在面板中的有衬层凹陷内有下射灯的边缘照亮型照明面板

摘要

用于产生向下传播的照射光的方法和照明器具被公开。向下面向的面板可以产生漫射光。面板可以是大体平坦的并且可以具有凹陷，其中所述凹陷可以具有衬层，其也产生漫射光。面板和衬层可以具有本质上相同的辉度，使得凹陷对于除了凹陷正下方之外的取向不太明显。器具可以具有凹入到凹陷中的下射灯，其可以产生从凹陷内向下射出的定向光束。定向光束可以具有可分离于漫射光受到控制的亮度。凹陷可以在面板的中心处。面板可以被合并到天花板板片中，并且可以被捆扎为套件的一部分，该套件也可包括其面板不具有下射灯的天花板板片。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年6月14日提交的题为“EDGE-LIT LIGHT PANEL HAVING A DOWNLIGHT WITHIN A LINED INDENTATION IN THE PANEL”的美国专利申请No. 13/159,907的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及边缘照亮型照明器具，其产生漫射光和定向光束两者，同时维持均匀的外观。

背景技术

发光二极管(LED)在一般照射应用比如办公室空间和会议房间中变得更加常见。例如，边缘照亮型面板使用LED作为其光源，并且对于基于天花板的应用变得越来越常见，比如合并到天花板板片(tile)中。虽然边缘照亮型面板趋于具有令人愉快的、均匀的外观，但是这类边缘照亮型面板趋于只产生漫射光(diffuse light)。

存在这样一些情况，其中用户可能想使用附加的定向光束比如聚光灯或加强灯来照射特定任务或空间。通常，用户必须安装分离的器具，其提供这种定向光束，通常被称为下射灯(downlight)。分离器具的使用是笨拙的，并且可能不美观。

用以将下射灯源合并到边缘照亮型器具中的早期尝试涉及：直接地穿过器具切割出孔，将下射灯放置在该孔中，并使用挡板或掩盖物来隐藏孔被切割之处的边缘。这些尝试可能已产生了漫射光和定向光束两者，但是它们缺乏未切割边缘照亮型面板的令人愉快的、均匀的外观。

因此，存在需求来使单个照明器具能够产生漫射光和定向光束两者，同时维持均匀的外观。

发明内容

一实施例是用于产生向下传播的照射光的照明器具。向下面向的面板产生漫射光。面板是大体平坦的并且具有凹陷。凹陷具有产生漫射光的衬层。面板和衬层具有本质上相同的辉度。下射灯凹入到凹陷中。下射灯产生从凹陷内向下射出的定向光束。定向光束具有可分离于漫射光受到控制的辉度。

另一实施例是用于产生向下传播的照射光的照明器具。大体平坦的向下面向的发光表面具有中央部分，并具有在中央部分中向上延伸的凹陷。发光表面向上延伸至少部分地进入凹陷中。发光表面在凹陷的顶点处具有孔眼。下射灯被设置在孔眼内。下射灯向下通过凹陷向照明器具之外发射定向光束。下射灯具有可控制的并且独立于发光表面的辉度的辉度。

再一实施例是用于掩饰向下面向的平坦面板照明器具中的下射灯的方法。该方法包括：在所述照明器具上提供大体平坦的向下面向的发光表面；在所述发光表面的中央部分中提供凹陷，所述发光表面向上延伸至少部分地进入所述凹陷中；在所述凹陷的中央处提供孔眼；以及提供设置在所述孔眼内的下射灯，所述下射灯向下通过所述凹陷向所述照明器具之外发射定向光束。下射灯具有可控制的并且独立于发光表面的辉度的辉度。所述下射灯自身只在所述凹陷正下方的有限区域内是可见的。

附图说明

从以下对本文所公开的如附图所示的特定实施例的描述中将清楚本文所公开的前述以及其它目的、特征和优点，所述附图中相似附图标记在整个不同的视图中指代相同的零部件。附图并不一定按比例进行绘制，重点反而是放在示出本文所公开的原理。

图1是一示例照明器具的截面图。

图2是用于图1所示照明器具的一示例面板的截面图。

图3是用于图1所示照明器具的另一示例面板的截面图。

图4是用于图1所示照明器具的另一示例面板的截面图。

图5是用于图1所示照明器具的另一示例面板的截面图。

图6是用于图1所示照明器具的另一示例面板的截面图。

图7是用于图1所示照明器具的另一示例面板的截面图。

图8是用于图1所示照明器具的面板和下射灯的一示例组合开关和调光器的前视图。

图9是用于基于荧光体的白光发光二极管的一示例光谱轮廓的曲线图。

图10是用于单波长发光二极管的一示例光谱轮廓的曲线图。

具体实施方式

在本文献中，“上”、“下”、“顶”、“底”、“侧”、“横”、“纵”等方向术语被使用来描述特定元件的绝对和相对取向。为了这些描述，假定的是：照明器具被安装成顶置，比如被合并到天花板板片或天花板网格中，并且照明器具引导其输出总体上向下朝向用户。应该明白的是：虽然这类描述提供出现在典型使用中的取向，但是其它取向当然是可能的。例如，器具可以是壁挂式的或者被合并到附加元件中用以提供间接照明。所指出的描述性术语，如本文所使用的，仍然适用于器具，即使器具具有除了顶置之外的取向，或在其顶置取向被解除安装。

用于产生向下传播的照射光的方法和照明器具被公开。向下面向的面板可以产生漫射光。面板可以是大体平坦的并且可以具有凹陷，其中所述凹陷可以具有衬层，其也产生漫射光。衬层可以被与面板一体化，并且可以是面板的衬覆凹陷的内部的弯曲部分，或者可以替代地是与面板分离的元件。注意，衬层可以被称为“下射灯壁”、“腔体壁”、“空隙壁”、或“孔眼壁”。面板和衬层可以具有本质上相同的辉度，使得凹陷对于除了凹陷正下方之外的取向不太明显。器具可以具有凹入到凹陷中的下射灯，其可以产生从凹陷内向下射出的定向光束。定向光束可以具有可分离于漫射光受到控制的辉度，比如专用的调光器开关。凹陷可以在面板的中心处。面板可以被合并到天花板板片中，并且可以被捆扎为套件的一部分，该套件也可包括其面板不具有下射灯的天花板板片。

用于参考，漫射光的示例是来自电影屏幕的反射，其大致独立于投射光射入屏幕的角度，并且具有相对较小的角度依存性，使得就坐在影院中央的观察者与就坐在影院侧向边缘处的观察者相比未看见明显更亮的图像。典型的较老式的荧光顶置照明器具可以使用被结构化的透镜来使荧光灯泡的输出的方向随机化，使得照射光不具有强的角度依存性。对于顶置照明器具，漫射照明可能是所需的，因为它在其照射模式中不具有“亮斑(hot spots)”。类似地，定向光束的示例是来自典型手电筒或聚光灯的光束。在一些情况下，光束可能存在角度扩展，使得光束覆盖区(footprint)随着远离光源而扩大。这种定向光束可能被需要来用于加强，比如照射壁上的图片，或用于其它视觉效果。定向光束可以在其照射模式中产生独特的“亮斑”。图1的照明器具1可以产生漫射光31和定向光束21，可选地具有分离的控制器用于每一个。

图1的照明器具1可以包括向下面向的面板3，其产生漫射光31。面板3可以是大体平坦的，并且可以具有凹陷，通常在其中央。凹陷可以具有衬层4，其也可以产生漫射光31。在凹陷内，通常在凹陷的顶部或顶点处，有下射灯2，其可以产生定向光束21。注意，与没有衬层的凹陷或孔相比，这种有衬层的凹陷可以是有利的，因为当下射灯关闭或处于降低的辉度时，由衬层4产生的漫射光可以帮助掩盖或掩饰下射灯2。下射灯2在下面详细描述，接在典型面板3的描述后。

术语“面板”，如在本文献中使用的，可以包括数个光学元件，比如一个或多个光源、将来自源的光分布在整个特定区域内的光导、在光导的一侧从光导中取出所需的预定量的光的光取出器、和接收取出的光并使之随机化的漫射器。面板在与取出器和漫射器相对的一侧还可以可选地包括位于光导上或附近的反射器。对于本领域中公知的典型面板来说，面板通常在它们的矩形、椭圆形或圆形区域内是大体平坦的和大体无特征的，使得由面板产生的漫射光在面板区域内是大致均匀的。与公知面板不同，本文中描述的面板3被设计成容纳和掩饰下射灯2，并且可以向上弯曲用以在其中央形成圆筒形、圆锥形或漏斗形凹陷，且下射灯2被设置在凹陷的顶部或顶点处。

面板3可以包括光导，其可以是一片透明材料，比如PMMA。光导可以足够厚，用以支承自身不发生弯曲，或者可以足够薄用以是可弯曲的。一般而言，光导可以是大体平坦的，可选地具有一个或多个预定的楔角，其在一些情况下可以有益地影响来自器具1的输出性能。光导的形状或覆盖区可以是矩形的、正方形的、圆形的、椭圆形的或任何其它适当的形状。在一些情况下，光导的覆盖区可以匹配于天花板板片的尺寸，比如2英尺×2英尺或2英尺×4英尺。光导可以占据为天花板板片分配的整个区域，或者可以具有围绕其周边的边界。

光导可以接收由一系列LED 6发射的光。LED的一部分可以围绕光导的周边分布，并且一部分可以围绕凹陷的周边分布。相对于光导，LED 6的输出可以被侧向地取向。每个LED 6可以是裸芯片(chip)，或者可以在其上安装有透镜比如半球体或部分球体，用以降低来自LED 6的角度散度。

来自每个LED 6的发射光进入光导的侧向边缘，通常以围绕局部表面法线居中的角度分布。一旦在光导内之后，光在本文献中可以被称为“内部”光61。注意，这可以被称为边缘照亮技术，其已经被用于液晶显示器(LCD)的背光照明和平板照明中。

内部光然后通过从光导的前表面和后表面反射离开而从光导的一个或多个侧向边缘向内行进。反射通常是全内反射，对其，入射角超过临界角，并且光功率的100%被反射。对于具有折射率n和空气/光导界面的光导来说，临界角由sin^-1(1/n)给出，其是在光导内部相对于界面处的局部表面法线测量得到的。注意，对于大于2的平方根(大约1.41)的折射率来说，穿过侧向边缘进入的所有内部光将在正交侧向边缘处被完全地内反射。这适用于以下这种情况：典型的光导材料，比如PMMA，其在435.8nm的波长处具有1.503的折射率，并在700nm处具有1.486的折射率。

为了从光导中取出光的一部分，光导可以具有所谓的“光取出器(light extractor)”。光取出器通常在光导的底表面，但是可以替代地或附加地在顶表面上或被嵌入光导内。这种光取出器被设计成在光导的区域内的每个位置处将内部光的预定部分或分数重新引导到光导之外。一般而言，可能需要的是具有在漫射器上的每个点处退出器具或者在一些情况下入射的均匀或几乎均匀量的功率。作为结果，光取出器通常被设计成与在光导的边缘处相比，从光导的中央重新引导更多的光(从百分比来讲)。光取出器的性能可根据位置受到控制，并且提前通过器具1的光学系统的模拟被大体确定。这种模拟可以包括在光导内的多次反弹射，以及反弹出光导的侧向边缘。

存在可用于光取出器的多个选择。常见的选择是在光导的底表面上的一系列打印点。可以在实际零部件的生产之前预先通过模拟来确定点模式。另一选择包括在光导的底表面上的一系列棱镜表面，其可以在一个或两个方向上是规则的或不规则的，并且可以具有大于或小于90度的顶角。再一选择可以是光导的底表面的选择性粗糙化。作为一具体示例，光取出器可以是一系列在光导的任一侧上有规则地间隔开的点；在实践中，点的尺寸和间隔在整个光导表面中可以变化，以便与边缘处相比，从光导的内部取出更多的光(从百分比来讲)。光取出器可以被设置在面板3的底表面32上，如图1中那样，或者可以替代地在面板的顶表面上，或在两个表面上。

从光取出器射出到光导之外的光可以被称为“外部”光。外部光可以具有不对称的角度轮廓，比起在小的出射角度处，大体有更多的光在高的出射角度处传播(两者都是相对于光导的平面相对于表面法线做出的)。这种角度轮廓作为照明器具的输出一般是不可接受的，因此器具1可以使用漫射器来接收外部光，使特定射线的传播方向随机化，并输出漫射光31。

漫射光31比起外部光可以具有更对称的角度轮廓。在一些情况下，漫射光31可以具有朗伯(Lambertian)分布，其中在向下方向上角度输出达峰值，而角度输出在平行于光导的平面处下降至零。漫射光31的角度分布由漫射器的性能控制，其可以在构建用于器具1的零部件中的任一个之前通过模拟来确定。一般而言，漫射器越弱，则更多的漫射光31类似于外部光；漫射器越强，则更多的漫射光31类似于朗伯分布。

漫射器的一个示例是体积元件(volumetric element)，其具有背景材料和浸入背景材料中的颗粒，其中所述颗粒具有与背景材料不同的折射率。这种漫射器对于穿过它的每个光射线产生多个相互作用，其中每当射线进入或离开颗粒之一时，它由于在每个界面处的折射而在路径上经受偏离，并且由于在每个界面处的小反射而经受一部分被分裂出其路径的微小分裂。单独的折射和分裂相互作用可能相当小，但是许多这些相互作用的组合效应会有效地使特定射线的输出角度随机化，而不管射线的具体输入角度如何。

颗粒可以相对较小，在5微米(0.005mm)或更大的级别。颗粒可以具有大致相同的尺寸，或者可以具有不同尺寸的分布。颗粒可以全部具有相同的形状，可选地带有颗粒的预定对齐。颗粒可以替代地全部具有不同的形状和/或尺寸。颗粒与背景材料之间的折射率的差异可以相对较小，比如在0.001或更大的级别。颗粒可以被称为“散射”颗粒。

其它类型的漫射器也是有可能，包括具有一个或多个粗糙表面的元件。漫射器还可以被设置在图1中的面板3的底表面32上，或者可以可选地与光取出器分离。

在光导的顶表面上或附近可以存在附加的反射器，用以重新引导意外地退出光导的顶表面的任何迷途光(errant light)。这种迷途光可以被重新引导至来自器具1的输出的一部分。这迷途光可以在器具1的模拟阶段中被处理。可选的反射器可以被设置在图1中的面板3的顶表面33上。

在凹陷外，面板3可以是大体平坦的。在凹陷内，面板3可以包括衬层4，其向上沿凹陷的至少一部分延伸。在图1的示例中，凹陷可以是大体圆筒形的，下射灯2被设置在圆筒的顶部处，并且衬层4向上沿圆筒的侧向壁的至少一部分延伸。

一般而言，衬层4可以是与面板3一体制成的，如图1中所示，或者可以是分离的元件并被设置在面板附近。在每个情况下，所意图的是：来自衬层4的漫射光31与面板3的其余部分具有相同或类似的表面辉度，使得衬层4显现为与面板3的其余部分一样明亮。换言之，衬层4可以具有与面板3的其余部分相同的辉度。在面板的底表面32上或附近的光取出器和漫射器可以在模拟阶段中被设计为适应面板3的弯曲几何结构。

到这里，描述主要集中在面板3的元件上。现在描述下射灯2。

一般而言，下射灯2的功能是在预定的角度范围内产生比较强的照射光，并在该角度范围外产生相对较弱的照射光。这种下射灯2的输出性能可以比典型白炽聚光灯略微更复杂，并且可以包括光度测定规格，比如作为传播角度的函数的强度(通常以坎德拉cd给出)、作为到被照射平面的距离的函数的轴上功率/面积(通常以英尺-烛光fc给出)和作为到被照射平面的距离的函数的光束直径(通常以英尺ft给出)。在一些情况下，下射灯2可以包括允许对比如这些量等光度测定量进行控制，并且可以允许对一个或多个量的最优化或一个或多个量的完善。对于下面描述的示例下射灯2来说，输出可以具有在特定平面处的大体均匀的强度(功率/面积)、在预定角度范围内的大体均匀的角度输出、和在角度范围的边缘处的对角度输出的相对较小尾部(tail)。

来自下射灯2的光可以由一个或多个LED 22产生。在一些情况下，这些LED 22具有与环绕面板3的侧向边缘的LED 6相同的光谱性能，使得定向光束21和漫射光31可以被感觉为是相同颜色。在另一些情况下，LED 22可以具有与LED 6特意不同的光谱，以便在定向光束21中产生加强效果。在一些情况下，LED 22可以是基于荧光体的白光LED，其示例光谱如在图9的曲线图中示出。下射灯2可以包括多个LED，包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14、16、18、20、22、24或多于24个。尽管在图1的示例中示出了三个LED 22，但是应该明白的是：可以使用任意数量的LED 22。

LED 22可以被布置成任何适当的模式，比如矩形或极坐标网格。一般而言，LED放置模式的外边缘帮助确定定向光束21的角度输出。例如，LED的大体圆形分布(即，具有圆形轮廓的LED的大致均匀分布)，定向光束21可以是大体圆形对称的。对于LED的长形分布来说，定向光束21也可以是长形的。注意，这两个示例假定的是其它光学元件是旋转对称的，其中LED放置的任何不对称性可以通过其它光学元件中的其它不对称性来得到引起或修正。

来自每个LED 22的输出发散离开相应的LED 22，并由菲涅耳(Fresnel)透镜23收集。LED 22的平面位于菲涅耳透镜23的前焦平面处或附近，使得在菲涅耳透镜23之后，来自每个LED 22的光可以被平行化，但是来自每个LED 22的光可以以与来自全部其它LED 22的光不同的角度进行传播。注意，菲涅耳透镜23在图1中被画出，但是可以使用任何适当的透镜，包括折射性和/或衍射性光学系统、二元光学系统(具有在台阶之间的离散水平处的方形部分，而不是在菲涅耳透镜23的台阶之间的弯曲部分)、和/或微透镜阵列。在每个情况下，LED 22的平面可以被放置在透镜的前焦平面处或附近。注意，作为替代，透镜23可以被完全省略，并且下射灯可以只保持LED 22，或LED 22和漫射器24。

在菲涅耳透镜23的后焦平面处，存在一圆，在其内存在均匀的照射光。注意，在该圆内，圆中的每个点接收来自每个LED 22的光。

下射灯漫射器24可以被放置在菲涅耳透镜23的该后焦平面处或附近。该下射灯漫射器24可以弱于设置在面板3的底部上并在以上描述的漫射器，因为对于光的角度重新分布的需求可能远小于面板3所需的。对于面板3上的漫射器来说，外部光可能具有严重的不对称性，其被漫射器转化成相对较对称的漫射光21。与面板3上的漫射器不同，下射灯漫射器24仅仅对角度分布进行平滑功能，而不是激烈的角度重组。

为了概述下射灯2，多个下射灯LED 22可以与光导3的顶面纵向地分离。菲涅耳透镜23可以被设置成纵向地邻近所述多个下射灯LED 22。下射灯漫射器24可以被设置成纵向地邻近菲涅耳透镜23。当在下射灯漫射器24处观察时，来自多个下射灯LED穿过菲涅耳透镜23和下射灯漫射器24的光看起来是大体均匀的。在一些情况下，多个下射灯LED 22可以被设置在菲涅耳透镜23的前焦平面处。在一些情况下，下射灯漫射器24可以被设置在菲涅耳透镜23的后焦平面处。在一些情况下，外罩可以侧向地环绕多个下射灯LED 22与下射灯漫射器24之间的容积。在一些情况下，散热器(未示出)可以被设置在外罩上。在一些情况下，用于驱动所述多个下射灯LED 22的电路(未示出)可以被合并在外罩内。在一些情况下，下射灯光束覆盖区28可以居中位于下射灯2的正下方、面板3的正下方、和/或器具1的正下方。

虽然图1的面板凹陷和衬层4是大体圆筒形的，且照射LED 6被设置成围绕嵌板13的侧向边缘和凹陷的顶部两者的圆周，但是存在可以用于面板3的其它形状和构造。图2-7示出了其它示例面板3A-3F的截面图，其中每个面板3A-3F可以与图1的照明器具一起使用。

例如，图2示出了面板3A，其具有来自图1的面板3的大体圆筒形形状，但是照射光只来自围绕面板3A的侧向边缘定位的一组LED 6。图3示出了面板3B，其具有来自图1的面板3的大体圆筒形形状，但是照射光只来自位于凹陷中的衬层的最高边缘附近的一组LED 6。图4示出了面板3C，其与图1-3的大体圆筒形形状相比具有放大的弯曲部分，并且照射光只来自围绕面板3C的侧向边缘定位的一组LED 6。面板3C可以被称为“漏斗形”。图5示出了面板3D，其具有来自图4的面板3C的形状，但是照射光来自两组LED 6。

图1-5示出了面板3、3A-3D，其具有作为单个单元一体地形成的在它们的凹陷中的衬层。存在其它构造，其中衬层可以被形成为与面板的其余部分分离的元件。例如，图6示出了具有分离衬层4E的面板3E。在本示例中，面板3E和衬层4E各自被它们自身相应组的LED 6照射。在图6的示例中，几何结构在截面上是矩形的，使得衬层4E形成真实的圆筒。其它几何结构是有可能的，包括在图7的面板3F和衬层4F中示出的圆锥形几何结构。一般而言，凹陷可以具有任何适当的弯曲或直的形状，包括平坦状、凸状、凹状、凸状和凹状的组合，并且不同部分可以可选地具有不同的曲率和/或不同的凹度。

在一些情况下，来自器具1的漫射光31可以具有固定的亮度水平，而定向光束21可以具有可变亮度水平。这种器具可以可受控于如图8中所示的开关10。开关10可以具有用于漫射光31的固定开关13、和用于定向光束21的可变开关12。可变开关12可以包括通/断开关14和调光器水平15。在另一些情况下，可以使用其它适当的开关。

图9示出了来自一典型的基于荧光体的白光LED的示例光谱。在本示例中，450nm左右的峰值可能是由于由LED芯片发射的蓝色激发波长，并且从大约500nm到600nm的宽峰值可能是由于荧光体发射。一般而言，如果多于一组的LED在照射面板3和衬层4，则可能需要的是使用具有相同发射光谱的LED，使得面板3不从一个位置到另一位置显示颜色波动。

对于下射灯2来说，可能存在这样的情况：希望的是使定向光束21的颜色匹配漫射光31的颜色；在这些情况下，LED 6和22具有相同的发射光谱，比如图9中所示的光谱。

在另一些情况下，可能需要的是特意地使定向光束21和漫射光31的颜色不匹配，比如用于强调或其它视觉效果。在那些情况下，漫射光31可以具有图9中所示的光谱，而定向光束21可以具有不同的光谱。例如，照明器具1可以产生从蓝色云射出的温暖白色射线的效果。一些人认为观看这种场景可以产生健康益处，比如抑制褪黑激素。下射灯2中的光源的任一个或全部可以是单波长LED，而不是白光LED。用于单波长LED的示例颜色可以是红色，光谱为如图10中所示，不过可以使用任意适当的颜色或多种颜色。

作为这种器具1可以如何在实践中使用的示例，器具1可以被合并到天花板板片中，比如与悬挂网格(hanging grid)一起使用的那些。具有器具1的板片可以作为套件的一部分被销售，其中套件中的另一些板片没有器具，并且套件中的再一些板片可以具有大体平坦的面板且没有下射灯。也可以使用其它构造。

除非另有说明，词语“大体(大致)”和“大体地(大致地)”的使用可以被解释为包括精确的关系、条件、布置、取向和/或其它特性，及其如本领域的技术人员所理解的偏差，程度达到这种偏差不实质地影响所公开的方法和系统。

在本公开的整体中，使用冠词“一”或“一个”来修饰名词可以被理解为是为了方便而被使用并且包括一个或多于一个的所修饰的名词，除非另有明确说明。

在各图中被描述和/或以其它方式描绘为与别的东西相连通、相关联和/或基于别的东西的元件、部件、模块和/或其部分可以被理解为以直接和/或间接的方式如此相连通、想关联和或所基于，除非本文中另有规定。

尽管方法和系统已经相对于其具体实施例进行了描述，但是它们并不局限于此。显然，鉴于以上教导，许多变型和变更可以变得清楚明了。本文中所描述和示出的细节、材料和零部件的布置的许多附加变化可以由本领域技术人员做出。