CN1169182A - 光线定向光学结构 - Google Patents

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Abstract

光线定向光学结构由优选地用透明塑料制成的一个波导(40)形成；许多棱镜(42)附着在波导上或与之一起形成。每一个棱镜(42)，由于其折射率，有一个孔，光线可从那里透射出波导(40)而不因完全内折射而受到限制。从波导(40)透射出来的光线从棱镜(42)的一个侧面(32)反射回来，并被重新校正到一个理想方向。波导(40)内部的传播路径使得穿过孔的光线仅在一个严格限定的角度范围内；其结果是被棱镜的一个侧面所重新校正的光线也在限定的角度范围。棱镜(42)的几何形状可被优化以便使输出光线定向于垂直波导(40)的平面(33)，或在一个非垂直的理想角度。本光学结构能接收沿一边，或几边的光线输入，且其输出光线垂直于本结构或在一个非垂直的理想角度。对输入光线的分布和形式没有限制，而输出是一个可定向的强度受控的光源。公开了适用于若干不同可能形式光线的构造。

Description

光线定向光学结构
相关申请的参考文献
本申请是三个美国专利申请的部分内容的继续：申请No.08/149,912，1993年11月5日提出，申请No.08/242/525，1994年5月13日提出，No.08/321,368，1994年10月11日提出，所有这些都用于此处作为参考文献。
发明背景
本发明总体上涉及可以接收就指向和一致性而言相对不受控制的光线并输出就由光源传播方向定义的两个正交坐标轴而言的空间受控光线分布的光学结构，并特别涉及应用于住宅，商业和工业的照明设备中的该结构。
控制来自不同光源，例如点源或沿两个正交坐标轴的扩展源的光线分布的能力还不能在一个统一结构中成功实现。例如，在典型的使用荧光灯的办公室照明设备，没有任何单一元件能够同时控制在两个坐标轴上的光线分布。荧光灯包括一个单独的反光元件，它只能提供沿一个坐标轴的指向。另一方面，如果通过本技术尝试双轴控制，则需要一个反光元件和若干发光体。然而，这种组合带来了效率的损失，受到了不一致性的损害并且造成了复杂和庞大的装配。
理想的情况是有一个相对牢固，轻巧且高效的光学结构，它可简单地安装于一个小的元件中，并能接收来自任何光线生成装置的光线。这一装置允许新的有用的办法来给各种照明装置提供方向确定的光线分布。
发明概述
本发明提出了一个集成的光线定向结构，它提供满足特定照明应用要求的沿正交二维的空间定向输出光。
本发明包含组合在包含波导元件的光学结构上的一个光源，波导元件用来接收光源产生的光线并通过完全内反射(TIR)传输光线。与波导表面光耦合或结为整体的有许多棱镜。每一个棱镜，由于其折射率，有一个孔径，光线可从那里透射出波导而不因完全内反射而受到限制。从波导透射出来的光线从棱镜的一个侧面反射回来，并被重新定向到一个理想方向。棱镜的几何形状可被优化以便使输出光线定向于与波导表面成任何理想角度。有利的方面是，本光学结构，可被称为光线定向结构，可以有一个窄的轮廓，并且波导结构适于允许光线耦合于输入光线的边缘，或沿着若干输入光线的边缘。此外，波导对输入光线的分布和形式没有限制。
有许多照明应用可以得益于本发明。这些应用存在于商业和住宅市场还存在于不同的工业中如汽车工业和宇航工业。住宅和商业的照明装置的例子包括低轮廓内部和外部灯如聚光灯，房间或办公室灯和强光灯。汽车照明装置的例子包括低轮廓汽车前灯和尾灯，低轮廓内部车灯如阅读灯和地图灯以及用于控制板演示和指示仪表板的光源。
附图简述
本发明将结合如下附图进行描述：
图1是一个单独棱镜与波导光学连接的示意图，并显示了光线的特性；
图1A是波导的另一实施方案；
图2显示了本发明的输出光线在两个正交坐标轴上的分布；
图3是一截面图，显示了棱镜和波导的几何形状；
图4A和4B是棱镜的另一实施方案；
图4C是棱镜的又一个实施方案；
图5显示了与一个凹透镜结合在一起的一个波导和一个棱镜；
图6是本发明的一个平面图，其中为简化与点光源结合的目的棱镜被描述成单一薄片；
图7是本发明与点光源和光源均一器相连的一个平面图；
图7A是一个从光源均一器的输入面取的正视图；
图8显示了本发明与一个逐渐变细的输入波导，一个包旋式反光体和一个凹透镜列阵的组合；
图9是一个单光源与双光定向结构组合的正视图；
图10是远离光源的光线定向结构的平面图；
图11是优化的用于从墙上一个大的平面物体的顶部照明的本发明的正视图；
这里尽可能地，相同的元件用相同的序号显示。
详细描述
根据本发明的装置的基本构件之一是与波导光学耦合的棱镜。虽然典型装置会包含数百或数千的以一些方式或列阵排列的棱镜，但详细考虑一个棱镜是有启发性的。
参照图1，光线，例如光线110和111，完全通过波导40内部反射。波导40可以是一个光线管，光劈或其它任何为精通工艺的人所知道的结构。它可能有平表面，也可有如图1A所示的非平分段表面。为简便起见，也为描述的目的，但在本质上没有任何企图加以限制，波导40被描述成平的，且下面讨论的微棱镜42相应地连接于平波导。正如精通技术的人所知道的那样，当介质内的光线射到边缘并反射回介质时完全内反射发生。由于发生这种反射，介质的折射率必须高于边界另一侧的材料折射率，且反射角必须遵守Snell定律。为分析简便起见假定波导40外部材料为空气，其折射率为1。本发明并不要求如此，可于波导外部采用除空气之外的材料。
光源37发出的光线被波导40内的由Snell定律确定的“临界角”所束缚。光线110和111，如果棱镜42不存在的话，将在波导40内完全内反射。棱镜42的折射率近似等于或大于波导40的折射率，光线110和111能射出波导40进入棱镜42。这种情况不论在棱镜42与波导40构成整体还是它独立形成并利用粘合剂或其它适当方式与波导40成为一体的情形下都存在。光线111进入棱镜42后，内反射形成光线112。类似地，光线110经过反射形成光线113。光线的角度范围，如112和113，与波导40内部光线角分布有关。因为波导内的光线被限制，由棱镜内出射的光线只出现与相当窄的限制角度范围内。因此，这导致了如下结果，即相对无方向的光线可被耦合与波导40而且该光线的相当大的部分出现在棱镜42成为定向光源。
精通技术的人会理解棱镜42的一些表面是很重要的。第一面114优选地为平的(然而，对于图1A所示的波导并非如此)以便与波导40的平面紧密地光学耦合。第二面32不要求为绝对的平面，但可能是有些弯曲的或有小平面的，仍可得到所描述的有趣结果；因此，可以说第二面32仅仅是大体上平的。第三面36类似地不要求为绝对平面。它可是凸透镜，凹透镜甚至可以是球面透镜而不会对所描述的结果带来任何偏离。对宽带光源而言，理想的是第三面36的表面基本垂直于理想光线方向。这减少了光线的折射；因此减少了白光分解为有色光的程度。描述理想定向的一种方法是第三面36与和理想光线输出方向垂直的平面有一相切区域，包括各种可能的术语是面可能是平的或可能是一个透镜。精通技术的人会理解这一讨论中没有要求第四面115为任何特殊形状。在实施方案中，对输出光线的控制仅仅在一个监视方向。然而，在一种优选实施方案中，第四面115也利用与面32同样的原理用来从波导40反射光线。在最优选实施方案中，第五面120和第六面122也反射从波导40输出的光线。棱镜42的优选实施方案的截面图示于图4A和4B中，公开的详细内容在参考专利申请08/242,525中。在最优选实施方案中，在波导40中传播的不同方向的光线会进入棱镜42并被全部棱镜面反射出去。当使用复合光源或如图6和7所示的那样反射材料使光线返回波导时上述情况会发生。该实施方案是优选的因为它提供了如图2所示那样在两个监视轴，xz和yz，在密度和分布两个方面对光线分布的控制，还提供了对光线从波导40的高效引出。此外，以上讨论没有要求棱镜42的任何面连在某一边缘；假如，如果制造技术中的某些事情要求两面的连接为切边的或圆形的，不会导致对本发明的偏离。此外，不要求第一面114和第三面36平行。精通技术的人会理解在一些应用中，为分布好棱镜42的输出光稍微的逐渐变细是优选的。
除了可能的为制造简便或适合某些特殊灯型的需要外，不要求所有棱镜42形状同或形状均一。如参考专利申请中提出的那样，棱镜42的间隔在波导扩展区域是不同的以适应棱镜与光源的距离的变化。此外，棱镜42可附着于选定区域的波导40以便使光线只从波导40根据本申请指示的选定理想位置透射出去。同时，可提供棱镜42对一些分布的角度以便在某一特定输出角度产生更多光线而在其它输出角度产生较少光线，或故意产生空间非对称的输出光线。
因为本发明可以应用于许多不同装置，从汽车前灯到艺术长廊的照明，理想的情况是随波导40变化棱镜42的方向，以产生特定理想输出光分布。参照如图3。为简便起见我们假定棱镜42的折射率等于波导40的折射率。结合临界角θc，Shell定律决定波导40中光线传播的角分布。优选地，在宽带光源，定义为400-700nm，的情况下，光线20表示输出光分布的中位光线。为描述方便起见，中位光线20从第二面32反射出去并以垂直于第三面36切线的角度与第二面32成β角射出棱镜42。中位光线20的输出方向与波导40的表面33成θ角。角θ是有具体输出光线分布形式的特定照明装置的函数。对有从0°到θc的各种角度光线的波导而言，输出光线的理想角度θ和第二面32与波导40的表面33的倾斜角φ之间存在一简单关系。角θ＝2φ-45+θc/2其中θc是Shell定律定义的临界角，它等于sin-1(n2/n1)，其中n1等于波导40的折射率，n2等于波导40外部材料的折射率(例如，空气，n2＝1.00)。当波导40的折射率和棱镜42的折射率不匹配时类似的关系可被推出。
此外，为避免输出光折射为有色光，第三面或顶面36优选地垂直于光线的输出方向。然而，在光源本身为窄带时，如LED或激光，由于中位光线20并不严格地以垂直于第三面36的切线的角度从棱镜42射出，上述角θ的等式不被应用。
图4显示了图1的另一些形状的棱镜42A，42B的截面图。从图中可以理解棱镜(与波导40耦合)的第一面是平的，但第二面32A和32B仅要求基本上平。根据制造工艺和输出光线的理想形式，第二面32A和32B可以是弯曲的或以平面连接的两个稍微不同的平面，而不会偏离本发明。
图5显示了与相应凹透镜39光学配合的棱镜42的截面图。显然，如果多个棱镜42以特定方式排列，透镜39会与每个棱镜42相对应。在这样的优选实施方案中，棱镜41的输出光线会被扩展以满足特定装置的要求。例如，折射率为1.45的棱镜，输出光分布为+/-35度，偏焦元件，如凹透镜39的恰当安排可提供光线分布的较大角分布。这一实施方案可在理想光线分布角为+/-60度的商业照明装置中得到很好应用。或者，散射元件，或在棱镜42内部或在其外部，可被使用以扩展输出分布，但要损失效率。
本发明的另一实施方案如图6所示，这是附着于在一边21与弧型光源44，如金属卤素灯的反射镜光耦合的波导40的一个光线定向棱镜42列阵的平面图，灯44被安置在大致距边焦距长度的位置上，以便使光线充分耦合入波导40。优选地，灯44包括一个光线过滤装置，以选择性地透过或反射灯的不同光谱成分。例如，如果波导40是塑料材料，红外光会带来有害的热积累。另外，光反射装置45，如镜面反射或漫反射器，规定了沿边21的孔47。优选地，反射装置45还被用来在波导40的相反一边将光线反射回波导40而不透射入棱镜42。
为了改善从波导40透射出的光线的均一性，光源均一器46，优选地用和波导40相同的材料制成，使从点光源44发出的光线像图7所示的那样均一地布满波导40的宽度。这一实施方案防止了波导40内部光线亮度的不均一性，并使得棱镜42从波导40得到的光线更均一。光源均一器46可以是梯形或其它任何恰当的形状。光反射材料45，性质上是镜面反射或是漫反射，在背离光源44的一端，也可被用来反射光线。光源可以是抛物形聚焦短弧光源。采用另一种形状的光源反光镜可以调节至均一地充满波导结构40而不再需要均一器46。
图7A显示了图7梯形输入面43的正面。输入面43不必为矩形，仅要求选定为大于抛物形反光镜的光斑。
图8显示了一个根据本发明的利用两个扩展光源和一个凹透镜列阵的浅光结构，同时还有梯形的棱镜输入结构48和弧形反光镜49。或者，反光材料可以替代两个梯形的棱镜输入结构48中的一个与光源37和反光镜49在波导40中起反光作用的组合。梯形棱镜48是逐渐变细的单元，与波导40光耦合，波导40从扩展光源在相当大的区域收集光线，并通过TIR光线被导入细的主波导40。因为可得到的最小商业荧光灯泡是10-12mm，逐渐变细结构要求减少波导40的厚度以便使波导40的厚度远远小于由光源直径规定的厚度。为了使光线传入波导的效率最大，优选地使用包旋式或弧形反光镜49以避免光线被重新定向回光源。反光镜49对未能定向耦合入棱镜48的光线重新定向，通过一至两个反光镜可增加光线进入棱镜48的机会。反光镜49的另一种外形可以和精通技术的人所熟悉的相同。凹透镜结构39列阵可用来高效地传播棱镜42的输出光线到更宽的分布角。如果光源37的直径是dL，梯形棱镜48的输出面高度为D，则D∶dL的典型比例约是2∶1。波导厚度dW远远小于dL，可以是2mm。
可见这一结构提供了前所未有的结构方面的机会。例如，光结构很浅不再要求厚顶。在吊顶的位置使用吊顶不再要求位于距较高的固定顶很低的位置，因此提供了成本-效率构建技术，此前因为累赘的光结构而从未有过。其它好处包括改进了的二维光线均一性，被照明区域边缘不再耀眼，由于使用合适形状的棱镜和透镜将光线定向到感兴趣的区域而提高了光使用效率。此外，棱镜的作用距离和大小可以沿波导变化以对目标区域提供均一的照明。
当一个实施方案可能像上面讨论的那样包含两个扩展光源时，可以使用图9所示的另一方案。这里多个波导结构40可共享一个光源37。这种组合由于光源37的光线更多地被定向耦合至一个或另一个临近波导40，因而提高了光源的效率。优选地，反光镜环绕光源37通过一个或多个反光来耦合散射光至波导。对精通工艺的人显而易见附加的波导40可与光源37耦合，附加的光源可与其它可得的波导40的边缘耦合。
图10显示了光线定向棱镜42和波导40组合成光线定向结构53的一组列阵，和附加波导结构54与光源55的光学耦合。这允许光源55远离结构53。例如，结构53可相对不接近用户而光源55可以接近。当结构53在顶棚而光源55为安装方便位于地面高度时这种情况可发生。另一个例子是铁路信号，结构53为高于铁路的铁路信号照明。这里，光源55可在铁路表面。一个优点是当灯55必须更换时易于操作。另一个优点是热源远离照明源。附加波导结构54的例子是一束光纤沿波导40的边缘排列。纤维束可被其它通过全部内反射传播光线而损失较少的波导结构随意替换。根据光源，多个光线定向结构可耦合于光源。这在汽车照明和商业屋用照明都是有用的。优选地至少60％更优选地70％来自光源的光线被分布到理想位置。
图11显示了根据优化了的本发明的用于从墙上一个大的平面物体22的顶部照明的光源。多数光结构不能对这类物体提供合适照明。本发明允许如这种装置要求的非对称光分布。它通过选择平面的棱镜的形状，选择在平面上各种形状的棱镜用多少来实现。结构53只有“d”英寸宽，有浅垂直尺寸，甚至可提供穿过“D”英寸高的一个物体(如，一幅画)的照明，这里D远远大于d。

Claims (11)

1.提供理想方向的定向光的装置，装置包括：
a)第一波导有彼此相对的第一边缘和第二边缘，该第一波导有高于其周围物质折射率的折射率；
b)四边形的第二波导，该第二波导有高于其周围物质折射率的折射率并有第一，第二，第三和第四边缘，第二波导的第一边缘光学耦合于第一波导的第一边缘且大小合适；第二波导的第四边缘与第一边缘相对，该第四边缘定义输入面；第二和第三边缘与第一和第四边缘相连，第二和第三边缘分别定义了与第一边成锐角度；且
c)多个棱镜与第一波导的一面光学耦合。
2.权利声明1中的装置，其中第一和第二波导是成为一体的。
3.提供理想方向的定向光的装置，装置包括：
a)波导有与光源耦合的边缘，波导的折射率为n1，波导周围物质的折射率为n0，n0与n1的比例定义为r1，波导有第一边和第二边；
b)多个棱镜分别有折射率n2，n0与n2的比例定义为r2，比例r2近似等于r1，每一个棱镜至少有第一，第二和第三面；且
c)第一，第二和第三棱镜面其特征在于第一面与波导光学耦合；第二面基本上是平的，且定义了与第一面的倾斜角，每个棱镜的第三面有一部分相切于基本上垂直于理想输出光线的平面。
4.权利声明3中的装置其中波导的第一和第二边平行。
5.权利声明3中的装置其中波导和棱镜是由同一材料构成的整体。
6.权利声明3中的装置其中每一棱镜的第二面是平的。
7.权利声明3中的装置其中每一棱镜的第三面是平的。
8.权利声明3中的装置其中每一棱镜的第三面是一个凸透镜。
9.权利声明3中的装置其中每一棱镜的第三面是一个凹透镜。
10.权利声明3中的装置其中每一棱镜的第三面是一个非球面透镜。
11.提供理想方向的定向光的装置，装置包括：
a)第一波导有彼此相对的第一边缘和第二边缘，该第一波导有高于其周围物质折射率的折射率；
b)第二波导光学耦合于第一边；
c)多个棱镜与第一波导的一面光学耦合。
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