CN1306625A - 具有用于反射光束的微棱镜结构的光学元件 - Google Patents

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Abstract

一种用做照明设备盖的光学元件(10,10′,10″),用于对光束(18,19)进行偏转,该光束进入光学元件,再从其中射出,其出射角ν受到限制。光学元件具有一个透明材料制成的板状内芯(11,11′,11″),其一侧具有多个微棱镜。这些微棱镜自其根部(15)起,以锥体形式构造,并在各微棱镜间形成沟槽(22),其中微棱镜的所有顶面(14)构成了光入射面,而内芯的另一侧(21)构成光出射面。其中微棱镜的顶面(14)按连续或非连续方式以上凸或下凹形式构造。另外还介绍了一种制造光学元件(10,10′,10″)的方法。

Description

具有用于反射光束的微棱镜 结构的光学元件
本发明涉及一种具有微棱镜结构的光学元件，具体而言，是根据权利要求1前序部分，用做为一种照明设备的盖体的光学元件。本发明还涉及根据权利要求8的用于制造该种光学元件的方法。
使用这种光学元件或称照明设备盖体的效果是例如使照明设备所发出的光束的角度受到限制以便能够避免或是至少消除给观察者造成的晕眩。此外，当然这种元件也为照明设备，或具体说是其内部的光源提供了机械式保护。
从例如奥地利专利AT-B-403,403中可知一种如前面所介绍的这类光学元件，这种已知的照明装置盖体光学元件在其面向光源的一侧上具有以行列形式排列的许多锥状部分，即所谓的微棱镜，该锥状部分以截锥形式构造且具有与底面(光射出面)相平行的上界面(光射入面)，整个照明装置盖体完全由透明材料制成。
为了解释本发明将要解决的问题，在图1中示出了根据专利AT-B-403,403的截锥或称微棱镜结构。如在其专利说明书中所详细介绍的，这种已知的微棱镜结构1具有做为光入射面的顶表面2，被设置成与顶表面相平行并做为光射出面的底面3，以及倾斜的延伸侧面4。这种构造方式使微棱镜1具有截锥体的形状。出射光束的出射角度ν相对于光出射面3的垂直方向很接近νmax＝60～70°，最好是νmax＝60°，这样做是为了避免使观察者从侧面看照明设备时发生晕眩。为了也能同时获得最大程度的光学效率，截锥台中d，h尺寸的最佳d∶h比值取决于截锥体所用材料的折射率，该截锥体构成了由透明材料制成的微棱镜1。另外，相邻的微棱镜1之间的最优沟槽角度δ约为8～9°，这也形成了数值大约为700μm的微棱镜网格尺寸。
按照到上述给定的尺寸，即使是对于直接射到了边缘5处的光或是正好射到截锥体1的边缘5边上并通过位于二截锥体1之间的边缘6的光来说，其结果都是，这些光线将从光射出面3的平面上以角度ν＜60°的角射出。
然而，在实践中发现，根据制造技术，很难或几乎不可能观察到大约为8～9°的沟槽角δ。目前，可以做到以足够高级别的精度和重复性来实现大约为15°的淘槽角。虽然在截锥体1的高度不变的条件下，既使现实情况下只能获得δ＝15°的淘槽角，也还是可以得到νmax＝60°的光射出角，但其结果是，由于光射入面2的面积减小，从而使照明设备盖体的光学效率从大约75～80％降低至大约65％。另一种方法是，为了保持光入射面2的大小，截锥体1的高度h也可被减小。但是在这种情况下，将不再能观察到最大的光出射角νmax＝60°，这是因为直接从光入射面2的边缘5直接射入微棱镜1并且正好经过相邻截锥体1之间的棱边6的光束将以平角离开照明设备盖体。
关于上述类型的又一种照明设备盖或是光学元件可以由例如专利申请WO 97/36131中得知。在这一书面说明书中所公开的结构一方面在截锥体侧壁上有一个反射覆盖物，目的在于防止光束从微棱镜侧壁射出并降低照明设备的效率，另一方面，该结构在微棱镜光出射面一侧具有一个透镜***，以便能在相对于光出射面的平面大致垂直的方向上会聚光束。但是，这种照明设备盖体的结构相对复杂，因而与AT-B-403,403中的照明设备盖体相比，制造技术的成本方面要更高一些。
根据对上述现有技术所做的考虑，本发明的目的之一是提供一种本文所介绍的类型的光学元件，该元件可以避免在上述现有技术中所描述的各种缺点，且特别是因采用了可保证光束自光学元件的射出角的照明技术而获得了很高的光学效率，同时也避免了观察者的晕眩感。
该目的由具有权利要求1特征的光学元件获得。
因为由棱镜顶表面构成的光学元件入射面是以连续或非连续的方式以向外凸起或向内凹陷形式成形的，比较起光入射表面与光出射表面相平行的情况而言，来自光源的光束以不同的入射角入射到元件的光入射平面。通过适当地选择曲率或称弯曲程度，以及光学元件内芯材质，特别是其折射率，光束可以相对于光出射平面的垂直方向仅以最大约为60°的出射角从光出射面射出，而同时本照明技术中所使用的光学元件的效率不会因此降低。将棱镜顶表面成形为凹陷形，从而使入射到顶表面上的光束被以更陡的角度折射进微棱镜结构，同时不会以一过平的角度射出光学元件。而另一方面，以凸起形式成形的棱镜顶表面会使以较平的角度入射到顶表面的光束以更平的角度折射入微棱镜结构，从而在对置的侧面结构上被完全反射且以一个足够小的出射角离开光学元件。
微棱镜的顶表面的形状最好是外凸，内凹或是阶梯形，但曲面或阶梯面不一定非完全覆盖整个顶面。
根据本发明的光学元件的板状内芯可以通过对一整块透明材料进行机械加工来制成，或是通过将透明材料倒入或注入一适当模具并随后对其施加压力来制成。
本发明的其他结构优势及其发展变化构成了从属权利要求的内容。
下面将结合附图，对本发明各优选实施例做更为详细的描述，其中：
图1为一截面图，示出了现有技术照明装置盖体的微棱镜结构；
图2概括性地示出了本发明光学元件第一实施例的透视图；
图3概括性地示出了本发明光学元件第二实施例的透视图；
图4概括性地示出了本发明光学元件第三实施例的透视图；
图5是沿图2或图4中的A-A线所做的截面图，示出了本发明光学元件第一实施例的截面；
图6是一截面图，示出了本发明微棱镜结构的第二实施例；
图7是一截面图，示出了本发明微棱镜结构的第三实施例；
图8是一截面图，示出了本发明微棱镜结构的第四实施例；
图9是一截面图，示出了本发明微棱镜结构的第五实施例；
图10是一截面图，示出了本发明微棱镜结构的第六实施例；
图11A示出了光束经现有技术光学元件所走的路径；
图11B示出了多条示例性光束经本发明光学元件所走的路径。
图2至图4从朝向照明设备灯具(未示出)的一侧以透视图的形式分别示出了三个用做为照明设备盖体的不同的光学元件10，10′和10″。光学元件10，10′和10″由透光或透明的材料，如透明塑料材料丙烯酸玻璃制成。光学元件10，10′和10″各自具有由透明材料制成的板状内芯11，11′和11″，光学元件的一侧被许多微棱镜12，13所占据，在这种构成方式中，微棱镜是按下面的方式形成的。即各微棱镜从它们的根部15处开始逐步形成锥体状并形成沟槽22。所有的微棱镜12，13的顶表面14则构成了光学元件的光入射表面，而内芯的另一侧21构成了光学元件的光出射表面。
本发明的光学元件10，10′和10″的元件内芯11，11′，11″可以用透明材料，最好是透明塑料材料如丙烯酸玻璃以不同的方式制成。首先在此介绍注模浮雕法。该法类似于公知的塑料注模法，但却是以相对较低的注塑压力来实现的。在将透明材料注入到模具中后，在仍为液态的材料上施加一个机械力使材料可挤入模具结构中去。
另外，也可以用热浮雕法制造元件内芯11，其中，液态的透明材料被倒入适当的模具之中，且随后以类似方式对材料施压以实现材料的凸起。
再者，也可以对一整个透明材料用机加工方法制出沟槽。这可以用例如金刚石切割器或激光光束以切割方法实现。
制造透明内芯11，11′，11″的又一种方法包括经一挤出头压入液态塑料材料，但这种方法只能制出线性结构的微棱镜13。
在图2的第一实施例中，光学元件10在其朝向照明灯具的一侧具有将微棱镜12按行，列形式布置而成的外形，各微棱镜12具有相同的尺寸和方形的底。图2中的微棱镜12与图3、4中所示的一样均仅以概括性的方式示出，它们的形状，例如可以与在图5至图10中所示出的实施例的相对应并将在下面做进一步的描述。在光学元件第一实施例中，微棱镜12的矩阵式布置方式的结果是可在二个方向上获得交叉的降低晕眩的能力。
虽然在光学元件10的第一实施例中，微棱镜12在行，列中直接地一个接一个地排列，但图3中所示的光学元件10′的第二实施例中的微棱镜12是以棋盘方式布置的，也即，在行方向以及列方向上，在二个连续的微棱镜12之间去掉一个微棱镜结构，所留出的面积空间对应于一个微棱镜12底面积的长和宽。第二实施例中的微棱镜也最好具有一个方形的底。然而，在第一和第二实施例中，均可以用一种不同的多边形，最好是正多边形来做为微棱镜的底。
根据图4的光学元件10″的第三实施例与上述二个实施例的不同之处在于，光学元件10″上的微棱镜13在一个方向，例如行方向上延伸至光学元件10″的全长，而在另一方向，如列方向上与图2和3中的光学元件10，10′的情况一样被布置成一个接一个地连续方式。也可以与第二实施例相类似地在二微棱镜结构13之间留出一空行。
以条形方式延伸的微棱镜结构13的效果是，只在相对于微棱镜13延伸的方向垂直地获得降低交叉晕眩的能力。所以根据第三实施例的光学元件10″特别适用于使用长形照明灯具例如荧光灯进行照明的场合。灯具的长度方向与条形微棱镜13的伸长方向相平行。
此外，如图4所示，相邻微棱镜13之间的间隔空间最好是被一反射材料20，例如具有高反射能力的金属薄膜所覆盖。其结果是，只有入射到构成光入射面的微棱镜13的顶面14的来自灯具的光经光学元件10″被辐射，而入射到盖体20上的光束被反射回照明设备内部并被一反射器所反射，所述反射器以通常方式，在与光学元件相对的方向上设于灯具的后面。
使用这样的具有反射作用的盖体20的作用是，可以进一步提高光学元件的效率。除了在图4中部分地示出的盖体20之外，也可以用反射材料将微棱镜13之间的间隔空间或沟槽22完全充满。以此方式，微棱镜13的侧壁16也可以被构造成具全反射能力，以使入射到这些侧壁16上的光无法离开微棱镜13。另一种替代方法是，微棱镜13的侧壁16也可以被镀上一层反射材料或被构造成具备其他反射方式。
上面结合图4中的光学元件10″所提到的方法也可以被以类似方式应用到图2和3中的前二个实施例中。
在图5至10中，分别根据图2或图4的剖切线A-A，以截面图的形式示出了微棱镜12，13的不同实施例。下面所描述的微棱镜12，13可以有选择性地被应用于图2至图4中的光学元件10，10′，10″之中。
在图5中以截面形式示出的微棱镜结构12，13具有一根部15，其大致构成光学元件的光出射面21，且顶面14被设置成与光出射面大致平行的光入射面。微棱镜12，13的侧面16从根部15向顶面14以倾斜方式稍稍向内延伸以形成一种锥体结构外形。侧面16的倾角δ/2决定了光学元件10，10″的相邻微棱镜12，13之间的淘槽角δ。微棱镜12，13最好是方形或矩形，但也可以是其他多边形，最好是规则的多边形。
在图5中，当前第一实施例中的微棱镜12，13的光入射表面14是凹陷形的，也就是内凹的，所需的曲率取决于微棱镜12，13的尺寸，更准确地说取决于d∶h的比例以及微棱镜12，13的透明材料的折射率n。光学领域内的技术人员可以很容易地确定在各种情况下所需的光入射面14的曲率大小，以便能获得大约为60～70°的最大光出射角νmax。下面将结合图11A和11B更详细地描述曲面化的光入射面14的作用。
图6中所示的微棱镜12，13的第二实施例不同于上述第一实施例的地方在于光入射面14是凸起的曲面，也即是外凸的。
除了内凹与外凸的曲面形光入射面14之外，也可以如图7至10中的实施例所示，提供一种阶梯式的或是带棱的光入射面14。
在图7和8中的二个实施例中，光入射面14由多个局部表面组成，这些局部表面会聚在光入射面14的中心，位于光入射面的(虚拟)平面的上方或下方处，并因此形成一种下凹或上凸结构。在微棱镜12具有方形底面条件下，例如，这些构成光入射面14的局部表面为三角形。
在图9和图10所分别示出的第5和第6实施例中，光入射面14同样由多个局部表面构成，其中一个局部面被设置成在光入射面14的大致中部位置上与光出射面15和光入射面14的(虚拟)平面相平行，并位于光射入面14的(虚拟)平面的上方或下方。同时其他局部平面将该中心局部平面与微棱镜12，13的侧壁16相连接。
当然，在本发明的范围内，对参考图5至10所描述的微棱镜实例以及其他类似结构进行有选择性地组合。在连接方式上，顶表面14可以被以连续的或非连续的方式进行下凹或上凸构造，也即，至少顶表面14上有一个局部区域是按下凹或上凸方式进行构造的。
下面将结合图11A和11B解释同现有的微棱镜结构12，13相比，根据本发明的微棱镜结构12，13的构造在其光学元件10，10′工作模式上的效果。
在图11A中以截面方式示出了现有技术光学元件。相邻微棱镜1之间的沟槽角δ大约为15°，微棱镜1格间距d大约为700μm，且微棱镜光入射面2的宽度大约为540μm。所以得到d∶h的比值大约是7∶12。图11A以示例方式示出一入射光束17以一平入射角直接入射到微棱镜结构1的光入射表面2的棱5之上。由于光学元件透明材料具有相对较高的折射率n，所以光束17被折向相对于光入射面2垂直的方向上，被折射的光束17′从光学元件内芯内部穿过，经过位于相邻微棱镜1之间的棱边6，并入射到底部的光出射面3或是其沿长线上。在光出射面上，光束17′被折射。由于周边区域具有较小的折射率n，光束17′在光出射面上被在离开与光由出射面3相垂直的方向上折射。从光学元件射出的光束17″所具有的出射角ν，大于所希望的约为60°的最大出射角νmax。所以对于现有技术的光学元件来说，无法完全消除给观察者造成的晕眩。
与图11A中的现有技术光学元件相比，在图11B中的根据本发明的光学元件中，同时带有以下凹方式和上凸方式形成的光入射面14的微棱镜结构12，13被示于图中。通过这个实例，分别示出了二条入射到以下凹方式形成的光入射面14的棱边上的二条光束18，以及二条入射到以上凸方式构成的光入射面14的棱边上的二条光束19。此外，在微棱镜12，13之间的沟槽22处设有反射覆盖物20。
同图11A中所示的光路相比，相对于光入射表面以不同角度入射到以下凹或下沉方式构成的光入射表面14边缘区域上的光束18被在更大程度上折向相对于光入射面的(虚拟)平面相垂直的方向，所以在光学零件10，10′，10″的内芯11，11′，11″中延伸的光束18就以一更陡的角度入射到微棱镜12，13或内芯11，11′，11″的光出射面21上。虽然这些光束18′也同样因被折射而偏离开相对于光出射面15垂直的方向，但这时光束的出射角ν将不会超出最大值为νmax＝60°的最大出射角。
另一方面，同图11A中所示的光路相比，以上凸或突起方式构成的光入射面使得以平角入射到光入射面14的棱边区域上的光束19被折射向远离与于光入射面的(虚拟)平面相垂直的方向，从而使光束19′射向微棱镜12，13的侧面16并在此被全反射。其结果是，既使光束19′以一个同图11A中所示的光路相比更陡的角度入射到微棱镜12，13或内芯11，11′，11″的光出射表面21上，该光束19′也可以以足够小的出射角ν离开光学元件(该光用19″表示)。

Claims (10)

1.一种用于使光束(18，19)发生偏转的光学元件(10，10′，10″)其中，所述光束进入所述光学元件并再从其中射出，光束的出射角(ν)是受到限制的，所述光学元件具有一由透明材料制成的板状内芯(11，11′，11″)，其一侧上布置有许多微棱镜(12，13)，微棱镜从自身根部(15)开始以锥体方式构造，并在各微棱镜间形成淘槽(22)，微棱镜的所有顶面(14)构成光入射面，而内芯(11，11′，11″)的另一侧(21)构成了光出射面，其特征在于，微棱镜的顶表面(14)按连续或非连续方式以下凹或上凸形式构造。
2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，微棱镜的顶表面(14)被制成上凸或下凹的曲面。
3.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，微棱镜的顶表面(14)被制成上凸或下凹的阶梯形。
4.如上述权利要求之一所述的光学元件，其特征在于，微棱镜(12，13)的侧面(16)被构造成具有反射能力，因而光无法经侧面(16)从微棱镜中射出。
5.如上述权利要求之一所述的光学元件，其特征在于，在相邻微棱镜(12，13)之间形成有其反射能力的沟槽(22)，因此光束(18，19)仅能从微棱镜的顶表面(14)进入光学元件(10，10′，10″)。
6.如上述权利要求5所述的光学元件，其特征在于，相邻微棱镜(12，13)之间的淘槽(22)上覆盖有用反射材料制成的覆盖物(20)。
7.如权利要求5所述的光学元件，其特征在于，相邻微棱镜(12，13)之间的沟槽(22)被填充了反射材料。
8.如权利要求1至7中任一所述的制造光学元件的方法，其特征在于，板状内芯(11，11′，11″)是通过对一块透明材料进行机加工得到的。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，用激光束加工所述透明材料块。
10.如权利要求1至7中任一项所述的制造光学元件的方法，其特征在于，内芯(11，11′，11″)的透明材料被浇铸或注射到模具中并随后施加压力于其上。
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