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CN110887009A - 一种照明装置及车灯 - Google Patents

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CN110887009A
CN110887009A CN201811053154.1A CN201811053154A CN110887009A CN 110887009 A CN110887009 A CN 110887009A CN 201811053154 A CN201811053154 A CN 201811053154A CN 110887009 A CN110887009 A CN 110887009A
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China
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light guide
light
lighting device
guide portion
emitting surface
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CN201811053154.1A
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陈彬
张贤鹏
李屹
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Shenzhen Appotronics Corp Ltd
Original Assignee
Appotronics Corp Ltd
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Publication date
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Priority to JP2021513395A priority patent/JP7187683B2/ja
Priority to US17/275,058 priority patent/US11454363B2/en
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Abstract

本申请公开了一种照明装置及车灯。该照明装置包括：光源，用于出射激发光；光导包括第一导光部及第二导光部，第二导光部包含一发光面，光源出射的激发光耦合进入第一导光部，并经第二导光部的发光面出射，第二导光部的垂直于光导中心线的截面的面积沿光源光轴方向逐渐减小，且第二导光部的发光面与过光导中心线的截面的交线或交线的任一切线与光导中心线的夹角为锐角。通过这种方式，能提高激发光在光导发光面的出光效率，进而提高光利用率。

Description

一种照明装置及车灯
技术领域
本申请涉及照明技术领域，特别是涉及一种照明装置及车灯。
背景技术
车辆上的灯具是影响车辆行驶安全的重要因素，车辆工业的发展对车辆灯具提出了越来越高的要求。
钨丝灯是汽车照明的常用光源，因其亮度偏低、能耗高、寿命不够长，逐渐被淘汰。为了提高光源亮度、降低能耗，研究人员开始研发一种模拟灯丝应用的激光照明装置，作为照明光源。其通过将激光光源出射的激发光耦合进入棒状导光元件，并在棒状导光元件的表面出射的方式形成。该模拟灯丝具有与钨丝灯丝相同的发光特性，同时具有亮度高、寿命长等优点，因此可代替钨丝灯应用于汽车照明领域。
为满足激光光源的散热需求，在制备照明装置时优选采用高热导率的材料，如Al2O3单晶或YAG单晶。由于Al2O3单晶或YAG单晶的折射率较高，其界面处的全反射角度相对较小。当光线传导至照明装置的光出射端时，仅有较少不满足全反射角度的光线经光出射端出射至外部，实现照明，而较多满足全反射角度的光线则无法直接从光出射端出射至外部，导致光束在照明装置内部进行多次全反射，一方面增加了照明装置的热效应，另一方面导致光的利用率较低。
发明内容
本申请主要解决的技术问题是提供一种照明装置，以提高光的利用率。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种照明装置。该照明装置包括：光源，用于出射激发光；光导，包括第一导光部及第二导光部，第二导光部包含一发光面，光源出射的激发光耦合进入第一导光部，并经第二导光部的发光面出射，第二导光部的垂直于光导中心线的截面的面积沿光源光轴方向逐渐减小，且第二导光部的发光面与过光导中心线的截面的交线或交线的任一切线与光导中心线的夹角为锐角。
该技术方案可以减小耦合进入光导的激发光入射至第二导光部的发光面的入射角，减少激发光线在第二导光部的发光面上的全反射，提高出光效率，进而提高光利用率。
在一个实施方式中，第二导光部的发光面与过光导中心线的截面的交线或交线的任一切线与光导中心线的夹角小于45度。该技术方案不仅能提高激发光的出光效率，而且能提高照明装置侧方的光线的比例，使得出射光能更有效地被利用，进一步提高光利用率。
在一个实施方式中，照明装置进一步包括功能层，功能层涂覆在第二导光部的发光面上，功能层用于将激发光转化成荧光或者对激发光进行散射，形成照明光。
在一个实施方式中，光导的第二导光部为圆锥体，其中，第二导光部的侧表面与过光导中心线的截面的交线与光导中心线夹角小于45度。
在一个实施方式中，光导的第二导光部为圆台体，其中，第二导光部的侧表面与过光导中心线的截面的交线与光导中心线夹角小于45度，且圆台体远离第一导光部的第二端面为平面或凹槽，反射层设置在平面上或凹槽内，反射层可以是漫反射层，也可以是高斯型散射反射层。该技术方案能够使得照射至平面或者凹槽的激发光经反射层反射后照射至功能层，提高光效率。
在一个实施方式中，光导的第二导光部的侧表面呈曲面，第二导光部的侧表面与过光导中心线的截面的交线相切的任一直线与光导中心线的夹角小于45度。
在一个实施方式中，光导进一步包括：散热层，散热层设置在光导的第一导光部的侧表面上，用于对光导进行散热；透明胶层，透明胶层用于将散热层粘接在第一导光部的侧表面上，使光导的热量传导至散热层，其中，透明胶层的折射率低于光入射端的折射率。该技术方案通过设置散热层能提高光导的散热性能，同时保证激发光在光入射端侧表面仍发生全反射，保持较高的光利用率。
为解决上述技术问题，本申请采用的又一技术方案是：提供一种车灯。该车灯包括上述照明装置。
本申请实施例的有益效果是：区别于现有技术，本申请实施例的照明装置包括：光源、光导，其中，光源用于出射激发光；光导，包括第一导光部及第二导光部，第二导光部包含一发光面，光源出射的激发光耦合进入第一导光部，并经第二导光部的发光面出射，第二导光部的垂直于光导中心线的截面的面积沿光源光轴方向逐渐减小，第二导光部的发光面与过光导中心线的截面的交线或交线的任一切线与光导中心线的夹角为锐角。通过这种方式，可以减小耦合进入光导的激发光入射至第二导光部的发光面的入射角，减少激发光线在第二导光部的发光面上的全反射，提高出光效率，进而提高光利用率。
附图说明
图1是本申请照明装置第一实施例的结构示意图；
图2是本申请照明装置第二实施例的结构示意图；
图3是本申请照明装置第三实施例的结构示意图；
图4是本申请照明装置第四实施例的结构示意图；
图5是图4实施例照明装置的光利用率效率仿真结果示意图；
图6是本申请照明装置第五实施例的结构示意图；
图7是本申请照明装置第六实施例的结构示意图；
图8是本申请照明装置第七实施例的结构示意图；
图9是本申请照明装置第八实施例的结构示意图；
图10是本申请车灯一实施例的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，图1是本申请照明装置第一实施例的结构示意图。本实施例照明装置101包括光源102、光导103及功能层104，其中，其中，光源102用于出射激发光，其中光源102为激光器，LED等半导体光源；光导103包括第一导光部105及第二导光部106，其中第一导光部105为包含有两底面和一柱面的柱体结构，优选为圆柱体结构，第二导光部106为包含有一底面和一锥面的锥体结构，其中锥面发光面，优选为圆锥体结构，其中第一导光部105的底面与第二导光部106的底面面积相等，用于实现第一导光部105和第二导光部106的连接。光源102出射的激发光从第一导光部105的一底面耦合进入光导103，并从另一底面出射进入第二导光部106。其中功能层104设置于第二导光部106的发光面，用于对进入第二导光部106的激发光进行波长转换或散射，第二导光部106的垂直于光导中心线N的截面(未示出)的面积沿光源光轴方向逐渐减小，且第二导光部106的发光面与过光导中心线N的截面的交线L与光导中心线N的夹角A为锐角，优选夹角A小于45度，当夹角A越小时，照明装置101侧方的光线的比例增多，使得出射光能更有效地被利用，可提高光利用率。
其中，本实施例的光源102为激光光源，采用激光光源能够提高光源耦合进入光导103的光源亮度，进一步提高照明装置101的亮度。当然，在其它实施例中，还可以采用LED其它半导体光源。
其中，本实施例的光导103的材料可以是Al2O3单晶或YAG单晶等高导热率材料，可以提高光导103的热学性能。
其中，本实施例光导103的第一导光部105还包括透明胶层107及散热层108。其中，散热层108设置在第一导光部105的外表面，用于对所述光导103进行散热；透明胶层107用于粘接第一导光部105和散热层108，使第一导光部105的热量传导至散热层108，其中，透明胶层107的折射率低于第一导光部105的折射率，以使激发光能够在第一导光部105的柱面发生全反射，降低光损耗。
其中，本实施例的第一导光部105及第二导光部106为一体成型。当然，在其它实施例中，第一导光部105及第二导光部106也可以单独成型后再连接成一体。
其中，本实施例的的第二导光部106的发光面设置功能层104，其中功能层104为波长转换层或散射层，进一步对入射的激发光进行波长转换或散射，其中波长转换层包含为可激发产生黄光的荧光材料，但在其它实施例中，波长转换层也可以为产生其它颜色的荧光材料，其中，波长转换成为荧光材料与玻璃或硅胶的混合物。当然，在其它实施例中，功能层还可以是散射层，例如功能层可以是散射粒子与玻璃或硅胶的混合物。散射层用于对光导的第二导光部的发光面出射的激发光进行散射，进一步散射粒子为Al2O3、BaSO4、MgO、TiO2等。进一步，第二导光部106的发光面为磨砂面，有助于减少激发光的全反射。
其中，在设置功能层104时，可先将功能层104预先涂覆在第二导光部106的发光面，再通过高温固化或高温烧结等工艺将功能层104粘附在第二导光部106的发光面。当然在另一个实施例，功能层104也可以单独成型后再粘接在第二导光部106的发光面。
区别于现有技术，第二导光部106的发光面与过光导中心线N的截面的交线L与光导中心线N的夹角A为锐角，优选夹角小于45度，此种设计能够减小激发光入射至第二导光部106的发光面的入射角，以减少激发光在发光面与功能层104的界面上的全反射，使更多的激发光出射至功能层104实现波长转换或散射，进一步提高照明装置激发光利用率，并且由于激发光的全反射减少，激发光在光导中的光程减小，因此减小了激发光在光导103内部的热效应。
在一个应用场景中，激发光的光路的传播如图1所示，其中，光导103的材料是Al2O3单晶，其折射率约为1.77，透明胶层107的折射率约为1.43，因此，激发光在光导103的第一导光部105与透明胶层107的界面能产生全反射的临界角约为53.9度(全反射临界角＝arcsin(n1/n2)，其中，n1为光密介质的折射率，n2为光疏介质的折射率)；光源102的激发光的光束发散半角约为25度，激发光入射光第一导光部105的侧表面的入射角θ1约为76度，显然，入射角θ1大于全反射临界角，因此激发光在第一导光部105的柱面发生全反射；其中，功能层104为玻璃基质的波长转换层，其折射率约为1.6，因此，激发光在发光面与功能层104的界面能产生全反射的临界角约约为64.7度；激发光入射至发光面的入射角度θ2＝θ1-A，A约为15度，因此θ2约为61.2度，显然，入射角θ2小于该全反射临界角，因此，激发光能够出射到功能层104，并被荧光粉吸收转换成荧光。
当然，在其它实施例中，照明装置的光导103还可以是其它形状及其它尺寸，且照明装置的光导、功能层、透明胶层等还可以采用其它大小折射率的材料，激发光在照明装置中的入射角也可以做适应性变化。
本申请进一步提出第二实施例的照明装置，如图2所示，图2是本申请照明装置第二实施例的结构示意图。本实施例照明装置201与上述实施例照明装置101的区别在于：本实施例照明装置201的功能层202涂覆在圆锥体203的侧表面的发光面上，且功能层202的面积小于侧表面的面积，也就是说，功能层202只涂覆在圆锥体203的部分侧表面上，即发光面的面积小于侧表面的面积。具体地，功能层202涂覆在圆锥体203的侧表面远离第一导光部204的一端。
其中，未被功能层202涂覆的侧表面需进行抛光设置，以使激发光能在抛光设置的侧表面进行全反射，减少光损失。通过这种方式，使得发光面的所形成的圆锥体的体积较小，提高光学设计的灵活性。
当然，可以根据照明装置201所需的发光面积来设置功能层202在锥面的涂覆面积。
本申请出第三实施例的照明装置，如图3所示，图3是本申请照明装置第三实施例的结构示意图。本实施例照明装置301与上述实施例照明装置101的区别在于：本实施的功能层302进一步涂覆在第一导光部303的侧表面的发光面上。具体地，功能层302进一步涂覆在第一导光部303的侧表面靠近第二导光部304的一端上(图中虚线圆框所示)。通过这种方式，功能层302能够将第一导光部303与第二导光部304的交界处出射的激发光转换成荧光，以提高光利用率，提高光效率。其中，功能层302在第一导光部303上的涂覆长度可以是0.2-1.0mm。当然，在其它实施例中，可以根据具体需求设置该长度。
本申请进一步提出第四实施例的照明装置，如图4所示，图4是本申请照明装置第四实施例的结构示意图。本实施例照明装置401与上述照明装置101的区别在于：本实施例的第二导光部402为圆台体402，圆台体402的侧表面与过光导(图未标)的中心线的截面的交线L与光导的中心线N成夹角A，优选夹角A小于45度，功能层403涂覆在圆台体402的侧表面的发光面上。
可选地，本实施例照明装置401进一步包括反射层404，圆台体402的第一端面与第一导光部405连接，反射层404设置在圆台体402的第二端面，圆台体402的第一端面与第二端面相对设置。
本实施例在圆台体402的第二端面设置反射层404，能够将从圆台体402的第二端面出射的激发光反射回到光导，以提高光效率。
其中，反射层404可以设置成漫反射层，也可以设置成高斯型散射反射层，其中，漫反射指光束经反射层反射后呈朗伯分布，其反射光光强呈余弦分布，漫反射的材料可以是TiO2、MgO、BaSO4等粒子与胶水或玻璃粉的混合物，且该混合物经高温固化或烧结工艺粘贴在圆台体402的第二端面上；高斯型散射反射指光束经反射层反射后呈高斯分布，其反射光光强呈高斯分布，高斯型散射反射层可以采用银粉烧结于圆台体402的第二断面上形成。
进一步地，本实施例的第二导光部405的第一端面的半径约为1.1mm，第二导光部402的长度约为6mm；假设第二导光部的第二端面的半径为R，其反射层404设置成朗伯漫反射，激发光透射到功能层的出光效率η与R的关系如图5所示，从图5中可以看出，出光效率η随第二端面的半径R的增大先急剧减小后缓慢增大，当R为0.1mm时，出光效率为72％。
本申请进一步提出第五实施例的照明装置，如图6所示，图6是本申请照明装置第五实施例的结构示意图。本实施例照明装置601与上述照明装置401的区别在于：本实施例的圆台体602的第二端面设置有一凹槽603，反射层603设置在凹槽603内。其中，反射层603可以是漫反射层，也可以是高斯反射层。由于反射层604为曲面，光线经反射层604反射后角度变化较大，更多光线不满足全反射角度从照明装置601的发光面出射，照明装置601具有更高的出光效率，即照明装置601的光利用率更高。
本申请进一步提出第六实施例的照明装置，如图7所示，本实施例照明装置701与上述照明装置101的区别在于：本实施例照明装置701中光导(图未标)的第二导光部702的表面呈抛物线面，抛物线面与过光导的中心线的截面的交线的任一切线与光导中心成夹角A，优选夹角A小于45度，功能层涂覆在抛物线面的发光面上。
本申请进一步提出第七实施例的照明装置，如图8所示，本实施例照明装置801与上述照明装置101的区别在于：本实施例照明装置801中光导(图未标)的第二导光部802为纺锤体，纺锤体的侧表面与过光导的中心线的截面的交线的任一切线与光导中心成夹角A，优选夹角A小于45度，功能层涂覆在纺锤体的侧表面的发光面上。
当然，在其它实施例中，光导的第二导光部的锥体结构的发光面还可以是其他曲面。
本申请进一步提出第八实施例的照明装置，如图9所示，图9是本申请照明装置第八实施例的结构示意图。本实施例照明装置901与上述照明装置101的区别在于：本实施例照明装置901将第一导光部902的侧表面设置成抛光面，以实现激发光在第一导光部902的侧表面的全反射，而无需设置折射率小于第一导光部902的折射率的透明胶层。
本申请进一步提出一种车灯，如图10所示，图10是本申请灯具一实施例的结构示意图。本实施例灯具1001包括照明装置1002及反光杯1003，照明装置1002的光源1004设置在反光碗1003外，照明装置1002的光导1005等结构设置在反光碗1003内，且光导1005的第二导光部1006的发光面设置在发光碗的焦点上。本实施例的照明装置1002为上述实施例照明装置，这里不赘述。第二导光部1006的发光面出射的大部分光线能经反光碗1003反射后出射，剩余的小部分光线直接出射出射，最终形成理想的照明光图案，且车灯具有较高的光利用率。
本申请照明装置还可以应用于其它类型灯具。
区别于现有技术，本申请实施例照明装置的发光面与过光导中心的截面的交线或交线的任一切线和光导的中心线成一锐角，能够减小激发光入射至发光面的入射角，以减少激发光在发光面与转换层的界面上的反射，使更多的激发光出射至功能层转换为荧光或散射，因此，本申请实施例能够提高光利用率。
此外，本申请实施例通过透明胶层将散热层固定在第一导光部的侧表面上；且透明胶层的折射率低于光导的折射率，以使激发光能够在第一导光部的侧表面发生全反射，以降低光损耗，且散热层可对照明装置进行散热。
进一步地，本申请实施例的的车灯，由于照明装置的发光面出射的光线大部分能被反光碗反射出射至外部，经小部分光线直接出射至外部，利于形成理想的照明光图案，且光利用率较高。此外，该照明装置应用于反光碗时，离焦现象较小，可进一步提高光利用率。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种照明装置，其特征在于，所述照明装置包括：
光源，用于出射激发光；
光导，所述光导包括第一导光部及第二导光部，所述第二导光部包含一发光面，所述光源出射的激发光耦合进入所述第一导光部，并经所述第二导光部的所述发光面出射，所述第二导光部的垂直于所述光导中心线的截面的面积沿所述光源光轴方向逐渐减小，且所述第二导光部的发光面与过所述光导中心线的截面的交线或交线的任一切线与所述光导中心线的夹角为锐角。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述第二导光部的发光面与过所述光导中心线的截面的交线或交线的任一切线与所述光导中心线的夹角小于45度。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述照明装置还包括功能层，所述功能层涂覆在所述第二导光部的发光面，用于对激发光进行波长转换或使其发生散射。
4.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于，所述发光面设置在所述第二导光部的部分侧表面上。
5.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于，所述发光面设置在所述第二导光部的侧表面及所述第一导光部靠近所述第二导光部的部分侧表面上。
6.根据权利要求3-5任一所述的照明装置，其特征在于，所述光导的第二导光部为圆锥体，所述第二导光部的侧表面与过所述光导中心线的截面的交线与所述光导中心线夹角小于45度。
7.根据权利要求3-5任一所述的照明装置，其特征在于，所述光导的第二导光部为圆台体，所述第二导光部的侧表面与过所述光导中心线的截面的交线与所述光导中心线夹角小于45度。
8.根据权利要求7所述的照明装置，其特征在于，所述第二导光部包括相对设置的第一端面和第二端面，所述第一端面与所述第一导光部连接，所述第二端面设置有反射层。
9.根据权利要求8所述的照明装置，其特征在于，所述第二导光部的第二端面包括凹槽，所述反射层设置在所述凹槽内。
10.根据权利要求3-5任一所述的照明装置，其特征在于，所述第二导光部的侧表面呈曲面，所述第二导光部的侧表面与过所述光导中心线的截面的交线的任一切线与所述光导中心线的夹角小于45度。
11.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述光导进一步包括：
散热层，所述散热层设置在所述第一导光部的侧表面上，用于对所述光导进行散热；
透明胶层，所述透明胶层用于将所述散热层粘接在所述第一导光部的侧表面上，使所述光导的热量传导至散热层，其中，所述透明胶层的折射率低于所述光导的折射率。
12.一种车灯，其特征在于，包括权利要求1至11中任一项所述的照明装置。
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