CN1278068A - 利用微棱镜波导进行表面定向照明的装置 - Google Patents

Abstract

具有折射率n的微棱镜(20)的固体光波导(10),用于以角θ₁切线入射均匀照明表面(4),其中截面的平面角δ相对于表面(4)产生一个基本垂直面(15)和一个基本平行面(14),其中将微棱镜(20)安放在凹陷部分,所述微棱镜(20)的一个小平面(21)朝向该面(15),其与平行面(14)形成的边缘(22)相对于该波导的轴以角α倾斜,其与垂直面(15)形成的边缘(23)相对于待照明表面的垂直线以角γ倾斜,角α和γ由该波导的性能参数n,θ₁和δ决定。用于钟表的表面的照明。

Description

利用微棱镜波导进行表面定向照明的装置

本发明涉及一种利用固体光波导进行平面定向照明的装置，装配有特别布置的微棱镜，用来校正来自至少一个光源发出的光线，使所述光线射入其至少一端，由此可使得通过朝向所述待照明表面的面沿整个波导长度的均匀切线射出光线。

本发明尤其涉及一种用于小尺寸表面照明的这种类型的装置，例如用于测量设备和时钟表面的显示装置。

已经知道的装置，其表面用一个由柔性成分并一般有一个矩形截面的透明物质制成的光波导来进行照明。这种波导使在一端射入的光线通过全内反射(TIR)沿整个波导传送，并使该波导内的射向与待照明表面相对面的光线以低于临界角θ_c的角度被出射至所述待照明的表面，该临界角的值取决于所用物质的折射率 n。为了增加符合前述条件的光线的量，也建议用反射的白色清漆涂布其它不与待照明表面相对的面。这种装置的例子可参见在欧洲专利No.EP0860 755已公开的采用二极管元件的时钟表面的人工照明。这些装置的缺点在于由于其它壁的吸收造成损耗而导致的低产率，以及沿远离光源方向，照明强度逐渐降低。

为了减少光能量的损耗，各种装置建议使用即能在反射条件下又能在透射条件下工作的微棱镜。当在反射条件下使用微棱镜时，将它们安放在波导的与其轴向方向垂直的表面，以使入射光线通过全内反射返回至相对面，该光线从该面射出照亮表面。当在透射条件下使用微棱镜时，将它们安放在与波导的轴向方向垂直的光线射出照亮表面的面上。后者的结构如美国专利No.5,555,109和欧洲专利No.EP0 666 247公开的装置。无论是在反射条件下或是在透射条件下使用微棱镜，可以看出一般将它们都设置在与待照明表面基本垂直的波导面上。在弯曲的波导，特别是环形波导的情况下，微棱镜的结构在技术上更为复杂，这自然导致照明装置的成本上升。也可以看出现有技术的这些装置还不能提供令人满意的关于使射出光线定向于待照明面的解决办法。实际上，许多光线直接从波导到达观察者，使其眼花缭乱，而不是照明该表面。

本发明的一个目的是通过提供一个利用微棱镜波导进行平面照明的装置来克服现有技术的缺陷，按照为使射出光线沿该波导成为以均匀的切线入射定向于所述表面的安排，该微棱镜设置在波导的与所述表面基本平行的平面，这样由于减少了耀眼的影响，而更易于观察。

因此本发明涉及一种采用至少一个利用固体光波导元件的朗伯源进行平面定向照明的装置，该波导由一系列的沿Oz轴方向传播光的基本块形成并包括至少一个微棱镜，该波导由具有高折射率 n的物质制成。该折射率限定了在波导内其旋转角度相当于临界角θ_c的光传导锥体。该波导的截面可以具有任何轮廓，但是具有至少一个平面角δ，其产生波导的一端是与待照明的表面基本平行的第一面，其产生波导的另一端是与待照明的表面基本垂直的第二面。该截面其它部分产生的其它表面也有助于改善入射光的出射，例如根据前文已解释的技术，但是它们的结构不直接涉及到本发明。

本发明的特征在于将该微棱镜安装在与待照明的表面基本平行的波导第一面的凹陷部分，并且其中每一个微棱镜有一个由于朝该波导第二面倾斜而面向光源的小平面，以使中间的光线以相对于待照明表面的角θ₁从该第二面射向该待照明表面。该微棱镜的这个小平面的倾斜角一方面由所述小平面边缘与光在基本块中传导轴Oz在该波导第一面中形成的角 α来确定，另一方面由所述小平面边缘与待照明表面的垂直方向在该波导第二面中形成的角 γ来确定。角α和 γ一方面由该波导所用物质的折射率 n来决定，该折射率会决定波导内入射中间光线在该微棱镜小平面上的角度θ_c/2；另一方面，由所选择的能使射出光线照亮所讨论的整个表面的平均入射角θ₁来决定。显然该平均入射角θ₁是该波导和所述待照明表面各自尺寸所作的选择以及该波导截面平面角δ的函数。

角 α和 γ的值可以作为该装置前述物理性质的函数，来自推导的参数，例如从反射或折射光线的方向余弦计算得到，所述值转换至正交的统一坐标系x，y，z，与每一个微棱镜的所述截面和待照明表面平行。

每一个微棱镜的所述波导截面的平面角δ可以是所希望的任何值，优选的值是π/2，为了更好的理解如下的详细描述，也将保留该值。

通过使第一面与所述待照明表面保持严格平行，或使第二面与所述待照明表面保持严格垂直，角δ可以相对于这个参考值(π/2)变动约10°(三角的方向)。换句话说，角δ可以基本上在80°-100°之间变动。

如前所述，为了更好的理解本发明，该波导可以被认为是一系列的直的基本块B_I，可包括一个或多个如上限定的微棱镜，其间的连线可以形成任何轴向线，或直线，或规则曲线如圆。在是曲线的情况下，角 α相对于所考虑的波导的点的切线来确定。

为获得所述表面沿波导的均匀照明，其中所述波导中存在着由于射出光线，以及由于反射、被《非活性》面吸收和被用来形成波导的物质本身吸收造成的损耗导致的光通量密度的下降，根据本发明的优选实施例，希望通过沿远离光源方向提高微棱镜的密度以补偿光通量的下降。

根据本发明的第一个优选实施例，在波导的整个宽度方向安装该微棱镜，其数目沿远离光源方向的基本块B_I增加。例如距离光源最近的基本块包括一块微棱镜，而距离最远的包括四块。

根据本发明的第二个优选实施例，每一个基本块B_I只包括一块微棱镜，但是微棱镜的长度沿远离光源方向增加。

当然这两个实施例是相互兼容的，并可以同时实施。

该微棱镜可以通过直接或间接的刻削在所述波导的第一面上形成，诸如采用合适的金刚石切削工具进行机械加工，透过光刻胶掩膜用化学方法或激光束刻蚀，所述技术不限于所举的例子。

也可以由刻削模具中复制来制造所述微棱镜，该模具可适合通过注模设备利用模塑法制造该波导，或用于模压欲在其中形成所述微棱镜的表面。无论采用哪种技术，该微棱镜可以直接在所述波导上形成，或在一个与该波导基本相同并具有与其第一面相同轮廓的折射率板上形成，然后将所述板采用例如用粘合剂粘合的方法置放在所述第一面上。

如此形成的波导可以保持其原状，即不经过任何额外处理，并可简单地通过全内反射改变光线矢量的方向。作为光线入射角的函数，从波导射出的光线通过在所述小平面折射可在波导内被重新定向，成为每一个微棱镜的朝向所述第二小平面的倾斜角的函数。

根据本发明的可使用来照明所述表面的光通量增加的变形实施例，也可以在每一个微棱镜的定向于光源的小平面上涂上反射涂层。但是该优点被制造成本的提高(选择涂布极小的表面)和由于反射表面的吸收导致的光通量损耗所抵销。如果安放微棱镜的表面全部涂有涂层，制造成本略有下降，但是由于反射面的吸收造成的损耗也会上升。这些不同实施例的选择主要取决于波导、微棱镜和待照明表面各自的尺寸。

至于光源的位置，可以在沿波导轴方向的一个光源、或更好在两端都配备光源以使波导相对于其中心点具有对称微棱镜结构的现有技术中选择。也可以并具有经济优势的方法是配备一个与待照明表面垂直的单光源，该光源在面对与待照明表面平行的波导第一面上所形成的二面体，该二面体具有一个角度，以使通过全内反射射入的光通量射至该波导的两个半区。以具有不同入射角并可被折射的光线所形成的光源发射光锥由此造成损耗，根据本发明的另一方面，前述的二面体被一对二面体或以一系列的微小单元形成弯曲表面的多面体所代替。

已经描述过的微棱镜照明装置可以照亮任何类型的表面。但是最好用于小尺寸表面例如测量设备和时钟表面的显示装置的照明。

本发明的其它特征和优点将体现在如下不同实施例参照附图的描述当中。在附图中：

附图1是根据本发明最普通实施例的照明装置的局部透视图。

附图2是形成如附图1所示装置的波导形成一个块的放大透视图。

附图3A和3B分别显示附图2的微棱镜在xz，yz平面和垂直于所述微棱镜边缘的平面内的投影。

附图3C显示光线在微棱镜中的反射。

附图4显示根据本发明的照明装置的透视图，其中该光波导是具有矩形截面的直棒。

附图4A是附图4与该波导轴方向垂直的截面示意图。

附图5是根据本发明配备照明装置的手表的部分剖开透视图，其中该波导是环形的。

附图5A是附图5沿Va-Va线的截面图。

附图6是附图5所示波导的另一个实施例的俯视图。

附图6A是附图6的沿箭头Vla靠近光源的侧视图。

附图1表示照明装置的局部透视示意图，该装置利用以10为标记的具有微棱镜的固体光波导，采用在其一端安装的光源2照明平面4。

形成该波导的物质是透明的具有在1.40-1.65之间高折射率 n的物质，可在已知的有机聚合物中选择，该有机聚合物通过全内反射，允许至少一部分从光源一端进入的照明能量沿该波导传播。该有机聚合物例如选自丙烯酸聚合物，特别是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯和聚酯。

光源2是准点朗伯源，例如AlGaAs二极管在1.65V发出的650nm的光或InGaN二极管在3.5V发出的470nm的光。

波导10沿以虚线表示的可以是任何形状的轴向线1在表面4上延伸。它可以被认为是如放大视图附图2中所示的一系列直线形基本块B₁...B_i，B_i+l...。

每一个基本块B_i包括至少一个具有平面角δ的二面体，其第一面14与待照明表面4基本平行，其第二面15与待照明表面4基本垂直。面16和17连接每一个基本块B_I的面14和15，由此组成封闭面，如果面16和17不直接参与使切线入射的射出光定向至待照明表面4，可以具有任何形状。

更详细的，该射出光的定向是一个或多个微棱镜20，20a，20b，...作用的结果，该微棱镜安放在每一个基本块B_i的第一面14的凹陷部分，其一个小平面21朝向光源。小平面21的定向如实施例所示是精确确定的，考虑到制造波导的物质，更准确的说是所述物质的折射率 n，以及该波导截面的形状，更准确的说是所述二面体的平面角δ，和该表面被照明的程度，也就是所希望的射出光线射向所述表面4的角度θ₁。小平面21的精确定向可由前述的可以计算的参数确定，该参数一方面是小平面21的边缘22与在相应的基本块中光传导的Oz轴方向在波导微棱镜第一面14上形成的角 α，另一方面是小平面21的边缘23与垂直于待照明表面的Oy轴方向在波导微棱镜第二面15上形成的角 γ。

角 α和 γ也可以用垂直与所述小平面的方向余弦K，L，M来表示，所述方向余弦可以由所述参数n，δ，θ₁按实施例介绍的方法进行计算。

该波导每一个基本块的截面是宽度为1.5mm的正方形，(平面角的值是π/2)，并由折射率n＝1.49的PMMA制成。该块标记在x，y，z参照系中，其中z轴与该块的轴向平行，xz面与待照明表面4平行，xy面与所述截面平行。从光源2发出的光线穿过该块形成一个临界角为 的锥体，假设该锥体的下半部分的光线不直接射向小平面21，这里只使用该锥体的上半部分。该半锥如面yz所示限定了中间光线

，由此形成角θ_c/2＝21.1°。随后被微棱镜的小平面2l反射成为光线

的光线矢量

，方向余弦为：

经向射出光线从波导射出

，它是由 在平行于面xy面内折射后产生的，并形成角θ₁=10°，使表面4被照亮。角θ₁′(未显示)由在波导内的入射光线

形成：

它在三角方向相当于角173.31°。结果，矢量

的方向余弦为：已经知道入射光线

和被小平面21反射的光线

的参数，可以采用反射的矢量法则

计算垂直于小平面21的矢量 的方向余弦K，L，M，其中a表示 $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{kK}+\mathrm{lL}+\mathrm{mM}}{K^2+L^2+M^2}$ k，l，m和K，L，M分别是矢量 和 的方向余弦。

垂直于小平面21表面的矢量

的方向余弦可由下述等式确定： $\stackrel{\→}{\mathrm{\γ}}=\left[\begin{array}{c}K\\ L\\ M\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{0,688}\\ \mathrm{0,33}\\ \mathrm{0,646}\end{array}\right]$ 特别是参考附图3A，可以看见表示微棱镜边缘22沿波导倾斜度的角α相当于垂直矢量 在xz面投影形成的角，因此在三角方向，其值为：同样的，特别是参考附图3B，可以看见表示微棱镜边缘23在波导面15上倾斜度的角 γ相当于垂直矢量

在yz面投影形成的角，因此在三角方向，其值为：

为了彻底的确定该波导的几何结构，也应当选择微棱镜的深度Py。如果高度是Ly，为避免阴影效应，希望具有Py/Ly≤1/10的关系，为了使附图更易理解，该关系没有在附图3b中显示。在所选的实施例中(截面是1.5×1.5mm²的直棒)，该深度不超过150μm。

特别是参考附图4，显示了照明装置的—部分，它有一直线形PMMA波导，截面为2×2mm²，长度为50mm，微棱镜按照前述特征安放在长度为ΔZ＝1mm的基本块30上，第—块安放在距离光源10mm处。微棱镜的密度，即每个基本块微棱镜的数目从第一块一个增加至最后一块四个，所以微棱镜的总数为56个。这些微棱镜沿波导的精确分布是考虑到PMMA的吸收系数(0.000228mm^-1)并假设每一个基本块B₁发出的光能量I₁相对于形成波导的所有块都一样而确定的。使用该照明装置，用能量传感器测量波导每一面所分离的光通量：I-   X：从面15射出的光通量，并照亮表面4，I+X：从面15的相对面16射出的光通量，I-   Y：从相对于面14包括该酬l撬的面13射出的光通量，I+Y：从面14包括该微棱镜射出的光通量，I-   Z：从波导设置光源的入口处面17射出的光通量，I+Z：从波导另一端面18射出的光通量。在第—个实施例中，波导的表面没有反射涂层。在第二个实施例中，微棱镜的小平面21上沉积了铝涂层。

在第三个实施例中，所沉积的铝涂层覆盖了包括微棱镜的小平面21的整千篇一面14。

上述三个实施例的结果表示在下表中，以具有相同特征(折射率和波导几何结构)但没有任何微棱镜和反射涂层的直棒的实验结果作为对照。

实验	I-X	I+X	I-Y	I+Y	I-Z	I+Z	总发出光通量I
								1	44.11％	6.03％	10.58％	6.76％	7.70％	21.75％	96.93％
2	56.04％	5.25％	9.38％	1.22％	8.39％	10.53％	90.81％
								3	47.69％	3.63％	6.60％	0.35％	7.82％	7.47％	73.56％
对照实验*	15％	15％	15％	15％	10％	30％	100％

(^*对于小长度的波导，吸收损耗忽略不计)

与对照实验相比，会注意到分离值I-X增加，并且这种增加在微棱镜也具有反射涂层时更显著。可以看出，当具有反射涂层时，射出光通量总量明显降低。

在第二个实施例中，通过适当安置传感器，可以测出直接朝向待照明表面4的能量I-X₁和如附图4A所示的直接朝向平行于表面4的顶表面8的从I-X中分离的能量I-X₂。

I-X₁为52.33％，I-X₂为3.71％，这表明根据本发明特别布置的微棱镜明显有助于使射出光线从波导的面21定向射至待照明表面。

附图5和5A显示了用根据本发明的定向照明装置来照亮普通手表表面。它包括一由中间部分3a和背面3b封闭成的圆形外壳3，和发条驱动部分以及至少用于照明装置的光源7。时间显示在表面4上，例如采用指针5b和安排在表面4周边的时间指示部件5a的模拟方式。当采用任何合适的方法将显示器安装在外壳上时，该显示器由固定在框9中的水晶玻璃8密封，该框9的延伸部分9a部分覆盖了所述水晶玻璃8和表面4的环。将该水晶玻璃8和框9局部剖开以显示光波导10，该波导为具有矩形截面的环状，置于框9和表面4的相对面与水晶玻璃8所限定的空间内。从附图3A可更清楚的看到，波导10置于它的罩中，在空隙中安放隔离垫11以在波导表面13，14和16以及相对壁之间布置一小空气缝。在非活性面13和16的对面也设有镜面12，用来反射从波导射出的光线。这些镜面可使用例如银涂布的PET板。

如附图5所示，基本在12点钟的位置，该波导中断以形成一个缺口来容纳光源2，该光源由两个背对背安排的二极管形成，并可以用例如安放在中间部分3a上的按键6按需要进行开关。

波导的顶面14包含如前所述的微棱镜，该微棱镜在面zx的倾斜角α由形成波导的环的切线确定。

可以看出，该微棱镜相对于6点-12点的轴线对称分布，它们的密度朝6点钟的方向逐渐增加。

附图6是也可用于照亮钟表表面的环形波导实施例的俯视图，其中将微棱镜有规则的每隔一定间距进行配置，其长度由外向内增加，即朝向待照明表面，沿远离光源2的方向逐渐增加。根据该实施例的其它特征，该光源由沿面向面13的Oy轴安放的单个二极管形成，该面13相对包含微棱镜的面14，并且所述面14包括一个切削成的二面体19，该二面体具有一定的角度以使入射光线通过全内反射分成两个半光束，以射向波导的两个半部分。在关于该实施例的侧视图6A中，二面体19实际上是双二面体，其中每一个面由具有不同取向的两个小平面19a和19b形成，因此可以使光源发出的光线能够更好的分散。

可以理解，这里描述的实施例在不脱离本发明范围的情况下可以有多种变化。

Claims (20)

1.利用具有沿Oz轴延伸的并有恒定截面的微棱镜(20)的固体光波导(10)，采用至少一个朗伯源(2)，对平面(4)进行定向照明的装置，所述波导由具有与临界角θ_c相应的高折射率 n的物质制成，所述截面具有至少一个平面角δ，其一端产生基本平行于所述待照明表面的该波导(20)的第一平面(14)，其另一端产生基本垂直于所述待照明表面的第二平面(15)，该装置特征在于所述微棱镜(20)由安放在该第一面(14)凹陷部分的两个小平面(21，25)组成，其中朝向光源(2)的小平面(21)向第二面(15)倾斜，以使从所述面(15)射出的中间光束以角度θ₁射向所述表面(4)，所述倾斜角一方面由微棱镜(20)的边缘(22)与所讨论的微棱镜的Oz轴方向在第一面(14)形成的角 α确定，另一方面由所述小平面(21)的边缘(23)和垂直于所述待照明表面的Oy方向在该第二面(15)形成的角 γ确定，角 α和 γ由该照明装置保留的性能参数n，θ₁，和δ决定。

2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于角 α和 γ由垂直于所述微棱镜(20)小平面(21)的方向余弦K，L，M决定，所述方向余弦由n，θ₁，和δ计算得到。

3.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于面14和15中的一个或另一个或全部相对于它们能形成平面角δ＝π/2的优选位置具有在0°-10°之间变动的倾斜角，所述平面分别平行和垂直于所述待照明表面(4)。

4.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于该波导的所述截面是一四边矩形。

5.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述波导(10)的轴向线Oz是一直线，角 α相对于所述直线确定。

6.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述波导(10)的轴向线是一个圆，角 α相由对于曲线上所讨论的微棱镜(20)的点的切线确定。

7.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述微棱镜(20)的数目沿远离光源(2)的方向随每单位长度逐渐增加。

8.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述微棱镜(20)沿波导有规律的分布，但是其长度沿远离光源(2)的方向由外向所述待照明表面(4)逐渐增加。

9.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于每一个微棱镜(20)的所述第二面(25)垂直于所述待照明表面(4)。

10.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于每一个微棱镜(20)相对于该波导截面的所述第二面(25)与第一面(21)呈对称分布。

11.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于至少每个微棱镜(20)的第一面(21)涂有反射涂层。

12.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于该微棱镜(20)是采用直接或间接刻削方法形成的，例如机械加工或者采用化学方法或激光束透过掩膜进行刻蚀。

13.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于该微棱镜(20)由模压方法制成，它可以由在模具中注塑并模压或用所述模压方法模压表面形成微棱镜(20)。

14.根据权利要求12或13所述的照明装置，其特征在于该微棱镜(20)由形成波导的物质直接形成。

15.根据权利要求12或13所述的照明装置，其特征在于该微棱镜(20)在物质折射率与所述波导相同或相近的板上形成，然后将所述板加在该波导的第一面上。

16.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于该波导由折射率 n在1.40-1.65之间的有机聚合物形成。

17.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于当该波导是由折射率为n＝1.49的PMMA并且选择使θ₁＝10°时，倾斜角 α为47°，倾斜角 γ为27°。

18.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述光源(2)由沿波导Oz轴方向背对背安放的两个二极管形成。

19.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述光源(2)由沿面向面13的Oy轴安放的单个二极管形成，该面13相对包含微棱镜的面14在所述面(14)包括一个二面体或多面体形的切口，使所述光束分开进入该波导的两个半区。

20.包括能容纳发条机械的外壳的表，所述外壳被置于以模拟或数字方式显示时间的表面上的水晶玻璃所密封，其特征在于所述表面用根据权利要求1-19中的任何一项的照明装置照明。

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