CN105659027B - 源光注入不平行于装置光轴的照明装置 - Google Patents

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Abstract

一种照明装置包括：光源，其被配置来在操作期间发射传播的普遍方向不同于所述照明装置的光轴的方向的光；和包括透明材料的光学耦合器，所述光学耦合器具有输入孔、引出孔以及布置在所述输入孔与所述引出孔之间的第一侧表面和第二侧表面，所述引出孔居中于所述照明装置的所述光轴上。所述光学耦合器通过所述输入孔从所述光源接收发射光。此外，所述第一侧表面和所述第二侧表面经由全内反射(TIR)将所接收光重新导引到所述引出孔。此外，通过所述引出孔发出所述重新导引光。

Description

源光注入不平行于装置光轴的照明装置
相关申请的交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119(e)(1)主张2013年7月18日提交的第61/856,009号美国临时申请的权益，所述申请以引用方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及照明装置，例如其中源光注入不平行于装置的光轴的光导灯具模块。
背景技术
源光用于各种应用中，诸如提供一般照明且为电子显示器(例如，LCD)提供光。历史上，白炽源光已经广泛用于一般照明目的。白炽源光通过将灯丝线加热到高温直至其闪烁而生成光。用填充惰性气体或真空的玻璃壳体保护热灯丝免遭空气中的氧化。在许多应用中，白炽源光正逐渐被其它类型的电光所取代，诸如荧光灯、紧凑型荧光灯(CFL)、冷阴极荧光灯(CCFL)、高强度放电灯和固态源光，诸如发光二极管(LED)。
概要
本公开涉及照明装置，例如其中源光注入不平行于装置的光轴的光导灯具模块。
一般来讲，本文所述技术的创造性方面可以在包括一个或多个以下方面的照明装置中实施：
在一个方面中，一种照明装置包括：光源，其被配置成在操作期间在发射角度范围内发射光，所述发射角度范围内的发射光的传播的普遍方向不同于照明装置的光轴的方向；和包括透明材料的光学耦合器，所述光学耦合器具有输入孔、引出孔以及布置在所述输入孔与所述引出孔之间的第一侧表面和第二侧表面，所述引出孔居中于照明装置的光轴上。所述光学耦合器通过输入孔从光源接收在发射角度范围内发射的光。此外，所述第一侧表面和所述第二侧表面经由全内反射(TIR)将所接收光重新导引到所述引出孔。此外，在重新导引角度范围内通过引出孔发出重新导引光。
上述和其它实施方案每个可以单独或组合地选用包括一个或多个以下特征。在一些实施方式中，重新导引光在重新导引角度范围内的传播的普遍方向可沿照明装置的光轴。在一些实施方式中，重新导引角度范围可以具有比发射角度范围更小的发散度。在一些实施方式中，光源包括LED管芯。在一些实施方式中，光源可以发射白光。在一些实施方式中，光源和光学耦合器的输入孔可以浸没耦合。此处，光源包括磷光体层且所述磷光体层与光学耦合器的输入孔浸没耦合。
在一些实施方式中，第一侧表面和第二侧表面中的每个可以沿正交于照明装置的光轴的轴和发射光在发射角度范围内的传播的普遍方向具有平移对称性。
在一些实施方式中，发射光在发射角度范围内的传播的普遍方向可以相对于照明装置的光轴倾斜小于临界TIR角的倾斜角，且第二侧表面包括弯曲部分和扁平部分，所述扁平部分沿照明装置的光轴定向。此处，第二侧表面的扁平部分邻近引出孔。此外，第一侧表面是取决于倾斜角和临界TIR角的第一对数螺旋，第二侧表面的弯曲部分是取决于倾斜角、临界TIR角和光源的尺寸的第二对数螺旋，且第二侧表面在弯曲部分与扁平部分的相交处连续。此外，引出孔在第一侧表面上的点沿照明装置的光轴具有与引出孔在第二侧表面的扁平部分上的另一点相同的坐标。
在一些实施方式中，发射光在发射角度范围内的传播的普遍方向相对于照明装置的光轴倾斜等于或大于临界TIR角的倾斜角，且第二侧表面是扁平的且沿所述照明装置的光轴定向。此处，第一侧表面是取决于倾斜角和临界TIR角的第一对数螺旋。此外，引出孔在第一侧表面上的点沿照明装置的光轴具有与引出孔在扁平侧表面上的另一点相同的坐标。
在一些实施方式中，所述照明装置还包括光导，所述光导包括沿照明装置的光轴安置的接收端和相对端。所述接收端被安置成接收由光学耦合器发出的光。此外，所述光导被配置成沿前向方向上将在所述接收端处接收的光引导朝向光导的相对端。此外，所述照明装置还包括光学提取器，所述光学提取器位于相对端且被配置成将引导光输出到周边环境作为后向方向上的输出光。此外，所述光导的数值孔径使得在重新导引角度范围内从光学耦合器接收的光可经由TIR由所述光导引导。在一些情形中，光学提取器可以具有至少一个重新导引表面。此处，光学提取器的至少一个重新导引表面被布置且成形成在具有正交于前向方向的分量的方向上反射引导光的至少一部分。在一些其它情形中，所述光学提取器可以具有：第一重新导引表面，其被布置且成形成在具有正交于前向方向的分量的第一方向上反射引导光的至少一部分；和第二重新导引表面，其被布置且成形成在具有正交于前向方向且反平行于所述第一方向的正交分量的分量的第二方向上反射所述引导光的至少一部分。
在一些实施方式中，所述照明装置还包括光学提取器，所述光学提取器被安置在所述照明装置的光轴上且与光学耦合器的引出孔隔开分隔距离。(i)分隔距离与(ii)光学提取器的数值孔径的组合使得由光学耦合器发出的所有光投射在光学提取器上。此外，光学提取器被配置成在相对由光学耦合器发出的光的传播的普遍方向的后向方向上将投射在其上的光输出到周边环境中作为输出光。在一些情形中，光学提取器可以具有至少一个重新导引表面。此处，光学提取器的至少一个重新导引表面被布置且成形成在具有正交于由光学耦合器发出的光的传播的普遍方向的分量的后向方向上反射投射在其上的光的至少一部分。在其它情形中，光学提取器可以具有：第一重新导引表面，其被布置且成形成在具有正交于由光学耦合器发出的光的传播的普遍方向的分量的第一方向上反射投射在其上的光的至少一部分；和第二重新导引表面，其被布置且成形成在具有正交于由光学耦合器发出的光的传播的普遍方向且反平行于所述第一方向的正交分量的分量的第二方向上反射投射在其上的光的至少一部分。
在另一方面中，一种光学耦合器包括：输入孔，其安置在第一平面内；引出孔，其安置在第二平面内，使得第二平面以锐角相交第一平面；以及在输入孔与引出孔之间延伸的第一侧表面和第二侧表面。第一和第二侧表面被配置成经由全内反射将来自输入孔的入射光导引到引出孔。
上述和其它实施方案每个可以单独或组合地选用包括一个或多个以下特征。在一些实施方式中，第一侧表面和第二侧表面中的每个可以沿平行于第一平面和第二平面的轴具有平移对称性。
在一些实施方式中，锐角可以小于临界TIR角，且第二侧表面包括弯曲部分和扁平部分，其中所述扁平部分定向成正交于第二平面。此处，第二侧表面的扁平部分邻近引出孔。在一些情形中，第一侧表面是取决于锐角和临界TIR角的第一对数螺旋，第二侧表面的弯曲部分是取决于锐角、临界TIR角和输入孔的尺寸的第二对数螺旋，且第二侧表面在弯曲部分与扁平部分的相交处连续。此外，引出孔在第一侧表面上的点沿正交于引出孔的轴具有与引出孔在第二侧表面的扁平部分上的另一点相同的坐标。
在一些实施方式中，锐角可以等于或大于临界TIR角，且第二侧是扁平的且定向成正交于第二平面。在这个情形中，第一侧表面是取决于锐角和临界TIR角的对数螺旋。此外，引出孔在第一侧表面上的点沿正交于引出孔的轴具有与引出孔在扁平侧表面上的另一点相同的坐标。
下文在附图和描述中阐述本文所述技术的一个或多个实施方式的细节。从描述、图示和权利要求书中将显而易知所公开技术的其它特征、方面和优势。
附图简述
图1A示出灯具模块的实例，其中源光注入不平行于灯具模块的光轴。
图1B是图1A所示灯具模块的强度分布的实例。
图2A-2H示出灯具模块的方面，其中源光注入平行于灯具模块的光轴。
图3示出具有相对于灯具模块的光轴的不同角度的源光注入的实例灯具模块。
图4-8示出图3所示灯具模块的非平行源光注入的方面。
各个图示中的参考数字和名称指示本公开的特定特征的示例性方面、实施方式。
具体实施方式
本公开涉及其中输入孔和引出孔可以具有倾斜定向的光学耦合器以及采用这些光学耦合器用于提供直接和/或间接照明的照明装置。光学耦合器被配置成从输入孔接收光且将光导引到引出孔。照明装置可以将从在输入孔处接收的诸如固态源光的源光或泵浦磷光体的光有效地引导且分布朝向工作表面和/或背景区。源光可相对于照明装置的光轴被定向在倾斜方向上。在一些实施方式中，光学耦合器可以从扁平输入孔接收在2π球面度的立体角内发射的光。在一些实施方式中，光学耦合器被配置成经由全内反射(TIR)将来自输入孔的光导引到引出孔。
取决于实施方式，一个或多个光学耦合器可用于照明装置中。光学耦合器可用于例如将光导引到照明装置的光学提取器。在一些情形中，由光学耦合器在其引出孔处提供的光通过光导被引导到光学提取器。由光学提取器提取到周边环境的光可以被导引到工作表面和/或朝向背景区以提供照明或其它发光功能。
(i)源光注入不平行于装置光轴的照明装置
图1A说明其中源光注入与光轴102不平行的照明装置100的方框图。也称为灯具模块100的照明装置100包括法线相对于装置光轴102倾斜有限角δ的基板105、布置在基板上的一个或多个发光元件(LEE)110、对应一个或多个光学耦合器120，以及光学提取器140，其中0<δ≤90°。此处，装置光轴102平行于z轴且穿过光学耦合器120的引出孔124且穿过光学提取器140的输入孔。LEE 110沿平行于法线的发射方向106将光发射到基板105，使得发射方向106包括相对于装置光轴102的角δ。这样，发射的光通过输入孔122沿发射方向106被注入到光学耦合器120中。在一些实施方式中，照明装置100还包括光导130。在一些实施方式中，LEE 110与耦合器120的输入孔浸没耦合。取决于实施方式，这种浸没耦合可以在管芯或磷光体层(如果有)或LEE 110的其它组件或界面之间。在一些实施方式中，耦合器120可以与远离LEE 110的磷光体层(图1A中未示)浸没耦合。取决于实施方式，恢复腔可以形成在LEE与远程磷光体层之间以提供期望的光学耦合。
一般来讲，也称为发光器的LEE是当启用时在可见区、红外区和/或紫外区中的电磁频谱的一个或多个区中发射辐射的装置。例如，LEE的启用可通过跨越LEE组件施加电势差或使电流穿过LEE组件来实现。LEE可以具有单色、准单色、多色或宽频频谱发射特性。LEE的实例包括半导体、有机、聚合物/聚合发光二极管、其它单色的、准单色或其它发光元件。在一些实施方式中，LEE是发射辐射的具体装置，例如LED管芯。在其它实施方式中，LEE包括发射辐射的具体装置(例如LED管芯)以及在其内放置具体装置或多个装置的外壳或封装的组合。LEE的实例还包括激光器和更具体地说半导体激光器，诸如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和边缘发射激光器。LEE的另外实例包括超发光二极管和其它超发光装置。
在操作期间，LEE110提供第一角度范围115内的光。这种光可以具有例如相对于一个或多个LEE 110的光轴的朗伯分布。此处，LEE 110的光轴平行于基板105的法线106，与装置光轴102(例如z轴)产生非零角δ。
一个或多个耦合器120在输入孔122处以第一角度范围115内接收LEE 110的光，并且在引出孔124以第二角度范围125提供光。如本文所用，以“角度范围”提供光是指提供在一个或多个普遍方向传播的光，其中每个光具有相对于对应普遍方向的发散度。在此内容背景中，术语“传播的普遍方向”是指传播光的强度分布的一部分沿其具有最大值的方向。例如，与角度范围相关联的传播的普遍方向可以是强度分布的波瓣的定向。(见例如图1B。)还在这个内容背景中，术语“发散度”是指传播光的强度分布在其外部降落低于强度分布的最大值的预定分率的立体角。例如，与角度范围相关联的发散度可以是强度分布的波瓣的宽度。预定分率取决于发光应用可以是10％、5％、1％或其它值。
一个或多个耦合器120被成形成经由全内反射、镜面反射或两者将第一角度范围115变换到第二角度范围125中。因此，一个或多个耦合器120可包括用于将光从一个或多个耦合器120中的每个的输入孔122传播到引出孔124的实心透明材料。这样，第二角度范围125的传播的普遍方向是沿着z轴，且因此，其与相对z轴倾斜角度δ的第一角度范围115的传播的普遍方向不同。此外，第二角度范围125的发散度比第一角度范围115的发散度更小，以确保在角度范围125中由耦合器120提供的所有光可以被注入到光学提取器140的输入孔中。此处，光学耦合器120的引出孔124与光学提取器140的输入孔之间的距离D可为例如5cm、10cm或20cm。(i)在其中由光学提取器140接收光的第三角度范围135与(ii)光学提取器140的数值孔径的组合被配置使得所有所接收光被注入到光学提取器140的输入孔。
在一些实施方式中，照明装置包括光导130。光导130可以实心、透明材料制成。此处，光导130被布置成在光导130的一端处在第二角度范围125中接收由光学耦合器120提供的光，并且例如沿装置光轴102(在这个情形中为z轴)沿前向方向将所接收光从光导130的接收端引导到相对端。此处，光导130的接收端与其相对端之间的距离D可为例如5cm、10cm、20cm、50cm或100cm。(i)在其中由光导130在接收端处接收光的第二角度范围125与(ii)光导130的数值孔径的组合被配置使得通过全内反射(TIR)将所有所接收光从接收端引导到相对端。
一个或多个光导侧表面可以是平坦的、弯曲的或其它形状。光导侧表面可以是平行的或不平行的。在具有不平行光导侧表面的实施方案中，光导130的相对端处的引导光的第三角度范围135不同于接收端处接收的光的角度范围125。在具有平行光导侧表面的实施方案中，光导130的相对端处的引导光的第三角度范围135具有与接收端处接收的光的角度范围125至少大体上相同的发散度。在任一这些实施方案中，光导侧表面是光学平滑的，以允许引导光通过TIR在光导130内部前向传播(例如，在z轴的正方向上)。
此外，光学耦合器120与光学提取器140之间的距离D(沿z轴)-对于照明装置100不具有光导130的实施方案-或光导130的长度D及其厚度T的组合(沿x轴)-对于照明装置100具有光导130的实施方案-在光从耦合器120传播(对于照明装置100不具有光导130的实施方案)或从光导130的接收端被引导到相对端(对于照明装置100具有光导130的实施方案中)时-被选择为均匀化由沿y轴分布的离散LEE 110发射的光。这样，在光从光学耦合器120传播到光学提取器140或被引导通过光导130时，均匀化发射光引起将沿第二角度范围125的y轴的离散分布改变为沿第三角度范围135的y轴的连续分布(其中离散分布部分或完全模糊)。
光学提取器140使从光学耦合器120接收(对于照明装置100不具有光导130的实施方案)或从光导130接收(对于照明装置100具有光导130的实施方案)的光以一个或多个输出照明分布输出到周边环境中。因此，由提取器140输出的光具有可沿y轴大体上连续的第一输出角度范围145'且具有第一输出传播方向，所述第一输出传播方向具有相对于前向方向(例如反平行于z轴)的分量。在一些实施方式中，除了第一输出角度范围145'之外，提取器140输出的光具有沿y轴大体上连续的第二输出角度范围145”且具有第二输出传播方向，所述第二输出传播方向具有相对于前向方向(例如反平行于z轴)的分量。在这个情形中，第一输出传播方向和第二输出传播方向具有正交于前向方向且彼此相对(反平行)(反平行与平行于x轴)的各自分量。在一些实施方式中，除了第一输出角度范围145'和第二角度范围145”之外，提取器140输出的光具有可沿y轴大体上连续的第三输出角度范围145”'且具有沿前向方向(例如沿z轴)的第三输出传播方向。
如上所述，照明装置100的光导130和光学提取器140被布置且被配置成在光被输出到周边环境中之前LEE 110发射的光被平移且重新导引远离LEE。也称为实体(光)源的光产生空间与也称为虚拟源光或虚拟灯丝的光的提取空间的空间分离可以促进照明装置100的设计。这样，虚拟灯丝可以被配置成相对于平行于照明装置的光轴(例如z轴)的平面提供大体上非等向性的光发射。相比之下，典型白炽灯丝通常发射大体上等向性分布的光量。虚拟灯丝可被视为从其中似乎放射大量光的空间的一个或多个部分。此外，将具有其预定光学、热、电气和机械约束的LEE 110与光提取的空间分离可促进照明装置100的更大程度的设计自由度且允许延长的光学路径，这可容许在从照明装置100输出光之前混合预定级的光。
图1B示出沿y轴伸长的实例照明装置100的远场光强度分布101的x-z横截面(垂直于图1A的截平面)。在一些实施方式中，远场光强度分布101包括表示由照明装置100在第一输出角度范围145'中输出的光的第一输出波瓣145a。在这个情形中，第一输出角度范围145'的传播方向是沿第一输出波瓣145a的约-130°等分线。
在一些实施方式中，除了第一输出波瓣145a之外，远场光强度分布101包括表示由照明装置100在第二输出角度范围145”内输出的光的一个或多个第二输出波瓣145b，或表示在第三输出角度范围145”'内由照明装置100输出的光的第三输出波瓣145c。在本实例中，第二输出角度范围145”的传播方向是沿第二输出波瓣145b的约+130°等分线，且第三输出角度范围145”'的传播方向是沿第三输出波瓣145c的约0°等分线。在其它实例照明装置中，第一输出波瓣145a和第二输出波瓣145b可以是不对称的。此外，在这种情形中，第一输出角度范围145'(由第一输出波瓣145a的宽度表示)或第二输出角度范围145”(由第二输出波瓣145b的宽度表示)中的每个的发散度小于第三输出角度范围145”'(由第三输出波瓣145c的宽度表示)的发散度。
LEE 110相对装置光轴102(例如z轴)的定向以及照明装置100的耦合器120、光导130和提取器140的组成和几何形状可以影响远场光强度分布101，例如与第一输出波瓣145a相关联以及任选一个或多个第二输出波瓣145b和第三输出波瓣145c的传播方向和发散度。
在描述其中源光注入不与装置光轴102平行的照明装置100的各个实施方案的细节之前，描述其中源光注入与装置光轴平行的光导照明装置。
(ii)其中源光注入与灯具模块的光轴平行的灯具模块
参考图2A，其中示出笛卡尔坐标系供参考，灯具模块200包括基座212，多个LEE210沿基座212的第一表面分布。具有LEE 210的基座被安置在光导230的第一(例如，上)边缘231处。再次，正z方向称为“前向”方向且负z方向为“后向”方向。通过灯具模块200平行于x-z平面的截面称为灯具模块的“横截面”或“横截面平面”。此外，灯具模块200沿y方向延伸，因此这个方向称为灯具模块的“纵向”方向。灯具模块的实施方式可以具有平行于y-z平面的弯曲或其它形状的对称平面。这称为灯具模块的“对称平面”。
多个LEE 210被安置在基座212的第一表面上，但是多个LEE 210中仅一个示出在图2A中。例如，多个LEE 210可以包括多个白LED。LEE 210与一个或多个光学耦合器220光学耦合(其只一个示出在图2A中)。光学提取器240被安置在光导230的第二(例如，下)边缘232处。
基座212、光导230和光学提取器240沿y方向延伸长度L，使得灯具模块为细长灯具模块，其中伸长L可以大致平行于房间的墙壁(例如，房间的天花板)。通常，L可以如所希望改变。通常，L是在约1cm到约200cm(例如，20cm或更多、30cm或更多、40cm或更多、50cm或更多、60cm或更多、70cm或更多、80cm或更多、100cm或更多、125cm或更多或150cm或更多)的范围内。
当更多LEE用于更长灯具模块时LEE 210在基座212上的数量通常将尤其取决于长度L。在一些实施方式中，多个LEE 210可以包括在10个与1,000个LEE之间(例如，约50个LEE、约100个LEE、约200个LEE、约500个LEE)。通常，LEE的密度(例如，每单位长度的LEE数量)还将取决于LEE的标称功率和灯具模块希望的照度。例如，相对高密度的LEE可用于希望有高照度或使用低功率LEE的应用。在一些实施方式中，灯具模块200沿其长度具有每平方厘米0.1 LEE或更多的LEE密度(例如，0.2每平方厘米或更多、0.5每平方厘米或更多、1每平方厘米或更多、2每平方厘米或更多)。LEE的密度还可以基于多个LEE发射的混合光希望的量。在实施方式中，LEE可以沿灯具模块的长度L均匀隔开。在一些实施方式中，散热片205可以附接到基座212以提取由多个LEE 210发射的热。散热片205可以被安置在基座212的相对在其上安置LEE 210的基座212的侧的表面上。灯具模块200可以包括一种或多种类型的LEE，例如一个或多个LEE子集，其中每个子集可以具有不同颜色或色温。
光学耦合器220包括表面221和222定位成将来自LEE 210的光反射朝向光导230的一个或多个透明光学材料(例如，玻璃材料或透明有机塑料，诸如聚碳酸酯或丙烯酸)实心片。一般来讲，表面221和222被成形成收集且至少部分准直从LEE发射的光。在x-z横截面平面中，表面221和222可以是直线的或弯曲的。弯曲表面实例包括具有恒定曲率半径的抛物线或双曲线形状表面。在一些实施方式中，表面221和222涂覆高反射材料(例如，反射金属，诸如铝或银)以提供高反射光学界面。光学耦合器220的横截面分布沿灯具模块200的长度L可为均匀的。替代地，横截面分布可发生变化。例如，表面221和/或222可弯曲到x-z平面外。
光学耦合器220邻近光导231的上边缘的引出孔光学耦合到边缘231以促进光从光学耦合器220到光导230中的有效耦合。例如，可以使用大体上匹配形成光学耦合器220或光导230或两者的材料的折射率(例如，跨越界面的折射率不同2％或更少)的材料附接实心光学耦合器220和实心光导230的表面。光学耦合器220可以使用折射率匹配流体、油脂或粘合剂的附连到光导230。在一些实施方式中，光学耦合器220熔合到光导230或其由单片材料整体形成(例如耦合器和光导可以是单件的且可以由实心透明光学材料制成)。
光导230由可与形成光学耦合器220的材料相同或不同的一片透明材料(例如，诸如BK7的玻璃材料，熔合二氧化硅或石英玻璃，或透明有机塑料，诸如聚碳酸酯或丙烯酸)形成。光导230沿y方向延伸长度L、沿x方向具有均匀厚度T且沿z方向具有均匀深度D。通常基于光导的期望光学属性(例如，支持空间模式)和/或直接/间接强度分布选择尺寸D和T。在操作期间，从光学耦合器220耦合到光导230中的光(具有角度范围125)通过TIR反射离开光导的平坦表面且在光导内空间混合。混合可帮助在光学耦合器240处的光导232的远端部分处沿y轴实现照度和/或色彩均匀度。可选择光导230的深度D以在光导的引出孔处(即，在端部232处)实现足够的均匀度。在一些实施方式中，D在从约1cm到约20cm的范围内(例如，2cm或更大、4cm或更大、6cm或更大、8cm或更大、10cm或更大、12cm或更大)。
一般来讲，光学耦合器220被设计成限制进入光导230的光的角度范围(例如，限制在+/-40度内)，使得至少大量的光(例如，95％或更多光)被光学耦合到在平坦表面处经历TIR的光导230中的空间模式中。光导230可以具有均匀厚度T，其为分离光导的两个平坦相对表面的距离。通常，T足够大，因此光导在第一(例如上)表面231处具有足够大以大致匹配(或超过)光学耦合器220的引出孔的孔。在一些实施方案中，T在从约0.05cm到约2cm的范围内(例如，约0.1cm或更大、约0.2cm或更大、约0.5cm或更大、约0.8cm或更大、约1cm或更大、约1.5cm或更大)。取决于实施方式，光导越窄越能够在空间上更好地混合光。窄光导还提供窄引出孔。因此，可认为从光导发射的光类似于从一维线性源光(也称为细长虚拟灯丝)发射的光。
虽然光学耦合器220和光导230由数片实心透明材料形成，但是中空结构也是可行的。例如，光学耦合器220或光导230或两者可在具有反射内表面的情况下为中空的而非为实心的。因此，可降低材料成本且可避免光导中的吸收。多种镜面反射材料可适于此用途，所述材料包括诸如来自Alanod公司的3M VikuitiTM或Miro IVTM片材的材料，其中90％以上的入射光将被有效引导到光学提取器。
光学提取器240还由可与形成光导230的材料相同或不同的一片实心透明材料(例如，玻璃或透明有机塑料，诸如聚碳酸酯或丙烯酸)组成。在图2A示出的实例实施方式中，光学提取器240包括重新导引(例如扁平)表面242和244以及弯曲表面246和248。扁平表面242和244表示重新导引表面243的第一和第二部分，而弯曲表面246和248表示灯具模块200的第一和第二输出表面。
表面242和244涂覆有可在其上安置保护性涂层的反射材料(例如，高反射金属，诸如铝或银)。例如，形成这种图层的材料可以反射以适当(例如可见)波长入射在其上的约95％或更多的光。此处，表面242和244提供用于从光导230进入光学提取器232'的输入端且具有角度范围125的光的高反射光学界面。作为另一实例，表面242和244包括对在光学提取器240的输入端232'处进入的光透明的部分。此处，这些部分可为表面242和244的未涂覆区域(例如，部分镀银区)或不连续部分(例如，狭槽、狭缝、孔)。因而，一些光在输出角度范围125'内沿前向方向(沿z轴)透射穿过光学提取器240的表面242和244。在一些情形中，在输出角度范围125'内透射的光被折射。这样，重新导引表面243充当分束器而非镜，并且在输出角度范围125'内透射入射光的期望部分，同时在角度范围138和138'内反射剩余的光。
在x-z横截面平面中，对应于表面242和244的线具有相同长度且形成顶点或顶241，例如在顶点241处相交的v形形状。一般来讲，重新导引表面242,244的夹角(例如，表面244与表面242之间的最小夹角)可如期望改变。例如，在一些实施方式中，夹角可相对小(例如，从30°到60°)。在某些实施方式中，夹角在从60°到120°的范围内(例如，约90°)。夹角还可相对大(例如，在从120°到150°的范围内或更大)。在图2A中示出的实例实施方式中，光学提取器240的输出表面246,248以对于所述表面两者相同的恒定曲率半径弯曲。在一个方面中，输出表面246,248可以具有光功率(例如，聚焦或散焦光)。因此，灯具模块200具有平行于y-z平面的相交顶点241的对称平面。
光学提取器240的邻近于光导230的下边缘232的表面光学耦合到边缘232。例如，光学提取器240可使用折射率匹配流体、油脂或粘合剂附连到光导230。在一些实施方式中，光学提取器240被熔合到光导230或其由单片材料整体形成。
灯具模块200的发射频谱对应于LEE 210的发射频率。然而，在一些实施方式中，波长转换材料可以定位在灯具模块中，例如远离LEE，使得灯具模块的波长频谱取决于LEE的发射频谱和波长转换材料的组成两者。一般来讲，波长转换材料可以位于灯具模块200的各种不同位置中。例如，波长转换材料可以安置成接近LEE 210、光学提取器240的邻近表面242和244、在光学提取器240的引出表面246和248上，和/或其它位置。
例如，波长转换材料(例如，磷光体)层可以附接到经由适当支撑结构(未示出)适当固定的光导230，安置在提取器(也未示出)内或以其它方式布置。安置在提取器内的波长转换材料可以被配置为外壳或其它物体且安置在R/n与R*(1+n2)(-1/2)之间划线的抽象区域内，其中R是提取器240的光引出表面(图2A的246和248)的曲率半径且n是提取器中波长转换材料从反射表面(图2A中的242和244)看为相反的部分的折射率。支撑结构可以是透明自立结构。波长转换材料在其转换波长时会漫射光，提供混合光且可以帮助均匀照亮周边环境的表面。
在操作期间，通过端部232引出光导230的光投射在重新导引表面242和244的部分处的反射界面上且分别朝输出表面246和248向外反射而远离灯具模块的对称平面。重新导引表面242的第一部分提供具有朝输出表面246的角度分布138的光，重新导引表面244的第二部分提供具有朝输出表面246的角度分布138'的光。重新引导光通过输出表面246和248引出光学提取器。一般来讲，输出表面246和248具有光功率以分别在角度范围142和142'内重新导引引出光学提取器240的光。例如，光学提取器240可被配置成向上(即，朝与LEE相交且平行于x-y平面的平面)、向下(即，远离所述平面)或向上和向下两者发光。一般来讲，通过表面246和248引出灯具模块的光的方向取决于引出光导230的光的发散度和表面242和244的定向。
表面242和244可以被定向使得来自光导230的极少或没有光被光学提取器240沿特定方向输出。在其中灯具模块200附接到房间的天花板(例如前向方向朝向地板)的实施方式中，此类配置可帮助避免炫光和出现不均匀照度。
一般来讲，由灯具模块200提供的光强度分布反映灯具模块的结构绕y-z平面的对称性。例如，参考图1B，在角度范围142'内输出的光对应于远场光强度分布101的第一输出波瓣145a，角度范围142内输出的光对应于远场光强度分布101的第二输出波瓣145b且在角度范围125'内输出(泄漏)的光对应于远场光强度分布101的第三输出波瓣145c。一般来讲，灯具模块200的强度分布将取决于光学耦合器220、光导230和光学提取器240的配置。例如，光学耦合器220的形状、光学提取器240的重新导引表面243的形状以及光学提取器240的输出表面246、248的形状之间的相互影响可用于控制第一输出波瓣145a和第二输出波瓣145b在远场光驱强度分布101中的角宽和普遍方向(定向)。此外，第一输出波瓣145a和第二输出波瓣145b的组合中的光量与第三输出波瓣145c中的光量的比受控于重新导引表面242和244的反射率和透射率。例如，对于重新导引表面242、244反射率为90％且透射率为10％，可以在对应于第一输出波瓣145a的输出角度范围142'输出45％的光，可在对应于第二输出波瓣145b的输出角度范围142中输出45％光，且可在对应于第三输出波瓣145c的输出角度范围125'中输出10％的光。
在一些实施方案中，可基于由重新导引表面242和244的部分形成的v形沟槽241的夹角调整输出波瓣145a、145b的定向。例如，与远场光强度分布101导致第二夹角大于第一角度的输出波瓣145a、145b相比，第一夹角导致输出波瓣145a、145b位于相对较小角度的远场光强度分布101。这样，针对由重新导引表面243的部分242、244形成的两个夹角中的较小夹角，光可沿更前向方向从灯具模块200提取。
此外，虽然表面242和244描绘为平坦表面，但其它形状也是可行的。例如，这些表面可为弯曲或复合的。弯曲重新导引表面242和244可用于使输出波瓣145a、145b变窄或变宽。取决于在光学提取器232'的输入端处接收的光的角度范围125的发散度，凹反射表面242、244可使由光学提取器240输出的波瓣145a、145b变窄(且如图1B中所示)，而凸反射表面242、244可使由光学提取器240输出的波瓣145a、145b变宽。因而，被适当配置的重新导引表面242、244可将会聚或发散引入到光中。此类表面可具有恒定曲率半径、可为抛物面的、双曲面的或具有某种其它曲率。
一般来讲，可以使用各种方法建立元件的几何形状。例如，可以经验为主地建立几何形状。或者或是另外，可以使用光学仿真软件诸如例如LighttoolsTM、TraceproTM、FREDTM或ZemaxTM建立几何形状。
一般来讲，灯具模块200可以被设计成将光输出到与图2A所示不同的输出角度范围142、142'中。在一些实施方式中，照明装置可以将光输出到具有与图1B所示不同的发散度或传播方向的波瓣142a、142b。例如，一般来讲，输出波瓣145a、145b可以具有多达约90°(例如80°或更少、70°或更少、60°或更少、50°或更少、40°或更少、30°或更少、20°或更少)的宽度。一般来讲，在其中定向输出波瓣145a、145b的方向还可与图1B所示方向不同。“方向”指在其处波瓣最亮的方向。在图1B中，例如，输出波瓣145a、145b被定向在约-130°和约+130°。一般来讲，输出波瓣145a、145b可以被更多引导朝向水平(例如，在范围从-90°到-135°的角度，诸如在约-90°、约-100°、约-110°、约-120°，-130°，和范围从+90°到+135°的角度，诸如在约+90°、约+100°、约+110°、约+120°、约+130°。
灯具模块可以包括用于调整强度分布的其它特征。例如，在一些实施方式中，灯具模块可包括可以受控方式漫射光以帮助均匀化灯具的强度分布的光学漫射材料。例如，表面242和244可以是粗化或漫发射材料，而非镜面反射材料，可以涂覆在这些表面上。因此，表面242和244处的光学界面可漫反射光，将光散射到与由利用镜面反射的类似结构在这些界面处提供的光相比更宽的波瓣中。在一些实施方式中，这些表面可以包括促进各个强度分布的结构。例如，表面242和244可各自具有不同定向下的多个平坦刻面。因此，每个面会将光反射到不同方向中。在一些实施方式中，表面242和244可在其上具有结构(例如散射或衍射光的结构特征)。
表面246和248无需为具有恒定曲率半径的表面。例如，表面246和248可包括具有不同曲率的部分和/或可在其上具有结构(例如，散射或衍射光的结构特征)。在特定实施方式中，光散射材料可以被安置在光学提取器240的表面246和248上。
在一些实施方式中，光学提取器240被结构化使得在至少一个平面(例如x-z横截面平面)内传播且由表面242或244反射的可忽略量(例如，小于1％)的光在光射出表面246或248处经历TIR。对于特定球形或圆筒结构，所谓韦氏条件可以避免TIR。针对具有半径为R的表面的圆形结构和具有半径为R/n的抽象圆说明韦氏条件(即，通过圆筒或球体的横截面)，其中n是所述结构的折射率。穿过横截面平面内的抽象圆的任何光线入射在圆形结构的表面上且具有小于临界角的入射角且将在不经历TIR的情况下射出圆形结构。在平面中的球形结构内传播但是并非放射自抽象表面内的光线可在临界角下或大于入射角下投射在半径为R的表面上。因此，这样的光可以受到TIR并且将不会射出圆形结构。此外，穿过由小于R/(1+n2)(-1/2),(其小于R/n)的曲率半径的区域划线的抽象空间圆的p极化的光线将在引出圆形结构时在半径为R的表面处受到菲涅尔反射。该条件可被称为布儒斯特几何。可相应配置实施方式。
在一些实施方式中，所有或部分表面242和244可以位于由表面246和248所限定的抽象韦氏表面内。例如，接收通过端部232引出光导230的光的表面242和244的部分可以驻留在这个表面内，使得x-z平面内从表面244和246反射的光分别通过表面246和248引出而不经历TIR。
在上文结合图2A所述的实例实施方式中，灯具模块200被配置成将光输出到输出角度范围142、142'和任选125'中。在其它实施方式中，光导型灯具模块200被修改成将光输出到单个输出角度范围142'中。图2B示出被配置成在光导230的单侧上输出光的这种光导型灯具模块200*的实例。灯具模块200*被称为单侧灯具模块。单侧灯具模块200*类似于图2A所示的灯具模块200沿y轴伸长。还如灯具模块200，单侧灯具模块200*包括基座212和沿y轴安置在基座212的表面上以在第一角度范围内发射光的LEE 210。单侧灯具模块200*还包括光学耦合器220，其被布置且配置成将由LEE 210在第一角度范围内发射的光重新导引到在至少x-z横截面中具有小于第一角度范围的发散度的发散度的第二角度范围125中。此外，单侧灯具模块200*包括光导230，以从光导的第一端231在第二角度范围125中通过光学耦合器220将光重新导引到光导的第二端232。此外，单侧灯具模块200*包括单侧提取器(标示为240')，以接收由光导230引导的光。单侧提取器240'包括重新导引表面244以将从光导230接收的光重新导引到第三角度范围138'-如参考图2A针对灯具模块200所述-和输出表面248以在第三角度范围138'中将由重新导引表面244重新导引的光输出到第四角度范围142'。
单侧灯具模块200*的光强度分布表示在图1B中作为单个输出波瓣145a。单个输出波瓣145a对应于由单侧灯具模块200*在第四角度范围142'内输出的光。
图2C示出灯具模块200的实施方案200'，所述灯具模块也沿垂直于前向方向(例如，沿z轴)的轴(例如，y轴)伸长。在此情形中，光导230沿灯具模块200'的细长尺寸的长度L可为例如2'、4'或8'。光导230正交于细长尺寸L(例如，沿x轴)的厚度T被选择为由被引导光从光导230的接收端到相对端行进的距离D的分率。例如，对于T＝0.05D、0.1D或0.2D，来自沿长度L的椭圆路径绕z轴分布的多个点状LEE 210且在接收端处边缘耦合到光导230中的光可有效混合且在其传播到相对端时沿y轴变得均匀(准连续)。
图2D示出灯具模块200"，其具有围绕前向方向(例如，z轴)的(例如，连续或离散的)旋转对称性。此处，光导230的直径T为由被引导光从光导230的接收端到相对端行进的距离D的分率。例如，光导230的直径可为例如T＝0.05D、0.1D或0.2D。
灯具模块200的其它开放和封闭形状是可行的。图2E和2F分别示出灯具模块200”'的透视图和仰视图，对于所述灯具模块，光导230具有形成厚度为T的封闭圆筒状外壳的两个相对侧表面232a、232b。在图2E和2F中说明的实例中，由相对侧表面232a、232b形成的圆筒状外壳的x-y横截面是椭圆的。在其它情形中，圆筒状外壳的x-y横截面可为圆形的或可具有其它形状。实例灯具模块200”'的一些实施方式可包括光导230的侧表面232a上的镜面反射涂层。例如，对于T＝0.05D、0.1D或0.2D，来自沿长度L的椭圆路径绕z轴分布的多个点状LEE 210且在接收端处边缘耦合到光导230中的光可有效混合且在其传播到相对端时沿这种椭圆路径变得均匀(准连续)。
在上文结合图2A所述的实例实施方式中，灯具模块200包括光导230以将光从光学耦合器220的引出孔引导(平移)到光学提取器240的输入端231'。图2G说明这种“中空”灯具模块200-h的实例，其包括LEE 210、一个或多个对应光学耦合器220(如灯具模块200)和仅使用重新导引表面243将由光学耦合器220提供的光提取到周边环境的光学提取器(相对于灯具模块200的光学提取器240有所简化)。中空灯具模块200-h类似于图2A所示的灯具模块200沿y轴伸长。还如灯具模块200，中空灯具模块200-h包括基座212(具有沿z轴的法线)，使得LEE 210被沿y轴安置在基座212的表面上以沿z轴在第一角度范围内发射光。光学耦合器220被布置且配置成将由LEE 210在第一角度范围中发射的光重新导引到在至少x-z横截面中具有小于第一角度范围的发散度的发散度的第二角度范围125中。
此处，重新导引表面243与光学耦合器220的引出孔隔开距离D并且包括被布置成形成顶点指向光学耦合器220的v形沟槽的两个重新导引表面。距离D是基于第二角度范围225的发散度和重新导引表面243的横向尺寸(沿x轴)来选择，使得由光学耦合器在第二角度范围225中所提供的所有光投射在重新导引表面243上。这样，重新导引表面243的一部分将从光学耦合器220接收的光的一部分重新导引到第三角度范围138'中且重新导引表面243的另一部分将从光学耦合器220接收的剩余光重新导引到第四角度范围138中。在一些情形中，重新导引表面243是半透明的。这样，在角度范围225中从光学耦合器220接收的光的一部分通过重新导引表面243在第五角度范围225'中透射(泄漏)。第五角度范围225'的普遍传播方向是在前向方向上(沿z轴)。可类似于图1B中示出为第一输出波瓣145a和第二输出波瓣145b以及选用示出为额外第三输出波瓣145c的光强度分布表示中空灯具模块200-h的光强度分布。通过比较，第一输出波瓣145a对应于由中空灯具模块200-h在第三角度范围138'中输出的光，第二输出波瓣145b对应于由中空模块200-h在第四角度范围138中输出的光，且第三输出波瓣145c对应于由中空灯具模块200-h在第五角度范围225'中输出的光。
实例1：平行源光注入
图2H是可用于灯具模块200、200*、200'、200”、200”'或200-h的光学耦合器220-a的横截面，例如以接收由光源210-a发射的光。光学耦合器220-a被配置成沿光学耦合器220-a的光轴102-a重新导引接收的光。其可以被配置成仅在使用TIR时如此进行。下文详细描述可仅依赖于TIR的紧凑型光学耦合器的侧表面的形状。此处，表示由光源210-a发射的光的普遍传播方向的光源210-a的发射方向106-a平行于z轴；等效地，发射方向106-a与z轴之间的角度δ为零。此外，在这个实例中，光学耦合器220-a的光轴102-a居中于光学耦合器220-a的引出孔225-a上且还平行于z轴。光轴102-a与灯具模块的光轴一致。
光源210-a沿正交于光学耦合器光轴102-a的方向(例如沿x轴)的宽度为1个单位长度。此处，例如，光源210-a可以是延长的光源(例如，从光源210-a的每个表面元件均匀地发光)或为LED管芯的部分的一个或多个LEE 210。LEE 210可以包括多个(例如，LED)发射器，诸如单个封装的发射器阵列，或安置在具有法线106-a的基板上的发射器阵列。在图2H所示的这些横截面分布中，光源210-a由段OM表示，其中点O是笛卡尔坐标系的原点。
如上文结合图2A所述，光学耦合器220-a包括一个或多个实心透明材料片(例如，玻璃或透明有机塑料，诸如聚碳酸酯或丙烯酸)。光学耦合器220-a的输入孔与光源210-a光学耦合。在这个实例中，输入孔的宽度如光源210-a的宽度值沿归一化成1单元长度的x轴匹配光源210-a的宽度。
在一些实施方式中，光学耦合器220-a的引出孔225-a光学耦合到光导230-a的输入端。光学耦合器220-a和光导230-a可以通过使用大体上匹配形成光学耦合器220-a或光导230-a或两者的材料的折射率的材料来耦合。例如，光学耦合器220-a可使用折射率匹配流体、油脂或粘合剂附连到光导230-a。作为另一实例，光学耦合器220-a被熔合到光导230-a或其由单片材料整体形成。这样，通过引出孔225-a由光学耦合器220-a输出的重新导引光被光导230-a引导到耦合在光导230-a的相对端处的光学提取器。在其它实施方式中，当光学耦合器220-a是不具有光导的灯具模块的部分时，类似于灯具模块200-h，通过引出孔225-a由光学耦合器220-a输出的重新导引光被提供给与光学耦合器220-a隔开距离D(图2H未示出)的光学提取器。在图2H所示的横截面分布中，引出孔225-a由段NP表示。
此外，光学耦合器220-a包括弯曲侧表面224-a、224'-a，所述弯曲侧表面被成形成使得从光源210-a的任何点发射的光以超过临界角θC的角度入射在弯曲侧表面224-a、224'-a上。临界角θC等于ArcCos(n周边/n光学耦合器)。当周边是空气时，n周边≈1,且n光学耦合器＝n,临界角θC＝ArcCos(1/n)。图2H示出折射率N＝1.3、1.4、1.5、1.6、1.7和1.8时多个TIR光学耦合器220-a的横截面。
对于图2H中所示的实例中，由光源210-a发射的所有光经由TIR被光学耦合器220-a重新导引朝向引出孔225-a。在图2H中所示的截面分布中，弯曲侧表面224-a由曲线MM表示且弯曲侧表面224'-a由曲线OP表示，其中点O是笛卡尔坐标系的原点。
对于段OR1相对于段OM倾斜角度α的弯曲侧表面224-a的任何点R1与光源210-a的点O隔开由下式给定的距离OR1(α)
此处，角α满足0≤α≤θC。输出孔225-a上的点N是弯曲侧表面224-a的部分且与光源210-a的点O隔开距离ON＝OR1(α＝θC)。类似地，对于段MR2相对于段MO倾斜角度β的弯曲侧表面224'-a的任何点R2与光源210-a的点M隔开由下式给定的距离MR2(β)
此处，角β满足0≤β≤θC。输出孔225-a上的点P与光源210-a的点M隔开距离MP＝MR2(β＝θC)。通常，每个方程式(1)和(2)描述已知为等角螺旋(也称为对数螺旋)的曲线，其是可实现TIR条件的紧凑形状。在这个情形中，由方程式(2)给定且由曲线OP表示的弯曲侧表面224'-a的截面分布与由方程式(1)给定且由曲线MN表示的弯曲侧表面224-a的截面分布的镜面颠倒。
为了适应制造和材料特性容差，可以基于从与用于制造光学耦合器的材料的标称特性相关联的标称临界角稍微放大的抽象临界角成形侧表面。
弯曲侧表面224-a、224'-a可绕光学耦合器220-a的光轴102-a(如图2D所示的灯具模块200”中)持续旋转对称或沿垂直于图2H的截平面的轴(如图2A-2C所示的灯具模块200、200*、200'中)例如沿y轴具有平移对称性。
方程式(1)和(2)可用于确定光学耦合器220-a的长度(沿光轴102-a，例如z轴)和引出孔225-a的宽度(沿x轴)。光学耦合器220-a的长度由光源210-a(段OM)与引出孔225-a(段NP)之间的距离给定。此外，引出孔225-a的宽度等效于段NP的长度。应注意，在图2H所示的实例中，光学耦合器220-a的长度和引出孔225-a的宽度(且因此，光学耦合器220-a的体积和质量)随着减少折射率而增加。例如，对于n＝1.5，光学耦合器220-a的长度是约13单位长度，且引出孔225-a的宽度为约1.8单位长度。
如以下章节中所述，可以修改如本章节所述的灯具模块的灯具模块(其中源光注入平行于装置光轴)以获得其中源光注入不平行于装置光轴的灯具模块。
(iii)源光注入不平行于装置光轴的照明装置
图3示出照明装置200-b、200-c、200-d和200e的实例，其中源光注入不平行于所述装置的光轴。图3还说明-对照用-照明装置200-a的实例，类似于上文结合其中源光注入平行于装置光轴的各自图2A或2C所述的灯具模块200或200'。此处，装置200-a、200-b、200-c、200-d和200e的每个的光轴是z轴。
每个照明装置200-j包括光源210-j和一个或多个光学耦合器220-j，其中j处于集{a,b,c,d,e}中。光源210-j被定向成相对照明装置200-j的光轴，使得光源210-j的发射方向106-j对于每个照明装置200-j是不同的。如上所述，发射方向106-j表示由光源210-j发射的光的普遍传播方向。在一些实施方式中，光源210-j是细长正交相对照明装置200-j的光轴，例如如图2A或2C所示沿y轴具有纵向尺寸L。在这个情形中，L可以例如是1'、2'或4'。在其它实施方式中，如图2E-2F所示，照明装置可以具有另一细长配置。在这些实施方式中，单个光学耦合器220-j沿y轴与光源210-j方式相同也是细长的，或者多个光学耦合器220-j沿光源210-j的纵向尺寸L分布。在一些实施方式中，光源210-j可以具有非细长配置，例如如图2D所示绕z轴具有旋转对称对称性。
此外，光学耦合器220-j仅使用TIR重新引导在发射方向106-j下从光源210-j接收的光，并且沿照明装置200-j的光轴(如，z轴)提供重新导引光。因此，光学耦合器220-j被称为TIR光学耦合器220-j。
在图3所示的实例中，照明装置200-j还包括光导230-j和光学提取器240-j，其中j处于集{a,b,c,d,e}中。如图2A或2C所示，当需要适应沿照明装置200-j的光轴例如沿y轴伸长的单个TIR光学耦合器220-j，或沿y轴分布的多个TIR光学耦合器220-j时，光导230-j和提取器240-j还沿y轴伸长纵向尺寸L。
光导230-j中在光导230-j的输入端处沿照明装置200-j的光轴例如z轴将由TIR光学耦合器220-j提供的光从输入端引导到相对端。光学提取器240-j在相对端处于光导230-j耦合以接收引导的光。如上文结合图2A所述，光学提取器240-j沿具有正交于照明装置200-j的光轴的分量的第一后向方向以及具有(i)正交于照明装置200-j的光轴且(ii)相对第一后向方向的正交分量的分量将从光导230-j接收的光的大多数输出到周边环境。由光学提取器240-j沿第一后向方向输出的光对应于图1B所示的远场强度分布的第一输出波瓣145a，且由光学提取器240-j沿第二后向方向输出的光对应于第二输出波瓣145b。在一些实施方式中，光学提取器240-j将从光导230-j接收的光的一部分沿前向方向透射到周边环境。由光学提取器240-j在前向方向中输出的光对应于第三输出波瓣145c。
在照明装置200-a的情形中，发射方向106-a平行于照明装置200-a的光轴。上文结合图2H描述与照明装置200-a的光源210-a和TIR光学耦合器220-a的组合相关联的这种平行源光注入。
在照明装置200-j的情形中，发射方向106-a倾斜于照明装置200-j的光轴，其中j处于集{b,c,d}中。在照明装置200-e的情形中，发射方向106-e正交于照明装置200-e的光轴。下文讨论与各个照明装置200-j的光源210-j和光学耦合器220-j的组合中的每个相关联的非平行源光注入的这些情形，其中j处于集{b,c,d,e}中。
实例2：在小于临界角的角度下的斜光注入
图4是用于照明装置200-b的TIR光学耦合器220-b的横截面，以接收由光源210-b发射的光且仅使用TIR沿光学耦合器220-b的光轴102-b重新导引所接收的光。此处，表示由光源210-b发射的光的普遍传播方向的光源210-b的发射方向106-b与光轴102-b形成倾斜角δ。此外，在这个实例中，光学耦合器220-b的光轴102-b(其与照明装置200-b的光轴相一致)居中于光学耦合器220-b的引出孔225-b且平行于z轴。此处，发射方向106-b与光轴102-b之间的倾斜角δ为0<δ＝θC/2<θC，其中θC＝ArcCos(1/n)是与制造光学耦合器220-b的透明、实心材料(例如，玻璃或透明有机塑料，诸如聚碳酸酯或丙烯酸)的折射率n相关联的临界角。应注意，图4示出折射率n＝1.3、1.5和1.7时多个TIR光学耦合器220-b的横截面。
可通过在光轴102-b和发射方向106-b两者上正交的轴周围例如在y轴周围将上文结合图2H所述的光源210-a倾斜倾斜角度δ＝θC/2而实施光源210-b。因此，在图4所示的截面分布中，光源210-b由具有1单位长度的长度的段OM表示，其中点O是笛卡尔坐标系的原点。光学耦合器220-b的输入孔与光源210-b光学耦合。在这个实例中，输入孔的宽度和定向匹配光源210-b的各自宽度和定向。
当用作照明装置200-b的部分时，光学耦合器220-b的引出孔225-b与如上文结合图3所述的光导230-b的输入端光学耦合。在其它实施方式中，当光学耦合器220-b可以是不具有光导的灯具模块的部分时，类似于灯具模块200-h，通过引出孔225-b由光学耦合器220-b输出的重新导引光被提供给与光学耦合器220-b隔开距离D(图4未示出)的光学提取器。在图4所示的横截面分布中，引出孔225-b由段NP表示。
此外，对于倾斜角δ<θC，光学耦合器220-b包括弯曲侧表面224-b和复合侧表面223-b，所述表面被成形使得从光源210-b的任何点发射的光以在或超过临界角θC入射在弯曲侧表面224-a和复合侧表面223-b上。对于图4所示的实例，由光源210-b发射的所有光经由TIR由光学耦合器220-b重新导引朝向引出孔225-b。复合侧表面223-b包括弯曲部分224'-b和扁平部分226-b。此处，扁平部分226-b与光轴102-b对准。在图4所示的光学耦合器220-b的截面分布中，弯曲侧表面224-b由曲线MM表示，复合侧表面223-b的弯曲部分224’'-b由曲线OQ表示，其中点O是笛卡尔坐标系的原点，且复合侧表面223-b的扁平部分226-b由与z轴平行的段QP表示。此处，复合侧表面223-b的点Q与扁平部分226-b隔开弯曲部分224'-b。
对于段OR1相对于段OM倾斜角度α(其继而离x轴倾斜倾斜角度δ＝θC/2)的弯曲侧表面224-b的任何点R1与光源210-b的点O隔开由方程式(1)给定的距离OR1(α)。在这个情形中，角α满足0≤α≤θC+δ＝3θC/2。输出孔225-b上的点N是弯曲侧表面224-b的部分且与光源210-b的点O隔开距离ON＝OR1(α＝θC+δ)＝OR1(3θC/2)。类似地，对于段MR2相对于段MO倾斜角度β(其继而离x轴倾斜倾斜角度δ＝θC/2)的复合侧表面223-b的弯曲部分224'-b的任何点R2与光源210-b的点M隔开由方程式(2)给定的距离MR2(β)。在这个情形中，角β满足0≤β≤θC-δ＝θC/2。复合侧表面223-b的弯曲部分224'-b上的点Q与光源210-b的点M隔开距离MQ＝MR2(β＝θC-δ)＝MR2(θC/2)。
此外，点Q(笛卡尔坐标(xQ,zQ))也是复合侧表面223-b的扁平部分226-b的部分。此外，复合侧表面223-b的扁平部分226-b的任何点R3具有等于xQ(点Q的x坐标)的x坐标。因此，输出孔225-b上的点P具有坐标(xP,zP),其中xP＝xQ且zP＝zN。在这个情形中，包括由方程式(2)给定且由曲线OQ表示的弯曲部分224'-b和由段QP表示的扁平部分226-b的复合侧表面223-b的截面分布并非是由方程式(1)给定且由曲线MN表示的弯曲侧表面224-b的截面分布的镜面颠倒。弯曲部分OQ 224'-b为弯曲部分224-b仅相对于106-b的一部分的镜面颠倒。
弯曲侧表面224-b和复合侧表面223-b可以沿垂直于图4的截面平面的轴例如沿y轴具有平移对称性(如图2A-2C所示的灯具模块200、200*或200'中)。
以上计算可用于确定光学耦合器220-b的长度(沿光轴102-b，例如z轴)和引出孔225-b的宽度(沿x轴)。光学耦合器220-b的长度由弯曲侧表面224-b(曲线MN)与引出孔225-b(段NP)之间的最大距离给定。此外，引出孔225-b的宽度等效于段NP的长度。应注意，在图4所示的实例中，光学耦合器220-b的长度和引出孔225-b的宽度(且因此，光学耦合器220-b的体积和质量)随着减少折射率而增加。例如，对于n＝1.5，光学耦合器220-b的长度是约2.2单位长度，且引出孔225-b的宽度为约2.2单位长度。
实例3-5：等于或大于临界角的角度下的斜光注入
图5-7是用于照明装置200-j的TIR光学耦合器220-j的透视横截面，其中j处于集{c,d,e}中，以接收由光源210-j发射的光且仅使用TIR沿光学耦合器220-j的光轴102-j重新导引所接收的光。此处，表示由光源210-j发射的光的普遍传播方向的光源210-j的发射方向106-j与光轴102-j形成倾斜角δj。此外，在这个实例中，光学耦合器220-j的光轴102-j(其与照明装置200-j的光轴相一致)居中于光学耦合器220-j的引出孔225-j上且平行于z轴。
对于图5所示的实例中，发射方向106-c与光轴102-c之间的倾斜角δc为0<δc＝θC，其中θC＝ArcCos(1/n)是与制造光学耦合器220-c的透明、实心材料(例如，玻璃或透明有机塑料，诸如聚碳酸酯或丙烯酸)的折射率n相关联的临界角。应注意，图5示出折射率N＝1.3、1.4、1.5、1.6和1.8时多个TIR光学耦合器220-c的横截面。
对于图6所示的实例中，发射方向106-d与光轴102-d之间的倾斜角δd为θC<δd＝2θC，其中θC＝ArcCos(1/n)是与制造光学耦合器220-d的透明、实心材料(例如，玻璃或透明有机塑料，诸如聚碳酸酯或丙烯酸)的折射率n相关联的临界角。应注意，图6示出折射率N＝1.5、1.6、1.7和1.8时多个TIR光学耦合器220-d的横截面。
对于图7所示的实例中，发射方向106-e与光轴102-e之间的倾斜角δe为θC<δe＝90°，其中θC＝ArcCos(1/n)是与制造光学耦合器220-e的透明、实心材料(例如，玻璃或透明有机塑料，诸如聚碳酸酯或丙烯酸)的折射率n相关联的临界角。应注意，图7示出折射率N＝1.3、1.4、1.5、1.6、1.7和1.8时多个TIR光学耦合器220-e的横截面。
可通过在光轴102-j和发射方向106-j两者上正交的轴周围例如在y轴周围将上文结合图2H所述的光源210-a倾斜倾斜角度δj≥θC而实施光源210-j，其中j处于集{c,d,e}中。例如，图5所示的实例中的δc＝θC；图6所示的实例中的δd＝2θC；和图7所示的实例中的δe＝90°。因此，在图5-7所示的截面分布中，光源210-j由具有1单位长度的长度的段OM表示，其中点O是笛卡尔坐标系的原点。光学耦合器220-j的输入孔与光源210-j光学耦合。在这个实例中，输入孔的宽度和定向匹配光源210-j的各自宽度和定向。
当用作照明装置200-j的部分时，光学耦合器220-j的引出孔225-j与如上文结合图3所述的光导230-j的输入端光学耦合，其中j处于集{c,d,e}中。在其它实施方式中，当光学耦合器220-j是不具有光导的灯具模块的部分时，类似于灯具模块200-h，通过引出孔225-j由光学耦合器220-j输出的重新导引光被提供给与光学耦合器220-j隔开距离D(图5-7未示出)的光学提取器。在图5-7所示的横截面分布中，引出孔225-j由对应段NP表示。
此外，对于倾斜角δj≥θC，光学耦合器220-j包括弯曲侧表面224-j和扁平侧表面226-j，所述表面被成形使得从光源210-j的任何点发射的光以超过临界角θC的角度入射在弯曲侧表面224-j和扁平侧表面226-j上，其中j处于集{c,d,e}中。此处，扁平侧表面226-j与光轴102-j对准。对图5-7所示的实例中，由光源210-j发射的所有光经由TIR被光学耦合器220-j重新导引朝向引出孔225-j。在图5-7所示的光学耦合器220-j的截面分布中，弯曲侧表面224-j由曲线MN表示且扁平侧表面226-j由与z轴平行的段OP表示，其中点O是笛卡尔坐标系的原点。
对于段OR1相对于段OM倾斜角度α(其继而离x轴倾斜倾斜角度δj)的弯曲侧表面224-j的任何点R1与光源210-j的点O隔开由方程式(1)给定的距离OR1(α)，其中j处于集{c,d,e}中。在这个情形中，角α满足0≤α≤θC+δj。输出孔225-j上的点N是弯曲侧表面224-j的部分且与光源210-j的点O隔开距离ON＝OR1(α＝θC+δ)。此外，对于图5所示的实例中，倾斜角δc＝θC，角α满足0≤α≤2θC，且输出孔225-c上的点N与光源210-c的点O隔开距离ON＝OR1(α＝2θC)。此外，对于图6所示的实例中，倾斜角δd＝2θC，角α满足0≤α≤3θC，且输出孔225-d上的点N与光源210-d的点O隔开距离ON＝OR1(α＝3θC)。此外，对于图7所示的实例中，倾斜角δe＝90°，角α满足0≤α≤θC+90°，且输出孔225-e上的点N与光源210-e的点O隔开距离ON＝OR1(α＝θC+90°)。
此外,扁平侧表面226-j的任何点R3具有等于xO＝0-原点O的x坐标的x坐标，其中j处于集{c,d,e}中。因此，输出孔225-j上的点P是扁平侧表面226-j的部分且具有坐标(xP,zP)，其中xP＝0且zP＝zN。在这个情形中，扁平侧表面226-j的由段OP表示的截面分布并非由方程式(1)给定且由曲线MN表示的弯曲侧表面224-j的截面分布的镜面颠倒。
弯曲侧表面224-b和复合侧表面223-b可以沿垂直于图5-7所示的截面平面的轴例如沿y轴具有平移对称(如图2A-2C所示的灯具模块200、200*或200'中)。
以上计算可以用来确定光学耦合器220-j的长度(沿光轴102-j，例如z轴)和引出孔225-j的宽度(沿x轴)，其中j处于集{c,d,e}中。光学耦合器220-j的长度由弯曲侧表面224-j(曲线MN)与引出孔225-j(段NP)之间的最大距离给定。此外，引出孔225-j的宽度等效于段NP的长度。应注意，在图5-7所示的实例中，光学耦合器220-j的长度和引出孔225-j的宽度(且因此，光学耦合器220-j的体积和质量)随着减少折射率而增加。例如，对于如图5所示的n＝1.5且倾斜角δc＝θC，光学耦合器220-c的长度是约3.3单位长度，且引出孔225-c的宽度为约2.8单位长度。此外，对于如图6所示的n＝1.5且倾斜角δd＝2θC，光学耦合器220-d的长度是约5.8单位长度，且引出孔225-d的宽度为约5.2单位长度。此外，对于如图7所示的n＝1.5且倾斜角δe＝90°，光学耦合器220-e的长度是约6.9单位长度，且引出孔225-e的宽度为约5.8单位长度。
图8示出概括上文结合图2H、4、5、6和7所述的计算结果的曲线图800。曲线图800表示例如用于图3所示照明装置200-j的光学耦合器220-j的引出孔225-j的确定宽度(沿x轴)，其中j处于集{c,d,e}中。根据源宽度单位(swu)表述引出孔的宽度。如果光源210-j的宽度为1单位长度，那么1swu＝1单位长度。
照明装置200-a(图3所示)是用平行源光注入(δa＝0)来配置且使用在光学耦合器220-j中具有引出孔225-a的最小宽度的光学耦合器220-a(图2H所示)，其中j处于集{a,b,c,d,e}中。
照明装置200-b(图3所示)用倾斜源光注入(具有浅倾斜角δb＝θC/2<θC)且使用引出孔225-b的宽度大于用于平行源光注入的引出孔225-a的宽度的光学耦合器220-b(图4所示)。
照明装置200-c(图3所示)还用倾斜源光注入(具有临界角δc＝θC)且使用引出孔225-c的宽度大于用于具有浅倾斜角的倾斜源光注入的引出孔225-b的宽度的光学耦合器220-c(图5所示)。
照明装置200-d(图3所示)还用倾斜源光注入(具有陡倾斜角δd＝2θC)且使用引出孔225-d的宽度大于用于具有临界角的倾斜源光注入的引出孔225-c的宽度的光学耦合器220-d(图6所示)。
照明装置200-e(图3所示)用正交源光注入(具有倾斜角δe＝90°)来配置且使用在光学耦合器220-j中具有引出孔225-e的最大宽度的光学耦合器220-e(图7所示)，其中j处于集{a,b,c,d,e}中。
总之，图3说明具有可为光源的LEE提供不同位置和定向的耦合器220-j和光源210-j布置的照明装置200-j的实施方案，其中j处于集{a,b,c,d,e}中。例如，可出于热目的、直接接触耦合、LEE与耦合器220-j/光导230-j之间的放置容差弹性以及其它方面而开发这种不同布置。取决于实施方案，例如，光源210-j的LEE可以被放置在基板上或直接放置在耦合器220-j或光导230-j上。耦合器220-j和光导230-j可以整体地形成，且因此视情况被认为是在本文中称为耦合器或光导的一个组件。光源210-j的发射方向106-j中可被定向成平行(如图2H和3)、垂直(如图3和7)于光学耦合器220-j的光轴102-j或以倾斜角度(如在图3-6)定向。为了实现倾斜角度，光学耦合器220-j的隅角或光导230-j可以具有扁平斜边缘以邻接扁平LEE或具有带适当压痕的边缘以接收具有例如圆顶透镜的封装LEE，其中j处于集{b,c,d,e}。诸如硅胶或其它可固化或不可固化浸没物质的浸没物质可应用来减少LEE与耦合器220-j/光导230-j之间的气隙。
在其上安置LEE以形成光源210-j的基板可以被定向成大体上正交(如图3和7，其中j＝e)、倾斜(如图3-6，其中j处于集{b,c,d}中)或大体上共面(如图2H和3，其中j＝a)，其中光导230-j的侧表面作为基板的法线确定LEE的发射主导方向。可以用可从光源210-j的LEE截获光线且将其引入细长光导230-j中的实心横截面或中空金属反射器横截面创建耦合器220-j，使得其在耦合器220-j与光导230-j之间的接面处的角度范围使得大体上所有光将通过光导230-j经由全内反射传播，直至其到达提取器240-j。中空耦合器可以具有不同于实心耦合器220-j的形状。所公开技术的效率依赖于光源210-j的相对大小和耦合器220-j的尺寸。随着LED和其它固态LEE诸如VCSEL(垂直腔表面发射激光器)在大小上持续减少且在表面亮度上持续增加，这些类型的耦合方法由于耦合器220-j和光导230-j以及提取器240-j组合的相对大小可在大小上持续缩小且使用增加经济优势的材料而变得越来越实用。
之前的附图和附带描述说明用于照明的实例方法、***和装置。将理解，这些方法、***和装置仅用于说明目的并且所描述的技术或类似的技术可在任何适当时间(包括并发、个别地或组合地)执行。此外，这些过程中的步骤中的许多可同时、并发和/或按与所示出的次序不同的次序发生。此外，所描述的方法/装置可使用额外步骤/部件、更少的步骤/部件和/或不同的步骤/部件，只要所述方法/装置保持适当即可。
换句话讲，虽然已根据某些方面或实施方式以及大体相关联的方法描述本公开，但本领域的技术人员将明白这些方面或实施方案的改变和变更。因此，实例实施方式的以上描述不限定或约束本公开。在所附权利要求书中描述另外实施方案。

Claims (12)

1.一种光学耦合器(120)，其包括：
输入孔(122)，其安置在第一平面内；
引出孔(124)，其安置在第二平面内，所述第二平面以锐角与所述第一平面相交，其中
所述锐角小于临界TIR角；且
在所述输入孔与所述引出孔之间延伸的第一侧表面和第二侧表面，所述第一和第二侧表面被配置成经由全内反射将入射光从所述输入孔导引到所述引出孔，其中
所述第二侧表面包括弯曲部分和扁平部分，所述扁平部分被定向成正交于所述第二平面且邻近所述引出孔，其中
所述第一侧表面是取决于所述锐角和所述临界TIR角的第一对数螺旋，
所述第二侧表面的所述弯曲部分是取决于所述锐角、所述临界TIR角和所述输入孔的尺寸的第二对数螺旋，且
所述第二侧表面在所述弯曲部分与所述扁平部分的相交处连续，且其中所述引出孔在所述第一侧表面上的点沿正交于所述引出孔的轴具有与所述引出孔在所述第二侧表面的所述扁平部分上的另一点相同的坐标。
2.一种光学耦合器，其包括：
输入孔，其安置在第一平面内；
引出孔，其安置在第二平面内，所述第二平面以锐角与所述第一平面相交，其中
所述锐角等于或大于临界TIR角；且
在所述输入孔与所述引出孔之间延伸的第一侧表面和第二侧表面，所述第一和第二侧表面被配置成经由全内反射将入射光从所述输入孔导引到所述引出孔，其中
所述第二侧是扁平的且被定向成正交于所述第二平面，其中
所述第一侧表面是取决于所述锐角和所述临界TIR角的对数螺旋，其中
所述引出孔在所述第一侧表面上的点沿正交于所述引出孔的轴具有与所述引出孔在所述扁平部分上的另一点相同的坐标。
3.根据权利要求1或2所述的光学耦合器，其中所述第一侧表面和所述第二侧表面中的每个沿平行于所述第一平面和所述第二平面的轴具有平移对称性。
4.一种照明装置(100)，其包括：
光源(110)，其被配置来在操作期间在发射角度范围(115)内发射光，其中所述发射角度范围内的发射光的传播的普遍方向不同于所述照明装置的光轴(102)的方向；和
根据权利要求1或2的光学耦合器(120)，其中所述引出孔居中于所述照明装置的所述光轴上，
其中所述光学耦合器(120)通过所述输入孔从所述光源接收在所述发射角度范围内发射的光，且
其中在重新导引角度范围(125)内通过所述引出孔发出导引光。
5.根据权利要求4所述的照明装置，其中所述重新导引光在所述重新导引角度范围内的传播的普遍方向是沿所述照明装置的所述光轴。
6.根据权利要求4所述的照明装置，其还包括
光导，其包括沿所述照明装置的所述光轴安置的接收端和相对端，所述接收端被布置成接收由所述光学耦合器发出的光，所述光导被配置成在前向方向上将在所述接收端处接收的光引导朝向所述光导的所述相对端；和
光学提取器，其位于所述相对端且被配置成将所述引导光输出到周边环境作为后向方向上的输出光。
7.根据权利要求6所述的照明装置，其中所述光导的数值孔径使得在所述重新导引角度范围内从所述光学耦合器接收的光可经由TIR由所述光导引导。
8.根据权利要求6所述的照明装置，其中所述光学提取器具有至少一个重新导引表面，所述光学提取器的所述至少一个重新导引表面被布置且成形成在具有正交于所述前向方向的分量的方向上反射所述引导光的至少一部分。
9.根据权利要求6所述的照明装置，其中所述光学提取器具有：第一重新导引表面，其被布置且成形成在具有正交于所述前向方向的分量的第一方向上反射所述引导光的至少一部分；和第二重新导引表面，其被布置且成形成在具有正交于所述前向方向且反平行于所述第一方向的所述正交分量的分量的第二方向上反射所述引导光的至少一部分。
10.根据权利要求4所述的照明装置，其还包括：
光学提取器，其安置在所述照明装置的所述光轴上且与所述光学耦合器的所述引出孔隔开分隔距离，
其中(i)所述分隔距离与(ii)所述光学提取器的数值孔径的组合使得由所述光学耦合器发出的所有光投射在所述光学提取器上，且
其中所述光学提取器被配置成在相对由所述光学耦合器发出的光的传播的普遍方向的后向方向上将投射在其上的所述光输出到周边环境中作为输出光。
11.根据权利要求10所述的照明装置，其中所述光学提取器具有至少一个重新导引表面，所述光学提取器的所述至少一个重新导引表面被布置且成形成在具有正交于由所述光学耦合器发出的所述光的传播的所述普遍方向的分量的后向方向上反射投射在其上的光的至少一部分。
12.根据权利要求10所述的照明装置，其中所述光学提取器具有：第一重新导引表面，其被布置且成形成在具有正交于由所述光学耦合器发出的光的传播的普遍方向的分量的第一方向上反射投射在其上的光的至少一部分；和第二重新导引表面，其被布置且成形成在具有正交于由所述光学耦合器发出的所述光的传播的所述普遍方向且反平行于所述第一方向的所述正交分量的分量的第二方向上反射投射在其上的光的至少一部分。
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