CN107533185A - 使用光导的照明系统 - Google Patents

Abstract

一种照明系统，包括：LED阵列、用于使来自LED的光输出准直的准直器以及安装在准直器的阵列上方的光导。光导包括细长结构，其具有长度方向，在该长度方向上一个光输入端安装在准直器上方，其中垂直于长度方向的横截面的一般形状包括非圆形弧。LED阵列被安装成遵循对应的非圆形弧。光提取特征被提供用于将光从光导的外弓形表面耦出。由光导的外表面形成的非圆形弧使得非均匀光输出分布能够形成。因此，表面的形状可以被用来控制定向光输出。

Description

使用光导的照明系统

技术领域

本发明涉及使用光导来限定光输出的照明系统。

背景技术

光导（也称为波导）通过利用该光导提供全内反射来捕捉光。这通过控制光进入光导的角度以及具有合适折射率的材料的选择来实现，该折射率必须高于典型地为空气的周围材料的折射率。

用于显示器的后照明和前照明的侧光式光导是众所周知的，并且它们是廉价的和鲁棒的。

已知的侧光式光导被设计成提供跨越光导整个表面的光输出的最大均匀性。

图1示出侧光式光导10的示意性图像。光导包括波导材料，例如具有顶面10a、底面10b和侧边缘10c的固体材料板。存在图1中无法看到的顶边缘和底边缘，因为图1的横截面是在横向侧到侧方向上取得的。光导在平面图中一般为矩形。

从图1的左侧，光从光源12被耦入，并且在光导的底部处放置若干光耦出（即，光提取）结构14。光在具有高度H的光导内部按照角 θ_in传播。在该示例中，耦出结构14被绘制为半棱镜，其具有半顶角α、高度h和宽度w。

光导形成为由例如玻璃或聚碳酸酯制成的电介质板。在该板中，边界处的全内反射在光传播的同时使光保持受限。板的边缘典型地用于耦入光并且小光耦出结构14局部地将光耦合出光导。光提取是在光撞击具有散射属性的表面时抑或在光撞击破坏允许光以大于临界角的角度反射的平行性的表面时实现的。

除LCD背光照明之外，现在光导也被用在办公室照明器以及室外照明中。这些新应用也意味着与在显示应用中使用的基于平板的光导的背离。

例如，在EP2161599中已经提出了一种圆柱形光导，其中光从圆柱的顶部环形表面发射。在US20130201717中已经提出了一种具有渐变式光导的灯罩，其中该灯罩具有大致圆柱形形状（其可以是椭圆形、抛物线形或双曲线形），其具有应用于内表面的光提取特征。

形成非对称光分布（例如根据北美照明工程学会（IESNA）的分类）的横向分布III型）是使用光导的一个挑战。使用圆柱形光导的架构在垂直于光导的平面上创建旋转对称图案。由于系统的对称性，子午面（包含光轴/对称轴的那些平面）中所包含的射线由该波导的二维形状轮廓控制。其他非子午射线也将有助于旋转对称图案，尽管它们不受设计的控制。

为了用圆柱形光导创建非对称光分布，可能的是改变LED布置，特别是在一些区块中集中LED和/或在其它区块中减弱LED的密度。可替换地，可以通过对一些LED进行调光来实现非对称性。这后一种方法显然限制了可以生成的光通量，因为一些LED被关断或调光。还存在下述缺点：这导致光导的非常不均匀的外观的缺点，这在许多应用中不是优选的。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据一个示例，提供了一种照明系统，包括：

LED阵列；

安装在LED阵列上方的准直器布置，其用于使来自LED的光输出准直；

安装在准直器布置上方的光导，该光导包括：

细长的结构，其具有长度方向，在该长度方向上一个光输入端安装在准直器布置上方，其中垂直于长度方向的横截面的一般形状包括非圆形弧，并且LED阵列遵循对应的非圆形弧；以及

光提取特征，其沿宽度方向平行于光输入端延伸以用于将光从光导的外弓形表面耦出，

其中角β是光提取特征的法线n与长度方向之间的角，其中所述角β至少一次在平行于光输入的方向上逐渐地或突然地改变。

由光导的外表面形成的非圆形弧使得非均匀的光输出分布能够形成。光输出可以以例如围绕垂直于表面的局部部分的方向为中心。因此，表面的形状可以用来控制定向光输出。倾斜角β可以在弓形表面的横截面上方突然地、逐渐地或根据任何规则改变，倾斜角β的所述改变允许进一步调整光输出分布和/或提高地面上照度的均匀性。

非圆形弧可以限定封闭形状，或者它可以限定开放形状，即诸如椭圆形之类的封闭的弯曲形状的一部分。

可以生成满足根据IESNA分类的II型、III型或IV型的非对称光分布，同时保持低水平的向上照明（如果光导竖直地安装，其中光输入端处在顶部）、例如小于4％向上照明，可接受的背光量（即，通过光导的内表面发射的光，例如小于25％）以及小几何结构内的足够的光。在100mm的直径内，光强度可以例如为10,000 lm量级。

通过定制光导的形状，光被朝向适当的方向重定向以便创建期望的测光图案。

LED可以被提供在诸如印刷电路板之类的载体上。

光提取特征优选地被提供在光导的内弓形表面处。它们改变光的方向，使得它然后可以从外表面逃逸。以这种方式，外表面可以具有期望的例如平滑的外部外观。

光提取特征可以例如包括弓形表面的横截面上方的一个连续的倾斜的小面（facet）或若干离散的倾斜的小面。这些被用来中断光导内的全内反射。内表面处的提取特征改变在它们上反射的光的方向，并使得当它们到达外表面时全内反射条件丧失，因此它们从光导中逃逸。然后，所述小面优选地在宽度方向上平行于光输入端的平面延伸。于是，每个小面与光输入端的距离为固定（最短）距离。

在系统的一个实施例中，光导在平行于光输入端的方向上包括侧到侧定位的多个分段，并且其中β在相应分段内是相同的，但对于至少两个分段，β是相互不同的。波导的每个部分之间的过渡可以是急剧的（例如通过将挤出分段接合在一起）或平滑的（例如通过成型组合设计）。该过渡在小角度或大角度（给出从一个横截面到下一个横截面的更逐渐的过渡的大角度）上延伸。这是设备的设计参数之一，并且可以用于进一步提高地面上照度的均匀性且进一步调整光分布的宽度。

光导可以在与长度方向平行并且与外表面的法线方向平行的平面中具有相同横截面形状。该平面通过光导的厚度方向。通过具有相同的横截面形状，光导具有均匀的外观。它还给出了光导可以形成为挤出组件的可能性。它可以被挤出为平坦片，该平坦片然后被弯曲成期望的弓形形状，例如这可以适用于硅树脂光导。对于PMMA光导，通过在材料是温暖的（接近玻璃化转变温度）的同时执行所述弯曲，这种方法也是可能的。与成型工艺相比，此方法可以降低投资/制造成本，但它是更加劳动密集的。

取代作为单个片的是，光导可以包括多个分段，其中每个分段覆盖全长度并且被侧到侧定位，并且其中每个分段在与长度方向平行且与外表面的法线方向平行的平面中具有相同横截面形状。

在系统的一个实施例中，所述多个分段包括外部分段和中心分段，其中离在其任一侧上的中心分段等距地布置外部分段被镜像（mirrorly）布置并且它们的相应光提取特征具有相同的角β。例如，这可以用于容易地设置和提高光分布的期望对称性。

这些分段可以被成型为在不同分段之间具有平滑过渡的单个组件，以保持期望的美学外观。

在一个示例中，准直器布置包括具有透镜部分和反射器部分的全内反射准直器。这些准直器可以是旋转对称的。

在另一示例中，光导可以包括通道，该通道限定处于通道基底的准直器布置的透镜表面。准直器布置可以进一步包括形成全内反射表面的反射器部分。

通过将准直器布置形成为细长的一维通道结构，LED可以定位在沿通道的任何期望位置处。这使得光导适合与不同的LED布置一起使用。

光导可以具有远离光输入端渐减的厚度，厚度的阶梯减小由光提取特征限定。然后，光提取特征包括从厚顶部到薄基底渐进地步进的小面。

排除光提取特征，光导可以作为替代具有恒定厚度，并且光提取特征包括上升的或下沉的突起。

LED可以沿它们的非圆形弧均匀布置，但它们也可以不均匀地布置以改变光输出特性。

整个系统优选地在垂直于长度方向的平面中具有非对称角光输出强度分布。

附图说明

现在将仅以示例的方式参考附图描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了使侧光式光导的已知背光设计；

图2示出了照明系统的第一发光部分；

图3示出了完整照明系统的第一示例；

图4示出了准直器设计的第一示例；

图5示出了准直器设计的第二示例；

图6示出了照明系统的弯曲形状和对应的光学输出的第一示例；

图7示出了照明系统的弯曲形状和对应的光学输出的第二示例；

图8更清楚地示出了使用图5的准直器设计的示例照明系统的光提取特征；

图9更清楚地示出了使用图4的准直器设计的示例照明系统的光提取特征；

图10示出了用于示出光路的单个光提取特征的第一示例；

图11示出了用于示出光路的单个光提取特征的第二示例；

图12示出了用于示出光路的单个光提取特征的第三示例；

图13示出了用于示出光路的单个光提取特征的第四示例；以及

图14示出了完整照明系统的第二示例。

具体实施方式

本发明提供了一种照明系统，包括：LED阵列、用于使来自LED的光输出准直的准直器以及安装在准直器的阵列上方的光导。光导包括细长结构，其具有长度方向，在该长度方向上一个输入端安装在准直器上方，其中垂直于长度方向的横截面中的一般形状包括非圆形弧，并且LED阵列遵循对应的非圆形弧。光提取特征被提供用于将光从光导的外弓形表面耦出。由光导的外表面形成的非圆形弧使得非均匀的光输出分布能够形成。因此，表面的形状可以被用来控制定向光输出。

图2所示的系统的第一部分包括诸如印刷电路板之类的载体20和安装在载体上的LED 22阵列。LED遵循非圆形弧。注意，LED可以作为替代是离散的LED组件。

如示出的那样，可以存在单独一行LED，但是在一般的非圆形弧形状周围也可以存在多行LED。

在系统的一个设想的应用中，载体包括用于水平安装的PCB，其中LED被面向下放置。这是针对安装在地面上方以用于将向下和横向地朝向地面投射光的照明器（例如路灯）的期望布置。

如图3所示，在照明系统1中，光导30安装在LED PCB 20上方，因此在一些示例中竖直向下投射。

光导包括具有长度方向32的细长结构，在该长度方向上一个光输入端安装在LEDPCB 20上方。垂直于长度方向（即平行于PCB平面）的横截面的一般形状包括非圆形弧。PCB上的LED的布置形状与光导的形状相匹配，并且来自LED的光在光输入端34处被耦合到光导中。LED的数量将取决于所需的光通量和使用的LED的类型。LED之间的间距可以是基本上均匀的，尽管它们之间的距离可以变化。

存在针对由LED发射的光在其进入光导之前的准直。为此目的，使用光耦入元件，例如基于收集来自LED的光（主要具有朗伯（Lambertian）分布）并将射束变换成与光导的光提取特征的接受角匹配的另一射束的准直器（下文讨论）。准直器例如是全内反射器（TIR）准直器，并且包括中心透镜和侧向TIR表面。

图4示出了其中准直器包括用于每个LED或用于相应LED集群的单独准直器的示例。准直器可以例如是旋转对称的、椭圆形的或方形的。

图4示出了在光导的顶面处的单行准直器40。顶部图像示出光导部分，并且底部图像示出安装在光导上方的LED PCB 20。每个准直器在顶部具有光进入开口42，对应的LED投射到其中。LED例如包括处于LED的表面上方的透镜44。该透镜投射到开口中。准直器在LED的光输出透镜的下游限定另外的透镜46，并且它还限定了在其处发生全内反射的渐变式侧壁48。两个折射透镜与全内反射表面结合执行准直功能。

图4示出了光导具有使得在PCB 20与光导30之间能够形成连接的连接腹板（web）49。

图4中所示的准直器可以作为一个组成部分与光导30一起成型。这可以例如由PMMA成型，尽管可以使用诸如聚碳酸酯之类的其它塑料。作为单独准直器的旋转设计的结果，图4的设计不能被挤出。

取决于LED的密度，准直器的射束输出成形部分（反射表面48）可以重叠。

图5示出了，作为挤出工艺的部分，准直器可以如何形成为在光导的顶端处形成的平移挤出结构。以这种方式，形成共享的细长准直器结构，其在所有LED之间被共享。

图5示出了在基底处具有细长透镜52的通道50。通道具有倾斜的侧壁，其起全内反射表面的作用。图5的设计中的特征与图4的设计中的特征以相同方式起作用，并且具有它们的输出透镜的LED​​与通道50对准并面向通道50中。该设计可以是挤出的，尽管它可以同样成型为单个组件。

使用如图5所示的平移准直器（无论是挤出的还是成型的）允许在LED的数量和它们沿弧形形状的布置方面的灵活性。使用如图4所示的单独准直器意味着LED阵列和光导必须制成对应的设计，但是它允许更准直的光并且因此允许对背光的强度分布和减少以及眩光的量的更多控制。

准直器的出射面（在两种情况下）是例如平坦的并且与光导的光输入端34共面。

光导30通过全内反射捕捉光，但它具有用于从光导的外弓形表面耦出光的光提取特征。在一个示例中，这些光提取特征包括与图1的已知光导相同地起作用的反射小面。

光提取特征被设计成使用来自后表面（即，弧的内部）中的小面的反射来提取最大可能量的光，而弧的外部具有平滑的外部外观。

在一些示例中，光导可以具有被平移挤出的挤出2D轮廓的形式。该2D轮廓是在与长度方向32平行并且与外表面的法线方向平行的平面中的横截面形状。换言之，它是光导壁厚度的形状。该形状在用于挤出版本的曲线周围将是恒定的。如从上方或下方观察的那样，光导壁形成曲线，对应于如图2所示的其上安装LED的曲线。

光导壁一般地可以遵循任何曲线（并非特别是平面曲线，它例如可以在垂直于平面的方向上调制）。在一个示例中，曲线是椭圆形的。

光导的形状允许光被朝向适当的方向重定向，以创建期望的测光图案。

图6和图7示出对于光提取特征和准直器的相同设计，当形状被修改时，强度图案改变。

图6（a）示出了第一弯曲设计，并且图6（b）示出了对应的角光输出强度分布。曲线60示出了其轴与光轴（即z轴）相同的锥体上的强度分布。曲线62示出了在包含光轴的平面中的强度分布，并因此示出了针对一个发射角的向外强度函数。这些在图6（c）中示意性地示出。

图7（a）示出了在弯曲处具有更紧凑的曲率半径的第二弯曲设计，并且图7（b）使用与图6相同的曲线70、72示出对应的角光输出强度分布。

图6和图7涉及具有相同横截面形状、相同提取特征轮廓和相同准直器的设计。这表明整体的弯曲形状可以用于限定光输出特性。

图8示出了遵循椭圆曲线形成的平移挤出光导。平移挤出准直器被使用。

光导片的厚度的横截面形状具有阶梯式轮廓80，具有远离光输入端34的渐减的厚度，厚度的阶梯减小由光提取特征限定。

图9示出了遵循椭圆曲线形成的平移挤出光导。旋转对称的准直器被使用，并且这些准直器形成在光导的顶部上方应用的盖90的部分。

如上所述，2D横截面轮廓被设计成提取最大量的光。

图10示出了小面105形式的光提取特征100，其限定横截面中光导的厚度的倾斜阶梯减小。光导具有一系列这些阶梯，每个阶梯处于不同的高度，即处于离顶部光输入端34不同的距离处。

这些阶梯可以相等地间隔，或者在沿着2D轮廓的阶梯之间的间隙中可以存在变化。图8和图9还示出了其中最上面的部分没有光提取特征或具有较少的光提取特征的设计。通过选择间隙尺寸，可以设计光导的总长度。

作为恒定横截面的结果，小面在它们相应高度处完全在弧形形状周围延伸（长度方向32是垂直高度方向）。图10示出了如上文限定的横截面，其中长度方向32和曲率的切线处于进出页面的垂直平面中。当长度方向32垂直时，这可被认为是垂直切平面。

阶梯式面限定了光导的后内表面（即在弧形曲线的内部），并且平滑面限定了充当光输出区域的外部可见面。通过前表面的光提取仅当撞击它的光被局限于相对于其法线±αC的情况下才是可能的，其中αC是材料内部的临界角。

图10示出了所涉及的各种角，其中光从顶部光输入端进入光导，其中准直给出了在向下方向（平行于长度方向32）的每一侧的α的横截面的平面中的最大角扩展。为了使用该角范围的最大值，边缘射线r1应该在点R处以临界角αC撞击前面。该射线在于点P处在小面100上反射之前，以与材料内部的垂直线成角α行进。

边缘射线r2也在P处反射之前与垂直线形成角α。α的最大值使得它以与n（小面100的法线）成临界角撞击点P。

因此，存在两个条件：

射线r1必须以临界角（通过前面的最大值提取）撞击点R。

射线r2必须以临界角（用于光导中的光的最大角孔径α）撞击点P。

作为设计过程的部分，存在要被确定的两个角：

法线n与反射小面100所成的角β。

材料内部辐射的角范围的角α。

整体设计的目的在于创建非对称的光输出图案（如图6（b）中所示）。

根据由图10中所示分析产生的设计规则设计2D轮廓。该2D轮廓沿非圆形路径平移挤出，并且那个非圆形路径的法向量指向形成典型非对称分布的期望方向。

光提取特征并不必须全部相同。主要设计特征是形成光提取特征法线的角β（在图10中）。不是所有的结构都必须以相同的角β倾斜。该角可以在弓形表面的横截面上突然地、逐渐地或根据任何规则改变，以便提高地面上照度的均匀性。

图10示出了远离光输入端的厚度减小的横截面。这具有下述优点：光导被安装在其更强、更厚的端处。然而，其他设计是可能的。

图11示出了其中存在光提取特征100的接受角的变化的设计，使得光提取特征收集具有角+α至-γ的射线。

具有从+α到0的角的射线撞击到表面105上。从0到-γ的射线是在垂直后表面上通过TIR反射并且在此之后撞击表面105的那些射线。如图11中所表示的，从0到–γ的射线具有来自光导外部的虚拟源。

在图11的设计中，光导再次具有从顶部渐减的厚度。反射小面呈现厚度的增加（斜坡110），其后是如图10中的示例那样向内逐渐缩减的反射面105。

图12示出了使用与图11所示的那些类似的双阶梯式光提取特征的光导远离顶部光输入端厚度增加的示例。

图13示出了再次使用与图11所示的那些类似的双阶梯式光提取特征的光导具有恒定厚度的示例。

因此该设计是多功能的。

光提取特征并不需要全部都是相同的尺寸。提取特征的尺寸可以根据离光输入端的距离而改变。间距可以可选地在光导的长度上变化。光提取特征可以例如利用维度的几何级数设计。

准直器设计也可以针对特定设计而定制，使得进入光导的射束可以被定制以满足光提取特征的期望光输入。

在一些设计中，存在允许使用挤出的制造的恒定横截面形状。

图14示出了其中存在三个分段140a、140b、140c的变型。每个分段覆盖全长度并且它们被侧到侧接合，其中每个分段具有其自身的横截面形状。在每个分段中，提取特征的角β可以是不同的，但至少β对于两个分段是不同的。波导的每个部分之间的过渡可以是急剧的（例如通过将挤出分段接合在一起）或平滑的（例如通过成型组合设计）。该过渡在小角度或大角度（给出从一个横截面到下一个横截面的更逐渐的过渡的大角度）上延伸。这是设备的设计参数之一。

由于许多期望的非对称分布具有从左到右的对称性的事实，光导的分段也可以根据该布置是对称的。例如，在图14中，分段140a和140c可以相同，并且处于中心的分段140b是不同的。这可以用来提高地面上照度的均匀性并且进一步调整光分布的宽度。

取代提供分段之间的过渡的是，光提取特征的变化可以包括全部沿弓形形状的平滑过渡，使得不可能区分光导的不同部段或部分。目的再次是提高地面上照度的均匀性并且进一步调整光分布的宽度。

LED可以均匀间隔，但相反在LED间距方面可以存在变化。这可以具有更多的LED可以位于需要最多光的部分中的优点，并且其可以具有在更关键的位置上耦入准直器的重叠较少的优点，这有助于减少向后定向的光的生成。

本发明例如对外观重要的应用中的室外照明器感兴趣。对于城市地区，照明器可以例如用于灯柱顶部，或者它们可以是吊灯。照明器可以相反地被用于系柱照明。

本发明也可以用于室内或室外区域，并且可以例如用于例如在走廊中给出功能照明的诸如壁灯之类的室内照明器。

根据对附图、本公开内容和所附权利要求的研究，本领域的技术人员在实施要求保护的发明时可以理解并实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种照明系统（1），包括：

LED阵列（22）；

准直器布置（40，50），其安装在LED阵列上方以用于使来自LED的光输出准直；

光导（30），其安装在准直器布置上方，该光导包括：

细长结构，其具有长度方向，在该长度方向上一个光输入端（34）安装在准直器布置上方，其中垂直于长度方向（32）的横截面的一般形状包括非圆形弧，并且LED阵列遵循对应的非圆形弧；以及

光提取特征（100），其沿宽度方向平行于光输入端延伸以用于将光从光导的外弓形表面耦出，

其中角β是光提取特征的法线n与长度方向之间的角，其中所述角β至少一次在平行于光输入的方向上逐渐地或突然地改变。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述光提取特征（100）被提供在所述光导（30）的内弓形表面处。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述光提取特征包括倾斜小面（105）。

4.如权利要求1、2或3所述的系统，其中在平行于光输入端（34）的方向上，光导包括侧到侧定位的多个分段（140a，140b，140c），并且其中β在分段部分内是相同的，但对于至少两个分段β是相互不同的。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述光导（30）的每个分段在与所述长度方向平行并且与外表面的法线方向平行的平面中具有相应的相同横截面形状。

6.如权利要求4或5所述的系统，其中所述多个分段（140a，140b，140c）包括外部分段（140a，140c）和中心分段（140b），其中离其任一侧上的中心分段等距地布置的外部分段被镜像布置并且它们的相应光提取特征具有相同的角β。

7.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述准直器布置包括具有透镜部分（46）和反射器部分（48）的全内反射准直器（40）。

8.如权利要求7所述的系统，其中所述准直器（40）是旋转对称的。

9.如权利要求1至6中任一项所述的系统，其中所述光导包括通道（50），该通道（50）限定在所述通道基底处的所述准直器布置的细长透镜表面。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述准直器布置进一步包括作为渐变式侧壁的反射器部分（54）。

11.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述光导具有远离所述光输入端（34）渐减的厚度，厚度阶梯减小（80）由所述光提取特征限定。

12.如权利要求1至10中任一项所述的系统，其中排除所述光提取特征，所述光导具有恒定厚度，并且所述光提取特征包括上升的或下沉的突起。

13.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述LED沿它们的非圆形弧均匀地布置。

14.如前述权利要求中任一项所述的系统，其在垂直于所述长度方向的平面中具有非对称的角光输出强度分布。

15.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述非圆形弧包括椭圆弧。