CN104482501B - 一种光学元件、光学模组及照明装置 - Google Patents

一种光学元件、光学模组及照明装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光学元件和采用这种光学元件的光学模组及照明装置，包括基部，微棱镜，所述基部具有相对的上、下表面及一对侧壁，微棱镜自上表面凸起并形成光学元件的出光面，微棱镜包括具有凹槽结构的内斜面，两个位于所述内斜面和上表面之间并与它们相邻的侧面，每个侧面与所述上表面的夹角为锐角。

Description

一种光学元件、光学模组及照明装置
技术领域
本发明涉及一种光学元件，尤其是一种具有微棱镜的光学元件、光学模组及照明装置。
背景技术
当视场中某光源或物体的亮度比人眼已适应的亮度大得多时，人就会有眩目的感觉，此现象称之为眩光。国家标准GB50034-2004中对眩光、均匀性都有明确规定：工作房间或作业区内照度均匀度应不小于0.7；图书馆、阅览室、办公场所、医疗诊室等等场所要求统一眩光值UGR<19。市场上较多的大角度照明面板灯具，多以朗伯配光为主。较少的采用光学元件方案的照明灯具，一般也仅仅是将朗伯配光光型进行收窄，很难做到蝙蝠翼配光，这就无法满足国标中的统一眩光值UGR以及均匀性的规定，长时间使用这种灯具，轻微的会使人视觉疲劳，严重的则使人深感不舒服，造成紧张、心神烦乱，并且随着时间的推移影响会越来越严重。所以需要一种照明范围广、工作面照度均匀、低眩光UGR值的照明产品。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种照度均匀，低眩光的具有微棱镜结构的光学元件及采用这种光学元件的光学模组和照明装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种光学元件，包括基部和微棱镜，所述基部具有相对的上表面、下表面及一对侧壁，所述微棱镜自所述上表面凸起并形成光学元件的出光面，其特征在于，所述微棱镜包括具有凹槽结构的内斜面，两个位于所述内斜面和所述上表面之间并与它们相邻的侧面，每个所述侧面与所述上表面的夹角为锐角；所述微棱镜的内斜面由位于凹槽两侧的第一斜面和第二斜面构成，第一斜面和第二斜面分别与相邻的侧面相交形成第一顶点及第二顶点；当照射到所述第一斜面或第二斜面的入射光线的入射角大于0°且小于45°时，入射光在所述第一斜面或第二斜面发生折射；当照射到所述第一斜面或第二斜面的入射光线的入射角大于等于45°且小于90°时，入射光在所述第一斜面或第二斜面发生全反射。
优选地，所述第一顶点和第二顶点为圆弧，圆弧的半径大于等于0.3mm。
优选地，所述第一顶点和第二顶点沿横轴方向的间距大于2mm。
优选地，所述基部的上表面到所述微棱镜的第一顶点或第二顶点的高度小于所述基部的下表面到上表面高度的二分之一。
优选地，当照射到所述微棱镜侧面的入射光线的入射角大于等于45°且小于90°时，入射光在所述微棱镜的侧面发生全反射。
优选地，当照射到所述微棱镜侧面的入射光线的入射角大于0°且小于45°时，入射光在所述微棱镜的侧面发生折射。
优选地，所述微棱镜为左右对称结构，左右对称于通过所述内斜面的中心线并垂直于出光面的平面。
优选地，所述内斜面凹槽是V形槽。
优选地，所述光学元件是由亚克力或PC材料制成。
一种光学模组，包括扩散板、根据上述所述的光学元件，所述光学元件设置于所述扩散板上方，入射光线由扩散板进入光学模组，由所述光学元件出射。
优选地，所述光学元件的下表面贴合设置在所述扩散板上。
优选地，所述扩散板包括至少两个互成角度的出光面，所述光学元件设有与所述扩散板的出光面对应的互成角度的至少两个区域。
一种照明装置，其特征在于，包括LED光源、根据上述所述的光学模组，所述LED光源发出的光线经所述光学模组均匀出射。
上述通过设计光学元件表面微棱镜的面型、高度、微棱镜的排布情况等方式改变了光线传播方向，产生蝙蝠翼配光，实现低眩光、工作面照度均匀。
具有微棱镜的光学元件和扩散板结合形成光学模组，利用扩散板对光线的散射、微棱镜对光线的反射、折射作用改变光线传播方向，提供了一种照明范围广、工作面照度均匀、低眩光UGR的照明效果。而且这种光学模组由于其紧凑的结构，可以很方便的应用于照明装置中。
照明装置将该具有微棱镜的光学元件和扩散板结合形成光学模组，放置在光源上方，利用微棱镜对光线的反射、折射作用改变光线传播方向，实现蝙蝠翼配光，提供一种照明范围广、工作面照度均匀、低眩光UGR值，可达到110°以上大角度出光的照明效果。
根据以下参考附图对本发明的描述，本发明的其他目标和效用将变得显而易见，并且读者可全面了解本发明。
附图说明
图1是本发明光学元件的一个实施例的示意图；
图2是图1所示的光学元件的主视图；
图3是光线在微棱镜中的传播方向示意图；
图4是本发明光学模组及照明装置的一个实施例的结构示意图；
图5是图4照明装置的配光曲线；
图6是本发明光学模组及照明装置又一个实施例的结构示意图；
图7是图6照明装置的配光曲线。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图的实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。
下面结合图1至图3，对本发明的光学元件进行描述。
光学元件10，包括基部16，微棱镜12，基部16具有相对的上、下表面14、15及一对侧壁17、18，微棱镜自上表面14凸起并形成光学元件的出光面，微棱镜包括具有凹槽结构的内斜面，两个位于内斜面和光学元件的上表面之间并与它们相邻的侧面122、123，每个侧面与上表面的夹角为锐角，可以设为60°到70°之间。
本实施例中，在XYZ坐标系中，微棱镜12在光学元件基部的上表面14上沿Y轴延伸并沿X轴方向平行设置，也可以沿其它方向设置而且也不限于平行设置，入射光线可以由下表面15入射光学元件；光学元件的两个侧壁17、18也可以作为入射面，使入射光线从光学元件的侧壁进入光学元件。
内斜面的凹槽的形状可以是V形，上述微棱镜的内斜面由位于凹槽两侧的第一斜面124和第二斜面125构成，第一斜面和第二斜面分别与相邻的侧面122、123相交形成第一顶点及第二顶点。第一斜面与第二斜面的夹角为钝角，如100°到120°之间。相交的第一顶点的区域和第二顶点的区域可以为圆弧m，圆弧m的半径r大于等于0.3mm。第一顶点和第二顶点沿横轴即X轴方向的间距W大于2mm。
微棱镜为左右对称结构，左右对称于通过所述内斜面的中心线并垂直于出光面的平面。即在沿Z轴的截面上，内斜面的第一斜面124和第二斜面125左右对称于通过凹槽的中点并垂直于基部上表面的直线AX。为了方便加工生产以及精确的控制面型误差，微棱镜高度H1控制在光学元件整体壁厚H的1/3以内或微棱镜的高度H1小于基部上下表面之间高度的二分之一，即光学元件基部从上表面14到微棱镜的顶点的高度H1小于所述基部下表面15到顶点高度H的三分之一，以避免微棱镜的高度太高使材料变形，影响了了微棱镜的精度。
此外，光学元件整体壁厚H控制在3mm以内，以便减少光学元件的整体重量并方便光学元件安装固定。为了得到更好的光学效果，光学元件优先选择透明PMMA材料制成，次之也可选择透明PC材料。
通过对微棱镜的上述设计，当微棱镜侧面122、123的入射光线的入射角大于等于45°且小于90°时，入射光在所述微棱镜的侧面发生全反射；当所述微棱镜侧面的入射光线的入射角大于0°且小于45°时，入射光在所述微棱镜的侧面发生折射。当所述第一斜面124或第二斜面125的入射光线的入射角大于0°且小于45°时，入射光在所述第一斜面或第二斜面发生折射；当所述第一斜面或第二斜面的入射光线的入射角大于等于45°且小于90°时，入射光在所述第一斜面或第二斜面发生全反射。
图3是入射光线在微棱镜中的传播方向示意图，其中入射角是入射光线和入射面法线的夹角；与竖直方向的夹角为入射光线与纵轴Z方向的夹角。参照图3，入射光线1以入射角d，45°<d<75，照射微棱镜的一个侧面122，在该侧面上发生全反射；反射光线以入射角e，15°<e<45°，照射到微棱镜的内斜面121的第一斜面124上，之后由第一斜面124折射后出射，出射光线与竖直方向的夹角约为20°-30°之间，优选地，入射角e是光线和第一斜面124的法线的夹角，入射角d是入射光线1和侧面122法线的夹角。
入射光线2以入射角f，75°<f<90°，照射到微棱镜的侧面123，在该侧面上发生全反射，反射光线以入射角g，45°<g<60°，入射到第二斜面125，再次全反射后以入射角度h，15°<h<45°，入射到微棱镜的侧面123上，之后由侧面123折射后出射，出射光线主要分布在与竖直方面成40°-60°左右的方向上。上述入射光线2与竖直方向夹角在25°-40°之间。
入射光线3，以入射角度k，35°<k<45°，入射到微棱镜的侧面122上，经折射后出射，出射光线主要分布在与竖直方向成40°-60°左右的方向上。其中入射光线3和竖直方夹角为介于70°-90°之间
入射光线4以入射角i，45°<i<75°入射到微棱镜内斜面的第二斜面125上，发生全反射，反射光线以入射角j，15°<j<45°，入射到微棱镜结构的侧面123上，折射后出射，出射光线主要分布在与竖直方向成40°-60°左右的方向上。
小角度入射光线5以入射角l，25°<l<45°，入射到微棱镜的内斜面的第一斜面124，经折射后出射，出射光线与竖直方向夹角约20°-30°之间。
入射光线6以入射角a，75°<a<90°，入射到微棱镜的内斜面的第二斜面125上，在第二斜面上发生全反射，反射光线以入射角b，45°<b<60°，入射到微棱镜结构的侧面123上，在侧面123上再次发生全反射，反射光线以角度c入射到内斜面的第二斜面125上，15°<c<30°，之后由第二斜面125折射后出射，出射光线主要分布在与竖直方向成40°-60°左右的方向上。
图4、是本发明采用光学元件的光学模组和照明装置的一个实施例。
参照图4，光学模组1030包括扩散板30、光学元件10，光学元件10设置于所述扩散板30上方，入射光线由扩散板进入光学模组，由所述光学元件出射。，光学元件的下表面15可以贴合设置在所述扩散板上，也可以保持一定距离。
在图4中，照明装置包括光源板40，LED光源排布在光源板40上，光源板40放置于底盘50内，光源板40下表面与底盘50贴合，照明装置采用了上述具有微棱镜结构的光学元件和扩散板构成的光学模组，光学模组安放在底盘50中，并放置在光源板的上方。光学模组固定在上方的边框20上，边框20与底盘侧边通过螺丝或其他方式固定在一起。
在没有上述微棱镜结构的光学元件的情况下，在光通量为3000lm时，UGR＝22，加上具有微棱镜的光学元件后，配光曲线如图5，出光角在110°-120°之间，UGR<19(光通量3000lm)。可以看出通过采用具有微棱镜结构的光学元件，实现了蝙蝠翼配光，提供一种照明范围广、工作面照度均匀、低眩光UGR值，可达到110°以上大角度出光的照明效果
图5是本发明采用光学模组和照明装置的另一个实施例。
图5中光学模组1031和图4光学模组的实施例相比，改变了扩散板30和光学元件10的形状，光学模组1031包括三个互成角度的出光面的扩散板30，光学元件10设有与扩散板的出光面对应的互成角度的三个区域，LED光源排布在光源板40上，光源板40放置于底盘50内，光源板下表面与底盘50贴合。，光学模组安放在底盘50中，并放置在光源板上方，光学模组固定在上方的边框20上，边框20与底盘侧边通过螺丝或其他方式固定在一起。本实施例中，扩散板的出光面分三个区域，互成一定角度(约10°)，但并不限于此，扩散板30也可以是由两个互成角度的出光面，或三个以上互成角度的出光面构成，光学元件10设有与扩散板的出光面对应的互成角度的至少两个区域。
在没有上述具有微棱镜结构的光学元件的情况下，UGR＝22(光通量3000lm)，加上上述光学元件后配光曲线如图6，出光角在110°-120°之间，UGR<19(光通量3000lm)。可以看出通过采用具有微棱镜结构的光学元件，实现了蝙蝠翼配光，提供一种照明范围广、工作面照度均匀、低眩光UGR值，可达到110°以上大角度出光的照明效果
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (13)

1.一种光学元件(10)，包括基部(16)和微棱镜(12)，所述基部具有相对的上表面(14)、下表面(15)及一对侧壁(17、18)，所述微棱镜(12)自所述上表面凸起并形成光学元件的出光面，其特征在于，所述微棱镜(12)包括具有凹槽结构的内斜面(121)，两个位于所述内斜面(121)和所述上表面(14)之间并与它们相邻的侧面(122、123)，每个所述侧面(122、123)与所述上表面(14)的夹角为锐角；所述微棱镜的内斜面(121)由位于凹槽两侧的第一斜面(124)和第二斜面(125)构成，第一斜面(124)和第二斜面(125)分别与相邻的侧面相交形成第一顶点及第二顶点；当照射到所述第一斜面(124)或第二斜面(125)的入射光线的入射角大于0°且小于45°时，入射光在所述第一斜面或第二斜面发生折射；当照射到所述第一斜面(124)或第二斜面(125)的入射光线的入射角大于等于45°且小于90°时，入射光在所述第一斜面或第二斜面发生全反射。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述第一顶点和第二顶点为圆弧，圆弧的半径大于等于0.3mm。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述第一顶点和第二顶点沿横轴方向的间距大于2mm。
4.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述基部的上表面(14)到所述微棱镜的第一顶点或第二顶点的高度小于所述基部的下表面(15)到上表面(14)高度的二分之一。
5.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，当照射到所述微棱镜侧面(122、123)的入射光线的入射角大于等于45°且小于90°时，入射光在所述微棱镜的侧面发生全反射。
6.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，当照射到所述微棱镜侧面(122、123)的入射光线的入射角大于0°且小于45°时，入射光在所述微棱镜的侧面发生折射。
7.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述微棱镜为左右对称结构，左右对称于通过所述内斜面的中心线并垂直于出光面的平面。
8.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述内斜面凹槽是V形槽。
9.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件是由亚克力或PC材料制成。
10.一种光学模组(1030)，其特征在于，包括扩散板(30)、根据权利要求1到9任一所述的光学元件(10)，所述光学元件(10)设置于所述扩散板(30)上方，入射光线由扩散板(30)进入光学模组，由所述光学元件(10)出射。
11.根据权利要求10所述的光学模组，其特征在于，所述光学元件(10)的下表面贴合设置在所述扩散板(30)上。
12.根据权利要求10所述的光学模组，其特征在于，所述扩散板(30)包括至少两个互成角度的出光面，所述光学元件设有与所述扩散板的出光面对应的互成角度的至少两个区域。
13.一种照明装置，其特征在于，包括LED光源、根据权利要求11到12任一所述的光学模组，所述LED光源发出的光线经所述光学模组均匀出射。
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