CN101070954A - 设置成光管的半导体光源 - Google Patents

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CN101070954A CNA2007101068105A CN200710106810A CN101070954A CN 101070954 A CN101070954 A CN 101070954A CN A2007101068105 A CNA2007101068105 A CN A2007101068105A CN 200710106810 A CN200710106810 A CN 200710106810A CN 101070954 A CN101070954 A CN 101070954A
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Abstract

本发明公开了一种管状光源，该光源具有半导体光源和灯管。灯管包括透明介质，灯管具有灯管侧表面、中心曲线、一个端面、一段长度、以及最大截面尺度。灯管包括使灯管中行进的光倾斜反射的散射中心，使得反射光经过灯管侧表面离开灯管。半导体光源设置成将光在锥角中发射到灯管中，使得在没有散射中心的情况下光不会离开灯管侧表面。散射中心可以散布在透明介质中或位于灯管侧表面上。透明介质可以是刚性的或柔性的。

Description

设置成光管的半导体光源
技术领域
本发明涉及设置成光管的半导体光源。
背景技术
发光二极管(LED)的发展已经使由这种器件构成的光源比传统光源(例如荧光灯和白炽灯)更具吸引力。基于LED的光源具有接近或超过这些传统光源的能量转换效率。另外，基于LED的光源具有远远超过这些传统光源的寿命。例如，荧光光源具有约10,000小时的寿命，而LED具有100,000小时的寿命。另外，荧光光源易于在没有警告的情况下完全失效。与之相比，基于LED的光源会随着时间而减弱或发生色彩偏移，因此用户可以在光源完全失效之前获得适当的警告以便对光源进行更换。
荧光光源通常是由含有气体(例如汞蒸气)的玻璃管构成的。在管的末端之间施加较高电压时产生的交流电场对气体进行激发，此时气体发射UV波段的光。通过管壁上的荧光物质层将UV光转换成所需波段的光。因此，荧光光源的输出光谱局限在荧光物质以较高效率进行激发所能产生的光谱。与之相比，可以通过使用不同色彩LED的组合，将基于LED的光源构造成可以产生很宽范围的色彩。
在必须对失效的荧光管进行更换时，汞蒸气和荧光材料都会造成环境方面的问题。另外，在更换期间，如果灯管意外破损，这些材料还会给人员造成伤害。此外，荧光灯需要变压器将传统的线路电压转换为驱动荧光灯所需的高电压。这些变压器造成了很高成本并会造成火灾问题。
荧光灯设备中灯管每单位长度产生光的量是大致恒定的。因此，荧光等通常是长的直管或弯管，以便在较小的总体面积中提供较大长度。例如常常将灯管弯曲形成环形。此外，也难以构成强度可调节的荧光灯设备，因此用户只能通过开启或关闭特定的灯管设备来控制房间中的亮度。
假如有荧光灯设备的较大安装基座以及LED和其他半导体光源(例如激光器)本身的优点，则设计出用基于半导体的灯具取代现有荧光灯的系统是非常诱人的。例如，由嵌入塑料管中的多个LED构成的光源是本领域公知的。将LED沿灯管长度方向间隔，以提供可用于替换相同形状荧光管的线状光源。但是，LED本身是点光源，因此这些光源看起来就像是一串明亮的“点”而不是均匀照明的灯管。尽管可以通过在灯管内或其表面上包括散射材料来在某种程度上使这种亮点变得柔和，但是其结果仍然不能很好地代替荧光管。另外，LED是以较窄的锥角发射光的，因此光源的强度或随着视角变化。
发明内容
本发明包括一种光源，该光源具有半导体光源和灯管。灯管包括透明介质，灯管具有灯管侧表面、中心曲线、一个端面、一段长度、以及最大截面尺度。灯管包括使灯管中行进的光倾斜反射的散射中心，使得反射光经过灯管侧表面离开灯管。半导体光源设置成将光在锥角中发射到灯管中，使得在没有散射中心的情况下光不会离开灯管侧表面。灯管的长度至少比最大截面尺度大10倍。散射中心可以散布在透明介质中或位于灯管侧表面上。透明介质可以是刚性的或柔性的。还可以构成这样的光源：该光源由多个彼此缠绕的灯管构成、并由具有不同光谱的光照明。灯管也可以包括磷光材料或荧光材料，所述材料将来自半导体光源的光转换成具有另外光谱的光。
附图说明
图1是根据本发明的一种光源的立体图。
图2是图1所示灯管50的截面图。
图3、图4和图5是根据本发明的光源其他实施例的截面图。
图6图示了根据本发明另一种实施例的光源。
图7图示了根据本发明的光源另一种实施例的一部分。
图8是根据本发明的光源另一种实施例的截面图。
图9是光源100沿图8所示9-9线的截面图。
具体实施方式
为了讨论目的，术语“灯管”定义为一个平面区域沿中心曲线运动所扫过的体积，其中所述平面区域垂直于中心曲线。平面区域由边界曲线和最大截面尺度来表征，其中边界曲线限定了平面区域在平面中的边缘，最大截面尺度是边界曲线上两点之间的最大距离。灯管还具有灯管侧表面和可选的两个端面这样的特征。灯管侧表面定义为在平面区域垂直于边界曲线运动时，边界曲线所扫过的点的轨迹。应当明白，平面区域可以随着沿中心曲线的位置而改变。大体上，灯管长度(即曲线上两点之间沿该曲线的最大距离)是最大截面尺度的至少10倍。
参考图1和图2可以更容易地理解本发明实现其优点的方式，图1和图2图示了根据本发明一种实施例的光源。图1是光源50的立体图，图2是光源50的截面图。光源50包括LED光源51和灯管52。灯管52由透明介质构成，透明介质含有散射颗粒54。来自光源51的光以角度53进入灯管52，使得大部分光以大于临界角的角度R入射到灯管52的壁上，并因此发生全内反射。在没有散射颗粒54的情况下，这些光直到在末端57处射出灯管52之前都会保持为陷在灯管52中，其中末端52是与光源50发出的光入射那端相反的末端。散射颗粒散布在灯管中的密度使得一些光由这些颗粒散射并以小于临界角的角度照射到灯管52的壁上。这样的光如标号55所示逸出灯管52。
为了使亮度随着沿灯管的距离x变化而保持基本均匀，散射颗粒的密度必须随着x的变化而增大，或者颗粒密度必须足够低，以确保沿灯管长度行进时损失的光量在进入灯管的光中只占较小的比例。下面考虑灯管中散射颗粒采用均匀密度的情况。在沿灯管任意距离处射出的光量与该位置处的光强度成比例。沿灯管的侧表面，随着光由于射出灯管而损失掉，其强度会下降。如果颗粒的密度较低，则由于强度降低对于人类观察者而言并不明显，强度看起来是均匀的。但是在此情况下，大部分光会射出灯管末端，因此在将电能转换为由观察者看到的光这个方面，灯管的效率较低。
可以通过对本来会从末端处射出灯管的光进行重复利用来提高灯管的效率。例如，可以在灯管的末端57涂敷反射材料，将本来会射出末端57的光导向回灯管中。但是，单一的反射涂层只能部分地解决效率/均匀性问题。此外还可以将第二光源设在灯管的末端57处。
现在参考图3，图3是根据本发明的灯管另一种实施例的截面图。光源60包括灯管62，灯管62中具有散射颗粒，并以与上述灯管52类似的方式工作。光源60使用两个基于LED的光源63和64来照明灯管内部。在本实施例中，LED光源63和64嵌入构成灯管60的材料中。另外，末端65和66是平的，并覆盖有反射材料，使得到达这些末端的光反射回灯管62中。如果LED 63和64覆盖的末端灯管区域占据的是末端65和66的一小部分表面积，则可以对在经过灯管62指定次数中未被反射出灯管62的大部分光进行重复利用。因此，这种实施例在不降低照明均匀性的情况下具有较高的效率。
在上述实施例中，散射颗粒均匀地分布在灯管的材料内。但是，也可以构造出散射中心位于灯管表面上的实施例。现在参考图4，图4是根据本发明的光源另一种实施例的截面图。光源70与光源60的不同之处在于散射中心73位于灯管72的壁上而不是散布在构成灯管的材料中。可以通过将缺陷模制到灯管72的壁中来提供这些散射中心。由于散射中心的分布是由模子或其他表面处理来确定的，所以可以将散射中心的密度控制成随着离灯管72一端的距离而变化。现在考虑散射中心密度均匀的灯管。如果该灯管表现出不均匀的光分布，则可以通过使发射光不足的区域中散射中心的密度增大来校正该问题。
在上述实施例中，LED嵌入灯管的末端。但是，LED也可以位于灯管末端附近或与灯管末端接触。表面65和表面66仍然可以构造成具有反射特性。
上述光源所发射光的色彩是由其中所用LED光源所发射光的色彩来决定的。这些光源可以由具有不同发射谱的多个单独LED构成。如果对各个LED的相对强度进行控制，则即使任何特定LED的发射谱都很窄，也可以使灯管发射的光被人类观察者感觉到几乎有任何色彩。
或者，LED光源可以提供单色光，而用荧光物质来取代散射中心，其中荧光物质将LED的光转换为具有由灯管中所含荧光物质确定的光谱的光。例如，可以用包括一个或多个LED的光源来激发荧光物质混合物以提供特定光谱的光，所述LED发射出光谱中UV或蓝色的部分。荧光物质的形式可以是散布在灯管材料中的颗粒，或者也可以从一类中选择荧光物质，所述这类荧光物质可溶于构成灯管的材料中。由于荧光物质包含在制造灯管所用的介质中，所以避免了灯管破损时与荧光灯管中荧光物质有关的环境和健康风险。
应当注意，与荧光光源不同，来自这种光源的光强度可以通过改变LED光强度而改变。可以通过变更流经LED的电流或改变LED的占空周期，使感受到的来自LED的光强度发生改变。在后一种方案中，将各个LED轮流开启或关闭一个时间长度，且该时间长度对于人类观察者而言太小而感受不到。感受到的光强度是由指定周期中LED处于开启状态的时间所占比例确定的。
本发明的上述实施例已经使用了与传统线状荧光灯管类似的线状管式几何形状。但是也可以采用其他几何形状。例如，一类荧光灯设备使用弯曲成环形结构的灯管。本发明可以用于提供类似的几何形状。现在参考图5，图5是根据本发明的管状光源另一种实施例的截面图。光源80由弯成环形结构的灯管8 1构成。该灯管由两个LED光源82和83照明，这两个LED光源82和83在标号85和86所示两个末端处将光照射到灯管中。这些末端可以包括反射材料，以便对未被导出灯管的任何光进行有效的重复利用。或者，也可以将两端顶在一起，使得离开灯管一端的任何光进入灯管的另一端。光源82和83包括多个LED，这些LED发射不同波长段的光。光源80的色彩和由其发射的光强度是由输入到控制器84的信号确定的。灯管81可以采用上述散射颗粒配置方案中的任何一种。例如，散射颗粒可以结合在构成灯管81的材料中。
灯管81的曲率半径必须大于下述曲率半径，在所述曲率半径情况下有相当大比例的光可能以小于临界角的角度照射到灯管81的壁上。如果曲率半径太小，在光从灯管侧面反射时，光就会从灯管侧面损失掉。最小曲率半径将取决于构成灯管81的具体材料。
上述实施例中采用的灯管可以由任何透明介质构成。该介质可以是刚性的或柔性的。在针对取代传统荧光灯设备的应用场合，优选刚性材料，因为对于这些光源的现有设备中许多都假定了灯管是可以支撑自身的。不过，也可以用柔性灯管构造成更具装饰性的光源。
现在参考图6，图6图示了根据本发明另一种实施例的光源。光源90由上述类型的两个柔性管状光源91和92构成，他们被编织形成螺旋形光源，其中各个灯管发射不同色彩的光。还应当注意，可以围绕各种物体来对这样的管状光源进行弯曲，以便提供具有更多形状的光源。
如上所述，在根据本发明的光源包括弯曲形，且曲率半径小于临界值时，由于光可以经过灯管壁离开灯管，所以在弯曲处会有光损失掉。现在参考图7，图7图示了根据本发明的光源另一种实施例的一部分。光源具有弯曲形95，其曲率半径小于上述临界值。由此，从区域96向区域97运动的光信号会遭受较明显的强度降低，因为信号在经过弯曲区域时会在灯管内反射的同时造成损耗。这样可能造成离开区域97的光强度明显低于离开区域96的光强度，而离开弯曲区域的光强度可能明显高于区域96的光强度。可以通过在弯曲区域设置反射涂层98来减小这种问题。涂层将离开灯管的光重定向回灯管中，因此减少了由弯曲形的非临界反射造成的损失。如果具体应用中不需要区域95发射光，则这种涂层可以是完全反射涂层。不过如果要使一些光离开弯曲区域，则可以采用部分反射涂层。
如上所述，可以用荧光物质提供散射颗粒的功能并设定从灯管发射的光的色彩。如果经过荧光转换的灯管还具有散射颗粒或突起，则可以将这些荧光物质设在灯管外侧。为了提供强度均匀的单色光源，可以将荧光涂层在灯管上涂敷成均匀的层，所述均匀的层具有均匀的散射中心分布。不过，在某些应用中，用下述灯管提供装饰性效果更好，所述灯管上的不同位置处光的色彩和/或强度有改变。沿长度方向发射不同色彩光的灯管可以通过改变沿灯管长度方向的荧光物质组分来构成。与之类似，通过改变沿灯管的荧光物质厚度，可以改变沿灯管所发射的光强度。另外，还可以改变沿灯管长度方向的散射中心密度来改变沿灯管的强度分布。
现在参考图8，图8是根据本发明的光源另一种实施例的截面图。光源100包括透明灯管106，沿灯管表面具有散射中心105。散射中心包括在模制成灯管时或形成灯管之后将模子应用于灯管外表面而形成的缺口。用两个光源101和102对灯管进行照明，所述两个光源所提供波长的光可以激发标号103和104所示具有不同输出光谱的两个荧光物质层。另外，层104比层103厚，因此提供了不同的光强度。光强度的差异可以是因为较厚的层中有更多的光得到转换，或者因为经转换的某些光被吸收。如果激发波长在可见光范围内，并且荧光物质层薄到足以使某些激发光逸出，则各个区域发射的色彩反映出了荧光物质光谱及其下的激发光谱。例如，已知可以通过如下方式构成人眼看起来是白色的光源：使用带有荧光物质层的蓝色光源，且该荧光物质层可以将部分蓝色光转换为黄色光。
光源100还包括区域108，该区域中散射中心的密度高于周围区域中的密度。因此，在这个区域可以有更多的激发光散射出灯管106，因此灯管在区域109中比在区域107中看起来更亮。如上所述，通过对形成灯管106外壳所用的模子或模具的图案进行控制，来控制散射中心的密度。
现在参考图9，图9是光源100经过图8所示9-9线的截面图。在上述实施例中，假设了散射中心分布随着围绕灯管106中心120的角度变化是恒定的，所以灯管提供了均匀的发光管，非常适于取代相似形状的荧光灯管。不过在需要更具装饰性的光源时，散射中心密度或者荧光物质层的厚度和/或组分可以随着角度变化而改变。例如，荧光物质层可以包括具有不同厚度或组分的区域112。与之类似，可以在例如区域111的区域中改变散射中心的密度。
在上述实施例中，随着沿灯管长度方向的距离变化，灯管具有的环形截面半径是恒定的。大体上，沿灯管长度方向，灯管截面应当是恒定的，以便对于离灯管末端的距离变化可以提供均匀的照明。由于可以通过挤压工艺形成灯管，所以制造具有恒定截面区域的灯管也非常容易并因此非常廉价。对于围绕灯管中心的角度，如果不需要光分布均匀，则截面也不一定要环形。
如上所述，可以由任何合适的透明材料构成灯管。如果灯管需要是刚性的，则塑料或环氧材料是优选的。对于柔性灯管，可以弯曲成各种形状的弹性体材料是优选的。例如，可以使用聚氨酯。
根据前文的说明以及附图，本领域技术人员可以想到对本发明的各种修改形式。因此，本发明应当仅由权利要求的范围来限定。

Claims (19)

1.一种光源，包括：
半导体光源；以及
包括透明介质的灯管，所述灯管具有灯管侧表面、中心曲线、一个端面、一段长度、以及最大截面尺度，所述灯管具有使所述灯管中行进的光倾斜反射的散射中心，使得所述经过反射的光经过所述灯管侧表面离开所述灯管，
所述半导体光源设置成将光在锥角中发射到所述灯管中，使得在没有所述散射中心的情况下所述光不会离开所述灯管侧表面，其中，所述长度大于所述最大截面尺度的10倍。
2.根据权利要求1所述的光源，其中，所述端面包括反射材料，用于将照射到所述端面的光反射回所述灯管中。
3.根据权利要求1所述的光源，其中，所述散射中心散布在所述透明介质中。
4.根据权利要求1所述的光源，其中，所述散射中心位于所述灯管侧表面上。
5.根据权利要求1所述的光源，其中，所述中心曲线包括部分环形。
6.根据权利要求1所述的光源，其中，所述中心曲线包括直线。
7.根据权利要求1所述的光源，其中，所述透明介质包括弹性体材料。
8.根据权利要求1所述的光源，其中，所述半导体光源包括发光二极管。
9.根据权利要求1所述的光源，其中，所述半导体光源包括激光器。
10.根据权利要求1所述的光源，其中，所述散射源散布成使得离开所述灯管侧表面的所述光对于沿所述中心曲线的不同位置具有基本上均匀的强度。
11.根据权利要求1所述的光源，其中，所述灯管包括第一端和第二端，并且其中，所述半导体光源包括将光发射到所述第一端中的第一光发射器和将光发射到所述第二端中的第二光发射器。
12.根据权利要求1所述的光源，其中，所述灯管包括磷光材料或荧光材料，所述材料将来自所述半导体光源的光转换成具有与所述半导体光源发射光谱不同的光谱的光。
13.根据权利要求12所述的光源，其中，所述磷光材料或荧光材料包括第一荧光物质和第二荧光物质，所述第一荧光物质位于与所述第二荧光位置不同的位置。
14.根据权利要求12所述的光源，其中，所述磷光材料或荧光材料位于所述散射中心中。
15.根据权利要求1所述的光源，还包括控制器，所述控制器响应于外部产生的强度控制信号对由所述半导体光源发射的光强度进行设定。
16.根据权利要求15所述的光源，其中，所述控制器响应于外部产生的色彩控制信号对由所述半导体光源发射的光的光谱进行控制。
17.一种光源，包括：
第一半导体光源；
包括第一透明介质的第一灯管，所述第一灯管具有第一灯管侧表面和第一中心曲线，所述第一灯管具有使所述第一灯管中行进的光倾斜反射的散射中心，使得所述经过反射的光经过所述第一灯管侧表面离开所述第一灯管，
所述第一半导体光源设置成将光在锥角中发射到所述第一灯管中，使得在没有所述散射中心的情况下所述光不会离开所述第一灯管侧表面；
第二半导体光源；
包括第二透明介质的第二灯管，所述第二灯管具有第二灯管侧表面和第二中心曲线，所述第二灯管具有使所述第二灯管中行进的光倾斜反射的散射中心，使得所述经过反射的光经过所述第二灯管侧表面离开所述第二灯管，
所述第二半导体光源设置成将光在锥角中发射到所述第二灯管中，使得在没有所述散射中心的情况下所述光不会离开所述第二灯管侧表面，其中，所述第一中心曲线和所述第二中心曲线彼此缠绕。
18.根据权利要求17所述的光源，其中，所述第一光源和所述第二光源发射具有不同光谱的光。
19.根据权利要求17所述的光源，其中，所述第一透明介质和所述第二透明介质其中一者包括柔性材料。
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