具有LED的光学元件以及包括该光学元件的光源的制作方法

本申请是申请日为2010年1月5日、申请号为201080004191.9且发明名称为“具有led的光学元件以及包括该光学元件的光源”的专利申请的分案申请。

本发明总体上涉及照明设计领域。特别地，本发明涉及发光二极管（led）光学元件以及被设置用于对采用诸如灯泡之类的白炽光源的照明器改装（retrofit）的光源。

背景技术：

常规的白炽光源通常通过将电流施加到典型地由钨制成的灯丝而将电流转化成光，将电流施加到灯丝使得灯丝发光。灯丝通常悬挂在玻璃灯泡中心附近，从而提供可以用来照明例如房间的具有径向分布的光。这样的常规白炽光源典型地用在枝形吊灯中。由于发光灯丝的高亮度（~1mcd/m²）的原因，枝形吊灯中的晶体表现出装饰性的闪烁光效。然而，白炽光源的寿命典型地相对较短，通常限制为灯丝的寿命。此外，玻璃灯泡通常由于灯丝的高温而变得非常热，造成使与玻璃灯泡接触的物体燃烧的潜在危险。

利用led光源替换白炽光源通常减轻或消除上述问题。此外，这样的替换提供了效能的显著增加，所述效能即光源产生的光通量与产生该光通量所需能量（或功率）的量之比。然而，大多数led仅能够将光发射到半球（立体角2πsr）中，而采用发光灯丝的白炽光源通常将光均匀地发射到整球（立体角4πsr）中。

为了克服这个缺点，可以提供一种包括圆柱形光导的光源，该圆柱形光导具有设置在其一端的反射器以及一个或多个led，所述一个或多个led设置在另一端并且位于围绕着led具有反射壁的圆柱状腔内。这样的配置可以允许实现光源的各种各样的光强度分布。然而，这样的配置通常需要层压在腔的内壁上的高反射箔或类似物以便实现光源的高光学效率。另一种类似的方法是利用光导的下部作为反射腔。因此，依照该方法，不需要容纳led的圆柱状腔。这样的配置通常需要将反射涂层施加到光导的下部。两种方法都可以用于实现具有高光学效率的光源。

然而，这样的反射箔或涂层可能增加整个设备的成本，因为可能需要附加的材料以及附加的制造步骤。而且，上述方法通常要求光导的尺寸相对较大，然而，在照明设计中通常希望保持尺寸尽可能地小。

技术实现要素：

鉴于以上所述，本发明的一个目的是提供一种能够发射具有类似于白炽光源的光强度分布的光的光学元件，该光学元件具有低成本并且允许与常规的设备相比更容易制造。

本发明的另一个目的是提供一种具有类似于白炽光源的光强度分布的led光源，该光源具有低成本并且允许与常规的设备相比更容易制造。

这些和其他目的完全或部分地由依照独立权利要求的光学元件和光源实现。

依照本发明的第一方面，提供了一种包括光透射光导的光学元件，该光透射光导具有输入端、输出端以及它们之间的中心区，该光导沿轴向延伸。所述光学元件还包括：包括至少一个led的光单元，该光单元被设置成邻近输入端以便将光射入中心区；以及反射器，其被设置成使得至少一部分入射到该反射器上的光被反射。光导被设置成使得其折射率高于光导外部的介质的折射率，并且光导的内部边界表面的至少一部分包括棱镜表面，该棱镜表面包括沿轴向连续地设置的多个棱镜，其中每个棱镜与轴向成角度地设置。

包括光导内部边界表面的至少一部分的棱镜表面的棱镜允许将从所述光单元发射的光反射回光导中。这些棱镜与轴向的角度可以被选择成使得从光单元发射并且在棱镜上反射的光的大部分被传送到光导的输出端，而在光导中邻近输入端处发生的光的多次反射最少。棱镜与轴向的角度可以被选择成使得其足够大以便发生入射到棱镜上的光的全内反射。可替换地，每个棱镜在轴向的延伸和/或与轴向的角度通常可以被单独地选择以获得希望的反射角。

通过这样的配置，即使在光单元中采用了相对较大尺寸的led，例如来自首尔半导体的4瓦acricheled，光导的尺寸也可以保持为小。另外，所述光学元件不需要任何附加的反射箔或类似物，从而降低了该光学元件的成本和/或简化了其制造。例如，光导的配置允许通过注射成型制造该光导，因为该光导可以被配置成使得沿轴向的棱镜间距（棱镜表面上相邻棱镜之间在轴向的距离）相对较大。例如，光单元于是可以安装到诸如印刷电路板（pcb）之类的衬底上，并且光导可以随后直接安装到pcb上。同时，相比于常规的设备，光导的配置允许维持或改善光学元件的光学效率。另外，依照所述光学元件的配置，不必将光单元设置在反射腔内。因此，光导较低的输入端中的任何多次反射可以基本上被消除，并且从而可以基本上避免将从光单元发射且射入光导中的光反射回光单元。这也允许将光导的尺寸保持为小。

依照本发明的第二方面，提供了一种光源，其被设置用于对采用白炽光源的照明器改装，包括依照本发明第一方面或其实施例的光学元件。因此，提供了一种led光源，其通常比常规的led光源更容易制造，同时相比于常规的led光源维持相同或改进的光学效率。另外，通过这样的配置，提供了一种光源，其克服或减轻了如前所述的常规白炽光源的缺点，也提供了光源效能的显著增加。

在本发明的上下文中，术语“改装”是指装配到通常用于白炽光源的灯具中，所述白炽光源例如灯丝灯泡、卤素灯等。换句话说，对通常采用白炽光源的照明器改装依照本发明的光源是指利用依照本发明的光源替换照明器中的白炽光源。

另外，在本发明的上下文中，术语“光学效率”是指从光学元件（或光源）输出的光通量与设置的光通量的初始量的比值。

此外，在本发明的上下文中，术语“内部边界表面”是指在光导与光导的直接围绕物之间界面的表面，该表面在光导中具有面向内的法线。

依照本发明的一个实施例，所述棱镜中的至少一个在轴向的延伸不同于其他棱镜在轴向的延伸。依照本发明的另一个实施例，所述棱镜中的至少一个与轴向成角度地设置，该角度不同于其他棱镜与轴向的角度。依照本发明的又一个实施例，每个棱镜在轴向的延伸不同于其他棱镜在轴向的延伸。此外，依照本发明的又一个实施例，每个棱镜与轴向的角度不同于其他棱镜与轴向的角度。通过上面这四种配置中的每一种，在光单元中采用变化的尺寸和数量的led方面，实现了适应性的增加，而基本上不使光学元件的制造过程复杂，同时相比于常规的设备仍然维持或改善了光学元件的光学效率。

依照本发明的又一个实施例，所述棱镜表面被设置成紧邻光导的输入端。通过这种方式，可以进一步最小化光导中邻近输入端处的光的任何多次反射，因为棱镜可以有效地将从光单元发射的大部分光引导到光导的输出端。

依照本发明的又一个实施例，所述反射器包括下列各项中的一个或多个：金属涂层，例如铝涂层；干涉滤光器，例如多层薄的sio2和zro2层；漫射涂层以及磷光体涂层。通过漫射涂层，可以大大减小所发射的光的亮度，这在一些提高视觉舒适性的应用中可能是希望的。通过施加金属涂层，例如铝，实现了相对廉价然而高反射的表面。

依照本发明的又一个实施例，在所述反射表面上设置至少一个反射小平面（facet），使得至少一部分入射到该小平面上的光被反射。这样的反射小平面可以用来产生作为用户视角的函数的大量光强度变化。因此，通过这样的配置，可以提供一种光学的发光设备，该发光设备展示出强的依赖于视角的闪烁光效。

依照本发明的又一个实施例，所述反射器包括至少一个透射部分，所述透射部分被设置成使得至少一部分入射到该透射部分上的光透射通过反射器。依照另一个实施例，该透射部分包括沿轴延伸的通孔。例如，该轴可以是与光导的轴向重合或平行的笔直的轴。通过这些配置，可以实现几乎与视角无关的光强度，因为光被允许穿过透射部分或者在反射器处被反射。因此，发射的光可以使得其被基本上均匀地发射到整球（立体角4πsr）中，基本上类似于白炽光源的光强度分布。

依照本发明的又一个实施例，所述光导包括沿轴向延伸的颜色混合棒，其中该颜色混合棒包括光导的中心区的至少一部分。该颜色混合棒被设置用于混合来自多个源（即光单元中的所述一个或多个led）的光并且可以具有六边形截面。也可以设想，当在垂直于轴向的平面中观察时，该颜色混合棒可以具有正方形截面。这些所谓的六边形和正方形颜色混合棒对于混合各种颜色的光都是非常有效的。

依照本发明的又一个实施例，所述反射表面被设置成使得该反射表面的至少一部分为凹入的和凸起的其中一种。通过该配置，来自光源的光可以具有与白炽光源的光强度分布基本上类似的空间强度分布。此外，取决于希望的照明应用的要求，通过所述反射表面的至少一部分的凹入或凸起的形状的特定选择，来自光源的光通量可以关于垂直于轴向的平面基本上对称或不对称。因此，在本实施例中，可以制造各种各样的采用led的光源，依照特定的用户需求和/或照明环境要求，每一个光源通常具有与其他光源不同的光强度特性。术语“凹入”和“凸起”分别是指向里弯曲或向内凹陷，以及向外弯曲或向外凸出。

依照本发明的一个实施例，所述光源还包括至少一个半透明外壳，该半透明外壳至少部分地包围所述光学元件。通过这样的配置，可以改善光学性能（即光强度分布）或视觉舒适性（例如亮度的减小）。该至少一个半透明外壳可以包括光散射元件（设置在该至少一个半透明外壳上）。通过这种方式，可以降低光源的亮度和/或可以使光源的光强度分布平滑。

应当理解的是，由于这样的半透明外壳可以被设置成使得其隐藏光源的其他光学元件不被用户看见，其还可以用来提供装饰性增强。例如，通过合适的表面处理，该半透明外壳可以被设置成使得其展示出磨砂的外观，或者任选地或可替换地，可以设置该半透明外壳，使得其被散布在构成所述半透明外壳的材料中的色素稍微地着色。

依照本发明的又一个实施例，所述光源还包括基座，光单元设置在该基座上，该基座包括电连接器，该电连接器被设置成与照明器或灯具的插座连接器配合。该基座还包括连接到电连接器的电路，该电路被设置成从电连接器接收电力，并且借助于该电力操作所述光单元。通过这种方式，实现了将光源容易地装配到通常采用白炽光源的灯具或照明器中。该光源还可以包括设置在基座中的散热设备，该散热设备适于驱散光单元产生的热。因此，该光源的表面可以保持相对较凉以避免由于与光源接触而造成对用户的灼伤。另外，由于光源部件中的热应力和/或应变较少，所述光源的寿命得以增加。

依照本发明的又一个实施例，所述基座包括pcb。因此，所述光单元可以直接安装到该pcb上，该pcb在容量要求（例如功率要求）方面提供了适应性，并且也方便了光源的制造。

本发明的其他目的、特征和优点将从下面的详细公开、从所附权利要求以及从附图中显现出来。

通常，权利要求中使用的所有术语应当依照其在本技术领域中的普通含义进行解释，除非本文另有明确定义。所有对于“一/一个/该[元件、设备、部件、单元、装置、步骤等]”的引用都应当开放地解释为涉及所述元件、设备、部件、单元、装置、步骤等中的至少一个实例，除非另有明确说明。

应当指出的是，本发明涉及权利要求中记载的特征的所有可能组合。

附图说明

通过以下参照附图对于本发明优选实施例的说明性且非限制性的详细描述，将更好地理解本发明的上述以及另外的目的、特征和优点，在附图中相同的附图标记用于相同或相似的元件，其中：

图1是本发明的一个示例性实施例的示意性截面图；

图2a是本发明的一个示例性实施例的用于描述本发明工作原理的示意性截面侧视图；

图2b是图2a所示实施例的一部分的截面图；

图3a是本发明的一个示例性实施例的示意图；

图3b是从依照本发明一个示例性实施例的光学元件发射的光的远场光强度角分布的示例性光强度分布图；

图4是本发明另一个示例性实施例的示意性截面图；

图5是本发明又一个示例性实施例的示意性截面图；以及

图6是本发明又一个示例性实施例的示意图。

具体实施方式

图1是说明本发明的一个示例性实施例的示意性截面图，其中光学元件1包括沿轴向（z轴）延伸的光透射光导2，该光导2具有输入端2a、输出端2b以及它们之间的中心区2c。光学元件1还包括：包括一个或多个led的光单元3，在该特定情况下，所述一个或多个led为单个大尺寸的led，例如来自首尔半导体的acricheled；以及反射器4，其具有面向光导2的输出端2b的反射表面4a。因此，反射表面4a具有指向光导2的输出端2b的法线（未示出）。依照所示的实例，反射表面4a被设置成使得该反射表面4a的至少一部分是凹入的，即向内弯曲到光导2内（通常朝输入端2a弯曲）。如图1所示，光导2还包括棱镜表面5，其将在下面进一步加以描述。

应当理解，虽然附图示出了这样的光导，其在光导的内部和光导的外部之间的界面的两侧上包括棱镜表面，但是该光导仅仅需要在光导的内部和光导的外部之间的界面的具有向内指向该光导的法线的一侧上包括这样的棱镜表面以便实现本发明的优点（换句话说，只要求光导的内部边界表面包括这样的棱镜表面以便实现本发明的优点）。

图1所示的反射器4被配置成使得至少一部分入射到反射器4上的光被反射。从反射器4反射的光的份额取决于反射器4的反射率。反射器4进一步被设置成使得其具有面向输出端2b并且覆盖输出端2b的至少一部分的反射表面4a。例如，输出端2b的表面的80%到90%可以被反射表面4a覆盖。可替换地，反射表面4a可以完全覆盖输出端2b的表面。反射器4或者可替换地反射表面4a可以例如包括一个或多个以下各项：金属涂层，例如高反射铝；高反射率干涉滤光器，例如多层薄的sio2和zro2层；白色漫射涂层以及磷光体涂层。所述干涉滤光器可以被设置成使得其特意地透射入射于其上的光的一小部分，例如使得其透射入射于其上的光的大约4%，并且反射剩余的入射光。通过漫射涂层，从光学元件发射的光的亮度可以大大减小，这在一些提高视觉舒适性的应用中可能是希望的。所述漫射涂层也可以被设置成使得它们具有透反性（transflective）。

光导2可以具有圆柱形状，但是本发明并不限于这个特定的情况。相反地，适用于实现光学元件1的功能和性能的光导2的任意几何形状都设想为处于本发明的范围内。还应当设想到，光导2可以轻微地向输入端2a渐缩，即由轴向和垂直于轴向的横向所限定的平面内的光导2的尺寸可以沿着朝向输出端2b的轴向逐渐地变得更大。在具有圆柱形状的光导2的示例性情况下，这意味着光导2的直径随着沿朝向输出端2b的轴向的距离逐渐地变得更大。光导2可以由从透明聚合体、聚合体化合物、玻璃、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、其他类型的塑料以及它们的组合物形成的组中所选择的物质制成。

图2a是说明本发明的一个示例性实施例的示意性截面侧视图，其中反射表面4a被设置成使得反射表面4a的至少一部分是凹入的，即向内弯曲到光导2中（通常朝向输入端2a）。

图2b是图2a中所示示例性实施例的视图，示出了光导2的部分特写视图。

现在参照图2a和图2b描述依照本发明示例性实施例的光学元件1的工作原理。从光单元3中的led（或多个led）发射的光射入（透射）到光导2的中心区2c中。应当理解，在输入端2a来自led的光的一小部分（典型地大约为4%）在光导边界处被反射，其余的光被射入光导2的中心区2c。然后，光导2中的光通常沿着光导2的延伸向输出端2b传送。

如图2b所示，包括光导2的内部边界表面2c一部分的棱镜表面5的棱镜5a、5b、5c、……（在图2b中仅其中的一些标有附图标记）允许将从光单元3发射的光反射回光导2中。可以以这样的方式选择棱镜5a、5b、5c、……与轴向的角度，使得从光单元3发射并且在棱镜5a、5b、5c、……上反射的大部分光朝光导2的输出端2b传送，而在光导2中邻近输入端2a处发生的光的多次反射最少。棱镜5a、5b、5c、……与轴向的角度可以被选择成使得其足够大以便发生入射到棱镜上的光的全内反射。可替换地，通常可以单独地选择每个棱镜在光导2的轴向的延伸和/或每个棱镜与光导2的轴向的角度以获得希望的反射角。另外的可替换方案是对于所有棱镜5a、5b、5c、……选择在轴向的不同延伸和/或与轴向的不同角度。因此，通过光导2的配置，特别是通过棱镜表面5的配置，从光单元3发射的光的大部分可以在光导2中被向上反射，即在从输入端2a到输出端2b的总方向上反射，而不需要像常规设备中那样在光单元2中设置例如附加的反射涂层。

例如，光导2的这样的配置允许通过注射成型而容易地制造光导2，因为光导2可以被配置成使得棱镜5a、5b、5c、……沿着轴向的间距（棱镜表面上相邻棱镜之间在轴向的距离）相对较大。例如，光单元3于是可以安装到诸如pcb之类的衬底上，并且光导2可以随后直接安装到衬底上。

另外，通过该配置，所述光学元件的总尺寸可以保持为小。例如，依照示例性的情况，对于包括具有大约4mmx4mm的发射表面以及直径大约为10mm的led圆顶的单个led（这对于来自首尔半导体的4瓦acriche型led而言是典型的）的光单元而言，光导的直径（假设圆柱形光导的示例性情况）可以小到大约12mm。光导的高度典型地大约为25mm。假设这些条件，并且进一步假设反射表面4a具有大约90%的反射系数，那么可以实现所述光学元件的光学效率大于大约85%（考虑到光学元件中每个光学表面的菲涅耳损失）。

在本发明的上下文中，术语“内部边界表面”是指光导2与光导2的直接围绕物之间界面的表面，该表面在光导2中具有面向内的法线。

光导2优选地被配置成使得光导2的折射率高于光导2外部的介质的折射率，所述外部介质典型地为折射率大约为1的空气。换句话说，光导2优选地被设置成使得其具有比光导2外部的介质更高的光学密度。典型地，光导2被设置成使得其具有大约1.5或更高的折射率，尽管其并不限于该特定情况。

光导2中光的传送基于全内反射。光导2中行进的光在其到达光导2与光导2外部的介质之间的边界时，通常不离开光导2，而是反射回光导2中，所述介质的光学密度比光导2小。一方面，当入射到所述边界上的光的入射角大于临界角（即这样的入射角，光在该入射角下被折射，使得其沿边界表面行进）时，光无损失地被反射回来。另一方面，对于越来越小的入射角，越来越大的份额的入射光将通过边界表面从光导2透射出去。

在本发明的上下文中，除非另有规定，术语“入射角”是指入射到表面上的光线与该表面的入射点处的法线之间的角度。

当这样在光导2中传送的来自光单元3的光撞击反射器4的反射表面4a时，取决于反射表面4a的反射率而反射一定份额的光。例如，反射表面4a可以被设置成使得其具有接近1或基本上为1的反射系数。通过反射表面4a的形状，从反射表面4a反射的大部分光在光导2与光导2外部的介质之间的界面（即内部边界表面）处被折射，并且随后离开光导2。通过适当地选择反射表面4a的形状，在反射表面4a处被反射之后离开光导2的光的强度可以基本上与白炽光源的光强度相似。通过图1和图2a中的非限制性实例说明了两个这样的形状。

图3a是说明本发明的一个示例性实施例的示意图。图3a中所示的光学元件在许多方面与参照图1描述的光学元件相似。

图3b是离开图3a中所示光学元件的光导2的光的远场光强度角分布的示例性光强度分布图。完整的三维强度是围绕轴向（z轴）旋转的表面。图3b中所示的光强度分布图基于前述的示例性情况，其包括具有大约4mmx4mm的发射表面以及直径大约为10mm的led圆顶的单个led（这对于4瓦acriche型led而言是典型的）。

图4是说明本发明的一个示例性实施例的示意性截面图，其中反射器4还包括透射部分6，该透射部分6被设置成使得至少一部分入射到该透射部分6上的光透射通过反射器4，从而来自光导2的光可以通过穿过透射部分6或者通过在反射器4处反射并且随后从光导2耦合出去而离开所述光学元件。通过该配置，可以实现几乎与视角无关的光强度。应当理解，透射部分6还可以沿着与轴向成一定角度的轴延伸。透射部分6沿其而延伸的轴优选地是笔直的，尽管一定程度上弯曲的透射部分6也是可以设想到的。例如，透射部分6可以是反射器4的未覆盖有反射材料的部分。透射部分6还可以包括沿轴向（z轴）延伸的通孔，允许光穿过该孔。此外，一些光可以在反射器4处反射。前面描述的实施例以及下文描述的实施例的任何光学元件可以包括这样的透射部分6或通孔。

图5是说明本发明的一个示例性实施例的示意性截面图，其中反射表面4a设有反射小平面4b，其被设置成使得至少一部分入射到该小平面4b上的光被反射。前面描述的实施例以及下文描述的实施例的任何光学元件可以包括这样的反射小平面4b。另外，应当理解，包括任意合适数量的小平面的其他实施例也处于本发明的范围内。这样的小平面4b可以用来产生作为用户视角的函数的大量光强度变化。通过这样的配置，因而能够产生大量空间光强度变化，例如当用在照明器（例如枝形吊灯）中时，光学元件或led光源可以被设计为具有增强的、依赖于视角的闪烁效果。

图6是说明依照本发明一个示例性实施例的光源7的示意图，光源7被设置用于对通常采用白炽光源的照明器或灯具（未示出）改装，其包括依照本发明或其实施例的光学元件1。光学元件1可以任选地由一个或多个例如图6中所示的半透明外壳8至少部分地包围。光源7还可以包括基座9，光学元件设置在基座9上或光学元件1耦合到基座9，所述基座9包括优选地带螺纹的电连接器10，其被设置成使得其能够与采用诸如灯丝灯泡或卤素灯之类的白炽光源的照明器（未示出）的优选地带螺纹的插座连接器（未示出）配合。基座9还可以包括散热设备（未示出），其被设置用于驱散光单元3所产生的热。通过该散热设备，光源的部件可以保持较凉，因而减少了光源部件中的热应变和/或应变，并且因此延长了光源的寿命。另外，可以避免由于与光源接触而造成的对用户的任何可能的灼伤。

例如图6中所示的半透明外壳8可以方便地用来改善光学性能（即光强度分布）或视觉舒适性（例如减小亮度）。任选地，例如光亮的玻璃灯泡的半透明外壳8可以设有光散射元件，所述光散射元件设置到该半透明外壳8上以便例如降低亮度并且使光强度分布变得平滑。由于半透明外壳8可以被设置成使得其隐藏其他光学元件不被用户看见，其还可以用来提供装饰性增强。例如，通过适当的表面处理，半透明外壳8可以被设置成使得其展示出磨砂的外观，或者任选地或可替换地，半透明外壳8可以被设置成使得其被散布在构成半透明外壳8的材料（例如纯聚合物）中的色素稍微地着色。

在本发明的上下文中，术语“改装”是指装配到通常用于白炽光源的灯具中，该白炽光源例如灯丝灯泡、卤素灯等。换句话说，对通常采用白炽光源的照明器改装依照所说明的实施例的光源是指利用依照所说明的实施例的光源替换照明器中的白炽光源。

总之，本发明涉及一种包括光导和反射器的光学元件，来自设置在光导一端的光单元中的一个或多个led的光被射入到所述光导中，所述反射器设置在光导的另一端，其能够反射入射到该反射器上的光。该光导还包括棱镜表面，该棱镜表面包括多个棱镜，每个棱镜与光导的轴向成角度地设置，用于朝光导的输出端引导从光单元发射的光。

以上主要参照几个实施例描述了本发明。然而，本领域技术人员应当容易理解的是，不同于以上所公开实施例的其他实施例同样可能处于由所附权利要求限定的本发明的范围内。