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TW201405071A - 經延長之ｌｅｄ發光配置 - Google Patents

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TW201405071A
TW201405071A TW102121574A TW102121574A TW201405071A TW 201405071 A TW201405071 A TW 201405071A TW 102121574 A TW102121574 A TW 102121574A TW 102121574 A TW102121574 A TW 102121574A TW 201405071 A TW201405071 A TW 201405071A
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TW
Taiwan
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light
pipe
led
configuration
light pipe
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TW102121574A
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English (en)
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恩格爾布萊爾Ｌ
法蘭克秋吉葛瑞里Ｐ
卡范斯基喬瑟夫Ｇ
貝勞羅爵Ｆ
黛文波特二世約翰Ｍ
Original Assignee
能源焦點公司
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Publication date
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Abstract

經延長之LED發光配置包含經延長之光纖光導管，該光導管在光導管末端之間具有面向外部的側壁。光導管經構造以促進末端之間光之TIR。第一LED光源經調諧以高效地在波長範圍內提供光至光導管。沿光導管沿TIR光傳播之主路徑應用光提取構件且光提取構件包含：向下轉換構件，經調諧以高效地將自LED光源波長範圍內的光線轉換至各別較長波長的較低能量光線；以及光散射構件，用於在不改變前述光之波長的情況下自光導管提取波長範圍內的一些光線。混合藉由向下轉換構件及光散射構件發射的光以產生光，該光中的大部分具有由經發射之前述光及經提取之前述光決定的合成顏色。

Description

經延長之LED發光配置
本發明係關於經延長之LED發光配置，該LED發光配置包含各種光波長調諧元件以用於提高效率。
在先前技術中已提出各種用於通用照明的經延長之LED發光配置。此等配置中有許多困擾於電光轉換中的低效率且一些配置產生具有色溫的光，該色溫對於許多觀看者而言可能並不樂見。
因此，理想情況將為，提供增強電轉換至有用光之效率的經延長之LED發光配置，同時(若經合併)具有提供具有所欲色溫的光之能力。
在一較佳形式中，用於仿效提供有用的通用照明之管狀螢光燈之經延長的LED發光配置包含在第一末端與第二末端之間延伸的經延長之光纖光導管。光導管在末端之間具有面向外部的側壁並在末端之間包含實心、均勻的光學材料。構造光導管以促進第一末端與第二末端之間一些光之全內反射。第一LED光源包含至少一個LED，該LED經調諧以 經由第一末端高效地提供在波長範圍內之光至光導管。將光提取構件應用於沿光導管之TIR光傳播之主路徑的側壁長度，且光提取構件包含：向下轉換構件，經調諧以高效地將光線自波長範圍內的LED光源轉換至各別較長波長的較低能量光線；以及光散射構件，用於在不改變前述光之波長的情況下自光導管提取波長範圍內的一些光線。配置光提取構件，以便混合藉由向下轉換構件及光散射構件發射的光以產生光，該光中的大部分具有由經發射之前述光及經提取之前述光決定的合成顏色。
與許多先前技術配置相比較，前述經延長之LED發光配置已經有利地增強電轉換至有用光的效率，以及(若經合併)亦具有提供具有所欲色溫的光之能力。
10‧‧‧經延長之發光配置
12‧‧‧光導管
14‧‧‧LED光源
15‧‧‧透鏡
18‧‧‧光耦合器
30‧‧‧光提取構件
32‧‧‧光提取構件
34‧‧‧反射體
35‧‧‧TIR光傳播之主軸
36‧‧‧磷光體
38‧‧‧二氧化鈦
50‧‧‧寶藍光線
51‧‧‧光散射粒子
54‧‧‧寶藍光線
55‧‧‧光散射粒子
57‧‧‧寶藍光線
58‧‧‧光散射粒子
59‧‧‧光散射粒子
60‧‧‧寶藍光線
61‧‧‧向下轉換粒子
63‧‧‧向下轉換光線
65‧‧‧寶藍光線
66‧‧‧光散射粒子
67‧‧‧向下轉換光線
68‧‧‧寶藍光線
69‧‧‧光散射粒子
70‧‧‧向下轉換粒子
72‧‧‧向下轉換光線
74‧‧‧寶藍光線
75‧‧‧向下轉換粒子
76‧‧‧光散射粒子
78‧‧‧向下轉換光
80‧‧‧反射體
82‧‧‧光提取構件
84‧‧‧光提取構件
86‧‧‧光提取構件
90‧‧‧經延長之發光配置
95‧‧‧光提取構件
96‧‧‧反射體
110‧‧‧經延長之發光配置
112‧‧‧相對部分
114‧‧‧相對部分
120‧‧‧LED光源
122‧‧‧光耦合器
124‧‧‧光導管
125‧‧‧反射體
126‧‧‧接合件
127‧‧‧光提取構件
128‧‧‧光導管
129‧‧‧反射體
130‧‧‧光提取構件
140‧‧‧經延長之發光配置
142‧‧‧光導管
145‧‧‧光提取構件
152‧‧‧經散射之寶藍光
154‧‧‧向下轉換光線
160‧‧‧經延長之發光配置
162‧‧‧光導管
163‧‧‧反射體
165‧‧‧光提取構件
170‧‧‧底盤
171‧‧‧托架部分
172‧‧‧托架部分
173‧‧‧螺栓
176‧‧‧托架部分
177‧‧‧托架部分
178‧‧‧螺栓
179‧‧‧螺栓
180‧‧‧透明防護管
182‧‧‧電極插腳
184‧‧‧電極插腳
本發明之進一步特徵及優點將由閱讀以下詳細描述及結合以下圖式而變得顯而易見，在該等圖式中相同元件符號指示相同元件，除非另作說明：第1圖係根據本發明之一個實施例之經延長之發光配置的圖解側視圖。
第2圖及第3圖係第1圖中一部分光導管頂部上之光提取構件的放大詳細視圖。
第4圖及第5圖係沿第1圖中發光配置之主軸截取的放大橫截面視圖。
第6圖係沿第1圖中發光配置之主軸截取的另一橫截面視圖之圖解視圖。
第7圖係類似於第1圖之彼發光配置的經延長之發光配置的側視圖，但按比例繪製，且第7A圖及第7B圖係第7圖中光導管多部分的放大視圖。
第8圖係第7圖中經延長之發光配置之俯視圖，亦按比例繪製。
第9圖及第10圖係類似於第1圖，但圖示本發明之替代實施例的圖解視圖。
第11圖以曲線圖形式圖示LED之典型波長特徵。
第12圖以曲線圖形式圖示藉由根據本發明之經延長之LED發光配置產生的寶藍散射光及向下轉換光之典型波長特徵。
第13圖係第1圖中經延長之發光配置之替代實施例的圖解視圖。
第14圖係第13圖中經延長之發光配置的簡化橫截面視圖。
遵循較佳實施例之通用原理之論述，此實施方式論述了LED及向下轉換構件用於提高效率之調諧、光導管構造及較佳光散射構件。
較佳實施例之通用原理
第1圖圖示包含光導管12的經延長之發光配置10，光導管12可包含圓柱形丙烯酸聚合物桿(舉例而言)。下文將描述適宜光導管之其他細節。由光源14提供第一波長範圍內的光(寶藍光較佳)至光導管12之左側所示末端，光源14 包含一或更多個LED，該或該等LED較佳地經調諧至寶藍光。寶藍光LED目前係較佳的，因為該等LED在電光轉換方面效率很高。藉由「經調諧」在本文中意謂以一種方式設計所討論之元件，以便增強乃至最佳化經調諧之「物件」的一些態樣，由此，例如，LED至寶藍光之調諧意謂著設計LED以便增強乃至最佳化寶藍光發射。
LED光源14包含用於產生寶藍光的一或更多個LED，通常具有共用透鏡15。
可在光源14與光導管12之左側所示末端之間插入凹口二向分光鏡(未圖示)，凹口二向分光鏡經調諧以傳遞90%以上在所提及之第一波長範圍內之光，且此舉較佳地係針對寶藍光。此二向分光鏡本將用作防止光導管12內之寶藍光因受到LED光源吸收而被浪費之目的。然而，發明者已經在實驗上驗證，由於效率損失小且通常可忽略不計，可略去此凹口二向分光鏡，此處光導管12之長度與對光導管的最大橫截面尺寸具有以下關係：在光導管左側所示末端與右側所示末端之間的光導管長度是沿第1圖中在單個末端具有LED光源14的光導管12之長度截取的光導管之最大橫截面尺寸的十(10)倍，或換言之，主要藉由在光導管之僅一端的LED光源來照明的光導管長度是沿光導管長度截取的光導管之最大橫截面尺寸的十(10)倍。當光導管符合前述準則時，此舉有利地移除對此二向分光鏡的需要。
較佳地，在LED光源14與光導管12之間插入光耦合器18。配置光耦合器18以調節光之角度分佈以促進光導管 內此光之全內反射。光耦合器18可為實心或中空，可為成像型或非成像型，或者成像型與非成像型之組合。通常，中空反射體在一定程度上為成像型。
光導管12頂部上所示為光提取構件30(諸如一或更多個磷光體)，該光提取構件包括向下轉換構件及光散射構件兩者，該兩者經圖案化以促進沿光導管長度的光提取之均勻性。向下轉換構件可吸收一個波長之光及以較低能量發射較長波長的光；因此，本文使用術語「向下轉換」構件。在應用於光導管之磷光體層中的一些材料可充當光散射構件，以便從光導管提取光及以相同波長從光導管之側壁發射光。如本文所使用，「光散射構件」或「光散射構件」之變形指示光提取構件不改變光之波長之前述類型。
光導管12之右側所示末端為反射體34，該反射體用於擷取來自LED光源14之光並將光返回至第1圖中的左側，該LED光源在初次通過光導管時並未被提取。反射體34相對於經由光導管12的全內反射(TIR)光傳播之主軸35向上成角度，以便增加經如此擷取及返回的光之變化以與光提取構件30互動及從光導管提取光。
第2圖及第3圖圖示前述段落中所提及之一或更多個磷光體之向下轉換及光散射態樣之實例。因此，第2圖及第3圖圖示光導管12頂部上之光提取構件30。
第2圖圖示藉由光提取構件30中的光散射構件散射之光線。在第2圖中，寶藍色光線50撞擊光提取構件30中之光散射粒子51並被向上反射且反射出光導管。寶藍光線54 撞擊光提取構件30中的光散射粒子55並被向下反射且反射出光導管，因為寶藍光線54與光導管12之縱向軸具有的角度超過臨界角，在臨界角以下光線將沿光導管長度在光導管內部全內反射(TIR)。最後，寶藍光線57撞擊第一光散射粒子58，在第一光散射粒子58將光線向下引導且匯出光導管之前，第一光散射粒子反射光線至第二光散射粒子59，因為如剛剛所解釋，寶藍光線57相對於光線54具有高角度。
第3圖圖示藉由光提取構件30中的向下轉換構件吸收之光線，與關於第2圖的剛剛所描述之光散射對比，到達第1圖之光提取構件30之大部分光線被吸收。在第3圖中，藉由向下轉換粒子61吸收寶藍光線60並向上發射較長波長的向下轉換光63。藉由向下轉換粒子66吸收寶藍光線65並將較低能量的向下轉換光線67向下發射且發射出光導管，因為寶藍光線65與光導管12之縱向軸具有的角度超過臨界角，在臨界角以下光線將沿光導管長度在光導管內部全內發射(TIR)。寶藍光線68撞擊光散射粒子69並被反射至向下轉換粒子70，向下轉換粒子70吸收光線68及向下發射較低能量的向下轉換光線72且將光線72發射出光導管，因為如剛剛所解釋，寶藍光線68相對於光線67具有高角度。最後，藉由向下轉換粒子75吸收寶藍光線74，該向下轉換粒子發射向下轉換光78撞擊光散射粒子76並被向下反射且反射出光導管，因為如此段落上文所解釋，向下轉換光78相對於光線67具有高角度。
第1圖之發光配置10較佳地達到光之所欲合成色 溫。在光導管12內部發生第2圖及第3圖中示範性部分所示光線(諸如第2圖中之各別光線54及光線57)與各別向下轉換光線(諸如第3圖中之光線67、光線72及光線78)之混合。然而，在其他位置亦可發生各種顏色光之混合，該等位置包括光導管12外的區域(未圖示)。較佳地，藉由發光配置10產生的大部分(及更佳地90%以上之)光導致由散射光與向下轉換光之混合所決定的合成顏色。關於獲得光之合成顏色，可用於形成光導管12的丙烯酸可取決於光之波長自身吸收(及因此浪費)少量光。此經吸收的光將不會對光之合成色溫有貢獻。
在需要以相同波長自第1圖中光導管12之側壁更大程度地提取光時，第1圖之光提取構件30亦可併入更多傳統的光散射材料。因此，第4圖及第5圖圖示二氧化鈦之併入，如小X狀粒子所指示，以與用於描繪磷光體的點形成對比。第4圖圖示光提取構件32中經混合之二氧化鈦及磷光體，而第5圖圖示包含磷光體的光提取構件之條36及二氧化鈦之交替條38的一個實例，該等條各個具有適宜黏合劑及可在其他方向定向該等條，而非沿自光導管12的一端至另一端之光傳播的主路徑。
在第4圖及第5圖中，典型的非鏡面反射體80可擷取向上引導的光(例如，分別在第2圖及第3圖中的光線50及光線63)及向下重新導回此光。作為獨立反射體80之替代，可在第4圖中光提取構件32或第5圖中互相交錯的磷光體36及二氧化鈦38層之頂部上增加光散射材料(例如，二 氧化鈦)之另一層(未圖示)。當在相對薄層中應用光提取構件時，對於反射體的需求增加；而反之，當在相對厚層中應用光提取構件時，對於反射體的需求減少。在第6圖中以虛線86圖示光散射材料的此另一層，層86塗覆於光提取構件82及84之頂部上。
在第4圖及第5圖中，光提取構件32及構件38之層與磷光體36之層的厚度與通過該等構件32或構件38及磷光體36的光量多少有關。減小該等層之厚度增加了可全部通過該等層及到達反射體80的光量，而不是將光直接發送至目的地區域(未圖示)用於照明。通常，可配置(亦即，使變薄)構件32與構件38及磷光體36之層以便允許25%以上之光到達反射體80，且可容易地使得此百分率達到更高(例如，40%以上)。
例如，包含一或更多個磷光體的光提取構件之替代為量子點或染料；且作為光散射構件的二氧化鈦之替代對於一般技術者而言將為常見。
第6圖圖示具有光導管12之典型圓周帶的光提取構件82，如圖所示，該圓周帶以近120度圍繞主軸(如第1圖中所示)。在一些裝置中，圍繞光導管12的光提取構件82之典型圓周帶的光提取構件及進一步可選部分84近似180度，如圖所示。一般技術者將自前述示範性帶想到許多變化。
第7圖及第8圖圖示具有光導管12及光提取構件95的經延長之發光配置90，光提取構件95可與第1圖之光提取構件30相當，且按比例繪製。在光導管12之右側所示 末端使用反射體96，用於以如第1圖中反射體34之相同方式擷取光及將光反射至左側，如上文所描述。
第7A圖及第7B圖圖示第7圖之光導管12的放大示範性部分。亦在第7圖中圖示之光提取構件95亦可與第1圖之光提取構件30相當。
儘管以下美國專利案教示光散射構件之圖案(如上文所界定)，而非包括向下轉換構件之光提取構件之圖案(如上文所界定)，但是發明者已經決定此等圖案可有利地用於包括向下轉換構件之光提取構件(例如，第7圖及第8圖中之光提取構件95)：於2007年1月16日頒予之標題為「Efficient Luminaire with Directional Side-Light Extraction」之美國專利案第7,163,326 B2號及於2008年5月20日頒予之標題為「Luminaire with Improved Lateral Illuminance Control」之美國專利案第7,374,313 B2號，該等美國專利案之全部揭示內容皆以引用之方式併入本文。
根據前述美國專利案第7,163,326 B2號中的教示，較佳地實行沿第7圖及第8圖中光導管12之長度的光提取構件95之圖案化，以便光提取構件之各個連續的10%之長度上方的照度均勻到沿光源長度之平均照度的25%以內，在此情況下，量測與沿光導管的TIR光傳播之主路徑(可與第1圖中主路徑35相當)正交的照度及以相對於此主路徑的角度量測該照度，在此角度處照度為最大值。
使用在所提及之美國專利案7,163,326 B2號中教示之圖案實現電光之高效轉換，同時維持沿光導管長度之光的 均勻外觀。此處不需要螢光燈所需之龐大且複雜的反射體，且許多實施例可以此螢光燈所需之約一半或更少的電功率提供同樣有用的螢光燈之導向光輸出。
可能進一步的理想情況為，在光導管12之圓周帶(例如，120度帶)上方圖案化光提取構件95，其中與所提及之經由光導管12的TIR光傳播之主路徑正交所量測的圓周帶沿帶具有不均勻的光提取效率。此舉可能理想地軟化所得光分佈之邊緣，與光導管平行(舉例而言)；或使得此等邊緣之間的光分佈更加均勻。
作為第1圖中經延長之發光配置10之替代，第9圖圖示含有兩個相對部分112及114的經延長之發光配置110，兩個相對部分之各者類似於發光配置10。因此，相對部分112及部分114分別具有類似LED光源14與LED光源120及光耦合器18與光耦合器122、類似光導管124與光導管128及作用如第1圖中反射體34之終止反射體125與終止反射體129以及作用如第1圖中光提取構件30及第7圖與第8圖中光提取構件95之類似光提取構件127與光提取構件130。終止反射體可具有不同方向，諸如(例如)彼此近乎平行，如第9圖所示。
將光導管部分112接合至光導管部分114及將各別反射體125接合至反射體129的接合件126，可藉由諸如機械穩定器(例如，托架(未圖示))或黏合材料(諸如膠)之方法在結構上加固。利用此配置，可形成光導管之各種尺寸。舉例而言，若光導管部分112之長度約四英尺(1.2公尺)且 光部分114之長度約四英尺(1.2公尺)，則一旦經接合及經穩定，即可量測出經延長之發光配置110之長度約八英尺(2.4公尺)。在確定經延長之發光配置110之尺寸方面的此變通性容許(例如)將發光配置之長度匹配現有發光燈具之長度。
在第9圖之替代實施例中，單個電源可供電至電氣串聯連接的LED光源14及LED光源120兩者，而不是兩個較小電源分別供電至該等光源。使用單個電源有利地降低了提供電力至經延長之發光配置110之成本，因為單個較大電源僅比單個較小電源略微貴一點。此外，每一LED光源要求12伏特，較大電源將電壓從輸電幹線電壓(例如，277伏特)降低至(例如)24伏特會更加高效，而非將電壓從輸電幹線電壓(例如，277伏特)降低至(例如)12伏特。
第10圖圖示第1圖中經延長之發光配置10之另一替代，其中具有光導管142(類似於第1圖之光導管12)及光提取構件145(大體類似於第1圖之光提取構件30)的經延長之發光配置140在右側所示末端具有LED光源120及光耦合器122(類似於第1圖之LED光源14及光耦合器18)。雖然大體類似於第1圖之光提取構件30，但是與第1圖之光提取構件30相比，光提取構件145通常將在LED光源14與LED光源120之間更加對稱地配置光提取效率。此情況是因為與第1圖之反射體34相比，第10圖中的光源120通常將更多光導向至左側。在此配置中，LED光源14不必提供充足的光以照亮整個導管，並可使用較長的經延長之發光配置。
LED與向下轉換構件之用以提高效率之調諧
與「經調諧」之上文定義一致，詞組「調諧」在本文中意謂以一種方式設計所討論之元件，以便提高乃至最佳化經調諧之「物件」的一些態樣，由此，例如，LED至寶藍光之調諧意謂著設計LED以便提高乃至最佳化寶藍光發射。在製造組件之前實行此設計(或調諧)。為了改良電光轉換之總效率，現對調諧元件提供更多描述，該等調諧元件諸如在各種光源14及120中所使用的LED以及光提取構件30、光提取構件95、光提取構件127、光提取構件130及光提取構件145之向下轉換構件。總效率取決於各種製程之效率，如下文所論述。
如上文所提及，諸如使用彼等元件符號14(第1圖)及120(第9圖及第10圖)之光源的LED較佳地經調諧以高效地將電轉換至光。利用目前可用之LED，已經獲得將電轉換至寶藍光之最大效率值，該寶藍光之波長範圍通常自420um至500um。利用(例如)直接能隙材料之氮化銦鎵LED可能完成此最大效率值。此等LED之單晶層目前顯示自電至光子的轉換效率高達約60%。較佳情況為，LED光源產生具有波長超過約400nm的光，以便避免可損害人體及材料之較短波長、較高能量的光(諸如紫外光)。此情況允許使用(例如)由丙烯酸製成的光導管(例如，第1圖之光導管12)，丙烯酸將光學降級對較高能量(較短波長)的光暴露。
第11圖藉由圖示針對寶藍LED及向下轉換構件元件的典型波長特徵，有助於解釋針對所提及之寶藍LED及光提取構件(例如，光提取構件30、光提取構件95、光提取構 件127、光提取構件130及光提取構件145)之向下轉換構件的「調諧」特徵。
在第11圖中，示範性LED光譜功率分佈延伸自約400nm至約520nm，但是該LED光譜範圍之95%以上通常落入自約430nm至約485nm延伸的範圍150內。較佳LED可係由Cree,Inc.(Durham,NC USA)出售的彼等LED，產品碼為XLamp XT-E Royal Blue LED。有利地，向下轉換構件之所圖示典型激勵波長範圍包括前述波長範圍150。包括向下轉換構件的示範性光提取構件包含由Intematix(Fremont,CA,USA)出售的磷光體，產品碼為NYAG4653(舉例而言)。因此，可藉由向下轉換構件將來自LED的寶藍光高效地轉換為另一顏色光譜，諸如白色。
第12圖圖示白光之典型光譜，可由經延長之LED發光配置(例如，第1圖之發光配置10)產生該白光。較佳地，藉由上述光散射構件自光導管(例如，第1圖之光導管12)散射射出經延長之LED發光配置10的寶藍光中的約5%(或至少約3%)，且該等寶藍光在第12圖中圖示為經散射之寶藍光152。較佳地，射出光導管的向下轉換光在第12圖中圖示為向下轉換光154，該向下轉換光之波長足夠接近由LED光源產生的寶藍光(例如，如第11圖所示)，以便將所謂的斯托克位移(Stokes Shift)能量損失減小至約30%以下或至少約40%以下。在經散射之寶藍光152與向下轉換光154之間的波長範圍內(例如，500nm)，該光可為經散射之寶藍光或向下轉換光。在此實例中，LED光源可為氮化銦鎵及 向下轉換構件可為Ce+3：YAG磷光體，其中YAG為釔鋁石榴石。
斯托克位移能量損失係當向下轉換構件吸收(例如)寶藍光子並隨後以較低能量(及較長波長)重新發射該光子時造成的能量損失。藉由減小斯托克位移能量損失，不僅直接提高了總效率，而且LED光源以較低溫度操作減小了需要從LED中移除的熱量。
提高總效率的另一因素為使用光導管(例如，第1圖之光導管12)，其中光導管之長度與光導管最大橫截面尺寸具有以下關係：主要藉由LED光源在光導管之僅一端照亮的光導管之彼長度是沿光導管長度截取的光導管之最大橫截面尺寸的十(10)倍。因將光導管設計成幾乎無損耗的光之TIR傳播，故第12圖中經散射之寶藍光152(例如)具有充分的時機與向下轉換光(例如，第12圖中向下轉換光154)混合而不會遭受損失。此外，沿光導管傳播的光具有極低的概率返回至該光之LED光源，否則將具有顯著的概率被LED光源吸收及被浪費。在光導管之前述配置中，通常將約1%以下之光返回至LED光源，與習知途徑中使用直接應用於LED光源的磷光體之差不多50%之光形成比較。此舉具有減小LED光源附近熱量之額外的有利效果，從而允許LED光源更加高效地操作。
標題為「Tuning of LEDs and Down-Converting Means to Improve Efficiency」之說明書的本章節描述了各種效率，一些與向下轉換構件之使用相關，與先前技術途徑相 比該向下轉換構件之使用貢獻了總效率之增加。藉由使用各種效率，發明者估計，電至白光轉換之總效率通常可自先前技術的經延長之LED發光配置提高差不多30%，而該等先前技術之發光配置僅使用光散射構件從光導管提取光。
用於夾緊及保護燈之照明部分的底盤
第13圖圖示第1圖之經延長之發光配置的另一替代，其中經延長之發光配置160(類似於第1圖之光導管12)包括光導管162(類似於第1圖之光導管12)及光提取構件165(大體類似於第1圖之光提取構件30)，該發光配置具有LED光源14及光耦合器18，且其中光導管162在下方及由底盤170通過向下依賴托架部分171、托架部分172、托架部分176及托架部分177來較佳地支撐。一對螺栓(在第12圖中僅圖示其中一個螺栓173)接合上托架部分171至下托架部分172，及另一對螺栓(在第13圖中僅圖示其中一個螺栓178)接合上托架部分176至下托架部分177。底盤170及底盤托架171、底盤托架172、底盤托架176及底盤托架177較佳地由以下常用金屬或塑膠或金屬填充塑膠形成：(1)可注射成型或可擠壓金屬，諸如鋁或鋅；或(2)彈性可注射成型或可擠壓塑膠材料，諸如來自BASF USA(Florham Park,NJ,USA)之TERLURAN牌ABS(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)樹脂或來自E.I.Du Pont De Nemours and Company(Wilmington,DE,USA)之DELRIN牌縮醛樹脂；或(3)聚醯胺及聚苯乙烯，作為可注射成型樹脂可購自Cool Polymers,Inc.的總部、研發部及製造部(North Kingstown,RI USA)。底盤170亦可充當儲存於底盤170 之內部容積(未圖示)中之電子元件(未圖示)的散熱器，尤其是由鋁、鋅或諸如聚醯胺及聚苯乙烯之另一金屬填充聚合物組成時如此，聚醯胺及聚苯乙烯作為可注射成型樹脂可購自Cool Polymers,Inc.的總部、研發部及製造部(North Kingstown,RI USA)。
在光導管162之右側所示末端使用反射體163，用於以如第1圖中反射體34之相同方式擷取光及將光反射至左側，如上文所描述。
LED光源14較佳地包含一或更多個LED，所有該等LED具有：(i)單對電力引入線(未圖示)，連接至電極插腳182及184之各別對；(ii)印刷電路板；及(iii)用於調節光輸出的單個透鏡15。
底盤170提供對經延長之發光配置160的強度，同時當安裝、調整或自螢光燈具(未圖示)移除經延長之發光配置160時，在使用者缺少諸如透明防護管之覆蓋件的情況下提供適合於夾緊的材料。透明防護管180可由(例如)聚碳酸酯製成。此外，底盤170可併入美學特徵結構，諸如顏色、形狀及裝飾性或其他不同特徵。
藉由電極插腳182及電極插腳184將底盤170較佳地安裝至螢光燈具(未圖示)。然而，可在底盤之各個末端藉由螺釘、磁鐵或堅固叉子將底盤170進一步緊固至螢光燈具(未圖示)，另外，或作為替代，使用電極插腳182及電極插腳184。
電路之機載儲存等
第14圖係沿第13圖中經延長之發光配置160之長度截取的橫截面。對應於第13圖中防護管180之防護管180保護管道(例如，光導管162)內部的元件。底盤170通過向下依賴托架176及托架177(例如)支撐光導管162且一對螺栓178及179接合上托架部分176至下托架部分177。
底盤170內之空腔(未圖示)可在底盤170之內部容積中含有其他電路，諸如印刷電路板安定器、驅動器、通訊裝置、無線電裝置、感測器、控制器或任何其他裝置，該等裝置可增強LED經延長之發光配置160之效能。舉例而言，儲存於底盤170內的無線電裝置(未圖示)可回應於佔用感測器(例如)，以便當經照明之空間未被人佔用時調暗或關閉LED光源。進一步舉例而言，儲存於底盤170內的控制器(未圖示)可由電路系統組成，若在燈之各個末端存在一或更多個LED源，則允許個別地調暗燈、關閉LED源，或者尤其是若LED光源具有不同顏色或效率品質，則允許調暗在末端的一個或其他LED光源。
光導管構造
光導管較佳地包含經延長之構件，該構件可為實心或中空桿形式。藉由「經延長」意謂相對於寬度或直徑(例如)係長的，在此處「長」尺寸沿直線路徑或曲線路徑皆可。光導管之至少一個末端接收來自相關聯之光耦合器的光。經延長之構件具有經延長之側壁及沿經延長之側壁之至少一部分的光提取構件，用於經由側壁提取光及分佈該光至目的地區域。雖然管道中可存在(例如)由製程引起的小空隙，該 等小空隙對側光光提取及管道之分佈特性產生非實質性影響，但是至少具有光提取構件的光導管之彼部分為較佳實心的。
較佳地包含光纖光導管之光導管可包含丙烯酸聚合物桿或者高溫玻璃或石英用於高溫環境中的操作，或其他光學透明材料，諸如大核心、可撓性、塑膠、光纖光導管之核心。
光纖光導管可(例如)具有直桿之配置或光纖之兩端接近彼此的環形光纖之配置。如該技術中將獲知，環形配置中的光導管之彎曲角度影響光沿光導管之長度通過的TIR特性。如本文所使用，術語「光纖光導管」意謂光纖之最小橫截面尺寸是光纖之最大橫截面尺寸的25%以上之光導管。在較佳實施例中，桿之橫截面實質上為圓形。
較佳地，光導管為剛性，藉此意謂著在攝氏20度時管具有自行支撐形狀，使得沿穿過管的光傳播之中央路徑彎曲管後，該管返回至原始或近似原始(例如，線性或彎曲)形狀。
光散射構件
可與光提取構件結合使用之光散射構件(如圖所示，例如，在第4圖及第5圖中)可具有各種類型，此等類型之選擇對於一般技術者而言將為常見的。舉例而言，在標題為「Efficient Luminaire with Directional Side-Light Extraction」之美國專利案第7,163,326號中揭示三種光散射構件類型，該美國專利案經指定給Energy Focus,Inc.(Solon, Ohio)。簡而言之，該等三種類型為(1)光導管之表面上的不連續性、(2)光導管之表面上的塗料層以及(3)應用於光導管之表面上的乙烯基貼紙。
更詳細而言，(1)可(例如)藉由在光導管表面上藉由模製產生經紋理化之圖案、藉由利用化學蝕刻劑粗化光導管表面或藉由在光導管之該側內製造一或更多個壓痕來形成光導管之表面上的不連續性。第二，(2)光散射構件可能包含呈現朗伯散射及具有黏合劑之塗料層，該黏合劑具有的折射率大約與核心相同或大於核心之彼折射率。將適宜光散射粒子添加至塗料中，諸如對一般技術者將顯而易見之二氧化鈦或許多其他材料。較佳地，該塗料為基於有機溶劑的塗料。第三，(3)光散射構件可能包含所欲形狀之乙烯基貼紙材料，該材料應用於光導管之表面。已經由Avery Dennison (Pasadena,Calif.)之分公司Avery Graphics供應適宜乙烯基貼紙。該薄膜係厚度為0.146mm之黏性白乙烯基薄膜，通常用於背光式招牌。
舉例而言，大體上，光散射構件可沿光導管之長度為連續性或間歇性或部分連續性或部分間歇性。舉例而言，在第15A圖中之上文所提及之美國專利案第7,163,326號中圖示間歇性圖案。確保光散射構件顯示為自該點連續。
以下為本說明書及圖式中所使用之元件符號清單及相關聯元件：
儘管關於特定實施例以說明之方式已經描述本發明，但是熟習此項技術者將想到許多修改及變化。因此，應將理解，附加申請專利範圍意欲覆蓋在本發明之真實範疇及精神內之所有此等修改及變化。
10‧‧‧經延長之發光配置
12‧‧‧光導管
14‧‧‧LED光源
15‧‧‧透鏡
18‧‧‧光耦合器
30‧‧‧光提取構件
32‧‧‧光提取構件
34‧‧‧反射體
35‧‧‧TIR光傳播之主軸

Claims (20)

  1. 一種用於仿效提供有用的通用照明之一管狀螢光燈的經延長之LED發光配置，該配置包含：a)一經延長之光纖光導管，在第一末端與第二末端之間延伸；該光導管在該等末端之間具有一面向外部的側壁；該光導管在該等末端之間包含實心、均勻的光學材料及經構造以促進該第一末端與該第二末端之間一些光之全內反射；b)一第一LED光源，包含至少一個LED，該LED經調諧以通過該第一末端高效地提供在一波長範圍內之光至該光導管；c)光提取構件(means)，應用於沿該光導管之TIR光傳播之該主路徑的該側壁一長度；該光提取構件包含：i)向下轉換構件，經調諧以高效地將光線自該波長範圍內的該LED光源轉換至各別較長波長的較低能量光線；以及ii)光散射構件，用於在不改變該前述光之該等波長的情況下自該光導管提取該波長範圍內的一些光線；d)該光提取構件，經配置以便混合藉由該向下轉換構件及該光散射構件發射的該光以產生光，該光中的大部分具有由經發射之該前述光及經提取之該前述光決定的一合成顏色。
  2. 如請求項1所述之發光配置，其中： a)該合成顏色為白色；b)該第一LED光源之該波長範圍內的90%以上之該光具有一超過400nm之波長；以及c)選擇該向下轉換構件，以在光轉換至較低能量光期間維持該斯托克位移能量損失在約40以下的一預定百分率。
  3. 如請求項2所述之發光配置，其中該預定百分率為約30。
  4. 如請求項1所述之發光配置，其中在該光導管上圖案化該光提取構件，以使得該光提取構件之各個連續的10%之長度上方的該照度均勻至沿該光源之該長度之該平均照度的25%以內；該照度係正交於該主路徑取得並以相對於該主路徑呈一角度取得，在該角度處照度為一最大值。
  5. 如請求項1所述之發光配置，其中在圍繞該主路徑的該光導管之一圓周帶上方的該光導管上圖案化該光提取構件，以便引導來自該光提取構件至少80%之光，該光經由該光導管傳遞回去並最終匯出該光導管並導向一目的地區域用於照明，該目的地區域相對於該主路徑具有近似180度以下之一展開度。
  6. 如請求項1所述之發光配置，其中在圍繞該主路徑的該光導管之一圓周帶上方的該光導管上圖案化該光提取構件， 以便引導來自該光提取構件至少80%之光，該光經由該光導管傳遞回去並最終匯出該光導管並被導向朝一朝一目的地區域用於照明，該目的地區域相對於該主路徑具有近似120度以下之一展開度。
  7. 如請求項1所述之發光配置，其中沿該光導管之一外部邊界之一帶圖案化該光提取構件，與該主路徑正交而取得，以便沿該帶具有一不均勻的光提取效率。
  8. 如請求項1所述之發光配置，其中為了間接照明一目的地區域，該光提取構件經配置以向與該目的地區域相反方向引導25%以上之經提取之光，用於反射回該目的地區域。
  9. 如請求項1所述之發光配置，其中該波長範圍界定寶藍光。
  10. 如請求項1所述之發光配置，其中在該第一末端與該第二末端之間的光導管之該長度是沿該光導管之彼長度截取的該光導管之該最大橫截面尺寸的10倍，該光導管主要藉由一LED光源在該光導管之僅一個末端來照明。
  11. 如請求項1所述之發光配置，進一步包含不同於該光提取構件之額外光散射構件，該額外光散射構件應用於沿該主路徑的該側壁之一長度。
  12. 如請求項11所述之發光配置，其中該額外光散射構件與該光提取構件混合。
  13. 如請求項11所述之發光配置，其中該額外光散射構件應用於該光提取構件之頂部上。
  14. 如請求項11所述之發光配置，其中該額外光散射構件中之大部分與該光提取構件間雜，但並非與該光提取構件共同延伸。
  15. 如請求項9所述之發光配置，其中該向下轉換構件及該光提取構件經選擇以導致白色之一合成顏色，該顏色具有用於通用照明之一色溫介於2700K與6500K之間。
  16. 如請求項1所述之發光配置，其中在該第一末端與該第二末端之間沿TIR光傳播之一主路徑的該光導管之30%以上之長度具有一橫截面積，該橫截面積之最大尺寸及面積為恆定至95%以內。
  17. 如請求項1所述之發光配置，其中在該第一LED光源與該光導管之間插入一光耦合器；該光耦合器經配置以調節光之該角度分佈以促進該光導管內此光之全內反射。
  18. 如請求項1所述之發光配置，其中在該光導管之該第二末端提供一反射體用於反射到達該第二末端的光返回該光導管之該第一末端。
  19. 如請求項18所述之發光配置，進一步包含一第二經延長之光纖光導管、一第二LED光源及一光提取構件，該光提取構件具有針對該等對應相同名稱元件的如請求項1及請求項17中所界定之該相同構造，該第一光纖光導管及該第二光纖光導管之該等第二末端彼此對準及極為貼近彼此放置。
  20. 如請求項1所述之發光配置，其中一第二LED光源經由該第二末端提供光至該光導管，該第二LED光源包含至少一個LED，該LED經調諧以提供該波長範圍內的光。
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