CN109863440B - 可调整射束发光体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于提供可配置静态照明或可动态调整的照明的发光体。所述发光体使用对经由对应源阵列或经由边缘照明式光导所提供的光起作用的聚焦元件阵列。提供用于调整由所述发光体产生的不同射束的数目以及所述射束的角宽、角分布型及指向角的设计。还提供在各种应用中利用所述可调整发光体的系统的设计。

Description

可调整射束发光体

政府许可权利

在政府支持下依据由高级能源研究计划署(ARPA-E)(能源部的分部)授予的合约DE-AR0000332制成本发明。政府拥有本发明的某些权利。

相关申请案的交叉参考

本申请案主张以引用方式并入本文中的以下美国临时申请案的优先权：克里斯多夫·格拉登等人于2016年9月26日提出申请的第62/399,911号；由芭芭拉·克鲁泽等人于2017年1月31日提出申请的第62/452,381号；由彼得·谢列兹尼于2017年2月11日提出申请的第62/457,819号。

技术领域

本发明涉及光学器件，具体来说涉及用于控制照射中的射束性质的光学系统。

背景技术

方向性照明在许多情况下是重要的，举例来说，为工作场所中的作业区提供照射、加亮零售空间或艺术展览中的物体、照射走道及室外道路以及更多的应用。提供调整照明方向性的选项的常用灯具通常包含可环转以指向所要方向的照射“头部”。多个头部通常包含于单个灯库中或例如轨道照明系统的可配置系统中。对来自每一头部的输出射束的角展度的调整通常通过装设具有所要输出射束宽度的电灯泡来实现。

在乔斯弗·福德的PCT/US2014/057873“微结构化波导照射器”及威廉M.梅莱特、格伦M.舒斯特及约瑟夫E.福特的“具有受控方向性及发散度的平面波导LED照射器”(光学快报，第22卷，第S3期，2014年(梅莱特等人))中揭示现有技术的平面可调整发光体设计。此设计提供具有广泛可调整性的紧凑小轮廓形状因子的潜在优点。发光体使用与折射透镜或反射体(“聚焦元件”)阵列配合的具有周期性提取特征的边缘照射式光导。通过调整提取特征及聚焦元件的相对位置，可操纵射束的方向且可调整输出射束的角宽。图1提供此设计的分解视图。其包含由光源11照射的光导10，在此实例中，光源11由发光二极管(LED)20及相关联耦合器光学器件18构成。光导10可为如图1中所展示的连续模式类型或阶梯模式类型。在任一情形中，光导包含提取特征12的周期性阵列。这些特征使光反射或散射，使得其不再被捕获在光导的导模中且替代地离开光导以与聚焦折射透镜阵列24相互作用。图1中所展示的提取特征是反射的且优选地经塑形为棱镜以使经导引光朝向聚焦元件偏转，但也可经塑形为圆锥体、半球或其它形状。所述提取特征大致位于聚焦元件的焦面中，使得由提取元件散射的光基本上由聚焦元件准直。折射透镜阵列24由全部在单个平面中的个别折射透镜25构成。透镜25在光离开发光体进入环境之前将所述光基本上准直。

图2是使用反射聚焦元件的现有技术的可调整发光体的一部分的横截面视图。反射体阵列14由具有反射涂层19的填充电介质的反射透镜15构成。一个提取特征12与每一反射透镜相关联。来自光源11的光在光导10中经导引。一些光由提取特征12偏转以离开导引件10且进入反射体阵列14。这些光射线13反射离开反射涂层19从而变得部分准直，且接着在作为输出光射束16离开发光体之前渡越穿过光导10。应注意，为了视觉清晰而未在图2中描绘从光源11发出且在导引件10内行进的光射线；仅展示由提取元件12中的一者偏转的实例性光射线13。

图3A-3C是展示现有技术的发光体中的实例性四透镜折射聚焦元件阵列的射线轨迹图。所述图证明对发光体的输出射束的特性的控制。每一个别透镜25用于将由对应提取特征12反射或散射的光基本上准直，使得所述光作为窄角宽的方向性射束16发射到环境中。通过使提取特征12及透镜25的相对位置变化而实现对个别射束16的方向性的控制。此可通过使透镜阵列24相对于光导中的提取特征12平移而实现。随着提取特征12的位置从透镜25的中心(如在图3A中)移动到边缘(如在图3B中)，将输出射束16操纵为从垂直于光导的平面到高角度。

如果阵列24中的所有透镜在光学配方中是完全相同的且相对于其对应提取特征12具有相同定向，那么所有输出射束16将指向相同方向。在所述情形中，所有聚焦元件都有助于指向单个方向的窄聚合射束。或者，如果阵列24中的透镜相对于提取特征12阵列扭转，如图3C中所展示，那么输出射束16中的每一者将指向稍微不同方向。在所述情形中，聚合输出射束17为以不同方式指向的射束的和且产生较宽聚合射束。因此，通过使聚焦元件阵列及提取元件阵列的相对位置平移且扭转而提供对射束指向及聚合射束宽度的独立控制。在折射及反射聚焦元件两者的情形中应用相同机制。

现有技术描述此设计的数个实施方案，包含使用机动化致动器及控制系统来提供对可调整发光体的输出特性的远程控制。现有技术还描述光导中的可切换材料的使用，此提供对提取特征的位置及存在的像素化控制。现有技术描述用于控制此情况的机制，借此将具有电可调整折射率的液晶材料层放置于光导的面上。在其低折射率状态中，此材料用作包覆层以使光保持局限在光导内。像素化电极允许其局部地切换到高折射率状态，从而允许光与倾斜镜阵列局部地相互作用且从导引件射出。此提供用于对提取特征的位置的局部控制的机制。可用固定透镜阵列实施所述设计以在不具有移动部件的情况下提供可操纵发光体设计。

梅莱特等人也论述替代光导而使用点状LED源阵列，但教示所述理念在其各种实施例中是不实际的。将所述理念描述为具有比包括光导的系统厚的形状因子，绝对不允许使用反射透镜，且不能够匹配包括光导的系统的效率及总亮度。梅莱特等人指定Cree XM-L2 LED的使用，Cree XM-L2 LED为具有高集成硅圆顶的大LED且其图式描绘圆顶状LED。

虽然上文所描述的现有技术与常规可操纵发光体相比较提供主要优点，但其仍遭受影响特定应用的实施的各种限制。这些限制包含(i)比一些应用所期望的宽的射束宽度，(ii)每发光体提供仅单个可调整射束输出，(iii)限定为正方形或几乎正方形形状因子以便经由扭转维持全范围的射束宽度控制，及(iv)以极其低效率来执行。

发明内容

此申请描述用于实现且优化可调整发光体的若干个发明。

根据优选实施例，提供其中可调整或配置所发射光的方向、形状及展度的发光体。

对本发明的本质及优点的进一步理解可通过参考说明书的剩余部分及图式来实现。

附图说明

图1提供现有技术的可调整发光体的分解视图。

图2提供现有技术的可调整发光体的区段的横截面视图。

图3A提供在提取特征在聚焦元件下方居中的情况下现有技术的可调整发光体的区段的射线轨迹及输出光射束的射线轨迹描绘；图3B提供其中提取元件平移到聚焦元件的边缘的视图；图3C提供其中提取元件阵列相对于聚焦元件阵列经扭转的视图。

图4提供具有位于提取特征处的降频转换材料的可调整发光体的区段的横截面视图。

图5提供具有直射光源照射的可调整发光体的透视图。

图6提供具有与每一聚焦元件相关联的多个提取特征的可调整发光体的区段的横截面视图。

图7A及图7B提供具有伸长提取特征且产生在一个轴上比另一轴宽的射束的可调整发光体的两个正交横截面视图。

图8A提供发光体的横截面视图，所述发光体具有并非全部共享相同周期性的提取特征及聚焦元件且产生不对称输出射束；图8B提供实例性不对称射束强度分布型。

图9提供经延伸发光体的横截面视图，所述经延伸发光体具有不全部共享相同周期性的提取特征及聚焦元件且产生会聚输出射束。

图10提供具有反折射聚焦元件的可调整发光体的区段的横截面视图。

图11提供具有输出射束宽度的z轴调整的可调整发光体的区段的横截面视图。

图12提供具有部分地透射反射体涂层的可调整发光体的区段的横截面视图。

图13提供具有多个可独立控制的输出射束的可调整发光体的横截面视图。

图14A提供具有多个附接位置的模块化可调整发光体的透视图；图14B提供用于提供可操纵方向性照明的附接件的横截面视图；图14C提供用于提供宽向下照明的附接件的横截面视图；图14D提供用于提供宽向上照明的附接件的横截面视图。

图15提供具有可变附接位置的模块化可调整发光体的横截面视图。

图16提供具有输出射束操纵及展度的凸轮驱动调整的可调整发光体的俯视图。

图17提供具有眩光减少枢转百叶窗的可调整发光体的横截面视图。

图18提供邻近于光导具有保护覆盖层的可调整发光体的横截面视图。

图19提供具有耦合到光导的多个类型的有源元件的可调整发光体的透视图。

图20提供包含可调整发光体以及任选手动及自动化控制系统及传感器输入的可调整照射系统的示意图。

图21提供安装到车的面板中的可调整发光体的视图。

图22提供安装于飞行器的翼的底侧中的可调整发光体的视图。

图23A-23B展示具有三维提取特征的不同定向的波导。

图24A-24B展示具有两个二维提取特征(一个为半色调的(图24A)，另一个经填充(图24B))的波导。

图25展示经抖动而以少50％的能量形成单个均匀射束(类似于完全经填充圆形提取特征的输出)的50％经填充提取特征阵列。

图26提供可配置光场发光体的横截面视图。为了清晰而省略来自光源的光射线。

图27提供可配置光场发光体的透视图。为了清晰而省略光源。

图28A-28B提供经透射定制光场的实例。在图28A中展示耦合特征阵列，其中每一六角形对应于单个透镜。在图28B中以角度空间来标绘发光体的输出。

图29提供使用折射光学器件的光场发光体的横截面视图。

图30提供使用反折射光学器件的光场发光体的横截面视图。

具体实施方式

第一部分：光源

1a：用远程降频转换材料进行边缘照明

可在边缘照明式发光体装置中使用各种光源。除其它源以外，这些源还包含发光二极管(LED)及激光二极管(LD)源。这些光源是吸引人的，因为其是小的且可以高光学效率来操作。为了提供全光谱白光，通常与一或多种降频转换材料(例如将光的一部分转换为较低能量较长波长光的磷光体)一起利用这些源。在一些装置中，将降频转换介质直接放置于LED或LD装置上以形成发白光组件。将降频转换材料放置为远离LED源会通过减少往回散射到LED源中的光量而改进效率。而且，一些降频转换材料在存在于LED或LD装置处的升高温度下操作不良，且替代地在远离装置的位置处最好地利用。在其中光多次横越系统(例如在边缘照明式发光体中)或其中经涂覆磷光体的光源放置于彼此附近(例如在紧密间隔开的光源阵列中)的任一光学系统中，由光源发射的蓝光数次遭遇降频转换材料且光的平均颜色朝向降频转换材料发射的颜色且远离颜色的合意普朗克(Planckian)黑体轨迹而移位；此成为实际问题，因为颜色移位高度取决于给定系统的设计且不可容易地且经济地获得用以抵消颜色位移的必要颜色的光源。

在图4中展示经改进发光体设计。其具有存在于提取位置处的降频转换材料5，从而替换或增加光源11中的降频转换材料的使用。远离源11的降频转换材料的此实施方案准许性能比其它可能高的降频转换材料的使用。提取位置处的降频转换材料吸收入射于其上的一些光，且接着以较低能量发射光。其也可用于在不具有吸收的情况下使一些入射光散射或反射。降频转换材料经优化使得组合的经散射及降频转换光实现所要输出光谱。其可为经设计以调适此光谱的不同化合物的混合。另外，降频转换材料可经塑形成例如圆锥或棱柱的形状以便优化导引件内的捕获及方向性散射及重新发射性质。最后，降频转换材料可实施为施加到镜面或散射提取特征(与现有技术的那些相似)的涂层。

1b：直照

图5描绘包含光源30阵列的发光体设计，每一光源30耦合到反射透镜15。光源30可为任何类型，但优选地为达成紧凑度及效率的LED或LD。垂直腔表面发射激光二极管(VCSEL)为光源的另一选项。在所有情形中，光源以电气方式且通过热扩散元件连接成网络。电连接将电力带给光源以驱动所述光源，且热扩散元件用于将热投送远离所述源以降低操作温度。电连接及热扩散元件可任选地组合成单个结构或甚至组合成单个元件。这在图5的实例性系统中展示，其中金属芯印刷电路板(MCPCB)条带32将个别光源30连接成排，从而提供电连接及热扩散元件两者。

有利的是：设计系统使得光源30的发射面积比反射透镜15的面积小得多，从而使得聚焦元件能够产生窄角宽的射束。举例来说，聚焦元件的直径可为源的发光区的直径的大致5到20倍。也可通过选择不具有任何显著囊封透明圆顶的光源30来显著最小化光源30的发光区及厚度；举例来说，小且平坦的非圆顶LED或芯片级封装式LED，如在图5中经图解说明为光源30。

可用折射或反射聚焦元件来实施此设计。当用反射体阵列14(如所展示)来实施时，最小化电连接及热扩散元件的面积也是有利的，因为这些将遮蔽经反射光且降低系统光学效率。在一个优选实施例中，发光体包括MCPCB 32及作为光源30的小且平坦LED以最少化遮蔽，如图5中所展示。

直照式设计使用排列光源30替代边缘照明式设计中使用的光导及提取特征。然而，其共享相同可调整功能性。通过使聚焦元件阵列相对于光源阵列平移而实现聚合射束操纵，且可通过使聚焦元件阵列相对于光源阵列扭转而实现聚合射束加宽。

直照式设计的优点是：其可在小形状因子中以高光学效率来实施。由于对从光导提取光的要求，因此边缘照明式设计可要求特定长度的阵列以便实现目标光学效率。而且，边缘照明式设计要求光导10的特定厚度以在由塑性材料制作时维持平坦形状，在由任何透明材料制作时具有对抗破裂的充足机械韧性，且提供来自光源11的光的充分耦入；举例来说，此厚度可为1.5mm到5mm且所要厚度随着光导10的大小增加而增加。相比之下，可用阵列中的任一数目个光源(包含甚至仅单个光源)来产生直照式设计。也可将直照式设计产生为薄设计或比等效边缘照明式设计薄，其中厚度通常为0.7mm的小且平坦LED用作光源30，其中MCPCB 32的厚度通常为1.0到2.0mm，同时具有优于边缘照明式设计的优良平坦度及对破裂的阻力。

此申请的剩余者提供对可调整方向性发光体的光学及系统设计的额外改进。这些一般在使用光导设计的实施方案中经描述，然而应理解，在许多情形中其可使用直照式设计等效地实现。

1c：几何结构

现有技术仅考虑与聚焦元件阵列相关联的单个提取特征阵列。经改进发明允许在单个光导中且与单个聚焦元件阵列相关联的多个提取特征阵列。这些多个提取特征阵列可全部以与聚焦元件阵列相同的周期性为特征，使得每一聚焦元件与多个提取特征相关联且因此以多个不同操纵角度输出多个输出射束。聚焦元件阵列相对于光导的平移因此同时操纵所有多个不同输出射束。图6展示具有与每一反射透镜15相关联的两个提取特征12的系统。这两个特征产生两个不同输出射束3及4。本发明也可通过将多个光发射体放置于每一聚焦元件的焦面内而在直照式发光体中实现。

现有技术仅考虑在光导的平面中具有大致统一纵横比的提取特征，例如在光导的平面中占据正方形区的棱镜。经改进发明允许在一个轴上伸长的提取特征的使用。此产生不对称的输出射束，从而在一个轴上具有宽射束展度且在垂直轴上具有窄射束展度。此在图7A及7B中经展示，图7A及7B在两个正交横截面视图中描绘发光体。提取特征21在图7A的横截面中较窄且在图7B的横截面中较宽，从而在所述轴上为伸长的。此产生在一个轴上窄(如图7A中所展示)且在第二轴上宽(如图7B中所展示)的输出射束16。伸长率可任选地延伸到聚焦元件的整个宽度。本发明也可通过利用伸长光源或排列成伸长图案的多个光源而在直照式发光体中实现。

现有技术仅考虑规则提取特征及聚焦元件阵列，其全部具有相等大小且精确地共享相同周期性。经改进发明允许使用变化周期性及大小的提取特征及聚焦元件以便形成所要射束分布型。

举例来说，现有技术的顶置式发光体将产生对称射束，所述对称射束在投射到垂直墙上时产生不均匀亮度的伸长投射点。针对此应用而设计的经改进发光体可通过如下方式来抵消此情况：调适阵列内的提取特征及聚焦元件的大小及相对位置以产生不对称射束。每一提取特征产生输出射束，且聚合输出射束为这些个别射束的和。阵列可设计有不匹配周期性，使得由不同聚焦元件产生不同指向角的射束。可通过调整以每一角输出的聚焦元件的数目而调适聚合射束跨越这些不同射束角的强度以便提供所要不对称射束分布型。可使用上文所描述的相同机制来操纵且加宽不对称射束。

在图8A中展示实例性发光体。提取特征150共享反射体阵列14的周期性且相对于其相关联聚焦元件而居中，而提取特征151不共享聚焦元件阵列的周期性且经扩展使得每一提取特征151以不同方式对准到其相关联聚焦元件，在此情形中对准范围介于从居中到在一个边缘处偏移。所得输出射束分布型152(如图8B中所展示)具有主要由提取特征150形成的中央波瓣且由于提取特征151而在一个方向上不对称地延伸。

本发明的另一用途是提供随着聚焦元件阵列中的位置而以确定性方式变化的射束指向。举例来说，可期望在线性形状因子中以高纵横比提供可操纵聚光灯的发光体。此发光体可具有介于12英寸与36英寸之间的实例性长度。为了从此经延伸源提供小聚光灯，可期望使射束沿着阵列的长度指向不同方向，使得其趋向于朝向在距发光体的典型使用距离处的点会聚。此可(举例来说)通过沿着发光体的长度将提取特征阵列的间距设计为稍微大于反射聚焦元件阵列的间距来实现。此在图9中经展示，图9描绘其中提取特征12的周期性稍微大于反射体阵列14的周期性的发光体。因此，来自阵列的端的射束160及164趋向于朝向中心会聚，从而与射束162组合以在距发光体的所要距离处形成窄点。

应注意，这些发明也可通过使光源阵列及聚焦元件阵列的大小及周期性变化而在直照式实施例中实现。

第二部分：聚焦元件

2a：反折射光学器件

现有技术可操纵发光体描述单个折射透镜阵列(如在图3A-3C中)或反射体阵列(如在图2中)的使用。图10描述新选项：使用组合反射体阵列50与折射透镜阵列51两者的反折射光学器件。一个反射体及一个折射透镜与每一提取元件12(或与每一光源，如果在直照式配置(未展示)中使用)相关联。提取特征12坐落于由反射体及折射透镜阵列制成的经组合聚焦元件的大致焦面处。反射体阵列50及折射透镜阵列51保持彼此永久对准，且相对于光导提取特征12移动以便提供射束操纵及射束加宽。组合反射及折射元件准许在比以仅单个类型的聚焦元件可实现的更宽的输出角范围内维持更窄输出射束。这是因为组合式反折射系统维持比以单个聚焦装置可实现的更平坦的焦场。虽然图10描述本发明的边缘照明式实施例，但其也可通过利用光源阵列而非边缘照明式光导中的提取特征阵列而在直照式配置中实现。

2b：聚焦元件设计

现有技术设计设想以旋转方式对称因此提供对称输出射束的聚焦元件。额外选项是使用聚焦元件，所述聚焦元件具有在两个主要轴上由不同曲率半径及不同非球面术语表征的圆环面。此产生椭圆形输出射束，此在各种情景中可为有利的。在此设计的极端情形中，可将聚焦元件制成为圆柱形的，使得其仅在一个轴上提供聚焦，从而使另一轴不聚焦。可受益于椭圆形输出射束的应用实例包含线性空间(例如走廊)的照明及垂直表面(例如壁挂式艺术)的照明，其中椭圆形射束形状可用于对抗对称射束在投射到垂直表面上时变得拉伸的趋势。

第三部分：射束控制

3a：z轴射束展度控制

现有技术描述使用扭转致动来使聚合输出射束的角发散度变化。我们在此处描述用以控制输出射束发散度的替代机制。图11展示使用反射体阵列14及具有提取特征12的边缘照明式光导10的系统。可使反射体阵列14与光导10之间的间隙60动态地变化。如此操作会致使提取特征12移入及移出14中的反射体元件的焦点，从而致使输出射束16变窄及变宽。因此，通过使反射体阵列14相对于光导10在垂直于光导10的方向(“z轴”)上平移而提供射束宽度调变。此外，对射束宽度的此平移控制可在期望的情况下与平面内扭转致动组合。虽然图11描述本发明的边缘照明式实施例，但其也可通过利用光源阵列而非边缘照明式光导中的提取特征阵列来在直照式配置中实现。

3b：经组合方向性及全方向性照明

可期望组合可调整窄射束方向性光与一定量的宽角度普通照明。在此处呈现用于实现此目的的各种机制。

一种机制是引入随机分布于光导中的散射元件，使得经导引光的分率散射而出且形成宽角度聚合射束。散射元件也可在期望的情况下放置于聚焦元件阵列中。

在图12中展示另一机制。此设计使用反射体阵列14以及部分透明且部分反射的反射涂层70。在此系统中，经透射穿过反射涂层70的光的部分在形成宽射束上照光的宽向上射束71中离开，而所反射的射束的部分形成可调整方向性下照光射束16。虽然图12描述本发明的边缘照明式实施例，但其也可通过利用光源阵列而非边缘照明式光导中的提取特征阵列来在直照式配置中实现。

第四部分：多节段设计

现有技术预期具有单个可调整聚合输出射束的发光体。图13描绘新系统设计，其可包含多个可独立调整的反射体阵列14。与在与反射体阵列14中的每一者对应的多个阵列中具有提取特征12的矩形光导10一起利用反射体阵列。光导由光源11边缘照明，光源11可存在于光导的一个或更多个侧上，其中未照侧任选地由反射材料涂覆以增加光学效率。反射体阵列14中的每一者产生可独立地指向且经由平面内平移及扭转及/或z轴平移而调整的单独聚合输出射束。系统在从共同光源及单个灯具提供若干个可独立调整的方向性光中是唯一的且新颖的。对于边缘照明式系统，可与多个独立阵列一起使用的较长光学路径长度增加系统的光提取效率。

应注意，如果期望，那么以多个可独立调整的输出射束为特征的类似系统可替代反射体阵列而使用折射透镜阵列及/或替代图13中所展示的边缘照明式系统而利用直照式几何结构来实现。

图14A描绘其中光导10具备提取特征12的多个阵列的模块化系统，每一此阵列为模块化输出装置提供附接位置100。通过选择邻近于光导放置的附接件，可利用每一此位置100来形成方向性射束或宽区射束。在图14B、14C及14D中展示所述附接件。其可通过任一数目个手段邻近于光导而附接。一个实例性附接机制是使用磁吸引来将附接件固持于适当位置中，同时仍准许其被平移及扭转以达成输出射束控制。此磁性附接方案使用分别在光导10周围嵌入于框架110中且嵌入于附接部件中的磁性材料111及112。磁性材料111及112中的至少一者为永久磁铁，而另一者可为铁磁材料。附接件的安装维持光导与附接件之间的间隙。此间隙可填充有空气或另一低折射率材料以用作光导的包覆层。

如果图14B中所展示的反射体阵列14邻近于位置100中的光导而放置，那么其将提供如较早描述的可调整方向性光输出。可通过使附接件在框架中抵靠磁性材料111滑动而定位所述附接件，从而允许反射体阵列14相对于提取特征12平移及扭转。

图14C展示另一附接选项：宽区反射体101。此反射体由任选透明层102及反射层103形成。反射层103本质上可为镜面反射或散射的。在任一情形中，宽区反射体101在附接位置100中的放置产生宽向下射束输出。

图14D展示另一附接选项：上照附接件104。上照附接件由任选透明层105及使光漫射的任选漫射层106组成。上照附接件104在附接位置100中的放置产生宽射束上照输出。此输出也可通过使附接位置100不具有附接件来实现。

另一选项(未展示)为通过利用部分地透射且部分地反射涂层来提供上照与下照的组合的附接件。

此处所提供的设计产生可提供多个可调整方向性射束以及宽射束上照及下照的可配置发光体。节段可由用户重新配置以提供所期望的这三个的任何组合，且随着时间而视需要重新调整所述组合。虽然图14A-14D描述本发明的边缘照明式实施例，但其也可在直照式配置中通过利用光源阵列而非边缘照明式光导中的提取特征阵列来实现。

在图15中展示对此系统设计的额外修改。在此情形中，在不具有提取特征的情况下提供光导10。替代地在单独提取阵列材料120中准备提取特征12阵列。每一提取阵列材料120由刚性或挠性材料的透明层组成，其中单个提取特征12阵列嵌入于其中。提取阵列材料120可放置于光导10上所期望的任何地方以便产生用于光输出的附接位置100。在每一此位置中，可放置(如所展示)反射体阵列14，或可使用其它附接件。可与单个长光导一起利用多个提取阵列材料120，从而允许方向性输出射束沿着轨道放置于所期望的任何地方。为了确保有效光提取，提取阵列材料120必须在不具有空气间隙的情况下与光导10配合，使得光从光导10渡越到提取阵列材料120中。为促进此，提取阵列材料可并入有透明粘合剂层，或可由有效地“粘附”到光导10的材料制成。

第五部分：致动

射束性质的调整通过变更聚焦元件阵列及光导与其提取特征阵列的相对放置及定向来实现。许多机械配置针对这两个件的相对位置的手动或机动化调整是可能的。图14A-14D中所展示的磁性安装方案为一个此类系统。可用手通过如下方式使聚焦元件阵列相对于光导移动：直接或用任一种类的手柄附接件使其滑动。举例来说，从聚焦元件阵列突出的手柄附接件可与枢轴组合以提供操纵杆类型致动机构。

图16展示准许光导及聚焦元件阵列的相对定向的调整的另一机械配置的俯视图。反射体阵列14与安装到固定框架126的三个凸轮(121、122及123)接触。通过叶片弹簧124而抵靠凸轮固持反射体阵列。反射体阵列的一侧与单个凸轮121接触。此凸轮的旋转位置控制阵列在一个轴(在此处标记为“x”轴)上的平移。阵列的垂直侧与两个凸轮122及123接触。透镜阵列的“y”轴平移通过共同调整凸轮122及123来控制且由其平均延伸来设定，而透镜阵列的扭转旋转通过单独调整凸轮122及123来控制且由这两个凸轮的延伸之间的差来设定。所述凸轮可连接到旋钮以用于对射束方向及宽度的手动控制，或连接到电动机以用于自动化控制。图16描绘与反射体阵列的边缘接触的凸轮及叶片弹簧，但其也可从其它位置对反射体阵列起作用，举例来说对附接到反射体阵列的中心的小突出部起作用。此设计将通过允许凸轮及叶片弹簧装配于反射体阵列及/或光导的周界内而提供更紧凑发光体形状因子。此外，可用用于提供恢复力的其它机构(例如盘簧、可压缩材料等)替换叶片弹簧。此外，应注意，虽然图16描述本发明的边缘照明式实施例，但其也可通过利用光源阵列而非边缘照明式光导中的提取特征阵列来在直照式配置中实现。

射束指向及眩光控制

发光体可经配置以通过大致约束聚焦元件阵列相对于光导或光源阵列的平移而允许在仅一个轴上或在两个轴上的射束指向。此外，整个发光体可安装于框架中以在一个或两个轴上环转，以提供额外射束指向机制。举例来说，具有矩形形状因子的发光体可经设计以在框架中围绕其长轴环转且经由聚焦元件阵列相对于光导或光源阵列的平移提供在另一轴上的射束指向。

本文中所描述的发明的优点是：发光体提供在方向性射束外部具有最少眩光的高度方向性光。尽管如此，但可期望遮蔽发光体输出以进一步减少眩光。图17提供具有集成百叶窗以提供此眩光减少的系统的实例。百叶窗130由不透明材料制成且借助枢转连接器131附接到框架元件110及反射体阵列。当使反射体阵列14平移以操纵射束时，百叶窗130自动倾斜以阻挡在经操纵射束外侧的光。虽然图17描述本发明的边缘照明式实施例，但其也可通过利用光源阵列而非边缘照明式光导中的提取特征阵列来在直照式配置中实现。

在图18中展示减少眩光且改进发光体性能的额外发明。覆盖层190邻近于光导10而放置在与反射体阵列14相对的侧上，且在光导的区的大部分内通过间隙191与光导分开。间隙191可填充有空气且通过使用将覆盖层190固持为与光导10分开的框架、通过放置于光导10与覆盖层190之间的小间隔件、通过覆盖层的自然表面粗糙度或通过这些或其它方案的任何组合来维持。或者，可由另一低折射率材料填充间隙。间隙优选地足够大以确保光导10内的全内反射，使得光导10的经导引模式内的非常少的光进入覆盖层190。对于可见波长光，间隙优选地大于2微米。对于具有反射聚焦元件的系统(如图18中所展示)，覆盖层190优选地制成为透明的。覆盖层190的功能将保护光导10以免积累灰尘、油、指纹及类似者，灰尘、油、指纹及类似者可使经导引光散射且增加系统眩光。

第六部分：额外功能性

上文所描述的发明达成可操纵方向性发光体中的新功能性。其提供使可操纵聚光灯具有射束展度控制的能力，所述可操纵聚光灯不需要外部移动部件且提供紧凑平坦形状因子。其使得能够从单个发光体提供且由共同光源驱动多个此类可操纵灯。其允许可调整聚光灯以高纵横比的线性形状因子设置于发光体中。其提供可针对各种使用情形经调适的不对称射束分布型。

可以许多方式将额外功能性添加到可操纵发光体。

在光导系统中，多个类型的有源元件可耦合到光导的边缘。举例来说，图19展示其中三个类型的有源元件180、181及183耦合到光导的系统。在一个实例中，180、181及183可为不同光谱的光源--举例来说，不同颜色或不同色温的LED。不同光源类型可连接到单独驱动器，使得其可被独立控制。以此方式，可使光的输出颜色或色温变化。此配置的另一实例性用途是使有源元件类型中的一者成为可在调整发光体的射束指向时用作指示器的有色光源，且使其它有源元件成为在正常发光体使用中用于照射的白色光源。

有源元件中的一或多者也可为光传感器。这些传感器测量从不同方向入射于发光体上的光，其中射线往回行进穿过光学系统达到传感器。调整发光体的方向或射束宽度因此也调整光传感器的方向及注视场。此可具有众多用途。举例来说，在光源关断的情况下，可以一图案操纵系统以扫描环绕发光体的区且在每一方向上测量亮度。接着可接通光源且视需要设定射束方向及宽度以便使区照射成为所要分布型。

嵌入式光传感器的另一用途是针对光学通信。红外(或其它波长)传感器及/或发射体可集成于发光体中且用于方向性光学通信。

虽然图19描述本发明的边缘照明式实施例，但其也可通过将各种有源元件类型分布于光源阵列中而非将其放置于含有提取特征阵列的光导的边缘上而在直照式配置中实现。

第七部分：系统实施方案

宽范围的系统实施方案针对上文所描述的装置是可能的。图20展示此系统的大体示意图。可操纵发光体200可连接到手动控制系统220及自动化控制系统210，自动化控制系统210可自身连接到感测系统230。手动控制系统允许操作者对照射效应的动态控制，且自动化控制系统响应于传感器输入而提供照射效应的经编程变化及/或对照射效应的动态控制。下文描述一些特定设计选项；应注意，列表不够完善。

7a：经优化以在移动平台上使用的设计

由此装置提供的可调整照射在移动平台上具有大值。在一个实施例中，发光体安装于载具(例如汽车或轮船)的外部上。发光体可用作可操纵聚光灯/探照灯。与需要万向机动化座架的常规可操纵聚光灯不同，这些发光体为薄且平坦的，从而使得其能够安装到载具的结构中，例如安装于车辆的门板或前格架中或轮船的外部上。举例来说，图21展示安装于车202的门中的可操纵发光体200。系统可进一步包括用于控制光射束的方向及展度的用户接口(举例来说，指向操纵杆)及控制发光体输出的微控制器。

在第二实施例中，可操纵发光体面板安装于空中载具上，例如无人飞行器的翼的底侧上。举例来说，图22展示安装于飞行器203的翼中的可操纵发光体200。如此安装的发光体可用于提供载具下面的地面区的可控制照射。红外光源在此系统中的使用将为夜视系统提供相当大值的可控制红外照射。

在第三实施例中，发光体可实施为应急灯且安装于应急车上。控制器可调整发光体，使得其提供从一边到另一边扫掠从而吸引注意力的光射束。

在第四实施例中，可操纵发光体可用于抵消运动且使从移动平台(例如轮船或卡车)发出的射束的指向稳定。主动控制系统将包含例如加速度计的传感器及微控制器，所述微控制器操纵发光体以抵消平台(发光体安装于其上)的移动且使输出射束定目标在固定位置上。或者，被动惯性系统可用于提供聚焦元件阵列与光导之间的相对运动，从而使输出射束稳定。

7b：具有集成式传感器的系统设计

在一个实施例中，系统执行为语音追踪聚光灯。可操纵发光体集成于具有微控制器且具有作为传感器的方向性麦克风的系统中。来自方向性麦克风的信号由微控制器处理以确定讲话个体的位置且微控制器接着使光射束针对所述个体。此系统将提供扬声器的自动照射。其作为自动聚光灯对于戏剧用途且作为照射工具对于在会议室及其它集会中讨论将为有价值的。

在另一实施例中，系统执行为自动追踪个体的方向性灯。系统含有可操纵发光体、微控制器及用于确定个体的位置的一或多个传感器(这些可包含运动传感器、链接到图像处理软件的摄像机馈源、声学传感器或其它传感器类型)。此系统可在许多实施方案中使用。在一个实施方案中，其形成在他或她在各种位置中执行任务时跟随个体的自动作业灯。此作业灯可通过选择性地照明作业区且减少对高亮度周围照明的需要而减少用于照明的能量使用。在第二实施方案中，其形成自动侵入聚光灯作为安全或警报系统的组件。

7c：用于日光集成的系统

在一个实施例中，系统执行以模仿日光，从而提供自然感光源。可操纵发光体与微控制器一起集成于系统中且经制成从而以改变角度投射射束，从而模仿方向性日光的扫掠。系统可进一步包含随时间而变的光谱移位以模仿日光在天及年的过程中的改变色温。

在第二实施例中，系统经制成以在自然日光跨越空间扫掠时增加所述自然日光(举例来说，来自窗或天窗)。操纵来自发光体的光射束以在未被日光射束充分地照明的区中提供“填补”照射。

在第三实施例中，系统连接到日光收获装置以便发射日光。此配置需要光导系统，其中光导连接到集中日光收获装置，使得所捕获日光用作输入到发光体中的光源。发光体可任选地以进入发光体的额外电动光源为特征。

7d：具有新颖控制方案的系统

在一个实施例中，系统具备以至少一个按钮、开关或其它输入装置为特征的一或多个远程定位器单元。发光体配备有传感器以(举例来说)通过无线电信号确定远程定位器单元的相对位置。远程定位器单元提供方便照明控制系统且可装设于多个位置中。举例来说，在厨房，此类远程定位器单元可放置于例如火炉、食物准备区及饮食区的常进入区中。用户可通过启动所述位置中的远程定位器单元上的输入装置而将光引导到用户在其中工作的区，且可任选地用单元上的额外输入装置进一步控制射束。此系统包含微控制器及固定传感器系统以定位远程定位器单元的位置(举例来说，此可经由无线电信号来实现)以及发光体。在此系统的变体中，远程定位器单元可来回移动以指示待照明的区的大小。

在第二实施例中，发光体控制系统经设计以控制单个房间或空间中的多个发光体，从而调整来自所有发光体的射束以实现房间中的所要聚合照明分布型。控制系统可任选地包含用以监测全屋照明且视需要调整发光体以提供所要照明分布型的摄像机。

第八部分：边缘照明式可调整发光体的提取特征优化

8a：法向于主要传播路径以达成较大射束均匀性的提取表面的非平行对准

图23A展示由光源311照明的光导310，其中提取特征313由两个45°平面及两个侧平面组成。对于此几何结构，两个45°平面为主要提取表面。图23A展示主要提取表面的对准使得其法向向量具有与光导内的主要光传播方向平行的一个分量及在所要提取方向上的另一分量。图23B展示提取特征314，其具有完全相同提取几何结构但法向表面经旋转，使得法向向量分量中的一者垂直于主要传播方向。

对于提取表面上的散射反射涂层，图23A中的几何结构产生“背部”表面(距源最远的侧)的显著遮蔽。在此几何结构的情况下，正面提取特征显著看到更多能量，从而导致双波瓣射束输出，其中一个峰值显著高于另一峰值。在图23B中所描绘的经旋转几何结构的情况下，显著改进射束均匀性。

通过使提取表面旋转使得表面法线垂直于光传播方向，消除遮蔽效应，但维持体积测定散射的高提取效率。此效应归因于存在于导引件中的与提取表面均匀地交叉的大量经再散射光，无论其行进穿过导引件的哪一方向。

本发明不限于图23A及23B中所展示的提取特征几何结构。在本发明下使提取特征提供均匀射束的要求是：显著贡献于射束的提取表面经对准使得表面法向向量垂直于光导内的主要传播轴。

8b：用于可调整提取效率的提取特征填补的半色调及抖动

图24A-24B展示提取特征的替代构造。存在由在光导的一个表面上的反射散射材料(例如白色色素)形成的平坦特征。使用喷涂或印刷技术容易地形成此类提取特征。图24B展示由放置于光导的表面上的散射材料圆圈制成的圆形提取特征315。图24A展示使用“半色调”或“抖动”技术形成的提取特征316，其中提取特征的区填充有散射材料的较小区317。这些可由点或其它形状制成。散射材料的小区填充提取特征的总体区的一部分，且可在制作期间通过调整图案来调整所述部分以便改变由提取特征散射的总光量。此技术的一个用途是弥补在光导内沿着其长度的光传播的改变强度，以便沿着发光体的长度维持更均匀输出强度。

图25展示抖动图案的替代实例，其中圆形提取特征318划分成若干楔形且所述楔形的一部分319具备散射材料。在给定群组中的数个提取特征当中使图案计时(旋转)或抖动(如图25中所描绘)将最少化总输出射束中的任何半色调图案的感知。另外，射束塑形可通过此技术来实现以将更多能量添加到射束的角度延伸范围的若干部分。

第九部分：光场发光体

为恰当地照明给定空间及/或物体，期望特定照射分布(“光场”)。实现此照射分布通常需要不同灯具的集合且可在标准商业灯具的输出图案将不完美地匹配给定场景的要求时产生显著过照明。此过照明在照明灯具及灯中带有不必要额外成本，且导致过多能量使用。此章节描述提供简易且低成本定制化以产生所要静态照射图案的新颖发光体设计。

在图26中的横截面及图27中的透视图中展示定制化光场发光体。其由受光源521照明的光导520组成。光导520由透明塑料或玻璃形成。光导520具有在一个表面上的提取特征522。聚焦电介质填充的反射体524的阵列523放置于光导的相对表面上，分开提供光学包覆层的小空气间隙。提取特征522大致位于反射体524的焦面处。

提取特征522优选地由散射色素(例如白漆或墨水)形成且可通过包含喷墨印刷、丝印、移印及类似过程的任一数目个过程而在光导520的表面上产生。

来自光源521的光射线526由提取特征散射且其一部分从光导出现以与反射体相互作用且从发光体作为输出射束而出现。由于提取特征位于反射体的焦面处，因此在给定位置处从提取特征散射的射线将至少部分地经准直且产生以特定角度离开发光体的射束。对于每一反射体524，光导上存在相关联区530。提取特征522的图案在每一区530中可为不同的。区530中的提取特征522的图案由反射体524有效地投射到输出射束532中。

区530可被视为划分成小像素的阵列，其中的每一者对应于不同输出射束角度且其中的每一者可任选地含有提取特征。区530的中心中的像素产生垂直于光导的平面而离开的射束，而从中心偏移的像素产生以对应角度出现的射束。发光体的总输出是由阵列523中的每一反射体产生的射束的和。因此，在任一给定射束角度下的总光功率取决于光导区530的数目，其中对应像素含有提取特征。

在图28A中展示实例。提取特征阵列放置于与反射体阵列相关联的光导区530阵列中。在此模拟中，大圆形中心提取特征533放置于光导区的二分之一中，三角形提取特征534在另外二分之一中，且较小圆形提取特征535在所有光导区中。这三个提取特征组合于经投射照射图案中，所述经投射照射图案以由提取特征533产生的圆形中心射束536、由提取特征535产生的较小高强度成角度圆形射束537及由提取特征534产生的成角度三角形染色光(wash)为特征。在图28B中展示此照射图案，图28B为射束功率对角度的强度曲线图。

通过控制印刷于光导上的提取特征图案，可产生任何任意亮度图案。通过使光导区530的数目变化而控制在每一射束角度处的强度，其中提取特征放置于对应位置处。

使射束强度变化的第二方法是使用半色调方法印刷提取特征，如图24A-24B及25中所展示。在给定像素内，以经抖动以设定所提取光量的小点或其它形状来印刷提取特征的材料。可与随机化图案一起施加抖动使得其在总输出射束中不可见，所述总输出射束含有由多个不同反射体投射的抖动的和。此外，可使抖动的间距充分小，使得抖动甚至在来自单个反射体的经投射射束中不明显。

关于描述提取特征密度及密度梯度的优化以便确保来自光导的光的均匀及高效率提取的均匀平面光导源(举例来说背光单元)存在相当多现有技术。相同原理可应用于定制光场设计的经图案化光导。可调整每一子单元中的像素图案及/或半色调以确保在按子单元×子单元大小尺度进行分析时实现所要提取特征密度及密度梯度。也可实施图案的优化以最少化提取特征对输出光的自遮蔽。

关于此设计的若干个变化是可能的。

首先，可将反射体阵列523制成为可移动的而非固定的。在此情形中，反射体阵列的位置可相对于光导而调整。如此操作将致使光导子单元及反射体的定向移位，从而致使输出射束图案被操纵。此提供用于任意图案的可操纵输出射束的机制。

其次，反射透镜阵列可为不规则的，含有变化设计的透镜。不同透镜可经优化而以不同角度投射射束，从而在实现给定光分布中准许比使用均匀透镜阵列可实现的高的精确度。

第三，可能替代如图29中所展示的反射阵列而利用折射透镜阵列。在此情形中，在具有用于包覆层的小间隙的情况下抵靠光导520放置折射透镜阵列540。折射透镜将产生提取特征位置与输出射束角度之间的不同相关性，但在另一方面，发光体的设计非常类似于反射阵列情形。图30中所展示的额外变化是使用折射透镜550及反射体551的匹配阵列；此被称为“反折射”系统。如果恰当地经设计，那么反折射系统维持比单个光学系统平坦的焦面且因此可达成对照射图案的更精细控制。

第四，提取特征可由有色散射材料而非白色散射材料制成。此将致使仅特定颜色的光经引导到输出射束中。以各种颜色图案化有提取特征的光导将投射所述有色设计。此为产生投射有色场景、图像或商标的灯提供简易机制。

第五，提取特征可含有改变光的波长而且使光散射的降频转换材料(例如磷光体)。可使用短波长光源，其中由提取特征中的降频转换材料产生较长波长。此外，可在经图案化光导的不同区中使用不同降频转换材料组合物以便产生输出图案中的各种色相。

第六，可将提取特征制成为非平面的。提取特征可形成为突出到光导中的体积特征。

第七，发光体可经设计使得经图案化光导为可移除且可替换的。此允许在期望的情况下改变发光体的照射图案。

第八，光导可由固定组件及可移动组件制成，以便促进对照射图案的改变。提取特征替代地印刷于层压到固定光导上的光导膜上。光导膜可借助光学透明粘合剂附接到固定光导。或者，光导膜可由“粘附”材料(例如自然粘合到光导的乙烯基)形成。

虽然已展示及描述了本发明的特定实施例，但所属领域的技术人员将显而易见，可在不背离本发明的情况下对本发明的较宽广方面做出改变及修改，且因此，所附权利要求书欲将所有此类改变及修改涵盖于其范围内。

Claims (16)

1.一种用于发射光的设备，其包括：

光源阵列，其布置于第一平面中；

电连接与热扩散元件的网络，其连接到所述光源；

反射聚焦元件阵列，其在基本上平行于所述第一平面的第二平面中，所述反射聚焦元件阵列与所述光源阵列对准且间隔开，其中所述反射聚焦元件阵列中的每一反射聚焦元件与所述光源中的至少一者相关联，且每一反射聚焦元件发射对应经准直光射束；及

调整器，其经配置以至少在一定范围的位置内变更所述光源阵列相对于所述反射聚焦元件阵列的平面内位置，所述变更达成对由所述设备发射的总体光射束的发散度或方向的控制。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述反射聚焦元件包括填充有电介质的反射透镜。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述电连接与热扩散元件的网络经配置以仅部分地阻挡由反射透镜的所述面反射的光。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述电连接与热扩散元件的网络包括窄条带。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述电连接与热扩散元件的网络包括一或多个金属芯印刷电路板。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述光源为垂直腔表面发射激光器。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述光源为发光二极管。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述发光二极管具有基本上平坦发射面。

9.根据权利要求1所述的设备，其中存在与每一聚焦元件相关联的仅单个光源。

10.根据权利要求1所述的设备，其中所述调整器经配置以至少使所述聚焦元件阵列相对于所述光源阵列旋转，所述旋转达成对由所述设备发射的所述总体光的所述发散度的控制。

11.根据权利要求1所述的设备，其中所述调整器机构经配置以至少使所述聚焦元件阵列相对于所述光源阵列横向平移，所述平移达成对由所述设备发射的所述总体光的所述方向的控制。

12.根据权利要求1所述的设备，其中所述调整器经配置以至少调整所述聚焦元件阵列与所述光源阵列之间的距离，所述调整达成对由所述设备发射的所述总体光的所述发散度的控制。

13.根据权利要求1所述的设备，其中所述调整器是手动操作的。

14.根据权利要求1所述的设备，其中所述调整器由连接到控制系统的致动器操作。

15.根据权利要求1所述的设备，其中存在与每一聚焦元件相关联的多个光源。

16.根据权利要求2所述的设备，其中所述聚焦元件包括反射透镜，每一反射透镜具有由所述光源中的所述至少一者照射以反射来自所述光源中的所述至少一者的光的光接收面，其中

所述电连接与热扩散元件的网络包括经配置以仅部分地阻挡由所述反射透镜的所述面反射的光的一或多个金属芯印刷电路板，

其中所述光源为发光二极管，且

其中所述调整器经配置以至少使所述聚焦元件阵列相对于所述光源阵列横向平移，所述平移达成对由所述设备发射的总体光的方向的控制。

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