将来自若干LED的光进行组合的发光设备的制作方法

本发明涉及一种发光设备，该发光设备包括光引导元件和多个led，多个led中的每个led包括led输出表面，并且被布置成在操作中从led输出表面发射光；光引导元件包括光导输入表面，光导输入表面被布置成与多个led中的每个led的led输出表面相邻，使得由多个led发射的光在光导输入表面处被注入到光引导元件中，光引导元件还包括光导输出表面，在光导输入表面处被注入到光引导元件中的光进一步被引导到光导输出表面并且从光导输出表面被发射。

背景技术：

包括多个led源的led聚光灯被广泛使用。然而，这样的led聚光灯体积大，因为每个源都需要单独的准直器。由于聚光灯的出射表面的面积有限，仅有限数目的led准直器将适合。

可能的解决方案是，将各个led源非常靠近地放置在一起，并且使用单个更大的准直器而不是单独的准直器，以更高效地填充出射表面的面积。然而，由于由led源的热生成引起的热限制，这种解决方案是不利的。因此，为了散热的原因，led源需要放置在距彼此一定距离处。这意味着在led之间需要有间隙，由此大大降低了总源的面积平均亮度。

us2008/0074752a1描述了以采用光学歧管的形式提供对上述问题的解决方案的一种尝试，以将若干led组合成一个共同的输出。然而，在光从输入表面被引导到光学歧管的输出表面时，使用光学歧管将导致非常高的光损失。us2008/0074752a1尝试通过提供从每个输入表面引向输出表面的作为内部准直器的光学歧管的支腿(leg)和/或通过在光学歧管的每个输入表面处提供方形准直器，来解决该问题。然而，该解决方案仍然展示出来自光学歧管的较高的光损失。此外，该解决方案仍然需要用于每个led源的单独的准直器，因此并未解决与体积大相关的上述问题。此外，对用于每个led源的单独的准直器的要求还导致较高的生产成本。

wo2010/044030公开了一种照明设备，该照明设备包括被划分成分开区域的光导，发光设备被布置在每个区域中。不同的区域通过部分透明的隔离物而被分开，该隔离物被配置以使得具有给定波长且入射在该隔离物上的光被部分地透射并被部分地反射，由此实现均匀的照明。

因此，并且还由于市场上对于高质量和高强度光源的需求不断增长，所以仍然存在对如下的解决方案的需求，利用该解决方案，在来自若干不同led光源的光被组合时有最少的光损失。此外，还需要对与现有设备体积大相关的问题的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是克服这一问题，并且提供一种如下的发光设备，利用该发光设备，在来自若干不同led光源的光被组合时最少的光被损失，该发光设备在结构上更小且更紧凑，并且更便宜且更易于生产。

根据本发明的第一方面，借助于一种发光设备来实现这一目的和其他目的，该发光设备包括：多个led，多个led中的每个led包括led输出表面，并且被布置成在操作中从led输出表面发射光；光引导元件，光引导元件包括光导输入表面，光导输入表面被布置成与多个led中的每个led的led输出表面相邻，使得由多个led发射的光在光导输入表面处被注入到光引导元件中，光引导元件还包括光导输出表面，在光导输入表面处被注入到光引导元件中的光被进一步引导到光导输出表面并且从光导输出表面被发射；以及准直元件，准直元件由透明材料制成，并且包括被布置成与光导输出表面相邻的第一表面部分，准直元件适于准直从光导输出表面被发射并在第一表面部分处被注入到准直元件中的光，其中发光设备还包括第一反射元件，第一反射元件被布置成以便至少部分地包围至少光引导元件，并且其中准直元件包括第二表面部分，其中第一反射元件适于：将由第一反射元件反射回的光的至少一部分在上述第二表面部分处注入到准直元件中。

通过提供具有被布置成与光引导元件的光导输出表面相邻的准直元件的发光设备，仅需要一个准直器来准直来自光导输出表面的光。这进而提供了在结构上紧凑得多并且更便宜和更易于生产的发光设备。

第一反射元件被布置成以便至少部分地包围至少光引导元件并且适于将反射光至少部分地注入到准直元件中，通过提供具有这样的第一反射元件的发光设备，原本被损失的并且未由光导引导且未被透射到准直元件中的光，可以由第一反射元件反射回并且因此不会被损失。

准直元件由透明材料制成并且包括第二表面部分，上述光的至少一部分被反射回并且在上述第二表面部分处被注入到准直元件中，通过提供这样的准直元件并且还通过提供第一反射元件，原本将通过从光引导元件漏出而被损失的光，可以被反射回到准直元件中，并且可以用于与由准直元件准直的光一起被发射的漫射背景照明。由此提供了具有高质量、高强度光输出的发光设备。

在一个实施例中，光导输入表面的面积大于光导输出表面的面积。

此外，以这种方式所获得的是，通过出射窗口的光通量减少，而同时按面积的通量增加。这是令人惊讶和意想不到的结果，因为按面积的通量通常与光源的亮度相关联，在诸如本发明的光学设计中光源的亮度无法增加。解释被认为是如下的事实，即所得到的组合光束的角度分布比各个光源的角度分布宽。这允许更多的通量穿过光导输出表面，但是以比原始源大的角度。换言之，因此解释被认为是如下的事实，即在光导输出表面处的光束角度大于各个led的朗伯光束角度。

在一个实施例中，光引导元件包括至少两个光导输入表面，至少两个光导输入表面中的每一个被布置成与多个led中的至少一个led的led输出表面相邻，使得由多个led发射的光在两个光导输入表面处被注入到光引导元件中，在该两个光导输入表面中的每一个处被注入到光引导元件中的光，被进一步引导到光导输出表面并且从光导输出表面被发射。

在一个实施例中，光引导元件的至少两个光导输入表面的面积之和大于光导输出表面的面积。由此提供了具有与上述那些优点相同或类似的优点的发光设备。

在一个实施例中，第一反射元件还被布置成以便至少部分地包围多个led和准直元件中的至少一个。由此，在来自若干不同led光源的光在光引导元件中被组合时，光损失进一步甚至被最小化或者被完全避免。

在一个实施例中，多个led中的至少一个led被布置成使得led输出表面相对于相邻的光导输入表面成角度延伸。

在一个实施例中，多个led被布置在载体上，并且其中多个led中的至少一个led被布置成使得led输出表面相对于相邻的光导输入表面以不同于零的角度延伸。

这两个实施例中的任何一个提供了如下的发光设备，利用该发光设备，可以减少光引导元件的长度，而同时仍然获得由多个led发射的光的完全组合。这进而导致了更加紧凑的发光设备。将led布置在载体上还提供了更加鲁棒的发光设备。

在一个实施例中，led通过焊接而被布置在载体上。由此，并且特别是当led通过焊接而被布置成使得led输出表面相对于相邻的光导输入表面以不同于零的角度延伸时，led可以以非常简单且直接的方式被布置在准直元件的焦平面中，以便获得从发光设备发射的光的改进的准直。

在一个实施例中，载体以这样的方式被成形，使得多个led中的至少一个被布置成使得led输出表面相对于相邻的光导输入表面以不同于零的角度延伸。由此提供了如下的发光设备，利用该发光设备，可以以特别简单和成本高效的方式获得呈如下方式的led布置，即led输出表面相对于相邻的光导输入表面以不同于零的角度延伸。

在一个实施例中，多个led中的至少两个相邻led借助于至少一个第二反射元件而被分开。

在一个实施例中，至少一个第二反射元件被安装在定位于准直元件的焦平面下方的那些led的周围。

由此，获得了发射的光到准直元件的焦平面的传送，这进而改善了从发光设备发射的光的准直程度。此外，以这种方式，led之间的必要间隙的大小可以被进一步减小，从而提供更加紧凑的发光设备。

第二反射元件可以例如是反射镜，诸如镜面反射镜，但是其也可以是白色漫反射体。

光引导元件可以是光学歧管，或者备选地是光楔。

在其中光引导元件是光楔的实施例中，光引导元件包括至少1.5的折射率，并且光导输出表面的面积达到光导输入表面的面积的25％到64％。

在其中光引导元件是光楔的实施例中，光引导元件包括1.5的折射率，并且光导输出表面的面积达到光导输入表面的面积的25％到64％中的任一个。

在其中光引导元件是光楔的实施例中，光引导元件包括1.8的折射率，并且光导输出表面的面积达到光导输入表面的面积的25％到49％中的任一个。

要注意的是，已知如果光被注入到楔形(锥形)光导中，则一些通量将从侧边小面(facet)漏出。也就是说，最初通过全内反射传播的光由倾斜的不平行侧壁重定向，并且最终将从光导的侧边小面逸出。因此，当光导输出表面的面积减小时，到达光导输出表面的通量减少。

然而，通过仔细考虑出射通量是如何依赖于光导输出表面的，发明人已经发现令人惊讶的效果，这在图10中针对具有1.5折射率的光导(图10a)进行了图示，以及在图11中针对具有1.8折射率的光导(图11a)进行了图示。在图10和图11中，针对各种光源反射比和楔形形状，绘制了根据出射面积而变化的出射通量(图10c和图11c)和通量/输出表面面积比(图10b和图10b)。其表明，通量确实随着出射面积而减少，但是初始时完全不是线性的。

结果，对于具有1.5折射率的光导而言，当光导输出表面面积被选择为光导输入表面面积的30％至64％时，通量/面积增加到为输入值的145％至127％的最大值，并且特别是当光导输出表面面积被选择为光导输入表面面积的49％时，通量/面积增加到为输入值的145％的最大值。已经表明，这对于光引导元件的长达至少10mm的所有长度适用。

对于具有1.8折射率的光导而言，这种效果已经表明是更加显著的，因为在为光导输入表面面积的36％的光导输出表面面积处，通量/面积示出了200％的最大值。

本发明还涉及一种灯、灯具或照明系统，其包括根据本发明的发光设备并且被用在以下应用中的一个或多个应用中：数字投影、汽车照明、舞台照明、商店照明、家庭照明、重点照明、聚光照明、剧院照明、光纤照明、显示系统、警示照明系统、医疗照明应用、装饰性照明应用。

要注意的是，本发明涉及权利要求中所记载特征的所有可能的组合。

附图说明

现在将参考示出了本发明的(一个或多个)实施例的附图，来更详细地描述本发明的这个方面和其他方面。

图1示出了根据本发明的发光设备的第一实施例的示意性横截面图。

图2a、图2b和图2c示出了根据图1的并且将三个led的光组合的三个不同发光设备的示意图。在图2a中，光导输出表面的面积等于led的表面面积，并且因此等于三个光导输入表面的面积之和。在图2b中，光导输出表面的面积等于led的表面面积的2/3，并且因此等于三个光导输入表面的面积之和的2/3。在图2c中，光导输出表面的面积等于led的表面面积的1/2，并且因此等于三个光导输入表面的面积之和的1/2。

图3a、图3b和图3c分别示出了图2a、图2b和图2c所示的发光设备的光引导元件中的每一个的光导输出表面处的照度分布。

图4a、图4b和图4c分别示出了由图2a、图2b和图2c所示的发光设备发射的光的远场强度分布。

图5示出了根据本发明的发光设备的第二实施例的示意性透视图。

图6、图7和图8图示了将本发明的发光设备的多个led布置在载体上的三种不同方式。

图9示出了根据本发明的发光设备的第三实施例的示意性横截面图，其中光引导元件是光楔。

图10a示出了根据图9的发光设备的具有1.5折射率的示例性光楔。图10b示出了对于图10a的光楔的各种源反射比，根据光导输出表面面积而变化的通量/输出表面面积比。图10c示出了对于图10a的光楔的各种源反射比，根据光导输出表面面积而变化的出射通量。

图11a示出了根据图9的发光设备的具有1.8折射率的示例性光楔。图11b示出了对于图11a的光楔的各种源反射比，根据光导输出表面面积而变化的通量/输出表面面积比。图11c示出了对于图11a的光楔的各种源反射比，根据光导输出表面面积而变化的出射通量。

如附图所示，层和区域的大小为了说明的目的而被放大，并且因此被提供以说明本发明的实施例的一般结构。相同的附图标记始终指代相同的要素。

具体实施方式

现在将参考附图，在下文中更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应当被解释为限于本文所阐述的实施例；确切地说，提供这些实施例是为了全面和完整，并且向技术人员充分传达本发明的范围。

现在参考图1，示出了根据本发明的第一实施例的发光设备1。发光设备1包括多个led2。在所示的实施例中，多个led2包括三个led21、22和23。作为备选，多个led可以包括两个led，或者四个或更多的led。

led21、22、23各自适于在操作中发射具有特定光谱分布的光。led可以适于发射具有相同光谱分布的光。作为备选，led可以适于发射具有不同光谱分布的光。

上述多个led2中的每个led21、22、23分别包括led输出表面124、125、126。当在操作中时，由相应的led21、22、23发射的光从相应的led输出表面124、125、126被发射。

多个led可以可选地被布置在载体9上，诸如被布置在印刷电路板或适当的基板上。

发光设备1还包括光引导元件3，光引导元件3包括三个光导输入表面31、32、33。每个光导输入表面31、32、33被布置成分别与上述多个led2中的每个led21、22、23的led输出表面124、125、126相邻，使得由上述多个led2发射的上述光在光导输入表面31、32、33处被注入到光引导元件3中。光引导元件3还包括光导输出表面34。在光导输入表面31、32、33处被注入到光引导元件3中的光被引导到光导输出表面34并且从光导输出表面34被发射。以这种方式，来自多个led2中的每个led21、22、23的光在被引导通过光引导元件3的同时被组合，以便形成一个共同的输出。

不管实施例如何，led21、22、23都可以被布置成使得led输出表面124、125、126和光导输入表面31、32、33由气隙分开，如图1所示，或者被适当的光学透明材料分开。仍然不管实施例如何，led21、22、23都可以备选地被布置成使led输出表面124、125、126与光导输入表面31、32、33物理接触和/或光学接触(如图5所示)，使得由上述多个led2发射的上述光在光导输入表面31、32、33处被直接注入到光引导元件3中。

此外，图1上所示的实施例中的led21、22、23被布置成使得led输出表面124、125、126和光导输入表面31、32、33相对于彼此平行地延伸。作为备选，并且不管实施例如何，多个led2中的至少一个led21、22、23可以被布置成使得其led输出表面相对于相邻的光导输入表面以不同于零的角度延伸。

在图1的实施例中，光引导元件3是包括三个支腿的光学歧管，一个支腿从光导输入表面31、32、33中的每一个延伸到光导输出表面34。也就是说，光引导元件3是包括三个支腿的光学歧管，每个led21、22、23一个支腿。

通常，光引导元件可以包括任何可行数目的支腿，包括将在下文进一步描述的一个支腿。在光引导元件3是光学歧管的实施例中，光引导元件3包括数目等于或小于多个led中的led数目的支腿。

不管实施例如何，光导输入表面31、32、33的横截面形状可以被设置为适应led21、22、23的led输出表面124、125、126的形状，以便最高效地捕获由led发射的光。光引导元件3的剩余部分因此可以具有任何期望的横截面形状，诸如圆形或矩形。

在图1上所示的实施例中，光导输入表面31、32、33的面积之和等于光引导元件3的光导输出表面34的面积。

发光设备1还包括准直元件4，准直元件4由透明材料制成，并且被布置成与光引导元件3的光导输出表面34相邻。准直元件4适于准直从光导输出表面34发射的光。准直元件4可以是适于借助于全内反射(tir)、折射或其组合来准直光的准直元件。准直元件4还可以由介电透明材料制成。

准直元件包括第一表面部分41，第一表面部分41被布置成与光引导元件3的光导输出表面34相邻。准直元件4适于准直从光导输出表面34被发射的并且在第一表面部分41处被注入到准直元件4中的光。准直元件4还包括出射窗口15，经准直的光通过出射窗口15从发光设备1被发射。准直元件4还包括第二表面部分42，其为在第一表面部分41与出射窗口15之间延伸的至少部分圆周的表面部分。

不管实施例如何，准直元件4和光引导元件3都可以被布置成使准直元件的输入窗口8与光导输出表面34物理接触和/或光学接触，诸如图1所示的那样。仍然不管实施例如何，准直元件4和光引导元件3都可以备选地被布置成使得输入窗口8和光导输出表面34由气隙或由适当的光学透明材料分开。

发光设备1还包括第一反射元件5，第一反射元件5被布置成以便至少部分地包围至少光引导元件3。第一反射元件5适于将光反射回到上述发光设备1中。由第一反射元件5反射回到发光设备1中的光的至少一部分，在第二表面部分42处被注入到准直元件4中。

在图1所示的实施例中，第一反射元件5被布置成以便包围除了准直元件4的出射窗口15之外的发光设备1的全部。作为备选，第一反射元件5可以被布置成以便部分地包围发光设备1，例如，以便部分地或完全地包围光引导元件3、准直元件4、多个led2和/或载体9(如果存在)中的至少一个。

第一反射元件5可以由诸如适当金属的反射材料制成，和/或第一反射元件5可以在安装状态下面向发光设备1的内部的表面上设置有反射涂层或镜面涂层。

示例

现在转到图2a、图2b和图2c，作为非限制性示例，示出了三个不同的光学歧管，每个光学歧管将三个led的光进行组合。光学歧管的光导输出表面34分别被选择为：与光导输入表面31、32、33之和相等(图2a)，是光导输入表面31、32、33之和的2/3(图2b)，是光导输入表面31、32、33之和的1/2(图2c)。

图3a、图3b和图3c分别示出了图2a、图2b和图2c所示发光设备的光引导元件中的每一个的光导输出表面处的照度分布。光线追踪(trace)分析的结果分别示出在图3a、图3b和图3c中，从光线追踪分析可以看出，通过光导输出表面34的光通量在这一特定示例中从75lm(图3a)减少到58lm(图3b)、减少到44lm(图3c)，但是按面积的通量增加了约20％，从25lm/mm²增加到约30lm/mm²。这是令人惊讶和意想不到的结果，因为按面积的通量通常与源的亮度相关联，而源的亮度在诸如这些的光学设计中无法增加。

解释被认为是如下的事实，即所得到的光束的角度分布比如图4a、图4b和图4c分别所示的各个源的角度分布宽，在图4a、图4b和图4c中分别示出了由图2a、图2b和图2c所示的发光设备发射的光的远场(发光强度)轮廓(垂直的和水平的，参见图2a、图2b和图2c)。可以清楚地看到，原始的朗伯轮廓(“圆形”)转变为具有旁瓣(“耳朵”)的轮廓。这允许更多的通量穿过出射窗口，但是以比原始源大的角度。

通过光导输出表面34的减少的通量是由从歧管侧壁漏出的通量引起的。该光并未损失，而是可以从后侧透射通过透明的tir准直元件，因为准直元件是由透明介电材料制成的，并且该光在系统的最终光输出中作为除了由准直元件4输出的准直分量8之外的漫射分量7。这通过图1中的箭头来图示。

现在转到图5，示出了根据本发明的发光设备100的第二实施例，其中为了简化起见而省略了准直元件和反射元件。发光设备100仅在以下方面与上文关于图1而描述的发光设备不同。

发光设备100包括九个led，其中六个led是可见的，即led21、22、23、24、25和26。

光引导元件3包括九个光导输入表面，九个led中的每个led各一个光导输入表面。

九个光导输入表面的面积之和大于光导输出表面34的面积。

最后，九个led被布置成使它们相应的led输出表面与九个光导输入表面中的相应的一个光导输入表面物理接触和光学接触。

现在参考图6、图7和图8，将描述将led21、22、23、24和25安装在载体9上的不同方式，以便在不使电气连接或热管理做出折中的情况下，减小各个led之间的间隙。这些可能性可以可选地与以光学歧管形式的光引导元件3的使用相结合，以进一步减小间隙。由于led之间的间隙减小，所以可以使歧管更加紧凑。

图6以横截面示出了借助于焊接而安装在载体9上的三个led21、22和23。载体9是平坦的。布置在中心的led22被平坦地安装在载体上。剩余的两个led21和23分别借助于焊接部10和11以这样的方式被安装在载体9上，使得它们相应的led输出表面与载体9成不同于零的角度而延伸，并且因此当被布置在根据本发明的发光设备中时，相对于相邻的光导输入表面以不同于零的角度(并且因此不平行地)延伸。此外，并且可选地，led21、22、23可以借助于至少一个(图6中作为示例，是两个)第二反射元件12、13而分开。

图7和图8分别以横截面图和俯视图图示了安装多个led2的另一方式，以这种方式，使得各个led之间的间隙减小或者甚至完全消除。在该实施例中，其上焊接有led的载体9被折叠，以便获得多个倾斜部分91、92、93和94。此外，安装在倾斜部分91、92、93和94上的led21、23、24和25以这样的方式被安装，使得它们相应的led输出表面相对于倾斜部分91、92、93和94以不同于零的角度延伸，并且因此相对于载体9以不同于零的角度延伸。以图7和图8所示的方式来安装led，使得led能够被安装在准直元件的焦平面14中。可选地，至少一个第二反射元件12被安装在位于焦平面14下方的那个或那些led(在这里是led22)的周围，以将所发射的光传送到期望的平面。

不管实施例如何，至少一个第二反射元件12、13可以例如是反射屏蔽(shield)或反射镜元件，诸如镜面反射镜，或白色漫反射体。

现在转向图9，示出了根据本发明的发光设备101的第三实施例。发光设备101仅在以下方面与上文关于图1而描述的发光设备不同。

光引导元件3作为楔形或锥形的透明光学元件被提供，楔状或锥形的透明光学元件也被称为光楔，仅具有对多个led2(本示例中包括两个led21和22)共用的一个光导输入表面31。这样的光引导元件3可以被成形为例如锥形或金字塔形的平截头体。

因此，图9中所示的光引导元件3包括一个光导输入表面31，该一个光导输入表面31被布置成与多个led2中的每个led21、22的led输出表面24和25相邻，使得由多个led2发射的光在光导输入表面31处被注入到光引导元件3中。

光引导元件3还包括光导输出表面34，在光导输入表面31处被注入到光引导元件3中的光进一步被引导到光导输出表面34并且从光导输出表面34被发射。

此外，在该实施例中，光导输入表面31的面积大于光导输出表面34的面积。

这样的光引导元件3可以用于增加通量/单位面积比。已知的是，如果光被注入到楔形(锥形)光导中，则一些通量将从侧边小面漏出。也就是说，最初通过全内反射传播的光由在光导输入表面31与光导输出表面34之间延伸的倾斜的不平行侧壁重定向，并且将最终从光引导元件3的侧壁逸出。从光引导元件3的侧壁因此而逸出的光借助于反射元件5被反射回到发光设备中。

对图9所示类型的两个示例性发光设备的效果的测量分别在图10和图11中进行了图示，并且在上文中进行了详细描述。

本领域技术人员意识到，本发明决不限于上述优选实施例。相反，许多修改和变化均可以在所附权利要求的范围内。

此外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时，可以理解和实现对所公开实施例的变化。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。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中的纯粹事实，并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。