CN108027130B - 大面积光源和大面积照明器 - Google Patents

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Abstract

特别是用于大面积照明器（21）的用于发射准直光（29）的光源（25）包括可选地包括多个导光条（91）的导光单元（43），导光条被配置为用于例如通过全内反射引导在至少一个侧向耦合面（47）接收到的光。导光条包括在主正面（55A）处的用于使光通过的多个局部光源区域（57），其中光源区域（57）沿导光条（91）设置在非光源区域（59）内。光源（25）还包括通过至少一个耦合面（47）的相应部分将光发射到导光条（91）中的多个发光单元（41），准直单元（45）沿着主正面（55A）延伸并且包括多个准直元件。每个准直元件（其可以是复合抛物面聚光器或TIR透镜）包括输入侧和输出侧，与多个光源区域（57）中的一个光源区域光学地关联，并且被配置为在其输入侧接收从相关联的光源区域（57）出射的光并且从形成在其输出侧的相应准直光发射区域（61）发射准直光（29）。在另一个实施例中，发光单元被配置为发射具有补偿在导光单元内传播时由原初光累积的光谱损失的光谱分布的原初光。在另一个实施例中，准直光具有相对于光源的发光面的法线倾斜的方向。在另一个实施例中，多个光源区域的面积相对于主正面的面积和/或非光源区域的面积的比率小于或等于20％。在另一个实施例中，多个反射结构与光源区域相关联。

Description

大面积光源和大面积照明器
技术领域
本公开总体上涉及照明器，并且具体地涉及用于例如用于模仿自然阳光照明的照明器的光源。此外，本公开总体上涉及从具有高亮度和整个区域的亮度均匀性的大面积产生光束。
背景技术
用于封闭环境的人造照明系统通常旨在改善用户所体验的视觉舒适度。具体而言，模仿自然照明、特别是使用具有高相关色温(CCT)的光和大显色指数(CRI)的阳光照明的照明系统是已知的。这种模拟户外照明的特性取决于太阳光与地球大气之间的相互作用，并形成特定的阴影特性。
2014年3月27日提交的EP 2 304 478 A1,EP 2 304 480 A1,WO 2014/076656 A1,WO 2014/075721 A1以及PCT/EP2014/000835(均由相同申请人提交)公开了的照明系统具有产生特别是以低发散度光束形式的可见光的光源以及包含纳米颗粒的面板。在照明系统的工作过程中，面板接收来自光源的光并且起到所谓的瑞利漫射器的作用，即其类似于晴空条件下的地球大气一样漫射光线。具体而言，该概念使用定向光，其对应于阳光并且在存在被照亮物体时产生阴影，并且使用与蓝色天空光相对应的具有较大CCT的漫射光。
为了提供冷白光以及暖白光，可以使用基于LED的光源，其基于例如磷光体转换白光LED和/或各种颜色LED的组合。从LED发射的光的光学性质需要光束成形光学构型，通常包括准直光学器件，例如透镜和/或镜像系统。在相同申请人于2014年5月13日提交的申请PCT/EP2014/001293中公开了配置为光束投影仪的示例性光源。
此外，在US 2014/0321113 A1中公开了用于提供天空光外观的照明器。
本公开至少部分地涉及改进或克服现有系统的一个或多个方面。特别是，用于复制太阳光和天空光的光源和照明器具有适合大批量和低成本制造的形状因子。
发明内容
在本公开的一个方面，公开了一种用于发射准直光的光源，其尤其可以用于大面积照明器，例如侧光式大面积照明器。所述光源包括了包含多个导光条的导光单元，其中所述导光条一起为所述导光单元限定了主正面、主背面和至少一个耦合面。例如，耦合面可以沿厚度方向连接主正面和主背面。对于光源，多个导光条中的每个导光条构造成引导在至少一个耦合面处接收的光。例如，可以通过全内反射来引导光。每个导光条包括在主正面处的用于使光通过的多个局部光源区域，其中光源区域沿着导光条设置在非光源区域内。光源还包括多个发光单元，用于通过至少一个耦合面的相应部分将光发射到导光条中，以及准直单元，其沿主正面延伸并包括多个准直元件。每个准直元件包括输入侧和输出侧，与多个光源区域中的一个光源区域光学地关联，并且被配置为在其输入侧接收从相关联光源区域出现的光并从形成在其输出侧的相应准直光发射区域发射准直光。
另一方面，特别是用于例如侧光式大面积照明器的用于发射准直光的光源，所述光源包括具有主正面、主背面和至少一个耦合面的导光单元，所述耦合面可以是在厚度方向上连接主正面和主背面的侧向耦合面。导光单元被配置为用于引导在至少一个耦合面处接收的光，例如通过主正面和主背面之间的全内反射。其主正面包括用于使光通过的多个局部光源区域，其中光源区域在非光源区域内基本均匀地设置。光源还包括多个发光单元，其用于通过至少一个耦合面将光发射到导光单元中，以及准直单元，其沿主正面延伸并包括多个准直元件，其中每个准直元件包括输入侧和输出侧，与多个光源区域中的一个光源区域光学地关联，被配置为在其输入侧接收从其相关联的光源区域出现的光，并且从形成在其输出侧的相应准直光发射区域发射准直光。
另一方面，特别是用于(例如，侧光式)大面积照明器的用于发射准直光的光源，包括导光单元，其包括限定主正面、主背面以及至少一个耦合面(例如，被配置为在厚度方向上连接主正面和主背面的侧向耦合面)，多个导光条中的每个导光条构造成用于例如通过全内反射引导在至少一个耦合面处接收的光。所述光源还包括多个发光单元，所述多个发光单元用于通过所述至少一个耦合面的相应部分将光发射到所述导光条中，准直单元沿着所述主正面延伸并包括多个准直元件，其中每个准直元件包括复合抛物面聚光器或TIR透镜，该复合抛物面聚光器或TIR(Total Internal Reflection，全内反射)透镜的输入侧光学耦合到所述多个导光条中的一个导光条，使得沿相应的导光条形成多个光源区域，复合抛物面聚光器或TIR透镜在所述光源区域接收来自导光条的光，并且每个准直元件还被配置为从形成在其输出侧的相应准直光发射区域发射准直光。
另一方面，特别是用于大面积照明器的用于发射准直光的光源，包括了包含多个导光条的导光单元，所述导光条限定了主正面、主背面和至少一个耦合面，例如为在厚度方向上连接主正面和主背面的侧向耦合面。多个导光条中的每个导光条构造成用于例如通过全内反射来引导在至少一个侧向耦合面处接收的光，并且在主正面包括用于使光穿过的多个局部光源区域。光源进一步包括多个发光单元，用于通过至少一个耦合面的相应部分将光发射到导光条中，并且光发射沿厚度方向在围绕输入光中心方向的小于40°、例如小于20°、例如大约10°的角度范围内延伸。所述光源还包括准直单元，所述准直单元沿着所述主正面延伸并且包括多个准直元件，其中每个准直元件包括输入侧和输出侧，与所述多个光源区域中的一个光源区域光学地关联，并且被配置为在其输入侧接收从相关联光源区域出现的光，并从形成在其输出侧的相应准直光发射区域发射准直光。
在一些实施例中，发光单元可以被配置为发射具有补偿在导光单元内传播时由原初光累积的光谱损失的光谱分布的原初光，并且/或者发光单元可以包括用于在导光单元内产生对向传播光的子组，以补偿在导光单元内传播时由原初光累积的损失，并在相当的光源区域提供相当的光萃取，使得发光面的单位面积区域的亮度基本上是均匀的。
另一方面，大面积照明器(例如侧光式大面积照明器)包括如上所述的光源，以及包括色彩漫射层，其包括嵌入在基体中的多个纳米颗粒，所述多个纳米颗粒被配置为提供红色方面比蓝色方面更强的定向透射以及蓝色方面比红色方面更强的漫射透射，其中，色彩漫射层特别是定位成被准直光照亮或定位在光源区域的下游，例如准直单元的输入侧和/或输出侧的下游。
在照明器的一些实施例中，可以将色彩漫射层设置为面板，该面板具有设置在光源的发光面处的用于被入射光照亮的背面，并且其中特别是在所述准直单元之间存在气隙，和/或其中准直单元可以包括第一准直元件层和第二准直元件层，并且色彩漫射层可以位于第一准直元件层和第二准直元件层之间，或者其中准直单元可以包括第一准直元件层和第二准直元件层，第二准直元件层位于第一准直元件层的下游并且包括基体和多个纳米颗粒，或其中所述准直单元可以包括具有所述基体和所述多个纳米颗粒的涂层，所述涂层被施加到由与所述准直光发射区域相关联的表面形成的发光面上。
应注意的是，一个或多个独立权利要求及其从属权利要求所引用的特征将同样适用于在说明书中公开的或在权利要求中列出的其他方面。根据以下描述和附图，本公开的其他特征和方面将变得清楚易懂。
附图说明
并入本文并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的示例性实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。在附图中：
图1是精简的阳光模拟照明器的概念的示意图；
图2A至图2C是示出准直光源的设计根据的曲线图；
图3A和图3B是精简的阳光模拟照明器的示意性正视图和剖视图；
图3C是用例如图3A和3B所示的照明器照明的房间的示意性3D视图；
图3D是图3A和3B的照明器的仰视外观示意图；
图4A至图4M是原初光源和导光单元的示例性耦合配置的示意图；
图5A至图5C是在反射模式下从导光单元的光萃取的示意图；
图6A至图6D是在透射模式下从导光单元的光萃取的示意图；
图6E和图6F是挡板构型的示意图；
图7A至图7C是用于说明颜色调谐特征的构型的示意图；
图8A是包括导光条的导光单元的一部分的示意图；
图8B至图8D是基于导光条的光源的示意图；
图9A至图9C是表示使用扇形状特别是相对于导光单元的中心轴倾斜的原初光并设置有导光单元的构型的示意图；和
图10A至图10D是具有在例如导光条内的特定形状的反射萃取器的示例性构型示意图。
具体实施方式
以下是本公开的示例性实施例的详细描述。其中所描述的和附图中示出的示例性实施例旨在教导本公开的原理，使得本领域的普通技术人员能够在许多不同的环境中以及许多不同的应用中实现和使用本公开的内容。因此，示例性实施例并非旨在且不应被认为是对专利保护范围的限制性描述。相反，专利保护的范围应由所附权利要求限定。
本公开部分基于涉及具有输出的(薄)光导(在本文中也称为波导方法)的构型方面，该输出提供具有非常小的光束发散(例如小于4°)并可能具有圆对称发射(例如在圆锥内的光发射)的光束发射。
例如，本公开部分地基于以下认识：波导方法可以解决以下方面：效率，即，由于(材料、反射表面等的)吸收和损耗(散射，表面的缺陷，杂散反射)可能显著降低光输出，因此光如何能够被耦合入以及被引导以及如何有效地从导光单元耦合出来。准直：即如何从导光单元中萃取光，同时获得非常小的光束发散度。注意，这里术语准直度或准直被理解为是指对应于特定实施例和例如照明器实现的低发散度的光。在一些实施例中，从光源发射的低发散光束可以具有在(小于)5°范围内的全宽度光束角，例如4°或更小，例如2°，而在一些实施例中，它可以处于(小于)10°的范围内，例如7°，例如4°或更小，例如2°。
例如关于上述方面，发明人认识到，光可以以较窄角度扇形的形式耦合到导光单元中，而不是使光束在相对于±θ的引导方向的角度范围内在导光单元内部传播，其中θ不超过TIR角的余角(考虑到n＝1.4936，PMMA中的TIR角度大约为42°)。例如，在引导介质内部，角度扇形可以分布在±15°以上，例如±10°，甚至±5°，或甚至更小。角度扇形可以以角度方向为中心，使得扇形接近光导接受范围的边缘。本发明人认识到，在导光单元内部传播的光与(例如以阵列结构)提供光萃取特征的表面相互作用的可能性增加。
此外，发明人认识到，导光单元可以包括(分成)一系列平行的“条”，而不是考虑全平面导光单元。每个条接收来自定位在其最远的一端或两端的LED光源的原初光。萃取特征可以是沿着所述条的单线阵列。此外，条形构造增加了在导光单元内部传播的光与光萃取特征所位于的表面发生相互作用的可能性。
总体来说，发明人实现了增强与导光单元的萃取特征发生相互作用的可能性的解决方案，因此减少了光导体积内的光线的路径。这进一步减少了材料和引导极值(不是100％反射)的吸收。
此外，发明人认识到，由于吸收而引起的输出光谱中的色移可以通过适当地调整在光导内传播的光的输入光谱来补偿。
在下文中，给出了在类似太阳天空的照明概念的背景下的展度保持(etendueconservation)的背景考虑，其形成了本文公开的光源和照明器的各个方面的基础。
参考图1，太阳1距离地球149 600 000千米，其直径为1 391 684千米，从而在地球表面处(示例性由窗口3指示)的定向太阳辐射形成约0.53°的近似全宽度光束角。如本申请人的上述参考专利公开中所述，通过将高强度光源5与适当设计的瑞利状作用漫射器7组合，可以复制太阳照射在地球上的光。假设具有标准2'(0.61m)×4'(1.22m)光孔(面积：0.74m2)的光源，其设计为近似定向阳光，该光源的光学展度假定为≤0.74m2πsin(0.53/2)2sr～50mm2sr。如果光源是单一的，并且基于提供朗伯型(Lambertian)圆形发射器的板上芯片(COB)型发光二极管(LED)，则允许的发光面积将为50mm2sr/πsr＝～16mm2，这意味着LED的发光面(LES)直径将为4.5mm。
来自2'×4'光孔的标准光输出通常至少为3000流明(参见DesignLightsConsortiumTM产品认证标准，表4：主要使用要求)。为了提供合理的光输出水平并考虑合理的系统光学损耗，可能需要选择比4.5mm LES更大的COB LED。例如，日亚公司(NichiaCorporation)的NFDWJ130B可提供超过6000流明，LES直径为14.6mm，或展度为167mm2πsr＝526mm2sr。由于展度的限制，假设采用上述光孔尺寸，即大于太阳定向辐射的展度，但是仍然非常窄并且可能足以模仿太阳照射，这样的光源可以最好地实现0.86°的光束半角发散。
用于照明系统的COB LED的朗伯光输出的准直可以基于已知的准直光学解决方案，例如透镜或复合抛物面聚光器(CPC)或全内反射(TIR)光学器件，在本文中也分别称为CPC镜头和TIR镜头。对于完全CPC，光学元件尺寸由关系式L＝cot(β_in/2)(a+b)/2确定，其中L是光学元件长度，a和b是输入面和输出面的直径，而β_in/2是CPC内的最大允许发散半角。然后由n sin(β_in/2)＝sin(β_out/2)给出从CPC出射的最大半角β_out/2。从展度保持来看，CPC输出面的面积约为1/sin(0.86)2＝～4400乘以输入面的面积，或者直径约为1m。忽略光学元件对于2'x4'光孔有点太大的事实，CPC透镜的长度将更为实际可行。
发明人注意到从LED发射光的总面积(仅约170mm2)远小于光孔的面积(0.74m2)。如图1所示，光学系统可以形成为包括一起实现太阳模拟的多个发光单元11的阵列。作为说明精简布局的中间步骤，在图1中示出了具有少量光源(这里是四个光源9)的构型。类似的概念在上面引用的WO2014/075721A1中公开，其被并入在此作为参考。
对于具有大量发光单元11的实施例，因为任何一个发光源远小于光学系统的发光面的总面积，所以相对于单个CPC透镜的情况，其厚度将减小。
在遵循上述基于展度的设计考虑之后，图2A示出了CPC透镜的长度与单个光源直径的关系，其示例性地给出了0.5°,1°,2°和4°的目标光束发散度的关系。在此公开的定向日光照明器的设计中考虑这种关系。例如，图2A示出了光源区域的50μm的直径可以允许具有约120mm的CPC长度的2°的光束发散度。这些尺寸表明，总体厚度小于6英寸(152mm)的平面照明器系统的设计潜力很大，从成本(物料清单，BOM)和安装的视角来看，这是非常有吸引力的。
如图2B所示，通过用包括具有大发散角(例如30°或甚至45°或更大)的CPC和诸如菲涅耳透镜的准直透镜(此处称为CPC-透镜准直器)的准直光学元件的组合代替完全CPC(仅由提供相应准直的CPC组成)，准直单元的总长度可以显著缩短。在这种情况下，作为由准直透镜执行的准直的一部分，CPC的有限集中效应是可接受的。例如，如上面结合图2A所讨论的准直单元所需的长度从120mm减小到约8mm，从而使得即使是在市场上非常有吸引力的小型太阳/天空照明器也能够实现。
在图2C中，示出了完全CPC透镜的直径与源尺寸和光束发散度的关系。出于展度保持的考虑，类似的尺寸将适用于上面讨论的CPC-透镜准直器。该信息提供了准直单元下游的准直光发射区域的预期区域。发明人认识到使用该信息是重要的，因为来自主窄光束之外的区域的杂散光或不发光(即，在准直光发射区域周围的非准直光或黑暗区域)可能不利地影响深度印象和阳光的模拟。这种杂散光可能出现在光学元件的边缘处。因此，发明人认识到杂散光的间距或尺度与准直光学元件透镜的直径相关。具体而言，杂散光可以通过与准直光学器件的间距相关联的亮度周期性(但不限于此)来感知。
因此，除了如图2A和2B所示的方面之外，根据本文公开的原理，图2C的教导可用于设计阳光照明器。具体而言，可以设计一种系统，其中产生的杂散光的间距足够小。例如，对于典型的观看距离，例如1m至5m，本发明人已经注意到，间距为几mm或更小的杂散光不会明显地影响眼睛看到的“太阳”图像位于无限距离处的观感，这是模拟太阳时的一个重要特征。图2C表明，对于2°的光束发散度，用直径约50μm的光源尺寸可以实现2.9mm的CPC出口直径。类似地，对于直径约100μm的光源尺寸，可以实现5.8mm的CPC出口直径。值得注意的是，在某些环境中可能会出现更小的观看距离(电梯：几十厘米到一米左右)或更大的观看距离(大厅：长达10米或更多)，从光学设计的角度来看，较小的观看距离更具挑战性。
从上述光源尺寸例如在大约50μm至100μm的横向延伸可以形成提供模拟定向阳光的照明器的基础，该照明器适当地薄并且可以通过潜在的低成本进行生产。但是，LED通常具有大于200μm的LES尺寸。即使是200×200μm2的LED芯片解决方案，针对2°的光束发散度，可能会导致完全CPC准直单元的照明器厚度大于0.5m，并且会产生约1cm间距的杂散光空间变化(对应于CPC出口直径的大小，从而基本上设定光源之间的间距)，这可能会降低太阳模拟效果。因此，较小的光源或较小的光源区域是理想的。
发明人已经认识到可以通过利用下转换和/或散射特征和/或反射特征(在本文中也称为萃取器)将诸如LED这样的光源从一个形状因子转换成另一形状因子。示例性萃取器是发光下转换磷光化合物的盘状物。例如，可以将发光下转换磷光化合物颗粒混合到合适的粘合剂(例如硅树脂)中并且分配(例如通过分配机器)到盘状物形式的表面上。来自原初光发射单元(例如LED或激光二极管，LD)的光可以被引导在/照射在盘状物上。然后，下转换磷光化合物本身的盘状物可以成为新的光源。通常，这样的新光源在本文中被称为由原初光源(这里也称为发光单元)的光激励的局部光源区域。该局部光源区域可以具有用于如上所述的薄光学结构中的准直的理想尺寸。
合适的下转换材料包括磷光体、磷光化合物、有机发光材料、半导体材料和半导体纳米颗粒(诸如“量子点”)。在US 20150049460A中公开了常见的下转换材料的列表，其中一些示例性地列于下表I中。
在示例性实施例中，下转换磷光化合物的盘状物可以设置在导光板(LGP)的任一侧上。LGP通常用于平板显示器行业，其中可能包括适当地耦合到其边缘的原初光源。然而，这些平板显示器可以包括用于光发射的高密度内置光萃取或光散射特征(例如，这些特征的尺寸与最近的相邻物的间距是相当的(并且不像本公开中的那么小))。相反，用于本文公开的构思的LGP被配置为将来自原初光源的光引导至局部光源区域(例如盘状物)的特定萃取位置。
在上述示例性实施例中，并且假设LGP的边缘被制成是反射性的(例如，使用反射膜)，LGP中的光可以保持基本上被捕获，直到其遇到盘状物。然后，次级(下转换)光(如果有的话)和来自盘状物的散射原初光以或多或少的朗伯辐射方式发射，这意味着该光的大部分将直接在盘状物或相反的一侧离开LGP。该光将与由盘状物大小确定的光源尺寸相关联。假设可以提供许多这样的盘状物，从原初光源发射并在边缘处耦合到LGP的的光可以被转换成源自非常小的盘状物的阵列的光。
作为上述示例性实施例的扩展，小的盘状物可以耦合到准直元件阵列，例如，如上所述的CPC或CPC透镜准直器或TIR透镜或TIR透镜-透镜准直器，从而形成模拟阳光的紧凑型照明器。具体而言，准直元件的输出区域(圆形的直径)设定施加到LGP的萃取器特征/盘状物的间距，以确保在光源的发光面上一致且均匀地发射光。准直元件的输入区域被配置为接收来自相应光源区域的大量光(例如多于50％，例如多于80％，或甚至多于90％)。
在上述示例性实施例中，可以选择并调整下转换磷光化合物以提供太阳样的光谱。然而，发明人进一步认识到，如果可以通过组合多个不同颜色的光源来产生相应的太阳样的光谱，则可以省略下转换材料。例如，原初光源可以包括蓝色、绿色、红色或甚至白色的发光LED。在这种情况下，光萃取器可以是散射特征，例如粗糙表面区域或折射率变化区域，其以确定的且局部的方式破坏LGP的传输。发明人已经认识到，这可以提供用于不同颜色的光源的均匀光混合的装置，并且具有非常小的形状因子，并且结合以上教导可以实现具有颜色调谐选项的非常窄发散度的光束。例如，原初光源的相对光输出可以通过颜色和/或强度的振幅或脉宽调制来改变。在一些实施例中，散射中心的效果和下转换材料的效果甚至可以被组合。在下转换材料不是固有散射的情况下，例如在通常称为“量子点(quantumdots)”的半导体纳米颗粒的情况下，后者可能是有用的。
通过假设展度保持，输入面的面积与输出面的面积之间的比率，例如，如下所述的光源区域的各个(组合)区域与由光导所覆盖的相应区域(例如，导光面板的主正面的面积或用于导光条构造的光孔尺寸)之间的比率是对应于输入面和输出面的光的立体角的比率(倒数)(r＝(0.5*sinα_out)2/n2(0.5*sinα_in)2)。
在下文中，对于原初光源的输入发散度(在光导外部)、光导内的相应输入发散度以及2°和4°的目标输出发散度分别指示比率。考虑了光导的折射率为1.493和全角度发散。如本领域技术人员将理解的，考虑到展度保持，需要应用导光单元内的角度发散。此外，假定角度内容(angular content)在输入面均匀分布；因为光源区域位于光导的正面处。值得注意的是，在一些实施例中，光源区域可能不一定对应于萃取相互作用的区域(参见例如图5B的反射结构117和各个实施例的描述)，使得角度内容可能已经发展为不再是均匀分布。后者就是为什么即使展度保持不变，相应光源区域的面积也大于展度保持考虑因素所需面积的一个例子。在下面的概述中给出的比率是指这个小区域，而不是可能较大的萃取相互作用的区域。
Figure BDA0001584574610000101
Figure BDA0001584574610000111
可以看出，通过使用耦合到光导中的较少发散光可以增加比率。因此，该比率取决于输入发散度和目标输出发散度，并且对于所表示的参数在0.1％以下至10％或甚至高达16％的范围内。应该注意的是，低朗伯输入发散度特别适用于使用CPC耦合的白光发射原初光源，例如用于下转换的LED，而在准直元件的入口侧的具有下转换材料的激光二极管的组合将基本上对应于朗伯发射器。例如，对于基于LED的实施例，高达10％的比率可以允许提供理想的低发散光束的构型。
值得注意的是，在允许在光源区域处提供某种预准直光的实施例中，上面概述的展度考虑因素可以包括减小的展度作为出发点。因此，本领域技术人员将认识到，具有更小间距的构型可能仍然可以提供可接受的光束半角发散。这可以例如应用于使用减小的扇形LED(导致光导中的较小角度范围)、激光二极管和/或聚焦萃取器的实施例。
在下文中，首先描述基于本文公开的概念的照明器的总体构型的概述。然后示出了诸如光源、耦合到导光单元和从导光单元中萃取的潜在的光的部分的各种实施例。
图3A和3B示出了照明器21，它可以例如安装在建筑物中的房间的墙壁23(天花板或侧壁)上。照明器21包括一起提供类似太阳照射的光源25和色彩漫射层27。具体地说，光源25提供定向光束29的阵列，其一部分通过色彩漫射层27变换成蓝色天空状漫射光31，剩余部分穿过色彩漫射层27而被感知为穿透位于墙壁23上的窗户23的太阳光线。
通常，照明器21可以包括作为示例性安装件的覆盖并且将各种部件保持在一起的壳体33。如图3B所示，在一些实施例中，壳体33可限定照明器21的光孔(aperture)35，定向光束29和蓝色天空状漫射光31的阵列可以通过该光孔进入室内。在一些实施例中，照明器21可以安装在墙壁23内和/或可以具有仅覆盖侧面和背面的壳体。
电源和/或控制单元34可以设置在壳体内或者如图3B所示可以位于壳体33的外部。
参照图3A和图3B，光源25的示例性内部结构的组件包括多个发光单元41、导光单元43和准直单元45。
具体地，发光单元41用作原初光源并且被配置用于通过导光单元43的至少一个侧向耦合面47沿光发射方向49将光发射到导光单元43中。光发射方向49在此被理解为从多个发光单元41中的相应一个发光单元到导光单元43的方向，在图3A中示例性地指示了两个发光单元。
在图3A中，发光单元41被分组为两个子组51A和51B。对于每个子组51A和51B，各个发光单元41沿导光单元43的相应横向侧分布并且沿着导光单元43的纵向侧延伸的方向发光。子组51A和51B可以安装于连接到电源和/或控制单元34的相应板53A、53B，并且取决于发光单元41的类型，还可以包括被配置为控制发光单元41的输出参数(例如强度和色谱)的电子设备。
通常，导光单元43具有通常在厚度方向dT上由侧向耦合面47连接的主正面55A和主背面55B。导光单元43构造成用于在主正面55A和主背面55B之间通过全内反射(TIR)引导在至少一个侧向耦合面处接收的光。导光单元43可以例如是高折射率波导。
可以理解，在导光单元43内，光从相对的横向侧朝向相应的另一横向侧传播，其中一些光会被所述另一横向侧反射回来。通常，导光单元43内的光分布取决于发光单元41的位置、耦合到导光单元43中的类型以及导光单元43内的光传播条件，例如全内反射、吸收效应和横向侧的反射率以及为了从导光单元43萃取光而提供的光萃取。
在图3A的实施例中，指示了导光单元43的面板状形状，但也可以是其他形状，例如如下面将描述的三角形或条形构造。通常，导光单元43的厚度可以在1mm至5mm的范围内，或者尤其是在条形构造中可以更小。
在图3A中，示例性地示出了5×3个局部光源区域57的网格。然而，通常可能存在高达数万个的大量光源区域57(例如，在2'×4'面板上具有88000个100μm萃取特征的“发射器网格”用于4°的最终发散度，具有约22000个萃取特征用于2°的最终发散度)。在局部光源区域57处，从导光单元43萃取光以进入光准直单元45。光源区域57至少在光孔35内均匀分布在导光单元43上。例如，光源区域57分布在在光发射方向49上等间距的非光源区域59。在光源25中，非光源区域59是导光单元43的主正面55A的区域，其基本上不贡献用于照明的光。例如，导光单元43被构造成使得在该非光源区域59处基本上没有光泄漏出去。如果某些光线确实从非光源区域59离开导光单元43，例如由一些散射等引起的泄漏等，该光的强度要么很低，要么分布在大角度范围内，使得它对感知不产生作用或者它可以被如本文所公开的挡板结构阻挡。例如下文所述，来自非光源区域59的总通量(功率)可以是源自所有光源区域的通量的大约或小于10％，大约或小于5％，或甚至大约或小于2％。此外，非光源区域59的局部通量密度(平均值)可以是从光源区域发射的通量密度(平均值)的大约或小于3％，诸如大约或小于1％或者甚至小几个量级。相邻光源区域之间的距离例如可以在从0.5mm到15mm的范围内，诸如约3mm或约6mm(在此也称为通常存在于光传播方向上的间距，其中光传播方向特别与导光单元的中心轴线的方向一致，并且尤其与导光条的长度尺寸一致)。考虑到每个光源区域的小尺寸，多个光源区域57的面积相对于主正面55A的面积(或者非光源区域59的面积)的比率可以例如小于或等于0.2％。要注意的是，关于这里公开的导光条构造，非光源区域可以包括与导光条相关联的部分以及导光条之间的区域。
光传播条件中的一些类型的变化将导致光在光源区域57处通过主正面55A。通过的光可以是原初光的一部分，即发光单元41的光，或者该光可以是下转换光，例如由原初光与磷光化合物或量子壁结构的相互作用产生的光。示例性实施例将在下文描述。换句话说，光源区域57可以被认为由穿过一个区域的光来限定，这或者是由于光由于散射、反射、下转换等而以非TIR条件入射在形成导光单元的墙壁/界面上，或者通过改变/去除形成导光单元的墙壁/界面的局部区域处的TIR条件。
如上所述，多个光源区域57的面积相对于主正面55A的面积(或者类似地，非光源区域59的面积)的比率取决于(例如，如从光源区域发射的)被提供给准直元件的光的角度分布和预期的准直角度。对于例如2°或4°这样的固定准直角，以及例如在导光单元内引导的光的角度内容(扇形)这样的原初光线条件，该比率可能因此显著不同。对于准直元件的朗伯输入光，多个光源区域57的面积相对于主正面55A的面积的比率可以例如是0.5％或0.2％或更小。然而，对于光源区域发出窄立体角光的情况，多个光源区域57的面积以及相应的比率可以例如基本上增加达到10％，或者对于大型实施例，甚至高达15％或16％。示例性的光源区域可以具有以10mm的间距布置的约3mm的直径(例如，对应于准直元件的出射侧的直径)。通常，提供给准直元件的角度分布的角度与预期的准直角之间的比率越小，光源区域的面积与主正面之间的比率越小。在光学设计中，这些考虑因素假定展度是守恒的。
上述比率的典型值可以小于0.5％，如提到的0.2％，或者甚至小于0.1％。作为进一步的例子，对于100μm的光源区域和2.9mm的准直器(间距)，该比率与单个准直元件的比率相同：7850μm2/8.41mm2(即，约0.1％)，假定完整光源在准直元件之间不具有任何“损失”的区域(诸如图8B中的区域199)。
通常，光源区域57的尺寸可具有10μm至500μm范围内的横向延伸，例如100μm。此外，光源区域57可以具有圆形、椭圆形、矩形或方形或原则上的任何形状；然而，该形状可能会影响远场中的光源的外观。相反，导光单元43的厚度延伸可以在1mm至5mm的范围内，在一些情况下小于1mm。光源区域57可以具有相同的尺寸或基本相似的尺寸。为多个准直元件提供这种光源区域57可以确保在准直元件的输入侧处接收到的光的近似的输入条件。
通常，为了不破坏对天空太阳模拟的感知，需要避免或至少减少通过导光单元的非光源区域的发射。
因此，准直单元45被配置为接收来自光源区域57的光，并且通常用于提供准直光，例如，发散度为几度的模拟日光。
准直单元45沿着主正面55A延伸并且具有适于导光单元43的形状的形状，特别是具有适于光源区域57的分布和光孔35的形状的形状。
准直单元45包括对应于光源区域57的栅格的多个准直元件。准直单元45及其准直元件的厚度可以在1mm至0.3m的范围内，例如2mm至15cm。
每个准直元件光学地耦合到多个光源区域57中的一个。因此，每个准直元件被配置为(基本上仅)接收从相应的光源区域57出现的光并从相应的准直光发射区域61发射准直光。准直光发射区域61可以具有与光源区域57的间距相似的横向延伸，例如在0.5mm至50mm的范围内，而对于准直度较好的原初光，例如来自二极管激光器的光，甚至小于例如0.2mm。准直光发射区域61形成光源25的发光面63。例如，在准直单元由透镜阵列结构或折射CPC阵列结构形成的实施例中，发光面63可以是连续表面。在准直单元由例如反射CPC阵列结构形成的实施例中，发光面63可以不是表面，因为尽管光准直区域61不与表面结构相关联，但可以与CPC阵列结构的相应输出侧相关联。
为了执行准直，准直元件可以包括一个或多个光学元件，例如透镜和/或CPC透镜。例如，准直元件可以一起形成例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)这样的透明材料(其也可以用于导光单元和/或色彩漫射层的基体)的透镜层/CPC结构。
发光面63可以包括非发光区域65的相应小部分，例如，在发光区域61之间的边界处(在图3A中表示为分隔发光区域61的网格线，例如透镜或折射CPC或反射CPC的壁之间的过渡或接合点)。
对于已穿过色彩漫射层27的那部分定向光，每个发光区域61所发射的光是如图3B中示意性图示的那样具有宽光谱(例如白光)和围绕主光束传播轴线67而限定的小发散度的光。具体地说，所发射的光在发射立体角上分布，从而形成沿着主光束传播轴线67的方向传播的光束。图3B示出了在远场示例性发散(缓慢发散)的定向光束29。该远场取决于由相应准直元件产生的近场和由准直元件处理的光。
在远场中，发散光束29的局部传播方向(即，定向非漫射光的传播方向)根据定向光束29的横截面上的相对于传播轴线67的位置而变化。具体地说，局部传播方向69随着距离内部区域的距离增加而相对于主光束传播轴线67逐渐倾斜。示例性地，对于最远的局部传播方向，图3B中示出了最大角度α_out/2，其对应于定向光束29的例如2°或4°的光束发散度(在此也称为远场中的光束全角发散度或总角展度)。对于单个光源区域的光束29(例如仅接通一个光源区域)，远场可能已经基本上形成在等于天花板到地板(其可以是室内照明器目标)的距离的距离处，或者对于更加局部化的照明而言距离更小。这在图3C中通过将光束29指示为基本圆形来示出。对于整个照明器的主光束(由许多光源区域组成，因此在更大的区域上扩展)，远场可以被认为形成在更远的距离处，例如数十米远。由图3C中的线72表示的基本上呈矩形的光斑在远场中变成圆形，如同它失去了对光孔形状的记忆。值得注意的是，形成主光束的远场的距离取决于光的角发散度和照明器尺寸。
对于均匀发射，非发光区域65和准直光发射区域61之间的面积比率在光源25的发光面63上基本恒定。这种恒定比率可以有助于从发光面63发出均匀的光。此外，来自一个准直光发射区域61的发射可以被配置为被感知为完全侧向地包含在准直光发射区域61内部(完全闪光)。假定定向光束29具有对称光束发散，然后并置的准直光发射区域61被观察者感知，从光束内看到它们呈明亮的圆盘图像，其直径与远场中的总角展度有关，其被分成一组对应于准直光发射区域61的“像素”。单个准直光发射区域61的尺寸应该使得该区域内的可能的光调制不太可能被从典型观看距离观看的观察者所感知。
如图3B进一步示意性所示，准直单元45可以包括某种类型的挡板结构71，以减小或者甚至避免在准直光发射区域下游61的特别是相邻的准直元件之间的相互作用(这里也称为产生光学序列(包括光源区域和准直元件)的单独光束之间的串扰)。在一些实施例中，挡板结构71可以是例如涂有光吸收层和/或黑色层/材料或具有黑色表面处理的结构元件(例如光学元件的遮光板或表面)。
关于反射结构单元的色彩漫射层，本公开涉及由相同申请人提交的WO 2009/156348 A1中公开的光学漫射体。
它可以包括分散有多个固体透明纳米颗粒的基本上透明的固体基体，例如，以薄膜、涂层或诸如夹层式实施方式的块状材料。在本说明书中，术语“漫射层”，“纳米漫射器”和“色彩漫射层”通常表示光学元件，其包括嵌入这些(基本上透明的)纳米颗粒的基体。
原则上，色彩漫射层能够根据自然界产生色彩分离的相同机制(色彩地)分离具有宽光谱带宽(例如通常为白光)的入射光的不同色彩分量。例如，瑞利散射产生了天空光和太阳光的光谱分布特性。更具体地说，色彩漫射层能够在受到可见白光照射时再现两种不同色彩分量的同时存在：漫射的天空状光，其中蓝色(换句话说，蓝色或“冷”光谱部分)占主导，以及透射光，其具有蓝色减少的分量(换句话说，黄色或“温暖”光谱部分)。
关于照明器21的色彩漫射层的透射特性，其结构使得其基于纳米颗粒实现这样的特定光学特性，其包括红色方面比蓝色方面更强的透射率，以及蓝色方面比红色方面更强的漫散射。光学性质可以基本上在光孔35的整个范围内存在。
这里，如在美国材料和试验协会(ASTM international)的E284-09a标准外观术语(Standard Terminology of Appearance)中所定义的，透射率通常是在给定条件下的透射通量与入射通量的比率。例如，漫射透射率是由透射通量与入射通量的比率所给出的相应样本的性质，其中除了在规则透射角的方向上之外，透射在由测量平面限定的半球内的所有角度上。类似地，规则透射率是未漫射角度(即入射角)下的透射率。在本公开的情形中，对于给定波长和色彩漫射层上的给定位置，漫射透射率和规则透射率旨在用于具有对应于主光束传播轴线67的入射角的非偏振入射光。对于测量来说，用于检测透射率大小和入射光束的角度孔径的检测器的角度大小可以在一定范围内选择，这对技术人员来说是清楚明了的。特别是当考虑(白光)小角度漫射器时，例如，用于检测规则透射率和入射光束的角度孔径的检测器的角度大小应当被配置为使得检测器接收在围绕入射角度的锥体内透射的光。在一些实施例中，可以使用2×0.9°的角度孔径。
而且，透射的通量在所有可能的入射方位角上被平均。在漫射透射率和/或规则透射率的测量受到与照明器的构造有关的几何或其他物理约束的影响的情况下，本领域技术人员可以通过形成至少一个分离的色彩漫射层并直接测量该部分的透射率来获得上述数量。对于微观结构性质的细节，例如参考上述公开说明书WO2009/156348A1。然而，微观参数的不同值也可能适用。例如，可以应用相对于非散射光产生更大量的散射光的参数。类似地，为了最小化或至少减小可能的杂散光的可见度，人们可能倾向于增加由于漫射光导致的对色彩漫射层亮度的作用，尽管由此产生的感知颜色可能偏离完美晴朗天空的颜色。后者可能是由于其中出现多重散射而导致颜色饱和度降低而引起的，并且甚至可能导致浓度低于产生多重散射的浓度。
在下文中，示例性地概述了一些微观特征。
色彩效应基于具有例如从10nm到240nm范围内的尺寸的纳米颗粒。例如，平均尺寸可以在该范围内。
从光散射的基础知识可以知道，包含透明基体和相对于基体具有不同折射率并且具有(明显)小于可见光波长的尺寸的透明纳米颗粒的透明光学元件将优先散射光谱的蓝色部分(蓝色)，并透射红色部分(红色)。虽然对于小于或大约等于波长λ的1/10的粒径，每单个颗粒的散射效率的波长依赖性接近λ-4瑞利极限定律，在纳米颗粒尺寸的上述范围内可以达到相应的可接受的光学效应。一般来说，共振和衍射效应可能会在尺寸更大的情况下开始出现，例如波长的一半。
另一方面，每个单一颗粒的散射效率随着颗粒尺寸d的减小而减小，与d-6成比例，使得使用太小的颗粒不方便，并且在传播方向上需要大量的颗粒，这又可能受到允许的填充率的限制。例如，对于厚的散射层，嵌入基体中的纳米颗粒的尺寸(特别是其平均尺寸)可以在10nm至240nm的范围内，例如20nm至180nm。
在一些实施例中，可以在基体内提供尺寸在该范围之外的较大颗粒，但是这些颗粒可能不会影响瑞利状特征，并且例如仅有助于围绕主光束方向形成小角度散射锥。例如，包括尺寸大于所述纳米颗粒并且尺寸和密度被选择为有助于围绕主光束方向形成小角度散射锥的颗粒的小角度漫射层可以作为单独的层提供，或者可以集成在色彩漫射层内。
色彩效应还基于折射率与嵌入基体的折射率不同的纳米颗粒。为了进行散射，纳米颗粒具有与基体nh(也称为主体材料)足够不同的实际折射率np，以允许发生光散射。例如，颗粒与主体介质的折射率之间的比率
Figure BDA0001584574610000181
可以在0.5≤m≤2.5范围内，例如0.7≤m≤2.1范围内或0.7≤m≤1.9范围内。
色彩效应还基于由在给定方向上传播的入射光所见的每单位面积的纳米颗粒的数量以及体积填充率f。体积填充率f由
Figure BDA0001584574610000182
给出，其中ρ[米-3]为每单位体积的颗粒数量。通过增加f，漫射层中的纳米颗粒的分布可能失去其随机性，并且颗粒位置可能变得相关。结果，由颗粒分布散射的光经历了不仅取决于单颗粒特征而且取决于所谓的结构因子的调制。一般来说，高填充率的效果是散射效率的严重耗散。此外，特别是对于较小的颗粒尺寸，高填充率也会影响散射效率对波长和角度的依赖性。人们可以通过使用f≤0.4,例如f≤0.1,或甚至f≤0.01，例如f＝0.001这样的填充率来避免那些“紧密堆积(closepacking)”效应。
色彩效应进一步基于根据有效粒径D＝d nh的色彩漫射层的每单位面积的纳米颗粒的数量N。因此，d[米]是平均颗粒尺寸，其在球形颗粒的情况下定义为平均颗粒直径，以及在非球形颗粒的情况下定义为体积-面积当量(volume-to-area equivalent)球形颗粒的平均直径，如在[TC GRENFELL和S.G.WARREN，“通过散射和吸收辐射的独立球体的集合表示非球形冰粒(Representation of a non-spherical ice particle by a collectionof independent spheres for scattering and absorption of radiation)”。地球物理研究杂志(Journal of Geophysical Research)104，D24，31697-31709。(1999)]。有效粒径以米为单位给出，或者在特别规定的情况下以nm为单位给出。
在一些实施例中：
Figure BDA0001584574610000191
(D的单位为[米])以及
Figure BDA0001584574610000192
例如,
Figure BDA0001584574610000193
以及
Figure BDA0001584574610000194
Figure BDA0001584574610000195
更具体地，
Figure BDA0001584574610000196
以及
Figure BDA0001584574610000197
例如，对于旨在模拟纯晴天的存在的实施例而言，
Figure BDA0001584574610000198
(D的单位为[米])以及N≤
Figure BDA0001584574610000199
例如,
Figure BDA00015845746100001910
以及
Figure BDA00015845746100001911
Figure BDA00015845746100001912
更具体地，
Figure BDA00015845746100001913
以及
Figure BDA00015845746100001914
在旨在最小化镜面反射场景的贡献的其他实施例中，
Figure BDA0001584574610000201
(D的单位为[米])以及
Figure BDA0001584574610000202
Figure BDA0001584574610000203
例如,
Figure BDA0001584574610000204
以及
Figure BDA0001584574610000205
更具体地，
Figure BDA0001584574610000206
以及
Figure BDA0001584574610000207
关于这些物理参数及其一般的相互作用，再次参考例如WO 2009/156348A1。
本文公开的色彩漫射层的宏观光学性质可以用以下两个量来描述：
(i)单色标准化共线透射率T(λ)，定义为没有散射光贡献的色彩漫射层的透射率(例如，规则透射率)和与色彩漫反射层相同的参考样本的透射率之间的比率，除了漫射层不包含尺寸在10nm至240nm范围内的纳米颗粒，即负责优先漫射入射辐射的短波长的纳米颗粒。
(ii)蓝色和红色光密度之间的比率γ定义为：
γ≡Log[T(450nm)]/Log[T(630nm)]，其度量色彩漫射层在入射辐射的长波长和短波长分量之间提供色度分离的能力。
在一些实施例中，所述色彩漫射层可以具有：
T(450nm)在0.05-0.95的范围内，例如0.1-0.9，例如0.2-0.8。例如，对于旨在模拟纯晴天的存在的实施例，T(450nm)可以在0.4-0.95的范围内，例如0.5-0.9，例如0.6-0.8。
在旨在减小(例如最小化)镜面反射场景的贡献的实施例中，T(450nm)可以在0.05-0.5的范围内，例如0.1-0.4，例如0.2-0.3。
关于在一些实施例中的蓝色和红色光学密度之间的比率γ，γ可以在5≥γ≥1.5范围内，或者甚至在5≥γ≥2范围内，或者甚至在5≥γ≥2.5范围内，例如5≥γ≥3.5。
考虑到完整性，可以使用无机颗粒，例如包括但不限于ZnO、TiO2、ZrO2、SiO2和Al2O3，其例如具有折射率np＝2.0、2.6、2.1、1.5和1.7，以及在可见光区基本上透明的任何其他氧化物。在使用无机颗粒的情况下，可以使用有机基体或无机基体来嵌入诸如钠钙硅玻璃、硼硅酸盐玻璃、熔融石英、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)的颗粒。通常，也可以使用有机颗粒。对于材料类型，可进一步参考EP 2 304 478 A1。
纳米颗粒的形状基本上可以是任何形状，而球形颗粒是最常见的。
如上所述，纳米颗粒和/或基体和/或另外嵌入的颗粒可能不吸收可见光，或者可能仅在一定程度上吸收可见光。从而，离开色彩漫射层的光的亮度和/或光谱(即，颜色)可能仅非常少地或完全不受吸收的影响。可见光谱中基本上与波长无关的吸收也可以是可接受的。
再次参考图3A和3B，在准直单元45上，可以直接应用例如作为连续层的色彩漫射层27。在一些实施例中，可以在支撑板上提供色彩漫射层27，所述支撑板例如为平面板、如聚合物这样的塑料板或者玻璃板。在其他实施例中，色彩漫射层可以被构造成足够坚固以用作照明器特别是准直单元45或其一部分的支撑。如上所述，色彩漫射层27被构造成使其相对于来自准直单元45的入射光的长波分量优先散射来自准直单元45的入射光的短波长分量。散射光在本文中被称为漫射光，假设给定纳米颗粒的散射条件的选择，则它与蓝色(短波长)颜色相关联。
图中示出了观察者的示例性观察方向73。在观察方向73上，观察者将看到漫射光31沿其方向发射的部分，因为漫射光31从色彩漫射层27沿所有方向基本上均匀地发射。显然，朝向光源25(例如准直单元45)发射的那些部分可能会损失或部分准随机反射。另外，根据其所处的位置，观察者可以看到光源25的透射光的几个定向光束29。光束29被感知为共同的主光束(参见图3C和相关描述)，并且，例如由于蓝色分量的散射而相对于光源的光的光谱呈现“微黄色”。所看到的透射光基于入射光的一部分，该部分被引导到面对观察者的观察方向73的色彩漫射层或者一些前向散射器，或者在某种程度上被这些色彩漫射层或者前向散射器重定向。
作为嵌入纳米颗粒的结果，入射光的没有通过与色彩漫射层27的散射相互作用而发生偏离而透射的部分具有可见光谱，其与相关质量波长中心的入射光的光谱不同，因为该光谱向更长的波长偏移(即向带有黄色色调的红色)。入射光的经受纳米颗粒基本上类瑞利散射的部分以漫射的方式发射，由此获得在远离其表面的所有方向上基本上均匀的亮度。
结合图3C和3D，对图3A和3B的照明器21的外观进行解释。具体地，图3C示出了用照明器21照亮的房间60的示意性3D视图，而图3D示出了从下面看时在光孔35内的照明器21的外观。
漫射光31主要由从准直单元45出射的光产生。在观看光孔35时，漫射光31将总是可见的。
另外，图3C示出了源自照明器21的光孔35并沿主光束传播轴线67传播的主光束66。主光束66由多个子光束(即定向光束29)组成，为了说明的目的示出其中的两个，尽管在操作期间那些定向光束在主光束66中将不可分辨。
如在图3B中已经说明的那样，如果假定光源21的部件正确对准，那么定向光束29也沿着主光束传播轴线67的方向传播。
光束29一起在主光束66的光孔35上形成基本上恒定的亮度分布。主光束66的发散度基本上近似于光束29的发散度，假设光束29或多或少均匀的方向性。
位于主光束66内的观察者70将看到那些定向光束29的定向光，对于该定向光束29的发散和相对于光孔35的位置导致光落入观察者70的眼睛中。
参照特别在图3D中说明的太阳模拟概念，观察者70看到被较弱的均匀带蓝色背景光(被感知为“天空”，即漫射光31)围绕的明亮的盘状物68(在例如高亮度峰值、相应的有限发散度、均匀蓝色背景等相应条件下被感知为“太阳”)。由于光束29的有限的发散度(例如在4°以下的范围内的光束角度)以及角度内容(angular content)在照明器的整个输出表面上基本相同，当观察者70穿过房间60移动时，特别是如图3C中的箭头70'所示穿过主光束66时，太阳看起来也在天空上移动(如图3D中的箭头68'所示，即该太阳如同真正的太阳一样跟随观察者70)。
换句话说，光孔35限定了表面，在该表面上，角度发射(angular emission)在每个点处都很窄，并且在表面上具有几乎恒定的亮度(每单位立体角每单位面积的功率)。忽略色彩漫射层27的以下考虑因素，使屏幕靠近光孔35将示出近场分布，而将屏幕远离照明器21将显示光源21的远场。在近场中，形成与光孔35相同尺寸的斑点，其被均匀照明。在远场中，具有基本上由通过光孔35的光的角度内容确定的形状的光斑将形成在屏幕上(例如，如果光在圆锥内发射以模仿太阳，则为圆形)。
在图3C的情况下，主光束66基本上在近场条件下照射在地板上，使得线72的形状(表示主光束66外部的与阴影的过渡)是圆角矩形，即一个具有小圆角的矩形。类似地，光束29的形状被表示为根据朝向圆形光束横截面的光方向的圆锥形分布而扩展，然而，对于典型的室内传播距离，如之前所述的那样，主光束66的整体形状(其中每个单光束29的贡献不可分辨)实质上更接近于近场分布。这里公开的实施例可以允许在每个准直光发射区域内在每个点处具有相同的角度内容。例如，对于在在其焦平面中的光源的无限远处形成图像的透镜或CPC，这可能大致(几乎)成立。
近场分布是照射在色彩漫射层27上的照度(每单位面积的功率)分布。由于来自色彩漫射层27的漫射光的角度发射对于其每个点是相同的(近似朗伯发射)，“天空”的亮度与该照度分布成正比。因此，为了具有一致的“天空”，对应于色彩漫射层27的照度分布在观察者的眼睛可分辨的空间尺度上应该是均匀的。
如果光束29的角度内容非常大(例如±5°或±10°的圆锥)，则在传播期间局部不均匀性快速混合，并且这种不均匀性可能在光孔35前方的几cm或者几mm已被“清除(washedaway)”。但是，对于太阳模拟，角度内容被选择为非常窄(例如，±2°或更小(例如±1°)的圆锥)，可能的不均匀性可能需要更大的传播距离来“清除”。因此，照度分布一般应尽可能平滑。
在下文中，结合各个附图来描述光源的各种组件和构型。
参考图4A至4M，发光单元是照明器的原初光源，并且可以耦合到导光单元的横向侧。该耦合可以以各种方式执行，这些方式尤其取决于发光单元的类型和导光单元的类型。通常，光耦合到导光单元中，使得导光单元内产生用于光传播的全内反射(TIR)。
例如，如图4A至4D的示意性侧视图所示，LED用作原初光源，LED可以以几种方式边缘耦合到导光单元。LED 81A、81B可以分别使用折射光学器件(图4A)或反射光学器件(图4B)封装以分别耦合到导光单元43。LED 81C、81D可以是未封装的，并且分别使用折射光学器件(图4C)或反射光学器件(图4D)来耦合到导光单元43。此外，未封装的LED 81E可以对接耦合(butt-coupled)到导光单元43(图4E)。
在一些实施例中，原初光源可以包括激光二极管，在这种情况下可能不需要准直元件。例如，激光二极管83A可以对接耦合到导光单元43(图4F)。然而，也可以使用诸如变形棱镜对(未示出)等其他光学元件以某种期望的方式(例如，椭圆形到圆形的光束形状)调节辐射的激光束。
在那些实施例中，提供LED或激光二极管发射器，例如，在与导光单元43耦合时，其相对于导光单元43的平面对称。示例性地，在耦合之前的主传播方向85A在图4A中指示为平行。
如下面将要解释的，选择耦合到导光单元43中的光的相应方向性可以进一步改善可以耦合出多少光。为此，不提供在与导光单元43耦合时相对于导光单元43的平面对称(例如基本上平行)的LED或激光二极管发射器，而是可以在耦合之前提供主传播方向，其相对于导光单元43内的主传播方向(例如面板型实施例的导光单元的平面)倾斜。
例如，LED 81F可以是未封装的，并且使用折射光学器件(图4G)在基本上接近TIR角的角度下耦合到导光单元43。类似地，激光二极管83B可以对接耦合到导光单元43，其中侧面87A可以相对于导光单元43的平面倾斜(图4H)，或者侧面87B可以相对于导光单元43的平面正交地将主正面55A和主背面55B连接(图4I)。结合图9A至9C，公开了关于原初光源的输入光中心方向的这种改变的进一步细节。
如上所述，发光单元可以以宽光谱(白光LED)或窄光谱发射。在后一种情况下，它们不需要全部具有相似的发射波长。例如，不同组的原初LED(例如三组)可沿着导光单元43交错耦合以提供颜色可调谐性。
例如，图4K和4L示出了从三种类型的LED 89接收光的面板形状的导光单元43的俯视图。例如，LED 89可以是蓝色、绿色、红色或甚至白色发光的LED，以提供宽色域可调谐性。
在类似的实施例中，如图4L示意性所示，也可以使用具有不同发射波长的激光二极管90。
当然，也可以使用更多数量的原初光源类别，包括4基色(例如蓝色、绿色、琥珀色、红色)或5基色(例如蓝紫色、青色、绿色、琥珀色、红色)或者更多。
原初光源可以是100％定向发射的，或者可能涉及下转换材料。例如，基于下转换的琥珀色发光LED在市场上可买到(亮锐公司(Lumileds)的LXZ1-PL02)；此外，还有各种白光LED可供选择。
下面的表I列出了原初光源和下转换材料的示例配置。每种光源都适合作为原初发射器耦合到如上所述的导光单元当中。每种下转换材料可以用于在耦合到导光单元之前对原初光进行下转换(例如，创建白色原初光源)或者可以用作次级光源的候选，所述次级光源接收来自导光单元的光并将经过下转换的光发射到准直元件。这里描述的示例是设置在导光单元上或CPC或TIR透镜的输入侧的下转换盘。
表I中没有列出许多其他可能的组合。在表I中，根据峰值发射波长，各种可见光谱颜色体系如下所述：蓝紫色400nm至440nm，蓝色440nm至480nm，青色480nm至510nm，绿色510nm至550nm，黄色550nm至580nm，琥珀色580nm至610nm，红色610nm至700nm。
而且，对于白光源，导光单元中的色彩吸收效应以及色彩反射效应可能尤其会影响对定向光束的颜色的感知。例如，在侧面或在相应的LED/激光二极管处的反射可能在导光单元内的光谱中具有类似色彩吸收的效果。原初光源的发射光谱和通常与萃取特征相互作用的光谱可以适应材料色彩吸收以及反射的任何色度。为了补偿波混合引导配置中的那些与波长相关的效应，可以相应地调整输入频谱。具体而言，可以调整输入光谱以具有高CCT、高显色指数和R9值的输出光谱。例如，可以将单个光源(或多个光源，如果多个光源对存在于萃取特征处的光有促成作用)的光谱转向蓝紫色(具有增加的蓝色和红色分量)以补偿色彩分量的吸收。
Figure BDA0001584574610000261
图4M示意性地示出了包括一系列导光条91的特定类型的导光单元中的光的耦合。例如，导光条91相对于彼此平行地延伸。每个导光条包括相对的侧向端面(在一侧的所有侧面可以被理解为侧向耦合面47。在图4M中，示出了每个导光条91具有一个激光二极管或一个LED的构造(以虚线示意性示出激光二极管93A)。然而，(相邻或交错的)多个导光条91可以通过一些导光光纤-分光器结构95连接到单个激光二极管93B或单个LED。
光源区域可以由在主背面处(在此称为反射模式)或主正面处(在此称为透射模式)从穿过导光单元行进的TIR中主动取出的光来限定。通常，光源区域的形状可以为盘状，或者可以具有许多其他形状。
通常，运行模式基于使用下转换生成宽白色光谱的窄光谱原初光或基于基本上已经包含了类似于天空-太阳般照明的所有颜色的宽白光原初光源。然而，一般来说，如果例如在某些其他光谱特性中需要以本文讨论的方式引导的光，或者例如没有瑞利状类型漫射器的效果，则这里描述的光源的概念也可以适用于独立于阳光模仿的应用。
关于反射模式，图5A示出了设置在导光单元43上的许多光源区域中的单个光源区域的部位的基于下转换的构型101的第一实施例。具体地，在发光单元43的主背面55B上(即，与发光主正面55A相对)设置盘状下转换材料103。材料103接受例如来自导光单元43的短波长光，将该光转换成宽波长光谱，然后尤其向导光单元43返回下转换后的光。材料103可增加至不透明的厚度。而且，材料103的背面可以附接到散热器105(例如由Al或Cu制成)以进行热管理。下转换后的光将在靠近材料103的区域中穿过导光单元43，并被诸如全折射CPC透镜107的准直光学器件收集。
在其他(或附加的)实施例中，材料103可以是散射材料(或包括一些散射材料)，其例如与各个原初光源的宽光谱光发生相互作用。
具体参照图5A，材料103包含下转换材料(和/或具有特定散射特性的材料)。原初光从原初光源(未示出)耦合到导光单元43中并且在导光单元43中被引导，直到其射到材料103。在图5A中，示例性地示出了原初光线109，其被转换为新的发射射线111，该射线111离开导光单元43并且被CPC透镜107收集并聚焦/准直。在其它的一些传播情形下，原初光可被转换成光线113(在图5A中行进到左侧)，光线113仍被限制在导光单元43中。该光线113有机会在另一散射过程中在射到另一光源区域的另一材料时逸出导光板43。在图5A中，这个另一区域是材料103，如光线115所示，在这种情况下逸出并且也被CPC透镜107收集和准直。
在图5A所示的实施例的几何形状中，导光单元43的厚度驱动CPC透镜107的直径和长度。具体而言，导光单元厚度越薄越好。后者可能会使激光二极管对于这种类型的几何形状具有吸引力，因为激光可以耦合到非常薄的光导(甚至比10μm还薄)。
如上所述，材料103可以在其面上(即导光单元的外侧)发射光(例如，由于其有限的厚度而从材料内部散射或发射的光，例如，磷光化合物层可以是10μm或更厚，或者甚至达到几百μm厚)。因此，可能需要在材料103的周围(例如其背面和侧面)包括反射外壳结构(未示出)，以增加朝向光产生单元43的发射。
关于图5A的实施例中的导光单元43的主正面55A上的光源区域的范围，其与材料103的横向尺寸和导光单元43的厚度相关，其限定主正面55A上的区域，材料103通过该区域发射的光可以由CPC透镜107收集。相应地，CPC透镜107的输入尺寸同样取决于材料103的横向延伸和导光单元43的厚度。
图5B示出反射模式几何形状的另一个实施例。具体地，多个成角度的反射结构117结合到导光单元43中。例如，反射结构117可以相对于由导光单元43限定的导光平面成45°角。这些成角度的表面部分可以涂覆有镜面反射材料，例如反射性金属(例如Ag或Al)或者二向色的层堆叠。这种几何形状可以具有以下优点：耦合的原初光(其可以在导光单元内的小于40°、例如小于或约30°或20°、例如约10°的角度范围内传播)通过反射结构117以保持展度的成像方式而转向。这可以允许准直单元45内的最终准直仅利用常规的次级透镜结构119来完成(如图5B所示，例如，不需要诸如图5C中所示的CPC透镜之类的原初光学器件。
关于图5B的实施例中的导光单元43的主正面55A上的光源区域的范围，其与成角度的反射结构117的横向尺寸和导光单元43的厚度相关，并且在一定程度上受限于原初光源的输入发散度，其限定了在主正面55A上的由成角度的反射结构117发出的光所通过的区域。
参照图5A和5B以及本文公开的展度考虑因素，由于光源区域被限定在导光单元的正面上，归因于“光束”穿过导光单元时的增宽，这些区域实际上可能大于萃取元件的面积(例如，成角度的反射结构117的背面的面积)。因此，在那些实施例中，光源区域的收集面积与主正面的面积之间的比率可能会稍微增加。
在图5C所示的实施例中，原初光在光谱上是窄的(例如从诸如单色LED或激光二极管这样的单色光源发射)，因此需要进行下转换。因此，图5C的实施例表示反射萃取和在与CPC透镜/下转换材料的界面处的萃取的混合。可以减少所需的磷光体材料的量以减少前面提到的有限厚度问题。例如，磷光体材料可以放置在CPC透镜的空腔或半腔几何形状中。
如图5C所示，在CPC透镜123和导光单元43之间沉积薄的(可能低至一个单层)磷光化合物层121。CPC透镜123的出射面125可以涂覆反射原初光波长(例如带蓝色的光)的二向色层127，由此将光返回到磷光化合物并产生与磷光化合物的更多相互作用。例如，射到磷光化合物层121但未被吸收的蓝色原初光(光线129)被蓝色反射二向色性堆叠反射回磷光化合物121。
关于图5C的实施例中的导光单元43的主正面55A上的光源区域的范围，其与成角度的反射结构117的横向尺寸和导光单元43的厚度相关，并且在一定程度上受限于原初光源的输入发散度，其限定了在主正面55A上的由成角度的反射结构117发出的光所通过的区域。磷光化合物层121旨在转换由成角度的反射结构117改变方向的光，因此基本上对应于光源区域的大小，尽管它基本上不会对光萃取作出贡献。
在图5C的实施例中，CPC透镜123仅被配置为提供准直单元的一部分。次级透镜阵列(未示出，其原则上类似于图5B中的次级透镜结构119)将构成准直单元45的相应准直元件。次级透镜将导致在两个光源区域(在这种情况下是两个反射结构117)的间距范围内的各个透镜之间的横向延伸。在这种情况下，光源区域57可以被识别为磷光化合物层。如果导光单元53较薄(相对于光源区域57的尺寸)或者如果角度扇形较窄，则磷光体复合物层121的尺寸与反射结构117的尺寸相当。
在与图5C类似的相关实施例中，原初光可以是白光，从而不需要下转换。因此，CPC透镜123的输出侧的二向色反射器也不是必需的。尽管如此，可以在CPC透镜123的输入侧提供主要在向前方向上起作用的漫射器，以略微填补CPC透镜123的角度输入。
关于透射模式，图6A示出了另一实施例，其中，下降转换材料131位于导光单元43的主正面55A处，例如，在光收集面上沉积盘状磷光体复合材料。在这种情况下，下转换材料131接收来自导光单元43的光并且将光转换/发射(或在采用散射器的实施例中进行散射)返回到导光单元43中或者从导光单元43出来，例如进到折射式全CPC透镜133。下转换材料131的尺寸被选择为用于将光光学耦合到CPC透镜133中。从导光单元的主背面侧发射(或散射)出的光可以通过反射器135被重新引导回到盘状物。将会从导光单元43的另一侧而不是通过下转换材料131逸出的这种光应该被遮光层137遮蔽，以避免由主正面55A出现的不受控制的光产生的不利影响，因为这可能破坏太阳模拟效果。
从导光单元43的附近向下转换材料131发射(或散射)的光被下转换。然后，如上所述，通过充当准直光学部件的CPC透镜133收集下转换后的光。具体参考图6A，下转换材料131包含例如下转换荧光体和/或散射性质，并且具有被选择为使产生到准直光学器件中的光最大化的厚度。通过原初光源(未示出)耦合到导光单元43中的原初光线139在导光单元43中被引导，直到其射到下转换材料131，因为其起到改变折射率的作用并且因此改变TIR条件。原初光线139可以被转换为离开导光单元43的发射光线141，并且被CPC透镜133收集并聚焦/准直。另一原初光线可以被转换为新的发射光线143，其被限制在导光单元43中。如射线145所示，该射线143可能有机会在散射过程中射到另一下转换材料之后逸出导光单元43，在这种情况下逸出通过CPC透镜133收集和(部分)准直。
另外，发射和/或散射的光线146可能会从主背面55B逸出导光单元43，并且可以通过反射器135朝向导光单元43的发光面向下折回。掩模层148可以用于阻挡在不会耦合到CPC透镜133中的(非光源)区域从导光单元43发射的光。
关于图6A的实施例中的导光单元43的主正面55A上的光源区域的范围，其与下转换材料131的横向尺寸和提供了TIR条件改变的相应区域相关，因为在该区域中光可以与下转换材料131相互作用并离开导光单元43。CPC透镜107的输入尺寸同样取决于下转换材料131的横向延伸和拟收集的下转换光的假设的朗伯分布。
图6B示出了另一种透射模式的几何形状，其中用于发射的光源区域由CPC透镜149与导光单元43的光学耦合147来提供。该几何形状是有吸引力的，因为CPC透镜149能够以与其“光源”自对齐的方式进行安装，以收集由于光学接口处的折射率失配引起的局部中断以及TIR条件中的相应局部中断而从导光单元43萃取的光。自对齐的实现是由于通过CPC和导光单元43的光学耦合形成光源区域。
关于图6B的实施例中的导光单元43的主正面55A上的光源区域的范围，其与CPC透镜149的横向尺寸和TIR条件的诱发中断(induced breakdown)相关，因为在该区域中光离开导光单元43。因此CPC透镜107的输入尺寸基本上是光源区域的尺寸。
假定不存在散射中心，遍布于CPC透镜149的光分布取决于耦合的原初光线分布。取决于此，通过均化下游的次级光学器件中的光分布，可以改善远场光分布和太阳外观，以实现所需要的“太阳”的近场和远场图像。例如，可以在光学元件/导光单元接口151处包括一些轻度(前向，小角度)散射中心。
另外，如虚线所示，可另外提供反射结构117以增加在光源区域处耦合输出的光量。
与图6A和6B的完全CPC形成对照，在图6C中示出了与次级透镜155(例如菲涅耳透镜)耦合的“短”CPC 153。如进一步示出并且可应用于本文公开的所有实施例，出上面讨论的横向挡板结构159之外，还可以在透镜系统内包括竖直的光挡板结构157，以减少杂散光效应。
关于图6C的实施例中的导光单元43的主正面55A上的光源区域的范围，其与图6B的实施例的CPC透镜149的横向尺寸相关。
图6D中示意性地示出了另一透射模式的几何结构，其使用透镜从导光单元中萃取光。特别地，该接触式光学元件是直接形成或模制在导光单元43中的透镜结构161。这产生了可以耦合到次级透镜结构163以用于最终准直的发射表面。
关于图6D的实施例中的导光单元43的主正面55A上的光源区域的范围，其与透镜161的横向尺寸和类似于图6B和6D的实施例当中的TIR条件的诱发中断相关，因为光在该区域离开导光单元43。因此，透镜161的尺寸基本上为光源区域的尺寸。
在与图6D相关的一些实施例中，透镜结构161与导光单元43之间的界面的尺寸和形状可以被特定地选择。例如，可以使用直径小于透镜的圆柱体将透镜连接到导光单元(未示出)。该圆柱体可以用作某种混合棒，或者可以包含主要在前向方向上起作用的散射颗粒，以填充作为透镜输入的入射光的角度间隙。
关于本文公开的扇形概念，导光单元内的传播可以在接近TIR角的狭窄角度光孔内。然后，射到萃取光学器件上的角度内容将以接近TIR角的角度为中心。在任何原初光学器件的输入侧使用前向散射颗粒将增加远场和近场光分布的填充。要注意的是，对于导光单元内的双向(或更多的)定向光传播，射在萃取光学器件上的角度内容将在两个(或更多)方向上以该角度为中心，从而填充原初光学器件的输入光孔(透镜以及CPC透镜)，因此远场图像可能更加均匀。
对于本领域技术人员清楚明了的是，正好在次级透镜结构163下游并且总体上在准直光发射区域下游的照度分布应当被设计为尽可能均匀，如果准直光发射区域可以被观察者分辨，从而避免或至少减少外观中所不希望的不均匀性。
图6E和6F示出了挡板结构165和167的其它实施方式，因为它们可应用于透镜阵列结构以减少或甚至避免相邻准直元件之间的串扰。
如图7A和7B所示，本公开的另一方面涉及所得到的高度定向光束中的颜色变化。例如，不同颜色的两组或多组原初光源被耦合到导光单元，并且通过由外部电源(例如，输电干线或电池)供电的单独的电子驱动器或驱动通道来操作。
图7A所示的光源的示例性实施例被配置用于在导光单元43中混合两种不同的颜色。光由两种类型的发光单元169A、169B产生。通过从电源173接收电力的特定驱动器单元171A、171B来操作每种类型的发光单元169A、169B。在导光单元43内，光可以与例如次级光源“盘”相互作用以形成单独的局部光源区域，其可能尺寸较小并且充分均匀化。可以通过改变驱动器单元171A、171B的驱动条件来调整次级光源的颜色，例如，通过幅度或脉宽调制。一般而言，该概念可扩展至更多类型/更多组的原初光源，包括可经由控制系统控制以执行例如色彩平衡或颜色设定的三组、四组、五组、六组或更多组的原初光发射单元。
结合图7A所描述的光源设计可用于提供模拟的定向阳光。如上所述，该光源可以与瑞利状类型的漫射器组合，以同时产生模拟的定向阳光和(漫射)天空光。附加的调节光学元件可设置在导光单元和/或漫射器之间，例如空间滤波(用于减少或吸收可能的杂散光)或转向光学元件(诸如棱镜片或倾斜/转向光学层，其被配置成使定向光倾斜以产生与正交于波导平面不同的角度的太阳光束)，用于相对于照明器光孔的法线以一定角度引导高强度光束，例如，如果准直单元输出光以该方向为中心，用于使主光束传播轴相对于光导输出窗口的法线倾斜。如上所述，例如当使用菲涅耳透镜或菲涅耳透镜阵列形式的准直光学器件来高度定向光束时，整个照明器的厚度可以进一步减小。
在图7B中，针对包括多个导光条91的导光单元示出了上述颜色改变概念的类似实施方式。例如，每个导光条91可以在其两端分别与LED 169A'、169B'端部耦合。然而，LED169A'、169B'具有不同的发射颜色。例如，LED 169A'可以是白色发光LED，而LED 169B'是琥珀色发光LED。
在图7B的示例性实施例中，当导光条91横跨照明器的光孔35布置时，白色/琥珀色LED 169A'、169B'的位置交替。可以使用单独的驱动器单元171A、171B来为不同颜色的LED169A'、169B'供电。此外，驱动器单元171A，171B可以根据由时钟/控制器175提供的信息来操作，该时钟/控制器175可以如下面进一步描述的那样联网。
如图7A和图7B所示，发光单元可以设置在导光单元的两个相对侧上，以便改善横跨照明器的光孔的光强度的均匀性。此外，可以为发光面开口设置边框(未示出)，以避免看到边缘耦合光源附近的任何无用的光强度不均匀性。
为了进一步示出颜色混合，图7C是照明器发射光孔35的一小部分的俯视图。用于发射散射光和/或转换光(如上所述)的光源区域177接收光线179A、179B，它们被一个短CPC透镜181收集和重定向。光线179A、179B可以具有不同的颜色。例如，射线179A可以是白光分布，射线179B可以是琥珀色分布。额外的光线(未示出)可以从附加的光源添加。一些光线可以通过与盘内的光源区域177相关的发光材料进行下转换，而其他光线可以在没有下转换过程的情况下被散射或重定向至短CPC透镜181。对于宽范围的光源组合，仍然可以示例性地参考表I。
在下文中，基于上述概念更详细地描述照明器的实施例。
照明器包括具有足以提供2'×4'照明光孔的区域的导光板(LGP)。如今，这种LGP作为液晶显示(LCD)电视机和监视器的背光源被广泛应用于显示器行业。LGP可由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(也称为丙烯酸树脂)制成，供应商包括Wooyoung，Radiant，Coretronic，Pontex，Kenmos，JinMinShang，GLT，Enplas和Zeon等公司。虽然丙烯酸树脂非常普遍，但也可以使用更坚固的材料(甚至玻璃)来制造LGP。然而，与LCD应用不同，对于照明器，没有将高密度的萃取特征结合到LGP中，而是将局部化光源区域均匀分布在LGP上。这里所需尺寸的LGP的典型厚度可以是3mm，但较薄(低至约1mm)和较厚(大于3mm)配置也是可行的。
为了产生光源区域，将下转换材料混合到合适的粘合剂(例如硅酮)中并且以周期性间隔和均匀尺寸设置在LGP上。例如，下转换材料可以被分配或者喷墨印刷以提供包括在LGP上的绿/黄和红色发射磷光化合物的磷光体颗粒的盘状物。盘状物的直径可以以100μm为目标，并且它们在发光单元的光发射方向上的间距可以设定为5.8mm，从而在LGP上设置超过20000个盘。或者，可以根据上述图案暂时掩蔽LGP，然后可以将磷光体材料喷涂到LGP上。去除掩模后，磷光体材料留下适当的形状因子。参考图5A中描述的反射模式配置，可以选择不透明的厚度，通常大于10μm。或者，盘状物由反光材料支撑。
关于图6A中描述的透射模式，为了优化光的输出耦合，厚度选择为例如在10μm至200μm的范围内。在各种实施例中，磷光体颗粒尺寸、掺杂水平、吸收特性和粘合剂中的加载密度确定了收集的原初光和所产生的次级(下转换)光的相对比率。通过对参数的相应选择，例如厚度、横向延伸、原初光源的色彩混合以及下转换的类型等，该比率可以适当调整以提供照明器的所期望的光谱特性。
基于光源区域，形成多光源照明系统。针对特定频谱的多光源照明系统的效率可以表示为：
Figure BDA0001584574610000341
其中fi是第i个光源的光功率分数，而ηi是功率转换效率。对于下转换光源，该效率必须考虑磷光体的量子效率，ηph,“量子亏损(quantum deficit)”(主泵浦质心光子能量与下转换光谱能量的比率，通常近似为峰值波长的比率)以及与转换有关的光学损失，有时称为“封装效率(package efficiency)”(参见Krames等人，IEEE J.Display Technol.3,160-175,2007)。
对于泵送单个下转换器的单个原初光源，效率可以写为：
Figure BDA0001584574610000351
其中ηp和fp分别是原初泵浦源的功率效率和光功率分数，fs是次级或下转换光的目标光功率分数，ηph是下转换器的量子效率，λp和λs分别是原初发射光谱和次级发射光谱的峰值波长，以及ηo通过转换过程考虑其他光损耗。对于以“冷白”(相关色温为4000K至7000K)为目标的典型系统，原初泄漏率可能约为30％，对于典型的磷光体量子效率为90％，假设其他光损耗约为10％，原初光源的峰值发射波长为450nm，下转换器的峰值发射波长为560nm，可以估计出η～0.7ηp。在光度测量方面，对于冷白色色温为340lm/Wopt的基于LED的光谱的典型流明当量，其效率可估计为η～240ηp lm/W。也就是说，对于50％的原初光源效率，包括下转换损耗在内的整体光源效率可以约为120lm/W。LGP/透镜阵列系统的额外光学损耗和电子驱动器损耗(15％)将导致整体较低的照明器效率。如果LGP/透镜阵列损耗可小于15％，整体照明器效率可以高于85lm/W，从而符合，例如用于2'×4'商用室内照明器的DLC标准(参照财团DesignLights ConsortiumTM产品资质标准，表4：主要使用要求)。
例如，为了获得由发光单元发射到LGP中的至少3000lm的光，并且假设上面列出的光损耗，需要约30W或更多的总原初光源电功率，或约15或更多光瓦(optical Watts)。这可以通过使用三十(30)个瓦特级的高功率LED轻松实现。另一种选择是低驱动(under-drive)高功率LED，以提高效率和寿命，并减少热负荷。例如，沿着LGP的每个较薄边缘，可以将30个高功率蓝色发光LED(例如Lumileds的LXZ1-PR01)与耦合光学器件一起安装，以将其原初光发射基本注入到LGP中并且在用于在LGP内引导的必要的角度内(总共60个LED，每个输出大约1/4光瓦)。沿着导光条的另外两个边缘以及每个LED之间，可以施加反射材料以避免光泄漏，特别是在导光单元未被配置为导光条的整体的情况下。
对于准直光学器件，被设计成例如产生来自100μm直径光源的2°光束的CPC透镜阵列、短CPC加菲涅耳透镜阵列、TIR透镜阵列、或者TIR透镜加菲涅耳透镜阵列被形成或模制成邻近LGP安装。执行盘状光源和菲涅耳透镜之间的对准以将光源区域与相应的准直元件光学地耦合。
对于示例性的透射模式几何形状，反射器可以设置在LGP的上侧(主背面)的近侧(或者在LGP的该侧上具有低折射率叠层的情况下直接施加)。可以在顶面上反射但在底面上吸收的掩模层附接在LGP的底侧(主正面)的近侧(或者在LGP的该侧上具有低折射率叠层的情况下直接施加)。在将低折射率层设置在盘的同一侧的情况下，可以在将要施加盘的位置处去除层压体。
例如，上述元件以及另外的色彩漫射层和(可选的)光束转向光学器件可以被组装到固定壳体中，并且原初光源连接到由电网或电池系统供电的电子驱动器。
当原初光源通电时，它们的光在下转换盘处被转换为次级光源。然后，产生的次级光被透镜阵列收集，并可以由转向光学器件通过色彩漫射层来转向，以提供太阳似的光束(例如，大约2°或4°的发散度)，并且大于3000lm，色温为4000K至7000K。此外，产生的模拟天空的漫射光具有更高的色温。对于上面描述的系统，照明器的总厚度将由LGP厚度(例如3mm)、准直透镜(采用全CPC的情况下为242mm，或者采用短CPC加菲涅耳透镜的情况下约为10mm到15mm)、瑞利状类型的漫射器(例如几mm)和转向光学器件(几mm)所驱动。总之，如果例如采用短CPC透镜加菲涅耳透镜的方法，那么照明器的总厚度可小于50mm。
在下文中，基于上述概念并应用颜色调谐的概念来更详细地描述照明器的实施例。
众所周知，夜间蓝光的高含量可能会破坏人类昼夜节律系统，从而导致健康问题，如癌症和糖尿病的发病率增加以及睡眠模式受到干扰(参见Stevens等人的“会议报告：环境照明和昼夜节律中断在癌症和其他疾病中的作用(Meeting report:The role ofenvironmental lighting and circadian disruption in cancer and otherdiseases)”，2007年，神经病学系(Department of Neurology)，教师论文(FacultyPapers)，http://jdc.jefferson.edu/neurologyfp/22)。因此，在本文公开的照明器的一些实施例中，公开了调整输出的光谱以减少例如夜间蓝光量的能力。
除了(例如在上述实施例中使用的)原初蓝色光源之外，还提供黄色或琥珀色发光LED作为另外的发光单元。例如，琥珀色发光LED在市场上可获得，其形状因子与上述蓝色发光LED相同(参见Lumileds的LXZ1-PL02)。琥珀色LED可以与其他原初光源交错，并且具有它们自己的独立驱动器电子器件或通道。
参考如图7A和7B所示的时钟/控制器175，可以提供日间和/或季节性时钟输入以控制每组LED的驱动器，使得原色的光束可以以优选的方式改变。控制器可以通过包括有线网络或无线连接(例如WiFi、Zigby无线电、蓝牙、蓝牙LE等)在内的任何方式连接到互联网。互联网连接可以提供正确调整照明器的光输出和颜色所需的信息。例如，它可以为照明器的位置(例如GPS)提供季节时间和当日时间。照明器的位置可以在安装在控制器的硬件中时进行设置，也可以通过其他类型的调试进行设置。
例如，在白天，原初蓝色发光光源开启，琥珀色LED熄灭。在晚上，则相反。观察到的效果将是实现非常暖的色温的原初光束，并且通过色彩漫射层散射的琥珀光子减少将意味着“天空”将“变暗”。从昼夜节律角度以及夜间照明的标准设计原则来看，这两种效果都是可取的。
琥珀色光束的流明输出可以与白天的“太阳”光束一样高。琥珀色LED可以不通过下转换而是通过设置在盘区域内的散射磷光体颗粒和/或散射特征而与次级盘状光源相互作用。因此，它们由准直光学器件以与在“白天模式”的情况下的原初光和下转换光相同的方式收集。
值得注意的是，可以使用类似的方法来模拟月亮的存在，例如，通过选择第二组原初光源，其将在与次级光源相互作用时近似月球发射光谱。通过根据提供的时钟信息提供合适的脚本，照明器可以设计为在日夜模式之间具有任意的过渡模式。
在上述实施例中是使用同时混合的不同光源然后对相应输出光进行准直的配置的示例。也就是说，这里公开的概念尤其被配置为用于组合多个具有不同展度、颜色和强度的光源，均化它们的输出，并且将该输出定位为输入到光学系统(准直元件)中，然后将输出聚焦/准直成一个单一的窄光束。
换一个说法，本文公开的概念将具有小发光面积(几mm2或更小)和大发射立体角的各种光源转换成大发光面(大于100cm2)的均化光源和小发射立体角。小的发射立体角例如小于8°(半峰全宽)，例如小于4°，或者甚至小于2°。大的发光面可以大于100cm2，例如大于0.5m2或甚至更大。
如在图4M的环境中将原初光耦合到导光单元中所描述的那样，发明人认识到，可以减小导光单元相对于光萃取特征的表面面积(导致光源区域)以减少导光单元内或其边缘处的光损失。
出于该目的，如图8A所示，导光单元可以包括导光条91。这样的导光条91可以安装到或形成在大面积基板191(作为支撑结构的示例，比光源区域大)上，该基板具有比导光材料的折射率低的折射率并刚性地支撑细导光条。值得注意的是，这可能改变TIR角度条件，并影响导向角度分布配置。在替代实施例中，特别是在结构化主背面55B的情况下，安装构型可以在几个选定的局部点上机械地连接到导光条91，例如反射结构可以被配置为连接点。机械连接可以通过销安装结构来执行，所述销安装结构例如包括在选定区域处支撑导光单元的一系列反射/金属平端销。由此，可以防止或至少减少对应于接点/销的所不希望出现的萃取。此外，销可以安装在相对(对立)的对组上，从而夹紧和固定导光条。
例如，考虑到100μm直径的光源区域57沿着导光条91以5.8mm的间距线性移位以及实现2°光束的任务，每个导光条91的横截面可以是3×3mm2(或更小)，并且长度为照明器的所需长度(或更长)。利用这种几何形状，对于上述具体示例，有损耗的光导边缘区域的比例基本上减小了例如大约一半。而且，导光材料内的耦合光的整体平均光路长度减小。因此，由于导光材料的内部吸收而导致的损耗有所减少。
在图8B至图8D中，示意性地示出了原初光源和准直单元的示例性配置。具体而言，图8B至图8D示出了照明器的各个元件之间的比率，例如光源区域的尺寸(图示为点)，线性条91(取决于光源区域间距的距离和准直光发射区域的定向)，非发光区域，等等。
通常，发光单元可以边缘耦合到导光条91的任一端，也可以参见图4M中所示的替代方案。在如图8B和图8C所示的示例性实施例中，LED 193未被封装并且使用折射式CPC透镜195来将光耦合到相应的导光条91中。在图8D的示例性实施例中，未封装的LED 194对接耦合到导光单元43。
光源区域57沿着每个导光条91以间距p周期性地设置。然而，光源区域57可以在相邻导光条91之间偏移，例如半间距，即两个光源区域57之间的距离的一半。
来自每个光源区域57的光被准直元件准直，该准直元件接收从相应的光源区域出现的光并且从相应的准直光发射区域发射准直的光。
具体参考图8B的示例性实施例，准直光发射区域197被成形为圆形并且与相应的光源区域57同心。因此，在光源的发光面上的准直光发射区域197之间形成不发光的区域199。这里，区域199也被称为非发光区域。
具体参考如图8C和图8D所示的示例性实施例，准直光发射区域201被成形为六边形并且与相应的光源区域57同心地定位。六边形形状可以形成基本上不存在非发光区域的发光面。六边形可以分别切割的透镜或分别形成的CPC透镜。应注意的是，由于准直元件的结构实施，在准直光发射区域201之间可以保留不发光的小区域。
在示例性配置中，全扇形LED对接耦合到类似于图4E和8D中的构型的小导光条91。从制造的角度来看，这样的构型可能是具有合理高的效率的简单实施。例如，对于0.25mm×0.25mm的LED和具有0.3mm×0.3mm的横截面的导光条，模拟了大约74.8％的输出，其中大约24.8％被LED面吸收，并且大约0.4％被PMMA光导吸收(假设在LED面上吸收20％)。萃取发生在具有100μm直径的光源区域(假设光线照射到光源区域时萃取100％)并且线性排列的光源区域之间的间距为2.9mm，使得光束发散度降低至4°。
在相似的示例性配置中，全扇形LED通过光学金字塔构型耦合到具有0.3mm×0.3mm横截面的约60cm长度的小导光条91。对于0.25mm×0.25mm的发光二极管，约75.6％的输出被模拟为光，在展度考虑下允许2°的光束发散度，其中约23.7％在LED面处被吸收，并且约0.7％被PMMA光导处被吸收(假设在LED面处发生80％的漫反射)。萃取发生在具有100μm直径的光源区域(假设光线照射到光源区域时萃取100％)并且线性排列的光源区域之间的间距为5.8mm。对于4°光束发散度和2.9mm的相应间距，约81.7％的输出被模拟，其中约17.9％被LED面吸收，约0.4％被PMMA光导吸收。沿着光导，刚好在光源区域外的照度分布在可接受的范围内变化，例如在2°配置的光导的中心处下降至70％。
考虑到完整性，再次参考图3A，其示出正方形形状的准直光发射区域61。尽管在图3A中，没有示出相邻导光条91上的光源区域的位置之间的偏移，该正方形形状尤其可以选择各种偏移而无需在发光面当中产生额外的非发光区域。
基于本文公开的概念，本领域技术人员可以理解，可以例如通过在每个导光条91的任一端具有不同发光颜色的发光单元来提供多种颜色。或者，例如在具有(通常观察者状况下的)观察者无法通过眼睛解析的间距(例如非常窄的间距)的实施例中，导光条91之间的发光单元的颜色可以有所不同。在一些实施例中，如果允许增加导光条91的宽度W，则在每个导光条91上可以增加更多的原初光源。
图9A至9C示出了将较窄角度扇形耦合到导光单元中的概念。通常，较窄的角度扇形可以与输入光中心方向的倾斜进行组合。结果发现，在一些构型中使用发散度较小的光束作为输入可以提高萃取效率。倾斜角度扇形可以是圆锥形的(即围绕其输入光中心方向对称)或不对称的(例如适应于导光条的形状)。对于萃取，正交于主正面/背面的平面中的倾斜和扇形被认为是最重要的，并且在下面的图中示意性地示出。
图9A示出了用于透射模式构型的扇形概念，即，例如类似于图6B或图6C所示的概念。CPC透镜203光学耦合到导光单元43，由此限定光源区域57。假定从相对侧耦合到导光单元，在光源区域，来自两侧的光将看到TIR条件的变化(由于几何形状的变化而作为TIR条件的局部中断)，从而从导光单元43中萃取。
在图9A中，指示了两个对向传播的光部分205。由于扇形概念，导光单元43内的光可被理解为具有围绕输入光中心方向209的角度范围207内的传播方向。输入光中心方向209与导光单元43的中心轴线211之间的倾斜由角度θ表示，通常由输入光中心方向209相对于导光单元平面(导光单元为面板形状)或线形(导光单元为条形)的角度给出。在图9A中，进一步示出了萃取的光213，其相对于导光单元43的主正面55A类似地占据有限的方向范围，光213的方向向上突出，因为它将是例如在第一准直光学器件之后的情况(例如图6D的实施例)。
换句话说，扇形概念可以允许向萃取的光提供方向性，例如在±10°、±5°、±4°或±2°的范围内的输入光传播方向的发散。此外，可以相对于导光单元改变输入光中心方向209基本上达到TIR角来以优化光萃取，例如，通过增加由于导光单元的主正面和/或主背面上的TIR相互作用的增加(与沿着中心轴传播的光相比)而与萃取表面相互作用的可能性来实现。
光传播模拟用于评估1mm×1mm×61cm PMMA导光条的萃取效率。具体而言，首先假定导光条通过沿中心轴分布的耦合CPC透镜(认为0.8mm×0.8mm的耦合面积产生导光条内宽范围的光传播方向)从LED接收光，并且在萃取器发射光，萃取器在萃取器间距为2.9mm的情况下在直径为100μm的区域上萃取100％的入射光。根据导光条的PMMA吸收和相反侧的LED再吸收，大于50％的输出耦合效率被模拟，特别是针对在导光条相对侧的LED再吸收的实际吸收值。
当考虑相同的参数但是提供围绕42°(相对于导光条方向)的输入光中心方向和±5°的发散角的扇形输入光分布的倾斜传播时，光输出可能会显著增加，例如大约80％或更多。需要注意的是，如下所述，可能需要考虑由于光注入的倾斜方向导致的导光单元的末端(extrema)处的几何损失。
因此，如上所述，当使用折射元件进行萃取时，输入光扇形的“倾斜”传播可能特别有利。
图9B和图9C示出用于反射模式构型的扇形概念，即例如与图5B或图5C中的构型类似。类似于图9A，对向传播的光部分205可与例如对称反射元件215的两侧相互作用，所述反射元件215用于重定向TIR条件的光以进行光萃取。
在图9B中，公开了使用以中心轴线211的方向为中心的角度扇形。假设以小于45°的角度反射，萃取光213可以基本上正交于主正面55A而被萃取。正交萃取可以简化准直光学器件的设计。另外，由于有效收集萃取的光可能需要更小的光学器件，因此窄扇形可以提供重新准直透镜的合适的间距。如结合图10A至10D所描述的那样，对向传播光部分205的对称配置还可以简化光源区域/准直光发射区域的太阳般外观的界定。
一般而言，反射萃取允许对萃取的光实施一定的方向性。这特别适用于倾斜扇形构型。图9C中示出了其中一些方面。
为了在导光单元内部“倾斜”传播，使用反射元件进行萃取可以提供倾斜的输出光束，同时保持较陡的入射角。如图9C所示，非对称反射元件217包括两个面219A、219B。假定这些面相对于主背面55B对称地延伸，取决于它们的角度和倾斜角度，萃取光213将包括发散部分(如图9A中所示)或基本平行部分(如图9B中所示)。
为面219A、219B提供不同的倾斜角度，可以实现由萃取光213形成的模仿太阳光的光束的定向性。与非倾斜扇形构型(由图9C中的面219B'表示)相比，具有倾斜的扇形构型可以因此确保面219B上的陡峭的入射角。因此，可以在改进反射条件和塑造萃取光轮廓的情况下进行倾斜的扇形构型与倾斜的太阳光束模拟的组合。
类似地，为对向传播光部分205提供不同的倾斜角度和扇形范围可以用于调整该系统。
使用光传播模拟来评估2mm×2mm×61cm PMMA导光条对于角度范围和传播方向不同的倾斜角度扇形的萃取效率。具体而言，假定导光条在例如±5°、±4°、±3°的角度范围内从接近TIR角的角度接收光。对于在98％末端的假定反射率和距离(间距)约3mm的100％吸收的一系列1mm×1mm的方形吸收体，以及如前所述的萃取特征，计算出高达75％及以上的光输出。
为了完整起见，应该注意的是，对于倾斜的角度扇形状况，在导光单元的相对端处可能出现较大的损失。
在本文公开的若干实施例中，使用诸如磷光化合物或量子点结构的下转换元件来产生更宽的光谱。要注意的是，下转换元件实质上可以被认为是各个准直元件的点光源。下转换元件可以被配置为白光发射器。然而，并非所有发射的光都可以使用，因为一些发射将部分地沿着“错误”的方向行进。这些损失的发射可能部分被引导到另一个萃取特征或被吸收在挡板结构中。
特别是当设置有横向超白反射材料时，磷光化合物可以用作具有5μm至300μm、例如10μm至100μm的横向尺寸和/或厚度的混合室。实例包括YAG-磷光体加粘合剂或单层的颗粒状磷光化合物，例如通过粘合剂附着到CPC透镜的PMMA材料上。
关于反射萃取，来自导光单元内的光可以被反射到CPC/透镜或下转换元件上。作为示例，反射棱镜可以形成在导光单元的主背面上，例如延伸到导光单元中。对于感知而言至关重要的是，反射元件的形状应该从准直元件进行回溯性设计。例如，该形状可以是圆形的，以在外观上类似太阳。反射结构可进一步被镜面涂覆以增加反射率或提供聚焦表面形状，以将更多光引导到例如下转换元件上。
如上所述，在不采用任何下转换的反射模式构型中，例如，由于使用宽的白光原初光源，反射表面的形状可能有助于在近场和远场中出现准直光发射面。本发明人认识到，特别是对于导光单元内的对向传播光的构型(例如根据图9A至图9C的情况所讨论的)，萃取特征的构型应特别考虑这种作用，特别是当使用相应的光源进行阳光模拟时。
图10A至10D中公开了反射元件的各种形状，并讨论了各自的近场和远场分布的模拟。
类似于图5C和5D的实施例，图10A示例性地示出了在其主背面55B上设置有用于光萃取的一系列反射棱镜221的导光条91。导光条91可具有1mm×1mm×61cm的尺寸并接收来自LED 223的光，LED 223在相应的侧向耦合面47处经由CPC透镜225耦合到导光条91。
反射棱镜221可以具有100μm的横向尺寸和45°的倾斜角度，以引导平行于导光条的中心轴线行进的光分量基本上在正交于主正面55A的萃取方向222A上行进。相邻反射棱镜之间的间距例如为2.9mm。
在模拟中，LED 223被认为是进入CPC透镜225的朗伯发射器，并且当被已经穿过导光条91(未萃取且未吸收)的光线照射时，LED 223为80％反射器(执行漫反射)。
如图10B所示，反射棱镜是从侧面观看时具有三角形横截面的反射器，而当从主正面55A观察时(即从相应的准直元件观看时)，该反射器具有圆形横截面。因此，反射棱镜221的各反射面227A、227B形成为半圆形状(例如半椭圆状)面，其有助于在相应准直元件的输入侧产生半圆。
上面已经描述了准直元件的示例，并且包括重新准直CPC和/或菲涅耳透镜组合，它们的轴线例如与反射棱镜221的轴线229对齐。尽管针对CPC透镜构型的情况公开了各种示例性实施例，本领域技术人员同样能够想到采用TIR透镜构型替代CPC透镜构型的那些实施例。
重新准直透镜之后的角度分布的形状取决于由准直元件所见的萃取表面的形状。由于反射棱镜221被“切割”为在投影中呈现圆形，在重新准直之后可以获得几乎呈圆形的远场分布231B，如图10D所示。
为了减少或甚至避免光线被反射棱镜221的弯曲侧表面233偏转而逸出到周围环境中并且对从光源发射的光产生作用，应该将吸收器放置在导光条91表面的旁边并围绕相应的耦合CPC。
基于灰度级强度值，图10C示出了一个单个萃取特征的示例性近场分布231A。该斑点的大小约为3mm×3mm。它几乎完全填满了方形“像素”。然而，该像素内的强度调制仍然存在。在3mm×3mm的像素内，似乎没有任何无光的区域。
在第一个CPC下游的次级重新准直透镜，或单独的重新准直透镜获得所需的窄角度。
在图10D中，远场231B例如显示在菲涅耳透镜后面。远场231B基本上是呈圆形的，即使它表现出“环形”调制(modulation)，这可能是由于不在透镜的精确焦平面的萃取特征的轻微散焦引起的。如果亮度足够高，由于“太阳”图像的眩光，该调制可能无法被分辨。
根据光学系统的模拟，对于具有80％LED反射率的61cm×1mm×1mm的导光条，采用通过CPC耦合到导光条的0.7mm LED光源，对于“方形”棱镜反射器的情况其输出被模拟为大约80％(即比通过CPC耦合的0.8mm LED光源略低)。对于“从上方看时呈圆形的”棱镜反射镜，其输出略低于0.8mm光源条件下的输出。
关于主正面55A的光源区域57和非光源区域59，来自非光源区域59的任何所不希望的通量可以是源自光源区域57的通量的大约或小于10％，例如大约或小于5％，或者1％或更少。
通量特性可以刚好在导光单元的主正面的外部测量，即在主正面前方且非常靠近它的表面处(在诸如对光萃取使用TIR抑制的情况下甚至可以为虚拟表面)，例如在距离10μm或更近处，甚至可以与主正面接触。
值得注意的是，结构的可见度并不完全取决于通量大小。例如，在观看照明器时，极其集中在大角度的特定角度范围内的相当微弱的光点也可能导致可察觉的光点，并且可能产生太阳模拟的失真，因为发光的白色光点出现在“太阳”之外。因此，所不希望的非光源区域59的通量可能不会显示高度局部化的斑点或角度局部化的斑点。例如，所不希望的通量的变化可能不超过导致局部平均通量密度的平均值，例如，光源区域的平均光通量的1％或以下。
关于具有下转换元件的构型，可能需要适当的对准，因为特别是将下转换元件与各自的准直元件对齐是非常重要的。例如，下转换元件可能需要位于微型CPC透镜的输入侧或输入侧内。
通常，准直单元可以是透镜阵列结构或微型透镜阵列结构和移位的大型透镜阵列结构，或者CPC透镜结构或者短CPC透镜结构，以及移动的大型透镜阵列结构(在此也称为组合CPC-透镜)或TIR透镜结构。具体而言，组合CPC-透镜结构可以减小准直单元的厚度。可以假定微型CPC透镜的入口侧可以用作点光源，其准直到例如相对于诸如菲涅耳透镜这样的大型次级透镜的30°的输出角度(外部，全部)。
在一些实施例中，挡板结构可以位于(微型)透镜或CPC透镜之间。用于准直元件的材料可以是在相邻PMMA结构之间具有横向气隙的PMMA结构。透镜(一般称为光学元件)结构特别是CPC透镜结构可以被印刷，例如，印刷的CPC阵列结构或印刷的微型CPC阵列结构。
CPC透镜的输入侧的尺寸可以设计为CPC入口开口的直径范围在10μm至200μm，例如50μm至100μm。CPC透镜(一般称为大型透镜)的输出侧为0.5mm至10mm，例如3mm或5mm。假设在CPC透镜的输入面处的角度分布不完全填充CPC透镜的角度光孔，则可能在输出远场中出现孔。例如，由于在导光单元的主正面上缺少垂直入射光，在中心区域内可能会产生孔。
通常，次级大型透镜的焦距可以在准直单元的厚度范围内，例如，在5mm到100mm的范围内，例如10mm或20mm。
在一些实施例中，CPC透镜到导光单元的耦合可以是TIR抑制(frustration)耦合或胶合连接。在使CPC透镜阵列与导光单元接触之前，导光单元可以在所希望的接触位置处设置有具有比所需孔大的黑层。在那种情况下，CPC透镜的输入侧可以限定尺寸和位置，总体来说可以限定光源区域。
通常，准直单元的准直元件特别是大型透镜可以被配置为提供源自准直光发射区域的倾斜光束。例如，可以将次级大型透镜配置为相对于萃取特征或者第一透镜或(微型)CPC的离轴(off-axis)透镜，例如可以将菲涅耳透镜置于离轴位置。萃取特征或CPC与菲涅耳透镜之间的这种不对准可导致准直光束相对于垂直于光导正面的传播在所希望的几度范围内倾斜，例如相对于照明器光孔的法线形成大约15°的倾斜。
应该注意的是，基本在发光面上的对应于均匀亮度分布的均匀发射应该被理解为在取决于例如观察者距离、准直光发射区域的结构类型和尺寸的区域范围上。通常，可以通过将准直光发射区域“尽可能紧密地”布置实现均匀发射，在导光单元内提供基本恒定的光强度，例如，通过将光从两侧耦合到导光条中，并将类似量的光耦合到每个准直元件中。此外，本领域技术人员将会理解，可以例如以基本规则的模式提供基本均匀的光源区域，例如在整个主正面的非光源区域上的规则的栅格结构。在一些实施例中，光源区域可以在至少一个维度上(例如沿着导光条的长度)规则地设置。
在一些实施例中，主正面可以被分成几个部分，并且光源区域可以被设置为基本均匀，例如以相对于主正面的部分基本上规则的模式。例如，分成几部分可能是由于安装的需要，各部分之间的过渡可以由框架元件覆盖。类似地，多个光源可以被组合并且与共同或相应的色彩漫射层相互作用。对于分隔这些部分的建筑/安装框架(例如白色)，各部分之间的距离以及它们的尺寸取决于安装类型和观察者距离(距离越长，最小距离/尺寸越大)。例如，对于室内应用(不是大房间)，在至少一个方向上具有横向延伸的截面尺寸可以在从7cm到更大的范围内，例如大于约20cm。对于大型环境安装，例如在大房间中或者甚至在例如与照明器距离为5m至10m的室外，在至少一个方向上具有横向延伸的截面尺寸可以在从10cm到更大的范围内，例如大于约30cm。
进一步注意到，小LED发光面尺寸可以减少对角度扇形发射的需要，然而，对于小LED发光面尺寸而言，有效地耦合到光导中可能更困难。
此外，应注意的是，可以在准直单元的各个位置处提供均化层，例如前向散射层或小角度漫射器。例如，在CPC透镜的输入侧提供均化层可以获得更均匀的近场和远场；在CPC透镜的输出侧提供均化层，或者在次级大型透镜层处或者甚至在色彩漫射层的上游或下游提供均化层可以进一步使得发射的光更加均匀。由此，例如由发光面的非发光区域产生的结构特征可以在照明器光孔的感知中被减少或者甚至被避免。
关于将来自原初光源的光耦合到导光单元的方面，本文公开的实施例示例性地涉及侧光式导光单元，特别是设置在沿厚度方向连接主正面和主背面的侧向耦合面上的原初光。然而，本领域技术人员将认识到，替代的耦合构型也可以使用主正面和/或主背面。例如，可以使用面发光式LED，例如在主正面或主背面的边界范围内将光提供到导光单元中。
关于导光单元的方面，本文公开的实施例示例性地涉及通过全内反射(特别是归因于折射率配置的相应选择)来引导光。然而，本领域技术人员将认识到，也可以使用替代的导光构型，其例如基于至少部分地或分段地(section-wise)应用在导光单元上的反射层。
以下总结各个方面。本领域技术人员将理解，如本文所公开的并且在从属权利要求中示例性地表明的可行的进一步发展和实施例，分别可应用于在发明内容部分以及下文所表明的那些方面。
(方面)一种特别是用于侧光式大面积照明器的用于发射准直光的光源，该光源包括
导光单元，其具有主正面、主背面以及在厚度方向上连接主正面和主背面的至少一个侧向耦合面，其中，
所述导光单元被配置用于通过所述主正面和所述主背面之间的全内反射来引导在所述至少一个侧向耦合面处接收的光，
主正面包括用于使光通过的多个局部光源区域，所述多个局部光源区域以相等的距离分布在非光源区域上；
多个光源区域的面积相对于主正面的面积(和/或非光源区域的面积)的比率小于或等于20％，例如16％或15％或者更小，或者小于或者等于10％，例如小于或者等于几个百分比，诸如小于或者等于5％，诸如小于或者等于2％，诸如小于或者等于0.2％；
多个发光单元，用于通过所述光发射方向上的所述至少一个耦合面将光发射到所述导光单元中；
准直单元，其沿着所述主正面延伸并且包括光学地耦合到所述多个光源区域的多个准直元件，其中每个准直元件被配置为接收从相应的光源区域出现的光并且从相应的准直光发射区域发射准直光，所述准直光发射区域形成所述光源的发光面。
(方面)一种导光单元(43)，包括：
多个导光条(91)，其中所述导光条一起为导光单元限定了主正面(55A)、主背面(55B)和沿厚度方向(dT)连接主正面(55A)和主背面(55B)的至少一个侧向耦合面(47)，其中多个导光条(91)中的每个导光条(91)
被配置为通过全内反射引导在所述至少一个侧向耦合面(47)处接收的光，以及
包括在所述主正面(55A)处的用于使光穿过的多个局部光源区域(57)，其中所述光源区域(57)沿着所述导光条(91)设置在非光源区域(59)。
(方面)一种光源-导光单元，其包括导光单元，以及
多个发光单元(41)(如本文所公开的进行配置和布置)用于通过所述至少一个耦合面(47)的相应部分将光发射到导光单元(91)中。
尽管本文已经描述了本发明的优选实施例，但是也可以在不脱离所附权利要求的范围的情况下引入改进和修改。

Claims (19)

1.一种用于侧光式大面积照明器(21)的用于发射准直光(29)的光源(25)，所述光源(25)包括：
导光单元(43)，其具有主正面(55A)、主背面(55B)和沿厚度方向(dT)连接所述主正面(55A)和所述主背面(55B)的至少一个侧向耦合面(47)，其中
所述导光单元(43)构造成通过所述主正面(55A)和所述主背面(55B)之间的全内反射引导在所述至少一个侧向耦合面(47)处接收的光，以及
所述主正面(55A)包括用于使光通过的多个局部光源区域(57)，其中所述光源区域(57)设置为均匀地分布在非光源区域(59)内，并分别由所述非光源区域(59)围绕，以及
多个发光单元(41)，用于通过所述至少一个耦合面(47)将光发射到所述导光单元(43)中；
准直单元(45)，其沿着所述主正面(55A)延伸且包括多个准直元件，其中每个准直元件包括输入侧和输出侧，与所述多个光源区域(57)中的一个光源区域光学地关联，并且被配置为在其输入侧接收从相关联的光源区域(57)出现的光，并且从形成在其输出侧的相应准直光发射区域(61)发射准直光(29)；和
分别与光源区域(177)相关联的多个反射结构(117)，其中，所述多个反射结构(117)中的反射结构(117)在从侧面观察时具有三角形横截面，并且在从相应的准直元件观察时具有圆形横截面。
2.根据权利要求1所述的光源(25)，其中在所述主正面(55A)的至少一部分中，所述光源区域(57)在所述非光源区域(59)上以规则的模式设置或者以规则栅格结构设置，和/或
其中所述光源区域(57)设置为规则的栅格结构，所述栅格结构基于一种或多种类型的栅格单元，每种类型的栅格单元具有相同的尺寸，和/或其中栅格单元的形状包括等间距的点。
3.根据权利要求1或2所述的光源(25)，其中，所述多个光源区域(57)关于光传播方向以相等的距离分布在所述非光源区域(59)上，和/或
其中，所述导光单元(43)包括多个导光条(91)，所述多个光源区域(57)沿着所述多个导光条(91)的导光条的长度方向规则地设置。
4.根据权利要求1或2所述的光源(25)，其中，所述多个光源区域(57)的面积相对于所述主正面(55A)的面积和/或所述非光源区域(59)的面积的比率小于或等于20％。
5.根据权利要求1或2所述的光源(25)，其中所述导光单元(43)包括两个相对的侧向光耦合面(47)，每个都与所述多个发光单元(41)中的发光单元(41)的子组(51A，51B)相关联，用于将对向传播光耦合到所述导光单元(43)中。
6.根据权利要求1或2所述的光源(25)，其中由所述准直光发射区域(61)形成发光面(63)，并且连续的所述发光面(63)包括准直光发射区域(61)之间的非发光区域(65)，所述非发光区域(65)与所述准直光发射区域(61)之间的面积比率在所述光源(25)的所述发光面(63)上恒定，和/或
由所述准直光发射区域(61)形成连续的发光面(63)，所述发光面(63)包括所述准直光发射区域(61)之间的非发光区域(65)，其中所述发光面(63)中的非发光区域(65)的部分小于所述准直光发射区域(61)的部分。
7.根据权利要求1或2所述的光源(25)，其中相邻光源区域(57)之间的距离在从0.5mm到50mm的范围内，和/或其中所述光源(25)被配置为使得从所述光源区域(57)发射的光通量为通过所述非光源区域(59)的任何漏光通量的至少10倍或者至少20倍，或者甚至高于50倍，和/或
其中所述光源区域(57)分布在所述非光源区域(59)内，并且由所述非光源区域(59)围绕。
8.根据权利要求1或2所述的光源(25)，其中，所述导光单元(43)在由所述主正面(55A)的形状限定的方向上的延伸远大于所述导光单元(43)在所述厚度方向(dT)上的厚度，并且所述导光单元(43)为面板形状，其厚度在1mm至5mm的范围内，并且横向延伸在0.05m至3m的范围内，和/或其中所述主正面(55A)和所述主背面(55B)相对设置且彼此平行。
9.根据权利要求1或2所述的光源(25)，其中，所述导光单元(43)包括多个导光条(91)，每个导光条(91)包括光学耦合到所述多个发光单元(41)中的至少一个发光单元的至少一个侧向耦合面部分，以及所述多个光源区域(57)的子组，所述子组沿所述导光条(91)以相等距离线性排列，和/或
其中沿着所述导光条(91)的相邻光源区域(57)之间的间距(p)在从1mm到50mm的范围内，和/或
其中，所述导光单元(43)包括多个导光条(91)，所述导光条(91)具有矩形横截面，其厚度在0.1mm至5mm的范围内，横向宽度在0.1mm至5mm的范围内，长度在0.1m至2m的范围内，和/或
其中所述导光单元(43)包括多个导光条(91)，所述导光条(91)被安装到基板(191)上，在与所述导光单元(43)的所述主背面(55B)相关联的所述导光条(91)的相应侧。
10.根据权利要求1或2所述的光源(25)，其中所述光源区域(57)具有10μm至500μm范围内的横向延伸，和/或
对于设置有用于远距离观察的窄扇形原初光或光源的导光单元，所述光源区域(57)具有在高达2mm或甚至高达3mm的范围内的横向延伸，和/或
所述准直光发射区域(61)具有在0.5mm至50mm范围内的横向延伸，和/或
所述多个准直元件的所述厚度延伸在1mm至0.3m的范围内，和/或
所述导光单元(43)的厚度延伸在1mm至5mm的范围内。
11.根据权利要求1或2所述的光源(25)，还包括：
在准直元件之间和/或沿着准直元件延伸的减少串扰的挡板结构(157)，由此减少从光源区域(177)进入与相邻准直元件相关联的准直元件的光量，和/或
沿着所述主正面(55A)在准直元件之间延伸的前部泄漏阻挡结构(159)，和/或
沿所述主背面(55B)延伸且构造为散热器的背部泄漏阻挡结构(105)。
12.根据权利要求1或2所述的光源(25)，其中，所述多个发光单元(41)中的至少一个发光单元包括发光装置，所述发光装置的发光角度范围使得在所述导光单元(34)内的角度范围(207)小于40°，和/或
其中所述角度范围(207)以输入光中心方向(209)为特征，并且所述输入光中心方向(209)相对于所述导光单元(43)的所述主正面(55A)或所述主背面(55B)的法线倾斜，倾斜角度至少为TIR的角度加上所述角度范围(207)的一半，和/或
其中所述多个发光单元(41)中的至少一个发光单元包括白光发射光谱，和/或其中所述多个发光单元(41)包括各种发射光谱。
13.根据权利要求1或2所述的光源(25)，还包括多个下转换元件，其中每个下转换元件与光源区域(57)相关联，
所述多个下转换元件中的下转换元件被定位成接收已经穿过所述光源区域(57)的光，和/或
所述多个下转换元件中的下转换元件位于所述主正面(55A)或所述主背面(55B)的旁边以从已经穿过所述光源区域(57)的光产生光或产生穿过所述光源区域(57)的光，和/或
所述多个下转换元件中的下转换元件位于所述准直单元(45)的相应准直元件的所述输入侧。
14.根据权利要求1或2所述的光源(25)，还包括分别与光源区域(177)相关联的多个反射结构(117)，并且其中
所述多个反射结构(117)的反射结构(117)被定位和配置为反射光，以使光穿过所述光源区域(177)，和/或
所述多个反射结构(117)中的反射结构(117)被定位和配置为将光反射到相应的下转换元件上，和/或
所述多个反射结构(117)的反射结构(117)被配置为聚焦反射器。
15.根据权利要求1或2所述的光源(25)，其中
所述多个反射结构(117)中的反射结构(117)被定位和配置为反射从相反方向照射在其上的光，以使光沿着相似的萃取方向穿过所述光源区域(177)，和/或
所述多个反射结构(117)中的反射结构(117)被配置为形成在所述主背面的反射棱镜，和/或
反射结构(117)具有半圆形或半椭圆形状的反射面(227A，227B)。
16.根据权利要求1或2所述的光源(25)，其中，所述多个准直元件中的至少一个准直元件包括折射光学器件和/或反射光学器件，和/或复合抛物面聚光器和/或
其中，所述多个准直元件中的至少一个准直元件包括用于所述准直光发射区域(61)的圆形或多边形基本形状光孔(35)，和/或其中所述准直单元包括用于将所述准直元件保持在相应位置处的基座结构，所述基座结构被构造为挡板结构。
17.根据权利要求1或2所述的光源(25)，其中所述多个准直元件中的至少一个准直元件被配置为提供所述准直光(29)的传播的至少一个主光束传播轴，所述主光束传播轴与所述发光面(63)正交或相对于所述发光面(63)倾斜，并且其中所有准直元件被配置为提供相同的主方向和/或其中由所述准直元件的元件光轴相对于彼此或相对于所述光源区域的位移所产生的定向光的倾斜。
18.根据权利要求1或2所述的光源(25)，其中所述发光单元配置为发射具有光谱分布的原初光，所述光谱分布补偿由所述原初光在所述导光单元(43)内传播时累积的光谱损失，和/或
其中所述发光单元包括用于在所述导光单元(43)内产生对向传播光的子组(51A，51B)，以补偿所述原初光在所述导光单元(43)内传播时所累积的损失，并在相当的光源区域提供相当的光萃取，使得所述发光面的单位面积区域的亮度是均匀的。
19.一种侧光式大面积照明器(21)，包括：
如权利要求1或2所述的光源(25)，以及
色彩漫射层(27)，其包括嵌入在基体中的多个纳米颗粒，所述多个纳米颗粒被配置为提供红色方面比蓝色方面更强的定向透射以及蓝色方面比红色方面更强的漫射透射，其中，所述色彩漫射层定位成被所述准直光照亮或者定位在所述光源区域(57)的下游。
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