CN104272017A - 光导照明装置 - Google Patents

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CN104272017A
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Abstract

一种光导照明装置和系统包括光源、光转向板和光导板组件。该光转向板包括具有多个光学转向元件的大体上平坦的面，所述光学转向元件具有位于该平坦的面的远侧的多个相应的光学耦合表面。该光导板组件包括具有光透射界面层的平坦面，这个面被组装到该光转向板的第一平坦面上并且被光学耦合以便接收从光源引导的发射光。该光导板被压到该转向板上而使得该界面层变形，从而在所述光学转向元件的光学耦合表面处产生光结合，所形成的光结合提供了供光透射穿过其中的多个光学孔口。

Description

光导照明装置
技术领域
本申请总体上涉及具有用于光导照明装置的直接光学耦合界面的设备和系统。
背景技术
在尝试保护地球环境并保留自然资源的过程中，世界各地的政府将温室气体排放的减少认定为优先级。减少温室气体排放的一种方式是降低能耗。通过使用包括照明装置的节能装置可以降低能耗。
使用平坦或板光导的光学照明装置和系统是节能照明装置。这样的照明装置典型地包括不同层的光透射层或介质。常规地，此类照明装置可以被分为从一个或多个光源接收并引导光的层(在本申请中称为光导层，但在本领域中也称为多个其他名称)，以用于将其插入将光转向从而使其从该照明装置射出的层(在本申请中称为光转向层，但在本领域中也称为多个其他名称)。取决于具体照明装置的构型和构造，这些层可以是整体制造的结构的多个区域或者可以是分开制造并随后放在一起而形成作为单元来工作的单一结构的多个分开的物理结构。平坦照明装置的一些实例在美国专利申请公开号US 2010/0202142中被示出。
当这些层是分开制造并且随后组装而形成单元时，这些层之间的界面固有地在光学透射路径中呈现出不连续性，而使得被透射的光可能遭受反射损失(在本领域中被称为菲涅尔损失)，特别是当这些层未对准时。影响光透射效率的菲涅尔损失的程度取决于在给定光透射界面处光结合或耦合的品质以及光学部件的制作品质。
因此，当前的高效常规平坦照明装置是难以制造的，因为在制作这些层并且在将它们放在一起以形成单元时它们的对准方面均要求极度的精确性。在制作或对准中的小缺陷都将对从光源接收的光中能够被该照明装置发出的百分比产生非常显著的负面影响、并且一般必须加以避免。
在跨过光导照明装置中使用的不同光透射材料和层可以进行更有效的光耦合的程度上(例如(但不限于)降低菲涅尔损失)，就可以实现具有降低的能耗而同时提供更高强度的输出的一种更高性能的产品
发明内容
在此提供了一种照明装置，该照明装置包括：至少一个光源；光转向板，该光转向板由光透射材料制成并且包括光学输出表面并且多个光学转向元件的阵列，所述光学转向元件每个具有位于该光学输出表面远侧的光学耦合表面以及至少一个光转向表面，该至少一个光转向表面用于接收来自该光学耦合表面的光并且将由此接收的光朝该光学输出表面转向以从其发出；基本上平坦的光导板，该光导板由光透射材料制成并且具有第一表面、与该第一表面相对的第二表面以及至少一个输入表面，该至少一个输入表面用于接收来自该至少一个光源的光；以及多个光学孔口的阵列，所述孔口将该光导板的第一表面与该光转向板的光学耦合表面进行光学耦合，所述光学孔口是由至少一个变形的光学耦合元件形成。该第一表面、该第二表面以及该至少一个变形的光学耦合元件是一个相对于另一个地设置成使得进入该光导层的光通过一次或多次反射而被引导穿过该光导层以便插入该光转向板中。
在一个实施例中，该装置还包括用于将来自该至少一个光表面中的一个或多个的光的至少一部分转向到该光导板之中的至少一个次级光学元件，每个次级光学元件是与该光导板的该至少一个输入表面中的一个或多个光学联通并且与该至少一个光源中的一个或多个处于光学联通。在另外一个实施例中，该照明装置还包括至少一个可变形的次级光学耦合元件，每个次级光学耦合元件将该光导层的该至少一个光学输入表面中的一个耦合至该至少一个次级光学元件中的一个的光学出口表面上。在又一个变体中，该次级光学元件是位于该光导板和该至少一个光源中的一个的上方。
在又一个实施例中，该变形的光学耦合元件是布置在该光导板与该光转向板之间的单一的光透射界面层从而形成该多个光学孔口的阵列。在一个替代的实施例中，该变形的光学耦合元件是多个光透射界面层，该多个光透射界面层中的每一个都是布置在该光导板与该多个光转向元件的阵列中的一个光转向元件的光学耦合表面之间从而形成该具有多个光学孔口的阵列中的一个光学孔口。在另一个变体中，该变形的光学耦合元件是所述光学转向元件中的每一个的至少一部分，所述至少一部分包括所述光学转向元件的光学耦合表面。
该变形的光学耦合元件可以包括为弹性体的柔软聚合物材料，例如硅酮材料。
在一个实施例中，该光学输出表面可以包括多个准直元件。在另一个变体中，该光学输出表面可以是基本上平坦的。
在一个实施例中，该光转向表面通过全内反射来将光转向。在另外一种设置中，该光转向表面包括在横截面上是抛物线形的截面。
在该照明装置的一个实施例中，所述光学转向元件中的每一个都包括第一光转向表面和第二光转向表面，该第一光转向表面用于接收总体上沿第一方向前行穿过该光导板的光并且该第二光转向表面用于接收总体上沿与该第一方向相反的第二方向前行穿过该光导板的光，该第一和第二光转向表面二者均被光学耦合至所述光学转向元件的光学耦合表面上并且被构造且设置成将射在其上的光朝向该光学输出表面转向，其中该光导板的至少一个周缘包括反射元件，以用于将否则会从该光导板逃逸的光反射回到该光导板之中。在另外一种设置中，该反射元件是反射镜涂层。在又一个变体中，该反射元件是用于通过全内反射将光转向回到该光导板之中的棱镜。
在该照明装置的另一个实施例中，该光导板的第一表面和第二表面是基本上平坦的并且彼此平行。在另外一个变体中，该光导板是总体上楔形的并且背离该至少一个光源而渐缩。在又一个变体中，该光导板的第一表面是台阶状的。
在该照明装置的又一个实施例中，该光导板的第一表面包括平坦的光导层以及从该平坦的光导层延伸的多个光陡化元件，所述光陡化元件每个包括用于调整透射穿过该光导板的光的角度陡峭度的至少一个反射表面以便提供在该光输出表面上具有基本上均匀强度的输出光，该反射表面的陡峭度从该至少一个光源朝该光导板的周缘逐渐增大。
在又一个变体中，该照明装置可以具有线性的几何形状，其中所述光学转向元件被以多条平行线的方式设置。在另外一种设置中，光源可以沿着与所述光学转向元件平行的周缘进行定位。在又一种设置中，该照明装置可以具有中心轴线，其中该至少一个光源是沿着该中心轴线定位的，并且其中所述光学转向元件是环形的、具有依次增大的直径并且是围绕该中心轴线同心地设置。
在该照明装置的又一个实施例中，所述光学转向元件是环形的并且是沿着多个基本上同心的圆弧定位的，并且该输入表面被成形为与所述光学转向元件基本上同心的圆弧并且形成了该光导板的周缘的一部分。
在该照明装置的另外一个变体中，该光转向板具有圆形外周，并且所述光学转向元件沿着其定位的所述同心的圆弧是相对于该光转向板的该圆形外周偏心。该光转向板和光导板二者的光透射材料均可以是弹性体。
附图说明
现在参考附图仅通过举例来描述多个实施例，在附图中：
图1A示出了包括引导来自光源的光的透射的光学耦合界面的照明装置的实施例；
图1B更详细示出了图1A的照明装置的光学耦合界面；
图2示出了包括替代性实施例中的光学开孔界面的照明装置；
图3A示出了包括被设置成用于获得准直光输出的双向转向元件的照明装置的实施例；
图3B更详细示出了图3A的照明装置的光学耦合界面；
图4A示出了该照明装置包括用于获得准直光输出的具有变化的光转向角度的设置的实施例；
图4B更详细示出了图4A的照明装置；
图5示出了带有夹紧器件的照明装置的实施例；
图6示出了该照明装置具有台阶状光导和多个不同大小的转向元件的替代性实施例；
图7示出了该照明装置具有楔形光导的替代性实施例；
图8A、8B和8C示出了由柔性光透射材料制成的照明装置；
图9A示出了该照明装置具有被设置成用于获得准直光输出的双向转向元件的另一个实施例；
图9B示出了图9A的照明装置的回转式实施例。
图10示出了该照明装置在一个平坦边缘表面处具有光筒的线状实施例；
图11A示出了本发明的照明装置的半宽光束实施例的俯视透视图；
图11B示出了图11A的照明装置的半宽光束实施例的截面；
图12A示出了本发明的照明装置的另一个实例的俯视透视图，该照明装置具有多个回转式光转向元件以及多个线性的光准直透镜；
图12B示出了图12A的照明装置的截面；
图13A示出了本发明的照明装置的实施例的俯视透视图，其中光源是沿边缘安装的并且具有多个同心的部分回转式光转向元件以及多个线性的光准直透镜；以及
图13B示出了图13A的照明装置的截面。
具体实施方式
图1A和1B示出了照明装置100，该照明装置具有光学耦合元件，该光学耦合元件提供了用于来自光源的光穿过其中透射到光输出表面120的多个光学孔口。
照明装置100包括光源101并且任选包括次级光学元件102(补充的光分散光学特征)来将来自光源101的光的透射导向进入光导板108之中。照明装置100还包括光透射界面层107，该光透射界面层是位于光导板108与光转向板103之间的光学耦合元件。光转向板103包括具有输出表面120的大体上平坦的部分104以及多个光学转向元件105，每个光学转向元件105具有位于输出表面120远侧的光学耦合表面106。
该光转向板可以由任何适当的光透射材料制造，例如玻璃或注塑模制的涤纶(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。光透射材料的其他非限制性实例包括环状烯烃聚合物(COP)、环状烯烃共聚物(COC)、其他聚合物材料、以及它们的组合。
光导板108可以类似地由任何适当的光透射材料制造，例如玻璃或PMMA，并且具有用于接纳来自光源101的光的输入表面122、大体上平坦的第一表面123以及大体上平坦的第二反射表面124。光透射界面层107可以包括在施加的压力下可变形的柔软材料(例如硅酮)并且被包覆模制到或者通过透射光的粘合剂粘结到光导板108的平坦的第一表面123上。替代地，但较不希望的是，光透射界面层107可以与光导板108分开形成并且组装到平坦的第一表面123上。在后一实施例中，在施加了足够压力来使得光透射界面层107抵靠光导板108而变形的任何地方的光透射界面层107都光学地耦合或结合到光导板108上，由此消除了光学耦合表面106与界面层107之间的空气。适当的(可变形的)硅酮在肖氏OO刻度表上是处于20-60的范围内或在肖氏O刻度表上是处于1-14的范围内，并且注塑模制的EvonikTM8N在布氏刻度表上是处于1-35的范围内或是在洛氏M刻度表上为75-100。光导板108以及光透射界面层107一起被称为光导组件126。
光导板108被光学耦合并且通过输入表面122来接收从次级光学元件102引导的发射光。当光转向板103被压到光透射界面层107上时，在光学转向元件105的各个光学耦合表面106处形成了产生光结合的光学孔口109，以用于将来自光导板108的光耦合至光转向板103的光耦合表面106。光导板108在其他情况下是与光转向板103通过区域125分开的。
光转向板103可以进一步包括具有多个准直元件(如准直透镜110)的设置，以用于在光输出表面120处提供准直的光111输出。在整个光透射界面层107被光学结合至光导板108的情况下，光被该光导组件引导并且在该光导组件内通过在光透射界面层107的第一表面150以及该平坦的第二反射表面124上的多次反射而前行。在区域125包括具有的折射率低于光导板108的材料的材料或气体时，这些反射可以是全内反射。光进入波导时的角度范围可以通过次级光学件102的几何形状来限定。
光源101可以但不局限于是一个或多个LED、紧凑的荧光管、小的白炽灯泡或由经由光纤透射的太阳光，并且可以沿着照明装置100的对称轴线121定位。照明装置100可以具有线性的几何形状或回转式几何形状。具有线性的几何形状的照明装置100具有沿着多条基本上平行的线安排的多个转向元件105。具有回转式几何形状的照明装置100是关于对称轴线121径向对称的，其中多个转向元件105关于对称轴线121形成了多个同心的环。
图1B示出了光学孔口109的更多构型细节，这种光学孔口是通过在图1A中所绘的照明装置100的光学耦合表面106与光导板108之间的光透射界面层107上施加压力或进行挤压而使得在其之间形成光学结合来形成的。从光源101发出的光112被光导板108引导，直到穿过光学孔口109逃逸到光转向板103之中。
每个光学转向元件105与光学孔口109相关联并且包括光转向表面115。每个光转向表面115接收穿过对应光学孔口109的光112的至少一部分并且将所接收的光以转向角度114转向到平坦部分104之中。每个光转向表面115都可以是反射表面。举例而言，该反射表面可以通过全内反射或将光从反射涂层(本领域中有时称为反射镜涂层)反射开地反射光。在光通过全内反射来反射的情况下，这是由光转向板103同填充在光导组件126与光转向板103之间的区域125中的材料(在此情况下可以是空气)的折射率差异所造成的。在光转向表面进行了反射镜涂覆的情况下，反射材料的非限制性实例包括金属(如铝或银)或一种电介质。
转向元件105的光学转向表面115中的每一个都可以在截面上为抛物线形截面。在该抛物线形截面具有在光学孔口109附近的焦点的情况下，穿过对应光学孔口109而进入光转向板103中的光将被转向表面115朝向光学输出表面120转向为基本上平行的光线。光学转向元件105的几何形状可以例如通过使光学转向元件105的光转向表面115陡化而配置成提供有效变化的转向角度114。光转向表面115和准直透镜110可以被设置成使得通过光输出表面120离开照明装置100的光111是经准直的。
图2示出了照明装置200的另一个实施例。照明装置200包括光源201、引导来自光源201的光的透射的次级光学元件202、光转向板218和光导板208。光转向板218包括光透射层203以及多个光学转向元件205的阵列，该光透射层具有平坦面204和输出表面220。光透射层203可以由任何光透射材料制造，例如玻璃或注塑模制的PMMA。该多个光学转向元件205的阵列是由具有与光透射层203类似的折射率的、可变形的光透射材料制成。例如，光学转向元件205可以是在压力下可变形的经注塑模制的柔软硅酮、并且被包覆模制到或用一种透射光的粘合剂粘结到光透射层203的平坦面204上以形成转向板218并且还用作光学耦合元件。这些光学转向元件205包括转向表面215、以及位于平坦面204远侧的光学耦合表面206。光转向板218的输出表面220可以进一步包括一种具有多个准直元件(如准直透镜210)的设置，这些准直元件与转向表面215相结合来在光输出表面220处提供准直的输出光211。
照明装置200具有对称轴线221，光源201沿着该对称轴线定位。在线状实施例中，转向元件205是沿着关于对称轴线221基本上平行的多条线设置。替代地，照明装置200可以是关于对称轴线221在径向上对称的，其中多个转向元件205和透镜210关于对称轴线221形成了多个同心的环。
光导板208具有第一反射表面223和第二反射表面224，这两个表面均可以是平坦表面。光导板208是与次级光学元件202处于光学联通的并且可以通过次级光学耦合元件227来光学耦合至该次级光学元件上。次级光学耦合元件227是由在施加的压力下可变形的光透射材料(例如硅酮)制成。光导板208可以通过一个或多个紧固件(例如夹具)紧固在转向板218上，以便施加恒定且受控的压力，由此使光学耦合表面206变形并且在光学耦合表面206与光导板208之间产生光学孔口209。
光在光导板208内通过第一反射表面223与第二反射表面224之间的多次反射而前行。在光导板208与转向板218之间的区域225是由折射率低于光导板208的折射率的材料或气体来填充的情况下(例如，在区域225为气穴的情况下)，这些反射可以是全内反射。
每个转向元件205与光学孔口209相关联并且每个光转向表面215接收穿过在耦合表面206处形成的对应光学孔口209的光212的至少一部分并且将所接收的光转向到光透射层203之中。
图3A示出了照明装置300的实施例，该照明装置具有光源301、次级光学元件302、光转向板303、双向光导板308、位于光转向板303与双向光导板308之间的光透射界面层307、以及中央对称轴线321。
光导板308包括平坦的第一表面323和平坦的第二反射表面324，并且被光学耦合至次级光学元件302，该次级光学元件引导来自光源301的光的透射。
转向板303具有多个转向元件305以及光输出表面320，并且可以由任何光透射材料制造，例如玻璃或注塑模制的PMMA。在所示出的实施例中，每个转向元件305包括光学耦合表面306以及在相反方向上延伸的两个抛物线形转向表面315a和315b以便对来自光导板308的光进行准直。照明装置300可以具有线性的几何形状或回转式几何形状。具有线性的几何形状的照明装置300具有沿着多条关于该对称轴线基本上平行的线设置的多个转向元件305。具有回转式几何形状的照明装置300是关于对称轴线321在径向上对称的，其中多个转向元件305围绕对称轴线321形成了多个同心的环。
用作光学耦合元件的光透射界面层307是由在施加的压力下可变形的柔软材料如硅酮制成的、并且可以被包覆模制到或者用透射光的粘合剂化学地结合到光导板308的第一平坦反射面323上、或简单地在照明装置300的组装过程中布置在光导板308与转向板303之间，如照明装置100那样。当被压到光透射界面层307上时，光转向板303的耦合表面306形成了多个光学孔口309的阵列，在这里转向元件305的耦合表面306与光透射界面层307相接触并且施加压力使其变形。光学孔口309将光导板308光学耦合至光转向板303。
光导组件(包括光导板308和光透射界面层307)内的光312通过在光透射界面层307的第一表面350上以及光导板308的第二反射表面324上的多次反射而前行或者被透射穿过这些光学孔口309。在光导板326与转向板318之间的区域325是被折射率低于光导组件的折射率的材料或气体填充的情况下，这些反射可以是全内反射。光导板308可以由玻璃制成，在其外边缘上具有反射镜涂层338，以便实现来自光源301的光穿过光导板308的双向透射。
光转向表面315a和315b可以被成形且设置成用于将穿过光学孔口309进入转向板303中的光进行准直。举例而言，转向表面315a和315b的每个可以在截面上是抛物线形截面。如果抛物线形截面具有在光学孔口之中或附近的焦点，则穿过对应光学孔口而进入光转向板中的光将被所述转向表面朝向光学输出表面120转向为基本上平行的光线，即经准直的光311。经准直的光311在输出表面320处被输出。
图3B示出了图3A的放大的截面，详述了通过界面层307的变形而产生的光学孔口309，光学孔口将光导板308光学耦合至光转向板303。
关于图4A，照明装置400的实施例具有光转向板418、双向光导板428、次级光学元件402以及光源401。光转向板418包括平坦部分403以及多个光学转向元件405，该平坦部分具有平坦的输出表面420和平坦面404。平坦部分403是由刚性的光透射材料如玻璃或PMMA制成，并且光学转向元件405可以由柔软硅酮注塑模制而成、或由包覆模制到或用透射光的粘合剂粘结到平坦面404上的类似光透射的可变形材料制成，以形成光转向板418并且用作光学耦合元件。在图4A和4B的实施例中，每个光转向元件405都配备有光学耦合表面406和两个光转向表面415a和415b。
光导板428包括平坦的光导层408和多个光陡化元件429。光陡化元件429在偏转元件405之间的光导层408上延伸。光导板428引导来自光源401的光，光412的至少一部分已经被次级光学元件402转向。光导层408是由刚性的光透射材料如玻璃或PMMA制成。光陡化元件429可以包覆模制到或者用透射光的粘合剂粘结到光导层408上以形成光导板428。每个光陡化元件429具有至少一个反射表面430，该反射表面影响在光导层408内透射的光412的方向和陡峭度，并且因此调节从光导板428进入光转向板418中的光的输出。
光陡化元件429的反射表面430的陡峭度可以从光导板428的对称轴线421朝向一个或多个周缘417逐渐增大，这样使得在光导板428内的光的入射角度从对称轴线421到该周缘417逐渐且连续地减小，以便提供在照明装置400的光输出表面420上具有大体上平衡的、均匀的强度的光输出。在没有此类光陡化元件429的情况下，一般在光导层408内靠近光源401处具有更高的光412强度，并且大部分光将在靠近照明装置400的中心处穿过所述光学孔口409逃逸。在靠近中心处具有较低陡峭度的光陡化元件致使大部分光在靠近对称轴线421处背离光学孔口409地转向。由于光导层408内光的强度总体上朝向该一个或多个周缘417减小，这些光陡化元件429使得在该波导内前行的光的入射角逐渐减小，因此增大了朝向该一个或多个周缘417逃逸到光转向板418之中的光强度并且提供了在输出表面420上更均匀的光强度分布。光导层408的一个或多个外边缘417可以进行反射镜涂覆438以便将靠近这些边缘的光朝着对称轴线421转向回到光导板428之中以便耦合到转向板418之中。
图4B示出了图4A的放大的截面，详述了光陡化物体429将光412的入射角度从中央对称轴线421到该一个或多个周缘417逐渐减小的效果，并且因此调整了从光导板428经通过这些光学耦合表面406的变形而产生的光学孔口409逃逸的光强度。还示出了次级光学元件402将来自光源401的光转向进入光导层408之中的功能。
光导板428可以进行对准并且通过一个或多个紧固件(例如夹具)施加恒定且受控的压力而紧固在多个光学转向元件405的光学耦合表面406上，由此使光学耦合表面406变形并且在光学耦合表面406与光导板428之间产生光学孔口409。
图5示出了照明装置500的实施例，该照明装置包括光转向板518、光导板528、以及沿着对称轴线521的光源501。
光转向板518包括光转向层503和多个光透射界面层507。光转向层503具有输出表面520以及多个转向元件505。光转向层503是由刚性的光透射材料如注塑模制的PMMA制成。每个转向元件505都包括两个光转向表面515a和515b以及用于耦合来自光导板528的光的光学耦合表面506，这两个光转向表面用于将来自不同方向上的光512进行准直以便从输出表面520输出并且基本上垂直于该输出表面地输出。这些光透射界面层507可以由柔软硅酮或类似的材料制成并且可以包覆模制到或者用透射光的粘合剂粘结到每个光学耦合表面506上并且因此用作光学耦合元件。
光导板528由光导层508和多个光陡化物体529构成。光导层508是由光透射材料(如玻璃或PMMA)制成，具有第一平坦表面523和第二反射表面524。光导层508可以任选地在其外边缘517上具有反射镜涂层538。在图5中所示的实施例中，光源501被保持在光导层508的空腔542中并且直接光学耦合至光导板528上。光陡化元件529(可以包覆模制到或者用透射光的粘合剂粘结到光导层508的第一表面523上)调整光导层508内的光的角度并且可以被设计成使得从光输出表面520输出的光的强度均衡。可以提供多个紧固件540以将光转向板518固定在抵靠光导板528的挤压位置，由此在界面层507被如此施加压力而变形的地方在表面550处产生多个光学孔口509，从而将每个光学表面506耦合至该光导板528。举例而言，这些紧固件540可以包括围绕该光转向板518的一个或多个周缘541连续应用的、或者在围绕该一个或多个周缘541的至少2个位置处分立地应用的一个或多个固位件。
在一个替代性实施例中，图6示出了照明装置600的一部分，该照明装置具有多个不同大小的光学转向元件605以及台阶状光导板608，该光导板被安排成产生从光源601透射的、在照明装置600的光输出表面620上具有总体上均匀强度的光学输出611。透射光的转向层603具有多个光学转向元件605，光学转向元件在从中心朝周缘过渡时渐渐变长。转向层603可以由光透射材料(如PMMA)注塑模制而成。光学转向元件605具有转向表面615和光耦合表面606。光转向板618包括多个由透射光的且可变形的材料(如柔软硅酮)制成的光透射界面层607，这些层从这些光学耦合表面606延伸并且用作光学耦合元件。光透射界面层607可以用透射光的粘合剂粘结到或者包覆模制到光学耦合表面606上、或者与光学耦合表面606组装在一起。当光转向板被压靠在光导板上时，光透射界面层607在界面层607的表面650处发生变形，从而产生了光学孔口609而耦合来自光导板608的光、允许从照明装置600的中央对称轴线朝周缘越来越大量的光透射穿过光学孔口609，由此提供在光转向板618的光输出表面620上具有大体上均匀强度的光。
图7示出了照明装置700的替代性实施例的一部分，该照明装置具有楔形的光导板708。用作光学耦合元件的光学界面层707可以被布置在光导板708与光转向板之间。该光转向板具有多个光学转向元件705，光学转向元件具有转向表面715和光学耦合表面706。光导板708可以通过(例如但不限于)夹紧手段来施加恒定且受控的压力地紧固在转向板上，由此使该光学界面层707变形以在光学耦合表面706与光导板708之间产生光学孔口709并且将光学界面层707牢固地保持在位。在替代性实施例中，该光导板可以包括光学结合的或包覆模制的光学界面层707。
图8A、8B和8C示出了照明装置800的截面，该照明装置具有中央对称轴线821、转向板803、双向光导板808、次级光学元件802以及光源801。转向板803包括具有平坦光学输出表面820的平坦部分、以及多个光转向元件805的阵列。每个光转向元件具有光学耦合表面806和光转向表面815a和815b。光导板808包括具有反射表面824的平坦部分以及位于与反射表面824相对的那侧上的多个光陡化元件829。光陡化元件829调节了在光导板808内透射的光812的入射角度的陡峭度，由此调节从光导板808输入到光转向板803之中的光强度。
光转向板803和光导板808均可以由柔软硅酮或类似的透射光的可变形材料注塑模制而成。在一些实施例中，光导板808和二次光学件802可以模制成同一材料的单一零件。光转向板803和光导板808一般通过多个区域825分开。光被光导板808引导并且在该光导板内通过在光陡化元件829和反射表面824上的反射而前行。在区域825被一组折射率低于光转向板803和光导板808的折射率的材料或气体填充的情况下，光812在光陡化元件829以及转向表面815a和815b上经历全内反射。光导板808的第二反射表面824也可以通过全内反射来反射光。光导板808的外表面817可以具有反射镜或反射性涂层838以便将靠近这边缘的光反射进入光导板808之中。光导板808可以通过(例如但不限于)夹紧手段来施加恒定且受控的压力地紧固抵靠在转向板803上。当光学耦合表面806的透射光的可变形材料与光导板808的第一表面823在光学陡化元件829之间相接触时，转向元件805将被光学耦合至光导板808，从而产生使光透射穿过其中的多个光学孔口809。
如同在图4和5的实施例中，光学陡化元件829调整光导板808内的光的角度并且可以被设计成用于使从光输出表面820输出的光811的强度均衡。光陡化元件829的陡峭度可以从光导板808的中央对称轴线821朝向其一个或多个周缘817逐渐增大，这样使得在光导板808内的光的入射角度从中心821到周缘817逐渐且连续地减小，以便提供在照明装置800的光输出表面820上具有大体上平衡的、均匀的强度的光输出811。在没有此类光陡化元件829的情况下，一般在光导板808内靠近光源801处具有更高的光812强度，并且大部分光将在靠近照明装置800的中心处穿过这些光学孔口809逃逸。在靠近中心处具有较低陡峭度的光陡化元件829会致使大部分光在靠近中心处背离光学孔口809地转向。由于光导层808内的光强度总体上朝向该一个或多个周缘817减小，光陡化元件829使得在该波导内前行的光的入射角逐渐减小，因此增大了朝向该一个或多个周缘817逃逸到光转向板803之中的光强度并且提供了在输出表面820上更均匀的光强度分布。
照明装置800可以具有线型的几何形状或回转式几何形状。具有线型的几何形状的照明装置800具有沿着多条关于该对称轴线821基本上平行的线设置的多个转向元件805。具有回转式几何形状的照明装置800是关于对称轴线821在径向上对称的，其中多个转向元件805关于对称轴线821形成了多个同心的环。
图8A、8B和8C的照明装置800是可变形的。图8A示出了处于其正常或停止位置中的照明装置800，其中来自输出表面820的光输出811是经准直的。图8B示出了照明装置800，该照明装置被变形成使得输出表面820发生凸形弯曲。在这个实施例中，输出的光811是未准直的并且将总体上背离中心轴线821地发散。在图8C的实施例中，照明装置800被变形成使得输出表面820发生凹形弯曲。在这个实施例中，输出的光811是未准直的并且将总体上朝向中心轴线821发射。
图9A示出了照明装置900的另一个实施例。这个实施例具有光转向板918、双向光导板928、次级光学元件902以及光源901。光转向板918包括平坦部分903以及多个光学转向元件905，该平坦部分具有平坦的输出表面920和平坦面904。平坦部分903是由刚性的光透射材料如玻璃或PMMA制成，并且这些用作光学耦合元件的光转向元件905可以由柔软硅酮注塑模制而成、或由包覆模制到平坦面904或用透射光的粘合剂粘结到平坦面904上的类似光透射的可变形材料制成，以形成光转向板918并且用作光学耦合元件。在这个实施例中，每个光转向元件905都配备有光学耦合表面906和两个光转向表面915a和915b。
光导板928包括平坦的光导层908，该光导层具有第一平坦反射表面923和第二平坦反射表面924。光导板928引导来自光源901的光，光912的至少一部分已经被次级光学元件902转向。次级光学元件902可以位于光导板928上方、以中心轴线921为中心、并且通过第一平坦反射表面923光学耦合至光导板928。光导层908是由刚性的光透射材料如玻璃或PMMA制成。
在光导层908的一个或多个周缘处可以提供光学特征938(例如棱镜)，以便将光912通过全内反射朝中心轴线921反射回去。在此该光导处设置提供了多通光导，该多通光导允许光在上游和下游方向上前行。来自源901的光要么直接进入光导层908中或将被次级光学件902反射并且引导到该光导之中。在到达光导层908的一个或多个周缘之前没有透射穿过设置在转向元件905的耦合表面906处的孔口909的任何光都将被光学特征938反射回到光导层中。以此方式，光912可以从周缘到周缘来回反射，直到它通过设置在转向元件905处的孔口909而离开光导层908。
图9B示出了具有图9A的截面的照明装置900的回转式实施例。
图10示出了照明装置1000的线型实施例。在这个实施例中，照明装置1000具有光转向板1018、双向光导板1028以及光源1001。在这个实施例中，光源1001是沿着光导板1028的边缘延伸下来的管状荧光灯泡。光转向板1018包括平坦部分1003以及彼此平行定位的多个光学转向元件1005，该平坦部分具有平坦的输出表面1020和平坦面1004。平坦部分1003是由刚性的光透射材料如玻璃或PMMA制成，并且这些用作光学耦合元件的光转向元件1005可以由柔软硅酮注塑模制而成、或由包覆模制到平坦面1004上或用透射光的粘合剂粘结到平坦面1004上的类似光透射的可变形材料制成，以形成光转向板1018并且用作光学耦合元件。在这个实施例中，每个光转向元件1005配备有光学耦合表面1006和两个光转向表面1015a和1015b。
光导板1028包括平坦的光导层1008，该光导层具有第一平坦反射表面1023和第二平坦反射表面1024。光导板1028引导来自光源1001的光以插入光转向板1018之中。光导层1008是由刚性的光透射材料如玻璃或PMMA制成。
在光源远侧的边缘处可以提供光学特征1038(例如棱镜)，以便将光1012通过全内反射在朝向光源1001的方向上反射回去。在到达光导层1008的一个或多个周缘之前没有透射穿过设置在这些转向元件1005的耦合表面1006处的孔口1009的任何光都将被光学特征1038反射回到光导层中。
从线型照明装置1000发出的光1011将在该平面内基本上准直。这个实施例应用于计算机显示器和灯具中。这个实施例可以替代地是线性对称的，具有光源1001位于其上的对称平面。
有多种方式实现宽的光束。在图11A和11B中示出了半宽光束照明装置1100的实施例。这个实施例具有光转向板1118、双向光导板1128、次级光学元件1102以及光源1101。光转向板1118包括平坦部分1103以及多个光学转向元件1105，该平坦部分具有平坦的输出表面1120和平坦面1104。平坦部分1103是由刚性的光透射材料如玻璃或PMMA制成，并且这些用作光学耦合元件的光转向元件1105可以由柔软硅酮注塑模制而成、或由包覆模制到平坦面1104上或用透射光的粘合剂粘结到平坦面1104上的类似的光透射的可变形材料制成，以形成光转向板1118并且用作光学耦合元件。在这个实施例中，每个光转向元件1105配备有一个光学耦合表面1106和两个光转向表面1115a和1115b。
光导板1128包括平坦的光导层1108，该光导层具有第一平坦反射表面1123和第二平坦反射表面1124。光导板1128引导来自光源1101的光，光1112的至少一部分已经被次级光学元件1102转向。次级光学元件1102可以位于光导板1128上方、以中心轴线1121为中心、并且通过第一平坦反射表面1123光学耦合至光导板1128。光导层1108是由刚性的光透射材料如玻璃或PMMA制成。
在光导层1108的一个或多个周缘处可以提供光学特征1138(例如棱镜)，以便将光1112通过全内反射朝中心轴线1121反射回去。在此该光导处设置提供多通光导，该多通光导允许光在上游和下游方向上前行。来自源1101的光要么直接进入光导层1104中或将被次级光学件1102反射并且引导到该光导之中。在到达光导层1108的一个或多个周缘之前没有透射穿过设置在这些转向元件1105的耦合表面1106处的孔口1009的任何光都将被光学特征1138反射回到光导层中。以此方式，光1112可以从周缘到周缘来回反射，直到它穿过设置在这些转向元件1105的耦合表面1106处的孔口1109而离开光导层1108。
这些转向元件1105是沿着圆弧1132和1134描绘的。这些圆弧不是与照明装置1100的圆周1136同心的。在图11A和11B所示的实施例中，描绘了圆弧1132和1134的这些圆的圆心是与照明装置1100的圆心1121等距的。来自输出表面1120的所得光束将在YZ平面内是经准直的并且在XZ平面内是发散的。
图12A和12B示出了回转式照明装置1200，其包括在输出面1220上用于准直光的线性透镜和平行的柱形透镜1210。该照明装置还包括光源1201以及可选地次级光学元件1202(补充的光发散光学特征)以用于将来自光源1201的光的透射引导到光导板1208中，进一步包括光透射界面层1207，该光透射界面层是位于光导板1208与光转向板1203之间的光学耦合元件。光转向板1203包括具有输出表面1220的大体上平坦的部分1204以及多个回转式光学转向元件1205，这些光学转向元1205各自具有位于输出表面1220远侧的光学耦合表面1206。
该光转向板可以由任何适当的光转向板制造，例如玻璃或注塑模制的涤纶(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。光导板1208可以类似地由任何适当的光透射材料制造，例如玻璃或PMMA，并且具有用于接纳来自光源1201的光的输入表面1222、大体上平坦的第一表面1223以及大体上平坦的第二反射表面1224。光透射界面层1207可以包括在施加的压力下可变形的柔软材料(例如硅酮)并且被包覆模制到或者通过透射光的粘合剂化学地粘结到光导板1208的平坦的第一表面1223上。光导板1208以及光透射界面层1207一起被称为光导组件。
光导板1208被光学耦合并且通过输入表面1222来接收从次级光学元件1202引导的发射光。当光转向板1203被压到光透射界面层1207上时，在光学转向元件1205的各个光学耦合表面1206处形成了产生光结合的光学孔口1209，以用于将来自光导板1208的光耦合至光转向板1203的光耦合表面1206。光导板1208在其他情况下是与光转向板1203通过区域1225分开的，这些区域可以是气穴。
所得的照明装置1200产生了在YZ平面内发散且在XZ平面内准直的宽光束。
图13A和13B示出了照明装置1300，在该照明装置1300的边缘处定位了光源1301。该照明装置还包括光导板1308，进一步包括光透射界面层1307，该光透射界面层是位于光导板1308与光转向板1303之间的光学耦合元件。光转向板1303包括具有输出表面1320的大体上平坦的部分1304以及多个光学转向元件1305，这些光学转向元件在截面中是具有直径越来越大的多个圆的多个同心部分，其中心点1321在光源1301附近，这些光学转向元件1305每个具有位于输出表面1320远侧的光学耦合表面1306。光转向板1303进一步包括在输出面1320上的线性透镜和平行的柱形透镜1310。光源1301在这个实施例中可以是LED、紧凑的荧光管、小的白炽灯泡或经由光纤透射的太阳光。
该光转向板1303在当前实施例中可以由任何适当的光透射材料(例如，玻璃或注塑模制的PMMA)制造。该光转向板1308在截面上是楔形的并且可以类似地由任何适当的光透射材料(例如，玻璃或PMMA)制造。光导板1308具有用于接纳来自光源1301的光1312的输入表面1322、大体上平坦的第一表面1323以及大体上平坦的第二反射表面1324。光透射界面层1307可以包括在施加的压力下可变形的柔软材料(例如硅酮)并且被包覆模制到或者通过透射光的粘合剂化学地粘结到光导板1308的平坦的第一表面1323上。光导板1308以及光透射界面层1307一起被称为光导组件。
光导板1308被光学耦合并且通过输入表面1322来接收来自光源1301的光。当光转向板1303被压到光透射界面层1307上时，在这些光学转向元件1305的各个光学耦合表面1306处形成了产生光结合的光学孔口1309，以用于将来自光导板1308的光1312耦合至光转向板1303的光耦合表面1306。光导板1308在其他情况下是与光转向板1303通过区域1325分开的，这些区域可以是气穴。照明装置1300的总体形状不需要是圆形的、而是可以为方形、三角形或任何适当的形状。所得的照明装置1300产生了在YZ平面内发散且在XZ平面内准直的宽光束。
对以上描述的实施例的、和对在本文的装置和方法的背景下披露的光耦合界面所进行的不同的修改和改进将是本领域技术人员所清楚的，而不背离如所附权利要求书限定的本发明的范围。

Claims (25)

1.一种照明装置，包括：
至少一个光源；
光转向板，该光转向板由光透射材料制成以及包括光学输出表面和多个光学转向元件的阵列，所述光学转向元件各自具有位于该光学输出表面远侧的光学耦合表面以及至少一个光转向表面，所述至少一个光转向表面用于接收来自该光学耦合表面的光并且将由其接收到的光朝该光学输出表面转向以从其发出；
基本上平坦的光导板，该光导板由光透射材料制成并且具有第一表面、与该第一表面相对的第二表面以及至少一个输入表面，该至少一个输入表面用于接收来自该至少一个光源的光；以及
多个光学孔口的阵列，将该光导板的第一表面与该光转向板的光学耦合表面进行光学耦合，所述光学孔口由至少一个变形的光学耦合元件形成；
其中该第一表面、该第二表面以及该至少一个变形的光学耦合元件是一个相对于另一个地设置成使得进入该光导板的光经由一次或多次反射而被引导穿过该光导板以便插入该光转向板中。
2.如权利要求1所述的照明装置，还包括至少一个次级光学元件，其用于将来自该至少一个光源中的一个或多个的光的至少一部分转向到该光导板中，每个次级光学元件是与该光导板的该至少一个输入表面中的一个或多个光学联通以及与该至少一个光源中的一个或多个光学联通。
3.如权利要求2所述的照明装置，还包括至少一个可变形的次级光学耦合元件，每个次级光学耦合元件将该光导板的该至少一个光学输入表面中的一个耦合至该至少一个次级光学元件中的一个的光学出口表面上。
4.如权利要求2或3所述的照明装置，其中所述至少一个次级光学元件中的一个是位于该光导板以及该至少一个光源中的一个的上方。
5.如权利要求1至4中任一项所述的照明装置，其中该至少一个变形的光学耦合元件是布置在该光导板与该光转向板之间的单一的光透射界面层从而形成所述多个光学孔口的阵列。
6.如权利要求1至4中任一项所述的照明装置，其中该至少一个变形的光学耦合元件是多个光透射界面层，该多个光透射界面层中的每一个都布置在该光导板与多个光转向元件的阵列中的一个的光学耦合表面之间，从而形成该多个光学孔口的阵列中的一个光学孔口。
7.如权利要求1至4中任一项所述的照明装置，其中该至少一个变形的光学耦合元件是所述光学转向元件中的每一个的至少一部分，所述至少一部分包括所述光学转向元件的光学耦合表面。
8.如权利要求1至7中任一项所述的照明装置，其中该变形的光学耦合元件包括为弹性体的柔软聚合物材料。
9.如权利要求1至8中任一项所述的照明装置，其中该光学输出表面包括多个准直元件。
10.如权利要求1至8中任一项所述的照明装置，其中该光学输出表面是基本上平坦的。
11.如权利要求1至10中任一项所述的照明装置，其中该至少一个光转向表面通过全内反射将光转向。
12.如权利要求1至11中任一项所述的照明装置，其中该至少一个光转向表面中的每一个包括在横截面上是抛物线形的截面。
13.如权利要求1至12中任一项所述的照明装置，其中所述光学转向元件中的每一个都包括第一光转向表面和第二光转向表面，该第一光转向表面用于接收总体上沿第一方向前行穿过该光导板的光以及该第二光转向表面用于接收总体上沿与该第一方向相反的第二方向前行穿过该光导板的光，该第一和第二光转向表面二者均被光学耦合至所述光学转向元件的光学耦合表面上并且被设置成将射在其上的光朝向该光学输出表面转向；以及
其中该光导板的至少一个周缘包括反射元件，以用于将否则会从该光导板逃逸的光反射回到该光导板中。
14.如权利要求13所述的照明装置，其中该反射元件是反射镜涂层。
15.如权利要求13所述的照明装置，其中该反射元件是用于通过全内反射来将光转向回到该光导板中的棱镜。
16.如权利要求1至15中任一项所述的照明装置，其中该光导板的第一表面和第二表面是基本上平坦的并且彼此平行。
17.如权利要求1至15中任一项所述的照明装置，其中该光导板是总体上楔形的并且背离该至少一个光源而渐缩。
18.如权利要求17所述的照明装置，其中该光导板的第一表面是阶梯状的。
19.如权利要求1至15中任一项所述的照明装置，其中该光导板的第一表面包括平坦的光导层以及从该平坦的光导层延伸的多个光陡化元件，每个所述光陡化元件包括用于调整被透射穿过该光导板的光的角度的陡峭度的至少一个反射表面以便提供在该光输出表面上具有基本上均匀强度的输出光，该反射表面的陡峭度从该至少一个光源朝该光导板的周缘逐渐增大。
20.如权利要求1至19中任一项所述的照明装置，其具有线性的几何形状，其中这些光学转向元件被以多条平行线的方式设置。
21.如权利要求20所述的照明装置，其中该至少一个光源是沿着与所述光学转向元件平行的周缘定位的。
22.如权利要求1至19中任一项所述的照明装置，其具有中心轴线，其中该至少一个光源是沿着该中心轴线定位的，以及其中每个所述光学转向元件是环形的、具有依次增大的直径并且是围绕该中心轴线同心地设置。
23.如权利要求1至19中任一项所述的照明装置，其中：
所述光学转向元件是环形的并且是沿着多个基本上同心的圆弧定位的；以及
该输入表面被成形为与所述光学转向元件基本上同心的圆弧以及形成了该光导板的周缘的一部分。
24.如权利要求23所述的照明装置，其中该光转向板具有圆形外周，并且这些光学转向元件沿着其定位的这些同心的圆弧是相对于该光转向板的该圆形外周偏心的。
25.如权利要求1至24中任一项所述的照明装置，其中该光转向板和该光导板二者的光透射材料是弹性体。
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