CN102003680B - 发光二极管-导光件耦联装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发光二极管-导光件耦联装置。公开了用于改进LED(140)组件和导光件(150)之间的输入耦联效率的不同的布置。在第一布置中，导光件的基本平的端部承座于封闭LED组件的支承件(142)的周边壁上，且反射面(222)提高导光件的耦联效率。备选的布置使用设置在LED组件和导光件之间的单独的耦联器(220，320，450)，该耦联器具有抛物面或非球形构造，以产生被引导到导光件中的基本准直的光。在LED组件的周围且在耦联器内的空腔(462)可为空气或具有与导光件材料的折射率紧密匹配的折射率的材料。

Description

发光二极管-导光件耦联装置
技术领域
本公开涉及发光二极管(LED)和导光件之间的耦联布置或耦联装置，且更具体而言，涉及改进构件之间的耦联效率。尽管本公开可在期望有高的效率或耦联的相关环境中得到更一般的应用，但是在本具体申请中的耦联装置是紧凑型荧光灯(CFL)，例如，其中，存在混合红色光与从CFL发出的白光的期望。
背景技术
标准CFL的饱和的红色的颜色表现可通过结合来自LED的红光而得到增强。例如，共同拥有的美国专利No.7,543,957涉及这种布置，该专利的公开通过引用而清楚地结合在本文中。高效率的红LED是温度敏感的，所以存在对热隔离LED与CFL的需要。所提到的‘957专利将LED安装在灯组件的基部部分中，以便隔离热敏感的LED与和CFL相关联的升高的温度。采用导光件将来自灯组件的基部部分中的LED的红光输送到CFL的放电管(一个或多个)的附近的区域，此处，获得了与放电管(一个或多个)发出的白光的有效混合。
导光件的输入耦联、传输和输出耦联效率越高，对灯的饱和红色表现所产生的作用就越高。与(i)光进入导光件中，(ii)沿着导光件的长度，以及(iii)在离开导光件之后相关联的改进的效率导致来自以特定瓦数驱动的特定LED的更多红色与来自CFL的白光混合。
输入耦联效率被认为是光路径中最关键的枢纽(junction)。源(这里为LED)的辐射模式和引导模式(这里为导光件)的几何不相容性表示需要在很大的范围上进行改进。辐射模式指的是从LED发出的光的角度和空间分配。当结合导光件使用大的导光件时(也就是当导光件的直径大于LED源及其主要光学器件的大小时)，问题简化成使LED辐射特性(常用朗伯(lambertian))与有限的接受角(或导光件的NA)匹配。按照离开导光件的光相对于由LED发出的光的强度的百分比来测量耦联效率。已知的耦联布置范围表现出范围在35％至大约50％的效率。
在现有技术中提出了各种耦联布置。例如，一种现有技术布置在导光件的抛光端部和与LED相关联的集成式光学布置之间提供了对接耦联或接触。或者，在LED的周围形成空腔或凹陷，以将光集中到导光件中，例如美国专利No.7,279,345中所显示和描述的那样。又一种布置使用透镜耦联，其中特殊几何的透镜、透镜固定器等置于LED和导光件之间(参见例如美国专利No.5,732,176)。与对接耦联布置相比，获得了更高的耦联效率。又一种耦联布置是反射器型耦联，而且迄今为止，该设计基于与不容易结合到LED导光件环境中的白炽光源一起使用的经典反射器设计。典型地，反射器包括金属反射层，且还使用空气来作为该反射器内的传播介质。消除光源和导光件之间的空气间隙是合乎需要的，因为这种结构将减少LED-空气和空气-光引导界面上的菲涅耳反射，而且还增强了总的内反射(TIR)在反射面上的应用。
因此，需要改进的耦联效率，并且还需要考虑限制生产成本、同时提供可重复的解决方案以便既容易组装又有一致的结果的这种布置的商业化。
发明内容
公开了用于改进LED光源和导光件之间的耦联效率的各种布置。
在一个示例性实施例中，一种导光件具有定位在LED附近的、近侧的基本平的端部。支承件将LED接收在中心凹陷部分中，且LED设置成与导光件的平的端部成面对关系。支承件包括用于将高比率的光从LED传输到导光件的反射器表面。***包括用于紧密地接收导光件的周边部分的有限的轴向范围的凹陷尺寸。
该***包括用于通过其来接收电源导线的至少一个开口。
在另一个示例性实施例中，一种耦联器置于LED和导光件的近侧端部之间。该耦联器包括抛物线或非球面的内反射器表面中的一种，该内反射器表面具有至少部分地包围LED的狭窄的第一端部，以及至少部分地包围导光件的近侧端部的宽的第二端部。
该耦联器包围覆盖LED芯片的光学穹顶(集成式光学器件)的外周，且优选地包围LED芯片安装在其上的基底的一部分。
在另一种布置中，耦联器的第一端部包围裸露的LED芯片，且内反射器表面从基底表面延伸、与接收在基底上的芯片的周边成包围关系。
由内反射器表面形成的空腔可填充有空气或凝胶，其中凝胶具有与导光件的折射率紧密匹配的折射率。
在又一个实施例中，导光件的近侧端部包括具有至少部分地包围LED的抛物线或非球面形表面的耦联器，且将集中的光引向并入导光件的剩余部分中的宽的第二端部。
本公开的主要好处为LED和相关联的导光件之间的减少的光损失。
另一个好处在于降低的生产和组装成本。
通过阅读和理解以下详细描述，本公开的另外的其它好处和特征将变得更加显而易见。
附图说明
图1是紧凑型荧光灯、LED和导光件灯组件的正视图，其中剖开了选定部分，以易于说明。
图2是第一优选的耦联布置的截面图。
图3是图2的组件的一部分的透视图。
图4是图2的LED和导光件之间的组装好的耦联布置的透视图。
图5是LED和导光件的另一个优选的耦联布置的、局部为截面的正视图。
图6是图5的实施例的光线轨迹。
图7是又一个光学耦联布置的、局部为截面的正视图。
图8是图7的实施例的代表性光线轨迹。
图9是另一个示例性实施例的、局部为截面的正视图。
图10是图9的圈出部分的放大视图。
图11是图9和10的实施例的光线轨迹。
部件列表：
102低压荧光放电灯
104低压放电管
106第一和第二端部部分
110基部
112壳体
114套环
116爱迪生(Edison)基部
118底部触点
120绝缘材料
140发光二极管(LED)
142支承件
150导光件
152第一端部或近侧端部
154第二端部或远侧端部
160总的内反射
162第二区段或上部区段
170支承件
172中心凹陷
174周边边缘
180散热器
182凹陷
190***
192内部开口
194外尺寸
200，202电源导线
204，206开口
210透镜或穹顶部分
212基底
220耦联器
222内反射面
224狭窄的第一端部
226较宽的第二端部
320耦联器
322内反射面
324狭窄的第一端部
326较宽的第二端部
450导光件端部
452内反射面
454第一端部
456第二端部
460穹顶形凹陷
462空腔
具体实施方式
参照附图，贯穿其中使用同样的参考标号来标识同样的构件。更具体而言，集成了LED的紧凑型荧光灯组件包括低压荧光放电灯102，该低压荧光放电灯102具有至少一个低压放电管104，其在图1中示出。在所描绘的实施例中，CFL组件具有螺旋状放电管，该放电管具有第一和第二端部部分106(仅示出其中之一)。如已知的那样，放电管通过经由电极之间的电弧使气体填充物进入放电状态来发出白光，各个电极的一端从各个端部部分106至少部分地向内延伸到放电管中。在放电管的内表面上提供磷，以将放电辐射转化成可见光。端部部分106延伸到灯基部110中，灯基部110包括在上端处由套环114封闭的壳体112，且在下端处包括用于与相关联的插口(未显示)进行螺纹接合的爱迪生(Edison)型带螺纹部分116。当然，可提供其它连接布置来以机械的方式保持相关联的灯配件且电连接到该灯配件上。带螺纹基部是形成与相关联的灯配件的一个触点的导电金属以及形成第二触点的中心金属孔眼118。壳体112和孔眼118被绝缘材料120分开。
诸如镇流器(未显示)的灯电子器件优选地位于图1的实施例的壳体内。镇流器供应必需的功率电子器件和电路条件，例如电压、电流和波形，以驱动紧凑型荧光管或对该荧光管提供功率。或者，尽管整体式镇流器是优选的，但镇流器可与灯基部分开地形成，并且不结合到灯基部中。镇流器的热敏感电子构件可能还需要热反射器或护罩来保护这些构件不受放电灯产生的热的影响。
至少一个发光二极管光源140在基部中的、使距放电管的距离最大化的位置处安装到散热器或支承件142上。优选地，支承件142由导热材料(例如金属)形成，以便高效且有效地使热传递离开LED光源。此外，LED优选为发红光的LED，以与放电灯发出的白光混合。导光件150具有邻近LED140和支承件142的第一端部或近侧端部152，以及优选地在放电管附近终止的第二端部或远侧端部154。如将理解的那样，导光件具有优选地不容许光通过导光件的侧壁逃逸的、设置在壳体内的第一区域或下部区域。例如，当光沿着设置在壳体内且由参考标号160表示的导光件部分的轴向长度传送时，光通过总的内反射(TIR)传输。在其中导光件离开了壳体的区域中，导光件的第二区段或上部区段162容许光沿着这个纵向范围分布，并且导致与从放电管发出的白光的良好的颜色混合。
继续参看图1，且另外参看图2-4，将对LED和导光件的第一端部或近侧端部152之间的耦联布置的第一个示例性实施例进行更加详细的描述。LED140位于支承件170中，支承件170优选地包括中心凹陷172，使得支承件的周边边缘或壁174沿轴向向外延伸比接收在中心部分中的LED芯片的轴向尺寸更大的尺寸。该支承件接收在散热器180(其可与支承件/散热器142相同)中，其还包括具有容易地容纳支承件142和***190的深度和宽度尺寸的凹陷182。***190具有与导光件的近侧端部152的外径紧密匹配的内径，且具有紧密地配合在凹陷182内的外尺寸194。***190的高度与散热器中的凹陷182的高度紧密地一致，且尺寸设置成使得通过内部开口192形成于***中的空腔容纳支承件170(在其中具有LED芯片)以及还有导光件的近侧端部152的有限的轴向长度。
导光件的直径比芯片的直径大得多。此外，导光件的基本平的末端优选地接合支承件的周边壁174的上表面。通过使支承件的内部凹陷172形成为白的表面或其它类似地反射性的表面，由LED发出的不直接行进到导光件中的光将被反射面引向导光件，并且由此增强LED和导光件之间的耦联效率。导光件的近侧端部152在***190内的有限的轴向接收将进一步促进将LED发出的光引导到导光件的端部中，即提高光学效率。
凹陷172内的剩余体积或空腔优选地填充有空气。还构思到可使用具有与导光件的折射率紧密匹配的折射率的材料(例如凝胶)来填充凹陷的剩余部分。
在图3中显示了在***190***组件之前的电源导线200、202。如图4中显而易见的那样，提供了通过***的开口204、206，以容纳电源线。这样，导光件就从***的中心部分延伸，且电源线位于与导光件隔开的位置处。
由于成本降低以及生产和组装容易的原因，图2-4的耦联布置是合乎需要的。支承件170的白的表面或反射面以及导光件的平的端部关于支承件的周边壁174之间的相对尺寸设定提供了大约80％的良好的耦联效率。散热器180的放大的质量或体积还有助于将红的LED的操作温度保持在降低的水平处。
图5和6示出了一个备选的示例性实施例。LED140为包括接收在安装在基底212上的LED上的集成式光学器件(即环氧穹顶或透镜210)的类型。导光件的基本平的端部或近侧端部152利用耦联器220与LED组件互连。耦联器优选地具有成抛物面或非球面的形状或构造的内反射面222，其中，反射器表面的狭窄的第一端部224沿着穹顶的外周边210和基底212的上表面之间的接合部抵靠。然后反射面朝向第二端部226沿着抛物线或非球面的曲线逐渐变宽，该第二端部226具有尺寸设置成以便接收导光件的近侧端部的有限的轴向范围的阶梯式构造。
耦联器220优选地由金属形成，或者可使用备选材料，只要内反射器表面222致使将来自LED的光引导到导光件的近侧端部中即可。优选的反射器表面构造使得光线被引向更准直的布置，从而使得通过导光件的延长的长度的总的内反射(TIR)导致LED和导光件之间更高的耦联效率。图6中描绘了光线轨迹，其中，然后以对总的内反射有帮助的角度引导离开接触耦联器的LED组件的穹顶部分210的光线。
在图5的实施例中，在耦联器内且设置在LED组件的穹顶和导光件的近侧端部之间的体积或空腔优选地为空气。当然，理解到空腔可填充有具有与导光件的折射率紧密匹配的折射率的材料。
图7和8示出了不包括图5所示的类型的集成式光学器件的LED组件。相反，显示了裸露的LED芯片140在基底212上，且耦联器320在其尺寸上被略微修改，但是仍然用来增强LED和导光件之间的耦联效率。更具体而言，内反射器表面322具有第一端部部分或狭窄的端部部分324，该端部部分324尺寸设置成以便紧密地接收在LED的裸露的芯片140周围，且靠着基底212的上表面终止或抵靠在该上表面上。在这个实施例中，内反射器表面优选地具有抛物面或非球形构造，使得从反射面的端部324附近的LED组件发出的光被引向较宽的、阶梯式端部326，端部326接收导光件的近侧端部的有限的轴向部分。图8中显示的光线轨迹示出了由耦联器320提供的用以增强总的内反射且促使从LED组件发出的光线进入导光件的优点。
图9-11中显示了略微不同的实施例。再次，显示了裸露的LED芯片140在基底212上。在这个实例中，耦联器结合到导光件150的端部中。具体而言，导光件的端部450具有也优选地为抛物面或非球形构造的内反射面452。反射面452从第一端部454延伸到第二端部456，其中，表面过渡到导光件的剩余部分的外径中。如图10中最明显的那样，导光件的末端具有半球形或穹顶形凹陷460，该凹陷460尺寸设置成以便容纳位于LED组件的基底212的表面或顶部上的裸露的芯片140。凹陷460在导光件的端部上终止，反射器表面452在该处开始。这样，就使得反射器表面与基底的上表面接合，且反射器表面沿周向包围LED，以使从LED芯片以0-180度延伸出来的光改变方向，以及改进到导光件的内部中的耦联效率。此外，在图11中示出了这些改进的结果，其中光线轨迹展示了导光件内的总的内反射的很大改进。包围LED芯片组件140的空腔462具有空气间隙或具有与导光件的折射率紧密匹配的折射率的材料，例如凝胶。
已经通过使用在各个实施例中显示和描述的耦联布置来实现耦联效率的很大改进。不止是范围从35％至大约50％的耦联效率，改进的效率的范围为从大约70％至96％以上的效率。抛物面或非球形镜面能够沿实际上任何方向显著地使离开LED源的光线准直。此外，对LED周围的空腔填充具有与导光件的折射率紧密匹配的折射率的透明材料具有两个优点。第一，透明材料减少了在LED-空气和空气-光引导界面上的菲涅耳反射。第二，透明材料还使得能够在反射面上应用总的内反射。如果出口孔比源直径大许多或如果抛物面的长度允许多重反射，则会获得良好地准直的光束。通过提高输入耦联效率，在组合CFL中实现了更高的饱和红色表现的期望的作用，同时具有相同的能量消耗。或者，可通过保持相同的作用以及同样地提高组合灯的效率来降低LED的能量消耗。因而，红的LED消耗从0.1瓦至10瓦的电功率，且对具有伸长的形状、具有范围在2毫米和20毫米之间的直径的导光件发出6-900流明的红光。导光件的优选材料为有效地将来自CFL的基部的光传输到放电管的区域的、具有1.4至1.6的折射率的聚合物或玻璃。最小的光损失出现在塑料套环下(即基部的壳体内)的导光件的区域中，而在放电管的区域中仍然需要最大输出耦联。但是，本实施例针对不同类型的LED(即配备或未配备有主光学器件或透镜或者集成式光学器件或透镜的那些)来处理输入耦联效率。
已经参照优选实施例对本公开进行了描述。显然，在阅读和理解前述详细描述之后，其他人将想到修改和改变。意在使本公开包括所有这样的修改和改变。

Claims (23)

1.一种用于将发光二极管(LED)耦联到导光件上的装置，所述的装置设置在紧凑型荧光灯(CFL)组件的基部内，所述的装置包括：
用于沿至少第一方向发光的LED；
具有近侧端部和远侧端部的导光件，所述近侧端部定位在所述LED附近以便接收从所述LED发出的光，所述远侧端部与所述近侧端部远离地隔开，光从该远侧端部离开所述导光件；以及
用于将高比率的光从所述LED传输到所述导光件的、置于所述LED和所述导光件的近侧端部之间的耦联器，所述耦联器包括抛物线或非球面的内反射器表面其中之一，所述内反射器表面具有至少部分地包围所述LED的狭窄的第一端部，以及至少部分地包围所述导光件的近侧端部的宽的第二端部。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述LED包括覆盖LED芯片的光学穹顶，且所述耦联器的所述第一端部包围所述光学穹顶的外周。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述耦联器的所述第一端部包围所述LED芯片安装在其上的基底的一部分。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述内反射器表面的所述狭窄的第一端部沿着所述穹顶的外周与所述基底的接合部抵靠。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，由所述内反射器表面形成的空腔在所述穹顶和所述导光件的所述近侧端部之间填充有空气。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述耦联器的所述第一端部包围裸露的LED芯片。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述内反射器表面从所述裸露的LED芯片的基底表面延伸。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述内反射器表面包围接收在所述基底上的所述芯片的周边。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，由所述内反射器表面形成的空腔在所述裸露的LED芯片和所述导光件的所述近侧端部之间填充有凝胶。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述凝胶具有与所述导光件的折射率紧密匹配的折射率。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述导光件的折射率为1.5；所述凝胶的折射率为1.52。
12.一种用于将发光二极管(LED)耦联到导光件上的装置，所述的装置设置在紧凑型荧光灯(CFL)组件的基部内，所述的装置包括：
用于沿至少第一方向发光的LED；
具有近侧端部和远侧端部的导光件，所述近侧端部定位在所述LED附近以便接收从所述LED发出的光，所述远侧端部与所述近侧端部远离地隔开，光从该远侧端部离开所述导光件；以及
用于将高比率的光从所述LED传输到所述导光件的、整体地形成于所述导光件的所述近侧端部中的耦联器，所述耦联器包括抛物线或非球面形内反射表面其中之一，所述内反射表面具有至少部分地包围所述LED的狭窄的第一端部和并入所述导光件的剩余部分中的宽的第二端部。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述导光件的末端包括尺寸设置成以便容纳裸露的LED芯片的穹顶形凹陷。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述导光件绕着由基底支承的LED芯片的周边抵靠所述基底的表面。
15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述凹陷填充有凝胶。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述凝胶具有与所述导光件的折射率紧密匹配的折射率。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述导光件的折射率为1.5；所述凝胶的折射率为1.52。
18.一种用于将发光二极管(LED)耦联到导光件上的装置，所述的装置设置在紧凑型荧光灯(CFL)组件的基部内，所述的装置包括：
用于沿至少第一方向发光的LED；
具有基本平的近侧端部和远侧端部的导光件，所述基本平的近侧端部定位在所述LED附近以便接收从所述LED发出的光，所述远侧端部与所述近侧端部远离地隔开，光从该远侧端部离开所述导光件；
支承件，将所述LED接收在其第一表面的中心凹陷部分中，所述LED设置成与所述导光件的平的近侧端部成面对关系，所述支承件具有用于将高比率的光从所述LED传输到所述导光件的反射器表面；其中，所述的反射器表面包括抛物线或非球面的内反射器表面其中之一；
以及
***，具有尺寸设置为用于紧密地接收所述导光件的周边部分的有限的轴向长度的凹陷。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述导光件的所述基本平的近侧端部相对于所述LED以围绕的关系以抵靠的方式接合所述支承件的升高的周边部分。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述凹陷的剩余部分填充有空气。
21.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述***包括至少一个开口，以用于通过该至少一个开口来接收电源供电。
22.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述装置还包括散热器，该散热器具有将所述***和所述支承件支承在其中的凹限。
23.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，导光件的基本平的近侧端部的横向尺寸大于LED的横向尺寸，以确保从所述LED发射的光耦联到所述导光件。
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