CN106030347B

CN106030347B - 光漫射器、使用该光漫射器的led灯布置以及制造方法

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Publication number: CN106030347B
Application number: CN201580005591.4A
Authority: CN
Inventors: R.A.塞普克哈诺夫
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2018-12-18
Anticipated expiration: 2035-01-08
Also published as: WO2015110286A1; US10222025B2; US20160327238A1; EP3097442A1; CN106030347A

Abstract

一种光漫射器由具有相对的第一和第二主表面的材料板形成，其中每一个表面包含导光小面的阵列。第一表面的每一个导光小面通过该板将入射光主要定向到第二表面的对应配对的导光小面，并且第一表面的至少一些不同的导光小面在不同的方向上将入射光定向到第二表面的它们的对应配对的导光小面。出口处的角度轮廓可以被控制，并且例如不需要在漫射器的输出端比在输出端发散更多。

Description

光漫射器、使用该光漫射器的LED灯布置以及制造方法

技术领域

本发明涉及光漫射器。

背景技术

光漫射器作为照明器的基本构件之一非常广泛地用在照明应用中。它们被用来漫射光，并且因此使得光源或照明器出射窗产生更柔和光。

就使用LED灯的当前趋势以及与LED的小的特征大小相关联的眩光而言，存在致力于光学漫射器的特别关注。

在LED照明应用中，漫射器被应用以隐藏LED，使得LED有效地显现的更大或者阻止观察者直接看向LED。所有这些措施导致减少的眩光损害和美学上更好看的照明器。

漫射器的光学功能是散射光并且因此产生更柔和的光或者更均匀的发光表面（或出射窗）。同时，光散射是漫射器的主要缺点：它们加宽了初始光束，这给出了增加的展度（Etendue）。这可能是使用漫射器的不期望结果。

图1示出由漫射器进行的光散射的该效果。入射在漫射器12上的每一个光束10在生成经漫射的输出光14时被加宽。该加宽与漫射器的散射强度成比例。因此，为了借助漫射器使某个发光表面均匀，通常存在对于附加的射束成形光学元件的需要，以准直由漫射器加宽的光束。

因此将期望提供一种光漫射器，其抵消加宽光方向的总体输出范围的问题，例如使得可以避免用于准直光方向的总体输出范围的准直光学元件。

US20120037207公开了一种具有相对的第一和第二主表面的光学层，其中第一和第二表面都包含成角小面的阵列，所述成角小面具有相对于其相应主表面的相应成角取向。

发明内容

本发明由各权利要求限定。

根据示例，提供一种光漫射器，包含：

具有相对的第一主表面和第二主表面的材料板，其中第一表面和第二表面都包含导光元件的阵列，每一个元件包含成角小面并且包含面内小面，成角小面具有相对于其相应主表面的相应成角取向，面内小面与其相应主表面位于平面中，

其中通过第一表面的成角小面的成角取向，在第一方向上照射在第一主表面上的光作为偏转光基本只被定向到第二表面的相关联的成角小面，

其中照射在该第二表面的相关联的成角小面上的所述偏转光通过其成角取向在输出方向上重定向光，

并且其中第一表面的至少一些成角小面具有相互不同的成角取向，以在相互不同的方向上将入射光定向到第二表面的它们相关联的成角小面，并且

其中对于垂直于第一表面照射的光，第一表面的每一个第一成角小面基本只将所述光重定向到不正对第一成角小面的第二表面的第二成角小面，位于与第二成角小面相对的位置处的第一表面的第三成角小面只将所述光重定向到位于与第一成角小面相对的位置处的第二表面的第四成角小面。

这样，成角小面的一个对应的配对与共轭的对应的配对相匹配。这样，光路基本在这两个配对之间交换，从而提供混编操作。配对的此匹配使得设计过程更容易确保第一表面的成角小面和第二表面的成角小面之间的期望的一对一的确定性映射。光漫射器通过由成角小面空间地混编（shuffle）光而起作用，并且光的出射角度可以保持不变或者它可以被有意地控制。例如，如果期望的话，来自光漫射器的出射光的角度范围可以等于或者小于光漫射器的入射光的角度范围。这样的混编提供局部化的漫射功能。然而可以阻止光输出射束的加宽。光方向的输出范围可以形成平行射束或者发散或汇聚射束。光漫射器可以例如放置于照明器的出射窗以使出射窗均匀，这使得有角度（angular）射束分布不变。这意味着，不需要附加射束成形光学元件以在漫射之后使射束成形，因为光漫射器维持（或改进）射束形状。该漫射器通过相对简单手段为在照明和/或光学设备中实现均匀性提供了巨大可能性。

通过使第一表面具有至少一些不同的成角小面，其在不同方向上将入射光定向到第二表面的它们对应的配对的成角小面，这意味着成角小面不仅仅在相同的方向上移位（shift）光，而且执行混编功能。第一表面的所有成角小面具有一相关联的方向，成角小面将它们的入射光重定向到该方向。可以存在一组这样的可能的方向。这些方向可以利用随机性元素限定，以提供随机的（或伪随机的）光混编功能。

为使漫射器相对高效，每一个导光元件包含面内小面，其基本上与主表面在平面中延伸。平均来说，光垂直地照射到第一主表面，并且因此随后也垂直地照射到面内小面。表面上菲涅尔反射的程度以及因此光的使用效率取决于所述表面上的入射角度。通过为每一个导光元件提供成角小面和面内小面两者，获得具有相对高效率的光漫射。

第一表面内的每一个成角小面优选地将入射光定向到第二表面的对应的配对的光成角，其位于以第二表面上的正对成角小面为圆心的预定半径之内。此范围取决于物理和光学配置。该半径越大，可以实现的均匀化的量越大。

每一个位于预定半径内的成角小面可以处于距中心的相应的向量平移处。于是可以存在与每一个不同的向量平移对应的配对的成角小面。通过为每一个不同的向量方向/平移提供配对的成角小面，可以实现第一表面上的成角小面的所有可能的不同的重定向功能，并且这避免了漫射器仅仅执行上面提到的图像移位。这些方向可以以随机的方式分配。

面内小面和成角小面优选地镶嵌（tessellate）以填充漫射器的区域。该镶嵌可以是随机的（例如泰森多边形（Voronoi）镶嵌），包括不同形状和大小的成角小面的半规则的镶嵌，或规则的正方形镶嵌，或规则的三角形镶嵌。规则的镶嵌可以例如使用可以是正方形或六边形的成角小面。

成角小面可以是平坦表面。这在成角小面接收准直的入射光束时是尤其有趣的。

可替代地，成角小面可以包括透镜状表面形状。这使得成角小面自身能够执行准直和然后去准直的功能。

实施例也提供一种LED灯布置，包含：

LED照明设备；以及

光漫射器。

LED照明设备可以包括多个LED灯。漫射器可以例如起作用以混合不同颜色LED。

实施例也提供一种制造光漫射器的方法，该光漫射器包含具有相对的第一主表面和第二主表面的材料板，其中每一个表面包含成角小面的阵列，其中第一表面的每一个成角小面将入射光主要定向到第二表面的对应配对的成角小面，其中第二表面的每一个成角小面将它的入射光定向到输出方向，其中该方法包含：

随机选择第一表面上的第一成角小面；

在与第一成角小面相对的第二表面上的位置的预定半径之内，随机选择第二表面上的第二成角小面，并且将这些定义为对应的第一对；

如果该第一对彼此不相对，那么将位于与第二成角小面相对的位置上的第一表面的第三成角小面和位于与第一成角小面相对的位置上的第二表面的第四成角小面定义为第二对；

重复定义步骤，直到所有成角小面被配对；以及

通过在第一表面中形成成角小面，制造光漫射器，该成角小面将入射光定向到第二表面中的对应配对的成角小面。

此方法使得所有成角小面能够以简单的方式配对并且能够用于许多（例如数千个）成角小面。随机元件帮助随机化漫射输出。

随机选择第二成角小面可以包括应用概率密度函数以使更可能选择位于距该第一成角小面更远处的第二成角小面。

附图说明

现在将参考所附附图详细描述本发明的示例，在附图中：

图1示出漫射器的已知的操作；

图2更详细地示出实施例的漫射器的操作以及漫射器的部分的结构；

图3用于说明一种设计和制造方法；

图4示出用于接收发散的入射光的漫射器的不同示例；

图5示出可替代的成角小面设计；

图6示出漫射器的两种可能的使用；以及

图7示出漫射器的第三种可能的使用。

具体实施方式

示例涉及均匀化照明器或其它光源的出射窗。此期望正在日益收到更多的关注。目的是减少眩光以及从美学的观点具有均匀的发光表面/出射窗。

特别地，均匀化准直器阵列的出射窗是针对LED照明的关键设计，因为由于准直器之间的暗区以及准直器内部的暗环的缘故，准直器的阵列产生美学上不好看的所谓“喷头”效果。

当前，此问题通过利用常规漫射器漫射射束以及之后借助附加光学元件（一般是庞大的反射器）再次准直光而解决。这增加了照明器的成本和大小。

实施例提供一种光漫射器，其中材料板具有相对的第一和第二主表面，其中每一个表面包含导光元件的阵列，每一个导光元件包含面内小面和成角小面。第一表面的每一个成角小面将入射光主要定向到第二表面的对应配对的成角小面，并且第一表面的至少一些不同的成角小面在不同的方向上将入射光定向到第二表面的它们的对应配对的成角小面。此布置提供漫射器功能。然而，出口处的角度轮廓可以被控制，并且例如不需要在漫射器的输出端比在输入端发散更多。

空间漫射器例如可以直接放置在准直器阵列的顶部上，并且可以因此用于均匀化它们的光输出，优美地且成本高效地解决该“喷头”问题。

图2示出空间漫射器20的一个示例的操作。该漫射器是由两个结构化的表面22、24组成的光学设备，这两个表面是大体平行的并且在漫射器厚度各处彼此面对。漫射器具有由光学透明材料形成的面板型结构，例如具有与面板的尺寸相比相对小的厚度。

材料不需要是完全透明的，但是其确实实现光透射功能。表面22、24可以是平行的，但是这也不是必要的。它们可以是不平行的，以限定楔形形状或更加复杂轮廓。

第一表面22被结构化，使得它折射入射射束的部分26，在各种方向上重定向这些部分。第二表面24拾取这些部分并且恢复它们的初始方向。这示出于图2的左边部分。射束的部分26将表示为光线，尽管实践中它们覆盖一定区域。

图2示出入射的平行光线，并且光线的该初始平行（且法向）入射方向被第二表面24恢复，使得净效果是空间混编该初始光束而没有方向上的改变。

图2也示出均具有面内小面32、32’和成角小面30、30’、34、34’的一些相对的导光元件的布置21的一个示例，以示出空间光混编功能如何发生。为了简单起见，每一个表面上只示出两个成角小面。

第一表面22具有第一成角小面30，其被成角以使得其不垂直于入射光方向；面内小面32，其垂直于入射光方向；以及第二成角小面34，其被成角以使得其不垂直于入射光方向。第一和第二成角小面如所示造成光线重定向。它们然后被朝向第二表面上的对应的成角小面定向，该对应成角小面被成角以恢复原始的光线方向。然而，作为可替代方案，第二表面24可以为光线给出新的期望的预定义方向，而不是恢复入射射束方向。

除了每一个表面上的面内小面之外，此示例示出每个表面上的两个成角小面，其中面内小面提供只有非常有限的菲涅尔反射的高效通过功能，成角小面提供射束交换功能。第二表面具有成角小面30’，其接收来自成角小面30的经重定向的光；面内小面32’，其接收来自面内小面32的通过的光；以及成角小面34’，其接收来自成角小面34的经重定向的光。相对倾斜的成角小面30、34位于法向取向的面内小面32的相对侧上的方式只是示例。

如将在下面的描述中见到的，使用成对布置的成角小面以提供光交换简化了面取向的设计以及两个表面的成角小面之间的映射。然而，表面之间的映射可以更复杂。

基本上，要求从第一表面的成角小面集合到第二表面的成角小面集合的一对一的映射。第一表面中的一个成角小面只能映射到范围内的第二表面中的成角小面。此范围将取决于材料的折射率（因为这限定了光弯曲角）以及板的厚度。在此范围内有多少可替换的成角小面将取决于各个成角小面的大小。

漫射器面板的每一个表面因此包含成角小面的阵列，并且每一个成角小面将它的入射光定向到第二表面上的分配的成角小面。

阵列的面内小面和成角小面优选地镶嵌，使得在一些示例中每一个面内小面和每一个成角小面是正方形、六边形、三角形或其它合适的形状。不同形状的成角小面可以在一个设备中使用以提供不规则的镶嵌。每一个成角小面可以具有平坦表面，其以相对于漫射器的整个平面的对应角度而取向，以产生期望的光线重定向，使得由第一表面22的成角小面重定向的光线终止于第二表面24上的已知位置。

为了保持光线方向处于控制之下，第一和第二表面之间应该存在确定性关系，使得第一表面上的每一个成角小面将它的光路由到第二表面上的对应的唯一成角小面。每一个光线于是通过第一表面上的一个成角小面和第二表面上的一个成角小面经历折射，其中第一表面上的这个成角小面和第二表面上的这个成角小面具有成角小面的对应配对的两个表面之间的映射。

现在将描述一种用于设计成角小面以提供两个表面之间的期望映射的方法。

首先，定义每一个表面上的成角小面的网格。以示例的方式，而不丧失一般性，将考虑正方形的成角小面的布置。

下面的算法定义成角小面的配对并且因此建立表面之间的映射。图3用于解释此方法。成角小面名字p _i和q _i指成角小面的面上坐标，而符号“主要（prime）”指第二表面。

该方法包含：

1. 随机选择第一表面上的成角小面p ₁。此随机选择可以由某些概率密度支配，例如，可以使得更可能首先选择位于入射射束的不均匀性的直接附近的成角小面。

2. 找到被允许与p ₁配对的第二表面上的成角小面。这些是位于距成角小面p ₁ '在半径r的范围之内的成角小面（其是与第一表面上正被考虑的成角小面正对的第二表面上的成角小面）并且是尚未与其它成角小面配对的成角小面。成角小面p ₁ '具有与p ₁相同的面上坐标，但是位于第二表面上。这组允许的成角小面包括成角小面p ₁ '自身。这样，可以定义一些通过配对。

3. 从这些允许的成角小面中，随机选择第二表面上的成角小面q ₁ '。此随机选择可以被某些概率密度支配，例如可以使得更可能选择位于与初始成角小面p ₁更远的成角小面，以高效利用用于光束的空间混编的半径r。

4. 将成角小面p ₁与q ₁ '配对。

5. 将成角小面q ₁与p ₁ '配对。此配对q ₁-p ₁ '与在步骤4中配对的配对p ₁-q ₁ '共轭。注意到，这只适用于不正对的配对。配对的该性质和对应的光线路径在图3的右边部分中示出。这样，成角小面被配对以提供光交换功能。

6. 重复步骤1-5，直到所有成角小面都被配对。

对于任何选择的成角小面，此方法总是使得位于第二表面上的成角小面能够与之配对。因此，此方法提供计算上非常简单的途径以定义期望的一对一映射，而此外包含一个成角小面只能与特定半径内的对应的成角小面配对的物理限制。该设计的随机元素改进了漫射性质的随机性。

共轭对的使用（使得光在位置对之间交换）简化了设计过程。然而，可以替代地使用更加复杂的网状型映射。该漫射器可以用于一般地随机化光，或者该漫射器可以考虑与之一起使用的光源而设计。

如上面提到的，半径r受到光线可以被第一表面的成角小面强烈折射的程度限制。因此，半径r取决于漫射器材料的折射率n和漫射器的厚度T。

在一个示例中，当漫射器表面是材料板的顶表面和底表面时，半径r由给出，其中α是最大的小面角，其是接近90度的值。在漫射器表面是一些其它表面的情况下，半径r的表达式将改变，但是它将仍然是表面间距离和折射率的函数。

上面的解释基于平行入射光的处理。空间漫射器可以用于处理非平行（发散）入射射束。对于发散的射束存在至少两个解决方案：

1. 第二表面24的成角小面以及该表面自身可以制造得更大，以跟进由于发散光束引起的第一成角小面到第二表面上的投射的增大。此途径在图4中图示。

2. 第一和第二表面上的成角小面的轮廓可以是弯曲的。这样，成角小面合并透镜功能。除了改变光线方向之外，第一和第二表面的成角小面可以另外地分别准直和去准直射束。此途径在图5中示出。在第一表面22上示出单个的成角小面，其与第二表面24上的单个的成角小面配对。如所示，成角小面具有弯曲的透镜状表面50、52。第一和第二表面上的透镜的能力可以取决于光束的发散角度而优化。具有弯曲轮廓的成角小面起作用以重定向射束，而且起准直和去准直射束的透镜的作用。

图6示出空间漫射器可能的使用的第一个示例。漫射器20直接应用到LED 60的顶部上，从而事实上增加了LED的大小而没有改变光束（图6(b)）或者以期望的方式改变它，但是没有增加展度（图6(a)）。空间漫射器也可以例如用于部分地混合多于一个LED的光。

在第二示例中，空间漫射器可以用作扁平射束均化器。这样的均化器可以放置在准直器或准直器阵列的顶部上以产生均匀的发光输出同时保持准直。

图7(a)示出漫射器的外观。在被仿真以提供图7(b)中示出的图像的一个示例中，空间漫射器为1.8mm厚且具有2000个六边形的成角小面。成角小面为100μm宽。可以使用更厚的空间漫射器以改进射束均匀性。

图7(b)示出离开准直器的初始不均匀的射束，并且示出该射束如何被改变以在离开空间漫射器之后变得更均匀得多。

本发明可以用在光照光学元件和照明应用中。它特别适合用于LED照明应用，因为它通过相对简单的手段解决了斑点、颜色混合/不一致以及眩光的问题。此外，在当前使用射束均化器的应用中，它可以替代庞大射束均化器而使用。

漫射器可以形成为单个板，例如被成型以提供期望的成角小面模式（pattern）。可替代地，可以存在被应用为表面层的中心核和成角小面模式。

漫射器应该尽可能薄以使尺寸保持低，但是漫射器越厚，其可以均匀化得越多。厚度可以受成角小面的精度限制。通过示例的方式，厚度可以处于1mm-200mm的范围中。每一个成角小面可以例如具有0.001mm-10mm的线性尺寸。一般地，一个设计目的是成为足够小的以使得用户不会清楚地看见粒度。另一方面，在一些情况中，可能期望的是将粒度视作设计特征。

待均匀化的LED出射窗可以是任何大小的，例如处于1cm-50cm的范围中。

不均匀性的规模和成角小面的数量之间存在关系。成角小面的大小应该小于不均匀性的规模。如果均匀性为出射窗的大小的量级，可以存在至少100个成角小面以覆盖该窗（10x10阵列）。举例来说，可能存在10³到10⁶个成角小面。

漫射器板可以例如由玻璃、熔融石英、透明陶瓷（例如YAG）、PMMA、硅树脂或聚碳酸酯制成。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，可以理解和达成对所公开实施例的其它变型。权利要求中，词语“包含”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一”不排除复数。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何参考标记不应当被解释成限制范围。

Claims

1.一种光漫射器，包含：

具有相对的第一主表面和第二主表面的材料板，其中所述第一主表面和第二主表面都包含导光元件的阵列，每一个元件包含具有相对于其相应主表面的相应成角取向的成角小面并且包含与其相应主表面位于平面中的面内小面，

其中通过所述第一主表面的成角小面的成角取向，在第一方向上照射在所述第一主表面上的光作为偏转光只被定向到所述第二主表面的相关联的成角小面，

其中照射在所述第二主表面的相关联的成角小面上的所述偏转光通过其成角取向在输出方向上重定向光，

并且其中所述第一主表面的至少一些成角小面具有相互不同的成角取向，以在相互不同的方向上将入射光定向到所述第二主表面的它们相关联的成角小面，并且

其中对于垂直于所述第一主表面照射的光，所述第一主表面的每一个第一成角小面只将所述光重定向到不正对所述第一成角小面的所述第二主表面的第二成角小面，位于与所述第二成角小面相对的位置处的所述第一主表面的第三成角小面只将所述光重定向到位于与所述第一成角小面相对的位置处的所述第二主表面的第四成角小面。

2.如权利要求1所述的光漫射器，其中所述第一主表面中的每一个成角小面将入射光定向到所述第二主表面的对应的配对的成角小面，其位于以所述第二主表面上的正对的成角小面为圆心的预定半径之内。

3.如前述权利要求中任一项所述的光漫射器，其中所述面内小面和所述成角小面镶嵌以填充所述漫射器的区域。

4.如权利要求3所述的光漫射器，其中所述成角小面是正方形或六边形的。

5.如权利要求1、2和4中任一项所述的光漫射器，其中所述成角小面是平坦的表面。

6.如权利要求1、2和4中任一项所述的光漫射器，其中所述成角小面包括透镜状表面形状。

7.如权利要求1、2和4中任一项所述的光漫射器，其中所述第二主表面具有比所述第一主表面更大的面积。

8.如权利要求1、2和4中任一项所述的光漫射器，其中所述第二主表面的成角小面具有比所述第一主表面的成角小面更大的面积。

9.一种LED灯布置，包含：

LED照明设备；以及

如前述权利要求中任一项所述的漫射器。

10.如权利要求9所述的布置，其中所述LED照明设备包含多个LED，其中所述漫射器用于混合所述LED输出。

11.如权利要求9或10所述的布置，包含位于所述照明设备和所述漫射器之间的准直器。

12.一种制造光漫射器的方法，所述光漫射器包含具有相对的第一主表面和第二主表面的材料板，其中所述第一主表面和第二主表面都包含导光元件的阵列，每一个元件包含具有相对于其相应主表面的相应成角取向的成角小面并且包含与其相应主表面位于平面中的面内小面，

其中照射在所述第二主表面的相关联的成角小面上的所述偏转光通过其成角取向而在输出方向上重定向光，其中所述方法包含：

随机选择所述第一主表面上的第一成角小面；

在与所述第一成角小面相对的所述第二主表面上的位置的预定半径之内，随机选择所述第二主表面上的第二成角小面，并且将这些定义为对应的第一对；

将位于与所述第二成角小面相对的位置上的所述第一主表面的第三成角小面和位于与所述第一成角小面相对的位置上的所述第二主表面的第四成角小面定义为第二对；

重复所述定义步骤，直到所有成角小面被配对；以及

通过在所述第一主表面中形成成角小面，制造所述光漫射器，所述成角小面将入射光定向到所述第二主表面中的对应配对的成角小面。

13.如权利要求12所述的方法，其中随机选择第二成角小面包含应用概率密度函数以使更可能选择位于距所述第一成角小面更远处的第二成角小面。

14.如权利要求12或13所述的方法，其中所述面内小面和所述成角小面镶嵌以填充所述漫射器的区域。