專利名稱：用于發(fā)光二極管的光重定向及漫射模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例大致涉及照明系統(tǒng)領(lǐng)域，并且更具體地，涉及基于LED的光學(xué)單元。
背景技術(shù)：
隨著發(fā)光二極管(LED)效率(以每瓦特的流明衡量)與光通量(以流明衡量)增加且價(jià)格下降，預(yù)計(jì)LED照明與基于LED的燈很快將成為迄今占統(tǒng)治地位的用于提供大面積照明的基于發(fā)光管(TL)的燈的重要替代并處于與其可競爭的水平上。這樣的燈常見于辦公建筑，形式為I 5厘米到2.4米長的管，直徑5/8英寸、I英寸、1.25英寸或更大，沿其管的長度提供均勻的照明。典型的TL光通量輸出密度為每米管長度3000流明。對(duì)于LED改裝型，還可得到更低的數(shù)值。當(dāng)前的LED燈是通過將大量LED成線性陣列安放在基板上而制成，其中每個(gè)LED為透鏡所包圍，所述透鏡配置成在垂直于LED陣列并平行于基板平面的方向上將LED發(fā)出的光重定向到彎曲的反射表面上。圖1示出US2005/0265042中所公開的一個(gè)這樣的燈30。如所示，燈30包括兩個(gè)LED陣列，其中每個(gè)LED陣列含有沿相應(yīng)反射表面31的長度成行排布在基板20上的LED 10。因?yàn)椋鐖D1中所示，反射表面31是彎曲的，所以在水平方向上入射其上的光在垂直方向上反射，從而提供照明。這種布置的一個(gè)缺點(diǎn)是提供彎曲的反射面對(duì)制造提出了挑戰(zhàn)。另一個(gè)缺點(diǎn)是各個(gè)LED所發(fā)射的光的一部分被損失掉，因?yàn)樗龉獗仨毚┻^相應(yīng)透鏡，離開透鏡，再由反射表面反射。本領(lǐng)域需要一種能夠?qū)χ辽俨糠稚鲜鰡栴}加以改進(jìn)的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種光學(xué)單元。所述單元包括位于表面上的LED和包圍所述LED的單片模塊。所述單片模塊包括重定向部分與第一漫射部分，其中所述第一漫射部分配置成漫射入射在其上的光，所述重定向部分配置成重定向從所述LED發(fā)出的光的至少第一部分以入射在所述第一漫射部分上。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，公開了一種包括兩個(gè)或更多這樣的光學(xué)單元的燈。在一個(gè)實(shí)施例中，所述兩個(gè)或更多這樣的單元可在例如管狀殼內(nèi)成行布置，從而一起構(gòu)成線性光源。在另一實(shí)施例中，大量這樣的單元可成網(wǎng)格或任何其他圖案布置，從而一起形成面光源。所述燈還包括可選的蓋，所述蓋能夠例如對(duì)所述單元產(chǎn)生的光提供額外的漫射。根據(jù)本發(fā)明的再一方面，公開了一種包括被單個(gè)單片模塊所包圍的至少兩個(gè)LED的燈(“擠壓輪廓”)。如此處所用，術(shù)語“單片”用于描述這樣的模塊，其中具有一項(xiàng)功能(例如所述光漫射部分)的模塊部分是具有另一功能(例如所述光傳播部分)的另一模塊部分的集成部分，或換而言之，其中在單一主體的不同部分上實(shí)現(xiàn)不同光學(xué)性質(zhì)。
本發(fā)明基于這樣的認(rèn)識(shí):使所述第一漫射部分成為所述單片模塊重定向部分的集成部分允許顯著地簡化所述光學(xué)系統(tǒng)的制作而同時(shí)保留所需要的功能。提供所述第一漫射部分則可簡單地包括例如將白色涂料涂敷到透鏡的適當(dāng)表面或例如使用2K模塑，其中可使用所述透鏡將從LED發(fā)出的光重定向以入射到所述白色涂料或塑料上。在一個(gè)實(shí)施例中，所述重定向部分還配置成將LED所發(fā)射的光的第二部分引導(dǎo)成不入射在所述第一漫射部分上。此實(shí)施例使從LED發(fā)出的光的一部分可從所述單片模塊“漏出”而不被所述第一漫射部分漫反射。在一個(gè)實(shí)施例種，這樣“漏出”的光可包括從LED發(fā)出的光的5-10%，不過，為了例如獲得照明單元足夠均勻的表現(xiàn)，此百分比可進(jìn)一步調(diào)整。為了在最高程度減少炫光的情況下最大化效率，此百分比應(yīng)盡可能低。不過，為了最小化光斑不均勻，來自所述漏出光與來自由所述漫射部分所漫射光的燈的每單元表面的流明總量應(yīng)優(yōu)選為在所觀察表面上處處相同。所述光漏出處(例如單片模塊的頂部中心，所述模塊的轉(zhuǎn)角，等等)的位置與形狀和所泄漏的光線的量與方向也可以在均勻光源亮度方面優(yōu)化。對(duì)于單片模塊的純折射重定向部分，這可通過將經(jīng)精細(xì)計(jì)算的褶皺(例如類似微透鏡的微結(jié)構(gòu)、‘全息漫射體’狀的結(jié)構(gòu)或帶有經(jīng)過限定的角度分布的其他微結(jié)構(gòu))加到所述模塊外表面的選定位置處來實(shí)現(xiàn)。如果所述模塊的外表面是鏡面，可增加類似結(jié)構(gòu)，但除此以外，所述鏡面可以局部地做成或多或少透明的以得到所需要某種泄漏。備選地或額外的，通過將一個(gè)或多個(gè)同心環(huán)引入所述重定向部分的內(nèi)表面和/或外表面上和/或在所述內(nèi)表面與外表面之間延伸，可以實(shí)現(xiàn)受控的光泄漏。如果重定向部分是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，同心環(huán)的中心可適配成與所述重定向部分的對(duì)稱軸重合。這樣的環(huán)允許更容易修改光學(xué)元件。因此，所述環(huán)的對(duì)稱優(yōu)選地關(guān)系到光學(xué)元件(也即，重定向部分)和/或包含這樣的光學(xué)元件的燈的對(duì)稱而不是關(guān)系到相應(yīng)LED的對(duì)稱。當(dāng)然，在其他實(shí)施例中，所述環(huán)可做成關(guān)于相應(yīng)LED的光束圖案的對(duì)稱軸對(duì)稱。另外，在所述可選的光學(xué)漫射蓋與所`述模塊之間可出現(xiàn)有額外的體積漫射器和/或表面漫射器，以進(jìn)一步改善所提供照明的均勻性。額外的體積和/或表面漫射器可具有分別在其體積或表面上變化的經(jīng)過優(yōu)化的形狀和/或光學(xué)性質(zhì)。如果模塊的所述重定向部分是透明的，也可以在所述塊體(bulk)內(nèi)或所述表面上包含散射元件以引導(dǎo)光泄漏。在以最佳光斑均勻性為目標(biāo)的實(shí)施例中，所述第二部分可以包括從所述LED發(fā)出的光的不到45%。該實(shí)施例有利地指定從LED發(fā)出的光的大部分(55%或更多)可被漫射。在以最佳效率而不是最佳光斑均勻性為目標(biāo)的實(shí)施例中，所述第二部分包括從所述LED發(fā)出的光的不到5-10%。該實(shí)施例有利地指定從LED發(fā)出的光的大部分(90%或更多)可被漫射，而只有一小部分光從模塊“漏出”。在一個(gè)實(shí)施例中，所述單片模塊還可包括第二漫射部分，并且所述重定向部分還可配置成重定向從所述LED所發(fā)出的光的第三部分以入射在所述第二漫射部分上，使得所述重定向的光的第一部分的平均方向(到LED安裝在其上的“背平面”表面上)的投影與所述重定向的光的第三部分的平均方向(到LED安裝在其上的“背平面”表面上)的投影形成在O度與180度之間的角。該實(shí)施例指定了由LED發(fā)出的一些光可被重定向例如不僅到模塊的相對(duì)側(cè)表面，而且到其它方向。這對(duì)于從包括例如成矩形圖案布置的四個(gè)或更多這種單元的燈獲得均勻照明尤為有利，所有單元由此一起形成面光源。在一個(gè)實(shí)施例中，其中所述單片模塊關(guān)于所述單片模塊的對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，所述對(duì)稱軸與所述LED的光束圖案(beam pattern)的對(duì)稱軸重合。如這里所使用，術(shù)語“旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)”指的是關(guān)于繞該結(jié)構(gòu)的對(duì)稱軸成一定角度或所有角度的旋轉(zhuǎn)具有對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，單片結(jié)構(gòu)可關(guān)于模塊的對(duì)稱軸的所有角度旋轉(zhuǎn)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，由此具有圓形的頂輪廓。在另一實(shí)施例中，單片模塊可僅關(guān)于模塊的對(duì)稱軸的特定角度的旋轉(zhuǎn)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，由此，具有非圓但對(duì)稱的頂輪廓。例如，關(guān)于90度旋轉(zhuǎn)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的單片模塊可具有方形頂輪廓。進(jìn)一步地，如這里所使用，術(shù)語LED的“光束圖案”指的是LED的強(qiáng)度分布，其給出在空間所有方向上的每立體角的通量。在實(shí)施例中，LED可包括發(fā)光裸片和位于發(fā)光裸片上方并配置成密封所述裸片的圓頂，其中所述單片模塊位于所述圓頂上方。該實(shí)施例指定可包括單片模塊作為“次光學(xué)元件”，其中，如這里所使用的，該術(shù)語指的是不包括在LED封裝內(nèi)的光學(xué)元件。相反，“主光學(xué)元件”通常指的是包括在LED封裝內(nèi)的器件，例如發(fā)光裸片、位于發(fā)光裸片上方并配置成保持所述裸片的圓頂?shù)取Ｔ谝粋€(gè)實(shí)施例中，所述LED可包括發(fā)光裸片且所述單片模塊可直接位于所述裸片的上方。與先前實(shí)施例相反，該實(shí)施例使得可在LED封裝內(nèi)包括單片模塊作為“主光學(xué)元件”。在又一實(shí)施例中，LED可包括多個(gè)發(fā)光裸片，該多個(gè)發(fā)光裸片具有一個(gè)或多個(gè)位于其上方的圓頂或直接的單片模塊。在一個(gè)實(shí)施例中，所述重定向部分配置成通過全內(nèi)反射重定向光。與用鏡重定向光的某些現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施方式相反，該實(shí)施例提供重定向部分在引導(dǎo)由LED發(fā)出的光時(shí)損耗最小的優(yōu)點(diǎn)。 在一個(gè)實(shí)施例中，第一漫射部分包括具有漫射性質(zhì)，位于單片模塊的部分重定向部分上的材料。這一材料可例如是白色涂料或白色塑料。在一個(gè)實(shí)施例中，所述單元還可包括漫射蓋，所述蓋配置成漫射地透射入射在其上的光，其中所述第一漫射部分可配置成漫射地反射入射在其上的光以入射在所述漫射蓋上。該實(shí)施例通過漫射透射蓋而提供額外的漫射。在優(yōu)選的實(shí)施例中，由LED發(fā)出的第一部分光的每束在被直接透射出所述單元或經(jīng)由蓋被漫射透射出所述單元之前都僅被第一漫射部分漫反射一次。以這種方式反射光使光損耗最小。在一個(gè)實(shí)施例中，LED可包括高功率LED，其能以65或更高流明的光通量發(fā)光。在燈中包括高功率LED允許使用更少的LED從燈獲得所需的亮度輸出，從而降低燈的成本和復(fù)雜性。另外，由于能發(fā)出這種通量的高功率LED裸片的尺寸通常大于lXlmm2，對(duì)于這種LED來說，包括如下的單片模塊尤為有利，該模塊內(nèi)表面被改為包括峰。但是，盡管這里公開的實(shí)施例尤其有益于采用高功率LED，當(dāng)然，本發(fā)明的教導(dǎo)也可實(shí)施于光通量小于65流明的 LED。在一個(gè)實(shí)施例中，所述單片模塊可以包括內(nèi)表面與外表面，使得所述內(nèi)表面被適配成形成腔，其中所述腔適配成至少部分地包圍所述LED，所述內(nèi)表面被適配成折射從所述LED發(fā)出的光的第一部分的至少第一部以入射在所述外表面上(在入射在所述第一漫射部分之前)，所述外表面被適配成通過全內(nèi)反射反射入射在其上的光的所述第一部分的所述第一部，并且所述內(nèi)表面包含峰。該峰可被認(rèn)為由內(nèi)表面的兩個(gè)部分形成，并可優(yōu)選地適配成在LED中心上方。在各種實(shí)施例中，在單元的剖面視圖中，所述剖面的選取使得包括LED的光束圖案的對(duì)稱軸，這兩個(gè)部分可包括，例如以一角度連接的內(nèi)表面的兩個(gè)線性部分(即，兩個(gè)線性部分形成小于180度的角度)，兩個(gè)凸曲線，兩個(gè)凹曲線，或兩個(gè)部分的每一個(gè)為線性部分、凸曲線或凹曲線的任意組合，其中，可選地，峰還可是圓的。在某些實(shí)施例中，峰可被認(rèn)為是單片模塊的內(nèi)表面的“頭部”，而內(nèi)表面鄰接峰的部分可被認(rèn)為是“肩部”。但是，在其它實(shí)施例中，峰可被認(rèn)為是內(nèi)表面的“頭部”，而在單片模塊的內(nèi)表面中沒有任何“肩部”。如這里所用的，包括峰的單片模塊的內(nèi)表面的發(fā)明構(gòu)思意欲涵蓋內(nèi)表面適配成繞LED形成腔，該腔為非球的、大致凸形的所有實(shí)施例。術(shù)語“大致凸形”用于描述大體上凸起，但可包括某些凹形或線性部分的形狀，例如，圖16所示內(nèi)表面。與此定義符合，包括峰的內(nèi)表面的概念不涵蓋形成圓頂形腔的內(nèi)表面(因?yàn)閳A頂是球形，而不是非球形)，并且不涵蓋形成矩形腔且LED適配成沿矩形的邊放置的內(nèi)表面(因?yàn)榫匦尾皇恰按笾峦剐巍?。這一單片模塊可用于將由LED發(fā)出的光從大致垂直方向重定向成大致水平方向或向下水平(“向后”)方向。這一模塊還可用作內(nèi)耦合結(jié)構(gòu)，適于將由LED發(fā)出的光耦合到光導(dǎo)，在這種情況下，模塊可為光導(dǎo)的集成部分。單片模塊的內(nèi)表面有峰的構(gòu)思基于這樣的認(rèn)識(shí):當(dāng)模塊的厚度減少到LED發(fā)光表面可與模塊厚度相比的程度時(shí)，LED不能再被視為從在發(fā)光表面中心的單個(gè)點(diǎn)發(fā)光的點(diǎn)光源。相反，當(dāng)確定允許由LED發(fā)出并入射在外表面上的所有光束都由TIR反射的模塊形狀時(shí)，必須給予LED發(fā)光表面的擴(kuò)展尺寸以特別的重視。如果不給予這種重視，從LED發(fā)光表面邊緣附近發(fā)出的光束會(huì)以不滿足在模塊外表面處的TIR條件的角度進(jìn)入模塊，這些光束將會(huì)從模塊逸出或漏出。因此，應(yīng)注意確保從LED發(fā)光表面邊緣附近發(fā)出的光束以仍滿足TIR條件的方式入射在模塊的外表面上。在不增加模塊總體厚度的情況下，這種注意包括相對(duì)模塊的最大厚度和模塊外表面形狀適配內(nèi)表面的形狀，使得由LED發(fā)出并入射在內(nèi)表面上的所有光束，即使是從LED發(fā)光表面的邊緣附近發(fā)出的光束，也能被內(nèi)表面以這樣的角度折射:折射光束在LED外表面上的入射角度會(huì)滿足TIR條件。只有這樣，由LED發(fā)出的所有光束才能被包含在 單片模塊內(nèi)。以下描述并在圖5中不出的在現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施方式中使用的圓頂形內(nèi)表面對(duì)于使光泄露最小化來說不是最優(yōu)的，因?yàn)閺腖ED邊緣附近發(fā)出的有些光束可能會(huì)從模塊的外表面漏出，如圖13B和13D所示，并在以下更詳細(xì)地說明。相反，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例在LED上方包括峰的內(nèi)表面更為理想，因?yàn)橹挥袑?duì)這種非圓頂形表面，可關(guān)于模塊外表面的形狀和最大厚度確定使得由LED發(fā)出的所有光束會(huì)以如下這樣的角度折射的形狀:折射光束在模塊外表面上的入射角度會(huì)滿足TIR條件。在一個(gè)實(shí)施例中，不是整個(gè)單片模塊，而只是模塊的內(nèi)表面可關(guān)于內(nèi)表面的對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，所述內(nèi)表面的對(duì)稱軸適配成與LED的光束圖案的對(duì)稱軸重合(S卩，適配成包圍LED的腔可做成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱)，反之亦然。在一個(gè)實(shí)施例中，在所述單元的橫截面內(nèi)，所述橫截面包括所述LED的光束圖案的對(duì)稱軸，所述峰在沿所述LED的光束圖案的對(duì)稱軸的一點(diǎn)處。如此，模塊的內(nèi)表面會(huì)包括在LED上方、沿LED光束圖案的對(duì)稱軸的單個(gè)峰。從下文起將更詳細(xì)地說明本發(fā)明的實(shí)施例。但應(yīng)理解，該實(shí)施例不應(yīng)被解釋為限制本發(fā)明的范圍。


在所有附圖中，勾畫尺寸僅用于示意而不反映真實(shí)的尺寸或比率。所有附圖都是示意性的而非按比例的。特別是厚度相對(duì)于其他尺寸是夸張的。另外，為了清晰，諸如LED芯片、電線、基底、外殼等等細(xì)節(jié)有時(shí)已從圖中省略。圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的基于LED的燈；圖2A示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)單元的三維視圖；圖2B示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的光學(xué)單元的三維視圖；圖2C示出圖2A與2B的光學(xué)單元的剖面?zhèn)纫晥D；圖3A示出根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的光學(xué)單元的三維視圖；圖3B示出圖3A的光學(xué)單元的剖面?zhèn)纫晥D；圖4A-4E示 出根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例在燈內(nèi)布置圖2A、2B和3A的光學(xué)單元的一些不例方式；圖4F示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，采用含所有LED的單片模塊時(shí)，在燈內(nèi)布置圖3A的光學(xué)單元的例子；圖4G示出圖4F的布置的三維視圖；圖5示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的光導(dǎo)；圖6A示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，具有含一個(gè)LED的單片模塊的優(yōu)化內(nèi)表面的光學(xué)單元的三維視圖；圖6B示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，圖6A的光學(xué)單元的剖面?zhèn)纫晥D；圖6C示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，內(nèi)耦合該圖6A的光學(xué)單元的應(yīng)用的光導(dǎo)的剖面?zhèn)纫晥D；圖7提供在圖8-12的描述中使用的光學(xué)單元的概略示意8提供當(dāng)所述LED被視為點(diǎn)發(fā)光源時(shí)，滿足TIR條件的重定向結(jié)構(gòu)的外表面的橫截面形狀的計(jì)算結(jié)果；圖9提供當(dāng)所述LED被視為浸沒式擴(kuò)展發(fā)光源時(shí)，滿足TIR條件的重定向結(jié)構(gòu)的外表面的橫截面形狀的計(jì)算結(jié)果；圖10示出對(duì)于上述滿足TIR條件的重定向結(jié)構(gòu)，光學(xué)元件尺寸對(duì)LED的發(fā)光表面的尺寸的依賴性；圖11提供當(dāng)所述LED被視為點(diǎn)發(fā)光源、或浸沒式擴(kuò)展光源或由重定向結(jié)構(gòu)的圓頂形內(nèi)表面包圍的擴(kuò)展光源時(shí)，滿足TIR條件的重定向結(jié)構(gòu)的外表面的橫截面形狀的計(jì)算結(jié)果的比較；圖12提供對(duì)于帶有不同的內(nèi)耦合腔的最小厚度TIR重定向結(jié)構(gòu)的不同橫截面的計(jì)算結(jié)果的比較；圖13A-13D示出圍繞LED形成圓頂腔的重定向結(jié)構(gòu)與根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例在LED上方形成有尖峰的腔的重定向結(jié)構(gòu)之間關(guān)于漏光的差異；圖14示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例帶有受控漏光的光學(xué)單元的平面650內(nèi)的橫截面?zhèn)纫晥D15示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例帶有受控漏光的光學(xué)單元的平面650內(nèi)的橫截面?zhèn)纫晥D；以及圖16示出根據(jù)本發(fā)明不同實(shí)施例，包括不同形狀峰的內(nèi)表面。
具體實(shí)施例方式在下面的描述中，提出大量具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明更透徹的理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解本發(fā)明可在沒有這些具體細(xì)節(jié)之一或更多個(gè)的情況下實(shí)現(xiàn)。在其他例子中，為避免模糊本發(fā)明，未描述眾所周知的特征。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)單元200A的三維視圖。如圖所示，單元200A包括由模塊215A圍繞并位于與模塊215A的底表面205相同的平面(例如印刷電路板的頂表面)上的LED 210。模塊215A的側(cè)表面220A被制成使其漫反射入射在其上的光。該模塊215A的塊體(bulk)為配置成將LED 210所發(fā)射的光導(dǎo)向到入射在側(cè)表面220A上的重定向和光傳播結(jié)構(gòu)。由于配置成漫 反射光的模塊215A的部分是模塊215A的側(cè)表面，而配置成將光導(dǎo)向到漫射部分上的模塊215A的部分是模塊215A的塊體，所以這樣的模塊215A可稱為單片模塊，所述單片模塊包括光漫射部分(也即表面220A)和光重定向部分(也即模塊215A的塊體與模塊215A除表面220A之外的其余表面)，其中漫射部分與重定向部分是一體的組成部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到既然“光的漫射”也是“光的重定向”，漫射部分也就重定向入射到其上的光。不過，對(duì)于這里所提供的討論，在漫射部分與重定向部分之間的差異在于盡管漫射部分不但漫射而且重定向光，但重定向部分重定向而不漫射光。如圖2A中所示的實(shí)施例中，模塊215A的重定向部分可以是透鏡，所述透鏡設(shè)計(jì)成改變LED所發(fā)射的光的路徑以在基本上沿單元200A或可能包含單元200A的燈的橫向方向(箭頭242與244所示)入射在漫射表面220A上。在其他實(shí)施例中，為了導(dǎo)向LED 210在其他方向，例如垂直于橫向方向上所發(fā)的光，模塊215A可以有不同的形狀以便允許在不同模塊之間當(dāng)相鄰安放時(shí)混合光。另外，可優(yōu)化模塊215A的表面和/或側(cè)壁以重定向光，以在漫射表面整個(gè)長度上方提供所要求的照明。圖2B中示出一個(gè)這樣的實(shí)施例，其示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的光學(xué)單元200B的三維視圖。在圖2B中，帶有與圖2A中相同附圖標(biāo)記的元件表示與圖2A中相同的元件。因此，關(guān)于這些元件的所有上述討論在這里也是適當(dāng)?shù)?，并為簡明而不再重?fù)。單元200B與單元200A的不同在于模塊215B關(guān)于繞軸線255的所有旋轉(zhuǎn)角度圓形對(duì)稱，其中軸線255是LED 210光束圖案的對(duì)稱軸。單元200B不同于單元200A還在于模塊215B的漫射部分是如表面220B所示的表面，并且模塊215B的塊體被配置成將LED 210所發(fā)的光導(dǎo)向到在所有側(cè)部圍繞LED 210的表面220B上，與將所述光大部分導(dǎo)向到側(cè)表面220A上相反。如圖2A與2B的三維視圖中所示，模塊215A與215B都可關(guān)于如平面250所示的平面對(duì)稱。為了更詳細(xì)地說明單元200A與200B的操作，在圖2C中示出這些單元的剖面?zhèn)纫晥D。圖2C的剖面沿平面250獲得，使得單元200A的橫截面看起來與單元200B的橫截面相同。因此，在圖2C中，以劃線(dash)標(biāo)記列出的元件標(biāo)號(hào)(例如，“215A/215B”)意在表示該元件可能屬于單元200A或單元200B，且以下描述同適用于兩個(gè)單元。
在操作中，LED 210發(fā)出入射在模塊215A上的光(無論是頂發(fā)光LED還是側(cè)發(fā)光LED)。在各種實(shí)施例中，LED 210可包括高功率LED，能夠提供有65或更高流明的照明輸出的光。如圖2C中所示，LED 210可包括用圓頂214覆蓋的LED裸片212。LED裸片212被配置成響應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)而發(fā)光。用作LED裸片212的材料基本上確定了 LED 210的特性，例如顏色、亮度和/或光強(qiáng)度?？捎糜贚ED裸片212的可能材料包括無機(jī)半導(dǎo)體，例如GaN、InGaN>GaAs>AlGaAs,或者有機(jī)半導(dǎo)體,例如基于Alq3的小分子半導(dǎo)體或基于例如聚對(duì)苯撐乙炔和聚芴的衍生物的聚合物半導(dǎo)體。圓頂214通常被配置成保護(hù)LED裸片212免受環(huán)境因素影響和/或確定LED的特性，例如最大化LED的總光通量同時(shí)為了最大數(shù)量的應(yīng)用還安裝在特定的封裝內(nèi)或匹配LED的強(qiáng)度分布。在不同的實(shí)施例中，圓頂214實(shí)際上可以具有與圖2C中所示的半圓頂不同的形狀，用以適合LED 210應(yīng)用的特定需求。如帶有間隙235的圖2C中所示，在所示實(shí)施例中，模塊215A在與LED 210無物理接觸的情況下包圍LED 210。所以，間隙235是在LED 210的圓頂214與模塊215A之間的間隙。間隙235可以是空氣或可以用具有適當(dāng)光學(xué)性質(zhì)的材料充填。在后者的情況下，可能需要不同形狀的模塊215A。在備選實(shí)施例中(圖2C中未示出)，模塊215A也可與LED210物理接觸。盡管圖2C示出包括用圓頂214覆蓋的發(fā)光裸片212的LED 210，單元200A也可在不包括圓頂214作為LED 210 —部分的情況下實(shí)現(xiàn)。代之以可使用模塊215A本身執(zhí)行在發(fā)光裸片212上的所述 圓頂?shù)墓δ堋Ｔ谶@樣的實(shí)施例中，模塊215A可稱為包括LED 210與模塊215A的LED封裝的“主”光學(xué)組件，并可以直接位于發(fā)光裸片212上(也即與裸片接觸，在LED 210與模塊215A之間無間隙，比如間隙235)或有間隙(類似于例如間隙235)地包圍裸片212。如圖2C所示，在操作中，LED裸片212發(fā)出光(以光線251和252示意性示出)，該光首先入射在模塊215A上。模塊215A的重定向部分則配置成使光的大部分(例如大于80% -90% )折射及反射以入射到漫射表面220A上。圖2C示出光線251在點(diǎn)261處入射在表面220A上而光線252在點(diǎn)262處入射在表面220A上。繼而，表面220A在不同的垂直方向上漫反射入射其上的光，如從點(diǎn)261與262源起的箭頭所示意示出。這樣的操作可通過跟蹤比如光線252來說明。光線252有三段:252a、252b，及252c。段252a示出由LED裸片212發(fā)出的光線252在填充間隙235的材料與模塊215A之間的邊界折射之前的一段。注意，為了不使附圖混亂盡管沒有在附圖2C中示出，段252a也可根據(jù)邊界處各材料的折射率在圓頂214與填充間隙235的材料之間的邊界處折射。段252b示出光線252在填充間隙235的材料與模塊215A之間的邊界處折射后，并被模塊215A的重定向部分引導(dǎo)成在點(diǎn)262處入射在表面220A上的一段。在優(yōu)選的實(shí)施例中，模塊215A的重定向部分可以由不吸收LED210發(fā)出的光的材料制成，并根據(jù)全內(nèi)反射原理設(shè)計(jì)成引導(dǎo)LED 210所發(fā)的光。例如，模塊215A的重定向部分可以由透明的PMMA、聚碳酸酯、玻璃或可比較的材料制成。在其他實(shí)施例中，模塊215A的重定向部分也可用鏡表面(例如金屬或電介質(zhì))來實(shí)現(xiàn)，無論是中空的還是使用透明材料填充的。
段252c示出光線252在其由表面220A漫反射后的部分。在一個(gè)實(shí)施例中，表面220A可包括位于模塊215A表面上的平坦的白色材料并包括例如白色塑料、白色涂料或其類似物。盡管圖2C示出光線被引導(dǎo)到在單元200A右側(cè)上的表面220A上，類似的圖示與描述可擴(kuò)展到單元200A的其他側(cè)面上的表面220A。作為包含漫射部分與重定向部分的單片模塊的模塊215A不同于現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施，在該現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施中LED所發(fā)射的光被透鏡重定向到作為不同元件的漫射器上，例如圖1中所示的分離的彎曲表面。通過例如將白色涂料涂敷到重定向結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部分或使用2K模塑工藝制造漫射部分是重定向結(jié)構(gòu)的一體部分的單元可以使帶有諸如200A的燈具、系統(tǒng)和/或燈的制造相比圖1的結(jié)構(gòu)明顯更為容易。另外，為了最小化光損耗，單片單元與LED安裝于其上的安裝平面的底表面205和/或關(guān)聯(lián)(也即接近LED的)部分也可以通過對(duì)這些部分以白色涂料涂敷或2K模塑可以轉(zhuǎn)化為反射漫射表面。這可以降低燈的其他表面上的光學(xué)要求，則使得所述要求可針對(duì)例如最佳機(jī)械或熱性質(zhì)而進(jìn)行優(yōu)化。如果將單片模塊實(shí)現(xiàn)為圓形215B或如果將單片模塊實(shí)現(xiàn)為215A形狀但有三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)漫反射表面220A，使得模塊215A的頂表面與底表面各有多邊形形狀，則降低要求的好處則被進(jìn)一步加強(qiáng)。為了將光損耗最小化，模塊215A可以以這樣的方式設(shè)計(jì):在逸出單元200A之前或在入射于覆蓋單兀200A的可選蓋(未不出)上之前，光優(yōu)選地僅由漫射表面220A反射一次。為了盡可能的接近此最佳情況，模塊215A的重定向部分可具有如下的光束圖案，該光束圖案的最大可能比例入射于模塊215A的漫射部。在一個(gè)實(shí)施例中,可選的蓋可含有透明材料使所述蓋簡單地透射其上的入射光。備選地，可選蓋可含有漫射透射層，配置用于漫射透射其上的入射光，從而改善單元200A所提供的照明均勻度。如這里所使用，術(shù)語“漫反射”及其派生詞是指80-90%以上的光被準(zhǔn)朗伯反射，而術(shù)語“漫射透射”及其派生詞是指40-60%以上的光被準(zhǔn)朗伯透射。優(yōu)選地，可選蓋的漫射性質(zhì)應(yīng)優(yōu)化為將所傳輸光 的量最大化，而仍滿足均勻度要求。模塊215A的重定向部分可設(shè)計(jì)成引導(dǎo)LED 210所產(chǎn)生的大部分光入射在表面220A上。可選地，為了避免會(huì)降低單元200A效率的光吸收，模塊215A底部的至少一部分可做成至少部分反射。LED 210所產(chǎn)生的光要入射在表面220A上的最佳比例取決于對(duì)于要采用單元200A的特定設(shè)備在照明均勻度與效率之間的可接受的折中。例如，對(duì)于包括兩個(gè)或多個(gè)例如成行布置的單元200A的燈，為了最佳效率及最大程度減少眩光，可將每個(gè)LED 210所產(chǎn)生的光的100%入射在各自的表面220A上。在其他實(shí)施例中，模塊215A的重定向部分可包括一個(gè)或多個(gè)段(圖2C中未示出)，LED 210所發(fā)出的部分光可從所述段“漏出”(也即逸出模塊215A而不是受引導(dǎo)入射在表面220A上)。在又一實(shí)施例中，漏出的光可入射在可覆蓋模塊215A的可選的漫射蓋上(圖2C中未示出)。這樣可選的漫射蓋可配置成漫射透射其上的入射光(類似于上述的可選漫射蓋)。雖然圖2C的以上描述指的是單元200A的元件，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯的帶有微小修改的類似教導(dǎo)可適用于單元200B。模塊215B相對(duì)于繞軸線255的所有角度旋轉(zhuǎn)成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。因此，單元200B沿包括軸線255的任意平面所取的橫截面會(huì)看上去類似沿圖2C中所示平面250所取的橫截面。對(duì)于這些橫截面中的每一個(gè)，可應(yīng)用相似的推理來分析LED 210所發(fā)射的光在模塊215B內(nèi)是如何受到引導(dǎo)。這樣的實(shí)施例對(duì)于有大量單元200B的區(qū)域燈可能特別有益，其中在一個(gè)方格內(nèi)可能安排有例如4個(gè)或9個(gè)單元200B —起充當(dāng)面光源或可能在一個(gè)三角格內(nèi)安排有例如6個(gè)單元200B也一起充當(dāng)面光源，如圖4D-4F中所示并將在下面詳述。圖3A示出根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的光學(xué)單元300的三維視圖，而圖3B示出光學(xué)單元300的剖面?zhèn)纫晥D。如圖3A與3B中所示，單元300包括LED 310和具有漫反射表面320的模塊315。LED 310可以類似于以上所描述的LED 210。因此，以上關(guān)于LED 210的所有討論都在此適用于LED 310，且為了簡潔起見不在此重復(fù)。單元300與模塊315分別類似于單元200A與模塊215A，因此以上所有關(guān)于單元200A與模塊215A的討論都在此分別適用于單元300與模塊315，但也有一些差異。一個(gè)差異是模塊315的形狀特別有利于通過將大量LED 310成行安放并使單一模塊315包圍所有LED 310形成所謂“擠壓”輪廓來制造線性光源，如帶有以下所描述的燈400F的圖4F與4G所示。而且，通過使用擠壓輪廓，制造可被明顯簡化并變得不那么昂貴。注意，白色漫射側(cè)表面可被共擠壓，從而允許在一個(gè)連續(xù)的過程中制造所述光學(xué)元件。此夕卜，在同一過程中，可選的漫射蓋也可能被共擠壓。在用于例如提供大面積照明的燈內(nèi)可使用以上所描述的兩個(gè)或更多單元200A、200B和/或300。根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例，圖4A與4B示出用于將諸如單元200A與300的光學(xué)單兀安排在燈內(nèi)的一些不范方法，圖4C-4E不出用于將光學(xué)單兀200B安排在燈內(nèi)的一些示范方法，而圖4F與4G示出將單元300安排在燈內(nèi)的例子的不同視圖。圖4A-4E分 別示出燈400A-400E的頂視圖。如圖2A-2C、3A與3B中所見，單元200A、200B和300的頂部輪廓分別與包含在其內(nèi)的單片模塊215A、215B和315的頂部輪廓重合。因此在圖4A-4E中未特別標(biāo)出單片模塊215A、215B和315，但單元200A、200B和300的條紋部分旨在示出包含在其內(nèi)的單片模塊的漫射部分。圖4A示出諸如單元200A或單元300的四個(gè)光學(xué)模塊可成行放置在基板405A上，其中，對(duì)于每個(gè)單元來說，漫射部分位于燈400A的橫向方向上。換言之，圖4A示出每個(gè)漫射部分的長軸平行于燈400A的縱向方向。以此方式安排的單元200A與300可一起充當(dāng)線性光源?；趯?duì)稱的考量，在白色表面上的最大亮度將在圖2A的平面250內(nèi)。由于漫射器以兩個(gè)不間斷的行對(duì)齊，并有相鄰的短邊，圖4A的配置將或多或少地示出兩個(gè)平行線的外觀。將所述單元成行安排允許光從一個(gè)單元漏到下一個(gè)單元，這可有助于在相鄰LED之間均勻化任何顏色/通量差異。圖4B示出諸如單元200A或單元300的四個(gè)光學(xué)模塊可成行放置在基板405B上，其中，對(duì)于每個(gè)單元來說，漫射部分都位于燈400B的縱向方向上。換言之，圖4B示出每個(gè)漫射部分的短軸平行于燈400B的縱向方向。以此方式安排的單元200A與300也可一起充當(dāng)線性光源?；趯?duì)稱的考量，在白色表面上的最大亮度將在圖2A的平面250內(nèi)。當(dāng)漫反射表面以中斷的單行與相鄰長邊對(duì)齊時(shí)，圖4B的配置將或多或少地示出一條線的外觀。以亮度分布來說，線光源的線性方向以這樣的布置得以突出。在另一方面，如果單獨(dú)尋址的話，這樣的布置也可允許將明確限定的像素切換成打開或關(guān)閉。
圖4C示出四個(gè)光學(xué)單元200B可成行位于基板405C上，其中，對(duì)于每個(gè)單元，單片模塊的重定向部分配置成在繞LED的所有方向上引導(dǎo)相應(yīng)LED所發(fā)的光。以此方式安排的單元200B也可一起充當(dāng)線性光源。圖4D示出九個(gè)光學(xué)單元200B可在基板40 上以方格放置，其中，對(duì)于每個(gè)單元，單片模塊的重定向部分都配置成在繞LED的所有方向上引導(dǎo)相應(yīng)LED所發(fā)的光。以此方式安排的單元200B可一起充當(dāng)面光源。圖4E示出六個(gè)光學(xué)單元200B可在基板405E上以三角格放置，其中，對(duì)于每個(gè)單元，單片模塊的重定向部分都配置成在繞LED的所有方向上引導(dǎo)對(duì)應(yīng)LED所發(fā)的光。以此方式安排的單元200B也可一起充當(dāng)面光源。最后，圖4F示出單元300可在燈400F內(nèi)成行布置，同時(shí)采用包圍所有單元300的所有LED 310的單一模塊315 (也即擠壓輪廓)。圖4G示出這樣布置的三維視圖。如上所描述，實(shí)施擠壓輪廓可以允許通過在一個(gè)連續(xù)過程中共擠壓所有漫射側(cè)表面和可選的漫射蓋，來簡化制造并降低燈的總體成本。圖4A-4G旨在提供一些示意性圖例實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到對(duì)于在燈內(nèi)布置單元200A、200B和/或300可以有很多不同的其他方法。例如，在圖4A與4B內(nèi)所示的燈400A與400B內(nèi)的漫射部分各自不必須有長軸和短軸，因?yàn)樵谄渌麑?shí)施例中，這樣的漫射部分也可能是正方形的。帶有優(yōu)化的內(nèi)耦合結(jié)構(gòu)的TIR光學(xué)元件以上描述的光學(xué)單元采用單片模塊，通過由TIR反射入射在模塊外表面上的光束而將LED發(fā)射的在基本垂直的方向上的光束的至少一部分重定向成在基本水平向下或水平方向傳播。如此處所使用，術(shù)語單片模塊的“內(nèi)表面”指圖2C與3B中分別示出的表面291與391，而術(shù)語單片模 塊的“外表面”指圖2C與3B中分別示出的表面292與392。EP0945673A1公開了如圖5中所示的基于TIR的光導(dǎo)，該光導(dǎo)用于將頂發(fā)光LED所發(fā)射的在基本垂直的方向上的光束引導(dǎo)成在水平和/或水平向下的方向上傳播。如圖5中所示，光導(dǎo)520位于基板540上，該光導(dǎo)在頂發(fā)光LED 530上方具有倒三角形的通孔550。如圖5中所示，光導(dǎo)520具有圍繞LED 530的圓頂形內(nèi)表面570、頂表面510、以及從內(nèi)表面570徑向延伸以形成徑向反射表面的一對(duì)相對(duì)反射表面580，其中通孔550的側(cè)面550A用于通過TIR在光導(dǎo)的縱向方向上重定向LED所發(fā)射的光。圖5中所示光導(dǎo)的一個(gè)問題是所得的結(jié)構(gòu)相對(duì)厚，這在要求薄的構(gòu)建高度的應(yīng)用中，或內(nèi)耦合結(jié)構(gòu)是光導(dǎo)的一部分并且因此厚度將由于生產(chǎn)原因受到限制的應(yīng)用中是不希望的。另外，似乎沒有關(guān)注LED發(fā)光表面的擴(kuò)展尺寸，如下所解釋的，這可能會(huì)造成從光導(dǎo)的不受控漏光。還有一個(gè)問題是所示的對(duì)稱性增加了復(fù)雜度，其中附加的側(cè)鏡要求將光耦合到光導(dǎo)內(nèi)。以下描述的是一種通過修改包圍LED的單片模塊的內(nèi)表面的形狀來幫助改進(jìn)這些問題中至少一些的方案。以上所描述的實(shí)施例對(duì)于頂發(fā)光LED特別有利。圖6A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的帶有修改過的單片模塊的內(nèi)表面的光學(xué)單元600的剖面?zhèn)纫晥D。所述剖面取自光學(xué)單元600的對(duì)稱平面，該對(duì)稱平面類似于圖2A與2B中所示的光學(xué)單元200A與200B的平面250。因此，圖6A中所示的剖面?zhèn)纫晥D類似于圖2C中所示的剖面?zhèn)纫晥D。在一個(gè)實(shí)施例中，類似于光學(xué)單元200A/200B與光學(xué)單元300，光學(xué)單元600可用在上述的燈400A-400F中。在其他實(shí)施例中，模塊615可以是光導(dǎo)的一部分,其中所述模塊將用于將LED所發(fā)的光全部光耦合到較長的透明材料中，該透明材料引導(dǎo)光更遠(yuǎn)離LED位置,如圖6B中示意性示出的。如圖6A中所示，光學(xué)單元600包括含有LED裸片612與圓頂614的LED 610和單片模塊615。LED 610、LED裸片612和圓頂614可以分別類似于以上所描述的LED 210,LED裸片212和圓頂214。因此，以上關(guān)于這些元件的所有討論都適用于此，并為簡潔起見于此不再重復(fù)。模塊615還包括類似于圖2A與2C中所示和所述側(cè)表面220A的漫反射側(cè)表面620，所以以上關(guān)于漫射側(cè)表面的所有討論都適用于此并將不予重復(fù)。模塊615類似于215A,該模塊615包括具有內(nèi)表面691和外表面692的主體，內(nèi)表面691形成繞LED的腔，所以以上關(guān)于模塊215A的所有討論都適用于此，但也有些差異。一個(gè)差異是內(nèi)表面691在LED 610上方有尖峰638。角度639示出峰638的開口角度，如下更加詳細(xì)描述的。如帶有腔635的圖6A中所示，在圖示實(shí)施例中，模塊615的內(nèi)表面691在與LED610無物理接觸的情況下包圍LED 610。因此，腔635是被封閉在LED 610的圓頂614 (或裸片612，如果沒有圓頂614而模塊615充當(dāng)作為LED封裝的一部分的“主光學(xué)元件”時(shí))與模塊615之間的空間。類似于以上所描述的間隙235,在各種實(shí)施例中，腔635可使用空氣或使用具有適當(dāng)光學(xué)性質(zhì)的材料填充。在后者的情況中，這可能要求不同形狀的模塊615。在操作中，LED裸片612在基本垂直的方向(B卩，向上)上發(fā)射光，其旨在通過模塊615的重定向部分在基本水平和/或水平向下(或向后)的方向上被重定向。如這里所使用的，術(shù)語“水平向下”用于描述朝向放置LED裸片的位置的方向。該重定向可通過跟蹤LED 612所發(fā)出的光束之一，如圖6A中所示的光線651示出。如圖所示，光線65 1包括三個(gè)段:651a、651b和651c。段651a示出LED裸片612所發(fā)出的光線651在填充腔635的材料和內(nèi)表面691之間的邊界處折射前的一段。注意，盡管為了不弄亂附圖而沒有在圖6A中示出，但段651a還可以根據(jù)邊界處相應(yīng)材料的折射率在圓頂614與填充腔635的材料之間的邊界處折射。段651b示出光線651在填充腔635的材料與內(nèi)表面691之間的邊界處折射并入射在外表面692上的一段。最后,段651c不出光線651通過TIR在外表面692處被反射,從而將光線651從在基本垂直的方向上傳播重定向?yàn)樵诨舅交蛳蚝蟮姆较蛏蟼鞑?。將?nèi)表面691做成包括峰638的形狀允許操作光學(xué)單元600，其中LED裸片612所發(fā)出的在內(nèi)表面691處折射后入射在外表面692上的所有光束可通過TIR在外表面692處反射。所得的結(jié)構(gòu)相比于圖5中所示的結(jié)構(gòu)是有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)閺哪K615的不可控漏光顯著減少，同時(shí)由于無需在模塊內(nèi)包括圖5所示結(jié)構(gòu)內(nèi)所做的重定向光的孔洞，而且無需將模塊615的厚度增加到可將LED視為點(diǎn)發(fā)光源的地步，由此最小化了結(jié)構(gòu)的整體厚度?，F(xiàn)在將參照?qǐng)D7-12闡述具有包圍LED的單片模塊的內(nèi)表面的優(yōu)點(diǎn)以及如何能夠達(dá)到這樣的內(nèi)表面形狀，其中該內(nèi)表面包括在LED上方的尖峰。由于單片模塊的重定向功能類似于所描述的模塊615，這樣的模塊在下面被稱為“重定向結(jié)構(gòu)”。圖7提供圖8-12的描述中所用光學(xué)單元700的示意圖。如圖所示，光學(xué)單元700包括LED 710和具有內(nèi)表面791與外表面792的重定向結(jié)構(gòu)715。在一個(gè)實(shí)施例中，LED710和重定向結(jié)構(gòu)715分別可相似于上述的LED 610和模塊615，所以其細(xì)節(jié)描述在此不再重復(fù)。盡管在圖7將內(nèi)表面791示出為圓頂，這與解釋圖8-12所示的結(jié)果無關(guān)，且實(shí)際上，如下所述，內(nèi)表面791的形狀可以是不同的。類似的，盡管示出外表面792為沙漏形，但根據(jù)例如所要求的輻射圖案，這一形狀也可以是不同的。僅示出內(nèi)表面791以說明“內(nèi)表面”是重定向結(jié)構(gòu)715的部分包圍LED 710的表面，而示出外表面說明“外表面”是適配成通過TIR反射入射在其上的光束的TIR表面。虛線732與733之間的角度在此被稱為重定向結(jié)構(gòu)715的“壓紋(embossing)角”。在圖8-12的討論中，LED 710或者被視為“點(diǎn)光源”發(fā)光器(也即LED裸片發(fā)出的所有光束被認(rèn)為源自于單點(diǎn))，其在圖7中LED710示出為圓，或者被視為“擴(kuò)展光源”發(fā)光器(也即，LED裸片所發(fā)出的光束被認(rèn)為非源自單點(diǎn)而是來自裸片發(fā)光表面的不同點(diǎn))，其在圖7中LED 710示出為是虛線矩形。圖8、9、11和12的說明中使用的坐標(biāo)系示出有X軸和y軸，其中坐標(biāo)系的點(diǎn)(0，0)被認(rèn)為在LED 710(假使是點(diǎn)光源或擴(kuò)展發(fā)光源)的發(fā)光表面的中心，X軸用于指示位置，以任意長度單位衡量，y軸用于指示重定向結(jié)構(gòu)715的厚度“t”，也以任意長度單位衡量。如這里所用，重定向結(jié)構(gòu)的術(shù)語“厚度”指從X軸(通常是從放置LED 710與重定向結(jié)構(gòu)715的基板)到外表面792在7軸方向上測(cè)量的距離。所以，圖9中所示厚度tmax示出重定向結(jié)構(gòu)715的厚度為它的最大值(厚度=最大厚度)的點(diǎn)，而圖9中所示厚度h示出重定向結(jié)構(gòu)715在它的最小值處的厚度，在這里被稱為重定向結(jié)構(gòu)“起始厚度”。對(duì)于圖9中示出的沙漏形重定向結(jié)構(gòu)，起始厚度恰好沿LED 710光束圖案的對(duì)稱軸(也即在LED 710的中心上方)所測(cè)得。此起始厚度可由例如LED腔的高度(也即包圍LED裸片912的圓頂914的高度)和具有必需的機(jī)械性質(zhì)或由制造原因給定的重定向結(jié)構(gòu)715材料的最小材料厚度而給出。注意，如這里所使用，術(shù)語“最大厚度”中的詞語“最大”是指處于其最大值的重定向結(jié)構(gòu)的厚度，并注意“最小厚度”實(shí)際上是允許入射在外表面792上的所有光束通過TIR反射的重定向結(jié)構(gòu)的厚度的最小值。使用斯涅耳(Snell)定律與光傳播定律，可建立一組恰當(dāng)?shù)娜欠匠堂枋鰪腖ED發(fā)光表面上不同的光點(diǎn)在不同角度發(fā)射，傳輸?shù)接芍囟ㄏ蚪Y(jié)構(gòu)的內(nèi)與外表面形成的邊界的光的光線路徑。通過以本領(lǐng)域已知方式包括關(guān)于由內(nèi)和外表面的邊界的不同側(cè)上的材料的折射率的信息以及關(guān)于內(nèi)表面的形狀的信息，可確定允許入射在外表面792上的全部光束經(jīng)由TIR反射的外表面792的形狀。在下面的討論中，重定向結(jié)構(gòu)715被假設(shè)為由折射率為η的材料制成并為空氣所圍繞(也即，被折射率等于I的材料所圍繞)。為了計(jì)算恰好滿足TIR條件的外表面，起始點(diǎn)將在LED 710中心的上方。當(dāng)重定向結(jié)構(gòu)715的折射率等于1.49(例如，重定向結(jié)構(gòu)715由PMMA制成)且LED 710被視為點(diǎn)發(fā)光源時(shí)，可計(jì)算沙漏布置的壓紋角度等于95.7度。外表面的下一坐標(biāo)點(diǎn)(x，y)可由下式計(jì)算:yOc) = tQ + ζ tMn(8rm - dx(I)
在方程(I)中，tQ表示重定向結(jié)構(gòu)715的起始厚度，ΘΤΙΚ是滿足TIR條件的最小入射角，而Ptoy是從LED 710的出射角。對(duì)于在(0，0)處的點(diǎn)光源，直接與外表面的坐標(biāo)有關(guān)，而外表面的方程變?yōu)?
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)單元，包括: 位于表面上的發(fā)光器件(LED);以及 包圍所述LED并包括重定向部分與第一漫射部分的單片模塊， 其中: 所述第一漫射部分配置成漫射入射在其上的光，并且 所述重定向部分配置成重定向從所述LED發(fā)出的光的至少第一部分以入射在所述第一漫射部分上。
2.如權(quán)利要求1所述的單元，其中所述重定向部分還配置成重定向從所述LED發(fā)出的光的第二部分以不入射在所述第一漫射部分上。
3.如權(quán)利要求2所述的單元，其中所述第二部分的光包括少于從所述LED發(fā)出的光的45%。
4.如前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的單元，其中: 所述單片模塊還包括第二漫射部分，并且 所述重定向部分還配置 成重定向從所述LED所發(fā)出的光的第三部分以入射在所述第二漫射部分上，使得所述重定向的光的第一部分在所述表面上的投影與所述重定向的光的第三部分在所述表面上的投影形成在O度與180度之間的角。
5.如前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的單元，其中所述單片模塊關(guān)于所述單片模塊的對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，所述對(duì)稱軸與所述LED的光束圖案的對(duì)稱軸重合。
6.如權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求所述的單元，其中所述LED包括發(fā)光裸片和位于所述發(fā)光裸片上方的圓頂，且其中所述單片模塊位于所述圓頂上方。
7.如權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求所述的單元，其中所述LED包括發(fā)光裸片且所述單片模塊緊挨著位于所述裸片的上方。
8.如前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的單元，其中所述重定向部分配置成通過全內(nèi)反射重定向光。
9.如前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的單元，其中所述第一漫射部分包括涂覆在部分所述重定向部分上的漫射材料。
10.如前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的單元，還包括漫射蓋，所述蓋配置成漫射地透射入射在其上的光，其中所述第一漫射部分配置成漫射地反射入射在其上的至少部分光以入射在所述漫射蓋上。
11.如前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的單元，其中所述單片模塊包括內(nèi)表面與外表面，其中: -所述內(nèi)表面適配成形成腔，其中所述腔適配成至少部分地包圍所述LED， -所述內(nèi)表面適配成折射從所述LED發(fā)出的光的第一部分中的至少第一部以入射在所述外表面上， -所述外表面適配成通過全內(nèi)反射反射入射在其上的光的所述第一部分的所述第一部，以及 所述內(nèi)表面包含峰。
12.如權(quán)利要求11所述的單元，其中所述內(nèi)表面關(guān)于所述內(nèi)表面的對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，所述內(nèi)表面的對(duì)稱軸適配成與所述LED的光束圖案的對(duì)稱軸重合，或所述單片模塊關(guān)于所述單片模塊的對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，所述單片模塊的對(duì)稱軸適配成與所述LED的所述光束圖案的對(duì)稱軸重合。
13.如權(quán)利要求12所述的單元，其中，在所述單片模塊的橫截面內(nèi)，所述橫截面包括所述LED的所述光束圖案的所述對(duì)稱軸，所述峰在沿所述LED的所述光束圖案的所述對(duì)稱軸的一點(diǎn)處。
14.一種燈，包括兩個(gè)或更多個(gè)前述任一權(quán)利要求所述的單元。
15.一種燈，包括: 位于表面上的第一發(fā)光器件與第二發(fā)光器件(LED);以及 包圍所述第一 LED與第二 LED并包括重定向部分與第一漫射部分的單片模塊， 其中: 所述第一漫射部分配置成漫射入射在其上的光，并且 所述重定向部分配置成重定向從所述第一 LED與第二 LED中的每個(gè)發(fā)出的光的至少第一部分以入 射在所述第一漫射部分上。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于LED的光學(xué)單元，所述光學(xué)單元包括位于表面上的LED，以及包圍所述LED并且包括重定向部分與第一漫射部分的單片模塊。所述第一漫射部分配置成漫射入射在其上的光。所述重定向部分配置成重定向所述LED所發(fā)出的光的至少第一部分以入射在所述第一漫射部分上。
文檔編號(hào)F21V7/00GK103228982SQ201180057526
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者A·G·范德西杰德, T·H·希姆斯特拉, N·B·普費(fèi)弗, F·H·柯尼杰恩 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司