CN107548468A - 白光源 - Google Patents

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奥斯卡·菲尔南德斯
纪尧姆·巴塞
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Abstract

一种包括发光元件阵列的白光源，所述阵列被设置到至少包括第一表面和面向所述第一表面的第二表面的光导。发光元件被设置在至少包括一个与所述发光元件连接的电导线的衬底上；至少一个光输入耦合阵列被设置在所述第一表面上并且每个所述发光元件面向光输入耦合元件。光输入耦合元件被设置用于在所述光导中对部分发散光束进行输入耦合以及被设置成使得所述输入耦合光束的至少部分光线的输入耦合角大于45°；至少一个光均匀化元件阵列被设置在所述第二表面上并且每个所述光均匀化元件面向光输入耦合元件。光均匀化元件是不均匀结构，每个光均匀化元件包括至少一个光均匀化部分和至少一个光输出耦合部分。光均匀化元件被设置成使得入射到每个所述光均匀化元件上的输入耦合光束的入射部分的至少一小部分的偏转角大于45°。白光源至少提供均匀的输出耦合白光束，该输出耦合白光束发射到所述光导的与所述第一表面相对的一侧。

Description

白光源
产生本发明的工作收到了来自欧盟第七框架计划(FP7/2007-2013)的在拨款协议n°619556下的资金支持。
技术领域
本发明涉及光源和照明设备的领域。本发明尤其涉及具有均匀强度分布的白光源，该白光源包括用于室外和室内照明应用的导光膜。
背景技术
截至今天，室内和室外照明通常是基于荧光灯、白炽灯和汽灯的，然而普遍趋势是越来越多的使用诸如半导体光源之类的现代光源，特别是发光二极管(LED,LightEmitting Diode)。
为了使内部灯光设计师和建筑师能够提供美观的白光源，对白光源的需求日益增长，白光源的白光光谱和强度分布可以适于所需要的照明条件，并且白光源还提供所发射光的好的发光均匀度或这种光源的照明特性。此外，需要这些光源的白色的微妙色调。
传统光源有不同的缺点，诸如发热、需要高电压、高功率消耗以及约50mm的最小厚度之类。当被设置在阵列中时，这种阵列也可能重并且难以美观地集成在例如建筑物的内部。设计这种阵列的外罩的不同形状的可能性也非常受限并且普遍昂贵。
由于在过去十年中LED的技术发展呈指数式增长，因此普遍趋势是在照明方案中使用越来越多的LED。彩色LED(特别是蓝色和白色LED)现在通常是可以获得的并且在不断改进。现代LED的性能已经达到极高的标准，诸如非常高的效率和流明输出，并且各种各样的LED的设计和LED阵列是可获得的。
更特别地，例如，已经可以通过将蓝色LED与荧光材料结合或者通过红色、绿色和蓝色LED的结合来获得白色LED元件。
在包括光源阵列的白光照明系统领域中，主要的挑战是在整个发光表面上提供具有均匀强度分布的高强度和高效率的照明系统。虽然一些设计可以实现高发光强度，但这些设计具有低的遮盖系数，意思是独立发光源将不会完全地被遮盖并且将会被观测者察觉到，这会对设备美观性有不良影响。为了解决这个问题，在过去已经提出了各种各样的混光布置。然而这些方案是基于具有低发光效率的系统。这个在遮盖系数与光效率之间的一般关系如图1c中的曲线图所示：遮盖系数越高，发光效率越低。这个趋势可以应用于传统光源和基于LED的光源两者。
另一个重要需求是白光系统的厚度的可能的减少。由于包括塑料外罩的独立LED元件可以小至3mm，甚至更小，因此LED阵列是特别合适的。LED也特别适合于被设置在阵列中。
为了实现小的厚度以及提高的遮盖系数，在过去已经提出了基于LED和光导的结合的多种方案，以实现足够的光混合度并因此获得照明设备(也称为灯具)的改进的视觉特性。
WO 2006/034831公开了下述系统的示例，其中，光导包括棱锥形的输出-耦合面以提高发射光的分布。WO 2006/034831中所描述的光导的缺点是输入-耦合光束必须高度平行以便实现高发光强度。此外，由于发光强度的稳定性取决于输入-耦合系统，这就很难确保光源发光强度的长期稳定。
使用光波导的常用方法包括通过波导一个边缘对由光源提供的光束进行耦合。US2001/0053075公开了基于光源的边缘-耦合的一个光源示例。
这种方案的主要缺点是需要最小的波导厚度以便收集足够的光量，并因此，输入-耦合效率可接受。此外，发射区域(通常是矩形)随其长度按平方增加而边缘的可用表面仅线性增加。因此，对于给定要求的流明输出(即，LED的数量)，LED间距随发射面积的增加而减小，这导致了照明系统的复杂性以及散热的增加。此外，在边缘-耦合方法中，必须与均匀发光性相兼容的所需输出-耦合结构的设计在很大程度上取决于发射面积。
相反地，例如，如2013/0272024(图4的实施例)中所描述的那样，反馈-耦合方法具有发光阵列元件的面内周期性并且发光阵列的光输出的优化受限于发光晶胞的优化。
在大面积上使LED所发出的光均匀的另一个常用方案是，比如在背光配置中，使用嵌入了散射粒子的漫射板。然而，这种板的遮盖力随LED与漫射器之间的距离以及漫射板的厚度的增加而增加，但是对薄的照明模组来说，这两个效果不是期望的。
WO 2014/033576公开了边缘输入-耦合的结合以及具有嵌入式漫射粒子的光导。这个方法与上述提及的用于基于边缘输入-耦合的系统的方法和/或用于光散射粒子的系统的方法有相同的限制。
另一个方法是使用具有大的遮盖力的材料，但是这些方案与如图1所示的效率降低相关联。
最后，也可以增加LED密度，不过这会导致成本的增加和对更复杂的热管理解决方案的需求。
发明内容
本发明的目的是提出新的白光源来至少部分的克服现有技术中白光源的限制。本发明的白光源包括发光元件阵列并且具有与独立发光元件的高遮盖因子相结合的高光功率效率和高流明均匀性。这可以通过设置面向发光元件的光学波导来实现。光学波导包括第一表面和面向所述第一表面的第二表面。光输入耦合元件被设置在所述第一表面上并且光均匀化元件被设置在所述第二表面上。所述光均匀化元件包括光重定向和输出耦合元件，所述光均匀化元件使得由光输入耦合元件提供的输入耦合光能够沿着波导长度进行分布并且将光从波导输出耦合，使得至少在光学波导的与所述发光元件相对的一侧提供至少一个非常均匀的白光束。
本发明的目的更精确地是由至少包括发光阵列的白光源来实现，所述发光阵列包括发光元件，每个发光元件发射发散的基本单色的光束。单独的白色发光元件被排除在本发明之外。发光元件可以是不同的发光元件并且可以以不同的方式被设置在所述发光阵列中。所述发光元件被设置在衬底上，该衬底包括至少一个至少与所述发光元件连接的电导线。所述衬底可以是高度反射的衬底，漫反射的或镜面反射的，包括面向所述第一表面的至少一个高度反射的区域，或所述衬底可以是透明衬底。
至少一个光输入耦合元件的阵列被设置在光导的所述第一表面上，包括所述衬底一侧。每个所述光输入耦合元件面向发光元件之一。
所述衬底至少通过间隔层从所述输入耦合表面分离，所述间隔层可以是空气层，该间隔层的有效折射率比光导的折射率低至少0.2。
每个所述光输入耦合元件被设置成在所述光导中对一部分的所述发散光束进行耦合，所述一部分限定了输入耦合光束21。所述光输入耦合元件进一步地被设置成使得所述输入耦合光束的至少一部分光线的输入耦合角大于45°，优选大于60°，以便在所述第一表面上由所述一部分光线实现全内反射，所述输入耦合角是相对于所述第一表面的法线来限定的。所述第二表面面向所述第一表面并且包括被设置在所述第二表面上的至少一个光均匀化元件的阵列，每个所述光均匀化元件面向光输入耦合元件之一。光均匀化元件是非均匀结构，该非均匀结构被设置成使得入射到每个所述光均匀化元件上的所述输入耦合光束的入射部分的至少一小部分的偏转角大于45°，优选大于60°。每个所述光均匀化元件包括至少一个光均匀化部分以及至少一个输出耦合部分。
白光源被设置成提供至少一均匀的输出耦合白光束，该输出耦合白光束至少发射到所述光导的与所述第一表面相对的一侧。
所述衬底是高度反射的衬底，反射至少80％的可见光，并且至少包括面向所述第一表面的高度反射区域。
在一个实施例中，前层被设置到所述光导并且面向所述第二表面。所述前层可以包括波长上转换层。
在一个实施例中，所述波长上转换层被设置在所述光导内部并且接近所述第二表面。
在一个实施例中，所述衬底是透明衬底，并且前层可以被设置到所述衬底的与所述光导相对的一侧，并且所述前层可以包括波长上转换层。在其中衬底是透明衬底一个变形中，波长上转换层可以被设置在所述光导内部并且接近所述第二表面。
在一个实施例中，包括第三表面和面向所述第三表面的第四表面的第二光导被设置到所述衬底的与所述第一表面相对的一侧，所述第二光导包括第二输入耦合阵列和第二均匀化元件阵列，所述第二输入耦合阵列包括被设置在所述第三表面上的第二输入耦合元件，所述第二均匀化元件阵列包括被设置在第四表面上的第二均匀化元件，每个所述第二均匀化元件面向第二输入耦合元件；
在包括第二光导的实施例中，所述白光源被设置用于提供第二均匀的白光束，该第二均匀白光束发射在所述第二光导的与所述第二输入耦合阵列相对的一侧。
在包括第二光导的实施例中，前层被设置到所述第二波导的与所述衬底相对的一侧，并且所述前层可以包括波长上转换层。
在包括第二光导的实施例中，波长上转换层被设置在所述光导内部并且接近所述第四表面。
在一个实施例中，白光源至少包括发光元件阵列，该发光元件在介于200nm-500nm之间、优选介于200nm-480nm之间的至少一部分波长光谱中发射光，并且可以包括红色和绿光发光元件，在介于200nm-500nm之间的至少一部分波长光谱中发射光的发光元件所发射的总光功率可以比由所述发光元件阵列发出的总光功率多80％。
在一个实施例中，所述白光源可以包括调节所述白光束的光谱组成的装置。
在一个实施例中，白光源至少包括红色发光二极管的第一阵列、绿光发光二极管的第二阵列以及蓝光发光二极管的第三阵列，所述第一阵列、第二阵列以及第三阵列相互交织。
在一个实施例中，所述前层至少包括漫射层。
在一个实施例中，所述前层包括着色层。
在一个实施例中，所述前层是包括至少多个结构化图案的图案化层。
在一个实施例中，所述光输入耦合元件是衍射光栅输入耦合元件。
在一个实施例中，所述衍射光栅输入耦合元件至少包括两个不同的光栅元件，所述两个不同的光栅元件围绕每个所述发散光束的光轴基本上径向对称。
在一个实施例中，每个所述光栅输入耦合元件包括被设置在阵列中的均匀像素，所述均匀像素阵列具有小于1000nm的周期，更优选小于850nm以及更优选小于650nm。
在一个实施例中，至少一部分所述光栅输入耦合元件和/或至少一部分所述光均匀化元件涂覆有高折射率的薄层，所述薄层具有小于300nm的厚度，所述折射率大于1.65。
在一个实施例中，所述光输入耦合元件是微透镜或微棱镜输入-耦合元件。在一个实施例中，每个光输入耦合元件还包括光栅元件。在一个实施例中，另一光耦合元件被设置在所述光输入耦合元件之间。在一个实施例中，另一光耦合元件被设置在所述光输入耦合元件之间。
在一个实施例中，另一光耦合元件被设置在所述光输入耦合元件之间。在一个实施例中，所述光输入耦合元件可以覆盖小于所述第一表面的50％，优选小于25％，更优选小于10％。
在一个实施例中，所述光均匀化元件是微透镜或微棱镜输入耦合元件。
在一个实施例中，所述光均匀化元件是非均匀的并且围绕每个所述发散光束的光轴基本径向对称。在一个实施例中，每个光均匀化元件还包括光栅元件。
在一个实施例中，每个光均匀化元件是相邻的光均匀化元件，并且所述光均匀化元件的总面积可以大于所述第二表面的面积的60％，优选大于所述第二表面的面积的80％。在一个实施例中，所述光均匀化元件被分隔区域分隔开。
在一个实施例中，所述分隔区域包括衍射结构和/或可以包括微透镜结构。
在一个实施例中，每个所述发散光束的中心部分的光线在所述光输入耦合元件上的总输入耦合角大于发散光束的外围部分的光线在所述光输入耦合元件上的总输入耦合角。
在一个实施例中，所述中心部分小于所述发散光束总孔径角的50％，优选小于30％，更优选小于所述发散光束总孔径的15％。
在一个实施例中，每个所述光均匀化元件被设置成：相比于入射到所述光均匀化元件外围部分的入射光线，给入射到所述光均匀化元件中心部分的入射光线提供更大的偏转角(δ)，所述入射光线由所述输入耦合光束来提供。
在一个实施例中，所述中心部分小于所述光均匀化元件表面的50％，优选小于30％，更优选小于所述光均匀化元件的表面的15％。
在一个实施例中，所述光导具有介于0mm-5mm之间的厚度，优选介于0mm-2mm之间，更优选介于0mm-1mm之间，甚至更优选介于0mm-0.5mm之间。
在一个实施例中，所述间隔层具有介于0-2mm之间的厚度，优选介于0mm-1mm之间，更优选介于0mm-0.5mm之间，甚至更优选介于0mm-0.25mm之间，所述厚度可以是0mm。
在一个实施例中，所述间隔层是包括衬底与光导之间的诸如柱状物之类的结构接触体的空气层，所述结构接触体具有限定在所述第二表面的平面中的、优选小于所述第二表面面积5％的总横截面积。
在一个实施例中，所述间隔层是包括下述材料的层，所述材料具有介于1-1.7之间的有效折射率，优选介于1.2-1.6之间，更优选介于1.2-1.4之间。
在一个实施例中，所述间隔层包括被设置在所述发光元件与所述光输入耦合元件之间的光束成形元件。
在一个实施例中，光重定向元件被设置在相邻发散光束之间。在一个实施例中，所述光重定向元件包括散射元件。在一个实施例中，所述光重定向元件包括光反射元件。在一个实施例中，所述光重定向元件包括光衍射元件。
附图说明
本发明如上所述的目的和优势将在本领域技术人员查阅以下详细说明和附图以后而变得更加明显，在附图中：
-图1a示出了包括反射衬底和前层的白光源的横截面；
-图1b示出了包括反射衬底的白光源的横截面；图1b也示出了下述详细视图：由光输入耦合元件对光进行输入耦合，以及在包括中心部分和外围部分的第一光均匀化元件上一些示例性入射光线的偏转，以及由第二光均匀化元件的输出耦合部分对一部分导向光束进行输出耦合，所述第一光均匀化元件和第二光均匀化元件被分离，使得导向光线在第一光均匀化元件和第二光均匀化元件之间经历数个全反射；
-图1c是示出了光源的遮盖系数与光效率之间的一般关系的图表；
-图2示出了通过光输入耦合元件对光进行输入耦合；
-图3a示出了通过光均匀化元件的输入耦合光束的偏转；
-图3b示出了通过另一个光均匀化元件的输入耦合光束的偏转，其中多数输入耦合光由面向提供输入耦合光的发光元件的光均匀化元件来输出耦合；
-图4示出了包括反射衬底的白光源的3D视图；
-图5a示出了白光元件的俯视图；
-图5b示出了另一白光元件的俯视图；
-图5c示出了示例性光均匀化元件的俯视图；
-图5d示出了发光元件之间电连接的布局；
-图6示出了包括透明衬底的白光源的横截面；
-图7示出了包括两个光导的白光源；
-图8示出了所发射光束在光输入耦合元件上的部分反射以及在反射衬底上的反射；
-图9示出了CIE 1976色度图。
具体实施方式
现在将参照附图来在下文中更详细的描述本发明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而本发明可以以很多不同的形式来实施并且不应该理解为受限于本文所列举实施例；更确切地，作为示例来提供这些实施例，使得本公开可以向本领域技术人员传达本发明的范围。此外，相似的附图标记自始至终指的是相同或相似的元件或组件。
图1a示出了本发明的白光源1的优选实施例，包括：
-蓝色发光元件10的阵列11，当操作时，每个发光元件10发射发散光束12，所述阵列11被设置在反射衬底14上；
-至少两个导线18，其被设置在所述衬底14上；
-光导20，也被限定为光学波导，或波导，其至少包括被限定为输入-耦合表面的第一表面22和被限定为均匀化表面以及还被限定为输出-耦合表面的第二表面24，所述第一表面24面向所述第二表面22；光导20优选地是薄的柔性波导，至少包括两个边缘，这两个边缘也被限定为侧表面，波导20链接了所述第一表面22和所述第二表面24；
-设置在所述第一表面22上的输入-耦合元件30的阵列30a；
-设置在所述第二表面22上的光均匀化元件40的阵列；所述光均匀化元件至少包括光均匀化部分42以及至少包括输出耦合部分44；
-设置到所述第二表面24的前层60，所述前层60至少包括波长上-转换层。
图1b示出了不包括前层60的白光源100的两部分。图1b还示出了3个输出耦合光线27a、27b、27c。
为清楚起见，限定了如下术语：
-光束的中心部分(也被限定为中心部位)被限定为光束的包括该光束的主轴的对称部分，并且光束的外围部分12b被限定为所述光束的不包括所述光束主轴的剩余部分；例如，光源的半高宽(FWHM,Full-Width Half Maximum)发射角可以用作区分光束的中心部分与剩余部分的参照立体角。对于其他光束，可以使用相似的统计参照立体角来区分所述中心部分和剩余(即就是外围12b)部分；
-光束的中心轴被限定为在所述光束的传播方向上所述光束的光锥对称轴。中心光线被限定为所述中心部位的光线并且外围光线被限定为所述外围部位的光线；
-光束的偏向可以理解为光束在其传播方向上经历了改变并且相对于光线从其离开的表面的法线具有偏向角。偏向可以由反射效应、衍射效应或折射效应来产生；
-偏转被限定为偏转前后传播轴角度的绝对偏差。例如，具有+10°入射角并且具有-30°偏向角的光线具有+40°的偏转。有利地，通过选择偏转元件的参数，例如光均匀化元件的周期和光栅形状，可以针对复杂3D几何结构中的任何光线而获得相同的偏转。
-均匀化光束可以理解为基本上均匀化的光束，该光束优选地具有一发光强度，该发光强度在均匀化光束的横截面上变化不超过20％，优选不超过10％，所述横截面被限定为垂直于所述光束的光轴，所述光轴沿着所述光束传播方向的方向被限定。
本发明的所有实施例中，发光元件的阵列优选地是具有优选正方形、长方形或六边形(蜂巢状)布置的发光元件的二维阵列。为了实现适当的发光强度分布，优选地可以在其边缘附近的阵列中引入不规则性。阵列可以是发光元件的线性阵列。同样地，可以以非规则图案来添加发光元件，以允许适当的白色再现和校正，以传送目标空间的和角度的白光强度分布，和/或用于热管理目的。发光元件10的二维阵列11可以是发光元件10的规则分布阵列或可以是发光元件10的不规则分布阵列11。
两个相邻发光元件之间的距离优选介于5mm到100mm之间，更优选介于10mm到70mm之间，更优选介于20mm到50mm之间。
白光束100的优选发射率优选介于0.7lm/mm2到1.8lm/mm2(lumens per mm2流明每平方毫米)之间，更优选介于1.1lm/mm2到1.4lm/mm2之间。
所述优选实施例的白光源1被设置成提供发射到所述前层60的与所述光导20相对的一侧的均匀化输出耦合白光束100。图4示出了图1a所示的所述优选实施例的3D视图。为了实现这一点，每个所述光输入耦合元件30面向发光元件10，并且设置有所述发光元件10的衬底14至少通过间隔层50与所述第一表面22分离。这个间隔层50具有比光导20的折射率低至少0.2的有效折射率。间隔层50可以是空气层。所述间隔层50是包括下述材料的层，该材料具有介于1到1.7之间(包括1)、优选介于1.2到1.6之间、更优选介于1.2到1.4之间的折射率。在另一个实施例中，间隔层50基本上是空气层，该间隔层50将以接触线、点、矩阵或柱的阵列来提供有效光学包层和好的隔热，该接触线、点、矩阵或柱将在结构上支撑白光源堆叠但是不会覆盖超过10％的光照区域，优选少于灯区的5％，更优选少于灯区的3％。接触线、点、矩阵或柱可以由优选透明或高度反射材料、对光进行散射或不进行散射的任何材料制成。
在一个实施例中，所述波导20包括被设置来改变传播光束23的角度分布的光重定向元件25。所述光重定向元件25被限定为下述元件：该元件改变入射到所述光重定向元件25上的至少一部分导向光线的传播。优选地，光重定向元件25被设置在间隔层50中并且可能有助于提高白光束的均匀性。例如，所述光重定向元件25可以将所述发散光束12的部分反射光的至少一部分引导到所述第一表面22上，使得这部分光在高的输入耦合角下在所述波导20中进行输入耦合。在一个实施例中，所述光重定向元件包括光反射元件。在一个实施例中，所述光重定向元件包括光衍射元件。光重定向元件25还可以被设置在光导20中。例如微珠可以被设置在光导20中。所述光重定向元件25可以被设置在光均匀化元件40的至少一些光输出耦合部分的附近，和/或可以被设置在至少一些光输入耦合元件30的附近和/或至少一些分离区域41的附近和/或至少一些分离部分31的附近。光重定向元件可以是诸如微棱镜元件或局部反射率调制器之类的光栅重定向元件。
在一个实施例中，所述间隔层50包括被设置在所述发光元件10与所述光输入-耦合元件30之间的光束成形元件26。例如，所述光束成形元件26包括诸如毫米或子毫米透镜之类的小的折射元件，该光束成形元件26将对发光元件的光束进行成形。例如，可以证明，在发散光束12到达光输入耦合元件30之前使发散光束12基本上平行是有益的。
每个所述光输入耦合元件30被设置成在所述光导20中对一部分的所述发散光束12进行输入耦合，所述部分限定了输入耦合光束21。光输入耦合元件30被分离部分31分离并且被置于所述第一表面22的一定距离处，使得至少一部分的输入耦合光束21在所述第一表面22上可以经历至少1次但是优选至少5次的全反射。经历至少一次全反射的输入耦合光束部分限定了导向光束23。更优选地，至少一部分输入耦合光束的总反射次数大于10次，以便实现很好的光混合以及因此输出耦合白光束100的很好的均匀化。发散光束12的在波导20中输入耦合的部分21，即就是，能够在第一表面22和第二表面24的非结构区域上以全内反射(TIR,Total Internal Reflection)来传播的部分优选至少是发散光束12的40％，更优选至少是55％。
为了实现由所述白光源1发射出均匀化白光束100，输入耦合元件30和光均匀化元件40必须被合作性的设置以确保输入耦合光束21最大可能的混合到所述光导中。根据本发明，这可以通过下述方式来实现：在叶片形波导的情况下沿波导20的长度方向以及在所有其他情况下沿所述光导20的平面中的所有方向来尽可能地在波导20中引导和传播输入耦合光。这主要通过设置光输入耦合元件30来实现，使得输入耦合光束21在光导20中具有如图2所示的尽可能大的孔径θ。优选地孔径θ大于90°，更优选大于120°，更优选大于150°。
在图1的优选实施例中，所述光输入耦合元件30可以被设置成使得所述输入耦合光束21的至少一部分光线的输入耦合角15大于45°，所述输入耦合角15是相对于所述输入耦合表面22的法线N1来限定的。图2示出了至少一部分发散光束12的输入耦合。如进一步地解释的那样，所述输入耦合元件30可以被设置成使得入射到所述输入耦合元件30上的入射光束的中心部分12a的耦合效率高于所述入射光束12a的外围部分12b的耦合效率，如此使得入射到输入耦合元件30上的所有光线被输入耦合到所述波导20中。输入耦合效率被限定为输入耦合角β与入射到所述输入耦合元件30上的入射光束12的光线的非零入射角α之间的比例的绝对值，所述输入耦合角β和入射角α是相对于所述输入耦合元件30的法线N1而限定的。
通过优选地借助所述光输入耦合元件30、相对于所述外围部分12b的输入耦合光束的孔径来增强所述中心部分12a的输入耦合光束的孔径，在光导20的长度方向上的光导效率以及因此输出耦合光束的均匀性都被提高。
例如，每个发光元件10的发散光束可以具有40°的总孔径并且包括中心光轴的中心部分12a被限定为具有20°总孔径的光锥。例如，入射到光输入耦合元件30上的具有10°入射角的光线可以有30°的输入耦合角15，而入射到光输入耦合元件30上的具有20°入射角的光线可以有40°的输入耦合角。在这个示例中，光导中的入射光束的输入耦合中心部分的孔径比所述中心部分12a的孔径大3倍，而光导中入射光束的输入耦合外围部分的孔径只比所述外围部分12b的孔径大2倍。在另一个示例中，每个发光元件10的所发射光束12具有基本上朗伯角分布。在这种情况下，典型的半高宽角可以是120°左右，这个角限定了基本上是所述中心部分12a的光锥。每个所述输入耦合元件30提供了输入耦合光束21，该输入耦合光束21的至少光束部分21a在所述光导20中直接而没有任何反射地传送至面向所述输入耦合元件30的光均匀化元件40。所述光均匀化元件40优选地具有比所面向的光输入耦合元件30更大的面积。优选地，在所述光输入耦合元件30和所述光均匀化元件40的各自中心处的法线N1和法线N2是共线的。
在本发明所有实施例的变形中，每个所述光输入耦合元件30围绕基本上与每个发散光束12的中心轴线重合的轴线基本径向对称。在一个实施例中，在制造过程中进行充分的精密对准追踪，使得衬底和发光元件以及具有波导重定向元件的波导基本对准。径向对称是实质性的但是由于可以出现在白光源生产期间的校准精确度而可以被限制。通过围绕发散光束12的中心轴线形成正方形、六角形、矩形或其他多边形的光栅片段，输入耦合元件30的制造复杂性也可以来限制光输入耦合元件30的径向对称。
在一个实施例中，所述光输入耦合元件30是微透镜或微棱镜输入耦合元件。在一个变形中，每个光输入耦合元件30还包括衍射光栅元件。
在一个实施例中，所述光输入耦合元件30是光栅输入耦合元件。在一个变形中，所述光栅输入耦合元件至少包括两个不同的水平堆叠的光栅子像素(也限定为像素化光栅)。例如，可以如文件EP2447744中所描述的那样来实现这种水平堆叠的光栅子像素，但是本领域技术人员也可以使用诸如光刻胶中的多次曝光、电子束主写入或直接激光写入之类的其他主要技术来重组不同的光栅元件。光栅像素和每个像素元件的布局有许多的设计可能性并且这些像素及像素元件的优化可以通过诸如光线追踪之类的光学仿真技术来实现。水平堆叠的光栅设计和制造方法对本领域技术人员而言是公知的并且比如在文献EP2447744中被教导。该文献中的所有教导可以用来设计复杂的像素化衍射光栅而不是零阶光栅，以获得整体期望的耦合行为。与高生产量制造技术兼容的高效率衍射光栅的示例在文献WO2014016343以及PCT/EP2013/072659中被描述并且本领域技术人员可以将这些文献中的教导与文献EP2447744相结合来用于这种光学耦合器的复杂优化从而获得所要求的耦合行为。文献EP2447744、PCT/EP2013/072659以及WO2014016343通过引用整体合并到本文中。本领域技术人员还可以设计具有诸如倾斜光栅、微光学元件、体光栅的其他表面(有时也称为全息图)之类的其他高效光学耦合器的光输入耦合元件30，并且针对具体设计以最恰当的方式像素化这些元件。
基于分立白色发光元件来实现薄的、大面积的白光源增加了光管理的复杂性，因为每个白色发光元件在其使用期间其发射光谱将改变。此外，大光谱发散光源的阵列的管理更复杂并且常常比基本上具有单色发光元件的效率更低。特别是在衍射光学元件的情况下，本领域技术人员知道，如果目的是在薄波导中实现长距离的光传播，则由于所有波长不能在相当平的角度上同时折射而使大光谱光源的耦合效率受限。通过基本上单色的发光元件，每个发光元件10的光谱的半高宽(FWHM)小至120nm，优选小于100nm，更优选小于70nm。
此外，如进一步解释的那样，光均匀化元件40被设置来进一步提高输入耦合光束21从提供该输入耦合光束21的光输入耦合元件30的尽可能远的传输。通过所述光输入耦合元件30和所述光均匀化元件40的组合效果，输入耦合光束21的、可以从波导20输出耦合通过面向光输入耦合元件30的光均匀化元件40的部分会显著减少，该光输入耦合元件30提供所述输入耦合光束21。所述光输入耦合元件30和所述光均匀化元件40对输入耦合光束21的协作效果确保了至少一部分的输入耦合光束21沿所述光导20的长度方向被传送并且在撞击上另一个光均匀化元件之前经历了至少1次，优选大于5次，更优选大于10次的全反射，如图1a和图1b所示。这大大提高了输出耦合光束100的均匀化，使得独立发光元件10不会被位于所述发光元件10对侧的白光源一侧的观测者所感知。
每个光均匀化元件40包括至少一个光均匀化部分42以及至少一个光输出耦合部分44。所述至少一个光均匀化部分42对沿波导20长度的光进行重定向并且所述至少一个光输出耦合部分44对入射到所述至少一个光输出耦合部分44上的至少一部分光束进行输出耦合。光均匀化部分42避免了大部分光束被输入耦合到波导20中并且不经历至少一次全反射而被部分输出耦合。可以通过反射、漫射或以在反射中衍射的非平面元件的定向反射来实现通过均匀化部分42的光的重定向。
图3a示出了光均匀化元件40，包括其中心处的第一光均匀化部分40a以及第二光均匀化部分40b，每个所述部分具有不同的光偏向特性。在图3a的实施例中，光均匀化元件40包括外围光输出耦合部分44。所述外围光输出耦合部分44对波导22的已经经历了至少一次全反射的至少一部分导向光束23进行耦合输出。在图3a中，由远距发光元件10(图3a中未示出)提供的示例性光线44a通过输出耦合部分44来输出耦合。
在如图3b所示的实施例中，所述光均匀化元件40可以被设置成对所述入射部分21a在所述第一表面22上经历了至少一次全反射之后的一部分偏转部分21b进行输出耦合。图3b示出了一些具体光线。中心光线210在波导20中输入耦合并且通过所述第一光均匀化部分40a来偏向从而提供偏向光线210a。这个偏向光线210a可以被第一表面22或者被所述输入耦合元件30反射，图3b中示出了被所述输入耦合元件30反射。反射光线210b通过所述输出耦合部分44至少部分的被输出耦合，提供输出耦合光线210c。另一个示例性光线212被输入耦合以及输出耦合，提供输出耦合光线212c。
特别地，如将进一步详细描述的那样，可以如下实现均匀化效果：设置光输入耦合元件30以及光均匀化元件40，使得入射到所述光输入耦合元件30和所述光均匀化元件40中的每个上的光束的中心部分在波导20的长度方向上的偏转比这些入射光束的外围部分大。此外，光耦合元件30被设置成实现输入耦合光束21的最大可能的孔径。
根据本发明，所述光均匀化元件40被设置为不均匀结构，使得所述部分21a的至少偏转的部分21b的偏转角大于45°，所述偏转角被限定为所述偏转部分21b的光线的入射角与反射角的绝对和，该入射角和反射角是相对于所述输出耦合表面24的法线N2来限定的。这在图3中进行了示出。这些均匀化元件的目的是统计地去偏转光线以实现通过全反射在波导中的长距传播的高可能性。
有利地，所述光均匀化元件40被设置成：相比于入射到所述光均匀化元件的外围部分40b上的入射光线，给入射到所述光均匀化元件40的中心部分40a上的入射光线提供更大偏转，所述入射光线是由面向所述光均匀化元件40的光输入耦合元件30提供的所述光束21的光线。在示例中，所述部分21a的中心部位的光线以10°的入射角i入射到所述光均匀化元件40上并且可以具有50°的偏向角r。另一方面，所述部分21a的外围部位的光线以20°的入射角i入射到所述光均匀化元件40上并且可以具有60°的偏向角r。
所述中心部位40a可以具有小于所述光均匀化元件40的表面50％的面积，优选小于30％，更优选小于所述光均匀化元件40的表面的15％。
所述光均匀化元件40在其中心处具有对大部分阻止光进行偏转的光均匀化部分42，这避免了很大一部分的光束在没有至少一次全反射的情况下传送通过所述波导20。很大一部分被限定为小于应该由该中心部分进行输出耦合的阻止光的10％，优选小于5％，更优选小于3％。所述光均匀化部分42可以是均匀地反射部分。这个均匀地反射部分可以是金属或电介质反射器或可以是体光栅反射器或其组合的表面。所述光均匀化元件40包括多个输出耦合部分44以及多个光均匀化部分42，如图5c所示。
所述光均匀化元件40可以具有圆形截面、或长方形截面、六边形截面、八边形截面、圆形截面或多边形截面，所述截面被限定在所述波导的平面上。
所述输出耦合部分44和所述光均匀化部分42的截面形状可以是不同的。在图5c所示的示例中，光均匀化部分42包括圆形中心部分40a以及圆形外围部分40b并且这两部分被设置在长方形的输出耦合部分44中。
在一个实施例中，所述光均匀化元件40可以是相邻元件或可以是由包括衍射结构或其他类型的光偏转结构的分隔区域41所分隔的元件。分隔区域41可以是所述第二表面24的部分，该部分地反射导向光束并且可以输出耦合波导的一部分导向光输出。所述分隔区域41可以包括光漫射结构。
为了实现在光导20的长度方向上输入耦合光束21的优化传输和混合与所需输出耦合效率之间的良好平衡，在光导参数特别是光输入耦合元件30与光均匀化元件40的参数的优化期间进行统计分析。例如，这可以通过统计光学模拟来完成。特别是可以针对数百万条线的线群体来完成由一个发光元件(接近由相同单元的阵列)发射的线追踪光线或由发光元件的阵列发射的线追踪光线。在这种情况下，发光元件发射的角分布用于产生不同传播方向上的光线群体并且例如通过使用可以接近其光学行为的查阅表的转移矩阵系统来模拟不同的光重定向元件、输入耦合元件以及均匀化元件、下转换层。通过足够数量的光线，细白灯的输出可以被预测和被优化。
在一个实施例中，所述光均匀化元件40可以是多个同轴的、基本上环形的光栅元件。在一个变形中，所述中心部分40a是圆盘形衍射元件而所述外围部分40b可以是环形衍射元件，这两个元件包括不同的衍射结构。光均匀化元件40可以包括多个不同形状的衍射结构，例如，比如多个被设置在象棋形布置中的光栅结构。所述光均匀化元件40可以是折射微透镜阵列或可以是棱柱形结构。所述光均匀化元件40优选地在波导20的表面上实现并且例如在两侧注册辊到辊复制过程中与输入耦合元件同时被生产。比如，可以使用两侧热压印或纳米压印光刻或UV-铸造工艺来将主结构复制到波导箔。可以片对片地完成类似过程。每个通过所述光均匀化元件40返回波导中的偏向光线在第一表面22上经历了至少一次偏向。该偏向可以是第一表面22上的全反射，或可以被所述光输入耦合元件30衍射或可以是：一部分导向光在所述第一表面被折射并且被输出耦合至间隔层50从而被所述衬底反射，并且可能在间隔层50中传播的该折射光的一部分可以在波导10中再次输入耦合(后一种选择不是优选的)，然后可以传送至衬底。光导中导向光束的光线优选地经历了由所述均匀化元件40进行的至少5次偏转以及在所述第一表面22上的5次偏转。
所述光输入耦合元件30被分隔区域31所分隔。所述分隔部分31被限定为所述光输入耦合元件30之间的区域。在一个实施例中，所述分隔部分31可以进一步包括输出耦合元件32，该输出耦合元件32也限定为下述附加结构元件，该元件可以进一步提高波导20中导向光束的光混合效果。比如，所述附加结构元件可以是衍射元件或棱柱结构元件或包层元件或反射元件。进一步地所述元件可以是衍射透镜结构。
在图1a的优选实施例和图1b的实施例中，光均匀化元件40覆盖超过第二表面24面积的60％，优选超过80％，更优选超过90％。这些可能的覆盖范围也适用于本发明的所有实施例。
在本发明的所有实施例中，光均匀化元件40覆盖的表面比光输入耦合元件30覆盖的表面大3倍，优选大10倍，更优选大20倍。光均匀化元件40可以具有在第二表面24的平面上所限定的任何形状。比如，限定在所述第二表面的平面上的光均匀化元件40的横截面区域可以是长方形或正方形元件或者这些横截面区域可以是圆形元件。
在图1a的优选实施例中，光均匀化元件40是完全相同的光均匀化元件40。
根据所需几何形状和光的均匀性，可能感兴趣的是使用不同的光均匀化元件40和不同的光输入耦合元件30，比如其中白光源1的边界处的光均匀性必须得到改善的情况下，比如由于光导20的边缘所产生的不需要的反射。在一个变形中，光均匀化元件40的阵列可以包括至少两个不同的光均匀化元件40。在一个变形中，这还可以是光输入耦合元件的阵列30a的情况，所述阵列30a可以优选地包括相同的元件或不同的光输入耦合元件。在光输入耦合元件的阵列30a和光均匀化元件的阵列包括不相同元件的情况下，对面向光输入耦合元件30的光均匀化元件40的校准结合可能性的数量没有限制。如果基本上是各种颜色的单色光发光元件并且合并在阵列中，则可能特别需要各种均匀化元件和光输入耦合元件。
光均匀化元件40可以被设置成将光导中导向光束的输出耦合部分从该光导耦合输出。该输出耦合部分优选超过光导中总导向光的70％，更优选超过80％，更优选超过90％。
所述光导20优选地是薄的柔性片，优选地是长方形并且由基本上对可见光透明的材料制成，该材料例如为诸如PMMA、PC、PET、PS之类的塑料材料、光学硅胶、玻璃材料或光学透明复合材料之类。波导在波导20的平面上优选地是长方形并且具有被限定在波导20的平面上的面积，该面积优选大于10×10cm2，更优选大于60×40cm2，更优选大于100×100cm2。在光导20具有在波导平面上限定的任意形状(比如圆形、椭圆形、六边形)的情况下，该任意形状的面积优选大于100cm2，更优选大于400cm2，更优选大于2500cm2。
所述光输入耦合元件30和所述光均匀化元件40可以分别在所述光导20的第一表面和第二表面直接实现，比如，通过表面形貌复制方法和涂覆方法，诸如但是不局限于印刷、溅射和蒸发之类。可以例如通过给所述光导的每一侧增加结构薄膜来使所述光输入耦合元件30和所述光均匀化元件40适于所述光导20。
在图1a的优选实施例中，前层60被设置用于所述光导20。该前层60是将入射到所述层60上的紫外线、紫色光束或蓝色光束转换为白光束的层。前层60可以是波长上转换层61，该波长上转换层61比如通过沉积技术直接被设置在所述第二输出耦合的表面24上。在一个变形中，所述波长上转换层61可以被设置在所述光导20的内部。波长上转换层61是公知的因此这里将不再进一步地解释。
在所述包括紫外线、紫色或蓝色发光元件的优选实施例中，所述前层包括至少波长上转换层61；波长上转换被限定为通过所述波长上转换层波长从较短波长到较长波长的偏移。在包括紫外线、紫色或蓝色发光元件的实施例中，所述波长上转换层被嵌入所述波导中并接近所述第二表面。在另一个实施例中，所述前层至少包括磷光分子；所述前层可以包括荧光或磷光分子或诸如大分子、空间图案化半导体或量子点之类的分子的聚合物；在一个实施例中，所述前层60是结构化层，优选是包括多个结构化图案的图案层，该结构化图案可以向观测者提供白光源的发射区域的结构外观。
所述前层60的各种各样的变形是可能的。前层60基本上是平坦的层或薄片并且不得具有在其平面中限定的、与设置有该前层的表面的横截面形状相同的横截面形状。比如，前层60可以是设置在长方形第二表面24上的圆形前层，所述第二表面24具有小于所述前层的面积。前层可以与薄的白光灯非单片集成，并且例如可以集成到灯罩上。这允许在该前层上可交换热量或释放热量约束。
在本发明的所有实施例中，前层60可以被设置。前层60包括不同类型的层和结构，如进一步地描述一样，并且该前层适于所述光导20以获得对白光束100的多种效果。比如，前层60可以用于实现不同的白光源1，该不同的白光源1具有所提供白光束100的不同色调。前层60可以进一步提高所提供白光束100的均匀性。前层60还可以包括结构和/或元件，使得白光源1的纹理化外观被观测者所感知。可以实现所述前薄片60的结构，以便提供具有吊顶板结构的外观的白光源1。
在包括前薄片60的所有实施例中，所述前薄片60可以以不同方式适于输出耦合表面。比如，前薄片可以胶合到输出耦合表面或可以通过间隔物与输出耦合表面分离。
在图1a的优选实施例中，所述前薄片60可以被设置成通过间隔层64距离所述第二表面24一定距离并且可以通过多个结构接触件(也被限定为间隔物)从所述第二表面24分离，所述间隔物可以是柱形结构。介于所述第二表面24与所述前层60之间的间隔层64的厚度优选介于0mm到5mm之间，优选介于0mm到2mm之间并且可以是0mm。相同的厚度值范围可以用于本发明中包括被设置在白光源1的输出耦合表面上的前层60的所有实施例。
在图1a的优选实施例中，所述前层60由对蓝光透明的材料制成，波长上转换层61被设置在所述前薄片60的与入射蓝光相对的一侧上。如果波长上转换层被设置在所述前薄片的所述第二表面24一侧上，则所述前薄片60可以由对白光透明的任何材料制成。所述前层60还可以包括嵌入在所述前薄片中的波长上转换层或波长上转换元件。
所述前层60可以包括多个层并且可以包括能够吸收紫外线波长范围内对人眼视觉和眼睛有不良影响的波长的层或材料，所述有不良影响的波长比如小于380nm的波长或小于400nm的波长。这可能有助于减少可由观测者眼睛捕捉到的短波长光所产生的对眼睛的潜在损伤影响。
比如，所述前层60可以是塑料薄片，该薄片在其至少一个表面上包括波长上转换层61。
在图1a的优选实施例中，衬底层14是反射衬底并且可以包括高反射层16，比如反射涂覆层。该反射衬底14的效果是将入射到所述第一表面22上或波导的其他元件上或前层上的发射光束12的部分反射光重定向到光导20中，使得这些光线可以被送回至波导20并被输入耦合。如图1b和图5d所示。
衬底优选是高度反射或高度透明。在第一个实施例中，入射在衬底上的光可以通过散射或非散射的反射来循环，使得在统计上入射在衬底上的光可以到达光输入耦合元件30并且在波导中被输入耦合。尽管优化了输入耦合元件30和光均匀化元件40，可以预料到的是由光源10发射的一部分光将重定向至衬底。这种统计的光反射，或光子循环，旨在提高白灯1的效率和均匀性。可以预料到的是不能在波导20中对所有光线或光子进行输入耦合，因为发光元件10和导线18占据了一定面积，但是有利地是，至少在所述第一表面22上的部分反射光的循环是最大化的。相反地，如果平的白灯1应该在基本上垂直于所述第一表面21和所述第二表面24的两个方向上发射,则衬底是高度透明的。高度透明被限定为对可见光波长具有大于70％的传输，优选大于80％，更优选大于90％。
衬底14包括至少两个导线18以向所述发光元件10提供电流，并且衬底14和导线18被设置以减小由发光元件10所产生的热量。导线18的不同配置可以被设置在所述衬底14上。图5d示出了具有导线18的所述发光元件10的典型的互联布局。光源10可以跟随串联/并联电连接的组合来连接，并且在正方形图案的情况下，如图5d所示，同一行(列)的光源被串联电驱动，而不同行(列)的光源被并联电驱动。
在一个实施例中，所述发光阵列11包括红色、蓝色和绿色交织的发光元件10的阵列。优选地所有发光元件10是LED，但是可以是不同类型的发光元件，比如VCEL阵列。设置红色、蓝色和绿色发光元件10，使得每个红色发光元件至少有一相邻的绿色发光元件以及至少有一相邻的蓝色发光元件。在一个实施例中，图1b中示出了红色、绿色和蓝色发光元件的发光元件的所述阵列11的部分视图，并且优选地在白光源中没有设置波长上转换层61。实际上，设置基本上蓝色、绿色和红色发光元件10的组合足够产生和发射白光束。然而，波长上转换层61可能会有助于提高灯的光谱覆盖范围。面向发光元件10的光输入耦合元件30将由红色、绿色和蓝色发光元件提供的光束耦合到所述光导20中。该输入耦合的红色、绿色和蓝色光束以与包括蓝色发光元件的实施例的导向光束相似的方式被偏转、传输以及混合。导向的红色、绿色和蓝色光束的输出耦合部分提供均匀的输出耦合白光束100。如上所述，前薄片60可以被设置到第二输出耦合表面24。在包括红色、蓝色和绿色发光元件10的变形中，所述前薄片60可以是彩色的前薄片并且可以包括漫射层62。彩色的前薄片可以用于提供具有不同色调的白光束。在本发明的其中设置有前薄片的所有实施例中，所述前薄片不需要是均匀的前薄片，并且在该薄片的表面上可以具有不同的光学特征，比如，前薄片可以是基本上透明的层，该透明层包括比前薄片的外围部位吸收更多光的中心部位。
在图1b所示的包括红色、蓝色和绿色发光元件的白光源的实施例中，白光源1没有前薄片60。入射的红色、绿色和蓝色发散光束的输入耦合部分如图1b的实施例一样进行传播，并且导向的红色、绿色、蓝色输入耦合光束的一部分被所述光均匀化元件40偏转并且至少部分地被所述光均匀化元件40的光输出耦合部分44输出耦合。输入耦合结构和光均匀化元件被设置成使得提供白光束100，该白光束是多个输出耦合的红色、绿色和蓝色光束的相加。为了获得白色的特定色调，面向红色发光元件的输入耦合元件30和光均匀化元件40可以与那些面向绿色和/或蓝色发光元件的输入耦合元件30和光均匀化元件40不同。如进一步说明的那样，可以将光传感器设置到白光源，并且所述光传感器可以以不同方式驱动所述红色、绿色和蓝色的光发射器。比如，可以适配红光发射器的电流，使得增加红光强度以便白光光谱轻微地偏移至光谱的红色部分。
存在各种可能性来在所述衬底14上设置独立的红色、蓝色和绿色发光元件10。在一个变形中，根据六边形配置来设置独立的红色、蓝色和绿色发光元件10。在另一个变形中，发光阵列10a包括红色、蓝色和绿色的发光元件10的并联线路。在一个变形中，红色、蓝色和绿色的发光元件10可以被设置在同心圆中。
在本发明的实施例中，所述间隔层50包括被设置在所述发光元件10与所述光输入耦合元件30之间的光束成形元件26。
在一个实施例中，光重定向元件25被设置在相邻的发散光束之间。在一个实施例中，所述光重定向元件25包括散射元件。在一个实施例中，所述光重定向元件包括光反射元件。在一个实施例中，所述光重定向元件包括光衍射元件。在一个实施例中，所述光重定向元件包括光折射元件。
在本发明的所有实施例中，根据以开尔文所表示的所谓的相关色温(CCT,Correlated Color Temperature)来限定白光，并且白光对应于在特定温度下处于热平衡中的黑体所发出的光的颜色(普朗克轨迹)。图9示出了相应的CIE 1976的色度图。
在本发明的所有实施例中，白光具有介于(2500～10000)开尔文之间的CCT，更优选介于(2700～6500)开尔文之间。任何所给出的提及范围中的CCT可以由两个坐标(u'，v')来表示。如图9所示。在所有实施例中，普朗克轨迹与白光的坐标(u'，v')之间的距离(du'，dv')小于0.02，优选小于0.005，更优选小于0.0002。
所述白光源可以设置成向光导20的与发光元件阵列相对的一侧提供白光束100并且向光导20的与所述第二表面24相对的一侧提供所发出的额外白光束102。如图6所示。
在图6的实施例中，衬底14是透明层。在图6的实施例中，所述光输入耦合元件30与光均匀化元件40被设置成对部分通过所述第一表面22和部分通过所述第二表面24的导向光进行输出耦合。这可以通过至少设置所述光输入耦合元件30和所述光均匀化元件40来实现。在图6的实施例中，针对所提供的白光束100和所提供的额外白光束102的所期望的光强度和均匀性来进行所述光输入耦合元件30和所述光均匀化元件40的设计。
优选地，白光束100和额外白光束102具有基本上相同的平均强度和/或基本上相同的均匀性，但并非必须这样。为了提高额外白光束102的光强度，额外结构元件32可以被设置到分隔区域31以便增强光混合效果。如果需要，所述额外结构元件32还可以确保所述额外白光束102具有与白光束100基本相同的光学特性，以及相对于白光束100和102的强度的均匀性。在图6的实施例的变形中，与可以被设置到图1a的实施例的变形的所描述的前层60相似的前层60被设置到透明衬底14的一侧并且置于所述第一表面22的对面。图6示出了包括光漫射层62的前层。
在一个实施例中，前层60可以被设置到所述光导20的一侧并且第二前层60b可以被设置到光导的与所述前层60相对的一侧。所述前层60和所述第二前层60b可以是相似前层或可以是不同前层。比如，所述前层60可以包括漫射层而所述第二前层60b可以包括结构层。在这个示例中，白光源从一侧看具有均匀白色外观并且另一侧具有结构化白色外观。
当图6的实施例的发光元件10是蓝色发光元件时，类似于图1a的实施例中所描述的那样，波长上转换层61需要被设置在所述白光源中，并且该波长上转换层可以被设置在所述光导内部或被设置到适于所述衬底14的前层，如图6所示。在图6的基于蓝色发光元件的变形中，所述波长上转换层61被设置在所述透明衬底14的至少一侧。在一个变形中，所述波长上转换层61是不连续层，其中部分被设置在所述分隔部分31上。
在白光源的实施例中，为进一步提高向所述光导20的每一侧提供白光束100和102的白光源1的流明均匀性，可以将第二光导200设置到所述透明衬底14，如图7所示。所述第二光导200包括第二光输入耦合元件300的第二阵列300a和第二光均匀化元件400的第二阵列400a。导向光束21的一部分通过所述第一表面22来输出耦合并向所述第二光输入耦合元件300提供多个输出耦合的光束29。图7示出了典型的光线27，该光线在所述第二光导200中输入耦合并通过所述第二光均匀化元件400来输出耦合。与图1a和图1b的实施例相似，所述第二光均匀化元件400包括至少光均匀化部分以及至少输出耦合部分。由于所述多个输出耦合的光束29与所发射的光束12有不同的光束特性，因此，所述第二光输入耦合元件200和第二光均匀化元件400与所述光输入耦合元件30和光均匀化元件40优选地是不同类型或不同结构的元件。比如，所述光输入耦合元件30可以是衍射光栅，而所述第二光输入耦合元件300可以是微棱镜阵列。在另一个示例中，所述光均匀化元件40可以是衍射光栅，而所述第二光均匀化元件300可以是与组成所述光均匀化元件40的光栅不同的光栅。
在图7的白光源的实施例中，类似于图6的实施例的变形，至少一个前薄片可以被设置在所述白光源的至少一侧。在蓝色发光元件用于白光源的情况下，至少一个波长上转换层61被设置在所述白光源中。
在图7的包括蓝色发光元件的白光源的实施例中，第一波长上转换层被设置在所述第二表面24并且第二波长上转换层被设置在所述第四表面204。
在图7的包括蓝色发光元件的白光源的实施例中，包括波长上转换层61的第一前层60可以被设置到所述第二表面24并且包括波长上转换层的第二前层可以被设置到所述第四表面。
在图7白光源的又一实施例中，包括波长上转换层的第二前层可以被设置到所述第四表面204的远离所述衬底14的一侧。在一个变形中，第二波长上转换层可以嵌入到接近所述第四表面204的所述第二光导200中。
通常应当理解的是，本发明的波长上转换层可以包括荧光分子和/或磷光分子。还理解的是，波长上转换层可以通过掺杂技术嵌入到所述光导20中或通过对包括荧光分子和/或磷光分子的层进行层积来添加到所述光导之中或之上。
在本发明的所有实施例中，光传感器110可以被设置在所述白光源1中。
光传感器110探测输出耦合光的光强度和光谱分布并且提供可以用于适配至少一部分所述发光元件10的强度水平的电信号。光传感器可以是包括置于所述白光源1中不同位置的光传感器元件的光传感器110阵列。优选地，所述光传感器110被设置在光导20内部、或所述间隔层50中、或接近输出耦合表面、或在输出耦合表面上、或接近前薄片、或在前薄片上。在使用红色、绿色和蓝色发光元件10的实施例的情况下，光传感器110或光传感器元件可以适于通过红色、绿色和蓝色发光元件10来控制光发射以便提供不同的白光色调。
还应当理解的是，白光源包括调谐所述白光束100的光谱组成的装置。所述装置可以，但不限于：
-在发光元件10的阵列11中使用不同类型的红色和/或绿色和/或蓝色发光元件；
-使用多个光传感器，每个所述光传感器电连接至一种类型的发光元件并且被设置成适于发光元件10的至少一个阵列11类型的光强度输出；
-电路，该电路可以以频率和/或幅度来调制至少一个类型的发光元件10的至少一部分。
还应当理解的是，用于调谐所述白光束100光谱组成的所述手段的结合是可能的。
此外，应当理解的是，本发明的所有实施例中至少一个光漫射层可以适于白光源的至少一个表面。比如，光漫射层可以被设置在前薄片60的一侧并且波长上转换层61可以被设置在所述前薄片的另一侧。所述光漫射层可以是不连续层，该不连续层被设置在所述白光源的部分所述前薄片上或任何其他表面上，比如所述第二表面24和/或所述第四表面204。
应当理解的是，白光源1可以适于诸如提供其特性随不同参数功能而变化的白光束100之类。这些参数的非穷举性示例是时间、光源的环境(诸如在光源附近或光源的周围照明条件中的人之类)、光源所固定的位置、电力或能量电网需求(动态能量需要)或白光源1的老化。

Claims (50)

1.一种包括非白色发光元件(10)的阵列(11)的白光源(1)，每个所述发光元件(10)被设置成在运行时提供发散光束(12)，所述发光元件的阵列(11)被设置到光导(20)，所述光导至少包括第一表面(22)和面向所述第一表面(22)的第二表面(24)，
其特征在于：
-所述发光元件(10)被设置在衬底(14)上，该衬底至少包括一个与所述发光元件(10)连接的电导线(18)；
-至少一个光输入耦合阵列(30a)包括被设置在所述第一表面(22)上的光输入耦合元件(30)，每个所述发光元件(10)面向所述光输入耦合元件(30)；
-所述衬底(14)通过至少一个间隔层(50)与所述第一表面(22)分离；
-所述间隔层(50)具有比所述光导(20)的折射率低至少0.2的有效折射率；
-每个所述光输入耦合元件(30)被设置成在所述光导(20)中对一部分所述发散光束(12)进行输入耦合，所述一部分限定为输入耦合光束(21)，所述输入耦合元件(30)进一步地被设置成使得所述输入耦合光束(21)的至少一部分光线的输入耦合角(15)大于45°，所述输入耦合角(15)是相对于所述第一表面(22)的法线(N1)被限定的；
-至少一个光均匀化元件(40)的阵列被设置在所述第二表面(24)上的所述第二表面(42)上，每个所述光均匀化元件(40)面向所述光输入耦合元件(30)，所述光均匀化元件(40)被设置为非均匀结构，使得入射到每个所述光均匀化元件(40)上的所述输入耦合光束(21)的入射部分(21a)的至少一小部分(21b)的偏转角大于45°，所述偏转角(δ)被限定为所述入射部分(21a)的光线的入射角和反射角的绝对总和，入射角和反射角是相对于所述第二表面(24)的法线(N2)来限定的；
-所述白光源(1)被设置成提供至少均匀的输出耦合白光束(100)，所述输出耦合白光束被发射到所述光导(20)的与所述第一表面(22)相对的至少一侧。
2.根据权利要求1所述的白光源(1)，其特征在于，所述衬底(14)是反射至少80％的可见光的高度反射衬底，并且所述衬底包括面向所述第一表面(22)的至少一个高度反射区域(16)。
3.根据权利要求2所述的白光源(1)，其特征在于，前层(60)被设置到所述光导(20)并且面向所述第二表面(24)。
4.根据权利要求3所述的白光源(1)，其特征在于，所述前层(60)包括波长上转换层(61)。
5.根据权利要求2或3所述的白光源(1)，其特征在于，波长上转换层(61)被设置在所述光导(20)的内部并且接近所述第二表面(24)。
6.根据权利要求1所述的白光源(1)，其特征在于，所述衬底(14)是透明衬底。
7.根据权利要求6所述的白光源(1)，其特征在于，前层(60)被设置到所述衬底(14)的与所述光导(20)相对的一侧。
8.根据权利要求7所述的白光源(1)，其特征在于，所述前层(60)包括波长上转换层(61)。
9.根据权利要求2或7所述的白光源(1)，其特征在于，波长上转换层(61)被设置在所述光导(20)的内部并且接近所述第二表面(24)。
10.根据权利要求6所述的白光源(1)，其特征在于，第二光导(200)被设置到所述衬底(14)的与所述第一表面(22)相对的一侧，所述第二光导包括第三表面(202)和面向所述第三表面(202)的第四表面(204)，所述第二光导(200)包括第二输入耦合阵列(300a)以及第二均匀化元件阵列(400a)，所述第二输入耦合阵列包括被设置在所述第三表面(202)上的第二输入耦合元件(300)，所述第二均匀化元件阵列包括被设置在所述第四表面(204)上的第二均匀化元件(400)，每个所述第二均匀化元件(400)面向所述第二输入耦合元件(300)；所述白光源(1)被设置成提供第二白光束(102)，所述第二白光束发射到所述第二光导(200)的与所述第二输入耦合阵列(300a)相对的一侧。
11.根据权利要求10所述的白光源(1)，其特征在于，前层(60)被设置到第二波导(20)的与所述衬底(14)相对的一侧。
12.根据权利要求11所述的白光源(1)，其特征在于，所述前层(60)包括波长上转换层(61)。
13.根据权利要求11所述的白光源(1)，其特征在于，波长上转换层(61)被设置在所述光导(20)的内部并且接近所述第二表面(24)。
14.根据权利要求4、5、8、9、12、13中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，所述发光元件(10)的阵列(11)包括至少一个发光元件阵列，该发光元件阵列在介于380nm-480nm之间的至少一部分波长光谱中发射光。
15.根据权利要求14所述的白光源(1)，其特征在于，所述发光元件(10)的阵列(11)包括红色发光元件和绿光发光元件，并且其特征在于，在介于380nm-480nm之间的至少一部分波长光谱中发射光的所述发光元件所发射的光功率比由所述发光元件(10)的所述阵列(11)发射的光功率多80％，所述白光源(1)包括调整所述白光束(100)的光谱成分的装置。
16.根据权利要求1至13中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，所述发光元件的所述阵列(11)至少包括红色发光二极管的第一阵列、绿光发光二极管的第二阵列以及蓝光发光二极管的第三阵列，所述第一阵列、第二阵列以及第三阵列相互交织。
17.根据权利要求14至16中任一项以及权利要求3、4、7、8、11、12中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，所述前层(60)至少包括漫射层(62)。
18.根据权利要求14至16中任一项以及权利要求3、4、7、8、11、12、17中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，所述前层(60)包括彩色层。
19.根据权利要求14至16中任一项以及权利要求3、4、7、8、11、12、17、18中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，所述前层(60)是至少包括多个结构化图案的图案化层。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，所述光输入耦合元件(30)是衍射光栅输入耦合元件。
21.根据权利要求20所述的白光源(1)，其特征在于，所述光栅输入耦合元件包括围绕每个所述发光元件(10)的光轴基本上径向对称的至少两个不同的光栅元件。
22.根据权利要求20或21所述的白光源(1)，其特征在于，每个所述光栅输入耦合元件被设置在均匀像素阵列中，所述均匀像素阵列具有小于1000nm、更优选小于850nm以及甚至更优选小于650nm的空间周期。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，每个所述光栅输入耦合元件涂覆有高折射率的薄层，所述薄层厚度小于300nm，所述折射率大于1.65。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，所述光输入耦合元件(30)是微透镜输入耦合元件或微棱镜输入耦合元件。
25.根据权利要求24所述的白光源，其特征在于，每个所述光输入耦合元件(30)还包括光栅元件。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，另一光耦合元件(32)被设置在所述光输入耦合元件(30)之间。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，所述光输入耦合元件(30)覆盖小于所述第一表面(22)的50％，优选小于25％，更优选10％以上。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，所述光均匀化元件(40)是微透镜输入耦合元件或微棱镜输入耦合元件。
29.根据权利要求1至27中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，所述光均匀化元件(40)是非均匀的并且围绕与每个所述发散光束(12)的光轴共线的轴线基本径向对称。
30.根据权利要求28或29所述的白光源，其特征在于，每个所述光均匀化元件(40)还包括光栅元件。
31.根据权利要求1至30中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，每个所述光均匀化元件(40)是相邻的光均匀化元件(40)，并且其特征在于，所述光均匀化元件(40)的总面积比所述第二表面(24)的面积大60％，优选比所述第二表面(24)的面积大80％。
32.根据权利要求1至30中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，所述光均匀化元件(40)被分隔区域(41)分隔开。
33.根据权利要求32所述的白光源(1)，其特征在于，所述光均匀化元件(40)覆盖超过所述第二表面(24)的50％，优选超过70％，更优选超过80％。
34.根据权利要求32或33所述的白光源(1)，其特征在于，所述分隔区域(41)包括衍射结构。
35.根据权利要求32至34中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，所述分隔区域(41)包括微透镜结构。
36.根据权利要求1至35中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，每个所述光输入耦合元件(30)被设置成使得所述光输入耦合元件(30)上每个所述发散光束(12)的中心部分(12a)的光线的总输入耦合角(15)大于所述光输入耦合元件(30)上所述发散光束(12)的外围部分(12b)的光线的总输入耦合角。
37.根据权利要求36所述的白光源(1)，其特征在于，所述中心部分(12a)小于所述发散光束(12)孔径的50％，优选小于30％，更优选小于所述发散光束(12)的总孔径的15％。
38.根据权利要求1至37中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，每个所述光均匀化元件(40)被设置成：相比于入射到所述光均匀化元件(40)的外围部分(40b)上的入射光线，给入射到所述光均匀化元件(40)的中心部分(40a)上的入射光线提供更大的偏转角(δ)，所述入射光线是由所述输入耦合光束(21)提供的。
39.根据权利要求38所述的白光源(1)，其特征在于，所述中心部分(40a)小于所述光均匀化元件(40)的表面的50％，优选小于30％，更优选小于所述光均匀化元件(40)的表面的15％。
40.根据权利要求1至39中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，所述光导(20)的厚度介于0mm-5mm之间，优选介于0mm-2mm之间，更优选介于0mm-1mm之间，甚至更优选介于0mm-0.5mm之间。
41.根据权利要求1至40中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，所述间隔层(50)的厚度介于0mm-2mm之间，优选介于0mm-1mm之间，更优选介于0mm-0.5mm之间，甚至更优选介于0mm-0.25mm之间，所述厚度能够是0mm。
42.根据权利要求41所述的白光源，其特征在于，所述间隔层(50)是包括所述衬底14与所述光导20之间的结构性接触体的空气层，所述结构性接触体在所述第二表面的平面中限定的总横截面积小于所述第二表面的面积5％。
43.根据权利要求42所述的白光源(1)，其特征在于，所述间隔层(50)是包括下述材料的层，所述材料的有效折射率介于1-1.7之间，优选介于1.2-1.6之间，更优选介于1.2-1.4之间。
44.根据权利要求1至43中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，所述间隔层(50)包括设置在所述发光元件(10)与所述光输入耦合元件(30)之间的光束成形元件(26)。
45.根据权利要求1至44中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，光重定向元件(25)被设置在相邻的发散光束(12)之间。
46.根据权利要求45所述的白光源(1)，其特征在于，所述重定向元件(27)包括散射元件。
47.根据权利要求45或46所述的白光源(1)，其特征在于，所述重定向元件(27)包括光反射元件。
48.根据权利要求45至47中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，所述重定向元件(27)包括光衍射元件。
49.根据权利要求1至48中任一项所述的白光源(1)，包括适于分析白灯的所发射光谱以便较正或适配白光光谱分布的光谱传感器元件(114)。
50.根据权利要求1至49中任一项所述的白光源(1)，其特征在于，至少一部分所述光栅输入耦合元件(30)和/或至少一部分所述光均匀化元件(40)涂覆有高折射率的薄层，所述薄层具有小于300nm的厚度，所述折射率大于1.65。
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