使用光引导结构的照明系统的制作方法

本发明涉及照明系统，并且特别是使用光引导结构来整形和导向来自光源(例如led布置)的光输出的照明系统。

背景技术：

照明器通常包括光源(和相关驱动器)和用于整形和导向输出光的光学输出结构。光学输出结构有许多不同的可能设计，例如透镜板、漫射板、散射结构或光混合盒。

照明器有时会被感知为令人不适和炫目，尤其是led照明器。这是由两个因素造成的。首先，小尺寸的光发射源意味着当直接观察它们时，它们非常明亮。第二，因为光源很小，来自光源的光可以被非常精确地导向，但是这可能会在输出光分布中造成不期望的陡峭梯度。

避免这些陡峭梯度是正确设计所关注的问题。避免观察者能够直接回头看光源也可以通过多种方式解决。降低感知亮度的一种方式是使用光学透镜和/或漫射器设计来产生更大的虚拟光源。这种解决方案可以在许多现有产品中找到，如电视背光、照明器等。然而，通过制造虚拟的更大的光源，效率和/或对光输出分布的控制常常受到损害。

使用光引导结构(光导)作为光学输出结构的一部分是已知的。光引导结构使用全内反射来传播光，并且光在这种全内反射被例如光出耦合结构中断的位置逸出。

光导传统上用于均匀照亮表面，并且特别是当高度非常有限时，例如显示器背光的情况。通常，光的方向控制不是很重要。在显示器背光的情况下，出耦合是通过涂料点（paintdot）、衍射结构或全内反射结构来实现的。通常不需要来自这种类型的设备的光束整形。如果光的转向是可能的，则优选在垂直于设备平面的方向上有更多的光，以便在直视设备时获得更明亮的视野。

最近，光导正被用于更普通的照明元件，例如烛形灯泡和汽车日间行车灯。通常，来自光源的光分布不是非常严格，而外观尤为重要。光的出耦合优选使用全内反射来实现，因为这保持了高效率。

照明器的外观和控制光输出的能力之间通常存在折衷。就外观而言，对于一般光照照明来说，通常希望能够从远处看到照明器(例如以提供引导功能)，并且常常希望有一些向上导向的光(“上行光”)，这是照亮照明器上方或旁边的天花板的光。

这些目标在实践中很难实现。例如，当使用全内反射时，使用全内反射难以控制接近(例如，在25度内)始于光源的照明输入方向的光输出方向，而如上所述，出于效率原因，全内反射是期望的。如果全内反射的临界角接近光输入方向，这导致光束的大范围扩展，并且一些光不希望地耦合出或者根本不耦合出。

技术实现要素：

本发明由权利要求限定。

根据依据本发明的一个方面的示例，提供了一种照明系统，其包括：

细长光引导结构，其包括沿着该结构的长度延展的输入边缘，以及在输入边缘和端面之间延伸的第一侧壁和第二相对侧壁，其中侧壁中的至少一个具有台阶表面；

光源布置，其设置在输入边缘处，用于将光提供到输入边缘中并朝向端面导向，

其中台阶侧壁的台阶限定了光引导结构的宽度的缩窄部，并且其中台阶包括至少一个第一台阶区域和至少一个第二台阶区域，第一台阶区域形成从输入边缘提供到光引导结构中的光的全内反射表面，使得光从相对侧壁离开光引导结构，第二台阶区域形成从输入边缘提供到光引导结构中的光的折射界面，使得光从同一侧壁离开光引导结构，其中所述至少一个台阶侧壁中的至少一个包括第一和第二台阶区域两者。当以竖直取向安装时，输入边缘可以被称为顶边缘，端面可以被称为底边缘，并且反向光可以被称为上行光。通常，为了安装在竖直位置，细长光引导结构在输入边缘(或顶边缘)处、相邻或附近处设置有安装装置，例如用于与夹具匹配的缺口或突起、用于螺栓的螺纹孔或用于安装在金属天花板部件上的附着磁体。

该系统具有大致板形的光引导结构。光沿着边缘(即窄条)引入，该边缘沿着长度延伸并具有宽度。光在垂直于边缘的方向上，并且可以被认为在深度方向上延伸。至少一个侧壁是台阶形的，以形成宽度的缩窄部。台阶(在一个或两个侧壁上)也称为小面，其限定折射光转向表面和全内反射光转向表面两者。它们形成缩窄的区域。通过利用没有全内反射的折射和全内反射两者，在控制光输出方向和因此的强度分布方面有很大的灵活性。此外，一个或两个侧壁被设计成在使用中是可见的，并且它们的设计可以考虑美学因素。这样，光分布和设备的外观都受到控制。光输出效率高，并且系统可以可控地制造。

通过使光从将光对准期望的方向的光引导结构(台阶和/或与台阶相对的位置)上的线出射，该系统在远场中实现了期望的光分布，并且还提供了照明器的期望的外观。

全内反射可以用于在第一角度范围内控制输出光，并且折射可以用于在第二角度范围内控制输出光。例如，折射可以用于在相对于光引导结构的光输入方向至少在0度和25度之间的方向上耦合出光，并且以这种方式，可以精确地控制光分布。这与用于在某个角度(例如25度)以上的方向上出耦合光的全内反射相结合。

这两个范围可能不同，但它们可能替代地会重叠。例如，它们可以在诸如25到50度的范围内重叠，并且这可以用于平滑光学伪影。在这种情况下，折射然后被用于在0度和50度之间的方向上耦合出光，并且全内反射可以在25度和90度之间使用。

第一和第二台阶区域可以是相邻的，使得它们限定了单个缩窄区域。这样，单个台阶具有折射界面和全内反射表面两者。全内反射表面例如将光重导向到可以输出光的另一侧。

可替代地，第一和第二台阶区域可以由平面(平坦或平缓弯曲)区域隔开，使得它们限定独立的缩窄区域。

第一和第二侧壁都可以是台阶形的。整个系统可以是侧与侧对称的，并提供对称的强度分布。每个侧壁可以具有折射台阶和全内反射台阶，或者折射台阶可以在一侧上，而反射台阶在另一侧上。

第一侧壁的台阶和第二侧壁的台阶可以一起适于产生具有从端面到输入边缘的方向分量的反向光路。通过使用两个重导向(全内反射然后折射)，有可能实施超过90度的重导向，并提供提供反向照明的光分量。

台阶是例如沿着细长方向成形的。该特征可以用于减少离散光源的斑点度，并从而提供照明系统的更均匀的视觉外观。

光源布置可以包括点光源的阵列，每个点光源具有准直器。通过控制输入到光引导结构中的光，更好地控制了光引导结构的光束整形和光束转向功能。

细长光引导结构例如包括实心板，其中准直器包括板的输入边缘的成形部分。这提供了低成本的解决方案。准直器可以替代地是安装在板上的离散布置。点光源例如包括led。

端面可以包括台阶区域，用于产生具有从端面到输入边缘的方向分量的反向光路。因此，可以使用台阶或者通过使用光引导结构的端面来产生反向光效果。

来自系统的主要光输出可以：

仅来自第一侧壁；或者

仅来自第二侧壁；或者

来自两个侧壁。

因此，可以实施不同的照明效果。在一组示例中，光输出限定了蝙蝠翼强度轮廓，每个侧壁有一个翼。

该系统可以包括第二或另外的细长光引导结构，每个光引导结构限定多腹板（multiple-web）设计的一个腹板。该设计可以用于产生组合照明效果。

该系统例如适于安装成使得输入边缘和端面之间的方向是竖直的。对于照明器，与水平照明器相比，竖直安装使照明器有更大的可见面积(当从远处看时)。

附图说明

现在将参照所附示意图详细描述本发明的示例，其中：

图1示出了安装到天花板的示意形式的板形照明器；

图2示出了来自水平安装的光导照明器的典型光强度分布；

图3示出了使用竖直安装的光导照明器可实现更优选的蝙蝠翼分布；

图4示出了通过光导台阶的第一设计的折射光路；

图5示出了通过光导台阶的第二设计的折射光路；

图6示出了通过光导台阶的第三设计的全内反射光路；

图7示出了光如何相对于光导的主取向离开光导；

图8示出了如何可以通过提供第一和第二全内反射来获得反向光；

图9示出了如何可以通过提供全内反射和折射重导向来获得反向光；

图10示出了照明系统的第一示例；

图11示出了图10的系统的透视图；

图12示出了图10的设计的替代方案，其中使用了个体的准直器；

图13示出了极坐标光强度分布；

图14示出了可以如何使用全内反射台阶来产生反向光；

图15示出了基于组合的全内反射小面和折射小面的修改；

图16示出了基于底切折射小面和全内反射小面的修改；

图17示出了对称设计，并且示出了光导的端面也可以设置有小面，以便提供反向光；

图18示出了不对称设计；

图19示出了三种可能的弯曲小面设计；

图20示出了组合以形成u形照明系统的两个光导；

图21示出了组合以形成v形照明系统的两个光导，并且

图22示出了经由折射小面和tir小面两者仅从一个侧壁发出光的光导。

具体实施方式

本发明提供了一种照明系统，其包括细长光引导结构，该光引导结构包括沿着该结构的长度延展的输入边缘，以及在输入边缘和端面之间延伸的第一和第二侧壁，其中至少一个侧壁是台阶形的。台阶包括至少一个第一台阶区域和至少一个第二台阶区域，第一台阶区域形成从输入边缘提供到光引导结构中的光的全内反射表面，使得光(在全内反射之后)从第二侧壁离开光引导结构，第二台阶区域形成从输入边缘提供到光引导结构中的光的折射界面，使得光(直接)从第一侧壁离开光引导结构。以这种方式，折射和全内反射的使用相结合，以实现光输出分布的控制以及系统外观的灵活性。照明系统例如包括用于天花板安装的照明器。第一和第二台阶区域可以是从输入边缘开始的任一顺序。

当用作天花板安装的照明器时，该系统的设计的第一个方面是可以使用竖直取向。

图1示出了安装到天花板10的示意形式的板形照明器。照明器被示出为如附图标记12的水平安装(与天花板齐平)和如14的竖直安装(垂直于天花板)。如12’和14’所示，从远场感知的发射表面面积对于竖直取向更大。在诸如办公室的室内空间中，在这些更大的角度下(即，从远处)可以看到的照明器比头顶正上方多，因此在这些更大的角度下(与垂直的法线方向相比较大)的外观通常被认为更重要。对于相同的强度分布，更大的感知发射表面也导致更低的眩光。

如果照明器例如用于主要需要光垂直于地板的办公室应用中，则使用基于全内反射的光导的照明器通常被放置在水平面上。然而，竖直取向的光导更适合于非对称或双非对称光束。

图2示出了来自安装到天花板10的水平安装的光导照明器12的典型光强度分布。

图3示出了使用竖直安装的光导照明器14可以实现更优选的蝙蝠翼分布(在30-80度之间的角度处产生光分布的一个或两个峰值，在0度附近产生较少的光)。竖直安装的光导照明器随之通过夹持结构13附接到天花板10，并且随之具有邻近输入/顶边缘的缺口。

本发明基于使用来自光引导结构的折射和全内反射两者，该光引导结构在下文中将被称为“光导”。然而，光引导结构可以包括其它部件，例如集成的准直器以及全内反射板。

图4至图6示出了穿过光导40的一些可能的光路，光导40是安装在空气中的实心材料板，例如具有约1.5、且更一般地通常在1.4至1.7的范围内的折射率(例如，玻璃或聚碳酸酯(pc)或聚甲基丙烯酸甲酯(pmma))。该结构具有执行光转向功能的台阶42。

图4示出了向内(朝向板)弯曲光的折射光路。台阶形成光导40的宽度的缩窄部，在台阶的外边缘处的内角θ大于90度。这提供了向更窄宽度的逐渐过渡，且没有锐角外角。在台阶42处，光弯曲远离法线，即𝛽>α。在台阶42处，光从光导40逸出。基于台阶42的角度和折射率比率，出射光相对于入射光的角度可以被精确控制，即使它小于25度。

图5示出了向外弯曲光(远离板)的折射光路。台阶形成光导40的宽度的缩窄部，在台阶的外边缘处的内角θ小于90度。这意味着台阶形成具有锐角外角的底切。在台阶42处，光同样弯曲远离法线，即𝛽>α。在台阶42处，光从光导逸出。出射光相对于入射光的角度同样可以被精确控制。

图6示出了全内反射光路。台阶形成光导40的宽度的较浅缩窄部，因此在台阶的外边缘处的内角θ更接近180度。在台阶42处，光经历全内反射，因为相对于法线的入射角α大于临界角。光在相对侧从光导逸出，在相对侧存在折射边界，并且光在该(第二)边界处远离法线弯曲。

图7示出了光如何相对于光导的主取向离开光导。在水平轴上示出了在光导的主方向(在图4至6的图像中从左到右)上行进的光相对于台阶法线方向的入射角α。在竖直轴上示出了同样相对于光导取向的光离开光导的出射角e。

这是基于平面平行光导，其具有与台阶表面相对的光滑表面，如图4至6所示。

区域50代表折射函数，且区域52代表全内反射函数。

在光导中折射的光可以容易地沿光导的方向(即，以0度的出射方向e)离开光导，直到大约50度的出射角e。入射角α(相对于台阶法线方向)可能达到41.8度的极限角，这对应于空气中折射率n=1.5的临界角，并且由于全内反射，更大的角度是不可能的。

使用全内折射反射的光替代地可以容易地以90度(垂直于光导)离开光导。对于全内反射，减小角度是可能的，并且原则上低至0度。然而，光出射角相对于入射角的斜率要大得多。这意味着，到台阶的入射角的小变化或者台阶斜率的小变化导致出射角的大变化。因此，使用折射比全内反射更容易控制接近0度的出射角。此外，只有使用全内反射才能达到50度以上的出射角。

对于大约在25度到50度范围内的出射角，可以使用全内反射和折射两者，并且它们具有相似的斜率。在25度以下，折射曲线50的斜率平坦得多，这意味着入射角的小变化导致出射角的小角度变化。

在实践中，光导内部的光很难完全准直。光也很难绝对不准直，因为这导致如此宽的光束，使得精确地转向光束变得困难。因此，需要一些预准直。

举例来说，典型的准直光束在光导内部可具有+/-5度的发散度。如果到折射小面的入射角为10度+/-5度，则光将以5-10度范围内的角度离开光导，该角度范围甚至比初始光束更窄。因此，对于小角度，折射小面不会导致光束扩展，并且能够提供对输出方向的精确控制。如果这样的相同光束遇到55度的全内反射台阶，相对于该台阶的入射角将为50-60度，这导致75-40度的出射角(来自图7)。由于使用全内反射台阶，光束的发散度已经严重增加。

为了获得对出射角的精确控制，对预准直功能的要求在使用全内反射的系统中远远高于折射小面。在实践中，当对这些角度使用全内反射小面时，这将导致对预准直的不切实际的要求。

如果标称入射角太接近65度的上限，那么光束的一部分将不再在相对侧离开光导，而是保持被困在光导中，或者在另一个不希望的位置离开光导。

上文讨论的图4至图6示出了可以如何设计台阶以在大致向前的方向上提供光的期望的重导向。在一些设计中，特别是对于室内照明器，有时也希望提供反向光，即至少部分地朝向天花板导向的光。这意味着照明器和周围天花板之间的对比变得不那么鲜明。另一个因素是这样可以看到天花板，使得照明器看起来不像漂浮在黑洞里。

图8示出了如何可以通过在光导一侧的台阶42处提供第一全内反射(如图6所示)，然后在相对侧的台阶80上提供第二全内反射，接着在光离开光导40时进行折射重导向来获得反向光。

图9示出了如何可以通过在光导一侧的台阶42处提供第一全内反射(如图6所示)，然后在相对侧的台阶90上提供折射重导向来获得反向光。

图10示出了照明系统的第一示例。它包括细长光导100，该光导形成为折射率大于空气(板将安装在其中)的固体材料的板，该板包括沿结构的长度延展的输入边缘102。图10示出了垂直于长度方向的截面中的结构。光导的宽度被定义为x轴方向，并且长度方向(进入图10的页面)被定义为y轴。如图10所示的高度可以被认为是深度方向，并被定义为z轴。

光导100具有在输入边缘102和端面106之间延伸的第一台阶侧壁104和与第一侧壁104相对的第二侧壁108。在所示的示例中，第二侧壁108也是台阶形的，但是这不是必须的，如下面的示例中将看到的。

每个台阶包括在平面(非台阶)部分之间延伸的小面(或一组小面)。

光源布置110设置在输入边缘102处，用于将光提供到输入边缘中并朝向端面106导向。因此，光在深度(z轴)方向上从顶到底进入光导100。

所示示例具有两个台阶。第一台阶112是图6所示类型的全内反射台阶。这意味着入射到第一侧壁104上的台阶112上的光从第二侧壁108离开光导。入射到第二侧壁上的全内反射台阶上的光通过第一侧壁离开光导。第二台阶114是图5所示类型的折射台阶。这意味着入射到台阶114上的光从同一(第一)侧壁104离开光导。

每个台阶112、114限定光导的宽度(x轴)的缩窄部。这些台阶可以是任意顺序；全内反射台阶不需要最接近输入边缘。可以有许多更多的台阶，并且全内反射台阶和折射台阶的任何组合都是可能的。

在该示例中，存在独立的折射台阶和全内反射台阶。在它们之间有平面光导部分113。替代地，多小面台阶可以具有折射的部分，以及使用全内反射的部分。

图11示出了图10的系统的透视图(省略了led110)。光从有限数量的源进入光导100。输入边缘包括入耦合准直器116。这确保光在向前方向(在某个锥角内)被重导向。准直器可以形成为光导的一体化的部分。

如果主要需要在一个平面内准直，则准直器可以在led阵列下方具有线性形状。这意味着整体形状可以被挤出成型，因为它可以具有沿着其长度恒定的截面，如可在图11中看到的那样。

图12示出了一种替代方案，其中个体准直器120每个被用于一个或多个led。如果最终光束在所有方向上都需要准直，则准直器120可以例如是旋转对称的。

线性准直器的另一个优点是相同的设计可以用于不同数量的led，而个体准直器的使用提供了对光分布的更多控制。

如图12所示，(部分)准直的光在光导100的第一部分122中行进，该部分用于混合光，并在led和第一出耦合台阶112之间产生一定距离。光导的第一部分122对于光分布并不是至关重要的，但是该部分的更长的长度使得更容易获得均匀的非像素化线，而不会失去对光分布的控制。

光导的下一部分124可用于确定光导的外观。它由一系列台阶组成，这些台阶重导向光导中的光。图12仅示出两个台阶(每种类型一个)。然而，可以存在具有折射和全内反射台阶的任意期望组合的三个或更多个台阶。

图13示出了极坐标光强度分布。图线130是led朗伯分布。图线132是全内反射台阶的贡献，图线134是折射台阶的贡献。这两种贡献可以被独立控制。

图14示出了可以如何使用全内反射台阶112来产生如上所述的反向光。光束140经历反射，并且然后在平面处折射，以限定前向光束。光束142经历一次全内反射，然后在相对的全内反射台阶112’处折射。到第二台阶112’的入射角不再在深度方向上，因此它不再实现全内反射。如图所示，结果是向上导向的分量。光束144在拐角处被散射，从而也有一些向上导向的散射光。

全内反射和折射的功能可以通过具有多小面设计在单个台阶处执行。

图15示出了基于更靠近输入边缘的全内反射小面150(如图6所示)和更远离输入边缘的折射小面152(如图4所示)的修改。

图16示出了基于更靠近输入边缘的底切折射小面160(如图5所示)和更远离输入边缘的全内反射小面162(如图6所示)的修改。

整个系统可以是对称的(关于z轴)，例如如图17所示。图17还用于示出光导的端面也可以设置有小面，以便提供反向光。

图18示出了不对称设计也是可能的。在图18中，仅第一侧具有台阶布置，而第二侧是平面的。图17和18示意性地仅示出了全内反射台阶，以简化附图，但是将使用两种类型的台阶。如果在一侧设置全内反射台阶，并在另一侧设置折射台阶，那么所有光可以仅从一侧离开。

台阶可以由直的小面形成，或者它们可以是弯曲的以加宽射出光束。图19示出了三种可能的弯曲小面设计。曲率沿小面可以全部是相同的，因此可以使用恒定的截面。在这种情况下，台阶在长度方向(y轴)上是直的。

然而，台阶可以替代地在照明器的长度方向上成形。这种成形可以基于圆柱形设计、正弦形设计或任何其他几何重复形状，例如对角线。这可以用于防止独立的led可见。led光输出然后被涂抹以重叠，将独立的led的亮度降低成一条长的光线。这改善了设备的外观。此外，这使射出光变得有些模糊，从而涂抹掉小的伪影。

端面可以尽可能薄，使得总宽度保持最小。如图17所示，可以使用更宽的设计在端面处结合折射小面，以重导向到达光导的这一部分的光。这也可以有利于可制造性，因为光导上的厚度差可能很小。

举例来说，最大宽度可以小于20mm或者甚至小于10mm。在深度方向上可以有2和20个之间的台阶。

整个光导可以是完全对称的或非对称的。

多个光导设计可以结合到产品中。

图20示出了图18所示类型的两个光导100a、100b，它们组合以形成u形照明系统，每个光导具有其自己的光源和准直器布置。

图21示出了图18所示类型的两个光导100a、100b，它们组合以形成具有共享光源和准直器布置的v形照明系统。

同样，为了简单起见，图20和21仅示出了全内反射台阶，但是光导将各自包括两种类型的台阶。

全内反射台阶可以在设备的一侧，而折射台阶在另一侧。可替代地，仅一侧或每一侧可以具有两种类型的台阶。

图22示出了仅具有一个侧壁（即第一侧壁104）的光导100，侧壁104设置有折射小面152和tir小面162，并且仅从所述一个侧壁104经由所述折射小面152和所述tir小面162两者发出光。光线140在光导100内部被引导，并且在第一壁104的第一台阶区域112中在tir小面162处被全反射，随后在相对的第二壁108处被全反射，并且最终在折射小面152处从光导的第一壁104相对于光引导结构的光输入方向以相对大的角度发出。光线142在光导100内部被引导，并在第一壁104的第二台阶区域114中的折射小面152处相对于光引导结构的光输入方向以相对小的锐角被折射。

台阶可以以任何期望的配置分布在光导的深度上，以实现期望的美学外观和/或光分布图案。

上面的示例示出了大致平面的光导设计，即具有大致矩形的板形状。光导可以替代地绕z轴和/或y轴弯曲。注意，与台阶的更陡峭的非平面形状相比，术语“平面”因此应该理解为包括整个光导形状的任何一般平缓曲率。

上面的示例示出了从天花板竖直向下延伸的光导。然而，相同的设计可以竖直直立站立，并从基座照亮，例如对于落地灯。在这种情况下，光导的一般形状可以是圆柱形的。取决于所期望的最终光照光束形状和期望的方向，光导也可以在水平取向或任何其他取向下使用。

光导可以由丙烯酸塑料、聚碳酸酯、玻璃或其它合适的固体材料形成。它可以是刚性的或柔性的。它可以是单个整体块，但同样地它可以是多层结构。光导可以被注塑、挤出、激光蚀刻、化学蚀刻或通过任何其它合适的工艺制成。

本发明可用于特别是优选相对于光导的主方向以小角度控制光的任何应用。它为光导取向提供了额外的可能性。例如，这对于具有水平光导的室外光分布或具有竖直光导的室内应用是有益的。它还能够实现形状自由以使用例如精确控制光分布的弯曲光导。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域的技术人员在实施要求保护的本发明时可以理解和实现对所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，用语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一个”或“一种”不排除复数。在相互不同的从属权利要求中引述某些措施的单纯事实并不表示不能使用这些措施的组合来取得益处。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。