，光管的远端是平坦的，并且体积散射元件的相应的部分被打磨或成型为也是平坦的。随后可以使用光学接触（optical contacting）、诸如VU固化的光学粘合剂或热粘合剂、塑料部件的局部超声熔化和附连、或者任何其他适当的附连方法，使光管和体积散射元件的平坦部分彼此附连。在其他情况中，光管和体积散射元件可以被制造为单个整体部件，而非随后附连的单独部件。例如，一个部件可以被成型，并且其他部件可以在同一模具的相邻部分中成型。

图15示出了离开光管31并且进入体积散射元件32的光。注意，在一些情况中，这两个元件中的折射率是相同的，从而在界面处不存在反射并且光线在界面处不会弯曲。

图16示出了当离开光线离开体积散射元件32时的离开光线。它们可以被粗略地分为在“远侧”和“近侧”方向上传播的光线，分割线垂直于光管31的纵轴。光散射到 “远侧”和“近侧”方向的基本上全部半空间中，其中统计分析确定有多少光传播到每个方向中。在以下部分中执行了该统计分析。

在完成对二次光学装置30的描述之后，我们转向灯10中的光学路径的计算机建模和仿真。

下面的描述旨在提供可以由本领域的普通技术人员执行的仿真类型的示例。该仿真用于灯10的一个特定配置，并非意图以任何方式作为限制。可以以相似的方式对其他配置建模。下段描述了在图17的图中仿真的特定的光学系统。

LED封装是Ostar照明LED阵列，具有2.31×1.9 mm的发射面积。假设LED基本上在光管的近侧面，从而所有LED发射的光进入光管。光管自身具有0.5英寸（12.7 mm）的长度和8 mm的直径，并且由PMMA制成，在550 nm下具有1.49的折射率。体积散射元件也由PMMA制成，具有3微米的颗粒直径。在不同的计算中允许两个量变化：颗粒的折射率和颗粒密度。对于这些量的每个组合，生成角度图（angular plot），并且计算效率。在对应于LED的发射光谱的若干个波长上对结果取平均。

角度图表示导向到特定角度的功率量。使用图16的符号规定，“远侧”方向在图17的图中向上，而“近侧”方向向下。

效率是0%和100%之间的单个数值，其表示离开灯泡的光量除以LED阵列发射的光量。报告的效率和满100%之间的差表示被散射回光管或者由超过灯的近端的机械物体（诸如散热器）阻挡的光的分数。较高的效率数值是优选的。

在具体解决实际建模的情况之前，值得考虑折射率和颗粒密度的一些极值。

对于接近1.49的折射率，由于在基材内部颗粒变得实际上不可见，因此预期看到散射效果极大地消失。这应导致所有或大部分光导向远侧方向（图中向上），并且基本上没有光线导向近侧方向（图中向下）。对于被设定为零（散射消失）的颗粒密度，该趋势也应如此，并且几乎所有光向上行进。对于这两种极端情况，仍存在关于图顶部处的“180度”点的角度分布，其出自通过光管的传播以及光管的横向侧面的反射。由于在光学系统的任何点处没有光被阻挡，因此该极端情况的效率应是100%。

在另一极端情况中，我们可以增加颗粒密度和/或增加颗粒的折射率以达到任意大的值。这应向体积散射元件给出如同镜子的质量，这将产生比远侧（向上）多的近侧（向下）光。由于大量的光可在近侧方向上被散热器、光管或者位于灯泡下游的其他元件阻挡，因此该系统的效率应明显小于100%。

实际上，由于这些灯典型地安装在视平线以上的悬挂的或装饰的枝形吊灯中，因此希望向下的光比向上的光略多。不希望所有光导向下，或者在向上和向下之间50/50划分，而是仅使向下比向上略多，从而较多的光被导向观察者而非导向房间的天花板。还希望合理的效率，其直接影响灯的感知亮度。

将上述系统输入LightTools，其是在商业上可获得自位于Pasadena, CA的Optical Research Associates的光线跟踪程序。也可以使用其他光线跟踪程序，包括ASAP、Code V、Oslo、Zemax或者任何其他商用或自用光线跟踪程序。

执行九次不同的仿真运行，并且在图17的九个图中示出了结果。对于每个图，存在围绕原点（表示纵向，180度）的锯齿状曲线。该曲线是所关注的角度图，并且表示纸面中的角度输出，具有图16中示出的符号规定。关于1.54的折射率和1.5百万每立方毫米（million per cubic mm）的颗粒密度的左上曲线示出了其中导向上的光比导向下的光多的图。关于1.58和2.5百万个颗粒每立方毫米的右下图示出了导向下的光比导向上的光多。

在所有九个图上还存在表示横向，90度的几乎圆形的曲线，其给出了关于垂直于光管的纵轴的纸外的切片的角度结果。由于光学系统关于纵轴对称并且在该方向上预期没有明显变化，因此我们预期该曲线几乎是圆形的。

“效率”数值叠置在每个图上，其从92%向下变化到81%。

总体上，确定中心和中左图是所研究的九种情况中的最期望的情况。这对应于1.56的折射率和约1.5到2.0百万个颗粒每立方毫米的范围中的颗粒密度。这产生了比向上行进的光多的向下行进的光，具有约88%到约90%的范围中的效率。

结果用于特定的几何特征，包括特定的光管和体积散射元件的几何特征以及单个颗粒的尺寸。必要时，可以针对不同的几何特征、不同的颗粒尺寸或者不同的体积散射元件基材重复计算。

如上文提到的，图17的图是一个或多个波长的性能的加权平均。例如，LED输出可以具有红色、绿色和蓝色贡献，并且计算可以是红色、绿色和蓝色光的加权平均，通过光学系统跟踪每种光。

图18是三个不同波长下的一个特定配置的性能的图。最左侧的图关于蓝色光，具有486 nm的波长，中间的图关于550 nm下的绿色光，而右侧的图关于650 nm下的红色光。事实上，来自LED阵列的白色光可以包括连续的和/或离散的光谱，其包括486 nm到650 nm的区域，并且三个所选择的波长可以粗略地表示该光谱。

看到蓝色光具有比红色光多的向上传播功率，并且具有比红色光少的向下传播功率。换言之，对于直接位于灯下方或者接近灯的基部的观察者，较之从远离灯的基部观看，灯应具有较多的略带红色的色调。同样地，到达天花板的光将具有比导向下的光多的略带蓝色的色调。

对于图18中的该特定情况，使用对于所有三个波长取为恒定的颗粒折射率来执行计算。实际上，如同基材的折射率，颗粒的折射率随波长变化。这种随波长的折射率变化被称为色散，并且实际上所有光学材料具有良好证明的色散值。色散的影响可以容易地并入到计算中，尽管从图18的图中故意地省略它们以强调波长依赖散射效果。

如这里阐述的本发明及其应用的描述是说明性的，并非旨在限制本发明的范围。这里公开的实施例的变化和修改是可能的，并且本领域的普通技术人员在研究本专利文献之后将理解实施例的各种元件的实用替选方案和等同方案。在不偏离本发明的范围和精神的情况下，可以进行这里公开的实施例的这些和其他变化和修改。

Claims (29)

1.一种灯（10），包括：

透明灯泡（20），包围体积并且在纵向末端处具有开口；

发光二极管（50），紧接所述透明灯泡（20）中的所述开口安置，用于将光发射到所述透明灯泡（20）中；

透明光管（31），紧接所述透明灯泡（20）中的所述开口安置在所述透明灯泡（20）内部，用于从所述发光二极管（50）接收光，所述光进入所述光管（31）的近端并且远离近端纵向传播到所述光管（31）的远端；以及

体积散射元件（32），与所述光管（31）的远端相邻地安置在所述透明灯泡（20）内部，用于从所述透明光管（31）接收光并且用于将光散射到多个离开角度；

其中所述散射光通过所述透明灯泡（20）离开所述灯（10）；以及

其中所述体积散射元件（32）包括透明基材（33）和遍布所述基材（33）分布的多个颗粒（34），所述多个颗粒（34）中的每个是透明的并且具有与所述基材（33）的折射率不同的折射率。

2.根据权利要求1所述的灯（10），其中所述体积散射元件（32）是球体。

3.根据权利要求1所述的灯（10），其中光通过透射并且通过所述光管（31）的横向边缘的全内反射在所述光管（31）中纵向传播。

4.根据权利要求1所述的灯（10），其中所述光管（31）与所述发光二极管（50）纵向分离。

5.根据权利要求4所述的灯（10），进一步包括反射元件（41），其与所述光管（31）的近端直接纵向相邻，用于收集来自所述发光二极管（50）的高角度光并且将所述高角度光反射到所述光管（31）的近端。

6.根据权利要求1所述的灯（10），其中所述体积散射元件（32）中的所述颗粒（34）具有确定每个方向上散射的光量的尺寸分布和折射率分布。

7.根据权利要求6所述的灯（10），其中所述体积散射元件（32）中的所述多个颗粒（34）中的每个具有通常相同的尺寸和通常相同的折射率。

8.根据权利要求7所述的灯（10），其中所述体积散射元件（32）中的所述颗粒（34）较之远侧方向在近侧方向上散射更多的光。

9.根据权利要求1所述的灯（10），其中所述光管（31）和所述体积散射元件（32）的所述基材（33）具有相同的折射率。

10.根据权利要求1所述的灯（10），其中所述光管（31）和所述体积散射元件（32）的所述基材（33）由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制成并且在550 nm的波长下具有约1.49的折射率。

11.根据权利要求1所述的灯（10），其中所述体积散射元件（32）中的所述颗粒（34）在550 nm的波长下具有约1.51到约1.59的范围中的折射率。

12.根据权利要求1所述的灯（10），其中所述体积散射元件（32）中的所述颗粒（34）通常是球形的并且具有约1微米到约10微米的范围中的额定直径。

13.根据权利要求1所述的灯（10），其中所述体积散射元件（32）中的所述颗粒（34）具有约3微米到约6微米的范围中的额定直径，在550 nm的波长下具有约1.56的折射率，并且具有约1.5百万个颗粒每立方毫米到约2.0百万个颗粒每立方毫米的范围中的颗粒密度。

14.根据权利要求1所述的灯（10），其中所述光管（31A、31B）具有在包括所述光管（31A、31B）的纵轴的切片中取得的横截面，所述横截面具有直边。

15.根据权利要求1所述的灯（10），其中所述光管（31C）具有在包括所述光管（31C）的纵轴的切片中取得的横截面，所述横截面具有渐缩的边。

16.根据权利要求1所述的灯（10），其中所述光管（31B、31C）具有在垂直于所述光管（31B、31C）的纵轴的切片中取得的横截面，所述横截面沿所述光管（31B、31C）的纵向范围均是圆形的，所述圆形在直径方面从所述光管（31B、31C）的近端到远端下降。

17.根据权利要求1所述的灯（10），其中所述体积散射元件（32）具有粗略地为所述光管（31）的横截面直径1.5到2.5倍的直径。

18.根据权利要求1所述的灯（10），进一步包括：

发光二极管驱动器（80），用于向所述发光二极管（50）供电；以及

散热器（60），用于发散所述发光二极管（50）生成的热；

其中所述发光二极管驱动器（80）和所述散热器（60）被安置在所述透明灯泡（20）外部。

19.根据权利要求18所述的灯（10），其中所述发光二极管驱动器（80）安置在类似烛台的壳体内；以及

其中所述散热器类似于在所述壳体的外部上滴下的蜡烛的蜡。

20.根据权利要求1所述的灯（10），其中所述体积散射元件（32）和所述光管（31）是整体的。

21.根据权利要求1所述的灯（10），其中所述体积散射元件（32）和所述光管（31）通过光学接触附连。

22.根据权利要求1所述的灯（10），其中所述体积散射元件（32）和所述光管（31）通过粘合剂附连。

23.一种提供光的方法，包括：

紧接透明灯泡（20）中的开口设置发光二极管（50）；

使用安置在所述透明灯泡（20）外部的驱动器（80）对所述发光二极管（50）供电；

使用安置在所述透明灯泡（20）外部的散热器（60）发散所述发光二极管（50）生成的热；

使用安置在所述透明灯泡（20）内部的光管（31）的近端收集所述发光二极管（50）发射的光；

通过透射通过所述光管（31）并且通过所述光管（31）的横向边缘的全内反射将收集的光透射到所述光管（31）的远端；

在体积散射元件（32）处从所述光管（31）的远端接收光，所述体积散射元件（32）包括透明基材（33）和遍布所述基材（33）分布的多个颗粒（34），所述多个颗粒（34）中的每个是透明的并且具有与所述基材（33）的折射率不同的折射率；以及

使用所述体积散射元件（32）将接收到的光散射到多个方向。

24.根据权利要求23所述的方法，其中较之在远侧方向上，在近侧方向上散射更多的光。

25.一种灯（10），包括：

透明灯泡（20），具有开口；

发光二极管（50），紧接所述透明灯泡（20）中的所述开口安置，用于将光发射到所述透明灯泡（20）中；

散热器（60），紧接所述发光二极管（50）并且与所述发光二极管（50）热接触，所述散热器（60）包括面对所述发光二极管（50）的远侧边缘和围绕所述灯（10）的圆周远离所述远侧边缘近侧纵向延伸的横向边缘，所述横向边缘和远侧边缘形成所述散热器（60）的内部；

发光二极管驱动器（80），安置在所述散热器（60）的内部，用于向所述发光二极管（50）供电；以及

导电基部（100），从所述灯（10）近侧延伸，用于从插座接收电力并且向所述发光二极管驱动器（80）供电，所述基部（100）与所述散热器（60）热绝缘。

26.根据权利要求25所述的灯（10），进一步包括：

驱动器绝缘体（70），在其远侧和横向侧面围绕所述发光二极管驱动器（80）并且在其远侧和横向侧面被所述散热器（60）围绕；以及

基部绝缘体（90），紧接所述发光二极管驱动器（80）的近侧；

其中所述基部绝缘体（90）使所述基部（100）与所述散热器（60）和所述发光二极管驱动器（80）二者热绝缘。

27.根据权利要求26所述的灯（10），其中所述散热器（60）径向围绕一部分套筒延伸管（110）；以及

其中所述套筒延伸管（110）径向围绕一部分所述驱动器绝缘体（70）。

28.根据权利要求25所述的灯（10），其中所述散热器（60）形成所述灯泡（20）和所述基部（100）之间的所述灯（10）的横向圆周周围的外壳。

29.根据权利要求25所述的灯（10），其中所述散热器（60）具有类似滴下的蜡烛的蜡的外观。

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