CN103168260A - 具有波导板的照明设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种照明设备，该照明设备包括：（a）透明波导板（200），其具有第一表面（201）、相对的第二表面（202）以及第一表面与第二表面之间的边缘表面；（b）光源（300），其用于朝透明波导板的光内耦合表面提供光源光，被配置成在与第一表面和第二表面中的一个或多个垂直的方向上提供光源光的至少一部分。透明波导板进一步包括：发光材料（400），其被配置成将光源光的至少一部分转换成发光材料发射；以及光外耦合装置（220），其用于在远离第一表面和第二表面中的一个或多个的方向上将发光材料发射以及可选地还有光源光作为照明设备光耦合出透明波导板。

Description

具有波导板的照明设备

技术领域

本发明涉及一种包括波导板的照明设备。

背景技术

其中使用光透射板的照明系统在本领域中是已知的。例如，US2010020531描述了一种背光照明单元，其中光透射板的下表面和上表面分别充当光的入射和出射表面，并且用于对光进行波长转换的发光材料膜结构在光入射到所述板上或者从所述板出射的位置处提供。US2010020531中描述的背光照明单元包括：光发射装置，其包括被设置成向上发射光的发光二极管；光透射板，其设置在发光二极管上方，具有允许光入射于其上的下表面和允许光从其出射的上表面；以及发光材料膜结构，其包括微粒发光材料，在光透射板的下表面和上表面中的至少一个上形成。

发明内容

其中耦合光的波导用在许多照明应用中。在一些应用中，有意义的是具有薄的以及例如也是柔性和顺应性的波导。然而，将光耦合到薄波导中是相当困难的并且可能是低效的。当光要从侧表面耦合时，LED的厚度应当远小于波导的厚度，使得将光从侧表面耦合到波导中是困难的。尤其是在使用高功率LED的光和/或较高LED光功率封装需要耦合到波导中时，可能在波导的边缘上不存在容纳它和/或将所有LED光高效地耦合到波导中的足够表面面积。

因此，本发明的一个方面是提供一种可替换的照明设备，其优选地进一步至少部分地消除了上面描述的缺陷中的一个或多个。

在这里，建议使用置于这种波导中或顶部上的（透明）发光材料层。该发光材料由光源（尤其是LED，例如优选地为固态LED）照射，其将光转换成另一种波长。转换的光可以至少部分地限制在波导中。逃离波导的光可以由另一种发光颜色转换，直到它也耦合出波导。

通过这种方式，可以使用例如发光材料的组合在波导中产生彩色光以及白色光。白色光或者可以例如通过使用与适当发光材料结合的紫色LED产生。也可能通过使用与适当发光材料结合的蓝色LED并且将蓝色光的部分也耦合到波导中而产生白色光。为此目的，具有高透明度的有机发光材料是良好的候选。

耦合到波导中的光可以通过尤其是图案化的结构（透明的）或者散射颗粒（半透明的）提取以便获得从整个表面的（均匀）发射。在提取点处，也可能使用发光材料来诱导光提取以及附加的光转换。

这样的波导可以用在诸如不引人注目的照明之类的各种不同的应用中。建议的波导和所描述的用于波导中的高效光耦合的方法也可以用在诸如装饰照明、用于气氛创建的照明以及嵌入式照明应用之类的各种不同的应用中。建议的照明设备可以用作天花板灯面板、墙壁灯面板、地板灯面板。波导也可以置于顶部或者环绕家具或（其他）消费产品。照明技术也可以用在许多其中使用透明箔的产品中，这些产品例如伞、充气产品、窗帘等等。

因此，在第一方面中，本发明提供了一种照明设备，该照明设备包括：

- 透明波导板（在本文中也表示为“波导板”、“波导”或者“板”），其包括第一表面、相对的第二表面以及第一表面与第二表面之间的边缘表面，

- 光源，其用于朝透明波导板的光内耦合表面提供光源光，其中该光源被配置成在与第一表面和第二表面中的一个或多个垂直的方向上提供光源光的至少一部分，并且其中透明波导板进一步包括：

- 发光材料，其被配置成将光源光的至少一部分转换成发光材料发射，

- 光外耦合装置，其用于在远离第一表面和第二表面中的一个或多个的方向上将发光材料发射以及可选地还有光源光作为照明设备光耦合出透明波导板。

利用这样的照明设备，可以在使用薄波导板时将高功率耦合到波导板中。此外，可以获得具有预定颜色的光。外耦合可以从第一表面和/或第二表面获得。此外，如果希望的话，所述板可以是柔性的或者可以是弯曲的（特别地，该板的平面可以是弯曲的，即板上不同位置处第一和/或第二表面的法线可能未被布置成平行的）。

如上面所指明的，波导板可以是柔性的或刚性的。在一个实施例中，透明波导板是平坦的。在另一个特定的实施例中，透明波导板是弯曲的。在这里，弯曲涉及可能是弯曲的第一表面和/或第二表面（特别地，所述板的平面可以是弯曲的）。

本领域技术人员应当清楚的是，波导板的边缘也可以是弯曲的，但是也可以是平坦的。边缘的弯曲可以处于波导板的平面内和/或垂直于波导板的平面。波导板可以例如为正方形、矩形、椭圆形、圆形、不规则形状（在波导板的平面内）。术语“边缘”涉及波导板的介于第一表面与第二表面之间的那部分。例如在正方形或矩形波导板的情况下，术语“边缘”也可以涉及多个边缘。通常，边缘将包括反射器，尤其是诸如反射镜之类的镜面反射器，以便降低或防止光经由边缘向外耦合。

在这里，术语“板”用来指明波导具有通常远大于该板的高度的长度和/或宽度。术语板因此不一定意味着“平坦的”（在宏观尺度上；也参见上文）。为了说明板的方面，第一表面和第二表面在本文中被指明为相对的表面。

例如，波导板高度可以处于0.1-20mm的范围内，例如0.1-15mm，并且长度和宽度可以例如为至少0.05m，例如0.3m，比如处于0.05-5m的范围内，比如0.1-2m。本发明适合于具有小于5mm的高度的薄波导，更适合于具有小于1mm的高度的波导，并且最适合于具有小于0.5mm的厚度的波导。

利用本发明，可以将高强度耦合到波导中，而没有需要厚波导的缺点。薄波导由于柔性和/或设计方面和/或成本的原因而可以受青睐。

光源的光通常经由第一表面和/或第二表面耦合到波导中。在一个实施例中，光源光经由第一表面或第二表面耦合到波导中。

波导板可以包括选自包括透明有机材料（支持）的组的一种或多种材料，例如选自以下组的一种或多种材料，该组包括PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯）、PC（聚碳酸酯）、聚甲基丙烯酸酯（PMA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）（树脂玻璃或有机玻璃）、乙酸丁酸纤维素（CAB）、聚碳酸酯、聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、（PETG）（乙二醇改性聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PDMS（聚二甲基硅氧烷）和COC（环烯烃共聚物）。然而，在另一个实施例中，波导板可以包括无机材料。优选的无机材料选自这样的组，该组包括玻璃、（熔融）石英、透明陶瓷材料和硅树脂。特别优选的是PMMA、透明PVC或玻璃作为用于波导元件的材料。

在本文中，术语“透明”可以尤其涉及对于具有选自可见波长范围的波长的光具有90-100%范围内的光透射的波导板。在本文中，术语“可见光”尤其涉及具有选自380-780nm范围的波长的光。透射可以通过在垂直辐射下将特定波长的具有第一强度的光提供给波导并且将在透射通过材料之后测量的该波长的光的强度与该特定波长处提供给材料的光的第一强度关联起来而确定（也参见化学和物理学CRC手册第69版的E-208和E-406，1088-1989）。应当指出的是，由于存在发光材料，波导板可以是彩色的（也参见下文）。

在本文中，术语“光源”可以涉及一个光源，但是在一个实施例中也可以涉及多个光源。特别地，光源为固态光源（无机LED）。在一个实施例中，光源为具有从1mm²至50 mm²的范围内的面积的基于LED的3W（或更高）光发射表面。光源特别地被配置成生成光源光（即尤其是在使用照明设备期间）。光源光可以具有任何颜色，但是对于白色光应用而言，光源光尤其可以选自UV和蓝色波长范围。光源可以具有任何形状并且在一个实施例中也可以包括多个半导体元件。

假设白色光应用，即照明设备光为白色，光源光可以例如为UV，一种或多种发光材料将UV光的至少一部分转换成RGB光和/或其他颜色，并且可选地一种或多种发光材料将转换的光的至少一部分转换成其他的发光材料发射。

光源光也可以是蓝色的，一种或多种发光材料将蓝色光的至少一部分转换成黄色以及可选地还有红色光，或者转换成绿色和红色光和/或其他颜色，并且可选地一种或多种发光材料将转换的光的至少一部分转换成其他的发光材料发射。

尤其是当使用了蓝色光源时，优选的是利用光源发射表面与波导板之间的接触将蓝色光的部分耦合到波导中。因此，在一个优选的实施例中，发光二极管表面于是光学耦合到波导的表面以便将光耦合到波导中（并且可以彼此物理接触）。当在光源与波导板之间使用了发光材料时，尤其是在使用了蓝色光源时，光源优选地与应当与波导光学接触的发光材料光学接触。尤其是当光源被配置成生成蓝色光时以及当不存在散射时，光源与波导（或者当发光材料布置在光源与波导之间时与发光材料）光学接触。

也可能使用改变入射光方向的与波导光学接触的诸如漫反射器之类的反射元件将蓝色光耦合到波导中。这样的反射器于是布置在波导板的下游。来自光源的蓝色光耦合到波导板中且在反射器的方向上行进，并且然后通过漫反射器向后耦合到波导中（也参见下文）。

本领域技术人员应当清楚的是，可以应用不同的发光材料组合，即可以应用多种发光材料（作为混合物和/或处于不同的区域中，也参见下文）。另外，可以应用多个光源，其被配置成在（基本上）等波长处或者在另一个实施例中在两个或更多（充分）不同的波长处生成发射。原则上，可以（一起）应用UV和蓝色光源。也可以应用在其他可见波长处发射的光源，但是所述光源提供的光的至少一部分由一种或多种发光材料转换成发光材料发射。

如上面所指明的，光源被配置成朝光内耦合表面提供光。透明波导板首先接收光源光的表面（即第一下游波导表面）被指明为内耦合表面。光从波导板逃逸的表面在本文中也可以被指明为外耦合表面。应当指出的是，表面可以处于内耦合表面的一个位置以及外耦合表面的另一个位置。

通常，提供给波导板的光束的光轴垂直于光内耦合表面。如上面所指明的，光内耦合表面通常是第一表面或第二表面，但是可能的是具有一个或多个被配置成经由第一表面将光源光耦合到波导板中的光源以及一个或多个被配置成经由第二表面将光源光耦合到波导板中的光源。因此，特别地，光源被配置成在与第一表面和第二表面中的一个或多个垂直的方向上提供光源光的至少一部分。由于第一表面和第二表面通常是平行的，因而光源通常被配置成在与第一表面和第二表面垂直的方向上提供光源光的至少一部分。

应当指出的是，波导板可以是弯曲的（也参见上文），并且光源通常局部地被配置成在与第一表面和第二表面垂直的方向上提供光源光的至少一部分，但是光源可能不是相互平行排列。

透明波导板进一步包括发光材料。因此，透明波导板为透明发光波导。该透明发光波导可以例如包括透明聚合物基质，该基质比如包括PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯）、PC（聚碳酸酯）、聚甲基丙烯酸酯（PMA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）（树脂玻璃或有机玻璃）、乙酸丁酸纤维素（CAB）、聚碳酸酯、聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、（PETG）（乙二醇改性聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PDMS（聚二甲基硅氧烷）和COC（环烯烃共聚物），其中（分子地）散布了有机发光分子（例如二萘嵌苯衍生物、氟硼荧、青蓝和二酮吡咯并吡咯等等）、发光纳米颗粒和发光量子点（比如InP、CdSe等等）中的一个或多个。透明发光波导也可以包括诸如立方YAG:Ce³⁺之类的透明发光陶瓷，例如其中Y至少部分地用像Sc、Gd或Lu那样的其他金属代替，并且Al至少部分地被Ga代替，如本领域中已知的（也参见上文关于透明发光材料的引用）。

因此，波导可以包括具有散布于其中的诸如有机发光分子、发光纳米颗粒或发光量子点等等之类的发光材料的透明聚合物，并且在另一个实施例中，波导可以包括透明发光陶瓷，其中该陶瓷为波导和发光材料。透明发光波导可以在不同区域中包括超过一种透明聚合物基质。

本领域技术人员应当清楚的是，也可以应用这样的发光材料中的一种或多种的组合。发光材料被配置成转换光源光的至少一部分。这表明存在至少一种类型的发光材料，其将光源光的至少一部分转换成发光材料发射。然而，也可以存在转换光源光的至少一部分和/或发光材料发射的至少一部分的其他发光材料。特别地，发光材料为下转换器，即它将光（尤其是光源光）转换成具有比利用其激发发光材料（通过光源光和/或发光材料发射）的光更长的（平均）波长的发光材料发射。

发光材料可以用来将光耦合到波导中，但是发光材料也可以用来将光耦合出波导板。特别地，发光材料的部分至少被配置成将光耦合到波导板中。也可以利用（非发光）外耦合装置执行外耦合，也参见下文。

在一个特定的实施例中，光源和发光材料被配置成生成白色照明设备光。本领域技术人员应当清楚的是，这也包括其中应用了多个光源的实施例和/或其中应用了多种发光材料（不管处于何种配置，也参见下文）的实施例。

为了获得白色光，其他元件的布置/配置也可能是相关的，例如选自由下述构成的组的一个或多个：发光材料的空间布置，反射元件的空间布置，光源光的光束角度，透明波导的折射率，等等。然而，本领域技术人员可以选择那些参数以便最优化光内耦合和/或最优化希望的光的希望的外耦合。

本文的术语白色光对于本领域技术人员是已知的。它尤其涉及具有一定相关色温（CCT）的光，所述相关色温介于大约2000K与20000K之间，尤其是2700-20000K，并且特别地处于离BBL（黑体轨迹）的大约15 SDCM（颜色匹配的标准偏差）内，特别地处于离BBL的大约10 SDCM内，甚至更特别地处于离BBL的大约5 SDCM内。

这里术语“包括”可以涉及其中发光材料包含于波导板中的实施例，但是也可以涉及其中发光材料在第一表面上和/或第二表面上的实施例。

因此，在一个实施例中，发光材料包含于透明波导板中。例如，发光材料可以散布在波导板中。此外或者可替换地，发光材料可以在分子水平上分布在波导板中。例如，纳米颗粒可以散布在基于聚合物的波导板中，但是可替换地或者此外，有机染料分子可以混合在基于聚合物的波导板的聚合物中。此外，也可以应用发光材料的一种或多种布置的组合，例如某种发光材料在波导板中并且某种发光材料在波导板的第一表面和/或第二表面上（也参见下文）。

在一个特定的实施例中，透明波导板包括发光材料的非均匀分布。例如，在一个实施例中，透明波导板包含一个或多个包括发光材料的离散透明区域。例如，这样的离散区域可以是包括发光材料的层。这些层可以彼此邻近，但是也可以彼此远离。

因此，在一个实施例中，透明波导板包含多个包括发光材料的离散透明区域。所述多个离散区域可以具有不同的发光属性。应当指出的是，离散区域可以包括多种发光材料。波导板内的离散区域是透明的，并且因此允许透射所述光（光源光和/或发光材料光）的至少一部分。

特别地，发光材料布置在光源的光束的路径上。特别地，发光材料布置在光源光的逃逸锥中，并且可选地可以延伸到该锥之外。在这样的实施例中，从波导板逃逸的未经转换的光被最少化。因此，在一个实施例中，发光材料至少布置在光源上方的光源光的逃逸角内。特别地，发光材料可以不仅布置在光源的逃逸角内，但是也可以延伸到该角度之外。

如上面所指明的，在一个实施例中，照明设备进一步包括第一反射元件，该第一反射元件布置在透明波导板的下游，与光源相对，并且被配置成将光源光和发光材料光中的一个或多个的至少一部分向后反射到透明波导板中。因此，从光源光的传播来看，光离开光源且在内耦合表面（特别地为第一表面或第二表面）处进入透明波导并且将在相对表面（特别地为第二表面或第一表面）的方向上行进。当透明波导中的光未被向后反射时，光的部分可以从透明波导逃逸。因此，在一个实施例中，与光源正对但是在波导的另一侧布置反射元件。该反射元件可以被配置成向后反射所有光，但是在一个实施例中也可以被布置成向后反射光的部分（例如由于其面积小于光束）。该反射元件通常为改变光的方向的元件，例如漫反射元件。可以存在另外的反射元件，特别地以便促进大量的全内反射。

当使用反射元件以便将蓝色光的部分耦合到波导中时，该反射元件优选地为改变来自源的方向的元件，例如漫反射器。此外，该反射器需要与波导光学接触。

特别地，反射元件可以至少布置在光源上方的光源光的逃逸角内。通过这种方式，大多数光可以耦合到波导板中。在一个特定的实施例中，反射元件延伸到该角度之外以便最少化从波导板的逃逸。

措词“上游”和“下游”涉及相对于来自光生成装置（在这里特别地为光源）的光的传播的物品或特征的布置，其中相对于来自光生成装置的光束内的第一位置，更靠近光生成装置的光束内的第二位置在“上游”，并且更远离光生成装置的光束内的第三位置在“下游”。

代替发光材料包含于波导板中的是或者除此之外，透明波导板可以在第一表面和第二表面中的一个或多个上包括一个或多个包含发光材料的离散区域。再一次地，这些离散区域可以包括层，但是在另一个实施例中也可以包括点等等。这些层可以彼此邻近，但是也可以彼此远离。

因此，在一个实施例中，透明波导板在第一表面和第二表面中的一个或多个上包含多个包括发光材料的离散透明区域。所述多个离散区域可以具有不同的发光属性。应当指出的是，离散区域可以包括多种发光材料。波导板的第一表面和第二表面中的一个或多个上的离散区域可以是透明的，并且因此允许透射所述光（光源光和/或发光材料光）的至少一部分，但是不必是透明的。

当第一和/或第二表面上的离散区域透明时，优选地使用反射元件以便将发光材料光和/或光源光的至少一部分向后反射到波导板中。因此，当离散区域透明时，光源光和/或发光材料光的部分可能太早地从波导板和发光材料逃逸。因此，在其中所述一个或多个离散区域中的至少一个透明的实施例中，透明波导板可以进一步包括第二反射元件，该第二反射元件被配置成将发光材料发射和光源光中的一个或多个的至少一部分向后反射到透明波导板中。例如，可以局部地分别获得波导板、具有发光材料的透明离散区域和反射元件的堆叠。

在一个特定的实施例中，与光源正对但是在波导的另一侧布置这样的发光材料区域和反射元件。该反射元件可以被配置成向后反射所有光，但是在一个实施例中也可以被布置成向后反射光的部分（例如由于其面积小于该位置处的光束）。

该反射元件通常为漫反射元件。可以存在另外的反射元件，特别地以便促进大量的全内反射。

在其中透明波导板在第一表面和第二表面中的一个或多个上包括一个或多个包含发光材料的离散区域的又一个特定的实施例中，所述一个或多个离散区域中的至少一个被配置成将发光材料发射和光源光中的一个或多个的至少一部分向后散射到透明波导板中。在这样的实施例中，光源光和/或发光材料光被向后散射到波导板中。在这样的实施例中，可能不必在具有发光材料的离散区域上提供第二反射元件，因为这些离散区域可以不是透明的。

在一个实施例中，照明设备包括多个具有不同发光属性的离散区域（在第一和/或第二表面上）。所述多个离散区域可以具有不同的发光属性。应当指出的是，离散区域可以包括多种发光材料（例如发光材料混合物）。波导板的第一和/或第二表面上的离散区域可以是透明的，并且因此可以允许透射所述光（光源光和/或发光材料光）的至少一部分，但是也可以是反射/散射的（也参见上文）。

特别地，发光材料布置在光源的光束的路径上。特别地，发光材料布置在光源光的逃逸锥中，并且可选地可以延伸到该锥之外。在这样的实施例中，从波导板逃逸的未经转换的光被最少化。因此，在一个实施例中，发光材料至少布置在光源上方的光源光的逃逸角内。特别地，发光材料可以不仅布置在光源的逃逸角内，而且也可以延伸到该角度之外。

取决于希望的应用，光可以经由第一表面或经由第二表面或者经由这两个表面从波导向外耦合。因此，在一个实施例中，第一表面为光内耦合表面，并且光外耦合装置中的一个或多个被配置成在远离第二表面的方向上将发光材料发射和可选地还有光源光耦合出透明波导板，并且可替换地或者此外，第一表面为光内耦合表面，并且光外耦合装置中的一个或多个被配置成在远离第一表面的方向上将发光材料发射和可选地还有光源光耦合出透明波导板。

光外耦合装置可以仅仅是波导的粗糙化的第一和/或第二表面。光外耦合装置可以是本领域中已知的结构。光外耦合装置可以被波导板包含，但是可替换地或此外也可以在第一表面和/或第二表面内，或者可替换地或此外在第一表面和/或第二表面上。例如，可以在波导板内使用散射颗粒和/或可以应用第一表面和/或第二表面处的不规则性。例如，可以应用凹槽和/或（其他）凹口以便帮助波导中的光向外耦合到波导的外部。光外耦合装置可以被布置（例如图案化）成促进光的均匀外耦合。在一个实施例中，散射颗粒包括发光材料。

例如在“基本上所有的光”或者“基本上平行”中的本文的措词“基本上”应当为本领域技术人员所理解。措词“基本上”也可以包括具有“整个”、“完全”、“全部”等的实施例。因此，在实施例中，也可以移除形容词基本上。在适用的情况下，措词“基本上”也可以涉及90%或者更高，例如95%或者更高，特别地99%或者更高，甚至更特别地99.5%或者更高，包括100%。措词“包括”也包含其中措词“包括”表示“由……组成”的实施例。

此外，说明书和权利要求书中的措词第一、第二、第三等等用于区分相似的元件并且不一定用于描述连续的或者按时间先后的顺序。应当理解的是，这样使用的措词在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明实施例能够以不同于本文所述或所示的顺序操作。

除别的以外，本文的设备是在操作期间加以描述的。本领域技术人员将会清楚的是，本发明并不限于操作方法或者操作中的设备。

应当指出的是，上述实施例说明了而不是限制了本发明，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求书的范围的情况下将能够设计出许多可替换的实施例。在权利要求书中，置于括号之间的任何附图标记都不应当被视为限制了权利要求。动词“包括”及其变体的使用并没有排除存在权利要求中未陈述的元件或步骤。元件之前的冠词“一”并没有排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括若干不同元件的硬件以及借助于经过适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的若干个可以由同一硬件项实施。在相互不同的从属权利要求中记载了特定的措施这一事实并不意味着这些措施的组合不可以加以利用。

附图说明

现在，将仅仅通过实例的方式参照示意性附图描述本发明的实施例，在附图中相应的附图标记指明相应的部分，并且在附图中：

图1a-1e示意性地绘出了具有波导的照明设备的一些方面；

图2a-2f示意性地绘出了本发明的照明设备的一些实施例；以及

图3a-3l示意性地绘出了本发明的照明设备的一些另外的实施例。

附图不一定符合比例。

具体实施方式

图1a示意性地绘出了包括波导200的照明设备1，该波导具有第一表面201、第二表面202和边缘表面203。波导200为在这里是平坦的板，具有高度h。照明设备1进一步包括光源300，该光源将光提供给边缘表面203以便将光源300的光源光301耦合到波导200中。

波导200越薄，即h减小，光的内耦合可能变得困难。因此，本发明建议如后续的附图中所示，尤其是在与第一表面201和第二表面202中的一个或多个垂直的方向上经由另一个内耦合表面提供光。

下文中示意性地绘出的本发明的实施例被描绘成具有恒定的h。通常，h在整个波导板200上是恒定的，但是在一个特定的实施例中，h也可以变化。

图1b示意性地绘出了包括透明波导板200的照明设备100的一个实施例，该透明波导板具有第一表面201、相对的第二表面202以及介于第一表面与第二表面202之间的边缘表面203。照明设备100进一步包括光源300（例如LED），该光源用于朝透明波导板200的光内耦合表面210提供光源光301，其中光源300被配置成在与第一表面201和第二表面202中的一个或多个垂直的方向上提供光源光301的至少一部分。光内耦合表面210在这里为第一表面201。

透明波导板200进一步包括被配置成将光源光301的至少一部分转换成发光材料发射401的发光材料400。该发光材料400可以允许可选地与光源光301一起地生成白色光。透明波导板200进一步包括光外耦合装置220，该光外耦合装置用于在远离第一表面201和第二表面202中的一个或多个的方向上将发光材料发射401和可选地还有光源光301作为照明设备光101耦合出透明波导板200。在该示意性附图中，仅仅绘出了一个光源300，并且仅仅示意性地绘出了几个光外耦合装置220。此外，举例而言，照明设备光101向外耦合到两个方向，即远离第一表面201的方向和远离第二表面202的方向。然而，光外耦合装置和诸如反射元件之类的其他光学元件（参见下文）可以被配置成让作为照明设备光101的光仅仅向外耦合到一个方向。

举例而言，这里的照明设备光101看起来包括光源光301和发光材料光401。例如，前者可以是蓝色光并且后者可以是黄色光，由此可以获得白色照明设备光101。

发光材料可以分布在整个波导板上。例如，波导板可以包括具有散布于其中的诸如量子点之类的发光材料的透明聚合物板。或者，波导板可以包括具有分子地散布于其中的发光染料的聚合物基质。或者，波导板200可以包括透明发光陶瓷材料。图1b示意性地绘出了这样的实施例，其中发光材料均匀地分布。

代替图1b，图1c示意性地示出了一个实施例，其中发光材料非均匀地分布在波导板200上。图1c示意性地绘出了一个实施例，其中发光材料400至少存在于波导板200的用光源300的光源光301直接照射的那个部分中。光源光301的相当部分可以在波导200内由发光材料400转换成发光材料光401。通过这种方式，转换的光至少部分地限制在波导中（并且随后至少部分地向外耦合）。如该图中所示，发光材料400至少布置在光源上方的光源光的逃逸角内。然而，发光材料也可以被布置成延伸到光源光的逃逸角之外。

在图1b-1c中，如从侧面所看见的那样示意性地绘出了波导板200。从上面看（观看第一或第二表面），可以发现不同的形状，这取决于希望的应用和/或取决于希望的模型。例如，可以获得圆形、椭圆形、矩形、三角形、多边形等等。举例而言，图1d示意性地绘出了正方形波导板200。应当指出的是，整个边缘用附图标记203指明。

图1e示出了本发明的工作原理的一个实施例。当不管入射光束的方向地辐照具有发光材料的波导板时，在诸如有机分子和量子点之类的发光实体随机散布时，发光材料中的各向同性发射发生。由于具有发光材料的波导板的透明性质，在临界角θ_c之上发射的光将限制在具有发光材料的波导板内。处于临界角（41.83°）锥内的光将逃离波导（该锥因此为临界角的2倍，在这种情况下n=1.5: 2*41.83°）。在该实例中，对于发光材料假设折射率n为1.5并且计算出发光层中转换的光的26%逃离这些层（13%从底部并且13%从顶部），留下74%进行全内反射。

临界角以及因而所述光限制非常依赖于（发光）材料的折射率。临界角与折射率的关系依照临界角=arcsin(1/n)给出，其中n为波导板（具有发光材料（量子点、有机染料分子、分子地散布在基质中的纳米颗粒或者透射发光陶瓷））的折射率，并且与发光材料的界面为空气。耦合到波导板中的能量等于sqrt{1-1/(n*n)}，其中n如上限定。随着折射率的增加，临界角表现出减小，从而将更多的光限制到波导板（具有发光材料）中。当这样的发光材料置于透明波导板顶部或者之内（并且与波导板光学接触）时，取决于波导板的折射率，或多或少的光将耦合到波导中。

特别地，透明波导板200可以包括例如选自以下组的透明聚合物基质，该组包括PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯）、PC（聚碳酸酯）、聚甲基丙烯酸酯（PMA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）（树脂玻璃或有机玻璃）、乙酸丁酸纤维素（CAB）、聚碳酸酯、聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、（PETG）（乙二醇改性聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PDMS（聚二甲基硅氧烷）和COC（环烯烃共聚物），其中散布了有机发光分子（例如二萘嵌苯衍生物、氟硼荧、青蓝和二酮吡咯并吡咯）、发光纳米颗粒和发光量子点（比如InP、CdSe）中的一个或多个。可替换地，波导板200可以包括透明发光陶瓷。

图2a再次示意性地绘出了照明设备100的一个实施例，其中透明波导板200包括发光材料400的非均匀分布，在这里为包括发光材料400的离散透明区域450的形式。当受光源光301照射时，发光材料中发射的光可以在波导200内行进，并且在光外耦合装置220处，光可以从波导200耦合出去。因此，通过这种方式，转换的光至少部分地限制在波导中（并且随后至少部分地耦合出去）。举例而言，波导板200在边缘处包括反射器230。边缘处的反射器230通过实例示出并且不一定在该实施例中或者在本文示意性地绘出的其他实施例中存在。此外，反射器可以例如存在于区域450所在的第二表面202处。同样地，反射器可以在第一表面处存在于区域450的位置处，但是这样的反射器可以对于光源光301是透明的并且对于发光材料光是反射的。

在前一实施例中，离散区域450为具有发光材料400的边缘层或边缘部分。然而，离散区域450也可以是波导板200内的离散层。图2b中示意性地示出了一个实例。这样的层可以例如包括散布在有机物（聚合物基质）中的有机染料或者透明发光陶瓷材料（参见例如序列号为No. 10/861,172的美国专利申请（US2005/0269582）、序列号为No. 11/080,801的美国专利申请（US2006/0202105）、WO2006/097868、WO2007/080555、US2007/0126017和WO2006/114726）。离散区域450可以例如具有薄片或膜的形状。

图2c示出了这样的配置，其中发光材料400置于与其光学接触的波导板200顶部并且置于波导与光源之间。发光材料400在第一表面201上被布置成离散区域250，例如层。在这里，具有发光材料的离散区域250是透射的。由发光材料转换的光源光301进入波导200并且可以向外耦合（到别处）。通过这种方式，转换的光至少部分地限制在波导中（并且随后至少部分地耦合出去）。

在图2b和图2c的两个实施例中，发光材料400举例而言至少布置在光源300上方的光源光的逃逸角内。然而，发光材料也可以被布置成延伸到光源光的逃逸角之外。这例如是图2c的示意性地绘出的实施例中的情况。

图2d示意性地绘出了一个实施例，其中透明波导板包括用附图标记450(1)-450(4)示意性地指明的多个离散区域450，例如每个区域包括发光材料400。在这里，发光材料400非均匀地分布在波导板200上。所述多个离散区域450可以具有不同的发光属性。在左侧和在中间，分别绘出了两个不同的非邻近的离散区域450(1)和450(2)，并且在右边分别绘出了两个不同的邻近的离散区域450(3)和450(4)，例如包括不同发光材料（混合物）的两个层。发光材料区域450(2)由光源300的光源光301直接照射，并且处于光源300的光源光301锥的临界角内。

图2e示意性地绘出了一个实施例，其中透明波导板200在第一表面201和第二表面202中的一个或多个上包括一个或多个包含发光材料400的离散区域250。在这里，举例而言，这样的离散区域中的三个250(1)-250(3)在第二表面202上提供并且一个250(4)在第一表面201上提供。第一离散区域250(1)可以例如是散射的。因此，波导板200内的光不在第一离散区域250(1)处从波导板逃逸，而是至少部分地被散射和/或至少部分地被转换。更精确地说，部分可能从波导板200逃逸。该部分可以在离散区域250(1)中至少部分地被转换成发光材料发射401，其除别的方式以外向后散射到波导板200中。

第二离散区域250(2)可以例如是透明的。由于存在反射元件251（在这里也指明为第二反射元件），光向后反射到波导板200中。因此，在这里基本上也没有光可以（总的说来）离开波导板200。第三离散区域250(3)举例而言也可以是包含区域250的透明发光材料，具有被配置成将发光材料发射401和/或光源光301向后反射到透明波导板200中的第二反射器251。

图2f示意性地绘出了一个实施例，其再一次地具有嵌入到透明波导板200内的离散区域450。在该实施例中，第二离散区域450(2)包括PDLC（即聚合物分散液晶）。PDLC例如在WO2006043196中进行了描述。在PDLC散射模式中，诸如LED之类的光源200的例如蓝色光由PDLC元件中的发光材料400转换成例如红色光。在PDLC透明模式中，来自诸如LED之类的光源200的例如蓝色光由PDLC元件顶部的发光层转换成例如黄色光。通过这种方式，可以获得颜色可调波导板200。可以使用的其他可切换元件包括但不限于电润湿元件、液晶凝胶（LC-gel）或者其他基于液晶的技术。此外，也可以使用多个或像素化元件。

照明设备100可以进一步包括控制器500，该控制器在该实施例中也可以用来控制PDLC，但是该控制器通常可以被配置成控制光源200的强度和/或光源200的颜色。因此，虽然未在其他示意性附图中绘出，但是依照本发明的每个照明设备可以包括控制光源200的强度和/或光源200的颜色的控制器500。

图3a示意性地示出了一个特定的实施例。在这里为固态发光二极管的光源300光学耦合到波导200。在该布置中，二极管发射的在临界角之上的光301耦合到波导中。发光材料区域250的尺寸被选择成使得发光材料区域的尺寸落在临界角内，从而来自光源300（在这里为LED）的光被发光材料400吸收，该光于是被转换成另一种波长，因此作为光转换的结果，它也变得部分地耦合到波导板200中。这利用从区域250离开发光材料400进入波导200的箭头指明。光源光301可以例如为蓝色光，并且发光材料光可以例如为黄色或者红色+绿色光。在这里，发光材料400被示为置于波导板200顶部的元件或区域（例如层），但是它也可以是波导内的区域（参见其他实施例，例如图1c和图2b）。

图3b示出了又一个实施例，其中诸如漫反射器之类的反射器231置于具有发光材料400（在这里为第一发光材料400（1））的区域250之上，并且不与具有发光材料区域250的波导板200光学接触。该配置注意到逃离第一发光材料400(1)的转换的光。该光向大的角度漫反射，并且再次耦合到波导200中。通过这种方式，转换的光至少部分地限制在波导中（并且随后至少部分地耦合出去）。再次耦合到波导200中，它可以由第二发光材料400(2)吸收，并且部分地耦合到波导板200中，从而进一步提高光耦合的效率。第一发光材料400(1)可以例如为黄色或绿色发光材料，并且第二发光材料400(2)可以例如为橙色或红色发光材料。在这里，区域250中的发光材料400被示为置于波导顶部的元件，但是它也可以是波导内的区域（参见其他实施例，例如图1c和图2b）。

图3c示出了又一个实施例。在该实施例中，圆形漫反射器（在这里也用附图标记231指明）置于逃逸锥内以便与波导200光学接触。由该漫反射器漫反射的光可以耦合到波导200中。仍然落入锥内的反射的光由区域250（在这里在第一面201上）中的发光材料400转换成另一种波长，并且部分地（再次）耦合到波导板200中。在这里，发光材料400被示为置于波导板200顶部（在这里为第一面210）的元件，但是它也可以是波导内的区域（参见其他实施例，例如图1c和图2b）。

图3d示意性地绘出了一个实施例，其中反射镜230用来引导波导板200内的光。应当指出的是，该示意性地绘出的实施例可以用在任何所描述的且示意性地绘出的实施例中。

特别地，使用了第一反射元件231，其被布置在透明波导板200的下游，与光源300相对并且被配置成将光源光301的至少一部分向后反射到透明波导板200中。第一表面201和/或第二表面202处的另外的反射器230可以具有相似的功能，但是第一反射元件231特别地具有以下功能：至少部分地防止光源光301和/或发光材料光401从相对于光源300的相对表面直接逃逸。应当指出的是，例如在图2e中，离散区域250(2)上的、被布置成与光源300相对的第二反射元件251也可以被认为是第一反射元件，因为尽管被布置成与光源300相对，该元件也被配置成将光源光301和/或发光材料光401的至少一部分向后反射到波导板200中。第一表面201和/或第二表面202处的另外的反射器230可以比所描绘的更小或更大。边缘处的反射器可以存在或者可以不存在（也参见上文）。在该实施例中，发光材料400可以例如均匀地分布在整个波导板200上。

图3e示意性地绘出了分别布置在第二表面202上、波导200内或者第一表面201处的光外耦合装置220的一些可能的实施例。本领域技术人员应当清楚的是，光外耦合装置220的形状和位置仅仅通过实例的方式指明。

图3f示意性地绘出了一个实施例，其中第一表面201为光内耦合表面，并且其中光外耦合装置220中的一个或多个被配置成在远离第一表面201的方向上将发光材料发射401以及可选地还有光源光301作为照明设备光101耦合出透明波导板200。

图3g示意性地绘出了一个实施例，其中照明设备100包括多个光源300。举例而言，对于所述多个光源300，示出了多个伴随的第一反射元件231。发光材料400可以特别地处于由区域450指明的、利用光源光301直接照射的区块内，但是也可以延伸到逃逸锥（逃逸角）之外。

图3h示意性地绘出了一个实施例，其中照明设备100包括多个光源300。举例而言，对于所述多个光源300，示出了多个伴随的包括区域250的发光材料。优选地，其区块与照射该区块的光源300的逃逸锥一样大或者比它更大。如该图中所示，发光材料400至少布置在光源上方的光源光的逃逸角内。然而，如同样在这里示出的，发光材料也可以被布置成延伸到光源光的逃逸角之外。

图3i示意性地绘出了圆形的照明设备100。设备100从上面示出，第一反射元件231处于中心。未示出的光源从下面辐照波导板200，并且光源光301和/或发光材料光401被向后反射到波导板200中。

图3j也示意性地绘出了圆形的照明设备100。设备100从上面示出，发光包括区域250、发光材料400处于中心。未示出的光源从下面辐照波导板200，并且光源光301和/或发光材料光401耦合到波导板200中。

原则上，波导板200可以具有任何形状，甚至是弯曲的。图3k中示出了一个实例。应当指出的是，同样在这样的实施例中，光源300被配置成在与第一表面201和第二表面202中的一个或多个（在这里因此为两个表面201、202）垂直的方向上提供光源光301的至少一部分。法线n被示出。光源光（束）301的光轴（未示出）因此可以基本上平行于（这里的）第一和第二表面201、202的法线n。在这里，看起来光源300被配置成在与第一表面201和第二表面202垂直的方向上提供光源光301的至少一部分，但是光源300不是相互平行排列（由于透明波导板200的弯曲）。在该示意性地绘出的实施例中，波导板200的高度在基本上整个波导板200上是相同的。在这些实施例中，在波导内或顶部使用发光材料以便将光耦合到波导中。在该示意性地绘出的实施例中，波导板200的平面是弯曲的。

也可以使用超过一个波导板200。图3l示意性地绘出了这样的实施例，其中应用了用附图标记200(1)和200(2)指明的多个波导板200。所述多个板200中的一个或多个可以在波导板内（或顶部）包括发光材料400。不同板200内的发光材料（混合物）可以是相同的或者可以是不同的。

Claims (15)

1. 一种照明设备（100），包括：

- 透明波导板（200），其包括第一表面（201）、相对的第二表面（202）以及第一表面与第二表面（202）之间的边缘表面（203），

- 光源（300），其用于朝透明波导板（200）的光内耦合表面（210）提供光源光（301），其中该光源（300）被配置成在与第一表面（201）和第二表面（202）中的一个或多个垂直的方向上提供光源光（301）的至少一部分，并且其中透明波导板（200）进一步包括：

- 发光材料（400），其被配置成将光源光（301）的至少一部分转换成发光材料发射（401），

- 光外耦合装置（220），其用于在远离第一表面（201）和第二表面（202）中的一个或多个的方向上将发光材料发射（401）以及可选地还有光源光（301）作为照明设备光（101）耦合出透明波导板（200）。

2. 依照权利要求1的照明设备（100），其中发光材料包含在透明波导板中。

3. 依照前面的权利要求中任何一项的照明设备（100），其中透明波导板包括透明聚合物基质，其中散布了有机发光分子、发光纳米颗粒和发光量子点中的一个或多个。

4. 依照前面的权利要求中任何一项的照明设备（100），其中透明波导板包括诸如立方YAG:Ce³⁺之类的透明发光陶瓷，其中Y可以部分地用像Sc、Gd或Lu那样的其他金属代替，并且其中Al可以部分地被Ga代替。

5. 依照前面的权利要求中任何一项的照明设备（100），其中发光材料400至少布置在光源上方的光源光的逃逸角内。

6. 依照前面的权利要求中任何一项的照明设备（100），进一步包括第一反射元件（231），该第一反射元件布置在透明波导板的下游，与光源（300）相对，并且被配置成将光源光和发光材料光中的一个或多个的至少一部分向后反射到透明波导板中。

7. 依照前面的权利要求中任何一项的照明设备（100），其中反射元件（231）至少布置在光源上方的光源光的逃逸角内。

8. 依照前面的权利要求中任何一项的照明设备（100），其中光源（300）与波导（200）光学接触。

9. 依照前面的权利要求中任何一项的照明设备（100），其中透明波导板（200）在第一表面（201）和第二表面（202）中的一个或多个上包括一个或多个包含发光材料（400）的离散区域（250）。

10. 依照权利要求9的照明设备（100），其中所述一个或多个离散区域（250）中的至少一个被配置成将发光材料发射（401）和光源光（301）中的一个或多个的至少一部分向后散射到透明波导板中。

11. 依照权利要求9-10中任何一项的照明设备（100），包括多个具有不同发光属性的离散区域（250）。

12. 依照前面的权利要求中任何一项的照明设备（100），其中第一表面（201）为光内耦合表面，并且其中光外耦合装置（220）中的一个或多个被配置成在远离第二表面（202）的方向上将发光材料发射（401）和可选地还有光源光（301）耦合出透明波导板（200）。

13. 依照前面的权利要求中任何一项的照明设备（100），其中第一表面（201）为光内耦合表面，并且其中光外耦合装置（220）中的一个或多个被配置成在远离第一表面（201）的方向上将发光材料发射（401）和可选地还有光源光（301）耦合出透明波导板（200）。

14. 依照前面的权利要求中任何一项的照明设备（100），其中光源和发光材料被配置成生成白色照明设备光。

15. 依照前面的权利要求中任何一项的照明设备（100），其中透明波导板（200）是弯曲的。

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