使用一組微稜鏡的照明系統的製作方法
2023-07-02 15:25:21 2
專利名稱：使用一組微稜鏡的照明系統的製作方法
本申請是1994年1月11日提交的、題為「使用一組微稜鏡的背後照明設備」的U.S.系列08/149,219號的部分延續。發明背景總的來說，本發明涉及一種光學照明系統，用於產生準直光，從而實現相對高的光傳輸。更具體地說，本發明言及一種照明系統，該系統含有多個光學微稜鏡和微距鏡，用以對來自非準直光源的光重新定向，或分別或組合地形成非散射或基本準直的光源輸出。
許多光學和照明上的應用要求產生一種非散射或準直光源，以形成有效的光輸出。準直光源所遇到的典型問題包括(1)光的不均勻分布；(2)光的輸出缺乏定向控制；(3)準直光的輸出量相對非準直光的輸入量效率低；(4)在緊湊設計或狹小輪廓時缺乏有效的準直光源。
因此，在光學和照明領域中需要一種在保持狹小輪廓的同時能提供能量有效光源的照明設備。
發明概述本發明以一種光學照明系統為對象，該系統分別或組合地形成一種非散射或基本準直的光源，它是能量有效的(在下文中稱為空間定向光源)。此外，本發明適用於任何需要低輪廓空間定向光源的照明應用。
本光學照明系統包括一個緊鄰於一個光傳輸裝置的散射入射光源，一個反射裝置，與所說的發射裝置可操作地鄰接配置，用以對來自光傳輸裝置的光進行移動和重新定向。該反射裝置包括一組微稜鏡，或者組合地將一組微稜鏡和一組微距鏡光學協同使用，由此將微稜鏡可操作地配置於光傳輸裝置和微距鏡之間。本發明的反射裝置在一個低輪廓組件中形成一種空間定向光的能量有效分布。
在一個優選實施方案中，單個輸入光源鄰近光傳輸裝置的光接收表面放置。光傳播裝置可以是通過反射傳送光的任何結構，諸如光導管、光劈、波導或其他為本領域的技術人員所熟知的任何其它結構。光傳輸裝置優選地包括一個波導，用以接收由輸入光源產生的光，並通過全內反射(TIR)傳送光。一組微稜鏡附著在波導的一面。這組微稜鏡包括一個與波導相接的光入射面和一個遠離光入射面並與之平行的光射出面。這組微稜鏡還包括四個側壁，這四個側壁形成一定角度，使通過波導的光能被微稜鏡捕獲並重新定向，通過微稜鏡的TIR反射，從微稜鏡出來的便是一個空間定向光源。空間定向光源是指包括在與光輸出表面基本垂直方向上的一個基本準直光源，或與光輸出表面法向成一角度的光源。
在一個替代實施方案中，一組微距鏡可操作地鄰近於微稜鏡的光出射面而放置。每個微稜鏡的四個側壁形成一定角度，使從單個光源發出、通過波導的光被微稜鏡捕獲，通過微稜鏡作TIR反射，從微距鏡出來的便是一個空間定向光源。微距鏡由合適的曲率形成，適當放置，以使從每個微稜鏡發出的光被定向到一個相應的微距鏡上。光穿過微距鏡，出來的便是一個基本準直光源。
在另一個優選實施方案中，兩個輸入光源相鄰於光傳輸裝置的相對放置的光接收面放置。該光傳輸裝置包括一個波導，接收產生於兩個輸入光源的光，並通過TIR輸送光。一組微稜鏡附著在波導的一個面上。這組微稜鏡包括一個與波導相接的光入射面和一個遠離光射面並與之平行的光出射面。這組微稜鏡還包括四個傾斜的側壁，它們形成一定角度，使從兩個輸入光源發出的經波導傳播的光能被微稜鏡捕獲並重新定向，通過微稜鏡作TIR反射，出來的便是一個空間定向光源。
還有另一個替代實施方案，一組微距鏡有效地相鄰於微稜鏡的光出射面放置。每個微稜鏡的4個側壁形成一定角度，使從兩個光源發出、通過波導的光被微稜鏡捕獲，通過微稜鏡TIR反射，出來的便是一個空間定向光源，微距鏡由合適的曲度形成，且適當放置，使從每個微稜鏡發出的光被定向到一個相應的微距鏡或多個微距鏡上。光穿過微距鏡，出來的便是一個基本準直光源。
許多照明應用可以利用這種採用微稜鏡和微距鏡配置結構的照明系統。在汽車製造業、宇航工業、商業及住宅市場均有這種應用。一些汽車製造應用，僅作為例證而非限制可能的應用，包括低輪廓汽車頭燈和尾燈；低輪廓的汽車內置燈諸如閱讀燈和地圖燈；用於儀表櫃顯示的光源；用於平面板航向顯示、平面板自動電視屏和平面板型電子設備顯示的背景燈；交通燈；以及路標的背景燈。在宇航業的示意性例子包括用於飛機的平面板駕駛室顯示和客艙中平面板電視屏的背景燈；低輪廓閱讀燈和飛機著陸燈；以及跑道著陸燈。住宅和商業應用包括低輪廓室內外聚光燈及準直性較低的室內燈；用於平面板電視屏、LCD顯示，諸如計算機、遊戲機顯示、儀表顯示、機器顯示和圖像電話的背景燈。
本發明的其他目的、優點和新穎特色將部分地在下面得到陳述，另一部分對於審閱過以下內容的本領域技術人員是顯而易見的，或者可通過對本發明的實踐而學會。本發明的目的和優點可以通過在附加權利要求中特別指出的手段及組合得以體現和獲得。
附圖簡述考慮到下面的詳細描述，參考附圖，這樣，本發明的上述及其他目的和優點將顯而易見。在附圖中，相同的參考字符始終指代相同的部分，其中
圖1是本發明的一個實施方案結合單個輸入光源的立面圖；圖1A是圖1實施方案的分解圖；圖1B是圖1實施方案的補充圖；圖2是包括一組微距鏡鏡的實施方案的立面圖；圖2A是圖2實施方案的替代圖；相應的微距鏡；圖3是單個微距鏡的剖面圖；圖3A是單個微距鏡的實施方案的平面圖；圖4是本發明的補充實施方案結合兩個輸入電源的立面圖；圖4A是圖4實施方案的分解圖；圖5是包括一組微距鏡的圖4實施方案的立面圖；圖6是圖5實施方案的分解圖；以及圖7是圖5實施方案的補充圖。
優選實施方案詳述參看以上圖示，本領域的技術人員將能更好地理解本發明的優選實施方案。圖中展示的本發明的優選實施方案並非詳盡或意欲將本發明局限於公開的精確形式。它們被選擇用來描述或最好地解釋本發明的原理及其適用性，由此，使本領域的其他技術人員能最好地利用本發明。
本發明的一個優選實施方案展示於圖1、1A和1B。數字2表示的一個照明系統包括一個光發生裝置14，含光接收面17的一個波導16和與波導16相接觸的透明反射裝置18.可用的光發生裝置14的例子包括雷射、螢光管、發光二極體、白熾燈、日光等等。波導16是用諸如玻璃或聚合物的透明材料製成。圖1中，光發生裝置14緊貼波導16，反射裝置18與波導16相接。
反射裝置18包括一可選的附著促進層26和一組微稜鏡28。光通過波導16作TIR反射，通過光入射面30進入每個微稜鏡28，在側壁33、35和37反射，作為一個空間定向光源通過光出射面32離開微稜鏡28。
波導16對波長範圍約為400至700nm的光是透明的。波導16的折射率可以在大約1.40至大約1.65之間變化.最優選折射率大約在1.45至1.60之間。波導16可以用任何透明固體材料製成。優選的材料包括透明的聚合物、玻璃和熔融石英。這些材料需要具備的特徵包括在裝置的典型操作溫度下的機械和光學穩定性。最優選的材料為玻璃、聚丙烯、聚碳酸酯和聚酯。
微稜鏡28可由任何透明固體材料製成。優選材料的折射率須等於或大于波導16的折射率。優選材料的折射率在1.40至1.65之間，包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酯、聚(4-甲基戊烯)，聚苯乙烯和由丙烯酸酯單體混合物的光聚作用形成的聚合物。較優選的材料的折射率位於大約1.45至1.60之間，包括由丙烯酸單體混合物的光聚合作用形成的聚合物，這樣的丙烯酸單體混合物包括丙烯酸和甲基丙烯酸氨基甲酸乙酯，酯丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯，(聚)乙二醇丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯和含乙烯基的有機單體。可用的單體包括甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸正丁酯，丙烯酸2-乙基己酯，異癸基丙烯酸酯，2-羥乙基丙烯酸酯，2-羥丙基丙烯酸酯，環己基丙烯酸酯，1，4-丁二醇雙丙烯酸酯，乙氧基化的雙酚A雙丙烯酸酯，新戊二醇雙丙烯酸酯，二甘醇雙丙烯酸酯，二甘醇二甲基丙烯酸酯，1，6-己二醇雙丙烯酸酯，三羥甲基丙烷三丙烯酸酯，季戊四醇三丙烯酸酯和季戊四醇四丙烯酸酯。特別有用的是這樣的混合物，其中至少有一個單體為諸如雙丙烯酸酯和三丙烯酸酯的多功能單體，因為這些單體將在反應後光聚合物中產生一個交聯網。由光刻法形成微稜鏡28的最優選材料為由乙基化雙酚A雙丙烯酸酯和三甲基丙烷三丙烯酸酯通過光聚合作用形成的交聯聚合物。最優選材料的折射率大約位於1.53至1.56之間。可用於如注模等補充製造方法中的其它材料包括聚碳酸酯，聚丙烯和聚(4-甲基戊烯)。
微稜鏡28被間隙區36隔開。間隙區36的折射率必須小於微稜鏡28的折射率。間隙區的優選材料包括折射率為1.00的空氣和折射率介於1.16和1.40之間的含氟聚合物。最優選的材料是空氣。
可選附著促進層26是一種透光的有機物質，且能使微稜鏡28、尤其是由諸如光交聯丙烯酸酯單體材料之類的聚合物形成的微稜鏡牢固地附著在波導16上。這些材料為本領域的技術人員所周知。附著促進層26的厚度沒有嚴格限定，可在大範圍變化。在本發明的優選實施方案中，附著層26的厚度小於約30微米。
微稜鏡可以任何類型安置在波導16上，例如正方形、矩形或六邊形。微稜鏡在垂直於光接收面17的方向上有一重複距離38(圖1)，而在平行於光接收面17的方向上有一重複距離40。重複距離38和40可以相等，也可以不等，可以根據顯示的解析度和尺寸作大範圍變化。另外，重複距離38和40可以橫跨波導表面變化，以補償由於光發生裝置14的距離增加而導致的波導16內部的光強降低。這種光強降低是由於光被該微稜鏡陣列中的其他微稜鏡移去造成的。
微稜鏡28被制鹹一個包含相互平行的光入射面30和光射出面32的六面幾何結構，其中，光射出面32的表面積等於或大於光入射面30。微稜鏡28還包括兩對相對放置的側壁33、34和35、37。側壁33、35和37的作用是對波導16的光反射和重新定向。優選地，側壁33與波導16或其上的附著層26的相交線與光的平均方向相垂直。例如，如圖1所示，側壁33與附著層26的相交線平行於光接收面17，因此，與通過波導16傳播的光的平均方向垂直。雖然圖示中側壁34與側壁33平行，但側壁34的取向並非嚴格限定。
如圖1A所示，每個微稜鏡28適當放置，使側壁33與波導16表面的法向形成一斜角斜角。斜角的理想值在約15度至約50度之間。斜角的更為優選值在約20度至約40度之間，正如對本領域的技術人員來說是顯然的，傾斜角確定空間定向光以相對於光出射面的法向的何種角度出射。
參看圖1B，側壁35和37也與波導16表面的法向形成一斜角θ，斜角θ的理想變化範圍為約0度到約25度，斜角θ值的更優選變化範圍為約2度到約15度。優選地，與側壁35和37有關的斜角相等，但等角並非必須。
如圖1A所示，微稜鏡28的高度為50，高50可根據顯示的尺寸和解析度作大範圍變化，即較小的顯示，諸如膝上型(laptop)計算機顯示和航空電子設備顯示，相對於大屏幕及平面電視等較大顯示，尺寸將大大減小。
微稜鏡28的長度有尺寸52和53。長52相應於光入射面30，長53相應於光出射面32。長53可等於或大於長52。長52和53可根據顯示尺寸和解析度作大範圍變化。另外，長52可以橫跨波導16表面變化，以補償由於自光發生裝置14的距離增加而導致的波導16內部的光強降低。即，與離光發生裝置14較遠的微稜鏡相比，較接近於光發生裝置14的微稜鏡28具有較小的尺寸52。該光強降低是由於該組的其它微稜鏡移去光所致。長52和53的最大值小於圖1的重複距離38。
微稜鏡28有寬尺寸54和55(圖1B)，這裡寬54相應於光入射面30，而寬55相應於光出射面32。寬54和55根據顯示的尺寸和解析度作較大變化。此外，寬54可跨光傳輸裝置16變化以便當自光發生裝置14的距離增加時對波導16內的光強降低作補償。寬54和55的最大值小於重複距離40。長52的尺寸最好大於寬54的尺寸，長52與寬54比值的優選範圍為1.2∶1到5∶1，更優選的比值範圍為1.5∶1到3∶1。
在一種補充實施方案中，反射裝置18還包括一組微距鏡80，如圖2和2A所示。微距鏡80緊鄰於微稜鏡28放置。如果微距鏡80由光聚作用製成，它們優選地由與前面公開的用於製備微稜鏡28的相同單體製成，且折射率等於或基本上等於微稜鏡28的折射率。但是，任何透明材料均可能被使用，例如前面所述的那些材料。微距鏡間的中心距與微稜鏡28的重複距離38和40有直接關係。即對每個微稜鏡28，都存在一個相應的微距鏡80，它與該微稜鏡的輸出面32對齊。
一個隔層82將微距鏡80和微稜鏡28分開。隔層82的厚度應最佳選定，使從微稜鏡28出來的光被微距鏡80準直化。隔層82可由任何透明材料製備。優選材料包括透明聚合物、玻璃和熔融石英。優選地，隔層82的折射率等於或基本上等於微稜鏡28和微距鏡80的折射率。這些材料的理想特性包括，在設備的典型操作溼度下的機械和光學穩定性。最優選材料為玻璃、聚丙烯、聚碳酸酯和聚酯。
單個微距鏡示於圖3。微距鏡可以是一個球形透鏡，也可以是一個非球面形透鏡或像散透鏡。微距鏡80的軌跡不必為圓形，但可以是矩形形狀，如圖3A，其長86和寬87分別等於重複距離38和40。
如果微距鏡80是一個球形透鏡，這些透鏡曲面有曲率半徑84。該曲率半徑可根據相應的微稜鏡組的重複距離38和40在大範圍內變化。為了使微距鏡80能接收到基本所有由波導16出來、由微稜鏡28定向的光，微距鏡80的f數應相對較小。微距鏡80的f數值可在約0.5至約4.0之間變化。較優選的f數變化範圍是約0.6至3.0之間。
本發明的另一個補充實施方案如圖4和4A所示。兩個光傳輸裝置14和14A，相鄰波導16的兩個對立光接收面17和17A放置。一組微稜鏡90以由上面公開的同樣方式附著在波導16上。微稜鏡90包括與光出射面94平行的光入射面92，其中，光出射面94的表面積大於光入射面92。微稜鏡90也包括兩對相對放置的斜側壁96、98和97、99。
側壁96和98各自與波導16表面法向形成角。優選地，側壁96與98的斜角相等，但等角並非必須。每個斜側壁96和98與波導16或在其上的附著層26的相交線分別與相對放置的光接收面17和17A平行，因此，與通過波導16傳播的光的平均方向垂直。
參看圖4A，側壁97和99各自與波導16的法向成θ角。優選地，側壁97和99的斜角相等，但等角並非必須。每個斜側壁97和99與波導16或在其上的附著層26的相交線與相對放置的光接收面17和17A垂直，因此，與通過波導16的光的平均方向平行。
微稜鏡90的高度具有尺寸110且與微稜鏡28的高度50相似。微稜鏡波導90的尺寸為120和122，其中尺寸122小於尺寸120。長度120和122均為斜角和高度110的函數。長度120和122可以根據顯示的尺寸和解析度在大範圍內變化。另外，長度120和122可以跨光傳播裝置16的表面變化，以補償由於自光發生裝置14和14A的距離增加而導致的波導16內部光強降低。長度120的最大值小於重複距離138。
微稜鏡28的寬度為尺寸130和尺寸132，如圖4A所示。尺寸132小於或等於尺寸130。寬130和132均為斜角θ和高110的函數。寬130和132可以根據上面關於長120和122討論的因素在大範圍變化。寬130的最大值小於重複距離140。長度尺寸122最好是大於寬尺寸132。長122與寬132比值的優選範圍為1.2∶1到5∶1，更優選的比值範圍為1.5∶1到3∶1。
還有另一個本發明的補充實施方案展示於圖5到7，包括一組緊鄰於微稜鏡90放置的微距鏡80。如前所公開，隔層82將微距鏡80和微稜鏡90隔開。從每個微稜鏡90出來的光作為一個空間定向光源，輸入給一個或多個微距鏡。優選地，光源被定向到兩個微距鏡上。從微稜鏡90發出的空間定向光源，被微距鏡80準直化，以形成一個基本準直光類型。微距鏡的中心-中心距離與微稜鏡90的重複距離138和140有直接關係。每個微距鏡80的長度86(圖3A)與微稜鏡組匹配，使相等距離重疊在相鄰的稜鏡上，如圖5和圖6。每個微距鏡的寬87與圖7單個微距鏡匹配。
微稜鏡組28和90以及微距鏡組80，可由任何數目的技術製做，如模壓、包括注入和壓塑，鑄造、包括熱輥壓鑄選，在模子內部的光聚作用和不使用模子的光聚作用過程。一種優選製作技術應允許反射裝置18包括一組微稜鏡28或90、一組微距鏡80和一個作為單一完整單元製作的隔層82。這種技術的一個優點是可以消除當微稜鏡組和微距鏡組分別製作、然後用以上描述的關係安裝時所引起的微稜鏡組和微距鏡組之間的匹配誤差。
應當理解的是，以上描述的特別的實施方案，僅僅是本發明原理的示例。在不背離以下權利要求限定的本發明的範圍和精神的情況下，本領域的技術人員可以進行各種改進。
權利要求
1.一個照明組件包括(a)一個光傳播裝置；(b)一組微稜鏡，其中每個微稜鏡包括(i)一個與所說的光傳播裝置光耦合的光入射面；(ii)一個表面積至少等於所說的光入射面的表面積的光出射面；(iii)位於所說的光入射面和光出射面之間且鄰近它們放置的第一對側壁，其中所說側壁中至少一個適當放置以實現被所說的光傳播裝置接收的光的全內反射。
2.權利要求1的照明組件，還包括一組微距鏡，其中每個微稜鏡的輸出被定向到至少一個相應的微距鏡。
3.權利要求2的照明組件，其中所說的微稜鏡組和微距鏡組是整體形成的。
4.權利要求1的照明組件，其中所說的光出射面與所說的光入射面平行。
5.一個照明組件包括(a)含一個緊鄰第一散射光源的第一光接收面的光傳播裝置，其中所說光傳播裝置輸送由所說的第一散射光源發出的光；(b)一組微稜鏡，其中每個微稜鏡包括(i)與所說的光傳輸裝置光耦合的一個光入射面；(ii)一個表面積大於所說光入射面的光出射面；(iii)位於所說光入射面和光出射面之間且鄰近它們放置的第一對相對放置側壁，其中所說側壁的每一個都與所說光傳播裝置的表面法向形成第一斜角；(iv)第二對相對放置的斜側壁，位於所說光入射面和光出射面之間且鄰近它們放置並與所說光傳播裝置相交，其中所說側壁的每一個均與所說的光傳播裝置的表面法向形成第二斜角；其中，經由所說光傳播裝置反射的光通過所說光入射面進入所說微稜鏡，被所說側壁重新定向並且作為一個空間定向光源從所說的光出射面輸出。
6.權利要求5的照明組件，其中所說反射裝置還包括一組與所說的微稜鏡組形成為整體的微距鏡，其中每個微稜鏡的輸出光被定向到至少一個相應的微距鏡。
7.權利要求5的照明組件，其中所說第一斜角與所說光傳播裝置的表面法向夾角在15度至50度之間。
8.權利要求5的照明組件，其中第二斜角與所說的光傳播裝置的表面法向夾角在0度至25度之間。
9.權利要求5的照明組件，其中所說光傳播裝置還包括緊鄰於第二散射光源的第二光接收面，其中該光傳播裝置輸送由所說第二散射光源發出的光。
10.權利要求5的照明組件，其中所說光出射面與所說的光入射面平行。
全文摘要
一種光學照明組件，包括一個波導用於接收由散射光源產生的光並通過全內反射傳送光。附著在波導一側的是一組微稜鏡，每個微稜鏡的光入射面與光射出面平行，並且至少兩個側壁與波導表面的法向之間存在某一斜角，由此，光得以脫離波導，經傾斜的側壁反射，作為空間定向光源由微稜鏡射出。如果安置一組微距鏡接收微稜鏡輸出光，以使由微距鏡出射的光成為一種基本準直的光源。該光學照明組件對於任何要求能量有效並且包含於低輪廓組件中的非散射或基本準直的應用是有利的。
文檔編號G02B6/00GK1148428SQ95193053
公開日1997年4月23日 申請日期1995年4月7日 優先權日1994年5月13日
發明者S·M·齊默爾曼, J·C·施偉延, K·W·比森, J·侯 申請人:聯合訊號公司