TWI524030B - 發光裝置及照明器具 - Google Patents

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TWI524030B
TWI524030B TW099109679A TW99109679A TWI524030B TW I524030 B TWI524030 B TW I524030B TW 099109679 A TW099109679 A TW 099109679A TW 99109679 A TW99109679 A TW 99109679A TW I524030 B TWI524030 B TW I524030B
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艾瑞克 布尼坎普
路多 海南
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皇家飛利浦電子股份有限公司
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Description

發光裝置及照明器具
本發明大體上係關於照明設計的領域，且更特定言之，係關於根據獨立請求項之前文之一種發光裝置及一種照明器具。
習知白熾光源具有鎢絲，其被製成為因電流通過而發光。燈絲一般係懸吊於玻璃燈泡的中心附近，藉此提供在所有徑向方向幾乎恆定的光強度。在過去，光線之徑向分佈與燈絲之高亮度的組合已使白熾光源極受一般照明目的(譬如枝形吊燈中之使用)歡迎。枝形吊燈中的水晶展現被視為高度裝飾性的閃爍光效。
然而，白熾光源苦於有若干缺點，諸如壽命短及高功耗。
利用LED光源取代白熾光源可減輕或消除上述問題，並顯著提高效能。然而，大多數的LED僅可發射光為一半球(立體角Ω=2π sr)，而使用發熱燈絲的白熾光源大體上均勻地發射光幾乎為一完整的球體(立體角Ω=4π sr)。
美國專利US 7,352,510揭示一種包括一第一光混合組件及一第二光混合組件的裝置，該第一光混合組件及該第二光混合組件經由一光學聚焦元件光學地耦合，以自一單色或多色源(例如一LED陣列)產生一具有均勻強度及照度的光束。該第一光混合元件自多色源產生光線之一均勻照度分佈，但使強度分佈不均勻。該聚焦元件及該第二光混合組件係用以均勻化自該第一光混合元件接收之該光束的強度分佈，同時光強度分佈相對於光學軸係實質上不變。
鑒於上文，本發明之一目的係提供一種發光裝置及一種相對應的照明器具，其等可重新分佈來自具有一窄光強度分佈或受限光強度分佈之光源的光線，並輸出具有至少一較寬空間光強度分佈的光線。
此目的係由根據如獨立申請專利範圍中所定義之本發明之一發光裝置及相對應之照明器具而達成。
因此，根據本發明之一態樣，提供有一種發光裝置，其包括具有至少一光源之一照明單元及一光導單元。該光導單元包括用於接收來自該光源之光線之一光輸入部、一光輸出部及一光混合部。該光混合部係配置於該光輸入部與該光輸出部之間。此外，該光輸出部係漏斗狀且具有一基座及包含一凸面(convex)上表面及一凹面(concave)下表面，該基座經配置以接收來自該光混合部的光線。該光輸出部經進一步配置而具有一圓周光輸出表面。該光輸出部之該上表面及該下表面界定自該基座至該圓周光輸出表面之一光導路徑。
因此，提供有一種發光裝置，其經配置用於將具有一窄角度光強度分佈的光線轉變為具有一較寬角度光強度分佈的光線。來自該至少一光源的光線係在該光混合部中被混合且接著均勻地射入該漏斗狀光輸出部中，該漏斗狀光輸出部經配置以經由該圓周輸出表面導引及輸出光線。因此該組態容許使用具有一窄角度光強度分佈之一光源，卻獲 得大體上類似於在(譬如)一般照明應用中所期望之一白熾光源之光強度分佈之一輸出角度光強度分佈。所揭示之發光裝置可用以取代既有白熾燈泡，並可用作(譬如)枝形吊燈中的高亮度光源。
根據該發光裝置之一實施例，該至少一光源係一發光二極體(LED)。LED提供很多優點，諸如長壽命、低能耗、小尺寸等等。在本發明理念下，LED可以一有利方式用於其中LED傳統上因其受限之角度光強度分佈而不合適的照明應用。
根據該發光裝置之一實施例，該光混合部之截面係六邊形及正方形之一者。此等組態容許射入光線之一極有效的混合。
根據該發光裝置之一實施例，該上表面係配置為一光輸出。在此組態中，除該圓周光輸出之外，該漏斗狀光輸出部之該上表面促成來自該發光裝置之輸出光線之一較全角度強度分佈。
根據該發光裝置之一實施例，該光混合部的長度經配置以容許一預定色彩之光線之色彩均勻性的調諧。該光混合部的長度係有利地用以當該照明單元經配置而具有不同色彩之多個光源時調諧一所需色彩的均勻性。譬如，該等光源可係不同色彩之LED的組合，例如冷白色與暖白色組合、冷白色與琥珀色組合、紅色及綠色及藍色(RGB)，或紅色及綠色及藍色及琥珀色(RGBA)。
根據該發光裝置之一實施例，該光混合部之該表面之至少一子區域經配置具有用於增加該光混合部內之光混合之一光學微結構。藉由增加該光混合部的混合屬性，可減小該光混合部的長度。因此，可減小該發光裝置的尺寸，而仍獲得光線之一所需混合。
根據該發光裝置之一實施例，該圓周光輸出表面係配置成垂直於該光輸入部。因此，該漏斗狀光輸出部傳輸該至少一光源的光線朝向該圓周光輸出表面並改變該光線的主方向，且在所有方向將光線以90度分佈，這造成該輸出光線之一環形光強度分佈。為造成一較全分佈，該光輸出部或可經配置使得容許一些光線離開該漏斗之該上表面。
根據該發光裝置之一實施例，該照明單元進一步包括至少一準直元件。自該等光源輸出之光線的輻射分佈影響自該裝置輸出的最終角度光強度分佈。來自該至少一光源的光線在進入該光混合部之前的準直容許對輸出自該發光裝置之光線之角度光強度分佈之增加的控制。藉由適當準直，射入該光輸入部之大體上所有的光線可經由該圓周光輸出表面傳輸及輸出。另外，準直亦可有利地用以改良由該光輸入部接收之光線的耦合效能。
根據該發光裝置之一實施例，該圓周光輸出表面係彎曲的。藉由此組態，可進一步控制角度光強度分佈。可使該角度光強度分佈發散以容許一較全角度光強度分佈。一所需光強度分佈可藉由以一相對應方式設計該圓周光輸出表面的曲率而有利地達成。曲率可(譬如)選為一貝茲(Belzer)曲線。
根據該發光裝置之一實施例，該圓周光輸出表面係至少部分佈置為具有一額外表面結構，其有利地容許該輸出光線之屬性的額外控制或操縱。
根據該發光裝置之一實施例，該額外表面結構係用於調適該輸出光線以適於一預定照明應用之一折射結構、一全像結構、一薄粒子塗層及一粗糙表面之一者。作為一實例，該圓周光輸出表面可具有一向前散射結構，其將入射線的角度光強度分佈分佈為一般照明應用所期望的朗伯(Lambertian)分佈。此可經由一全像結構來有效地達成。
根據該發光裝置之一實施例，該照明單元進一步包括一反射器。該反射器可經配置以將來自該等光源的光線反射朝向該光混合部，因此增加射入該光混合部的光線量，從而隨後增加自該發光裝置輸出之光的總通量。
根據該發光裝置之一實施例，該裝置經進一步調適以改進為使用一白熾光源之一照明器具。因此，本發明之該裝置可有利地用於取代一白熾光源或裝配至通常用於白熾光源之一照明燈具，諸如一燈絲型燈泡、一鹵素燈等等，此係有利的，因為一使用者可使用根據本發明理念之發光裝置便利地取代現有照明器具中昂貴且低效的白熾光源。
根據本發明之一第二態樣，提供有一種包括至少一發光裝置的照明器具。該照明器具顯示如對該發光裝置所述之相對應的優點。
將參考下文描述之該等實施例來闡述本發明之此等及其他態樣、特徵及優點，據此可獲得深一層的了解。
現將參考隨附圖式更詳細地描述本發明，在該等圖式中相同參考數字用於相同或類似元件。
現將在下文中參考隨附圖式更完整地描述本發明之諸實施例，該等隨附圖式中顯示本發明之特定實施例。然而，本發明可以很多不同形式具體實施，且不應認為限於本文闡述之該等實施例。該等實施例係作為實例而提供，使得此揭示內容通透且完整，並將完全傳達本發明之範圍至熟習此項技術者。全文各處相同數字指代相同元件。
圖1a繪示根據本發明之一發光裝置之一實施例之一示意截面圖。該發光裝置100包括一照明單元101，其係配置成具有二個光源102。此處該等光源係安裝於一反射器103上。在此例示實施例中，朗伯LED係用作為光源102。一朗伯LED係遵守朗伯餘弦定律(Lambert's cosine law)之一光源，
I=I0cos(α),　方程式1
其中α等於視角，且I0係在α=0(即垂直於該等LED)的光強度。如可自方程式1推導得出，在接近於α=90之一視角下的光強度係極低。商業上可購得之朗伯LED的實例係Luxeon Rebel LED或Luxeon K2 LED。
應注意其他類型及其他數目的光源可應用於該發光裝置中，並被認為屬於本發明理念的範圍。此外，該等光源的其他色彩及/或該等光源之色彩的組合可應用於根據本發明的發光裝置。
此外，該發光裝置100包括一光導單元110，其包括一長形光混合部120及一光輸出部112。該光混合部120可係(例如)圓筒狀。該光混合部120係配置在該照明單元101處。該光混合部120經進一步配置以在一第一端處經由一光輸入部111(例如該光混合部之一表面)接收由該等光源102發射的光線，且當接收的光線被傳輸穿過該光混合部120並沿著沿該光混合部120而平行於該光混合部120延伸的主光學軸oa時，混合接收的光線，隨後並將混合的光線均勻地射入該光輸出部112內。
用於該光導單元110之合適材料可係透明聚合物，例如聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、丙烯酸系、玻璃或其等之任何組合。
該光輸出部112係漏斗狀。該光輸出部112之該基座117經配置以接收來自該光混合部120之混合的光線。此外，該漏斗狀輸出部112之一下表面114及一上表面113界定用於傳輸光線之一圓周光徑。一圓周光輸出表面115係配置在該漏斗狀光輸出部112的頂緣處，藉此為由該上表面113及該下表面114界定之該光徑提供一光輸出表面導引光線。在此例示實施例中，該圓周光輸出表面115係配置成垂直於該光學軸之一平坦表面。在此例示實施例中，該上表面113及該下表面114係彎曲的，使得該上表面113為凸且該下表面114為凹。
在替代實施例中，該平坦表面可經配置以具有相對於該光學軸(圖中未顯示)之另一預定角。作為一實例，大於90之一預定角提供一配置一更向下照明系統(例如60%通量低於「地平線」且40%通量高於地平線)的有效方式。以相同方式，一向上照明系統可藉由配置該預定角為小於90度而達成。
現參考圖1b，其繪示根據本發明之一發光裝置之一實施例之一示意透視側視圖，當在xy平面觀察時，該光混合部120具有一六邊形截面。在如圖1c中所繪示之該發光裝置之一實施例中，當在xy平面觀察時，該光混合部120具有一正方形截面。該截面的這兩個形狀提供用於混合不同色彩之光線的有效光混合。
根據該發光裝置之一實施例，該光混合部120視情況具有用於增加該光混合部120之光混合屬性之一光學微結構。見圖1a，該光學微結構可係配置於該光混合部120之該表面120a上。藉由增加光混合屬性，可縮短該光混合部120之所需長度。
根據該發光裝置之一實施例，該光混合部120之長度經配置以容許一預定色彩之光線之色彩均勻性的調諧。如所說明，該光混合部之長度可經調諧以容許來自一冷白光LED之光線與來自一琥珀光LED之光線的高度混合。藉此，混合的光線可達成適於模擬一白熾燈之外觀的色彩均勻性。
圖2繪示投射至自如先前所述之根據本發明之一發光裝置之該發光裝置100所發射之光線之xz平面上之遠場角度光強度分佈I(θ,φ)之一例示性光強度分佈。此處，θ表示相對於z軸之極角，且φ表示在xy平面內自x軸之方位座標。在此例示實施例中，z軸與z軸重合，且在圖1a及圖2中係藉由使A及B分別指示該發光裝置之頂部及底部的定位來繪示該裝置的定向。全三維強度係圍繞z軸旋轉之一表面。
圖2及圖3c中顯示的光強度分佈係使用來自Optical research Associates(LightTools)的光線追蹤軟體分別模型化如圖1b及圖3所繪示之該實施例100而產生。
自該光混合部112射入至該光輸出部之光線的主要部分係經由該圓周光輸出表面115輸出。然而，在該發光裝置100之諸實施例中，該上表面113經配置以提供一額外光輸出。因此，作為一實例，光線之10%至20%可經由該上表面113輸出，因此促成角度光強度分佈之一增加的寬度。在參考圖1b描述之該例示性實施例的角度光強度分佈中，該角度強度分佈係繪示於圖2，自該上表面113輸出之光線的貢獻係由沿著該光學軸(圖2中朝向A之方向)的強度分佈表示。
該等光源102之輻射分佈可影響自發光裝置100、200輸出之光線的角度光強度分佈。
根據該發光裝置之一實施例，該照明單元101進一步具有一準直元件(圖中未顯示)，譬如一準直透鏡或準直鏡，以增加自發光裝置100、200輸出之光線之角度光強度分佈的控制。
在該發光裝置之一替代實施例中，該下表面114及上表面113之一低曲率經配置以確保射入該光輸出部112之大體上所有光線係經由該彎曲光導部分導引並隨後經由該圓周光輸出表面115輸出。在該等例示實施例中，該圓周光輸出表面115之定向相對於該光輸出部112之該基座117以及相對於該光輸入部111產生大約90度的角。該漏斗狀元件將至少一光源(例如一(朗伯)LED源之光線)傳輸朝向該圓周光輸出表面115，並藉此在所有方向上改變光線之主方向達~90度。此造成輸出光線之一環形強度分佈(見圖2)。為造成一全分佈，容許一些光線離開該漏斗狀光輸出部之該上表面113。
在該發光裝置之另一例示實施例中，如圖3a所繪示，揭示一發光裝置200，其提供一幾乎完美的全向角度光強度分佈。該裝置200包括一照明單元101及一光導單元110，並呈其經組態為類似於參考圖1b所描述之該先前例示實施例的基本構造。該照明單元101係配置成具有一反射空腔103，二個LED(具有2×30度之一尖銳切割的朗伯LED)係配置於該反射空腔103中。來自該等光源之光線在射入該光混合部120之前係由一準直結構(圖中未顯示)準直。
此外，該光輸出部112經配置以具有一彎曲圓周光輸出表面215，見圖3b中之特寫。該彎曲圓周輸出表面215係由一貝賽爾(Bezier)曲線描述。在替代實施例中，可應用該彎曲圓周輸出表面215之其他形狀。該光輸出表面215經進一步配置以具有一向前散射結構，其分佈入射光為一朗伯分佈。此處該向前散射結構係一全像結構。在替代實施例中，具有粒子(例如TiO2粒子、ZrO2粒子)之一薄層或一多孔聚合物之一薄層，或一粗糙結構可係配置於該光輸出表面215上以重新分佈角度光強度分佈。
折射結構及/或全像結構可(譬如)在利用射出模製時藉由提供具有該等相對應結構之鑄造模具而併入該裝置的製造中。粒子之薄層可藉由薄膜技術、濺鍍等等來配置。
圖3c繪示自根據本發明之一發光裝置之該實施例200發射之光線之遠場角度光強度分佈之一例示性光強度分佈。此處光強度分佈在一大體上均勻角度光強度分佈下係幾乎全向的。
本發明進一步係關於一種包括如上文所述之一發光裝置100、200之一照明器具。
根據該發光裝置之一實施例，該裝置經進一步調適以改進為意欲使用一白熾光源之一照明器具，即經調適以裝配至通常用於白熾光源之一照明燈具，諸如一燈絲型燈泡、一鹵素燈等等。因此，在此等照明器具中使用根據本發明之該發光裝置來取代該白熾光源成為可能。圖4繪示經調適用於改進之一發光裝置之一例示實施例400。該發光裝置400經配置以具有用於接合通常用於白熾光源之一照明燈具之一跟部401。該跟部401經配置以與該發光裝置100、200機械地接合且電接合。另一選擇為，該照明單元101經配置以具有一分離散熱器(圖中未顯示)。該發光裝置400視情況經配置以具有(例如)在一枝形吊燈中用於給出一蠟燭火焰之印象的玻璃燈泡402，並保護該光學元件免受觸摸、灰塵及污垢。
上文已描述根據如在隨附申請專利範圍中定義之本發明之該發光裝置之諸實施例。此等實施例僅應被視為非限制實例。如一熟習此項技術者所瞭解，在本發明之範圍內可能有很多修改及替代實施例。
應注意，為了此申請案之目的，且特定言之，關於隨附申請專利範圍，詞語「包括」並不排除其他元件或步驟，詞語「一」或「一個」並不排除複數個，這本身對於一熟習此項技術者是顯而易見的。
100．．．發光裝置
101．．．照明單元
102．．．光源
103．．．反射器
110．．．光導單元
111．．．光輸入部
112．．．光輸出部
113．．．上表面
114．．．下表面
115．．．圓周光輸出表面
117．．．基座
120．．．光混合部
120a．．．光混合部表面
200．．．發光裝置
215．．．彎曲圓周光輸出表面
400．．．發光裝置
401．．．跟部
402．．．玻璃燈泡
圖1a係根據本發明之一發光裝置之一實施例之一示意截面圖。
圖1b係根據本發明之一發光裝置之一實施例之一示意透視側視圖。
圖1c係根據本發明之一發光裝置之一實施例之一示意透視側視圖。
圖2繪示自根據本發明之一發光裝置之一實施例發射之光線之遠場角度光強度分佈之一例示性光強度分佈。
圖3a係根據本發明之一發光裝置之一實施例之一示意透視側視圖。
圖3b係根據本發明之一發光裝置之一實施例之該光輸出部之一細節之一特寫。
圖3c繪示自根據本發明之一發光裝置之一實施例發射之光線之遠場角度光強度分佈之一例示性光強度分佈。
圖4繪示包括根據本發明之一發光裝置之一例示性燈。
101．．．照明單元
112．．．光輸出部
113．．．上表面
114．．．下表面
115．．．圓周光輸出表面
120．．．光混合部

Claims (14)

  1. 一種發光裝置(100)，其包括：一照明單元(101)，其具有至少一光源(102)；及一光導單元(110)；該光導單元包括：一光輸入部(111)，用於接收來自該光源之光線；一光輸出部(112)；及一光混合部(120)，其係配置於該光輸入部與該光輸出部之間；該光輸出部(112)係漏斗狀，其包括：一基座(117)，其經配置以接收來自該光混合部之光線；一上表面(113)，其為凸面(convex)；一下表面(114)，其為凹面(concave)；及一圓周光輸出表面(115)；其中該上表面及該下表面界定自該基座至該圓周光輸出表面之一光導路徑。
  2. 如請求項1之發光裝置，其中該光混合部(120)之截面係六邊形及正方形之一者。
  3. 如請求項1或2之發光裝置，其中該上表面(113)係配置為一光輸出。
  4. 如請求項1或2之發光裝置，其中該光混合部(120)之長度經配置以容許一預定色彩之光線之色彩均勻性的調諧。
  5. 如請求項1或2之發光裝置，其中該光混合部(120)之表面 (120a)之至少一子區域經配置以具有用於增加該光混合部內之光混合之一光學微結構。
  6. 如請求項1或2之發光裝置，其中該圓周光輸出表面(115)係配置成垂直於該光輸入部(111)。
  7. 如請求項1或2之發光裝置，其中該照明單元(101)進一步包括至少一準直元件。
  8. 如請求項1或2之發光裝置，其中該圓周光輸出表面(115)係彎曲的。
  9. 如請求項1或2之發光裝置，其中該圓周光輸出表面(115、215)經至少部分佈置以具有一額外表面結構。
  10. 如請求項9之發光裝置，其中該額外表面結構係一折射結構、一全像結構、一薄粒子塗層及一粗糙表面中之一者。
  11. 如請求項1或2之發光裝置，其中該照明單元(101)進一步包括一反射器(103)。
  12. 如請求項1或2之發光裝置，其經進一步調適以改進為使用一白熾光源之一照明器具。
  13. 如請求項1或2之發光裝置，其中該至少一光源(102)係一發光二極體。
  14. 一種照明器具，其包括至少一如請求項1至13中任一項之發光裝置(100)。
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