專利名稱：使用邊緣照明的中空波導管和柱透鏡光學結構的照明系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及照明系統(tǒng)，尤其涉及具有中空波導和一個或兩個疊置的透射光定向陣列(LDA)的邊緣照明系統(tǒng)，該透射光定向陣列從具有預定角分布的照明系統(tǒng)提供輸出光。
在辦公環(huán)境中使用的燈具或照明系統(tǒng)必須既能適合通常位于觀看者眼睛下方的水平表面上的普通紙的工作條件、又能適合通常位于觀看者眼睛前方的計算機的可視顯示終端(VDT)的工作條件，計算機可視顯示終端(VDT)的工作條件包括視場中的天花板部分。對VUT的工作條件來說，重要的是控制安裝在天花板上的燈具的亮度、以使VDT上的反射眩光或漫反射最小化。按一般的經(jīng)驗，天花板的亮度不應大于VDT屏幕亮度的十(10)倍。例如，見“美國國家標準規(guī)程辦公照明”，ANSI/IESNA RP-1-1993,34-41頁。天花板燈具可導致圖像眩光，觀看者在VDT上看到有照明系統(tǒng)的圖像；面積眩光，顯示在VDT上的亮度面積；均勻眩光，它使VDT的亮度和對比度減小。這些眩光問題均對VDT的工作條件產(chǎn)生不利的影響。對于間接燈具，通常擴展的光分布和均勻的光輸出亮度將有助于處理眩光問題。另外，以55°和90°之間的觀看角控制燈具的光輸出，可以進一步減小不希望的眩光作用(例如，建議在相對縱向和橫向的45°角的縱向和橫向觀看時、在這個角觀看區(qū)域中的平均亮度不大于850cd/m2)。因此，希望制作一種照明系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)能夠提供可控的、且較準確的或“清楚的”截止角；該截止角要超出了照明系統(tǒng)的輸出光則基本上無意義或可被忽視的。
不斷發(fā)展的更亮的、更緊湊和更有效的光源加劇了天花板燈具的眩光問題。如果直接觀看，這些新出現(xiàn)的光源中的某些光源會損害人的眼睛。此外，明亮的光線直接進入人的眼睛將引起疲勞并降低工作效率。因此，特別需要提供具有可控的和清楚的截止角的照明系統(tǒng)。
照明系統(tǒng)提供一個將光源的輸出光重新定位到特定位置的裝置。對于具有窄角輸出分布的光源，Cobb等人的US 4,984,114和Miller等人的US5,190,370公開了一種中空照明系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)包括多個棱鏡，在棱鏡內(nèi)、來自光源的光線在從照明系統(tǒng)出射之前被完全向內(nèi)反射。光源發(fā)射圓錐光束(US4,984,114)或平行光束(US5,190,370)，該光束以相對照明系統(tǒng)輸出表面的平面的小角度接觸棱鏡。光源發(fā)射的所有光線全部進入棱鏡、并從照明系統(tǒng)射出。通過限制光源的角輸出而控制光源的角分布，棱鏡只提供使光線從照明系統(tǒng)射出的裝置。所以，這些參考信件公開的照明系統(tǒng)只適于發(fā)射窄光束或光柱的光源。
對于具有寬的或擴散的光線角分布的光源，Parkyn,Jr.等人的US5,676,453公開了一種照明系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)包括一個平行的全內(nèi)反射透鏡，該透鏡將來自熒光源的光線重新定向到光靶區(qū)。在該透鏡以某種方式將來自光源且從照明系統(tǒng)射出的光線重新定向的過程中，這個參考文件公開的透鏡不能控制輸出的均勻性，因此，光源可顯示為“熱斑”。盡管這個參考文件公開了對光輸出角分布在一個方向上的處理或控制，但不能實現(xiàn)大于約60°的清楚的截止角。
Whitehead等人的US4,452,449中公開了一種具有兩個基本上垂直設置的波狀片。這個參考文件公開的波狀片的特征稱為八倍頻(octature)，其中，波狀片同一側面上的表面彼此平行或垂直，波狀片相反側面上的表面彼此相差45°。所以，波狀片棱鏡所包括的角必須限制到90°。這個參考文件還公開了將燈具的輸出光相對法線方向以0°到30°之間觀看角范圍進行集中的需求性。
在本領域中，需要照明系統(tǒng)從各種不同的光源接收入射光、并提供具有整齊的截止角和良好的光輸出均勻性的預定角分布的光輸出。
本發(fā)明提供一個具有中空波導的照明系統(tǒng)，該中空波導包括第一和第二光定向陣列(LDA)，每個陣列具有多個限位于其上且基本相互垂直設置的通常的柱面棱鏡(lenticular prisms)。來自光源的光線從光輸入側進入波導、從光輸出側輸出波導、并以預定通量(即，強度)和角分布從照明系統(tǒng)射出。光輸出通量和角分布均可根據(jù)本發(fā)明由LDAs獨立控制，以提供能形成各種光輸出分布和強度要求的照明系統(tǒng)。
該照明系統(tǒng)包括一個中空波導，中空波導具有一個使來自光源的光線進入中空波導的光輸入側、和使光線從中空波導射出的光輸出側。該照明系統(tǒng)還包括其上設有第一光定向結構的第一光定向陣列、和其上設有第二光定向結構的第二光定向陣列。第一和第二光定向結構基本上相互垂直設置，第二光定向陣列包括中空波導的光輸出側。中空波導可以是矩形、正方形、圓形、環(huán)形、三角形、或其它任何多邊形。單個或多個光源可與本發(fā)明的中空波導光學連接。
本發(fā)明的照明系統(tǒng)一般可包括矩形的中空波導，該中空波導具有一個使來自光源的光線進入中空波導的光輸入側、和使光線從中空波導射出的光輸出側。其上設有第一光定向結構的第一光定向陣列、和其上設有第二光定向結構的第二光定向陣列被包含在本發(fā)明的照明系統(tǒng)內(nèi)。第一和第二光定向結構基本上相互垂直設置，第二光定向陣列包括中空波導的光輸出側。
結合說明書中的優(yōu)選實施例和附圖所作的說明將能更充分地理解本發(fā)明、并使本發(fā)明的其它優(yōu)點變得更加清楚，所有附圖中的相同標記表示相同的部件，在附圖中

圖1a是根據(jù)本發(fā)明構成的照明系統(tǒng)的剖視圖，該照明系統(tǒng)具有單個光源、中空波導、和兩個疊置的光定向陣列，各光定向陣列上設置的光定向結構基本上相互垂直；圖1b是根據(jù)本發(fā)明構成的照明系統(tǒng)的剖視圖，該照明系統(tǒng)具有單個光源、基本上為多邊形的中空波導、和兩個疊置的光定向陣列，各光定向陣列上設置的光定向結構基本上相互垂直、且基本上相互面對配置；圖1c是根據(jù)本發(fā)明構成的照明系統(tǒng)的剖視圖，該照明系統(tǒng)具有位于照明系統(tǒng)輸出表面后面的單個光源、基本多邊形的中空波導、和兩個疊置的光定向陣列，各光定向陣列上設置的光定向結構基本上相互垂直；圖1d是根據(jù)本發(fā)明構成的照明系統(tǒng)的剖視圖，該照明系統(tǒng)具有單個光源、基本多邊形的中空波導、和其上設置有光定向結構的光定向陣列；圖2a是根據(jù)本發(fā)明構成的照明系統(tǒng)的剖視圖，該照明系統(tǒng)具有單個光源、基本上為矩形的中空波導、和兩個疊置的光定向陣列，各光定向陣列上設置的光定向結構基本上相互垂直；圖2b是圖2a所示的根據(jù)本發(fā)明構成的照明系統(tǒng)的前視圖或正視圖，該照明系統(tǒng)具有多個沿周圍設置的光源；圖3是根據(jù)本發(fā)明構成的照明系統(tǒng)的剖視圖，該照明系統(tǒng)具有單個光源、基本上為圓形的中空波導、和兩個疊置的光定向陣列，各光定向陣列上設置的光定向結構基本上相互垂直；圖4a是根據(jù)本發(fā)明構成的照明系統(tǒng)的剖視圖，該照明系統(tǒng)具有單個點狀光源、基本上為環(huán)形的中空波導、和兩個疊置的光定向陣列，各光定向陣列上設置的光定向結構基本上相互垂直；圖4b是根據(jù)本發(fā)明構成的照明系統(tǒng)的剖視圖，該照明系統(tǒng)具有基本是圓形的中空波導、第一徑向棱鏡光定向陣列和第二環(huán)形光定向陣列，各光定向陣列上設置的光定向結構基本上相互垂直；圖4c是圖4b所示照明系統(tǒng)的立體圖，表示與環(huán)形棱鏡光定向陣列疊置的徑向棱鏡光定向陣列；圖5a是根據(jù)本發(fā)明構成的照明系統(tǒng)的剖視圖，該照明系統(tǒng)具有單個光源、基本上為三角形的中空波導、和兩個疊置的光定向陣列，各光定向陣列上設置的光定向結構基本上相互垂直；圖5b是圖5a所示照明系統(tǒng)的前視圖，該照明系統(tǒng)具有多個沿周圍設置的光源；圖6a是根據(jù)本發(fā)明構成的第一光定向陣列的透視圖；圖6b是根據(jù)本發(fā)明構成的第二光定向陣列的透視圖；圖7是表示光輸出的夾角和角分布區(qū)的光定向陣列的側視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例構成的照明系統(tǒng)的理論光輸出分布和強度的曲線圖；圖9a-9d是根據(jù)本發(fā)明的各種柱面棱鏡結構的詳細視圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明計算出的聚丙烯和聚碳酸酯光定向陣列的夾角限制的曲線圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的具有反射基板的照明系統(tǒng)的光輸出的曲線圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明的具有漫反射基板的照明系統(tǒng)的光輸出的曲線圖。
本發(fā)明提供一個具有中空波導的照明系統(tǒng)，該中空波導包括第一和第二光定向陣列(LDA)，每個陣列具有多個限位于其上且基本相互垂直設置的通常的柱面棱鏡。來自光源的光線從光輸入側進入波導、從光輸出側輸出波導、并以預定通量(即，強度)和角分布從照明系統(tǒng)射出。光輸出通量和角分布均可根據(jù)本發(fā)明由LDAs獨立控制，以提供能形成各種光輸出分布和強度度要求的照明系統(tǒng)。
在本文中使用的術語入射角和出射角是指光線與垂直于光線射擊表面的法線之夾角。
參看附圖，在圖1中示出了本發(fā)明第一實施例的照明系統(tǒng)。照明系統(tǒng)10包括一個基本上為矩形的中空波導50，中空波導50具有使來自光源20的光線進入中空波導50的光輸入側面58、位于光輸入側面58對面的普通反射側面54、基板52、和位于基板52對面并使光線從照明系統(tǒng)10的波導50射出的光輸出側面56?；?2、光輸出側面56和側面54可以利用沖壓、模注或其它類似的制作方法整體地構成。這些部件也可以分別制作、并固定在一起而形成本發(fā)明的中空波導50。光源20的位置應能使其發(fā)出的光線以基本垂直于照明系統(tǒng)10的法向(即，0°)觀看角的角度進入中空波導50。這個結構可消除光“熱斑”、并至少部分地使照明系統(tǒng)10輸出的光均勻分布。另外，如圖1c所示，光源20可位于中空波導內(nèi)部，使光線基本上與法向觀看角平行。雖然這種結構會產(chǎn)生光“熱斑”，但是從照明系統(tǒng)10輸出光的角分布將按照以下詳述的本發(fā)明被控制。在本文中，術語“熱斑”是指在觀看者觀看光輸出時、照明系統(tǒng)的輸出光在某些點較亮。
基板52、側面54和光輸出側面56限定光通道40，來自光源20的光線在光通道40中傳導。基板52可以是如反射鏡完全反射的、也可以是如光定向陣列(LDA)90的部分反射和部分折射(即，漫反射)的。在優(yōu)選實施例中，基板52包含LDA90,LDA90具有多個沿基本平行于中空波導50的光輸入側面58定向的并沿縱向限定的普通柱面棱鏡94。LDA90的棱鏡94限定優(yōu)選在約105°與115°之間、最好約為110°的夾角96，并控制從中空波導50的基板52射出的光線量。對于約110°的夾角，在某一入射角度、LDA90全內(nèi)反射該接觸棱鏡94的光線，光源20發(fā)出的約30％的光線從基板52(即，通過LDA90)射出。部分反射和部分折射的基板52允許預定量的光線從中空波導50射出，它給照明系統(tǒng)10提供可控的背側照明量，這是某些照明系統(tǒng)應用所需要的。通過改變夾角96，可控制從基板52射出的(進而從光輸出側面56射出的)光線量(即，百分比)。所以，借助中空波導50的基板52的設置，可以控制本發(fā)明照明系統(tǒng)10的光輸出強度。
第一和第二光定向陣列(LDAs)70、80控制中空波導50的輸出光線的通過。在優(yōu)選實施例中，第二LDA80包括中空波導50的光輸出側面56。LDAs70、80被構造得通過折射在預定截止角內(nèi)從LDAs70、80射出的光線、和通過反射回在預定截止角之外從LDAs70、80射出的光線來控制照明系統(tǒng)10的輸出光的角分布。換言之，只有從中空波導50射出的光線是被截止角所限定的在預定輸出角分布之內(nèi)的光線。因此，本發(fā)明的照明系統(tǒng)10提供可控制的和預定角分布的光輸出。以所需截止角范圍之外的角度、從LDAs70、80射出的光線隨著它們角度的變化被反射回到光通道40內(nèi)，直到它們通過部分反射基板52(即，LDA90)或在光通道40中傳導、直到它們再接觸第一LDA70為止。光線在中空波導50內(nèi)的這種有效的再循環(huán)所提供的照明系統(tǒng)10在其光輸出側面56上的光分布基本上是均勻的。
圖6a所示的第一LDA70的實例也位于波導50的光通道40內(nèi)，并包括多個用作第一光定向結構72的普通縱向柱面棱鏡74、和面向第二LDA80的第一光輸出表面75。在這個實例中，雖然棱鏡74也可以基本平行于波導50的光輸入側面58定位，但棱鏡74的方向基本上垂直于中空波導50的光輸出側面56(在圖6a中，由y軸指示)定位。第一LDA70(即，棱鏡74)的光定向結構72的方向本身并不重要，重要的是光定向結構72應基本與第二LDA80的光定向結構82垂直。光線通過光輸入表面78進入第一LDA70，光輸入表面78限位于向內(nèi)面對光通道40的第一LDA70的表面上。光輸入表面78基本包括第一LDA70的整個內(nèi)表面，所以可使進入第一LDA70的光線通過的窗孔的尺寸約等于第一LDA70的尺寸。雖然實際上在光通道40內(nèi)傳導的所有光線在開始時均經(jīng)光輸入表面78進入第一LDA70，但是只有某些光線從第一LDA70射出并進入第二LDA80。更具體地，LDA70的光定向結構72控制光線從第一LDA70射出，以使只具有預定角分布的光線從第一LDA70傳導到第二LDA80。于是，第一LDA70被構造得只允許某些光線到達第二LDA80，而其它一些光線反射回光通道40。如果中空波導50具有反射基板52，則由第一LDA70反射的光線將以或多或少變化的矢量角在光通道40中傳導，直到它們通過光輸入表面78并再次接觸光定向結構72、或直到它們到達光通道40的遠端。另一方面，如果中空波導50具有部分反射/部分折射基板、即LDA90，則由第一LDA70反射的光線之部分將通過LDA90并從中空波導50的基板52射出。
對通過第一LDA70和被第一LDA70反射的光線的控制一方面受到構成LDA的材料的影響，另一方面受到柱面棱鏡74的幾何形狀、即夾角76的影響(下文將詳細地討論)。雖然優(yōu)選的材料是聚丙烯，但本發(fā)明也可考慮其它純塑料材料，它們包括但不限于純聚碳酸酯、聚苯乙烯、硅酮、聚酯和尼龍。第一LDA70的每個柱面棱鏡74限定一控制從第一LDA70射出之光線的夾角76，以使僅具有小于或等于所需截止角的出射角的光線從第一LDA70射出。在這個優(yōu)選實施例中，所需截止角約為±60°。通過沿第一方向、即圖2b和6a中x方向控制從第一LDA70射出光的角分布，第一LDA70的棱鏡74的夾角76控制從照明系統(tǒng)10輸出光的角分布。夾角76由LDA的折射率(由制作LDA的材料確定)、輸入到LDA的光的角分布、和從照明系統(tǒng)10輸出之光的所需角分布確定。對于折射率約等于1.49的聚丙烯LDAs，且全半球的光輸入角分布和所需輸出角分布在約±60°之間時，夾角76的范圍在約115°和121°之間。本領域的技術人員知道，其它的夾角將允許以大于或小于出射角的光線通過第一LDA70。所以，本發(fā)明不限于已公開的所需截止角范圍±55°，而實際上可包括對稱(例如，±55°)、不對稱(例如，+30°,-75°)或其它角度的所有的截止角范圍。對于不對稱的輸出分布，LDA的柱面棱鏡也是不對稱的。夾角計算的詳細說明將在下文描述。
第一LDA70可自由地放置在光通道40內(nèi)、或通過溝道或槽62(見圖2a)或利用其它已知的緊固或附著裝置固定到中空波導50上。
第二LDA80位于中空波導50的外表面上、并最好與其構成整體。另外，第二LDA80可形成在中空波導50的內(nèi)表面上，如圖1b所示，在這種情況下，第一LDA70的棱鏡74和第二LDA80棱鏡84將相互面對地靠近安置。雖然，在第一和第二LDAs70、80之間需要不直接的耦合或接觸，但是這種接觸不影響本發(fā)明的性能和操作。第二LDA80包括多個用作第二光定向結構82的縱向柱面棱鏡84和射出光線的第二光輸出表面85。第二光定向結構82基本上與第一光定向結構72垂直定位，以便在兩個方向?qū)崿F(xiàn)對從中空波導50射出光線的控制。
第二LDA80對通過其和被其反射的光線的控制以與上述第一LDA70相同的方式進行。
光源20最好是例如熒光燈管的普通管裝置，但作為非限定性實例、也可以包括白熾燈陣列、發(fā)光二極管、激光器、和任何結構的鹵素光源。圍繞光源20的反射器30將來自光源20的光線導向中空波導50的光通道40內(nèi)。
在某些照明應用中，當以約0°的觀看角觀看照明系統(tǒng)10時、即當正對或以垂直于光輸出表面85的方向觀看照明系統(tǒng)10時要求提供最大的光輸出(下面將更詳細地說明)。這個觀看角被稱為法向觀看角。對于0°觀看角的光輸出強度可通過選擇基板52進行控制。例如，如圖11所示，當從法向觀看角觀看照明系統(tǒng)10而不影響截止角時，反射基板52將導致較低強度的光輸出。另一方面，如圖12所示，漫反射基板52將導致從法向觀看角的較高強度的光輸出。還需要控制光輸出的角分布，以便在所需的觀看角范圍內(nèi)實現(xiàn)較均勻的光分布、即消除熱斑。優(yōu)選地，來自中空波導(即，從照明系統(tǒng)10)的光輸出在需要的觀看角范圍內(nèi)應非常均勻，當以所需觀看角范圍外的角觀看時、實際上將不存在光輸出。于是，從中空波導50光輸出的角分布限定了觀看角范圍，在這個范圍之外實際上檢測不到從照明系統(tǒng)10射出的光線。實際上超過其時就檢測不到光的觀看角被稱作截止角。作為非限定性實例，下面將詳細說明具有約±60°截止角的照明系統(tǒng)10。本領域的技術人員可知，這個截止角范圍是本發(fā)明的示意性說明和非限定性實例，本發(fā)明也可以具有更大或更小的觀看角范圍。
本發(fā)明在兩個方向控制光線從中空波導50射出。具體參看圖2b，該圖表示在法向觀看角的照明系統(tǒng)10的視圖，第一LDA70在x方向控制光輸出的角分布，第二LDA80在y方向控制光輸出的角分布。因此，當在所需觀看角范圍內(nèi)觀看時，本發(fā)明從照明系統(tǒng)10的光輸出基本上是均勻的，并有效地消除了光熱斑。改變第一和第二LDAs70、80中的一個或兩個的夾角可以控制來自照明系統(tǒng)10的光輸出的角范圍。
在優(yōu)選實施例中，光輸出分布在所限定的輸出角范圍中是均勻的。當觀看角從0°向兩個方向(即，正方向或負方向)移開時，從照明系統(tǒng)10輸出的光強度下降，在到達一截止角時，觀看者看不到足夠的光量從照明系統(tǒng)10發(fā)出。這由圖8的曲線示出，其中，截止角約等于±60°。改變LDA70、80中的一個或兩個的夾角，則可改變截止角。
在另一個實施例中，如圖1d所示，本發(fā)明的照明系統(tǒng)10可具有單個的LDA80。從這個照明系統(tǒng)10輸出的光的角分布仍可如對圖1a所述的的實施例根據(jù)本發(fā)明進行控制，唯一的不同是可在單一方向上控制角分布。在其它方面，圖1d所示照明系統(tǒng)10的操作基本與上述圖1a所示系統(tǒng)10的操作相同。
圖2a表示本發(fā)明照明系統(tǒng)10的第二實施例。常規(guī)矩形或正方形的中空波導50包括實體的光輸入側面58a，側面58a限定緊靠光源20安置的光接收表面60。這里所用的術語“緊靠”是指接觸及幾乎靠在一起的接觸、即應小于或等于一英寸。實體的光輸入側面58a使光源20和光通道40物理地分離而光學地連接。反射器30圍繞光源20并將光線再導向波導50的實體的光輸入側面58a。中空波導50包括光輸出側面56，側面56可由第一LDA70和和第二LDA80構成，每個LDA70、80具有其上限定的普通柱面棱鏡74、84，棱鏡74、84上限定基本相互垂直的相應的光定向結構72、82。第一LDA70可自由地放置在中空波導50的光通道40內(nèi)、或可借助槽或溝道62進行固定。第二LDA80最好與中空波導50構成整體，并可通過沖壓、模注、或其它類似的成形處理制作。中空波導50包括可以反射或可以部分反射和部分折射(即，漫射)的基板52，在這種情況下，基板52包括LDA90。不論在哪種情況下，基板52位于被限定在實體的光輸入側面58a中的槽或溝道64內(nèi)。
在操作中，來自光源20的光線接觸光接收表面60、并經(jīng)實體的光輸入側面58a進入光通道40。一些光線穿過光通道40到達位于實體光輸入側面58a對面的側面54、并被反射回光通道40。一些光線可接觸基(后)板52、并且也被反射回光通道40，同時，其它光線將接觸第一LDA70的光輸入表面78并進入第一LDA70。這些光線基于其角分布，或是反射回通道40、或是從第一LDA70射出。從第一LDA70射出的光線將接觸第二LDA80的光輸入表面88、并進入第二LDA80。只有角分布為±60°的那些光線通過光輸出表面85從第二LDA80射出。
圖2a的實施例也可包括多達三個如圖2b所示的三個附加光源200、210、220。這個實施例的照明系統(tǒng)10基本與以上圖2a所述的實施例具有相同的功能。當然，附加光源200提供附加光線，所以這個實施例的光輸出強度大于圖2a的實施例。關于在中空波導50內(nèi)的和通過LDAs70、80(如果提供)的光線的反射和折射，圖2a實施例所提供的說明可等同地用于圖2b的實施例。
圖3是本發(fā)明的又一個實施例，其中，照明系統(tǒng)10包括被普通環(huán)形光源20圍繞的中空圓形波導50。本實施例的照明系統(tǒng)10基本與上述實施例具有相同的功能。
圖4a是本發(fā)明的又一個實施例，其中，普通環(huán)形中空波導50圍繞一普通的點狀光源20。本實施例的光源20可包括單個燈或燈陣列。另外，本實施例的照明系統(tǒng)10基本與上述實施例具有相同的功能。
本發(fā)明所需的第一和第二LDA70、80之間的基本垂直關系在圖4b和4c中清楚地表明，其中，照明系統(tǒng)10包括圓形波導50，圓形波導50上具有第一LDA70，具有徑向棱鏡74的第一LDA70與具有同心設置的環(huán)形棱鏡84的第二LDA80疊置。只要能在每個位置相對圓形波導50保持該疊置的LDAs70、80的光定向結構72、82(即，棱鏡74、84之間)之間的基本垂直的關系，則可以改變各LDA的特定光定向結構72、82的構形。例如，在LDA中的特定光定向結構72、82可以構成順時針方向和反時針方向的普通螺旋棱鏡陣列。
下面參看圖5a，本發(fā)明的照明系統(tǒng)10包括具有光源20的三角形中空波導50。如圖5b所示，還可提供第二和第三光源200、210。本實施例的照明系統(tǒng)10基本與上述實施例具有相同的功能。
在上述各個實施例中，第二LDA80可與中空波導50構成整體，或與中空波導50分別形成、并以已有的固定和附著技術固定到中空波導50上。對于上述各個實施例，只要第一和第二光定向結構72、82之間基本保持垂直關系，則柱面棱鏡84和第二光定向結構82既可如圖1b所示的位于光通道40內(nèi)、也可如圖1a所示的位于波導50之外。當?shù)诙舛ㄏ蚪Y構82位于光通道40內(nèi)時，柱面棱鏡84是全內(nèi)反射的，所有通過表面85并進入第LDA80的光線均從中空波導50射出。
本文所用的術語“基本垂直”是指第一和第二光定向結構72、82之間的關系，其限定的角度應在80°和100°之間、優(yōu)選在85°和95°之間、最好是90°。
雖然本文已公開了具有多個普通柱面棱鏡的LDAs70、80、90，但是各種幾何形狀和結構的棱鏡本發(fā)明均可使用。具體地如圖9a所示，棱鏡應具有基本上直的側壁42和輪廓分明的尖峰44。另外，該棱鏡可具有彎曲側壁42和基本上平坦或平面的峰(見圖9b)。如圖9c所示，棱鏡也可具有另一種彎曲側壁42和輪廓分明的尖峰42。此外，如圖9d所示，棱鏡也可具有多個側面。本領域的技術人員可知，本發(fā)明還可使用其它結構形狀的棱鏡。
光定向陣列70、80、90可用任何透明材料制成。優(yōu)選材料的折射率大于或等于1.03，這些材料包括玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酯、聚苯乙烯、和其它由丙烯酸鹽單體光聚合而成的聚合物。優(yōu)選材料折射率范圍在1.04到1.70之間。本領域的技術人員可知，具有較大或較小折射率的材料也可用于本發(fā)明。
下面具體說明具有基本直側壁的棱鏡的夾角(見圖9a)和基本對稱截止角的夾角的計算。夾角取決于構成LDA的材料的折射率、所需角度的光輸出分布、和輸入光的角度分布。計算用的變量和常量定義如下w=棱鏡的夾角；C=所需的截止角；n=棱鏡材料的折射率。
參看圖7，下列等式限定了在對來自具有±90°的截止角C的中空波導50的輸出光的任何角分布的夾角進行計算時所需的條件。
w/2≤C(1)w≥2(2*asin(1/n)+90)/3(2)tan(w/2)≤(n*sin(asin(1/n)3w/2)+cos(w/2))/(n*cos(asin(1/n)-3w/2)+sin(w/2))(3)
等式3的圖示結果示于圖10中。
作為一個實例，當角輸出分布約±60°、折射率n=1.49(丙烯酸LDA)時，等式1要求w≤120°。接著計算等式2,w≥116°。最后，如圖10中的實線三角形圖表所示，w的上限約為121.5°。所以，夾角約在116°到120°之間。
對于具有折射率n=1.59、和相同角輸出分布的聚碳酸酯LDA，等式2要求w≥112°。再參看圖10的圖表，w的上限(由清楚的三角形圖表示出)約為118.1°。所以，夾角在約在112°到118.1°之間。
對于具有彎曲的或其它結構的側壁的棱鏡，最小和最大夾角將滿足由等式(1)、(2)、和(3)所限定的條件。
以上對本發(fā)明所作的詳細說明并不限制本發(fā)明，本領域的技術人員將能對本發(fā)明作出處在所附權利要求書所限定的本發(fā)明的范圍和構思中的各種變化和改型。
權利要求
1．一種用于分布來自一光源之光線的照明系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)包括一個中空波導(管)，中空波導具有一個使來自光源的光線進入中空波導的光輸入側、和使光線從中空波導射出的光輸出側；一個第一光定向陣列，其上限定第一光定向結構；一個第二光定向陣列，其上限定第二光定向結構，所述第一和第二光定向結構基本上相互垂直設置，所述第二光定向陣列包括所述的光輸出側，來自所述中空波導的光線從所述光輸出側射出；所述第一和第二光定向結構通過限定從所述照明系統(tǒng)輸出的光的一截止角、而控制所述照明系統(tǒng)輸出光的角分布。
2．一種如權利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述第一光定向結構包括多個限定在所述第一光定向陣列上的柱面棱鏡，所述第二光定向結構包括多個限定在所述第二光定向陣列上的柱面棱鏡，所述第一和第二光定向結構的每個所述棱鏡具有一其上限定的夾角，其限制為89°或更小的用于所述照明系統(tǒng)輸出光分布的截止角(范圍)。
3．一種如權利要求2的照明系統(tǒng)，其特征在于，當從剖面方向觀看時，所述第一和第二光定向結構的每個所述棱鏡包括基本上直的側壁。
4．一種如權利要求2的照明系統(tǒng)，其特征在于，當從剖面方向觀看時，所述第一和第二光定向結構的每個所述棱鏡包括基本上彎曲的側壁。
5．一種如權利要求2的照明系統(tǒng)，其特征在于，當從剖面方向觀看時，所述第一和第二光定向結構的每個所述棱鏡包括多個側面的側壁。
6．一種如權利要求2的照明系統(tǒng)，其特征在于，當從剖面方向觀看時，所述第一和第二光定向結構的每個所述棱鏡基本上是對稱的，且限定一夾角，其由下面等式計算w/2≤Cw≥2(2*asin(1/n)+90)/3tan(w/2)≤(n*sin(asin(1/n)-3w/2)+cos(w/2))/(n*cos(asin(1/n)-3w/2)+sin(w/2))其中，w是每個所述柱面棱鏡的夾角，C是從所述照明系統(tǒng)輸出光所需的截止角，n是棱鏡材料的折射率。
7．一種如權利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述截止角范圍在約+60°和-60°之間。
8．一種如權利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二光定向陣列由聚丙烯材料制作，所述第一光定向結構包括多個限定在所述第一光定向陣列上的縱向柱面棱鏡，所述第二光定向結構包括多個限定在所述第二光定向陣列上的縱向柱面棱鏡，所述第一和第二光定向結構的每個所述棱鏡具有在約115°到121°之間的夾角。
9．一種權利要求8的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述夾角約為116°。
10．一種如權利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二光定向陣列由聚碳酸酯或聚苯乙烯材料制作，所述第一光定向結構包括多個限定在所述第一光定向陣列上的縱向柱面棱鏡，所述第二光定向結構包括多個限定在所述第二光定向陣列上的縱向柱面棱鏡，所述第一和第二光定向結構的每個所述棱鏡具有在約111°到119°之間的夾角。
11．一種權利要求10的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述夾角為約113°。
12．一種如權利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，光源限定的縱向軸基本上平行于所述中空波導的所述光輸入側面，所述第二光定向陣列的所述光定向結構基本垂直于光源的縱向軸。
13．一種如權利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，光源限定的縱向軸基本上平行于所述中空波導的所述光輸入側面，所述第二光定向陣列的所述光定向結構基本平行于光源的縱向軸。
14．一種如權利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，光線以一角度經(jīng)過所述光輸出側面從所述中空波導射出，該角度基本上垂直于光線經(jīng)所述光輸入側面進入所述中空波導的角度。
15．一種如權利要求14的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述光輸入側面還包括由透明材料制作的實體部分。
16．一種如權利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，光線以一角度經(jīng)過所述光輸出側面從所述中空波導射出，該角度基本上平行于光線經(jīng)所述光輸入側面進入所述中空波導的角度。
17．一種如權利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述中空波導還包括一個反射基板，該反射基板使從所述中空波導內(nèi)部來的光線不能通過。
18．一種如權利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述中空波導還包括一個漫反射基板，該漫反射基板使從所述中空波導內(nèi)部來的預定的光線量通過。
19．一種如權利要求18的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述的漫反射基板還包括一個其上限定有光定向結構的第三光定向陣列。
20．一種如權利要求19的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述光定向結構包括多個限定在所述第三光定向陣列上的縱向柱面棱鏡，每個所述棱鏡具有在約90°到120°之間的夾角。
21．一種如權利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述第二光定向陣列的所述光定向結構設置在所述中空波導內(nèi)。
22．一種如權利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述第二光定向陣列的所述光定向結構設置在所述中空波導之外。
23．一種如權利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述的波導基本是矩形的。
24．一種如權利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述的波導基本是圓形的。
25．一種如權利要求2的照明系統(tǒng)，其特征在于，限定在所述第一和第二光定向陣列之一個陣列上的所述柱面棱鏡彼此沿徑向定位，限定在所述第一和第二光定向陣列之另一個陣列上的所述柱面棱鏡彼此同心地配置。
26．一種如權利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述的中空波導基本是三角形的。
27．一種用于分布來自一光源的光線的照明系統(tǒng)，該光源具有縱向軸，所述照明系統(tǒng)包括一個基本是矩形的中空波導(管)，中空波導具有一個使來自光源的光線進入中空波導的光輸入側、和使光線從中空波導射出的光輸出側；一個第一光定向陣列，其上限定有第一光定向結構；一個第二光定向陣列，其上限定有第二光定向結構，所述第一和第二光定向結構基本上相互垂直設置，所述第二光定向陣列包括所述的光輸出側，來自所述中空波導的光線從所述光輸出側射出；所述第一和第二光定向結構通過限定從所述照明系統(tǒng)輸出的光的一截止角、而控制所述照明系統(tǒng)輸出光的角分布。
28．一種如權利要求27的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述第一光定向結構包括多個被限定在所述第一光定向陣列上的縱向柱面棱鏡，所述第二光定向結構包括多個被限定在所述第二光定向陣列上的縱向柱面棱鏡，所述第一和第二光定向結構的每個所述棱鏡具有一其上限定的夾角，其限制為89°或更小的用于所述照明系統(tǒng)光輸出分布的截止角(范圍)。
29．一種如權利要求28的照明系統(tǒng)，其特征在于，當從剖面方向觀看時，所述第一和第二光定向結構的每個所述棱鏡包括基本上直的側壁。
30．一種如權利要求28的照明系統(tǒng)，其特征在于，當從剖面方向觀看時，所述第一和第二光定向結構的每個所述棱鏡包括基本上彎曲的側壁。
31．一種如權利要求28的照明系統(tǒng)，其特征在于，當從剖面方向觀看時，所述第一和第二光定向結構的每個所述棱鏡包括多個側面的側壁。
32．一種如權利要求28的照明系統(tǒng)，其特征在于，當從剖面方向觀看時，所述第一和第二光定向結構的每個所述棱鏡基本上是對稱的、且限定一夾角，其由以下等式計算w/2≤Cw≥2(2*asin(1/n)+90)/3tan(w/2)≤(n*sin(asin(1/n)-3w/2)+cos(w/2))/(n*cos(asin(1/n)-3w/2)+sin(w/2))其中，w是每個所述柱面棱鏡的夾角，C是從所述照明系統(tǒng)輸出光的所需的截止角，n是棱鏡材料的折射率。
33．一種如權利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述截止角范圍在約+60°和-60°之間。
34．一種如權利要求27的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二光定向陣列由聚丙烯材料制作，所述第一光定向結構包括多個被限定在所述第一光定向陣列上的縱向柱面棱鏡，所述第二光定向結構包括多個被限定在所述第二光定向陣列上的縱向柱面棱鏡，所述第一和第二光定向結構的每個所述棱鏡具有在約115°到121°之間的夾角。
35．一種權利要求34的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述夾角為約116°。
36．一種如權利要求27的照明系統(tǒng)，其特征在于，光源限定的縱向軸基本上平行于所述中空波導的所述光輸入側面，所述第二光定向陣列的所述光定向結構基本垂直于光源的縱向軸。
37．一種如權利要求27的照明系統(tǒng)，其特征在于，光源限定的縱向軸基本上平行于所述中空波導的所述光輸入側面，所述第二光定向陣列的所述光定向結構基本平行于光源的縱向軸。
38．一種如權利要求27的照明系統(tǒng)，其特征在于，光線以一角度經(jīng)過所述光輸出側面從所述中空波導射出，該角度基本上垂直于光線經(jīng)所述光輸入側面進入所述中空波導的角度。
39．一種如權利要求38的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述光輸入側面還包括由透明材料制作的實體部分。
40．一種如權利要求27的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述中空波導還包括一個反射基板，該反射基板使從所述中空波導內(nèi)部來的光線不能通過。
41．一種如權利要求27的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述中空波導還包括一個漫反射基板，該漫反射基板使從所述中空波導內(nèi)部來的預定的光線量通過。
42．一種如權利要求41的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述的漫反射基板還包括一個其上限定有光定向結構的第三光定向陣列。
43．一種如權利要求42的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述光定向結構包括多個限定在所述第三光定向陣列上的縱向柱面棱鏡，每個所述棱鏡具有在約90°到120°之間的夾角。
44．一種如權利要求27的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述第二光定向陣列的所述光定向結構設置在所述中空波導之內(nèi)。
45．一種如權利要求27的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述第二光定向陣列的所述光定向結構設置在所述中空波導之外。
46．一種如權利要求27的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二光定向陣列由聚碳酸酯或聚苯乙烯材料制作，所述第一光定向結構包括多個限定在所述第一光定向陣列上的縱向柱面棱鏡，所述第二光定向結構包括多個限定在所述第二光定向陣列上的縱向柱面棱鏡，所述第一和第二光定向結構的每個所述棱鏡具有在約111°到119°之間的夾角。
47．一種權利要求46的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述夾角為約113°。
48．一種用于分布來自一光源的光線的照明系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)包括一個中空波導(管)，中空波導具有一個使來自光源的光線進入中空波導的光輸入側、和使光線從中空波導射出的光輸出側；一個其上限定有光定向結構的光定向陣列，用于在單一方向通過限定從所述照明系統(tǒng)輸出的光的一截止角、而控制所述照明系統(tǒng)輸出光的角分布。
49．一種如權利要求48的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述的光定向結構包括多個限定在所述光定向陣列上的縱向柱面棱鏡，所述光定向結構的每個所述棱鏡具有一其上限定的夾角，其限制為89°或更小的用于所述照明系統(tǒng)光輸出分布的截止角(范圍)。
50．一種如權利要求48的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述夾角范圍在約110°到121°之間。
51．一種如權利要求48的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述截止角范圍在約+60°和-60°之間。
全文摘要
一種具有中空波導(50)的照明系統(tǒng)(10),該中空波導(50)包括第一(70)和第二(80)光定向陣列(LDA),每個陣列具有多個位于其上且相互垂直設置的普通柱面棱鏡(74,84)。來自光源(20)的光線從光輸入側(58)進入波導(50)、從光輸出側(56)輸出波導(50)、并以預定通量(即,強度)和角分布從照明系統(tǒng)射出。光輸出通量和角分布均可根據(jù)本發(fā)明由LDAs(70,80)獨立控制,以提供能形成各種光輸出分布和密度要求的照明系統(tǒng)(10)。
文檔編號F21S2/00GK1325484SQ99813132
公開日2001年12月5日 申請日期1999年9月9日 優(yōu)先權日1998年9月10日
發(fā)明者H·鄒, K·W·貝森 申請人:聯(lián)合訊號公司