專利名稱：具有用于反射光束的微棱鏡結構的光學元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有微棱鏡結構的光學元件，具體而言，是根據權利要求1前序部分，用做為一種照明設備的蓋體的光學元件。本發明還涉及根據權利要求8的用于制造該種光學元件的方法。
使用這種光學元件或稱照明設備蓋體的效果是例如使照明設備所發出的光束的角度受到限制以便能夠避免或是至少消除給觀察者造成的暈眩。此外，當然這種元件也為照明設備，或具體說是其內部的光源提供了機械式保護。
從例如奧地利專利AT-B-403,403中可知一種如前面所介紹的這類光學元件，這種已知的照明裝置蓋體光學元件在其面向光源的一側上具有以行列形式排列的許多錐狀部分，即所謂的微棱鏡，該錐狀部分以截錐形式構造且具有與底面(光射出面)相平行的上界面(光射入面)，整個照明裝置蓋體完全由透明材料制成。
為了解釋本發明將要解決的問題，在
圖1中示出了根據專利AT-B-403,403的截錐或稱微棱鏡結構。如在其專利說明書中所詳細介紹的，這種已知的微棱鏡結構1具有做為光入射面的頂表面2，被設置成與頂表面相平行并做為光射出面的底面3，以及傾斜的延伸側面4。這種構造方式使微棱鏡1具有截錐體的形狀。出射光束的出射角度ν相對于光出射面3的垂直方向很接近νmax＝60～70°，最好是νmax＝60°，這樣做是為了避免使觀察者從側面看照明設備時發生暈眩。為了也能同時獲得最大程度的光學效率，截錐臺中d，h尺寸的最佳d∶h比值取決于截錐體所用材料的折射率，該截錐體構成了由透明材料制成的微棱鏡1。另外，相鄰的微棱鏡1之間的最優溝槽角度δ約為8～9°，這也形成了數值大約為700μm的微棱鏡網格尺寸。
按照到上述給定的尺寸，即使是對于直接射到了邊緣5處的光或是正好射到截錐體1的邊緣5邊上并通過位于二截錐體1之間的邊緣6的光來說，其結果都是，這些光線將從光射出面3的平面上以角度ν＜60°的角射出。
然而，在實踐中發現，根據制造技術，很難或幾乎不可能觀察到大約為8～9°的溝槽角δ。目前，可以做到以足夠高級別的精度和重復性來實現大約為15°的淘槽角。雖然在截錐體1的高度不變的條件下，既使現實情況下只能獲得δ＝15°的淘槽角，也還是可以得到νmax＝60°的光射出角，但其結果是，由于光射入面2的面積減小，從而使照明設備蓋體的光學效率從大約75～80％降低至大約65％。另一種方法是，為了保持光入射面2的大小，截錐體1的高度h也可被減小。但是在這種情況下，將不再能觀察到最大的光出射角νmax＝60°，這是因為直接從光入射面2的邊緣5直接射入微棱鏡1并且正好經過相鄰截錐體1之間的棱邊6的光束將以平角離開照明設備蓋體。
關于上述類型的又一種照明設備蓋或是光學元件可以由例如專利申請WO 97/36131中得知。在這一書面說明書中所公開的結構一方面在截錐體側壁上有一個反射覆蓋物，目的在于防止光束從微棱鏡側壁射出并降低照明設備的效率，另一方面，該結構在微棱鏡光出射面一側具有一個透鏡系統，以便能在相對于光出射面的平面大致垂直的方向上會聚光束。但是，這種照明設備蓋體的結構相對復雜，因而與AT-B-403,403中的照明設備蓋體相比，制造技術的成本方面要更高一些。
根據對上述現有技術所做的考慮，本發明的目的之一是提供一種本文所介紹的類型的光學元件，該元件可以避免在上述現有技術中所描述的各種缺點，且特別是因采用了可保證光束自光學元件的射出角的照明技術而獲得了很高的光學效率，同時也避免了觀察者的暈眩感。
該目的由具有權利要求1特征的光學元件獲得。
因為由棱鏡頂表面構成的光學元件入射面是以連續或非連續的方式以向外凸起或向內凹陷形式成形的，比較起光入射表面與光出射表面相平行的情況而言，來自光源的光束以不同的入射角入射到元件的光入射平面。通過適當地選擇曲率或稱彎曲程度，以及光學元件內芯材質，特別是其折射率，光束可以相對于光出射平面的垂直方向僅以最大約為60°的出射角從光出射面射出，而同時本照明技術中所使用的光學元件的效率不會因此降低。將棱鏡頂表面成形為凹陷形，從而使入射到頂表面上的光束被以更陡的角度折射進微棱鏡結構，同時不會以一過平的角度射出光學元件。而另一方面，以凸起形式成形的棱鏡頂表面會使以較平的角度入射到頂表面的光束以更平的角度折射入微棱鏡結構，從而在對置的側面結構上被完全反射且以一個足夠小的出射角離開光學元件。
微棱鏡的頂表面的形狀最好是外凸，內凹或是階梯形，但曲面或階梯面不一定非完全覆蓋整個頂面。
根據本發明的光學元件的板狀內芯可以通過對一整塊透明材料進行機械加工來制成，或是通過將透明材料倒入或注入一適當模具并隨后對其施加壓力來制成。
本發明的其他結構優勢及其發展變化構成了從屬權利要求的內容。
下面將結合附圖，對本發明各優選實施例做更為詳細的描述，其中圖1為一截面圖，示出了現有技術照明裝置蓋體的微棱鏡結構；圖2概括性地示出了本發明光學元件第一實施例的透視圖；圖3概括性地示出了本發明光學元件第二實施例的透視圖；圖4概括性地示出了本發明光學元件第三實施例的透視圖；圖5是沿圖2或圖4中的A-A線所做的截面圖，示出了本發明光學元件第一實施例的截面；圖6是一截面圖，示出了本發明微棱鏡結構的第二實施例；圖7是一截面圖，示出了本發明微棱鏡結構的第三實施例；圖8是一截面圖，示出了本發明微棱鏡結構的第四實施例；圖9是一截面圖，示出了本發明微棱鏡結構的第五實施例；圖10是一截面圖，示出了本發明微棱鏡結構的第六實施例；圖11A示出了光束經現有技術光學元件所走的路徑；圖11B示出了多條示例性光束經本發明光學元件所走的路徑。
圖2至圖4從朝向照明設備燈具(未示出)的一側以透視圖的形式分別示出了三個用做為照明設備蓋體的不同的光學元件10，10′和10″。光學元件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。光學元件10，10′和10″各自具有由透明材料制成的板狀內芯11，11′和11″，光學元件的一側被許多微棱鏡12，13所占據，在這種構成方式中，微棱鏡是按下面的方式形成的。即各微棱鏡從它們的根部15處開始逐步形成錐體狀并形成溝槽22。所有的微棱鏡12，13的頂表面14則構成了光學元件的光入射表面，而內芯的另一側21構成了光學元件的光出射表面。
本發明的光學元件10，10′和10″的元件內芯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。首先在此介紹注模浮雕法。該法類似于公知的塑料注模法，但卻是以相對較低的注塑壓力來實現的。在將透明材料注入到模具中后，在仍為液態的材料上施加一個機械力使材料可擠入模具結構中去。
另外，也可以用熱浮雕法制造元件內芯11，其中，液態的透明材料被倒入適當的模具之中，且隨后以類似方式對材料施壓以實現材料的凸起。
再者，也可以對一整個透明材料用機加工方法制出溝槽。這可以用例如金剛石切割器或激光光束以切割方法實現。
制造透明內芯11，11′，11″的又一種方法包括經一擠出頭壓入液態塑料材料，但這種方法只能制出線性結構的微棱鏡13。
在圖2的第一實施例中，光學元件10在其朝向照明燈具的一側具有將微棱鏡12按行，列形式布置而成的外形，各微棱鏡12具有相同的尺寸和方形的底。圖2中的微棱鏡12與圖3、4中所示的一樣均僅以概括性的方式示出，它們的形狀，例如可以與在圖5至圖10中所示出的實施例的相對應并將在下面做進一步的描述。在光學元件第一實施例中，微棱鏡12的矩陣式布置方式的結果是可在二個方向上獲得交叉的降低暈眩的能力。
雖然在光學元件10的第一實施例中，微棱鏡12在行，列中直接地一個接一個地排列，但圖3中所示的光學元件10′的第二實施例中的微棱鏡12是以棋盤方式布置的，也即，在行方向以及列方向上，在二個連續的微棱鏡12之間去掉一個微棱鏡結構，所留出的面積空間對應于一個微棱鏡12底面積的長和寬。第二實施例中的微棱鏡也最好具有一個方形的底。然而，在第一和第二實施例中，均可以用一種不同的多邊形，最好是正多邊形來做為微棱鏡的底。
根據圖4的光學元件10″的第三實施例與上述二個實施例的不同之處在于，光學元件10″上的微棱鏡13在一個方向，例如行方向上延伸至光學元件10″的全長，而在另一方向，如列方向上與圖2和3中的光學元件10，10′的情況一樣被布置成一個接一個地連續方式。也可以與第二實施例相類似地在二微棱鏡結構13之間留出一空行。
以條形方式延伸的微棱鏡結構13的效果是，只在相對于微棱鏡13延伸的方向垂直地獲得降低交叉暈眩的能力。所以根據第三實施例的光學元件10″特別適用于使用長形照明燈具例如熒光燈進行照明的場合。燈具的長度方向與條形微棱鏡13的伸長方向相平行。
此外，如圖4所示，相鄰微棱鏡13之間的間隔空間最好是被一反射材料20，例如具有高反射能力的金屬薄膜所覆蓋。其結果是，只有入射到構成光入射面的微棱鏡13的頂面14的來自燈具的光經光學元件10″被輻射，而入射到蓋體20上的光束被反射回照明設備內部并被一反射器所反射，所述反射器以通常方式，在與光學元件相對的方向上設于燈具的后面。
使用這樣的具有反射作用的蓋體20的作用是，可以進一步提高光學元件的效率。除了在圖4中部分地示出的蓋體20之外，也可以用反射材料將微棱鏡13之間的間隔空間或溝槽22完全充滿。以此方式，微棱鏡13的側壁16也可以被構造成具全反射能力，以使入射到這些側壁16上的光無法離開微棱鏡13。另一種替代方法是，微棱鏡13的側壁16也可以被鍍上一層反射材料或被構造成具備其他反射方式。
上面結合圖4中的光學元件10″所提到的方法也可以被以類似方式應用到圖2和3中的前二個實施例中。
在圖5至10中，分別根據圖2或圖4的剖切線A-A，以截面圖的形式示出了微棱鏡12，13的不同實施例。下面所描述的微棱鏡12，13可以有選擇性地被應用于圖2至圖4中的光學元件10，10′，10″之中。
在圖5中以截面形式示出的微棱鏡結構12，13具有一根部15，其大致構成光學元件的光出射面21，且頂面14被設置成與光出射面大致平行的光入射面。微棱鏡12，13的側面16從根部15向頂面14以傾斜方式稍稍向內延伸以形成一種錐體結構外形。側面16的傾角δ/2決定了光學元件10，10″的相鄰微棱鏡12，13之間的淘槽角δ。微棱鏡12，13最好是方形或矩形，但也可以是其他多邊形，最好是規則的多邊形。
在圖5中，當前第一實施例中的微棱鏡12，13的光入射表面14是凹陷形的，也就是內凹的，所需的曲率取決于微棱鏡12，13的尺寸，更準確地說取決于d∶h的比例以及微棱鏡12，13的透明材料的折射率n。光學領域內的技術人員可以很容易地確定在各種情況下所需的光入射面14的曲率大小，以便能獲得大約為60～70°的最大光出射角νmax。下面將結合圖11A和11B更詳細地描述曲面化的光入射面14的作用。
圖6中所示的微棱鏡12，13的第二實施例不同于上述第一實施例的地方在于光入射面14是凸起的曲面，也即是外凸的。
除了內凹與外凸的曲面形光入射面14之外，也可以如圖7至10中的實施例所示，提供一種階梯式的或是帶棱的光入射面14。
在圖7和8中的二個實施例中，光入射面14由多個局部表面組成，這些局部表面會聚在光入射面14的中心，位于光入射面的(虛擬)平面的上方或下方處，并因此形成一種下凹或上凸結構。在微棱鏡12具有方形底面條件下，例如，這些構成光入射面14的局部表面為三角形。
在圖9和圖10所分別示出的第5和第6實施例中，光入射面14同樣由多個局部表面構成，其中一個局部面被設置成在光入射面14的大致中部位置上與光出射面15和光入射面14的(虛擬)平面相平行，并位于光射入面14的(虛擬)平面的上方或下方。同時其他局部平面將該中心局部平面與微棱鏡12，13的側壁16相連接。
當然，在本發明的范圍內，對參考圖5至10所描述的微棱鏡實例以及其他類似結構進行有選擇性地組合。在連接方式上，頂表面14可以被以連續的或非連續的方式進行下凹或上凸構造，也即，至少頂表面14上有一個局部區域是按下凹或上凸方式進行構造的。
下面將結合圖11A和11B解釋同現有的微棱鏡結構12，13相比，根據本發明的微棱鏡結構12，13的構造在其光學元件10，10′工作模式上的效果。
在圖11A中以截面方式示出了現有技術光學元件。相鄰微棱鏡1之間的溝槽角δ大約為15°，微棱鏡1格間距d大約為700μm，且微棱鏡光入射面2的寬度大約為540μm。所以得到d∶h的比值大約是7∶12。圖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鏡結構1的光入射表面2的棱5之上。由于光學元件透明材料具有相對較高的折射率n，所以光束17被折向相對于光入射面2垂直的方向上，被折射的光束17′從光學元件內芯內部穿過，經過位于相鄰微棱鏡1之間的棱邊6，并入射到底部的光出射面3或是其沿長線上。在光出射面上，光束17′被折射。由于周邊區域具有較小的折射率n，光束17′在光出射面上被在離開與光由出射面3相垂直的方向上折射。從光學元件射出的光束17″所具有的出射角ν，大于所希望的約為60°的最大出射角νmax。所以對于現有技術的光學元件來說，無法完全消除給觀察者造成的暈眩。
與圖11A中的現有技術光學元件相比，在圖11B中的根據本發明的光學元件中，同時帶有以下凹方式和上凸方式形成的光入射面14的微棱鏡結構12，13被示于圖中。通過這個實例，分別示出了二條入射到以下凹方式形成的光入射面14的棱邊上的二條光束18，以及二條入射到以上凸方式構成的光入射面14的棱邊上的二條光束19。此外，在微棱鏡12，13之間的溝槽22處設有反射覆蓋物20。
同圖11A中所示的光路相比，相對于光入射表面以不同角度入射到以下凹或下沉方式構成的光入射表面14邊緣區域上的光束18被在更大程度上折向相對于光入射面的(虛擬)平面相垂直的方向，所以在光學零件10，10′，10″的內芯11，11′，11″中延伸的光束18就以一更陡的角度入射到微棱鏡12，13或內芯11，11′，11″的光出射面21上。雖然這些光束18′也同樣因被折射而偏離開相對于光出射面15垂直的方向，但這時光束的出射角ν將不會超出最大值為νmax＝60°的最大出射角。
另一方面，同圖11A中所示的光路相比，以上凸或突起方式構成的光入射面使得以平角入射到光入射面14的棱邊區域上的光束19被折射向遠離與于光入射面的(虛擬)平面相垂直的方向，從而使光束19′射向微棱鏡12，13的側面16并在此被全反射。其結果是，既使光束19′以一個同圖11A中所示的光路相比更陡的角度入射到微棱鏡12，13或內芯11，11′，11″的光出射表面21上，該光束19′也可以以足夠小的出射角ν離開光學元件(該光用19″表示)。
權利要求
1.一種用于使光束(18，19)發生偏轉的光學元件(10，10′，10″)其中，所述光束進入所述光學元件并再從其中射出，光束的出射角(ν)是受到限制的，所述光學元件具有一由透明材料制成的板狀內芯(11，11′，11″)，其一側上布置有許多微棱鏡(12，13)，微棱鏡從自身根部(15)開始以錐體方式構造，并在各微棱鏡間形成淘槽(22)，微棱鏡的所有頂面(14)構成光入射面，而內芯(11，11′，11″)的另一側(21)構成了光出射面，其特征在于，微棱鏡的頂表面(14)按連續或非連續方式以下凹或上凸形式構造。
2.如權利要求1所述的光學元件，其特征在于，微棱鏡的頂表面(14)被制成上凸或下凹的曲面。
3.如權利要求1所述的光學元件，其特征在于，微棱鏡的頂表面(14)被制成上凸或下凹的階梯形。
4.如上述權利要求之一所述的光學元件，其特征在于，微棱鏡(12，13)的側面(16)被構造成具有反射能力，因而光無法經側面(16)從微棱鏡中射出。
5.如上述權利要求之一所述的光學元件，其特征在于，在相鄰微棱鏡(12，13)之間形成有其反射能力的溝槽(22)，因此光束(18，19)僅能從微棱鏡的頂表面(14)進入光學元件(10，10′，10″)。
6.如上述權利要求5所述的光學元件，其特征在于，相鄰微棱鏡(12，13)之間的淘槽(22)上覆蓋有用反射材料制成的覆蓋物(20)。
7.如權利要求5所述的光學元件，其特征在于，相鄰微棱鏡(12，13)之間的溝槽(22)被填充了反射材料。
8.如權利要求1至7中任一所述的制造光學元件的方法，其特征在于，板狀內芯(11，11′，11″)是通過對一塊透明材料進行機加工得到的。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，用激光束加工所述透明材料塊。
10.如權利要求1至7中任一項所述的制造光學元件的方法，其特征在于，內芯(11，11′，11″)的透明材料被澆鑄或注射到模具中并隨后施加壓力于其上。
全文摘要
一種用做照明設備蓋的光學元件(10,10′,10″),用于對光束(18,19)進行偏轉,該光束進入光學元件,再從其中射出,其出射角ν受到限制。光學元件具有一個透明材料制成的板狀內芯(11,11′,11″),其一側具有多個微棱鏡。這些微棱鏡自其根部(15)起,以錐體形式構造,并在各微棱鏡間形成溝槽(22),其中微棱鏡的所有頂面(14)構成了光入射面,而內芯的另一側(21)構成光出射面。其中微棱鏡的頂面(14)按連續或非連續方式以上凸或下凹形式構造。另外還介紹了一種制造光學元件(10,10′,10″)的方法。
文檔編號G02B5/20GK1306625SQ00800902
公開日2001年8月1日 申請日期2000年4月20日 優先權日1999年5月20日
發明者岡瑟·塞吉科拉 申請人:宗托貝爾·斯塔夫有限責任公司