CN102047156B - 圆弧形照明设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基本上圆弧形的照明设备(1)，该照明设备(1)包括光源(10)和基本上圆弧形的波导(20)。波导(20)包括第一波导表面(21)、第二波导表面(22)、基本上圆弧形的波导入射窗口(23)、基本上圆弧形的波导边缘窗口(24)以及中心轴(100)。第一波导表面(21)或第二波导表面(22)或者第一波导表面(21)和第二波导表面(22)二者还包括多个伸长结构(200)，每个伸长结构具有基本上与垂直于中心轴(100)的半径(101)平行的伸长轴(201)。
Description
技术领域
本发明涉及包括光源和被设置成对光准直的波导的圆弧形(round)照明设备，其中波导包括第一波导表面、第二波导表面、波导入射窗口以及波导边缘窗口。
背景技术
相对平坦的和圆弧形的光源在本领域中是已知的并且例如记载于US7025482和US7181378。
US7025482例如描述了一种光导部件和照明设备，其能够高效且均匀地将照明光辐射到仅仅需要照明的区域。因此，反射面由以同心圆形状展宽的诸如大量凹槽之类的反射条纹形成。来自光源单元的光通过诸如反射棱镜之类的漫射部分朝该整个反射面展宽，而没有不规则性。因此，可以没有不规则性地仅仅照明实际需要照明的范围，并且提高了使用前灯的照明范围的可见性。
US7181378描述了将输入辐射的第一分布转变成输出辐射的第二分布的设备和制造这样的设备的方法。在一些实施例中，可以通过以下方式限定该设备：产生三个有效光学表面的二维表示，包括分别基于第一、第二和第三广义笛卡尔卵形线计算第一表面、进入表面和第二表面的片断并且连续地重复计算第一和第二表面的片断，以及围绕中心轴旋转地扫掠所述二维表示，提供三维表示。在一些实施例中，第一和/或第二表面的一部分可以是全内反射(TIR)的。该文献特别描述了包括接收光的主体的折叠光学设备，该主体包括第一、第二和第三表面；第三表面限定腔体，并且第三表面的至少一部分是折射的；第二表面大体径向地远离腔体延伸，并且第二表面包括反射区；第一表面的至少第一部分提供内反射折叠，并且第一表面的至少第二部分提供主体与主体外部之间的折射过渡。
此外，WO2008047278描述了一种包括光引导层和多个LED的照明器，所述LED容纳于设置在光引导层内的至少一个孔中，以用于将光发射到光引导层中。光引导层还包括至少一个外耦合结构以用于将光耦合出光引导层。
发明内容
圆形光导可以具有以下优点：沿方位方向的准直可以通过相对于源(或者光内耦合区)的半径增大光外耦合区的半径而相对简单地改善。然而，对于良好控制的光束而言，也需要对径向方向准直。
在平坦的透明灯中，径向准直可以通过LED上的准直光学器件来完成(例如，侧面发射器封装具有在光导平面内达到峰值的光分布)。对于需要高度准直的光束的应用(例如聚光灯)而言，方位方向上的准直可以通过扩大光导半径来改善。然而，径向方向上的改善的准直需要LED上更大的准直光学器件，这导致更厚的系统。这恶化了系统的超薄外观。特别地，需要对于所述两个准直方向的控制以便控制光分布尾部的光束截止。该光束截止是遵照有关普通照明设备的眩光的欧洲规范所必需的。
因此，平坦的圆形光导事实上可以简单地通过增大光导的半径来允许沿着方位方向的不受限制的准直。然而，为了产生准直良好的光束，也必须控制径向方向。对于高度准直的光束而言，如果使用的话，这将导致准直LED光学器件的不希望的厚度增加。
因此，希望提供一种基于光导的可替换的平坦圆形照明设备，并且进一步改善这样的平坦圆形光导的光束形状。
因此，本发明的一个方面是提供一种可替换的照明设备，其优选地进一步消除上述缺陷中的一个或多个，并且其优选地提供准直光束。
依照第一方面，本发明提供了一种被设置成提供照明设备光的基本上圆弧形的照明设备，该照明设备包括被设置成径向地产生光源光的光源和可选的光学器件以及被设置成对径向产生的光准直的基本上圆弧形的且优选地基本上平面的波导，其中该波导包括第一波导表面、第二波导表面、基本上圆弧形的波导入射窗口、基本上圆弧形的波导边缘窗口以及中心轴，其中：
-第一波导表面或第二波导表面或者第一波导表面和第二波导表面二者优选地还包括多个伸长结构，每个伸长结构具有基本上与垂直于中心轴的半径平行的伸长轴，并且
-波导入射窗口至少部分地环绕(enclose)光源并且被设置成接收来自光源的径向产生的光源光。
在一个实施例中，波导入射窗口被设置成基本上垂直于第一波导表面和第二波导表面并且基本上平行于中心轴。在又一个实施例中，第一波导表面和第二波导表面被设置成基本上平行。因此，它们形成基本上平面的波导。在这里，特别地相对于基本上圆弧形的且基本上平面的波导描述本发明。这样的波导是基本上圆弧形的(参见本文限定的基本上圆弧形的入射窗口以及基本上圆弧形的波导边缘)且基本上平面的(参见本文限定的基本上平行设置的第一和第二波导表面)。
为了简洁起见，所述基本上圆弧形的且基本上平面的波导在这里也表示为“平面波导”或者简称为“波导”。为了简洁起见，措词“圆弧形的”用作“基本上圆弧形的”的简称，并且措词“平面的”用作“基本上平面的”的简称。类似地，措词“照明设备”或“设备”在这里用于基本上圆弧形的照明设备。此外，为了简洁起见，措辞“基本上圆弧形的波导入射窗口”和“基本上圆弧形的波导边缘窗口”在这里分别表示为“入射窗口”或“波导入射窗口”以及“边缘窗口”或“波导边缘窗口”。在这里，本领域技术人员应当清楚的是，像“垂直”、“平行”、“平面的”和“平坦的”那样的措词尤其涉及具有基本上垂直、基本上平行、基本上平面的和基本上平坦的特征的实施例。
在另一实施例中，波导边缘窗口被设置成提供照明设备光。在另一个实施例中，边缘窗口被设置成将光源光反射到照明设备的外部，从而提供照明设备光。边缘窗口也可以表示为外耦合结构，其被设置成或者经由透射通过边缘窗口“直接地”或者经由反射以及随后的透射(尤其是通过第一或第二波导表面之一)“间接地”向外耦合光。
看起来令人惊奇的是，这种设备可以提供具有有利的光束形状的光束，其可以是良好准直的。
不受限于任何理论，依照一个优选的实施例，看起来通过沿着其中光源光传播的径向方向在光导的第一和/或第二波导表面(也表示为顶部表面和/或底部表面)上施加伸长结构(在这里也表示为“凹槽”)，准直被改善。看起来通过从这些凹槽反射，光源光线的方位方向与垂直于光导的方向混合。当光在径向方向上传播时，只有方位方向被准直。这两个方向的混合确保了这两个方向的光源光都被准直。因此，在不改变其他光学部件的情况下，尤其是在不增大系统的厚度的情况下，这两个方向上的光束准直将随着半径的增大而改善。
措辞“基本上圆弧形”指的是圆形(例如圆形形状的(平面)波导)、椭圆形(例如椭圆形形状的(平面)波导)，但是也指圆形扇区(例如具有圆形扇区(“楔形蛋糕”)形状的平面波导)和椭圆形扇区(例如具有椭圆形扇区形状的(平面)波导)。
在椭圆形波导的情况下，椭圆形的中心，即为连接两个焦点的线段的中点(或者长轴和短轴的交点)的椭圆形内部的点在中心轴上。
此外，措辞“基本上圆弧形”也可以指具有成角度的边缘的结构，例如具有带有6个角和6条边的边缘的六边形波导，以及更高阶多边形形状，例如八边形波导(8个角/8条边)等等。在这里，它尤其指正凸多边形(等角(所有角度全等)且等边(所有边具有相同长度)并且其为凸的多边形)，例如具有正六边形、八边形、十边形等等的形状的波导。当使用具有多边形形状的基本上圆弧形的结构时，例如具有多边形形状的波导，边(或角或顶点)的数量n至少为6，更优选地至少为10，甚至更优选地至少为大约24。因此，在一个特定实施例中，尤其是对于基本上圆形或者基本上椭圆形的形状而言，所述照明设备具有多边形形状，其中边的数量n优选地至少为6。使用六边形(即n＝6)的优点在于，它们可以用来无间隙地覆盖平面区域。因此，照明面源可以通过组合若干六边形形状的子系统来构造。
在一个优选的实施例中，所述照明设备具有圆形形状。在另一个实施例中，该照明设备具有椭圆形形状。
在一个实施例中，光源包括多个LED(发光二极管)。特别地，在一个实施例中，光源包括多个LED，这些LED设置成基本上圆弧形的配置，从而使得光源能够径向地产生光源光。例如，这些LED可以设置成圆形并且从而形成产生径向光源光(即径向方向的光)的圆形光源。在一个实施例中，所述多个LED可以包括相同发射颜色的LED，但是也可以包括不同发射颜色的LED(例如黄色和蓝色LED，或者红色、绿色和蓝色LED等等)。
在一个实施例中，一个LED或多个LED也可以被发光材料包围，所述发光材料被设置成吸收LED发射的至少一部分并且发射另一波长的发光材料光。例如，光源可以包括至少部分地被包含发光材料的窗口环绕的一个蓝色LED或多个蓝色LED，所述发光材料被设置成吸收并且转换蓝色发射的至少一部分，例如YAG:Ce和类似化合物。在一个实施例中，光源包括多个LED，并且入射窗口包括被设置成吸收且转换LED发射的至少一部分的发光材料(例如蓝色LED以及YAG:Ce和类似化合物)。其他发光材料或者发光材料的组合是本领域技术人员已知的。来自所述照明设备的照明设备光可以是白色的，但也可以是彩色的。可选地，在一个实施例中，照明的颜色是可变的且可控的。
所述光源也可以包括不同于LED的光源，例如紧凑型荧光灯、卤素灯或者激光二极管等等。
在一个实施例中，光源腔体由一个或两个盖(cap)封闭，所述盖选自包括漫射器盖和反射器盖的组。漫射器盖可以改善腔体的光混合质量，即腔体内各光源的贡献较不易区分。这可能在使用不同颜色的LED时是特别重要的。在没有漫射器的情况下，不希望的颜色效应可能对于注视灯的任何人都可见，但是也在光束本身中(照明区域的颜色变化、彩色阴影)。漫射器盖和/或反射器盖促进光源光向内耦合到波导中。漫射器盖和/或反射器盖不仅可以覆盖光源腔体，而且可以覆盖波导表面的至少一部分，从而促进边缘窗口处或者靠近边缘窗口的光的向外耦合。所述一个或两个腔体盖可以被认为是(优选的)可选的光学器件。
波导入射窗口具有相对于中心轴的入射窗口半径，并且波导边缘窗口具有相对于中心轴的边缘窗口半径。特别地，边缘窗口半径和入射窗口半径的比值等于或大于大约1.5(即(边缘窗口半径)/(入射窗口半径)≥大约1.5，优选地≥大约2，甚至更优选地≥大约4)，并且通常不大于大约150。这可能依赖于所需的光束准直。宽束向下照明应用可能需要小的比值，而聚光应用可能需要大的比值。对于每个窄束(2×6°束宽或更小)，100的比值并非不可想象。
所述照明设备的波导可以基本上包括两个反射板，其中入射窗口和/或边缘窗口可以包括实心透明材料或者可替换地可以是开放的。因此，在一个实施例中，照明设备的波导可以基本上包括其间具有空气的两个反射板(为了简洁起见，也表示为“开放波导”)。
然而，在一个优选的实施例中，波导包括实心透明波导，尤其是平面实心透明波导(例如板)。该实心透明波导可以包含选自包括PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PC(聚碳酸酯)、P(M)MA(聚(甲基)丙烯酸甲酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)和COC(环烯烃共聚物)的组。PMMA例如给出良好的结果。然而，在另一个实施例中，透射窗口包括无机材料。优选的无机材料选自包括玻璃、(熔融)石英、陶瓷和硅树脂的组。
当波导包括实心透明材料时，由于全内反射(TIR)，第一和/或第二波导表面不必包含反射材料，因为根据定义它们因TIR而是反射的。然而，当波导基本上包括其间具有空气的两个反射板(入射窗口和/或边缘窗口可选地包含实心透明材料)时，第一和第二波导表面优选地包括反射器。
当波导包含实心透明材料并且边缘窗口倾斜时，边缘窗口特别地被设置成将光源光反射到照明设备的外部，从而提供照明设备光。在这样的实施例中，边缘窗口可选地还可以包括反射器或漫射器。在这种实施例中，光源光的外耦合可以经由第一或第二波导表面发生。
在一个实施例中，所述伸长结构具有v形剖面。在另一个实施例中，这些伸长结构具有弯曲的剖面，例如正弦状形状。本领域技术人员应当清楚的是，也可以应用不同形状的伸长结构的组合。优选地，第一波导表面和第二波导表面包括这些伸长结构。由于照明设备的性质，这些伸长结构具有优选地基本上与垂直于中心轴的半径平行并且(因而)也基本上与光源的光线(或半径)平行的伸长轴。优选地，伸长结构总数的一部分(例如伸长结构总数的10-100％，特别地20-100％)具有波导径向长度的大约50-100％的范围内的长度(即分别第一波导表面和/或第二波导表面的边缘窗口半径与入射窗口半径之间的长度差)。伸长结构可以具有恒定的宽度和/或高度，或者该宽度和/或高度可以在波导半径上彼此独立地变化。通过这种方式，第一波导表面和/或第二波导表面的整个表面可以包括伸长结构，但是它也可以被选择成具有两个邻近伸长结构之间的中间空间。措辞“伸长结构具有优选地基本上与半径平行的伸长轴”表示这些伸长结构设置在基本上径向方向上(相对于中心轴)。
如上所述，优选地平面的波导可以包括圆形或者椭圆形，优选地包括圆形，但是在另一个实施例中也可以包括圆形或椭圆形的扇区。因此，在一个实施例中，波导在大约2-360°范围内的波导方位角上延伸，其中优选地波导每10°包括至少1个伸长结构，更优选地至少2个。在一个实施例中，波导相对于垂直于中心轴的半径、相对于中心轴在大约20-180°的范围内的波导方位角上延伸。在又一个实施例中，波导相对于垂直于中心轴的半径、相对于中心轴在大约180-360°的范围内(例如270°)的波导方位角上延伸。在另一个实施例中，波导相对于垂直于中心轴的半径、相对于中心轴在360°的波导方位角上延伸(即圆形(或椭圆形))。
在一个实施例中，边缘窗口具有相对于第一波导表面或第二波导表面的大约85-105°范围内的倾斜角。这也意味着第一波导表面的边缘窗口半径短于(或长于)第二波导表面的边缘窗口半径(除了大约90°的角度以外)。特别地，边缘窗口具有相对于第一波导表面或第二波导表面的大约35-55°、尤其是大约40-50°范围内、更特别地大约45°的倾斜角。当边缘窗口被设置成透射光源光并且将该光源光作为照明设备光向外耦合时，大约85-105°范围内的倾斜角是特别有用的。当边缘窗口被设置成反射光源光并且经由第一或第二波导表面将该光源光作为照明设备光向外耦合时，大约35-55°范围内的倾斜角是特别有用的。在前一实施例中，边缘窗口还可以包括漫射器；在后一实施例中，边缘窗口优选地还可以包括反射器。
假设边缘窗口包括实心透明材料，那么边缘窗口可以是平坦的，但也可以是含刻面的(facetted)。因此，在一个实施例中，波导包括含刻面的边缘窗口。
在另一个实施例中，边缘窗口是弯曲的(即不仅在垂直于中心轴的平面内弯曲，而且在平行于且包含中心轴的平面内也弯曲)。应当指出的是，措词平坦的在这里涉及边缘窗口在平行于且包含中心轴的平面内的边缘(在垂直于中心轴的平面内，边缘窗口是基本上圆弧形的)。在这里，措辞“弯曲边缘窗口”以及类似的措辞涉及其倾斜角变化(在平行于且包含中心轴的平面内)的边缘窗口。措辞“在平行于且包含中心轴的平面内”涉及包含中心轴且平行于该轴的虚拟平面。采用z为中心轴的xyz坐标系统，xz平面或yz平面为平行于且包含中心轴的平面。
在另一个特定实施例中，边缘窗口具有V形剖面，即它具有相对于第一波导表面的一定倾斜角并且具有相对于第二波导表面的另一倾斜角。这种实施例可以用来将光向外耦合到照明设备的两侧，即向外耦合到远离第一波导表面的侧面以及远离第二波导表面的侧面。
在一个实施例中，波导可以包括多个(倾斜)边缘窗口。这可以例如通过在波导中提供附加的反射(倾斜)表面，例如通过在波导中引入(倾斜)狭缝来获得。这样的(倾斜)狭缝也可以充当反射器(像倾斜边缘窗口一样)并且从而充当附加的边缘窗口。各边缘窗口的倾斜角可以彼此无关。应当指出的是，倾斜角原则上对于同一个边缘窗口也可以变化(即在垂直于中心轴的平面内变化)。如上所述，倾斜边缘窗口还可以包括反射器或漫射器。
在这里，术语光导或波导可互换使用。
附图说明
现在将仅通过实例参照示意性附图描述本发明的实施例，其中示意性地描绘了非限制性的基本上平面的波导，其中相应的附图标记表示相应的部分，并且其中：
图1a-1b以侧视图示意性地描绘了依照本发明的照明设备的实施例；
图2a-2e以顶视图示意性地描绘了依照本发明的照明设备的实施例；
图3a-3e示意性地描绘了依照本发明的照明设备的边缘窗口的更详细侧视实施例；
图4a-4e示意性地描绘了波导的伸长结构；图4f以透视图示意性地描绘了依照本发明的照明设备的实施例，并且图4g示意性地描绘了依照本发明的照明设备的光源的实施例；
图5描绘了具有不同半径并且具有或者没有所述伸长结构的照明设备实施例的积分强度与极角(相对于中心轴)的函数关系；以及
图6a-6b示意性地描绘了依照本发明的照明设备的实施例的实例。
具体实施方式
图1a-1b以侧视图示意性地描绘了依照本发明的照明设备的实施例。为了清楚起见，在这些示意图中没有绘出所有细节(例如伸长结构)。
在所述侧视图中，描绘了基本上圆弧形的照明设备1，其被设置成提供照明设备光5(“设备光”)。照明设备1包括被设置成径向地产生光源光15的光源10以及在该实施例中可选的光学器件30。可选的光学器件30可以例如是镜或漫射器(或者镜和漫射器)，其在这里表示为第一腔体盖31和第二腔体盖32。这些可选的光学器件特别地被设置成促进将光源光15引导到波导中(参见下文)和/或在一个实施例中促进光的混合(如果可应用的话)。
照明设备1还包括被设置成对径向产生的光源光15准直的基本上圆弧形的且基本上平面的波导20。波导20包括第一波导表面21(其在该示意图中也可以表示为顶部波导表面21)和第二波导表面(22)(其在该示意图中也可以表示为底部波导表面22)、基本上圆弧形的波导入射窗口23(“入射窗口”)、基本上圆弧形的波导边缘窗口24(“边缘窗口”)以及中心轴100。尤其是在旋转对称设备(例如圆形形状的照明设备)的情况下，中心轴100特别地可以处于一个或多个对称平面内。中心轴100也可以垂直于对称面，图1a和图1b的示意图中就是这种情况。术语对称尤其与波导20和波导表面21、22的布置有关。应当指出的是，术语“对称”尤其指的是波导20的对称。
在一个实施例中，第一波导表面21和第二波导表面22被设置成基本上彼此平行，如图1a和图1b中所示。因此，波导在这里表示为平面的波导20。波导20特别地被配置成至少部分地(参见下文)或者基本上完全地(圆形的或椭圆形的)包围中心轴100并且径向地向外延伸到边缘，即边缘窗口24。
原则上，第一波导表面21和第二波导表面22也可以不是基本上平行的。因此，在一个实施例中，厚度d(参见下文)在径向方向上增大，而在另一个实施例中，厚度d在径向方向上减小。在这里描述的且示意性绘出的实施例中，厚度d沿着特定半径101是基本上恒定的(“平面波导”)。
在一个优选的实施例中以及在这里示意性地绘出的实施例中，波导入射窗口23被设置成基本上垂直于第一波导表面21和第二波导表面22并且被设置成基本上平行于中心轴100。基本上平行于中心轴100在这里指的是入射窗口23和中心轴的角度大约为0°，但是尤其小于大约6°，更优选地小于大约2°。在这里示意性地绘出的实施例中，入射窗口23被设置成基本上垂直于第一波导表面21和第二波导表面22。
在其中入射窗口23不包括实心透明材料的实施例中，例如图1a中示意性地绘出的，假设入射窗口23根据定义基本上平行于中心轴100。
波导20可以是空心的，其中第一波导表面21和第二波导表面22环绕或“夹住”诸如空气之类的气体，如图1a中示意性地绘出的，但是也可以是实心透明波导40，如图1b中示意性地绘出的。在前一实施例(“开放波导”)中，如图1a中示意性地绘出的，照明设备1的波导20基本上可以包括利用附图标记221和222表示的两个反射板，这些反射板分别具有第一和第二波导表面21和22。在该实施例中，第一和第二波导表面21、22优选地包括反射器。可选地，板221和/或222是透明的，但是外表面(分别利用附图标记221a和222a表示)包括反射器。在后一实施例(“实心透明波导”)中，如图1b中示意性地绘出的，第一和第二波导表面21、22处出现全内反射并且这些表面不必也包括反射器(尽管这可以是可能的)。
因此，在一个实施例中，波导20基本上包括两个其间具有诸如空气之类的气体并且分别具有第一和第二波导表面21和22的反射板221、222。因此，在另一个实施例中，波导20包括实心透明波导40。实心透明波导40可以例如基本上由玻璃或珀思配克斯有机玻璃(Perspex)或者如本文提到的其他材料构成。
在其中波导20包括这种实心透明材料并且因而为实心透明波导40的实施例中，入射窗口23和边缘窗口24包括实心透明材料。
当波导20包括实心透明波导40时，入射窗口23和边缘窗口24特别地将为波导20的边缘。当波导20是空心的时候，即在第一和第二波导表面21、22之间基本上不存在波导材料时，入射窗口23和边缘窗口24可以独立地封闭或开放。图1a示意性地描绘了其中两个窗口23、24开放的实施例。入射窗口23或边缘窗口24或者入射窗口23和边缘窗口24二者可以进一步包括诸如漫射器、磷光体层、透镜阵列之类的光学元件。此外，边缘窗口24可选地可以包括反射器。尽管在若干实施例中边缘窗口24可以是开放的，但是为了清楚起见，波导20的这个部分仍然表示为波导边缘24，虽然在严格意义上不是物理边缘。
因此，所述两个波导表面21、22优选地为材料-空气界面，使得它们可以通过TIR反射。它们也可以设有金属或电介质反射器，但是(由于吸收损耗的原因)优选地不与波导材料(除非这是空气)光学接触。入射窗口23是透明的或者至少半透明。入射窗口23可以是空气或者空气-透明材料界面。在光源腔体12的出口处和/或在波导20的入口(即光源10的下游和在入射窗口23处或者其上游)处，也可以存在磷光体和/或漫射器(作为可选的光学器件30)。
术语“圆弧形”尤其涉及波导20的边缘，即窗口23和24。这些窗口是圆弧形的或弯曲的。在这里，术语“圆弧形”与垂直于中心轴100的平面内的曲率有关(也参见图2a-2e、图4a和图4f)。
优选地，入射窗口23被设置成平行于中心轴100(参见上文)。通过这种方式，获得了一种圆柱形腔体(包括椭圆柱形腔体)。中心腔体或光源腔体利用附图标记12表示。因此，波导入射窗口23至少部分地环绕光源10。在这里，应用了措辞“至少部分地环绕光源10”，因为波导不一定是整个圆或椭圆(参见下文)。因此，在一个实施例中，波导20特别地被配置成至少部分地(参见下文)或者基本上完全地(圆形的或椭圆形的)包围光源腔体12并且径向地向外延伸到边缘，即边缘窗口24。
因此，该波导入射窗口23也被设置成接收来自光源10的径向产生的光源光15。参照图1a和图1b以及本文的其他示意性绘出的实施例，照明设备1也可以被描述为具有盘状波导、具有中心腔体或光源腔体12的盘状灯。因此，在一个适宜的实施例中，第一腔体盖31和第二腔体盖32被设置成封闭由入射窗口23基本上容纳的光源腔体12。
为了清楚起见，这些示意图中没有包括可选地存在的热沉。
波导边缘窗口24被设置成促进照明设备光5的外耦合，即它允许光源光15的至少一部分从照明设备1的波导20逃逸到外部。边缘窗口24可以是倾斜的或者不倾斜的(参见下文)。促进光源光作为照明设备光5的外耦合可以通过在该边缘窗口24处的反射(以及在第一波导表面21或第二波导表面22处的随后透射)和/或通过该窗口本身的透射来实现。当边缘窗口24是开放的时候，透射将发生在该边缘窗口24处；然而，当边缘窗口24例如在实心透明波导40的情况下包括实心透明材料时，根据倾斜的边缘，可能发生透射和/或反射(也参见下文)。
中心轴100是波导围绕其设置的轴。光源10的至少一部分可以与该中心轴100的部分重合(如这些附图中绘出的)。中心轴100也可以看作所有设备光5的虚拟起点，因为光源10、可选的光学器件30以及波导20特别地被设置成提供一种圆弧形设备，其中几乎所有设备光5来源于中心轴100。这不一定意味着光源10完全与中心轴100重合(参见例如图4g)。事实上，诸如LED之类的光源可以放置在腔体12内的任何位置，只要来自光源的光被充分散射(例如通过作为可选的光学器件30的一个或多个漫射器)以避免区分各个源。
波导厚度，即第一波导表面21与第二波导表面22之间的距离利用附图标记“d”表示。从入射窗口23到中心轴的距离，即事实上光源腔体12的半径利用附图标记r1表示。该半径在这里也表示为“入射窗口半径”r1并且也可以表示为波导20的“内半径”。波导20的外半径利用附图标记r2表示。实际上，可以存在不同的半径，因为如下文所示，第一波导表面21和第二波导表面22不一定具有相同的半径。因此，第一波导表面21的半径利用附图标记r21表示并且第二波导表面22的半径利用附图标记r22表示。平均半径(在高度或厚度d上)利用外半径r2表示。半径r2、r21和r22可能不仅在波导20的厚度d上变化，而且在垂直于中心轴100的平面内变化。例如，波导20也可以是椭圆形的(参见下文)。术语“平均半径r2”仅仅指的是在与中心轴100平行且包含中心轴100的平面内的厚度d上的平均半径。
在一个优选的实施例中，边缘窗口半径r2和入射窗口半径r1的比值等于或大于大约2，特别地≥大约4，并且通常不大于大约150。这样的实施例通常提供良好的方位准直，并且尤其是与伸长结构(参见下文)结合，也提供良好的径向准直。
附图示意性地示出了起源于光源10的一些光线(用附图标记15表示)如何可以通过波导20传播。
伸长结构将在下面参照图4a-4f加以讨论，但是首先将进一步讨论照明设备1的原理。
图2a-2e示意性地描绘了依照本发明的照明设备的顶视实施例。为了清楚起见，没有绘出诸如第一腔体盖31之类的可选光学器件30。如上所述，包括基本上圆弧形的平面波导20的基本上圆弧形的照明设备1可以具有不同的形状。图2a-2e描述了一定数量的这些实施例，其不应当以限制的方式加以解释。
图2a示意性地描绘了一种圆形设备。因此，在一个特定实施例中，照明设备1具有圆形形状。由该顶视图可见，中心腔体是圆弧形的，这里在该实施例中为圆形的，并且入射窗口23是基本上围绕中心轴100旋转对称的。此外，波导20具有圆弧形边缘，即边缘窗口24是圆弧形的，在这里为圆形的。因此，在该实施例中，边缘窗口24也基本上是围绕中心轴100旋转对称的。原则上，圆形形状的波导20不一定要求圆形形状的中心腔体12。为了理解起见，绘出了垂直于中心轴100的半径，其用附图标记101表示。
在另一个实施例中，照明设备1具有椭圆形形状。该实施例在图2b中示意性地绘出。原则上，椭圆形形状的波导20不一定要求椭圆形形状的中心腔体12。因此，这里在图2a中均为圆形并且在图2b中均为椭圆形的光源腔体12以及边缘窗口24的形状不必具有相同的形状。
参照图2a-2b，选择特定半径101，波导方位角为360°，即照明设备1和波导20具有圆形或椭圆形形状。然而，在一个实施例中，照明设备1和波导20具有圆(或椭圆)段的形状。举例而言，图2c中示出了一个实施例。波导方位角用γ表示。这里，在图2c中，波导方位角γ处于大约45°的范围内。因此，在一个实施例中，波导20相对于垂直于中心轴100的特定半径101、相对于中心轴100优选地在大约2-360°的范围内的波导方位角γ上延伸。在一个优选的实施例中，波导20相对于垂直于中心轴的特定半径101、相对于中心轴100在大约20-180°的范围内的波导方位角γ上延伸。在另一个实施例中，波导相对于垂直于中心轴100的特定半径101、相对于中心轴在360°(即圆形(或椭圆形)的波导方位角γ上延伸。这样的圆段或椭圆段用附图标记120表示。
当波导方位角γ小于360°时，优选地，波导20还包括封闭波导边缘26和27(其可以例如包括反射器)。在这里，同样地，波导20可以是空心的，具有相互独立的开放的入射窗口23和边缘窗口24，并且在一个特定实施例中包括封闭波导边缘26和27，但是波导20也可以是实心透明波导40，具有圆段(或椭圆段)的形状。在后一实施例中，波导边缘26和27可选地可以包括反射器。应当指出的是，在这些实施例中，仍然应用了术语“中心轴”100，因为同样在这些实施例中，该轴100可以作为设备光5的虚拟起点而出现。
此外，如上所述，措辞“基本上圆弧形的”也可以指具有成角度的边缘的结构，例如具有含有6个角和6条边部分的边缘的六边形波导20以及更高阶多边形形状，例如八边形波导(8个角/8条边)等等。在这里，它尤其指正凸多边形(等角(所有角度全等)且等边(所有边具有相同长度)并且其为凸的多边形)，例如具有正六边形、八边形、十边形等等的形状的波导。
优选地，当使用具有多边形形状的基本上圆弧形的结构时，例如具有多边形形状的波导，那么边(或角或顶点)的数量至少为6，更优选地至少为10，甚至更优选地至少为大约24。举例而言，图2d和图2e中示意性地绘出了具有成角度的边缘的两个实施例。在图2d中，波导20的边缘窗口24具有14个角和14条边；类似地，入射窗口23具有14个角和14条边。图2e示意性地绘出了具有3条边的圆段120，即入射窗口23具有3条边并且边缘窗口24也具有3条边。术语边也可以解释为面。
图3a-3e更详细地示意性绘出了依照本发明的照明设备1实施例的边缘窗口24的侧视实施例。图3a和图3b基本上与图1a(“开放波导”)和图1b(“封闭波导”)相同，并且仅出于比较的原因而绘出：开放边缘窗口用附图标记241表示(图3a)；与中心轴100平行(且垂直于第一和第二波导表面21、22)的封闭边缘窗口用附图标记242表示(图3b)。
图3c示意性地绘出了照明设备1实施例的侧视图，其中边缘窗口24是倾斜的，即它具有相对于第一波导面21或第二波导面22之一的不等于90°的倾斜角β。这种边缘窗口24基本上不与中心轴100平行。举例而言，在图3c中，倾斜角β相对于第一波导表面21绘制，但是本领域技术人员应当清楚的是，措词第一和第二在本文中可以互换。
在一个优选的实施例中，边缘窗口24具有相对于第一波导表面21或第二波导表面22的85-105°范围内的倾斜角β。当倾斜角β为90°时，获得图1b和图3b中示意性绘出的实施例(具有(事实上不倾斜的)边缘窗口242)。措词“倾斜的”或者“倾斜边缘窗口”涉及相对于第一或第二波导表面具有不等于90°的角度β的边缘窗口。
在另一个优选的实施例中，边缘窗口24具有相对于第一波导表面21或第二波导表面22的倾斜角β，该倾斜角处于大约35-55°的范围内，尤其是处于大约40-50°的范围内，例如尤其是大约45°。具有不等于90°的角度β的倾斜边缘窗口24用附图标记243表示并且在图3c中示出。
图3d示意性地绘出了其中边缘窗口24具有含刻面形状，表示为含刻面边缘窗口244的实施例。这些刻面可以具有90°的刻面角度θ，但是不等于90度的刻面角度θ也是可能的。在后一种情况下，获得倾斜的含刻面边缘窗口。这种后一实施例在图3d中示意性地绘出。因此，在一个实施例中，波导20包括含刻面边缘窗口244，其可选地也是至少部分倾斜的。
应当指出的是，所有边缘窗口刻面都可以是透射的或反射的，或者它们中的一个或多个可以是透射的并且它们中的一个或多个可以是反射的。
图3e示意性地绘出了其中波导20包括多个(即≥2个)边缘窗口24的实施例。在图3e中所示的示意性实施例中，提供了用附图标记24(1)和24(2)表示的两个边缘窗口24。通常，这样的边缘窗口将是倾斜边缘窗口，如图所示，尽管一个或多个倾斜边缘窗口243以及垂直边缘窗口241的组合也可以是可能的(即图3b和图3e中示意性绘出的实施例的组合)。类似地，一个或多个倾斜窗口23以及含刻面边缘窗口243的组合也可以是可能的。因此，在一个实施例中，波导20包括多个边缘窗口24。每个边缘窗口24被设置成促进光源光15从波导20向外耦合到照明设备1的外部。
半径r2以及r21和r22特别地结合最外面的边缘窗口24(在图3e中为边缘窗口24(2))来计算。
在上文中，大体上描述了设备1。现在，将参照图4a-4f描述依照本发明优选实施例的伸长结构。图4a-4e示意性地绘出了波导的伸长结构；图4f以透视图示意性地绘出了依照本发明的照明设备的实施例，并且图4g示意性地绘出了依照本发明的照明设备的光源的实施例。
如上所述，在一个优选的实施例中，第一波导表面21或第二波导表面22或者第一波导表面21和第二波导表面22二者还包括多个伸长结构200，每个伸长结构具有基本上与垂直于中心轴100的半径101平行的伸长轴201。
措辞“垂直于中心轴100的半径101”指的是一个或多个任意半径。来自光源10的光线基本上遵循半径101，即平行于半径101。在这里示意性绘出的实施例中，入射窗口23基本上垂直于这样的半径101，并且第一波导表面21和第二波导表面22基本上平行于这样的半径101。
所述伸长结构基本上平行于这些半径(即基本上垂直于中心轴100)。措词“伸长结构”指的是波导表面21和/或22的结构，其向这些基本上平坦的表面21和/或22提供不规则性。这样的结构可以具有大约0.05mm到大约d的范围内的高度h，但是优选地它们位于大约0.05mm到大约0.5d的范围内，甚至更优选地处于大约0.05mm到大约0.1d的范围内。伸长结构的特性高度h处于大约0.05-2mm的范围内。类似地，伸长结构200的用附图标记w表示的特性底部宽度也可以处于大约0.05-2mm的范围内。
所述宽度或者底部宽度w可以沿着半径101变化。在图4a中，示出了其中波导表面21或22(这里示意性地绘出了它们之一(或二者)的实施例)未完全用伸长结构200“填充”的实施例。通过改变伸长结构的高度h和/或通过沿着半径101改变伸长结构的底部宽度w，可以能够利用伸长结构200完全填充各波导表面21、22(也参见图4f)。
这样的伸长结构200将附加的反射表面202添加到波导表面21和/或22。看起来，通过从这些伸长结构200反射，光源光线的方位方向与垂直于波导20的方向混合。当在径向方向上传播时，光线仅在方位方向上被准直。这两个方向的混合确保了光源光15的两个方向将被准直。因此，在不改变其他光学部件的情况下，尤其是在基本上不增大设备1的厚度的情况下，这两个方向上的光束准直将随着半径的增大而改善。
优选地，伸长结构的总数的一部分具有波导径向长度的大约50％-100％的范围内的长度1，即分别第一波导表面21和/或第二波导表面22的边缘窗口半径r2(或者r21和r22)与入射窗口半径r1之间的长度差。在图4f的示意性实施例中，所有伸长结构200具有波导径向长度的大约100％的长度1，即分别为r21和r22的第一波导表面21和/或第二波导表面22的所述长度。
由于照明设备1的性质，优选的伸长结构200具有伸长轴201，其优选地基本上与垂直于中心轴100的特定半径101平行，并且因而也基本上与光源10的光线(或半径)平行。伸长结构200的实施例以示意性顶视图示于图4a中。
图4b和图4c中示出了示意性侧视图，其中第一和第二表面21和22之间的中间空间可以例如是空气(“开放波导”)。图4d和图4e示意性地绘出了其中波导20包括实心透明波导40的侧视实施例。
伸长结构200可以例如具有v形剖面(图4b、图4d和图4e)，或者可以例如具有诸如正弦状剖面之类的弯曲剖面，如图4c中示意性所示。伸长结构200可以像在图4e中一样彼此紧邻，但是也可以在邻近的伸长结构200之间存在距离。不管伸长结构200彼此紧邻，还是在相邻伸长结构200之间存在距离，也可以沿着半径101变化(比较例如示意图4f和6a/6b)。如上所述，伸长结构100可以具有恒定的宽度w和/或高度h，或者宽度w和/或高度h可以在波导20的半径101上彼此独立地变化。通过这种方式，第一波导表面21和/或第二波导表面22的整个表面可以包含伸长结构200，但是它也可以被选择成在两个邻近伸长结构200之间留下空间。
伸长结构200可以例如通过向尤其是实心透明波导40的第一和/或第二表面21、22提供凹槽而容易地提供。通过引入V形凹槽或正弦形凹槽或者其他类型的凹槽，相对容易地为伸长结构200提供反射表面202。这样的凹槽可以通过蚀刻或者雕刻凹槽来获得，从而获得伸长结构200。然而，也可以应用本领域技术人员已知的其他方法，比如伸长结构的注射成型或热压印或者复制。
图4f更详细地示意性绘出依照本发明的照明设备的实施例，其具有倾斜边缘窗口24(243)以及分别用于第一和第二表面21、22的从入射窗口23延伸到边缘窗口24的伸长结构200。该图示出了包括圆形波导20的本发明实施例，其中光15在中心(即光源腔体12)处耦合进来，并且在外缘(即倾斜边缘窗口243)处耦合出去。顶侧和底侧，即波导20的第一和第二波导表面21、22包含具有90°顶角的、从中心径向延伸到外缘的V形凹槽。
在一个优选的实施例中，波导20每10°波导方位角γ包含至少1个伸长结构200，特别地每10°波导方位角γ包含大约1到5个伸长结构200。
图4g示意性地绘出了包括设置成圆形的多个LED 18(尤其是≥6个LED 18)的光源10的实施例。LED 18可以提供白色光或彩色光，或者各LED 18可以提供不同颜色的光，这些颜色例如黄色和蓝色，或者RGB(红色、绿色和蓝色)等等。因此，在一个实施例中，所述多个LED 18可以设置成圆形LED阵列，并且在另一实施例中，波导20可以基本上是圆形的，其提供具有改善的光学性能的结构。LED 18可以是侧面发射LED，其导致紧凑的设计以及光高效地向内耦合到波导20中。
图5绘出了具有45°倾斜角β的照明设备的若干实施例的积分强度与极角(相对于中心轴)的函数关系，所述极角是相对于中心轴100的角度。假设极角为0°，沿着照明设备1的中心轴100的方向测量强度；在90°极角下，沿着垂直于中心轴100的方向(即在与特定半径101一致的位置处)测量强度。给定极角的积分强度是0度与该极角之间的范围内的总通量。产生了若干具有不同半径r2、具有或者没有伸长结构200、但是都具有45°倾斜角β的实施例。在表1中，表示了对于每条曲线的相关设备参数：
表1：具有45°倾斜边缘窗口24、具有PMMA波导20的
照明设备1的依赖于极角(相对于中心轴)的相对积分强度(％)
| 半径(r2)(mm) | 凹槽 | |
| 1 | 10 | - |
| 2 | 20 | - |
| 3 | 50 | - |
| 4 | 10 | 30(凹槽之间12度方位间隔) |
| 5 | 20 | 30 |
| 6 | 50 | 30 |
| 7 | 50 | 60与6相同，具有两倍的凹槽(6度方位间隔) |
与曲线1-3的没有伸长结构200的圆形光导相比，图5中的曲线4-7清楚地示出了改善的准直。本发明的另一个重要性质在于，总的光束准直(方位方向和径向方向上的组合的准直效果)现在甚至随着波导的半径(r2)的增大而改善。与曲线6相比，具有50mm的半径和2倍的结构200数量的最佳结果示于曲线7中。在最佳情况下，整个表面覆盖有结构200，例如，它基本上不包含水平刻面(也参见图6a/6b)。
整个表面21和/或22可以通过使用具有向外发散宽度w的结构200来覆盖。这样的结构200可以“自动地”形成，因为恒定宽度w和高度h的结构200将在中心具有比在外边缘24更多的重叠。通常，存在两种基本选项：保持凹槽峰处于恒定水平，或者保持凹槽谷处于恒定水平。也有可能避免重叠并且允许凹槽数量在从内半径到外半径的方向上增加。
如上面所讨论的，伸长结构200不必是具有90度顶角的V凹槽。例如，正弦模式或者其他弯曲模式也可以是有效的。
本文使用的术语白色光对于本领域技术人员是已知的。它尤其涉及具有一定相关色温(CCT)的光，所述相关色温介于大约2000K与20000K之间，尤其是2700-20000K，对于普通照明特别地处于大约2700K和6500K的范围内，对于背光照明目的特别地处于大约7000K和20000K的范围内，并且特别地处于离BBL(黑体轨迹)的大约15SDCM(颜色匹配的标准偏差)内，特别地处于离BBL的大约10SDCM内，甚至更特别地处于离BBL的大约5SDCM内。
术语“蓝色光”或“蓝色发射”特别地涉及具有大约410-490nm范围内的波长的光。术语“绿色光”特别地涉及具有大约500-570nm范围内的波长的光。术语“红色光”特别地涉及具有大约590-6500nm范围内的波长的光。术语“黄色光”特别地涉及具有大约560-590nm范围内的波长的光。
这些术语并没有排除尤其是发光材料可以具有分别含有例如大约500-570nm、大约590-6500nm以及大约560-590nm的范围外的波长的宽带发射。然而，会发现这样的发光材料的(或者LED的)发射的主波长处于这里给出的范围内。因此，措辞“含有......的范围内的波长”特别地表示所述发射具有规定的范围内的主发射波长。
实例
制造了照明设备1，其包括如图4g中示意性绘出的具有来自LumiLEDs的24个Rebel LED的光源10，这些LED中18个为中性白色LED 801m1W LXML-PWN1-0080并且6个为琥珀色LED 65lm2WLXML-PL01-0030。光源10在径向方向发射，参见图4g。
圆形波导20围绕光源10设置，所述波导具有20mm的内半径r1，以及大约75mm的外半径r2(事实上，半径r21为75mm，因为边缘窗口24是倾斜的)。边缘窗口24的倾斜角为45°(半径r22因而稍短于半径r21)。在一侧存在第一盖31(在这里为反射器)，并且在另一侧存在反射表面(未绘出)，其是支撑系统并且充当热沉的铝机械衬底的一部分。圆形波导20基本上包含PMMA(并且因而由实心透明材料40制成)。波导20的厚度d为5mm。
只有第一波导表面22包括200个沿着径向方向半径101的具有90°顶角以及1.0mm的最大高度(或深度)h的V形凹槽(伸长结构200)(尽管两个波导表面都可以包括伸长结构)。这些凹槽与光导20的平面平行并且在光导20的中心侧存在重叠的凹槽。高度随着离入射表面23的径向距离而增大，从而提供了完全包括伸长结构200的波导表面21，在两个邻近伸长结构之间没有基本上平坦的刻面(也参见图4e)。通过这种方式，获得了与图4f中所绘类似的照明设备1(除了伸长结构密度和只有一个波导表面包括伸长结构200这一事实之外)。光源光15(未绘出)基本上通过波导20传播，并且在边缘窗口24(倾斜边缘窗口243)处反射，且靠近边缘窗口24从第一波导表面21离开波导20，如图6b中所示。
依照该实例的设备1在图4g(光源10)、图6a和图6b中示意性地绘出。
例如在“基本上所有的发射”或者“基本上包括”中的本文使用的措词“基本上”应当为本领域技术人员所理解。措词“基本上”也可以包括具有“整个”、“完全”、“全部”等的实施例。因此，在实施例中，也可以移除形容词基本上。在可应用的情况下，措词“基本上”也可以涉及90％或者更高，例如95％或者更高，特别地99％或者更高，甚至更特别地99.5％或者更高，包括100％。措词“包括”也包含其中措词“包括”表示“由......组成”的实施例。
此外，说明书和权利要求书中的措词第一、第二、第三等等用于区分相似的元件并且不一定用于描述连续的或者按时间先后的顺序。应当理解的是，这样使用的措词在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明实施例能够以不同于本文所述或所示的顺序操作。
本文使用的设备尤其是在操作期间描述的。本领域技术人员应当清楚的是，本发明并不限于操作方法或者操作中的设备。
应当指出的是，上述实施例说明了而不是限制了本发明，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求书的范围的情况下应当能够设计出许多可替换的实施例。在权利要求书中，置于括号之间的任何附图标记都不应当被视为限制了权利要求。动词“包括”及其变体的使用并没有排除存在权利要求中未说明的元件或步骤。元件之前的冠词“一”并没有排除存在多个这样的元件。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的一些可以由同一硬件项实施。在相互不同的从属权利要求中陈述了特定的技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。
Claims (13)
1.一种被设置成提供照明设备光(5)的基本上圆弧形的照明设备(1)，该照明设备(1)包括：
-光源(10)和可选的光学器件(30)，被设置成径向地产生光源光(15)，其中，所述可选的光学器件是镜和／或漫射器，以及
-被设置成对径向产生的光源光(15)准直的基本上圆弧形的且基本上平面的波导(20)，其中该波导(20)包括顶部波导表面(21)、底部波导表面(22)、基本上圆弧形的波导入射窗口(23)、基本上圆弧形的波导边缘窗口(24)以及中心轴(100)，其中：
-顶部波导表面(21)和／或底部波导表面(22)还包括多个伸长结构(200)，每个伸长结构具有基本上与垂直于中心轴(100)的半径(101)平行的伸长轴(201)，
-波导入射窗口(23)至少部分地环绕光源(10)并且被设置成接收来自光源(10)的径向产生的光源光(15)。
2.依照权利要求1的照明设备(1)，其中照明设备(1)具有圆形形状。
3.依照权利要求1的照明设备(1)，其中照明设备(1)具有椭圆形形状。
4.依照权利要求1的照明设备(1)，其中照明设备(1)具有多边形形状，并且边数n至少为6。
5.依照前面的权利要求中任何一项的照明设备(1)，其中波导入射窗口(23)具有相对于中心轴(100)的入射窗口半径(r1)，并且其中波导边缘窗口(24)具有相对于中心轴(100)的边缘窗口半径(r2)，并且其中边缘窗口半径(r2)和入射窗口半径(r1)的比值等于或大于1.5。
6.依照权利要求1-4中任何一项的照明设备(1)，其中波导(20)包括实心透明波导(40)。
7.依照权利要求1-4中任何一项的照明设备(1)，其中伸长结构(200)在横贯所述伸长轴(201)的截面内具有v形剖面。
8.依照权利要求1-4中任何一项的照明设备(1)，其中伸长结构(200)在横贯所述伸长轴(201)的截面内具有弯曲的剖面。
9.依照权利要求1-4中任何一项的照明设备(1)，其中波导(20) 相对于垂直于中心轴(100)的半径(101)、相对于中心轴(100)在2-360°范围内的波导方位角(γ)上延伸，并且其中波导(20)每10°波导方位角(γ)包括至少1个伸长结构(200)。
10.依照权利要求1-4中任何一项的照明设备(1)，其中边缘窗口(24)具有相对于顶部波导表面(21)或底部波导表面(22)的85-105°范围内的倾斜角(β)。
11.依照权利要求1-4中任何一项的照明设备(1)，其中边缘窗口(24)具有相对于顶部波导表面(21)或底部波导表面(22)的35-55°范围内的倾斜角(β)。
12.依照权利要求1-4中任何一项的照明设备(1)，其中波导(20)包括含刻面的边缘窗口(244)。
13.依照权利要求1-4中任何一项的照明设备(1)，其中波导(20)包括多个边缘窗口(24)。
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