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CN107924030A - 准直光导 - Google Patents

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CN107924030A
CN107924030A CN201680049903.6A CN201680049903A CN107924030A CN 107924030 A CN107924030 A CN 107924030A CN 201680049903 A CN201680049903 A CN 201680049903A CN 107924030 A CN107924030 A CN 107924030A
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CN
China
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light
light guide
prism
main surface
degree
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Application number
CN201680049903.6A
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肯尼斯·A·爱泼斯坦
约翰·A·惠特利
刘涛
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3M Innovative Properties Co
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3M Innovative Properties Co
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Abstract

一种光导包括光输入表面、与光输入表面正交的第一主表面、与第一主表面相对的第二主表面、设置在该第二主表面上的多个分散光提取特征以及沿第二主表面设置的多个密集堆积的棱镜。多个分散光提取特征将多个密集堆积的棱镜与第二主表面分隔开。密集堆积的棱镜中的每个棱镜包括第一棱镜表面，该第一棱镜表面与第二表面形成第一角度，该第一角度在80度至100度的范围内或在85度至95度的范围内或在87度至93度的范围内。

Description

准直光导
背景技术
点照明设备通常由发光二极管(LED)或LED组件供能，并且用低成本的旋压铝制反射器集中成准直光束。点照明设备提供明亮的低眩光照明；然而，随着聚焦光束变窄，反射器轮廓变得更深并且效率更低。
人们感兴趣的是使LCD背光技术适应于照明。在边光式电视的背光中，平板光导是合理有效的。然而，这些背光被设计用于宽视角显示器，并且这些背光以不适合低眩光规格的高角度发射。透镜光导是准直光源，但功能性照明设备除了光导外还需要转向膜和镜面反射器。
发明内容
本公开涉及一种准直光导。特别是这种光导能够提供均匀的光提取和峰值轴向强度。
在一个方面，光导包括光输入表面、与光输入表面正交的第一主表面、与第一主表面相对的第二主表面、设置在第二主表面上的多个分散光提取特征以及沿第二主表面设置的多个密集堆积的棱镜。多个分散光提取特征将多个密集堆积的棱镜与第二主表面分隔开。密集堆积的棱镜中的每个棱镜包括第一棱镜表面，该第一棱镜表面与第二表面形成第一角度，该第一角度在80度至100度的范围内或在85度至95度的范围内或在87度至93度的范围内。
在另一方面，光导包括光输入表面、与光输入表面正交的第一主表面、与第一主表面相对的第二主表面、设置在第二主表面上的多个光提取特征以及沿第二主表面设置的多个密集堆积的棱镜，其中多个光提取特征将多个密集堆积的棱镜与第二主表面分隔开。密集堆积的棱镜中的每个棱镜具有第一棱镜表面，该第一棱镜表面比第二棱镜表面更接近光输入表面，并且第一棱镜表面与第二主表面形成第一角度。第一角度在80度至100度的范围内或85度至95度的范围内或87度至93度的范围内。光输入表面形成圆的至少一部分的内半径，并且多个密集堆积的棱镜与内半径同心。
通过阅读以下具体实施方式，这些以及各种其它特征和优点将显而易见。
附图说明
结合附图，参考以下对本公开的各种实施方案的详细说明，可更全面地理解本公开，其中：
图1是例示性准直光导的横截面示意图；
图2是实施例1的极角强度图；
图3为例示性准直伸长杆光导的横截面示意图；
图4是实施例2的极角强度图；
图5是具有同心提取特征的例示性圆形准直光导的透视图；
图6是去除图5的例示性圆形准直光导的矩形部分的透视图；
图7是实施例3的极角强度图；
图8是具有同心提取特征的例示性半圆形(180度)准直光导的透视图；
图9是实施例4的极角强度图；并且
图10是利用光转向元件的照明设备和控制系统的示意图。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，参考了形成具体实施方式的一部分的附图，并且在附图中通过举例说明的方式示出若干具体实施方案。应当理解，在不脱离本公开的范围或实质的情况下，可设想并进行其它实施方案。因此，以下具体实施方式不被认为具有限制意义。
除非另外指明，否则本文所使用的所有科学和技术术语具有在本领域中普遍使用的含义。本文提供的定义旨在有利于理解本文频繁使用的某些术语，并且并非旨在限制本公开的范围。
除非另外指明，否则说明书和权利要求书中所使用的表达特征尺寸、量和物理性能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使用本文所公开的教导内容寻求获得的特性而变化。
用端值来表述的数值范围包括该范围内所包含的所有数字(如1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)及该范围内的任何范围。
除非上下文另外清楚地指定，否则如本说明书和所附权利要求中使用的，单数形式“一个”、“一种”和“所述”涵盖了具有多个指代物的实施方案。
除非上下文另外清楚地指定，否则如本说明书和所附权利要求中使用的，术语“或”一般以其包括“和/或”的意义使用。
如本文所用，“具有”(“have”,“having”)、“包括”(“include”，“including”)、“包含”(“comprise”，“comprising”)等均以其开放性意义使用，并且一般意指“包括但不限于”。应当理解，“基本上由...组成”、“由...组成”等包含在“包括”等之中。
本公开涉及一种准直光导。特别是这种光导可提供均匀的光提取和峰值轴向强度。光提取表面包括多个分散光提取特征，该多个分散光提取特征将多个密集堆积的棱镜与光导的主表面分隔开。棱镜近似地是直角棱镜。这种准直光导可为薄的(例如1mm到10mm厚)、有效的(例如大于90％或95％)，并且提供例如窄的发射光束(小于30度的半高全宽值(FWHM)或小于20度的FWHM)。这些准直光导可利用朗伯光(例如来自发光二极管(LED))并且不需要准直光输入或背反射器。通过下文提供的对实施例的阐述，将获得对本公开各方面的理解，但本公开并不受此限制。
图1是例示性准直光导100的横截面示意图。光导100包括光输入表面110、与光输入表面110正交的第一主表面112以及与第一主表面112相对的第二主表面114。多个分散光提取特征120设置在第二主表面114上。多个密集堆积的棱镜130沿第二主表面114设置。多个分散光提取特征120将多个密集堆积的棱镜130与第二主表面114分隔开。密集堆积的棱镜130中的每个棱镜具有第一棱镜表面132，该第一棱镜表面比第二棱镜表面134更接近光输入表面110，并且第一棱镜表面132与第二主表面114形成第一角度。第一角度在80度至100度的范围内或85度至95度的范围内或87度至93度的范围内。
光导100具有光导折射率，并且多个光提取特征120具有提取特征折射率和光导折射率。提取特征折射率和光导折射率彼此相差在0.05或在0.02或在0.01以内。多个密集堆积的棱镜130可具有与提取特征折射率和光导折射率两者或其中任一者的折射率相差在0.2或0.1或0.05或0.01以内的折射率。光输入表面110可与多个密集堆积的棱镜130重合并且朗伯光可进入光输入表面110。换句话说，光导100可以不包括准直区域，该准直区域位于光输入表面110和第一主表面112或第二主表面114之间。这有助于简化光导构造和减少光损耗。
固态光源诸如发光二极管150(或VCSEL和OLED等)可引导朗伯光到光输入表面110中。发光二极管150可与光输入表面110相邻。固态光源可通过气隙或其它低折射率介质从光输入表面110分隔开。当两个或更多个固态光源用于光导构造时，每个固态光源可以被独立地控制以调整光发射离开光导。不同的颜色或光谱输出可通过控制单个固态光源和/或指示发射光的转向元件部分来调控。
在很多实施方案中，第一主表面112与第二主表面114平行。这些实施方案可被称为“平板”光导。在其它实施方案中，第一主表面112与第二主表面114不平行。在这些实施方案中，第一主表面112和第二主表面114可形成会聚的楔形。在其它实施方案中，第一主表面112和/或第二主表面114在平面外弯曲。在这些弯曲的实施方案中的一些实施方案中，光导形成“碗”形的光导。
多个分散光提取特征120耦联离开光导的光，并且根据入射角撞击密集堆积的棱镜130中的一个或多个棱镜，并且以到第一主表面112的接近法向角度将光向后引导穿过光导100以及引导离开光导100。在一些实施方案中，分散光提取特征120随机放置在第二主表面114上。在其它实施方案中，分散光提取特征120均匀地放置在第二主表面114上，从而产生沿第二主表面114的分散光提取特征120的均匀的区域密度。在另外的实施方案中，分散光提取特征120的区域密度随着远离光输入表面的距离增大而增大。
在许多实施方案中，多个分散光提取特征120将入射在多个分散光提取特征120上的光的至少60％或至少70％或至少80％或至少90％或至少95％或至少99％反射或重新定向而离开第一主表面112。因此在这些实施方案中，光导100不包括邻近多个分散光提取特征120的背反射器元件。
多个分散光提取特征120可由任何可用的材料形成。在一些实施方案中，例如，多个分散光提取特征120由粘合剂诸如光学透明粘合剂形成。在一些实施方案中，多个分散光提取特征120是印刷特征。
在一些实施例中，第一主表面112还包括光提取特征，并且第二多个密集堆积的棱镜沿第一主表面112设置并引导光离开第二主表面114。
图5是具有同心提取特征320的例示性圆形准直光导300的透视图。图6是从图5的例示性圆形准直光导300去除的矩形部分的透视图。图8是具有同心提取特征430的例示性半圆形(180度)准直光导400的透视图。
这些圆形或半圆形光导具有同心特征，该同心特征可通过旋转图1关于中心轴线的例示性准直光导100的横截面示意图形成。光导和光提取特征可形成完整的圆形(环形固体)或圆形的任何部分，例如45度圆弧、90度圆弧、180度圆弧或270度圆弧。光输入表面110形成内半径301、401，在此处可放置一个或多个光源150以将光引导至光输入表面110或内半径301、401中。密集堆积的棱镜130、330、430彼此以内半径301、401和外半径302、402同心。
在一些实施方案中，光提取特征可沿圆形或半圆形固体光导的半径和/或圆周在空间上变化。在这些实施方案中，发射光根据在光导的内半径周围哪些光源受照以及因此哪个区域的光被从光导中提取来可选择性地调控。例如，光导的第一弧形部分可沿第一方向引导光，并且光导的第二弧形部分可沿与第一方向不同的第二方向引导光。附加的光转向元件(以下所述)可邻近光发射表面以另外调控从光导或光导的选定部分发射的光的重新定向或调整。在一些实施方案中，双峰光提取特征可沿第二主表面延伸第一半径距离，然后沿第一主表面延伸第二半径距离以发射光离开光导的两个表面。
圆形或半圆形固体光导可设置在正方形或矩形瓦片元件上或正方形或矩形瓦片元件内。这些瓦片元件中的多个瓦片元件可组装在一起以形成光导阵列。
在许多实施方案中，光导发射准直光。例如，从光导发射的光的半高全宽值(FWHM)小于40度或小于30度或小于20度。
图3是例示性准直伸长杆光导200的横截面示意图。这种光导200类似于图1所示的配置，其中光导200具有沿伸长杆光导200的长度的圆形横截面。光导200具有圆形的第一主表面212(光发射表面)和平坦的第二主表面214。多个分散光提取特征设置在第二主表面214上。多个密集堆积的棱镜230沿第二主表面214设置。多个分散光提取特征将多个密集堆积的棱镜230与第二主表面214分隔开。密集堆积的棱镜230中的每个棱镜具有第一棱镜表面，该第一棱镜表面比第二棱镜表面更接近光输入表面，并且第一棱镜表面与第二主表面形成第一角度(如图1所示)。第一角度在80度至100度的范围内或在85度至95度的范围内或在87度至93度的范围内。
图10是利用光转向元件620的照明设备和控制系统600的示意图。照明设备和控制系统600可包括如本文所述的光导100和与光导100相邻的光转向元件620。光源150散热器和控制器610可固定到环形光导100的内半径或设置在环形光导100的内半径内。如上所述，多个光源150诸如LED可围绕环形光导100的内半径设置。光源150可根据需要选择性地受照以通过光导100提供不同的光发射。
光转向元件620可调整从光导100发射的光。光转向元件620可将从光导100发射的光重新导向。光转向元件620可在从光导100发射的光的至少一个方向上增加半高全宽值(FWHM)。光转向元件620可在空间上有变化，以根据哪些光源150发光使光沿不同方向转向。这可被描述为“活动光转向”。在许多实施方案中，光转向元件620可相对于光导100固定。在许多实施方案中，光转向元件620可相对于光导100可移动或可旋转。
控制器610可以可操作地连接到传感器630。传感器630可感测从光导100或光转向元件620发射的光，并且与控制器610通信以调整从光导100或光转向元件620发射的光。传感器630可有线或无线地耦联到控制器610。
虽然通过以下实施例进一步说明了本公开的目的和优点，但在这些实施例中列举的具体材料及其量以及其它的条件和细节不应理解为是对本公开的不当限制。
实施例
实施例1.使用LightTools软件(来自加利福尼亚州帕萨迪纳的新思科技光学方案(Synopsys Optical Solutions,Pasadena CA))建模长100mm、厚3mm和宽10mm，折射率1.49的矩形光导。光导在其下侧具有线性微棱柱阵列(而且带有标记1.49)。如图1所示，一侧底角上为90度且另一侧上底角为44度的棱镜被定位成使得棱镜之间没有间隙，彼此紧邻。棱镜的高度是0.48mm。光导照明建模为放置在光导左侧处面对棱镜90度面的朗伯型LED。
光导的光学性能被建模并显示99％的提取光被引导到光导的前侧。所提取的光的半高全宽值(FWHM)在水平方向上(即，在垂直于光注入方向的平面中)为+/-28度，并且在垂直方向上(在平行于光注入的平面中)为+/-8度。水平和垂直的归一化输出强度被计算并在图2中示出。
实施例2.长600mm、直径7mm并放置在3mm厚平台上的具有圆形横截面的光导使用LightTools软件再次建模。具有与实施例1中相同的几何结构的棱镜阵列沿如图1中的底部光导的长度移动。光导的横截面在图3中示出。光导和棱镜的折射率均为1.49。光导从左侧(面向棱镜的90度面的一侧)受照。光学性能通过模型被再次计算并显示98％的提取光被引导到光导的前侧。半高全宽值(FWHM)在水平方向上为+/-16度并且沿垂直方向为+/-8度。水平和垂直的归一化输出强度被计算并在图4中示出。
实施例3.圆形光导的模型是通过旋转图1的线性光导所示的棱镜在围绕光导中心的平面中制成。结果在图5中示出。然后通过修剪盘来调整模型以形成尺寸为10mm×6mm、厚度为0.6mm的矩形光导。所修剪的光导在图6中示出。带有棱镜的光导具有1.49的折射率。光导的照明建模为放置在靠近棱镜圆弧中心的光导左端处的朗伯型LED(2mm×0.5mm)。光导的光学性能被建模；显示出半高全宽值(FWHM)在水平方向上为+/-12.6度并且在垂直方向上为+12/-4.4度。水平和垂直的归一化输出强度被计算并在图7中示出。
实施例4.实施例3的建模圆形光导被修剪以形成尺寸为10mm×12mm，厚度为0.6mm的矩形光导的不同模型。结果在图8中示出。再次假设带有棱镜的光导具有1.49的折射率。光导的照明建模为附接到靠近圆弧中心的光导左侧的朗伯型LED(尺寸为2mm×0.5mm)。光导的光学性能被计算。半高全宽值(FWHM)在水平方向上为+/-10.6度并且在垂直方向上为+10.6/-4.4度。水平和垂直的归一化输出强度被计算并在图9中示出。
因此，公开了“准直光导”的实施方案。
本文中所引用的所有参考文献及出版物全文以引用方式明确地并入本公开中，但它们可能与本公开直接冲突的内容除外。虽然本文已举例说明并描述了具体实施方案，但本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可用各种替代形式和/或等同形式的具体实施来代替所示出的和所描述的具体实施方案。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施方案的任何改型或变型。因此，本公开旨在仅受到权利要求及其等同形式的限制。所公开的实施方案仅为举例说明而非限制目的而给出。

Claims (27)

1.一种光导，所述光导包括：
光输入表面；
第一主表面，所述第一主表面与所述光输入表面正交；
第二主表面，所述第二主表面与所述第一主表面相对；
多个分散光提取特征，所述多个分散光提取特征设置在所述第二主表面上；和
多个密集堆积的棱镜，所述多个密集堆积的棱镜沿所述第二主表面设置，所述多个分散光提取特征将所述多个密集堆积的棱镜与所述第二主表面分隔开，所述密集堆积的棱镜中的每个棱镜包括第一棱镜表面，所述第一棱镜表面比第二棱镜表面更接近所述光输入表面，并且所述第一表面与所述第二主表面形成第一角度，所述第一角度在80度至100度的范围内或者在85度至95度的范围内或者在87度至93度的范围内。
2.根据权利要求1所述的光导，其中所述光导具有光导折射率，并且所述多个光提取特征具有提取特征折射率，并且所述光导折射率和所述提取特征折射率彼此相差在0.05以内或在0.02以内或在0.01以内。
3.根据前述权利要求中任一项所述的光导，其中所述光输入表面与所述多个密集堆积的棱镜重合并且朗伯光进入所述光输入表面，并且所述光导不包括位于所述光输入表面和所述第一主表面或所述第二主表面之间的准直区域。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光导，其中所述第一主表面与所述第二主表面平行。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光导，其中所述分散光提取特征的区域密度随远离所述光输入表面的距离增大而增大。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光导，还包括发光二极管，所述发光二极管将朗伯光透射到所述光输入表面中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光导，其中所述第一主表面包括光提取特征，并且第二多个密集堆积的棱镜沿所述第一主表面设置并引导光离开所述第二主表面。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光导，其中所述多个密集堆积的棱镜形成具有内半径和外半径的圆的至少一部分，并且所述光输入表面位于所述内半径处，并且所述多个密集堆积的棱镜与所述内半径同心。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光导，其中所述多个密集堆积的棱镜形成具有内半径和外半径的圆，并且所述光输入表面位于所述内半径处，并且所述多个密集堆积的棱镜与所述内半径同心。
10.根据权利要求8或9中任一项所述的光导，其中所述光导的第一弧形部分沿第一方向引导光，并且所述光导的第二弧形部分沿与所述第一方向不同的第二方向引导光。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光导，其中从所述光导发射的光具有小于40度或小于30度或小于20度的半高全宽值。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光导，还包括光转向元件，所述光转向元件接收从所述光导发射的光，所述光转向元件调整从所述光导所发射的光，并且所述光转向元件能够可选地在空间上有变化。
13.根据权利要求12所述的光导，还包括传感器，所述传感器可操作地耦联到控制器，所述控制器操作所述光导的光源。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光导，其中所述光导能够拼贴以形成光导阵列。
15.一种光导，所述光导包括：
光输入表面；
第一主表面，所述第一主表面与所述光输入表面正交；
第二主表面，所述第二主表面与所述第一主表面相对；
多个光提取特征，所述多个光提取特征设置在所述第二主表面上；
多个密集堆积的棱镜，所述多个密集堆积的棱镜沿所述第二主表面设置，其中所述多个光提取特征将所述多个密集堆积的棱镜与所述第二主表面分隔开，所述密集堆积的棱镜中的每个棱镜包括第一棱镜表面，所述第一棱镜表面比第二棱镜表面更接近所述光输入表面，并且所述第一棱镜表面与所述第二主表面形成第一角度，所述第一角度在80度至100度的范围内或者在85度至95度的范围内或者在87度至93度的范围内，
所述光输入表面形成圆的至少一部分的内半径，并且所述多个密集堆积的棱镜与所述内半径同心。
16.根据权利要求15所述的光导，其中所述多个密集堆积的棱镜形成90度弧或180度弧或270度弧或360度环形。
17.根据权利要求15或16所述的光导，其中所述光导具有光导折射率，并且所述多个光提取特征具有提取特征折射率，并且所述光导折射率和所述提取特征折射率彼此相差在0.05以内或在0.02以内或在0.01以内。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的光导，其中所述光输入表面与所述多个密集堆积的棱镜重合并且朗伯光进入所述光输入表面，并且所述光导不包括位于所述光输入表面和所述第一主表面或所述第二主表面之间的准直区域。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的光导，还包括发光二极管，所述发光二极管将朗伯光透射到所述光输入表面中。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的光导，其中所述第一主表面包括光提取特征，并且第二多个密集堆积的棱镜沿所述第一主表面设置并引导光离开所述第二主表面。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的光导，其中所述光导的第一弧形部分沿第一方向引导光，并且所述光导的第二弧形部分沿与所述第一方向不同的第二方向引导光。
22.根据权利要求15至21中任一项所述的光导，其中从所述光导发射的光具有小于40度或小于30度或小于20度的半高全宽值。
23.根据权利要求15至22中任一项所述的光导，还包括光转向元件，所述光转向元件接收从所述光导发射的光，所述光转向元件调整从所述光导所发射的光，并且所述光转向元件能够可选地在空间上有变化。
24.根据权利要求23中所述的光导，还包括传感器，所述传感器可操作地耦联到控制器，所述控制器操作所述光导的光源。
25.根据权利要求15至24中任一项所述的光导，其中所述光导能够拼贴以形成光导阵列。
26.根据前述权利要求中任一项所述的光导，其中所述多个分散光提取特征将入射在所述多个分散光提取特征上的光的至少60％或至少70％或至少80％或至少90％或至少95％或至少99％反射或重新定向而离开所述第一主表面。
27.根据前述权利要求中任一项所述的光导，其中所述光导不包括背反射器元件，所述背反射器元件邻近所述多个分散光提取特征。
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