CN102460246A - 用于照明的光导 - Google Patents

Abstract

呈现了一种具有多边形的光导(1)，所述多边形具有多个侧面(5)，每个侧面(5)由两个拐角(5)连接。至少一个拐角是用于光到光导(1)中的内部耦合的内部耦合拐角(4)。至少一个侧面(5)具有从相邻的光内部耦合拐角(4)内部耦合的倾斜和准直的光。该倾斜侧面(5)还可以向平面发光表面(3)反射光，以用于通过它的光的外部耦合。在光内部耦合拐角(4)中内部耦合的光被准直为如同该光导(1)是具有三个倾斜侧面的等边三角形(2)。

Description

用于照明的光导

技术领域

本发明的技术领域是照明。更具体而言，本发明涉及光导以及包括该光导的照明设备。

背景技术

固态光源在过去十年的快速发展预示着发光二极管(缩写为LED)用于一般照明的大规模使用。具体而言，每封装的光量(流明——缩写为lm)的增加、更高的效率(lm/W)以及用于LED源的成本(lm/美元)的持续降低引起在接下来若干年将在一般照明市场大规模引入LED照明的预测。

使用LED的照明系统可以比常规荧光照明设备受益于若干优点，同时具有相似的或更好的效率。这些优点包括诸如寿命的基本特性，还包括在通过多个小光源的使用所赋予的发光区域的尺寸和形状方面的更好的灵活性。

同时，基于LED的一般照明系统需要满足若干要求。因为LED是非常明亮的光源，所以需要在(与LED的发光区域相比)更大的区域上扩展并且外部耦合光。此外，防眩光规范要求在(与垂直方向)呈大角度处的强度低于特定阈值(例如对于大于65°的角小于1000cd/m²)。

美国专利申请2009/0046468公开了这样一种光导块，经由该光导块中的接收孔而内部耦合来自诸如LED的点光源到该光导块中的光。经由棱镜阵列将光导向用于光的外部耦合的光出口表面。但是，这个技术方案对于一般照明用途不是特别合适，因为它具有复杂的设计，它的体积大并且它对缺乏对用户的吸引人的外观。

发明内容

鉴于以上以及其它考虑，做出了本发明。

鉴于上文所述，因此希望实现改进的光导。具体而言，实现这样一种简单的光导是有利的，该光导以准直的方式外部耦合光并且该光导可用于创建不同形状和尺寸的照明设备。

为了更好地解决这些关注中的一个或多个，提供了一种具有多个拐角和多个侧面的多边形光导，每个侧面连接两个拐角，该光导具有平面发光表面，其中所述拐角中的至少一个拐角是光内部耦合拐角，该光内部耦合拐角适用于允许光到该光导中的内部耦合，其中，与该内部耦合拐角相邻的至少一个侧面是相对该发光表面形成锐角的倾斜侧面，该倾斜侧面适用于准直由该光内部耦合拐角所内部耦合的光并且将光重导向为朝向该平面发光表面，并且其中，剩余侧面被形成为使得在该内部耦合拐角中内部耦合的光被准直为如同该光导是具有三个倾斜侧面的等边三角形。

该光导因此被设计为使得内部耦合光的准直被实现为如同该光导是具有倾斜侧面的等边三角形，即使该光导具有不同的形状。例如，并且如同下文将进一步详细阐述的，通过提供一个或若干个反射壁，可以将仅具有一个或两个倾斜侧面的几何形状视为具有三个倾斜侧面的等边三角形。注意到，虽然光导的准直功能将会是具有倾斜侧面的等边三角形的准直功能，但是外部耦合将典型地取决于倾斜侧面的数量。

可以将根据本发明的光导用作提供内部耦合光的准直的简单的单一组件光导。具体而言，通过提供这样一种光导可以在一体式光导组件中实现若干光学功能，其中在该光导中至少一个侧面关于该平面发光表面以锐角α倾斜，并且其中光将该光导视为等边三角形。更具体而言，与内部耦合拐角相邻的倾斜侧面可以沿两个方向准直来自相邻的内部耦合拐角的入射光。

通过作为实或虚三角形的侧面的这一特性，该倾斜侧面可以通过由例如全内反射来重新导向光，而准直在与该平面发光表面平行的平面中的光。相同的光束典型地还可以在与该发光表面垂直的平面中具有分量。在倾斜侧面中的反射然后将在与该平面发光表面垂直的平面中旋转光束。该旋转将具有在与该发光表面垂直的平面中的第二准直的效果，而不干扰与该平面发光表面平行的平面中的准直。

内部耦合光最终将在与实或虚三角形的倾斜侧面基本上正交的方向上入射到该倾斜侧面。光然后将被重新导向为陡直地对着该平面发光表面，并且从该光导被外部耦合。

根据一个实施方式，该光导具有形成等边三角形的三个倾斜侧面。在拐角处内部耦合的光接着由相邻的倾斜侧面两次准直，并且其被重新导向为朝向与该内部耦合拐角相对的倾斜侧面。当与该相对的倾斜侧面相遇时，光将被重新导向为朝向该平面发光表面以便通过那里进行外部耦合。

在一个实施方式中，全部拐角可以是光内部耦合拐角。因此，利用等边三角形的全部三个侧面来进行光准直和用于外部耦合的重新定向，可以提供更高效的光导。

倾斜侧面可以汇聚到公共的点，从而形成三面金字塔形。可以向该光导提供更大的表面以用于朝向该平面发光表面的光的重新导向/准直。因而可以实现的一个效果是当光被外部耦合时可以在更大的区域上扩展该光，这可以提供局部较不明亮的光导。并且，可以更好地定义波束截止。

作为每对彼此之间具有60°的相邻侧面的替换，可以通过等边三角形的对称轴的线来定义至少一个剩余的侧面。通过例如沿等边三角形的对称轴进行切割，可以获得具有不同形状的光导。

至少一个侧面可以是与该平面发光表面正交并且沿该等边三角形的对称轴延伸的反射壁。除了提供选择光导形状的更大自由之外，该光导然后仍然可以享有等边三角形光导的优点。

可以由在相邻的倾斜侧面之间形成的内部耦合表面来定义光内部耦合拐角。因此，可以实现光到光导中的有效的内部耦合。通过将LED放置到该内部耦合表面附近，可以将更多光内部耦合到光导中。

该光导可以具有平面顶表面，其中该平面顶表面和平面发光表面在至少一个拐角向彼此汇聚，其中该表面汇聚直到在内部耦合表面相交为止。有益地，从而可以实现到该光导中的更加准直的内部耦合。具体而言，朝向该拐角处的内部耦合表面汇聚的四个倾斜侧面中的每一个倾斜侧面提供与该平面发光表面平行的准直。通过提供这样的准直，可以实现对用于例如下射灯(downlight)应用的当前防眩光规范的满足。

该至少一个内部耦合拐角可以具有矩形的内部耦合表面。从而，诸如LED的光源可以更有效地与内部耦合表面接合，而提供该光导与该光源之间的更少的光泄漏。

可以使用多个光导来构造照明设备。该照明设备可以包括位于至少一个光导的光内部耦合拐角处的至少一个发光二极管。因此，可以为照明设备的设计提供宽范围的形状。

可以在该多个光导中的至少两个光导中的每一个光导的至少一个光内部耦合拐角中内部耦合该至少一个LED。因此可以提供更灵活的照明设备设计。

本发明的以上的方面和其它方面将从下文所述的实施方式变得显而易见并且通过参考这些实施方式来阐述。

附图说明

参考显示本发明的实施方式的附图，现在将更详细地描述本发明的这些以及其它方面。

图1显示了根据本发明的光导的第一实施方式的透视图。

图2显示了根据本发明一个实施方式的照明设备。

图3a-图3c显示了图1中的光导中的光传播。

图4显示了根据本发明的光导的第二实施方式。

图5显示了根据本发明的光导的第三实施方式。

图6显示了根据本发明的光导的第四实施方式。

图7显示了等边三角形的示意图，其中该等边三角形的每个对称轴可见。

图8a-图8c显示了包括根据本发明的实施方式的多个光导的照明设备。

图9a-图9c显示了根据本发明的一个实施方式的照明设备。

具体实施方式

参考图1，显示了光导1的第一实施方式。光导1具有等边三角形2的形状以及具有平面发光表面3、平面顶表面6、三个光内部耦合拐角4和三个倾斜侧面5，每个倾斜侧面5定义重新导向表面。每个倾斜侧面定义与发光表面3的锐角α。该锐角可以是例如30°到65°之间。内部耦合拐角4被配置为允许光内部耦合到光导中，并且在这里被形成为平坦的表面，即作为截角。

通过将LED 10(见图3a)放置得与拐角4相邻，可以将光内部耦合到光导1中。经由两个相邻的倾斜侧面5，将内部耦合光在光导1中准直并且重新导向为朝向与内部耦合拐角4相对的倾斜侧面5。当相对的倾斜侧面5接收到准直光时，其将光重新导向为朝向平面发光表面3。在图3a-图3c中，将更详细地描述光导1中的光准直/重新导向过程。

因此，与内部耦合拐角4相对的倾斜侧面5是用于该内部耦合拐角4的主外部耦合侧面。

由于光导1的几何形状，可以实现用于准直并且外部耦合光的单个组件光学元件。具体而言，每个倾斜侧面5具有提供意想不到的显著效果的若干光学功能，该意想不到的显著效果在于每个侧面5在两个平面中准直光并且还重新导向光以用于通过平面发光表面3的外部耦合。

有益地，光导1在与光源的发光区域相比更大的区域上扩展光并且外部耦合光。从而可以维持防眩光规范并且可以获得继承例如LED光源的全部有利特性的高效的照明设备。此外，光导1提供具有简单设计的有效的单组件光导。

现在将参考图2说明光导1的进一步的应用。通过拼接多个光导1，可以设计照明设备8。因此，光导1可用于构造具有高级形状的照明设备8。

如图2中的示例所示，可以将六个光导1拼接在一起，其中每个光导1的一个拐角4向内指向照明设备8的公共的中心点P-1。通过将光导1放置得彼此相邻，可以创建六边形照明设备8。可以布置填充元件7，以填充光导之间的间隙，并且填充元件7可以具有与任意倾斜表面相邻的反射表面。这样的填充元件7可以实现通过每个光导1的平面发光表面3的更高效的光外部耦合。因此，也可以通过平面发光表面3来外部耦合不满足光导1中的全内反射条件的光。

并且，可以将薄散光器(未显示)放置在照明设备8上，以抹去六重对称。其可以是弱的、正常的或全息的散光器。来自LED的光可以在光导1的每个拐角4处内部耦合。

可替代地，照明设备8的公共的中心点P-1可以是公共的内部耦合点，其中可以将一个或多个LED放置在六边形结构中间的“混合腔”中。

其它设计可以包括例如用于下射灯应用的任意类型的旋转对称布局和矩形照明设备。因此，每个照明设备设计可以基于相同的光学构造块即光导1。此外，照明设备可以被做得非常薄(＜5mm)并且可以是部分透明的，这使其从设计的角度看来变得吸引人。可以由例如透明的或部分透明的塑料材料如PMMA来制造光导1。

参考图3a-图3b，现在将更详细地描述图1中的光导1中的光传播。

经由内部耦合拐角4将光内部耦合到光导1中。光源优选地是亮光源如LED 10。如图3a中所示，光导1的顶视图显示其中的光线的传播的方向的实例。当从LED 10所发出的进入光导1的光在与任意相邻的倾斜侧面5相遇之前在光导1中传播时，该光未被准直并且在全部方向上扩展。相邻的倾斜侧面5通常沿两个方向准直光。将参考图3a描述第一类型的准直。

在与相邻的倾斜侧面5相遇之后，光被重新导向为朝向与内部耦合拐角4相对的倾斜侧面5’。可以经由例如全内反射，将在相邻的倾斜侧面5上受阻的光导向为朝向相对的倾斜侧面5’。但是，在相遇之后，也沿另一方向准直光，如下文所述。

如图3b中所示，还可以通过光导1的相邻的倾斜侧面5来实现第二类型的通过旋转的准直。由于光在三个维度中传播，所以光还可以在与平面发光表面3相交的平面P-2中行进。在与倾斜侧面5碰撞时，倾斜侧面5的倾斜特性则提供光束的旋转。该旋转发生在与平面发光表面3横切的平面中，该平面还与光刚刚相遇的倾斜侧面5相交。

因此，将不仅在一个(与平面发光表面3平行的)平面中而是在两个(在与平面发光表面3横切的)平面中准直光。

当准直的光到达与内部耦合拐角4相对的倾斜侧面5’时，该光将被反射为朝向平面发光表面3以用于通过平面发光表面3的外部耦合。

因此，每个与内部耦合拐角4相邻的倾斜侧面5具有以下功能：在与平面发光表面3平行的平面中的横向(第一)准直，并且旋转入射光束以用于在光与平面发光表面3基本上正交的平面中的(第二)准直。该第一准直不受第二准直的影响。此外，每个与内部耦合拐角相对的倾斜侧面5’重新导向由相邻的倾斜侧面5提供的准直光，以用于通过平面发光表面3的外部耦合。

为此目的，朝向倾斜侧面5传播的光将总是到达倾斜的重新导向侧面5’。通过光导1的等边三角形形状2来提供该倾斜，或者该倾斜是由于倾斜侧面的倾斜。两种情况中的反射都重新导向光，在光导1中提供朝向相对侧面倾斜侧面5传播的准直光。在理想地与重新导向侧面5’的延伸基本正交的相遇之后，光再次到达相对的倾斜侧面5的由与平面发光表面3的锐角α所定义的倾斜中的倾斜的重新导向侧面。因此，可以经由例如全内反射将光重新导向为朝向平面发光表面3，如图3c中所示。

因此可以提供简单的一体式光导1，其可被用作用于创建高级的定制形状的照明设备8的构造块。

对于不依赖于全内反射的可替代的外部耦合效应，倾斜侧面5可以具备反射表面。

现在将参考图4-图9描述本发明的各种实施方式。

图4显示了根据本发明的光导1的第二实施方式。光导1的本实施方式的工作方式与以上所述的相同。但是，内部耦合拐角4具有锥度以改进光导1中的准直。

由于等边三角形的每个相邻的倾斜侧面5汇聚到拐角4，所以平面发光表面3和平面顶表面6开始朝向彼此汇聚。顶表面6和发光表面3朝向彼此汇聚直到与在两个相邻的倾斜侧面5之间形成的表面11相交为止，该表面11定义内部耦合拐角4。因此形成具有锥度的内部耦合拐角4。因此，当经由拐角4来内部耦合光时，存在四个倾斜的准直表面，每个准直表面提供与平面发光表面3平行的和横切的准直。

图5显示了光导1的其它实施方式。大体上，光导1的工作方式与如前所述的相同。但是，内部耦合拐角4具有矩形的形状，其提供光到光导1中的更好的内部耦合效率。从而还可以获得更好的整体效率。更具体地说，矩形的形状能够容纳LED的完整的发光表面(未显示)，这降低了光导1与LED之间的光泄漏。

图6显示了光导1的另一个实施方式。大体上，光导1的工作方式与如前所述的相同。但是在该实施方式中，侧面5是倾斜的并且汇聚到单个点P-3，形成金字塔形光导1。因此，每个倾斜侧面5可以朝向平面发光表面3反射更多光，从而可以实现从光导1外部耦合的光的更低的总亮度。

参考图7，显示了等边三角形2的示意图，其中该等边三角形2的对称轴A-1、A-2和A-3中的每个可见。

本发明人意识到，沿着等边三角形2的任意一个对称轴切割，并且对已沿其进行切割的侧面进行镜面涂敷(或者可替代地放置镜子)从而形成反射壁12，在拐角4处内部耦合的光在该侧面中行进时将所形成的几何形状视为等边三角形。在对于其存在相邻的倾斜侧面5之间60°的角的新形状的任意拐角4处，光可以被内部耦合。可替代地，从被光视作倾斜侧面5与其镜像之间的60°的角的拐角4，光可以被内部耦合。通过例如沿对称轴A-1切割，在倾斜侧面5与沿其执行切割的侧面12之间形成30°的角的拐角可以是可能的。通过对侧面12进行镜面涂敷，光将左下拐角视为具有水平倾斜侧面5与其在壁12中反射的镜像之间60°的角。

要注意到，当沿对称轴A-1、A-2和A-3切割时，该切割是相对于由平面发光表面3所定义的平面的正交切割。等边三角形2的未受到切割的剩余的侧面是用于来自光导1的光的外部耦合的倾斜侧面5。此外，在倾斜侧面5与由平面发光表面3所定义的平面之间存在锐角α(见图3)。该锐角可以是例如30°到65°之间。

可以沿对称轴A-1、A-2和A-3中的任意一个切割光导1。因此，光导1形成具有定义等边三角形2的对称轴的至少一个侧面的几何形状。具体而言，可以沿若干对称轴A-1、A-2和A-3部分地切割光导1，并且因此形成更复杂的几何形状。

图8a-图8c显示了已被沿至少一个对称轴A-1、A-2和A-3切割的光导1的实例。图8a-图8c中显示的光导1因此全部具有图1中的光导1的功能。在图8a中，沿对称轴A-2和A-3做出切割，得到四个侧面的多边形101，其具有两个相邻的倾斜侧面5以及两个反射壁12，其中每个反射壁12与其中一个倾斜侧面5形成直角。在图8b中，沿对称轴A-1做出切割，得到直角三角形102，其具有两个倾斜侧面5以及反射壁12。这里可以在左下拐角中内部耦合光，因为在反射壁12中反射相邻的倾斜侧面5的图像。也可以在右下拐角处内部耦合光。最后，在图8c中，沿对称轴A-2和A-3做出切割，得到箭头形状103，其具有两个相邻的倾斜侧面5，以及两个反射壁12。

有可能组合不同形状的光导以设计照明设备8，如图9a-图9c的实例所指示的。已经经由对称轴A-1、A-2和A-3从图7中的等边三角形2切割一些光导101、102、103，而一些光导1是等边三角形。

在图9a中，使用如图8a中所示的六个光导101形成六边形照明设备8。在图8b中，已经将图1中所示的三角形光导1与图8b中的光导102组合以形成矩形照明设备8。在图9c中，显示了从图8c中所示的若干个光导103构成的星形照明设备8。可以例如从点P-1中央地提供光的内部耦合。还可能经由每个星形光导1的任何拐角内部耦合光，因为如以上所述，可以在光视为相邻侧面之间的60°的角的拐角中内部耦合光。

本发明的应用包括但不限于包括照明系统的室内环境如办公室环境、酒店和购物中心的照明，以及室外环境的照明。从而可以由本文所呈现的发明代替更复杂的光导。此外，可以由富有创造力的用户组成具有吸引人的形状和不同的尺寸的照明设备。

虽然已经在附图和前述说明书中详细说明并且描述了本发明，但是要将该说明和描述看作是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施方式。通过对附图、本文公开以及所附权利要求的学习，本领域的技术人员在实施所要求保护的发明时可以理解并且实现所公开的实施方式的其它变形。在相互不同的从属权利要求中陈述特定措施的事实本身并非指示不能有利地使用这些措施的组合。此外，不应将权利要求中的任何附图标记理解为限制其范围。

Claims (11)

1.一种具有多边形的光导(1、101、102、103)，所述多边形具有多个拐角和多个侧面，每个侧面连接两个拐角，所述光导具有平面发光表面(3)，其中：

所述拐角中的至少一个拐角是光内部耦合拐角(4)，所述光内部耦合拐角(4)适用于允许光到所述光导(1)中的内部耦合，其中

与所述内部耦合拐角(4)相邻的至少一个侧面是相对所述发光表面形成锐角(α)的倾斜侧面(5)，所述倾斜侧面(5)适用于准直由所述光内部耦合拐角(4)所内部耦合的光并且将光重导向为朝向所述平面发光表面(3)，并且

其中，剩余侧面(5、12)被形成为使得在所述内部耦合拐角(4)中内部耦合的光被准直为如同所述光导是具有三个倾斜侧面的等边三角形(2)。

2.如权利要求1所述的光导(1)，其具有三个拐角和三个侧面，其中，每个侧面是倾斜侧面(5)，所述光导具有等边三角形的形式。

3.如权利要求1或2所述的光导(1)，其中，全部拐角是光内部耦合拐角(4)。

4.如权利要求2所述的光导(1)，其中，所述倾斜侧面(5)汇聚到公共的点(P-3)，从而形成三面金字塔。

5.如权利要求1所述的光导(101、102、103)，其中，至少一个所述剩余侧面(12)与所述平面发光表面(3)正交并且沿所述等边三角形(2)的对称轴(A-1、A-2、A-3)的线延伸。

6.如权利要求5所述的光导(101、102、103)，其中，所述至少一个剩余侧面是反射壁(12)。

7.如前述任一权利要求所述的光导(1)，其中，由在相邻的倾斜侧面(5)之间形成的内部耦合表面(11)定义所述光内部耦合拐角(4)。

8.如权利要求7所述的光导(1)，其中，所述内部耦合表面(11)是矩形的。

9.如权利要求7所述的光导(1)，其中，所述光导(1)具有平面顶表面(6)，并且其中所述平面顶表面(6)和所述平面发光表面(2)在至少一个拐角(4)处朝向彼此汇聚，并且与所述内部耦合表面(11)相交。

10.一种包括如权利要求1-9所述的至少一个光导(1、101、102、103)以及位于与至少一个光导(1)的光内部耦合拐角(4)相邻的至少一个LED(10)的照明设备(8)，并且照明设备(8)适用于将光内部耦合到所述光导中。

11.如权利要求10所述的照明设备(8)，其中，所述至少一个LED(10)位于与至少两个光导(1)的内部耦合拐角(4)相邻。

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