CN108302402A - 一种超薄平面型控光板及led照明装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超薄平面型控光板，该控光板为层状结构，包括棱镜微结构平板和金字塔微结构平板。棱镜微结构平板和金字塔微结构平板之间具有光学粘胶。该棱镜微结构平板的一面具有周期性排列的第一凸起部，该第一凸起部的截面形状包括半圆形、半椭圆形、三角形和梯形中的任意一种，该棱镜微结构在横向或纵向的一个方向上具有微结构特征进行控光。该金字塔微结构平板的一面具有周期性排列的第二凸起部，该第二凸起部的形状为棱锥、圆锥、半椭球形或复合形状中的一种或两者以上的形状，复合形状是上部为球形下部为锥形、上部为球形下部为梯台型，或上部为圆柱形下部为棱柱形的形状，该金字塔微结构在横向和纵向的两个方向上均具有微结构特征进行控光。
Description
技术领域
本发明涉及微结构光学设计领域，尤其涉及一种超薄平面型控光板及LED照明装置。
背景技术
为了适应各种环境的不同照明需求，LED照明装置中需要利用二次或者多次光学控制器件改变其光学输出以满足不同应用场景的照明需求。例如，路灯由于灯杆间距大而对光学透镜或光学反射器采用大角度照明设计，商场照明因为要凸现商品而对光学透镜或光学反射器采用小角度照明设计，办公环境由于需要柔和均匀的光分布而对光学透镜或光学反射器采用水滴型光学照明设计等。即，不同的光学照明环境需要设计不同形状的光学控制器件。二次或者多次光学控制器件通常是各种光学透镜和光学反射器等。如图1所示的LED照明装置，外壳1中设置印刷电路板3，印刷电路板3上设置至少一个LED芯片2，二次光学控制器件为光学透镜10，位于LED芯片2上方，罩盖4将LED芯片封在外壳1中。
另外，为了适应不同的LED光源(即LED颗粒大小，封装和LED出光特性均有差异)，传统的照明设计方法需要分别设计不同尺寸的光学透镜或光学反射器以与对应的LED光源匹配。因此，当LED光源产生变化后，针对某一种LED设计的二次或者多次光学控制器件无法继续使用，二次或者多次光学控制器件的通用性差，需要重新设计并制造二次或者多次光学控制器件，从而大大提高了LED照明装置的成本，限制了LED的广泛应用。
同时，传统的光学设计方法和光学器件的尺寸厚度一般在10毫米到几百毫米，无法适应LED光源在几个毫米的尺度内的轻薄化发展，也极大的限制了LED的广泛应用。
此外，由于LED光源集中的光学输出导致LED照明装置的表面亮度非常高，传统的光学设计很难有效控制眩光，使使用者感觉非常刺眼，眩光很强，这也制约了LED的广泛应用。
因此，亟需一种能够通用于不同LED光源的设计方法和新的光学器件，并能适用不同应用场景的照明需求、尤其是小角度照明需求并能够克服眩光问题的光学控制器件及LED照明装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通用型超薄平面型控光板，所述控光板为层状结构，包括棱镜微结构平板和金字塔微结构平板，所述棱镜微结构平板和所述金字塔微结构平板之间具有光学粘胶。在任意排列的郎伯型光(LED光源或其他平面型发光光源)入射时，角度可控制到60度以下，解决了现有技术中平面轻薄型发光光源下传统光学部件尺寸太大无法适配的问题。
本发明的另一目的在于提供一种LED照明装置，其包含：外壳，设置在外壳中的印刷电路板，设置在印刷电路板上的至少一个LED芯片，与所述至少一个LED芯片电连接的LED驱动电源，以及将LED芯片封在外壳中的罩盖，所述LED照明装置还包括设置在所述罩盖的上表面的超薄平面型控光板，以控制所述LED光源的光学输出达到特定应用场景的照明要求。
本发明提出的超薄平面型控光板可在1mm的平面内达到不同应用场景的光束控制需求，特别地，角度控制可以达到60度以以下，可以匹配各种超薄平面型发光光源的不同聚光控光应用需求。
附图说明
图1是现有的LED照明装置的结构示意图；
图2是根据本发明的较佳实施例的LED照明装置的结构示意图，其中(a)为直下式，(b)为侧发光式；
图3是本发明的一实施例的超薄平面型控光板(棱镜/金字塔复合微结构)的剖面示意图；
图4是本发明的另一实施例的超薄平面型控光板(棱镜/棱镜/金字塔复合微结构)的剖面示意图；
图5是第一凸起部的各种截面形状的示意图；
图6是第二凸起部的各种形状的立体图；
图7是本发明的超薄平面型控光板(棱镜/金字塔复合微结构)的光学输出分布示意图；
图8是本发明的超薄平面型控光板(棱镜/棱镜/金字塔复合微结构)的光学输出分布示意图；
图9是本发明的棱镜微结构平板的一个实施例的立体图；
图10是本发明的金字塔微结构平板的一个实施例的立体图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。
图2中，1表示外壳，2表示LED芯片，3表示印刷电路板，4表示罩盖，5表示超薄平面型控光板。
如图2所示，本发明具有超薄平面型控光板的LED照明装置包含：外壳1，设置在外壳1中的印刷电路板(PCB)3，与印刷电路板3连接的至少一个LED芯片2，与LED芯片2电连接以驱动LED芯片发光的LED驱动电源(图未示)，以及设置在LED芯片上方的罩盖4和超薄平面型控光板5(仅为示意图)，以控制LED芯片2的光学输出达到特定应用场景的照明要求。图2中，(a)为直下式，即芯片2位于外壳1底部的PCB3上；(b)为侧发光式，即芯片2位于外壳1的侧面。
具体地，外壳1为高散热压铸铝材质，压铸或挤出成型，具备良好的散热性能。PCB板上设置的LED芯片2的数量可以为一个或多个。LED芯片2可以为大功率、中功率或小功率贴片芯片，并且可以采用串联，并联或者串并结合的方式贴片在印刷电路板3上。印刷电路板3与直流驱动电源相配合，驱动LED芯片发光达到照明效果。
图3是本发明的一实施例的超薄平面型控光板(棱镜/金字塔复合微结构)的剖面示意图。本发明中超薄平面型控光板5包括棱镜微结构平板6和金字塔微结构平板7，所述棱镜微结构平板6和所述金字塔微结构平板7之间具有光学粘胶8。这里，如图3所示，金字塔微结构平板的不具有微结构的一面与棱镜微结构平板的具有微结构的一面之间设置光学粘胶8。
所述棱镜微结构平板6的一面具有周期性排列的第一凸起部61，为半圆形、半椭圆形、三角形或梯形(见图5)，所述棱镜微结构只在横向或纵向的一个方向上具有微结构特征进行控光。参见图9是本发明的棱镜微结构平板的一个实施例的立体图。该实施例中，第一凸起部61的截面形状是三角形，每个第一凸起部呈山脊状沿横向或纵向的一个方向上延伸，各第一凸起部(条状凸起部)之间互相平行。
该第一凸起部61较佳的高度是1微米-2毫米。这个范围之外的加工会很困难，无法大规模生产。如果高度太高会造成材料的极大浪费，产品尺寸也会变得厚重，不利于产品的广泛应用。这里的高度是指第一凸起部61的顶点至底面的距离。
该第一凸起部61的高度与宽度的比例的范围为0.1-5。这个范围之外达不到很好的光学控制输出。这里的宽度是指第一凸起部截面底边的长度。
所述金字塔微结构平板7的一面具有周期性排列的第二凸起部71，为棱锥形、半椭球形中一种或两种以上的形状(见图6)。其中，这里的棱锥形包括圆锥形、三棱锥形、四棱锥形、五棱锥形、六棱锥形、七棱锥形、八棱锥形等。另外第二凸起部71还可以是兼具前述两种以上形状的复合形状。具体地，包括下部是棱锥形上部是球形的形状，以及下部是梯台形上部是球形的形状。所述金字塔微结构在横向和纵向的两个方向上均具有微结构特征进行控光。图10是本发明的金字塔微结构平板的一个实施例的立体图。
该第二凸起部71较佳的高度是1微米-2毫米。这个范围之外的加工会很困难，无法大规模生产。如果高度太高会造成材料的极大浪费，产品尺寸也会变得厚重，不利于产品的广泛应用。这里的高度是指第二凸起部71的顶点至底面的距离。
该第二凸起部71的高度与宽度的比例的范围为0.1-5。这个范围之外达不到很好的光学控制输出。这里的宽度是指第二凸起部底面内切圆的直径。当第二凸起部为棱锥形或梯台形时，底面形状为多角形，则第二凸起部的宽度为多角形的内切圆的直径。
本发明中，所述光学粘胶的厚度在所述第一凸起部的高度的50％以内，所述光学粘胶的折射率小于1.5。在这个高度内空气层可以更好的与微结构发生光的折射作用达到控光效果。光学粘胶的折射率需配合微结构基材的折射率配置，大于1.5后接近基材的折射率，无法产生光学折射效果。光学粘胶可以是丙烯酸物质，丙烯酸酯类物质等，但是不仅限于这两类。
本发明的超薄平面型控光板5的较佳的厚度为10微米-5毫米。优选地，厚度为50微米-3毫米；进一步优选地，厚度为100微米-2毫米。低于这个范围或者高于这个范围都会使得超薄平面型控光板的制作加工变得很困难。
针对相同LED光源，通过改变或调整第一凸起部和第二凸起部的形状、大小(高度、宽度等)、排列的重复周期及组合方式，能够使得照明装置满足不同的照明需求。例如，球形和三角锥凸起部适合办公照明和商业照明，复合形状凸起部适合定向照明的广场照明。这样，通过在LED照明装置的罩盖4上附接不同的超薄平面型控光板，就可以满足不同的照明需求，而不再需要设计传统的二次或多次光学控制器件，减少了LED照明装置内部的光学元件，使得LED照明装置的体积更小型、紧凑，同时降低了LED照明装置的成本。另外，当LED芯片本身发生变化，例如种类、封装形状、大小、高度、排列、间距等改变时，不再需要像现有技术那样重新设计二次或多次光学控制器件，原来的微结构薄膜和板材同样可以适用。因此，本发明的照明装置提高了光学部件的通用性，拓宽了LED的应用范围并降低了LED照明装置的成本。图4是本发明的另一实施例的超薄平面型控光板(棱镜/棱镜/金字塔复合微结构)的剖面示意图。即，在图3所示的实施例的基础上，在所述棱镜微结构平板6的与金字塔微结构平板7相反的一侧还具有一层棱镜微结构平板6，两层棱镜微结构平板6之间具有所述光学粘胶8。
图7和图8是前述两个实例的光学输出分布示意图。图形中的深色实线为空间中0-180度剖面的光强分布图，浅色实线为空间中90-270度剖面的光强分布图。圆环为等光强分布圆环，光强单位是坎德拉(cd)。穿过圆环的射线为等角度线，角度的单位是度(degree)。0度是灯具正下方的位置。
具体地，图7是超薄平面型控光板(棱镜/金字塔复合微结构)的光学输出分部示意图。根据图7的光学输出分布示意图所示，这种光学分布适合应用在办公，工业，酒店，超市，商场等需要控制角度照明的应用场景，控光角度在59度，地面照度非常均匀。同时，发光面均匀，光线柔和，无眩光。
具体地，图8是超薄平面型控光板(棱镜/棱镜/金字塔复合微结构)的光学输出分部示意图。根据图8的光学输出分布示意图所示，这种光形适合应用在办公，工业，酒店，超市，商场等需要控制角度照明的应用场景，控光角度在53度，光能更多的会聚到工作面，利用系数高。同时，发光面均匀，光线柔和，无眩光。
本发明中，超薄平面型控光板的材料可以是各种光学透明的塑料聚合物材料，并加入添加剂以达到更好的材料特性。塑料聚合物材料包括PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、PC(聚碳酸酯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PS(聚苯乙烯)、PP(聚丙烯)、PMS(共聚甲基丙烯酸甲酯苯乙烯)和PEI(聚醚亚酰胺)。还可以在超薄平面型控光板的材料中加入扩散材料以满足不同的光学需求。
本发明中，LED照明装置还可以进一步包括其他光学反射膜、反射器、反射涂层和反射腔体等，进一步提高系统的光学效率。例如在印刷电路板3和/或外壳1的一部分上附接反射光学薄膜/板材(未图示)。
本发明中的超薄平面型控光板及其照明装置不仅仅适应于LED照明设计，也适用于其他各种光源，如荧光灯，高压钠灯或者其他类似的光学应用。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
Claims (9)
1.一种超薄平面型控光板，其特征在于，所述控光板为层状结构，包括棱镜微结构平板和金字塔微结构平板，所述棱镜微结构平板和所述金字塔微结构平板之间具有光学粘胶，
所述棱镜微结构平板的一面具有周期性排列的第一凸起部，所述第一凸起部的截面形状包括半圆形、半椭圆形、三角形和梯形中的任意一种，所述棱镜微结构在横向或纵向的一个方向上具有微结构特征进行控光，
所述金字塔微结构平板的一面具有周期性排列的第二凸起部，所述第二凸起部的形状为三棱锥、四棱锥、五棱锥、六棱锥、七棱锥、八棱锥、圆锥、半椭球形或复合形状中的一种或两者以上的形状，所述复合形状是上部为球形下部为锥形、上部为球形下部为梯台型，或上部为圆柱形下部为棱柱形的形状，所述金字塔微结构在横向和纵向的两个方向上均具有微结构特征进行控光。
2.根据权利要求1所述的超薄平面型控光板，其特征在于，所述第一凸起部和第二凸起部的高度与宽度的比例范围为0.1-5。
3.如权利要求1所述的超薄平面型控光板，其特征在于，所述周期性排列的第一凸起部和第二凸起部的周期长度为1微米-2毫米。
4.根据权利要求1所述的超薄平面型控光板，其特征在于，所述第一凸起部和第二凸起部的高度为1微米-2毫米。
5.根据权利要求1所述的超薄平面型控光板，其特征在于，所述控光板的厚度为10微米-5毫米。
6.根据权利要求1所述的超薄平面型控光板，其特征在于，所述光学粘胶的厚度在所述第一凸起部的高度的50％以内，所述光学粘胶的折射率小于1.5。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的超薄平面型控光板，其特征在于，在所述棱镜微结构平板的与所述金字塔微结构相反的一侧还具有一层棱镜微结构平板，两层棱镜微结构平板之间具有所述光学粘胶。
8.一种LED照明装置，包含：外壳(1)，设置在外壳(1)中的印刷电路板(3)，与印刷电路板(3)连接的至少一个LED芯片(2)，与所述至少一个LED芯片(2)电连接的LED驱动电源，以及将LED芯片封在外壳(1)中的罩盖(4)，其特征在于，所述LED照明装置还包括设置在所述罩盖(4)的上表面的权利要求1～7中任一项所述的超薄平面型控光板，以控制LED光源的光学输出达到特定应用场景的照明要求。
9.如权利要求8所述的LED照明装置，其特征在于，还包括附接在所述印刷电路板(3)和/或所述外壳(1)的一部分上的反射光学薄膜/板材。
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