CN102272514B - 具有led、光导和反射体的光源 - Google Patents

具有led、光导和反射体的光源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种发光二极管(LED)光源，该光源可以布置为用于改装到采用白炽光源的照明器中。该光源包括：光导，来自布置在光导的一端的光单元中的一个或多个LED的光被注入该光导中；以及反射体，该反射体具有布置在光导的另一端并且面朝光导的反射表面，能够反射入射在该反射表面上的光。根据本发明，该反射体包括至少一个透光部分，例如沿轴延伸的通孔，该至少一个透光部分布置为使得入射在该至少一个透光部分上的光的至少一部分透过该反射体，从而可以实现光源的几乎独立于视角的光强。

Description

具有LED、光导和反射体的光源
技术领域
本发明一般地涉及照明设计领域。具体地，本发明涉及一种发光二极管(LED)光源，其可以布置为用于改装到采用白炽光源(诸如灯泡)的照明器中。
背景技术
常规白炽光源一般地通过向通常由钨制成的灯丝施加电流来将电流转换为光，这引起所述灯丝白热发光。灯丝一般靠近玻璃灯泡的中心而悬吊，从而提供可以用于照亮例如房间的光的径向分布。这种常规白炽光源通常用于吊灯。由于白热灯丝的高亮度(～1Mcd/m2)，吊灯中的表面玻璃表现出装饰性的闪光效果。然而，白炽光源的寿命通常相对短暂，一般限于灯丝的寿命。此外，由于灯丝的高温，玻璃灯泡一般会变得非常烫，呈现出灼伤接触到玻璃灯泡的物体的潜在危险。
用LED光源替代白炽光源一般地减轻或消除了以上问题。此外，这种替换提供了功效(即光源所产生的光通量与产生该光通量所需的能量(或功率)的量的比率)的显著增加。然而，大部分LED仅能够发光到半球范围中(立体角2πsr)，而采用白热灯丝的白炽光源一般均匀地发光到整个球体范围中(立体角4πsr)。
EP1610054A2描述了供汽车使用的LED灯组件，该LED灯组件具有用于将由多个LED光源发射的光导向偏转器的中心光学光导，该偏转器用于与相对光导的轴成一定角度的横向投影。
发明内容
鉴于上述内容，本发明的目的是提供一种减轻或消除上述问题的光源。
这一目的和其他目的通过根据独立权利要求的光源来完全地或部分地实现。
根据本发明，提供了一种光源，包括：光单元，包括至少一个LED；反射体，布置为使得入射在反射体上的光的至少一部分被反射；以及透光光导，具有输入端、输出端和该输入端与输出端之间的中心区域，该光导轴向延伸。光单元布置为与输入端相邻以便将光注入光导的中心区域。对光导进行布置，使得其折射率高于光导外部的介质的折射率。另外，反射体布置为与输出端相邻并且包括反射表面，该反射表面面向输出端并覆盖输出端的至少一部分。反射体包括至少一个透光部分，对该至少一个透光部分进行布置，使得入射在该至少一个透光部分上的光的至少一部分透过反射体。
根据本发明的实施方式，该至少一个透光部分可以包括沿轴延伸的通孔。例如，该轴可以是与光导的轴向一致或平行的直轴。
通过这些设置，光导中的光由此可以通过穿过透光部分(或通孔)或者通过在反射表面处被反射并随后从光导耦合出去而离开光源。
由此，通过配置反射表面和/或透光部分(或通孔)，来自光源的光可以具有基本上类似于白炽光源的光强分布的空间强度分布。另外，通过透光部分(或通孔)，可以实现几乎独立于视角的光强(即强度基本上独立于用户察看光源的角度)。所得到的光强分布基本上类似于白炽光源的光强分布。换言之，光源能够基本上均匀地发光到整个球体范围中(立体角)。由此，通过本发明，可以制造采用LED的多种光源，每个光源一般地具有根据特定用户需要和/或照明环境要求的不同光强特性。
根据本发明的实施方式，光源布置为用于改装到通常采用白炽光源的照明器中。通过这种配置，提供了如前所述的克服或减轻常规白炽光源的缺陷的光源，并且提供了功效的显著增加。
在本发明的上下文中，术语“改装”是指装配到通常用于白炽光源的照明灯具(诸如灯丝灯泡、卤素灯等)中。换言之，将根据本发明的光源改装到通常采用白炽光源的照明器中是指用根据本发明的光源替代照明器中的白炽光源。
根据本发明的另一实施方式，对反射表面进行布置，使得该反射表面的至少一部分是凹面和凸面之一。使用这些配置之一，来自光源的光可以具有基本上类似于白炽光源的光强分布的空间强度分布。另外，依赖于所希望的照明应用的要求，通过对反射表面的所述至少一部分的凹面或凸面形状的特定选择，来自光源的光通量例如可以相对于垂直于轴向的平面基本上对称或非对称。由此，在本实施方式中，可以制造采用LED的大量光源，每个光源具有适于特定用户需要和/或照明环境要求的光强特性。
在本发明的上下文中，术语“凹面”和“凸面”分别是指向内弯曲或向内凹陷以及向外弯曲或向外鼓凸。
根据本发明的另一实施方式，光导包括沿轴向延伸的混色棒，其中该混色棒包括光导的中心区域的至少一部分。混色棒布置为用于混合来自光单元中多个LED的光并且可以具有六边形横截面。以这种方式，提供了一种LED光源，其布置为使得来自多个多种颜色的LED的光在其到达混色棒的输出端时被良好地混合，并且由此，良好混合的光能够从光导耦合出去，具有类似于白炽光源的强度分布。
根据本发明的又一实施方式，至少一个反射小平面(facet)布置在反射表面上，从而使得入射在该小平面上的光的至少一部分被反射。这种反射小平面可以用于根据用户的视角来产生大幅光强变化。由此，通过这种配置，可以提供如下LED光源，该LED光源表现出强视角依赖闪光效果(即具有显著地依赖于视角而变化的光强)。
根据本发明的又一实施方式，反射表面包括以下各项中的一项或多项：诸如铝涂层之类的金属涂层、诸如多层薄SiO2和ZrO2层之类的干涉滤光片、扩散涂层以及磷光体涂层。干涉滤光片可以布置为使得其有选择地透过入射在其上的光的一小部分。通过扩散涂层，光源的亮度能够被显著地减小，这在用于改善视觉舒适度的某些应用中可能是所希望的。通过应用金属涂层，诸如铝，实现了相对便宜但高反射性的表面。
根据本发明的又一实施方式，光源进一步包括至少部分地围绕反射体的至少一个半透明封套。通过这种配置，能够改善光学性能(即，光强分布)或视觉舒适度(例如，亮度减小)。该至少一个半透明封套可以包括光散射元件。以这种方式，光源的亮度能够被降低以及/或者光源的光强分布能够被平滑。
应当意识到，这种半透明封套还可以用于提供装饰性增强，因为该半透明封套可以布置为使得其隐藏光源的其他光学元件不被用户看见。例如，通过合适的表面处理，该半透明封套可以布置为使得其表现出磨砂外观，或者可选地或备选地，该半透明封套可以布置为使得其被分散在制成该半透明封套的材料中的颜料略微地着色。
根据本发明的又一实施方式，光源进一步包括光单元布置在其上的底座，该底座包括布置为与照明灯具或照明器的插座连接器配合的电连接器。该底座进一步包括连接到电连接器的电路，该电路布置为从电连接器接收电功率并且借助于电功率来操作光单元。以这种方式，实现了光源到通常采用白炽光源的照明灯具或照明器的容易的装配。光源可以进一步包括布置在底座中的散热器器件，该散热器器件适于耗散由光单元生成的热量。由此，光源的表面能够被保持为相对较冷以避免由于用户接触光源而引起的灼伤。另外，由于光源组件中的更少的热应力和/或应变，因此光源的寿命能够增加。
本发明的其他目的、特征和优点将从以下的详细公开、从所附权利要求书以及从附图中显现。
一般地，除非在此另有明确限定，否则权利要求书中所使用的所有术语都应当根据它们在本技术领域中的通常含义来解释。除非另有明确阐述，否则对“一个/一种/所述[元件、器件、组件、单元、装置、步骤等]”的所有引用应当开放地解释为是指所述元件、器件、组件、单元、装置、步骤等的至少一个实例。
应当注意，本发明涉及权利要求书中所记载的特征的所有可能组合。
附图说明
通过以下参考附图对本发明优选实施方式的说明性和非限制性详细描述，将更好地理解本发明的以上以及附加的目的、特征和优点，附图中同一参考标号用于相同或类似的元件，其中：
图1a是本发明示例性实施方式的示意图；
图1b是图1a中示出的本发明示例性实施方式的一部分的示意图；
图2是图1b所示的视图的一部分；
图3是本发明又一示例性实施方式的示意图；
图4a是本发明又一示例性实施方式的示意图；
图4b是从根据示例性实施方式的光源发射的光的远场角度光强分布的示例性光强分布图；
图5是本发明又一示例性实施方式的示意图；
图6是本发明又一示例性实施方式的示意图；以及
图7是本发明又一示例性实施方式的示意图。
具体实施方式
现在将主要参考布置为用于改装到通常采用白炽光源的照明器中的光源来描述本发明的不同示例性实施方式。然而，应当理解，光源不限于改装应用的示例性情况，而可以是用于各种各样的应用的光源。
图1a是图示出本发明示例性实施方式的光源1的示意性截面视图，光源1布置为用于改装到通常采用白炽光源的照明器(未示出)中，该照明器诸如灯丝灯泡。这种照明器还可以是卤素灯等。应当理解，在本发明的上下文中，术语“改装”是指装配到通常用于白炽光源的照明灯具中(即，用根据本发明的光源替代通常用于照明器中的白炽光源)。
如图1a所示，光源1可以包括透明玻璃封套或封套2，所谓的远程发射体3位于该封套内部，远程发射体3能够发射具有类似于诸如白热灯丝类的白炽光源的空间强度分布的光，正如将在以下描述中进一步详细描述的那样。另外，术语“远程发射体”是指包括一个或多个LED、光导和反射体的发光器件。该一个或多个LED的发光区域基本上移位或换位到光导的布置了反射体的那一端。光源1可以进一步包括底座4，远程发射体3布置到底座4上或者远程发射体3耦合到底座4。底座4可以包括优选地带螺纹的电连接器5，电连接器5布置为使得其能够与诸如灯丝灯泡之类的采用白炽光源的照明器(未示出)的优选地带螺纹的插座连接器(未示出)配合。
图1b是参考图1a而描述的远程发射体3的示意性截面侧视图，其借助于非限制性示例性实施方式图示了本发明的构思。如图1b所示，远程发射体3包括光单元6，光单元6包括至少一个LED，在这一示例性情况中包括两个LED，这些LED布置在优选地具有镜面反射壁的腔室7中。根据一个示例，该腔室具有圆柱形状，但应当理解，该腔室的形状不限于这一选择。应当理解，本发明涵盖具有包括任何数目的LED的光单元6的实施方式。例如，光单元6可以包括单个大型LED(诸如来自首尔半导体公司的Acriche LED)或LED阵列(诸如来自Philips Lumileds公司的LUXEON Rebel)。
远程发射体3进一步包括透光光导8，该透光光导8具有输入端8a、输出端8b和该输入端8a与输出端8b之间的中心区域8c。如图1b所示，光单元6布置为与输入端8a相邻以便将光注入中心区域8c。正如在图1b中进一步所示，光导8可以配置为使得其一般地沿轴向延伸。
还考虑了光导8可以朝向输入端8a略微地锥削(taper)，即光导8在由轴向和垂直于轴向的横向限定的平面中的尺寸可以沿轴向、朝向输出端8b逐渐地变大。在具有圆柱形状的光导8的示例性情况中，这将意味着光导8的直径随着沿轴向的距离、朝向输出端8b逐渐地变大。
远程发射体3进一步包括布置为与输出端8b相邻的反射体9，反射体9配置为使得入射在反射体9上的光的至少一部分被反射。从反射体9反射的光的份额依赖于反射体9的反射率。反射体9进一步布置为使得其具有反射表面10，反射表面10面向输出端8b并覆盖输出端8b的至少一部分。例如，反射表面10可以覆盖输出端8b的80％到90％的表面。备选地，反射表面10可以完全地覆盖输出端8b的表面。反射表面10例如可以包括以下各项中的一项或多项：诸如高反射性铝之类的金属涂层、诸如多层薄SiO2和ZrO2层之类的高反射率干涉滤光片、白色扩散涂层以及磷光体涂层。干涉滤光片或涂层可以布置为使得其有选择地透过入射在其上的光的一小部分。例如，干涉涂层可以设计为透过入射在其上的光的大约4％并且(镜面地)反射入射在其上的光的其余部分。通过扩散涂层，光源1的亮度能够被显著地减小，这在用于改善视觉舒适度的某些应用中可能是所希望的。这种扩散涂层还可以被制成半透光的。
光导8可以具有圆柱形状，但本发明不限于这一特定情况。相反，适合于实现光源1的功能和能力的任何几何形状的光导8都被认为在本发明的范围内。光导8可以由选自以下各项的物质制成：透明聚合物、聚合物化合物、玻璃、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、其他类型的塑料及其组合。
另外，正如在图1b中进一步所示，反射体9进一步包括透光部分11，透光部分11布置为使得入射在透光部分11上的光的至少一部分透过反射体9，从而使得来自光导8的光可以通过穿过透光部分11或者通过在反射表面10处被反射并随后从光导8耦合出去而离开光源1。通过这一配置，能够实现几乎独立于视角的光强。例如，透光部分11可以是反射体9的不用反射性材料覆盖的部分。透光部分11还可以包括沿轴向(z轴)延伸的通孔11。应当理解，这种通孔11还可以沿与轴向成一定角度的轴延伸。通孔11沿其而延伸的轴优选地是直的，但也可以考虑弯曲到某种程度的通孔。
远程发射体3的操作如下。
将从光单元6中的LED发射的光注入(透过)光导8的中心区域8c。一般不需要在光进入光导8之前对光进行校准。应当理解，来自LED的光的一小部分(通常为大约4％)在输入端8a处的光导边界处被反射，而该光的其余部分被注入光导8的中心区域8c。然后，光导8中的光通常沿着光导8的延伸而朝向输出端8b传输。
光导8优选地配置为使得光导8的折射率高于光导8外部的介质的折射率，该外部介质通常是具有大约为1的折射率的空气。换言之，光导8优选地布置为使得其具有比光导8外部的介质更高的光学密度(折射率)。通常，光导8布置为使得其具有大约为1.5或更高的折射率，但其不限于这一特定示例。光导8中的光的传输基于全内反射。在光导8中传播的光在其到达光导8与光导8外部的介质之间的边界时一般不离开光导8(该介质的光学密度小于光导8)，而是被反射回光导8。一方面，当入射在边界8d上的光的入射角大于临界角(即，光被折射从而使得其沿边界表面8d传播的入射角)时，光被无损地反射回去。另一方面，为了逐渐地降低入射角，入射光的逐渐增大的份额将透过边界表面8d而从光导8中出去。
在本发明的上下文中，术语“内部边界表面”是指光导8与远程发射体3的紧接周围之间的界面的表面，该表面具有朝内面向光导8中的法线。
除非另有规定，否则在本发明的上下文中，术语“入射角”是指入射在表面上的光线与该表面在入射点处的法线之间的角度。
由此在光导8中传输的来自光单元6的光撞击反射体9的反射表面10时，依赖于反射表面10的反射率，一定份额的光被反射。例如，反射表面10可以布置为使得其具有接近于1或基本上为1的反射系数。由于反射表面10的形状，从反射表面10反射的大部分光在光导8与光导8外部的介质之间的界面(即内部边界表面8d)处被折射，随后离开光导8。由于反射表面10的特定形状，在已经在反射表面10处被反射之后离开光导8的光的强度基本上类似于白炽光源的光强。
图2是示出了反射体9和光导8的一部分的、根据本发明的示例性实施方式的示意性截面侧视图，其中标示了反射表面10的示例性形状。使用图2所示的坐标(x，z)来方便地描述图2中所图示的本发明的实施方式，包括圆柱棒形式的光导8，其中r0是圆柱棒的底座沿x轴的半径，并且L是反射体沿z轴的延伸长度。在这一示例性情况中，z轴与光导8沿其延伸的轴向一致。
图3和图4a图示了本发明的两个示例性实施方式。
根据图3中所图示的实施方式，反射体9具有面向光导8的输出端的反射性表面10。从而反射表面10具有指向光导8的输出端的法线n，如图3和图4a所示。根据图3中所图示的示例，反射性表面10布置为使得反射性表面10的至少一部分是凸面，即向外(朝向光导8的内部边界表面)鼓凸。
根据图4a中所图示的实施方式，反射性表面10布置为使得反射性表面10的至少一部分是凹面，即向内(远离光导8的内部边界表面)鼓凸。
通过图3和图4a中所图示的配置，从光源发射的光可以具有基本上类似于白炽光源的光强分布的空间强度分布。依赖于所希望的照明应用的要求，通过对反射表面的所述至少一部分的凹面或凸面形状的特定选择，来自光源的光通量能够例如相对于垂直于轴向的平面基本上对称或非对称。这使得根据所图示的实施方式的光源非常多样。换言之，可以制造大批LED光源，每个光源具有适于特定用户需要和/或照明环境要求的光强特性。
图4b示出了与参考图4a而描述的实施方式相关联的、离开光导8的光的远场角度光强分布I(θ，)的光强分布图，其中θ是相对于z轴的极角，并且是在xy平面中相对于x轴的方位坐标。完全三维强度是围绕z轴的旋转体表面。已经使用照度应用软件产品LightTools版本6.1.0、通过参考图4a而描述的对光源的建模而产生了图4b中示出的光强分布图。
图5图示了本发明的又一示例性实施方式，其中已经为反射表面10配备有反射小平面12，反射小平面12布置为使得入射在小平面12上的光的至少一部分被反射。在前述和以下实施方式中所描述的光源中的任何一个可以包括这种反射小平面12。另外，应当理解，描述包括任何合适数目的小平面的光源的其他实施方式也在本发明的范围内。这种小平面12可以用于根据用户的视角来产生大幅光强变化。通过这种配置，由此能够产生大幅空间光强变化，可以将光源设计为在照明器(例如，吊灯)中具有增强的依赖视角的闪光效果。
图6图示了本发明的又一示例性实施方式，其中光导包括沿轴向(在所图示的实施方式中为沿z轴)延伸的混色棒13，混色棒13用于混合来自光单元中的包括在腔室7中的多个光源(LED)的光，这些光源发射一般地具有彼此不同的颜色的光(例如冷白LED和琥珀色LED)。根据图7中所图示的示例性实施方式，当在xy平面中察看时混色棒13具有六边形横截面。还考虑了当在垂直于轴向的平面(例如，xy平面)中察看时混色棒16可以具有方形横截面。这两个所谓的六边形和方形混色棒对于混合各种颜色的光而言非常高效。优选地，混色棒13沿轴向的延伸幅度使得来自多种颜色的源的光在其到达混色棒13的输出端时被良好地混合，从而使得良好混合的光在已经从反射体9反射之后能够从光导耦合出去。应当理解，先前所描述的实施方式和以下所描述的实施方式中的任何一个都能够与这种六边形混色棒13组合。
图7图示了本发明的又一示例性实施方式，其中在前述实施方式中所描述的光源中的任何一个能够与至少部分地围绕反射体9的一个或多个半透明封套14组合。例如，半透明封套14可以包括诸如图7中所图示的空心球体。备选地或可选地，光源1可以包括透明玻璃封套或灯泡，在其内部布置了诸如图1a中所图示的远程发射体。诸如图7中所图示的空心球体以及任何其他的半透明封套14能够方便地用于改善光学性能(即，光强分布)或视觉舒适度(例如，减小亮度)。可选地，半透明封套14可以配备有光散射元件以便例如降低亮度和平滑光强分布。半透明封套14还可以用于提供装饰性增强，因为其可以布置为使得其隐藏其他光学元件而不被用户看见。例如，通过合适的表面处理，该半透明封套14可以布置为使得其表现出磨砂外观，或者可选地或者备选地，半透明封套14可以布置为使得其被分散在制成该半透明封套的材料(例如透明聚合物)中的颜料略微地着色。
上面描述的实施方式可以布置为使得除与其相关联的相应优点之外，每个实施方式能够实现高的光学效率(即，从光源输出的光通量与装机光通量的初始量的比率)。例如，在每个反射表面10具有反射系数1并且每个光单元布置在其上的表面具有反射系数0的假设下，所得到的针对在图4a中描绘的实施方式的光学效率η变为如图4b所示。在这些假设下，基本上所有的光损耗都与光导8的输入端8a处的光损耗有关。
总之，本发明涉及LED光源，该LED光源可以布置为用于改装到采用白炽光源的照明器中。该光源包括：光导，来自布置在光导的一端的光单元中的一个或多个LED的光被注入该光导中；以及反射体，该反射体具有布置在光导的另一端并且面朝光导的反射表面，能够反射入射在该反射表面上的光。根据本发明，该反射体包括至少一个透光部分，例如沿轴延伸的通孔，该至少一个透光部分布置为使得入射在该至少一个透光部分上的光的至少一部分透过该反射体，从而可以实现光源的几乎与视角无关的光强。
上面已经主要参考少量实施方式描述了本发明。然而，对本领域技术人员而言应当理解，在由所附权利要求书所限定的本发明的范围内，上面所公开的实施方式之外的其他实施方式同样是可能的。

Claims (12)

1.一种光源，包括：
光单元(6)，包括至少一个发光二极管LED；
反射体(9)，布置为使得入射在所述反射体上的光的至少一部分被反射；以及
透光光导(8)，具有输入端(8a)、输出端(8b)以及所述输入端(8a)与所述输出端(8b)之间的中心区域(8c)，所述光导沿轴向延伸；
其中：
所述光单元布置为与所述输入端相邻以便将光注入所述中心区域；
所述光导布置为使得其折射率高于所述光导外部的介质的折射率；
所述反射体布置为与所述输出端相邻并且包括反射表面(10)，所述反射表面面向所述输出端并覆盖所述输出端的至少一部分；并且其中：
所述反射体包括至少一个透光部分(11)，所述至少一个透光部分布置为使得入射在所述至少一个透光部分上的光的至少一部分透过所述反射体；
其中所述至少一个透光部分包括沿轴延伸的通孔(11)。
2.根据权利要求1所述的光源，其中所述光源布置为用于改装到采用白炽光源的照明器中。
3.根据权利要求1所述的光源，其中所述轴是平行于所述轴向的直轴。
4.根据权利要求1所述的光源，其中所述反射表面布置为使得所述反射表面的至少一部分是凹面和凸面之一。
5.根据权利要求1所述的光源，其中所述光导包括沿所述轴向延伸的混色棒(13)，其中所述混色棒包括所述中心区域的至少一部分，所述混色棒具有六边形横截面并且布置为用于混合来自所述光单元的多个LED的光。
6.根据权利要求1所述的光源，其中至少一个反射小平面(12)布置在所述反射表面上从而使得入射在所述小平面上的光的至少一部分被反射。
7.根据权利要求1所述的光源，其中所述反射表面包括以下各项中的一项或多项：
金属涂层；
干涉滤光片；
扩散涂层；以及
磷光体涂层。
8.根据权利要求1所述的光源，进一步包括至少部分地围绕所述反射体的至少一个半透明封套(14)。
9.根据权利要求8所述的光源，其中所述至少一个半透明封套包括光散射元件。
10.根据权利要求1所述的光源，其中所述光导包括选自以下各项的物质：透明聚合物、聚合物化合物、玻璃、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、塑料及其组合。
11.根据权利要求2所述的光源，进一步包括所述光单元布置在其上的底座(4)，所述底座包括布置为与所述照明器的插座连接器配合的电连接器(5)，所述底座进一步包括连接到所述电连接器的电路，所述电路布置为从所述电连接器接收电功率并且借助于所述电功率来操作所述光单元。
12.根据权利要求11所述的光源，其中所述底座进一步包括适于耗散由所述光单元生成的热量的散热器器件。
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