管状发光设备的制作方法

本发明涉及管状发光设备。

背景技术：

标准的(即卤素)管状照明(“tl”)管，以及典型的led改装解决方案，在各个方向上提供光。为了创建光束形状，它们被放置在包括反射器和/或其他光学元件的器材中，以将来自管的光改向成期望的光束形状。

led技术允许将光生成元件(led)以及光束成形光学器件集成到管状照明外壳中，因此消除了对昂贵外部外壳和光学器件的需要。当前管状led(称为“tled”)解决方案是已知的，其将光学器件集成到管状外壳中，以优化效率且创建期望的光束形状。例如，透镜或全内反射准直器可以安装在管状外壳中的led之上。

尽管这允许了光束形状的创建，但是这也导致了管的非常多斑的外观(由于光学器件与led的紧密靠近)，由于美学的原因这在一些情况下不被喜欢，并且由于高峰值亮度这甚至可能是不舒服的。

用于光束成形的典型透镜的另一个缺点是对于白光照明设备，它们通常引起色差，该色差是出射光角度的函数。这是由典型白色led的出射窗的颜色不均匀性引起的，该白色led通常基于使用被磷光体覆盖的发射蓝光的led裸片，该磷光体将该蓝光部分地转换成更大的波长(例如黄色)，以形成白光(基于原始蓝光和经磷光体转换后的黄光的组合)。通常，这意味着更蓝的光从led的中心被发射，而更黄的光从led的边缘被发射。

通常，当使用透镜或准直器对该光进行光束成形时，这些空间色差被转换成角度色差，引起光束的中心偏蓝并且光束的边缘偏黄(或者反之亦然，取决于使用的光学器件的类型)。这在某些应用中是非常不被喜欢的，特别是在光用于照亮白色物体的应用中。

技术实现要素：

本发明由权利要求限定。

根据依照本发明的一个方面的示例，提供了一种管状灯，该管状灯包括：

细长光源，具有长度轴线和垂直于该长度轴线的光输出光学轴线；

在光源周围的管状外壳；

光束成形装置，在外壳内，在管状外壳的至少角部分的内表面周围，用于在垂直于长度轴线的平面中对从细长光源输出的光进行光束成形，

其中该光束成形装置在垂直于长度轴线的平面中具有有效焦距，该有效焦距取决于光束成形装置周围的角位置而变化，以使得在光输出光学轴线方向上的光的有效焦距长于侧向输出到光输出光学轴线侧方的光的有效焦距。

本发明因此提供了一种管状发光设备，其能够提供光束成形但具有减小的角度色差。通过向沿着光学轴线的光提供更长的焦距，与更大角度的光相比，准直的水平降低。因此对更接近光学轴线的光存在光混合，并且这减少了着色伪像。

有效焦距可以定义为：从光束成形部件的表面到指向法线的光被聚焦的点，沿着光学轴线的距离。光束成形装置例如具有与管状外壳的形状相匹配的部分柱形形状。焦点在光源的位置处，要不然设置在光源后面(即比光源更远离光束成形装置)。

细长光源优选地包括至少一排led。

每个led可以包括直接在led之上的光束成形元件。这可以对取决于角度输出方向的颜色变化做出贡献，并且光束成形光学装置减少这些颜色变化。

led例如被提供在载体之上，且光输出光学轴线垂直于载体平面。因此光源可以包括在印刷电路板或其他载体上的标准的向上发射的led。

对于从光输出光学轴线侧向偏移最大的光束成形装置的部分而言，光束成形的有效焦点位置可以与细长光源的位置重合。这意味着对于从光学轴线角度偏移最大的光而言，存在最大准直。如果光源是在有效焦点位置处，那么来自光源的光被改向成平行于光学轴线的光束。

该光束成形装置可以包括在长度轴线方向上延伸的细长的光改向小面的阵列，其中在光束成形装置周围的不同角位置处的小面具有相对于来自光源的入射光的不同小面角度。因此不同的小面实施不同的光束改向水平，其中特别地在侧向更外部区域处比在光学轴线附近的光束改向的量更大。因此依赖于相对于光输出光学轴线的小面角位置的可变焦距是可调的。

小面中的一些小面或全部小面可以包括折射表面。

存在最大量的角度光束改向，这可以通过光通过折射元件来实现。因此，小面中的一些小面或全部小面可以包括全内反射表面。这些使能更大量的光改向。

一对小面一起限定棱形脊。这些脊的节距可以变化，但是它可以例如在20μm到500μm的范围内。脊高度(或槽深度)可以例如在30μm到100μm的范围内.

光束成形光学装置例如提供准直功能，其中在光输出光学轴线方向上的光的准直度小于侧向输出到光输出光学轴线侧方的光的准直度。

光束成形光学装置可以提供具有比细长光源的光束宽度窄的光束宽度的光束。这可以是在光使用中的向下光束，例如办公室光束轮廓或者窄斑光束轮廓。

结合在相反大体方向上的光束，光束成形光学装置可以提供在光输出光学轴线的大体方向上的、具有比细长光源的光束宽度窄的光束宽度的光束。结合用于天花板照明的向上间接光束，这可以用于提供向下的光束以用于办公室照明。

可以存在两个细长光源，每个细长光源具有长度轴线和光输出光学轴线，其中光束成形光学装置提供蝙蝠翼光束轮廓。

例如箔的光束成形装置可以是刚性的或柔性的。在一些实施例中，光束成形装置对应于透明的柔性或弹性刚性的材料。适合的材料是例如聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯(ptfe)等。光束成形装置在垂直于长度轴线的平面中的弧长，优选地大于管状外壳的直径乘以π/2。该特定示例意味着光束成形装置可以被压靠在管状外壳的内表面上，并且保持其曲率，即其自身抵靠管状外壳的弯曲内部而展开。光束成形元件不需要覆盖结构的整个宽度，以使得光束成形装置的弧长的一部分可以没有光束成形元件——这些可以集中在光束成形装置的中心区域中。

该灯优选地是管状led灯，其被设计为在没有外部光束成形外壳或灯具的情况下使用。

附图说明

参考附图，现在将详细地描述本发明的示例，其中：

图1以透视图和横截面示出管状灯；

图2示出可以如何设计光束成形装置以提供准直光束，并且示出作为光束角的函数的强度以及作为光束角的函数的颜色变化；

图3示出可以如何设计光束成形装置以提供降低的准直但是改善的颜色混合，并且示出作为光束角的函数的强度以及作为光束角的函数的颜色变化；

图4示出将光束成形光学装置设计成实现图3所示光学功能的方式；

图5示出针对图3装置的光束轮廓的形状；

图6示出小面设计的可能组合；

图7以垂直于长度轴线的横截面形状示出各种可能的光束形状；

图8示出如何可以仅仅使用单行led和单个微小面箔来产生图7(a)的轮廓；

图9示出具有指向不同方向的两行led以提供全方向照明的管状灯；以及

图10示出使用两行led，该两行led都大体向下指向，以形成蝙蝠翼轮廓。

具体实施方式

本发明提供了管状灯，其包括细长光源和光源周围的管状外壳。在外壳内提供光束成形装置。该光束成形装置在垂直于长度轴线的平面中具有有效焦距，有效焦距取决于光束成形装置周围的角位置而变化。在光输出光学轴线方向上光的有效焦距长于侧向地输出到光输出光学轴线侧方的光的有效焦距。这意味着光束成形(例如准直)在光输出光束的边缘处比中间处更大，因此在输出光束内存在光混合。

例如，输出光束形状可以是具有特定光束宽度或蝙蝠翼轮廓的准直光束。光混合使颜色随着角度的差异减小。光束成形装置例如包括具有线性微小面的单个光学箔。

图1以透视图和横截面示出管状灯。该灯包括细长光源10，细长光源10具有长度轴线12和垂直于长度轴线的光输出光学轴线14。光源10包括例如印刷电路板的载体，在载体上安装有离散的照明单元，特别是led16。

管状外壳18在光源的周围，具有圆形或椭圆形横截面形状。光束成形装置20在外壳18内、在管状外壳的内表面周围，用于在垂直于长度轴线的平面中对从细长光源输出的光进行光束成形。光束成形装置可以在内表面的四面八方，或者它可以仅仅在由led将光引导到的内表面的仅角部分的周围延伸。

光束成形装置的目的主要是将来自led的朗伯广角(例如150度)输出转换成更准直的光束。然而，还提供了附加的颜色混合功能，其目的在于混合从led输出表面的不同部分输出的光，以使得作为光输出方向的函数的色差被平均化。为了实现这一点，光束成形装置20在垂直于长度轴线的平面中(即在图1的下部示出的平面中)具有有效焦距，有效焦距取决于角位置而变化。该焦距给出在光源10的位置处、要不然在光源10的后面(即在光源的与光束成形装置相反的侧上)的焦点。对于在光源处的焦点，来自光源的光变成准直到法线方向，而对于在光源后面的焦点，来自光源的光在通过光束成形装置20处理之后保持发散。与角度更大的光相比，光学轴线附近的光的准直水平降低。

管状外壳18可以是例如具有典型管状照明管的外形规格的透明玻璃或塑料管。这种管的典型直径是38mm、26mm和16mm。led行不一定需要在管的精确中心，并且led以近似朗伯分布发射光。

光束成形光学器件包括放置在管状外壳内侧、跟随管状外壳的内曲率的微小面透明箔。该透明箔可以被设计成具有一定的弹性刚度，使得如果该透明箔被弯曲，其具有变平的趋势。以这种方式，只要该箔的宽度(即其在图1横截面中的弧长)大于管状外壳的内直径乘以π/2，该箔将自动地把自身压靠在外壳的内壁上。换句话说，该箔适配为抵靠内周界的不止一半，并且因此自身折回，所以不能平移运动。弧长可以是高达整个周界(管状外壳的内直径乘以π)的任何尺寸。如果箔仅仅偏转光的一部分，或者如果led被定位为非常接近出射表面(如图10中的)，可以需要更小的箔弧长(小于管状外壳的内直径乘以π/2，因此箔不把自身压靠在内壁上)。

注意到光束成形小面可以不需要在光束成形装置的整个范围之上，特别是如果光束成形小面的曲线比光学所需要的更长，以便于提供如上文所述的机械固定。

从光学角度来看，箔不需要与外管状外壳接触。它可以例如定位在led与管状外壳之间。靠在管状外壳的内表面上的箔的优点是用于自支撑功能而不是用于光学功能。如果它被不同地支撑，箔不需要靠在管状外壳的内表面上。

当箔靠在内表面上时，它可以层压到管状外壳的内侧，或者可以使用诸如内部环的机械夹，以通过将箔在规律间隔处压靠在外壳的壁上来使箔保持就位。在这些示例中，整个设备的机械强度主要由玻璃(或塑料)透明外管状外壳来提供。

图1中的横截面示意性地示出用于折射入射光并且因此使入射光改向的几个小面21。

箔沿着其长度具有恒定的横截面形状，所以其可以被形成为挤压部件或者其可以以线性方式被机加工。然后小面包括在长度轴线方向上延伸的细长的光改向小面，其中在光束成形装置周围不同角位置处的小面具有相对于来自光源的入射光的不同小面角度。因此不同的小面实施不同水平的光束改向，其中具体地在侧向更外部区域处的光束改向的量大于在光学轴线附近的光束改向的量。

为了限定连续的光束成形表面，一个小面可以在径向方向上，即平行于入射光，并且其用作相邻有效小面之间的连接点。这些无效小面中的一个结合有效小面一起形成脊(或槽)。在垂直于长度轴线的平面中的这些脊的节距(图1中示为p)在光束成形装置周围可以变化，但是它可以例如是在20μm到500μm的范围内。脊高度(或槽深度，图1中示为h)可以例如是在30μm到100μm的范围内。它可以是跨光束成形装置的恒定值。

使用光改向小面的光束成形光学箔是已知的。通常，它们可以用于提供光准直，例如以菲涅尔板的方式，菲涅尔板在更远离光源处提供更陡峭的小面角度，以朝着期望的法线方向给予更大量的光改向。

图2在顶部图像中，通过示出来自光源16的光线路径，来示出光束成形装置20如何可以设计成提供准直光束。示出了各种由于在小面之间边界处的反射而产生的杂散光路径——它们不形成所旨在的光束成形功能的一部分，但是它们在实际设计中不可避免。

图2的底部部分作为曲线22示出作为光束角的函数的强度，并且作为曲线24它示出作为光束角的函数的颜色变化。该颜色变化由参数du'v'限定，该参数表示cie1976色度图中两个色点之间的距离。针对全输出频谱，确定了与通用平均颜色输出的色差。

曲线22示出相对于角度的光强度的快速截止，表明良好的准直。然而，曲线的区域26示出在特定范围输出角处的显著色差。

对于大多数应用，这种准直水平通常是不需要的。

本发明提供在准直度与颜色均匀性之间的不同权衡。小面箔的使用意味着有可能独立控制由每个小面引起的光改向的量(在标准透镜中，由于要求具有连续的表面，这是不可能的)。因此，可以以如下方式设计小面，以使得来自led封装的不同角度和不同区域(并且具有不同颜色)的光在整个光束上混合，因此所得的光分布示出减小的角色差，以使得它们在应用中不再可见或让人不安。

图3示出这种方法。

顶部图像示出光线路径，其与图2的设计相比，在光学轴线附近具有减小的准直水平，但是在边缘处具有相似的性能。

输出光束保持相对较窄，具有36度的半高全宽(fwhm)(即2×18度，其中18度给出0.5的相对强度)。这是与图2中大约10度的fwhm相比。视场角(在其内相对强度至少是0.1的角度)是45度(即2×22.5度，在22.5度处强度下降到0.1)，这对使用线性照明的大多数应用来说是足够窄的。这是与图2中大约30度的视场角相比。

如曲线24和区域26中所示，放松这些准直要求的好处是减少颜色变化。

因此存在准直要求的放松，例如以使得fwhm大于20度，例如大于30度，并且视场角大于20度，例如大于30度。

然后这使得颜色均匀性能够增加，例如以使得最大值低于0.03。

对du'v'值的要求将取决于应用。

甚至可能需要和实现更好的颜色均匀性，例如du'v'在各处的最大值可以低于0.005，尽管用当前led封装，在准直应用中实际上从未达到这一点。从实际的角度来看，du'v'的值可以被允许在束斑应用的尾部处到达0.01或更高，其中例如强度仅是其峰值的0.1倍。

当前，根据管状led照明解决方案的光束输出中的色差在市场中具有重要影响：它已成为对tled解决方案不满意的显著原因。上面的方法将最差的色差推到较低强度的区域(即峰值26从图2到图3的向右移动)并且减少色差，因此得到显著的改善。

注意，图2和图3是光学仿真结果，并且相应地示出作为小振荡的一些噪声。

现在将参考图4，解释将光束成形光学装置设计成实现图3所示光学功能的方式。

在已知完全准直光束中的色差是由于这种系统的成像行为。在这种系统中，光源被放置在透镜焦平面处，以使得光源被成像到无穷远。

通过改变聚焦装置，尽可能多地使图像模糊(即图像对比度减小)，同时使其对光束形状的影响最小化。这通过扫过光偏转角度以使得它们仍然保持在优选的总体光束形状方向内而实现。

通过将光学箔总体考虑为类似于透镜部件，创建具有变化焦平面的透镜，该变化焦平面作为距离光学轴线的侧向(即角度的)距离的函数。焦平面位于源位置之后(即在源位置的与光束成形装置相反的侧上)，以便阻止成像。

只有位于距离光学轴线的最大侧向距离处的小面，是可选地被选择为与光源位置对应的焦平面。

图4示出从光束成形装置20前面到光源16位置的距离d。光束成形装置的焦平面在不同位置处是不同的。最小焦距是d，并且这是在光束成形装置很边缘处的情况(如光线40所示)。该光线聚焦到光源。在光学轴线与光束成形装置20边缘之间的距离的约三分之一处，焦距是2d(如光线42所示)。该光线聚焦到光源后面的焦点44。在光学轴线与光束成形装置边缘之间的距离的约四分之一处，焦距是3d(如光线46所示)。该光线聚焦到光源后面甚至更远的焦点48。

光线42'和46'示出从光源穿过光束成形装置的那些部分的光路径。因为光束成形装置是散焦的，光路径未改向到光学轴线方向，而是保持发散，但是在所期望的总体光束角内。

这种设计确保了从led中心区域出现的光和从led外部区域发射的光两者都分布在整个光束上。这通常意味着来自中心的光在名义上平均被指向远离光束中心，而来自led封装边缘的光在名义上被指向光束中心。

箔的宽度优选地比管状外壳的直径大，但是该箔不需要用微结构完全覆盖。这些可以限制到箔的离散区域。

因此离去光束不是全部地被偏转为平行于光学轴线，而是它们在相对于光学轴线的光束角度内被扫过。针对位于透镜边缘处的小面，选择焦点以对应于源位置。然而，通过这些小面创建的源图像的尺寸显著减小，这是由于在这些小面处所对的小立体角。对于这些小面，光束扫过角可以因此显著地减小(与内部小面的扫过角相比)，而没有产生成像对比度。

期望的光束成形主要包括准直功能。最大可能的准直度通过(i)光束成形元件20与光源之间的距离，与(ii)发光区域的尺寸的比率来确定。因此，如果可能的话，通过增加该距离或者减少光源区域来改善可能的准直度。在典型的准直光学器件中，在给定led尺寸时，这将暗示模块尺寸的增加。在本应用中，最大距离由管状外壳直径固定。因此，为了提供最大的准直度，光学元件优选地尽可能靠近管状外壳的内侧，并且因此具有到led源的最大距离。因此，光束成形装置适形于管状外壳的柱形形状。

此外，为了将光学箔与led之间的距离增加到最大，led可以定位为远离管状外壳的中心，并且靠近与箔相对的外缘(例如参见图8)。因此，细长光源可以位于管状外壳的中心与管状外壳的外缘之间的光学轴线上，该管状外壳的外缘与光束成形装置的中心相对。

图4的示例示出在光束成形装置的内表面上的小面，并且示出平滑的外表面。然而，在两侧上都可以有小面。用与菲涅尔板相同的方式，小面越远离光学轴线变得越陡。它们还可选地从光学轴线向外变得更靠近在一起，即它们在横截面平面中的长度更小。这是因为小面更陡，所以对于给定的光学箔的厚度，它们需要更靠近在一起。

小面可以具有30μm到100μm的尺寸(即它们在垂直于长度方向的横截面中的长度)。

每个led可以包括直接在led之上的光束成形元件，诸如折射透镜或全内反射元件。这提供了光束预成形功能。这还可以对依赖于角度输出方向的颜色变化做出贡献，并且光束成形光学装置减少这些颜色变化。

通过设计具有恒定横截面形状的光束成形装置20，以使得其在管状外壳的长度方向上是平移不变的，不需要在长度方向上与led对齐。在led周围的箔的弯曲形状对高效地捕获和改向来自led的光而言是理想的。光束成形装置可以容易地插入或安装在标准的玻璃/塑料管状外壳中。同时，在生产期间，箔可以是平坦的，以使得不需要将箔预成形为半管。

箔不需要特殊的安装技术，并且不需要显著的机械强度：玻璃或塑料管状外壳的机械强度被重复使用，而靠在管状外壳内表面上的箔的弯曲形状确保良好的结构稳定性。

与典型的透镜或全内反射准直器相比，箔的延伸性质与微结构设计一起，通过使用更大区域的光学器件来引导光并且因此增加表观发光区域，减少了当看向照明设备时的led峰值亮度。因此，高亮度的led斑被平均成垂直于管状外壳长度轴线的线。

为了创建具有不同光束形状的管状灯，可以使用不同的箔，其中所有其他生产步骤和部件保持相同。

图5示出针对图3装置的光束轮廓的形状。曲线50是在垂直于长度轴线平面中的光束形状，并且曲线52是在包括长度轴线和光学轴线的平面(即包括管状外壳的中心长度轴线的竖直平面)中的光束形状。在如曲线50示出的光束成形方向中，可以看见上文提到的36度的光束宽度和45度的视场角。

使用的小面或微结构的类型取决于入射光线的方向需要改变的程度。这转而由所需的光束形状来确定。最方便和高效的设计使用突起的折射小面。使用折射，光线可以高效地偏转高达约45度。

如果需要在大于45度的角度上的光束偏转，可以使用全内反射(tir)小面作为光线偏转机构。tir元件需要结构高度与基部宽度的更高的纵横比，并且因此制造更有挑战性。

图6示出小面设计的可能组合。图6(a)示出用于光束准直的折射小面，并且图6(b)示出具有抖动(dithered)小面的折射小面。图6(c)示出在最外边缘处使用tir小面60的光束准直。

整体光束成形功能可以被用来创建不同的光束形状。

图7以垂直于长度轴线的横截面形状，示出各种可能的光束形状。图7(a)示出具有间接天花板照明的办公室光束，图7(b)示出没有天花板照明的办公室光束，图7(c)示出窄光束且图7(d)示出蝙蝠翼光束形状。

图8示出如何可以仅仅使用单行led和单个微小面箔来产生图7(a)的轮廓。箔使单行led的光重新分布在超过180度的角度范围上。

如图9所示，代替单行led，管状外壳还可以包含指向不同方向的多个(两个或更多)led行10a、10b。例如，一行led可以被布置成指向上，并且另一行led可以被布置成指向下，以照亮管状外壳的整个表面。

每行led可以照亮箔的不同部分。注意，这可以用由不同光学部分组成的单个箔实施。

图10示出使用两个led行10a、10b，两个led行都大体向下指向，例如以形成图7(d)的蝙蝠翼轮廓。

本发明可以应用到所有的管状灯改装解决方案。它使得能够用于当前使用简单管状灯板条而没有外部灯具部件的应用中。

用于光束成形装置的材料通常是塑料，诸如pmma或聚碳酸酯，并且折射率是例如在1.3到1.6的范围内。

通过研究附图、公开内容以及所附权利要求，本领域的技术人员在实践所要求保护的发明中，可以理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。特定措施被记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实，并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。在权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对范围的限制。