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CN104756264A - 具有远程散射元件和全内反射提取器元件的发光设备 - Google Patents

具有远程散射元件和全内反射提取器元件的发光设备 Download PDF

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CN104756264A
CN104756264A CN201380051457.9A CN201380051457A CN104756264A CN 104756264 A CN104756264 A CN 104756264A CN 201380051457 A CN201380051457 A CN 201380051457A CN 104756264 A CN104756264 A CN 104756264A
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Abstract

公开了配置成输出由发光元件(LEE)提供的光的各种发光设备。通常，发光设备的实施方案特征在于发光元件、与发光元件间隔开的散射元件和耦合到散射元件的提取器元件，其中提取器元件至少部分地包括全内反射表面。也公开了合并这种类型的发光设备的照明器具。

Description

具有远程散射元件和全内反射提取器元件的发光设备
所描述的技术涉及具有远程散射元件和实质上全内反射(TIR)提取器元件的发光设备和照明器具。
发光元件(LEE)在现代世界中是普遍存在的，用在范围从一般照明(例如灯泡)到照明电子信息显示器(例如LCD的背光灯和前灯)到医疗设备和治疗学的应用中。在各种领域中越来越多地采用包括发光二极管(LED)的固态照明(SSL)设备，允诺低功率消耗、高发光功效和长寿命，特别是与白炽和其它常规光源比较。
照明器具是照明单元，其提供手段来保持、定位、保护发光元件和/或将发光元件连接到电源且在一些情况下分布由LEE发射的光。越来越多地在照明器具中使用的LEE的一个例子是所谓的“白色LED”。常规白色LED一般包括发射蓝光或紫外光的LED和磷光体或其它发光材料。设备经由来自LED的蓝光或UV光(被称为“泵浦光”)的下变频通过磷光体产生白光。这样的设备也被称为基于磷光体的LED(PLED)。虽然受到由于光转换而引起的损耗，与其它类型的照明器具比较，PLED的各种方面允诺基于PLED的照明器具的减小的复杂性、更好的成本效率和耐久性。
虽然新类型的磷光体被积极地研究和发展，然而由于可用发光材料的特性，基于PLED的发光设备的配置提供进一步的挑战。挑战包括例如来自光子转换的光能损失、来自斯托克斯损失的磷光体自加热、光子转换特性对操作温度的依赖性、作为过热的效应由磷光体的化学和物理成分的变化引起的降解、转换特性对光的强度的依赖性、由于从磷光体发射的所转换的光的随机发射而引起的在不希望有的方向上的光的传播、磷光体的不希望有的化学特性和在发光设备中的磷光体的受控沉积。
概述
所描述的技术涉及具有远程散射元件和实质上全内反射(TIR)提取器元件的发光设备和照明器具。
在一个方面中，发光设备包括配置成在操作期间发射泵浦光的发光二极管(LED)；具有面向LED的第一表面的磷光体元件，磷光体元件与LED间隔开并定位成从LED接收至少一些泵浦光并发射散射光；以及包括透明材料的提取器，提取器具有出射表面和侧表面，并布置成接收穿过相邻于磷光体元件的区的散射光的一部分并输出穿过出射表面的散射光，侧表面布置在相邻区和出射表面之间，其中具有折射率n0的介质布置成相邻于磷光体元件的第一表面，且磷光体元件具有折射率n1，其中n0<n1，且透明材料具有折射率n2，其中n0<n2，以及侧表面包括TIR表面，其中TIR表面定位和成形为使得在穿过相邻区接收的直接射在TIR表面上的散射光的TIR表面上的入射角以等于或大于全内反射的临界角的入射角入射在TIR表面上。
前述和其它实施方案可各自任选地单独或组合地包括下面特征中的一个或两个。在一些实施方案中，磷光体元件可配置成非弹性地散射至少一些泵浦光并弹性地散射至少一些泵浦光。在一些实施方案中，TIR表面可延伸到出射表面。在一些实施方案中，TIR表面可延伸到相邻区。磷光体元件可以是平面的或外壳。外壳相对于出射表面可以是凸的。
在一些实施方案中，发光元件还可包括在侧表面的一部分上的反射层。在一些实施方案中，发光元件还可包括与侧表面的至少一部分间隔开并沿着侧表面的至少一部分延伸的反射元件，反射元件配置成将从侧表面逸出的光的一部分重定向回到提取器。磷光体元件可至少部分地在提取器中凹进。在一些实施方案中，出射表面可以是非平面的。在一些实施方案中，出射表面可包括多个不同地成形的部分。
在一些实施方案中，出射表面可定位和成形为使得在穿过相邻区的直接射在出射表面上的散射光的出射表面上的入射角小于全内反射的临界角。在一些实施方案中，出射表面可定位和成形为使得在穿过相邻区的直接射在出射表面上或在从TIR表面的TIR之后射在出射表面上的散射光的出射表面上的入射角小于全内反射的临界角。在一些实施方案中，n1可小于或等于n2。磷光体元件可包括非弹性和弹性散射中心。散射光可以是各向同性地散射的光。
在一些实施方案中，发光设备还可包括相邻于提取器的二次反射器，其中二次反射器可配置成将从提取器输出的光重定向。二次反射器可具有布置成接近出射表面的输入孔。
在另一方面中，照明器具包括壳体和由壳体支持的发光设备，发光设备包括配置成在操作期间发射泵浦光的发光二极管(LED)；具有面向LED的第一表面的磷光体元件，其中磷光体元件与LED间隔开并定位成从LED接收至少一些泵浦光并发射散射光；以及包括透明材料的提取器，提取器具有出射表面和侧表面，并布置成接收穿过相邻于磷光体元件的区的散射光的一部分且输出穿过出射表面的散射光，其中侧表面布置在相邻区和出射表面之间，其中具有折射率n0的介质布置成相邻于磷光体元件的第一表面，且磷光体元件具有折射率n1，其中n0小于n1，且透明材料具有折射率n2，其中n0小于n2，且其中侧表面包括TIR表面，其中TIR表面定位和成形为使得在穿过相邻区接收的直接射在TIR表面上的散射光的TIR表面上的入射角以等于或大于全内反射的临界角的入射角入射在TIR表面上。
前述和其它实施方案可各自任选地单独或组合地包括下面特征中的一个或两个。在一些实施方案中，照明器具还可包括由壳体支持的光学元件并配置成从发光设备接收光，其中从发光设备发射的光可进一步由光学元件定向和成形。光学元件可以是反射器、透镜或其它光学元件。
在另一方面中，发光设备包括发光元件(LEE)；具有面向LEE的第一表面的散射元件，其中散射元件与LEE间隔开并定位成从LEE接收至少一些光并配置成发射散射光；以及提取器，其具有侧表面并布置成接收穿过与散射元件相邻的区的散射光的一部分，其中提取器配置成发射穿过出射表面的光，其中出射表面布置在与散射元件相邻的区的远侧，且其中具有折射率n0的介质布置成相邻于散射元件的第一表面，且散射元件具有折射率n1，其中n0小于n1，且提取器具有折射率n2，其中n0小于n2，且其中侧表面定位和成形为使得在穿过相邻区接收的直接射在侧表面上的散射光的侧表面上的入射角等于或大于全内反射的临界角。
前述和其它实施方案可各自任选地单独或组合地包括下面特征中的一个或两个。在一些实施方案中，散射元件可被成形为半球。在一些实施方案中，提取器还可包括光导，其中光导可延伸到侧表面并包括出射表面。
前述和其它实施方案可各自任选地单独或组合地包括下面特征中的一个或两个。在一些实施方案中，光学元件可以是反射器。在一些实施方案中，光学元件可以是透镜。
附图简述
图1A-1C示出具有全内反射提取器元件的发光设备的实施方案的截面图。
图2-3示出具有非平面散射元件的发光设备的实施方案的截面图。
图4示出具有包括反射元件的提取器元件的发光设备的实施方案的截面图。
图5-6示出包括具有非平面出射表面的提取器元件的发光设备的实施方案的截面图。
图7示出具有二次反射器的发光设备的实施方案的截面图。
图8A-8B示出包括具有辅助光学元件的发光设备的照明器具的实施方案的截面图。
图9示出具有TIR提取器元件的发光设备的实施方案的截面图。
图10A-10C示出具有弯曲散射元件的发光设备的各种实施方案的截面图。
使用相同的参考数字来标识在不同附图中的相似的元件。
详细描述
图1A示出具有全内反射(TIR)提取器元件130的发光设备100的例子的横截面侧视图。发光设备100包括底部基底150、发光元件110(例如蓝色泵浦发光二极管(LED))、散射元件120(例如磷光体元件)连同提取器元件130。散射元件120具有与发光元件110间隔开并定位成接收从发光元件110发射的光的输入表面115。发光元件110在底部基底150上布置在至少部分地由输入表面115界定的开口中。根据实施方案，发光设备100可具有通常圆锥形、环形、细长或其它形状。这样的形状可以相对于平面或轴是对称的或不对称的。例如，发光设备100可具有关于光轴的连续或离散旋转对称性。这样的光轴可交叉或可以在发光设备100的外部。
通常，底部基底150相对于输入表面115支承发光元件110。在发光设备100中，底部基底150具有发光元件110被放置于的凹部和侧表面155。侧表面155可以是反射的(例如反射镜或高反射性扩散散射表面)，且由发光元件110发射的光的至少一部分朝着散射元件120由侧表面155反射。散射元件120和底部基底150一起围住发光元件110并形成机壳140。发光元件110被示为具有圆顶形封装用于有效的光提取。虽然发光元件110在本文的附图中被示为单个元件，对本领域中的技术人员很明显，发光元件110可包括多个发射器，例如在单个封装中的发射器的阵列或都布置在机壳140内的底部基底上的发光元件的阵列。
散射元件120在图1A所示的实施方案中实质上是平面的，且底部基底的凹部被成形为使得发光元件110与散射元件120间隔开。在散射元件包括磷光体的实施方案中，这样的散射元件可被称为“远程磷光体”。机壳140填充有介质(例如气体，例如空气或惰性气体)。散射元件120耦合到提取器元件130以形成包括散射元件120和提取器元件130之间的接触区或由散射元件120和提取器元件130之间的接触区界定的光学界面125，提取器元件130通过光学界面125接收由散射元件120输出的光。光学界面125与散射元件120的输入表面115相对。散射元件120具有实质上一致的厚度，使得在光学界面125和散射元件120的输入表面115之间的距离在整个光学界面125上是近似不变的。
散射元件120包括弹性散射中心、非弹性散射中心或弹性和非弹性散射中心。非弹性散射中心将从发光元件110接收的至少一些光(例如泵浦光)转换成较长波长的光。例如，发光元件110可发射蓝光，且散射元件120可包括将蓝光转换成黄光的非弹性散射中心(例如磷光体)。弹性散射中心各向同性地散射从发光元件110接收的至少一些光而不改变光的波长。换句话说，弹性散射中心使入射光的传播方向随机化而不改变其波长。这些散射中心散射来自发光元件110的光和非弹性地从其它散射元件散射的光。结果是在方向上实质上各向同性的光和来自发光元件110的光和较长波长非弹性散射光的光谱混合。这个混合光通过光学界面125由提取器元件130接收。
散射元件的例子包括例如也被称为光致发光的光转换材料或颜色转换材料。光转换材料可包括光致发光物质、荧光物质、磷光体、量子点、基于半导体的光学转换器等。光转换材料也可包括稀土元素。光转换材料可由可分散或溶解在散射元件120中的固体微粒或荧光分子(例如有机染料)组成。散射元件120可包括具有不同的特性例如将泵浦光转换成具有不同范围的波长的光的光转换材料的混合物或弹性散射中心和包括光转换材料的非弹性散射中心的混合物。例如，非弹性散射荧光染料分子可连同具有与散射元件120的基本材料不同的折射率的固体弹性散射微粒一起溶解在散射元件120的基本材料中。
散射元件120可被形成为与提取器元件130分离的零件，或它可整体地被形成为在提取器元件130内的区。例如，散射元件120可被形成为具有分散在其体积内并遍及其体积的散射中心的一块透明材料，或形成为具有沉积在其一个或两个表面上的散射中心的无阻碍基底。在一些实施方案中，散射元件120可以是具有沉积在输入表面115上的散射中心或具有沉积在与输入表面115相对的表面，即，相邻于光学界面125的表面上或在这两个表面上的散射中心的无阻碍基底。在一些实施方案中，可通过将散射中心分散到在发光元件110附近的提取器元件的薄区内或通过将提取器元件包覆模制到散射元件中以形成与提取器元件一起被集成为单个零件的散射元件来形成散射元件。
在某些实施方案中，最小化在散射元件120中起源并进入提取器元件130中的光的光反射损耗是合乎需要的，如稍后将更详细讨论的。如果散射元件120被形成为与提取器元件130分离的零件，则散射元件120可被放置成在发光设备100的组装期间例如使用压力与提取器元件130光学接触，或两个零件120和130可沿着光学界面125经由浸没例如一层透明光学粘合剂来连接，或散射元件120和提取器元件130可例如整体地形成。在本文讨论如果散射元件120的折射率接近提取器元件130的折射率则可出现的效应。因此，散射元件120的折射率可以指一个或多个化合物的折射率或其平均折射率。根据实施方案，散射元件的化合物可包括一种或多种宿主材料、嵌入其中的散射元件和/或其它化合物。
提取器元件130由透明材料例如透明玻璃或透明有机聚合物(例如硅酮、聚碳酸酯或丙烯酸酯聚合物)形成。提取器元件130具有一个或多个侧表面138和出射表面135。侧表面138定位和成形为使得在由散射元件120输出并直接射在侧表面138上的光的侧表面138上的入射角等于或大于全内反射的临界角。因此，侧表面138配置成提供全内反射(TIR)并朝着出射表面135反射射在侧表面138上的实质上所有光。例如，光线126和128由散射元件120输出并经由TIR朝着出射表面135由侧表面138重定向。出射表面135是透明表面，由提取器元件130接收的光通过该透明表面被输出。注意，虽然侧表面138在图1A中被示为延伸以与出射表面135共用公共角或边缘，其它配置是可能的，例如提取器元件可具有影响小部分光线的集成安装或定位特征或表面。类似地，虽然侧表面138被示为终止于光学界面125的扁平延伸部分，侧表面的下角或边缘可紧邻散射元件的外边缘而终止。
图1B示出具有扁平光学界面125的发光设备的截面图，其中在光学界面125处的散射元件的宽度实质上与提取器的底部的宽度相同。提供紧凑的窄提取器元件130的侧表面138’的剖面遵循方程(方程1)：R(t)＝Exp(t*Tan(g))，假设光学界面125是一个单位宽。在这里R(t)是在相对于x轴的角度t下离侧表面138’上的点P的坐标系的原点的距离。对于确保在扁平光学表面处起源的所有光线的TIR的紧凑提取器，g等于由t_crit＝Arcsin(n_ambient/n_extractor_element)给出的全内反射t_crit的临界角。通常，方程1描述被称为等角螺线(也被称为对数螺线)的曲线，其为可实现TIR条件的紧凑形状。
为了提供直接从扁平光学界面125发出的所有光线的TIR，g大于或等于临界角。例如可基于大于临界角的参数g来使提取器成形，如果制造公差需要被补偿以维持在侧表面处的TIR。如果周围介质具有实质上1的折射率n_ambient，则紧凑提取器的R(t)可被表示为R(t)＝Exp(t/Sqrt(n_extractor_element^2-1))，其中n_extractor_element是光学提取器130的折射率。
根据实施方案且如图1A所示，在光学界面125处的提取器元件130可以比散射元件120宽。如果光学界面125的底部比散射元件120宽，则侧表面的形状可遵循上面提到的方程，可在z方向上扩大，同时维持TIR反射的临界角条件，或具有例如另一形状。此外，提取器元件130的高度通常由根据上面的方程1提供相应的半径R(t_max)的最大角(Error！Reference source not found.t_max)确定，但可被系统的其它方面例如从侧表面反射的光线的角展度、在侧表面的不同点之间的串扰或例如其它方面限制。注意，提取器元件可具有不同或相同形状的两个或多个侧表面。
根据实施方案，如果以特定的方式使侧表面成形，则可提供光线的角展度的控制。例如，可使侧表面的一个或多个部分成形以确保从侧表面反射的光线保持在出射角的规定范围内。可使用下面的方程(方程2)来定义这样的形状：R(t)＝k/(1-Cos[d-t])，t>d+2g-Pi，这确保反射光线的出射角不超过角参数d。相对于x轴来测量包括出射角的所有角度。仍然参考图1B，在侧表面上的给定点P处，从在光学界面处在坐标系x＝z＝0的原点起源的光线产生的反射光线具有最大出射角。从沿着光学界面从其它点起源的其它光线产生的、来自同一点P的反射光线具有较小的出射角。参数k可被调节以在例如方程1和方程2之间连续地转变侧表面的形状。注意，根据方程2，对于不满足对上面的方程2提到的条件Error！Reference source not found.t>d+2g-Pi的角度t，根据方程2，TIR可以不对射在侧表面上的来自扁平光学表面的光出现。
图1C示出示例提取器元件131的截面，其中侧表面139和139’的部分根据方程2来成形。在角度t<d+2g-Pi下的侧表面138和138’的部分根据方程1来成形以确保TIR。侧表面可以是绕轴117连续旋转对称的或具有沿着垂直于图1C的截面平面的轴的平移对称性。在光学界面125处的提取器元件131具有与散射元件120相同的宽度/直径。如果光学界面125的底部比散射元件120宽，则侧表面的形状可遵循上面提到的方程，可在z方向上扩大，同时维持TIR反射的临界角条件，或具有例如另一形状。此外，可确定提取器元件131在z方向上的长度，使得直接射在出射表面135’上的光线的角展度可被限制到+/-(d-Pi/2)的角范围或根据例如其它考虑因素而被限制。
根据实施方案，侧表面可具有除了在上面的方程中提到的形状以外的其它形状。例如，侧表面可由具有适当地大的张角的截锥形提取器元件界定并实质上遵循倾斜笔直截面。侧表面的其它形状是可能的，该侧表面也可确保相对于在入射点处的侧表面的表面法线的来自在侧表面处的光学界面125的进入光线的入射角大于TIR的临界角。因此，随着离光学界面125的距离增加，这样的提取器元件可以比图1A所示的提取器元件更快地变宽。然而不是更宽的所有可能的提取器元件都必须需要提供可提供来自光学界面的所有直射光线的TIR的侧表面。根据实施方案，侧表面可包括被成形为提供不同的光束成形功能的部分且因此由可仍然维持TIR的不同方程规定。同样，对于被成形为使得它们不确保TIR的侧表面的那些部分，高反射可由例如涂敷到侧表面的那些部分的反射涂层提供，对于那些部分，不确保TIR，但高反射是期望的。
关于一个或多个对称平面，对称的、紧凑的窄提取器元件的侧表面138的剖面可以是相对于发光设备的光轴113的侧表面138’的剖面的镜像倒转。不对称提取器元件不需要遵守这个条件。注意，根据实施方案，提取器元件130可具有绕光轴113或平行于其的轴的连续或离散旋转对称性，或它可具有沿着垂直于图1B的截面平面的轴的平移对称性。因此，发光设备垂直于其光轴的截面可具有圆形、矩形或其它形状。
参考图1A，通常，例如光离开在被称为照明锥体或光束展度的角范围内的出射表面135。这个锥体的角范围，除了别的以外，还取决于侧表面138和出射表面135的形状。在一些实施方案中，角范围FWHM-全宽半高)可能相对大，例如大约55°或更大。在其它实施方案中，角范围可以小(例如大约30°或更小)。中间角范围也是可能的(例如从大约30°到大约55°)。侧表面和/或出射表面的形状可被设计成使用光学设计软件例如Zemax和Code V给出期望照明锥体。照明锥体可展示急剧截止。换句话说，角范围(照明强度在该角范围内从例如最大强度的90％下降到例如最大强度的10％)可以很小(例如大约10°或更小、大约8°或更小、大约5°或更小)。在照明锥体内，光可展示良好的均匀性。例如，强度和/或光谱成分可在整个照明锥体内相对小地改变。发光设备可配置成使得在具有最少变化的全高半宽(FWHM)锥体的80％内，强度变化被限制到小于例如20％。
机壳140布置和配置成恢复穿过输入表面115传播到机壳140的介质内的散射光的至少一部分。这意味着机壳140将散射光的至少一部分朝着散射元件120重定向，使得这个光的至少一些离开散射元件120进入提取器元件130内。机壳140的设计可被选择为减小返回到发光元件110(其中散射光被吸收)的散射光的数量。机壳140也可配置成将光的一大部分从发光元件110定向到散射元件120。
通常，在机壳140中的介质具有折射率n0，且散射元件120具有折射率n1，其中n0<n1。注意，在散射元件120由复合材料形成的场合，n1是元件的有效折射率。来自散射元件120的到达输入表面115的光被称为逆光。因为n0<n1，输入表面115允许逆光的仅仅一部分逸出到机壳140的低折射率介质内。在折射率n0和n1中的差异越大，返回到机壳140的逆光的这部分就越小。以等于或大于临界角的角度入射在输入表面115上的在散射元件120内的一些光受到全内反射，所以这个光一点也没有返回到机壳140。
例如，提取器元件130的透明材料具有折射率n2，其中n0<n2。这意味着在散射元件120和机壳140之间的折射率失配不同于在提取器元件130和散射元件120之间的折射率失配，且入射在这些界面处的在散射元件120内的光的透射特性相应地不同。通常，折射率失配被选择成使得光的前向透射(即，从散射元件到提取器元件内)大于在机壳140的低折射率介质内的后向透射，且发光设备100非对称地传播散射光。
在这样的情况下，根据在n1/n0和n2/n1之间的不对称程度，可提供前向到后向光透射的变化的比。认为如果n2等于n1(没有对前向透射的失配)且n0<<n1(对后向透射的大失配)，则在前向到后向光透射中的最大不对称被达到。而且，如果n1>>1，则可实现更好的结果，用于增加在后表面处的TIR的机会(小逸出锥体)。以在散射元件的相对侧上的不对称光学表面(即，不同的折射率失配)为特征的发光设备被称为不对称散射光阀(ASLV)或ASLV发光设备。
在图1A所示的设备中，光传播不对称例如由于机壳140中的介质(折射率n0)和提取器元件130的材料(折射率n2)不同而产生。为了通过特定的例子说明不对称传播，如果n1＝n2＝1.5且n0＝1.0(即，n0<n1)，则射在输入表面115上的各向同性地分布的光子的一大部分(例如～75％)通过全内反射(TIR)反射回到散射元件120中，且只有一小部分(例如～25％)向后透射到机壳140内，一些光子可从机壳140到达发光元件110。在光学界面125处，对条件n1大约等于n2的布置可使到达光学界面125的一大部分光子转移到提取器元件130内。
在n1不接近n2的一些实施方案中，n2稍微高于n1或使n2/n1<n1/n0尽可能多以便最大化传播不对称性可能是优选的。在一些实施方案中，光学界面125包括光学粘合剂，其中光学粘合剂的折射率接近散射元件120或提取元件130的折射率且例如在n1和n2之间或稍微高于那两个折射率中的较高折射率可能是优选的。
虽然图1A-1C所示的散射元件120是平面的(即，它包括共面相对的表面115和125)，其它形状也是可能的。例如，非平面散射元件例如弯曲散射元件是可能的。参考图2，例如在一些实施方案中，发光设备200包括以半月板的形式的，即，具有凹和凸表面的具有均匀厚度的非平面散射元件220。在设备200中，散射元件220的凹表面面向发光元件110，形成在发光元件110之上的外壳。发光设备包括底部基底250、散射元件220和提取器元件230。发光元件110布置在底部基底250的表面上。底部基底250是平面的，且发光元件110被布置于的表面可以是反射的(例如反射镜)以朝着散射元件220反射由发光元件110发射的光的一部分。散射元件220和底部基底250的至少一部分一起围住发光元件110并形成机壳240。
散射元件220与发光元件110间隔开，形成可被填充有低折射率介质(例如气体，例如空气或惰性气体)的机壳240。散射元件220耦合到提取器元件230以形成光学界面225，提取器元件230通过光学界面225接收由散射元件220输出的光。
与上面描述的提取器元件130一样，提取器元件230具有侧表面238和出射表面235。侧表面238被成形为提供从散射元件220射在侧表面238上的至少一些光的TIR。所反射的光可然后朝着出射表面235重定向。例如，光线224、226和228由散射元件220输出并经由TIR朝着出射表面235由侧表面238重定向。下面进一步描述具有被成形为经由TIR从半球形散射元件反射实质上所有光的发光设备的例子。
弯曲的非平面散射元件的其它配置也是可能的。例如，图3示出具有半月板形散射元件320的发光设备300的例子的横截面侧视图，然而在这里散射元件的凸表面面向发光元件。类似于发光设备200，发光设备300包括底部基底350、发光元件110、散射元件320和提取器元件330。底部基底350具有发光元件110被放置于的凹部和侧表面355。侧表面355可以是反射的(例如反射镜)，且由发光元件110发射的光的至少一部分朝着散射元件320由侧表面355反射。
散射元件320与发光元件110间隔开。散射元件320和底部基底350一起围住发光元件并形成机壳340。散射元件320耦合到提取器元件330以形成光学界面325，提取器元件330通过光学界面325接收由散射元件320输出的光。
关于现有的实施方案，提取器元件330具有侧表面338和出射表面335。侧表面338被成形为提供TIR并朝着出射表面335反射射在侧表面338上的实质上所有光。
虽然在现有实施方案中的侧表面被成形为使得没有光以小于临界角的角度入射在侧表面的任何点上，其它配置也是可能的。例如在一些实施方案中，侧表面的一部分可从散射元件以小于临界角的角度接收光。在这样的情况下，在侧表面处阻挡离开提取器的光以便避免来自发光元件的不想要的无关光发射可能是合乎需要的。阻挡的光可被吸收或反射。反射光以便提高发光设备的效率通常是合乎需要的。例如，图4示出具有包括一个或多个反射元件432的提取器元件430的发光设备400的例子的横截面侧视图。发光设备400包括底部基底450、发光元件110、散射元件420和提取器元件430。反射元件432耦合到提取器元件430的侧表面438并布置成朝着提取器元件430的出射表面435反射由散射元件420输出的一些光。
通常，可在不提供TIR以将通过侧表面逸出的光重定向回到提取器元件中的提取器元件430的侧表面438的部分处实现反射元件432。
例如，光线426和428由散射元件420输出并朝着提取器元件430的出射表面435重定向。光线428经由TIR由侧表面438重定向。光线426以小于TIR的临界角的角度射在侧表面438上，且因此穿过侧表面438，但通过反射元件432重定向回到提取器元件中。反射元件432可作为反射涂层涂敷或放置到侧表面438，或它们可通过另一机械机构(未示出)保持在适当的位置上。
虽然图4中的反射表面位于提取器元件的侧表面的下部分处，但是反射表面可位于不提供TIR的侧表面的任何其它部分处。
在图4中，散射元件420被示为在提取元件430中凹进。在这种情况下，光学界面425沿着可以是圆盘形状的散射元件420的顶表面且向下沿着圆盘的侧面延伸。这样的配置可在捕获来自散射元件420的发射时提供高效率。可使用光学粘合剂以填充光学界面425或与提取器元件430一起单块地制造图4的配置。
虽然图1-4所示的出射表面是平面的，但是其它形状也是可能的。例如，出射表面的全部或一部分可以是弯曲的。图5示出包括具有非平面出射表面535的提取器元件530的发光设备500的例子的横截面侧视图。由散射元件520输出的光至少部分地经由TIR在提取器元件530的侧表面538处朝着出射表面535重定向。出射表面535是配置成输出由散射元件520接收的光的透明表面。
在一些实施方案中，出射表面535被定位和成形为使得在由散射元件520提供的、直接射在出射表面535上的混合光的出射表面535上的入射角小于全内反射的临界角，且因此这样的光通过出射表面535输出而没有TIR。例如，出射表面535可配置成将这样的光输出到空气中而没有TIR且只经由菲涅耳反射根据偏振和入射角来反射低至大约～4％或更低的一小部分。
可在出射表面535上使用抗反射涂层。通常，当设计出射表面535和侧表面538时，当优化发光设备500的光束图样和光学损耗时应考虑在直接从散射元件520入射到出射表面535上的光和在射在出射表面535之前从侧表面538反射的光的出射表面535处的TIR。在一些实施方案中，可形成侧表面538和出射表面535的形状，使得入射角被限制到比刚好低于TIR的临界角(例如布儒斯特角)更小的角度，以进一步减小菲涅耳反射。
图6示出包括具有非平面出射表面635的提取器元件630的发光设备600的另一例子的横截面侧视图。由散射元件620输出的光朝着出射表面635至少部分地经由在提取器元件630的侧表面638处的TIR重定向。出射表面635是透明表面并可被成形为提供期望照明图样。在图6中，出射表面635包括多个不同形状的部分，由提取器元件630接收的光通过所述部分来输出。
图7示出具有二次反射器732的发光设备700的横截面视图。由散射元件720输出的光朝着提取器元件730的出射表面735至少部分地经由在提取器元件730的侧表面738处的TIR重定向。出射表面735是透明表面，从散射元件接收的光通过该透明表面被输出。二次反射器732布置和配置成将通过出射表面735输出的至少一些光重定向。在一些实施方案中，二次反射器732通过框架(未示出)保持相邻于提取器元件730的出射表面735。
通常，可构造包括壳体以支持一个或多个发光设备的照明器具。这样的照明器具可提供用于安装并瞄准一个或多个发光设备的装置，并且也可以任选地包括用于将电功率连接到一个或多个发光设备的装置。将从一个或多个发光设备发出的光图样进一步定向或成形的额外的任选光学元件也可合并到照明器具中。
图8A和8B示出具有任选的辅助光学元件的照明器具的实施方案的截面图。图8A所示的照明器具800包括发光设备860(例如图1-6所示的发光设备)和支持并保护发光设备860的壳体810。壳体810可包括便于照明器具800的安装的结构(未示出)。照明器具800可提供例如用于将发光设备860电连接到照明器具之外的电源的装置。电连接820被示意性地示为电线，但可包括其它连接装置例如柔性电路、印刷电路板、连接器触头或本领域中已知的其它电连接装置。
在一些实施方案中，发光设备860可耦合到冷却设备例如散热器830。任选的冷却设备830可用于从在发光设备860内的发光元件的区域移除热。冷却设备830可以是无源的(包括例如用于自由对流的鳍状物)或可合并有源冷却机构例如风扇或热电设备。照明器具800也可包括任选的电子模块840。电子模块840可包括额外的电子设备，例如将可以是例如线电压AC的干线功率转换成适合于驱动在发光设备860内的发光元件的类型(例如DC)和电平的电压和电流的转换电子设备。其它功能也可合并到电子模块840中，包括但不限于用于调光、与照明器具800之外的控制器通信和周围环境特征例如亮度级、人的在场的感测的控制器。
照明器具800的壳体810也可支持额外的光学元件，例如反射器850。反射器850可用于从发光设备860输出的光的定向、分布或成形。例如，以相对于照明器具800和发光设备860的轴的大角度发射的光可通过反射器850的正确设计被重定向到在照明器具800的远场中的较窄光束图样中。
图8B所示的照明器具805还包括发光设备860和支持并保护发光设备860的壳体810。照明器具800还包括透镜855作为耦合到壳体810的额外光学元件。透镜855可配置成执行额外的光学功能例如扩散光以实现期望图样或减少眩光，并可合并额外的结构以实现这些功能。虽然未示出，但是照明器具的一些实施方案可包括反射器850和透镜855。
图8A和8B所示的照明器具是示例性实施方案。其它实施方案可使用反射器或透镜的不同配置、反射器和透镜的组合和/或在发光设备的照明器具内相对于反射器或透镜的不同相对位置，如对本领域中的技术人员明显的。例如，与图8A所示的反射器不同的形状和不同地定向的反射器可用于沿着与发光设备的轴不同的轴使光重定向。在一些实施方案中，透镜可以是例如菲涅耳透镜或多个透镜的系统。除了使光定向或集中以外的其它功能可由透射光学元件例如透镜或反射光学元件例如反射器执行。例如，透镜或反射器可具有合并在它们内或在它们的表面上的结构例如小规模粗糙度或微透镜，其设计成使远场中的光扩散或成形。在一些实施方案中，可使用反射器和透镜和/或额外透射光学元件的组合。
虽然反射表面例如如图2所示的底部基底250或如图4所示的反射元件432的反射表面可用于使提取器元件内的光朝着出射表面重定向，但是提取器元件可被形成以提供射在提取器元件的侧表面上的实质上所有光的TIR。
图9示出具有非平面散射元件920的示例发光设备900的截面图。发光设备900包括TIR提取器元件930。TIR提取器元件930包括侧表面938，其被成形为提供TIR并根据实施方案朝着相应的出射表面935’或935反射从散射元件920射在侧表面938上的实质上所有光。在一些实施方案中，TIR提取器元件930可包括通量变换元件932和光导934。通量变换元件932将由散射元件920输出的光变换成具有在光导934的TIR角内的角分布的光。光导934经由TIR朝着出射表面935引导从通量变换元件932接收的光。包括通量变换元件和光导的提取器元件的概念通常应用于图9的实施方案，并可进一步应用于当前技术的其它实施方案。
其提供描述在截面的平面中的TIR侧表面的形状的R(t)的逆函数，其中散射元件具有圆形形状。因此，散射元件可具有例如球形、圆柱形或其它形状。在这里，R(t)是在相对于x轴的角t下在侧表面938上的点P离坐标系的原点的距离，且g等于或大于由Arcsin(n_ambient/n_extractor_element)给出的临界角。坐标系的原点被设置为与界定球形/圆柱形散射元件的圆形截面的单位圆或球体的中心重合。R(t)可按比例调整以适应具有除了一以外的半径的球形散射元件。t0确定侧表面的底部起始点，且因此可适合于与具有如图10A-10C中所指示的不同的角范围的球形散射元件的底边缘重合。例如，t0可适合于适应具有小于半球(类似于图10A)、实质上半球(类似于图10B)或大于半球(类似于10C)的角范围的球形散射元件。注意，图10A到10B预期示出具有不同的散射元件的不同发光设备，散射元件具有包括圆柱形形状、球形形状或其它形状的通常弯曲的光学界面。这样的发光元件可具有例如形成椭圆形或另外成形的光学界面的散射元件。这样的界面可以例如是平滑的或实质上有小面的。
提取器元件930的高度可根据上面提到的方程由最大角度t_max和相应的R(t_max)确定，但例如可被系统的其它方面例如被从侧表面反射的光线的角展度、在侧表面的不同点之间的串扰或其它方面限制。注意，提取器元件可具有不同形状的侧表面。
根据实施方案，侧表面可具有除了在上面提到的方程中规定的以外的其它形状。例如，侧表面可由具有适当地大的张角的截锥形提取器元件界定，并实质上遵循倾斜笔直截面。具有旋转、平移或无对称性的其它形状是可能的，只要侧表面确保在相对于入射点处的侧表面的表面法线的在侧表面处从光学界面进入的光线的入射角大于TIR的临界角。因此，随着离光学界面的距离增加，这样的提取器元件可以比图9和10A-10C所示的提取器元件更快地变宽。光学界面有离光学界面的增加的距离。然而，不是更宽的所有可能的提取器元件都必须需要提供可提供来自光学界面的所有直射光线的TIR的侧表面。根据实施方案，侧表面可包括被成形为提供不同的功能的部分且因此可由不同的方程规定。
对称的、紧凑的窄提取器元件的侧表面938的剖面可以是相对于提取器元件的光轴的侧表面的剖面的镜像倒转。注意，根据实施方案，提取器元件可具有绕光轴或平行于其的轴的连续或离散旋转对称性，或它可具有沿着垂直于图9的截面平面的轴的平移对称性。因此，发光设备垂直于其光轴的截面可具有圆形、矩形或其它形状。
通量变换元件的形状根据散射元件的形状而改变，通量变换元件通过散射元件接收光。例如，通量变换元件可以是具有半球形散射元件的轴对称的、完全非传导性结构。其它实施方案包括但不限于超半球形散射元件。
图10A-10C示出具有弯曲散射元件(例如磷光体结构)的TIR发光设备的例子。在发光设备1002、1004和1006中，相应的散射元件1020-A、1020-B和1020-C的凹表面面向发光元件110，形成在发光元件之上的外壳。发光设备1002、1004和1006包括底部基底1050-A、1050-B和1050-C、散射元件1020-A、1020-B和1020-C、通量变换元件1032-A、1032-B和1032-C以及光导1034-A、1034-B和1034-C。
发光元件110布置在相应的底部基底1050-A、1050-B和1050-C的表面上。底部基底1050-A、1050-B和1050-C是平面的，且发光元件被布置于的表面可以是反射的(例如反射镜)以朝着相应的散射元件1020-A、1020-B和1020-C反射由发光元件110发射的光的一部分。散射元件1020-A、1020-B和1020-C和底部基底1050-A、1050-B和1050-C的至少一部分一起围住相应的发光元件110并分别形成机壳1040-A、1040-B和1040-C。
散射元件1020-A、1020-B和1020-C与相应的发光元件110间隔开，形成被填充有低折射率介质(例如其它，例如空气或惰性气体)的机壳1040-A、1040-B和1040-C。散射元件1020-A、1020-B和1020-C耦合到相应的通量变换元件1032-A、1032-B和1032-C以形成光学界面，通量变换元件1032-A、1032-B和1032-C通过该光学界面接收由相应的散射元件1020-A、1020-B和1020-C输出的光。
通量变换元件1032-A、1032-B和1032-C和光导1034-A、1034-B和1034-C如果存在则具有被成形为提供TIR并分别朝着出射表面1035-A、1035-B和1035-C反射从相应的散射元件1020-A、1020-B和1020-C射到侧表面上的实质上所有光。例如，光线1024-A、1024-B和1024-C由散射元件1020-A、1020-B和1020-C输出并由相应的侧表面经由TIR朝着出射表面1035-A、1035-B和1035-C重定向。
图10A示出被成形为球形截面的散射元件1020-A，图10B示出被成形为半球形的散射元件1020-B，以及图10C示出被成形为超球形截面的散射元件1020-C。为了提供TIR，通量变换元件的侧表面成形为使得它们相应于散射元件的特定形状。例如，如图10A-10C所示，被成形为球形截面例如1020-A的散射元件的通量变换元件的TIR侧表面的曲率比被成形为半球形例如1020-B或超球形例如1020-C的散射元件的通量变换元件的TIR侧表面的曲率窄。弯曲散射元件的其它配置例如椭圆或抛物面形状也是可能的。
包括通量变换元件和光导的提取器元件的概念按照设计允许发光元件的部件按照功能来分开。例如，通量变换元件可配置成将由散射元件提供的辐射图样变换成有效地耦合到光导中的辐射图样。通量变换元件也可配置成提供具有某个通量剖面的光，且光导可配置成只转变或进一步变换这样的通量剖面。根据实施方案，提取器元件还可配置成补偿包括在提取器元件中的介质的分散。
通常，发光元件可以是例如裸发光二极管(LED)裸片或封装LED裸片，包括市场上可买到的LED。发光元件110配置成在操作期间产生并发射光。由发光元件110发射的光(也被称为泵浦光)的光谱功率分布可以是例如蓝色的。可见光的光谱功率分布被称为色度。通常，发光元件110是发射在例如电磁光谱的区或区的组合、可见光区、红外线和/或紫外线区中的辐射的设备，当例如通过在它两端施加电位差或使电流穿过它来启动时。发光元件110可具有单色、准单色、多色或宽带光谱发射特性。
单色或准单色的发光元件的例子包括半导体、有机、聚合物/聚合发光二极管(LED)。在一些实施方案中，发光元件110可以是发射辐射的单个特定的设备，例如LED裸片，和/或可以是一起发射辐射的特定设备的多个实例的组合。这样的发光设备110可包括特定的一个或多个设备被放置于的壳体或封装。作为另一例子，发光元件110包括一个或多个激光器或更多的激光器(例如半导体激光器)，例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和边缘发射激光器。在利用半导体激光器的实施方案中，散射元件起作用来减少(或消除)激光器光的空间和时间相关性，这可能是有利的，其中发光设备可直接由人观看。发光元件110的另外的例子包括超发光二极管和其它超发光设备。
而且，虽然散射元件在附图中被示为具有不变的厚度，但是散射元件的厚度也可随着位置而改变。虽然附图只示出一个发光元件，也可使用多个发光元件。例如，可在发光设备中使用多个泵浦光发光元件、一个或多个泵浦光发光元件和一个或多个色光发光元件(例如红色LED)、一个或多个白光发光元件和一个或多个色光发光元件、或一个或多个白光发光元件。如果使用白光发光元件，则发光设备可包括只有弹性散射中心而不是弹性和非弹性散射中心的散射元件。
通常，本文描述的发光设备可具有各种形状因子。在一些实施方案中，它们可被形成为配合标准光插座(例如爱迪生插座)和/或可形成为代替常规(例如白炽或紧凑荧光)灯泡。例如，发光设备可被形成为代替PAR型灯泡或A型灯泡(例如A-19)。每个所述实施方案在横截面中示出。通常，发光设备可以是旋转对称的或非旋转对称的(例如沿着页面的平面之外的轴延伸)。
因此，其它实施方案在下面的权利要求中。

Claims (26)

1.一种发光设备，包括：
发光二极管(LED)，其配置成在操作期间发射泵浦光；
磷光体元件，其具有面向所述LED的第一表面，所述磷光体元件与所述LED间隔开并定位成从所述LED接收至少一些泵浦光并发射散射光；以及
提取器，其包括透明材料，所述提取器具有出射表面和侧表面，并布置成接收穿过相邻于所述磷光体元件的区的散射光的一部分并输出穿过所述出射表面的散射光，所述侧表面布置在相邻区和所述出射表面之间，其中
具有折射率n0的介质布置成相邻于所述磷光体元件的所述第一表面，且所述磷光体元件具有折射率n1，其中n0<n1，且所述透明材料具有折射率n2，其中n0<n2，以及
所述侧表面包括TIR表面，所述TIR表面定位和成形为使得在穿过所述相邻区接收的直接射在所述TIR表面上的所述散射光的所述TIR表面上的入射角以等于或大于全内反射的临界角的入射角入射在所述TIR表面上。
2.如权利要求1所述的发光设备，其中所述磷光体元件配置成非弹性地散射至少一些所述泵浦光并弹性地散射至少一些所述泵浦光。
3.如权利要求1所述的发光设备，其中所述TIR表面延伸到所述出射表面。
4.如权利要求1所述的发光设备，其中所述TIR表面延伸到所述相邻区。
5.如权利要求1所述的发光设备，其中所述磷光体元件是平面的。
6.如权利要求1所述的发光设备，其中所述磷光体元件是外壳。
7.如权利要求6所述的发光设备，其中所述外壳相对于所述出射表面是凸的。
8.如权利要求1所述的发光设备，还包括在所述侧表面的一部分上的反射层。
9.如权利要求1所述的发光设备，还包括与所述侧表面的至少一部分间隔开并沿着其延伸的反射元件，所述反射元件配置成将从所述侧表面逸出的光的一部分重定向回到所述提取器。
10.如权利要求8或9所述的发光设备，其中所述磷光体元件至少部分地在所述提取器中凹进。
11.如权利要求1所述的发光设备，其中所述出射表面是非平面的。
12.如权利要求11所述的发光设备，其中所述出射表面包括多个不同地成形的部分。
13.如权利要求1所述的发光设备，其中所述出射表面定位和成形为使得在穿过所述相邻区的直接射在所述出射表面上的所述散射光的所述出射表面上的入射角小于全内反射的临界角。
14.如权利要求1所述的发光设备，其中所述出射表面定位和成形为使得在穿过所述相邻区的直接射在所述出射表面上或在从所述TIR表面的TIR之后射在所述出射表面上的所述散射光的所述出射表面上的入射角小于全内反射的临界角。
15.如权利要求1所述的发光设备，其中n1≤n2。
16.如权利要求1所述的发光设备，其中所述磷光体元件包括非弹性和弹性散射中心。
17.如权利要求16所述的发光设备，其中所述散射光是各向同性地散射的光。
18.如权利要求1所述的发光设备，还包括相邻于所述提取器的二次反射器，所述二次反射器配置成将从所述提取器输出的光重定向。
19.如权利要求18所述的发光设备，其中所述二次反射器具有布置成接近所述出射表面的输入孔。
20.一种照明器具，包括：
壳体；以及
发光设备，其由所述壳体支持并包括：
发光二极管(LED)，其配置成在操作期间发射泵浦光；
磷光体元件，其具有面向所述LED的第一表面，所述磷光体元件与所述LED间隔开并定位成从所述LED接收至少一些泵浦光并发射散射光；以及
提取器，其包括透明材料，所述提取器具有出射表面和侧表面，并布置成接收穿过相邻于所述磷光体元件的区的散射光的一部分且输出穿过所述出射表面的散射光，所述侧表面布置在所述相邻区和所述出射表面之间，其中
具有折射率n0的介质布置成相邻于所述磷光体元件的所述第一表面，且所述磷光体元件具有折射率n1，其中n0<n1，且所述透明材料具有折射率n2，其中n0<n2，以及
所述侧表面包括TIR表面，所述TIR表面定位和成形为使得在穿过所述相邻区接收的直接射在所述TIR表面上的所述散射光的所述TIR表面上的入射角以等于或大于全内反射的临界角的入射角入射在所述TIR表面上。
21.如权利要求20所述的照明器具，还包括由所述壳体支持并配置成从所述发光设备接收光的光学元件，其中从所述发光设备发射的光进一步由所述光学元件定向和成形。
22.如权利要求21所述的照明器具，其中所述光学元件是反射器。
23.如权利要求21所述的照明器具，其中所述光学元件是透镜。
24.一种发光设备，包括：
发光元件(LEE)；
散射元件，其具有面向所述LEE的第一表面，所述散射元件与所述LEE间隔开并定位成从所述LEE接收至少一些光并配置成发射散射光；以及
提取器，其具有布置成接收穿过与所述散射元件相邻的区的散射光的一部分的侧表面，所述提取器配置成发射穿过出射表面的光，所述出射表面布置在与所述散射元件相邻的区的远侧，其中
具有折射率n0的介质布置成相邻于所述散射元件的所述第一表面，且所述散射元件具有折射率n1，其中n0<n1，且所述提取器具有折射率n2，其中n0<n2，以及
所述侧表面定位和成形为使得在穿过所述相邻区接收的直接射在所述侧表面上的散射光的所述侧表面上的入射角等于或大于全内反射的临界角。
25.如权利要求24所述的发光设备，其中所述散射元件被成形为半球形。
26.如权利要求24所述的发光设备，其中所述提取器还包括光导，所述光导沿着所述侧表面延伸并包括所述出射表面。
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