CN117739301B - 一种限制光线角度的准直组件及光源装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及限制光线角度的准直组件及光源装置，准直组件包括透光基板以及设置在所述透光基板上的微结构层，微结构单元包括形成为抛物面的侧面，根据抛物面对光线反射的原理，设计抛物面以及光线出射口尺寸，通过基于抛物面的设计实现对于出射光线限制角度的调整，通过反射的原理将出射的光线限制在一定角度内，由于不使用光吸收材料，能够增加光的透过率，可无损地最大化利用光源强度，另外，通过该准直组件，能够提供将光线限制在一定角度内的光源，在对角度进行简便调整的基础上，同时还能够提高发光组件效能。

Description

一种限制光线角度的准直组件及光源装置

技术领域

本申请属于光源技术领域，尤其涉及一种限制光线角度的准直组件和光源装置。

背景技术

随着现代照明技术的迭代发展，部分产品要求具有将光源出射的光线限制在一定角度内的照明效果，即尽可能将光线的出射角度收窄，以达成正视角明亮，侧视角暗淡的效果。而这需要利用光准直器件来实现，现有的光准直器大多采用吸光材料和透光材料交替形成百叶窗结构的技术来完成限制光线角度的功能。

针对限制光线角度的问题，业界普遍采用的做法是使用吸光材料，将大角度光线吸收，使光线被限制在一个特定角度中，从而达到限制角度的作用，但这种处理方法由于吸光材料将射到其表面的光线吸收，使得整个膜结构的透射率大大降低，现有大部分光准直器的透光率仅有40%-60%左右。

因此，目前在光源技术领域，需要给出在满足将光线在一定角度出射的基础上，还能够确保高透光率。

发明内容

本申请的目的在于提供一种限制光线角度的准直组件，其能够通过抛物线结构将射到微结构单元上的光线向上反射，并且被反射的光线可以被限制在一定角度之内，在限制在一定角度的基础上提升光效、增加光的透射率。

本申请的目的是通过以下技术方案实现：本申请的限制光线角度的准直组件包括透光基板以及设置在所述透光基板上的微结构层；

所述微结构层由多个微结构单元组成，所述微结构单元之间形成镂空区，所述微结构单元包括底面和侧面，所述侧面反射光线 且形状为抛物面，所述抛物面对应抛物线的焦点位于对应镂空区另一侧的微结构单元的侧面与所述透光基板表面的交汇处。

在其中一个实施例中，所述底面上也设置为光反射面。

在其中一个实施例中，所述微结构单元的侧面及底面形成有反光材料。

在其中一个实施例中，所述微结构单元为长条形，且所述微结构单元的两个抛物面相交，多个所述微结构单元平行排列，两个相邻的所述微结构单元之间形成所述镂空区。

在其中一个实施例中，所述微结构层设置两组，两组所述微结构中的所述微结构单元互相垂直设置，两组微结构设置在两个微结构层中或者在同一个微结构层中相交。

在其中一个实施例中，所述镂空区的宽度为所述抛物面对应抛物线的焦距的两倍。

在其中一个实施例中，所述微结构单元的高度与所述镂空区的底部的宽度比大于2。

在其中一个实施例中，所述微结构单元底面的宽度范围为240-380μm，所述镂空区底部 的宽度范围为40-70μm，所述微结构的高度范围为360-480μm。

本申请还提供了一种光源装置，包括发光组件和前述的限制光线角度的准直组件，所述发光组件发出的光经过透光基板，从镂空区向外出射。

在其中一个实施例中，所述发光组件设置在所述透光基板内作为透光基板的一部分。

与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：

1、本申请通过调整抛物面的相关参数能够调整限制角度的大小，通过简便的方式实现对于出射光线限制角度的调整，简化了设计方法；

2、通过反射的原理将出射的光线限制在一定角度内，避免使用光吸收材料，从而能够增加光的透过率，可几乎无损地最大化利用光源强度；

3、将限制光线角度的准直组件与发光组件配合，能够提供将光线限制在一定角度内的光源，在对角度进行简便调整的基础上，同时还能够提高发光组件效能。

附图说明

图1是本申请的限制光线角度的准直组件的结构示意图。

图2是本申请的一个实施例的限制光线角度的准直组件的俯视图。

图3是本申请的限制光线角度的准直组件的光反射原理示意图。

图4是本申请的限制光线角度的准直组件的工作原理示意图。

图5是本申请的一个实施例的限制光线角度的准直组件的调整限制角度的原理示意图。

图6是本申请的另一个实施例的限制光线角度的准直组件的调整限制角度的原理示意图。

图7是本申请的另一个实施例的限制光线角度的准直组件的俯视图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本申请的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请的实施例中的限制光线角度的准直组件，其通过具有反射功能的微结构单元110反射光线，通过反射的方式将光线限制在一定角度内，同时确保光的透射率，请参阅图1、图2，图1是本申请的限制光线角度的准直组件的结构示意图，图2是本申请的限制光线角度的准直组件的俯视图，限制光线角度的准直组件包括透光基板200以及设置在所述透光基板200上的微结构层100；

所述微结构层100由多个微结构单元110组成，所述微结构单元110之间形成镂空区120，所述微结构单元110包括底面和侧面，所述侧面反射光线 且形状为抛物面 ，所述抛物面对应抛物线的焦点300位于对应镂空区120另一侧的微结构单元110的侧面与所述透光基板200表面的交汇处。

微结构单元110和之间的镂空区120在整体上作为微结构层100，微结构单元110之间的空间作为镂空区120，微结构层100设置在透光基底上后，经过透光基底的光线从微结构单元110底面之间的区域进入镂空区120，光线的角度不射向微结构单元110侧面时则直接从镂空区120穿过，射向微结构单元110侧面时则会经过侧面进行反射。不采用现有技术使用吸光材料的结构，将吸光材料更换为反射材料，再通过抛物面结构将射到其表面的光线反射，通过抛物面限制的方式将光线限制在一定角度之内，同时由于不采用吸光的方式还保证了光线的透射率。另外，镂空区120可以不填充其它材料，填充材料虽然能够保证微结构的稳定性，但会增加对光的吸收，同时经过填充的材料光线出射时可能会导致折射与反射效果，降低光线限制效果及透射率。因此本申请区别于传统准直光器件结构，在将光线限制到原有角度的基础上提升光效，增加光的透射率。

请参阅图3，图3是本申请的限制光线角度的准直组件的光反射原理示意图，结合抛物线反射原理可知，光线由抛物线的焦点300向抛物线出射时，反射光线将会平行于抛物线开口方向射出。在图3所示的方案中，将两组拋物面以通过彼此焦点300方式安置，两个焦点300分别为对应的两个抛物面的焦点300。由焦点300发出的光线会经由拋物面的对应侧反射面的区域进行反射，得到出射的平行光。经过另一个焦点300发出的光线也会经相应的拋物面进行反射，得到出射的平行光。图3中经过左侧焦点300的光通过其右侧微结构单元110的侧面进行反射，经过右侧焦点300的光通过其左侧微结构单元110的侧面进行反射，所有经过该焦点300并经过对应反射面反射的光都会平行射出，相对准直组件，该光垂直于透光组件的表面。

通过上述方式，将反射材料作为反射拋物面，将现有技术中采用光吸收材料时被吸收的光线也进行反射，且由于拋物面的物理特性，反射光亦可被限制于所设计角度内，由此可以在保持原有限制角的基础上提升光学准直组件的透光率。

图中所示出的结构为微结构单元110的截面，当多个拋物面整齐排列，可定义出多个重复连续的拋物线反射面，保留有效反射面所围成的类似三角形的结构，结构的底部作为微结构单元110的底面，有效反射面对应微结构单元110的侧面，在上述结构中，由各焦点300发射的光线经各拋物面反射均可得到平行出射光。

依此原理，将所形成三角形结构设计为光学器件，由三角形截面纵向平行延伸，设置于一基材表面，该基材具体可以为透光基板200，请参阅图4，图4是本申请的限制光线角度的准直组件的工作原理示意图。光线由两个成组拋物面围成的类三角形结构之间通过，结构之间的空间定义为镂空区120，类三角形结构的底角即为相对应拋物面的焦点300，即抛物面对应抛物线的焦点300位于对应镂空区120另一侧的微结构单元110的侧面与所述透光基板200表面的交汇处。在图4中示出的各个光线的光路可知，光线①和光线②由焦点300处通过开口区，并分别经过对应的微结构结构单元顶点直接穿过微结构层100，光线③经过焦点300入射，但打在具反射功能拋物面上，则光线经一次反射，反射光沿垂直基材表面方向穿过该器件，光线④、光线⑤及光线⑥由开口区较远离焦点300的任一点入射，在一定的角度下，入射光会打在具反射功能拋物面上，则光线经一次反射穿过微结构层100，在另外一些角度下，光线可以不经反射而直接通过镂空区120穿过微结构层100。在入射光线与透光基板200表面夹角小于一定值时，会出现经过多次抛物面的反射后再穿过微结构层100的情形。

将光线①和光线②之间的夹角定义为θ，可看出，其中，光线③为垂直透光基板200表面方向穿过的光线，光线④、光线⑤、光线⑥是同一入射点，对应光线入射角度一定比光线③的光线角度大，所以光线在一次或多次反射后会朝光线③的靠近抛物线的一侧出射，由于进行了结构约束，最后所形成出射光都被控制在角度θ之内，因此，所有通过此微结构层100的出射光，不论有无经过拋物面反射，其出射光角度均会介于光线①和光线②的两条光线之间，此θ即为所谓的可视角，大于此角度的范围内将不会有光线出射。

具体地，所述底面上也设置为光反射面。将微结构单元110的所有表面设计为具有反射功能，尤其对应微结构单元110的底面也设置为能够反射光线，光线由微结构单元110下方入射时，未进入开口区而打在微结构单元110底面上的光线，亦会被微结构底面反射，配合微结构层100之外的其他反射部件，也可简单的回收此部分光线，令其有机会重新由开口处进入微结构层100，进行出射光角度的调节。在各个环节不存在对光的吸收，因此本申请所提出的基于拋物面的反射微结构单元110，以反射方式将光线限制于一定角度内，有别于现有以吸收光微结构机制来控制可视角度的原理，而可几乎无损的最大利用光源强度。

具体地，所述微结构单元110的侧面及底面形成有反光材料。本申请的技术方案中，采用反光材料形成反射面，光线不产生损失，另外，结合镂空区120内不填充其它材料，相较于采用填充材料通过全反射的方式进行反射的方式，可以避免相关材料对光线的吸收，也可以避免光线经由填充材料再次出射时导致的角度扩大等问题。

具体地，所述微结构单元110为长条形，且所述微结构单元110的两个抛物面相交，多个所述微结构单元110平行排列，两个相邻的所述微结构单元110之间形成所述镂空区120。

具体地，所述镂空区120的宽度为所述抛物面对应抛物线的焦距的两倍。在进行设计时可以通过直接调整抛物线的参数进行设计，而由于间距与抛物线之间包括相应的对应关系，因此设计过程能够得到很大的简化，只需要根据目标限制角度即可实现相关结构尺寸的确定，简化了设计方法。

具体地，所述微结构单元110的高度与所述镂空区120的底部的宽度比大于2。请参阅图5、图6，图5是本申请的一个实施例的限制光线角度的准直组件的调整限制角度的原理示意图，图6是本申请的另一个实施例的限制光线角度的准直组件的调整限制角度的原理示意图，上述两个具体的实施例中，具有不同的抛物面的曲率和焦点300，通过对比图5和图6中的具体实施方式可知，改变拋物面的曲率与焦点300，可以控制出射光的极限角度θ，对于不同的出光限制角度而言，可以通过调整抛物面的相关参数进行调整，从而可以满足不同照明应用的出光角度要求。另外，在具体的实施方式中，微结构单元110的两个侧面并不需要严格按照交汇的方式进行设计，因此间距与高度可以分别调整。

具体地，所述微结构单元110底面的宽度范围为240-380μm，所述镂空区120底部的宽度范围为40-70μm，所述微结构的高度范围为360-480μm。

具体地，所述微结构层100设置两组，两组所述微结构中的所述微结构单元110互相垂直设置，两组微结构设置在两个微结构层100中或者在同一个微结构层100中相交。在仅采用一个微结构层100且如图2中方式布置时，对于X轴方向的能够起到限制出光角度的作用，而在Y轴方向无法限制出光角度，在需要两个方向均需要限制出光角度时，即将光限制在一个区域范围时，可以通过两组微结构层100进行，相关具体设置方式可以根据前述原理进行适应性调整。当然，对于仅需要限定一个方向上出光角度的应用场景而言，仅需使用具有一组排列相同的微结构单元110的微结构层100。

请参阅图7，图7是本申请的另一个实施例的限制光线角度的准直组件的俯视图，在微结构中，微结构单元110互相垂直设置并在同一个微结构层100中相交，形成的镂空区120形成为矩形，每一个微结构层可以分别设计不同参数的抛物面。

对于透明基底，本申请的透明基底选择时，可以优选其材质满足如下条件：将出射光线与透明基底表面的角度限制在一定范围内，通过选择透明基底的材质，使得透明基底内的光线相对于透明基底表面的夹角角度过小时，在表面发生全反射而不从透明基底中出射，避免经过出射的光与透明基底表面夹角过小，从而避免光在微结构之间来回反射而影响光线限制效果，通过上述设置方法，光线可以仅经过一个抛物面的反射，从而提高对光线的准直效果。

在一些具体的实施方式中，可以采用不同焦距的抛物线形成一个微结构层100，例如从中心向外的微结构层100对应的抛物面的焦距不断减小，微结构单元110的高宽比逐渐增加，这样对于外侧的光具有更大的限制角度，中心处能够透射更多的光。另外还可以整体调整微结构单元110的倾斜角度，将四周的微结构层100单元调整出具有向中心倾斜角度的结构，使四周的光向中心聚集，通过上述方式使光向中心汇聚，在照明的应用场景中可以使光更集中。

本申请还提供了一种光源装置，包括发光组件和前述的限制光线角度的准直组件，其特征在于，所述发光组件发出的光经过透光基板200，从镂空区120向外出射。

具体地，所述发光组件设置在所述透光基板200内作为透光基板200的一部分。透光基板200可以传导光，发光组件可以设置在透光基板200的侧面，此场景下透光基板200可以作为导光板。在一些应用场景下，将透光基板200直接形成为发光基板，在透光基板200内形成发光功能层，从而使透光基板200自身能够提供光，在此情况下，该限制光线角度的准直组件直接能够作为光源，实现了光源结构的简化。

下面根据具体的实施例进行相关结构的作用原理及效果的比较，其中镂空区120在透光基板200上的区域为光线入射口，实施例中调整光线入射口宽度、微结构单元110高度、抛物面焦距以及微结构单元110底面宽度的尺寸参数，对各个实施例的限制角度以及透射率的结果进行统计、比较。

实施例1，光线入射口的宽度具体选择为50μm，微结构单元110高度选择为425μm，抛物面焦距选择为25μm，微结构单元110底面宽度选择为300μm。

实施例2，光线入射口的宽度具体选择为40μm，微结构单元110高度选择为360μm，抛物面焦距选择为20μm，微结构单元110底面宽度选择为240μm。

实施例3，光线入射口的宽度具体选择为70μm，微结构单元110高度选择为480μm，抛物面焦距选择为35μm，微结构单元110底面宽度选择为380μm。

实施例4，将实施例1设置两组，并且将两组所述微结构中的所述微结构单元互相垂直设置，两组微结构在同一个微结构层中相交。

对比例1，降低光学元件的高度，使得光线入射口长度增加，光学元件的总高度为300μm，光学入射口的长度为110μm。

对比例2，减少光学元件底面的长度，使得光线入射口长度减少，光学元件底面的长度为200μm，光学入射口的长度为12μm。

对比例3，将实施例一中的光学元件材料更换为传统的吸光材料，保持限制角度不变。

对比例4，将微结构换为传统的矩形光栅结构，材料使用吸光材料。矩形高度为70μm，宽度为13μm，两矩形结构间隔30μm。

将上述实施例及对比例进行测试，下表为相关的测试结果。

表一 不同实施例及对比例的限制角度及透射率统计表

以上实施对比案例结果表明，本方案较对比例3的限制光线角度的准直组件时，在保持了良好的限制角度后，透射率有较显著提升。对比例1降低了光学元件的高度，使得光线入射口长度增加，提高了透射率，但是也使得限制角度变大。对比例2减少了光学元件底面的长度，使得光线入射口长度减少，较为明显的收窄了限制角度，但是光线入射口长度的减少也使得光线更难进入结构层，使得该结构的透射率大大降低。对比例4在两光学元件之间的区域填充折射率为1.5的白胶，虽然起到了保护光学元件的作用，但是由于光线在白胶-空气界面的折射与反射效果，使得该结构的限制角度更大，且透射率更低。由此可知，采用包括抛物面微结构单元110的微结构层100能够通过反射方式实现角度的限制，同时还能够保持较高的透射率。

下面是本申请限制光线角度的准直组件的一些具体使用方式场景介绍。

应用场景一。

将限制光线角度的准直组件与发光组件配合，将限制光线角度的准直组件放至发光组件表面，发光组件发出的光首先进入准直组件的透光基板，光线经过透光基板后，通过对应镂空区的开口进入镂空区，其中部分光线不经过反射直接从镂空区出射，与透光基板之间的角度大于限制角度的光线会经过微结构单元的侧面进行反射，使出射角度在限制角度内，从而使光源发出的光限制在一定的角度内，使光源具有更好的准直度，同时还不会产生光损失。

应用场景二。

将限制光线角度的准直组件应用于显示装置的背光源中，此时透光基板可以选择为导光基板，将光源设置在导光基板的一侧，光线发出后会经过导光基板然后在导光基板的表面出射，通过微结构层将导光基板出射的光限制在一定的角度内出射，从而确保光源原本向各个方向散射的光线向正面集中，将原本视角外未被利用的光线也循环利用，从而提升整体辉度与均匀度，达到提升面板的亮度和控制可视角度的效果，尤其在使用本申请的反射方式时，能够避免光损失。

由前述可知，本申请的限制光线角度的准直组件包括透光基板以及设置在所述透光基板上的微结构层，微结构单元包括形成为抛物面的侧面，通过设计抛物面以及光线出射口尺寸，通过简便的方式实现对于出射光线限制角度的调整，通过反射的原理将出射的光线限制在一定角度内，避免使用光吸收材料，从而能够增加光的透过率，可无损地最大化利用光源强度，另外，通过该准直组件，能够提供将光线限制在一定角度内的光源，在对角度进行简便调整的基础上，同时还能够提高发光组件效能。

上述仅为本申请的一个具体实施方式，其它基于本申请构思的前提下做出的任何改进都视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种限制光线角度的准直组件，其特征在于，包括透光基板（200）以及设置在所述透光基板（200）上的微结构层（100）；

所述微结构层（100）由多个微结构单元（110）组成，所述微结构单元（110）之间形成镂空区（120），所述微结构单元（110）包括底面和侧面，经过透光基板（200）的光线从微结构单元（110）底面之间的区域进入镂空区（120），所述侧面反射光线且形状为抛物面，所述底面上也设置为光反射面，所述抛物面对应抛物线的焦点（300）位于对应镂空区（120）另一侧的微结构单元（110）的侧面与所述透光基板（200）表面的交汇处。

2.如权利要求1所述的限制光线角度的准直组件，其特征在于，所述微结构单元（110）的侧面及底面形成有反光材料。

3.如权利要求1所述的限制光线角度的准直组件，其特征在于，所述微结构单元（110）为长条形，且所述微结构单元（110）的两个抛物面相交，多个所述微结构单元（110）平行排列，两个相邻的所述微结构单元（110）之间形成所述镂空区（120）。

4.如权利要求3所述的限制光线角度的准直组件，其特征在于，所述微结构层（100）设置两组，两组所述微结构中的所述微结构单元（110）互相垂直设置，两组微结构设置在两个微结构层（100）中或者在同一个微结构层（100）中相交。

5.如权利要求3所述的限制光线角度的准直组件，其特征在于，所述镂空区（120）的宽度为所述抛物面对应抛物线的焦距的两倍。

6.如权利要求1所述的限制光线角度的准直组件，其特征在于，所述微结构单元（110）的高度与所述镂空区（120）的底部的宽度比大于2。

7.如权利要求6所述的限制光线角度的准直组件，其特征在于，所述微结构单元（110）底面的宽度范围为240-380μm，所述镂空区（120）底部的宽度范围为40-70μm，所述微结构的高度范围为360-480μm。

8.一种光源装置，包括发光组件和如权利要求1-7任一项所述的限制光线角度的准直组件，其特征在于，所述发光组件发出的光经过透光基板（200），从镂空区（120）向外出射。

9.如权利要求8所述的光源装置，其特征在于，所述发光组件设置在所述透光基板（200）内作为透光基板（200）的一部分。