CN107667255A - 使用光导的照明系统和照明方法 - Google Patents

Abstract

照明系统使用侧光式波导。底部具有细长的光提取特征的集合以用于将光从光导朝向反射器耦出，该反射器将光反射回到光导中。光导的顶面充当照明系统的输出。在一些实例中，它具有细长的射束成形特征的集合，该细长的射束成形特征与光提取5特征的集合基本上正交地延伸以用于离开顶面的光的射束成形。

Description

使用光导的照明系统和照明方法

技术领域

本发明涉及使用光导来限定光输出的照明系统。

背景技术

光导（也称为波导）通过利用该光导提供全内反射来捕捉光。这通过控制光进入光导的角度以及具有合适折射率的材料的选择来实现，该折射率必须高于典型地为空气的周围材料的折射率。

用于显示器的后照明和前照明的侧光式光导是众所周知的，并且它们是廉价的和鲁棒的。

已知的侧光式光导被设计成提供跨越光导整个表面的光输出的最大均匀性。

图1示出侧光式光导10的示意性图像。光导包括波导材料，例如具有顶面10a、底面10b和侧边缘10c的固体材料板。存在图1中无法看到的顶边缘和底边缘，因为图1的横截面是在横向侧到侧方向上取得的。光导在平面图中一般为矩形。

从图1的左侧，光从光源12被耦入，并且在光导的底部处放置若干光耦出（即，光提取）特征14。光在具有高度H的光导内部按照角 θ_in传播。在该示例中，耦出特征14被绘制为半棱镜，其具有半顶角α、高度h和宽度w。

光导形成为由例如玻璃或聚碳酸酯制成的电介质板。在该板中，边界处的全内反射在光传播的同时使光保持受限。板的边缘典型地用于耦入光并且小光耦出特征14局部地将光耦合出光导。光提取在光撞击具有散射属性的表面时被实现，或者在光撞击改变光在板内行进的角度以使得入射角变得小于（相对于法线的）临界角的表面时被实现。

除LCD背光照明之外，现在光导也被用在办公室照明器以及室外照明中。这些新应用也意味着与在显示应用中使用的基于平板的光导的背离。

如LCD背光照明的实例所期望的那样，光导完美地适合于将光均匀地散布在大的表面区域上。

然而，应用在基于LED光照系统中的光导还要求射束成形以使眩光保持在足够低的水平。由EN-12464规范（其第1部分涉及照明或室内工作场所）描述眩光规定，比如统一眩光值（UGR）和所谓的L65性能（其是在相对于照明器表面的法线的65度视角处照明器的以cd/m²为单位的亮度）。

使用单个光导系统并且基于非准直光输入，不可能在所有方向上创建具有角度截止的低眩光射束。

图2示出了如在一些照明器和背光灯中使用的光导系统的另一示例的配置。如在图1的示例中，它具有光提取特征14，其在该示例中包括处在透明光导板外侧上的丝网印刷或喷墨印刷的漆点（paint dot）。光再次在光导的一个或多个边缘（直的或弯曲的）处注入。

当小漆点（典型地<1mm）在表面上的尺寸或密度变化时，可以优化视觉均匀的发光表面。然而，光以低效方式从光导中被提取，并且在给出高炫光的所有角方向上逃逸。图2还示出了反射器背板20，用于回收从光导的错误侧逃逸的光。

因此，存在对一种基于光导的照明系统的需要，该照明系统允许在所有方向上创建截止，但不要求准直光的耦入。

US2002135996公开了一种平面光源装置，其包括布置在包括光提取特征的光导管的边缘处的光源，该光源装置进一步包括布置成将从光导提取的光重定向成向回穿越光导的反射片。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据一个示例，提供了一种照明系统，包括：

光导，其具有顶面和底面以及在顶面和底面之间延伸的外边缘；

照明布置，其用于将光耦合到光导的外边缘的至少一个中；以及

反射器，其布置在具有漫反射功能的底面下方，

其中该光导包括处于底面上的细长的光提取特征的集合以用于将来自光导的光朝向反射器偶出，

每个提取特征并排地并且基本上在照明布置的全长度之上延伸。

在这方面中，基本上意指针对照明布置的全长度的至少80％。在这方面中，细长的意指光提取特征具有与其宽度w和/或其高度h相比相对较大的长度l，例如l是w和/或h的至少10倍、20倍、50倍或100倍，例如250倍。方便地，光提取特征为柱状。

光导执行两个功能。第一个是优选地从底面朝向反射器提取光。在反射之后，相同的光导功能充当光透射板。它可以例如主要以与法线成低角度（例如小于60度）透射光，并且该光透射然后实现射束成形功能。通过每个光提取特征连续地并且基本上在照明布置的全长度之上延伸的特征，与由US2002136996的已知光提取特征产生的眩光（的风险）相比，降低了关于由所述光提取特征的端面引起的串扰和不期望的反射/折射的风险。

该光导和反射器布置例如能够使用来自靠近波导边缘放置的标准的非准直（“朗伯（Lambertian）”）LED的光。因此，为了设计适当的工作系统，不需要对光的预准直。然而，来自例如激光光源的准直光的使用同样是可能的。例如，多个彩色激光器的使用是已知的。

在顶面上可以存在细长的射束成形特征的集合，其在与光提取特征的集合成85度和95度之间延伸，以用于对离开顶面的光的射束成形。这些可以用于提供光输出的角控制。

然后，光输出特性取决于反射属性和新入射射束与光导的相互作用，包括在例如具有射束成形特征集合的顶面上的该射束成形特征集合。该顶面充当照明系统的光输出面。

系统可以通过对光提取特征集合、反射器的属性和系统的不同组件的间隔的适当设计而被设计具有可定制的外观和射束轮廓。当射束成形特征的集合被使用时，它也影响光学输出特性。

光提取特征和射束成形特征的正交性或近似正交性意味着底面上的那些光提取特征和射束成形特征主要在耦出最初耦入的光时是活动的（因为它们被跨越耦入光的入射方向布置），并且它们影响包括入射方向的平面中的角展度。顶面上的射束成形特征主要负责使垂直于入射方向的平面中的使输出射束成形。因此，它们可以被一起设计以实现期望的3D定向光输出功能。因此，特制的射束可以被设计成在所有方向上具有选定的截止。

光导系统可以制作成具有低轮廓并且易于构造。它使得非准直光源能够被使用，例如没有准直的LED。

最初进入波导的光的至少95％、以及甚至更优选地至少98％可以从底面朝向反射器耦出。这是通过设计顶面来为光导内部的光提供全内反射来确保的。因此，光仅有意地从底面被提取--尽管将会出现一些光泄漏。这种光泄漏可以通过设计保持在5％以下或甚至2％以下。于是，光输出特性可以通过对由反射器实现的漫射功能以及顶面的射束成形特征（当它们也被使用时）的设计来控制。

一种气隙例如被提供在光导的底面与反射器之间。

该气隙的尺寸影响了顶面上的射束成形特征的所需的间隔，并且因此是系统的总体设计的一部分。气隙的主要目的是创建均匀照射的背反射器，并且因此创建照明器的均匀外观。对于反射器的均匀光照和恒定的间距（p），间隙尺寸g可以例如满足以下关系：

。

反射器可以是白色漫反射器。这易于制造。可替换地，反射器可以是在顶部之上具有漫射器的镜面反射器。该漫射器可以包括高斯漫射器，以（更好地）获得高度期望的德尔塔（Δ）状强度图案。

细长的光提取特征优选地与光在其中耦合到光导中的边缘近似平行地（例如，在平行的5度内）延伸。它们因此面对入射光，并且针对最初耦合光执行光提取功能。细长的光提取特征可以包括与照明布置的长度并排延伸的细长柱，每一个细长柱具有矩形或渐变式矩形横截面。可替换地，它们可以具有半圆形横截面。该横截面垂直于细长的长度方向。

对于矩形或渐变式矩形的柱，具有最大宽度w、高度h，并且光导的材料具有折射率n，可以满足以下关系：

公式1

该公式可以用更简单的形式重写，因为：

并且

于是

公式2

公式1和2的组合导致：

。

这些关系使得几乎所有光能够从光提取特征中被提取，而不是被内部地反射到顶面，在顶面处光然后可以在被传递到反射器之前逃逸。

如果柱以平均间距p（该间距可以是恒定的）布置，则优选地：

。

这帮助减少串扰。

如果柱具有渐变式横截面，则锥角优选地小于10度，更优选地小于5度。

光导优选地包括基本上完全地（即，超过至少80%）从顶面上一个外边缘延伸至与其相对的外边缘的细长射束成形特征的集合；射束成形元件的长度方向，其在与光提取特征的集合成85度和95度之间延伸，以用于对离开顶面光的射束成形。

细长的射束成形特征优选地垂直于光在其中耦合到光导中的边缘而延伸。这意味着它们平行于光插入波导中的方向而延伸，并且由此不针对最初耦入光执行提取功能。细长的射束成形特征可以包括细长的棱镜结构，其例如具有背对顶表面的棱镜顶点。

照明布置优选地包括在光导的一个边缘处或在光导的一对相对的平行边缘处提供的LED布置。

本发明还提供了一种照明方法，包括：

将光耦合到光导的至少一个外边缘中，该光导具有顶面和底面以及在顶面和底面之间延伸的外边缘；

使用并排且基本上在底面上的照明布置的全长度之上延伸的细长的光提取特征的集合将光从光导的底面耦出；

使用具有漫反射功能的反射器反射从底面传递出的光，从而使漫反射光返回到光导中；

发出漫反射光作为来自光导的顶面的输出光。

该方法利用光导以用于两个相继的光处理功能，以便实现在两个正交方向上对从侧光式光导输出的射束形状的定向控制。

附图说明

现在将仅以示例的方式参考附图描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了使用侧光式光导的已知背光设计的第一示例；

图2示出了使用侧光式光导的已知背光设计的第二示例；

图3示出了发明的照明系统的透视横截面；

图4示出了底面上的光提取特征集合的一个示例的几何参数；

图5示出了离开底面的光的光强度分布；

图6示出了来自底面的光提取的效率如何取决于底面上的光提取特征集合的几何结构；

图7示出了来自照明系统的顶面的可能的光输出强度分布的一个示例；

图8示出了来自顶面的光输出的均匀性；

图9示出了来自照明系统的顶面的可能的光输出强度分布的另一示例；以及

图10示出了底面上的光提取特征集合的另一示例的几何参数。

具体实施方式

本发明提供一种包括使用侧光式波导的照明系统。底部具有细长的光提取特征的集合，以用于将光从光导朝向反射器耦出，该反射器将光反射回到光导中。来自照明系统的光输出来自顶面。顶面可以具有细长的射束成形特征的集合，其与光提取特征的集合基本上正交地延伸以用于对离开顶面的光的射束成形。

图3中示出了本发明的基本特征。

照明系统包括光导30，其在平面图中例如具有矩形（或方形）形状，并且形成为光学透明材料的板。光通过LED 32的阵列从一个边缘或一对相对的边缘被耦合到光导中。这些不需要准直输出，并且可以例如发射朗伯光输出。

在一些示例中，光导具有在板的两个面上的光学特征。光导具有在1mm至4mm范围内的典型厚度，并且可以例如由聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）、聚碳酸酯（PC）或玻璃制成。所有周围边缘是光学平滑的。

反射板34被提供在光导30下方，并且这可以用漫反射表面形成，例如白色漫反射表面。反射表面可以由涂层形成，或者反射器可以由白色漫反射材料形成。

气隙36被提供在反射板34和光导30之间。

光导具有在底面上的光提取特征38和射束成形特征40，光提取特征38各自并排延伸超过LED阵列的全长度的至少90％，射束成形特征40各自在顶面上延伸超过两个相对边缘31之间的距离的实际100％。顶面是从其中投射光输出的光导的前侧。

在顶面上的射束成形特征40例如包括线性光学特征，比如棱镜或透镜状透镜。它们沿着在相对边缘之间延伸的方向取向，其中那些边缘包括光在其处被耦合到光导中的一个或多个边缘。这在图3中被示出为x方向。

射束成形特征和光提取特征可以形成为光导的组成部分，或者它们可以作为单独的膜或层被应用。

在图3中，线性棱镜40被应用在光导的顶面上或者被形成光导的顶面。

通过示例的方式，棱镜可以是对称的，其中基底宽度为1mm并且顶角为112度。

LED也在x方向上具有它们的光轴，使得光导内的一般光方向在x轴方向上。LED输出不需要被准直，因此在光导的平面中（即在平面图中）以及还在顶部-底部平面（即图3中所示的视图）中存在以x轴为中心的输出角度范围。然而，该角度范围可以被充分限制，使得有很少或没有从光导的顶部直接耦出的光。

将存在向前方的轻微光“泄漏”，但这将不会显著地影响到性能。一些射线在光导中具有复杂路径。一些可以从一个底部光提取特征行进到另一底部光提取特征（“串扰”），并且然后通过光导透射到照明器的前侧，而不行进到反射器。用于底部光提取特征的足够高的h/w值有助于将泄漏减少到非常低的水平，即h/w优选地在1.1 <= h/w <= 2.7的范围内，以一般地将泄漏量限制于至多2％。

此外，菲涅尔反射有助于该泄漏。菲涅尔反射可以通过在光导表面上应用抗反射涂层来在很大程度上消除。

通过确保在板处存在到空气界面的全内反射，在光导中被捕获的并且撞击线性顶部射束成形结构40的光将不会从光导中逃逸。这独立于所选择的线性结构的类型（例如棱镜或透镜）。

当光导管的全顶面覆盖有这些线性射束成形特征时，实现了光学眩光的最佳控制。棱镜特征的横截面尺寸对于光学性能而言是不重要的，但确定了灯具的视觉印象。因此，除了宏观特征（在毫米（mm）范围内）以外，也可以使用微观特征（横截面尺度在10至100μm范围内）。光导的尺寸例如可以是数百毫米的数量级，例如600mm×600mm是用于天花板拼块照明系统的典型尺度。

光导的底部具有光提取特征38，其具有垂直于顶面上的线性射束成形特征40取向、即在y方向上的矩形特征的形式。它们具有矩形横截面，即在如所示的x-z平面中。这垂直于光传播的一般方向。一般地，矩形特征覆盖光导的全宽度（y方向）。这些光提取特征40的高/宽比和间距确定光照系统的性能。

图4更详细地示出了矩形光提取特征的结构。如所示，每个光提取特征具有高度h（在光输出方向上，即垂直于板的平面，即z方向）和x方向上的宽度w（或在渐变式形状的情况下的最大宽度w）。特征之间的间距为p（或平均间距为p，如果它不是常数的话），并且板具有深度D。

对于到光导的后侧的完全光提取、即至少98％以及因此至多2％的光泄漏，高宽比应当至少满足公式1。在公式1中，n是光导材料的折射率。

光提取特征38之间的间距p是另一设计参数。当特征太靠近时，发生光学串扰，并且具有“错误”角度的光透射到光导的顶侧且可以生成眩光。因此，特征之间的间距应该足够大以避免过多的串扰。间距的粗略准则为：

公式3。

图5的曲线示出了基于光导的两个相对边缘上的LED阵列从光导的底侧逃逸的光的强度轮廓。曲线50是从（没有反射器的）光导逃逸的光的x-z平面中的强度轮廓。强度轮廓示出几乎所有的光都可以被提取到光导的底侧。再次，与可以使用宏观结构（毫米范围）一样，也可以使用微结构（10-100μm）。

图6以图形方式示出作为高宽比和间距的函数的到顶侧的光泄漏的百分比。

曲线60针对间距15mm，曲线62针对间距10mm，并且曲线64针对间距5mm。这三条曲线针对矩形截面形状。曲线66针对10mm的间距，但其中3度的倾角应用到相对侧以使得形状变成梯形。该倾角在图4中被示出为β，并且所述特征逐渐减小到在其远离板的端部处的较薄尺度。

锥角例如小于10度，更优选地小于5度。

在给定的间距处，存在最佳高宽比，在最佳高宽比的情况下，到顶面的光泄漏最小。一般地，光泄漏可以被限制为小于1％。当特征是轻微地渐变的时，光泄漏增加但仍是可接受的。

完整的照明系统包括光导30、气隙36和反射器34。光导运输光并且将光仅耦出到光导的后侧。随后，光在反射器板34处漫散射。该散射光经由光导的顶（前）侧上的线性棱镜特征逃逸。

顶面上的这些棱镜特征形成射束。图7中示出了射束输出的示例。这基于具有白色漫射背反射器并具有下述的照明系统：

面积600mm x 600mm

间距p = 1.5mm

宽度w = 0.1mm

高宽比h /w = 2

板深D= 3mm

顶表面棱镜基底宽度= 1mm

顶表面棱镜顶角= 112度

气隙= 25mm。

曲线70示出了在x方向上（即在x-z平面中，平行于顶侧棱镜的长度）的强度分布，并且曲线72示出了在y方向上（即在y-z平面中，平行于底侧突起的长度）的强度分布。

如所示，存在对在两个正交方向上（以及因此之间的所有方向）的输出射束的角控制。

光导执行两个功能。首先，光导运输光并将光耦出到仅一侧。第二，相同的光导充当光透射板，其透射已被反射器漫反射的光。在优选示例中，反射器属性和可选的顶侧射束成形特征的射束成形属性可以仅针对相对于板的法线具有例如小于60度的低角度的射束引起光透射。

图7中描绘的射束形状涉及600mm×600mm的照明拼块，并且在UGR = 17和L₆₅=2600cd/m²下典型地产生4000 lm。

UGR和L₆₅值被用于办公室照明的当前眩光标准（UGR_max=19，L₆₅<3000 cd/m²）完全接受。

图8用于以图形方式表示均匀性。它在平面图（x-y平面）中示出了照明系统顶面，并且示出光导顶侧正上方的照度（lm/m²）。它将照度示出为灰度图像（图像80），并且还具有沿x轴（曲线82）和沿y轴（曲线84）的强度与位置的关系的曲线图。在该示例中，在照明系统的整个区域之上，均匀性变化小于10％。

存在针对上述基本实施例的许多可能的替代方案。下面讨论若干可替换的功能。

可以在顶侧上使用形成射束成形特征40的许多不同类型线性结构。示例是棱镜、透镜（透镜状）结构以及棱镜和透镜结构的组合。表面结构也可以具有不对称的横截面形状。

可以使用具有不同色温的LED。由于通过光导且至/自背反射器的相对长的光路，光混合是极好的。

来自底面的光耦出均匀性和光学效率可以通过在x方向上在光提取特征的密度中形成梯度来优化。用这种方式，间距p在x方向上变化。可替换地，在恒定的间距处，光提取特征的尺寸可以在x方向上变化（保持恒定的h /w比）。

光导可以粘合到反射板（取代使用气隙，或也使用气隙）。如果光提取特征足够大（并且h/w足够大），几乎没有光接触光提取特征的顶部。因此，可以构造光导层压件。

粘合过程通常可能不是非常准确和精确。足够高的h/w比避免了耦出光与粘合层之间的任何相互作用。

图9示出了强度分布可以如何改变。这可以例如通过改变反射背板的属性来实现。图9示出了对应于图7的曲线。曲线90示出了x方向上（即在x-z平面中，平行于顶面棱镜的长度）的强度分布，并且图92示出了y方向上（即在y-z平面中，平行于底面突起的长度）的强度分布。

图9涉及与图7相同的系统，但具有与顶部上的高斯漫射膜组合的镜面反射背板（即镜面表面），它们之间没有光学接触。在该示例中，该膜将平行射束扩展成具有20度的高斯展度σ的的高斯分布。

因此，给出图9响应的设计具有：

面积600mm x 600mm

间距p = 1.5mm

宽度w = 0.1mm

高宽比h/w = 2

板深D = 3mm

顶表面棱镜基底宽度= 1mm

顶表面棱镜顶角= 112度

气隙= 25mm。

如图9中所示，获得了高度期望的三角形（Δ）状强度图案。当光导仅在一个耦入侧上具有LED时，获得不对称的射束形状，而图9示出了基于相对的LED布置的对称响应。

背反射器也可以通过丝网印刷或3D印刷的反射特征进行修改。反射器也可以包含发光材料。该发光反射器可以与能够激发该波长转换材料的光源（例如蓝色LED）组合。

上述示例利用底面上的矩形或渐变式矩形光提取特征。图10示出具有半圆形横截面形状的半柱体形式的光提取特征100。

顶面上的射束成形特征可能是非常小和浅的，例如可以限定微妙的线性（装饰）结构。随着顶面上的射束成形特征的光学功能减少，照明系统产生的强度轮廓可以例如趋向朗伯分布。

在限制下，如果例如朗伯强度轮廓是期望的，顶面上可能没有任何射束成形特征。然后，光学功能主要通过反射器的特性来实现。因此，光导的顶面上的射束成形特征是可选的。

光源的外观可以受到光提取特征和射束成形特征的安置以及背反射器的类型（金属板上的白色的丝网印刷图案等）的影响。底面上的光提取特征可以具有可变长度，并且它们可以以各种图案和布置进行布置。底面上的光提取特征应当在y方向上取向。

本发明对室内和室外LED光照系统二者感兴趣。上面给出的示例关注办公室照明系统，但本发明并不意在限于这样的应用。

根据对附图、本公开内容和所附权利要求的研究，本领域的技术人员在实施要求保护的发明时可以理解并实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种照明系统，包括：

光导，其具有顶面和底面以及在顶面和底面之间延伸的外边缘；

照明布置（32），其用于将光耦合到光导的外边缘的至少一个中；以及

反射器（34），其布置在具有漫反射功能的底面下方，

其中所述光导包括处于底面上的光提取特征（38）的集合以用于将来自所述光导的光朝向反射器耦出，每个光提取特征并排地并且基本上在照明布置的全长度之上延伸。

2.如权利要求1所述的照明系统，其中所述光提取特征包括具有长度l、最大宽度w和高度l的柱，其中长度l至少是宽度w和/或高度h的100倍大。

3.如任一前述权利要求所述的照明系统，进一步包括处于所述光导的底面与所述反射器之间的气隙（36），所述气隙具有大于所述光提取特征之间的平均间距的1.5倍的高度。

4.如任一前述权利要求所述的照明系统，其中反射器（34）是白色漫反射器或具有顶部之上的高斯漫射器的镜面反射器。

5.如任一前述权利要求所述的照明系统，其中光提取特征（38）在与光被耦合到所述光导中的边缘成-5度和+5度之间延伸。

6.如任一前述权利要求所述的照明系统，其中细长的光提取特征（38）包括与所述照明布置的长度并排延伸的柱，每个柱具有矩形或渐变式矩形横截面。

7.如任一前述权利要求所述的照明系统，其中光导的材料具有折射率n，并且其中：

。

8.如任一前述权利要求所述的照明系统，其中所述照明提取特征以平均间距p布置，并且其中：

。

9.如权利要求6、7或8所述的照明系统，其中每个照明提取特征具有小于10度、更优选地小于5度的锥角的渐变式横截面。

10.如任一前述权利要求所述的照明系统，其中光提取特征（38）包括与所述照明布置的长度并排延伸的柱，每个柱具有半圆形横截面。

11.如任一前述权利要求所述的照明系统，其中所述光导包括处于所述顶面上的射束成形特征（40）的集合，所述射束成形元件的长度方向在与光提取特征的集合成85度和95度之间延伸以用于离开顶面的光的射束成形，并且每个射束成形特征基本上完全从顶面上的一个外边缘延伸到顶表面上的相对的外边缘。

12.如权利要求11所述的照明系统，其中所述射束成形特征包括棱镜结构。

13.如任一前述权利要求所述的照明系统，其中所述照明布置包括提供在所述光导的一个边缘或一对相对的平行边缘处的LED（32）布置。

14.一种照明方法，包括：

将光耦入光导的至少一个外边缘中，所述光导具有顶面和底面以及在顶面和底面之间延伸的外边缘；

使用并排地且基本上在底面上的照明布置的全长度之上延伸的光提取特征的集合，将光从光导的底面耦出；

使用具有漫反射功能的反射器反射从底面传递出的光，由此使漫反射光返回到光导中；以及

发出漫反射光作为来自光导的顶面的输出光。

15.如权利要求14所述的方法，其中，从光导的顶面提供输出光包括使用基本上完全地从一个外边缘延伸到顶面上相对外边缘的射束成形特征的集合，所述射束成形元件的长度方向在与光提取特征的集合成85度和95度之间延伸，由此使离开顶面的输出光射束成形。