CN110785605A - 光学组件和包含其的器具 - Google Patents

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Abstract

一方面，本文描述了光学组件和包括该光学组件的波导器具。在示例性实施例中，光学组件包括光学壳体、位于光学壳体中的光学插件和位于光学插件中的波导光学器件。波导光学器件包括光提取面和设置在光提取面上的至少两组光提取元件。至少两组光提取元件设置在对称轴的相对侧上，用于提取对称光分布。

Description

光学组件和包含其的器具
技术领域
本发明涉及光学装置，尤其涉及采用光学插件和波导光学器件以提供所需光分布的照明装置。
背景技术
波导光学器件混合并引导由一个或多个光源(例如一个或多个封装或未封装的发光二极管(LED)芯片)发出的光。典型的波导光学器件包括波导主体和一个或多个提取元件。提取元件通过控制光在何处以及沿什么方向离开波导来确定如何去除光。通过适当地对波导表面进行整形，可以控制穿过提取元件的光的流动。选择提取元件的间隔、形状和其他特征会影响波导的外观及其所产生的发射光的角度分布和效率。
对发射光的严格控制和分布整形的能力使波导光学器件成为照明器具的诱人选择。但是，许多照明器具包括标准或通用部件，这些部件旨在简化制造并提高成本效率。照明器具，例如人行道、道路和/或停车场器具，通常采用用于光学部件的标准外壳。在某些情况下，标准光学壳体与波导光学器件不兼容。例如，标准壳体可以负面地改变波导光学器件的光分布，从而排除了将波导光学器件与标准壳体一起用于所需的应用。例如，标准光学壳体可以用在路边器具以及安装在道路中心处或附近的器具中。标准光学器件外壳的设计可以与提供II型或III型分布的波导光学器件兼容，同时破坏V型分布的波导光学器件。
发明内容
鉴于这些缺点，提供了可以提供所需的光分布(包括但不限于大角度光分布)的波导光学器件和相关的光学组件。例如，在一些实施例中，本文描述的照明装置包括光学组件，该光学组件构造为从现有的光学壳体设计和形状系数发射满足V型光分布的要求的对称光分布。
简而言之，照明装置包括光学壳体、位于光学壳体中的光学插件以及位于光学插件中的波导光学器件。波导光学器件包括光提取面和设置在光提取面之上的至少两组光提取元件。光提取元件可包括一个或多个非线性区段，例如半椭圆或弓形提取区段。在一些实施例中，至少两组光提取元件设置在对称轴的相对侧。通过使用本文所述的光学组件来提取光，波导光学器件和反射性的光学插件可以独立于光学壳体设计而发出所需的光分布。所需的光分布可以包括具有高输出通量的对称分布。
在另一方面，提供了用于光学组件的波导光学器件。波导光学器件包括多个侧壁，设置在多个侧壁之间的光提取面以及设置在光提取面之上的至少两组光提取元件。如本文所述，所述组中的光提取元件可包括一个或多个非线性区段，例如半椭圆或弓形提取区段。光提取元件可以直接从波导光学器件的光输入表面和/或至少一个光偏转表面接收光。此外，多组光提取元件可以位于对称轴的相对侧。替代地，多组光提取元件在光提取面上彼此不对称。
在另一方面，提供了一种光学组件的波导光学器件。波导光学器件通过向后提取光(即，朝进入点的优选方向)产生对称光分布。波导光学器件包括具有布置在其中的多个光提取元件的正面、和与该正面相对的背面。在正面和背面之间定义了入口几何形状。多个发光二极管(LED)面对入口几何形状。LED在第一方向上朝向入口几何结构发射光，并且多个光提取元件在至少部分地与第一方向相反的第二方向上提取光。
这些和其他实施例在以下详细描述中进一步描述。
附图说明
图1A示出了根据一个实施例,借助光学插件的反射侧壁、通过示意性波导光学器件重定向光。
图1B-1G示出了根据一些实施例,通过波导光学器件重定向和提取光。
图2A示出了根据一些实施例的照明装置的光学组件的分解图。
图2B-2F示出了根据一些实施例的照明装置的光学组件的相应的后透视图、截面图、细节图和多个透视底视图。
图3A至图3C示出了根据一些实施例的在光学组件中采用的光学插件的相应的后透视图、俯视图和侧视图。
图3D示出了根据一些实施例的反射套管，该反射套管设置为单独件以与光学插件耦合。
图4-5示出了根据一些实施例的图2的光学组件的光分布。
图6A-8F示出了根据一些实施例的照明装置的光学组件的各种波导光学器件。
图9A-图9C示出了根据一些实施例的光学组件到照明器中的集成。
具体实施方式
通过参考以下详细描述和示例以及它们的先前和随后的描述，可以更容易地理解本文描述的实施例。然而，本文描述的元件、装置和方法不限于在详细描述和示例中呈现的特定实施例。应该认识到，这些实施例仅是本主题的原理的说明。在不脱离本文公开的主题的情况下，许多修改和改编对于本领域技术人员将是显而易见的。
将理解的是，尽管这里可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，在不脱离本公开的主题的情况下，第一元件可以称为第二元件，并且类似地，第二元件可以称为第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。
将理解的是，当诸如层、区域或基底的元件被称为在另一元件“上(on)”或在另一元件“上(onto)”延伸时，其可以直接在另一元件上或直接在另一元件上延伸，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接在另一个元件上延伸”时，则不存在中间元件。同样，将理解的是，当诸如层、区域或基底的元件被称为在另一元件“之上(over)”或在另一元件“之上”延伸时，它可以直接在另一元件之上或直接在另一元件之上延伸，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一元件之方”或“直接在另一元件之上延伸”时，则不存在中间元件。还应理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”至另一个元件时，则不存在中间元件。
在本文中可以使用诸如“在下方”或“在上方”、“上方”或“下方”或“水平”或“垂直”之类的相对术语来描述一个元件、层或区域与另一元件、层或区域的关系，如图所示。将理解的是，这些术语以及以上讨论的那些术语旨在涵盖除图中描绘的方位之外的装置的不同方位。
本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。将进一步理解的是，当在本文中使用时，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(includes)”和/或“包含(including)”指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或附加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组。
除非另有定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。将进一步理解的是，除非在此明确地定义，否则在此使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且将不会以理想化或过度官方的意义来解释。
一方面，本文描述了照明装置。照明装置采用光学组件，该光学组件包括光学壳体、位于光学壳体中的光学插件和位于光学插件中的波导光学器件。波导照明器具包括本文描述的照明装置或由本文描述的照明装置形成。在一些实施例中，本文描述的波导照明器具和装置用作用于室外照明应用的室外照明产品。
在照明装置和器具中使用的波导光学器件包括光提取面和设置在光提取面之上的至少两组光提取元件。光提取元件可包括一个或多个非线性区段，例如半椭圆或弓形提取区段。如本文进一步所述，光提取元件可以直接从波导光学器件的光输入表面和/或至少一个光偏转表面接收光。光偏转表面可以通过全内反射来支持光重定向。替代地，光偏转表面可以包括镜面反射涂层。
在一些实施例中，光提取元件组在光提取面之上彼此对称。在对称的情况下，波导光学器件可以包括一个或多个对称轴。例如，两组光提取元件可以位于至少一个对称轴的相对侧。两组光提取元件还可以设置在至少两个对称轴的相对侧上，一个对称轴垂直于光提取面，而另一个对称轴平行于光提取面。替代地，光提取元件组可以在光提取面之上相对于彼此不对称。
可以根据所需的分布(例如，V型、VI型、III型、II型或其他)以各种角度提取经过给定波导光学器件的光。在一些实施例中，以相对于最低点大于60度的角度从波导光学器件提取光，以提供所需的光分布。还可相对于最低点以小于60度的角度从波导光学器件提取光，以提供所需的光分布。本文中由波导光学器件发射的光分布可以在与提取表面和/或波导光学器件的正或顶平面相对的表面或平面上关于至少一条对称轴对称。
特别地，本文描述的光学组件中的波导光学器件是可互换的，使得单个照明装置可以构造为发射满足II型、III型、IV型、V型和/或其他类型的光分布要求的光分布。因此，本文所述的光学组件可以使多个波导光学器件与光学壳体一起使用，该光学壳体具有先前被认为与来自波导光学器件的预期光分布不兼容的结构和/或设计。因此，可以为各种应用的光学器件提供标准的或通用的光学壳体或光学盒，其中通过选择波导光学器件和光学插件来控制特定的光分布。
在图1A示出了根据某些实施例,借助波导光学器件协同光学插件重定向和提取光。在图1A的实施例中，照明装置10包括光学插件12和波导光学器件14(也称为“波导透镜”)。波导光学器件14至少包括通过波导主体15连接的第一光提取部分或区域16A和第二光提取部分或区域16B。第一和第二光提取区域16A和16B围绕沿着装置10的中心线CL定位的对称轴对称地设置。替代地，第一和第二光提取区域16A和16B在装置10的光提取面17和/或中心线CL之上相对于彼此不对称。波导光学器件14构造为提取光，使得所得对称光分布D在与波导光学器件14的提取面17面对或相对的表面S上或之上发射。值得注意的是，光分布D以广角(即＞60°)提取，并且在俯视(平面)图中是旋转对称的。
如图1A进一步示出，装置10部分地通过反射和/或重定向经过波导光学器件14的杂散或泄漏光线以经由光提取区域16A和16B提取来促进有效的光提取。波导光学器件14包括入口几何形状(在该视图中未示出)，当多个LED发射的光进入光学器件14中时，该入口几何形状将多个LED发射的光在两个方向上分离。分离的光线在进入光学器件14时沿每个方向(即如L1、L2)准直。第一组光L1由波导光学器件的波导表面或元件以大于大约60°的第一角度θ1直接提取。光学插件12反射和/或重定向第二组光L2(即，最初未直接经由光提取区域16A和16B提取的光)。然后，第二组光L2被重定向到光提取区域16A和16B，并且随后以第二角度θ2被提取，第二角度也是大于大约60°的广角。
在一些方面，第一组光L1经由相应的第一和第二光提取区域16A和16B的反射侧壁或表面18A、18B直接从装置10提取。这样的表面18A和18B可以包括例如设置在光提取区域16A和16B中的提取元件的表面、侧壁或刻面。第一组光L1在优选方向上以所需的角度θ1离开波导光学器件14的提取面17。
此外，第二组光L2由光学插件的一个或多个反射侧壁19A反射，该反射侧壁环绕波导光学器件14。在通过波导光学器件14提取之前，第二组光L2被侧壁19A反射。然后以所需的角度θ2从波导光学器件14提取第二组光L2。光学插件12的一个或多个反射侧壁19A可以将离开波导光学器件的表面或侧壁的光重定向回到主体中，以通过提取面17的表面进行进一步重定向和提取。在某些实施例中，插件侧壁19A垂直于或基本垂直于插件12的底板或底座19B，这有助于以这种广角提取光。如下面更详细描述的，光学插件12还可以包括一个或多个阶梯状或阶梯化壁(图1A中未示出),其也垂直于底座19B，以改善广角光提取。此外，尽管未在该视图中示出，但是波导光学器件14还可包括与光提取元件相对的一个或多个光重定向元件，其也用于使光重定向通过光学器件14。
组合的光学插件12和波导光学器件14构造为发射所需的光分布D，该光分布D关于至少一条对称轴对称。光分布D可以包括满足II型、III型、IV型或V型分布要求的光，这取决于所选择和使用的波导光学器件14和/或光学插件12。光L1、L2以相对于垂直于提取面17的相应轴线Z1、Z2的所需角度θ1、θ2穿过波导光学器件14的提取面17。
在一些实施例中，一个或多个反射侧壁19A引导光的第一部分以所需的角度穿过提取面17，同时还将光的第二部分重定向回到波导主体中，以进一步通过提取面17的表面(例如，元件表面、刻面、侧壁等)重定向并提取。光学插件12的反射侧壁19A可以重定向从波导光学器件14的部分发射的光，以提供相对于最低点大于60度或相对于最低点小于60度的角度(θ1、θ2)从照明装置10发出的峰值发射。
如下面更详细描述的，一个或多个光提取元件布置在波导光学器件14的光提取区域16A、16B上、之上和/或中。提取元件包括反射表面或反射面，其在某些方面是镜面反射的或提供光的全内反射(TIR)。一些光线遇到波导光学器件的提取元件，并通过满足TIR要求而直接从提取面中提取出来。不能满足TIR要求的光线可能会泄漏出波导光学器件，并借助光学插件、壳体和/或位于波导光学器件下部/背部的重定向刻面或元件,重定向通过波导光学器件。可选的再循环特征也可以设置在波导光学器件14的下(背)面上，用于将泄漏的光线重定向回上(正)面，以通过提取元件进行提取。
波导光学器件14的光提取部分或16A、16B中的提取元件的布置可以通过多种考虑来控制，包括但不限于所需的光分布D的形状、所需的光分布D的尺寸、所需的发光输出、和/或所需光分布D相对于装置10位置的定位或位置。布置在光提取区域16A和16B中的提取元件可以包括线性元件、非线性元件、或线性和非线性元件的组合(即，如在提取面的平面中以平面图观察的)。在使用时，非线性元件可以是基本上弯曲的、椭圆形的、半椭圆形的、圆形的、半圆形的、螺旋的、弓形的、以规则形状布置和/或以不规则形状布置。线性和非线性元件的面可相对于光提取面为锥形、弯曲、有刻面、无刻面和/或基本垂直(即，正交)。每个光提取区域16A和16B中的元件的布置可以是不对称的、关于至少一条对称线对称、关于至少两条对称线对称、或者关于多于两条对称线对称。
光学插件12完全或部分地围绕波导光学器件14设置，并且定位在波导光学器件14和光学壳体(也称为“光学盒”)之间。光学插件12包括反射侧壁19A和反射底座19B，它们共同形成被构造为接收波导光学器件14的反射室。光学插件12的反射侧壁19A相对于波导光学器件14的侧壁的布置可以通过多种考虑来控制，包括但不限于波导光学器件14的形状和光分布特性、光学壳体的各种结构和设计特征，和/或照明装置10的所需光分布。
在一些实施例中，例如并且如下文所详细描述的，光学壳体包括一个或多个反射壁、和与光学插件12的反射侧壁19A和底座19B协同工作的底表面。在这样的实施例中，光学插件12不需要包括与光学壳体的反射表面或结构重叠的反射侧壁。例如，光学壳体可包括反射底壁和/或侧壁，该底壁和/或侧壁与光学插件12的反射侧壁19A协同工作，以重定向离开波导光学器件14的光。
图1B-1C分别示出了总体上标记为14A的波导光学器件的前透视图和截面图，其示出了在第一进入点X1进入光学器件的光的重定向和提取。图1D-1G分别示出了波导光学器件14A的前透视图、后透视图、侧视图和截面图，其示出了在第二进入点X2进入光学器件的光的重定向和提取。在图1B至图1G中示出了光学器件14A的一半的光的重定向和提取，仅用于说明目的，使得在各个视图中的光学器件14A的其余特征是可见的并且不受阻碍。如图1B-1G所示，可以以不同角度提取在不同点(即，X1、X2)进入光学器件的光。由相对的光提取区域E1和E2提取的光的总体图案是对称的。
现在一般参照图1B和1C，波导光学器件14A包括正面或正侧S1、和与正面相对的背面或背侧S2。在波导光学器件14A的正侧S1上、之上和/或之内限定了多个光提取区域。例如，在波导光学器件14A的第一侧S1中形成和/或以其他方式限定至少第一光提取区域E1和第二光提取区域E2。第一和第二光提取区域E1、E2中的每个包括一个或多个光提取特征或元件EX。
值得注意的是，第一和第二光提取区域E1和E2关于至少一条沿着光学器件14A的中心线CL的对称轴对称设置。各个光提取元件EX也关于沿着中心线CL定位的对称轴对称地设置。在替代实施例中，每个区域中的第一和第二光提取区域E1和E2和/或提取元件EX在光学器件14A的第一侧S1之上相对于彼此不对称。
波导光学器件14A构造成借助于在区域E1和E2中对称布置的提取元件EX来提取对称光分布。值得注意的是，波导光学器件14A构造成以广角(即＞60°)提取对称光分布，从而使得所得的分布在平面图中是旋转对称的。如图1B进一步示出，光由光源(例如，LED，未示出)发射，并在第一进入点X1处进入波导光学器件14A，在此处，该光经由光学器件14A的入口几何形状G分离成两个部分和两个方向。入口几何形状设置在光学器件的第一侧S1和第二侧S2之间和/或限定在它们之间。进入光学器件14A的光在水平面上准直，并且在垂直平面上以广角对称地提取(例如，向后)。入口几何形状G具有多个光输入表面，这些光输入表面的横截面基本上或大致为抛物线形或楔形，使得LED光在进入波导光学器件时均匀分离成两个不同的部分和方向。
直接通过第一非线性(例如，弯曲的)提取元件EX，沿向后方向(即，相对于其进入光学系统的方向向后)提取通过波导光学器件14A传播的第一组(部分)光L'1。在提取之前，光学器件反射和/或重定向通过波导光学器件14A传播的第二组(部分)光L'2。例如，第二组光L'2可以包括杂散的和/或泄漏的光线，该杂散的和/或泄漏的光线借由形成在光学器件14A中的一个或多个光重定向元件(刻面)的一个或多个TIR表面的反射和/或重定向,通过光学器件传播。替代地，第二组光L'2可以由包围波导光学器件14A的光学插件(即，图1A中的12)反射和/或重定向。波导光学器件14A可在背侧S2上包括一个或多个重定向刻面，用于将第二组光L'2向后朝向正侧S1上的提取元件EX重定向，以用于向后提取。每个提取区域E1和E2可以包括可选的背向元件ER，其相对于其余提取元件相反地弯曲和/或定向，以有效地向后提取光L'2。即，背向元件ER有助于将光有效地向后提取到水平面上的特定方向(即优选方向)。
如图1C所示，波导光学器件14A还包括形成在其正侧S1中的提取面17A。值得注意的是，光沿第一方向D1进入光学器件14A，并沿第二、优选方向D2从提取面17A提取，该第二、优选方向相对于第一方向D1相反和/或基本上指向后方。以大于约60°的广角θ'1、θ'2提取光。波导光学器件14A构造为将光引向优选方向D2，该优选方向D2至少稍微向后朝向第一进入点X1(图1B)。光在第一进入点X1附近进入光学器件14A，从而使一些光沿优选方向D2直接被提取(例如L'1)，而其它光(例如L'2)在沿优选方向D2提取之前被重定向。
图1D-1G示出了在与图1B和1C所示的进入点不同的第二进入点X2处进入波导光学器件14A的光的提取。在第二进入点X2处进入波导光学器件14A的光被入口几何形状G分为瞄准不同方向的不同部分。例如，直接由光提取元件EX提取通过波导光学器件14A传播的第一部分光L”1。通过波导光学器件14A传播的第二部分光L”2在提取之前通过光学器件14A重定向。可以在通过光提取元件EX之一进行提取之前，通过至少一个光重定向元件或刻面(即，图1E的RF1)来重定向第二部分光L”2。
图1E是光学器件14A的与第一正侧S1相对的背面或背侧S2。多个光重定向刻面RF1(也称为光重定向元件)设置在第二侧S2上或之上。也可以在重定向刻面RF1的部分的周围设置可选的再循环特征RF2。光重定向刻面RF1和再循环特征RF2可借由光学器件14A的一个或多个TIR表面对光的反射和/或重定向，来共同重定向通过光学器件14A的光线。也就是说，第二部分光L”2的至少一些可以传播到背侧S2，并且经由重定向刻面RF1和/或再循环特征RF2的TIR表面从背侧S2重定向到正侧S1。然后，通过光提取元件EX从光学器件14A提取重定向的光。值得注意的是，至少一些光(即，第一部分光L”1或第二部分光L”2)在瞄准向后朝向入口几何形状G和第二进入点X2的方向上至少部分地向后提取。
图1F是沿图1D所示方向观察的光学器件14A的侧视图，图1G是光学器件14A的截面图。如这些图共同地示出的，波导光学器件14A构造成提取广角(即，＞60°)光，使得所得的分布在平面图中是旋转对称的。从光学器件的第一侧S1沿优选方向提取在几何形状G的第二进入点X2进入光学器件14A的光，该优选方向相对于入口几何形状G和第二进入点X2至少部分地向后。以相对于垂直于光学器件14A的提取面的相应轴线Z”1、Z”2大于约60°的广角θ”1、θ”2提取光。光接近第二进入点X2进入光学器件14A。一些光直接通过提取元件EX在优选方向上提取(例如，第一部分L”1)，而其他光(例如，第二部分L”2)则在沿优选方向提取之前，通过布置在光学器件14A的第二侧S2上的重定向或再循环元件(例如，RF1、RF2)重定向。
在一些实施例中，本文所述的波导光学器件、装置和器具，构造成发射具有满足V型分布要求的分布以及街道和区域照明应用的至少24,000流明的输出的光。也就是说，单个照明装置或器具可以发射具有至少24,000流明输出的V型分布。波导光学器件可以在器具中互换使用，也可以用于壳体中，该壳体还可以支撑发射满足II型、III型和/或IV型分布要求的光的光学器件。本文所述的波导光学器件和光学插件发射特定的光分布，并用于光学组件中，该光学组件还包括一个或多个(可选的)反射套管和/或光学壳体。套管与波导入口几何形状(例如，楔形或抛物线形)匹配，以通过将逃逸的光线定向回波导光学器件中来促进改进的光学性能和效率。
此外，发光二极管(LED)芯片、封装或部件(即，通常称为“LED”)在波导光学器件的多个光耦合区域处耦合至光学组件。光耦合区域包括包含一个或多个抛物线形或楔形光输入表面的入口几何形状。该组件将在垂直于光耦合面、或其部分的平面中发射对称光分布，其中，光线通过波导光学器件的提取元件的提取刻面相对于光输入表面正交地被提取。
提取元件、重定向元件或刻面以及光学插件的TIR表面的组合可以改进光学分布。总体光学效率随插件反射率的增加而增加。例如，反射率大于97％的插件会产生约88％的总体光学效率。提取元件的TIR表面的光反射、以及通过重定向元件和/或光学插件的重定向和重新反射将波导光学器件和采用该波导光学器件的装置的总效率提高到至少85-99.9％，或它们之间的任何子范围(例如，效率为85-95％、94-98％、92-98％等)。总效率是通过将从波导光学器件提取的光量除以注入波导光学器件中的光量而计算出的百分比。
本文所述的装置和器具提供的高输出通量可进一步归因于至少两组LED。每一组LED以面朝波导光学器件的相应光提取区域的阵列形式提供。LED组和光提取区域可以关于至少一条对称轴对称地设置(即，对称)，以提供对称光分布。替代地，LED组相对于装置的中心线不对称。如本文所述，每个照明装置和/或器具可以提供多于两组的LED和光提取区域。例如，每个波导光学器件可以提供两组LED和光提取区域、每个波导光学器件可以提供三组LED和光提取区域、每个波导光学器件可以提供四组LED和光提取区域等等。在某些实施例中，每个波导光学器件提供偶数个(即，是2的倍数)组的LED和光提取区域。
进入波导光学器件的光通过每个光耦合区域的入口几何形状分为两个方向。光在水平面上准直，并在垂直面上以广角对称地被提取。入口几何形状具有多个光输入表面，这些光输入表面的横截面基本上或大致为抛物线形或楔形，使得LED光在进入波导光学器件时沿两个不同方向均匀分离。分离的光线在每个方向上均准直。在一些实施例中，入口几何形状的抛物线形或楔形部分具有多个区段或刻面，从而可以更有效地使光准直。
本文所述的波导光学器件包括与本公开内容一致的任何合适的光学材料并由其形成，例如，丙烯酸(聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))、尼龙、聚碳酸酯、聚氨酯、硅酮、玻璃、环烯烃共聚物、合成聚合物、光学液体和/或它们的组合，为了达到所需的效果和/或外观，可能以分层或层压布置。波导光学器件可以通过模制(例如，注射模制)、3D打印、挤压或与本公开一致的任何其他合适的工艺形成为透镜。进一步并且在某些实施例中，本文描述的波导光学器件由透明材料形成，由此通过TIR发生在光学器件中和/或通过光学器件的光的提取、反射和/或重定向。替代地，例如在需要时通过添加(可选的)镜面反射材料片或金属沉积，可以将一个或多个提取、反射和/或重定向特征的表面制成镜面反射的。本文所述的波导光学器件可以在5至50mm厚之间，或在其之间的任何子范围(例如，在5至10mm厚之间、在10至15mm厚之间、在10至20mm厚之间等等)。在某些实施例中，波导为至少12mm厚，以容纳多排光发射器。
波导光学器件、相关联的光学插件和光学壳体的前述架构和操作原理将参考图2A-9C所示的非限制性实施例进行进一步描述。
图2A是根据一些实施例的照明装置的光学组件(总的标记为20)的分解图。光学组件20包括光学壳体30、光学插件50、可选套管60和波导光学器件70。值得注意的是，波导光学器件70包括多个光提取区域80A、80B。在一些实施例中，波导光学器件70包括构造为提取对称光分布的对称光提取区域80A、80B。替代地，成组的光提取区域80A、80B在波导光学器件70上相对于彼此不对称。波导光学器件70和/或光学插件50可互换地(例如，可单独或组合互换)设置在光学壳体30中，使得单个组件20可以有利地发射不同的光分布，包括但不限于II型、III型、IV型和V型光分布。
现在转向本文描述的光学壳体30的特定部件并参考图2A-2F，光学壳体30包括上面32、下面34和在它们之间限定的隔室35。上面34构造为接触和/或接合光学插件50的部分。下面34构造为接触和/或接合照明器具的部分(例如，参见图9B)。
隔室35构造成接收光学插件50，并且包括一个或多个侧壁38和底壁40。侧壁38和底壁40可以是但不必是漫反射材料、镜面反射材料、或漫反射材料和镜面反射材料的组合。在一些实施例中，底壁40是与壳体的上面32正交的单个连续壁，并且称为“平坦”壳体。在其他实施例中，底壁40包括多个壁或壁区段，每个壁相对于至少一个其他壁和上面32以一个或多个角度Ф设置。在该实施例中，光学壳体30称为“背楔入”壳体。壳体30可以包括平坦的壳体或背楔入的壳体，以符合插件50和/或集中放置在其中的波导光学器件70的尺寸和/或形状。
光学壳体30可包括布置在壳体的第一侧或端部30A中的一个或多个侧壁孔42、或布置在壳体的第二侧或端部30B中的多个侧壁孔42。侧壁孔42构造为接收穿过其中的光耦合区域90的部分，使得LED(即，图9B中的420)可以与光耦合区域90接口连接，如下面更详细地描述的。
光学组件20可通过使一个或多个紧固件，与壳体30的多个侧连接区域44、和中央连接区域45中的一个或多个接口连接，而被附接和/或固定到照明器具(即，图9A-9C中的400)。例如，侧和中央连接区域44、45可包括螺纹孔或非螺纹孔，用于在其中接收和固定一个或多个销、螺钉、螺栓或其它类型的紧固件，从而将光学组件20固定至器具(即，图9A中的400)。
现在转向本文所述的光学插件50的特定组件，且仍总体上参照图2A-2F，这样的插件50可以定位在光学壳体30的隔室35中。光学插件50包括构造为接收波导光学器件70的隔室52。隔室52限定在顶表面54和底表面55之间以及在正面58和背面59之间。隔室52进一步由多个反射侧壁53A和反射底壁(即，图3A的53B)限定。反射侧壁53A和反射底壁53B(即，图3A的53B)限定了反射室，波导光学器件70位于该反射室中。
光学插件50可进一步包括布置在插件的第一侧或端部50A中的一个或多个侧壁孔56、和布置在插件的第二侧或端部50B中的一个或多个侧壁孔56。侧壁孔56允许波导光学器件70的光耦合区域90与诸如多个LED(即，图9B的420)的光源相接。波导光学器件70的光耦合区域90可以延伸穿过每个侧壁孔56并且直接与LED(即，图9B中的420)接口连接。
此外，光学插件50的反射侧壁53A包括与波导光学器件70的外表面和/或侧壁布置匹配的壁架或梯台57。使反射侧壁53A阶梯化可使插件50能够有效地最大化光学壳体30与波导光学器件70之间狭窄和/或有限空间的使用，同时保持所需的光分布和光学性能。当单个或非阶梯的反射壁不适合或不兼容光学壳体30和/或波导光学器件70的结构特征时，将反射侧壁53A阶梯化也提供了多种设计选择。反射侧壁阶梯化将侧壁定位为垂直于反射器底板，从而在提取期间光线可以以广角传播(例如，图1A中的θ1和θ2)。例如，使反射侧壁阶梯化有利地在波导光学器件的顶部上以广v角提供光线。此特征可最大程度地利用波导光学器件和光学插件之间的狭窄空间，同时保持大v角。如上所述，两组或更多组光线通过本文所述的波导光学器件和装置传播,以广V角进行提取。一组光线直接从波导中提取，而不会遇到光学插件。另一组光线由逃逸或反射光线组成，它们会遇到光学插件，并由阶梯化侧面重定向。
在一些实施例中，光学插件50包括设置在反射侧壁53A和/或底壁(图3A的53B)上或之上的一个或多个镜面反射器膜，包括ESR膜。这样的膜可从St.Paul,MN的3M商购获得。在其他实施例中，本文所述的光学插件可以直接由镜面反射片热成型。光学插件50也可以由非镜面反射材料例如由热塑性片材热成型，并且随后被金属化以提供镜面反射侧壁和底壁。用于金属化工艺的合适金属包括银和铝。
在进一步的实施例中，反射侧壁53A和/或反射底座(即图3A的53B)可以由镜面反射片和金属化表面的组合形成。例如，光学插件的反射侧壁53A可包括金属化表面，而底壁(即图3A的53B)和反射套管60包括ESR膜。可以考虑将金属化表面和镜面反射膜的任何组合用于光学插件。Lim等人的题为“Optical Inserts and Wavefixture Fixtures”的美国专利申请序列号15/347,413(Cree docket no.P2644US1)中详细描述了光学插件50的具体特征和元件，其通过引用整体并入本文。
波导光学器件70可定位在光学插件50中。波导光学器件70包括波导主体72和设置在主体72的部分上、之上和/或之内的光提取面76。光提取面76形成波导光学器件70的上面或正面，并且布置在多个侧壁71之间。波导光学器件70还包括与光提取面76相对的光重定向面96，光重定向面形成下表面或背表面。光提取面76的尺寸和形状由多个侧壁71限定。波导光学器件70至少包括位于靠近光学器件的第一侧或端部70A的第一光提取块或区域80A、和位于靠近光学器件的第二侧或端部70B的第二光提取块或区域80B。第一和第二光提取区域80A和80B通过波导主体72彼此连接。例如并且在一些实施例中，波导主体72包括分别连接第一和第二光提取区域80A和80B的凸缘。
总体上仍参考图2A-2F，波导光学器件70还包括设置在光学器件的相对端70A、70B上的光耦合区域90。每个光耦合区域90与光学器件的相应的光提取区域80A、80B相对、面对和/或靠近设置。例如，第一光耦合区域90与第一光提取区域80A相对、面对和/或靠近设置，并且第二光耦合区域90与第二光提取区域80B相对、面对和/或者靠近设置。每个光提取区域80A、80B包括多个光提取元件86。第一光耦合区域90靠近光提取元件86的第一组S1(图2B)设置，并且第二光耦合区域90靠近光提取元件86的第二组S2(图2B)设置。如果需要，每个组件20可以提供超过两个的光提取区域(即80A、80B)和相应的光耦合区域90。在某些实施例中，每个波导光学器件70提供偶数个光提取区域(即80A、80B)和相应的光耦合区域90，以输出对称光分布。
每个光耦合区域90包括非线性入口几何形状。非线性入口几何形状包括多个非线性光输入表面92或由其形成。非线性光输入表面92限定了从耦合面(例如，图2C)延伸到波导主体72中的多个耦合腔或特征。非线性光输入表面92的部分是抛物线形或楔形的，并且形成抛物线形或楔形的入口几何形状。抛物线形或楔形的光输入表面92关于对称轴对称，该对称轴居中设置在紧邻表面之间。当组装在波导器具中时，多个光发射器(包括但不限于LED)朝向并面对入口几何形状和输入面定位。当LED光进入波导光学器件70时，其入口几何形状和表面92将LED光在两个方向上均匀分离。分离的光线在进入波导光学器件70时沿每个方向准直。
现在参考图2B，可以看出，波导光学器件70的第一和第二光提取区域80A和80B每个都包括位于光提取面76的相应凹部或区域R中的相应组的光提取元件86。例如，第一光提取区域80A包括第一组Set1提取元件86，第二光提取区域80B包括第二组Set2提取元件86。提取面76的每个凹区域R包括多个桥84，桥至少部分地围绕提取元件86设置。桥84可以将波导光学器件牢固地连接并支撑到凸缘。
如图2B进一步示出，第一组Set1光提取元件86设置在对称轴A1的第一侧上，并且第二组Set2光提取元件86设置在对称轴A1的第二侧上。提取元件86的这种布置有利地促进以大垂直角(即，大于60度)提取对称光分布，用于宽分布。设置在第一光提取区域80A中的提取元件86和桥84是第二光提取区域80B中的提取元件86和桥84的镜像。可替代地，第一光提取区域80A中的提取元件86和桥84相对于第二光提取区域80B中的光提取元件86是不对称的。
光提取元件86可包括多个非线性提取元件、多个线性提取元件、或线性和非线性元件的组合。非线性提取元件的示例性实施例包括弯曲的、圆形的、椭圆形的、半椭圆形的、半圆形的、螺旋形的、弓形的、或者以在提取面76的平面中观察到的非线性形状或图案设置的元件。从提取面76的平面看，线性元件86可以布置成形成开放或封闭的规则形状(例如，三角形、正方形等)或开放或封闭的不规则形状。线性和非线性元件86的面(例如，图2C中的86A、86B)可以是锥形的、弯曲的、带刻面的或无刻面的，以改善光提取。此外，线性和非线性元件86的面(例如，图2C中的86A、86B)基本垂直于凹底板82或与凹底板倾斜。这些面(例如，图2C中的86A、86B)也可以具有带有至少一个弯曲表面轮廓的扫掠特征。
图2C是沿着图2B中所示截面的经组装的光学组件20的截面图。当组装时，光学插件50布置在光学壳体30和波导光学器件70之间，并且与光学壳体30和波导光学器件70的部分接触。波导光学器件70包括光提取面76和光重定向面96。光耦合面F(即LED光源面向并耦合到光学元件的位置)基本上与光提取面76和光重定向面96都正交。光重定向面96接触光学插件50的部分，并且将杂散光或逸出的光重定向回波导光学器件70和/或其部分(即，到达光耦合区域90或提取面76)。重定向面96可以与光学插件50和/或壳体30协调工作，以将光重定向到波导光学器件70的提取面76。
如图2C进一步示出，每个光提取元件86包括第一光提取面86A和第二、相对面86B。光学器件70的光提取面86A相对于凹底板82基本正交地布置，并且有利于向后的光提取。光提取面86A是主要通过TIR促进光提取的TIR表面。光提取元件86的第二、相对面86B相对于凹底板82基本弯曲或圆形和倾斜。光提取元件86的第二、相对面86B也可以反射光。
波导光学器件70的光重定向面96包括布置在其上的多个光重定向元件91。光重定向元件91可以是镜面反射的、漫反射的、或部分镜面反射的和部分漫反射的。光重定向元件91与光学插件50、壳体30和/或其表面或部分协同工作，以将光重定向到光提取表面76，在此可以广角提取光以形成所需的对称光分布。光重定向面96的各个区段可以是镜面反射的，而其他部分则显示出漫反射率。可以根据多种考虑选择光重定向元件91的数量和布置以匹配和/或对应于提取元件86，这些考虑包括但不限于所需的光分布的尺寸、形状和/或类型(即，II型、III型、IV型、V型等)。
在一些实施例中，光学插件50完全包围波导光学器件70的侧壁和底座。在替代实施例中，光学插件50没有完全包围波导光学器件70的侧壁和/或底座。光学插件50可以选择性地定位在光学壳体30的隔室35中，使得光学壳体30的反射侧壁38和/或底壁40也与光学插件50和光重定向面96协同工作，以从光学组件20提供所需光分布。
图2D是如图2C所示的光耦合区域的详细视图。如图2D所示，可以提供一个或多个可选的反射套管60。根据一些实施例，在提供套管的情况下，套管60可以覆盖并匹配波导光学器件70的光耦合区域90的外部几何形状。波导光学器件70可以在光耦合区域90中朝向面向LED的光耦合面F逐渐变细。反射套管60匹配波导光学器件70的锥角，从而提供与光耦合区域90中的波导光学器件70的几何形状匹配的孔入口几何形状。
反射套管60可以可选地包括带纹理的表面，例如，包括刻面62，该刻面用于使逃离了光耦合区域90的光返回到波导光学器件70。不能在耦合区域90中满足TIR的光线可以泄漏离开波导光学器件70。反射套管60可以帮助将任何逃逸的光线重定向回到耦合区域90，以在波导光学器件70中重新分布，从而提高光学效率。在图2D的实施例中，波导光学器件70还包括用于将LED阵列板对准到光耦合区域90的对准销P。提供图2A-2D仅出于说明目的。在不脱离本主题的情况下，许多修改和改编对于本领域技术人员将是显而易见的。
图2E-图2F示出了布置在波导光学器件70的背(底)面或背(底)侧上或之上的各种特征，该背(底)面或背(底)侧在光提取面76的相对侧或下面的表面。例如，图2E-2F示出了与光学器件70的光重定向面96相关的各个方面。图2E和2F的不同之处在于，图2E包括可选的光再循环特征97，而图2F没有。
现在参考图2E-2F，并且通常，多个光重定向刻面85(也称为“光偏转表面”)围绕光重定向元件91的部分设置。刻面85构造为将光重定向到光提取元件86，并且由于满足TIR要求而促进了光提取。替代地，刻面85可以是镜面反射的，并且将光重定向到光提取元件86以促进光提取。例如，刻面85所偏转的光(即，通过满足TIR要求或镜面反射)然后被重定向到提取元件86并由提取元件提取。在一些实施例中，刻面85设有镜面反射涂层。在其他实施例中，刻面85经由TIR表面反射光并且没有镜面反射涂层。
刻面85构造为使光重定向通过光学器件70和/或经由提取面76离开光学器件。刻面85构造为引导光通过和/或离开波导光学器件70并朝向光提取元件86。所提取的光在与光提取面76相对的平面或表面和/或光学器件70的正平面或顶平面之上形成基本对称的光分布。可以以锐角、钝角或直角设置相邻的刻面85，以提供所需的光输出。此外，每个刻面85可以形成与每个相应的凹区域R的凹底板82基本正交的表面或壁(图2B)。
参考图2E所示，在一些实施例中，可以在光学器件70的重定向面96上或之上设置可选的再循环特征97。再循环特征97可以通过模制、挤压、印刷或与本发明不矛盾的任何其他合适的方法形成在重定向面96中，并且包括与其余光学器件70相同的透明材料。在使用时，再循环特征97设置成围绕刻面85的周界和/或包围刻面85，以通过TIR表面将光重定向回到光学器件中。例如，杂散的或泄漏的光线经由再循环特征97被引导至提取元件86。现在参考图2F，并且在一些实施例中，光学器件70没有再循环特征97。而是，多个刻面85经由TIR表面使光重定向通过光学器件70。刻面85将光朝向光提取元件86定向，以在优选方向上向后提取，例如图1C所示和所述。
图3A-3C示出了光学插件50的透视俯视图、俯视平面图和侧视图。参考图3A-3C，并且如上所述，光学插件50包括由多个反射侧壁53A和反射底壁53B限定的反射隔室52。隔室52限定在顶表面54和底表面55之间以及在正面58和背面59之间。在需要时，隔室52可以完全或部分覆盖波导光学器件70。
在一些实施例中，多个梯台57形成包围波导光学器件70的侧壁的连续边界。底壁53B基本上是平坦的或平面的，以容纳波导光学器件70的底壁。侧壁孔56允许LED(即光源)和波导光学器件70的光耦合区域90之间的接口连接。侧壁孔56还可将套管60保持抵靠光耦合区域90的部分。
如图3B所示，反射侧壁53A包括用于形成覆盖和/或包围波导光学器件70的侧壁的连续边界的笔直部分和弯曲部分两者。反射侧壁53A垂直于或基本垂直于底壁53B。一个或多个反射侧壁53A与反射底壁53B形成85-95度之间的角度。反射侧壁53A相对于光学插件50的反射底壁53B的垂直取向可以使逃逸波导光学器件70的光重新定向，以相对于垂直于提取面的轴线成大于60度的角度穿过提取面76。光的这种广角分布可以使光学组件满足V型和/或II型光分布的要求。
图3D是反射套管60的透视图。每个光学组件20可设置两个或更多个反射套管60。反射套管60可以定位成与插件50的侧壁孔56相邻，并且覆盖波导光学器件70的光耦合区域90的部分。反射套管60可以是分离的、离散的材料块或主体。然而，反射套管60也可以与插件50、壳体30和/或波导光学器件70中的任何一个一体成型。
根据一些实施例，反射套管60可以设置为单独的材料块，以与光学插件50和波导光学器件70耦合。反射套管60包括反射主体64，该反射主体具有构造为面对光学插件50的第一表面61、和构造为面对波导光学器件70的第二表面63。反射套管60的尺寸设置成覆盖波导光学器件的光耦合区域90。在一些实施例中，例如，波导光学器件70逐渐变细以匹配光耦合区域90的逐渐变细。反射套管60的部分可以倾斜(即，成角度α和/或β)以匹配光耦合区域90的锥角和/或几何形状。相应地,角度α和β可以响应于光耦合区域90的几何形状考虑而彼此独立地不同。
套管60包括一个或多个可弯曲或可移动构件64A，其可相对于其余主体64以各种角度α、β定位。在一些实施例中，角度α和β是相同的值。例如并且在一些实施例中，角度α和β各小于约90度。在其他实施例中，角度α和β是不同的值。提供图3A-3D仅出于说明目的。在不脱离本主题的情况下，许多修改和改编对于本领域技术人员将是显而易见的。
图4-5示出了与由本文所述的光学组件(包括光学组件20)提供的光分布相关的方面。如图4和5所示，波导光学器件与光学插件协同提供V型分布，其峰照明强度大于60度。
图6A-8D示出了根据一些实施例的用于照明装置和/或器具的不同的波导光学器件。图6A-8D中的各种波导光学器件的基本特征、架构和/或操作原理是相似的；然而，每个波导光学器件利用光提取元件和光重定向元件的不同布置来提供不同的光分布。值得注意的是，由每个波导光学器件提取的光分布关于至少一条对称线对称，并且具有至少24,000流明或更高的高输出通量。分布可以包括II型、III型、VI型或V型光分布中的任何一种。任何其他类型的光分布也可以通过图6A-8D阐述的光学器件来提取，与本公开一致。
图6A-6D示出了用于照明装置的光学组件(例如，图2的20)的总的用100表示的波导光学器件。图6A是波导光学器件100的透视图，图6B是波导光学器件100的顶侧或正侧100A的平面图，图6C是波导光学器件100的底侧或背侧100B的平面图，并且图6D是沿着6B中所示的线截取的波导光学器件100的截面图。
大体上参考6A-6D，波导光学器件100包括波导主体102，该波导主体102包括在主体的正侧100A上的正表面或顶表面104、和在主体的背侧100B上的背表面或底表面106。顶表面104和底表面106设置在主体102的相对侧上。光学器件的正侧100A构造为经由光提取面108从多个LED提取特定光分布。光学器件的底表面100B构造为与光学组件的光学插件和/或壳体(例如，图2A的20)协同工作，并且使光重定向通过和/或到达光提取面108。提取面108设置在多个侧壁103之间。提取元件的侧壁103和正面116A包括TIR表面，其主要通过TIR促进光提取。可以经由刻面(即，图6C中的115)和/或布置在相对面上的重定向元件(即，图6C中的124)将光重定向(例如，通过偏转/反射)到提取元件116。
如图6A和6B所示，正侧100A包括第一光提取区域110A和第二光提取区域110B。每个光提取区域110A和110B包括终止于凹底板112的凹部。多个光提取元件116布置在凹底板112之上。在该实施例中，多个光提取元件包括居中地设置在多个非线性(弯曲的)提取元件之间的至少一个线性(非弯曲的)提取元件。弯曲的提取元件116以半圆形或半椭圆形布置围绕线性元件布置。多个桥114围绕凹底板112的部分设置并且围绕光提取元件116的部分。光提取元件116的正光提取面116A是向后(即，朝向光耦合区域118)提取光的折射面。光提取元件116可以提取直接从LED光源接收的光、或从刻面115(图6C)和/或光重定向元件124(图6C)间接接收的光。
如图6A进一步示出,在给定的光提取区域110A和/或110B中的每组光提取元件116内，多个光提取元件116关于对称线X2不对称。每个光提取区域中的光提取元件116在对称线X2的任一侧上都不具有镜像，并且可以没有对称线。光提取区域110A和110B构造为从面对并且耦合到一个或多个光耦合区域118的多个光发射器(诸如LED)提取对称光分布。如图6B所示，光提取区域110A和110B关于将顶表面104一分为二的对称轴XS彼此对称。
参考图6C并且在一些实施例中，光学器件100的背侧100B包括在其中形成的多个刻面115和/或光重定向元件124。多个刻面115和/或其部分是全部或部分镜面反射的，用于将光朝向光提取元件116重定向。然后，光提取元件116可以经由折射表面(即116A)向后提取光。替代地，刻面115包括TIR表面，其将光向后朝向光提取元件116重定向。
相邻的刻面115相对于彼此以不同角度δ1和δ2设置。角度δ1和δ2在需要时可以具有基本相同的值或不同的值，以提供所需的光分布和/或输出。值得注意的是，包括刻面和/或重定向元件124的光重定向区域关于至少第一对称轴XS对称，并且在某些情况下，关于两条或更多条对称轴对称。
进一步总体关于图6A-6D，可见每个光耦合区域118包括非线性入口几何形状。入口几何形状由多个非线性光输入表面120形成。非线性光输入表面120限定了从耦合面F(见图2C)延伸到波导主体102中的光耦合腔或特征。非线性光输入表面120的部分是抛物线形或楔形的，并且形成抛物线形或楔形的入口几何形状。抛物线形或楔形的光输入表面120关于对称轴对称，该对称轴居中设置在紧邻表面之间。抛物线形或楔形入口几何形状的部分构造为将来自耦合到其的LED的光分成两个方向。然后将光在水平面上准直，并通过光提取面108在垂直面上以广角对称地提取。
图6C更详细地示出了光学器件的背侧100B。背侧100B面对和/或接合光学插件的部分(即，图3A的50)。底表面106是光重定向面，其构造为将光从背侧100B重定向到正侧100A。多个光重定向元件124设置在光重定向面之上。多个光重定向元件124设置在与第一和第二光提取区域110A和110B相对的第一光重定向区域122A和第二光重定向区域122B中。每个区域122A和122B中的光重定向元件124可以是线性和非线性元件的组合。多个刻面115围绕光重定向元件124布置，并且经由TIR表面将光重定向到正侧100A。刻面115可以关于对称线对称或不对称和没有对称线。在一些实施例中，光重定向元件124具有带有至少一个弯曲表面轮廓的扫掠特征。此外，光提取和重定向元件可以具有成对的关系，用于在朝向入口几何形状提取之前将光级联。
图6D是波导光学器件100的截面图。如图6D所示，每个光提取元件116包括正、光提取面116A和背面116B。正面116A有助于经由TIR向后提取光。所述正面可以相对于凹底板112以大约90度的角度θ基本正交。背面116B可以弯曲、逐渐变细或远离凹底板112在垂直方向倾斜。每个光重定向元件124包括朝着光提取面108逐渐变细或弯曲的光重定向面124A。
输入光(即，入射光)L1将在光学耦合区域118附近进入光学器件100，并沿基本正交的方向和/或瞄准的向后方向(即，向后朝向输入光L1的方向)被提取。例如，提取的光LE在基本上垂直于光提取面108的平面的方向上，并且在至少部分地向后朝向进入点的优选方向上聚焦。输入光L1以接近入口几何形状的慢角度反射，并以超过60度的大垂直角度提取，用于宽分布。
图7A-7D示出了波导光学器件200，其形式、功能和操作与前述光学器件相似。波导光学器件200包括多个弯曲的光提取元件并且没有线性光提取元件。图7A是波导光学器件200的透视图，图7B是波导光学器件200的顶侧或正侧200A的平面图，图7C是波导光学器件200的底侧或背侧200B的平面图，并且图7D是沿着图7B中所示的线截取的波导光学器件200的截面图。
简而言之，波导光学器件200包括波导主体202，该波导主体202包括在主体的正侧200A上的顶表面204、和在主体的背侧200B上的底表面206。光学器件的正侧200A经由光提取面208从多个LED提取特定的光分布。光学器件的底侧200B构造为与光学组件的光学插件和/或壳体(例如，图2A的20)协同工作，并且使光重定向通过和/或到达光提取面208。提取面208设置在多个反射侧壁203之间，所述多个反射侧壁203促进光提取和/或将光重定向到一个或多个光提取元件。
在光提取面208上或之上设置有多个光提取区域210A、210B。每个光提取区域210A和210B包括终止于凹底板212的凹部。多个光提取元件216布置在凹底板212上之上。在该实施例中，多个光提取元件216包括限定四分之一圆形表面区域的多个平行曲率。提取元件216包括至少一条对称线并且是同心的。替代地，提取元件可以是不对称的。元件216经由垂直设置的正、光提取面216A提取光。正面216A经由折射表面向后(即，朝向光耦合区域218)提取光。元件216包括折射性的背面216B。多个桥214围绕提取元件216布置。两个光提取区域210A和210B关于至少第一对称轴XS对称，并且在一些情况下，关于两条或更多条对称轴对称。替代地，两个光提取区域210A和210B是对称的。在某些实施例中，光提取区域210A和210B构造为从面对并且耦合到一个或多个光耦合区域218的多个光发射器(包括但不限于LED)提取对称光分布。对称轴线XS将顶表面204一分为二，如图7B所示。
图7C示出了光学器件200的背侧200B，背侧包括在其中形成的多个刻面215和/或光重定向元件224。在一些实施例中，每个刻面215和/或其部分是全部或部分镜面反射的，用于将光朝向光提取元件216重定向。然后，光提取元件216可以经由折射表面(即216A)向后提取光。替代地，刻面215可以包括TIR表面，其将光向后朝向光提取元件216重定向以促进光提取。光提取元件216可以提取直接从LED光源接收的光或间接从刻面215和/或光重定向元件接收的光。
每个光耦合区域218包括由多个非线性光输入表面220形成的非线性入口几何形状。非线性光输入表面220延伸到波导主体202中。非线性光输入表面220的部分是抛物线形或楔形的，并形成抛物线形或楔形的入口几何形状。抛物线形或楔形入口几何形状构造为分离光，以便可以通过光提取面208对称地以广角提取光。
背侧200B构造成面向和/或接合光学插件的部分(即，图3A的50)。光学器件200的底表面206是光重定向面，其构造为将光从背侧200B重定向到正侧200A。多个光重定向元件224在提取元件的部分之上布置在光重定向面之上。多个光重定向元件224在第一光重定向区域222A和第二光重定向区域222B上成组地构造。第一和第二光重定向区域222A和222B与第一和第二光提取区域210A和210B相对。每个区域222A和222B中的光重定向元件224是弯曲的并且基本平行。
图7D是波导光学器件200的截面图。每个光提取元件216包括正、光提取面216A和背面216B。正面216A有助于向后光提取，而背面216B弯曲、逐渐变细或远离凹底板212倾斜。每个光重定向元件224包括相对的光重定向表面224A和224B，它们朝着光提取面208逐渐变细或弯曲。
入射光LI接近于光耦合区域218进入光学器件200，并在相对于L1基本上正交和/或至少部分地向后的方向上被提取。所提取的光LE在基本上垂直于光提取面208的平面的方向或平面上输出。输入光LI以慢角度在接近入口几何形状被反射，并以超过60度的大垂直角度被提取，用于宽分布。例如，所提取的光LE在基本上垂直于光提取面的平面的方向上，并且在至少部分地向后、向后朝向进入点的优选方向上聚焦。
值得注意的是，一些输入光LI可以从耦合区域逸出并在入口几何形状附近以慢角度被反射套管(图3D)反射。逸出的光可以由反射套管(图3D)引导(该反射套的部分相对于水平面如上所述倾斜)并进入波导光学器件300。最终，任何逸出的光线将通过本文所述的提取元件和刻面沿优选方向提取。
在图8A-8D中示出了总体上以300表示的波导光学器件的另一实施例。图8E-8F是光学器件300的部分的细节图。波导光学器件300在形式、功能和操作上与先前描述的光学器件相似。波导光学器件300包括多个弯曲的光提取元件并且没有线性光提取元件。图8A是波导光学器件300的透视图，图8B是波导光学器件300的顶侧或正侧300A的平面图，图8C是波导光学器件300的底侧或背侧300B的平面图，而图8D是波导光学器件300沿着图8B中所示的线截取的波导光学器件300的截面图。
简而言之，波导光学器件300包括波导主体302，该波导主体302包括在主体的正侧300A上的顶表面304、和在主体的背侧300B上的底表面306。光学器件的正侧300A经由光提取面308从多个LED提取所需的光分布。光学器件的底表面300B构造为使光重定向通过和/或到达光提取面308。提取面308设置在也便于光提取的多个反射侧壁303之间。
在光提取面308上方设置有多个光提取区域310A、310B。每个光提取区域310A和310B包括终止于凹底板312的凹部。多个光提取元件316设置在凹底板312之上。在该实施例中，多个光提取元件316包括形状基本为四分之一圆形的多个曲率。两个弯曲元件316是同心的并且彼此平行，而至少一个其他弯曲元件316是相反地弯曲的。给定组的提取元件中的各个元件316关于轴XS2不对称，但是，相反组的提取元件关于轴XS是对称的。替代地，给定组的提取元件中的各个元件316和相对组的提取元件在提取面308之上彼此不对称。
元件316经由垂直布置的正光提取面316A提取光。这样的面316A可以经由折射表面向后(即，向后朝向光耦合区域318)提取光。元件316包括可以是弯曲的、锥形的或圆形的背面316B。多个桥314围绕提取元件316布置。光提取元件316可以提取直接从LED光源接收的光、或从刻面(图8C的315)和/或光重定向元件(图8C的324)间接接收的光。
光提取区域310A和310B构造为从面对光提取面316A并耦合到一个或多个光耦合区域318的多个光发射器(诸如LED)提取对称光分布。每个光耦合区域318包括由多个非线性光输入表面320形成的非线性入口几何形状。
图8C更详细地示出了光学器件的背侧300B。光学器件300包括在其背侧300B上或之上形成的多个刻面315和/或光重定向元件324。背侧300B面对和/或接合光学插件(即，图3A的50)的部分。底表面306是光重定向面，构造为将光从背侧300B重定向到正侧300A。刻面315包括TIR表面，TIR表面将光重定向至光提取元件316以促进光提取。光提取元件316可以提取直接从LED光源接收的光、或者间接从刻面315和/或光重定向元件324接收的光。
多个光重定向元件324设置在光重定向面之上。多个光重定向元件324设置在与第一和第二光提取区域310A和310B相对的第一光重定向区域和第二光重定向区域中。每个中的光重定向元件324是弯曲的并且是非线性的。在一些实施例中，一个或多个再循环特征或构件317围绕重定向元件324和/或刻面315的部分设置，并且环绕或包围重定向元件和/或刻面的部分。再循环构件317是可选的，并且便于将泄漏的光线重定向回到上(正)面，以通过提取元件提取。
图8D是波导光学器件300的截面图。每个光提取元件316包括正、光提取面316A和背面316B。正面316A相对于凹底板成角度θ设置，该角度θ约为90度(+/-5度)。正面316A促进向后的光提取，而背表面316B弯曲、逐渐变细或远离凹底板312倾斜。每个光重定向元件324包括相对的光重定向表面，并且朝向光提取面308逐渐变细或弯曲。入射光LI接近光耦合区域318进入光学器件300，并在基本上垂直于LI的方向上被提取。某些入射光LI可能从耦合区逸出，并被反射套管(图3D)以慢角度反射并被引导到光学器件300中。最终，光LI被提取和/或重定向，然后经由提取构件和刻面以宽对称分布被提取。所提取的光LE基本垂直于光提取面308的平面。入射光LI在入口几何形状附近以慢角度或大角度反射，并以各种垂直角度提取，用于宽分布。在一些实施例中，所提取的光LE在至少部分地向后、向后朝向进入点的优选方向上被瞄准或定向。
图8E是如图8C所示的光耦合区域318的详细平面图。图8F是光耦合区域318的透视图。如图8E-8F所示，光耦合区域318包括由多个非线性光输入表面320形成的非线性入口几何形状。多个基本平行的谷部321设置在非线性输入表面320之间。输入表面320可以是基本光滑的或不光滑的。如图8F所示，输入表面320可以纹理化或图案化，并且在某些实施例中，是弯曲的、刻面的或具有柱状的肋状面323。柱状面323促进将光分离成两个方向并使光准直。
本文所述的波导光学器件、光学组件和照明装置构造用于室外照明产品，例如用于室外照明器具(例如，街道照明器具、停车场照明器具、道路照明器具等)。本文所述的此类装置和器具发射具有至少约24,000流明或更高(即24,000-50,000流明或它们之间的任何子范围，例如24,000-32,000流明、32,000-35,000流明等)的高输出通量的光。通过改变LED光源和/或增加电功率，可以在需要时改变输出通量范围。
此外，本文所述的装置和器具发射具有约2500-6000开尔文(K)或它们之间的任何子范围(例如3000-5000K、3500-4500度等)的色温的光。
此外，本文所述的装置和器具具有至少约90流明每瓦(LPW)、至少100LPW、至少110LPW、至少115LPW或大于115LPW(例如116-120LPW)的功效。此外，本文所述的装置和器具中采用的波导光学器件表现出至少约90％的总效率(即，从波导光学器件中提取的光除以注入到波导光学器件中的光)。通过本文阐述的装置和器具获得至少约80，并且在一些实施例中至少为85或90的显色指数(CRI)。
Wilcox等人的题为“Luminaire Utilizing Waveguide”的美国专利申请序列号14/657,988(Cree docket no.P2237US2)和Lim等人的题为“Luminaires UtilizingOptical Waveguide”的美国专利申请序列号15/192,979(Cree docket no.P2611US1)中描述了各种波导光学器件的其他特征、元件、架构和/或操作原理，每个申请的公开内容通过引用整体并入本文。
本文所述的装置和器具所采用的光学壳体(即，图2A中的30)可以用作一种或多种照明器构造的标准或通用光学壳体。通过选择波导光学器件(即70、100、200和300)和光学插件来控制光学组件的特定光分布。
图9A至图9C示出了根据一个实施例，将光学组件401集成到照明器具400中。照明器具400包括壳体402。壳体可以由高强度、轻量组合物形成，例如紫外线稳定的聚合物，以改善耐候性和耐久性。壳体402包括第一端402A和第二端402B。光学组件401位于壳体的第一端402A附近，并且安装部分406位于第二端402B附近。
安装部分406构造为将器具400耦合至杆、柱或其他支撑结构。壳体包括门404，该门404便于免工具进入和进入壳体402的部分，例如，以促进光学组件401或其部分的容易进入和/或维修或更换。门404构造为绕点403移动(例如，通过枢转)以打开和关闭壳体。
隔室424设置在壳体402中。隔室424构造为接收光学组件401。光学组件包括定位在光学插件50中的波导光学器件300(在图8A-8D中描述)。光学器件300和插件50将定位在光学壳体30中并由其保持。光学组件401的每个光耦合区域318构造为耦合到LED组件410。各个LED(即，图9B中的420)面向光耦合区域318，并且沿与光提取面308的平面基本正交的方向将光注入光学组件401。
LED组件410包括多个LED光源(即，图9B中的420)和用于从LED组件410散发热量的散热器412。通风口414设置在壳体402中，用于释放从LED组件410提取的热量。LED组件410电连接到驱动器416，该驱动器416电激活LED并且使LED产生光。
参考图9B，LED组件410还包括用于保持驱动器416和相关电路的驱动器外壳422。相关的电子器件位于隔室424中，在光学组件401的部分的附近和/或下方。LED组件410包括与波导光学器件401的一侧接口连接的LED 420的阵列。LED 410以阵列418设置，并且在一些实施例中，布置在印刷电路板(PCB)上或之上。在该实施例中，每个阵列418包括三行的18个LED。采用多个阵列418有助于至少24,000流明、并且在某些方面至少32,000流明的高输出通量。图9C示出了经组装的照明器具400。门404可沿方向D移动以打开和关闭器具。
LED 420是包括封装的LED芯片或未封装的LED芯片(即，板上芯片(COB)阵列)的光源。LED 420可以包括相同或不同的类型和/或构造。LED 420例如可以是单色的或任何所需的颜色组合。LED 420可以包括单个或多个磷光体转换的白色和/或彩色LED、和/或单独或一起安装在单个基底或封装上的裸LED芯片，其包括例如至少一个涂覆磷光体的LED芯片，所述涂覆磷光体的LED芯片单独或与至少一种彩色LED芯片(例如绿色LED、黄色LED、红色LED等)组合使用。
LED 420可以包括磷光体转换的白色或彩色LED芯片和/或直接安装在PCB上的相同或不同颜色的裸LED芯片和/或安装在印刷电路板(例如金属芯印刷电路板或FR4板)上的封装的磷光体转换的白色或彩色LED。在一些实施例中，LED 420可以直接安装到散热器412或另一种类型的板或基底。取决于实施例，如本领域普通技术人员将理解的那样，可以采用使用远程磷光体技术的LED布置或照明布置，并且远程磷光体技术的示例在转让给本主题的受让人的美国专利号7,614,759中有所描述，并且其通过引用并入本文。
在要产生具有改善的显色性的柔白照明的那些情况下，LED 420(即芯片、元件、模块或多个这样的元件或模块)可以包括一个或多个蓝移的黄LED和一个或多个红或红/橙LED，如转让给本主题的受让人的美国专利号7,213,940中所述的，其通过引用并入本文。
根据需要，LED 420可以沿波导主体的一个或多个边缘以不同的构造和/或布局布置。可以使用封装在分立封装中和/或直接安装在印刷电路板上作为板上芯片布置的单个和/或多个LED芯片的其他LED组合，来产生不同的色温和外观。在一个实施例中，光源可以包括任何LED，例如，采用
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LED技术的XP-Q LED或Lowes等人于2012年10月10日提交的题为“LED Package with Multiple Element Light Source and EncapsulantHaving Planar Surfaces”的美国专利申请13/649,067(Cree Docket No.P1912US1-7)中所公开的，其公开内容通过引用并入本文，如本申请的受让人Cree,Inc.所开发和制造的。在另一个实施例中，光源可以包括由Cree，Inc.开发的XQ-E LED。
本文公开的集成LED光源的实施例中的任何一个都可以包括具有降压调节器、升压调节器、降压-升压调节器、反激转换器、SEPIC电源等和/或采用其的多级电源转换器的功率或驱动电路，并且可以包括如Hu等人在2014年5月30日提交的题为“High EfficiencyDriver Circuit with Fast Response”的美国专利申请序列号14/291,829(Cree docketno.P2276US1,attorney docket no.034643-000618)或Hu等人于2014年5月30日提交的题为“SEPIC Driver Circuit with Low Input Current Ripple”的美国专利申请序列号14/292,001(Cree docket no.P2291US1,attorney docket no.034643-000616)中公开的驱动电路，其通过引用并入本文。驱动器416和/或相关联的电路可以进一步与控制本文公开的任何实施例的色温的光控制电路一起使用，例如Pope等人在2014年5月30日提交的题为“Lighting Fixture Providing Variable CCT”的美国专利申请序列号14/292,286(Creedocket no.P2301US1)中公开的，其通过引用并入本文。
传感器模块(未示出)可以位于壳体上或之上，用于感测环境光条件和/或其他条件，包括但不限于温度、湿度、二氧化碳、一氧化碳、挥发性有机化合物、声音和机械振动和加速。传感器模块还可以包括射频(RF)通信设备。例如，照明器可以是无线分布式照明网络的一部分。例如，网络的照明器可以经由电气和电子工程师协会标准802.15或其某种变体相互通信。使用无线网状网络在照明器之间进行通信可以提高其可靠性，并允许无线照明网络跨越大面积。
在上面引用的题为“Distributed Lighting Network”(Cree docketno.P2592US1)的美国专利申请序列号62/292,528中提供了采用RF通信的照明器和无线网络架构的示例。当RF通信设备被包括在传感器模块中时，可以在照明器部件的构造中采用RF传输材料，以便不干扰RF传输或接收。
具有关于图9A-9C描述的设计和构造的照明器具可用于各种应用中，包括道路照明、人行道照明和/或停车场照明。其他应用包括仓库或竞技场照明以及过道照明。
为了实现本文阐述的各种目的，已经描述了本主题的各种实施例。应该认识到，这些实施例仅是本主题的原理和方面的说明。在不脱离本公开的情况下，其许多修改和改编对于本领域技术人员将是显而易见的。

Claims (49)

1.一种照明装置，包括：
光学壳体；
光学插件,其定位在所述光学壳体中的；和
波导光学器件,其定位在光学插件中，所述波导光学器件包括光提取面和设置在光提取面之上的至少两组光提取元件。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述两组光提取元件设置在对称轴的相对侧。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其中，每组光提取元件包括多个非线性提取元件。
4.根据权利要求3所述的照明装置，其中，所述非线性提取元件是弓形的。
5.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述波导光学器件还包括与所述光提取面相对的光重定向面、和设置在所述光重定向面之上的多个光重定向元件。
6.根据权利要求1所述的照明装置，还包括：靠近第一组光提取元件设置的第一光耦合区域、和靠近第二组光提取元件设置的第二光耦合区域。
7.根据权利要求6所述的照明装置，其中，所述第一和第二光耦合区域包括非线性入口几何形状。
8.根据权利要求7所述的照明装置，其中，所述入口几何形状的部分是抛物线形或楔形的。
9.根据权利要求8所述的照明装置，还包括面对所述入口几何形状的多个光发射器。
10.根据权利要求9所述的照明装置，其中，所述发光器是发光二极管(LED)。
11.根据权利要求10所述的照明装置，其中，所述LED构造为发出红色、蓝色或绿色的光。
12.根据权利要求7所述的照明装置，还包括覆盖所述第一和第二光耦合区域的部分的多个反射套管。
13.根据权利要求12所述的照明装置，其中，所述反射套管是镜面反射的。
14.根据权利要求12所述的照明装置，其中，所述反射套管包括带纹理的表面。
15.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述光学插件包括多个反射侧壁，所述多个反射侧壁构造为使从所述波导光学器件发射的光重定向，以相对于最低点大于60度的角度提供来自所述照明装置的峰值发射。
16.根据权利要求15所述的照明装置，其中，所述一个或多个反射侧壁是镜面反射性的。
17.根据权利要求15所述的照明装置，其中，所述一个或多个侧壁包括多个侧壁孔，所述波导光学器件通过所述多个侧壁孔与光源接口连接。
18.根据权利要求15所述的照明装置，其中，所述光学插件还包括反射底壁。
19.根据权利要求18所述的照明装置，其中，所述一个或多个反射侧壁和所述反射底壁限定了反射室，所述波导光学器件定位在所述反射室中。
20.根据权利要求18所述的照明装置，其中，所述一个或多个反射侧壁相对于所述底壁倾斜。
21.根据权利要求18所述的照明装置，其中，所述反射侧壁是阶梯化的。
22.一种集成根据权利要求1所述的照明装置的照明器具，其中，所述照明器具构造为发射满足V型要求的光分布。
23.根据权利要求22所述的照明器具，其中，所述照明器具构造为输出至少24,000流明。
24.一种光学组件的波导光学器件，所述波导光学器件包括：
多个侧壁；
光提取面,其设置在多个侧壁之间；和
至少两组光提取元件,其设置在光提取面之上，其中，至少两组光提取元件设置在对称轴的相对侧。
25.根据权利要求24所述的波导光学器件，其中，每组光提取元件包括多个非线性提取元件。
26.根据权利要求25所述的波导光学器件，其中，所述非线性提取元件是弓形的。
27.根据权利要求24所述的波导光学器件，其中，每组光提取元件包括一个或多个非线性提取元件、和一个或多个线性提取元件。
28.根据权利要求24所述的波导光学器件，其中，所述波导光学器件还包括与所述光提取面相对的光重定向面、和设置在所述光重定向面之上的多个光重定向元件。
29.根据权利要求24所述的波导光学器件，还包括靠近第一组光提取元件设置的第一光耦合区域、和靠近第二组光提取元件设置的第二光耦合区域。
30.根据权利要求29所述的波导光学器件，其中，所述第一和第二光耦合区域包括非线性入口几何形状。
31.根据权利要求24所述的波导光学器件，其中，所述波导为至少12mm厚。
32.根据权利要求30所述的波导光学器件，其中，所述入口几何形状的部分是抛物线形或楔形的。
33.根据权利要求30所述的波导光学器件，其中，所述入口几何形状包括图案化的表面。
34.一种集成根据权利要求24所述的波导光学器件的照明器具，其中，所述照明器具构造为发射满足V型要求的光分布。
35.一种光学组件的波导光学器件，包括：
正面,其包括至少两组光提取元件；
背面,其与正面相对；
入口几何形状,其限定在正面和背面之间；和
多个发光二极管(LED),其面对入口几何形状，其中，LED在第一方向上朝向入口几何形状发射光，并且其中，光提取元件在至少部分地与第一方向相反的第二方向上提取光。
36.根据权利要求35所述的波导光学器件，其中，所述入口几何结构包括多个柱状刻面，所述多个柱状刻面构造为将光偏转到所述波导光学器件的波导主体中。
37.根据权利要求35所述的波导光学器件，其中，第一行线性排列的LED在所述波导光学器件的中心处的水平面附近耦合至所述波导光学器件。
38.根据权利要求37所述的波导光学器件，其中，在靠近所述水平面处耦合所述波导光学器件的第一行线性排列的LED相对于在所述波导的中心处的垂直平面偏移。
39.根据权利要求35所述的波导光学器件，其中，多个线性排列的LED耦合至所述入口几何形状。
40.根据权利要求36所述的波导光学器件，其中，所述柱状刻面耦合至至少两个不同颜色的LED。
41.根据权利要求36所述的波导光学器件，其中，每个刻面具有不对称表面。
42.根据权利要求41所述的波导光学器件，还包括多个入口几何形状，并且其中每个入口几何形状与容纳所述波导光学器件的光学插件的侧壁孔对准。
43.一种光学组件的波导光学器件，包括：
正面,其包括多个光提取元件；
背面,其包括多个光重定向刻面；
入口几何形状,其限定在正面和背面之间；和
多个发光二极管(LED),其面对入口几何形状并发光；
其中入口几何形状构造为将光分成至少第一部分和第二部分，第一部分光通过光提取元件之一直接从波导光学器件中提取，而第二部分光在被光提取元件之一提取之前由至少一个光重定向元件重定向，并且
其中第一或第二部分光在朝向入口几何形状的方向上至少部分地向后提取。
44.根据权利要求43所述的波导光学器件，其中，所述光提取元件是非线性的。
45.根据权利要求43所述的波导光学器件，其中，所述光提取元件具有扫掠特征，所述扫掠特征具有至少一个弯曲表面的轮廓。
46.根据权利要求43所述的波导光学器件，其中，所述光重定向元件是非线性的。
47.根据权利要求43所述的波导光学器件，其中，所述光重定向元件具有扫掠特征，所述扫掠特征具有至少一个弯曲表面的轮廓。
48.根据权利要求43所述的波导光学器件，其中，所述光提取和重定向元件具有成对的关系，用于在朝着入口几何形状提取之前将光级联。
49.根据权利要求43所述的波导光学器件，其中，所述入口几何形状包括多个柱状刻面，所述多个圆柱状刻面构造为将光偏转到所述波导光学器件的波导主体中。
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