CN111051771B

CN111051771B - 具有变化深度的凹槽的光导

Info

Publication number: CN111051771B
Application number: CN201880050846.2A
Authority: CN
Inventors: 刘涛; 卢永上; 大卫·C·默科德; 布莱恩·W·欧斯特利
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2038-08-01
Also published as: WO2019030619A1; US20200233135A1; US11199654B2; CN111051771A

Abstract

本发明公开了一种光学系统，该光学系统包括光导，该光导具有形成于其中的细长凹槽。凹槽将光导分成第一光导区段、第二较大的光导区段。光提取器设置在第二光导区段中而不是第一光导区段中，以用于提取将以其它方式通过全内反射(TIR)在第二光导区段内并沿第二光导区段传播的光。凹槽的深度沿其长度变化。包括具有沿其长度变化的深度的凹槽提供了光学系统所使用的(一个或多个)光源的数量和位置的设计灵活性。

Description

具有变化深度的凹槽的光导

技术领域

本公开整体涉及光导。

背景技术

光导可以用于为各种应用提供照明。例如，光导已被用于显示器背光、一般照明和汽车尾灯。多个光源可沿光导的端部分布以将光提供到光导中，并且光导可包括用于从光导提取光的光提取特征结构。

多个发光二极管(LED)通常沿着区域光导的一个端部或两个端部布置以用于光注入。LED的数量及其间距通常由给定应用所需的光的总量和空间均匀度来确定。LED通常直接安装在光导附近，并且光经由对接耦合输入到光导中。此类系统的组装可能是复杂的，尤其是在使用柔性光导时，并且由于所需LED的数量，成本可能较高。

发明内容

本发明包括光学系统，该光学系统包括光导，该光导具有形成于其中的具有长度L1和宽度W1的细长凹槽。长度L1大于或等于宽度W1的五倍。凹槽沿该凹槽的长度在相应的第一位置和第二位置处在光导的厚度方向(z)上具有第一深度D1和第二深度D2。深度D2大于或等于深度D1的1.5倍。凹槽将光导分成具有面积为A1的主表面的第一光导区段和具有面积为A2的主表面的第二光导区段，其中面积A2大于或等于面积A1。光提取器可设置在第二光导区段中而不是第一光导区段中，以用于提取将以其它方式在第二光导区段内并沿第二光导区段传播的光。

面积A2可大于或等于面积A1的大小的5倍、10倍、20倍、50倍或100倍。凹槽的长度L1可大于或等于凹槽的宽度W1的十倍。长度L1也可大于或等于宽度W1的50倍或100倍。凹槽的深度D2可大于或等于深度D1的三倍、五倍或十倍。

光导具有厚度T并且凹槽具有最大深度Dmax，使得Dmax大于或等于厚度T的二分之一。凹槽的深度Dmax可大于或等于厚度T的70％或90％，并且甚至可等于厚度T(使得凹槽在那时延伸穿过光导的整个厚度)。深度D1和D2均可小于厚度T。另选地，深度D2可等于厚度T(使得凹槽在那时延伸穿过光导的整个厚度)。

光学系统可包括相对的第一主表面和第二主表面，其中细长凹槽形成于第一主表面中并且朝向第二主表面延伸，并且其中在沿凹槽的长度的至少一个位置处，凹槽的深度延伸至第二主表面。

光导可包括与背部表面相对的发射表面。在第二光导区段内并沿第二光导区段传播的光由光提取器中的至少一个光提取器提取，并且从发射表面离开光导。凹槽可形成于发射表面中并朝向背部表面延伸，或者凹槽可形成于背部表面中并且朝向发射表面延伸。

在另一个实施方案中，光导具有折射率n1，并且凹槽至少部分地填充折射率为n2的填充材料，其中折射率n2小于n1。

光提取器可包括形成于光导的外表面上的突起。另选地，光提取器可包括形成于光导的外表面中的凹口。另选地，光提取器可嵌入光导内。

沿光导的长度的截面轮廓可为倒圆形、圆形、椭圆形、蘑菇形、矩形或正方形。光导在至少一个方向上可为基本上平坦的或弯曲的。

光导可在凹槽处具有宽度W2。凹槽的长度L1可大于或等于宽度W2的50％、70％或90％。实际上，如果光导是弯曲的，则其可长于宽度W2，诸如大于长20％或等于长20％。

凹槽通常沿其长度具有两个相对的端部。端部中的至少一个端部是闭合的，这意味着它在光导内。在另一个实施方案中，凹槽端部中的至少一个凹槽端部可为敞开的，这意味着它通向光导的侧面。或者凹槽的两个端部均可为闭合的或敞开的。

凹槽的深度d沿其长度的至少一部分变化。凹槽在其长度上的深度分布可以是连续变化的、线性的、非线性的、分段的、以及/或者可由邻接的弯曲表面限定。

细长凹槽可具有面向第一光导区段的第一侧表面和面向第二光导区段的相对的第二侧表面。侧表面中的至少一个侧表面可相对于光导的法线产生小于约20度或30度的角度(θ1，θ2)。该两个侧表面中的至少一个侧表面可为基本上平面的或弯曲的。

在另一个实施方案中，光导包括形成于第二光导区段中的至少一个辅助细长凹槽，以用于沿第一方向从第一光导区段接收光，并且在第二光导区段中沿不同的第二方向重定向所接收的光。细长辅助凹槽可靠近光导的第一边缘定位，并且可靠近光导的相对的第二边缘在第二光导区段中形成至少一个其它辅助细长凹槽。

(一个或多个)辅助细长凹槽的深度可具有最大深度hmax，该最大深度hmax大于或等于光导的厚度T的50％、60％、70％或90％，或者hmax可以等于T(意味着辅助凹槽延伸穿过光导的整个厚度)。

光学系统还可包括沿第一光导区段的第一边缘设置的光源。由光源发射的第一光线可通过第一边缘进入第一光导区段，然后在被细长凹槽反射至少一次之后离开第一光导区段并进入第二光导区段。另外，在一些情况下，来自光源的至少一条光线可离开第一光导区段并进入第二光导区段而不会遇到细长凹槽。

本发明还包括一种光导，该光导包括细长凹槽，该细长凹槽沿该细长凹槽的长度L1从该细长凹槽的第一端部连续延伸至相对的第二端部。光导在凹槽处具有厚度T和宽度W2。凹槽具有最大深度Dmax。光导的尺寸满足公式L1≥0.5W2和Dmax≥0.5T。

本发明还包括一种光导，所述光导包括细长凹槽，所述细长凹槽沿所述细长凹槽的长度L1连续延伸并且具有深度d，所述深度d从靠近所述光导的第一边缘的所述细长凹槽的第一端部到靠近所述光导的相对的第二边缘的所述细长凹槽的相对的第二端部增加。凹槽的第一端部与光导的第一边缘之间的间隔，以及/或者凹槽的第二端部与光导的第二边缘之间的间隔小于凹槽的长度L1的约50％、40％、30％、20％、或10％。

本文所述的光导可为如本文所定义的一体式光导。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施方案的光学系统100的示意性俯视图。

图2为面向第一区段30的图1的光学系统100的示意性端视图；

图3为沿光导的长度的图1的光导10的示意性侧视图；

图4为根据本发明的另一个实施方案的沿光导的长度的图1的光导10的示意性侧视图；

图5A-图5G示出根据本发明的各种实施方案的垂直于其长度的光导10的示意性剖视图；

图6A-图6D示出根据本发明的各种实施方案的光导10的示意性端视图；

图7为根据本发明的另一个实施方案的光学系统100的透视示意图；

图8为根据本发明的另一个实施方案的光导10h的示意性俯视图；并且

图9为根据本发明的另一个实施方案的沿光导的长度的图1的光导10的示意性侧视图。

图未必按照比例绘制。图中使用的相似数字指代相似的部件。然而，应当理解，在给定图中使用数字指代部件不旨在限制另一图中用相同数字标记的部件。

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个实施方案的光学系统100。系统100包括光导10并且可包括光源80，光源80通常为发光二极管(LED)。光导10具有形成于其中的具有长度L1和宽度W1的细长凹槽20。细长凹槽20比其宽度长，使得L1/W1≥5、10、50或甚至100。如图1所示，凹槽20的长度L1在凹槽附近小于光导10的宽度W2。比率L1/W2可大于或等于0.5、0.7或0.9。

凹槽20具有沿其长度变化的深度。凹槽20将光导10分成具有面积为A1的主表面的第一光导区段30和具有面积为A2的主表面的第二光导区段40。面积A2大于或等于面积A1，并且可以比面积A1的大小大5、10、20、50或100。凹槽20从靠近光导10的第一光导区段30的第一边缘31的凹槽端部20a延伸到靠近第一光导区段的第二边缘32的凹槽端部20b。第一端部20a与第一边缘31之间的间隔和/或第二端部20b与第二边缘32之间的间隔小于凹槽20的长度L1的约0.5。间隔也可以小于L1的约0.4、0.3、0.2或0.1。

光导10还可包括设置在第二光导区段40中的多个光提取器50，以用于提取将以其它方式通过全内反射(TIR)在第二光导区段内并沿第二光导区段传播的光。通常不在第一光导区段30内提供光提取器50，因为通常不期望从该区段提取光，但可根据应用而如此提供。

光导10可以包括形成于第二光导区段40中的至少一个辅助细长凹槽60，以用于沿第一方向71接收来自第一光导区段30的光线70，并且在第二光导区段中沿不同的第二方向72通过TIR重定向所接收的光。至少一个辅助细长凹槽60可在靠近光导10的第一边缘13的第二光导区段40中形成。还可以在靠近光导10的相对的第二边缘14的第二光导区段40中形成至少一个其它辅助细长凹槽60’。辅助凹槽60可以具有大于或等于光导10的厚度T的0.5、0.6、0.7或0.9的最大深度hmax。深度hmax也可等于厚度T，这意味着辅助凹槽60可延伸穿过光导10的整个厚度。

凹槽20的深度d沿其长度L1变化。图2中提供了这种情况的一个例证，其为光导10的示意性端视图，其中第一光导区段30面向离开页面的方向。如图所示，凹槽20沿细长凹槽的长度分别在第一位置12和第二位置22处在光导10的厚度方向(z)上具有第一深度D1和第二深度D2。D2/D1的比率可大于或等于1.5、3、5或10。如图2所示，凹槽20具有最大深度Dmax，该最大深度Dmax从面向光源80的光导10的侧边缘到光导的相对的边缘深度减小。凹槽20向光导10的第一主(顶或发射)表面11敞开，并且具有朝向光导的第二主(底或背部)表面12延伸的深度d。在那种情况下，D1和D2都小于T。Dmax可以大于或等于光导10的厚度T的0.5倍、0.7倍或0.9倍。Dmax也可以等于T，这意味着凹槽20从顶表面11到底表面12延伸穿过光导10的整个厚度，使得凹槽在那时在两个端部处均敞开。在这种情况下，D2可以等于T。

本文所述的光导可为一体的或非一体的。如本文所用，术语“一体式光导”是指具有如下构造的光导，该构造使得光导内不存在可辨别的界面，诸如光导的主体与其任何特征结构诸如光提取器50之间没有可辨别的界面。

返回图1，光学系统100可包括沿第一光导区段30的第一边缘31设置的光源80。第一光线73由光源80发射，并通过第一边缘31进入第一光导区段30。第一光线73在被细长凹槽20进行的部分或全内反射(TIR)反射至少一次后，离开第一光导区段30并进入第二光导区段40。另外，一些光，诸如由光源80发射的光线70，也通过第一边缘31进入第一光导区段30，但相反，离开第一光导区段并进入第二光导区段40而不会遇到凹槽20。

图3示出光导10沿其长度的示意性侧视图。如图3所示，图1的光提取器50可以采取顶表面11上的突起51，顶表面中的凹口52和/或嵌入光导10内的光提取器53的形式。光提取器50提供了用于允许由于全内反射(TIR)而在光导10内行进的光诸如光线74在期望的位置处离开光导的装置。光线74在光导10的第二光导区段40内传播，在通过形成于顶表面11上的突起51离开光导的顶表面之前，从顶表面11和底表面12反射出去。如图3所示，凹槽20形成于顶表面或发射表面11中并且朝向底表面或背部表面12延伸。任选地，可提供填充材料26以至少部分地填充凹槽20。填充材料26应具有折射率n2，折射率n2低于光导10的折射率n1以便支持凹槽20处的部分TIR或全部TIR。

如图3所示，凹槽20具有第一侧表面23和第二侧表面24。表面23和24相对于垂直于光导10的平面的线101分别形成角度θ1和θ2。角度θ1和θ2中的至少一者可小于30度，或小于20度。如图3所示，表面23和24中的一者或两者可为基本上平面的。另选地，如图9所示，表面中的至少一者(如由表面24’所示)可为弯曲的。

图4类似于图3但示出了倒置的凹槽20’，这意味着凹槽不是在顶表面或发射表面11中具有其主要开口并且其深度接近底表面或背部表面12的凹槽，而是在背部表面中形成并且其深度接近发射表面的凹槽。否则，图4所示的光导与图3的光导相同，并且在凹槽的表面23和24处在TIR的相同原理下操作。

图5A-图5G示出垂直于光导10的长度L1的各种截面轮廓。图5A示出倒圆截面轮廓。图5B示出圆形截面轮廓。图5C示出椭圆形截面轮廓。图5D示出蘑菇形截面轮廓。图5E示出多边形截面轮廓。图5F示出矩形截面轮廓。图5G示出正方形截面轮廓。光导10可为基本上平坦的或可在至少一个方向上弯曲。其它几何形状和截面轮廓是可能的，前提条件是它们根据需要支持光导10内的全内反射。

图6A示出光导10的示意性端视图，其中光源80显示在右侧。凹槽20(以虚线示出)向顶表面11敞开，并朝向底表面12延伸到深度d’。垂直线25表示沿凹槽20的长度的一个位置，并且可沿凹槽的长度在各种位置处从左到右移动，如图6A所示。在图6A所示的垂直线25的位置处，凹槽20的深度d’等于光导10的厚度T，并因此到达底表面12，从而在该位置处在底表面中形成开口。如图6A所示，凹槽20的深度d’可以具有沿凹槽的长度线性变化的轮廓。深度d’也被示出为在凹槽20的长度的至少一部分上连续变化，这意味着凹槽的深度在凹槽的长度的至少一部分上不是恒定的，并且在此部分上，深度连续变化(与深度的逐步变化相反)。

图6B示出具有深度d”的凹槽20，深度d”沿凹槽的长度的至少一部分的长度以弯曲的、非线性的方式变化。图6C示出具有深度d”’的凹槽20，深度d”’具有分段的、相邻的、弯曲的表面，因此具有非线性的深度轮廓。

如图6C所示，辅助细长凹槽60具有从光导10的顶表面11朝向光导的底表面12延伸的深度hmax。如图6D所示，辅助细长凹槽60可具有延伸穿过光导20的整个厚度T的深度hmax。

图7示出具有凹槽20的光导10，凹槽20的第一端部20c和第二端部20d延伸到光导的边缘并因此是敞开的，这与图1的闭合凹槽端部20a和20b相反。另一种选择是使凹槽端部中的一个凹槽端部为敞开的，另一个为闭合的。

图8示出具有弯曲的凹槽20的光导10h。由于凹槽20的极端弯曲，凹槽的长度可能超过光导10h的宽度W2。实际上，凹槽10的长度L1可以大于或等于宽度W2的1.2倍。

光导10(和实施方案10a-10h)可以由例如玻璃或聚合物制成。在一些实施方案中，光导为柔性的。例如，柔性聚合物膜可用于形成光导。例如，合适的聚合物材料包括丙烯酸酯诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯和聚氯酯。可以通过首先形成不具有凹槽20、辅助细长凹槽60或光提取器50的光导(例如，通过挤压或模制)，然后通过后续加工来形成这些特征结构来制造光导。例如，然后可以通过蚀刻、激光烧蚀或压花来形成这些特征结构。可在光导中形成特征结构之前或之后施加附加的处理步骤。另选地，可以在模制过程中与特征结构同时制造光导。

本发明具有优于现有光导的若干优点。例如，光导通常需要多个LED以提供足够的光和均匀的照明。凹槽20的使用提供了用于从LED分配光的机构，从而能够使用单个LED而不是两个或更多个LED。另外，LED通常位于光导的一个端部处。凹槽20的使用允许其中LED位于光导的侧面而不是端部上的构型，根据空间限制或对光导的尺寸和形状的其它约束，这可以是可取的。

除提取器50和辅助细长凹槽60提供的设计灵活性之外，在光导10中包括凹槽20还为光导内的光管理提供了附加程度的设计灵活性。如上所述，这可通过包括凹槽20并通过选择凹槽的各种特征结构来实现，包括凹槽的长度、深度、深度变化的方式、凹槽的侧面的形状(弯曲的或直的和侧面的角度)、凹槽的每个端部和光导的最近侧之间的间距、以及凹槽沿其长度的形状(直的、弯曲的、S形的等)。

除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中所使用的表达特征尺寸、量和物理特性的所有数在所有情况下均应理解成由术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可根据本领域的技术人员利用本文所公开的教导内容来寻求获得的期望特性而变化。由端点表述的数值范围的使用包括该范围内的所有数字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。

该发明的各种修改和更改对于本领域中的技术人员将是显而易见的，并且应当理解，该公开的范围不限于本文所阐述的例示性实施方案。例如，读者应当认为一个公开的实施方案中的特征部也可应用于所有其它公开的实施方案，除非另外指明。

Claims

1.一种光学系统，所述光学系统包括光导，所述光导包括：

形成于其中的细长凹槽，所述细长凹槽具有长度L1和宽度W1，其中L1/W1≥5，所述细长凹槽沿所述细长凹槽的所述长度在相应的第一位置和第二位置处在所述光导的厚度方向上具有第一深度D1和第二深度D2，其中D2/D1≥1.5，其中所述细长凹槽将所述光导分成第一光导区段和第二光导区段，所述第一光导区段具有面积为A1的主表面，所述第二光导区段具有面积为A2的主表面，其中A2≥A1；和

多个光提取器，所述多个光提取器设置在所述光导的所述第二光导区段中而不是所述第一光导区段中，以用于提取本来将在所述第二光导区段内并沿所述第二光导区段传播的光。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光导具有厚度T，并且所述细长凹槽具有等于T的最大深度Dmax。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光导包括：与背部表面相对的发射表面，光在所述第二光导区段内并沿所述第二光导区段传播并且由所述多个光提取器中的一个光提取器提取从所述发射表面离开所述光导，所述细长凹槽形成于所述发射表面中并且朝向所述背部表面延伸。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光导具有折射率n1，并且所述细长凹槽至少部分地填充折射率为n2的填充材料，其中折射率n2小于n1。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光导在所述细长凹槽处具有宽度W2，L1/W2≥0.5。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述细长凹槽包括相对的第一凹槽端部和第二凹槽端部，所述第一凹槽端部和所述第二凹槽端部中的至少一者为闭合的。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述细长凹槽的深度沿所述细长凹槽的所述长度的至少一部分连续变化。

8.根据权利要求1所述的光学系统，还包括：光源，所述光源沿所述第一光导区段的第一边缘设置；第一光线，所述第一光线由所述光源发射并通过所述第一边缘进入所述第一光导区段，在被所述细长凹槽反射至少一次之后，离开所述第一光导区段并进入所述第二光导区段，其中由所述光源发射并通过所述第一边缘进入所述第一光导区段的至少一条光线离开所述第一光导区段并进入所述第二光导区段而不会遇到所述细长凹槽。

9.一种光导，所述光导包括细长凹槽，所述细长凹槽沿所述细长凹槽的长度L1从所述细长凹槽的第一端部连续延伸到所述细长凹槽的相对的第二端部并具有最大深度Dmax，所述光导在所述细长凹槽处具有厚度T和宽度W2，L1≥0.5W2并且Dmax≥0.5T，所述细长凹槽沿所述细长凹槽的所述长度在相应的第一位置和第二位置处在所述光导的厚度方向上具有第一深度D1和第二深度D2，其中D2/D1≥1.5。

10.一种光导，所述光导包括细长凹槽，所述细长凹槽沿所述细长凹槽的长度L1连续延伸并且具有深度d，所述深度d从靠近所述光导的第一边缘的所述细长凹槽的第一端部到靠近所述光导的相对的第二边缘的所述细长凹槽的相对的第二端部增加，所述细长凹槽沿所述细长凹槽的所述长度在相应的第一位置和第二位置处在所述光导的厚度方向上具有第一深度D1和第二深度D2，其中D2/D1≥1.5。