CN105745489B - 照明单元 - Google Patents

Abstract

照明面板包括光源和以基底之上的突起集合的形式的定位在光源之上的光修改面板，突起面向光源。突起包括圆形/椭圆形/多边形柱体或具有小锥体锥角的锥体区段。

Description

照明单元

技术领域

本发明涉及诸如照明器之类的照明单元，其包括用于定位在光源与要光照的空间之间的面板，以便控制进入要光照的空间的光的分布。

背景技术

以具有多个微透镜的板的形式的照明面板已知用于使用在照明器中，以隐藏光源（诸如荧光管或LED）并且递送优选的光分布。优选的光分布可以取决于国家指南。例如，微透镜光学器件板广泛使用在欧洲并且丙烯酸板广泛使用在北美。典型地，这些通过热模压制作，热模压是相对昂贵的批量过程（高度取决于基底材料）并且受限于板材料。因而难以获得超出单个曲线的三维透镜或出射窗。

WO 2005/083317描述了一种用于使用在照明器中的微透镜光学器件板。板是具有在尖锐点中或在尖锐边中结束的锥形突起的透明衬底。大多数光经由平坦侧进入板并且经由锥形圆锥表面处的折射而出射。板透射来自有限强度锥体（遵守EU规章所要求的强度分布）内的漫射源的光的部分并且将其余部分回收到源，其中其被反射并且具有第二次机会穿过板。

在设计办公室照明器中，存在必须考虑到的数个光学问题。

实际优选的光强度分布取决于地区。在欧洲，办公室照明器必须遵守EN-12464-1，其规定了某些水平任务光照Lux等级并且具有限制相对于法向成大角度处的照明器亮度的严格眩光规则。

在北美，眩光限制不太严格，其允许大角度处的更多光。这样的优点在于较大的亮度间隔（给出较低成本）和较多的竖直亮度（较好的墙壁照明）。缺陷在于较低的利用效率（到任务区域的较少光）和较多的眩光。

特别地对于LED照明，降低LED源的明亮度是必要的。LED的高明亮度可以给出不舒适的眩光。高峰值明亮度典型地意味着带点但高效的产品。高明亮度在直接处于办公室工作者的视野中的角度之下尤其成问题。直接在人员上方的照明器不直接可见并且因此可以相比于较远处当处于人员的视野内时具有更高的明亮度。典型地，笔直向前看的人员的视野起始于相对于竖直取向的大约35度处。因此，在相对于竖直的0和35度之间的观看角度处不存在来自照明器的直接眩光。一般而言，天花板中的高亮度源的不舒适眩光随着与竖直平面的角度的增加而增加（假定房间的人笔直向前或向下看向屏幕或桌子）。

因此，应当避免在关于竖直的大角度处（即对于在天花板和照明器出射窗平面中具有大矢量分量的射线）的高峰值明亮度，但是可以准许低角度处（即针对从天花板向下定向的射线）的较高值。由于高均匀性以减小光学效率为代价，一般要求较多光回收，因此优选的是仅在较高观看角度处（在哪里确实要求）均匀化亮度。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据本发明，提供了一种照明面板，包括：

光源；以及

定位在光源之上以用于在来自光源的光输出进入要光照的空间之前修改它的光修改面板，

其中面板包括基底和基底之上的突起集合，突起面向光源，

其中突起包括圆形、椭圆形或至少5边多边形的柱体，或圆形、椭圆形或至少5边多边形的锥体区段，具有平坦的圆形椭圆形或多边形顶部，其中对于椎体区段，锥体锥角小于5度。

其中突起每一个具有高度H，其满足H＞N(D-H*tanα)，其中α是锥体锥角并且D是尖端的直径，并且N由1/N=tan(sin-1((sin35°)/n))给出，其中n是面板材料的折射率。

该公式确定从高散射（在到竖直的大角度处）到低散射（在到竖直的低角度处）的转变。低散射状态在视觉视野外部（其在以上公式中取35度和更高）。

突起的形状优选地为圆形，尽管可以利用具有多条边的多边形或略微椭圆形状来获得等同效果。因此，如果突起是多边形，它们具有至少五条边以提供大体均一的角度分布。多边形优选地为规则多边形，即具有N阶旋转对称，其中N为边数。

该柱体形状（等同于具有零锥角的锥体）或浅锥体锥意味着突起沿径向方向维持射束形状（即维持作为与光轴的角度的函数的平均强度轮廓，或者对于锥体版本略微缩窄）。突起沿切线方向均匀化射束形状，使得非旋转对称的输入射束在穿过面板之后将更加对称。浅或非锥形意味着输入区域（在顶部）可以占据大区域。这意味着可以避免突起之间的光阻挡特征。

该布置给出靠近光轴（例如在范围0-35度中）的较高峰值明亮度，其中底层光源更加可见，以及直接在视野中的角度处（例如在范围35-90度中）的较低峰值明亮度（更加均一的亮度）。实际角度取决于突起的高度与半径之比。

本发明的结构与常规光学散射板不同地起作用。常规散射板通常在径向方向（改变关于射束光轴的径向角）和切线方向（改变垂直于光轴的平面中的极角）二者上散射光的方向。

在照明器中，径向强度分布将射束形状限定为投影到控件中。该分布设计成以便平衡房间中的光散布（宽分布以将照明器的数目保持为低并且提供墙壁上的良好照明）与关于眩光的冲突约束（其要求高径向角处的减少的光）。期望高光利用，使得光例如以桌子为目标。切线强度分布通常是均一的（即对于给定径向角，向房间中的所有方向提供相同强度）。结果，在径向方向上散射光对比如眩光之类的其它射束性质具有大影响，而切线方向上的散射对射束轮廓具有较小影响。

本发明的光学结构提供主要在切线方向上的散射。作为结果，旋转对称的射束的射束形状不明显改变。这意味着系统可以均匀化亮度而不明显更改旋转对称的射束形状。

该性质的优点在于散射板可以针对可能要求用于不同应用或地区的不同射束形状而保持相同。因此，光学设计可以针对具有不同射束形状光分布的照明器具有相同外观和感受。

通过以此方式维持射束形状，还可以使用提供多个射束的光源。例如，分束照明器是已知的，其提供分离的任务和环境射束。光学系统使得多个不同射束能够穿过相同系统而同时维持射束形状。

因此，本发明是基于提供具有非常小的倾斜角的锥体或甚至柱体，使得板充当主要在切线方向上散射的散射板。这针对办公室照明提供了特别的优点：

板通过仅在切线方向上散射而降低明亮度，因此保留传入的旋转对称光分布。以此方式，在穿过面板之前径向预成形为旋转对称的射束可以维持该对称性；

该布置在办公室工作者或任何其他最终用户的视野中的角度处具有高散射与良好的明亮度降低；

具有高透射，因此具有较少背向散射和对于回收的较少需要，并且这给出高总体效率；

该布置易于生产，例如使用注塑成型工艺；

其使得能够使用具有不同光分布的不同光源；

其具有类似的外观和感受而与所看到的特定光分布无关；

其具有平滑（并且可选地还平坦）的外表面，其易于维护/清洗。

锥体锥角可以小于2度，或者小于1度。

光源优选地包括LED的阵列。

在一个示例中，可以在LED阵列之上提供射束成形元件的阵列，例如在每一个LED之上具有以透镜形式的一个射束成形元件。射束成形功能在光源与面板之间，并且可以调谐以满足本地需要。

射束成形元件可以执行射束成形功能，并且可以产生具有遵守EU办公室规章的良好界限的射束。相同面板可以与蝙蝠翼类型的射束成形透镜一起使用以产生对于北美市场特别有用的非常宽的射束。

射束成形元件可以是：

每LED或每LED集群一个透镜；

每LED（LED集群）一个准直器，诸如TIR准直器或金属反射器或白色反射器；

覆盖LED集群的微透镜板；或者

具有覆盖LED阵列的射束成形表面结构（微透镜、微棱镜）的光学箔。

射束成形阵列可以包括至少第一和第二不同类型的结构。例如，可以针对不同类型的光照使用不同性质的不同微透镜。

基底可以包括与突起相对的侧面上的光散射表面。散射可以是有限的，并且可以然后使得能够防止光源的直视，甚至从直接沿光轴。光源与面板之间的受控漫射器（具有有限的散射）可以用于相同目的。

附图说明

现在将参照附图详细描述发明的示例，其中：

图1示出用于使用在本发明的照明单元中的光修改面板的一个示例的形状的侧视图；

图2a-c示出使用于锥体投影的锥角变化的效果的侧视图；

图3a-d示出多个突起的可能布置的顶视图；

图4示出本发明的光修改面板的另外的示例；

图5a-c以尺寸示出本发明的光修改面板的一个示例；

图6示出可以关于光源阵列布置图5的面板的方式；

图7示出由图5和6的布置引起的光强度分布；

图8示出针对由图5和6的布置引起的光分布的极坐标图；

图9至11示出关于照明单元的不同角度处所感知到的亮度；

图12示出本发明的完整照明单元的第一示例；

图13示出包括预成形透镜的本发明的完整照明单元的第二示例；

图14a-d示出针对生成供预成形透镜使用的任务光和环境光的系统在穿过光学板之前（图14（a）和14（c））和之后（图14（b）和14（d））的光强度分布和极坐标图；以及

图15示意性地示出用于突起的多边形（六边形）、椭圆形和圆形形状。

具体实施方式

本发明提供了一种照明面板，包括光源和以基底之上的突起集合的形式的定位在光源之上的光修改面板，突起面向光源。突起包括圆形/椭圆形/多边形柱体或具有小锥体锥角的锥体区段。

图1示出本发明的光修改面板的一个示例的形状。面板包括基底10和基底之上的突起12集合，突起面向光源（在图1中未示出）。在该示例中，突起包括具有平坦圆顶顶部的圆形柱体。它们可以替代性地包括锥形锥体，但是具有小锥体锥角α（在图5中示出），特别地小于5度（而在图1中α=0°）。突起的高度示出为H并且圆形底部和顶部的直径示出为D。对于锥形锥体区段，参数D取锥体尖端处的较小直径。

该设计为射束形状的维持提供了最优散射功能。出于注塑成型目的，可能需要小于5度或优选地小于2或甚至1度的小锥角，但是对于散射功能不要求锥形。

面板可以由诸如聚甲基丙烯酸甲酯（“PMMA”）或聚碳酸酯之类的塑料材料形成。

为了得到通常视野内的观看角度（与板的法向成大于35度）处的亮度的最优明亮度降低，突起应当具有大于突起的基底直径D的N倍的高度H。该倍数N取决于面板和其中安置面板的介质的折射率。在空气中对于折射率1.49（对于PMMA），值N可以是2.4。

因此H＞ND。在例如给定零锥角的H＞2.4D的情况下，没有大于35度的角度处的光线能够进入顶部刻面处的突起并且在平坦衬底处出射而没有与弯曲突起侧壁的至少一次交互。

对于具有倾斜角α的倾斜侧壁，突起的纵横比由H＞N(D-H*tanα)给出。

值N设置成实现35度阈值，其由下式给出：

1/N=tan(sin^-1((sin35°)/n))给出，其中n是面板材料的折射率。

对于n=1.49，这给出N=2.40，并且对于具有n=1.58的聚碳酸酯，其给出N=2.57。对于典型材料，N在2.3至2.7的范围中。

图2用于示出纯角度散射板与准直板之间的光学功能中的差异。示出面板之前和之后、面板上方和下方的光强度分布。在每一种情况中，进入面板的强度分布示出为朗伯分布。浅处之下的光“a”在所有方向上散射（示出为a'）并且取决于锥角而略微朝向竖直轴折射。陡角之下的光“b”极少被散射。

图2的示例全部在本发明的范围内。然而在图中夸大锥体锥角。

图2（a）示出柱体突起的效果。突起散射处于大角度处的光线“a”，但是不散射垂直于面板的射线“b”。维持射束形状，使得朗伯射束继续为朗伯式。

当突起为略微锥形时，如图2（b）中所示，出射射束略微准直，其可以例如足以遵守针对办公室照明的北美规章。

当突起具有增加的锥角时，如图2（c）中所示，出射射束准直得多得多，使得其可以遵守针对办公室照明的EU规章。

图2（a）的柱体结构是最为光高效的，但是需要不太高效的结构以满足办公室要求。

突起可以以许多方式分布。覆盖有突起的总区域应当相对高。

图3（a）示出突起的规则方形正交网格阵列。图3（b）示出突起的规则六边形网格阵列。图3（c）示出方形正交网格阵列但是旋转45度。图3（d）示出交错的具有不同大小的突起的两个网格。

通过具有小倾斜角，光输入区域（突起的平坦尖端）保持为大。这限制捕获光的倾斜刻面的区域，并且意味着可以避免阻挡掩蔽物，否则可能需要它以防止过多的光经由弯曲侧面进入板。

本发明的布置可以与附加措施一起使用以提供期望的射束形状。

在一个示例中，使用直接放置在LED上的注塑成型的透镜阵列来提供射束成形。由于面板维持旋转对称的射束，因此任何旋转对称射束可以与相同面板设计组合地生成。

面板设计的缺点可以是头顶上的眩光。

与竖直轴的有限角度之下的光极少被散射，其导致从正下方看到的高峰值亮度。

为了降低头顶上的眩光，当直接从照明器下方看回到LED光源时，在图4中示出两个可能的解决方案。

图4（a）示出基本结构。

图4（b）示出应用于模具的纹理40。已知标准纹理可以用于提供有限（例如小于15度FWHM）射束分散，如光路b'所表示的。

图4（c）示出添加面向光源的顶部处的漫射器42的替换方案。

解决头顶上的眩光的这些改进具有对于效率而言的负面折衷并且意味着不再完全维持预成形的旋转对称的照明分布。顶部上的漫射器的使用使得能够实现模块化方案使得它们可以仅在期望时使用。

图5以尺寸示出本发明的光修改面板的第一示例。

该示例用于与以裸LED形式的光源一起使用。面板包括具有使射束准直到其将是遵照EU办公室的这样的程度的截头锥体的板。

一个突起的尺寸在图5（a）中示出，其给出2.94度（tan-1(0.36/7.0)）的锥角。该角度在图5中夸大地示出。

对于折射率1.49，针对该形状的N(D-Htanα)等于：

2.4(2.88-7.0tan2.94°) = 6.048。

因此，该示例满足H > N(D-Htanα)。

图5（b）示出突起布置在阵列中，并且图5（c）示出突起的六边形分布。

总光学系统效率可以大于90%，并且如95%那样高。

该适度锥角3.44度给出具有针对大于65度的角度的合理射束界限的强度分布，遵照针对眩光的EU规章。

图6示出LED阵列62之上的面板60的可能布置，并且示出40mm的示例间隔，以及400mm的总体照明器尺寸（例如方形）。LED间距为60mm，并且突起的间距为3.6mm（因此清楚的是图6在这方面未按比例）。

图7示出关于到法向的角度的强度分布并且图8示出极坐标图。

提供图7和8的结构的模拟发现超过94%的非常高的光学效率。

在图9至11中示出面板的出射窗的亮度分布。图9示出在与光轴成零度处观看到的亮度分布，即在照明器正下方。

图10示出在与光轴成35度处观看到的亮度分布，并且图11示出在与光轴成65度处观看到的亮度分布。

在垂直观看方向上几乎不存在明亮度降低。仅在出射表面处存在略微的高斯散射。亮度分布在65度接近均一，65度是在大办公室中看到照明器的典型观看角度。

图12示出基于光学系统的照明器。图示出总照明器的四分之一剪切图（cut-out）。

在底侧处的是具有发射具有朗伯分布的光的LED 122的阵列的PCB 120。光学出射窗是具有柱体或截头锥体的面板124。对于成本有效的解决方案，面板不覆盖典型办公室照明器的整个区域（其通常为60x60cm或30x120cm或60x120cm），而是覆盖仅为总区域的25-50%的较小区域。其余区域包括反射来自中心区域的光的部分并且形成从明亮的出射窗到天花板的平滑转变的挡板126。

由面板限定的出射窗可以是平坦平面，但是其可以替代性地升高以通过散射增强明亮度降低。为此目的，面板可以包含可以与面板一起形成为单个注塑成型单元的垂直透明侧壁128。

为了确保最大散射而不改变射束形状，这些侧壁上的突起应当具有与顶侧上的突起相同的取向，即竖直取向的柱体或否则线性结构化形状。

图13示出类似的系统，但是具有以放置在PCB上的透镜阵列板130的形式的附加射束形成光学器件。

透镜阵列可以用于更进一步地使射束准直，以改进射束界限以改进眩光降低或者制作用于除一般照明之外的其它应用的更窄的射束。

可替换地，透镜阵列可以具有蝙蝠翼类型，以加宽射束。

在图13中所示的一个具体示例中，透镜阵列130产生两个分立射束：用于任务照明的窄射束和用于环境照明的宽射束。如图13中所示，存在用于两个目的的两个不同设计的微透镜132和134。

这样的系统的光学设计中的挑战在于明亮度降低（需要强散射）和射束维持（需要弱散射）之间的平衡。

这通过解耦两个性质来实现。以此方式，可以获得强散射而不加宽射束。另外，可以使总照明器高度更低。

截头锥体对预成形的射束的效果在图14的强度图中示出。

图14（a）至14（d）的每一个图包括两个曲线，一个针对0度极角处的横截面，并且一个针对90度极角处的横截面。左手图是笛卡尔坐标中的强度分布，相同强度分布在右手图中在极坐标中示出。

图14（a）和14（c）示出两个互补射束（图14（a）中的相对窄射束表示任务光和图14（c）中的较宽“中空”射束表示环境光）。这些一起形成典型办公室照明射束。

将两个互补射束图案用于形成分束照明器例如在WO2011/0369690和WO2013/057644中描述。

图14（b）和14（d）示出根据本发明的一个示例的在穿过光学板之后的相同射束。射束形状关于极角分布大部分维持（极角方向上的极少散射），但是还使射束关于光轴更加旋转对称（切线方向上的良好散射）。

如果针对两个不同角度的两幅图非常不同（如图14（a）和14（c）中那样），其指示非对称光分布。发明系统可以提供充足的角度散射以平滑掉该原始所不期望的性质。

这些图像因此示出两个明显效果。

（i）通过角度散射改进射束旋转对称。输入射束的初始非对称性是非对称低成本LED的所不想要的副作用。

（ii）通过穿过具有倾斜刻面的中间区域而不是通过锥体顶部的光创建散射光的背景。有限量的光还分布在高达90度的高角度之下。这可以基于较宽基底曲线而看到。

第一效果是优点。第二效果是所不期望的。该效果可以通过降低倾斜角来降低。可以使用如1度或0.5度那样低的倾斜角而不是使用在以上示出的模拟中的3.4度示例。

本发明对于室内专业照明、特别是办公室应用而言特别令人感兴趣。典型地，在要光照的空间之上提供照明器的阵列。尽管参照LED照明描述本发明，但是面板可以应用于具有其他类型的光源的照明器。40cmx40cm的面板尺寸当然仅是示例，其代表用作头顶上的办公室照明器。其它尺寸对于其它使用将是适合的，诸如装饰性照明。

相比于针对现有微透镜系统的大约70%，根据本发明的实施例的设计可以导致约90%的效率。

在以上示例中，光修改面板是具有突起的平坦板。然而，总体板可以替代性地是弯曲的。例如，光源可以是没有准直的点源，并且衬底然后可以是具有大半径的半球体，具有面向源的突起。在该情况下，平滑半球体表面垂直于光线，其降低不想要的菲涅尔反射。因此，术语面板不应当理解为要求平坦平面面板，尽管这的确是一个优选实现方式。

如以上提到的，突起可以是圆形、椭圆形或多边形，具有5或更多条边。图15示意性地示出用于突起的多边形（六边形）、椭圆形和圆形形状。对于多边形形状，当边的数目增加时形状近似于圆形。

本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和随附权利要求，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，词语“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何参考标记不应当解释为限制范围。

Claims (14)

1.一种照明单元，包括：

光源；以及

定位在光源之上以用于在来自光源的光输出进入要光照的空间之前修改它的光修改面板，

其中面板包括基底（10）和基底之上的突起（12）集合，突起面向光源，

其中突起包括圆形、椭圆形或至少5边多边形的柱体，或圆形、椭圆形或至少5边多边形的锥体区段，所述柱体或所述锥体区段具有平坦的圆形、椭圆形或多边形顶部，其中对于锥体区段，锥体锥角小于5度，

其中突起（12）每一个具有高度H，其满足H＞N(D-H*tanα)，其中α是锥体锥角，对于柱体α=0，D是尖端的直径，并且N由1/N=tan(sin^-1((sin35°)/n))给出，其中n是面板材料的折射率。

2.如权利要求1中所要求保护的单元，其中对于锥体区段，锥体锥角小于2度。

3.如权利要求1中所要求保护的单元，其中对于锥体区段，锥体锥角小于1度。

4.如权利要求1中所要求保护的单元，其中N在2.3至2.7的范围中。

5.如权利要求1至4中任一项中所要求保护的单元，其中光源包括LED的阵列。

6.如权利要求4中所要求保护的单元，还包括提供在LED阵列之上的射束成形光学布置（130）。

7.如权利要求6中所要求保护的单元，其中射束成形光学布置执行准直功能。

8.如权利要求6中所要求保护的单元，其中射束成形光学布置执行蝙蝠翼光学分布功能。

9.如权利要求6至8中任一项中所要求保护的单元，其中射束成形光学布置包括至少第一和第二不同类型的透镜（132,134）。

10.如权利要求1至4中任一项中所要求保护的单元，其中基底包括与突起相对的侧面上的光散射表面（40）。

11.如权利要求1至4中任一项中所要求保护的单元，其中突起的尖端提供有散射表面。

12.如权利要求1至4中任一项中所要求保护的单元，还包括光源与面板之间的漫射器（42）。

13.如权利要求1至4中任一项中所要求保护的单元，其中面板是注塑成型的。

14.如权利要求1至4中任一项中所要求保护的单元，包括天花板照明器。