CN102027397A - 使用折射反射光学装置的定向光源 - Google Patents

Abstract

公开了一种由折射反射光学装置组成的定向光源。在一种实际应用中，该系统由把光折射进窄圆锥体的折射装置和在预定的窄圆锥体中从折射装置发出光的方向上回收利用光的反射装置组成。

Description

使用折射反射光学装置的定向光源

本发明要求取得2008年3月19日在印度孟买发表的标题为《论使用折射反射光学装置的轴线光的改进》，申请号为554/MUM/2008的临时专利的优先权。

技术领域

本发明涉及一种照明系统，尤其是涉及一种光源在窄圆椎体方向上发出光的折射反射装置。

背景

照明装置是用来照亮物体，以便观看，而且还用于摄影、显微镜、科研、娱乐节目制作(包括剧院、电视和电影)及图像投影领域，此外，照明装置还用作显示器的背光灯。

往往要求把照明以一种特殊的方式直接照射到物体上。例如，用于摄影的照明源应被扩散开来，显示器的背光照明应是均匀的，聚光灯应具有高度的方向性等等。

以特殊方式发光的照明器在该技术领域有多种用途。这种用途之一就是用作能传送信息的显示器的背光灯。该背光灯在窄视角范围内发出光。这就为个人观看显示器节约了能源，因为在没有观看者的方向上，只有很少光源被浪费。该技术领域广为人知的背光系统是由棱镜板组成的，这些棱镜板把来自光导的光传导到窄圆锥体中。

图1为信息显示系统的早期艺术背光灯199。面光源108从其表面发出光。该光进入扩散器106，入射出棱镜板104上。棱镜板104传导部分入射光，使这些光在与从面光源108发出的光相比较窄的圆椎体的角度离开棱镜板104。入射到棱镜板104上的部分光被反射到扩散器106上。扩散器106打乱了入射的反射光的方向，并在那些方向上回收利用那些在窄圆椎体方向上可以穿过棱镜板104的部分反射光。来自扩散器的部分光入射到反射器102上，并被反射到棱镜板104上。

扩散器以任意方式回收利用光。被回收利用的光可能会在棱镜板104，扩散器106，面光源108和反射器102之间经历多次反射。由于反射器102、面光源108和扩散器106的吸收，部分光会被浪费掉。

总结

公开了一种由折射反射光学装置组成的定向光源。在一种实际应用中，该系统由把光折射进窄圆锥体的折射装置和在预定的窄圆锥体中从折射装置发出光的方向上回收利用光的反射装置组成。

用参考附图来描述上述特征及其它首选特征(包括元件的组合及实现的详细情况)，并且在权利要求书中指出了这些特征。不言而喻，此处所描述的具体方法和系统仅如图解所示，不受任何局限性。正如艺术领域的技术人员所理解的，在不超出本发明的范围的前提下，可将此处所描述的原理和特征应用于很多实例。

图纸的简要说明

本说明书中所包括的附图对目前的首选实例、上文中的一般性描述及下文中的详细描述进行了说明，以解释本发明的原理。

图1为一个信息显示系统先前的艺术背光灯。

图2A为在窄圆锥体方向上发光的光源的实例图。

图2B为在窄圆锥体方向上发光的光源的实例图。

图3A为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型反射装置的实例图。

图3B为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型反射装置的侧视图的实例图。

图4为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型反射装置的侧视图的实例图。

图5为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型反射装置的侧视图的实例图。

图6A为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型折射装置的实例图。

图6B为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型折射装置的俯视图的实例图。

图6C为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型折射装置的正视图的实例图。

图6D为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型折射装置的侧视图的实例图。

图6E为入射到棱镜板上的光的角分布简图的实例图。

图7A为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型反射装置的实例图。

图7B为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型反射装置的实例图。

图8A为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型反射装置的实例图。

图8B为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型反射装置的实例图。

图9A为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型折射装置的实例图。

图9B为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型折射装置的实例图。

图10A为在窄圆锥体方向上发光的光源的实例图。

图10B为在窄圆锥体方向上发光的光源的实例图。

图10C为在窄圆锥体方向上发光的光源的实例图。

图11为在窄圆锥体方向上发光的光源的实例图。

图12为在窄圆锥体方向上发光的光源的实例图。

图13为面光源的实例图。

图14为线光源的实例图。

图15为含有用作光源的光偏转器的光导的典型元件的实例图。

图16为含有不同浓度的光偏转粒子的典型光源的实例图。

图17为含有两个光源的典型光源的实例图。

图18为含有一个镜面光导的典型光源的实例图。

详细说明

公开了一种由折射反射光学装置组成的定向光源。在一种实际应用中，该系统由把光折射进窄圆锥体的折射装置和在预定的窄圆锥体中从折射装置发出光的方向上回收利用光的反射装置组成。

图2A为在窄圆锥体方向上发光的光源299的实例图。光源208从其一个或多个面发出光。在实际应用中，光源208是一个光导，由于表面腐蚀、光偏转粒子的精细分散而产生的散射、在装置中的形状或由于本领域广为人知的其它方式而产生发光现象。折射装置206位于光源208的一个发光面附近。折射装置206反射入射在某些方向上的光的时候把入射到某些方向上的光传输出去。可能会存在被部分反射和部分折射的入射光的方向。光是在折射装置206内被折射出并在照到窄圆锥体内的方向上发出。部分光被折射装置206反射回去。从折射装置206反射出的光入射到反射装置202上，该装置位于折射装置附近面对面的光源208表面附近。反射装置202把入射到其上的部分光发送到被折射装置206传送的方向上。在实际应用中，反射装置202把入射到其上的部分光发送到在预定的窄圆锥体方向上被折射装置206传送的方向上。在实际应用中，光源208最初是透明的，可使来自折射装置206和反射装置202的光进入它，即，使大部分光在不改变方向的情况下穿过它。

光源208可能为点光源、线光源或面光源，光源299会相应地为在窄圆锥体方面上发光的点光源、线光源或面光源。点光源是从一个非常小的区域内发出光的光源。线光源是从一个区域发出光的光源，该区域具有一个大尺寸和一些小尺寸。面光源是从一个区域发出光的光源，该区域有两个大尺寸。

反射装置202把折射装置206反射出的光在被折射装置206传送的方向上传送出去。在一种实际应用中，反射装置为非平面反射器。在另一种实际应用中，反射装置由一个平面镜和改变光的方向的其它光学装置组成。

图2B为在窄圆锥体方向上发光的光源299的实例图。方向214和218上的光入射到折射装置206上。方向218上的光被折射到折射装置206内并沿着方向216传输。方向214上的光被折射装置206反射出去并沿着方向212传输。方向212上的光入射到反射装置202。反射装置202把入射到方向212上的光反射到方向220上。方向220上的光被折射装置206传输出去。

在一种实际应用中，折射装置206把垂直向其传播的光传输到垂直传播离开该装置的光(该光向反射装置202传播)处。

图3A为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型反射装置399的实例图。反射装置399由波纹镜或V形镜组成。镜子为反射光的任何一种形式，包括金属表面、分布布拉格反射器、混合反射器、全内反射器或全方位反射器。反射装置399把入射到方向312上的光反射到方向310上。V形纹可以为细纹或组纹。

图3B为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型反射装置399的侧视图的实例图。反射装置399由波纹镜或V形镜组成。反射装置399把入射到方向312上的光反射到方向310上。

图4为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型反射装置499的侧视图的实例图。反射装置499由按锯齿状排列的镜子组成，即，这些镜子呈压出的锯齿状排列。反射装置499把入射到方向412上的光反射到方向410上。

在实际应用中，反射装置499由一个与折射光学装置的平面成斜夹角的单面镜组成。

图5为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型反射装置599的侧视图的实例图。反射装置599由平面镜516和棱镜板518组成。棱镜板518是用透明材料(如，丙烯酸塑料)制成的，它包含一些三角柱状。棱镜板518把入射到方向510上的光折射到方向530上。该光被镜子516反射出去，并被棱镜板518折射到方向512上。

图6A为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型折射装置699的实例图。折射装置699是用透明材料制成的板。板的上表面为平行三棱柱形式的波纹。典型入射线610和垂直于板的轴612形成夹角604(称为极角)。极角在0到90度之间。

在实际应用中，折射装置可能有一个以上在不同方向上定位的带棱镜的板，例如，折射装置可能有两个相邻排列的棱镜板，两张板的棱镜成直角关系。

图6B为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型折射装置699的俯视图的实例图。折射装置699为用透明材料制成的板，板的上表面为平行三棱柱形式的波纹。含有入射线和垂直于板的轴的平面611与垂直于棱镜的平面618形成夹角602(称为方位角)，该棱镜含有垂直于板的轴。方位角在0到360度之间。

图6C为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型折射装置699的正视图的实例图。折射装置699为用透明材料制成的板，板的上表面为平行三棱柱形式的波纹。入射线610与垂直于板的轴612形成夹角604。

图6D为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型折射装置699的侧视图的实例图。折射装置699为用透明材料制成的板，板的上表面为平行三棱柱形式的波纹。入射线610与垂直于棱镜板平面的轴612形成夹角604。

在实际应用中，棱镜的倾斜620和622与板面成45度夹角，并且这两个面成直角关系。

图6E为入射到棱镜板上的光的角分布698的简图的实例图。在该简图中，用距简图中心的径向距离来表示极角，用与固定线624的之间的夹角来表示方位角。区域616和617是最初从棱镜板传播出光的两组入射光方向。区域614是最初从棱镜板反射出光的入射光方向。被反射的入射光方向的所在区域614位于90度和270度方位角附近，并且在大极角处，该区域会变大。在区域614方向上入射的光会被反射出去。大部分被反射的光会照到区域614的方向上。反射装置把区域614方向上的光回收利用到区域616和617的方向上，即，反射装置把最终被折射装置反射的方向转变为最初被折射装置传输的方向。

如果棱镜面与棱镜板的平面成45度夹角，并且两者成直角关系，则被反射的入射光的方向上的区域614包括简图起源处附近的方向，即，正射或直射到棱镜板附近的方向。入射光的这些方向被该棱镜板反射回来，返回的方向也在与棱镜板垂直的方向附近。在这种情况下，反射光学装置把垂直入射到其上的光转变成区域616或617内的光。

图7A为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型反射装置799的实例图。反射装置799由正方棱锥形的镜子组成，棱锥的顶点背对着入射光的方向。在另一种实际应用中，棱锥的底部不是正方形，而是其它形状(包括平铺形，如，三角形或六角形)。

图7B为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型反射装置798的实例图。反射装置798由平面镜724和正方棱锥板722组成。正方棱锥板722是用透明材料(如，丙烯酸塑料)制成的，它包含正方棱锥形，棱锥的顶点背离镜子724。在另一种实际应用中，棱锥的底部不是正方形，而是其它形状(包括平铺形，如，三角形或六角形)。

图8A为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型反射装置899的实例图。反射装置899是正方棱锥形镜子的一张板，该棱锥的顶点指向入射光的方向。在另一种实际应用中，棱锥的底部不是正方形，而是其它形状(包括平铺形，如，三角形或六角形)。

图8B为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型反射装置898的实例图。反射装置898由平面镜824和正方棱锥板822组成。正方棱锥板822是用透明材料(如，丙烯酸塑料)制成的，它的上表面有多个正方棱锥形状，棱锥的顶点指向镜子824。在另一种实际应用中，棱锥的底部不是正方形，而是其它形状(包括平铺形，如，三角形或六角形)。

图9A为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型折射装置999的实例图。折射装置999为用透明材料(如，丙烯酸塑料)制成的板，它的上表面有多个正方棱锥形状，棱锥的顶点背离该板。在另一种实际应用中，棱锥的底部不是正方形，而是其它形状(包括平铺形，如，三角形或六角形)。

图9B为在窄圆锥体方向上发光的光源的典型折射装置998的实例图。折射装置998为用透明材料(如，丙烯酸塑料)制成的板，它的上表面有多个正方棱锥形状，棱锥的顶点指进该板。在另一种实际应用中，棱锥的底部不是正方形，而是其它形状(包括平铺形，如，三角形或六角形)。

图10A为在窄圆锥体方向上发光的光源1099的实例图。反射装置1000和折射装置1002的方向轴相互平行。对于含有棱镜或波纹的反射或折射装置而言，该装置的方向轴为与棱镜或波纹的长轴(即，挤压轴)平行的线。对于含有棱锥的反射或折射装置而言，该装置的方向轴为与棱锥底部的一条边平行的线。

图10B为在窄圆锥体方向上发光的光源1098的实例图。反射装置1004和折射装置1006的方向轴相互垂直。

图10C为在窄圆锥体方向上发光的光源1097的实例图。反射装置1008和折射装置1010的方向轴成45度夹角。

图11为在窄圆锥体方向上发光的光源1199的实例图。反射装置1112、光源1110和折射装置1128一起形成在窄圆锥体方向上发光的光源1138。来自光源1138的光1122从较小的一个面进入光导1126，并被导入光导中。光导1126嵌在其中，指向非球面散射粒子1130，把光1122反射进在窄圆锥体方向上从光导1126发出的光1124。在实际应用中，散射粒子1130的形状为等腰三棱柱或长方体。

在一种实际应用中，光源1110为点光源，光导1126为线光导，因此，光源1199为线光源。在另一种实际应用中，光源1110为线光源，光导1126为面光导，因此，光源1199为面光源。

在光导1126中，光偏转粒子1130的浓度可能是均匀的，也可能是变化的，以实现所需的发光图象。在实际应用中，光偏转粒子1130的浓度非常低，从便光导1126基本是透光的，使光进入一个延伸面。

图12为在窄圆锥体方向上发光的光源1299的实例图。反射装置1212、光源1210和折射装置1216一起形成在窄圆锥体的方向上发光的光源1238。来自光源1238的光1220从一个较小的面进入光导1208，并被其传导。光导1208由多张具有不同折射率板(如，板1206和1204)组成。这些板相对于光导1208而言是倾斜的。这些板之间的界面偏转了少量光1220，从而使其在窄圆锥体方向上从光导1208发出，如，光1202。

图13为面光源1399的实例图。线光源1302被放在光导板1304一端1307附近。光导板1304包含一个光偏转器，如，透明微粒或气泡，金属粒子，染料或颜料，该光偏转器通过折射、反射或散射把光分散开。来自线光源1302的光进入光导板1304，并通过全内反射被光导传导。该光被光偏转器偏转，照射到光导板1304的整个表面上，从而形成面光源。光偏转粒子的浓度可能是均匀的，也可能在光导板1304上是变化的，以实现所需的发光图象。如果线光源1302发出的功率是变化的，则光源1399的发光图象也会相应地发生变化。如果使用一个以上的线光源，它们的功率可能会先后发生变化，发光图象也就会相应地发生变化。

在实际应用中，对光偏转粒子的浓度进行选择，从而使其从大表面看去，光导板1304是透明的，但是从一端1307看去，它是半透明的，使面光源1399成为透明光源，使光从外部进入。这样的透明光源会在方向不发生变化的情况下从折射装置把光传输给反射装置并从反射装置把光反射回折射装置。

图14为线光源1499的实例图。点光源1401被放在线光导1402一端附近。线光导1402包含一个光偏转器，如，透明微粒或气泡，金属粒子，染料或颜料，该光偏转器通过折射、反射或散射把光分散开。来自点光源1401的光进入线光导1402，并通过全内反射被光导传导。该光被光偏转器偏转，照射到线光导1402的整个表面上，从而形成线光源。光偏转粒子的浓度可能是均匀的，也可能在线光导1402上是变化的，以实现所需的发光图象。如果点光源1401发出的功率是变化的，则光源1499的发光图象也会相应地发生变化。如果使用一个以上的点光源，它们的功率可能会先后发生变化，发光图象也就会相应地发生变化。

在实际应用中，对光偏转粒子的浓度进行选择，从而使其侧面看去，线光导1402是透明的，但是从一端看去，它是半透明的，使线光源1499成为透明光源，使光从外部进入。这样的透明光源会在方向不发生变化的情况下从折射装置把光传输给反射装置并从反射装置把光反射回折射装置。

图15为含有光偏转器的光导的典型元件1599的实例图。元件1599为距光源附近的光导端有一定距离的光导的小碎片。它的高度非常小(但是为光导的其它尺寸)。元件1599的光导可能是线光导或面光导，从而相应地形成线光源或面光源。

由光源发出且被元件1599前面的部分光导传导的光1500进入元件1599。由于光导内光偏转器的存在，部分光被分散开来并作为照明光1502离开光导。其余光作为光1504继续进入下一个元件。进入光1500的功率与照明光1502和继续前行的光1504的功率之和相匹配。相对于进入光1500而言，被分散的照明光1502的部分就是元件1599的光分散性。元件1599的光分散性与元件1599的高度之比为元件1599的光分散密度。随着元件1599的高度的降低，该元件的光分散密度趋于一个常量。元件1599的光分散密度与元件1599中的光偏转粒子的浓度存在一定的关系。这个关系在某种程度上成正比关系。知道了元件1599的光偏转粒子的浓度，就可以计算出元件1599的光分散密度，反之亦然。

随着元件1599高度的降低，照明光1502的功率会相应地变小。照明光1502的功率与元件1599的高度之比(随着元件高度的降低，该比值趋于一个常量)为元件1599处的发光功率密度。元件1599处的发光功率密度为光分散密度与进入光1500的功率的乘积。穿过元件1599的光的功率梯度为发光功率密度的负数。这两个关系给出了一个微分方程式：

dP/dh＝-qP＝-K

其中，

h为元件与光导的光源末端之间的距离；

P为被传导进元件的光的功率；

q为元件的光分散密度；

K为元件处的发光功率密度。

这个方程式适用于分散光导的所有元件。在给出各元件处的光分散密度的情况下，用该方程式来求解发光功率密度。在给出发光功率密度的情况下，还用该方程式来求解光分散密度。要设计具有特定发光功率密度图象的光源(与光导的光源末端之间的距离对发光功率密度的影响)，就可以通过求解上述微分方程来确定该光导的各个元件处的光分散密度。由此可以确定光导的各个元件处的光偏转粒子的浓度。

如果光导中所使用的粒子浓度是均匀的，则发光功率密度会随着距末端的距离而呈指数降低。可以通过选择粒子浓度来计算均匀的发光功率密度，功率从光源的近端到对端逐渐降低，被降到最小。为了降低功率损耗，提高发光功率的均匀度，对端就要把光反射回到光导中。在可选实际应用中，另一个光源把光发射进对端中。

图16为含有不同浓度的光偏转粒子的典型光源1699的实例图。光偏转粒子1602的浓度从光导1604的光源端(近光源1608)到对端呈由稀到稠的变化。

要实现均匀照明，光分散密度和粒子浓度就必须在光导上有所变化。光分散密度根据以下方程式进行变化：

q＝K/(A-hK)

其中，

A为进入光导1604的功率；

K为各个元件处的发光功率密度，对于均匀照明而言，K是一个常数(不受h的影响)。

如果光导1604的总高度为H，那么，H与K的乘积应该小于A，即，发光总功率应比进入光导的总功率小，在这种情况下，上述解式是可行的。如果进入光导的全部功率都被用于照明，则H与K的乘积等于A。在实际应用中，H与K的乘积只略微小于A，因此，只有很小一部分功率被浪费，光分散密度始终是有限的。

图17为含有两个光源的典型光源1799的实例图。通过使用光源1708和1709，光导1704内的光偏转粒子1702的浓度就不必有巨大变化。由于光源1708或1709的存在，就可以单独用上述微分方程来求解发光功率密度。这两个功率密度之和就是特定光导元件处的总的发光功率密度。

根据下列方程式，可以通过改变光分散密度来实现光源1799的均匀照明。

q＝1/sqrt((h-H/2)Λ2+C/KΛ2)

其中，

sqrt为平方根函数；

Λ代表求幂；

C＝A(A-HK)

图18为含有一个镜面光导的典型光源1899的实例图。通过使用镜面光导1804，光偏转粒子1802的浓度就不必有巨大变化。光导1804的顶端1810被反射，因此，它把光反射回光导1804中。

根据下列方程式，可以通过改变光分散密度来实现光源1899的均匀照明。

q＝1/sqrt((h-H)Λ2+D/KΛ2)

其中，

D＝4A(A-HK)

公开了一种由折射反射光学装置组成的定向光源。不言而喻，在此处描述实例的目的是进行解释说明，不应视为对本专利所涵盖内容的限制。对艺术领域的技术人员来说，与本发明的范围或精神相符的各种修改、使用、替换、重新组合、改进和生产方法都是显而易见的。

Claims (23)

1.装置的组成为：光源，折射装置和反射装置；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于光源是透明的；

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于折射装置是一张有棱镜的透明板；

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于折射装置是一张有棱锥的透明板；

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于反射装置是一面非平面镜；

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于反射装置是一面波纹镜；

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于波纹为V形波纹；

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于波纹为锯齿形波纹；

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于反射装置是一面锥形镜；

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于棱锥具有指向入射光方向的顶点；

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于棱锥具有背对着入射光方向的顶点；

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于反射装置由镜子和折射元件组成；

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于折射装置是一张棱镜板；

14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于折射装置是一张锥形板；

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于棱锥的顶点指向镜子；

16.根据权利要求14所述的装置，其特征在于棱锥的顶点背离镜子；

17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于折射装置和反射装置的方向轴是平行的；

18.根据权利要求1所述的装置，其特征在于折射装置和反射装置的方向轴是相互垂直的；

19.根据权利要求1所述的装置，其特征在于折射装置和反射装置的方向轴成45度的夹角；

20.根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包含一个带光学装置的光导，该光学装置把在窄圆锥体内传播的光偏转进第二个在窄圆锥体内传播的光；

21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于所述的偏转光的光学装置包含定向非球形粒子；

22.根据权利要求20所述的装置，其特征在于所述的偏转光的光学装置包含具有不同折射率的多张板；

23.根据权利要求3所述的装置，其特征在于棱镜边与板成45度夹角，反射装置把垂直入射到其上的光转换成基本被折射装置透射的方向上的光。

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