圆弧形照明设备的制作方法

专利名称：圆弧形照明设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括光源和被设置成对光准直的波导的圆弧形(round)照明设备，其 中波导包括第一波导表面、第二波导表面、波导入射窗口以及波导边缘窗口。
背景技术：
相对平坦的和圆弧形的光源在本领域中是已知的并且例如记载于US702M82和 US7181378。US702M82例如描述了一种光导部件和照明设备，其能够高效且均勻地将照明光 辐射到仅仅需要照明的区域。因此，反射面由以同心圆形状展宽的诸如大量凹槽之类的反 射条纹形成。来自光源单元的光通过诸如反射棱镜之类的漫射部分朝该整个反射面展宽， 而没有不规则性。因此，可以没有不规则性地仅仅照明实际需要照明的范围，并且提高了使 用前灯的照明范围的可见性。US7181378描述了将输入辐射的第一分布转变成输出辐射的第二分布的设备和制 造这样的设备的方法。在一些实施例中，可以通过以下方式限定该设备产生三个有效光学 表面的二维表示，包括分别基于第一、第二和第三广义笛卡尔卵形线计算第一表面、进入表 面和第二表面的片断并且连续地重复计算第一和第二表面的片断，以及围绕中心轴旋转地 扫掠所述二维表示，提供三维表示。在一些实施例中，第一和/或第二表面的一部分可以是 全内反射(TIR)的。该文献特别描述了包括接收光的主体的折叠光学设备，该主体包括第 一、第二和第三表面；第三表面限定腔体，并且第三表面的至少一部分是折射的；第二表面 大体径向地远离腔体延伸，并且第二表面包括反射区；第一表面的至少第一部分提供内反 射折叠，并且第一表面的至少第二部分提供主体与主体外部之间的折射过渡。此外，W02008047278描述了一种包括光引导层和多个LED的照明器，所述LED容 纳于设置在光引导层内的至少一个孔中，以用于将光发射到光引导层中。光引导层还包括 至少一个外耦合结构以用于将光耦合出光引导层。

发明内容
圆形光导可以具有以下优点沿方位方向的准直可以通过相对于源(或者光内耦 合区)的半径增大光外耦合区的半径而相对简单地改善。然而，对于良好控制的光束而言， 也需要对径向方向准直。在平坦的透明灯中，径向准直可以通过LED上的准直光学器件来完成(例如，侧面 发射器封装具有在光导平面内达到峰值的光分布)。对于需要高度准直的光束的应用(例 如聚光灯)而言，方位方向上的准直可以通过扩大光导半径来改善。然而，径向方向上的改 善的准直需要LED上更大的准直光学器件，这导致更厚的系统。这恶化了系统的超薄外观。 特别地，需要对于所述两个准直方向的控制以便控制光分布尾部的光束截止。该光束截止 是遵照有关普通照明设备的眩光的欧洲规范所必需的。因此，平坦的圆形光导事实上可以简单地通过增大光导的半径来允许沿着方位方向的不受限制的准直。然而，为了产生准直良好的光束，也必须控制径向方向。对于高度准 直的光束而言，如果使用的话，这将导致准直LED光学器件的不希望的厚度增加。因此，希望提供一种基于光导的可替换的平坦圆形照明设备，并且进一步改善这 样的平坦圆形光导的光束形状。因此，本发明的一个方面是提供一种可替换的照明设备，其优选地进一步消除上 述缺陷中的一个或多个，并且其优选地提供准直光束。依照第一方面，本发明提供了一种被设置成提供照明设备光的基本上圆弧形的照 明设备，该照明设备包括被设置成径向地产生光源光的光源和可选的光学器件以及被设置 成对径向产生的光准直的基本上圆弧形的且优选地基本上平面的波导，其中该波导包括第 一波导表面、第二波导表面、基本上圆弧形的波导入射窗口、基本上圆弧形的波导边缘窗口 以及中心轴，其中-第一波导表面或第二波导表面或者第一波导表面和第二波导表面二者优选地还 包括多个伸长结构，每个伸长结构具有基本上与垂直于中心轴的半径平行的伸长轴，并且-波导入射窗口至少部分地环绕(enclose)光源并且被设置成接收来自光源的径 向产生的光源光。在一个实施例中，波导入射窗口被设置成基本上垂直于第一波导表面和第二波导 表面并且基本上平行于中心轴。在又一个实施例中，第一波导表面和第二波导表面被设置 成基本上平行。因此，它们形成基本上平面的波导。在这里，特别地相对于基本上圆弧形的 且基本上平面的波导描述本发明。这样的波导是基本上圆弧形的(参见本文限定的基本上 圆弧形的入射窗口以及基本上圆弧形的波导边缘)且基本上平面的(参见本文限定的基本 上平行设置的第一和第二波导表面)。为了简洁起见，所述基本上圆弧形的且基本上平面的波导在这里也表示为“平面 波导”或者简称为“波导”。为了简洁起见，措词“圆弧形的”用作“基本上圆弧形的”的简 称，并且措词“平面的”用作“基本上平面的，，的简称。类似地，措词“照明设备，，或“设备，， 在这里用于基本上圆弧形的照明设备。此外，为了简洁起见，措辞“基本上圆弧形的波导入 射窗口”和“基本上圆弧形的波导边缘窗口，，在这里分别表示为“入射窗口，，或“波导入射 窗口”以及“边缘窗口”或“波导边缘窗口”。在这里，本领域技术人员应当清楚的是，像“垂 直”、“平行”、“平面的”和“平坦的”那样的措词尤其涉及具有基本上垂直、基本上平行、基本 上平面的和基本上平坦的特征的实施例。在另一实施例中，波导边缘窗口被设置成提供照明设备光。在另一个实施例中，边 缘窗口被设置成将光源光反射到照明设备的外部，从而提供照明设备光。边缘窗口也可以 表示为外耦合结构，其被设置成或者经由透射通过边缘窗口“直接地”或者经由反射以及随 后的透射(尤其是通过第一或第二波导表面之一)“间接地”向外耦合光。看起来令人惊奇的是，这种设备可以提供具有有利的光束形状的光束，其可以是 良好准直的。不受限于任何理论，依照一个优选的实施例，看起来通过沿着其中光源光传播的 径向方向在光导的第一和/或第二波导表面(也表示为顶部表面和/或底部表面)上施加 伸长结构(在这里也表示为“凹槽”)，准直被改善。看起来通过从这些凹槽反射，光源光线 的方位方向与垂直于光导的方向混合。当光在径向方向上传播时，只有方位方向被准直。这4两个方向的混合确保了这两个方向的光源光都被准直。因此，在不改变其他光学部件的情 况下，尤其是在不增大系统的厚度的情况下，这两个方向上的光束准直将随着半径的增大 而改善。措辞“基本上圆弧形”指的是圆形(例如圆形形状的(平面)波导)、椭圆形(例 如椭圆形形状的(平面)波导)，但是也指圆形扇区(例如具有圆形扇区(“楔形蛋糕”)形 状的平面波导)和椭圆形扇区(例如具有椭圆形扇区形状的(平面)波导)。在椭圆形波导的情况下，椭圆形的中心，即为连接两个焦点的线段的中点(或者 长轴和短轴的交点)的椭圆形内部的点在中心轴上。此外，措辞“基本上圆弧形”也可以指具有成角度的边缘的结构，例如具有带有6 个角和6条边的边缘的六边形波导，以及更高阶多边形形状，例如八边形波导(8个角/8条 边)等等。在这里，它尤其指正凸多边形(等角(所有角度全等)且等边(所有边具有相 同长度)并且其为凸的多边形)，例如具有正六边形、八边形、十边形等等的形状的波导。当 使用具有多边形形状的基本上圆弧形的结构时，例如具有多边形形状的波导，边(或角或 顶点)的数量η至少为6，更优选地至少为10，甚至更优选地至少为大约M。因此，在一个 特定实施例中，尤其是对于基本上圆形或者基本上椭圆形的形状而言，所述照明设备具有 多边形形状，其中边的数量η优选地至少为6。使用六边形(即η = 6)的优点在于，它们可 以用来无间隙地覆盖平面区域。因此，照明面源可以通过组合若干六边形形状的子系统来 构造。在一个优选的实施例中，所述照明设备具有圆形形状。在另一个实施例中，该照明 设备具有椭圆形形状。在一个实施例中，光源包括多个LED (发光二极管)。特别地，在一个实施例中，光 源包括多个LED，这些LED设置成基本上圆弧形的配置，从而使得光源能够径向地产生光源 光。例如，这些LED可以设置成圆形并且从而形成产生径向光源光(即径向方向的光)的 圆形光源。在一个实施例中，所述多个LED可以包括相同发射颜色的LED，但是也可以包括 不同发射颜色的LED (例如黄色和蓝色LED，或者红色、绿色和蓝色LED等等)。在一个实施例中，一个LED或多个LED也可以被发光材料包围，所述发光材料被设 置成吸收LED发射的至少一部分并且发射另一波长的发光材料光。例如，光源可以包括至 少部分地被包含发光材料的窗口环绕的一个蓝色LED或多个蓝色LED，所述发光材料被设 置成吸收并且转换蓝色发射的至少一部分，例如YAG:Ce和类似化合物。在一个实施例中， 光源包括多个LED，并且入射窗口包括被设置成吸收且转换LED发射的至少一部分的发光 材料(例如蓝色LED以及YAG:Ce和类似化合物)。其他发光材料或者发光材料的组合是本 领域技术人员已知的。来自所述照明设备的照明设备光可以是白色的，但也可以是彩色的。 可选地，在一个实施例中，照明的颜色是可变的且可控的。所述光源也可以包括不同于LED的光源，例如紧凑型荧光灯、卤素灯或者激光二极管等等。在一个实施例中，光源腔体由一个或两个盖(cap)封闭，所述盖选自包括漫射器 盖和反射器盖的组。漫射器盖可以改善腔体的光混合质量，即腔体内各光源的贡献较不易 区分。这可能在使用不同颜色的LED时是特别重要的。在没有漫射器的情况下，不希望的 颜色效应可能对于注视灯的任何人都可见，但是也在光束本身中(照明区域的颜色变化、彩色阴影)。漫射器盖和/或反射器盖促进光源光向内耦合到波导中。漫射器盖和/或反 射器盖不仅可以覆盖光源腔体，而且可以覆盖波导表面的至少一部分，从而促进边缘窗口 处或者靠近边缘窗口的光的向外耦合。所述一个或两个腔体盖可以被认为是(优选的)可 选的光学器件。波导入射窗口具有相对于中心轴的入射窗口半径，并且波导边缘窗口具有相对于 中心轴的边缘窗口半径。特别地，边缘窗口半径和入射窗口半径的比值等于或大于大约 1.5(即(边缘窗口半径)/(入射窗口半径)彡大约1.5，优选地彡大约2，甚至更优选地彡 大约4)，并且通常不大于大约150。这可能依赖于所需的光束准直。宽束向下照明应用可 能需要小的比值，而聚光应用可能需要大的比值。对于每个窄束0X6°束宽或更小)，100 的比值并非不可想象。所述照明设备的波导可以基本上包括两个反射板，其中入射窗口和/或边缘窗口 可以包括实心透明材料或者可替换地可以是开放的。因此，在一个实施例中，照明设备的波 导可以基本上包括其间具有空气的两个反射板(为了简洁起见，也表示为“开放波导”)。然而，在一个优选的实施例中，波导包括实心透明波导，尤其是平面实心透明波导 (例如板)。该实心透明波导可以包含选自包括PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PE(聚乙 烯)、PP(聚丙烯)、PC(聚碳酸酯)、P(M)MA(聚(甲基)丙烯酸甲酯)、PEN(聚萘二甲酸乙 二醇酯)、PDMS (聚二甲基硅氧烷)和COC (环烯烃共聚物)的组。PMMA例如给出良好的结 果。然而，在另一个实施例中，透射窗口包括无机材料。优选的无机材料选自包括玻璃、(熔 融)石英、陶瓷和硅树脂的组。当波导包括实心透明材料时，由于全内反射(TIR)，第一和/或第二波导表面不必 包含反射材料，因为根据定义它们因IlR而是反射的。然而，当波导基本上包括其间具有空 气的两个反射板(入射窗口和/或边缘窗口可选地包含实心透明材料)时，第一和第二波 导表面优选地包括反射器。当波导包含实心透明材料并且边缘窗口倾斜时，边缘窗口特别地被设置成将光源 光反射到照明设备的外部，从而提供照明设备光。在这样的实施例中，边缘窗口可选地还可 以包括反射器或漫射器。在这种实施例中，光源光的外耦合可以经由第一或第二波导表面 发生。在一个实施例中，所述伸长结构具有ν形剖面。在另一个实施例中，这些伸长结构 具有弯曲的剖面，例如正弦状形状。本领域技术人员应当清楚的是，也可以应用不同形状的 伸长结构的组合。优选地，第一波导表面和第二波导表面包括这些伸长结构。由于照明设 备的性质，这些伸长结构具有优选地基本上与垂直于中心轴的半径平行并且(因而)也基 本上与光源的光线(或半径)平行的伸长轴。优选地，伸长结构总数的一部分(例如伸长 结构总数的10-100%，特别地20-100% )具有波导径向长度的大约50-100%的范围内的长 度(即分别第一波导表面和/或第二波导表面的边缘窗口半径与入射窗口半径之间的长度 差)。伸长结构可以具有恒定的宽度和/或高度，或者该宽度和/或高度可以在波导半径上 彼此独立地变化。通过这种方式，第一波导表面和/或第二波导表面的整个表面可以包括 伸长结构，但是它也可以被选择成具有两个邻近伸长结构之间的中间空间。措辞“伸长结构 具有优选地基本上与半径平行的伸长轴”表示这些伸长结构设置在基本上径向方向上(相 对于中心轴)。
如上所述，优选地平面的波导可以包括圆形或者椭圆形，优选地包括圆形，但是 在另一个实施例中也可以包括圆形或椭圆形的扇区。因此，在一个实施例中，波导在大约 2-360°范围内的波导方位角上延伸，其中优选地波导每10°包括至少1个伸长结构，更优 选地至少2个。在一个实施例中，波导相对于垂直于中心轴的半径、相对于中心轴在大约 20-180°的范围内的波导方位角上延伸。在又一个实施例中，波导相对于垂直于中心轴的 半径、相对于中心轴在大约180-360°的范围内(例如270° )的波导方位角上延伸。在另 一个实施例中，波导相对于垂直于中心轴的半径、相对于中心轴在360°的波导方位角上延 伸(即圆形(或椭圆形))。在一个实施例中，边缘窗口具有相对于第一波导表面或第二波导表面的大约 85-105°范围内的倾斜角。这也意味着第一波导表面的边缘窗口半径短于(或长于)第二 波导表面的边缘窗口半径(除了大约90°的角度以外)。特别地，边缘窗口具有相对于第一 波导表面或第二波导表面的大约35-55°、尤其是大约40-50°范围内、更特别地大约45° 的倾斜角。当边缘窗口被设置成透射光源光并且将该光源光作为照明设备光向外耦合时， 大约85-105°范围内的倾斜角是特别有用的。当边缘窗口被设置成反射光源光并且经由第 一或第二波导表面将该光源光作为照明设备光向外耦合时，大约35-55°范围内的倾斜角 是特别有用的。在前一实施例中，边缘窗口还可以包括漫射器；在后一实施例中，边缘窗口 优选地还可以包括反射器。假设边缘窗口包括实心透明材料，那么边缘窗口可以是平坦的，但也可以是含刻 面的(facetted)。因此，在一个实施例中，波导包括含刻面的边缘窗口。在另一个实施例中，边缘窗口是弯曲的(即不仅在垂直于中心轴的平面内弯曲， 而且在平行于且包含中心轴的平面内也弯曲)。应当指出的是，措词平坦的在这里涉及边缘 窗口在平行于且包含中心轴的平面内的边缘(在垂直于中心轴的平面内，边缘窗口是基本 上圆弧形的)。在这里，措辞“弯曲边缘窗口”以及类似的措辞涉及其倾斜角变化(在平行 于且包含中心轴的平面内)的边缘窗口。措辞“在平行于且包含中心轴的平面内”涉及包 含中心轴且平行于该轴的虚拟平面。采用ζ为中心轴的xyz坐标系统，xz平面或yz平面 为平行于且包含中心轴的平面。在另一个特定实施例中，边缘窗口具有V形剖面，即它具有相对于第一波导表面 的一定倾斜角并且具有相对于第二波导表面的另一倾斜角。这种实施例可以用来将光向外 耦合到照明设备的两侧，即向外耦合到远离第一波导表面的侧面以及远离第二波导表面的 侧面。在一个实施例中，波导可以包括多个(倾斜)边缘窗口。这可以例如通过在波导中 提供附加的反射(倾斜)表面，例如通过在波导中引入(倾斜)狭缝来获得。这样的(倾 斜)狭缝也可以充当反射器(像倾斜边缘窗口一样)并且从而充当附加的边缘窗口。各边 缘窗口的倾斜角可以彼此无关。应当指出的是，倾斜角原则上对于同一个边缘窗口也可以 变化(即在垂直于中心轴的平面内变化)。如上所述，倾斜边缘窗口还可以包括反射器或漫 射器。在这里，术语光导或波导可互换使用。

现在将仅通过实例参照示意性附图描述本发明的实施例，其中示意性地描绘了非 限制性的基本上平面的波导，其中相应的附图标记表示相应的部分，并且其中图Ia-Ib以侧视图示意性地描绘了依照本发明的照明设备的实施例；图以顶视图示意性地描绘了依照本发明的照明设备的实施例；图3a_3e示意性地描绘了依照本发明的照明设备的边缘窗口的更详细侧视实施例；图如-如示意性地描绘了波导的伸长结构；图4f以透视图示意性地描绘了依照本 发明的照明设备的实施例，并且图4g示意性地描绘了依照本发明的照明设备的光源的实 施例；图5描绘了具有不同半径并且具有或者没有所述伸长结构的照明设备实施例的 积分强度与极角(相对于中心轴)的函数关系；以及图6a_6b示意性地描绘了依照本发明的照明设备的实施例的实例。
具体实施例方式图Ia-Ib以侧视图示意性地描绘了依照本发明的照明设备的实施例。为了清楚起 见，在这些示意图中没有绘出所有细节(例如伸长结构)。在所述侧视图中，描绘了基本上圆弧形的照明设备1，其被设置成提供照明设备光 5 ( “设备光”)。照明设备1包括被设置成径向地产生光源光15的光源10以及在该实施例 中可选的光学器件30。可选的光学器件30可以例如是镜或漫射器(或者镜和漫射器)，其 在这里表示为第一腔体盖31和第二腔体盖32。这些可选的光学器件特别地被设置成促进 将光源光15引导到波导中(参见下文)和/或在一个实施例中促进光的混合(如果可应 用的话)。照明设备1还包括被设置成对径向产生的光源光15准直的基本上圆弧形的且基 本上平面的波导20。波导20包括第一波导表面21 (其在该示意图中也可以表示为顶部波 导表面21)和第二波导表面0 (其在该示意图中也可以表示为底部波导表面22)、基本上 圆弧形的波导入射窗口 23 ( “入射窗口”)、基本上圆弧形的波导边缘窗口 “边缘窗口”) 以及中心轴100。尤其是在旋转对称设备(例如圆形形状的照明设备)的情况下，中心轴 100特别地可以处于一个或多个对称平面内。中心轴100也可以垂直于对称面，图Ia和图 Ib的示意图中就是这种情况。术语对称尤其与波导20和波导表面21、22的布置有关。应 当指出的是，术语“对称”尤其指的是波导20的对称。在一个实施例中，第一波导表面21和第二波导表面22被设置成基本上彼此平行， 如图Ia和图Ib中所示。因此，波导在这里表示为平面的波导20。波导20特别地被配置成 至少部分地(参见下文)或者基本上完全地(圆形的或椭圆形的)包围中心轴100并且径 向地向外延伸到边缘，即边缘窗口 24。原则上，第一波导表面21和第二波导表面22也可以不是基本上平行的。因此，在 一个实施例中，厚度d (参见下文)在径向方向上增大，而在另一个实施例中，厚度d在径向 方向上减小。在这里描述的且示意性绘出的实施例中，厚度d沿着特定半径101是基本上 恒定的(“平面波导”)。在一个优选的实施例中以及在这里示意性地绘出的实施例中，波导入射窗口 23被设置成基本上垂直于第一波导表面21和第二波导表面22并且被设置成基本上平行于中 心轴100。基本上平行于中心轴100在这里指的是入射窗口 23和中心轴的角度大约为0°， 但是尤其小于大约6°，更优选地小于大约2°。在这里示意性地绘出的实施例中，入射窗 口 23被设置成基本上垂直于第一波导表面21和第二波导表面22。在其中入射窗口 23不包括实心透明材料的实施例中，例如图Ia中示意性地绘出 的，假设入射窗口 23根据定义基本上平行于中心轴100。波导20可以是空心的，其中第一波导表面21和第二波导表面22环绕或“夹住”诸 如空气之类的气体，如图Ia中示意性地绘出的，但是也可以是实心透明波导40，如图Ib中 示意性地绘出的。在前一实施例(“开放波导”)中，如图Ia中示意性地绘出的，照明设备 1的波导20基本上可以包括利用附图标记221和222表示的两个反射板，这些反射板分别 具有第一和第二波导表面21和22。在该实施例中，第一和第二波导表面21、22优选地包 括反射器。可选地，板221和/或222是透明的，但是外表面(分别利用附图标记221a和 22 表示)包括反射器。在后一实施例(“实心透明波导”)中，如图Ib中示意性地绘出 的，第一和第二波导表面21、22处出现全内反射并且这些表面不必也包括反射器(尽管这 可以是可能的)。因此，在一个实施例中，波导20基本上包括两个其间具有诸如空气之类的气体并 且分别具有第一和第二波导表面21和22的反射板221、222。因此，在另一个实施例中，波 导20包括实心透明波导40。实心透明波导40可以例如基本上由玻璃或珀思配克斯有机玻 璃(Perspex)或者如本文提到的其他材料构成。在其中波导20包括这种实心透明材料并且因而为实心透明波导40的实施例中， 入射窗口 23和边缘窗口 M包括实心透明材料。当波导20包括实心透明波导40时，入射窗口 23和边缘窗口 M特别地将为波导 20的边缘。当波导20是空心的时候，即在第一和第二波导表面21、22之间基本上不存在 波导材料时，入射窗口 23和边缘窗口 M可以独立地封闭或开放。图Ia示意性地描绘了其 中两个窗口 23、对开放的实施例。入射窗口 23或边缘窗口 M或者入射窗口 23和边缘窗 口 M 二者可以进一步包括诸如漫射器、磷光体层、透镜阵列之类的光学元件。此外，边缘窗 口 M可选地可以包括反射器。尽管在若干实施例中边缘窗口 M可以是开放的，但是为了 清楚起见，波导20的这个部分仍然表示为波导边缘24，虽然在严格意义上不是物理边缘。因此，所述两个波导表面21、22优选地为材料-空气界面，使得它们可以通过HR 反射。它们也可以设有金属或电介质反射器，但是(由于吸收损耗的原因)优选地不与波导 材料(除非这是空气)光学接触。入射窗口 23是透明的或者至少半透明。入射窗口 23可 以是空气或者空气-透明材料界面。在光源腔体12的出口处和/或在波导20的入口(即 光源10的下游和在入射窗口 23处或者其上游)处，也可以存在磷光体和/或漫射器(作 为可选的光学器件30)。术语“圆弧形”尤其涉及波导20的边缘，即窗口 23和对。这些窗口是圆弧形的 或弯曲的。在这里，术语“圆弧形”与垂直于中心轴100的平面内的曲率有关(也参见图 2a4e、图 4a 和图 4f)。优选地，入射窗口 23被设置成平行于中心轴100(参见上文)。通过这种方式，获 得了一种圆柱形腔体(包括椭圆柱形腔体)。中心腔体或光源腔体利用附图标记12表示。因此，波导入射窗口 23至少部分地环绕光源10。在这里，应用了措辞“至少部分地环绕光 源10”，因为波导不一定是整个圆或椭圆(参见下文)。因此，在一个实施例中，波导20特 别地被配置成至少部分地(参见下文)或者基本上完全地(圆形的或椭圆形的)包围光源 腔体12并且径向地向外延伸到边缘，即边缘窗口 24。因此，该波导入射窗口 23也被设置成接收来自光源10的径向产生的光源光15。 参照图Ia和图Ib以及本文的其他示意性绘出的实施例，照明设备1也可以被描述为具有 盘状波导、具有中心腔体或光源腔体12的盘状灯。因此，在一个适宜的实施例中，第一腔体 盖31和第二腔体盖32被设置成封闭由入射窗口 23基本上容纳的光源腔体12。为了清楚起见，这些示意图中没有包括可选地存在的热沉。波导边缘窗口 M被设置成促进照明设备光5的外耦合，即它允许光源光15的至 少一部分从照明设备1的波导20逃逸到外部。边缘窗口 M可以是倾斜的或者不倾斜的 (参见下文)。促进光源光作为照明设备光5的外耦合可以通过在该边缘窗口 M处的反射 (以及在第一波导表面21或第二波导表面22处的随后透射)和/或通过该窗口本身的透 射来实现。当边缘窗口 M是开放的时候，透射将发生在该边缘窗口 M处；然而，当边缘窗 口 M例如在实心透明波导40的情况下包括实心透明材料时，根据倾斜的边缘，可能发生透 射和/或反射(也参见下文)。中心轴100是波导围绕其设置的轴。光源10的至少一部分可以与该中心轴100 的部分重合(如这些附图中绘出的)。中心轴100也可以看作所有设备光5的虚拟起点，因 为光源10、可选的光学器件30以及波导20特别地被设置成提供一种圆弧形设备，其中几乎 所有设备光5来源于中心轴100。这不一定意味着光源10完全与中心轴100重合(参见例 如图4g)。事实上，诸如LED之类的光源可以放置在腔体12内的任何位置，只要来自光源的 光被充分散射(例如通过作为可选的光学器件30的一个或多个漫射器)以避免区分各个 源。波导厚度，即第一波导表面21与第二波导表面22之间的距离利用附图标记“d”表 示。从入射窗口 23到中心轴的距离，即事实上光源腔体12的半径利用附图标记rl表示。 该半径在这里也表示为“入射窗口半径”rl并且也可以表示为波导20的“内半径”。波导 20的外半径利用附图标记r2表示。实际上，可以存在不同的半径，因为如下文所示，第一波 导表面21和第二波导表面22不一定具有相同的半径。因此，第一波导表面21的半径利用 附图标记r21表示并且第二波导表面22的半径利用附图标记r22表示。平均半径(在高 度或厚度d上)利用外半径r2表示。半径r2、r21和r22可能不仅在波导20的厚度d上 变化，而且在垂直于中心轴100的平面内变化。例如，波导20也可以是椭圆形的(参见下 文)。术语“平均半径r2”仅仅指的是在与中心轴100平行且包含中心轴100的平面内的 厚度d上的平均半径。在一个优选的实施例中，边缘窗口半径r2和入射窗口半径rl的比值等于或大于 大约2，特别地>大约4，并且通常不大于大约150。这样的实施例通常提供良好的方位准 直，并且尤其是与伸长结构(参见下文)结合，也提供良好的径向准直。附图示意性地示出了起源于光源10的一些光线(用附图标记15表示)如何可以 通过波导20传播。伸长结构将在下面参照图4a_4f加以讨论，但是首先将进一步讨论照明设备1的原理。图示意性地描绘了依照本发明的照明设备的顶视实施例。为了清楚起见， 没有绘出诸如第一腔体盖31之类的可选光学器件30。如上所述，包括基本上圆弧形的平面 波导20的基本上圆弧形的照明设备1可以具有不同的形状。图描述了一定数量的 这些实施例，其不应当以限制的方式加以解释。图加示意性地描绘了一种圆形设备。因此，在一个特定实施例中，照明设备1具 有圆形形状。由该顶视图可见，中心腔体是圆弧形的，这里在该实施例中为圆形的，并且入 射窗口 23是基本上围绕中心轴100旋转对称的。此外，波导20具有圆弧形边缘，即边缘窗 口 M是圆弧形的，在这里为圆形的。因此，在该实施例中，边缘窗口 M也基本上是围绕中 心轴100旋转对称的。原则上，圆形形状的波导20不一定要求圆形形状的中心腔体12。为 了理解起见，绘出了垂直于中心轴100的半径，其用附图标记101表示。在另一个实施例中，照明设备1具有椭圆形形状。该实施例在图2b中示意性地绘 出。原则上，椭圆形形状的波导20不一定要求椭圆形形状的中心腔体12。因此，这里在图 2a中均为圆形并且在图2b中均为椭圆形的光源腔体12以及边缘窗口 M的形状不必具有 相同的形状。参照图h_2b，选择特定半径101，波导方位角为360°，即照明设备1和波导20具 有圆形或椭圆形形状。然而，在一个实施例中，照明设备1和波导20具有圆(或椭圆)段 的形状。举例而言，图2c中示出了一个实施例。波导方位角用Y表示。这里，在图2c中， 波导方位角Y处于大约45°的范围内。因此，在一个实施例中，波导20相对于垂直于中 心轴100的特定半径101、相对于中心轴100优选地在大约2-360°的范围内的波导方位角 Y上延伸。在一个优选的实施例中，波导20相对于垂直于中心轴的特定半径101、相对于 中心轴100在大约20-180°的范围内的波导方位角Y上延伸。在另一个实施例中，波导相 对于垂直于中心轴100的特定半径101、相对于中心轴在360° (即圆形(或椭圆形)的波 导方位角Y上延伸。这样的圆段或椭圆段用附图标记120表示。当波导方位角γ小于360°时，优选地，波导20还包括封闭波导边缘沈和27 (其 可以例如包括反射器)。在这里，同样地，波导20可以是空心的，具有相互独立的开放的入 射窗口 23和边缘窗口 24，并且在一个特定实施例中包括封闭波导边缘沈和27，但是波导 20也可以是实心透明波导40，具有圆段(或椭圆段)的形状。在后一实施例中，波导边缘 26和27可选地可以包括反射器。应当指出的是，在这些实施例中，仍然应用了术语“中心 轴” 100，因为同样在这些实施例中，该轴100可以作为设备光5的虚拟起点而出现。此外，如上所述，措辞“基本上圆弧形的”也可以指具有成角度的边缘的结构，例如 具有含有6个角和6条边部分的边缘的六边形波导20以及更高阶多边形形状，例如八边形 波导(8个角/8条边)等等。在这里，它尤其指正凸多边形(等角(所有角度全等)且等 边(所有边具有相同长度)并且其为凸的多边形)，例如具有正六边形、八边形、十边形等等 的形状的波导。优选地，当使用具有多边形形状的基本上圆弧形的结构时，例如具有多边形形状 的波导，那么边(或角或顶点)的数量至少为6，更优选地至少为10，甚至更优选地至少为 大约M。举例而言，图2d和图加中示意性地绘出了具有成角度的边缘的两个实施例。在 图2d中，波导20的边缘窗口 M具有14个角和14条边；类似地，入射窗口 23具有14个角和14条边。图加示意性地绘出了具有3条边的圆段120，即入射窗口 23具有3条边并且 边缘窗口 M也具有3条边。术语边也可以解释为面。图3a_;3e更详细地示意性绘出了依照本发明的照明设备1实施例的边缘窗口 M 的侧视实施例。图3a和图3b基本上与图la( “开放波导”)和图Ib ( “封闭波导”)相同， 并且仅出于比较的原因而绘出开放边缘窗口用附图标记241表示(图3a)；与中心轴100 平行(且垂直于第一和第二波导表面21、2幻的封闭边缘窗口用附图标记M2表示(图北)。图3c示意性地绘出了照明设备1实施例的侧视图，其中边缘窗口 M是倾斜的，即 它具有相对于第一波导面21或第二波导面22之一的不等于90°的倾斜角β。这种边缘 窗口 M基本上不与中心轴100平行。举例而言，在图3c中，倾斜角β相对于第一波导表 面21绘制，但是本领域技术人员应当清楚的是，措词第一和第二在本文中可以互换。在一个优选的实施例中，边缘窗口 M具有相对于第一波导表面21或第二波导表 面22的85-105°范围内的倾斜角β。当倾斜角β为90°时，获得图Ib和图北中示意性 绘出的实施例(具有(事实上不倾斜的)边缘窗口 Μ2)。措词“倾斜的”或者“倾斜边缘 窗口”涉及相对于第一或第二波导表面具有不等于90°的角度β的边缘窗口。在另一个优选的实施例中，边缘窗口 M具有相对于第一波导表面21或第二波导 表面22的倾斜角β，该倾斜角处于大约35-55°的范围内，尤其是处于大约40-50°的范围 内，例如尤其是大约45°。具有不等于90°的角度β的倾斜边缘窗口 M用附图标记Μ3 表示并且在图3c中示出。图3d示意性地绘出了其中边缘窗口 M具有含刻面形状，表示为含刻面边缘窗口 M4的实施例。这些刻面可以具有90°的刻面角度θ，但是不等于90度的刻面角度θ也 是可能的。在后一种情况下，获得倾斜的含刻面边缘窗口。这种后一实施例在图3d中示意 性地绘出。因此，在一个实施例中，波导20包括含刻面边缘窗口 Μ4，其可选地也是至少部 分倾斜的。应当指出的是，所有边缘窗口刻面都可以是透射的或反射的，或者它们中的一个 或多个可以是透射的并且它们中的一个或多个可以是反射的。图!Be示意性地绘出了其中波导20包括多个(即彡2个)边缘窗口 M的实施例。 在图3e中所示的示意性实施例中，提供了用附图标记M(I)和表示的两个边缘窗口 24。通常，这样的边缘窗口将是倾斜边缘窗口，如图所示，尽管一个或多个倾斜边缘窗口 243 以及垂直边缘窗口 241的组合也可以是可能的(即图北和图!Be中示意性绘出的实施例的 组合)。类似地，一个或多个倾斜窗口 23以及含刻面边缘窗口 243的组合也可以是可能的。 因此，在一个实施例中，波导20包括多个边缘窗口 24。每个边缘窗口 M被设置成促进光源 光15从波导20向外耦合到照明设备1的外部。半径r2以及r21和r22特别地结合最外面的边缘窗口 24 (在图；^中为边缘窗口 24(2))来计算。在上文中，大体上描述了设备1。现在，将参照图4a_4f描述依照本发明优选实施 例的伸长结构。图4a4e示意性地绘出了波导的伸长结构；图4f以透视图示意性地绘出了 依照本发明的照明设备的实施例，并且图4g示意性地绘出了依照本发明的照明设备的光 源的实施例。如上所述，在一个优选的实施例中，第一波导表面21或第二波导表面22或者第一12波导表面21和第二波导表面22 二者还包括多个伸长结构200，每个伸长结构具有基本上与 垂直于中心轴100的半径101平行的伸长轴201。措辞“垂直于中心轴100的半径101”指的是一个或多个任意半径。来自光源10 的光线基本上遵循半径101，即平行于半径101。在这里示意性绘出的实施例中，入射窗口 23基本上垂直于这样的半径101，并且第一波导表面21和第二波导表面22基本上平行于 这样的半径101。所述伸长结构基本上平行于这些半径(即基本上垂直于中心轴100)。措词“伸长 结构”指的是波导表面21和/或22的结构，其向这些基本上平坦的表面21和/或22提供 不规则性。这样的结构可以具有大约0. 05mm到大约d的范围内的高度h，但是优选地它们 位于大约0. 05mm到大约0. 5d的范围内，甚至更优选地处于大约0. 05mm到大约0. Id的范 围内。伸长结构的特性高度h处于大约0.05-2mm的范围内。类似地，伸长结构200的用附 图标记w表示的特性底部宽度也可以处于大约0. 05-2mm的范围内。所述宽度或者底部宽度w可以沿着半径101变化。在图如中，示出了其中波导表 面21或22(这里示意性地绘出了它们之一(或二者)的实施例)未完全用伸长结构200“填 充”的实施例。通过改变伸长结构的高度h和/或通过沿着半径101改变伸长结构的底部 宽度《，可以能够利用伸长结构200完全填充各波导表面21、22(也参见图4f)。这样的伸长结构200将附加的反射表面202添加到波导表面21和/或22。看起 来，通过从这些伸长结构200反射，光源光线的方位方向与垂直于波导20的方向混合。当 在径向方向上传播时，光线仅在方位方向上被准直。这两个方向的混合确保了光源光15的 两个方向将被准直。因此，在不改变其他光学部件的情况下，尤其是在基本上不增大设备1 的厚度的情况下，这两个方向上的光束准直将随着半径的增大而改善。优选地，伸长结构的总数的一部分具有波导径向长度的大约50% -100%的范围 内的长度1，即分别第一波导表面21和/或第二波导表面22的边缘窗口半径r2 (或者r21 和r22)与入射窗口半径rl之间的长度差。在图4f的示意性实施例中，所有伸长结构200 具有波导径向长度的大约100%的长度1，即分别为r21和r22的第一波导表面21和/或 第二波导表面22的所述长度。由于照明设备1的性质，优选的伸长结构200具有伸长轴201，其优选地基本上与 垂直于中心轴100的特定半径101平行，并且因而也基本上与光源10的光线(或半径)平 行。伸长结构200的实施例以示意性顶视图示于图如中。图4b和图如中示出了示意性侧视图，其中第一和第二表面21和22之间的中间 空间可以例如是空气(“开放波导”)。图4d和图如示意性地绘出了其中波导20包括实 心透明波导40的侧视实施例。伸长结构200可以例如具有ν形剖面(图4b、图4d和图如)，或者可以例如具有 诸如正弦状剖面之类的弯曲剖面，如图4c中示意性所示。伸长结构200可以像在图如中 一样彼此紧邻，但是也可以在邻近的伸长结构200之间存在距离。不管伸长结构200彼此 紧邻，还是在相邻伸长结构200之间存在距离，也可以沿着半径101变化(比较例如示意图 4f和6a/6b)。如上所述，伸长结构100可以具有恒定的宽度w和/或高度h，或者宽度w和 /或高度h可以在波导20的半径101上彼此独立地变化。通过这种方式，第一波导表面21 和/或第二波导表面22的整个表面可以包含伸长结构200，但是它也可以被选择成在两个邻近伸长结构200之间留下空间。伸长结构200可以例如通过向尤其是实心透明波导40的第一和/或第二表面21、 22提供凹槽而容易地提供。通过引入V形凹槽或正弦形凹槽或者其他类型的凹槽，相对容 易地为伸长结构200提供反射表面202。这样的凹槽可以通过蚀刻或者雕刻凹槽来获得，从 而获得伸长结构200。然而，也可以应用本领域技术人员已知的其他方法，比如伸长结构的 注射成型或热压印或者复制。图4f更详细地示意性绘出依照本发明的照明设备的实施例，其具有倾斜边缘窗 口 M043)以及分别用于第一和第二表面21、22的从入射窗口 23延伸到边缘窗口 M的伸 长结构200。该图示出了包括圆形波导20的本发明实施例，其中光15在中心(即光源腔体 12)处耦合进来，并且在外缘(即倾斜边缘窗口对幻处耦合出去。顶侧和底侧，即波导20 的第一和第二波导表面21、22包含具有90°顶角的、从中心径向延伸到外缘的V形凹槽。在一个优选的实施例中，波导20每10°波导方位角Y包含至少1个伸长结构 200，特别地每10°波导方位角Y包含大约1到5个伸长结构200。图4g示意性地绘出了包括设置成圆形的多个LED 18 (尤其是彡6个LED 18)的 光源10的实施例。LED 18可以提供白色光或彩色光，或者各LED 18可以提供不同颜色的 光，这些颜色例如黄色和蓝色，或者RGB(红色、绿色和蓝色)等等。因此，在一个实施例中， 所述多个LED 18可以设置成圆形LED阵列，并且在另一实施例中，波导20可以基本上是圆 形的，其提供具有改善的光学性能的结构。LED 18可以是侧面发射LED，其导致紧凑的设计 以及光高效地向内耦合到波导20中。图5绘出了具有45°倾斜角β的照明设备的若干实施例的积分强度与极角(相 对于中心轴)的函数关系，所述极角是相对于中心轴100的角度。假设极角为0°，沿着照 明设备1的中心轴100的方向测量强度；在90°极角下，沿着垂直于中心轴100的方向(即 在与特定半径101—致的位置处)测量强度。给定极角的积分强度是0度与该极角之间的 范围内的总通量。产生了若干具有不同半径r2、具有或者没有伸长结构200、但是都具有 45°倾斜角β的实施例。在表1中，表示了对于每条曲线的相关设备参数表1 具有45°倾斜边缘窗口 24、具有PMMA波导20的照明设备1的依赖于极角(相对于中心轴)的相对积分强度(％ )
权利要求
1.一种被设置成提供照明设备光(5)的基本上圆弧形的照明设备(1)，该照明设备(1) 包括-被设置成径向地产生光源光(1 的光源(10)和可选的光学器件(30)，以及-被设置成对径向产生的光源光(1 准直的基本上圆弧形的且基本上平面的波导 (20)，其中该波导00)包括第一波导表面(21)、第二波导表面(22)、基本上圆弧形的波导 入射窗口(23)、基本上圆弧形的波导边缘窗口 04)以及中心轴(100)，其中-第一波导表面或第二波导表面0 或者第一波导表面和第二波导表面 (22) 二者还包括多个伸长结构000)，每个伸长结构具有基本上与垂直于中心轴(100)的 半径(101)平行的伸长轴001)，-波导入射窗口 至少部分地环绕光源(10)并且被设置成接收来自光源(10)的径 向产生的光源光(15)。
2.依照权利要求1的照明设备(1)，其中照明设备(1)具有圆形形状。
3.依照权利要求1的照明设备(1)，其中照明设备(1)具有椭圆形形状。
4.依照权利要求1的照明设备(1)，其中照明设备(1)具有多边形形状，并且边数η至 少为6。
5.依照前面的权利要求中任何一项的照明设备(1)，其中波导入射窗口03)具有相 对于中心轴(100)的入射窗口半径(rl)，并且其中波导边缘窗口 04)具有相对于中心轴 (100)的边缘窗口半径(r2)，并且其中边缘窗口半径(r2)和入射窗口半径(rl)的比值等 于或大于1.5。
6.依照前面的权利要求中任何一项的照明设备(1)，其中波导OO)包括实心透明波导 00)。
7.依照权利要求1-6中任何一项的照明设备(1)，其中伸长结构(200)在横贯轴(201) 的截面内具有ν形剖面。
8.依照权利要求1-6中任何一项的照明设备(1)，其中伸长结构(200)在横贯轴(201) 的截面内具有弯曲的剖面。
9.依照前面的权利要求中任何一项的照明设备(1)，其中波导00)相对于垂直于中心 轴(100)的半径(101)、相对于中心轴(100)在2-360°范围内的波导方位角(Y)上延伸， 并且其中波导00)每10°波导方位角(Y)包括至少1个伸长结构(200)。
10.依照权利要求1-9中任何一项的照明设备(1)，其中边缘窗口04)具有相对于第 一波导表面或第二波导表面02)的大约85-105°范围内的倾斜角(β)。
11.依照权利要求1-9中任何一项的照明设备(1)，其中边缘窗口04)具有相对于第 一波导表面或第二波导表面02)的大约35-55°范围内的倾斜角(β)。
12.依照前面的权利要求中任何一项的照明设备(1)，其中波导OO)包括含刻面的边 缘窗口 (244) ο
13.依照前面的权利要求中任何一项的照明设备(1)，其中波导OO)包括多个边缘窗口 04)。
全文摘要
本发明提供了一种基本上圆弧形的照明设备(1)，该照明设备(1)包括光源(10)和基本上圆弧形的波导(20)。波导(20)包括第一波导表面(21)、第二波导表面(22)、基本上圆弧形的波导入射窗口(23)、基本上圆弧形的波导边缘窗口(24)以及中心轴(100)。第一波导表面(21)或第二波导表面(22)或者第一波导表面(21)和第二波导表面(22)二者还包括多个伸长结构(200)，每个伸长结构具有基本上与垂直于中心轴(100)的半径(101)平行的伸长轴(201)。
文档编号G02B6/00GK102047156SQ200980120114
公开日2011年5月4日 申请日期2009年5月20日 优先权日2008年5月30日
发明者M·C·J·M·维森伯格 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司