专利名称：使用边缘照明的中空波导管和柱透镜光学结构的照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及照明系统，尤其涉及具有中空波导和一个或两个叠置的透射光定向阵列(LDA)的边缘照明系统，该透射光定向阵列从具有预定角分布的照明系统提供输出光。
在办公环境中使用的灯具或照明系统必须既能适合通常位于观看者眼睛下方的水平表面上的普通纸的工作条件、又能适合通常位于观看者眼睛前方的计算机的可视显示终端(VDT)的工作条件，计算机可视显示终端(VDT)的工作条件包括视场中的天花板部分。对VUT的工作条件来说，重要的是控制安装在天花板上的灯具的亮度、以使VDT上的反射眩光或漫反射最小化。按一般的经验，天花板的亮度不应大于VDT屏幕亮度的十(10)倍。例如，见“美国国家标准规程办公照明”，ANSI/IESNA RP-1-1993,34-41页。天花板灯具可导致图像眩光，观看者在VDT上看到有照明系统的图像；面积眩光，显示在VDT上的亮度面积；均匀眩光，它使VDT的亮度和对比度减小。这些眩光问题均对VDT的工作条件产生不利的影响。对于间接灯具，通常扩展的光分布和均匀的光输出亮度将有助于处理眩光问题。另外，以55°和90°之间的观看角控制灯具的光输出，可以进一步减小不希望的眩光作用(例如，建议在相对纵向和横向的45°角的纵向和横向观看时、在这个角观看区域中的平均亮度不大于850cd/m2)。因此，希望制作一种照明系统，该照明系统能够提供可控的、且较准确的或“清楚的”截止角；该截止角要超出了照明系统的输出光则基本上无意义或可被忽视的。
不断发展的更亮的、更紧凑和更有效的光源加剧了天花板灯具的眩光问题。如果直接观看，这些新出现的光源中的某些光源会损害人的眼睛。此外，明亮的光线直接进入人的眼睛将引起疲劳并降低工作效率。因此，特别需要提供具有可控的和清楚的截止角的照明系统。
照明系统提供一个将光源的输出光重新定位到特定位置的装置。对于具有窄角输出分布的光源，Cobb等人的US 4,984,114和Miller等人的US5,190,370公开了一种中空照明系统，该照明系统包括多个棱镜，在棱镜内、来自光源的光线在从照明系统出射之前被完全向内反射。光源发射圆锥光束(US4,984,114)或平行光束(US5,190,370)，该光束以相对照明系统输出表面的平面的小角度接触棱镜。光源发射的所有光线全部进入棱镜、并从照明系统射出。通过限制光源的角输出而控制光源的角分布，棱镜只提供使光线从照明系统射出的装置。所以，这些参考信件公开的照明系统只适于发射窄光束或光柱的光源。
对于具有宽的或扩散的光线角分布的光源，Parkyn,Jr.等人的US5,676,453公开了一种照明系统，该照明系统包括一个平行的全内反射透镜，该透镜将来自荧光源的光线重新定向到光靶区。在该透镜以某种方式将来自光源且从照明系统射出的光线重新定向的过程中，这个参考文件公开的透镜不能控制输出的均匀性，因此，光源可显示为“热斑”。尽管这个参考文件公开了对光输出角分布在一个方向上的处理或控制，但不能实现大于约60°的清楚的截止角。
Whitehead等人的US4,452,449中公开了一种具有两个基本上垂直设置的波状片。这个参考文件公开的波状片的特征称为八倍频(octature)，其中，波状片同一侧面上的表面彼此平行或垂直，波状片相反侧面上的表面彼此相差45°。所以，波状片棱镜所包括的角必须限制到90°。这个参考文件还公开了将灯具的输出光相对法线方向以0°到30°之间观看角范围进行集中的需求性。
在本领域中，需要照明系统从各种不同的光源接收入射光、并提供具有整齐的截止角和良好的光输出均匀性的预定角分布的光输出。
本发明提供一个具有中空波导的照明系统，该中空波导包括第一和第二光定向阵列(LDA)，每个阵列具有多个限位于其上且基本相互垂直设置的通常的柱面棱镜(lenticular prisms)。来自光源的光线从光输入侧进入波导、从光输出侧输出波导、并以预定通量(即，强度)和角分布从照明系统射出。光输出通量和角分布均可根据本发明由LDAs独立控制，以提供能形成各种光输出分布和强度要求的照明系统。
该照明系统包括一个中空波导，中空波导具有一个使来自光源的光线进入中空波导的光输入侧、和使光线从中空波导射出的光输出侧。该照明系统还包括其上设有第一光定向结构的第一光定向阵列、和其上设有第二光定向结构的第二光定向阵列。第一和第二光定向结构基本上相互垂直设置，第二光定向阵列包括中空波导的光输出侧。中空波导可以是矩形、正方形、圆形、环形、三角形、或其它任何多边形。单个或多个光源可与本发明的中空波导光学连接。
本发明的照明系统一般可包括矩形的中空波导，该中空波导具有一个使来自光源的光线进入中空波导的光输入侧、和使光线从中空波导射出的光输出侧。其上设有第一光定向结构的第一光定向阵列、和其上设有第二光定向结构的第二光定向阵列被包含在本发明的照明系统内。第一和第二光定向结构基本上相互垂直设置，第二光定向阵列包括中空波导的光输出侧。
结合说明书中的优选实施例和附图所作的说明将能更充分地理解本发明、并使本发明的其它优点变得更加清楚，所有附图中的相同标记表示相同的部件，在附图中
图1a是根据本发明构成的照明系统的剖视图，该照明系统具有单个光源、中空波导、和两个叠置的光定向阵列，各光定向阵列上设置的光定向结构基本上相互垂直；图1b是根据本发明构成的照明系统的剖视图，该照明系统具有单个光源、基本上为多边形的中空波导、和两个叠置的光定向阵列，各光定向阵列上设置的光定向结构基本上相互垂直、且基本上相互面对配置；图1c是根据本发明构成的照明系统的剖视图，该照明系统具有位于照明系统输出表面后面的单个光源、基本多边形的中空波导、和两个叠置的光定向阵列，各光定向阵列上设置的光定向结构基本上相互垂直；图1d是根据本发明构成的照明系统的剖视图，该照明系统具有单个光源、基本多边形的中空波导、和其上设置有光定向结构的光定向阵列；图2a是根据本发明构成的照明系统的剖视图，该照明系统具有单个光源、基本上为矩形的中空波导、和两个叠置的光定向阵列，各光定向阵列上设置的光定向结构基本上相互垂直；图2b是图2a所示的根据本发明构成的照明系统的前视图或正视图，该照明系统具有多个沿周围设置的光源；图3是根据本发明构成的照明系统的剖视图，该照明系统具有单个光源、基本上为圆形的中空波导、和两个叠置的光定向阵列，各光定向阵列上设置的光定向结构基本上相互垂直；图4a是根据本发明构成的照明系统的剖视图，该照明系统具有单个点状光源、基本上为环形的中空波导、和两个叠置的光定向阵列，各光定向阵列上设置的光定向结构基本上相互垂直；图4b是根据本发明构成的照明系统的剖视图，该照明系统具有基本是圆形的中空波导、第一径向棱镜光定向阵列和第二环形光定向阵列，各光定向阵列上设置的光定向结构基本上相互垂直；图4c是图4b所示照明系统的立体图，表示与环形棱镜光定向阵列叠置的径向棱镜光定向阵列；图5a是根据本发明构成的照明系统的剖视图，该照明系统具有单个光源、基本上为三角形的中空波导、和两个叠置的光定向阵列，各光定向阵列上设置的光定向结构基本上相互垂直；图5b是图5a所示照明系统的前视图，该照明系统具有多个沿周围设置的光源；图6a是根据本发明构成的第一光定向阵列的透视图；图6b是根据本发明构成的第二光定向阵列的透视图；图7是表示光输出的夹角和角分布区的光定向阵列的侧视图；图8是根据本发明优选实施例构成的照明系统的理论光输出分布和强度的曲线图；图9a-9d是根据本发明的各种柱面棱镜结构的详细视图；图10是根据本发明计算出的聚丙烯和聚碳酸酯光定向阵列的夹角限制的曲线图。
图11是根据本发明的具有反射基板的照明系统的光输出的曲线图；图12是根据本发明的具有漫反射基板的照明系统的光输出的曲线图。
本发明提供一个具有中空波导的照明系统，该中空波导包括第一和第二光定向阵列(LDA)，每个阵列具有多个限位于其上且基本相互垂直设置的通常的柱面棱镜。来自光源的光线从光输入侧进入波导、从光输出侧输出波导、并以预定通量(即，强度)和角分布从照明系统射出。光输出通量和角分布均可根据本发明由LDAs独立控制，以提供能形成各种光输出分布和强度度要求的照明系统。
在本文中使用的术语入射角和出射角是指光线与垂直于光线射击表面的法线之夹角。
参看附图，在图1中示出了本发明第一实施例的照明系统。照明系统10包括一个基本上为矩形的中空波导50，中空波导50具有使来自光源20的光线进入中空波导50的光输入侧面58、位于光输入侧面58对面的普通反射侧面54、基板52、和位于基板52对面并使光线从照明系统10的波导50射出的光输出侧面56。基板52、光输出侧面56和侧面54可以利用冲压、模注或其它类似的制作方法整体地构成。这些部件也可以分别制作、并固定在一起而形成本发明的中空波导50。光源20的位置应能使其发出的光线以基本垂直于照明系统10的法向(即，0°)观看角的角度进入中空波导50。这个结构可消除光“热斑”、并至少部分地使照明系统10输出的光均匀分布。另外，如图1c所示，光源20可位于中空波导内部，使光线基本上与法向观看角平行。虽然这种结构会产生光“热斑”，但是从照明系统10输出光的角分布将按照以下详述的本发明被控制。在本文中，术语“热斑”是指在观看者观看光输出时、照明系统的输出光在某些点较亮。
基板52、侧面54和光输出侧面56限定光通道40，来自光源20的光线在光通道40中传导。基板52可以是如反射镜完全反射的、也可以是如光定向阵列(LDA)90的部分反射和部分折射(即，漫反射)的。在优选实施例中，基板52包含LDA90,LDA90具有多个沿基本平行于中空波导50的光输入侧面58定向的并沿纵向限定的普通柱面棱镜94。LDA90的棱镜94限定优选在约105°与115°之间、最好约为110°的夹角96，并控制从中空波导50的基板52射出的光线量。对于约110°的夹角，在某一入射角度、LDA90全内反射该接触棱镜94的光线，光源20发出的约30％的光线从基板52(即，通过LDA90)射出。部分反射和部分折射的基板52允许预定量的光线从中空波导50射出，它给照明系统10提供可控的背侧照明量，这是某些照明系统应用所需要的。通过改变夹角96，可控制从基板52射出的(进而从光输出侧面56射出的)光线量(即，百分比)。所以，借助中空波导50的基板52的设置，可以控制本发明照明系统10的光输出强度。
第一和第二光定向阵列(LDAs)70、80控制中空波导50的输出光线的通过。在优选实施例中，第二LDA80包括中空波导50的光输出侧面56。LDAs70、80被构造得通过折射在预定截止角内从LDAs70、80射出的光线、和通过反射回在预定截止角之外从LDAs70、80射出的光线来控制照明系统10的输出光的角分布。换言之，只有从中空波导50射出的光线是被截止角所限定的在预定输出角分布之内的光线。因此，本发明的照明系统10提供可控制的和预定角分布的光输出。以所需截止角范围之外的角度、从LDAs70、80射出的光线随着它们角度的变化被反射回到光通道40内，直到它们通过部分反射基板52(即，LDA90)或在光通道40中传导、直到它们再接触第一LDA70为止。光线在中空波导50内的这种有效的再循环所提供的照明系统10在其光输出侧面56上的光分布基本上是均匀的。
图6a所示的第一LDA70的实例也位于波导50的光通道40内，并包括多个用作第一光定向结构72的普通纵向柱面棱镜74、和面向第二LDA80的第一光输出表面75。在这个实例中，虽然棱镜74也可以基本平行于波导50的光输入侧面58定位，但棱镜74的方向基本上垂直于中空波导50的光输出侧面56(在图6a中，由y轴指示)定位。第一LDA70(即，棱镜74)的光定向结构72的方向本身并不重要，重要的是光定向结构72应基本与第二LDA80的光定向结构82垂直。光线通过光输入表面78进入第一LDA70，光输入表面78限位于向内面对光通道40的第一LDA70的表面上。光输入表面78基本包括第一LDA70的整个内表面，所以可使进入第一LDA70的光线通过的窗孔的尺寸约等于第一LDA70的尺寸。虽然实际上在光通道40内传导的所有光线在开始时均经光输入表面78进入第一LDA70，但是只有某些光线从第一LDA70射出并进入第二LDA80。更具体地，LDA70的光定向结构72控制光线从第一LDA70射出，以使只具有预定角分布的光线从第一LDA70传导到第二LDA80。于是，第一LDA70被构造得只允许某些光线到达第二LDA80，而其它一些光线反射回光通道40。如果中空波导50具有反射基板52，则由第一LDA70反射的光线将以或多或少变化的矢量角在光通道40中传导，直到它们通过光输入表面78并再次接触光定向结构72、或直到它们到达光通道40的远端。另一方面，如果中空波导50具有部分反射/部分折射基板、即LDA90，则由第一LDA70反射的光线之部分将通过LDA90并从中空波导50的基板52射出。
对通过第一LDA70和被第一LDA70反射的光线的控制一方面受到构成LDA的材料的影响，另一方面受到柱面棱镜74的几何形状、即夹角76的影响(下文将详细地讨论)。虽然优选的材料是聚丙烯，但本发明也可考虑其它纯塑料材料，它们包括但不限于纯聚碳酸酯、聚苯乙烯、硅酮、聚酯和尼龙。第一LDA70的每个柱面棱镜74限定一控制从第一LDA70射出之光线的夹角76，以使仅具有小于或等于所需截止角的出射角的光线从第一LDA70射出。在这个优选实施例中，所需截止角约为±60°。通过沿第一方向、即图2b和6a中x方向控制从第一LDA70射出光的角分布，第一LDA70的棱镜74的夹角76控制从照明系统10输出光的角分布。夹角76由LDA的折射率(由制作LDA的材料确定)、输入到LDA的光的角分布、和从照明系统10输出之光的所需角分布确定。对于折射率约等于1.49的聚丙烯LDAs，且全半球的光输入角分布和所需输出角分布在约±60°之间时，夹角76的范围在约115°和121°之间。本领域的技术人员知道，其它的夹角将允许以大于或小于出射角的光线通过第一LDA70。所以，本发明不限于已公开的所需截止角范围±55°，而实际上可包括对称(例如，±55°)、不对称(例如，+30°,-75°)或其它角度的所有的截止角范围。对于不对称的输出分布，LDA的柱面棱镜也是不对称的。夹角计算的详细说明将在下文描述。
第一LDA70可自由地放置在光通道40内、或通过沟道或槽62(见图2a)或利用其它已知的紧固或附着装置固定到中空波导50上。
第二LDA80位于中空波导50的外表面上、并最好与其构成整体。另外，第二LDA80可形成在中空波导50的内表面上，如图1b所示，在这种情况下，第一LDA70的棱镜74和第二LDA80棱镜84将相互面对地靠近安置。虽然，在第一和第二LDAs70、80之间需要不直接的耦合或接触，但是这种接触不影响本发明的性能和操作。第二LDA80包括多个用作第二光定向结构82的纵向柱面棱镜84和射出光线的第二光输出表面85。第二光定向结构82基本上与第一光定向结构72垂直定位，以便在两个方向实现对从中空波导50射出光线的控制。
第二LDA80对通过其和被其反射的光线的控制以与上述第一LDA70相同的方式进行。
光源20最好是例如荧光灯管的普通管装置，但作为非限定性实例、也可以包括白炽灯阵列、发光二极管、激光器、和任何结构的卤素光源。围绕光源20的反射器30将来自光源20的光线导向中空波导50的光通道40内。
在某些照明应用中，当以约0°的观看角观看照明系统10时、即当正对或以垂直于光输出表面85的方向观看照明系统10时要求提供最大的光输出(下面将更详细地说明)。这个观看角被称为法向观看角。对于0°观看角的光输出强度可通过选择基板52进行控制。例如，如图11所示，当从法向观看角观看照明系统10而不影响截止角时，反射基板52将导致较低强度的光输出。另一方面，如图12所示，漫反射基板52将导致从法向观看角的较高强度的光输出。还需要控制光输出的角分布，以便在所需的观看角范围内实现较均匀的光分布、即消除热斑。优选地，来自中空波导(即，从照明系统10)的光输出在需要的观看角范围内应非常均匀，当以所需观看角范围外的角观看时、实际上将不存在光输出。于是，从中空波导50光输出的角分布限定了观看角范围，在这个范围之外实际上检测不到从照明系统10射出的光线。实际上超过其时就检测不到光的观看角被称作截止角。作为非限定性实例，下面将详细说明具有约±60°截止角的照明系统10。本领域的技术人员可知，这个截止角范围是本发明的示意性说明和非限定性实例，本发明也可以具有更大或更小的观看角范围。
本发明在两个方向控制光线从中空波导50射出。具体参看图2b，该图表示在法向观看角的照明系统10的视图，第一LDA70在x方向控制光输出的角分布，第二LDA80在y方向控制光输出的角分布。因此，当在所需观看角范围内观看时，本发明从照明系统10的光输出基本上是均匀的，并有效地消除了光热斑。改变第一和第二LDAs70、80中的一个或两个的夹角可以控制来自照明系统10的光输出的角范围。
在优选实施例中，光输出分布在所限定的输出角范围中是均匀的。当观看角从0°向两个方向(即，正方向或负方向)移开时，从照明系统10输出的光强度下降，在到达一截止角时，观看者看不到足够的光量从照明系统10发出。这由图8的曲线示出，其中，截止角约等于±60°。改变LDA70、80中的一个或两个的夹角，则可改变截止角。
在另一个实施例中，如图1d所示，本发明的照明系统10可具有单个的LDA80。从这个照明系统10输出的光的角分布仍可如对图1a所述的的实施例根据本发明进行控制，唯一的不同是可在单一方向上控制角分布。在其它方面，图1d所示照明系统10的操作基本与上述图1a所示系统10的操作相同。
图2a表示本发明照明系统10的第二实施例。常规矩形或正方形的中空波导50包括实体的光输入侧面58a，侧面58a限定紧靠光源20安置的光接收表面60。这里所用的术语“紧靠”是指接触及几乎靠在一起的接触、即应小于或等于一英寸。实体的光输入侧面58a使光源20和光通道40物理地分离而光学地连接。反射器30围绕光源20并将光线再导向波导50的实体的光输入侧面58a。中空波导50包括光输出侧面56，侧面56可由第一LDA70和和第二LDA80构成，每个LDA70、80具有其上限定的普通柱面棱镜74、84，棱镜74、84上限定基本相互垂直的相应的光定向结构72、82。第一LDA70可自由地放置在中空波导50的光通道40内、或可借助槽或沟道62进行固定。第二LDA80最好与中空波导50构成整体，并可通过冲压、模注、或其它类似的成形处理制作。中空波导50包括可以反射或可以部分反射和部分折射(即，漫射)的基板52，在这种情况下，基板52包括LDA90。不论在哪种情况下，基板52位于被限定在实体的光输入侧面58a中的槽或沟道64内。
在操作中，来自光源20的光线接触光接收表面60、并经实体的光输入侧面58a进入光通道40。一些光线穿过光通道40到达位于实体光输入侧面58a对面的侧面54、并被反射回光通道40。一些光线可接触基(后)板52、并且也被反射回光通道40，同时，其它光线将接触第一LDA70的光输入表面78并进入第一LDA70。这些光线基于其角分布，或是反射回通道40、或是从第一LDA70射出。从第一LDA70射出的光线将接触第二LDA80的光输入表面88、并进入第二LDA80。只有角分布为±60°的那些光线通过光输出表面85从第二LDA80射出。
图2a的实施例也可包括多达三个如图2b所示的三个附加光源200、210、220。这个实施例的照明系统10基本与以上图2a所述的实施例具有相同的功能。当然，附加光源200提供附加光线，所以这个实施例的光输出强度大于图2a的实施例。关于在中空波导50内的和通过LDAs70、80(如果提供)的光线的反射和折射，图2a实施例所提供的说明可等同地用于图2b的实施例。
图3是本发明的又一个实施例，其中，照明系统10包括被普通环形光源20围绕的中空圆形波导50。本实施例的照明系统10基本与上述实施例具有相同的功能。
图4a是本发明的又一个实施例，其中，普通环形中空波导50围绕一普通的点状光源20。本实施例的光源20可包括单个灯或灯阵列。另外，本实施例的照明系统10基本与上述实施例具有相同的功能。
本发明所需的第一和第二LDA70、80之间的基本垂直关系在图4b和4c中清楚地表明，其中，照明系统10包括圆形波导50，圆形波导50上具有第一LDA70，具有径向棱镜74的第一LDA70与具有同心设置的环形棱镜84的第二LDA80叠置。只要能在每个位置相对圆形波导50保持该叠置的LDAs70、80的光定向结构72、82(即，棱镜74、84之间)之间的基本垂直的关系，则可以改变各LDA的特定光定向结构72、82的构形。例如，在LDA中的特定光定向结构72、82可以构成顺时针方向和反时针方向的普通螺旋棱镜阵列。
下面参看图5a，本发明的照明系统10包括具有光源20的三角形中空波导50。如图5b所示，还可提供第二和第三光源200、210。本实施例的照明系统10基本与上述实施例具有相同的功能。
在上述各个实施例中，第二LDA80可与中空波导50构成整体，或与中空波导50分别形成、并以已有的固定和附着技术固定到中空波导50上。对于上述各个实施例，只要第一和第二光定向结构72、82之间基本保持垂直关系，则柱面棱镜84和第二光定向结构82既可如图1b所示的位于光通道40内、也可如图1a所示的位于波导50之外。当第二光定向结构82位于光通道40内时，柱面棱镜84是全内反射的，所有通过表面85并进入第LDA80的光线均从中空波导50射出。
本文所用的术语“基本垂直”是指第一和第二光定向结构72、82之间的关系，其限定的角度应在80°和100°之间、优选在85°和95°之间、最好是90°。
虽然本文已公开了具有多个普通柱面棱镜的LDAs70、80、90，但是各种几何形状和结构的棱镜本发明均可使用。具体地如图9a所示，棱镜应具有基本上直的侧壁42和轮廓分明的尖峰44。另外，该棱镜可具有弯曲侧壁42和基本上平坦或平面的峰(见图9b)。如图9c所示，棱镜也可具有另一种弯曲侧壁42和轮廓分明的尖峰42。此外，如图9d所示，棱镜也可具有多个侧面。本领域的技术人员可知，本发明还可使用其它结构形状的棱镜。
光定向阵列70、80、90可用任何透明材料制成。优选材料的折射率大于或等于1.03，这些材料包括玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酯、聚苯乙烯、和其它由丙烯酸盐单体光聚合而成的聚合物。优选材料折射率范围在1.04到1.70之间。本领域的技术人员可知，具有较大或较小折射率的材料也可用于本发明。
下面具体说明具有基本直侧壁的棱镜的夹角(见图9a)和基本对称截止角的夹角的计算。夹角取决于构成LDA的材料的折射率、所需角度的光输出分布、和输入光的角度分布。计算用的变量和常量定义如下w=棱镜的夹角；C=所需的截止角；n=棱镜材料的折射率。
参看图7，下列等式限定了在对来自具有±90°的截止角C的中空波导50的输出光的任何角分布的夹角进行计算时所需的条件。
w/2≤C(1)w≥2(2*asin(1/n)+90)/3(2)tan(w/2)≤(n*sin(asin(1/n)3w/2)+cos(w/2))/(n*cos(asin(1/n)-3w/2)+sin(w/2))(3)
等式3的图示结果示于图10中。
作为一个实例，当角输出分布约±60°、折射率n=1.49(丙烯酸LDA)时，等式1要求w≤120°。接着计算等式2,w≥116°。最后，如图10中的实线三角形图表所示，w的上限约为121.5°。所以，夹角约在116°到120°之间。
对于具有折射率n=1.59、和相同角输出分布的聚碳酸酯LDA，等式2要求w≥112°。再参看图10的图表，w的上限(由清楚的三角形图表示出)约为118.1°。所以，夹角在约在112°到118.1°之间。
对于具有弯曲的或其它结构的侧壁的棱镜，最小和最大夹角将满足由等式(1)、(2)、和(3)所限定的条件。
以上对本发明所作的详细说明并不限制本发明，本领域的技术人员将能对本发明作出处在所附权利要求书所限定的本发明的范围和构思中的各种变化和改型。
权利要求
1．一种用于分布来自一光源之光线的照明系统，所述照明系统包括一个中空波导(管)，中空波导具有一个使来自光源的光线进入中空波导的光输入侧、和使光线从中空波导射出的光输出侧；一个第一光定向阵列，其上限定第一光定向结构；一个第二光定向阵列，其上限定第二光定向结构，所述第一和第二光定向结构基本上相互垂直设置，所述第二光定向阵列包括所述的光输出侧，来自所述中空波导的光线从所述光输出侧射出；所述第一和第二光定向结构通过限定从所述照明系统输出的光的一截止角、而控制所述照明系统输出光的角分布。
2．一种如权利要求1的照明系统，其特征在于，所述第一光定向结构包括多个限定在所述第一光定向阵列上的柱面棱镜，所述第二光定向结构包括多个限定在所述第二光定向阵列上的柱面棱镜，所述第一和第二光定向结构的每个所述棱镜具有一其上限定的夹角，其限制为89°或更小的用于所述照明系统输出光分布的截止角(范围)。
3．一种如权利要求2的照明系统，其特征在于，当从剖面方向观看时，所述第一和第二光定向结构的每个所述棱镜包括基本上直的侧壁。
4．一种如权利要求2的照明系统，其特征在于，当从剖面方向观看时，所述第一和第二光定向结构的每个所述棱镜包括基本上弯曲的侧壁。
5．一种如权利要求2的照明系统，其特征在于，当从剖面方向观看时，所述第一和第二光定向结构的每个所述棱镜包括多个侧面的侧壁。
6．一种如权利要求2的照明系统，其特征在于，当从剖面方向观看时，所述第一和第二光定向结构的每个所述棱镜基本上是对称的，且限定一夹角，其由下面等式计算w/2≤Cw≥2(2*asin(1/n)+90)/3tan(w/2)≤(n*sin(asin(1/n)-3w/2)+cos(w/2))/(n*cos(asin(1/n)-3w/2)+sin(w/2))其中，w是每个所述柱面棱镜的夹角，C是从所述照明系统输出光所需的截止角，n是棱镜材料的折射率。
7．一种如权利要求1的照明系统，其特征在于，所述截止角范围在约+60°和-60°之间。
8．一种如权利要求1的照明系统，其特征在于，所述第一和第二光定向阵列由聚丙烯材料制作，所述第一光定向结构包括多个限定在所述第一光定向阵列上的纵向柱面棱镜，所述第二光定向结构包括多个限定在所述第二光定向阵列上的纵向柱面棱镜，所述第一和第二光定向结构的每个所述棱镜具有在约115°到121°之间的夹角。
9．一种权利要求8的照明系统，其特征在于，所述夹角约为116°。
10．一种如权利要求1的照明系统，其特征在于，所述第一和第二光定向阵列由聚碳酸酯或聚苯乙烯材料制作，所述第一光定向结构包括多个限定在所述第一光定向阵列上的纵向柱面棱镜，所述第二光定向结构包括多个限定在所述第二光定向阵列上的纵向柱面棱镜，所述第一和第二光定向结构的每个所述棱镜具有在约111°到119°之间的夹角。
11．一种权利要求10的照明系统，其特征在于，所述夹角为约113°。
12．一种如权利要求1的照明系统，其特征在于，光源限定的纵向轴基本上平行于所述中空波导的所述光输入侧面，所述第二光定向阵列的所述光定向结构基本垂直于光源的纵向轴。
13．一种如权利要求1的照明系统，其特征在于，光源限定的纵向轴基本上平行于所述中空波导的所述光输入侧面，所述第二光定向阵列的所述光定向结构基本平行于光源的纵向轴。
14．一种如权利要求1的照明系统，其特征在于，光线以一角度经过所述光输出侧面从所述中空波导射出，该角度基本上垂直于光线经所述光输入侧面进入所述中空波导的角度。
15．一种如权利要求14的照明系统，其特征在于，所述光输入侧面还包括由透明材料制作的实体部分。
16．一种如权利要求1的照明系统，其特征在于，光线以一角度经过所述光输出侧面从所述中空波导射出，该角度基本上平行于光线经所述光输入侧面进入所述中空波导的角度。
17．一种如权利要求1的照明系统，其特征在于，所述中空波导还包括一个反射基板，该反射基板使从所述中空波导内部来的光线不能通过。
18．一种如权利要求1的照明系统，其特征在于，所述中空波导还包括一个漫反射基板，该漫反射基板使从所述中空波导内部来的预定的光线量通过。
19．一种如权利要求18的照明系统，其特征在于，所述的漫反射基板还包括一个其上限定有光定向结构的第三光定向阵列。
20．一种如权利要求19的照明系统，其特征在于，所述光定向结构包括多个限定在所述第三光定向阵列上的纵向柱面棱镜，每个所述棱镜具有在约90°到120°之间的夹角。
21．一种如权利要求1的照明系统，其特征在于，所述第二光定向阵列的所述光定向结构设置在所述中空波导内。
22．一种如权利要求1的照明系统，其特征在于，所述第二光定向阵列的所述光定向结构设置在所述中空波导之外。
23．一种如权利要求1的照明系统，其特征在于，所述的波导基本是矩形的。
24．一种如权利要求1的照明系统，其特征在于，所述的波导基本是圆形的。
25．一种如权利要求2的照明系统，其特征在于，限定在所述第一和第二光定向阵列之一个阵列上的所述柱面棱镜彼此沿径向定位，限定在所述第一和第二光定向阵列之另一个阵列上的所述柱面棱镜彼此同心地配置。
26．一种如权利要求1的照明系统，其特征在于，所述的中空波导基本是三角形的。
27．一种用于分布来自一光源的光线的照明系统，该光源具有纵向轴，所述照明系统包括一个基本是矩形的中空波导(管)，中空波导具有一个使来自光源的光线进入中空波导的光输入侧、和使光线从中空波导射出的光输出侧；一个第一光定向阵列，其上限定有第一光定向结构；一个第二光定向阵列，其上限定有第二光定向结构，所述第一和第二光定向结构基本上相互垂直设置，所述第二光定向阵列包括所述的光输出侧，来自所述中空波导的光线从所述光输出侧射出；所述第一和第二光定向结构通过限定从所述照明系统输出的光的一截止角、而控制所述照明系统输出光的角分布。
28．一种如权利要求27的照明系统，其特征在于，所述第一光定向结构包括多个被限定在所述第一光定向阵列上的纵向柱面棱镜，所述第二光定向结构包括多个被限定在所述第二光定向阵列上的纵向柱面棱镜，所述第一和第二光定向结构的每个所述棱镜具有一其上限定的夹角，其限制为89°或更小的用于所述照明系统光输出分布的截止角(范围)。
29．一种如权利要求28的照明系统，其特征在于，当从剖面方向观看时，所述第一和第二光定向结构的每个所述棱镜包括基本上直的侧壁。
30．一种如权利要求28的照明系统，其特征在于，当从剖面方向观看时，所述第一和第二光定向结构的每个所述棱镜包括基本上弯曲的侧壁。
31．一种如权利要求28的照明系统，其特征在于，当从剖面方向观看时，所述第一和第二光定向结构的每个所述棱镜包括多个侧面的侧壁。
32．一种如权利要求28的照明系统，其特征在于，当从剖面方向观看时，所述第一和第二光定向结构的每个所述棱镜基本上是对称的、且限定一夹角，其由以下等式计算w/2≤Cw≥2(2*asin(1/n)+90)/3tan(w/2)≤(n*sin(asin(1/n)-3w/2)+cos(w/2))/(n*cos(asin(1/n)-3w/2)+sin(w/2))其中，w是每个所述柱面棱镜的夹角，C是从所述照明系统输出光的所需的截止角，n是棱镜材料的折射率。
33．一种如权利要求1的照明系统，其特征在于，所述截止角范围在约+60°和-60°之间。
34．一种如权利要求27的照明系统，其特征在于，所述第一和第二光定向阵列由聚丙烯材料制作，所述第一光定向结构包括多个被限定在所述第一光定向阵列上的纵向柱面棱镜，所述第二光定向结构包括多个被限定在所述第二光定向阵列上的纵向柱面棱镜，所述第一和第二光定向结构的每个所述棱镜具有在约115°到121°之间的夹角。
35．一种权利要求34的照明系统，其特征在于，所述夹角为约116°。
36．一种如权利要求27的照明系统，其特征在于，光源限定的纵向轴基本上平行于所述中空波导的所述光输入侧面，所述第二光定向阵列的所述光定向结构基本垂直于光源的纵向轴。
37．一种如权利要求27的照明系统，其特征在于，光源限定的纵向轴基本上平行于所述中空波导的所述光输入侧面，所述第二光定向阵列的所述光定向结构基本平行于光源的纵向轴。
38．一种如权利要求27的照明系统，其特征在于，光线以一角度经过所述光输出侧面从所述中空波导射出，该角度基本上垂直于光线经所述光输入侧面进入所述中空波导的角度。
39．一种如权利要求38的照明系统，其特征在于，所述光输入侧面还包括由透明材料制作的实体部分。
40．一种如权利要求27的照明系统，其特征在于，所述中空波导还包括一个反射基板，该反射基板使从所述中空波导内部来的光线不能通过。
41．一种如权利要求27的照明系统，其特征在于，所述中空波导还包括一个漫反射基板，该漫反射基板使从所述中空波导内部来的预定的光线量通过。
42．一种如权利要求41的照明系统，其特征在于，所述的漫反射基板还包括一个其上限定有光定向结构的第三光定向阵列。
43．一种如权利要求42的照明系统，其特征在于，所述光定向结构包括多个限定在所述第三光定向阵列上的纵向柱面棱镜，每个所述棱镜具有在约90°到120°之间的夹角。
44．一种如权利要求27的照明系统，其特征在于，所述第二光定向阵列的所述光定向结构设置在所述中空波导之内。
45．一种如权利要求27的照明系统，其特征在于，所述第二光定向阵列的所述光定向结构设置在所述中空波导之外。
46．一种如权利要求27的照明系统，其特征在于，所述第一和第二光定向阵列由聚碳酸酯或聚苯乙烯材料制作，所述第一光定向结构包括多个限定在所述第一光定向阵列上的纵向柱面棱镜，所述第二光定向结构包括多个限定在所述第二光定向阵列上的纵向柱面棱镜，所述第一和第二光定向结构的每个所述棱镜具有在约111°到119°之间的夹角。
47．一种权利要求46的照明系统，其特征在于，所述夹角为约113°。
48．一种用于分布来自一光源的光线的照明系统，所述照明系统包括一个中空波导(管)，中空波导具有一个使来自光源的光线进入中空波导的光输入侧、和使光线从中空波导射出的光输出侧；一个其上限定有光定向结构的光定向阵列，用于在单一方向通过限定从所述照明系统输出的光的一截止角、而控制所述照明系统输出光的角分布。
49．一种如权利要求48的照明系统，其特征在于，所述的光定向结构包括多个限定在所述光定向阵列上的纵向柱面棱镜，所述光定向结构的每个所述棱镜具有一其上限定的夹角，其限制为89°或更小的用于所述照明系统光输出分布的截止角(范围)。
50．一种如权利要求48的照明系统，其特征在于，所述夹角范围在约110°到121°之间。
51．一种如权利要求48的照明系统，其特征在于，所述截止角范围在约+60°和-60°之间。
全文摘要
一种具有中空波导(50)的照明系统(10),该中空波导(50)包括第一(70)和第二(80)光定向阵列(LDA),每个阵列具有多个位于其上且相互垂直设置的普通柱面棱镜(74,84)。来自光源(20)的光线从光输入侧(58)进入波导(50)、从光输出侧(56)输出波导(50)、并以预定通量(即,强度)和角分布从照明系统射出。光输出通量和角分布均可根据本发明由LDAs(70,80)独立控制,以提供能形成各种光输出分布和密度要求的照明系统(10)。
文档编号F21S2/00GK1325484SQ99813132
公开日2001年12月5日 申请日期1999年9月9日 优先权日1998年9月10日
发明者H·邹, K·W·贝森 申请人:联合讯号公司