LED照明器的制作方法

本发明涉及用于改进的光输出的led照明器。

背景技术：

基于半导体的发光二极管（led）属于当今可用的最高效的光源。相比于常规的光源，led提供更长的寿命、更高的光子通量功效、更低的工作电压、窄带光发射以及在组装方面的灵活度。

因此，由于实践和美学原因，经常期望在公共空间、建筑物、办公室、家等中用于一般照明目的和功能性光的照明器中使用led。

led光源的光输出对于大多数应用一般是不充足的，并且若干led光源必须组合以产生充足的光水平。然而增加led照明器中的led光源的数量并不是直截了当的，因为led照明器在大小和光输出上不是容易地可扩展的。因此，当要求更多或更少的led时，led照明器的设计必须改变。

led光源是小的、高亮度的光源的事实展现了机遇和挑战。一方面，led光源的小的大小允许led照明器具有紧凑的设计，但是另一方面，在led照明器内获得高效的光分布和避免在led照明器中出现高亮度的点是有挑战的。

led照明器还可以包含波长转换材料，以便例如使用发射蓝光或紫外光的led来制造白光。这样的led照明器的效率经常被led光源中的光吸收所限制，使得波长转换材料接收的光的量减少。这导致led照明器的减少的效率。

jp2007173177a公开了一种照明设备，其包含将光发射到光导中的led，其中该光导的光出射表面设置在反射器中，该反射器准直和定向从该光导出射的光。

技术实现要素：

本发明的一目的是克服上述问题的至少一些，并且提供具有改进的光输出和紧凑的设计的led照明器。

根据本发明的第一方面，这个以及其它目的通过证明一种led照明器实现。该led照明器包含led光源，其布置成将光发射到光导中，该光导布置成将来自led光源的光引导到光耦出元件，以及形成部分封闭空间的反射器，该反射器包含槽，其中该光导延伸穿过该槽，该光耦出元件布置在该反射器的部分封闭空间之中，并且该led光源布置在该反射器的部分封闭空间之外，其中该反射器布置成使得从该反射器出射的光具有相对于该光导内的光的传播方向不为零的角度。

光导包含半透明材料。led照明器发射的光从而可以穿过该光导。换句话说，反射器内的光导造成的遮蔽或阻挡效果被减少，这增加了光输出并且改进了led照明器的效率。

词语半透明被理解为允许光的通过。因此，半透明被理解为“允许光的通过”并且半透明材料可以要么是清净的，即透明的，要么传输或漫射光，使得光导外的物体不能被清楚看到。透明被理解为“能够被看穿”。

有利的是，有槽的反射器部分地封闭该光耦出元件，而不是led光源。该反射器从而可以覆盖从该led光源发射的光的更大角度范围，同时减轻与led光源的光吸收和/或遮蔽相关联的问题。该反射器也可以高效地重定向和准直从该光耦出元件耦出的光。具有改进的光输出的led照明器从而被提供。

由led光源产生的光还可以通过光导内的多次反射在该光导内空间地分布，使得led照明器的光分布体积有效地变得更大。光耦出元件还可以具有比led光源更大的表面和/或体积。结果，更大的体积有助于led照明器内的光传播和光发射，使得与斑点相关联的问题可以减少。为此，led照明器具有可扩展的架构，因此led光源的数量可以容易地改变以调整光强度和/或光谱组成。

词语光导在这里应该理解为布置成在传播方向上沿着它的延伸传输或引导光的结构。光可以例如通过多次反射在该光导内传播或被引导。光优选地在光导和它周围环境的界面处通过多次反射，即通过全内反射，在光导内传输。

光耦出元件是布置成将光从它的内部体积耦出到它周围环境的元件。

词语反射器应该被解释为反射和定向光的物体。反射器优选地具有使得光在期望的方向上反射的形状。

部分封闭空间应该被解释为，没有被外壳完全包围，使得在该外壳上存在至少一个开口的空间。光可以例如穿过该外壳的开口而被反射出来。相反，封闭空间被解释为在所有面上都封闭的空间或体积。换句话说，封闭空间是在其所有面上都被外壳包围的空间。

由于从该反射器出射的光具有与光导内的光的传播方向不同的方向，该光的传播方向是光导沿其延伸的方向，紧凑的led照明器可以在至少一个维度上获得。例如，光导平行于天花板表面而提供，即光导平行于天花板表面而延伸，并且因此，光导内的光的传播方向平行于天花板表面，并且反射器布置成使得从该反射器出射的光垂直于天花板表面，因此具有相对于光导内的光的传播方向成90度的角度。在此示例中，led照明器在垂直于天花板表面的方向上相对紧凑，在此方向上的大小主要由反射器的大小确定。

反射器可以是抛物线反射器。这是优点，因为反射器从而覆盖从led光源发射的光的更大角度范围，使得从led照明器获得高效的光发射。

光耦出元件可以布置在该抛物线反射器的焦点上。从几何焦点散发的光被该抛物线反射器反射，使得形成平行光线。该平行光线平行于彼此以及该抛物线反射器的对称轴。因此，从该光耦出元件发射的光被该抛物线反射器高效地定向。

光耦出元件可以布置在光导的边缘部分。这是有利的，因为光可以从该光导高效地耦出。

led照明器可以包含在与光导的边缘部分分离的位置布置在该光导上的光耦出元件。这可以增加来自led照明器的光输出。

光耦出元件可以包含波长转换材料。

波长转换材料意指一种材料，其能够将第一波长范围的光转换为第二波长范围的光。这提供了调整由led照明器产生的光的光谱范围的手段。换句话说，由led产生的第一波长范围的光通过该波长转换材料至少部分地转换为第二波长范围的光。

光导可以成形为圆盘或矩形板。光导的形状提供设计灵活度。通过例如改变光导的形状，光导内的光分布和/或光耦入光导被调谐。

反射器可以沿着光导的表面延伸。这提供沿着表面的范围的光耦出，其增加来自led照明器的光发射。

词组光导的表面应该解释为限定光导体积的表面。

光导可以包含玻璃或聚合物材料。这允许光导的成本有效的制备。光导还可以通过使用这样的材料而被制成半透明的。

光导可以具有等于或小于3mm的厚度，优选小于0.5mm。这减少制备光导所需要的材料的量，同时允许光在光导内被引导。

反射器可以包含折射元件，这允许来自led照明器的光的高效的重定向。

led光源可以布置在光导中的腔之内。这允许光的高效耦入光导。

led照明器可以包含干涉滤光器，其布置成将从led光源发射的光过滤到光导中。干涉滤光器提供进入光导的光的光谱和/或角度过滤。进入光导的光的光谱范围和/或角度分布从而被更好的控制。

注意，本发明涉及权利要求中列举的特征的所有可能的组合。

附图说明

现在将参考示出本发明的实施例的附图，更详细地描述本发明的这个以及其它方面。

如在图中图示的，层和区域的大小为了图示的目的而被夸大，并且因此被提供以图示本发明的实施例的一般结构。相似的参考编号在各处指相似的元件。

图1图示根据本发明的实施例的led照明器的截面图。

图2示出图1的led照明器的透视图。

图3示出led照明器的透视图。

图4示出led照明器的透视图。

图5示出根据本发明的实施例的led照明器的透视图。

图6示出作为反射器尺寸的函数的图5的led照明器的计算发光强度。

图7示出根据本发明的实施例的led照明器的截面图。

具体实施方式

本发明现在将参考随附的附图在下文中更充分地描述，本发明当前优选的实施例在该附图中示出。然而，本发明可以以许多不同的形式体现并且不应该被解释为受限于记载于此的实施例；相反，这些实施例为了彻底性和完整性而提出，并且向本领域技术人员充分地传达了本发明的范围。

图1图示根据本发明的实施例的led照明器100的截面图。led照明器100包含led光源102、具有矩形板形状的光导104、两个光耦出元件106以及两个反射器108。

led光源102布置成将光发射到光导104内。通过在光导104内的全内反射，光从led光源102引导到布置在光导104的相对侧的光耦出元件106。由led光源102产生的光从而使用光耦出元件106空间地分布，使得led照明器的发光表面有效地变得更大。换句话说，光耦出元件106可以被感知为减轻与斑点相关的问题的照明源。

led照明器100具有可扩展的架构，使得led照明器100可以包含多个led光源（未示出）而不需要另外改变例如led照明器100的耦出元件的形状和数量。

led光源可以放置在光导104的任何位置，只要led光源发射的光被高效地耦合到光导104中。通过提供多个led光源，可能高效地调整led照明器100的光强度和/或光谱组成。

led光源102包含gan与in的组合(ingan)或与al的组合(algan)。使用这些材料组合是有利的，因为它们允许调整由发光结构102发射的光子的发射能量。换句话说，半导体合金的带隙取决于in和/或al与gan的比例。不同的带隙，即带隙能量，对应于具有不同的发射能量（不同的颜色）的光的发射。因此，通过改变半导体合金的组成，可以获得具有范围是从红到蓝的颜色的led。

其它iii-v族半导体材料也可以用于提供在电磁光谱的紫外、可见或红外区内工作的高亮度发光结构。材料可以例如包括镓、铝、铟、氮、磷和砷的二元、三元和四元合金。ii-vi族半导体也可以被使用。

如在图1中公开的，优选的是，光耦出元件106与光导104形成单个的单元，使得元件106和光导104之间界面处的反射减少。该单个的单元还简化了led照明器100的处理。

光导104可以由半透明的聚合物材料聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）制成。这提供了光导的成本有效的制备。

根据其它实施例，光导可以包含例如聚碳酸酯（pc）、聚苯乙烯（ps）、聚氨酯（pu）、玻璃材料或硅树脂的聚合物。

反射器108形成部分封闭空间110。反射器108还包含槽112，光导104延伸穿过该槽使得光耦出元件106位于该部分封闭空间110中。通过此布置，反射器108覆盖了从led光源102发射的光的更大角度范围。换句话说，该布置允许从光耦出元件106出射的光被反射器108高效地反射。槽112在反射器108的一侧提供，使得光导104经由反射器108的该侧延伸或穿透进入反射器108。反射器108因此布置成使得光导104经由槽112在水平方向上进入反射器108。光在光导104中朝向光导的光耦出元件106被提供的相对侧传播或传输，并且在从光耦出元件出射之后，光将被反射器108重定向到与在光导104内的光的传播方向不同的方向。光导104内的光的传播方向因此沿着光导104的延伸。

通过将led光源102布置在反射器108的部分封闭空间110之外，与led光源102的光吸收和/或遮蔽相关联的问题被进一步减轻。

led照明器100包含干涉滤光器114。根据此实施例，干涉滤光器114是提供led光源102发射的光的角度过滤的干涉滤光器。滤光器反射以小的入射角度入射光导的光，但是让入射角大于光导的临界角的光通过。通过此布置，具有大的入射角的光更有效地发送到光导104中，在其中光借助全内反射被光导104引导。

在小的角度从led光源102发射的光被反射回led光源102中，在其中多重散射可以重定向光，使得至少一部分的光通过干涉滤光器114。换句话说，干涉滤光器114因此减少以比临界角小的入射角进入光导104的光的量，即从led光源102发射的，穿透光导104的光的量减少。因此，光被更有效地引导到光耦出元件106，并且更高效的led照明器100被提供。

词语全内反射应该被解释为当光线相对于边界表面的法线以比临界角大的角度到达第一和第二介质之间边界时发生的光学效果。为了使全内反射发生，需要第一介质即光导的折射率大于第二材料即包围该光导的空气的折射率。如果此条件满足，光线在边界全反射，使得没有光传播超出该边界并且所有光基本在该边界反射。

图2示出如在图1中图示的同一led照明器100的透视图。光导104被成形为矩形板并且光耦出元件106被布置在光导104的两个边缘部分，这种情况下这两个边缘部分相对。在另一实施例中（未示出），光导104是杆。矩形形状允许通过例如挤出而容易制造光导104。该布置是另外有利的，因为来自led光源102的光被高效地分布在整个光导104中并且接下来通过相对放置的光耦出元件106从光导104耦出。在矩形板形状的光导104中的光的传播方向因此沿着光导104的延伸，或者沿着该矩形板的平面。反射器108还沿着光导104的两个表面116延伸。这提供沿着表面116的范围的光耦出，其增加了来自led照明器100的光发射。而且，反射器108将光重定向到与从光导104出射的光的主方向不同的方向，在此示例中，从反射器108出射的光将具有相对于光导104内的光传播方向成大约90度的角度。在此实施例中，反射器108具有抛物线的横截面。在此情况中，矩形板形状的光导104具有与抛物线反射器108的对称轴成90度的角度。因此，从抛物线反射器108出射的光具有相对于矩形板形状的光导104中的光的传播方向成90度的角度，其在此情况中是在位于矩形板形状的光导104的相对的边缘部分的光耦出元件106的方向上。换句话说，反射器108重定向从光导104出射的光，使得此光具有相对于光导104中的光的传播方向成90度的角度。在led照明器接附到或悬垂在天花板的情况下，其中光导的矩形板平行于天花板表面而布置，紧凑的向下照明的led照明器被获得，因为光导在垂直于天花板表面的方向上具有相对小的尺寸，并且抛物线反射器因此主要确定了在垂直于天花板表面的方向上led照明器的大小。

led光源102图示为布置在光导104之下。然而在另一实施例中，led光源可以布置在光导104之上或者布置在光导104的侧表面。

光导可以具有等于或小于3mm的厚度，优选小于0.5mm。这减少了制备光导104所需要的材料的量。另外，这提供了光导104的灵活度，其促进光导104的成形。

图3图示具有拱桥形状的光导104的led照明器200。该拱桥由半透明的pmma制成并且具有200mm的直径。拱的半径被制成光导104的厚度的10倍，以便允许光导104内的全内反射。led光源（未示出）可以放置在该拱上的任何位置，例如在弧顶。反射器108布置成使得光导104经由槽112在垂直方向上进入反射器108。

图4示出具有穹顶形状的光导104的led照明器300的透视图。反射器108沿着该穹顶的全部框边302延伸以增加来自led照明器300的光输出。

图5示出根据本发明的实施例的led照明器400的透视图。led照明器400具有成形为圆盘的光导104。反射器108沿着该圆盘的整个框边延伸。在其它实施例中反射器可以沿着该框边部分地延伸。从这种情况下是抛物线的反射器108出射的光具有相对于圆盘形状的光导104中的光的传播方向成90度的角度，在此情况中此传播方向朝向该圆盘的外边缘定向。换句话说，反射器108重定向从光导104出射的光，使得此光具有相对于光导104内的光的传播方向成90度的角度。在此led照明器被接附到或悬垂在天花板的情况下，其中光导的圆盘平行于天花板表面而布置，紧凑的向下照明的led照明器被获得，因为光导在垂直于天花板表面的方向上具有相对小的尺寸，并且该抛物线反射器因此主要确定了在垂直于天花板表面的方向上led照明器的大小。

对于根据本发明的led照明器的所有不同实施例，可以选择反射器108的尺寸以实现led照明器发射的光的某射束形状和方向性程度。有利的是，反射器是抛物线反射器，因为抛物线反射器因此可以覆盖从led光源发射的光的更大角度范围，使得从该led照明器获得高效的光发射。

光耦出元件106布置在抛物线反射器108的焦点上。从几何焦点散发的光被抛物线反射器108反射，使得形成平行光线。该平行光线平行于彼此以及抛物线反射器108的对称轴。结果，从光耦出元件106发射的光可以例如在与光导104内的和从光导104出射的光的主方向不同的另一个主方向上被抛物线反射器108高效地（重）定向。

图6示出具有300mm直径的圆盘形状的光导104的照明器的计算发光强度。光导104具有3mm的厚度并且耦出元件106布置在抛物线反射器108的焦点上，位于f=5mm处。抛物线反射器108的高度在计算中分别是15、30和90mm，并且被称为短的、原始的或长的。从图6的图表中可以推断出，对于这些尺寸，在led照明器400下1m的距离处获得半最大值处全宽度约2x10度的模糊边缘的点照明轮廓。

应注意，在其它实施例中，光导可以水平地或垂直地或以任何其它角度进入反射器。这提供了led照明器的附加的设计灵活度。

反射器可以包含焦点一致的多个抛物线结构。起源于耦出元件的光从而可以在多个方向上发射。相应方向上的光平行于彼此以及对应的抛物线反射器的对称轴。通过这样的布置，例如悬垂led照明器的led照明器可以例如提供天花板照明和向下照明。

根据其它实施例，反射器可以具有不同于抛物线形状的形状。反射器可以例如具有半球形状。

图7示出led照明器500的截面图，其中led光源102布置在光导104中的腔502之内。这允许光高效耦入光导104之中。在另一实施例中，led光源集成到光导中，其中光导例如包含led光源的生长衬底。

led照明器500包含位于光导104的相对边缘部分504和与光导104的边缘部分504分离的位置506的光耦出元件106。反射器108布置在每一个光耦出元件106附近以重定向和聚焦被耦出的光。这增加了来自led照明器500的光输出。

反射器108还包含折射元件508。该折射元件在这里是发散透镜，其布置成高效地分布从led照明器反射器发射的光，使得led照明器照明大面积。

在其它实施例中，led照明器可以包含例如聚焦透镜或棱镜的折射元件。

在其它实施例中，led照明器可以包含布置在光导的表面内或表面处的多个光耦出元件。

本领域技术人员认识到，本发明绝不限制于上面描述的优选实施例。相反，许多修改和改变在所附权利要求的范围内是可能的。

例如，led照明器的led光源可以与反射器热接触，以便提供led光源的改进的热管理。

光导可以具有三角形、正方形、七边形、六边形形状，并且还可以包含椭圆形或不规则弯曲的结构。

光耦出元件106可以包含波长转换材料。由波长转换材料发射的光可以发射到光导中，光在其被光耦出元件106耦出之前在该光导中经历多次反射。这增加耦出led照明器的光的量。

波长转换材料可以接附到光导104的表面，因为这改进来自光导104的光的耦出。波长转换材料与光导104的接附可以例如通过涂覆、印刷或黏合完成。

波长转换材料可替代地可以集成到光导内。

波长转换材料可以包含磷光体材料。在本发明的上下文中，磷光体材料被限定为在光学激励后通过冷光、荧光或磷光过程表现光发射的材料或物质。

磷光体材料提供调整led光源产生的光的光谱范围的手段，该led光源可以例如产生蓝光。换句话说，蓝光可以被转换为具有更长波长的波长范围，使得led照明器发射的光包含具有不同光谱范围的光。led照明器产生的光可以被感知为白色。

例如，根据本发明的led照明器可以通过将从ingan-ganled光源102发射的蓝光与包含y3al5o12:ce3+，yag:ce的磷光体材料组合，提供白光照明，其中yag:ce为发射黄色的磷光体。来自led光源102的发射具有在440-470nm的波长范围中的强度最大值。来自led光源102的光至少部分地被yag:ce磷光体吸收，并且向下转换为该磷光体材料的特征宽黄色发射。

在其它实施例中，led照明器发射的光可以具有不同于白色的颜色。

另外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和达成对所公开实施例的变型。权利要求中，词语“包含”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”（a）或“一”（an）不排除复数。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。