CN104344331A - 改善的侧光式面板保护层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改善的侧光式面板保护层。本发明提供了一种用于减少照明面板中的眩光的装置。该装置包括具有发射表面的半透明层。发射表面的微结构由处于协作布置的特征形成，用于重定向由照明面板产生的光。

Description

改善的侧光式面板保护层
技术领域
本发明总地涉及侧光式(edge-lit)面板照明器具。更具体而言，本发明涉及控制侧光式面板中的光分布，以取得最佳统一眩光指数(UGR：unified glare rating)。
背景技术
侧光式发光二极管(LED)面板正变成一种用于例如室内照明器具的日益普通的技术。如本领域中的技术人员所理解的那样，光从LED光源阵列穿过光导透射到侧光式面板的中心区域。
侧光式面板的优点之一是它们容许照明器具为非常薄的。然而，缺点是传统侧光式面板产品不能有效地控制UGR。不能有效地控制的UGR的结果是眩光的产生，其在大的房间中可为特别显著的。这对于办公环境中所使用的大房间或会议室尤其成立。
在传统照明面板或光源中，在LED平板的外表面中使用漫射器(diffuser)(即光学保护层)，以试图使光输出更加均匀。在这些传统光源中，漫射器通常具有粗糙表面并且包括散射粒子，这减少了光输出的均匀性。
例如，大多数LED平板产品使用诸如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和/或聚苯乙烯(PS)的材料，其带有磨砂材料。这些类型的漫射器使光源所产生的光散射，以便LED平板的光分布为朗伯(lambertian)分布，或接近朗伯分布。用于这些器具的UGR常规而言较高，例如大于20。
与大于20的UGR值相一致的眩光量可能令人不适，尤其在上面提到的办公室环境中。相对应地，具有高眩光和UGR值的照明器具在这些办公环境、计算机辅助设计(CAD)工作站、接待区等中具有有限的效用和需求。
发明内容
在给定的前述缺点的条件下，存在对用于改善侧光式面板保护层的光学性能的系统和方法的需求。具体而言，所需要的是用于在LED平板的外表面中所使用的改善的漫射器的系统和方法，以使光输出更均匀。
本发明的实施例提供了一种用于在照明面板中减少眩光的装置。该装置包括具有发射表面的半透明(translucent)保护层。发射表面的微结构由处于协作布置的特征形成，用于重定向由照明面板产生的光。
在示范实施例中，LED器具使用类似塑料的保护层的发射表面上的光学图案以控制LED器具在高角度(>60°)下的光分布。通过限制该高角度下的光输出，不适的眩光影响可控制为尽可能地低。
在某些实施例中，保护层由完全透明(transparent)的塑料构造成或者为低雾状半透明的，以将高度角光和眩光的控制最大化。
在其他实施例中，具有光学图案的保护层可为利用侧光式和背光式技术的LED器具改善眩光影响。保护层可由例如塑料或类似材料制成。光学图案可由棱柱、凸球、角锥或任何其他合适的形状形成。与光学图案相关联的参数优化以产生最低的眩光和UGR水平。
一种用于减少照明面板中的统一眩光指数(UGR)水平的装置包括：具有发射表面的半透明层；其中，发射表面的微结构由处于协作布置的特征形成，用于重定向由照明面板产生的光。
优选地，半透明层显著地减少高角度光。
优选地，高角度光包括以大于大约60o的角度辐射穿过半透明层的光。
优选地，特征构造成与光的分量相互作用。
优选地，协作布置包括图案构造。
优选地，图案代表特征的对称定位。
优选地，所有与具体图案相关联的特征为统一形状的。
优选地，形状类似于棱柱、角锥和球的组中的至少一个。
优选地，眩光减少的程度是特征的参数的函数。
优选地，参数包括包含图案顶角、特征宽度和特征高度的组中的至少一个。
优选地，照明面板是侧光式面板。
优选地，该装置还包括光导。
优选地，半透明层固定于光导的表面。
一种制造半透明层的方法，半透明层构造成减少照明面板中的眩光，半透明层具有发射表面，发射表面的微结构由处于协作布置的特征形成，用于重定向由照明面板产生的光，方法包括：形成代表特征的对称定位的图案；且将图案嵌入到发射表面上。
优选地，所有与图案相关联的特征为统一形状的。
优选地，图案类似于棱柱、角锥和球的组中的至少一个。
优选地，形成包括将图案刻印到滚筒上。
优选地，嵌入包括将图案从滚筒转印至发射表面。
优选地，嵌入包括将图案经由注塑模制而注塑到发射表面上。
一种储存指令的计算机可读介质，当指令在执行时适合于以制造半透明层的方法在计算机系统内执行过程，半透明层构造成减少照明面板中的眩光，半透明层具有发射表面，发射表面的微结构由处于协作布置的特征形成，用于重定向由照明面板产生的光，方法包括：形成代表特征的对称定位的图案；且将图案嵌入到发射表面上。
以下参照附图详细地描述本发明的更多特征和优点，以及本发明的各种实施例的结构和操作。注意本发明并不局限于本文中所述的特定实施例。仅仅出于例示的目的而在本文中介绍这种实施例。基于本文中所包含的教导，其他实施例对相关领域技术人员是显而易见的。
附图说明
本文中所包含并形成说明书的一部分的附图例示本发明，并且与描述一起进一步用于解释本发明的原理，并且使相关领域中的技术人员能够制造并且使用本发明。
图1是其中可实践本发明的实施例的LED面板照明器具的图示。
图2是根据本发明的实施例而构造的LED面板的总体结构的图示。
图3是图2的面板图示中所使用的光导、光学层和LED的截面图。
图4是根据实施例而构造的示范光学保护层表面图案的图示。
图5是与图4的示范表面图案相关联的表面特征的更详细的图示。
图6是与图4的示范表面图案中使用的不同角度相关联的光学特征的比较图示。
图7是根据实施例的由示范棱柱表面图案产生的模拟结果的曲线图。
图8是根据实施例的另外的示范保护层表面图案的图示。
图9是与不同的保护层表面图案相关联的模拟结果的概览表。
图10是实践本发明的实施例的示范方法的流程图。
部件列表
图1
    100           照明器具；
图2
    200           LED面板
    202           电源单元盒
    204           背盖
    206           应急模块
    208           背反射器
    210           LED条
    212           反射杯
    214           光导
    216           间隙反射器
    218           散热器
    220           前挡板
    222           保护层
图3
    300           截面图
    210           LED条
    214           光导
    222           保护层
    222a    表面
图4
    400           透视图
    222a    表面
    402           分截面
图5
    402           分截面
    504           宽度
    506           高度
图6
    600           模拟结果
    602           棱柱图案
    604           棱柱图案
    606           法线
    607            TIR光
    608            高角度
图7
    700           模拟结果
图8
    800           图案
    802           图案
图9
    900           概览表
图10
    1000    示范方法。
具体实施方式
虽然在此针对具体应用通过说明性实施例而描述了本发明，但是应该懂得本发明并不局限于此。在其范围和本发明将具有极大效用的另外的领域内，接触本文中所提供的教导的本领域技术人员将认识另外的改型、应用和实施例。
在实施例中，图1是典型地用于可实践本发明的实施例的应用中的典型LED面板照明器具100的图示。例如，LED面板照明器具100通常用于办公环境中，诸如会议室和集会室、CAD工作站、接待区、档案室等等。作为示例而非限制，照明器具100为1x4凹入灯槽(recessed troffer)。然而，本发明的实施例既不局限于灯槽，也不局限于示范面板照明器具100。
图2是根据本发明的实施例而构造的示范LED面板200的总体结构的图示。示范LED面板200通常用于诸如图1的LED面板照明器具100的系统中。
LED面板200是标准构件，诸如电源单元(PSU)盒202，其容纳用于面板200的驱动器。背盖204用作用于LED面板200的所有其他构件的封壳。还包含应急模块206以及背反射器208。LED条210包括安装在对应反射杯212内的LED。LED条210的LED定位成包围光导(例如波导)214。光导214经由全内反射(TIR)而将LED条210所产生的光引导至LED面板200的区域。
还包含空气间隙反射器216、散热器218、前挡板220和光学保护层222。光学保护层还被本领域技术人员称为漫射器。光学保护层222覆盖或固定于光导214的表面。光学保护层222保护光导214免于碎屑和其他污染物的影响。
在示范实施例的操作期间，来自LED条210的光在光导214内透射并且分散，在此它最初主要在两个方向上辐射：上和下。
当光向上辐射时，它基本被背面反射器208以向下的方向反射，同时穿过光学保护层222而分布。
最初向下辐射的光直接辐射穿过光学保护层222。在传统LED平板中，直接和间接辐射穿过光学保护层222的光束的组合产生极高角度(例如>60°)的光。
在传统LED平板中，显著量的高角度光的分布致使UGR水平为不可控制的。然而，在实施例中，光学保护层222的表面由包括如下特征的图案(例如棱柱/球形/角锥)形成，这些特征相互作用以减少高角度光。减少高角度光最终导致较低的UGR水平和减少的眩光。
图3是截面图300，其描绘光导214在面板200中相对于光学保护层222和LED条210的定位。图3还示出光学保护层222的表面222a。
图4是示范光学保护层222的表面222a的透视图400，表面222a具有刻印在其上的图案。表面222a的分截面402描绘具有棱柱类型特征或构造的表面图案。在示范实施例中，各种图案可刻印在表面222a上。如以下论述的那样，这些图案的特征优化以更窄地(即，更具方向性地)重定向来自光导214的光。更具体而言，这些图案特征(例如棱柱类型)定位成相对于彼此的协作布置。即，这些特征或构造以它们彼此相互作用的方式定位在表面222a上。
当来自所有方向的光都由光导214穿过光学层222而提供时，该光被重定向，使得输出光将在特定射束角度(θ)内。该来自LED平板200的光的重定向有助于减少眩光和降低UGR水平。
图5是分截面402的图案特征的更详细的图示，分截面402来自光学保护层222的表面222a。如图5所示，表面图案的特征包括图案顶角(α)、宽度504和高度506。在各种LED平板应用中，通过调整表面图案特征的图案顶角(α)、宽度504和高度506可优化保护层222以减少高角度光且从而减少眩光。
图6是在分别具有不同图案顶角(α)的两个不同光学层(诸如光学层222)中取得的模拟结果600的图示。具体而言，模拟结果600指出，图案顶角(α)越高，高角度光的减少越大，且从而UGR越低。
在图6的示例中，光学层222由没有漫散粒子或磨砂材料的透明(clear)PS构造成。另外，作为示例而非限制，在图6的示例中，由于折射定律原理，光学层内的射束角度(θ)被设为39°内。保护层222的表面222a上的图案(例如棱柱)的微结构设计成控制光的方向和重定向。
在图6中，模拟结果指出棱柱的顶角(α)是重要参数，其可显著地影响所得的眩光和UGR水平。例如，在图6中示出棱柱图案602和604。棱柱图案602具有90°的顶角(α)，其中光接近法线606和TIR光607。在90°的顶角(α)下，棱柱图案602产生在高角度608下的光。如上面提到的那样，在高角度下，更高的光水平等于更高的眩光水平。
在示例棱柱图案604中，通过将顶角(α)增加至>90°，消除了高角度608下的光。即，增加图案顶角(α)的值可减少高角度下的光，从而最终导致更低的眩光水平。在不同的图案顶角(α)下，利用透明PS材料可取得不同的UGR结果。
图7是模拟结果700的曲线图，其代表不同的表面图案顶角(α)的值、宽度504的值和高度506的值。通过与本发明的各种实施例相关联的优化了以上参数值的模拟，本申请的发明人已经发现，当使用≥106且≤122的顶角值时，可取得≤19的UGR值。通过以下传递函数预测这些特定值：
UGR 8Hx8H = 241.466－3.84531X + 1.65E－02X**2
R－Sq＝93.1%
其中Y：UGR 8Hx8H；X：角度。
图8是根据实施例的另外的示范保护层表面图案800和802的图示。图案800的特征由凸球状结构形成。图案802的特征由角锥状结构形成。虽然图案800和802分别是球和角锥，但是本发明并不局限于此。例如，许多其他特征形状是可能的，并且在本发明的精神和范围内。
图9是与示范球、棱柱和角锥保护层表面图案相关联的模拟结果的概览表900。如表900所指出的，可调整不同的(α)值、宽度504的值和高度506的值，以优化光控制并取得<19的UGR和眩光水平。
根据实施例，利用本领域技术人员众所周知的许多不同技术，可实现在光学保护层222的表面222a上形成图案。
例如，可制造包含所需图案的特征的滚筒机构。利用这种方法，一旦光学保护层222的原材料已经选定，就可使用滚筒机构将图案嵌入光学保护层222中。
图案还可通过注塑模制而嵌入光学保护层222中。滚筒机构工艺虽然相对便宜，但与注塑模制方法相比较不精确。
虽然图中所描绘的本发明的优秀实施例使用诸如PS、PC和/或PMMA的材料制造保护光学层222，但是许多其他材料和塑料衍生物也可使用，并且在本发明的精神和范围内。
图10是实践本发明的实施例的示范方法1000的流程图。在步骤1002中，在具有发射表面的半透明层上形成图案，发射表面的微结构由处于协作布置的特征形成，用于重定向由照明面板产生的光。这些图案代表特征的对称定位。在步骤1004中，将图案嵌入到发射表面上。
结论
如上面提到的那样，本发明的实施例提供了一种在其上具有嵌入图案的光学层，以优化由LED平板产生的光的重定向。更窄地定向的(即重定向的)光有利于取得更低的眩光和UGR水平。在实施例中，光学层包括棱柱、球、角锥和/或其他合适的结构，以取得增强的光分布。根据实施例而构造的光学保护层可重定向来自光导向器的光，以便可改变LED侧光式平板的光分布，以取得较好的眩光和UGR水平。
上面已经借助于功能构建块而描述了本发明，这些功能构建块例示了特定功能和其关系的实施方式。出于说明的便利起见，这些功能构建块的边界在本文中已随意地限定。可限定替代的边界，只要特定功能和其关系恰当地执行。
例如，本发明的不同方面可通过软件、固件、硬件(或由软件代表的硬件，诸如例如Verilog或硬件描述语言指令)或其组合来实施。在阅读本说明书之后，相关领域的技术人员将清楚如何利用其他计算机系统和/或计算机架构来实施本发明。
应该懂得，具体实施方式部分，而非发明内容和说明书摘要部分，意图用于解释权利要求。发明内容和说明书摘要可陈述本发明人所设想的本发明的示范实施例中的一个或多个但非全部，并且因而并不意图以任何方式限制本发明和所附权利要求。

Claims (10)

1. 一种用于减少照明面板中的统一眩光指数(UGR)水平的装置，包括：
具有发射表面的半透明层；
其中，所述发射表面的微结构由处于协作布置的特征形成，用于重定向由所述照明面板产生的光。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述半透明层显著地减少高角度光。
3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述高角度光包括以大于大约60o的角度辐射穿过所述半透明层的光。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述特征构造成与所述光的分量相互作用。
5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述协作布置包括图案构造。
6. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述图案代表所述特征的对称定位。
7. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所有与具体图案相关联的所述特征为统一形状的。
8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述形状类似于棱柱、角锥和球的组中的至少一个。
9. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，眩光减少的程度是所述特征的参数的函数。
10. 根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述参数包括包含图案顶角、特征宽度和特征高度的组中的至少一个。
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