照明设备的制造方法

照明设备的制造方法
【专利摘要】本公开内容描述了一种用于普通照明的照明设备。所述照明设备包括使用诸如LED等点光源的光源组装件、非球形反射体以及由透明材料制成的光波导，所述光波导将来自点光源的光重定向并将其分散为区域光。新颖的照明设备不仅实用并提供低炫光的照明，它还具有在美学上令人愉悦的外观。
【专利说明】照明设备 发明背景
[0001] 高亮度发光二极管(LED)具有效率高、波形因数小、光谱范围广以及使用寿命长的 益处。然而，LED通常不能仅凭自身而作为照明单元，部分是由于其点源性质、产生的炫光以 及美学的原因。诸如透镜和漫射体等次级光学器件常用于将高亮度LED转变成使用户舒适 的光源。常常使用单独的外壳单元来围住照明核心，以便进一步控制光的发射、方向性和质 量。因而使用LED的照明设备一般需要除LED之外的若干组件，以便充当完整的照明单元。因 此，需要并入了 LED或其他固态光源的改进的且更具通用性的照明器。

【发明内容】

[0002] 本公开内容提供了一种新颖的照明设备，其中外壳单元是由诸如玻璃或透明塑料 等透明材料制成的光波导，并且起到光线重定向和从点源转变为区域源的作用。所述新颖 的照明设备不仅实用并且提供低炫光的照明；它还具在美学上令人愉悦的外观。在一个方 面中，本公开内容提供了一种照明设备，所述照明设备包括光波导和光源，所述光波导具有 顶面和相对的底面。所述顶面包括环绕中心轴线的主反射腔;面向所述主反射腔设置的环 形输入面；以及邻近所述环形输入面的环形第一反射面。所述光源沿着所述中心轴线并邻 近所述主反射腔内的主反射体设置。来自所述光源的光线从所述主反射体反射，折射穿过 所述环形输入面，从所述环形第一反射面反射，并且被导向所述光波导的所述相对的底面。
[0003] 在另一方面中，本公开内容提供了一种照明设备，所述照明设备包括光波导和光 源，所述光波导具有顶面和相对的底面。所述顶面包括环绕中心轴线的主反射腔;面向所述 主反射腔设置的环形输入面；以及邻近所述环形输入面的环形第一反射面。所述光源沿着 所述中心轴线并邻近所述主反射腔内的主反射体设置。来自所述光源的光线从所述主反射 体反射，折射穿过所述环形输入面，从所述环形第一反射面反射，并且被导向所述光波导的 所述相对的底面。所述顶面还包括邻近所述环形第一反射面的环形第二反射面，所述环形 第二反射面被定位成使得光线在到达所述光波导的所述相对的底面之前从所述环形第二 反射面反射。
[0004] 在又一方面中，本公开内容提供了一种照明设备，所述照明设备包括光波导和光 源，所述光波导具有顶面和相对的底面。所述顶面包括环绕中心轴线的主反射腔和面向所 述主反射腔设置的环形第一反射体。所述光源沿着所述中心轴线并邻近所述主反射腔内的 主反射体设置。来自所述光源的光线从所述主反射体反射，从所述环形第一反射体反射，并 且被导向所述光波导的所述相对的底面。
[0005] 在又一方面中，本公开内容提供了一种照明设备，所述照明设备包括光波导和光 源，所述光波导具有顶面和相对的底面。所述顶面包括环绕中心轴线的主反射腔和面向所 述主反射腔设置的环形第一反射体。所述光源沿着所述中心轴线并邻近所述主反射腔内的 主反射体设置。来自所述光源的光线从所述主反射体反射，从所述环形第一反射体反射，并 且被导向所述光波导的所述相对的底面。所述顶面还包括邻近所述环形第一反射体的环形 第二反射体，所述环形第二反射体被定位成使得光线在到达所述光波导的所述相对的底面 之前从所述环形第二反射体反射。
[0006] 上文的
【发明内容】
不旨在描述每个所公开的实施方式或本公开内容的每个实现方 式。下文的附图和详细描述更具体地例示了说明性实施方式。
【附图说明】
[0007] 在整个说明书中参考了附图，其中类似的附图标记标示类似的元素，其中：
[0008]图1A不出了照明设备的分解立体图；
[0009] 图1B示出了照明设备的横截面图；
[0010] 图1C示出了光波导的横截面示意图；
[0011] 图1D示出了光波导的横截面示意图；
[0012] 图2A示出了光波导的横截面示意图；
[0013]图2B示出了光波导的横截面示意图；
[0014]图2C示出了光波导的横截面示意图；
[0015]图2D示出了光波导的横截面示意图；
[0016]图3A示出了光波导的俯视示意图；
[0017]图3B示出了光波导的俯视示意图；
[0018]图3C示出了光波导的俯视示意图；
[0019]图3D示出了光波导的俯视示意图；
[0020]图4示出了照度对位置的曲线图；
[0021 ]图5示出了非球面反射体上各点的曲线图；以及 [0022]图6示出了穿过光波导的光线的合成图像。
[0023]各附图未必按比例。在附图中所使用的类似的数字指代类似的组件。然而，应当理 解，在给定的附图中使用一个数字来指代一个组件并不旨在限制该组件在另一附图中用相 同数字来标注。
【具体实施方式】
[0024] 本公开内容描述了用于普通照明的照明设备。该照明设备包括光源组装件、非球 面反射体和光波导，该光源组装件使用诸如LED等点光源，该光波导将来自点光源的光重定 向并且使其分散成区域光。直接位于LED下方的非球面反射体将LED光重定向并且将其转换 成LED上方的环分布，所述光继而在光波导内折射并反射以便作为区域光射出。
[0025] 在以下描述中参考了作为其一部分且通过图示的方式示出的附图。应当理解，设 想了其他实施方式且所述其他实施方式可在不背离本公开内容的范围或精神的情况下作 出。因此以下详细描述并不具有限制性意义。
[0026] 除非另外指明，本文所使用的所有的科学术语和技术术语均具有本领域内通用的 含意。本文所提供的定义是促进理解本文中频繁使用的某些术语，且并不意味着限制本公 开内容的范围。
[0027] 除非另有所指，本说明书和权利要求书中所使用的、所有表达特征尺寸、数量和物 理性质的数字应理解为在所有情况下由术语"大约"修改。因此，除非有相反指示，否则前述 说明书和所附权利要求书中所阐述的数值参数是近似值，其可根据利用本文所公开的教导 的那些本领域技术人员寻求要获得的期望性质而改变。
[0028] 如本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式"一"、"一个"和"该"包含具 有复数指代的实施方式，除非上下文另有明确所指。如本说明书和所附权利要求书中所使 用的，术语"或者"通常采用其包括"和/或"在内的意义，除非上下文另有明确所指。
[0029] 如果本文使用了空间相关术语，包括但不限于"下"、"上"、"之下"、"下方"、"上方" 和"在顶部上"，则为了便于描述利用这些空间相关术语来描述(一个或多个)元件与另一元 件的空间关系。这样的空间相关术语包含使用中或操作中的设备的、除了附图中所描绘的 和本文所描述的特定朝向之外的不同的朝向。例如，如果将附图中所描绘的物体倒转或翻 转，则前文中描述为其他元件下方或之下的部分将继而位于这些其他元件的上方。
[0030] 如本文所使用的，例如当元件、组件或层被描述为与另一元件、组件或层形成了 "一致的交界面"，或者在另一元件、组件或层"上"或者与其"连接"、"耦合"或"接触"时，该 元件、组件或层可以直接位于其上、直接与其连接、直接与其耦合、直接与其接触，或者例如 介于中间的元件、组件或层可以位于该特定的元件、组件或层上或者与其连接、耦合或接 触。例如，当元件、组件或层被称为"直接"位于另一元件"上"，或者与其"直接连接"、"直接 耦合"或"直接接触"时，不存在例如介于中间的元件、组件或层。
[0031 ]如本文所使用的，"有"、"具有"、"包括"、"包括…在内"、"包含"、"包含…在内"等 等以其开放式意义来使用，并通常意味着"包括但不限于"。应当理解，术语"由...组成"和 "主要由...组成"归入术语"包括"等等之中。
[0032] 如本文所使用的，例如当元件、组件或层被描述为"环形的"时，它可以是环状的， 并包括敞开的中央部分。"环形的"不一定意味着该元件、组件或层就像以圆那样旋转对称 的，而是相反可以具有包括圆形、椭圆形或多边形在内的任何期望的形状，并且包括平面区 域以及曲面区域和复合曲面区域。通常，"环形的"元件、组件或层包括某种关于中央部分的 对称性;然而，并不要求对称性。
[0033] 如本文所使用的，术语"可见光透射材料"意指通常可被人眼察觉的光能够传输穿 过的组件或材料。在一些情况下，组件或材料还可以展示出对于光的极其低的吸收、散射或 色散，不过这可能不是必须的。在一些情况下，组件或材料可以使吸收、散射或色散调整，以 便提供期望的光学效果，所述光学效果在该组件或材料内是可见的，或者在从该组件发射 的光图案中是可见的。例如，在一些情况下组件或材料可具有每英寸大于2%、每英寸大于 5 %或甚至每英寸大于10 %的雾度水平。在一些情况下，组件或材料还可包括可选的着色 剂、焚光剂、波长下转换元件(wavelength down-converting element)等，这不妨碍词语 "可见光透射"的使用。
[0034] 图1A示出了根据本公开内容的一个方面的、照明设备100的分解立体图。照明设备 100包括光波导110和光源120。光波导110可以由任何合适的可见光透射材料112制成，该可 见光透射材料112例如包括诸如丙烯酸或聚碳酸酯等塑料、诸如石英等矿物以及诸如 Schott BK7硼硅玻璃等光学玻璃等等。光波导110可具有任何期望的横截面形状，例如包括 圆柱形、椭圆形、三角形、矩形或任何期望的曲面或多边形形状，并且可以是中空的或实心 的。在接下来的描述中参考了圆柱形横截面的光波导，该光波导关于中心轴线旋转对称;然 而，应当理解，本领域技术人员可以容易地将各种元件和组件适配成其它的横截面形状。
[0035] 光波导110具有顶面、相对的底面170和设置在顶面和相对的底面170之间的外表 面114。顶面包括主反射腔130、面向主反射腔130设置的环形输入面140、邻近环形输入面 140的环形第一反射面150以及邻近环形第一反射面150的可选的环形第二反射面160。
[0036] 主反射体135设置在主反射腔130中。在一些情况下，主反射体135可以是金属层、 金属合金层或多层电介质反射层，其可直接沉积在所述主反射腔130中的光波导110上。例 如，主反射腔130可以适当地成形、模塑、机加工和抛光，并且主反射体135的（一个或多个） 金属层或电介质层可以通过例如包括溅射、蒸镀、电镀等技术进行沉积。在一些实施方式 中，在可见光光谱中，主反射体135的反射率可能大于90%、或大于95%、或大于98%或甚至 大于99 %。通常，优选较高的反射率。
[0037] 在一些情况下，作为替代主反射体135可以由金属板或金属片材、金属合金板或金 属合金片材、涂覆有聚合物膜的金属或金属合金或者多层电介质反射体形成，通过直接机 加工、压缩和/或将片材热成型来形成或者通过本领域技术人员已知的其他技术来形成。在 一个特定实施方式中，热成型的聚合物多层反射膜，诸如可购自3M公司的Vikuiti?ESR膜， 可以是优选的主反射体135。一般而言，如果需要，出于设计的考虑，可以将主反射体135和 光波导110各自设计成在水平面上具有较低的对称性（例如，等腰三角形（3倍）、正方形(4 倍）、五边形(5倍）...）。
[0038] 光源120包括可用于向该光源供应电力且还用于将照明设备100挂接在天花板(未 示出）上的线缆126、用于使点光源125所产生的热消散的散热器124。尽管点光源125可以是 任何合适的小型光源，其例如包括发光二极管(LED)、高强度放电灯、卤素灯、白炽灯、和紧 凑型荧光(CFL)灯，但优选为LED。通常，点光源125应当相对于照明设备100内的任何反射元 件尺寸较小。如本文其他各处所描述，光源120可以可释放地附着于光波导110。如本文所使 用的，点光源125被称为LED 125。
[0039] 图1B示出了根据本公开内容的一方面的、通过中心轴线105的照明设备100的横截 面图。图1B中所示出的元件100-170中的每一个元件对应于前文已经描述的、图1A中所示出 的类似编号的元件100-170。例如，图1B的主反射体135对应于图1A的主反射体135,以此类 推。
[0040] 照明设备100包括光波导110和光源120。如本文其他各处所述，光波导110可围绕 中心轴线105旋转对称，并且可具有任何期望的直径"D"和任何期望的长度"L"，其范围例如 在长度上从几厘米到几米或更长。光波导110具有顶面、相对的底面170和设置在顶面与相 对的底面170之间的外表面114。在一些情况下，长度"L"和/或直径"D"可根据需要调整，以 便提供从相对的底面170射出的不同照明图案，例如提供可通过投射在接近该相对的底面 170放置的表面上而可见的图案。在一些情况下，长度"L"和/或直径"D"还可以根据需要调 整，以便提供在光波导110内可见的不同照明图案，例如可在昏暗的房间中通过沿中心轴线 105延伸的外表面114观察光波导110而可见的图案。如本文其他各处所描述，在一些情况 下，可以通过调整材料的散射、色散或吸收，或者通过添加可选的着色剂、荧光剂、波长下转 换元件等来使这些内部图案变得更清晰可见。
[0041] 顶面包括主反射腔130、面向主反射腔130设置的环形输入面140、邻近环形输入面 140的环形第一反射面150以及邻近环形第一反射面150的可选的环形第二反射面160。环形 输入面140、环形第一反射面150和可选的环形第二反射面160中的每一个可以是通过线段 围绕中心轴线105旋转而生成的表面。如本文其他各处所描述，在一些情况(未示出）下，作 为替代，环形输入面140、环形第一反射面150和可选的环形第二反射面160中的每一个可以 是通过关于中心轴线旋转分段的线、曲线或分段的曲线、或其组合来形成环形形状而生成 的表面。
[0042] 环形输入面140、环形第一反射面150和可选的环形第二反射面160中的每一个可 以是能够支持全内反射(TIR)的抛光表面。在一些情况下，环形第一反射面150和/或可选的 环形第二反射面160可以包括反射涂层、膜或层，而不是依靠 TIR进行反射;然而优选为TIR。 如果使用反射涂层、膜或层的话，则它们可以是本文其他各处所描述的那些反射体中的任 何反射体，并且可以直接沉积在相应的表面上，或者层压或粘附于该表面。在一个特定实施 方式中，环形输入面140还可包括抗反射涂层。
[0043] 主反射体135设置在主反射腔130中。主反射体135可以根据需要设计成具有适合 于穿过环形输入面140将光引导到光波导110中的形状。如本文其他各处所描述，在一个特 定实施方式中，主反射体135具有尖头形状，该尖头形状将LED 125的点光源变换为环形状 的光，该光进入环形输入面140。
[0044] 光源120包括线缆126、散热器124和LED 125。光源120沿着中心轴线105设置且邻 近主反射腔130内的主反射体135放置。光源120还包括可释放地将光源120附着于光波导 110的机构122,使得可在不损坏光波导110的情况下根据需要拆卸和维修所述部件。在一个 特定实施方式中，通过滑动运动121可使机构122致动以扩张抵靠环形输入面140。
[0045] 图1C示出了根据本公开内容的一方面的、光波导110的横截面示意图。图1C中所示 出的元件100-170中的每一个元件对应于前文已经描述的、图1B中所示出的类似编号的元 件100-170。例如，图1C的主反射体135对应于图1B的主反射体135,以此类推。在图1C中，为 了清楚起见，已经移除了光源120的主要部分，而仅留下LED125以追踪光线穿过光波导110 的路径。LED 125发射光线127'，所述光线127'从主反射体135反射并通过折射穿过环形输 入面140而进入光波导110。
[0046] 光线127'继而从环形第一反射面150反射，从可选的环形第二反射面160再次反 射，并且被导向相对的底面170。所有的朝着相对的底面传播穿过光波导110的所传输的光 线127在一个角度内行进，使得在外表面114处发生TIR。可将传输的光线127的集合描述为 在中心轴线的Θ之内行进的光锥，其中Θ的范围可以从大约〇度直到约60度、或50度、或40度、 或30度、或20度、或者直到约15度或更小。可以通过设计主反射体135、可见光透射材料112 的折射率以及环形输入面140、环形第一反射面150和可选的环形第二反射面160中的每一 个与入射光线所成的各个角度来调整期望的光的角扩散。
[0047]在一些情况下，可设计主反射体135,使得将来自LED 125的、从主反射体135反射 的光导向与环形输入面相反定位的虚焦点129。在一些情况下，如本领域技术人员已知的， 由于光线127'汇聚在折射区和反射区附近，因此这样的反射体设计可以减小环形输入面 140、环形第一反射面150和可选的环形第二反射面160中的每一个所需的区域的大小。
[0048] 在一个特定实施方式中，可以通过使相对的底面170包括诸如透镜、多个小透镜、 多个小平面、漫射体或其组合等特征，而使用相对的底面170来更改光波导110射出的光的 行进。如图1C中所示，相对的底面170包括可以在光离开光波导110时辅助将该光扩散的透 镜形状。
[0049] 图1D示出了根据本公开内容的一方面的、通过中心轴线105的照明设备100的横截 面图。图ID中所示出的元件100-170中的每一个元件对应于前文已经描述的、图1B中所示出 的类似编号的元件100-170。例如，图1D的主反射体135对应于图1B的主反射体135,以此类 推。在图1D中，光源120包括可以使光源120可释放地附着于光波导110的备选机构122 '，使 得可在不损坏光波导110的情况下根据需要拆卸和维修所述部件。在一个特定实施方式中， 可以通过枢转运动121'使备选机构122'致动以扩张抵靠环形输入面140。可以由光源120内 的诸如螺杆(未示出)等紧固机构来致动枢转运动12Γ。
[0050]图2A示出了根据本公开内容的一方面的、光波导210'的横截面示意图。图2A中所 示出的元件205-240中的每一个元件对应于前文已经描述的、图1B中所示出的类似编号的 元件105-140。例如，图2A的主反射体235对应于图1B的主反射体135,以此类推。在图2A中， 示出了环形第一曲面反射面255以作为环形第一反射面150和可选的环形第二反射面160的 替代。通过围绕中心轴线205旋转曲线可以生成环形第一曲面反射面255,该环形第一曲面 反射面255还可被设计成使得光以类似于图1C中所示的方式，在穿过环形输入面240时折 射，继而从环形第一曲面反射面255反射并朝着小平面式的相对的底面271行进。
[0051]图2B示出了根据本公开内容的一个方面的、光波导210〃的横截面示意图。图2B中 所示出的元件205-271中的每一个元件对应于前文已经描述的、图1B中所示出的类似编号 的元件105-171。例如，图2B的主反射体235对应于图1B的主反射体135,以此类推。在图2B 中，光波导210"包括具有第二外表面218的中空圆柱体，该中空圆柱体作为图1A-图2A的实 心圆柱体的替代，并且来自LED 225的光以类似于图1C中所示的方式行进穿过光波导210"， 而且还包括从第二外表面218的TIR反射。
[0052]图2C示出了根据本公开内容的一个方面的、光波导210〃'的横截面示意图。图2C中 所示出的元件205-260中的每一个元件对应于前文已经描述的、图1B中所示出的类似编号 的元件105-160。例如，图2C的主反射体235对应于图1B的主反射体135,以此类推。在图2C 中，示出了环形第一曲面反射面251或环形第一分段线性曲面反射面252a、252b以作为图 1A-图1C和图2B中所示的环形第一反射面250的替代。此外，可以使用相对的漫射底面273来 更改光波导210"'射出的光。
[0053]图2D示出了根据本公开内容的一个方面的、光波导210〃〃的横截面示意图。图2D中 所示出的元件205-270中的每一个元件对应于前文已经描述的、图1B中所示出的类似编号 的元件105-170。例如，图2D的主反射体235对应于图1B的主反射体135,以此类推。在图2D 中，既然已经移除了可见光透射材料212以便通过增加敞开区域232来增大主反射腔230,因 此环形第一反射体253和可选的环形第二反射体261代替图1B的环形第一反射面150和可选 的环形第二反射面160。以这种方式，从主反射体235反射的光在折射穿过环形输入面241并 进入光波导210〃〃之前，从环形第一反射体253和可选的环形第二反射体261反射。在一个特 定实施方式中，环形第一反射体253和可选的环形第二反射体261可由金属片材或金属板制 造，并且可通过其他各处所描述的任何技术被制成是反射性的。可以在光波导210""内提供 可选的凸缘243以容纳光源的附着机构(未示出）。在一个特定实施方式中，如图2D中所示， 主反射体235可以凹向LED225。
[0054]图3A-图3D示出了光波导的俯视示意图，并表示了光波导可能具有的横截面。尽管 在图3A-图3D中只表示了四种不同的横截面，应当理解，任何期望的横截面可以被适配为光 波导，例如包括:对称和非对称的曲面横截面;对称和非对称的多边形横截面;对称和/或非 对称的曲面横截面和/或多边形横截面的组合;增加、减少、既增加又减少或者沿着从顶面 到相对的底面的距离保持相同的横截面大小;实心的、中空均匀的、非中空均匀的或分段中 空的横截面;等等。
[0055]图3A不出了根据本公开内容的一个方面的、光波导310的俯视不意图。图3A中所不 出的元件305-360中的每一个元件对应于前文已经描述的、图1B中所示出的类似编号的元 件105-160。例如，图3A的主反射体335对应于图1B的主反射体135,以此类推。在图3A中，光 波导310具有圆形横截面。
[0056]图3B不出了根据本公开内容的一个方面的、光波导310 '的俯视不意图。图3B中所 示出的元件305 '-360 '中的每一个元件对应于前文已经描述的、图1B中所示出的类似编号 的元件105-160。例如，图3B的主反射体335'对应于图1B的主反射体135,以此类推。在图3B 中，光波导310'具有椭圆形横截面。
[0057]图3C示出了根据本公开内容的一个方面的、光波导310〃的俯视示意图。图3C中所 示出的元件305〃-360〃中的每一个元件对应于前文已经描述的、图1B中所示出的类似编号 的元件105-160。例如，图3C的主反射体335"对应于图1B的主反射体135,以此类推。在图3C 中，光波导310〃具有三角形横截面。
[0058]图3D示出了根据本公开内容的一个方面的、光波导310〃'的俯视示意图。图3D中所 示出的元件305"'-360〃'中的每一个元件对应于前文已经描述的、图1B中所示出的类似编 号的元件105-160。例如，图3D的主反射体335〃'对应于图1B的主反射体135，以此类推。在图 3D中，光波导310〃'具有矩形横截面。
[0059] 由于光波导中使用的可见光透射材料，举例而言，诸如浇铸型丙烯酸物料(cast acrylic)，可以具有某种水平的雾度(一般为~5%雾度每英寸厚度），因此行进穿过照明设 备的光线可能稍微散射，这展现了其路径并产生"浮动"的图像。具有较高能量密度（即，穿 过单位体积的光线更多）的区域显得更明亮。图6示出了根据本公开内容的一个方面的、穿 过光波导610的光线的合成图像，该合成图像与浮动图像680重叠，其可在光波导被照亮时 可见。图6中所示出的元件605-670中的每一个元件对应于前文已经描述的、图1B中所示出 的类似编号的元件105-170。例如，图6的LED 625对应于图1B的LED 125,以此类推。图6示出 了如观察者681朝着并透过光波导610的外表面614看所观察的、通过中心轴线605的切片 (slice)〇
[0060] 通过来自LED 625的光的反射和/或折射所产生的光束627'穿过光波导610。光束 627'可以是对称的，诸如关于中心轴线605旋转对称的，或者可以具有其他分布或对称性， 如本文其他各处关于光波导内其他光学元件所描述的。对应于不同光散射密度的若干区域 可以在光波导内生成浮动图像680。浮动图像680包括几乎没有光束627'中的光线穿过的较 暗的第一区域682、光束627'中的更多的光线穿过的较亮的第二区域684以及由光束627'中 的甚至更多的光线穿过的甚至更亮的第三区域686。应当理解，可以存在任何数目的独立区 域，且对第一区域682、第二区域684和第三区域686的描述仅出于说明性原因。通常，所述区 域中的每一个间的过渡可能是逐渐的；然而，区域之间的过渡的锐度可能受到制备光波导 610的材料时所使用的处理技术和/或添加物的影响。通过改变光线穿过光波导的路径，可 以生成不同的浮动图像以在美学上提供引人注目的特殊效果。 实施例
[0061] 制作并测试了样品照明设备。本实施例仅出于说明性目的而并非意味着限制所附 权利要求的范围。
[0062] 光波导由63.5mm直径的丙稀酸物料杆机(WI州梅诺莫尼的Prototype Solution Group)加工而成。表面被机加工并抛光。本实施例中使用的光波导是圆形对称的，并且具有 由线性小平面制成的表面轮廓。如表1中所示，垂直的横截面由枢轴点的坐标指定。
[0063] 使用计算机辅助确定性算法设计了非球面反射体（即，主反射体）的表面轮廓。使 用信号处理的类比，将输入定义为LED的光线分布，输出是期望的光分布，并且非球面反射 体类似于线性响应系统。在该实施例中，期望的光分布是邻近于两个反射面的环分布。"环" 的半径被设定为18mm，而环的中心被设定为LED中心上方（即，非球面反射体的相对一侧） 15mm，而非球面反射体的中心被设定为LED中心下方4mm。点光源被用作该算法中的光线中 心，并且在非球面镜上的任何点处计算了小平面角度以便将光线重定向至"环"的周界。图5 中绘制了非球面反射体上的点的空间坐标，其中X是横轴，而LED中心位于z = -4mm处。
[0064]非球面反射体是热成型的增强型镜面反射体（可从MN州圣保罗的3M公司购得的 Vikuiti?ESR膜）。在热成型过程中，首先机加工了铝制工具，该铝制工具被塑形成与非球面 反射体共辄。继而使用该工具在350°C的烤炉中按压ESR的扁平片（夹设于20密耳(mil) (0.51mm)的聚碳酸酯与7密耳(0.18mm)的聚碳酸酯基体之间）。塑料基体上的ESR随着铝工 具的轮廓改变了形状。最终，使用机械冲压机将非球面反射体变换成恰当的尺寸。该样品中 所使用的LED是科锐(Cree)XML的简易白色LED(北卡罗来纳洲达勒姆的Cree公司的通量组 (flux group)T4)，其色温为2700K。使用热环氧树脂(可购自MN州圣保罗的3M公司的2810环 氧树脂)将具有其印刷电路板的LED附着于两部分式铝制散热片的底部部分，而顶部部分附 着于挂线，该挂线还充当LED的导电线。
[0065] 所述组件被组装于光波导的腔体内。在组装过程中，首先将非球面反射体落入到 了腔体中并且利用腔体边缘将其固定就位。继而用2个安装螺钉将2片式散热器松散地链接 在一起。存在两个用铰链安装在散热器的底部部分的翼形锁(类似于图1D中所示的那些）。 当向下倾斜时，这两个翼锁适合通过敞开的腔体。当安装螺钉拧紧时，翼锁被向外挤压且将 所有的组件锁定在位。这一配置还允许用户以最小精力更换组件。
[0066] 如本文其他各处所描述，照明设备的任何表面元件可具有曲面轮廓或复合曲面轮 廓。在该实施例例中，外壳单元的底面被变换成了半径为150mm的简单的凹球面型曲面以控 制光扩散角。 光输出分布
[0067] 使用光度测量系统来评估照明设备的亮度输出和光分布。照明设备悬挂在离桌面 34.5英寸(从设备的底部测量为87.6cm)的高度处。使用曝光表(MA州沃尔瑟姆的EXTECH的 型号EA33)测量桌面上的照度。由于圆对称性，因此照度仅沿着穿过照亮区域的中心的线来 测量。照明器的驱动条件是300mA电流和11V DC电压。在该驱动条件下，LED管芯的光通量被 估算为103流明(Lumen)。
[0068] 来自照明设备的角度光分布被相当好地准直，且从照明设备的底部射出的大部分 光被限制在约20度的锥角之内。图4中示出了照度为桌面上的横向位置的函数。对桌面上的 照度的空间整合给出了72流明的总光通量估计，从而得出了下照灯的总体发光效率约为 70% 〇
[0069] 下面是本公开内容的实施方式的列表。
[0070] 项目1是一种照明设备，包括:具有顶面和相对的底面的光波导，所述顶面包括:环 绕中心轴线的主反射腔;面向所述主反射腔设置的环形输入面;邻近所述环形输入面的环 形第一反射面；以及光源，其沿着所述中心轴线并邻近所述主反射腔内的主反射体设置，其 中来自所述光源的光线从所述主反射体反射，折射穿过所述环形输入面，从所述环形第一 反射面反射，并且被导向所述光波导的所述相对的底面。
[0071 ]项目2是如项目1所述的照明设备，其中所述顶面还包括邻近所述环形第一反射面 的环形第二反射面，所述环形第二反射面被定位成使得光线在到达所述光波导的所述相对 的底面之前从所述环形第二反射面反射。
[0072] 项目3是如项目1或项目2所述的照明设备，其中导向所述相对的底面的光线包括 以一个角度行进使得在设置于所述顶面与所述相对的底面之间的外表面处发生全内反射 (TIR)的光线。
[0073] 项目4是如项目1至项目3所述的照明设备，其中导向所述相对的底面的光线包括 以中心轴线的60度之内的角度行进的光线。
[0074] 项目5是如项目1至项目4所述的照明设备，其中所述相对的底面是输出表面，所述 输出表面包括透镜、多个小平面、漫射体或其组合。
[0075] 项目6是如项目1至项目5所述的照明设备，其中所述环形第一反射面包括能够全 内反射(TIR)的抛光表面。
[0076] 项目7是如项目2至项目6所述的照明设备，其中所述环形第二反射面包括能够全 内反射TIR的抛光表面。
[0077] 项目8是如项目1至项目7所述的照明设备，其中所述主反射体包括成形的反射膜。
[0078] 项目9是如项目8所述的照明设备，其中所述成形的反射膜包括热成型的聚合物多 层光学膜。
[0079] 项目10是如项目1至项目9所述的照明设备，其中所述主反射体包括非球面反射 体。
[0080] 项目11是如项目1至项目10所述的照明设备，其中所述主反射体包括尖头形状的 反射体。
[0081] 项目12是如项目1至项目11所述的照明设备，其中所述光波导围绕所述中心轴线 对称。
[0082] 项目13是如项目1至项目12所述的照明设备，其中所述光波导围绕所述中心轴线 旋转对称。
[0083]项目14是如项目1至项目13所述的照明设备，其中所述光波导包括实心圆柱体或 中空圆柱体。
[0084] 项目15是如项目1至项目14所述的照明设备，其中所述光源包括发光二极管 (LED)。
[0085] 项目16是如项目1至项目15所述的照明设备，其中所述光源包括设置在所述主反 射腔外部的散热器。
[0086] 项目17是如项目1至项目16所述的照明设备，还包括可扩张式闩，用于将所述光源 可释放地附着于所述光波导。
[0087] 项目18是如项目1至项目17所述的照明设备，其中来自所述光源的光线从所述主 反射体朝着与所述环形输入面相反定位的虚环形焦点反射。
[0088] 项目19是如项目1至项目18所述的照明设备，其中所述主反射体、所述环形输入面 和所述环形第一反射面中的每一个独立地包括通过围绕所述中心轴线旋转线、分段的线、 曲线或分段的曲线而生成的表面。
[0089]项目20是如项目2至项目19所述的照明设备，其中所述环形第二反射面包括通过 围绕所述中心轴线旋转线、分段的线、曲线或分段的曲线而生成的表面。
[0090] 项目21是如项目1至项目20所述的照明设备，其中所述光波导包含可见光透射材 料，所述可见光透射材料包括塑料、矿物或玻璃。
[0091] 项目22是一种照明设备，包括:具有顶面和相对的底面的光波导，所述顶面包括： 环绕中心轴线的主反射腔;面向所述主反射腔设置的环形第一反射体；以及光源，其沿着所 述中心轴线并邻近所述主反射腔内的主反射体设置，其中来自所述光源的光线从所述主反 射体反射，从所述环形第一反射体反射，并且被导向所述光波导的所述相对的底面。
[0092] 项目23是如项目22所述的照明设备，其中所述顶面还包括邻近所述环形第一反射 体的环形第二反射体，所述环形第二反射体被定位成使得光线在到达所述光波导的所述相 对的底面之前从所述环形第二反射体反射。
[0093]项目24是如项目22或项目23所述的照明设备，其中导向所述相对的底面的光线包 括以一个角度行进使得在设置于所述顶面与所述相对的底面之间的外表面处发生全内反 射(TIR)的光线。
[0094]项目25是如项目22至项目24所述的照明设备，其中导向所述相对的底面的光线包 括以中心轴线的60度之内的角度行进的光线。
[0095] 项目26是如项目22至项目25所述的照明设备，其中所述相对的底面是输出表面， 所述输出表面包括透镜、多个小平面、漫射体或其组合。
[0096] 项目27是如项目22至项目26所述的照明设备，其中所述环形第一反射体包括金 属、金属合金或电介质反射体。
[0097]项目28是如项目23至项目27所述的照明设备，其中所述环形第二反射体包括金 属、金属合金或电介质反射体。
[0098]项目29是如项目22至项目28所述的照明设备，其中所述主反射体包括成形的反射 膜。
[0099]项目30是如项目29所述的照明设备，其中所述成形的反射膜包括热成型的聚合物 多层光学膜。
[0100]项目31是如项目22至项目30所述的照明设备，其中所述主反射体包括非球面反射 体。
[0101 ]项目32是如项目22至项目31所述的照明设备，其中所述主反射体包括尖头形状的 反射体。
[0102]项目33是如项目22至项目32所述的照明设备，其中所述光波导围绕所述中心轴线 对称。
[0103] 项目34是如项目22至项目33所述的照明设备，其中所述光波导围绕所述中心轴线 旋转对称。
[0104] 项目35是如项目22至项目34所述的照明设备，其中所述光波导包括实心圆柱体或 中空圆柱体。
[0105] 项目36是如项目22至项目35所述的照明设备，其中所述光源包括发光二极管 (LED)。
[0106] 项目37是如项目22至项目36所述的照明设备，其中所述光源包括设置在所述主反 射腔外部的散热器。
[0107] 项目38是如项目22至项目37所述的照明设备，还包括可扩张式R，用于将所述光 源可释放地附着于所述光波导。
[0108] 项目39是如项目22至项目38所述的照明设备，其中来自所述光源的光线从所述主 反射体朝着与所述环形第一反射面相反定位的虚环形焦点反射。
[0109] 项目40是如项目22至项目39所述的照明设备，其中所述主反射体和所述环形第一 反射体中的每一个独立地包括通过围绕所述中心轴线旋转线、分段的线、曲线或分段的曲 线而生成的表面。
[0110] 项目41是如项目23至项目40所述的照明设备，其中所述环形第二反射体包括通过 围绕所述中心轴线旋转线、分段的线、曲线或分段的曲线而生成的表面。
[0111]项目42是如项目22至项目41所述的照明设备，其中所述光波导包含可见光透射材 料，所述可见光透射材料包括塑料、矿物或玻璃。
[0112]项目43是如项目1至项目42所述的照明设备，其中所述主反射体凹向所述光源。
[0113]本文中所示的各种照明设备设计中的任何一个均可包含所描述的相对的底面、环 形输入面、主反射体、横截面、环形反射面等中的任何一个。
[0114]除非另有所指，说明书和权利要求中所使用的所有的表达特征尺寸、数量和物理 性质的数字应被理解为由术语"大约"修改。因此，除非有相反指示，否则前述说明书和所附 权利要求书中所阐述的数值参数是近似值，其可根据利用本文所公开的教导的那些本领域 技术人员寻求要获得的期望性质而改变。
[0115]本文所引用的所有参考文献和出版物的全部内容通过引用明确并入本公开内容 中，除非它们可能直接与本公开内容相矛盾。尽管本文已经说明并描述了【具体实施方式】，但 是本领域普通技术人员应当理解，在不背离本公开内容的范围的情况下，可以使用多种替 换和/或等效的实现方式来代替所示出和描述的【具体实施方式】。本申请旨在覆盖本文中所 讨论的【具体实施方式】的任何适配体或变体。因此，旨在仅通过权利要求及其等效项来限制 本公开内容。
【主权项】
1. 一种照明设备，包括： 光波导，其具有顶面和相对的底面，所述顶面包括： 环绕中心轴线的主反射腔； 面向所述主反射腔设置的环形输入面； 邻近所述环形输入面的环形第一反射面；以及 光源，其沿着所述中心轴线并邻近所述主反射腔内的主反射体设置， 其中来自所述光源的光线从所述主反射体反射，折射穿过所述环形输入面，从所述环 形第一反射面反射，并且被导向所述光波导的所述相对的底面。2. 如权利要求1所述的照明设备，其中所述顶面还包括邻近所述环形第一反射面的环 形第二反射面，所述环形第二反射面被定位成使得光线在到达所述光波导的所述相对的底 面之前从所述环形第二反射面反射。3. 如权利要求1所述的照明设备，其中导向所述相对的底面的光线包括以一个角度行 进使得在设置于所述顶面与所述相对的底面之间的外表面处发生全内反射(TIR)的光线。4. 如权利要求1所述的照明设备，其中导向所述相对的底面的光线包括以中心轴线的 60度之内的角度行进的光线。5. 如权利要求1所述的照明设备，其中所述相对的底面是输出表面，所述输出表面包括 透镜、多个小平面、漫射体或其组合。6. 如权利要求1所述的照明设备，其中所述环形第一反射面包括能够全内反射(TIR)的 抛光表面。7. 如权利要求2所述的照明设备，其中所述环形第二反射面包括能够全内反射TIR的抛 光表面。8. 如权利要求1所述的照明设备，其中所述主反射体包括成形的反射膜。9. 如权利要求8所述的照明设备，其中所述成形的反射膜包括热成型的聚合物多层光 学膜。10. 如权利要求1所述的照明设备，其中所述主反射体包括非球面反射体。11. 如权利要求1所述的照明设备，其中所述主反射体包括尖头形状的反射体。12. 如权利要求1所述的照明设备，其中所述光波导围绕所述中心轴线对称。13. 如权利要求1所述的照明设备，其中所述光波导围绕所述中心轴线旋转对称。14. 如权利要求1所述的照明设备，其中所述光波导包括实心圆柱体或中空圆柱体。15. 如权利要求1所述的照明设备，其中所述光源包括发光二极管(LED)。16. 如权利要求1所述的照明设备，其中所述光源包括设置在所述主反射腔外部的散热 器。17. 如权利要求1所述的照明设备，还包括可扩张式闩，用于将所述光源可释放地附着 于所述光波导。18. 如权利要求1所述的照明设备，其中来自所述光源的光线从所述主反射体朝着与所 述环形输入面相反定位的虚环形焦点反射。19. 如权利要求1所述的照明设备，其中所述主反射体、所述环形输入面和所述环形第 一反射面中的每一个独立地包括通过围绕所述中心轴线旋转线、分段的线、曲线或分段的 曲线而生成的表面。20. 如权利要求2所述的照明设备，其中所述环形第二反射面包括通过围绕所述中心轴 线旋转线、分段的线、曲线或分段的曲线而生成的表面。21. 如权利要求1所述的照明设备，其中所述光波导包含可见光透射材料，所述可见光 透射材料包括塑料、矿物或玻璃。22. -种照明设备，包括： 光波导，其具有顶面和相对的底面，所述顶面包括： 环绕中心轴线的主反射腔； 面向所述主反射腔设置的环形第一反射体；以及 光源，其沿着所述中心轴线并邻近所述主反射腔内的主反射体设置， 其中来自所述光源的光线从所述主反射体反射，从所述环形第一反射体反射，并且被 导向所述光波导的所述相对的底面。23. 如权利要求22所述的照明设备，其中所述顶面还包括邻近所述环形第一反射体的 环形第二反射体，所述环形第二反射体被定位成使得光线在到达所述光波导的所述相对的 底面之前从所述环形第二反射体反射。24. 如权利要求22所述的照明设备，其中导向所述相对的底面的光线包括以一个角度 行进使得在设置于所述顶面与所述相对的底面之间的外表面处发生全内反射(TIR)的光 线。25. 如权利要求22所述的照明设备，其中导向所述相对的底面的光线包括以中心轴线 的60度之内的角度行进的光线。26. 如权利要求22所述的照明设备，其中所述相对的底面是输出表面，所述输出表面包 括透镜、多个小平面、漫射体或其组合。27. 如权利要求22所述的照明设备，其中所述环形第一反射体包括金属、金属合金或电 介质反射体。28. 如权利要求23所述的照明设备，其中所述环形第二反射体包括金属、金属合金或电 介质反射体。29. 如权利要求22所述的照明设备，其中所述主反射体包括成形的反射膜。30. 如权利要求29所述的照明设备，其中所述成形的反射膜包括热成型的聚合物多层 光学膜。31. 如权利要求22所述的照明设备，其中所述主反射体包括非球面反射体。32. 如权利要求22所述的照明设备，其中所述主反射体包括尖头形状的反射体。33. 如权利要求22所述的照明设备，其中所述光波导围绕所述中心轴线对称。34. 如权利要求22所述的照明设备，其中所述光波导围绕所述中心轴线旋转对称。35. 如权利要求22所述的照明设备，其中所述光波导包括实心圆柱体或中空圆柱体。36. 如权利要求22所述的照明设备，其中所述光源包括发光二极管(LED)。37. 如权利要求22所述的照明设备，其中所述光源包括设置在所述主反射腔外部的散 热器。38. 如权利要求22所述的照明设备，还包括可扩张式闩，用于将所述光源可释放地附着 于所述光波导。39. 如权利要求22所述的照明设备，其中来自所述光源的光线从所述主反射体朝着与 所述环形第一反射体相反定位的虚环形焦点反射。40. 如权利要求22所述的照明设备，其中所述主反射体和所述环形第一反射体中的每 一个独立地包括通过围绕所述中心轴线旋转线、分段的线、曲线或分段的曲线而生成的表 面。41. 如权利要求23所述的照明设备，其中所述环形第二反射体包括通过围绕所述中心 轴线旋转线、分段的线、曲线或分段的曲线而生成的表面。42. 如权利要求22所述的照明设备，其中所述光波导包含可见光透射材料，所述可见光 透射材料包括塑料、矿物或玻璃。43. 如权利要求1或权利要求22所述的照明设备，其中所述主反射体凹向所述光源。
【文档编号】G02B19/00GK105874373SQ201480055475
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年7月28日
【发明人】Z·杨, G·J-B·本弄特, G·H·鲍尔森, T·E·布拉彻
【申请人】休思乐公司