作為照明設(shè)備的光導的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種起照明設(shè)備作用的光導。該照明設(shè)備包括諸如LED的至少一個固態(tài)光源和被構(gòu)造成接收來自該固態(tài)光源的光的光導。來自該光源的光耦合到該光導中并且在該光導中通過全內(nèi)反射來傳送，直到光離開光導。該光導的形狀使得并引導提取光。該形狀也可用于創(chuàng)建提取的光的特定圖案。
【專利說明】作為照明設(shè)備的光導
【背景技術(shù)】
[0001]發(fā)光二極管(LED)基本上是光的點源。通常，使用LED的電燈泡成型照明應用具有設(shè)置在擴散圓頂內(nèi)的LED。光以類似于白熾燈泡的方式穿過圓頂從LED發(fā)散出來。為進一步控制光的射線、方向性和質(zhì)量，將這些電燈泡成型的外殼放入夾具以創(chuàng)建照明設(shè)備，該照明設(shè)備被認為是完整的照明單元。因此，使用LED的照明設(shè)備除LED和擴散圓頂外通常需要若干組件來起到完整照明單元的作用。因此，需要組裝了 LED或其他固態(tài)光源的改善的和更通用的照明設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002]符合本發(fā)明的照明設(shè)備包括至少一個固態(tài)光源和被構(gòu)造成接收來自該固態(tài)光源的光的光導。來自光源的光耦合到光導中并且在所述光導中通過全內(nèi)反射來傳送，直到光離開光導。光導的形狀使得從光導提取光。該形狀也引導從光導提取的光，并且可使得以特定圖案提取光。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0003]附圖包含在本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分，并且它們結(jié)合【具體實施方式】闡明本發(fā)明的優(yōu)點和原理。在這些附圖中，
[0004]圖1是照明設(shè)備的透視圖；
[0005]圖2是圖1照明設(shè)備的側(cè)面剖視圖；
[0006]圖3是圖1照明設(shè)備的端部剖視圖；
[0007]圖4是圖1照明設(shè)備的替代實施例的側(cè)面剖視圖；
[0008]圖5是圖1的光導的側(cè)面局部截面圖，示出了在設(shè)計光導中使用的參數(shù)；
[0009]圖6是另一個照明設(shè)備的側(cè)面剖視圖；
[0010]圖7是圖6照明設(shè)備的透視圖；
[0011]圖8是實例的LED基座的分解透視圖；
[0012]圖9是實例的光導的側(cè)視圖；
[0013]圖10是實例的組裝照明設(shè)備的透視圖；
[0014]圖11是實例的輸出光分布圖；并且
[0015]圖12是用于實例的輸出光分布圖。
【具體實施方式】
[0016]成型照明設(shè)備包括至少一個光源和光導，其中來自光源的光耦合到該光導中并且通過全內(nèi)反射來傳送，直到它離開光導。由于光導形狀，在光導上的特定位置處不是所有的光都會由于全內(nèi)反射而被反射，而相反會離開光導。照明設(shè)備的形狀可包括不同水平的形狀規(guī)模來控制光分布。該形狀大規(guī)模地是光導的形式，諸如圓錐形、金字塔形或其他形狀。光導較小規(guī)模地通過使橫截面變化來成型。例如，在一個方面，光導厚度增加以便有效地準直并注射光進入光導的其余部分。在另一方面，光導厚度減小以便以有效的方式提取光。除使用形狀來提取光外，還可使用光導的表面上的微觀結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)，以便進一步改變光從光導的提取。
[0017]圖1-3分別是照明設(shè)備10的透視圖、側(cè)面剖視圖和端部剖面圖。照明設(shè)備10包括具有外表面20、內(nèi)表面22、光輸入端16和遠端18的光導12。諸如LED的固態(tài)光源24被包括在環(huán)14內(nèi)并引導光進入光輸入端16。環(huán)14可用于創(chuàng)建混合腔體，該混合腔體用于高效率，例如80 %、85 %或更優(yōu)選90 %的將來自光源24的光注入光導12。光注入效率也可在特定范圍，例如50%至70%、60%至80%、80%至85%、85%至90%或90%至95%內(nèi)?？稍诃h(huán)14的內(nèi)表面上襯反射膜或涂層，以提高混合腔體的效應。作為混合腔體的一部分，氣隙可在光源24和光輸入端16之間創(chuàng)建。具有光輸入端16的光導12的邊緣可通過摩擦或使用緊固件固定在環(huán)14中。而且，環(huán)14提供了有效地從光源24除去熱量的方法。
[0018]在這個和其他實施例中環(huán)14內(nèi)的光源24將被連接至用于激發(fā)和控制該光源的電源和驅(qū)動器。用于驅(qū)動固態(tài)光的LED的電路的例子公開于2010年7月2日提交的美國專利申請序列號 12/829611,名稱為 “Transistor Ladder Network for Driving a LightEmitting Diode Series String(驅(qū)動發(fā)光二極管串聯(lián)線絲的晶體管梯形網(wǎng)絡(luò))”中，其以引用方式并入本文，就像完全闡述那樣。除LED以外，可使用其他固態(tài)光源，諸如有機發(fā)光二極管(OLED)。另外，光源和環(huán)可安裝在供給熱管理和冷卻的基座上。例如，如果基座用如實例中所述的金屬板實現(xiàn)，該板可起散熱片的作用，以從光源導熱和散熱。其他熱管理特征結(jié)構(gòu)可以用于冷卻照明設(shè)備。
[0019]本實施例中的光導12具有大致圓錐形的形狀，其具有均從光輸入端16到遠端18減小(向內(nèi)減縮)的內(nèi)半徑26和外半徑28。在本實施例中，光導12具有光輸入端和遠端之間的連續(xù)的橫截面形狀，意味著光導沒有出自如圖3所示的剖視圖的孔、離散的或連續(xù)的提取元件或其他開口。
[0020]在操作中，將來自光源24的光在光輸入端16處注入或換句話講耦合到光導12中并通過全內(nèi)反射在光導內(nèi)傳送，直到光離開光導12，該離開可能沿表面20和22之一或二者，且也可能在遠端18處。光導12的形狀導致光提取，并且該形狀引導從光導12提取的光。光導12的形狀也可使得提取的光以特定離開光圖案離開光導12。例如，此類圖案可通過漸縮或彎曲光導12或者同時漸縮和彎曲光導12進行控制，其中光導12的相對側(cè)表面不是如圖2所示的平行。除使用形狀外，離開光圖案也可由光導12表面上的特征結(jié)構(gòu)部分地控制。具體地，諸如小平面、小透鏡、肋和光導表面上其他結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)可影響光提取，并且也可是照明設(shè)備設(shè)計的美學元素，以及創(chuàng)建期望的離開光圖案。
[0021]圖4是圖1-3照明設(shè)備的替代實施例的側(cè)面剖視圖。在圖4中，照明設(shè)備30包括具有外表面42、內(nèi)表面40、光輸入端34和遠端38的光導32。諸如LED的固態(tài)光源44被包括在環(huán)35內(nèi)并引導光進入光輸入端34。環(huán)35可用于創(chuàng)建混合腔體、除去熱量,并相對于照明設(shè)備10固定到如所述的光導32上。本實施例中的光導32具有大致圓柱形的形狀，其具有基本上恒定的內(nèi)半徑46和從光輸入端34到遠端38減小(向內(nèi)漸縮)的外半徑48。照明設(shè)備30以與照明設(shè)備10類似的方式起作用，其具有通過全內(nèi)反射穿過光導32傳送的光，以及導致和引導光可能以特定離開光圖案從光導光32提取的光導32的形狀。
[0022]圖5是圖1的照明設(shè)備的側(cè)面局部截面圖，示出了在設(shè)計照明設(shè)備中使用的參數(shù)。該照明設(shè)備的設(shè)計基于下列參數(shù):環(huán)14頂部的內(nèi)半徑56 ;環(huán)14頂部的外半徑58 ;光導12頂部的內(nèi)半徑60 ;光導12頂部的外半徑62 ;總體光導12長度66 ;和配備在環(huán)14內(nèi)的光導12的基座處的直的(非漸縮的)區(qū)域的高度64。
[0023]可改變這些參數(shù)以便設(shè)計光導的形狀，以光以特定的離開光圖案提取。例如，可調(diào)整光導的錐度以使提取的光更加準直或更加分散。另外，光導的錐度可在一個方向上變化，諸如從光輸入端到遠端，或錐度可在多個方向上變化。結(jié)合光導的總體形狀，遠端的形狀也可構(gòu)造以進一步控制光輸出分布。例如，遠端可具有扇形、鋸齒或其他不平坦的形狀，而不是平坦的。
[0024]因此，單獨的光導形狀可使得從光導中提取光，光可能是由這些參數(shù)確定的特定的離開圖案。因此，使用光導形狀提取光使照明設(shè)備作為獨立的設(shè)備成為可能。光源(燈泡或光源)和夾具不必是分開的實體，以便創(chuàng)建有用的設(shè)計照明設(shè)備。作為另外一種選擇，光的提取可通過光導的形狀連同其他特征結(jié)構(gòu)諸如微結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)或光導的表面上的涂層一起導致，在此情況下，光可從光導的多個側(cè)面提取。照明設(shè)備可任選地包括各自單個地起照明設(shè)備作用的多個光導。
[0025]雖然示出了導致光提取的圓形形狀，但光導還可包括導致和引導光提取的其他類型的形狀。例如，伴隨著光導從光輸入端到遠端向內(nèi)漸縮(變窄)，光導可具有光輸入端和遠端之間的矩形橫截面形狀。該漸縮的形狀可導致沿著光輸入端和遠端之間的光導表面的特定光提取，并在該遠端處提取的光其余部分。若干矩形光導可任選地相鄰于彼此安裝，以設(shè)計在光照中具有單個光導作為照明設(shè)備的枝形吊燈型光。作為照明設(shè)備的光導的其他類型形狀也是可能的。
[0026]雖然示出的圓形形狀在遠端處具有開口，但光導不必在遠端處具有開口。例如，光導的遠端可達到點(類似于圓錐)、彎曲區(qū)域(類似于尖端(acorn))、平坦區(qū)域(類似于截球體)或任何其他閉合形狀。
[0027]圖6和7分別是另一個照明設(shè)備70的側(cè)面剖視圖和透視圖。照明設(shè)備70包括具有外表面75、內(nèi)表面73、光輸入端72和遠端74的光導71。諸如LED的固態(tài)光源76被包括在環(huán)78內(nèi)并引導光進入光輸入端72。環(huán)78可用于創(chuàng)建混合腔體、除去熱量，并相對于照明設(shè)備10固定到如所述的光導71上。在操作中,將來自光源76的光在光輸入端72處f禹合到光導71中并通過全內(nèi)反射在光導71內(nèi)傳送，直到光在遠端74處離開光導71。光導71的形狀導致光提取，并且該形狀從光導71引導提取的光。具體地，通過控制光導71的錐度作為穿過桿部分80的距離的函數(shù)并控制光導71中彎曲的量，可使光橫貫光導71并以期望的圖案離開，該離開可能是從表面73和75之一或二者，并且也可能是從遠端74。與光遠離光輸入端離開的照明設(shè)備10相反，在照明設(shè)備70中一些光朝光輸入端離開。通過改變光導的形狀，可使光優(yōu)先地朝或遠離光輸入端提取。此外，通過改變光導的形狀，可使光優(yōu)先地以任何輻射狀圖案并帶有任何角分布而提取。
[0028]照明設(shè)備可包括各種可選的特征結(jié)構(gòu)?？稍诠鈱У倪h端上方包括漫射體。光導也可包括用于顏色效果或其他用途的各種涂料?？赡芊植荚趫D案內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)可被包括在光導的表面上，以結(jié)合由光導形狀導致的提取來提取光。該微觀結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)可包括散射或折射特征結(jié)構(gòu)。另外，可至少部分地預準直來自光源的光，以便與在另一個方向上控制光提取的光導形狀一起在一個方向上控制光提取。如果使用多個不同顏色的諸如LED的光源，那么可預準直每個顏色到某些程度，并且光導的光輸入端可包括各種顏色的多個注入?yún)^(qū)域，以便促進期望的光輸出顏色和圖案。
[0029] 光導可任選地包括施加于其一個或多個表面的功能涂層。功能涂層的實例包括下面的項。具有光學功能的涂層包括提供減反射、輻射屏蔽、光致發(fā)光和IR發(fā)射以用于被動溫度控制的涂層。具有物理和機械功能的涂層包括提供抗磨蝕性、耐刮擦性和硬質(zhì)涂層的涂層。具有化學和熱力學功能的涂層包括提供防污性、耐指紋性(ant1-fingerprint)和抗腐蝕性的涂層。具有生物功能的涂層包括提供抗微生物性質(zhì)的涂層。具有電磁固態(tài)功能的涂層包括提供抗靜電和電磁屏蔽的涂層。
[0030]實例提供了用于實現(xiàn)照明設(shè)備的示例性材料和組件，但也可使用其他類型的材料和組件。
[0031]
[0032]生產(chǎn)照明設(shè)備使得光導的形狀控制輸出光分布。
[0033]如圖8所示，將11暖白光LED90 (Cree XPEHEW-01，XPE系列高效率白光，3000K，購自北卡羅來納州達勒姆的科銳公司(Cree Inc., Durham, NC))設(shè)置在金屬芯印刷電路板92上，這就形成了光源。然后，將該印刷電路板附接到包括內(nèi)圓柱形壁和外圓柱形壁部分的鋁基座96上，其中內(nèi)壁的外表面已覆蓋有多層聚合物鏡膜93 (VIKUITI ESR膜，購自明尼蘇達州圣保羅的3M公司(3M Company, St.Paul, MN))白勺環(huán)。
[0034]如圖9所示，將光導98從透光的澆鑄丙烯酸棒7.6cmX 183cm(購自愛荷華州普萊森特山市的 Spartech Townsend (Spartech 公司)(Spartech Townsend (SpartechCorporation), Pleasant Hill, ΙΑ))加工至下列規(guī)格:頂部具有19mm外徑和18mm內(nèi)徑；底部具有40mm外徑和32mm內(nèi)徑；以及光導具有61mm的總體高度。然后使用下列程序步驟以給定的順序并用所識別的來自3M公司的產(chǎn)品將光導的所有表面拋光為可見的清漆罩面:用去離子水保持表面濕潤，用3M Trizact P1000泡沫盤磨光整個表面；用去離子水保持表面濕潤，用3M Trizact P3000泡沫盤磨光整個表面；施加3M摩擦化合物(RubbingCompound) 39002并用3M298X拋光膜(Polishing Film)磨光直至干燥(重復此步驟一次或兩次)；以及施加3M Finesse-1t最終面漆(Final Finish) 82876并用3M298X拋光膜磨光。
[0035]然后如圖10所示，將光導設(shè)置在LED上方，與內(nèi)壁直接接觸。與第一環(huán)93相比，相似的高度但是較大直徑的第二環(huán)ESR94隨后放置在光導的底部邊緣與外壁部分的內(nèi)表面之間。將電力供應到LED來點亮照明設(shè)備。傳送到LED的電流為350mA，電壓為33V(±10%內(nèi))。
[0036]為確定結(jié)果，對照明設(shè)備的輸出光和分布進行了測量。使用連接至直徑2米積分球的 Gooch&Housego 0L770-LED 測試和測量系統(tǒng)(Test and Measurement System)(購自英國薩默塞特的古奇?休斯古有限公司(Gooch &Housego Ltd, Somerset, UK))測量照明設(shè)備的總光通量為760流明。安裝在沒有光導存在的鋁基座中的LED的輸出被測量為875流明。
[0037]照明設(shè)備的輸出角分布示于圖11和12。在Westar FPM-520測量系統(tǒng)(購自密蘇里州圣查爾斯的Westar Display Technologies有限公司(Westar DisplayTechnologies, Inc.St.Charles, MO))上測量發(fā)光強度。圖11示出了如上所述的系統(tǒng)的輸出分布。圖12示出了在光導頂部表面遠端上加入輕度擴散圓盤(直徑約19_)的輸出分布。
【權(quán)利要求】
1.一種照明設(shè)備，其包括 至少一個光源；和 被構(gòu)造成接收來自所述至少一個固態(tài)光源的光的光導， 其中來自所述至少一個固態(tài)光源的所述光耦合到所述光導中并且在所述光導中通過全內(nèi)反射來傳送，直到所述光離開所述光導， 其中所述光導的形狀使得從所述光導提取所述光，并且所述形狀引導從所述光導提取的所述光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明設(shè)備，其中所述光源包括固態(tài)光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的照明設(shè)備，其還包括反射膜，所述反射膜鄰近所述固態(tài)源定位以提高來自所 述固態(tài)光源的所述光到所述光導中的耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的照明設(shè)備，其中來自所述至少一個固態(tài)光源的所述光以至少80%的效率耦合到所述光導中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明設(shè)備，其中所述光導具有第一端和與所述第一端相反的第二端，并且其中所述光在所述第一端處進入所述光導并且在所述第二端處離開所述光導。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明設(shè)備，其中在光導中傳送的所述光在所述光導的多個側(cè)面處離開所述光導。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明設(shè)備，其中所述光以由所述光導的形狀確定的離開光圖案離開所述光導。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的照明設(shè)備，其中所述離開光圖案至少部分地通過漸縮所述光導來控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的照明設(shè)備，其中所述離開光圖案至少部分地通過彎曲所述光導來控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的照明設(shè)備，其中所述離開光圖案至少部分地通過所述光導的表面上的特征結(jié)構(gòu)來控制。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的照明設(shè)備，其中所述特征結(jié)構(gòu)包括所述光導的表面上的散射特征結(jié)構(gòu)的圖案。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的照明設(shè)備，其中所述特征結(jié)構(gòu)包括所述光導的表面上的折射特征結(jié)構(gòu)的圖案。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明設(shè)備，其還包括施加于所述光導的功能涂層。
14.一種照明設(shè)備，其包括 至少一個固態(tài)光源；和 具有光輸入端和遠端并且被構(gòu)造成接收來自所述至少一個固態(tài)光源的光的光導， 其中來自所述至少一個光源的所述光在所述光輸入端處耦合到所述光導中并且在所述光導中通過全內(nèi)反射來傳送，直到所述光離開所述光導， 其中所述光導在所述光輸入端和所述遠端之間具有連續(xù)的橫截面形狀， 其中所述光導的形狀使得從所述光導提取所述光，并且所述形狀引導從所述光導提取的所述光。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的照明設(shè)備，其中所述光導向遠離所述光輸入端的方向引導提取的所述光。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的照明設(shè)備，其中所述光導向朝向所述光輸入端的方向引導提取的所述光。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的照明設(shè)備，其中來自所述至少一個固態(tài)光源的所述光以至少80%的效率耦合到所述光導中。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的照明設(shè)備，其中所述光以由所述光導的形狀確定的離開光圖案離開所述光導。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的照明設(shè)備，其中所述離開光圖案至少部分地通過漸縮所述光導來控制。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的照明設(shè)備，其中所述離開光圖案至少部分地通過彎曲所述光導來控制。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的照明設(shè)備，其中所述離開光圖案至少部分地通過所述光導的表面上的特征結(jié)構(gòu)來控制。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的照明設(shè)備，其中所述特征結(jié)構(gòu)包括所述光導的表面上的散射特征結(jié)構(gòu)的圖案。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的照明設(shè)備，其中所述特征結(jié)構(gòu)包括所述光導的表面上的折射特征結(jié)構(gòu)的圖案。
【文檔編號】F21V8/00GK103975195SQ201280061062
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月20日
【發(fā)明者】羅伯特·L·布勞特, 邁克爾·A·梅斯, 卡爾·J·L·吉斯勒, 雷蒙德·P·約翰斯頓, 查爾斯·N·德沃爾, 凱拉·A·哈根斯, 喬恩·A·基施霍費爾 申請人:3M創(chuàng)新有限公司