CN107110473A - 堆栈轻型灯具 - Google Patents

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Abstract

一种灯具模块(301)，所述灯具模块包括：多个发光元件(310)，其被布置为沿正向方向发射光；光导(330)，其包括从所述光导的接收端延伸到所述光导的相对端的一对相对的侧表面，所述光导被配置为将来自所述发光元件的在所述接收端处接收的光沿所述正向方向引导到所述相对端，其中所述光导沿着与所述正向方向正交的横向方向伸长；以及光学提取器(340)，其沿着所述横向方向伸长并且位于所述光导的所述相对端处以接收所述经引导光，所述光学提取器包括重定向表面(346)和输出表面(344)，其中所述所接收的光在通过所述输出表面在周围环境中输出作为反向角度范围内的输出光之前经历从所述重定向表面的两次反射。

Description

堆栈轻型灯具
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)(1)要求于2014年11月7日提交的美国临时申请号62/077,151的权益，该临时申请以引用的方式并入本文。
技术领域
本公开大体来说涉及用于通常以稍微掠射到掠射配置照射目标表面的灯具模块，例如涉及包括基于固态的光导照明装置的堆栈轻型灯具或整面式照明灯具。
背景技术
光源被用于例如提供一般照明和为电子显示器(例如LCD)提供光的多种应用中。历史上，白炽光源已广泛用于一般照明用途。白炽光源通过将灯丝加热到一定高温直到其发光来产生光。用填充有惰性气体或被抽空的玻璃外壳保护热灯丝以免在空气中氧化。白炽光源在许多应用中逐渐被诸如荧光灯、紧凑型荧光灯(CFL)、冷阴极荧光灯(CCFL)、高强度放电灯和固态光源(例如发光二极管(LED)等其它类型的电灯所替代。
发明内容
本公开涉及包括基于固态的光导照明装置的堆栈轻型灯具。
通常，本文描述的技术的创新方面可以在包括以下方面中的一者或多者的照明装置中实施：
在第一方面中，一种灯具模块包括：多个发光元件(LEE)，其被布置为沿正向方向发射光；光导，其包括从所述光导的接收端延伸到所述光导的相对端的一对相对的侧表面，所述光导被配置为将来自所述LEE的在所述接收端处接收的光沿正向方向引导到所述相对端，其中所述光导沿着与所述正向方向正交的横向方向伸长；以及光学提取器，其沿着所述横向方向伸长并且位于所述光导的所述相对端处以接收经引导光，所述光学提取器包括重定向表面和输出表面，其中所述所接收的光在通过所述输出表面在周围环境中输出作为反向角度范围内的输出光之前经历从所述重定向表面的两次反射。
前述和其它实施例可各自任选地单独或组合地包括以下特征中的一者或多者。在一些实施方案中，所述输出表面可以是凸面的，并且所述光学提取器的所述重定向表面可以包括：第一反射表面，其中由所述光学提取器接收的所述光经历所述两次反射中的第一反射；以及第二反射表面，其中经历所述两次反射中的所述第一反射的所述光经历所述两次反射中的第二反射。此外，所述输出表面可以是漫透射表面。在一些情况下，所述第一反射表面可以是凸面的，并且在其它情况下，所述第一反射表面可以是平坦的。在这些情况中的任一情况下，所述第二反射表面可以是凸面的、平坦的或凹面的。
在一些实施方案中，所述光学提取器由第一实心材料形成。此外，所述光导由第二实心材料形成。本文中，所述第一实心材料可以与所述第二实心材料相同，并且所述光学提取器与所述光导整体地形成。同样在本文中，所述光学提取器与所述光导可以接合在一起。
在任何上述实施方案中，所述重定向表面和所述输出表面可以被成形和布置，使得所述灯具模块在与所述光学提取器横向间隔开并由所述反向角度范围囊括的目标表面上提供照明，并且沿着所述目标表面的平行于所述正向方向的维度在超过1m的目标表面上的最大亮度与最小亮度的比率为至多4:1。在任何上述实施方案中，所述重定向表面和所述输出表面可以被成形和布置，使得所述灯具模块在与所述光学提取器横向间隔开并由所述反向角度范围囊括的目标表面上提供照明，并且沿着所述目标表面的平行于所述正向方向的维度在超过2m的目标表面上的最大亮度与最小亮度的比率为至多10:1。
在一些实施方案中，所述重定向表面和所述输出表面可以被成形和布置，使得在所述反向角度范围内的光传播的普遍方向具有与所述正向方向反平行的分量和与所述正向方向正交的分量。
在一些实施方案中，所述灯具模块可进一步包括一个或多个光学耦合器。本文中，由所述LEE提供的光处于第一角度范围内，所述光学耦合器被布置为接收由所述LEE提供的光并在所述第二角度范围内将其重定向到所述光导的所述接收端，并且所述光导的数值孔径使得在所述第二角度范围内从所述光学耦合器接收的所述光可以通过TIR由所述光导引导离开所述对相对的侧表面。在一些实施方案中，所述LEE可以是发射白光的LED。在一些实施方案中，所述灯具模块可以沿着与所述正向方向正交的方向伸长。在一些实施方案中，所述灯具模块可以围绕平行于所述正向方向的轴具有圆环形状。
在一些方面中，照明装置可以包括上述灯具模块中的一者或多者。在一些实施方案中，这些照明装置可被配置为作为堆栈轻型灯具或作为整面式照明灯具操作。此外，这些照明装置中的一者可以包括被布置来围绕平行于所述正向方向的轴形成敞开或封闭圆环的多个所述灯具模块。
在另一方面中，一种光成形光学物品包括：实心光学器件，其具有横截面轮廓，包括输入表面；输出表面，其与所述输入界面相对；第一反射表面；以及第二反射表面，其在所述第一反射表面与所述输出表面之间延伸，所述第一反射表面在所述第二反射表面与所述输入表面之间延伸。本文中，所述第一反射表面、所述第二反射表面和所述输出表面被成形和布置，使得当所述实心光学器件在所述输入表面处接收具有在所述横截面轮廓的平面中的输入角范围的光时，所述所接收的光经历从所述第一反射表面的第一反射，从所述第一反射表面反射的所述光经历从所述第二反射表面的第二反射，并且从所述第二反射表面反射的所述光通过所述输出表面在所述平面中的输出角度范围内射出所述实心光学器件，其中在所述输出角范围内的输出光的普遍传播方向相对于在所述输入角度范围内的输入光的普遍传播方向沿反向方向倾斜。另外，所述实心光学器件具有从所述横截面轮廓的所述平面延伸的伸长延伸。
前述和其它实施例可各自任选地单独或组合地包括以下特征中的一者或多者。在一些实施方案中，所述输出表面可以包括漫射图案。在一些实施方案中，所述光成形光学物品可进一步包括附接到所述输出表面的漫射膜。在一些实施方案中，所述实心光学器件可以包括塑料材料。
在一些实施方案中，所述实心光学器件的沿着所述输入角度范围中的所述光的所述普遍传播方向的尺寸可小于25mm。在一些实施方案中，所述实心光学器件的在与所述输入角度范围内的所述光的所述普遍传播方向正交的所述横截面轮廓中的尺寸可小于40mm。在一些实施方案中，所述第一反射表面可以是凸面的或平坦的。在这些情况中的任一情况中，所述第二反射表面可以是凸面的、平坦的或凹面的。
在一些实施方案中，所述第一反射表面、所述第二反射表面和所述输出表面可以被成形和布置，使得所述光成形光学物品在与所述实心光学器件横向间隔开并由所述输出角度范围囊括的目标表面上提供照明，并且沿着所述目标表面的平行于所述正向方向的维度在超过1m的目标表面上的最大亮度与最小亮度的比率为至多4:1。在一些实施方案中，所述第一反射表面、所述第二反射表面和所述输出表面可以被成形和布置，使得所述光成形光学物品在与所述实心光学器件横向间隔开并由所述输出角度范围囊括的目标表面上提供照明，并且沿着所述目标表面的平行于所述输入角度范围内的所述普遍传播方向的维度在超过2m的目标表面上的最大亮度与最小亮度的比率为至多10:1。
在一些实施方案中，所述第一反射表面、所述第二反射表面和所述输出表面可以被成形和布置，使得所述输出角度范围内的所述普遍传播方向具有与所述输入角度范围内的所述普遍传播方向反平行的分量和与所述输入角度范围内的所述普遍传播方向正交的分量。在一些实施方案中，所述第一反射表面、所述第二反射表面和所述输出表面可以被成形和布置，使得所述输入范围内的所述普遍传播方向与所述输出角度范围内的所述普遍方向之间的倾斜角大于5°且小于20°。
本说明书中描述的照明装置可以被配置为使用源自具有已知尺寸、几何形状、亮度和均匀性特性的一个或多个初级固态光源以及次级反射器/折射器/组合光学器件的光通量，以输出指定辐射图案。所述次级光学器件可以将源通量的“相位空间”重新分配到规定的维度范围和角散度(例如，方向余弦)的新相位空间，同时维持来自所述次级光学器件的实质上均匀的强度。所公开的照明装置照明装置可以提供目标表面的均匀照明以及从所述照明装置的初级固态光源到目标表面的有效能量转换。一些照明装置可以在直接从一个或多个位置观看时提供均匀和/或无眩光强度。另外，所公开的照明装置可以提供无眩光强度特性同时维持通量重定向的效率和方向性。
在附图和下面的描述中阐述了本文中描述的技术的一个或多个实施方案的细节。依据描述、附图和权利要求书，所公开的技术的其它特征、方面和优点将变得显而易见。
附图简述
图1A-1C示出了待用作堆栈轻型灯具的部件的光成形光学物品的示例的各方面。
图2A-2F示出了光成形光学物品的示例的结构方面。
图3A-3D示出了包括光成形光学物品的光导灯具模块的示例的各方面。
图4A-4E示出了包括如图3A-3B中所示的光导灯具模块一样布置的一个或多个光导灯具模块的堆栈轻型灯具的示例。
图4F-4G示出了包括与图3A-3B中所示的光导灯具模块不同地布置的一个或多个光导灯具模块的其它堆栈轻型灯具的示例。
图5示出了来自图4A-4C的堆栈轻型灯具的模拟结果。
图6A-6C、7A-7C、12A和13A示出了来自图4A的堆栈轻型灯具的模拟结果。
图8A-8C、9A-9C、10A-10C、11A-11C、12B-12C和13B-13C示出了来自图4C的堆栈轻型灯具的模拟结果。
各种附图中的参考符号和标号指示本公开的特定特征的示例性方面、实施方案。
具体实施方式
本公开涉及用于提供堆栈/搁架照明和/或整面式照明的灯具，也称为照明装置。所公开的照明装置可以有效地将由固态光源发射的光引导并分配朝向目标表面(例如朝向搁板堆栈、面板、墙壁或其它目标表面)，以均匀地照射目标表面。目标表面可具有垂直、水平或其它布置。关于照明，术语均匀性旨在指限制由灯具在指定长度的目标表面的一部分上产生的照度的最大值与最小值的比(MMR)。例如，由一些所公开的灯具在超过1m的目标表面上提供的照度可具有低于5:1、4:1或3:1的MMR。作为另一示例，由所公开的灯具在超过2m的目标表面上提供的照度可具有低于20:1、15:1或10:1的MMR。
公开了一种光成形光学物品，其被配置为提供输出角度范围内的光，所述光相对于输入角度范围内的光的普遍传播方向倾斜并且被分布来在预定MMR内照射经界定的目标表面。如本文所使用，在“角度范围”中提供光是指提供在一个或多个普遍方向上传播的光，其中各自相对于对应的普遍方向具有散度。在此上下文中，术语“普遍传播方向”是指传播光的强度分布的一部分具有最大值的方向。例如，与角度范围相关联的普遍传播方向可以是(角度)强度分布的波瓣的取向。(参见，例如图1C。)同样在此上下文中，术语“散度”是指立体角，在所述立体角以外，传播光的强度分布降低到低于强度分布的最大值的预界定分率。例如，与角度范围相关联的散度可以是强度分布的波瓣的宽度。依据照明应用，预界定分率可以是50％、10％、5％、1％或其它值。此外，所公开的光成形光学物品被配置为以虚拟灯丝的形式输出光。所公开的光成形光学物品的曲线轮廓是平滑的并且逐渐地减少用于制造过程的表面斜率公差。
所公开的光成形光学物品可用于光导灯具模块(也简称为灯具模块)中，使得输入角度范围内的光由固态光源发射并且由光导灯具模块的光导引导到光成形光学物品的输入孔口。堆栈轻型灯具是被配置为照射图书馆堆栈的照明装置。堆栈轻型灯具可用于充当整面式照明来照射墙壁或用于其它照明应用。这样，包括一个或多个前述光导灯具模块的所公开的照明装置可以在距目标堆栈搁架(或目标墙)所需距离处与天花板相邻地悬挂或可安置在天花板的凹部中，以作为堆栈轻型灯具操作(或作为整面式照明灯具操作)。所公开的照明装置的效率(界定为被提供给目标表面的由固态光源发射的光的分率)可以达到90％。
(i)光成形光学物品
图1A示出了光成形光学物品140的框图，光成形光学物品140被配置为使实质上位于光成形光学物品140的一侧上的输出角度范围145内的光的普遍传播方向相对于输入角度范围135内的普遍传播方向变换(例如，倾斜)了倾斜角α≠0。本文中，参考系(x,y,z)具有与输入角度范围135内的光的普遍传播方向对准的z轴。在图1A中所示的示例中，目标表面190也被对准为平行于z轴。然而，输入角度范围135内的光的普遍传播方向可以，但未必，平行于目标表面190。
光成形光学物品140由实心透明材料(具有n>1)形成。例如，实心透明材料可以是具有约1.5的折射率的玻璃。作为另一示例，实心透明材料可以是具有约1.4-1.6的折射率的塑料。
光成形光学物品140包括：输入表面142，具有输入角度范围135的输入光通过所述输入表面进入到光成形光学物品140中；以及输出表面144，具有输出角度范围145的输出光通过所述输出表面从光成形光学物品140射出。输出表面144具有正曲率，即，其是凸面的。此外，光成形光学物品140具有反射表面146，所述反射表面被布置且配置为致使在输入角度范围135内通过输入表面142接收的光在输出角度范围145内通过输出表面144输出到周围环境之前经历从重定向表面的两次反射。在图1A中所示出的示例中，光成形光学物品140关于z轴不对称，并且重定向表面143从输入界面142延伸到输出界面144。此外，重定向表面143包括：第一反射表面146，其中由光成形光学物品140接收的光经历两次反射中的第一反射；以及第二反射表面148，其中经历了两次反射中的第一反射的光经历两次反射中的第二反射。前述第一和第二反射通过图1A的光线图来示出，其中以长虚线表示光线，并且使用从输入表面142的点发出的光线来指示输入角度范围135的散度。
进一步在图1A中所示出的示例中，y-z平面中的重定向表面143的横截面在第一反射表面146和第二反射表面148的相交处具有顶点147。此外，第二反射表面148与输出表面144在边缘149处相交。
第一反射表面146可具有零或正曲率(即，第一反射表面146是平坦的或凸面的)，并且第二反射表面148可具有负的、零或正的曲率(即，第二反射表面148是凹面的、平坦的或凸面的)。此外，第一反射表面146、第二反射表面148和输出表面144的曲率的相应值被配置使得输出角度范围145内的光的普遍传播方向相对于输入角度范围135内的光的普遍传播方向倾斜了倾斜角α，使得当输入角度范围135内的光的普遍传播方向是平行于z轴或具有平行于z轴的分量时，输出角度范围145内的光的普遍传播方向具有与z轴反平行的分量。以这种方式，α是输出角度范围145的普遍传播方向相对于z轴的倾斜。
图1B示出了光成形光学物品140沿着x轴伸长。注意，第二反射表面148与第一反射表面146沿着顶点线147相交并且与输出表面144沿着边缘线149相交。光成形光学物品140实质上在y＝0平面的一侧上输出光。光成形光学物品的其它实施方案可以被配置为在y＝0平面的两侧上输出光(未图示)。此类光学物品可以配置为如图1B中所示的两个邻接的光成形光学物品的经整体形成的组合，其中例如一个光成形光学物品围绕y＝0平面镜射。
此外，输入角度范围135和输出角度范围145可在忽略输出表面处的折射时在(z-x)平面中相同。对应于输入表面142的输入界面表示延伸的光源。在其中光成形光学物品140的输入表面142耦合到光导的输出端(如其在图3A中所示的情况下)的实施方案中，输入角度范围135的普遍传播方向可平行于光导。
例如，在(y-z)平面(垂直于x轴的平面)中的输入角度范围135的散度可以是朗伯分布或较窄分布的散度。作为另一示例，在(y-z)平面中的输入角度范围135内的光的分布也可具有一个以上顶峰。对于固体光导，输入角度范围的散度通常足够窄，以允许所有光经由全内反射(TIR)在光导内被引导。依据实施方案，在(x-z)平面(例如，平行于x轴)中的输入角范围135内的光的横向分布可以类似于在(y-z)平面中的输入角范围135内的光的分布被成形。在一些实施方案中，此类横向分布可具有例如含有多个波瓣的蝙蝠翼轮廓。输出角度范围145在(x-z)平面中的散度由输入角度范围135的散度来确定，并且可以受例如表面144、146和148的折射率以及曲率和布置的影响。
图1C示出了在(y-z)平面中由光成形光学物品140输出的光的光强度分布195。本文中，z轴沿着输入角度范围135内的光的普遍传播方向被对准。光强度分布195的波瓣145'表示输出角度范围145内由光成形光学物品140输出的光。波瓣145'的平分线对应于输出角度范围145的光的普遍传播方向。本文中，波瓣145'的平分线相对于z轴倾斜角α＝α波瓣，并且α波瓣的值是约40°。在其它实施方案中，α波瓣的值可相差例如约5、10、30或50°或者其它倾斜值。波瓣145'的半最大值处的宽度对应于输出角度范围145的光的散度。本文中，波瓣145'的半最大值处的宽度具有约20°的值。在其它实施方案中，波瓣145'的半最大值处的宽度的值可为约5、10或30°或者其它散度值。角αmin和αmax界定角度间隔，在所述角度间隔以外，光强度从波瓣145'的顶峰强度值下降到少于5％。
确定输出角度范围145的倾斜α、散度(例如，光强度分布195的波瓣145'的宽度)和由光成形光学物品140输出的对应强度分布以满足指定距离“d”–从光成形光学物品140的输出表面144的“有效中心”到指定高度H的目标表面190，以提供具有指定均匀性的目标表面上的照度。如所述，均匀性可以在目标表面190的整个高度H上界定为例如IMAX/Imin低于最大值N:1<IMAX/Imin<N。在一些情况下，除了前述指定的距离d和高度H之外，输出角范围145的倾斜α、散度以及由光成形光学物品140输出的对应强度分布必须满足目标表面190上的指定高度(表示为z点)高于地面(z＝0)，其中输出角范围145的传播的普遍方向(以虚线表示)与目标表面190相交。如图5-13中所示出的分析中所示，z点处的相交点可对应于目标表面190上的输出光的最大强度IMAX，并且输出角度范围145的外光线–分别相对于z轴倾斜αmin和αMAX–的相交可对应于目标表面190上的输出光的最小强度Imin。
应注意，通常输出角度范围145内的光的散度和传播方向可主要由以下各项的组合控制：(i)第一反射表面146的光功率、(ii)第二反射表面148的光功率、(iii)输出表面144的光功率以及(iv)第一反射表面146、第二反射表面148和输出表面144关于彼此和z轴的布置。相应表面的特定形状可影响强度分布并且因此影响目标表面190上的照度的均匀程度。
接下来描述上面所公开的光成形光学物品140的示例性实施方案。
光成形光学物品的示例
图2A是光成形光学物品240的示例在(y-z)平面中的横截面图。光成形光学物品240由实心材料(具有折射率n>1)形成。例如，所述材料可以是具有约1.5的折射率的玻璃。作为另一示例，所述材料可以是具有约1.5-1.6的折射率的塑料。光成形光学物品240包括输入表面242、输出表面244、第一反射表面246及第二反射表面248。注意，第一反射表面246和第二反射表面248在顶点247处相交并且形成光成形光学物品240的重定向表面243。另外，第二反射表面248与输出表面244在边缘249处相交。
输入表面242由在此示例中被表示为高于z轴的第一界面242'(也称为第一界面)和在此示例中被表示为低于z轴的第二界面242"(也称为第二界面)形成。图2B是第一界面242'在(y-z)平面中的横截面图–z轴和y轴具有不同标度。表1中给出对应于第一界面242'的多段线的坐标。
表1
图2C是第二界面242"在(y-z)平面中的横截面图–此外，z轴和y轴具有不同标度。表2中给出对应于第二界面242"的多段线的坐标。
表2
例如，光成形光学物品240的输入表面242可以接合到光导的输出端，如下文结合图3A-3B所述。在这种情况下，可以在光导的输出端与光成形光学物品240之间安置抗反射涂层。如果光成形光学物品240的材料与形成光导的材料不同，则例如可以在光导的输出端与光成形光学物品240之间安置折射率匹配层。在其它情况下，光导和光成形光学物品240可以整体地形成。
图2D是第一反射表面246在(y-z)平面中的横截面图。表3中给出对应于第一反射表面246的拟合曲线(例如，样条)的节点的坐标。
表3
本文中，光成形光学物品240的第一反射表面246是凸面的，并且连同第二反射表面248和输出表面244一起在确定输出角度范围145内的光的传播方向相对于z轴的倾斜角α和输出角度范围145的散度时起主要作用。注意，第一反射表面246的点1对应于其中第一反射表面与第二反射表面248相交的顶点247。在一些实施方案中，第一反射表面246是未涂布的。在这种情况下，来自输入表面242的以相对于相应表面法线的超过临界角度θ＝反正弦(1/n)的角度照射在第一反射表面246上的光经由全内反射(TIR)从第一反射表面反射。在其它实施方案中，第一反射表面246涂布有反射涂层。在这种情况下，来自输入表面242的到达第一反射表面246的光经由镜面反射或漫反射或其组合从第一反射表面反射。
图2E是第二反射表面248在(y-z)平面中的横截面图。表4中给出对应于第二反射表面248的拟合曲线(例如，样条)的节点的坐标。
表4
本文中，光成形光学物品240的第二反射表面248具有在零周围变化的曲率，并且连同第一反射表面246和输出表面244一起在确定输出角度范围145内的光的传播方向相对于z轴的倾斜角α和输出角度范围145的散度时起主要作用。注意，第二反射表面248的点1对应于第一反射表面246与第二反射表面相交的顶点247，第二反射表面的点21对应于其中输出表面244与第二反射表面相交的边缘249。在一些实施方案中，第二反射表面248是未涂布的。在这种情况下，来自第一反射表面246的以超过临界角度θ＝反正弦(1/n)的角度照射在第二反射表面248上的光经由全内反射(TIR)从第二反射表面反射。在其它实施方案中，第二反射表面248涂布有反射涂层。在这种情况下，来自第一反射表面246的到达第二反射表面248的光经由镜面反射或漫反射或其组合从第二反射表面反射。
图2F是输出表面244在(y-z)平面中的横截面图。表5中给出对应于输出表面244的拟合曲线(例如，样条)的节点的坐标。
表5
本文中，光成形光学物品240的输出表面244是凸面的，并且连同第一反射表面246和第二反射表面248一起在确定输出角度范围145内的光的传播方向相对于z轴的倾斜角α和输出角度范围145的散度时起主要作用。注意，输出表面244的点21对应于其中第二反射表面248与输出表面相交的边缘249。在一些实施方案中，输出表面244是未涂布的。在其它实施方案中，可以在输出表面244上提供抗反射涂层，使得由第二反射表面248反射的光可以最小的背向反射来透射。在其它实施方案中，输出表面244涂布有漫射涂层(例如，BrightView M PR05TM或BrightView M PR10TM)。在这种情况下，由第二反射表面248反射的光可以在透射穿过输出表面244时漫射。
光成形光学物品140或240可用于如下面结合图3A所述的光导灯具模块中，使得输入角度范围135内的光由固态光源提供并且由光导灯具模块的光导分别引导到光成形光学物品140或240的输入表面142或242。
(ii)基于具有光成形光学物品的光导灯具模块的照明装置
图3A-3B是基于包括光成形光学物品340的光导灯具模块301的照明装置SL300的示例。在光导灯具模块301的上下文中，光成形光学物品340被称为光学提取器340。例如，光学提取器340可实施为结合图1A或2A所述的光成形光学物品140或240。在图3A-3B中所示的示例中，照明装置SL300包括光导灯具模块301和被布置且配置为支撑导灯具模块的壳体302。
除了光学提取器340之外，光导灯具模块301还包括衬底305、一个或多个发光元件(LEE)310及光导330。光导330沿着长度D(例如，沿着图3A中所示的笛卡尔参考系的z轴)引导由LEE 310提供的光。任选地，光导灯具模块301进一步包括一个或多个光学耦合器320，使得光导330在其输入端处经由光学耦合器320耦合到LEE并且在其输出端处耦合到光学提取器340。
通常，LEE(也称为发光体)是如下装置：发射来自可见区、红外区和/或紫外区当中的电磁光谱的一个或多个区中的辐射。例如，可通过跨越LEE的部件施加电势差或使电流通过LEE的部件来实现LEE的启动。LEE可具有单色、准单色、多色或宽频带光谱发射特性。LEE的示例包括半导体、有机、聚合物/聚合发光二极管，其它单色、准单色或其它发光元件。在一些实施方案中，LEE是发射辐射的特定装置，例如LED裸片。在其它实施方案中，LEE包括发射辐射的特定装置(例如，LED裸片)连同其内放置有所述(一个或多个)特定装置的壳体或包装的组合。LEE的示例还包括激光器且更具体地包括半导体激光器，例如垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)和边缘发射激光器。LEE的其它示例包括超发光二极管和其它超发光装置。
在操作期间，LEE 310提供第一角度范围内的光。此类光可相对于一个或多个LEE310的光轴(例如，z轴)具有朗伯分布。光导330可由实心透明材料制成。例如，所述材料可以是具有约1.5的折射率的玻璃。作为另一示例，所述材料可以是具有约1.5-1.6的折射率的塑料。本文中，光导330被布置为在光导330的一端处接收由LEE 310提供的光，并且沿正向方向(沿着z轴)将所接收的光从接收端引导到光导330的相对端。本文中，光导330的接收端与其相对端之间的距离D可为例如5、10、20、50或100cm。(i)其中在接收端处由光导330接收光的角度范围和(ii)光导330的数值孔径的组合被配置，使得通过从光导330的光导侧表面的反射将所接收的光从接收端引导到相对端。依据实施方案，至少一些(如果不是全部)这种反射是经由全内反射(TIR)。在一些实施方案中，光导330的数值孔径使得第一角度范围内由LEE 310提供的所有光可在光导330的接收端处直接照射到光导330中。
在一些实施方案中，照明装置SL300包括具有一个或多个光学耦合器320的光导灯具模块301。在这种情况下，一个或多个光学耦合器320在第一角度范围内接收来自LEE 310的光，并在第二角度范围内沿正向方向校准所接收的光。一个或多个光学耦合器320被成形以经由全内反射、镜面反射或此两者将第一角度范围115变换为第二角度范围125。此外，一个或多个光学耦合器320可以包括用于使光从一个或多个光学耦合器320中的每一者的输入端传播到输出端的实心透明材料。本文中，第二角度范围的散度小于第一角度范围的散度。这样，第二角度范围的散度被选择使得在第二角度范围内由耦合器320提供的所有光都在光导330的接收端处照射到光导330中。
此外，光导侧表面中的一者或多者可以是平面的、弯曲的或以其它方式成形。光导侧表面可以是平行的或不平行的在具有不平行的光导侧表面的实施例中，经引导光在光导330的相对端处的第三角度范围135不同于在接收端处接收的光的第一角度范围(当光导330直接从LEE310接收光时)或第二角度范围(当光导330从耦合器320接收光时)。本文中，光导侧表面可以是光学平滑的以允许经引导光通过TIR在光导330内向前传播(例如，沿z轴的正方向)。在这种情况下，光导侧表面关于z轴及彼此被成形且布置，使得经引导光在从光导330的输入端到输出端的整个距离D上以大于临界角的入射角照射在光导侧表面上。在具有平行的光导侧表面的实施例中，无论光导330是实心的还是中空的，经引导光在光导330的相对端处的第三角度范围135都至少实质上具有与在接收端处接收的光的第一角度范围(当光导330直接从LEE 310接收光时)或第二角度范围(当光导330直接从耦合器320接收光时)相同的散度。
在一些实施方案中，光导330的长度D(沿着z轴)、光导的宽度L(沿着x轴)及光导的厚度T(沿着y轴)被设计来使由(沿着x轴分布的)离散LEE 310发射的光均匀化，因为所述光从光导的接收端被引导到相对端。以这种方式，所发射光的均匀化-由于所述光通过光导330被引导-致使第一角度范围(当光导直接从LEE 310接收光时)或第二角度范围(当光导从耦合器320接收光时)的沿着x轴的离散轮廓改变成其中离散轮廓部分地或全部地区模糊的第三角度范围135的沿着x轴的连续轮廓。
本文中，第三角度范围135内的光表示用于光学提取器340的输入光，并且具有沿着z轴的普遍传播方向。与光成形光学物品140或240类似，光学提取器340由实心透明材料制成。例如，所述材料可以是具有约1.5的折射率的玻璃。作为另一示例，所述材料可以是具有约1.5-1.6的折射率的塑料。光学提取器340具有耦合到光导330的输出端的输入表面342，以接收经引导光。光学提取器340的输入表面342相邻于并且光学地耦合到光导330的输出边缘。例如，光学提取器340可以使用折射率匹配流体、油脂或粘合剂附加到光导330。在一些实施方案中，光学提取器340被熔合到光导330，或此两者由单片材料整体地形成。在一些实施方案中，光学提取器340与光导330被机械地按压在一起(未示出)。
此外，光学提取器340包括第一反射表面346、第二反射表面348及输出表面344。如上文结合图1A-1C和2A-2F所述，(i)第一反射表面346、第二反射表面348和输出表面344的相应光功率的组合以及(ii)第一反射表面、第二反射表面表面和输出表面相对于彼此和光导方向(这里是z轴)的布置的组合确定输出角范围145中的光的总体空间分布，包括输出角范围145中的光的散度和输出角度范围内的光的普遍传播方向相对于第三角度范围135内的光的普遍传播方向的倾斜角α。
以这种方式，光导灯具模块301的一个或多个光学耦合器320、光导330和光学提取器340被布置且配置为使由LEE 310发射的光远离LEE地转变且重定向，然后将所述光输出到周围环境。光的产生位置(也称为物理(光)源)与其中从光导灯具模块301提取光的输出表面344(也称为虚拟光源或虚拟灯丝)的空间分离可促进光导灯具模块的设计。以这种方式，虚拟灯丝可以被配置为关于平行于光导灯具模块301的光轴(例如，z轴)的平面提供实质上各向异性的光发射。相比之下，典型的白炽灯丝通常发射实质上各向同性分布的量的光。虚拟灯丝可以被视为看似发出相当大量的光的一个或多个空间部分。此外，将LEE 310就其预定光学、热、电和机械限制因素与光提取位置分离开可以促成光导灯具模块301的更大的设计自由度并且允许延伸的光学路径，这可以准许预定级别的光混合，然后将光从光导灯具模块输出。
此外，例如，壳体302可以在(y,z)平面中具有U形轮廓，如图3A中所示，或在(y,z)平面中具有L轮廓，如图3A中所示。此外，壳体302沿着x轴伸长。壳体302的平行于(x,y)平面的表面被安置为与光导灯具模块301的衬底305相邻，并且壳体302的平行于(x,z)平面的多个表面/一个表面沿着光导的长度D的分率耦合到光导330的多个侧表面/一个侧表面。此分率可以是D的例如10、30或50％。
光导灯具模块301的其它敞开和封闭的形状是可能的。图3C和3D分别示出了灯具模块301'的透视图和仰视图，对于灯具模块301'，光导330'具有形成厚度T的封闭圆柱壳体的两个相对的侧表面330a、330b。在图3C和3D中所示的示例中，由相对的侧表面330a、330b形成的圆柱壳体的x-y横截面是椭圆形的。在其它情况下，圆柱壳体的x-y横截面可以是圆形的或可以具有其它形状。示例性灯具模块301'的一些实施方案可包括在光导330'的侧表面330a上的镜面反射涂层。对于例如T＝0.05D、0.1D或0.2D，来自如同在接收端处边缘耦合到光导330'中的沿着长度L(椭圆弧或椭圆圆周的长度)的椭圆形路径分布的LEE 310的多个点的光可有效地混合并且到所述光传播到相对端时沿着此椭圆形路径变得均匀(准连续)。
(iii)包含一个或多个光导灯具模块的照明装置
图4A示出了照明装置SL300在(x,y)平面中的视图。如上文结合图3A-3B所述，照明装置SL300包括由壳体302支撑的单个光导灯具模块301，使得光导330平行于目标表面190以沿z轴的正方向引导LEE 310发射的光。在此示例中，照明装置SL300的光导灯具模块301的宽度L(沿着x轴)是约60cm。从光导灯具模块301的光学提取器340到目标表面190的距离d可约为12”、18”、24”或其它距离。注意，沿着x轴及沿着y轴的相应长度标度在图4A中不同。例如壳体和光导灯具模块等部件的尺寸甚至可不在同一方向内相对于彼此缩小和/或扩大。
图4B示出了照明装置SL3x300在(x-y)平面中的视图。本文中，照明装置SL3x300包括由壳体302支撑的三个光导灯具模块301，使得光导330中的每一者平行于目标表面190以沿z轴的正方向引导由LEE 310发射的光。在其它情况下，每一光导灯具模块301可具有其自己的壳体(未示出)。在图4B中所示的示例中，照明装置SL3x300的三个光导灯具模块301沿着直线路径(例如，沿着x轴)被布置，其中在光导灯具模块中的相邻者之间没有分离。本文中，光导灯具模块301中的每一者的宽度L(沿着x轴)及从光导灯具模块中的每一者的光学提取器340到目标表面190的距离d具有与图4A中的对应值相同的值。
图4C示出了照明装置SL5x300在(x-y)平面中的视图。本文中，照明装置SL5x300包括由壳体302支撑的五个光导灯具模块301，使得五个光导330中的每一者平行于目标表面190以沿z轴的正方向引导由LEE 310发射的光。在图4C中所示的示例中，照明装置SL5x300的五个光导灯具模块301沿着直线路径(例如，沿着x轴)被布置，其中在光导灯具模块中的相邻者之间没有分离。本文中，光导灯具模块301中的每一者的宽度L(沿着x轴)及从光导灯具模块中的每一者的光学提取器340到目标表面190的距离d具有与图4A中的对应值相同的值。
图4D示出了照明装置SL3x300C在(x-y)平面中的视图。本文中，照明装置SL3x300C包括由壳体302支撑的三个光导灯具模块301，使得光导330中的每一者平行于目标表面190以沿z轴的正方向引导由LEE 310发射的光。然而，照明装置SL3x300C的三个光导灯具模块301沿着敞开的弯曲路径被布置，其中在光导灯具模块中的相邻者之间没有分离。敞开的弯曲路径可以是圆环的弧、圆圈的弧、椭圆的弧或某一其它敞开的弯曲路径。本文中，光导灯具模块301中的每一者的宽度L(沿着路径)及从光导灯具模块中的每一者的光学提取器340到目标表面190的距离d具有与图4A中的对应值相同的值。
图4E示出了照明装置SL8x300C在(x-y)平面中的视图。本文中，照明装置SL8x300C包括由壳体302支撑的八个光导灯具模块301，使得八个光导330中的每一者平行于目标表面190以沿z轴的正方向引导由LEE 310发射的光。然而，照明装置SL8x300C的八个光导灯具模块301沿着封闭的弯曲路径被布置，其中在光导灯具模块中的相邻者之间没有分离。封闭的弯曲路径可以是圆环、圆圈、椭圆或某一其它封闭的弯曲路径。在一些实施方案中，弯曲路径可以是三角形、正方形、矩形、六边形或其它多边形路径。本文中，光导灯具模块301中的每一者的宽度L(沿着路径)及从光导灯具模块中的每一者的光学提取器340到目标表面190的距离d具有与图4A中的对应值相同的值。
如下所述，可以通过布置一个或多个光导灯具模块来实现用作堆栈轻型灯具或整面式照明灯具的其它照明装置，使得它们的光导中的每一者与目标表面正交。图4F示出了照明装置SL400A在(y,z)平面中的视图。照明装置SL400A包括由壳体302'支撑的单个光导灯具模块301a，使得其光导与目标表面190正交以沿y轴的负方向引导由其LEE发射的光。本文中，光导灯具模块301a的LEE接近于目标表面190并且光导灯具模块的提取器远离目标表面有约为例如24”、36”、48”的距离da。注意，沿着y轴及沿着z轴的相应长度标度在图4F中是不同的。例如壳体和光导灯具模块等部件的尺寸甚至可不在同一方向内相对于彼此缩小和/或扩大。在此示例中，光导灯具模块301a的提取器是与上文结合图1A-1C及图2A-2F所述的光成形光学物品140及240或上文结合图3A-3B所述的光学提取器340相似但不同的光成形光学物品。尽管与光成形光学物品140及240或光学提取器340不同，但光导灯具模块301a的提取器还被配置为以指定效率和均匀性照射目标表面190。
图4G示出了照明装置SL2x400B在(y,z)平面中的视图。本文中，照明装置SL2x400B被布置为照射彼此平行的第一及第二目标表面190a、190b。照明装置SL2x400B包括由相应壳体302'支撑的第一及第二光导灯具模块301a'、301a"，使得第一光导灯具模块301a'的光导与第一目标表面190a正交以沿y轴的负方向引导由其LEE发射的光，并且第二光导灯具模块301a"的光导与第二目标表面190b正交以沿y轴的正方向引导由其LEE发射的光。本文中，第一光导灯具模块301a'的LEE接近于第一目标表面190a，且其提取器远离第一目标表面有距离da，并且第二光导灯具模块301a"的LEE接近于第二目标表面190b，且其提取器远离第二目标表面有距离da。在图4G中所示的示例中，第一及第二光导灯具模块301a'、301a"的提取器彼此对接。在其它情况下，第一及第二光导灯具模块301a'、301a"的提取器可沿着y轴彼此分离开指定的距离。注意，沿着y轴及沿着z轴的相应长度标度在图4G中是不同的。例如壳体和光导灯具模块等部件的尺寸甚至可不在同一方向内相对于彼此缩小和/或扩大。在此示例中，第一及第二光导灯具模块301a'、301a"的相应提取器是与上文结合图1A-1C及图2A-2F所述的光成形光学物品140及240或上文结合图3A-3B所述的光学提取器340相似但不同的光成形光学物品。尽管与光成形光学物品140及240或光学提取器340不同，但第一及第二光导灯具模块301a'、301a"的相应提取器还被配置为以指定效率和均匀性照射相应目标表面190a、190b。
已制造了照明装置SL300、SL3x300及SL5x300的样品，并且已进行了实验来评估其相应性能。下面概述这些实验中的一些实验。
(vi)实验结果
使用对应于照明装置SL300、SL3x300和SL5x300的堆栈轻型灯具来照射各种平面目标表面(下面称为“堆栈检测器”)。此外，使用地面检测器来表征在平面目标表面中的每一者前方到达地面的由照明装置SL300、SL3x300和SL5x300所提供的光的部分。表6示出了本研究中使用的检测器的配置。
表6
用于包括在照明装置SL300、SL3x300及SL5x300中的每一光导灯具模块301的LEE310被实施为Luxeon Z ES(其中光学耦合器320的每个通道有一个LED)或Luxeon Z(其中光学耦合器的每个通道有两个LED)。对于前述实施方案中的任一者，使用由Lumileds TM供应的光线数据集对LED进行建模。光学提取器340的输出表面344未被覆盖，或被覆盖有实施为Brightview MPR05TM或Brightview MPR10TM的漫射膜。对于前述实施方案中的任一者，使用由Brightview TM供应的BSDF数据文件对漫射表面的特性进行建模。如上所述，包括在照明装置SL300、SL3x300及SL5x300中的每一光导灯具模块301的宽度(沿着x轴)是L＝0.578m。
注意，在本研究中，照明装置SL300、SL3x300及SL5x300中的每一者被安置在堆栈190前面的距离d＝0.4572m(18”)处。堆栈190的高度是从地面水平到堆栈的顶部的H＝2m，并且堆栈的受关注部分(POI)在堆栈的中心处横跨(沿着z轴)h＝1.016m(40”)。
图5示出了沿着z轴由照明装置SL300、SL3x300及SL5x300提供给在相应照明装置前面放置在堆栈190上的检测器1的照度(以勒克斯为单位)的图表500。本文中，光学提取器340的输出表面344是不漫射的，并且LEE 310基于Luxeon Z(即，其中光学耦合器320的每个通道具有两个LED)来实施。从照明装置SL300到照明装置SL3x300地示出了峰值照度的显著跳跃，但是从照明装置SL3x300到照明装置SL5x300的跳跃被大大地减少。在堆栈的较低区域处(对于z<0)的相对变化大于较高区域处。在堆栈190的整个高度和堆栈的中心POI上由照明装置SL300、SL3x300和SL5x300提供的照明的均匀性在表7中分别被量化为在H上的最大/最小亮度和在h上的最大/最小亮度的比率。
表7
比率 SL300 SL3x300 SL5x300
在H上的最大值/最小值 10.01 9.86 7.15
在h上的最大值/最小值 3.83 3.81 2.56
注意，随着包括在照明装置SL300、SL3x300和SL5x300中的光导灯具模块301的数目增加，均匀性也增加。
下面表征照明装置SL300、SL3x300和SL5x300的额外性能。表8中概述包括单个光导灯具模块301的照明装置SL300的实验结果。本文中，光导灯具模块301的光源基于LuxeonZ(即，光学耦合器320的每个通道具有两个LED 310)并且使用2e+6光线来模拟。以这种方式，照明装置SL300的光导灯具模块301供应4032流明的总功率。表8中的所有功率级都以流明为单位。
表8
注意，对于照明装置SL300，在堆栈检测器3处评估的整体总效率和总效率两者都从在光学提取器340的输出表面344是不漫射的情况下的最大值减小到在光学提取器的输出表面包括漫射膜MPR05的情况下的中间值、在光学提取器的输出表面包括漫射膜MPR10的情况下减小为最小值。然而，注意，在堆栈检测器3处评估的远场效率及在堆栈检测器4处评估的远场效率中每一者往往保持恒定，而不管光学提取器340的输出表面344是不漫射的，还是其包括漫射膜MPR05或MPR10中的任一者。
此外，表9中概述包括五个光导灯具模块301的照明装置SL5x300的实验结果。本文中，五个光导灯具模块301中的每一者的光源基于Luxeon Z(即，光学耦合器320的每个通道具有两个LED 310)并且使用2e+6光线来模拟。以这种方式，五个光导灯具模块301中的每一者供应4032流明的总功率，使得照明装置SL5x300供应20160流明的总功率。表9中的所有功率级都以流明为单位。
表9
注意，对于照明装置SL5x300，在堆栈检测器3处评估的整体总效率和总效率两者都从在光学提取器340的输出表面344是不漫射的情况下的最大值减小到在光学提取器的输出表面包括漫射膜MPR05的情况下的中间值、在光学提取器的输出表面包括漫射膜MPR10的情况下减小为最小值。然而，注意，在堆栈检测器3处评估的远场效率及在堆栈检测器4处评估的远场效率中每一者往往保持恒定，而不管光学提取器340的输出表面344是不漫射的，还是其包括漫射膜MPR05或MPR10中的任一者。
还应注意，虽然在照明装置SL5x300的情况下由堆栈检测器测量的功率级成比例地大于照明装置SL300的情况，但给堆栈检测器提供功率的效率在照明装置SL5x300的情况与照明装置SL300的情况之间实质上不改变。
此外，表10中概述包括五个光导灯具模块301的照明装置SL5x300的不同配置的实验结果。本文中，五个光导灯具模块301中的每一者的光源基于Luxeon Z ES(即，光学耦合器320的每个通道具有两个LED 310)并且使用1e+6光线来模拟。以这种方式，五个光导灯具模块301中的每一者供应4032流明的总功率，使得照明装置SL5x300供应20160流明的总功率。表9中的所有功率级都以流明为单位。
表10
注意，对于照明装置SL5x300的这种配置，在堆栈检测器3处评估的整体总效率和总效率两者都从在光学提取器340的输出表面344是不漫射的情况下的最大值减小到在光学提取器的输出表面包括漫射膜MPR05的情况下的中间值、在光学提取器的输出表面包括漫射膜MPR10的情况下减小为最小值。然而，注意，在堆栈检测器3处评估的远场效率及在堆栈检测器4处评估的远场效率中每一者往往保持恒定，而不管光学提取器340的输出表面344是不漫射的，还是其包括漫射膜MPR05或MPR10中的任一者。
还应注意，光导灯具模块301的光学耦合器320的每个通道使用单个LED 310允许使LED在光学耦合器的通道的入口上居中，并且因此引入光学耦合器的每一通道所见的通量分布和对准的很小的改变。然而，表10中呈现的结果类似于表9中呈现的结果的事实暗示，光导灯具模块301的实施方案之间的前述结构区别不会显著影响照明装置SL5x300的性能。
下面描述所述实验的更详细的结果。
其中光学耦合器320的每个通道具有两个LED 310的照明装置SL300的实验结果
图6A/6B/6C示出了当照明装置SL300的光导灯具模块301的光学提取器340的输出表面344分别为不漫射、基于漫射膜MPR05漫射及基于漫射膜MPR10漫射时由堆栈检测器2测量(参见表6)的照度(x,z)-等值线图602-a/602-b/602-c。图6A/6B/6C还示出了表示通过照明装置SL300的中心的堆栈检测器2的照度的垂直变化的z轴横截面图604-a/604-b/604-c，以及表示半高度处的堆栈检测器2的照度的水平变化的x轴横截面图606-a/606-b/606-c。这些实验结果指示依据其中光学耦合器320的每个通道具有两个LED310的光导灯具模块301的光学提取器340的输出表面344的漫射性质而定的由照明装置SL300提供的照明的垂直均匀性。
图7A/7B/7C示出了当照明装置SL300的光导灯具模块301的光学提取器340的输出表面344分别为不漫射、基于漫射膜MPR05漫射及基于漫射膜MPR10漫射时由远场检测器接收的光的(y,z)强度轮廓703-a/703-b/703-c。强度轮廓703-a、703-b、703-c中的每一者对应于图1C中所示的光强度分布195的波瓣145'。本文中，由照明装置SL300输出的光具有相对于z轴倾斜约10°的普遍传播方向以及约20°的散度。如上所述，主要由(i)光学提取器340的第一反射表面346、第二反射表面348和输出表面344的相应光功率与(ii)第一反射表面、第二反射表面和输出表面相对于彼此和相对于光导方向(这里是z轴)的布置的组合来确定由照明装置SL300输出的光的普遍传播方向和散度。注意，当照明装置SL300的光导灯具模块301的光学提取器340的输出表面344是不漫射时(y,z)强度轮廓703-a是最不平滑的，当照明装置SL300的光导灯具模块301的光学提取器340的输出表面344是基于漫射膜MPR05漫射时(y,z)强度轮廓703-b具有中间平滑度，并且当照明装置SL300的光导灯具模块301的光学提取器340的输出表面344是基于漫射膜MPR10漫射时(y,z)强度轮廓703-c是最平滑的。
图7A/7B/7C还示出了当照明装置SL300的光导灯具模块301的光学提取器340的输出表面344分别为不漫射、基于漫射膜MPR05漫射及基于漫射膜MPR10漫射时由远场检测器接收的光的(x,z)强度轮廓705-a/705-b/705-c。注意，当照明装置SL300的光导灯具模块301的光学提取器340的输出表面344是不漫射时的(x,z)强度轮廓705-a在平滑度上低于当照明装置SL300的光导灯具模块301的光学提取器340的输出表面344是基于漫射膜MPR05或MPR10漫射时的(y,z)强度轮廓705-b或705-c。
其中光学耦合器320的每个通道具有两个LED 310的照明装置SL5x300的实验结果
图8A/8B/8C示出了当照明装置SL5x300的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344分别为不漫射、基于漫射膜MPR05漫射及基于漫射膜MPR10漫射时由堆栈检测器2测量(参见表6)的照度(x,z)-等值线图802-a/802-b/802-c。图8A/8B/8C还示出了表示通过照明装置SL5x300的中心的堆栈检测器2的照度的垂直变化的z轴横截面图804-a/804-b/804-c，以及表示半高度处的堆栈检测器2的照度的水平变化的x轴横截面图806-a/806-b/806-c。这些实验结果指示依据其中光学耦合器320的每个通道具有两个LED 310的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344的漫射性质而定的由照明装置SL5x300提供的照明的垂直均匀性。
图9A/9B/9C示出了当照明装置SL5x300的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344分别为不漫射、基于漫射膜MPR05漫射及基于漫射膜MPR10漫射时由远场检测器接收的光的(y,z)强度轮廓903-a/903-b/903-c。强度轮廓903-a、903-b、903-c中的每一者对应于图1C中所示的光强度分布195的波瓣145'。本文中，由照明装置SL5x300输出的光具有相对于z轴倾斜约10°的普遍传播方向以及约20°的散度。如上所述，主要由(i)光学提取器340的第一反射表面346、第二反射表面348和输出表面344的相应光功率与(ii)第一反射表面、第二反射表面和输出表面相对于彼此和相对于光导方向(这里是z轴)的布置的组合来确定由照明装置SL5x300输出的光的普遍传播方向和散度。注意，当照明装置SL5x300的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344是不漫射时(y,z)强度轮廓903-a是最不平滑的，当照明装置SL5x300的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344是基于漫射膜MPR05漫射时(y,z)强度轮廓903-b具有中间平滑度，并且当照明装置SL5x300的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344是基于漫射膜MPR10漫射时(y,z)强度轮廓903-c是最平滑的。
图9A/9B/9C还示出了当照明装置SL5x300的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344分别为不漫射、基于漫射膜MPR05漫射及基于漫射膜MPR10漫射时由远场检测器接收的光的(x,z)强度轮廓905-a/905-b/905-c。注意，当照明装置SL5x300的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344是不漫射时的(x,z)强度轮廓905-a在平滑度上低于当照明装置SL5x300的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344是基于漫射膜MPR05或MPR10漫射时的(y,z)强度轮廓905-b或905-c。
其中光学耦合器320的每个通道具有一个LED 310的照明装置SL5x300的实验结果
图10A/10B/10C示出了当照明装置SL5x300的这种实施方案的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344分别为不漫射、基于漫射膜MPR05漫射及基于漫射膜MPR10漫射时由堆栈检测器2测量(参见表6)的照度(x,z)-等值线图1002-a/1002-b/1002-c。图10A/8B/8C还示出了表示通过照明装置SL5x300的这种实施方案的中心的堆栈检测器2的照度的垂直变化的z轴横截面图1004-a/1004-b/1004-c，以及表示半高度处的堆栈检测器2的照度的水平变化的x轴横截面图1006-a/1006-b/1006-c。这些实验结果指示依据其中光学耦合器320的每个通道具有一个LED 310的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344的漫射性质而定的由照明装置SL5x300的实施方案提供的照明的垂直均匀性。
图11A/11B/11C示出了当照明装置SL5x300的这种实施方案的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344分别为不漫射、基于漫射膜MPR05漫射及基于漫射膜MPR10漫射时由远场检测器接收的光的(y,z)强度轮廓1103-a/1103-b/1103-c。强度轮廓1103-a、1103-b、1103-c中的每一者对应于图1C中所示的光强度分布195的波瓣145'。本文中，由照明装置SL5x300的这种实施方案输出的光具有相对于z轴倾斜约10°的普遍传播方向以及约20°的散度。如上所述，主要由(i)光学提取器340的第一反射表面346、第二反射表面348和输出表面344的相应光功率与(ii)第一反射表面、第二反射表面和输出表面相对于彼此和相对于光导方向(这里是z轴)的布置的组合来确定由照明装置SL5x300的这种实施方案输出的光的普遍传播方向和散度。注意，当照明装置SL5x300的这种实施方案的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344是不漫射时(y,z)强度轮廓1103-a是最不平滑的，当照明装置SL5x300的这种实施方案的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344是基于漫射膜MPR05漫射时(y,z)强度轮廓1103-b具有中间平滑度，并且当照明装置SL5x300的这种实施方案的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344是基于漫射膜MPR10漫射时(y,z)强度轮廓1103-c是最平滑的。
图11A/11B/11C还示出了当照明装置SL5x300的这种实施方案的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344分别为不漫射、基于漫射膜MPR05漫射及基于漫射膜MPR10漫射时由远场检测器接收的光的(x,z)强度轮廓1105-a/1105-b/1105-c。注意，当照明装置SL5x300的这种实施方案的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344是不漫射时的(x,z)强度轮廓1105-a在平滑度上低于当照明装置SL5x300的这种实施方案的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344是基于漫射膜MPR05或MPR10漫射时的(y,z)强度轮廓1105-b或1105-c。
额外的实验结果
图12A示出了当照明装置SL300的光导灯具模块301的光学提取器340的输出表面344是不漫射时由堆栈检测器4测量(参见表6)的照度(x,z)-等值线图602-a'。本文中，叠加在照度(x,z)-等值线图602-a'上的虚线指示堆栈190的底部和顶部边缘。照度(x,z)-等值线图602-a'的亮部分的三角形是沿着光导灯具模块301的长度L(沿着x轴)的亮度分布的结果。图12A还示出了表示通过照明装置SL300的中心的堆栈检测器4的照度的垂直变化的z轴横截面图604-a'，以及表示半高度处的堆栈检测器4的照度的水平变化的x轴横截面图606-a'。再次，叠加在z轴横截面图604-a'上的虚线指示堆栈190的底部和顶部边缘。
图12B/12C示出了当照明装置SL5x300的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344分别为不漫射和基于漫射膜MPR10漫射时由堆栈检测器4测量(参见表6)的照度(x,z)-等值线图802-a'/802-c'。本文中，叠加在照度(x,z)-等值线图802-a'/802-c'上的虚线指示堆栈190的底部和顶部边缘。注意，相对于图12A中所示的照明装置SL300的对应照度(x,z)-等值线图602-a'，图12B/12C中所示的照度(x,z)-等值线图802-a'/802-c'的亮部分不太像三角形而更像梯形。图12B/12C还示出了表示通过照明装置SL5x300的中心的堆栈检测器4的照度的垂直变化的z轴横截面图804-a'/804-c'，以及表示半高度处的堆栈检测器4的照度的水平变化的x轴横截面图806-a'/806-c'。再次，叠加在z轴横截面图804-a'/804-c'上的虚线指示堆栈190的底部和顶部边缘。这些实验结果指示依据其中光学耦合器320的每个通道具有两个LED 310的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344的漫射性质而定的由照明装置SL5x300提供的照明的垂直均匀性。
图13A示出了当照明装置SL300的光导灯具模块301的光学提取器340的输出表面344是不漫射时由地面检测器测量(参见表6)的照度(x,y)-等值线图1312-a。图13B/13C示出了当照明装置SL5x300的五个光导灯具模块301中的每一者的光学提取器340的输出表面344分别为不漫射和基于漫射膜MPR10漫射时由地面检测器测量的照度(x,y)-等值线图1312-b/1312-c。注意，沿着x轴和y轴的标度在照度(x,y)-等值线图1312-a、1312-b、1312-c中的每一者中彼此不同。图13A/13B/13C还示出了表示通过照明装置SL300/SL3x500/SL3x500的中心且与堆栈190正交的堆栈检测器4的照度的垂直变化的y轴横截面图1314-a/1314-b/1314-c，以及表示在半高度处且平行于堆栈的堆栈检测器4的照度的水平变化的x轴横截面图1316-a/1316-b/1316-c。本文中，y＝0对应于与照明装置SL300的光导灯具模块301或照明装置SL5x300的五个光导灯具模块301中的每一者的光学耦合器340的输出表面344交叉的垂直平面。这样，在坐标系x-y中，堆栈位于照度(x,y)-等值线图1312-a/1312-b/1312-c中的y＝d＝-18"(或-457.2mm)处。
通过比较图12A和图13A中所示的结果，注意到，由地面检测器测量的照度(x,y)-等值线图1312-a中的峰值地面照度超过由堆栈检测器4测量的照度(x,y)-等值线图602-a'中的堆栈照度的值。这是由以下事实所致：由照明装置SL300输出的光的普遍传播方向相对于z轴具有约10°的很小倾斜(如在图7A中由轮廓703-a所示)，从而导致堆栈的基底处的高照度级。照明装置SL5x300也有同样情况：通过比较图12B/12C和图13B/13C中所示的结果，注意到，由地面检测器测量的照度(x,y)-等值线图1312-b/1312c中的峰值地面照度超过由堆栈检测器4测量的照度(x,y)-等值线图802-a'/802-c'中的堆栈照度的值。再次，这是由以下事实所致：由照明装置SL5x300输出的光的普遍传播方向相对于z轴具有约10°的很小倾斜(如在图9A/9C中由轮廓903-b/903-c所示)，从而导致堆栈的基底处的高照度级。
下面描述照明装置SL300、SL3x300和SL5x300中使用的光导灯具模块301的一些部件。
(vii)光导灯具模块的部件
再次参考图3A-3B，光导灯具模块301包括衬底305，所述衬底具有沿着衬底305的第一表面分布的多个LEE 310。具有LEE 310的衬底305安置在光导330的第一(例如，上)边缘处。平行于y-z平面的穿过光导灯具模块301的截面被称为光导灯具模块的“横截面”或“横截平面”。此外，光导灯具模块301沿着x方向延伸，因此此方向被称为光导灯具模块的“纵向”方向。光导灯具模块301的实施方案可具有平行于x-z平面的对称平面、可以是弯曲的或以其它方式成形。此称为灯具模块的“对称平面”。
多个LEE 310安置在衬底305的第一表面上。例如，多个LEE 310可以包括多个白色LED。在图3B中所示的示例中，LEE 310与一个或多个光学耦合器320光学地耦合。光学提取器340安置在光导330的第二(例如，下)边缘处。
衬底305、光导330和光学提取器340沿着x方向延伸长度L，使得光导灯具模块301是具有可大体上平行于房间的墙壁(例如，房间的天花板)的伸长L的细长灯具模块。通常，L可根据需要而变化。通常，L在从约1cm到约200cm的范围内(例如，20cm或更大、30cm或更大、40cm或更大、50cm或更大、60cm或更大、70cm或更大、80cm或更大、100cm或更大、125cm或更大或者150cm或更大)。
衬底305上的LEE 310的数目通常将尤其取决于长度为L，其中针对较长的灯具模块使用更多的LEE。在一些实施方案中，多个LEE 310可以包括10与1,000之间的数目个LEE(例如，约50个LEE、约100个LEE、约200个LEE、约500个LEE)。通常，LEE的密度(例如，每单位长度的LEE的数目)也将取决于LEE的标称功率和来自灯具模块所需的照度。例如，相对较高密度的LEE可用于其中需要高照度或其中使用低功率LEE的应用中。在一些实施方案中，光导灯具模块301具有沿着其长度为0.1LEE/cm或更大(例如，0.2/cm或更大、0.5/cm或更大、1/cm或更大、2/cm或更大)的LEE密度。LEE的密度也可以基于由多个LEE发射的光的所期望的混合量。在各实施方案中，LEE可以沿着光导灯具模块301的长度L均匀地间隔开。在一些实施方案中，可以将散热器附接到衬底305以提取由多个LEE 310发射的热量。散热器可以安置在衬底305的表面上，所述表面与衬底305的其上安置有LEE 310的一侧相对。光导灯具模块301可以包括一个或多个类型的LEE，例如一个或多个LEE子集，其中每一子集可以具有不同的色彩或色温。
光学耦合器320包括透明光学材料(例如，玻璃材料或透明塑料，例如聚碳酸酯或丙烯酸树脂)的一个或多个实心片体，其具有被定位成使来自LEE 310的光朝向光导330反射的侧表面。通常，侧表面被成形为收集并且至少部分地校准从LEE发射的光。在y-z横截平面中，侧表面可以是直的或弯曲的。弯曲表面的示例包括具有恒定曲率半径、抛物线或双曲线形状的表面。在一些实施方案中，侧表面涂布有高反射材料(例如，反射金属、例如铝或银)，以提供高反射光学界面。光学耦合器320的横截面轮廓可以沿着光导灯具模块301的长度L是均匀的。替代地，横截面轮廓可发生变化。例如，侧表面可以从y-z平面向外弯曲。根据照明应用，减轻x-z平面内的输出光的眩光可能很重要。这样，光学耦合器320可被配置为用x-z平面提供相应的光功率。
与光导的上边缘相邻的光学耦合器320的出射孔口光学地耦合到边缘以促进来自光学耦合器320的光有效耦合到光导330中。例如，实心耦合器和实心光导的表面可以使用实质上匹配形成光学耦合器320或光导330或此两者的材料的折射率的材料(例如，跨越界面的折射率相差2％或更少)来附接。光学耦合器320可以使用折射率匹配流体、油脂或粘合剂来附加到光导330。在一些实施方案中，光学耦合器320被熔合到光导330，或者它们由单片材料整体地形成(例如，耦合器和光导可以是单块式的并且可以由实心透明光学材料制成)。
光导330由可与形成光学耦合器320的材料相同或不同的透明材料(例如玻璃材料(例如BK7、熔融二氧化硅或石英玻璃)或透明塑料(例如聚碳酸酯或丙烯酸树脂))的片体形成。光导330沿x方向延伸长度L、沿y方向具有均匀的厚度T并且沿z方向具有均匀的深度D。尺寸D和T通常基于光导的所需光学性质(例如，支持哪些空间模式)和/或直接/间接强度分布来选择。在操作期间，从光学耦合器320耦合到导330中的光(具有角度范围125)通过TIR从光导的平面表面反射，并在光导内空间混合。混合可以有助于在光学提取器340处在光导的远端部分处沿着y轴实现照度和/或色彩均匀性。可以选择光导330的深度D以在光导的出射孔口处实现充分的均匀性。在一些实施方案中，D在从约1cm到约20cm的范围内(例如，2cm或更大、4cm或更大、6cm或更大、8cm或更大、10cm或更大、12cm或更大)。
通常，光学耦合器320被设计成限制进入光导330的光的角度范围(例如，在+/-40度内)，使得至少相当大量的光(例如，95％或更多的光)在平面表面处经历TIR的光导330中光学耦合成空间模式。光导330可以具有均匀的厚度T，其是分离光导的两个平面相对表面的距离。通常，T足够大，因此光导在第一(例如，上)表面处具有足够大以大致匹配(或超过)光学耦合器320的出射孔口的孔口。在一些实施方案中，T在从约0.05cm到约2cm的范围内(例如，约0.1cm或更大、约0.2cm或更大、约0.5cm或更大、约0.8cm或更大、约1cm或更大、约1.5cm或更大)。根据实施方案，光导越窄，其可将光空间地混合得越好。窄光导还提供窄出射孔口。这样，从光导发射的光可以被认为类似于从一维线性光源(也称为细长虚拟灯丝)发射的光。
虽然光学耦合器320和光导330由透明光学材料的实心片体形成，但中空结构也是可能的。例如，光学耦合器320或光导330或此两者可以是中空的具有反射内表面，而非实心的。这样，可以降低材料成本，并且可以减轻光导中的吸收。许多镜面反射材料可能适合于此目的，包括诸如来自Alanod公司的3M VikuitiTM或Miro IVTM薄片等材料，其中大于90％的入射光可以被有效地引导到光学提取器。
光导灯具模块301的光学提取器可以被实施为上面结合图1A-1B和图2A-2F所述的光成形光学物品。
前述附图和所附描述示出了用于照明的示例性方法、系统和装置。应理解，这些方法、系统和装置仅用于说明的目的，并且所描述的或类似的技术可以在任何适当的时间，包括同步地、个别地或组合地执行。此外，这些过程中的许多步骤可以同时、同步和/或以与所示不同的次序发生。此外，所描述的方法/装置可以使用额外的步骤/部分、更少的步骤/部分和/或不同的步骤/部分，只要所述方法/装置保持适当即可。
换句话说，虽然已经根据某些方面或实施方案以及通常相关联的方法描述了本公开，但是这些方面或实施方案的改变和排列对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，上面对示例性实施方案进行的描述并不限定或限制本公开。所附权利要求中描述了进一步的实施方案。

Claims (37)

1.一种灯具模块，其包括：
多个发光元件(LEE)，其被布置为沿正向方向发射光；
光导，其包括从所述光导的接收端延伸到所述光导的相对端的一对相对的侧表面，所述光导被配置为将来自所述LEE的在所述接收端处接收的光沿所述正向方向引导到所述相对端，其中所述光导沿着与所述正向方向正交的横向方向伸长；以及
光学提取器，其沿着所述横向方向伸长并且位于所述光导的所述相对端处以接收所述经引导光，所述光学提取器包括重定向表面和输出表面，其中所述所接收的光在通过所述输出表面在周围环境中输出作为反向角度范围内的输出光之前经历从所述重定向表面的两次反射。
2.根据权利要求1所述的灯具模块，其中
所述输出表面是凸面的，并且
所述光学提取器的所述重定向表面包括：第一反射表面，其中由所述光学提取器接收的所述光经历所述两次反射中的第一反射；以及第二反射表面，其中经历所述两次反射中的所述第一反射的所述光经历所述两次反射中的第二反射。
3.根据权利要求2所述的灯具模块，其中所述输出表面是漫射表面。
4.根据权利要求2所述的灯具模块，其中所述第一反射表面是凸面的。
5.根据权利要求2所述的灯具模块，其中所述第一反射表面是平坦的。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的灯具模块，其中所述第二反射表面是凸面的。
7.根据权利要求4或权利要求5所述的灯具模块，其中所述第二反射表面是平坦的。
8.根据权利要求4或权利要求5所述的灯具模块，其中所述第二反射表面是凹面的。
9.根据权利要求1所述的灯具模块，其中所述光学提取器由第一实心材料形成。
10.根据权利要求9所述的灯具模块，其中所述光导由第二实心材料形成。
11.根据权利要求10所述的灯具模块，其中
所述第一实心材料与所述第二实心材料相同，并且
所述光学提取器与所述光导整体地形成。
12.根据权利要求10所述的灯具模块，其中所述光学提取器与所述光导接合在一起。
13.根据权利要求1-5中任一项所述的灯具模块，其中
所述重定向表面和所述输出表面被成形和布置，使得所述灯具模块在与所述光学提取器横向间隔开并由所述反向角度范围囊括的目标表面上提供照明，并且
沿着所述目标表面的平行于所述正向方向的维度在超过1m的所述目标表面上的最大亮度与最小亮度的比率为至多4:1。
14.根据权利要求1-5中任一项所述的灯具模块，其中
所述重定向表面和所述输出表面被成形和布置，使得所述灯具模块在与所述光学提取器横向间隔开并由所述反向角度范围囊括的目标表面上提供照明，并且
沿着所述目标表面的平行于所述正向方向的维度在超过2m的所述目标表面上的最大亮度与最小亮度的比率为至多10:1。
15.根据权利要求1-5中任一项所述的灯具模块，其中所述重定向表面和所述输出表面被成形和布置，使得在所述反向角度范围内的光传播的普遍方向具有与所述正向方向反平行的分量和与所述正向方向正交的分量。
16.根据权利要求1所述的灯具模块，其进一步包括一个或多个光学耦合器，其中
由所述LEE提供的所述光处于第一角度范围内，
所述光学耦合器被布置为接收由所述LEE提供的所述光并在第二角度范围内将其重定向到所述光导的所述接收端，并且
所述光导的数值孔径使得在所述第二角度范围内从所述光学耦合器接收的所述光可以通过TIR由所述光导引导离开所述对相对的侧表面。
17.根据权利要求1所述的灯具模块，其中所述LEE是发射白光的LED。
18.根据权利要求1所述的灯具模块沿着与所述正向方向正交的方向伸长。
19.根据权利要求1所述的灯具模块围绕平行于所述正向方向的轴具有圆环形状。
20.一种照明装置，其包括根据权利要求1所述的一个或多个灯具模块，并且被配置来作为堆栈轻型灯具操作。
21.一种照明装置，其包括根据权利要求1所述的一个或多个灯具模块，并且被配置来作为整面式照明灯具操作。
22.根据权利要求20或权利要求21所述的照明装置，其包括被布置为围绕平行于所述正向方向的轴形成敞开或封闭圆环的多个所述灯具模块。
23.一种光成形光学物品，其包括：
实心光学器件，其具有横截面轮廓，包括：
输入表面；
输出表面，其与所述输入界面相对；
第一反射表面；以及
第二反射表面，其在所述第一反射表面与所述输出表面之间延伸，所述第一反射表面在所述第二反射表面与所述输入表面之间延伸，其中
所述第一反射表面、所述第二反射表面和所述输出表面被成形和布置，使得当所述实心光学器件在所述输入表面处接收具有在所述横截面轮廓的平面中的输入角范围的光时，所述所接收的光经历从所述第一反射表面的第一反射，从所述第一反射表面反射的所述光经历从所述第二反射表面的第二反射，并且从所述第二反射表面反射的所述光通过所述输出表面在所述平面中的输出角度范围内射出所述实心光学器件，其中在所述输出角范围内的输出光的普遍传播方向相对于在所述输入角度范围内的输入光的普遍传播方向沿反向方向倾斜，并且
所述实心光学器件具有从所述横截面轮廓的所述平面延伸的伸长延伸。
24.根据权利要求23所述的光成形光学物品，其中所述输出表面包括漫射图案。
25.根据权利要求23所述的光成形光学物品，其进一步包括附接到所述输出表面的漫射膜。
26.根据权利要求23所述的光成形光学物品，其中所述实心光学器件包括塑料材料。
27.根据权利要求23所述的光成形光学物品，其中所述实心光学器件的沿着所述输入角度范围中的所述光的所述普遍传播方向的尺寸小于25mm。
28.根据权利要求23所述的光成形光学物品，所述所述实心光学器件的在与所述输入角度范围内的所述光的所述普遍传播方向正交的所述横截面轮廓中的尺寸小于40mm。
29.根据权利要求23所述的光成形光学物品，其中所述第一反射表面是凸面的。
30.根据权利要求23所述的光成形光学物品，其中所述第一反射表面是平坦的。
31.根据权利要求29或权利要求30所述的光成形光学物品，其中所述第二反射表面是凸面的。
32.根据权利要求29或权利要求30所述的光成形光学物品，其中所述第二反射表面是平坦的。
33.根据权利要求29或权利要求30所述的光成形光学物品，其中所述第二反射表面是凹面的。
34.根据权利要求23所述的光成形光学物品，其中
所述第一反射表面、所述第二反射表面和所述输出表面被成形和布置，使得所述光成形光学物品在与所述实心光学器件横向间隔开并由所述输出角度范围囊括的目标表面上提供照明，并且
沿着所述目标表面的平行于所述正向方向的维度在超过1m的所述目标表面上的最大亮度与最小亮度的比率为至多4:1。
35.根据权利要求23所述的光成形光学物品，其中
所述第一反射表面、所述第二反射表面和所述输出表面被成形和布置，使得所述光成形光学物品在与所述实心光学器件横向间隔开并由所述输出角度范围囊括的目标表面上提供照明，并且
沿着所述目标表面的平行于所述输入角度范围内的所述普遍传播方向的维度在超过2m的所述目标表面上的最大亮度与最小亮度的比率为至多10:1。
36.根据权利要求23所述的光成形光学物品，其中所述第一反射表面、所述第二反射表面和所述输出表面被成形和布置，使得所述输出角度范围内的所述普遍传播方向具有与所述输入角度范围内的所述普遍传播方向反平行的分量和与所述输入角度范围内的所述普遍传播方向正交的分量。
37.根据权利要求23所述的光成形光学物品，其中所述第一反射表面、所述第二反射表面和所述输出表面被成形和布置，使得所述输入范围内的所述普遍传播方向与所述输出角度范围内的所述普遍方向之间的倾斜角大于5°且小于20°。
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