專利名稱：具有體積散射元件的基于發(fā)光二極管的燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有燈泡內(nèi)部的體積散射元件(volume scattering element)的基于發(fā)光二極管的燈。
背景技術(shù)：
在燈泡發(fā)明之前，蠟燭是用于效果照明的流行選擇。枝形吊燈從房間的天花板垂下，并且支撐若干個蠟燭，這些蠟燭常常以華麗的和裝飾的方式圍繞枝形吊燈的圓周布置。
當(dāng)白熾燈泡變得普及時，許多電氣枝形吊燈仿效蠟燭固持枝形吊燈的外表。不同于一系列蠟燭，這些電氣枝形吊燈具有許多長柱狀結(jié)構(gòu)，每個長柱狀結(jié)構(gòu)支撐模仿蠟燭火焰的小燈泡。
這些枝形吊燈中使用的燈泡具有流行的形狀，常常類似于蠟燭火焰的細高形狀。 光由燈泡內(nèi)部的相對小的燈絲產(chǎn)生，其中細線支撐燈絲并且將燈絲電氣連接到燈泡的螺紋基部(base)中的電接觸部。
近年來，發(fā)光二極管(LED)已進入照明市場。已經(jīng)存在一些嘗試來將流行的基于燈絲的白熾燈泡替換為具有相似形狀和尺寸的使用一個或多個LED作為它們的光源的燈泡。
圖19中示出了一個這樣的基于LED的燈200。燈200在商業(yè)上可獲得自位于W^est Jordan, UT的Cao Group, Inc.公司。燈200目前在品牌名稱DYNASTY下銷售，其是Cao Group, Inc.公司的注冊商標(biāo)。該特定的燈是作為“BIO LED枝狀燭臺燈”銷售的?！癇10” 指的是燈泡形狀和尺寸，其具有1.26英寸(32.0 mm)的最大直徑，3. 87英寸(98. 3 mm)的最大總長度以及2. 17英寸(55.0 mm)的光心長度(從螺紋(thread)的端部到光發(fā)射點的距離)。“枝狀燭臺(Candelabra)”指的是燈旋入的基部。標(biāo)準(zhǔn)的“枝狀燭臺”基部還被稱為 “E12”，從而“E12”燈的基帽(base cap)在螺峰處具有12 mm的直徑。較之25、40或60瓦特的典型的白熾瓦特數(shù)，該特定的燈僅使用1. 7瓦特，因此對于用戶存在可觀的能量節(jié)約。
Dynasty燈200具有玻璃外燈泡201、位于燈泡201內(nèi)部的光發(fā)射點處的LED 202、 用于發(fā)散LED 202生成的熱的燈泡內(nèi)部的散熱器203、以及用于將線電壓(120伏特，AC (交流))轉(zhuǎn)換為相對低的電壓(約5伏特，DC (直流))并且向LED 202供電的燈泡內(nèi)部的控制電子裝置204。
Dynasty燈200具有優(yōu)于白熾燈的許多優(yōu)點。例如，其使用非常小的功率(1. 7瓦特)，具有非常長的壽命(根據(jù)Cao Group, Inc.公司，35，000小時)，并且與許多白熾固定設(shè)備向后兼容。然而，對于這種燈，存在若干個缺點。
主要缺點在于燈自身在裝飾上是不吸引人的。通過燈泡201可以清楚地看見散熱器203?？刂齐娮友b置204盡管由殼體隱藏，但是也存在于燈泡201中。這些結(jié)構(gòu)減損了 Dynasty燈200的整體外觀?？紤]到其主要用在流行的枝形吊燈中，Dynasty燈200是無吸引力的選擇。
基于LED的燈的另一示例在商業(yè)上可獲得自位于Charlottesville, VA的 Watt-Man公司。這種燈是作為“Watt-Man LED裝飾燈-B10”銷售的。這種燈具有1. 25英寸的直徑和4. 0英寸的最大總長度。這種燈可以使用枝狀燭臺(E12)或中號(E^)類型的基部。Watt-Man燈的優(yōu)點和缺點與圖19的Dynasty燈200的那些相似。
在2008 年 2 月 12 日授予 Chaves 等人的題為 “Optical device for LED-based lamp”的美國專利第7，329，029中公開了另一種已知的燈。本申請的圖20是從Chaves的圖34A復(fù)制的。
Chaves公開了一種用于從LED接收光輸出并且將其重新導(dǎo)向成主要球形的式樣(pattern)的光學(xué)元件。該元件包括接收其中的LED的光的所謂的“轉(zhuǎn)移段(transfer section)"以及定位得與轉(zhuǎn)移段相鄰以從轉(zhuǎn)移段接收光并且使光通常球形地散開的所謂的“射出體段(ejector section)”。轉(zhuǎn)移段的基部與LED光學(xué)對準(zhǔn)和/或與LED耦合，從而LED的光進入轉(zhuǎn)移段。轉(zhuǎn)移段可以是經(jīng)由全內(nèi)反射進行操作的復(fù)合橢圓集中器 (concentrator)。射出體段可具有多種形狀。
圖20示出了 Chaves公開的許多光學(xué)元件形狀中的一個。在圖20的底部LED被示出為小矩形，并且從LED發(fā)射的光在元件600中向上行進，經(jīng)歷多種內(nèi)反射和/或折射， 直至其在元件600的頂部附近離開元件600。在Chaves的術(shù)語中，圖20示出了虛擬燈絲 600，其包括中心在相對點601f的等角-螺旋轉(zhuǎn)移段601、突出的三次樣條(cubic spline) 602和中心在近點603f的中心等角螺線603。
值得注意的是，元件600內(nèi)部的光線遵循受Snell定律(在界面兩側(cè)，折射率乘以與表面法線所成角度的正弦保持恒定)和折射定律(與表面法線所成的入射角度等于與表面法線所成的反射角度)支配的確定性路徑。元件600中的光傳播的這種確定性本質(zhì)意味著具有若干個缺點。
首先，元件600具有光軸，并且需要相當(dāng)仔細地對準(zhǔn)以適當(dāng)?shù)夭僮鳌Ｈ绻鸏ED 相對于它們的目標(biāo)位置略微錯開，則元件600中的光式樣顯著移位，其中一些離開角度 (exiting angle)接收較多的光而一些離開角度接收較少的光。
其次，由于元件600以確定性方式操作并且對于其最優(yōu)操作依賴于通常平滑的表面，因此元件600特別易受缺陷的影響。具體地，諸如劃痕、結(jié)構(gòu)缺陷(諸如尺寸或形狀誤差) 和材料缺陷(諸如折射率變化或污染)的表面缺陷可能使元件600的性能嚴(yán)重劣化。
存在另一種已知的燈，其具有關(guān)于元件中的傳播的相似的確定性特性，但是添加了表面漫射體(diffuser)以使離開元件時的光線輸出方向隨機化。在2006年4月4日授予 Minano 等人白勺題為"Optical device for repositioning and redistributing an LED，s light”的美國專利第7，021，797中公開了這種燈。本申請的圖21是從Mifmno的圖7A復(fù)制的。
在本圖21的已知的燈中，LED將光導(dǎo)向至透鏡270。光進入轉(zhuǎn)移段271的底部，其包含經(jīng)全內(nèi)反射的光并且將其向上導(dǎo)向至射出體段272。射出體段272具有其表面上的漫射體，其可以在其表面處將光線重新導(dǎo)向至離開透鏡270的離開角度范圍。射出體段272的漫射表面可以被稱為“表面漫射體”或“表面散射體”，這是因為在其自身的漫射表面處， 光路徑的任何隨機化發(fā)生在光路徑中的僅一個點處。
射出體的表面上的表面漫射體優(yōu)于Chaves的優(yōu)點在于，其減少了對缺陷的敏感性(上文提到的第二個缺點)。然而，其仍具有如下缺點透鏡270中的確定性傳播創(chuàng)建了 LED和透鏡270之間的相當(dāng)嚴(yán)格的對準(zhǔn)公差。如果LED相對于它們的目標(biāo)位置錯位，則部分轉(zhuǎn)移段272變暗，并且其他部分變亮。
對表面漫射體的有用的模擬是磨砂玻璃燈泡，其中玻璃的磨砂將離開光線導(dǎo)向至多種角度。上文討論的確定性傳播問題將具有使部分燈泡表面比其他部分更亮或更暗的效果。由于玻璃磨砂，可以從多種角度看到這種亮度變化，但是表面漫射體將不會掩蔽(mask) 磨砂燈泡表面上的亮度變化。
因此，將有益的是，具有基于LED的燈，其中散熱器和驅(qū)動器電子裝置容納在燈泡外部，僅由透明材料制成的光學(xué)元件位于燈泡內(nèi)部，并且光學(xué)性能展現(xiàn)了對于錯開和制造缺陷的增加的抗耐性。

發(fā)明內(nèi)容
實施例是燈，包括透明燈泡，包圍體積并且在縱向末端處具有開口 ；發(fā)光二極管，緊接透明燈泡中的開口安置，用于將光發(fā)射到透明燈泡中；透明光管，緊接透明燈泡中的開口安置在透明燈泡內(nèi)部，用于從發(fā)光二極管接收光，光進入光管的近端并且遠離近端縱向傳播到光管的遠端；以及體積散射元件，與光管的遠端相鄰地安置在透明燈泡內(nèi)部，用于從透明光管接收光并且用于將光散射到多個離開角度。散射光通過透明燈泡離開燈。體積散射元件包括透明基材和遍布基材分布的多個顆粒。多個顆粒中的每個顆粒是透明的并且具有與基材的折射率不同的折射率。
另一實施例是一種提供光的方法，包括緊接透明燈泡中的開口設(shè)置發(fā)光二極管； 使用安置在透明燈泡外部的驅(qū)動器對發(fā)光二極管供電；使用安置在透明燈泡外部的散熱器發(fā)散發(fā)光二極管生成的熱；使用安置在透明燈泡內(nèi)部的光管的近端收集發(fā)光二極管發(fā)射的光；通過透射通過光管并且通過光管橫向邊緣(lateral edge)的全內(nèi)反射將收集的光透射到光管的遠端；在體積散射元件處從光管的遠端接收光，體積散射元件包括透明基材和遍布基材分布的多個顆粒，多個顆粒中的每個顆粒是透明的并且具有與基材的折射率不同的折射率；以及使用體積散射元件將接收到的光散射到多個方向。
另一實施例是一種燈，包括透明燈泡，具有開口 ；發(fā)光二極管，緊接透明燈泡中的開口安置，用于將光發(fā)射到透明燈泡中；散熱器，緊接發(fā)光二極管并且與發(fā)光二極管熱接觸，散熱器包括面對發(fā)光二極管的遠側(cè)邊緣和圍繞燈的圓周遠離遠側(cè)邊緣近側(cè) (proximally)縱向延伸的橫向邊緣，橫向邊緣和遠側(cè)邊緣形成散熱器的內(nèi)部；發(fā)光二極管驅(qū)動器，安置在散熱器內(nèi)部，用于向發(fā)光二極管供電；以及導(dǎo)電基部，從燈近側(cè)延伸，用于從插座接收電力并且向發(fā)光二極管驅(qū)動器供電，基部與散熱器熱絕緣。


如附圖中圖示的，通過下文對這里公開的特定實施例的描述，這里公開的前述和其他目的、特征和優(yōu)點將是明顯的，在附圖通篇中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。附圖不一定按照比例，而是著重于圖示這里公開的原理。
圖1是燈的平面圖。
圖2是圖1的燈的分解視圖。
圖3是圖1和2的組裝燈的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖4是圖1-3的燈的端視圖。
圖5是圖1-4的燈的特寫細節(jié)示圖。
圖6是圖1-5的燈的二次光學(xué)裝置(secondary optics)的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖7是關(guān)于圖1-6的燈的離開發(fā)光二極管并且進入光管的近端的光的示意圖。
圖8是沿示例性光管傳播的光的示意圖。
圖9是沿另一示例性光管傳播的光的示意圖。
圖10是沿第三示例性光管傳播的光的示意圖。
圖11是示例性體積散射元件的示意圖，具有示出基材和各種顆粒的細節(jié)。
圖12是示例性光管和示例性體積散射元件的示意圖。
圖13是另一示例性光管和另一示例性體積散射元件的示意圖。
圖14是與示例性體積散射元件整體制成的示例性光管的示意圖。
圖15是離開光管并且進入體積散射元件的光的示意圖。
圖16是從體積散射元件散射的具有近側(cè)和遠側(cè)方向的光的示意圖。
圖17是作為顆粒密度和顆粒折射率的函數(shù)的仿真的散射相對方向的圖。
圖18是作為光波長的函數(shù)的另外的仿真的散射相對方向的圖。
圖19是“Dynasty BlO LED枝狀燭臺燈”的示意圖。
圖20是Chaves的已知的燈的圖34A的復(fù)制圖。
圖21是Mifmno的已知的燈的圖7A的復(fù)制圖。
具體實施例方式呈現(xiàn)了具有蠟燭狀外觀并且使用一個或多個發(fā)光二極管(LED)作為其光源的燈。 蠟燭狀外觀出現(xiàn)的原因是在燈泡中心處或者其附近僅從小體積發(fā)射光。散熱器和控制電子裝置設(shè)置在燈的燈泡外部。燈泡內(nèi)部是二次光學(xué)裝置的集合，其將來自一個或多個LED的光引導(dǎo)至燈泡內(nèi)部的規(guī)定位置處的發(fā)射點。二次光學(xué)裝置包括引導(dǎo)光遠離LED芯片的光管，和從光管接收光并且將其散射到各種方向的體積散射元件。體積散射元件由透明基材制成，并且包括具有預(yù)定尺寸和折射率的透明顆粒。由于燈典型地用在頭上位置，諸如用在懸掛枝形吊燈中，因此體積散射元件中的顆粒密度、顆粒尺寸和顆粒折射率被選擇為產(chǎn)生將較多的光導(dǎo)向下(朝向燈泡基部)而非向上的散射式樣，同時維持合理的效率(成功離開燈的所產(chǎn)生的光的分?jǐn)?shù))。呈現(xiàn)了仿真結(jié)果。
上段僅是概述，并且不應(yīng)以任何方式被解釋為限制。在下面的文本和圖中提供了另外的描述。
本文的剩余部分被粗略地分為三個部分。第一部分涵蓋圖1至5，描述了燈的結(jié)構(gòu)元件。第二部分涵蓋圖6至16，描述了燈的從LED通過光管到體積散射元件并且最終離開燈的光學(xué)路徑。第三部分涵蓋圖17和18，描述了光學(xué)路徑的光學(xué)建模和仿真。
我們開始于圖1至5中的各種視圖中示出的示例性燈10的結(jié)構(gòu)元件的描述。更具體地，圖1至5分別是燈10的平面圖、分解視圖、橫截面?zhèn)纫晥D、端視圖和特寫細節(jié)圖。下文結(jié)合所有五個圖描述了燈10。我們的描述將在圖2中從右到左進行。
燈泡20是由玻璃或塑料制成的透明燈泡，具有中空的內(nèi)部和一個縱向末端處的開口。燈泡可以具有任何適當(dāng)?shù)某叽绾托螤睢?br> 在一些應(yīng)用中，燈泡是所謂的“B-10”燈泡?！癇-10”描述了業(yè)界已知的并且在現(xiàn)有的裝飾燈泡中廣泛商用的特定的燈泡形狀?！癇-10”形狀是細長的或魚雷形的，具有相對小的縱向末端和相對寬的中間部分。燈泡形狀自身有些類似于蠟燭火焰的形狀。B-IO燈泡的橫向直徑是1. 25英寸或32 mm。
二次光學(xué)裝置30在組裝時延伸到燈泡20內(nèi)部。二次光學(xué)裝置30包括光管31和體積散射元件，在接下來的部分中更詳細地描述了此兩者。
光學(xué)安裝件(optic mount) 40用作將二次光學(xué)裝置30機械固定在適當(dāng)位置的安裝件并且用作LED封裝的蓋。在一些應(yīng)用中，光管31通過空氣間隙與LED封裝隔開，從而在很大程度上使LED芯片生成的熱保持遠離二次光學(xué)裝置。在這些應(yīng)用中，光學(xué)安裝件40 可以用作LED封裝和二次光學(xué)裝置40之間的隔板。光學(xué)安裝件40可以由任何適當(dāng)?shù)慕饘倩蛩芰喜牧?諸如黃銅、鋁或鋼)制成。
在一些應(yīng)用中，光學(xué)安裝件40包括反射圓柱內(nèi)表面41，其反射從LED發(fā)射的高離開角度(high-exiting-angle)光并且使其朝向光管31的近側(cè)面反射回。反射表面可以成型為其平滑完成物(smooth finish)，或者可以被打磨成其平滑完成物。反射表面可以可選地包括增加其反射率的一個或多個反射薄膜。
LED封裝50包括作為發(fā)射光的區(qū)域的LED芯片自身，以及支撐LED芯片的機械封裝。在一些應(yīng)用中，LED封裝包括LED芯片上的一個或多個透鏡，其可以保護芯片并且可以可選地更改從芯片輸出的角度光。
所期望的是，許多商用LED封裝中的任何封裝可以用在燈10中。作為具體示例， 可以使用的一種類型的封裝在名稱OSTAR下銷售，OSTAR是Osram Opto kmiconductors公司的注冊商標(biāo)。Ostar LED在商業(yè)上可獲得自O(shè)sram Opto kmiconductors公司。
Ostar照明LED可以具有“白色”(其具有(0. 33，0. 33)的色彩坐標(biāo)(x，y))或者 “暖白色”(其具有(0. 42，0. 4)的色彩坐標(biāo))的發(fā)射色彩。Ostar照明LED典型地具有LED 芯片陣列，而非單個芯片。陣列布局可以是2 X 2或者2 X 3個芯片，其中整個陣列在約2. 31 mmX1.9 mm的矩形區(qū)域上延伸。Ostar照明LED可以具有芯片陣列上的可選的透鏡。Ostar 照明LED可以具有由關(guān)于無透鏡LED的120度以及關(guān)于有透鏡LED的120或130度的半峰全寬(FWHM)描述的角度輸出。
這些Ostar LED是基于磷光體的，意味著實際的LED芯片自身發(fā)射相對短波長的光，典型地在光譜的藍色、紫色或紫外部分中。磷光體吸收短波長光并且發(fā)射所需光譜中的較長波長的光。光譜的諸如寬度、平坦度等精確特性在很大程度上由磷光體的化學(xué)性質(zhì)以及其與短波長光的相互作用所確定。對于照明應(yīng)用，通常期望人眼感知大致“白色”(其具有(1/3，1/3)的色彩坐標(biāo)(x, y))的燈發(fā)射的光。
Ostar照明LED的機械封裝在封裝的平面中通常是六角形的，在六個角處具有可以容納螺釘頭的缺口。也可以使用其他適當(dāng)?shù)姆庋b形狀。
Ostar照明LED包括電氣連接到芯片的焊盤，但是不包括用于控制去往LED的電流的驅(qū)動器電路。該電路與LED驅(qū)動器80包括在一起，并且在下文中描述。
LED封裝50產(chǎn)生熱，其由散熱器60發(fā)散和導(dǎo)向得遠離LED封裝。散熱器60由諸如鋁的熱傳導(dǎo)金屬制成，盡管可以使用任何適當(dāng)?shù)牟牧稀?br> 散熱器60包括面向遠側(cè)面，其通常與LED封裝50的近側(cè)面齊平并且與LED封裝 50良好地?zé)峤佑|。面向遠側(cè)面可以包括容納針對LED封裝50的電氣連接的一個或多個螺孔和/或一個或多個孔。
散熱器60通常被整形為殼體，具有與LED芯片接觸的通常固體的遠側(cè)面， 具有通常固體的面向橫向壁，并且具有中空內(nèi)部，不具有限位面向近側(cè)(bounding proximal-facing)壁。所期望的是，散熱器60的外部部分具有盡可能大的表面積，因此散熱器可以包括增加其表面積的條紋式樣或者“鰭”。在一些應(yīng)用中，散熱器60還可以包括裝飾特征，諸如裝飾條紋，其可能具有圍繞散熱器的圓周的變化的長度?？蛇x地，散熱器可以包括類似從蠟燭頂部滴下的蠟的特征。在一些應(yīng)用中，散熱器可以包括其表面中的孔。
由于散熱器60可以是金屬的，并且因而是導(dǎo)電的，因此所期望的是使LED驅(qū)動器與散熱器60電氣絕緣。因此，驅(qū)動器絕緣體70安置在散熱器的大部分或所有的內(nèi)部。驅(qū)動器絕緣體70可以由任何適當(dāng)?shù)牟粋鲗?dǎo)材料制成，諸如塑料?？蛇x地，驅(qū)動器絕緣體70應(yīng)能夠承受略微升高的溫度，諸如散熱器60經(jīng)歷的溫度。驅(qū)動器絕緣體70通常也是中空的， 不具有面向近側(cè)壁。
LED驅(qū)動器80被安置在驅(qū)動器絕緣體70中，其從而駐留在散熱器60內(nèi)。這種LED 驅(qū)動器80向LED芯片提供規(guī)定的量，并且可以包括獲取諸如120伏特或240伏特的AC線電壓，并且將其轉(zhuǎn)換為低得多的諸如5伏特DC電壓的電路。LED驅(qū)動器80可以包括濾波電路，其能夠確保LED芯片抵御線電壓中的波動引起的破壞。用于上述Ostar照明LED的典型的電流電平是350毫安，盡管也可以使用任何適當(dāng)?shù)碾娏麟娖健?br> LED驅(qū)動器80可以具有兩個或更多個電氣引線，其通過驅(qū)動器絕緣體70和散熱器 60中的孔延伸到LED封裝50。
基部絕緣體90在LED驅(qū)動器80的近側(cè)，其用作與驅(qū)動器絕緣體70類似的功能。 基部絕緣體可以包括一個或多個孔，其能夠容納針對基部的用于接收線電壓的電氣連接。 基部絕緣體90可以由諸如塑料的任何適當(dāng)?shù)牟牧现瞥伞?br> 基部100是與插座對接的外螺紋部分。典型地，螺紋用于針對線電壓的一個電氣連接，其中基部100的縱向末端(最近側(cè)末端)用于另一電氣連接。
燈可以具有任何適當(dāng)?shù)穆菁y尺寸。兩種常用的螺紋尺寸是枝狀燭臺(E12)或中號 (E^)，它們在螺峰處分別具有12 mm和沈mm的直徑。
當(dāng)組裝時，燈10將作為單個單元包括從燈泡20到基部100的所有元件。在圖1 中，作為單個單元包括除了 110以外的所有元件，其中螺紋基部100從單元的近端延伸。
元件110是套筒(telescoping)延伸管，其典型地是插座固定件的一部分，而非燈單元(元件20至100)的一部分。管110是中空的，并且通常在重力的影響下落位。管110 可以具有任何所需長度，并且可以被裝飾性地設(shè)計為看起來像蠟燭或燭臺。延伸管可以由塑料、金屬或任何適當(dāng)?shù)牟牧现瞥桑⑶铱梢钥蛇x地是白色的或者略帶色彩的以為燈10提供高貴的、流行的外觀。
延伸管110典型地被視為插座固持件(socket holder)的一部分。圖中未示出的插座自身包括與基部100的外螺紋匹配的內(nèi)螺紋。在一些應(yīng)用中，基部100和插座使用無螺紋插入連接器，而非旋入螺紋。
以上部分描述了燈10的結(jié)構(gòu)元件。下面的部分描述了燈10中的光學(xué)路徑。特別地，詳細描述了在前面部分中簡要提及的二次光學(xué)裝置30。
圖6是圖1-5的燈的二次光學(xué)裝置30的橫截面?zhèn)纫晥D。
二次光學(xué)裝置30包括光管31，其將來自LED封裝50的離開表面51的光透射到體積散射元件32。對于觀察者，存在很少的或者不存在來自光管31的發(fā)射，并且來自燈10 的所有或者幾乎所有光呈現(xiàn)為從體積散射元件32輻射。
該體積散射元件32明顯小于完整的燈泡20。由于光呈現(xiàn)為來自燈泡中間的相對小的區(qū)域或體積，因此較之諸如磨砂燈泡的其中整個燈泡區(qū)域發(fā)射光的燈或者具有磨砂燈泡的緊湊熒光燈，燈10在美學(xué)上可更加使人愉悅。體積散射元件的相對小的區(qū)域為觀察者提供了光的“閃爍”，這是所期望的特征并且是非常流行的。該“閃爍”出自燈泡內(nèi)部的相對小的發(fā)射區(qū)域，并且類似于天空中星星的“閃爍”。在許多情況中，可使光從其整個表面積輻射的磨砂燈泡不能呈現(xiàn)這樣的令人愉悅的“閃爍”。
我們沿著從LED通過光管到體積散射元件并且離開燈泡的光學(xué)路徑順序描述二次光學(xué)裝置中的每個特征。
圖7是關(guān)于圖1-6的燈的離開發(fā)光二極管封裝50的離開表面51并且進入光管31 的近端的光的示意圖。
光以特定的角度分布(angular profile)離開LED封裝50的離開表面51。在許多情況中，該角度分布是Lambertian，其具有功率相對傳播角度的余弦依賴關(guān)系。最大 (峰值)功率是垂直于LED的平面輻射的，并且從該Lambertian分布的角度下降(angular falloff)隨著表面法線和傳播光線的角度之間的余弦而變化。Lambertian分布具有2 cos"1 (0. 5)或120度的半峰全寬(FWHM)。換言之，以離開表面法線的60度傳播的光學(xué)功率是平行于表面法線傳播的光學(xué)功率的一半。角度分布在90度下降到零，因此實際上沒有平行于LED的面?zhèn)鞑サ墓鈱W(xué)功率。通常，LED封裝的角度分布在LED陣列的所有發(fā)射位置處相同，盡管這不是必需的。
圖7示出了離開LED封裝50的多種光線。LED封裝被繪制為具有彎曲的離開面 51，其對應(yīng)于有透鏡的LED封裝，盡管這不是必需的。還可以使用平坦的離開面。光線在離開LED封裝中的透鏡時折射，從約1.5的較高的折射率去往對應(yīng)于自由空間傳播的1的較低的折射率。
大部分光線離開LED封裝，傳播通過自由空間，隨后進入光管31的近側(cè)表面。一些高角度光線首先撞擊光學(xué)安裝件的反射面41，并且向光管31的近側(cè)表面反射回。
光管31的近側(cè)表面被繪制為平坦的，盡管其可選地可以是彎曲的。如果近側(cè)表面是平坦的，則較之表面彎曲的情況，光管31對于相對LED封裝的錯開是不太敏感的。該敏感性的降低是所期望的，這是因為其趨向于放松一些對準(zhǔn)公差并且因此提高了組裝過程的產(chǎn)量。
近側(cè)表面可選地可以包括介電薄膜涂層，其減少表面的反射；該介電涂層可以是單層，或者可以是多層。該抗反射涂層在業(yè)界中是公知的，并且可以包括四分之一波長涂層 (“V”涂覆)、“w”涂覆或者更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
一旦處于光管31內(nèi)部，則光線從LED附近的近端行進到體積散射元件附近的遠端。大部分光線簡單地通過沿光管縱向傳播或者以相對光管的縱軸略微傾斜的方式傳播而行進。一些較高角度光線被光管的橫向側(cè)面反射。這種反射是以大于光管中的臨界角度的入射角度而發(fā)生的，并且是全內(nèi)反射。對于全內(nèi)反射，沒有光透射通過光管的橫向側(cè)面，并且從燈泡的外部不會看到通過光管的橫向側(cè)面離開的光。
在一些情況中，光管31由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成，其在550 nm的波長下具有約1. 49的折射率。該材料是相對廉價的、相對耐用的并且是可成型的，從而光管31可以被成型。在其他情況中，可以使用其他材料，諸如玻璃或者另一種形式的塑料。
在一些情況中，除了體積散射元件32中的散射元件之外，光管31可以包括散射元件。光管31中的可選的散射元件在構(gòu)造上可以與體積散射元件32中的散射元件相似，諸如具有較之光管31的基材略微不同的折射率的小顆粒。較之體積散射元件32中的顆粒， 任何或所有顆粒的折射率、尺寸分布和密度均可以是相同的或不同的。
光管31主要是圓柱形的，具有明顯的縱向形狀。圖8、9和10示出了關(guān)于這種主要圓柱形的若干種可能。在圖8中，光管31A是準(zhǔn)確圓柱的，具有平行于光管的縱軸取得的圓形的橫截面。由于光管是準(zhǔn)確圓柱的，因此這些圓形橫截面在光管31A的近端和遠端之間的各處具有相同的尺寸。在圖9中，光管31B是略微圓錐形的，從而圓形橫截面的尺寸從光管31B的近端到遠端下降。圓形的尺寸沿光管31B隨距離線性變化。在圖10中，光管 31C也具有尺寸從光管31C的近端到遠端下降的圓形橫截面，但是圓形的尺寸并非沿著光管31C隨距離線性變化。換言之，對于包括光管的縱軸的切片，光管31A和31B具有直邊， 而光管31C具有漸縮的(tapered)邊。具體地，光管31C的形狀可以被稱為向外漸縮。漸縮可以是任何適當(dāng)?shù)男螤睿灰珒?nèi)反射被保持在光管31內(nèi)部。
可替選地，光管不需要具有關(guān)于其縱軸的準(zhǔn)確的旋轉(zhuǎn)對稱。光管可以在一個方向或另一方向上伸長，可以在一個方向上漸縮而在另一方向上不漸縮，或者可以在不同的方向上具有不同的漸縮。對于所有這些，橫截面可以是卵形的、橢圓形的或者其他伸長的形狀。
在一些情況中，光管可選地可以具有更復(fù)雜的形狀，諸如螺旋形狀，其可選地可以使光在規(guī)定位置離開光管。例如，光管可以具有其外表面上的裝飾條紋，該裝飾條紋可以是劃痕、凹槽、缺口或突起，一些光沿著它們離開光管?？商孢x地，可以存在較小的特征，如點或星，它們可以沿光管的橫向邊緣發(fā)射光。
光沿光管31縱向前進并且進入體積散射元件32。圖11中示意性地示出了體積散射元件32的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
體積散射元件32包括具有折射率η的透明基材33。基材33具有混合到其中的顆粒34的集合，其中顆粒具有規(guī)定尺寸、規(guī)定形狀和略微不同于基材33的折射率η的折射率 η’。在許多情況中，通過典型的制造技術(shù)，規(guī)定形狀是球形，或者盡可能球形。在許多情況中，所有顆粒的尺寸是相同的，或者盡可能接近特定的所需尺寸。例如，顆粒可以具有3微米+/-0. 1微米的范圍中的直徑。該范圍可以表示截止點，從而直徑分布在2.9到3. 1微米的范圍中是大致均勻的?？商孢x地，該范圍可以表示分布中的寬度點。例如，特定的制造工藝可以產(chǎn)生直徑的正態(tài)(高斯)分布，具有3. 0微米的平均值和0. 1微米的標(biāo)準(zhǔn)偏差。其他寬度點可以是半峰全寬(FWHM)、l/e半寬度或全寬度、Ι/e2半寬度或全寬度、四分位數(shù)間距寸。
對于以上情況，故意地嘗試使顆粒具有相同的尺寸，以在合理的制造公差內(nèi)。在其他情況中，故意地嘗試使用不止一個顆粒尺寸。該直徑分布可以包括一個或多個離散尺寸， 并且還可以包括以特定尺寸為中心的尺寸分布。在其他情況中，可以存在顆粒折射率的分布，以及顆粒尺寸的可選分布。對于下文執(zhí)行的仿真，假設(shè)顆粒都是球形的，均具有形成特定分布的直徑，并且遍布基材以特定的顆粒密度均勻分布。
盡管在圖11中將體積散射元件繪制為球狀或球形，但是其也可以具有許多其他形狀中的一個形狀，包括部分球體、半球體、具有面向下的平坦面的半球體、蘑菇形、橢球形、伸長的橢圓、立方體、板、棱錐、扁球、足球形或者任何其他適當(dāng)?shù)男螤?。通常，由于體積散射元件中的光傳播的本質(zhì)，體積散射元件的形狀遠不及上文的背景部分中討論的光束整形元件的形狀關(guān)鍵。在下面的三段中解釋了這一點。
對于在背景部分中討論的純折射和表面漫射體結(jié)構(gòu)，光線遵循從LED封裝通過次數(shù)相對少的折射和/或反射到達結(jié)構(gòu)表面上的特定位置的確定性路徑。在該情況中，次數(shù) “少”的折射和/或反射可以計為或者約為5、10、50或100，其容易地通過確定性光線跟蹤軟件仿真。這些結(jié)構(gòu)的性能高度依賴于結(jié)構(gòu)的實際形狀。例如，Chaves參考文獻公開了許多奇異的元件形狀，其中形狀上的看似細微的改變引起性能的令人驚訝的大的改變。清楚的是，Chaves元件將具有極為嚴(yán)格的制造和對準(zhǔn)公差。通常，這些嚴(yán)格的公差是僅依賴于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的確定性光線傳播的光重新導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的特性。表面散射體可以在光線離開結(jié)構(gòu)時使每個光線方向隨機化，但是其不會改變每個光線離開的結(jié)構(gòu)上的位置，并且對減少通常嚴(yán)格的公差的作用很小。
相反地，體積散射元件在光線進入元件時立即開始重新導(dǎo)向光線，而非僅在它們離開元件時進行重新導(dǎo)向它們。由于在元件中可以存在數(shù)百萬個顆粒，因此在光線進入時和光線最終離開元件時之間可能存在數(shù)千甚或數(shù)百萬個光線重新導(dǎo)向。這些重新導(dǎo)向最容易地是通過隨機的或基于概率的分析進行處理，而非通過真實地確定性光線跟蹤進行處理。幸運地，許多光線跟蹤成套軟件可以在常規(guī)光線跟蹤的框架中執(zhí)行這些基于概率的計算，從而針對體積散射元件外的光線執(zhí)行確定性光線跟蹤并且基于概率的計算處理體積散射元件內(nèi)部的光線性能。
由于體積散射元件在其整個體積中而非僅在其表面處執(zhí)行光線重新導(dǎo)向，因此對其表面輪廓具有比上文討論的Chaves元件寬松得多的公差。例如，如果體積散射元件的表面上的一個特定位置是畸形的，則對離開光分布的影響很小或沒有影響，僅僅是因為，平均起來，每個光線將僅從畸形部分接收其重新導(dǎo)向的極小的部分。
在一些情況中，體積散射元件32的基材33是PMMA，其可以是與光管31相同的材料。在該情況中，由于材料是相同的，因此折射率是相同的，并且不存在在光管31和體積散射元件32之間的界面處出現(xiàn)的反射。在其他情況中，對于體積散射元件和光管，可以使用不同的材料。
在一些情況中，顆粒由在550 nm波長下具有約1. 51到約1. 59的范圍中的折射率的材料制成。對于在陽0 nm波長下具有約1. 49的折射率的PMMA的典型基材，顆粒和基材之間的折射率的差典型地在約0. 05到0. 06的范圍中，盡管該差也可以在該范圍之外。顆粒典型地具有約1微米到約10微米的范圍中的尺寸(直徑)。顆粒通?？梢员灰暈榍蛐蔚?，使用顆粒是球形的假設(shè)的仿真產(chǎn)生了與測得量一致的結(jié)果。
注意，在一些情況中，基材33是透明的，意味著不存在基材的吸收，并且顆粒34也是透明的。在其他情況中，這兩個材料之一或兩者可以略微吸收。
在一些情況中，體積散射元件32可以包括混合在散射體內(nèi)部的磷光體顆粒。這些磷光體顆?？梢晕諄碜訪ED的相對短波長的光并且可以從散射體的內(nèi)部中的它們各自的位置輻射磷光體發(fā)射光。通過將磷光體設(shè)置在散射體內(nèi)，可以使用諸如藍色LED的短波長LED，而非包括作為LED封裝的一部分的其磷光體的白色光LED。
可替選地，除了 LED封裝中的磷光體，可以包括混合在散射體內(nèi)的磷光體。該磷光體可以用于調(diào)節(jié)或調(diào)整燈的色彩渲染，或者調(diào)整燈的色溫。例如，一個特定的磷光體可以主要在光譜的紅色部分中輻射，從而將該紅色磷光體添加到散射體內(nèi)部可以向燈輸出添加略帶紅色的著色。其他示例當(dāng)然是可能的。
作為另外的替選方案，除了 LED封裝磷光體和/或體積散射體32內(nèi)部的磷光體之外或者作為其替換，磷光體可以被施加到散射元件32外部。該磷光體可以作為膜施加，而非作為特定體積內(nèi)的離散顆粒施加。
作為另一替選方案，可選的反射體可以被施加到體積散射元件32的頂部(遠端)。 該反射體可以是完全或部分反射的，并且可以作為散射體的最遠側(cè)表面上的金屬或介電膜而被施加。該可選的反射體將減少遠側(cè)方向上的發(fā)射，并且在近側(cè)方向上將光重新導(dǎo)向回散射體體積中。在一些情況中，反射體可以圍繞散射體32的縱軸旋轉(zhuǎn)對稱。在一些情況中， 反射體可以覆蓋散射體32的整個半球體。在其他情況中，反射體可以僅覆蓋散射體32的遠側(cè)一半的一部分。在一些情況中，反射體可以具有可變的厚度(或反射率)，在表面上的最遠側(cè)點處最厚(或者最能夠反射)，并且遠離最遠側(cè)點下降。
當(dāng)光通過包括大量小顆粒的材料時，其經(jīng)歷由在每個顆粒的表面處出現(xiàn)的許多小的反射和折射引起的散射?？梢韵蛏⑸浣o出多種名稱，諸如Mie散射、Rayleigh散射等。在不具體考慮顆粒尺寸和其中各項嚴(yán)格應(yīng)用的波長范圍的情況下，足以如下敘述體積散射元件的物理性質(zhì)。光線進入體積散射元件并且撞擊顆粒。大部分功率透射通過顆粒，隨后離開顆粒，由于折射而在顆粒的入射面和離開面處存在方向的略微改變。在入射面和離開面處， 小部分功率被反射。這些反射和折射的光線隨后撞擊其他顆粒，并且該過程重復(fù)。最終，在與許多、許多顆粒相互作用(即折射和反射)之后，光線離開體積散射元件，其中可以在統(tǒng)計上確定方向。換言之，對于給定的輸入方向，存在作為角度的函數(shù)的離開分布。該分布可以通過分析來確定(通常非常困難)或者通過嵌入在光線跟蹤程序中的基于概率的例程來確定(通常簡單得多)。在下面的部分中討論了探究離開分布的仿真。
光管31和體積散射元件32之間的界面可以取多種形狀中的任何一個形狀。例如，圖12示出了作為準(zhǔn)確球體的體積散射元件32A，光管31在其遠端處包括與球體的曲率匹配的凹坑。圖13示出了具有從其近側(cè)移除的平坦部分的體積散射元件32B，從而鄰接的光管31可以具有平坦的遠端?？商孢x地，圖14示出了與光管31整體制成的體積散射元件 32C。作為實際問題，圖12、13和14的情況之間的差異呈現(xiàn)了顆粒34實際駐留在體積散射體中的位置；如果一部分球體缺乏顆粒34，則在光學(xué)系統(tǒng)的仿真中容易地對其進行處置。
在一些情況中，光管的遠端是平坦的，并且體積散射元件的相應(yīng)的部分被打磨或成型為也是平坦的。隨后可以使用光學(xué)接觸(optical contacting)、諸如VU固化的光學(xué)粘合劑或熱粘合劑、塑料部件的局部超聲熔化和附連、或者任何其他適當(dāng)?shù)母竭B方法，使光管和體積散射元件的平坦部分彼此附連。在其他情況中，光管和體積散射元件可以被制造為單個整體部件，而非隨后附連的單獨部件。例如，一個部件可以被成型，并且其他部件可以在同一模具的相鄰部分中成型。
圖15示出了離開光管31并且進入體積散射元件32的光。注意，在一些情況中， 這兩個元件中的折射率是相同的，從而在界面處不存在反射并且光線在界面處不會彎曲。
圖16示出了當(dāng)離開光線離開體積散射元件32時的離開光線。它們可以被粗略地分為在“遠側(cè)”和“近側(cè)”方向上傳播的光線，分割線垂直于光管31的縱軸。光散射到“遠側(cè)”和“近側(cè)”方向的基本上全部半空間中，其中統(tǒng)計分析確定有多少光傳播到每個方向中。 在以下部分中執(zhí)行了該統(tǒng)計分析。
在完成對二次光學(xué)裝置30的描述之后，我們轉(zhuǎn)向燈10中的光學(xué)路徑的計算機建模和仿真。
下面的描述旨在提供可以由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員執(zhí)行的仿真類型的示例。該仿真用于燈10的一個特定配置，并非意圖以任何方式作為限制。可以以相似的方式對其他配置建模。下段描述了在圖17的圖中仿真的特定的光學(xué)系統(tǒng)。
LED封裝是Ostar照明LED陣列，具有2. 31 X 1. 9 mm的發(fā)射面積。假設(shè)LED基本上在光管的近側(cè)面，從而所有LED發(fā)射的光進入光管。光管自身具有0.5英寸(12. 7 mm)的長度和8 mm的直徑，并且由PMMA制成，在550 nm下具有1. 49的折射率。體積散射元件也由PMMA制成，具有3微米的顆粒直徑。在不同的計算中允許兩個量變化顆粒的折射率和顆粒密度。對于這些量的每個組合，生成角度圖(angular plot)，并且計算效率。在對應(yīng)于 LED的發(fā)射光譜的若干個波長上對結(jié)果取平均。
角度圖表示導(dǎo)向到特定角度的功率量。使用圖16的符號規(guī)定，“遠側(cè)”方向在圖 17的圖中向上，而“近側(cè)”方向向下。
效率是0%和100%之間的單個數(shù)值，其表示離開燈泡的光量除以LED陣列發(fā)射的光量。報告的效率和滿100%之間的差表示被散射回光管或者由超過燈的近端的機械物體 (諸如散熱器)阻擋的光的分?jǐn)?shù)。較高的效率數(shù)值是優(yōu)選的。
在具體解決實際建模的情況之前，值得考慮折射率和顆粒密度的一些極值。
對于接近1. 49的折射率，由于在基材內(nèi)部顆粒變得實際上不可見，因此預(yù)期看到散射效果極大地消失。這應(yīng)導(dǎo)致所有或大部分光導(dǎo)向遠側(cè)方向(圖中向上)，并且基本上沒有光線導(dǎo)向近側(cè)方向(圖中向下)。對于被設(shè)定為零(散射消失)的顆粒密度，該趨勢也應(yīng)如此，并且?guī)缀跛泄庀蛏闲羞M。對于這兩種極端情況，仍存在關(guān)于圖頂部處的“180度”點的角度分布，其出自通過光管的傳播以及光管的橫向側(cè)面的反射。由于在光學(xué)系統(tǒng)的任何點處沒有光被阻擋，因此該極端情況的效率應(yīng)是100%。
在另一極端情況中，我們可以增加顆粒密度和/或增加顆粒的折射率以達到任意大的值。這應(yīng)向體積散射元件給出如同鏡子的質(zhì)量，這將產(chǎn)生比遠側(cè)(向上)多的近側(cè)(向下)光。由于大量的光可在近側(cè)方向上被散熱器、光管或者位于燈泡下游的其他元件阻擋， 因此該系統(tǒng)的效率應(yīng)明顯小于100%。
實際上，由于這些燈典型地安裝在視平線以上的懸掛的或裝飾的枝形吊燈中，因此希望向下的光比向上的光略多。不希望所有光導(dǎo)向下，或者在向上和向下之間50/50劃分，而是僅使向下比向上略多，從而較多的光被導(dǎo)向觀察者而非導(dǎo)向房間的天花板。還希望合理的效率，其直接影響燈的感知亮度。
將上述系統(tǒng)輸入LightTools，其是在商業(yè)上可獲得自位于I^asadena，CA的 Optical Research Associates的光線跟蹤程序。也可以使用其他光線跟蹤程序，包括 ASAP、Code V、Oslo、Zemax或者任何其他商用或自用光線跟蹤程序。
執(zhí)行九次不同的仿真運行，并且在圖17的九個圖中示出了結(jié)果。對于每個圖，存在圍繞原點(表示縱向，180度)的鋸齒狀曲線。該曲線是所關(guān)注的角度圖，并且表示紙面中的角度輸出，具有圖16中示出的符號規(guī)定。關(guān)于1. 54的折射率和1. 5百萬每立方毫米 (million per cubic mm)的顆粒密度的左上曲線示出了其中導(dǎo)向上的光比導(dǎo)向下的光多的圖。關(guān)于1. 58和2. 5百萬個顆粒每立方毫米的右下圖示出了導(dǎo)向下的光比導(dǎo)向上的光多。
在所有九個圖上還存在表示橫向，90度的幾乎圓形的曲線，其給出了關(guān)于垂直于光管的縱軸的紙外的切片的角度結(jié)果。由于光學(xué)系統(tǒng)關(guān)于縱軸對稱并且在該方向上預(yù)期沒有明顯變化，因此我們預(yù)期該曲線幾乎是圓形的。
“效率”數(shù)值疊置在每個圖上，其從92%向下變化到81%。
總體上，確定中心和中左圖是所研究的九種情況中的最期望的情況。這對應(yīng)于 1. 56的折射率和約1. 5到2. 0百萬個顆粒每立方毫米的范圍中的顆粒密度。這產(chǎn)生了比向上行進的光多的向下行進的光，具有約88%到約90%的范圍中的效率。
結(jié)果用于特定的幾何特征，包括特定的光管和體積散射元件的幾何特征以及單個顆粒的尺寸。必要時，可以針對不同的幾何特征、不同的顆粒尺寸或者不同的體積散射元件基材重復(fù)計算。
如上文提到的，圖17的圖是一個或多個波長的性能的加權(quán)平均。例如，LED輸出可以具有紅色、綠色和藍色貢獻，并且計算可以是紅色、綠色和藍色光的加權(quán)平均，通過光學(xué)系統(tǒng)跟蹤每種光。
圖18是三個不同波長下的一個特定配置的性能的圖。最左側(cè)的圖關(guān)于藍色光，具有486 nm的波長，中間的圖關(guān)于550 nm下的綠色光，而右側(cè)的圖關(guān)于650 nm下的紅色光。 事實上，來自LED陣列的白色光可以包括連續(xù)的和/或離散的光譜，其包括486 nm到650 nm的區(qū)域，并且三個所選擇的波長可以粗略地表示該光譜。
看到藍色光具有比紅色光多的向上傳播功率，并且具有比紅色光少的向下傳播功率。換言之，對于直接位于燈下方或者接近燈的基部的觀察者，較之從遠離燈的基部觀看， 燈應(yīng)具有較多的略帶紅色的色調(diào)。同樣地，到達天花板的光將具有比導(dǎo)向下的光多的略帶藍色的色調(diào)。
對于圖18中的該特定情況，使用對于所有三個波長取為恒定的顆粒折射率來執(zhí)行計算。實際上，如同基材的折射率，顆粒的折射率隨波長變化。這種隨波長的折射率變化被稱為色散，并且實際上所有光學(xué)材料具有良好證明的色散值。色散的影響可以容易地并入到計算中，盡管從圖18的圖中故意地省略它們以強調(diào)波長依賴散射效果。
如這里闡述的本發(fā)明及其應(yīng)用的描述是說明性的，并非旨在限制本發(fā)明的范圍。 這里公開的實施例的變化和修改是可能的，并且本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在研究本專利文獻之后將理解實施例的各種元件的實用替選方案和等同方案。在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以進行這里公開的實施例的這些和其他變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種燈(10)，包括透明燈泡(20)，包圍體積并且在縱向末端處具有開口 ；發(fā)光二極管(50)，緊接所述透明燈泡(20)中的所述開口安置，用于將光發(fā)射到所述透明燈泡(20)中；透明光管(31)，緊接所述透明燈泡(20)中的所述開口安置在所述透明燈泡(20)內(nèi)部， 用于從所述發(fā)光二極管(50)接收光，所述光進入所述光管(31)的近端并且遠離近端縱向傳播到所述光管(31)的遠端；以及體積散射元件(32)，與所述光管(31)的遠端相鄰地安置在所述透明燈泡(20)內(nèi)部，用于從所述透明光管(31)接收光并且用于將光散射到多個離開角度；其中所述散射光通過所述透明燈泡(20)離開所述燈(10)；以及其中所述體積散射元件(32)包括透明基材(33)和遍布所述基材(33)分布的多個顆粒 (34)，所述多個顆粒(34)中的每個是透明的并且具有與所述基材(33)的折射率不同的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，其中所述體積散射元件(32)是球體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，其中光通過透射并且通過所述光管(31)的橫向邊緣的全內(nèi)反射在所述光管(31)中縱向傳播。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，其中所述光管(31)與所述發(fā)光二極管(50)縱向分1 ο
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燈(10)，進一步包括反射元件(41)，其與所述光管(31)的近端直接縱向相鄰，用于收集來自所述發(fā)光二極管(50 )的高角度光并且將所述高角度光反射到所述光管(31)的近端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，其中所述體積散射元件(32)中的所述顆粒(34)具有確定每個方向上散射的光量的尺寸分布和折射率分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燈(10)，其中所述體積散射元件(32)中的所述多個顆粒 (34)中的每個具有通常相同的尺寸和通常相同的折射率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燈(10)，其中所述體積散射元件(32)中的所述顆粒(34)較之遠側(cè)方向在近側(cè)方向上散射更多的光。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，其中所述光管(31)和所述體積散射元件(32)的所述基材(33 )具有相同的折射率。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，其中所述光管(31)和所述體積散射元件(32)的所述基材(33)由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成并且在550 nm的波長下具有約1. 49的折射率。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，其中所述體積散射元件(32)中的所述顆粒(34)在 550 nm的波長下具有約1. 51到約1. 59的范圍中的折射率。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，其中所述體積散射元件(32)中的所述顆粒(34)通常是球形的并且具有約1微米到約10微米的范圍中的額定直徑。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，其中所述體積散射元件(32)中的所述顆粒(34)具有約3微米到約6微米的范圍中的額定直徑，在550 nm的波長下具有約1. 56的折射率，并且具有約1. 5百萬個顆粒每立方毫米到約2. 0百萬個顆粒每立方毫米的范圍中的顆粒密度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，其中所述光管(31A、31B)具有在包括所述光管 (31A、31B)的縱軸的切片中取得的橫截面，所述橫截面具有直邊。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，其中所述光管(31C)具有在包括所述光管(31C)的縱軸的切片中取得的橫截面，所述橫截面具有漸縮的邊。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，其中所述光管(31B、31C)具有在垂直于所述光管 (31B、31C)的縱軸的切片中取得的橫截面，所述橫截面沿所述光管(31B、31C)的縱向范圍均是圓形的，所述圓形在直徑方面從所述光管(31B、31C)的近端到遠端下降。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，其中所述體積散射元件(32)具有粗略地為所述光管(31)的橫截面直徑1. 5到2. 5倍的直徑。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，進一步包括發(fā)光二極管驅(qū)動器(80)，用于向所述發(fā)光二極管(50)供電；以及散熱器(60)，用于發(fā)散所述發(fā)光二極管(50)生成的熱；其中所述發(fā)光二極管驅(qū)動器(80)和所述散熱器(60)被安置在所述透明燈泡(20)外部。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燈(10)，其中所述發(fā)光二極管驅(qū)動器(80)安置在類似燭臺的殼體內(nèi)；以及其中所述散熱器類似于在所述殼體的外部上滴下的蠟燭的蠟。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，其中所述體積散射元件(32)和所述光管(31)是整體的。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，其中所述體積散射元件(32)和所述光管(31)通過光學(xué)接觸附連。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈(10)，其中所述體積散射元件(32)和所述光管(31)通過粘合劑附連。
23.一種提供光的方法，包括緊接透明燈泡(20)中的開口設(shè)置發(fā)光二極管(50)；使用安置在所述透明燈泡(20)外部的驅(qū)動器(80)對所述發(fā)光二極管(50)供電； 使用安置在所述透明燈泡(20)外部的散熱器(60)發(fā)散所述發(fā)光二極管(50)生成的執(zhí)使用安置在所述透明燈泡(20)內(nèi)部的光管(31)的近端收集所述發(fā)光二極管(50)發(fā)射的光；通過透射通過所述光管(31)并且通過所述光管(31)的橫向邊緣的全內(nèi)反射將收集的光透射到所述光管(31)的遠端；在體積散射元件(32)處從所述光管(31)的遠端接收光，所述體積散射元件(32)包括透明基材(33 )和遍布所述基材(33 )分布的多個顆粒(34 )，所述多個顆粒(34 )中的每個是透明的并且具有與所述基材(33)的折射率不同的折射率；以及使用所述體積散射元件(32)將接收到的光散射到多個方向。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中較之在遠側(cè)方向上，在近側(cè)方向上散射更多的光。
25.—種燈(10)，包括透明燈泡(20)，具有開口 ；發(fā)光二極管(50)，緊接所述透明燈泡(20)中的所述開口安置，用于將光發(fā)射到所述透明燈泡(20)中；散熱器(60 )，緊接所述發(fā)光二極管(50 )并且與所述發(fā)光二極管(50 )熱接觸，所述散熱器(60 )包括面對所述發(fā)光二極管(50 )的遠側(cè)邊緣和圍繞所述燈(10 )的圓周遠離所述遠側(cè)邊緣近側(cè)縱向延伸的橫向邊緣，所述橫向邊緣和遠側(cè)邊緣形成所述散熱器(60)的內(nèi)部；發(fā)光二極管驅(qū)動器(80 )，安置在所述散熱器(60 )的內(nèi)部，用于向所述發(fā)光二極管(50 ) 供電；以及導(dǎo)電基部(100)，從所述燈(10)近側(cè)延伸，用于從插座接收電力并且向所述發(fā)光二極管驅(qū)動器(80 )供電，所述基部(100 )與所述散熱器(60 )熱絕緣。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的燈(10)，進一步包括驅(qū)動器絕緣體(70)，在其遠側(cè)和橫向側(cè)面圍繞所述發(fā)光二極管驅(qū)動器(80)并且在其遠側(cè)和橫向側(cè)面被所述散熱器(60)圍繞；以及基部絕緣體(90)，緊接所述發(fā)光二極管驅(qū)動器(80)的近側(cè)；其中所述基部絕緣體(90)使所述基部(100)與所述散熱器(60)和所述發(fā)光二極管驅(qū)動器(80) 二者熱絕緣。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的燈(10)，其中所述散熱器(60)徑向圍繞一部分套筒延伸管 (110)；以及其中所述套筒延伸管(110)徑向圍繞一部分所述驅(qū)動器絕緣體(70)。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的燈(10)，其中所述散熱器(60)形成所述燈泡(20)和所述基部(100)之間的所述燈(10)的橫向圓周周圍的外殼。
29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的燈(10)，其中所述散熱器(60)具有類似滴下的蠟燭的蠟的外觀。
全文摘要
一種燈，具有蠟燭狀的外觀并且使用一個或多個發(fā)光二極管(LED)作為其光源。僅從燈泡中心處或者其附近的小體積發(fā)射光。散熱器和控制電子裝置在燈泡外部。在燈泡內(nèi)部，二次光學(xué)裝置的集合將光引導(dǎo)至燈泡內(nèi)部的規(guī)定位置處的發(fā)射點。二次光學(xué)裝置包括引導(dǎo)光遠離LED芯片的光管，和從光管接收光、將其散射的體積散射元件，該體積散射元件由透明基材制成并且包括具有預(yù)定尺寸和折射率的透明顆粒。體積散射元件中的顆粒密度、顆粒尺寸和顆粒折射率被選擇為產(chǎn)生朝向燈泡的基部導(dǎo)向較多的光的散射式樣，同時維持合理的效率。
文檔編號F21V3/04GK102187147SQ200980140966
公開日2011年9月14日 申請日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月16日
發(fā)明者M·黃, J·李, T·斯佩哈爾斯基, F·烏洛亞 申請人:奧斯蘭姆施爾凡尼亞公司