CN104937337B - 照明制品 - Google Patents

Abstract

本发明描述了照明制品。更具体地讲，本发明描述了这样的照明制品，其包括：被构造用于佩戴在佩戴者的头部上的可佩戴装置，光导，以及用于将光发射到所述光导中的光源。所述照明制品允许可佩戴装置能够以高亮度均匀地照亮工作区域，而不会向观察者提供过强的眩光。本发明所公开的照明制品包括：被构造用于佩戴在佩戴者的头部上的可佩戴装置；设置在所述可佩戴装置上的光导，其中所述光导是细长的并具有第一末端和与所述第一末端相对的第二末端；以及定位在所述第一末端处用于将光发射到所述光导中的第一光源。所述光导还包括在所述第一末端和所述第二末端之间大体上沿x‑方向延伸的光发射表面，以及与所述光发射表面相对定位的光反射表面，其中所述光反射表面包括被构造用于将光沿着与x‑方向垂直的y‑方向引导的多个光提取器，并且其中所述光发射表面被构造用于将光引导到x‑y平面中。

Description

照明制品

背景技术

由于高亮度发光二极管较之其他光源(诸如钨灯)具有更为良好的效能和更长的寿命，故其被发现用于需要高照度的应用中。然而，这种发光二极管的一个缺点是对其直接观察或即便是通过反光观察时会遭遇过强的眩光。

发明内容

本公开描述了这样的照明制品，其包括被构造用于佩戴在佩戴者的头部上的可佩戴装置，以及设置在可佩戴装置之上的光导，其中光导是细长的并具有第一末端和与第一末端相对的第二末端。所述照明制品还包括定位在第一末端处用于将光发射到光导中的第一LED。所述光导还包括在第一末端和第二末端之间大体上沿x-方向延伸的光发射表面，以及与该光发射表面相对定位的光反射表面。所述光反射表面包括用于将光沿着与x-方向垂直的y-方向引导的多个光提取器。所述光发射表面被构造用于为将光引导到x-y平面中。

在一些实施例中，所述照明制品包括定位在第二末端处用于将光发射到光导中的第二LED。在一些实施例中，所述多个光提取器中的至少一些光提取器被构造为将第一光源所产生的多条光线转变为准平行光束。在一些实施例中，所述多个光提取器中的至少一些光提取器包括提取器光反射表面，其中所述提取器光反射表面以系统的方式发生改变，使得反射离开光导的光以预先确定的方式传播。在某些实施例中，提取器光反射表面可以是弯曲的、凸形的或凹形的。提取器还可以是楔形的。在一些情况下，提取器是具有正的柱面垂度或负的柱面垂度的楔形提取器。

在某些实施例中，光发射表面的一部分可以具有弯曲的yz-轮廓。在一些实施例中，光发射表面的yz-轮廓是凸形的或非球面的。光发射表面可包括小平面。光发射表面在xz-平面中也可具有弯曲的或弧形的轮廓。所述照明制品还可在光导的相对的末端中的一者或两者处包括枢转点，使得光可被引导到x-y平面之外的平面中。所述照明制品还可包括与光导的光反射表面相对定位的补充背反射器。该补充背反射器可以具有弯曲的YZ-轮廓，并且可以是凸形的、凹形的或非球面的。

本发明描述的照明制品的可佩戴装置可以是多个适当的元件。在一个实施例中，所述可佩戴装置可以是防护眼镜。在这种实施例中，防护眼镜可以包括从分别位于光导的第一末端和第二末端附近的第一附接点和第二附接点向后延伸的第一侧面镜腿件和第二侧面镜腿件，所述第一附接点和所述第二附接点在它们两者间限定防护眼镜的正面部分，其中该正面部分包括至少一个有别于光导的正面镜片部分。在其他实施例中，可佩戴装置可以是防护眼罩、防护面罩、全面罩呼吸器、电动呼吸器的头顶、矿用安全帽、医用头套或能纠正老花眼的眼镜。

附图说明

图1示出本公开的照明制品的示例性实施例的透视图；

图2A示出本公开的照明制品的示例性实施例的顶视图，并且图2B示出图2A的放大区域；

图3A-图3D示出本公开的光导的示例性实施例的各种视图；

图4示出本公开的光导的示例性实施例的透视图；

图5A-图5B示出两种不同光导的横截面图；

图6示出本公开的光导的示例性实施例的透视图；

图7A-图7B示出本公开的提取器的示例性实施例的透视图；

图8A-图8B示出本公开的照明制品的示例性实施例的正视图；

图9是来自本公开的光导表面的发光强度曲线图。

图10是来自本公开的光导表面的发光强度曲线图。

图11是来自本公开的光导表面的发光强度曲线图。

图12示出本公开的照明制品的示例性实施例的透视图。

图13示出本公开的照明制品的示例性实施例的透视图。

图14示出本公开的照明制品的示例性实施例的透视图。

图15示出本公开的照明制品的示例性实施例的透视图。

图16示出本公开的照明制品的示例性实施例的透视图。

图17示出本公开的照明制品的示例性实施例的透视图。

图18示出本公开的光导的示例性实施例的透视图；

图19示出本公开的光导的示例性实施例的透视图；

图20示出本公开的光导的示例性实施例的正视图；并且

图21A-图21C示出本公开的照明制品的示例性实施例的透视图。

图22示出本公开的照明制品的示例性实施例的透视图。

图23示出在本公开中使用的光源的电路图。

图24示出本公开的照明制品的示例性实施例的照片。

图25示出用于对提取器尺寸进行定标的函数的曲线图。

图26A-图26B示出模拟的照度分布曲线图。

图27A-图27C示出模拟的强度分布曲线图。

图28示出本公开的照明制品的示例性实施例的照片。

具体实施方式

本说明书涉及多种照明制品。正如通常理解的那样，各种领域中的或供休闲娱乐之用的多种应用需要某种头部穿戴物，这种头部穿戴物为了让使用者能高效地工作、学习或娱乐，还可能需要照明部件。人们已开发出亮度较高的LED，此类LED具有较高的亮度和效率以及较长的使用寿命，但其却在工作环境中引发了与佩戴由此类LED照明的装置的使用者身边的同事直视此类LED相关联的问题。这些没有佩戴照明制品的同事在看向照明制品的佩戴者时，可能会抱怨眼中出现亮斑、眩光等诸多不适。另外，此类制品的使用者可能会抱怨阴影或照明不均匀等问题。例如，从点光源发出的照在工作表面上的光可能被使用者的手或操作工具阻挡，从而使暗处的工作区域视野模糊不清。本说明书的照明制品对依赖于(例如)安装在眼镜镜腿件上的LED或者LED头灯的更为标准的可佩戴照明方法进行了改进。本公开的照明制品凭借将点光源替换为细长光源而使光导发出在看向该光源的观察者的双眼看来通常更为柔和的光，使上述问题得到减轻。另外，光导元件的这种细长本质(即，具有延长的发光区域)可很大程度减轻双手在由(例如)直接对准工作区域的LED所照亮的工作区域中产生的令人不快的阴影。

本公开的照明制品包括设置在可佩戴装置上的光导。使用时，所述照明制品通常被佩戴于佩戴者的头部上，其将佩戴者所观看的区域照亮。图1示出照明制品1的简化实施例，该照明制品1包括作为可佩戴装置的在其上设置有光导10的防护眼镜2。光导10是细长的，并具有第一末端12和与第一末端12相对的第二末端14。光源15和光源16被定位成将光发射到光导的相对的两个末端中，并且光源15和光源16通常分别容纳在光源固定器17和光源固定器18内。光源15和光源16可以连接到合适的电源(未示出)。光导10被构造为将来自光源的光，通常在佩戴防护眼镜2的人的前方、并通常以使得看到光导10发出的光的人不会感受到过强眩光的方式，沿着所需的方向引导。

图2A示出照明制品21的简化实施例的俯视图，该照明制品21包括防护眼镜2和光导20，该光导20具有第一末端22和与第一末端22相对的第二末端24。光源固定器27和光源固定器28定位在光导20的相对的两个末端处，用于将光源25和光源26分别固定住。光源25和光源26可以是点光源，诸如LED。图2B示出图2A的一部分的放大图，显示了位于光源固定器27内的光源25。图中示出多条光线23从光源25发出并进入光导20的第一末端22。其他光线(例如，29)可在经光源固定器27的表面反射后才进入光导20的第一末端22。在一些实施例中，光线29的反射可经由全内反射(“TIR”)、或通过在光源固定器27的表面上提供反射涂层、或通过TIR和反射涂层的组合进行。在一些实施例中，为了使光源25发出的光线预准直，可以在光源25和光导20的第一末端22之间包括预准直元件(例如镜片，未示出)。然而，人们已经发现，包括预准直元件不一定能在保持亮度的同时实现期望的眩光减轻。在一些实施例中，例如，为了使制造过程简化，甚至可能希望不包括预准直元件。在不具有预准直元件的实施例中，可能可取的是在第一末端22中包括引入光的区域，例如凹口(未示出)。

图1、图2A和图2B是本公开的照明制品的简化表示；应当理解，光导被构造为将来自光源(或来自不止一个光源)的光引导至佩戴照明制品的人员前方的区域，如本文更详细地描述。图1、图2A和图2B也不应被视为将本公开的可佩戴装置局限于防护眼镜。本文描述的多种照明制品通常包括可佩戴在佩戴者的头部上的装置，该装置包括例如防护眼罩、防护面罩、全面罩呼吸器、电动呼吸器的头顶、矿用安全帽、医用和牙科照明头部装备、或甚至是纠正老花眼的眼镜中的任一种。可佩戴装置的这些和其他例子可具有设置于其上的至少一个本公开的光导以提供本说明书的照明制品。

在典型实施例中，所述光导是细长的，以LED作为光源，所述LED将光直接注入光导的相对的末端，并且所述光导将来自LED的光沿所选择的方向(通常是相对于佩戴者向前)引导。所述光导可通过将包括光提取器在光导中的配置在内的特征结构与光导光发射表面的形状结合而实现对光的引导。光导通常是实心光导。下文提供对光导如何执行期望功能的更详细讲解。

图3A至图3D示出本公开的光导10的示例性实施例的若干视图，其中包括XYZ-坐标系以取向这些图的观察方向。就取向而言，当视图与一条坐标轴对齐时，白圆圈代表视图处于沿着该坐标轴的“正”方向，而黑圆圈表示视图处于沿着该坐标轴的“负”(即，相反)方向。如图3A的透视图所示，光导10沿着x-方向在第一末端12和第二末端14之间是细长的。光导10通常由透明的或者半透明的材料制成。第一光源15定位在第一末端12处，用于将光发射到光导10中。在一些实施例中，第二光源16(图3A中未示出)定位在第二末端14处，也用于将光发射到光导10中。在一些实施例中，可以在光导10的一端或两端处提供用于将光发射到光导中的额外光源(未示出)。在一些其他实施例中，光导10可以在第二末端14处包括反射表面，用于将来自第一光源15的光反射回第一末端12。在另有其他实施例中，可将单个LED光源放置在从光导向下的某处(如，半程处)，所述单个LED光源可以通过使用偏转器将光分为两个部分(离第一末端12最近的一部分，和离第二末端14最近的另一部分)，而朝着光导的第一末端12和第二末端14发射光。光导10具有沿着X-维度延伸的光发射表面30，以及相对光发射表面30定位的光反射表面35。光反射表面35包括多个光提取器40，用于反射来自光源的光并引导这种光穿过光发射表面30离开，从而沿着y-方向生成光锥。

图3B示出从Z-轴向下看时的光导“顶”视图，显示光反射表面35与光发射表面30相对定位，并具有设置在光反射表面35上的多个光提取器40。

图3C示出光导10的“正”视图，观察角度为透过光发射表面30看向光导(沿着Y-轴观察)，看到光反射表面35具有多个光提取器40。

图3D示出从第一末端12顺着X-轴观察时的光导10的“侧”视图，显示了在光反射表面35中呈锯齿状的多个光提取器40。

不应将本说明书的光导视为仅限于图3A-图3D的各种视图所示的光导10的示例性实施例。如将在下文所讨论，可将所选择的光发射表面配置和所选择的多个光提取器的配置结合，并且这两种配置各自有助于在光离开光导时将光大体上沿着Y-轴的方向引导。

图4更清楚地展现根据本说明书的光导10的功能。光源15定位在光导的第一末端12处并且沿第一方向D1将光发射到光导10中。光发射表面30大体上沿着x-方向在第一末端12和第二末端14之间延伸。虽然未示出，但第二光源可以定位在第二末端14处并且也将光发射到光导10中。光导10包括与光发射表面30相对定位的光反射表面35。光反射表面35包括多个光提取器40，所述多个光提取器40对从光源注入光导的光进行引导并且使所述光(大体上)沿着与Y-轴对应的第二方向D2入射到所述光反射表面上。出于本说明书的目的，当一个方向与坐标系所提供的轴线(例如)Y-轴对应时，该方向可称为(例如)“y-方向”。y-方向与发射表面沿其延伸的x-方向垂直(如图4的坐标系所示)。一般来讲，在被反射表面35重新导向后从发射表面发出的光(被限定于x-y平面内)的平均方向将沿着y-方向。此概念示于图6中。然而，至少一些光将遗落在方向D2的任一侧。例如，如图6所示，在x-y平面50内，至少一些光可能被沿着方向D2’和沿着方向D2”(D2”与D2’位于D2的相对侧)引导。在任一种情况下，方向D2’和方向D2”大体都将在方向D2的给定角度内(或者x-y平面中的y-方向的给定角度内)。一般来讲，光将根据提取器40所提供的与方向D2(或y-方向)成50度、45度、40度、35度、30度、25度、20度、15度以内，或甚至是成10度以内偏离的方向性从表面30发射。

为了将光沿着y-方向正确地引导，有必要适当地选择恰当的提取器形状、取向，以及可能的间距。在本说明书中设想了提取器的多种不同的形状，例如，光提取器40可以是棱镜、锥体、非球面锥体，截顶的棱镜、锥体、非球面锥体，楔形体、半球体、圆锥部分或截顶圆锥部分。对这些形状和其他适当的光提取器形状、以及制作这类形状的可行方法的进一步描述可见于共同拥有的美国专利7,941,013(Martilla等人)，该专利的相关部分据此以引用方式并入。在一个实施例中，提取特征结构可以是楔形体，如图7A-图7B所示。图7A所示的楔形体是具有负的柱面垂度的楔形体。图7B所示的楔形体是具有正的柱面垂度的楔形体。这两种形状均被认为是本说明书的适当提取器形状。如上所述，使光提取特征结构40相对于来自光源15(或16)的入射光适当地取向也很重要。这在提取特征结构包括小平面的情况下(诸如在楔形体或棱镜的情况下)尤其重要。

成型为锥体的提取器代表另一个有利的实施例。锥体半角变化以与楔形体提取器类似的方式影响光的角分布。在45度至60度范围内的锥体半角显现出显著准直效应。锥体的优点是具有轴对称性，这在内部光线于其中呈现多个角度的复杂光导几何形状中是有用的。

如图8A所示，为了确保光从光发射表面30均匀地发出，并避免使用者看到亮斑，重要的是确保光提取器的分布和取向，使得光以均匀的方式被反射表面35反射。在一些情况下，这可以通过使提取器在整个反射表面35上均匀地间隔开而实现。另外，在一些实施例中，所述光提取器可具有一致的尺寸和/或形状。然而，在这种情况下实现均匀性可能是困难的，部分是因为更靠近光源15(或16)的提取器40可在光到达光导中心之前将其拦截；抑或是因为光发生了漫散或经历了损耗，故在其接近光导10的中心时会聚性降低。对于比如这种光导的细窄光导而言，由于来自先前光发射的内部光浴在沿光导行进的过程中衰减，所以提取器分布主要受增大反射效率的需要的支配。因此，在至少一些实施例中，随着光提取器定位地离光源越来越远，它们的间距越来越近。在另一种情况下，诸如图8B所示的那样，当特征结构离光源越来越远时，光提取器的宽度和/或高度可能越来越大。应当理解，光提取器的形状和间距均可以是一致的或有所不同，这在本发明的范围之内。如实例部分所示，根据给定功能为了提供均匀的照度分布，提取器的尺寸可能存在差异。

除了借助光反射表面35将光沿着y-方向重新引导之外，本说明书的光导还能够借助光发射表面30将光沿着另一个维度引导。具体地讲，光发射表面30被构造为将光引导到x-y平面中。图5A和图5B中示出该现象。图5A示出光导10’的横截面轮廓图，其中光发射表面30’是平坦的。此处，从反射表面35’上的提取特征结构40’反射的光被导向为具有至少一些沿Z-方向的分量。当所述光入射到光发射表面30’上时，其大体上将穿过该表面行进并作为具有明显Z-分量的光45’射出，这种发射超出由于光导10’和外部介质(例如，空气)之间存在折射率差异而可能在发射表面处出现的任何折射的范围。

与此形成鲜明对比的是，图5B示出根据本说明书的光导的一些实施例。从表面35反射的光入射到光发射表面30上。在该实施例中，光发射表面被构造为将光，确切地说将光45大体上引导至与x-y平面内的方向(平均方向)对应的方向D3。此处，光发射表面30具有弯曲的y-z轮廓，其致使光45准直到x-y平面中。在至少一些实施例中，包括图4和图6示出的那些，光发射表面30具有凸形的yz-轮廓。在一些实施例中，光发射表面具有非球面的yz-轮廓。发射表面的其他合适的弯曲横截面轮廓除了别的以外可以包括例如凹形、半球形或棱柱形。在一些实施例中，包括上述成棱柱形的发射表面在内，发射表面可以包括小平面。在给定实施例中，前表面也可以是平坦的(如图5A中那样)，只要多条光线45大体上在x-y平面中射出即可。

由于提取器40朝着y-方向反射的光发生方向性改变，所以经光发射表面30折射的光并不是全都落在x-y平面内。应当理解，由表面30发出的光的平均方向将变成沿着x-y平面，并且所述光的一部分将变成沿Z-方向在x-y平面的上方或下方与该平面成一角度(参见例如图5B中的光线47)。表面30发出的全部光线大体应当落在与x-y平面成以下角度的范围内：小于50度、45度、40度、35度、30度、25度、20度、15度或甚至不到10度，所述角度是从方向D3(与x-y平面对应)偏离的角度。

另外，尽管如上所述，光反射表面35上的光提取器40将大体使光朝着y-方向在x-y平面内准直，但所述光提取器也可被成形和取向为使得它们将光引导到x-y平面中或可能将光引导离开x-y平面(如果这是期望获得的效果)。用于实现这种效果(以及其他可能的效果)的光提取器取向和形状的可行实例可见于共同拥有和转让的PCT专利公开号WO 2011/008473(Ender)，该专利公开据此全文以引用方式并入。

虽然光大体上沿着y-方向(平均方向)行进，但仍可能在x-y平面内以及在Z-方向上发生偏离，故根据锥角理解光导10的发射方向也是有用的。如图19所示，光导1900可大体上沿着y-方向(此处用虚线D2示出)发出光。然而，从发射光锥的一边到另一边的锥角(θ)将小于100度、小于90度、小于80度、小于70度、小于60度、小于50度、小于40度、小于30度，或甚至小于20度。

在一些实施例中，本公开的光导可能沿着其细长长度呈弯曲状态(即，“成弧形”)。重新参见图2A，光导20被显示为设置在具有弯曲的前部的防护眼镜2上，并且光导20成弧形以适形于防护眼镜的弯曲的前部。光发射表面和多个光提取器可被构造为至少部分地对成弧形的光导的光导向特性进行补偿。

在一些实施例中，本公开的光导伸长至适用于将光导设置在可被使用者佩戴的制品(例如，防护眼镜)上的长度。在一些典型的实施例中，所述光导具有在约5至20厘米范围内的长度，大致横跨佩戴者的前额。在一个优选的实施例中，所述光导可具有在10至15厘米范围内的长度。另外，所述光导的长度(大致沿x-方向)将显著大于所述光导的宽度(沿y-方向或Z-方向)。所述光导的长宽比可以为至少8:1、或为至少10:1、或为至少12:1，或为至少20:1、30:1或甚至40:1。

本公开的光导通常由透明或半透明的材料制成，并通常可以是透明塑料。合适的透明塑料包括例如光学等级的聚碳酸酯、丙烯酸树脂(PMMA)和聚氨酯(诸如TRIVEX)。

因为可以使用多种光导形状(包括例如成弧形的光导)，所以可将多个光提取器布置或成形为对光导的形状所造成的光分散进行补偿。例如，光提取器有时必须对如图18所示的x-y平面中的成弧形的光导进行补偿。此处，光导1800可以成弧形，以使得后反射表面35适形于使用者正佩戴的可佩戴装置的表面(在这种装置具有凸形的前表面的情况下)。照例，来自光源15的光在第一表面12处进入光导，随后被大致朝着第二表面14引导。第二光源(未示出)也可以将光发射进光导的第二表面14中，随后将光朝着第一表面12引导。

由于光导在其XY轮廓中不但具有弯曲的发射表面30还具有弯曲的反射表面35，所以光导沿其延伸的起始方向不会是x-方向。所述光导首先在沿x-方向的一侧平均具有给定程度的偏移(例如，10度或15度)，接着在靠近光导的第二末端14处，所述光导将沿着与x-方向上的相对侧有大致相同程度偏离的方向(也是平均方向)行进。再者，光发射表面沿其延伸的平均方向可与从发射表面30的前方中央绘制的切线重叠。该切线在图中由元素65限定，并且平行于或等同于x-方向。因此，光发射表面将被理解为在第一末端和第二末端之间大致沿着x-方向延伸。考虑到提取器40有必要在第一表面12和第二表面14附近以可能更极端的角度将光朝着y-方向引导，所述表面附近的光提取器可能(例如)必须包括成更极端角度的小平面。

在一些实施例中，多个光提取器中的每一个提取器的光反射表面以系统的方式发生改变，使得反射离开光导的光以预先确定的方式传播。光提取器的光反射表面可以是弯曲的或平坦的(即，凹形或凸形的，分别具有负垂度或正垂度，或具有小平面)。例如，在一些实施例中，所述光提取器可以是棱镜、锥体、非球面锥体、截顶的非球面锥体、半球体、具有负的柱面垂度的楔形体、或具有正的柱面垂度的楔形体中的任一种。具有垂度的楔形体的垂跨比可以定义为中心线下垂量与提取器宽度之比。为了维持总体小平面角度，所述垂度是柱面垂度而不是球面垂度，所述总体小平面角度会影响所发射输出的总体方向。垂度的等级影响角分布的梯度，以使光发射“变柔和”。但随着离零曲率越来越远，光发射中的角梯度变柔和(变得不那么陡峭)。绝对值大于或等于0.05且小于或等于0.15的垂跨比是示例性的。

在一些实施例中，光提取器的光反射表面可以是定向取向的。例如，在图20中，所述提取器可以被定位成使得它们与来自光源15的光最佳地相互作用。此处，离第一表面12较近的光提取器40A可以被定位成使得所述小平面更直接地面向以更高的角度发出的光。光提取器40B与法线所成的角度可小于提取器40A的该角度，这是因为可能只有较少的偏轴光入射到此类提取器40B上；并且离第一表面12甚至更远的光提取器40C几乎不与乃至完全不与法线成一角度。反之也可能成立。离第一表面12较近的光提取器40A可以被取向成使得它们以比离光源更远的提取器更小的角度面向光源发出的光。一般来讲，为了对光导曲率进行补偿，根据提取器在光导内的位置而改变提取器的楔角将是有益的、甚至可能是有必要的。这使得尽管光发射表面具有截然不同的角度，发射角分布也能够保持狭窄。

在光导的光反射表面后方，有时会存在补充背反射器，用于将从光导离开的一些光朝着观察者的头部反射，以使这些光返回向前的表面或观察方向。补充背反射器的实质可能是镜面反射或漫反射，并且还可以呈现不同的形状，诸如平坦的、弯曲的、分段的形状，或适形于头部穿戴物的基础形状的形状。

在光导的光发射表面前方，有时在恰当的位置可能存在一个或多个膜，用于进一步使光沿向前方向准直、或根据设计改变光的方向。所述一个或多个膜通常在其中包含微观结构，但在一些应用中可以使用无规或准无规结构化的表面漫射片。

可以使用低折射率粘合剂将补充背反射器和前方的膜叠堆层合至所述光导。还可以设计出外壳以将所述部件放置到一起。例如，外壳将所述光导包封起来，并且所述外壳的背面容纳补充背反射器，而所述外壳的正面不仅具有开口，还具有膜(叠堆)。如上所述，光源(例如，15)可以是LED。在特定实施例中，单个LED可以定位在第一末端12处，反射表面可以设置在第二末端14处。在其他实施例中，单个LED可以定位在第一末端12和第二末端14两者处。在另有其他实施例中，多个LED可定位在第一末端12和第二末端14中的一者或两者处。所利用的LED可以是白色LED、单色或多色LED，或甚至可能是用于荧光应用中的UV LED。一般来讲，LED将被取向成使得LED的主要发射表面朝向光导的末端(12或14)，其中光可穿过所述末端进入光导。

LED可由各种合适的电源供电。在至少一些实施例中，LED将通过导线连接至电池系统。在LED定位于第一末端12和第二末端14两者处的情况下，LED可优选地通过公用电路以串联方式连接，使得它们由一个或多个共电式电池供电并且由一个或多个开关激活。来自LED的光输出与传导通过所述装置的电流成比例。驱动LED的电路应当向LED装置提供经调节的电流。所述电路应当被理想地形成为使得LED可在电池电量下降至低于给定截止电压之前保持一致的亮度水平。所述电路将内在地调整增益，以使得流向LED的输出电流不会显著地改变。

对于防护眼镜而言，具有预测光输出的能力非常重要。尽管简单的电阻网络就可以提供必需的电流，但随着电池电压衰减，LED的光输出也将减弱。由于小电池(诸如标准的CR2032钮扣型电池)具有较小的形状因数，所以可使用单个或多个小电池为这类眼镜供电。可将这种形状因数并入眼镜的框架中。这种电池类型具有180至200mAH的容量。LED驱动电路在由于经常使用而老化的同时将对电池不断衰减的电压进行补偿，从而维持更为恒定且可以预测的光输出。为了实现更高的亮度或更长的工作时间，可以远程安装AAA电池、AA电池、9V电池、或可充电的锂离子电池(举例而言)，这些电池可以提供显著增大的电能容量。图23(随后将在实例部分中讨论)提供LED驱动电路的实例，该LED驱动电路被构造为提高输入电压并向一组串联的LED提供受控的输出电流。

另一种准确地理解所述光导所执行的功能的方式是指定所述光导发出准平行光。图9示出在光发射表面具有平坦轮廓时光导的角度输出图案。这种光导是狭长的，具有方形的横截面和半球形的提取器(与图5A所示的例子相当)。显而易见的是，光大体上不在任何方向上准直。作为对照，图10示出在光发射表面具有柱形轮廓(使得光至少朝着x-y平面准直)时光导的角度输出图案。在图10中可以非常明显地看出，实际情况是所述图案在整个光导方向(还是x-y平面)上呈压缩状态，指示光已经经过一定程度的准直。利用具有非球面轮廓的光发射表面可以实现甚至更大程度的准直，如图11所示。就在图11中建模的光导而言，光发射表面具有的轮廓为受挤压的半椭圆形，所述受挤压的半椭圆形的长轴与底部表面垂直(长轴与短轴之比为1.5)。恰当地选择光提取特征结构和光分布导致朝着y-方向进一步准直。

可佩戴装置

照明制品可包括在其上设置有本说明书的光导的任何合适的可佩戴装置。以下实例示出通常被佩戴在佩戴者的头部上的实施例。

再次参见图1，照明制品1包括作为可佩戴装置的防护眼镜2。防护眼镜2包括从分别位于光导的第一末端和第二末端附近的第一附接点和第二附接点向后延伸的第一侧面镜腿件和第二侧面镜腿件，所述第一附接点和所述第二附接点在它们两者间限定防护眼镜的正面部分，其中该正面部分包括至少一个有别于光导的正面镜片部分。

另一种可能的照明制品1200在图12中示出。此处，可佩戴装置是全面罩呼吸器1220。光导1210设置在全面罩呼吸器1220上。考虑到呼吸器1220具有弯曲的x-y轮廓，本实施例可以是其中的光导1210在x-y平面中具有弧形轮廓的一个实施例。事实上，由于本说明书设想的基本上所有可佩戴装置均意在贴合面部轮廓，所以它们全部可被设计成具有弧形的轮廓(或具有直线轮廓)。

图13示出又一种照明制品1300。在该实施例中，照明制品1300包括定位在焊工面罩1320上的光导1310。图14示出照明制品1400。照明制品1400包括定位在防护面罩1420上的光导1410。防护面罩实施例是又一种可能合适的实施例，其中光导1410可在x-y平面中具有弧形的轮廓。图15提供照明制品1500。照明制品1500包括定位在电力套件或带罩盖套件1520上的光源1510，其中这种套件是电动呼吸器的头顶。

图16提供了照明制品1600的又一种示例性实施例。此处，可佩戴装置包括纠正老花眼的眼镜1620，而不是防护眼镜。光导1610以与防护眼镜实例中几乎相同的方式设置在纠正老花眼的眼镜1620上。图17提供了另一种照明制品1700。此处，光导1710设置在矿用安全帽1720上。矿用安全帽应用可能是本说明书的特别合适的应用。由于周围不存在任何环境光线，所以观察者的双眼对直视同伴的安全灯所发出的光时看到的眩光特别敏感。最后，图22提供了一种照明制品2200。光导2210设置在医用头套2220上。医用头套可以是任何适当的外科应用或牙科应用中所佩戴的头套。可使用光导2210在医疗应用中对手术操作区域、或在牙科应用中对口腔区域进行照明。在任一种情况下，本说明书均提供了一种在外科领域或牙科领域中使用的与传统的头灯相比具有更少的阴影(诸如光在照向工作面时中途被使用者的双手拦截所产生的那些阴影)的轻质解决方案。

取决于所考虑的可佩戴装置，可以通过多种合适的手段将光导设置并固定到可佩戴装置上。在至少一些实施例中，通过将光导粘附于可佩戴装置的前表面，可使光导附接到随附的可佩戴装置。就防护眼镜或防护眼罩而言，该光导可以在镜片上方沿着所述眼镜或眼罩的框架设置。必要的粘合剂的强度将取决于所考虑的应用，以及可佩戴装置将暴露在其中的可能工作环境(热度、湿度、微粒物质等)。在一些情况下，可通过将光导滑入或夹到某种外壳或支架中，或可通过将光导夹持到可佩戴装置中，而使所述光导机械地附接到可佩戴装置。由于光可以在光导的大部分中通过全内反射被引导，所以无论用哪种手段将光导固定至可佩戴装置，均应使光导和夹具之间具有较小的气隙，若不然，则光导要么必须在除发射表面外的所有部分上具有反射涂层、要么必须被固定在反射支架中或具有补充背反射器(如此前所述)。如果选择了气隙手段，则允许在靠近末端表面角落的区域中进行点焊连接，这种连接导致的光损失将是最小的。

还设想了任何其他多种连接手段，只要这些手段适合于在所需的环境中起效并能耐受由LED产生的热度即可。与白炽灯不同，LED产生的热将通过半导体管芯传导出去，而不是通过辐射散发。就低水平至中等水平的照明而言，LED可能消耗10至100mW的功率，此时LED造成的温度上升通常不值得担心。但就探伤检测或其他高亮度用途而言，每个LED可能会散发一瓦特或更多的热量。在这类情况下，可能需要小心地放置和使用耐热性低的材料，并且对用于热量扩散和散发的元件进行仔细设计。重要的是眼镜结构始终能保持让佩戴者安全佩戴的适宜温度。同样重要的是LED芯片的温度始终能保持在安全操作范围内，从而最大程度延长LED的使用寿命并使LED的光学效率最大化。

在一些实施例中，所考虑的光导可以要么是倾斜的，要么是能够被使用者倾斜的。一个这种实施例的例子结合图21A、图21B和图21C示出。在图21A中，光导将光大体上径直引导到如其余实施例中所示的x-y平面。然而，在图21B中，光导是倾斜的，使得发射表面将光大体上沿x-y平面上方的正Z-方向引导。图21C示出相反的情况，其中光导将光沿x-y平面下方的负Z-方向引导。在这种实施例中，光导能够被使用者经由铰链机构或其他适当的机构倾斜。这种倾斜或枢转可通过使用位于光导的一端或两端处的枢转点、或可以沿着光导的长度来实现。

以下是根据本公开的示例性实施例：

项1：一种照明制品，包括：

可佩戴装置，其被构造用于佩戴在佩戴者的头部上；

设置在可佩戴装置上的光导，其中光导是细长的并具有第一末端和与第一末端相对的第二末端；以及

定位在第一末端处的第一光源，其用于将光发射到光导中；

其中光导还包括：

光发射表面，其在第一末端和第二末端之间大致沿着x-方向延伸；和

光反射表面，其与光发射表面相对定位；

其中光反射表面包括多个光提取器，所述多个光提取器被构造用于将光沿着与x-方向垂直的y-方向引导，并且

其中光发射表面被构造用于将光引导到xy-平面中。

项2：根据项1所述的照明制品，还包括定位在第二末端处的第二光源，其用于将光发射到光导中。

项3：根据项1或项2所述的照明制品，其中多个光提取器中的至少一些光提取器被构造为将第一光源所产生的多条光线转变为准平行光束。

项4：根据项1至项3中任一项所述的照明制品，其中多个光提取器中的至少一些光提取器各自包括提取器光反射表面，并且其中所述提取器光反射表面以系统的方式发生改变，使得反射离开光导的光以预先确定的方式传播。

项5：根据项1至项4中任一项所述的照明制品，其中至少一些光提取器中的提取器光反射表面是弯曲的。

项6：根据项5所述的照明制品，其中至少一些光提取器中的提取器光反射表面是凸形的。

项7：根据项1至项5中任一项所述的照明制品，其中至少一些光提取器中的提取器光反射表面是凹形的。

项8：根据项1至项4中任一项所述的照明制品，其中至少一些光提取器中的提取器光反射表面包括小平面。

项9：根据权利要求1至8中任一项所述的照明制品，其中光发射表面的至少一部分具有弯曲的yz-轮廓。

项10：根据项9所述的照明制品，其中光发射表面的至少一部分具有凸形的yz-轮廓。

项11：根据项10所述的照明制品，其中光发射表面的至少一部分具有非球面的yz-轮廓。

项12：根据项1所述的照明制品，其中光发射表面包括小平面。

项13：根据项1至项12中任一项所述的照明制品，其中可佩戴装置包括防护眼镜。

项14：根据项13所述的照明制品，其中防护眼镜包括从分别位于光导的第一末端和第二末端附近的第一附接点和第二附接点向后延伸的第一侧面镜腿件和第二侧面镜腿件，所述第一附接点和所述第二附接点在它们两者间限定防护眼镜的正面部分，其中该正面部分包括至少一个有别于光导的正面镜片部分。

项15：根据项1至项12中任一项所述的照明制品，其中可佩戴装置包括防护眼罩。

项16：根据项1至项12中任一项所述的照明制品，其中可佩戴装置包括防护面罩。

项17：根据项1至项12中任一项所述的照明制品，其中可佩戴装置包括全面罩呼吸器。

项18：根据项1至项12中任一项所述的照明制品，其中可佩戴装置包括电动呼吸器的头顶。

项19：根据项1至项12中任一项所述的照明制品，其中可佩戴装置包括矿用安全帽。

项20：根据项1至项12中任一项所述的照明制品，其中可佩戴装置包括纠正老花眼的眼镜。

项21：根据项1至项12中任一项所述的照明制品，其中可佩戴装置包括医用头套。

项22：根据项1至项12中任一项所述的照明制品，还在光导的相对的末端中的一者或两者处包括枢转点，使得光可被引导到x-y平面之外的平面中。

项23：根据项1至项12中任一项所述的照明制品，其中光发射表面在xy-平面中具有弧形的轮廓。

项24：根据项1至项12中任一项所述的照明制品，其中至少一些光提取器是楔形的。

项25：根据项24所述的照明制品，其中光提取器包括具有负的柱面垂度的楔形提取器。

项26：根据项24所述的照明制品，其中光提取器包括具有正的柱面垂度的楔形提取器。

项27：根据项1至项12中任一项所述的照明制品，还包括与光导的光反射表面相对定位的补充背反射器，该补充背反射器具有弯曲的Y-Z轮廓。

项28：根据项27所述的照明制品，其中补充背反射器是凸形的、凹形的或非球面的。

实例

实例1：防护眼镜

制作了用于防护眼镜的原型光导，以展示对安装在镜腿上的点光源LED或作为独立部件的LED头灯的更标准方法的改进。

所述光导的长度为约158mm，其将圆柱形顶部表面用作发射表面。将RENCAST 140(透明环氧树脂)模塑成设计的形状，随后利用激光烧蚀在与发射表面相对的表面上形成提取特征结构。这些特征结构呈现标称的非球面形状。所述光导略微弯曲以适形于防护眼镜的曲率并被置于细金属外壳内部，该细金属外壳的背面充当反射器(在该例子中，采用了增强型镜面反射器(ESR))。安装在所述外壳内部的两个LED在所述光导的每一端处用作光源。

LED将光直接注入光导的末端。LED的高度与光导的高度相似，这使两者的对准和耦接变得简单。小电路板唇缘延伸到LED基座的边缘之外，为光波导管提供底部基准平台。

为了在安装到眼镜的整个光导中维持一致的光强度，并使电池电压变化始终在合理的范围内，将具有恒定电流输出的小型升压转换器结合到了眼镜设计中。所述LED以在机械上并联的方式安装在光导的相对侧上。然而，所述LED在电学上是串联的，确保流经每个LED的电流相同，并使波导管每一侧的亮度高度匹配。另外，当电池电量耗竭时，LED恒流电源的直流转换器将对输出电压降进行补偿。流经所述LED的电流在电池电压变化期间保持相同，直到电池不再能够维持足够的电量来达到LED设定点。

为指定应用选择的电池型号和电池容量根据期望的LED亮度和需要的电池工作寿命确定。需要足够灵活和高效的恒流“光引擎”来操纵这些电学变量。这种升压转换器/恒流电路的例子在图23的示意图中示出。在该例子中，LED控制器电路位于远离LED的远程位置，即电池组位置处，该电池组位置可能位于佩戴者身体后方或侧面。处于工作状态的最终实例的照片在图24中示出。

实例2：矿用安全帽/防护面罩

制作了光导、光引擎和安装座圈的原型组装件，该组装件具有与和3M AIRSTREAM矿用头部穿戴物(3M AIRSTREAM Mining Headgear)搭配使用的防护面罩的前额部分匹配的曲率，故能装进该前额部分中。该柔性聚氨酯光导长127mm，宽7mm。由于防护面罩具有一定程度的弯曲，故提取器被设计为更集中地分布于水平面中。(作为另一种选择，支撑座圈组装件可以是平坦的，在不需要提取器那么集中的情况下，该组装件从防护面罩伸出较远的距离。)在该实例中，光导发射表面具有矩形横截面。

由于防护面罩具有更极端的曲率，故采用双光子光刻工艺制造出用于形成提取特征结构的母模工具。该工具形成了被制作为具有所需的光导维度的平坦模具的底部表面(与光导的底部表面相对应)。通过该方法形成提取特征结构的详细阐释可见于之前提及的授予Martilla的共同拥有的美国专利7,941,013。

所述提取器的形状类似于图7A(45度，垂跨比等于+0.05)，能够产生均匀的光发射。提取器尺寸根据以下函数(绘于图25中)进行定标，该函数被设计为向光导表面正上方的虚拟平面提供均匀的照度：

S(x)＝0.22*exp(x/107.3)*(1-0.04cos((πx)/130))

该定标过程提供了图26A和图26B中示出的模拟照度分布。所述提取器的形状被设计为使发射光在水平面内超准直(over-collimate)，以便对防护面罩的曲率进行补偿。模拟强度分布在图27A中给出(该模拟强度分布进一步由附带的图27B和图27C示出，其中图27B示出强度仅相对竖直角度的关系，图27C示出强度仅相对水平角度的关系)。所述座圈的背面涂覆有ESR反射表面。安装在外壳内部的两个NICHIA NSW006T LED在每一端处用作光源。用于该应用的LED控制器基本上与上文针对防护眼镜所述的那些LED控制器相同。虽然在此处使用了另外两个LED，并且电流水平也不相同，但要在该应用中利用图23所示的电路设计，只需要对单个电阻进行更换。图28是原型光导照明时的照片。

本发明不应被认为限于上述特定实例和实施例，因为详细描述了此类实施例以有利于说明本发明的各个方面。相反，本发明应被理解为覆盖本发明的所有方面，包括落入由所附权利要求书限定的本发明的实质和范围内的各种修改、等同工艺和可供选择的装置。

Claims (10)

1.一种照明制品，包括：

可佩戴装置，所述可佩戴装置被构造为佩戴在佩戴者的头部上；

设置在所述可佩戴装置上的光导，其中所述光导是细长的并具有第一末端和与所述第一末端相对的第二末端；以及

定位在所述第一末端处的第一光源，所述第一光源用于将光发射到所述光导中；

其中所述光导还包括：

光发射表面，所述光发射表面在所述第一末端和所述第二末端之间大致沿着x-方向延伸；和

光反射表面，所述光反射表面与所述光发射表面相对定位；

其中所述光反射表面包括多个光提取器，所述多个光提取器被构造为将光沿着与所述x-方向垂直的y-方向引导，并且

其中所述光发射表面被构造为将光引导远离所述佩戴者、并且沿着与xy-平面实质上平行的方向使光准平行。

2.根据权利要求1所述的照明制品，还包括定位在所述第二末端处的第二光源，所述第二光源用于将光发射到所述光导中。

3.根据权利要求1或2所述的照明制品，其中所述多个光提取器中的至少一些所述光提取器各自包括提取器光反射表面，并且至少一些所述光提取器中的所述提取器光反射表面是弯曲的。

4.根据权利要求3所述的照明制品，其中至少一些所述光提取器中的所述提取器光反射表面是凸形的。

5.根据权利要求3所述的照明制品，其中至少一些所述光提取器中的所述提取器光反射表面是凹形的。

6.根据权利要求1、2、4和5中任一项所述的照明制品，其中所述光发射表面的至少一部分具有弯曲的yz-轮廓。

7.根据权利要求1所述的照明制品，其中所述光发射表面包括小平面。

8.根据权利要求1、2、4、5和7中任一项所述的照明制品，其中至少一些所述光提取器是楔形的。

9.根据权利要求8所述的照明制品，其中所述光提取器包括具有负的柱面垂度的楔形提取器。

10.根据权利要求8所述的照明制品，其中所述光提取器包括具有正的柱面垂度的楔形提取器。