具有光漫射器的照明器的制造方法

具有光漫射器的照明器的制造方法
【专利摘要】一种照明器，包括：光源（10）；用于来自光源的光的出射窗（20）；以及位于出射窗处用于漫射光的漫射器（25；200a；200b；200c；200d）。漫射器包括多个微光学元件（203a；203b；204，205；206，207）。每个微光学元件适于重定向来自光源的光，使得来自每个元件的经重新定向的光以相应的预定的极角（Θ）从漫射器射出。多个微光学元件包括第一微光学元件，其将来自光源的光重新定向到极角的第一范围，其中第一光学元件在第一邻域中比在第二邻域中占据漫射器的面积的更大的比例，并且其中第一邻域比第二邻域接收更少的来自光源的光。还提供了一种设计和制造用于这样的照明器的漫射器的方法。
【专利说明】
具有光漫射器的照明器
技术领域
[0001] 本发明大体上设及照明器，并且特别地设及用于照明器的漫射器。它尤其与设计 成安装在天花板上、基本垂直向下取向的照明器相关。
【背景技术】
[0002] 在照明应用中，要求照明器提供某角度的光分布。另外，经常期望的是，照明器出 射窗呈现均匀地点亮。即，出射窗的发光度应是空间均匀的。运意味着在出射窗的角度00和 祭G处的发光;寡，目。，紫Cf)应该不取决于在该出射窗内的位置P。在角度目。和祭G处 的发光度通过将出射窗的亮度心（P，00，帶0)在立体角上积分而获得。该立体角对应于 距出射窗的一定典型距离的人眼瞳孔尺寸。因为角瞳孔(angular pupil)尺寸A Q (00)很 小，作为在出射窗内的坐标I的函数，从倾斜角(极角）00和方位角妈;观察到的发光度可W 被如下表不：
(1) 者简单地发光度由下述给出： 提供特定角度的光分布的要求是照明的主要光学问题。与均匀性要求相结合，它变成 重大挑战。由于利用发光二极管化抓)替换其它光源的趋势使得此挑战更加困难。尽管LED 照明器可W提供在能量消耗方面的显著降低，但是它们的出射窗可W呈现出视觉上的不寻 常并且与传统照明器相比较小的吸引力。原因是Lm)光源的几何形状因数：它们相对较小， 仓幡照明器的出射窗的高度不均匀的发光度(典型地被观察为"多斑点的"或巧斑点的"图 案）。运甚至可W造成讨厌的炫目效果。
[0003] 期望的是提供少斑点的照明器。迄今为止，实现运一点的许多尝试已经设及从出 射窗将光反射回照明器中。该反射伴与光学损耗和更低的光学效率相关联，运与节能的期 望相冲突。

【发明内容】

[0004] 本发明由权利要求限定。
[0005] 依据本发明一方面，提供一种照明器，包含： 光源； 用于来自该光源的光的出射窗；W及 在该出射窗处的用于漫射光的漫射器， 其中该漫射器包括多个微光学元件，每个微光学元件适于重定向来自该光源的光，使 得来自每个元件的经重定向的光W相应的预定极角从该漫射器射出， 其中该多个微光学元件包括第一类型的微光学元件，其将来自该光源的光重定向到极 角的第一范围中， 其中该第一光学元件在第一邻域中比在第二邻域中占据该漫射器的面积的更大比例， 其中第一邻域比第二邻域接收更少的来自光源的光。
[0006] 该多个光学元件可W进一步包括第二类型的微光学元件，其将来自该光源的光重 定向到极角的第二范围，其中第一范围的极角大于第二范围的极角。
[0007] 微光学元件是具有在0.00007 mm2到0.2 mm2的范围之中的尺寸的光学元件。为了 简略，微光学元件在此也简单地称为"光学元件"。
[0008] 通过选择如上面定义的极角，漫射器呈现为当从第一极角观察时具有均匀的发光 度，并且呈现为当从第二极角观察时具有不均匀的发光度。本发明的实施例因此可W使得 设计者能够通过在其它极视角处牺牲均匀性而在某些极视角处实现均匀的外观。优选地， 漫射器在第一极角处输出的发光度在漫射器上的所有位置的邻域中是均匀的。
[0009] 在不同角度处的发光度可W在每个邻域中改变，但是来自该邻域的（在所有角度 上的）总发光度保持相同。因此，漫射器改变光的方向，而不改变从每个邻域发射的光的量。 到达漫射器的每个邻域的光和离开该邻域的光的总发光度是相同的。
[0010] 优选地，光学元件的极角被选择成使得在极角的第一范围中由漫射器输出的发光 度在邻域之中是均匀的；并且在极角的第二范围中由漫射器输出的发光度在所述邻域之中 是不均匀的。第一和第二范围不重叠。然后，当从处于极角的第一范围中的任何角度观察 时，照明器将呈现均匀。
[0011] 对于在漫射器上的多个位置的每一个，由第一类型的微光学元件占据的漫射器的 面积的比例乘W从光源接收的光的量是基本相同的，W在极角的所述第一范围内产生空间 均匀发光度U〉0.5，U被定义为
其中和别是在出射窗中的不同位置之上测量的发光度的最大和最小值。均匀 度，U，使用上面的等式确定。如果U〉0.5,或者更优选地如果U〉0.6,在给定角度处(或者在角 度的给定范围中）的发光度是均匀的。如果1X0.5,那么发光度是不均匀的。
[0012] "邻域"的尺寸小于人眼在正常观察距离处可辨别的分辨率。运意味着，观察者没 有感知到邻域内的亮度的变化。换句话说，观察者不能感知到属于邻域的单独的光学元件 的亮度--相反，观察者只感知到邻域上元件的平均亮度。通过示例的方式，邻域可W具有 Imm2到2mm2的面积。邻域的形状应该是紧凑的，不是怪异的。为了测量的目的，优选地，邻域 在形状上是正方形或圆形的，并且都是相同的尺寸。
[0013] 由每个元件重定向的光W预定的极角在微光学元件的位置处从漫射器射出。因 此，微光学元件的极角指光W此从微光学元件射出的极角。极角相对于照明器的预期取向 而定义。例如，如果照明器被设计成安装在天花板上、垂直地向下指向，那么极角相对于垂 直轴（即，天花板的法线）而定义。许多照明器是旋转地对称的。在运种情况中，极角的参考 方向平行于对称轴。
[0014] 一般地，光将不W单个唯一的角度而是W小角度扩展从每个微光学元件进入和/ 或射出。"预定的极角"指在此扩展的中屯、处的标称角度。关于预定的极角的光线的角度扩 展可W例如多达5°。
[0015] 光学元件在漫射器上扩展。漫射器典型地是具有近似均匀厚度的平面或者壳状 的，使得在漫射器内的每个光学元件的位置可W唯一地用两个坐标表征。
[0016] 每个微光学元件可W包括一个或多个小面(facet)。小面是具有不同的折射率的 两个物理介质之间的平的（二维)界面。该小面优选地形成于漫射器的表面上，其中物理介 质之一是漫射器的材料，并且另外的物理介质是空气。
[0017] 漫射器优选地由诸如聚碳酸醋之类的透明的固体材料形成。
[0018] 每个微光学元件优选地包括下面的微光学结构中的至少一个：自由形状的微光学 透镜、平坦的小面、弯曲的表面和棱柱形的微结构。
[0019] 第一极角优选地大于第二极角。
[0020] 该配置对于被设计成安装在水平天花板上、垂直地向下面对的照明器而言可能是 特别地有利的。运样的照明器典型地从大的极角观看（即，与水平天花板形成浅的角度）。照 明器的所有部分将对从大极角观看的用户呈现均匀明亮。照明器对于从小极角观看的用户 将不呈现均匀。然而当用户处于安装在天花板上的照明器的正下方时，用户不可能直接向 上看向照明器。因此，在小极角处给出均匀发光度的印象不是必要的。
[0021] 多个微光学元件可W包括第一微光学元件，其将来自光源的光重定向到极角的第 一范围中，其中第一微光学元件在第一邻域中比在第二邻域中占据漫射器的面积的更大比 例，其中第一邻域比第二邻域从光源接收更少的光。
[0022] 出射窗的发光度在第二邻域中比在第一邻域中更大。换句话说，更多的光落在第 二邻域上(每单位面积）。第一光学元件通过在第一邻域中比在第二邻域中覆盖漫射器的更 多部分而被分布，W使得它们补偿运一点。在第一邻域中，运导致到达漫射器的光的更大比 例被重定向到极角的第一范围中。同时，在第二邻域中，更少比例的到达光被重定向到此角 度范围中。运帮助(在极角的第一范围内巧H尝在出射窗处的发光度中的不均匀性。
[0023] 在一些实施例中，第二邻域可W比第一邻域接收更多的来自光源的光，因为第二 邻域更靠近光源。如果光从光源直接行进到漫射器或者如果光被(菲涅尔)透镜准直，运将 典型地就是运种情况。在其它的实施例中，由于照明器中其它光学部件创建的图案--例如 TIR准直器可W在中间的某个地方展现暗环的缘故，第二邻域可W接收更多的光。
[0024] 上面提及的第一极角优选地在极角的第一范围之中。
[0025] 第一和第二邻域可W是相同的尺寸。操作参数是每个邻域中漫射器(同样地，出射 窗）的每单位面积被第一光学元件占据的漫射器的（并且因此出射窗的）总面积。为了物理 测量的目的，可W考虑具有Imm2到2mm2的尺寸的邻域。
[0026] 在一些实施例中，在位于离光源更远处的出射窗上的位置处，发光度将小于在靠 近光源的位置处。为了帮助出射窗的发光度(在极角的第一范围内）呈现均匀，由第一光学 元件占据的总面积从光源进一步得到增加，W便(至少部分地巧H尝减少的发光度。
[0027] 在其它的实施例中，因为不同的原因，发光度可能在第一邻域中比在第二邻域中 更低。例如，第一邻域可W接收更少的光，因为它位于由TIR准直器造成的暗带中。一般地， 由第一光学元件占据的总面积在光的量(发光度)更低的邻域中增加，W便补偿差异并且在 极角的第一范围中创建均匀的发光度。
[0028] 第二类型的微光学元件在第二邻域中比在第一邻域中可W占据漫射器的面积的 更大的比例。
[0029] 第二光学元件在更靠近法线方向的极角的第二范围中提供光照。它们可W布置成 占据没有被第一光学元件占据的剩下的面积。在运种情况中，当从极角的第二范围内的角 度观看时，出射窗（漫射器)将呈现不均匀明亮，因为发光度在第二邻域中更大并且同时第 二光学元件占据该邻域中的面积的更大比例。换句话说，由不均匀的发光度造成的不均匀 性被第二光学元件的分布进一步强调。
[0030] 上面提及的第二极角优选地处在极角的第二范围内。
[0031] 极角的第二范围可W是从0°到角阿尔法，并且极角的第一范围可W是从该角阿尔 法到60°或者更大，其中阿尔法小于或等于30°。
[0032] 阿尔法优选地小于或等于25°。角的第一范围的上端优选为70°或更大。一般地，对 于角的第一范围优选的是尽可能大(使得出射窗在尽可能大的角的范围上呈现均匀）。
[0033] 与在第二邻域中相比，第一微光学元件可W在第一邻域中W更大的空间密度提 供。
[0034] 目P，在第一邻域中的漫射器的每单位面积的第一光学元件的数量比在第二邻域中 的大。运是确保第一光学元件在第一邻域中覆盖漫射器(并且因此出射窗）的面积的更大比 例的一种方式。
[0035] (所有)光学元件的总空间密度可W在每平方毫米(/mm2)5个元件到每平方毫米 13000个元件的范围中。第一光学元件的空间密度可W在1到该总空间密度的范围中。
[0036] 相比于第二邻域，可W在第一邻域中提供更大面积的第一微光学元件。
[0037] 目P，单独的第一光学元件的尺寸在第一邻域中可W比在第二邻域中更大。运是确 保第一光学元件覆盖第一邻域中的面积的更大比例的另一方式。
[0038] 单独的光学元件的尺寸（即，其占据的漫射器的面积）可W处于0.00007mm2到 0.2mm2的范围中。
[0039] -般地，在给定局部邻域中的光学元件可W具有相似的尺寸或不同的尺寸。
[0040] 可选地，第一光学元件在第一邻域中既是更大的又被更密集地填充(见上文）。
[0041] 对于在漫射器上的多个位置中的每一个，由第一微光学元件覆盖的漫射器的局部 面积的比例优选地与在此位置处的发光度成反比。
[0042] 在一些实施例中，漫射器的每单位面积的第一光学元件的密度与发光度成反比。
[0043] 在其它实施例中，单独的第一光学元件的尺寸与发光度成反比。
[0044] 在另外的其它实施例中，单独的第一光学元件的尺寸和它们的空间密度二者被调 适成使得由第一光学元件占据的漫射器的局部面积的比例与发光度成反比。
[0045] 发光度可W在出射窗处计算（即理论地推导)或测量。
[0046] 在每个微光学元件中，可W存在至少一个小面，其适于通过折射和全内反射中的 至少一个重定向光。
[0047] 漫射器可W被布置成使得来自光源的光在基本垂直于漫射器的方向上到达漫射 器。
[0048] 光中的小角度的扩展典型地是不可避免的--并且可能甚至是期望的。因此，在实 践中，如果光线偏离法线方向5°或更小的角度从，光线可W被认为"基本垂直"于漫射器。漫 射器的法线方向相对于光线到达的邻域中的漫射器的局部取向而定义。它是该邻域中漫射 器的切面的法线。
[0049] 漫射器优选是平面的；并且照明器优选地进一步包括准直器，其适于准直来自光 源的光并且将经准直的光传输到漫射器。
[0050] 在运种情况中，漫射器定义二维(2D)平面，并且它在第=维度上基本不延伸。换一 种方式来说，漫射器中的光学元件被布置在二维平面上，使得它们在第=维度中具有(基 本)相同的坐标。法线方向在漫射器的所有位置处都是相同的--其是2D平面的法线。
[0051] 来自准直器的经准直的光基本垂直于漫射器的平面到达漫射器。在实践中，在法 线方向周围的大约5°的角度扩展可W被预料。对于当前目的，运被认为是"基本垂直的"。
[0052] 微光学元件可W在面对光源的漫射器的表面上提供。
[0053] 优选地，每个微光学元件包括至少一个小面。此小面可W在面对光源的漫射器的 表面上提供。在运种情况中，小面的角度可W依据下面的等式(6)确定。
[0054] 微光学元件可W提供到背对光源的漫射器的表面上。
[0055] 优选地，每个微光学元件包括至少一个小面。此小面可W在背对光源的漫射器的 表面上提供。在运种情况中，小面的角度可W依据下面的等式(7)而确定。
[0056] 经重定向的光可W W预定的方位角从每个微光学元件射出，其中光在方位角的预 定范围上的分布对于漫射器上的所有位置处的邻域是基本相同的。
[0057] 换句话说，多个光学元件的方位角被优选地选择成使得当从预定的范围中（或者 从极角的某范围内）的方位角观看时，发光度在漫射器的面积上呈现均匀。
[0058] 优选地，光在所有方位角上的分布对于漫射器上的所有位置处的邻域是基本相同 的。于是，当从任何方位角观看时，发光度将呈现均匀。
[0059] 可选地，方位角被选择成使得在每个单独邻域中光的分布在方位角上是基本均匀 的。即，漫射器的每个邻域将相等量的光定向到每个方位角。在方位上的该均匀性意味着漫 射器的每个部分呈现为从所有方位角看(具有相同的亮度。即，当观察者围绕照明器走时， 照明器的每个部分的感知的亮度保持不变。
[0060] 在一些实施例中，来自给定光学元件的经重定向的光的方位角可W依据均匀分布 随机地选择。运意味着在方位角之间不存在偏好--对于给定光学元件，每个方位角都等可 能地被选择。
[0061] 一般地，微光学元件可W具有相同的形状或不同的形状。运些元件的一些或全部 可W是多边形-例如正方形、矩形或六边形。
[0062] 光源可W优选地近似为点光源。例如，光源可W包括发光二极管(LED)。
[0063] 依据本发明的另一方面，提供一种设计和制造用于照明器的漫射器的方法，该照 明器包括光源；W及用于来自该光源的光的出射窗，该漫射器适合用于在该出射窗处漫射 光， 其中该漫射器包括多个微光学元件，每个微光学元件适于重定向来自该光源的光，使 得来自每个元件的经重定向的光W相应的预定极角从漫射器射出， 该方法包括： 选择微光学元件的极角W使得由该漫射器在第一极角处输出的发光度在漫射器上的 不同位置的邻域中是均匀的;并且使得由漫射器在第二极角处输出的发光度在所述邻域中 是不均匀的；W及 制造如此设计的漫射器。
[0064] 依据本发明的另一方面，提供一种设计和制造用于照明器的漫射器的方法，该照 明器包括光源；W及用于来自该光源的光的出射窗，该漫射器适合用于在该出射窗处漫射 光， 其中该漫射器包括多个微光学元件，每个微光学元件适于重定向来自光源的光，使得 来自每个元件的经重定向的光W相应的预定极角从漫射器射出， 该方法包括： 将多个微光学元件中的至少一些分配为第一微光学元件，其将来自光源的光重定向到 极角的第一范围中， 其中，第一微光学元件在第一邻域中比在第二邻域中占据漫射器的面积的更大的比 例， 其中第一邻域比第二邻域接收更少的来自光源的光。
[0065] 依据本发明的另一方面，提供一种设计和制造用于照明器的漫射器的方法，该照 明器包括光源；W及用于来自该光源的光的出射窗，该漫射器适合用于在该出射窗处漫射 光， 其中该漫射器包括多个微光学元件，每个微光学元件适于重定向来自该光源的光，使 得来自每个元件的经重定向的光W相应的预定极角从漫射器射出， 该方法包括： 确定在出射窗处的发光度； 将多个微光学元件的至少一些分配为第一微光学元件，其将来自光源的光重定向到极 角的第一范围中； 分布该第一微光学元件，使得对于漫射器上的多个位置中的每一个，由第一微光学元 件覆盖的漫射器的局部面积比例与在该位置处的发光度成反比；W及 制造如此设计的漫射器。
[0066] 该方法可W另外包括将该多个微光学元件中的其它微光学元件分配为第二微光 学元件，其将来自光源的光重定向到不同于第一范围的极角的第二范围中。
[0067] 通过如上面限定地分布第一光学元件，漫射器在从极角的第一范围中的极角被观 察时可W呈现为具有均匀的发光度，并且在从极角的第二范围中的极角被观察时可W呈现 为具有不均匀的发光度。
【附图说明】
[0068] 现在将参考附图详细描述本发明的示例，在附图中： 图1示意地图示依据本发明的实施例的照明器的几何结构； 图2示出具有图1中示出的几何结构的照明器，其在出射窗处具有漫射器； 图3是图示用于图2的照明器的出射窗的发光度的曲线图； 图4示出依据本发明的实施例的两类光学元件空间分布； 图5示出由依据本发明的实施例的照明器生成的光束的两个部分的角度范围； 图6示出依据S个不同的照明器的光的远场角分布； 图7示意地图示依据本发明的实施例的在漫射器的内表面上形成的折射光学元件； 图8示意地图示依据另一实施例的在漫射器的外表面上形成的折射光学元件； 图9示意地图示依据又一实施例的使用全内反射的光学元件；W及 图10示意地图示依据再一实施例的使用全内反射的光学元件。
【具体实施方式】
[0069] 本发明的实施例使用定制的光学结构，其使得初始不均匀的出射窗在极角的范围 内呈现均匀。运样的结构可W通过具有小面的光学元件实现--例如使用激光烧蚀或3D打印 W光学板的形式制成的微结构。运可W潜在地提供相对低成本的解决方案。
[0070] 如在前言部分解释的，当前Lm)照明系统的主要缺点是它们的有斑点性。有斑点性 起源于LED光源的几何形状因数。本发明使照明器出射窗在对于降低有斑点性最有利的角 度的某范围内呈现均匀。本发明的实施例可W直接重定向（漫射)光--而不将其发送回照明 器。运可W允许实现高得多的光学效率。
[0071] 在本发明的实施例中，漫射器包括由许多小的光学元件制成的板。每个光学元件 具有一个或多个小面，其将到达该光学元件的光发送到特定角度。在一些光学元件中，单个 小面通过折射重定向光。在其它光学元件中，一个小面通过全内反射重定向光(可选地其中 另一个小面另外通过折射重定向光）。因此，光学元件漫射光，创建光束。光W特殊方式漫 射，其中光被漫射的角度取决于在出射窗内的位置。运允许在某些角度内创建空间均匀的 发光度，因为出射窗的初始的不均匀性通过光在某些方向上的优先重定向而被补偿。
[0072] 在一个实施例中，将光重定向到给定方向的光学元件的密度与出射窗的原始发光 度分布的倒数成比例。当从该给定的方向观察时，运导致均匀的发光度。在另一实施例中， 将光重定向到给定方向上的光学元件的尺寸与出射窗的初始的发光度分布的倒数成比例。 运也导致在给定方向上的均匀发光度。如果期望的话，运些实施例可W组合。
[0073] 优选地，漫射器使发光度在一定方向范围中--即用于给定的方位角或者全部方位 角的极角的范围中--呈现均匀。
[0074] 将在下面描述实施例，其将详细地解释当前的发明创建均匀的发光度的方式。
[0075] 在示例性实施例中，照明器具有图1中图示的几何结构。运示出包括单个光源10和 半径为D、置于距光源距离d处的圆形出射窗20的照明器。光源10是LED。如果在提供出射窗 20的开口处不存在光学结构，出射窗的发光度是高度不均匀的。确实，观察者可W直接看见 光源10。
[0076] 尝试使出射窗更均匀的已知方式是首先（例如使用透镜或准直器)准直来自光源 的光并且然后使用漫射器漫射光，W产生具有期望角度扩展的光束。运样的方案在图2中示 出。运是制作角宽为20的光束的照明器的示意图。为了阻止观察者直接看到光源10--并且 因此改善出射窗20的发光度的表观空间均匀性，系统利用漫射器25和透镜30。透镜30置于 光源10和漫射器25之间。漫射器置于出射窗20处。透镜30准直光，使得它在基本垂直于窗 口一即基本垂直于窗口的平面的方向上到达平面出射窗20。在实践中，准直将不是完美 的--多达5°的角度扩展对于实践的目的是可接受的。再者，角度扩展可W在出射窗内不同 的位置处变化。然而，该变化在重定向光时可W忽略或被考虑在内。
[0077] 漫射器25在出射窗的每个位置处漫射经准直的光，创建具有开度角20的光笔。出 射窗25内的=个位置被标记W供稍后引用。位置A是出射窗的中间；位置B是出射窗的中间 与外边缘之间的半途;并且位置C是出射窗的外边缘。为了简单起见，几何结构被假定是旋 转对称的。因此，径向坐标完全地表征照明器每个部分--特别是在出射窗20处的漫射器25。 (当然，本领域技术人员将领会，本发明不限制于旋转对称的几何结构。）。
[0078] 当具有此几何结构的照明器被从大于0的倾斜(极）角观察时，出射窗的表观发光 度为零。当它被从小于e的倾斜(极)角观察时，发光度观察者呈现为比不具有漫射器的裸光 源更均匀。然而，尽管光源10不能直接通过漫射器25被看到，但是出射窗的发光度尚且不是 完全均匀的。假设光源10可W近似为朗伯发射体化ambedian emitter),发光度可W作为 在出射窗内的径向坐标的的函数而被计算。该函数在图3中示出。在该曲线图中，发光度通 过由光源发射的总通量被归一化。更详细地，图3示出每单位面积舰的归一化的流量，作为 出射窗内的径向坐标P的函数。两条曲线W对应于出射窗20的半径O与出射窗20和光源10之 间的距离的两个不同比率的任意单位示出。半径Z堤出射窗的平面中的尺度。距离d是垂直 于出射窗的尺度。通量通过由光源10发射的总通量(60被归一化。如图3示出的，出射窗越宽 和/或出射窗离光源越近，发光度变得越不均匀--即从出射窗20的中屯、到它的外围边缘的 变化越大。
[0079] 图3中的发光度图由下面的等式描述，其是从图2的几何结构导出的：
(3) 运里，变量幻瓷含地包含在P中。即，惦P的极限。此等式可W W无量纲的P'=p/〇重写。于 是，P '含1并且该等式将明确地包含比率D/rf。
[0080] 依据本发明的一个实施例，在漫射器中采用定制的有小面的光学器件。此实施例 的操作原理现在将被描述。在此实施例中，照明器的几何结构与在图2中示出的照明器的几 何结构相同。来自光源10的光由准直器30准直。然而，图2的漫射器25由漫射器200取代。在 当前实施例中，准直器30由菲涅尔透镜实现。
[0081] 漫射器200包括覆盖着有小面的光学元件覆盖的圆板。即，每个光学元件包括用于 重定向来自光源10的光的至少一个小面。板200包括两种不同类的元件，其W两种相应类型 的小面为特征。运些类型由小面的取向区分。第一类型的小面将来自光源的光重定向到极 角的第一范围中；并且第二类型的小面将来自光源的光重定向到极角的第二范围中。小面 的取向与经重定向的光线的角度之间的关系取决于有关介质的折射率。稍后(在下文)运将 被更加详细地解释。
[0082] 第一类型的小面被分布，W便确保漫射器的表观发光度在角度的第一范围中是均 匀的。第二类型的小面用于在角度的第二范围--即，其余的期望射束的角度--上分布剩余 部分。
[0083] (在期望的第一范围的角度内）空间均匀的发光度通过在出射窗的表面之上分布 第一类的小面W使得小面的局部密度与在出射窗处的发光度的倒数成比例来实现。换句话 说，第一类的密度是图3中图示的函数的倒数，并且由等式(3)表达。运种形式的分布在图4 中的左手图中示意地图示。
[0084] 图4图示每类的小面的局部密度在漫射器200的面积之上如何空间地变化。更暗的 区域指示更高密度的小面;更亮的区域指示更低密度的小面。左手图示出第一类的小面的 分布并且右手图示出第二类的小面的分布。第一类的小面在--离光源10最远的--漫射器 200的外围W最高密度出现。它们在--最靠近光源的--漫射器的中屯、W最低密度出现。第二 类的小面的空间分布补充第一类的分布。特别地，未被第一类的小面覆盖的出射窗的剩余 面积被第二类的小面占据。因此，第二类的小面在--离光源10最远的--漫射器200的外围W 最低密度出现。它们在--最靠近光源的--漫射器的中屯、W最高密度出现。局部密度是在 Imm2到2mm2的邻域尺寸之上测量的密度。
[0085] 每类小面的空间分布可W允许漫射器完全补偿发光度中的不均匀性，并且因此确 保（由第一类的小面产生的)极角的第一范围内的发光度是空间均匀的。基于所需的密度分 布，将每类小面分配到漫射器上的特定的空间位置，每个小面的具体取向然后可W被选择。 对于第一类的小面，取向在极角方面被随机化，使得期望的极角的第一范围被由它们重定 向的光填充。取向在方位角方面也被随机化，使得它们在全部360°的范围的方位角方向上 是均匀地扩展的。对于第二类的小面，取向在极角方面被随机化，使得极角的第二范围被由 它们重定向的光填充。取向在方位角方面也被随机化，使得它们在全部360°的范围的方位 角方向上是均匀地扩展的(与第一类的相同）。
[0086] 在当前的实施例中，随机化包括将经重定向的射线的极角随机地分配到量化的角 度的离散集合之一。运W均匀的方式完成，使得为每个离散角度提供近似相同数量的小面。 因此，近似相同量的光将被重定向到每个(量化的）角度。如果离散极角的数量是V并且离散 的方位角的数量是M，那么取等式(3)的倒数并且除W角度的数量，将光重定向到每个特定 角度的（笠一类）小而的密原由下而的亲巧式给出：
(4) 运里，Selement是光学元件的表面积。运表达了每平方毫米（/mm2)小面中的密度。项1/ Selement给出最大元件密度。从运个最大密度，我们取由最小发光度（即当寸)和当前发光 度之间的比率给出的分数。因此，如果发光度是最小的，在我们想要将光束的均匀部分最大 化的情况下，我们需要将所有面积用于射束的均匀部分;而当发光度比其最小值大时，更小 的面积可W用于射束的均匀部分。
[0087] 在实践中，角度的离散量化对于观察者将不会是显然的，因为准直不是完美的并 且因此在到达并离开每个光学元件的光中存在小的角度扩展(例如5° )。运将有助于"模糊" 连续的量化角度之间的区别。
[0088] 由两类小面生成的所得到的射束在图5-6中图示。如在图5所示，全(半)射束宽度 是9。极角a(阿尔法）内的光线由第二类的小面产生。对于在该角度内的观察者，出射窗的发 光度呈现不均匀。e与a之间的角度内的光由第一类的小面产生。对于在该角度范围内的观 察者，出射窗的发光度呈现均匀。
[0089] 注意到，我们没有在观察者的视角与光线从出射窗发射的极角之间进行区分。严 格地，对于正在从有限的距离看出射窗20的观察者，从出射窗的不同部分到达观察者的眼 睛的光将W不同的极角离开出射窗。然而，对于与出射窗的尺寸相比相对大的观看距离，此 变化可W忽略。取而代之，假设从出射窗中的不同位置到达观察者的眼睛的所有光，W单 个、唯一的极角从出射窗发出。假如照明器对向观察者的眼睛处不大于1°到5°的角度，那么 在实践中做出运个近似是安全的。
[0090] 图6描绘从出射窗20上的=个不同位置发出的射束的远场角分布。运些是在图2中 标记为A、B和C的位置。（y轴上的）发光强度相对于(X轴上的）极角而描绘。图6(a)示出在没 有使用漫射器并且射束扩展尽可能小的情况下的分布。图6(b)示出在使用常规漫射器的情 况下的分布，如关于图2在上面讨论的。图6(c)示出用于本发明的当前的实施例的分布。运 对应于在图5中图示的光束。在图6(c)中，可W看到的是，在位置A、B和C处的角分布收敛于0 与曰之间的角度的范围中。因此，该实施例已经实现空间均匀性--漫射器的位置A、B、C对于 从0与a之间的任何极角观看照明器的观察者，呈现同样明亮。对于小于a的倾斜角，发光度 呈现不均匀。
[0091] 在实践的照明情况中，人们很少W小的倾斜(极）角看照明器，因为照明器通常放 置在天花板上和/或因为它们看起来是不舒适地明亮的。因此，为了使得照明器呈现均匀， 使其在0与a之间角度的范围内呈现均匀就足够了。在当前的示例中，0为60°并且a为30°。
[0092] 值得注意的是，其中光笔的开度角随着位置变化的特殊漫射器将不能产生如由本 发明的实施例产生的均匀的发光度。运样的"特殊漫射器"将控制经漫射的光的扩展，而不 控制光被漫射所朝的方向。运不足W实现期望的外观均匀性。
[0093] 均匀性可W使用下面的度量U评估：
(5) 仕化导巧甲imaxWimin分别是在出射窗中的不同的位置上测量的发光度的最大和最小 值。当U=I时，发光度是完美地均匀的（即，均一的）。当U=O时，发光度是高度地不均匀的。在 实践中，如果U〉0.5，出射窗将对观察者呈现均匀。更优选地，U〉0.6。
[0094] 给定角度处的发光度可W使用从该角度在照明器处取向的亮度计物理地测量。可 替代地，可W使用成像型亮度计。运可W认为是具有小孔径的相机，其从合适的观看距离 (典型地2m到5m)瞄准照明器。相机记录的最大像素值代表上面的等式巧）中的最大发光度， 并且最小像素值代表最小发光度。
[00M]对于上面描述的实施例，（两类的）光学元件由在漫射器的表面上的折射小面实 现。运些的结构现在将参考图7-8被更详细地描述。
[0096]图7是漫射器200a的部分的示意性图示。漫射器200a具有从照明器面向外的一个 表面201a和朝向光源10面向内的另一表面202曰。为了简单起见，只有包括折射小面203a的 单个光学元件被图示，并且漫射器的其余部分是平坦的。在实践中，光学元件203a可W直接 邻近提供其它光学元件的其它小面。在此示例中，折射小面203a在面向内的表面202a中形 成。一般地，从光源10到达漫射器200a的经准直的光当其进入漫射器时首先在小面203a处 折射，并且当其离开漫射器时在面向外的表面201a处再次折射。小面W极角T取向。小面取 向是该小面的法线的取向。漫射器的材料具有折射率m。照明器外面的空气具有折射率n2。 光源与漫射器200a之间的介质具有折射率no。在当前的示例中，此介质也是空气，在运种情 况下n〇=n2。为了使光学元件具有期望的输出极角江(即，为了使光学元件将光重定向到极角 染)，小面角丫由下面的等式确定：
(6) 此等式用于确定小面的角度。在上面早前描述的实施例中，漫射器被设计成对于从0° 至Ij30°的极角呈现不均匀，并且被设计成对于从30°至化0°的极角呈现均匀。假设漫射器由具 有折射率ni=l. 585的聚碳酸醋制造并且在漫射器两侧的介质都是具有折射率n〇=n2=l的空 气，则第一类的小面将具有在44.8°和69.3°之间的极取向丫。第二类的小面将具有在0°和 44.8°之间的极取向丫。
[0097] 图8示出漫射器20化的对应的几何结构，其中小面203b在面向外的表面20化上提 供。面向光源的向内面对的表面20化是平坦的。在该示例中，因为经准直的光在垂直于表面 202b的方向上到达该表面，所W它在此表面出不被折射。它只在输出表面201b中的小面 203b处折射。在运种情况下，用于选择适当的极小面角丫的等式为：
(7)。
[0098] 图9示出在其它实施例中可能有用的不同种类的光学元件。此漫射器200c中的光 学元件使用全内反射(TIR)重定向光。来自光源10的光在垂直于表面的方向上经由面向内 的表面202c进入漫射器。在此界面处不存在折射。模形突出物在面向外的表面201c中形成。 运包括TIR小面204和折射小面205。光在TIR小面204内部地反射并且随后在输出小面205折 射。经重定向的光从漫射器200c射出的极角取决于两个小面的角度。运为设计者提供两个 自由度。它也可W使得光能够被重定向到比单独使用折射可能的极角更大的极角。再次参 考图5,使用TIR光学元件的实施例可W能够在更大的极角处或者在极角的更大范围之上实 现均匀的发光度。例如，可W可能的是在角度0=25°和0=70°之间提供均匀的发光度。
[0099] 图10示出又一种类的光学元件。此漫射器200d中的光学元件使用TIR和折射两者 来重定向光。两个小面，折射小面206和反射小面207,在漫射器的面向内的表面202d上形 成。面向外的表面201d是平坦的。两个光线210和211在图10中图示。两个射线在垂直于漫射 器的方向上到达漫射器200d并且在它们进入漫射器的折射小面206处相似地折射。第一射 线210直接行进到面向外的表面201d并且第二次折射。第二射线211从折射小面206行进到 它在其中经历全内反射的TIR小面207。从运里，它行进到漫射器的面向外的表面，当它射出 进入空气时它在此表面再次折射。因为第二射线211遵循不同的路径并且(在TIR小面207 处)经历反射，它W不同的角度从漫射器射出。因此，运些是两个光学元件(两个小面)并且 存在与两者相互作用的射线。运同样适用于图9,其中一些射线将不与TIR小面204相互作用 并且将从面向内的表面202c直接行进到折射小面。
[0100] 不必要的是，漫射器中的所有光学元件具有相同的结构。在一些实施例中，漫射器 可W包括包含图7-9中图示的两个种类或更多种类的混合的光学元件。
[0101] 在典型的实施例中，（两类)小面的密度在5个小面/mm2到13000个小面/mm2的范围 中。对于上面描述的实施例，该总密度在漫射器的整个面积之上是均匀的。然而，在任何给 定的邻域中第一和第二类的小面的比例在漫射器之上变化。平均小面尺寸在〇.〇〇67mm25U 0.2mm2的范围中。
[0102] 用于制造包括具有小面的光学元件的光学设备的生产技术在本领域中是已知的。 根据前面的描述，将对本领域技术人员而言显然的是，如何设计依据本发明的实施例的漫 射器。一旦被设计，运些可W使用相似于那些用于已知的微光学设备的方法制造，例如激光 烧蚀或3D打印。依据本发明的实施例的漫射器可W由各种材料制成。优选地，材料是透明 的。例如，漫射器可W由透明的聚碳酸醋材料形成。
[0103] 在上面描述的实施例中，小面的尺寸（即，被每个小面覆盖的漫射器的面积)保持 近似恒定，并且第一类的小面的空间密度依据发光度的倒数而变化。作为替代，密度可W维 持近似恒定，并且每个小面的尺寸可W依据发光度的倒数变化。假如每个小面的尺寸保持 足够小W致其不能被人眼从合适的观看距离分辨，那么表观发光度保持均匀。
[0104] 在上面描述的实施例中，菲涅尔透镜被用作准直器。然而如本领域技术人员到目 前为止将领会的，本发明不限制于特定类型的准直器。其它合适的准直器包括但不限制于： TIR准直器；W及例如复合抛物面聚光器(CPC)之类的聚光器。
[0105] 在上面的实施例中，假设的是第一范围中的所有角度接收相等量的光。运可W是 期望的，但是运不是必要的。最重要的均匀性要求是，重定向到给定极角的光的量对于漫射 器上的每个局部邻域是相同的。运确保当从该极角观察时，出射窗呈现空间均匀。可选地， 除此之外，重定向到每个角度的光的量(对于漫射器上的每个局部邻域)可W是相同的。对 上面描述的示例情况就是运样一针对在角度的第一范围中的每个角度W及针对漫射器上 的每个位置输出相同量的光。
[0106] 在上面描述的实施例中，微光学元件包括一个或多个小面。然而在其它实施例中， 微光学元件可W包括自由形状的微光学透镜、平坦的小面、弯曲的表面或棱柱型的微结构。
[0107] 通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的 本发明时，可W理解和达成对所公开实施例的其它变型。在权利要求中，词语"包括/包含" 不排除其它元素或步骤，并且不定冠词"一"不排除多个。在互不相同的从属权利要求中列 举某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用运些措施的组合。权利要求中的任何附图 标记不应当被解释成限制范围。
【主权项】
1. 一种照明器，包括： 光源； 用于来自所述光源的光的出射窗；W及 在所述出射窗处的用于漫射所述光的漫射器， 其中所述漫射器包括多个微光学元件，每个微光学元件适于重定向来自所述光源的 光，使得来自每个元件的经重新定向的光W相应的预定极角从所述漫射器射出， 其中所述多个微光学元件包括第一微光学元件，其将来自所述光源的光重新定向到极 角的第一范围中， 其中第一光学元件在第一邻域中比在第二邻域中占据所述漫射器的面积的更大比例， 其中所述第一邻域比所述第二邻域接收更少的来自所述光源的光。2. 权利要求1的照明器，其中所述多个微光学元件进一步包括第二微光学元件，其将来 自所述光源的光重新定向到极角的第二范围中， 其中所述第一范围的极角大于所述第二范围的极角。3. 权利要求2的照明器，其中所述第二微光学元件在所述第二邻域中比在所述第一邻 域中占据所述漫射器的面积的更大比例。4. 权利要求1、2或3的照明器，其中每个微光学元件包括下述微光学结构的至少一个： 自由形状的微光学透镜、平坦的小面、弯曲的表面和棱柱形的微结构。5. 权利要求1至3中的任意一项的照明器，其中对于所述漫射器上的多个位置中的每一 个，由所述第一微光学元件覆盖的所述漫射器的局部面积的比例与在此位置处的发光度成 反比。6. 权利要求2至权利要求5中的任意一项的照明器，其中所述极角的第二范围是从0°到 角阿尔法，并且所述极角的第一范围是从所述角阿尔法到60°或者更大，其中阿尔法小于或 等于30°。7. 权利要求1至6中的任意一项的照明器，其中与所述第二邻域相比，所述第一微光学 元件在所述第一邻域中W更大的空间密度提供。8. 权利要求1至7中的任意一项的照明器，其中与所述第二邻域相比，更大面积的第一 微光学元件在所述第一邻域中提供。9. 权利要求1至8中的任意一项的照明器，对于所述漫射器上的多个位置中的每一个， 比例U:其中和分别是在所述出射窗中的不同位置上测量的发光度的最大和最小值。10. 前述权利要求中任一项的照明器，其中，在每个微光学元件中，存在至少一个小面， 其适于通过折射和全内反射中的至少一个重定向所述光。11. 前述权利要求中任一项的照明器，其中所述漫射器被布置成使得来自所述光源的 光在基本垂直于所述漫射器的方向上到达所述漫射器。12. 前述权利要求中任一项的照明器，其中所述微光学元件在面向所述光源的所述漫 射器的表面上提供。13. 前述权利要求中任一项的照明器，其中所述微光学元件在背对所述光源的所述漫 射器的表面上提供。14. 前述权利要求中任一项的照明器，其中经重新定向的光W预定的方位角从每个微 光学元件射出，其中光在方位角的预定范围上的分布对于所述漫射器上的不同位置处的邻 域是基本相同的。15. -种设计和制造用于照明器的漫射器的方法，所述照明器包括光源；W及用于来自 所述光源的光的出射窗，所述漫射器适合用于在所述出射窗处漫射光， 其中所述漫射器包括多个微光学元件，每个微光学元件适于重定向来自所述光源的 光，使得来自每个元件的经重定向的光W相应的预定极角从所述漫射器射出， 所述方法包括： 确定在所述出射窗处的发光度； 将所述多个微光学元件中的至少一些分配为第一微光学元件，其将来自所述光源的光 重定向到极角的第一范围中； 分布所述第一微光学元件，使得对于所述漫射器上的多个位置中的每一个，由所述第 一微光学元件覆盖的所述漫射器的局部面积的比例与在此位置处的发光度成反比；W及 生产如此设计的所述漫射器。
【文档编号】G02B5/02GK105917165SQ201480064427
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2014年11月25日
【发明人】R.A.塞普克哈诺夫, M.P.C.M.克里恩
【申请人】飞利浦灯具控股公司