CN109196273A - 具有光导的照明布置 - Google Patents

Abstract

描述了照明布置和将光耦合到光导中的方法。光源（18）嵌入在光导（10）内。光导（10）包括布置在相对侧上的第一和第二外表面（12、14）。前向方向F从光源（18）起平行于第一外表面（12）延伸。准直器（20）嵌入在光导（10）内。准直器包括面向第二外表面（14）的第一反射器表面（26a）和面向第一外表面（12）的第二反射器表面（26b）。光源（18）被布置为在第一和第二反射器表面（26a、26b）之间发射光。第一反射器表面（26a）至少大致平行于前向方向F布置。第二反射器表面（26b）的至少一部分与前向方向F成角度α地布置。

Description

具有光导的照明布置

技术领域

本发明涉及照明布置和将光耦合到光导中的方法。

背景技术

光基于全内反射（TIR）的原理而在光导（即透明固体主体）内传播。光导的透明材料（诸如硅树脂）具有比周围材料（例如空气）更高的密度。以大于临界角的入射角照射介质边界的光线被完全反射。

已知不同类型和形状的光导。特别地，例如平面形状的光导可以用于光照目的。通过光导内的长距离光传播，可以实现来自若干光源（例如LED）的光的非常高效地混合，以允许从出射表面均匀提取光。

为了将光从光源（特别地，从LED）引导到光导中，已知提供嵌入在光导内的光源，即，使得LED的发光表面与光导材料直接接触。然而，对于在大角度范围上发射光的光源（诸如朗伯发射器），需要采取措施以避免由于从光源发射的光在低于临界角的入射角下照射外表面而导致的光导外表面上的亮斑。

US 9297513 B2公开了具有准直器的显示装置，该准直器包括第一和第二反射器、置于准直器的第一和第二反射器之间的光源模块、以及被配置为支撑光源模块的支架。该装置可以包括光学部件。空气光导可以限定在第二反射器和光学部件之间。

发明内容

可以考虑一目的，该目的为提出一种照明布置和一种将光耦合到光导中的方法，其避免光导外表面上的亮斑，同时保持在横贯方向上的小尺寸。

鉴于此目的，提出了根据权利要求1的照明布置和根据权利要求10的方法。从属权利要求涉及优选实施例。

根据本发明的一方面，照明布置包括嵌入在光导内的光源。可以提供单个光源或多个光源，特别是以阵列或行布置的多个光源。尽管通常可以使用任何类型的光源，但是优选固态照明元件，诸如发光二极管（LED）、有机发光二极管（OLED）、激光二极管等。

光导可以是适合于光传播的任何材料，例如玻璃或透明塑料。

光导包括至少第一外表面和相对的第二外表面。前向方向可以限定为从光源到沿着光导平行于第一外表面的方向延伸。光导通常可以是任何形状，诸如例如圆柱、扁平、棱柱形等。在扁平形状的优选情况下，相对的第一和第二外表面可以平行布置、或者（在具有变化厚度的扁平形状（楔形）的情况下）相对于彼此倾斜布置。

根据一个方面，准直器嵌入在光导内。该准直器包括至少第一和第二反射器表面。第一反射器表面被布置为面向第二外表面，且第二反射器表面被布置为面向第一外表面。光源被布置为在第一和第二反射器表面之间发射光。因此，准直器的反射器表面可以用于整形从光源发射的光以在光导内传播。特别地，准直器可以用于相对于光导的深度或厚度尺寸（例如，垂直于第一外表面的方向）来限制所发射的束宽度。

根据一个方面，第一反射器表面可以被布置为至少大致平行于前向方向，而第二反射器表面可以布置为与前向方向成一角度。与第一和第二反射器表面两者都倾斜的准直器相比较，这种布置可以提供有减小的厚度，该厚度以光导的深度方向（例如，垂直于第一表面）来测量。在本上下文中，术语“大致平行”可以理解为包括恰好平行方向以及稍微从其偏离，该偏离可以低于5°，优选地低于3°，最优选地低于1°。

承载第一反射器表面的部件（可以例如标示为第一反射器部件）对厚度做出的贡献非常小，因为它可以平行于前向方向延伸。承载第二反射器表面的部件（即第二反射器部件）可以被布置为与前向方向成一角度地延伸。为适当限制从在第一和第二反射器表面之间中的光源发射的光的宽度所需要的全厚度可以保持相对小。

根据一个实施例，可以选择第二反射器表面的角度与第一和第二反射器表面的长度，使得从光源发射的光被沿着光导以使得该光至少在首次与或者第一外表面、或者第二外表面接触时的入射角高于临界角的方向引导，使得全内反射发生。如在优选实施例的描述中给出的示例示出的，对于给定临界角与第一和第二反射器表面之间的给定最小距离（对应于可以布置在其间的光源的高度），第一和第二反射器表面的尺寸可以由此取决于第二反射器表面的角度来选择，以确保所有光线的发射在合适角度下来确定TIR性质。

在优选实施例中，第二反射器表面相对于前向方向的倾斜角可以是例如2.5°-25°。由于如在详细实施例中所示出的，较低角度可能需要十分长的准直器长度，倾斜角进一步优选为至少5°、或者至少6°。最优选地，倾斜角可以是7°-20°。

根据进一步优选的实施例，第一反射器表面可以以前向方向延伸第一反射器长度，第一反射器长度从光源起测量，并且第二反射器表面可以以前向方向延伸第二反射器长度，第二反射器长度也从光源起测量。优选地，第二反射器长度大于第一反射器长度。特别地，优选提供比第一反射器长度大至少15%的第二反射器长度。进一步优选地，第二反射器长度除以第一反射器长度的商至少是1.3，特别地针对第二反射器表面的倾斜角是5°或更多。进一步优选地，特别地针对倾斜角是7.5°或更多，商可以是至少1.5。在一些实施例中，特别地针对更大的倾斜角，商可以高于1.7或者甚至高于2。

根据优选实施例，准直器可以包括至少第一和第二反射器部件。第一反射器部件包括第一反射器表面，并且第二反射器部件包括第二反射器表面。反射器部件可以例如是嵌入在光导材料内的平面反射镜元件。对应于反射器表面的布置，第一反射器部件可以平行于前向方向来布置，并且第二反射器部件可以与其成一角度地布置。

根据一个优选方面，第二反射器表面可以包括以不同方向布置的多个部分。例如，第二反射器表面可以包括至少大致平行于前向方向延伸的第一位置和与前向方向在上述角度下延伸的第二位置。第一和第二位置可以每个是平面的且可以由边缘分开。

尽管光导可以是任何形状和尺寸，但是优选提供扁平形状的光导，或者具有平行的第一和第二表面，或者具有楔形形状。光源可以布置在其一个边缘处。进一步优选地，多个光源可以沿着边缘布置。对应的一个或多个准直器也可以平行于边缘延伸。

通过下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是明显的并参考下文描述的实施例进行阐明。

附图说明

图1示出了根据一个实施例的照明布置的透视图；

图2示出了图1的照明布置的截面图，其中截面沿着A..A；

图3示出了照明布置的第二实施例的截面图；

图4示出了准直器的长度和厚度以及其取决于角度的部分的图。

具体实施方式

图1示出了具有厚度D、宽度W和长度L的扁平、平面光导10。光导10包括相对的上表面和下表面12、14，并且由边缘定界。沿着一个边缘16，布置光源18与准直器20。

如图1中示意性示出的，来自光源18的光耦合到光导12中。光导12由透明材料（例如硅树脂）制成。光从光源18发射，通过准直器20，以在光导10内传播。

临界角取决于光导10的材料和周围介质（例如空气）的光学指数，高于临界角时发生全内反射（TIR）。例如，对于具有周围空气的硅树脂光导而言，临界角大约为45.17°。以高于临界角的入射角照射边界表面12、14的光由于TIR而被完全反射。

图2以更详细的、放大的截面图示出了沿着光导10的边缘16布置的光源18和准直器20。

光源18和准直器20嵌入在光导10的透明材料中。光源18是沿着边缘16布置的一排侧发射LED中的一个。光学轴线或者前向方向F可以限定为从LED 18的发光表面的中心起沿着光导10的长度L（即平行于光导10的上表面12）。由于在所示出的示例中，光导10的下表面14平行于上表面12布置，所以前向方向F也平行于下表面14。

在所示出的示例中，光源18布置在第一、上准直器部件22和第二、下准直器部件24之间。光源18的高度可以对应于上准直器部件和下准直器部件22、24之间的最小距离。准直器部件中的每一个是平行于边缘16布置的平面反射镜元件。

准直器20包括相对的内反射器表面26a、26b。第一反射器表面26a布置在第一准直器部件22上，并且第二、下反射器表面26b布置在第二反射器部件24上。

第一准直器部件22平行于前向方向F延伸第一准直器长度L1，第一准直器长度L1从光源18的面向前的发光表面起测量。第二反射器部件24包括第一部分24a和第二部分24b，第一部分24a平行于前向方向F延伸，第二部分24b相对于前向方向F以角度α倾斜布置。从光源18起测量，第二准直器部件24以前向方向F延伸第二准直器长度L2。

长度L2大于长度L1。在所示出的示例中，内反射器表面26a相对于前向方向F的角度α是大约15°。长度L2比长度L1大约大80%。

准直器20的形状因此是不对称的。

布置准直器20的内表面26a、26b以限制从光源18发射的束在深度方向D上的宽度，使得所有所发射的光将耦合到光导10中以在其上表面12、或下表面14处经历全内反射。来自作为朗伯发射器的光源18的、不被引导为相对平行于前向方向F的光，将在第一和/或第二反射器表面26a、26b处被反射。图2中示出了示例性束路径。光线在倾斜下反射器表面26b上的每次反射以角度α的两倍增加了相对于厚度方向D的角度。

如所示出的，选择角度α和反射器部件22、24的长度L1、L2，使得准直器发射出的每一光线被引导为：当其照射上表面或下表面12、14时，具有高于临界角的入射角Θ，并且将因此经历全内反射和在光导12内传播。

如图2中所示出的准直器20的厚度d是相对小的。由于第一反射器部件22不是倾斜的，所以它基本上对厚度d没有贡献。第二准直器部件24的第二部分24b以在示例中的α=15°的相对小的角度延伸。全厚度d因此保持相对小。如所示出的，从光源18发射的所有光仍然将经历全内反射并在光导10内传播。

图3示出了具有嵌入光源18和准直器20'的光导10的第二实施例。第二示例与根据图2的第一示例的不同之处在于准直器20'的稍微不同的形状。接下来的描述将集中在实施例之间的不同之处。共同元件将由相同数字标示。

第二示例中的准直器20'具有以α=10°的较小角度倾斜的下反射器表面26b。

图2的示例已经有意构造为刚好小于用于重新引导光经历全内反射的实际所需要的尺寸。经历下反射器表面26b处的两次反射和上反射器表面26a处的三次反射的一种光线30，以恰好临界角Θc照射光导10的下表面14。

因此，技术人员将意识到，提供具有仅稍微更大长度L2的下反射器表面26b，将足以确保所有从光源18发射的光的全内反射。

应当注意，上文提到的实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求范围的情况下设计许多替代实施例。例如，光导的形状可以不同于上文示例中示出的光导10。光导10可以例如是圆的、细长的或者具有倾斜表面，而非具有相对的平行表面12、14的扁平形状。

此外，准直器的实际形状可以不同于上文示出的准直器20、20'。特别地，下反射器表面26b的角度α和长度L1、L2可以改变。

角度α和长度L1、L2的不同数值可以取决于彼此来选择，以便针对所有所发射的光实现TIR条件。确保全内反射所需要的在下反射器表面26b处反射的次数取决于临界角和下反射器表面26b的角度α。

考虑例如，光导12的材料的折射指数为1.41（对于硅树脂材料，产生对空气的边界表面处的临界角为45.17°），且光源高度（或者上反射器表面和下反射器表面26a、26b的最近距离）为0.52 mm，针对角度α大于22.5°，将仅需要一次在下反射器表面26b处的反射来实现在上表面或下表面12、14处的入射角高于临界角。针对角度在11.25°和22.5°之间，将需要最少两次反射。针对角度在7.5°和11.25°之间，最少三次反射，并且针对角度低于7.5°，将需要至少四次反射。因此，需要相应地选择长度L1、L2，来实现所需要的最少反射次数和确保所有束在TIR条件下发射。

图4示出了针对光源高度为0.52 mm且折射指数为1.41的示例的准直器20的尺寸的图。下反射器表面26b的角度α的数值在水平轴上示出。所得的上反射器表面和下反射器表面26a、26b的长度L1、L2以及全准直器厚度d（或者高度，在深度方向上测量）的最小数值在竖直轴上示出。

如可见的，针对角度α低于7.5°，需要相对长的准直器20。从α的数值为7.5°起及之上，所需要的长度数值几乎线性地下降。全准直器厚度d从2.5°的角度处的约0.8 mm大概线性地增加到大约22.5°的角度处的大约1.2 mm。可以观察到，全准直器厚度d总体上变化相当小，使得在所有示例中实现小准直器厚度d。

长度L1、L2对角度α的总体依赖是非线性的，如图4中所示。在下面的表中针对图4的示例示出了长度L2大于长度L1的商。

在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应被解释为限制该权利要求。词语“包括”不排除权利要求中所列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件之前的词语“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的纯粹事实不指示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (9)

1. 照明布置，包括

- 嵌入在光导（10）内的光源（18），所述光导（10）包括至少第一和第二外表面（12、14），所述第一和第二外表面（12、14）被布置在所述光导（10）的相对侧上，前向方向（F）沿着所述光导（10）从所述光源（18）起平行于所述第一所述外表面（12）延伸，和

- 嵌入在所述光导（10）内的准直器（20），所述准直器（20）包括至少面向所述第二外表面（14）的第一反射器表面（26a）和面向所述第一外表面（12）的第二反射器表面（24b），所述光源（18）被布置为在所述第一和第二反射器表面（26a、26b）之间发射光，

- 所述第一反射器表面（26a）至少大致平行于所述前向方向（F）来布置，

- 并且，所述第二反射器表面（26b）的至少一部分与所述前向方向（F）成一角度（α）地布置。

2.根据权利要求1所述的照明布置，其中

- 所述第一反射器表面（26a）以所述前向方向（F）延伸第一反射器长度（L1），所述第一反射器长度（L1）从所述光源（18）起测量，

- 并且，所述第二反射器表面（26b）以所述前向方向（F）延伸第二反射器长度（L2），所述第二反射器长度（L2）从所述光源（18）起测量，

- 其中，所述第二反射器长度（L2）大于所述第一反射器长度（L1）。

3.根据权利要求2所述的照明布置，其中

- 所述第二反射器长度（L2）比所述第一反射器长度（L1）大至少20%。

4.根据上述权利要求中任一项所述的照明布置，其中

- 选择所述角度（α）和所述第一和第二反射器表面（26a、26b）的长度（L1、L2），使得从所述光源（18）发射的光被沿着所述光导（10）以在所述第一或第二外表面（12、14）处的入射角（Θ）高于临界角（Θc）这样的方向来引导。

5.根据上述权利要求中任一项所述的照明布置，其中

- 所述角度α被选择为2.5°-25°。

6.根据上述权利要求中任一项所述的照明布置，其中

- 在7°-20°之间选择所述角度α。

7.根据上述权利要求中任一项所述的照明布置，其中

- 所述准直器（20）包括至少第一反射器部件（22）和第二反射器部件（24），所述第一反射器部件（22）包括所述第一反射器表面（26a），所述第二反射器部件（24）包括所述第二反射器表面（26b）。

8.根据上述权利要求中任一项所述的照明布置，其中

- 所述第二反射器表面包括至少第一部分和第二部分（26b），所述第一部分至少大致平行于所述前向方向（F）延伸，所述第二部分（26b）与所述前向方向（F）成所述角度（α）地延伸。

9.根据上述权利要求中任一项所述的照明布置，其中

- 所述光导（10）具有扁平形状，所述光源布置在其边缘（16）处。