專利名稱：具有帶有優化幾何結構的元件的用于指引光束的光學屏幕的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于指弓I光束的光學屏幕，所述光學屏幕具有帶有優化幾何結構 的表面。
背景技術：
已知光學屏幕的特征在于存在由用于指引光束且特別地使光束準直的多個折射 元件組成的一個或多個表面。這些屏幕被廣泛地用于適當地修改由具有寬發射錐的源產生的光強的角分布。特別地，這些屏幕目前被廣泛地應用于基于白熾光源的使用的照明裝置領域以及 基于氣體放電源的那些照明裝置的領域。它們一般適合用于要求有能夠收集從一個或多個源發射的光并將其重新分布的 光學系統的所有照明裝置。在這種情況下，用于指引光束的光學屏幕被廣泛地應用于以照亮包含視頻終端的 工作環境或區域為目的的裝置，其需要亮度值，以由現行規章規定的預定義人機控制視力 標準為基礎，對于高于極限角的發射角而言，該亮度值低于預定閾值。一般從由例如熱塑塑料或玻璃材料組成的透明基底開始制造用于使光束準直的 已知光學屏幕。為了使來自光源的光束改變方向，以便其以某一范圍內的發射角從照明體發射 出，在光束的發射表面上提供此基底，其具有多個突起，一般為圓錐或金字塔形狀，均勻地 分布在整個表面上。遺憾的是，作為光束偏離的副作用，已知屏幕可能在這些射束的一部分被突起本 身反射時導致照明體發射的總光流量的顯著下降。
發明內容
本發明的目標是克服上述缺點，特別是提供一種用于指引光束的光學屏幕，其保 證透射的光的良好質量且同時保證在控制光度分布時的良好有效性。本發明的另一目的是構思一種光學屏幕，其允許使發射的光速在寬角范圍內校準 (collimate)，還保證以大角度發射的輻射量的減少，由此基本上消除不期望的眩目效果。通過提供如權利要求1所指定的用于指引光束的光學屏幕來實現根據本發明的 這些及其它目標。根據本發明的光學屏幕的其它特性是從屬權利要求的對象。
參照隨附示意圖，通過以下說明性且非限制性說明，根據本發明的用于指引光束的光學屏幕的特性和優點將更加明顯，在附圖中圖1是根據本發明的光學屏幕的剖面圖；圖2是根據本發明的第一實施例的在光學屏幕上存在的突起的示意圖3是圖2的突起的示意圖，其說明性地表示沿著允許光束折射的入射角范圍的 其截面輪廓的變化；圖4是根據本發明的第二實施例的在光學屏幕上存在的突起的示意圖；圖5a是根據本發明的從光學屏幕表面顯現出的突起的上方的透視圖；圖5b是具有圖5a所示的突起的屏幕的提高側視圖；圖6是在已知技術的光學屏幕的圓錐突起中光束反射的示意性表示；圖7是根據圖2的突起中的光束反射的示意性表示；圖8是分別比較從被相同源照亮的已知技術的光學屏幕和根據本發明的光學屏 幕發射的光強的角分布曲線的圖表，圖9是應用于OLED器件的根據本發明的光學屏幕的提高側視圖；圖10是相對于發射角將從位于平面玻璃基底上的OLED器件發出的光強值與從位 于根據本發明的光學屏幕上的相同OLED器件發出的光強值相比較的圖表。
具體實施例方式參照附圖，這些圖示出用于指引光束的光學屏幕，整體地用10來指示。此屏幕10包括由透明材料制成的基底11，具有用于光束進入的第一表面13，其與 光源20相對，以及用于光束發射的第二表面12。特別地，第一表面13可以是平坦的，或者其優選地具有突起矩陣，該突起具有根 據蛾眼方案布置的納米尺寸，這為其提供透射幾乎所有入射射束的特性，包括以大入射角 透射的射束。根據本發明，第二表面12提供有多個軸對稱突起14，其沿著垂直于基底11的平面 的方向變窄。這些突起14由旋轉體組成，該旋轉體的母線由至少第一曲線區段16定義。特別地，此第一曲線區段16具有面對旋轉體14的內部的凹度。根據圖2所示的本發明的第一優選實施例，旋轉體14的母線的第一曲線區段16 具有屬于各旋轉軸A的原點。此外，此母線包括至少第二曲線區段15，標記為相對于第一曲 線區段16具有相反的凹度，因此形成旋轉體14的基本為鈴狀的輪廓。因此，此第二曲線區段15具有面對旋轉體14的外部的凹度，且優選地具有與和基 底11的基面的交叉點相對應的末端。在圖4所示的本發明的第二優選實施例中，除第一曲線區段16之外，旋轉體14的 母線還包括至少第二曲線區段15 ‘，其也具有面對旋轉體的內部的曲率，但曲率半徑Ri小 于或等于第一區段16的曲率半徑R2。此第二曲線區段15'優選地與旋轉軸A相應地起始。除第二曲線區段15、15'之外或替換地，所有母線可以包括插在曲線區段16、15、15'之間或與和基底11的基面的交叉點相應地終止或與旋轉軸A相應地起始的直線區段 24。在本發明的兩個實施例中，母線的各段15、15'、16、24可以在具有公切線的點17處相連。在具有相反凹度的曲線區段16、15的情況下，具有公切線的所述點17因此定義描 述母線輪廓的函數中的彎點。
或者，在未示出的本發明的變體實施例中，母線的各段15、15'、16、24在定義描述母線輪廓的函數的第一導數的不連續性的點17處相連，例如尖點。曲線區段15、15'、16中的每一個由一個或多個曲線段組成，每個可以用大于或 等于二階的多項式在笛卡兒坐標中描述。參照圖2所示的第一實施例，在具有面對內部的凹度的第一曲線區段16的每個點 上，曲率半徑R2具有在0. Ih至100h、且優選地從0. 5h至IOh的范圍變化的值，其中，h指 示突起14的高度。在具有面對外部的凹度的每個第二曲線區段15中，曲率半徑R1具有在從0. Ih至 500h、且優選地從0. 5h至50h的范圍變化的值。在旋轉軸A和與對著具有相反凹度的區段15、16的極弦21之間形成的角α可以 在40°至80°值范圍內、優選地在45°與60°之間改變。與頂點18相應的輪廓的切線22與旋轉軸A形成的角x在從40°至90°的范圍變化。輪廓在與由基底11定義的基面的交叉點19處的切線23與該基面之間的角θ可 以具有在從20°到60°的范圍變化、且優選地在35°與45°之間的值。參照圖4所示的第二實施例，在旋轉軸A和對著母線的區段15'、16、24的弦21 之間形成的角α和與頂點18相應的輪廓的切線22與旋轉軸A形成的角χ優選地在已相 對于圖2的實施例定義的范圍內。此外，第一曲線區段16的曲率半徑R2可以具有在相對于第一實施例定義的范圍 內但優選地在從h至IOh的范圍變化的值。不同于第一實施例，第二曲線區段的曲率半徑R1可以具有在從0至10h、且優選地 在從0. Ih至h的范圍變化的值。此外，對著第二曲線區段15'的弦與旋轉軸A之間的角、可以具有在從75°至 90°的范圍變化的值，且對著第一曲線區段16和直線區段24的弦與由基底11定義的基面 之間的角β可以具有在從35°至75°、且優選地在從45°至55°的范圍變化的值。最后，角θ可以具有在從30°至80°、且優選地從40°至60°的范圍變化的值。在本發明的優選實施例中，如圖5a所示，突起14被布置為形成具有六角形單元的 矩陣，以便由旋轉體與具有銘刻在上述旋轉體14的基圓中的六邊形底部的平行六面體的 交集來定義每個突起14。可以類似地將突起布置為形成具有正方形、五角形、八角形單元等的矩陣。每個單旋轉元件14的基圓半徑r可以在0. Imm至5mm范圍內、且優選地在0. 5mm 和2mm之間改變。由于在圖3中參照第一實施例說明性地示出的切線的傾斜角沿著立體輪廓的可 變性，作文本發明的目的的光學屏幕10能夠接收具有在非常寬的值范圍內的入射角的光 束30并正確地使其改向，所述值例如表征由一般熒光燈產生的光強的角分布。換言之，還可以斷定旋轉體14的母線輪廓的特定構造引起形成該母線的光學屏 幕10的性能的顯著提高，同時保證由光學屏幕10產生的光度分布的更有效控制。除此之外，在例如也稱為OLED的有機電致發光器件等固態光源的情況下，使用諸 如本發明的目的的光學屏幕10也是特別有利的。
這些器件是基于在電流通過之后的有機電致發光材料的一個或多個薄膜的一部分上的光發射，且通常由各種層在具有平整發射表面的玻璃基底上的沉積產生。由于以高于總內反射角(TIR)的角在所述玻璃基底中漫射的光束的內部反射的 效果，這些器件的性能被大大降低。根據本發明的光學屏幕10允許提取從有機電致發光器件(OLED)發射的以高于總 內反射角(TIR)的角在玻璃基底中漫射的光束并使其改向，以便提高這些器件的輸出耦合效率。第一比較例參照圖6，考慮折射元件114，其具有由聚碳酸酯制成的已知技術的光學屏幕的圓 錐幾何特性，具有折射率η = 1. 59。在圖6的特定實施例中，折射元件114由在頂點處具有等于104°的角的圓錐體組 成。例如，考慮其光學路徑以相對于旋轉軸A'的10°傾斜角在上述折射元件114內 部漫射的光束30，并假設其撞在其與之形成沿著順時針方向計算的較低角的一側、即圖6 所示的折射元件114的左側的圓錐體輪廓的任一點上，此光將被圓柱體的側面內部反射。聚碳酸酯實際上具有等于39°的總內反射角ΘΤΙΚ。在實踐中，如果折射元件是 在頂點處具有等于104°的角的標準聚碳酸酯圓錐體，則只有相對于與基面的垂直以在 從-1°至77°的范圍變化的入射角入射的射束被折射，并因此被表面本身發射。相反，現在讓我們參照圖7來考慮根據本發明的光學屏幕10的特征軸對稱突起14 的說明性實施例。根據圖7所示的實施例，讓我們考慮由聚碳酸酯制成的光學屏幕10，其表面12以 具有鈴形輪廓的突起14為特征，其中，在加入輪廓的極點的線21之間形成的角2 α等于 104°。照此類推，同樣在這種情況下，考慮以10°的傾斜角在突起14的內部被漫射的光 束30，可以觀察到此射束相對于沿著所述輪廓的入射點的位置不同地偏離。然而，在這種情況下，射束可能在所考慮的點處相對于與界面的垂直以低于39° 的角撞擊定界突起14的表面，并因此被折射。本申請人在用于跟蹤射束的軟件系統的幫助下獲得對以上指定的考慮因素的正 確性的進一步確認，所述軟件系統能夠計算作為本發明目的的光學屏幕10的光強分布曲 線的趨勢，將其與涉及具有已知類型的圓錐幾何結構的光學裝置的那些相比較。第二比較例用位于與聚碳酸酯屏幕的平整表面相距30mm處的朗伯分布來考慮光源。與面向源的一側相反的屏幕一側的特征在于存在具有等于1. 56mm的高度的旋轉 體矩陣且被布置成具有等于2mm的半徑r的六邊形矩陣。在第一模擬中，本申請人假設這些突起是在頂點處具有等于104°的角的圓錐體 114。用圖8中的虛線來表示所獲得的光度曲線。在第二模擬中，本申請人假設這些突起是以根據圖2所示結構的鈴形輪廓和以下 相對參數值為特征的旋轉體14 α = 52° ；隊=3. 062匪；R2 = 2. 617匪；h = 1. 56匪；χ =68° ； θ = 27°。
用圖8中的實線來表示這樣獲得的光度曲線。根據模擬結果的比較，可以推斷，相對于用具有傳統幾何結構的圓錐突起114制造的屏幕的情況，用具有帶有相反凹度的輪廓的元件14制造的根據本發明的屏幕10能夠 更加有效地“切割”以大于45°的角發射的光強，同時保證高得多的性能。第三比較例考慮圖9所示的具有折射率n = 1. 52的玻璃基底11，其具有Imm的厚度。在所述基底11的第一表面13上，存在有機電致發光器件(0LED)20，其以發射光束 的強度的朗伯分布為特征。另一方面，在與跟源20接觸的表面相反的基底11的第二表面12上，存在具有與 六邊形布置的旋轉體一致的突起14的矩陣，其在包含旋轉軸A的平面中具有與圖2所示相 對應的輪廓。特別地，用以下幾何參數來表征旋轉元件14:α = 52° ；隊=3. 062mm ;R2 = 2. 617mm ；h = 0. 976mm ； χ =68° ； θ =27°。圖10示出從表面12發射的光束的強度值，其與發射角相關。從具有實線的曲線，可以觀察到沿著垂直于襯底11的表面的方向發射的光量的 顯著增加，所述曲線用郎布發射來表示從有機電致發光器件(0LED)20發射的光強，該器件 位于根據本發明的提供有鐘形突起矩陣14的折射屏幕10的表面12上。結果，具有突起14的矩陣以便形成根據本發明的光學屏幕10的基底11允許OLED 器件20沿垂直于基底11的平面的方向的輸出耦合效率的增加等于因數2. 25的值，其對應 于上述基底11的外表面12平整(虛線)的情況。作為相對優點，從以上說明可清楚作為本發明的目的的光學屏幕的特性。特別地，很明顯，這些光學屏幕相對于目前使用的具有帶有傳統圓錐幾何結構的 元件的屏幕能夠保證兩個重要優點。第一優點在于可以以大角度發射的光量的有效控制，無論由源產生的光強的角分 布如何。第二優點在于由這些屏幕的突起透射的光量的顯著增加，亦即應用它們的照明體 的總體性能的顯著提高。這兩方面均可歸因于具有根據本發明的輪廓的突起由于母線的特殊構造而在大 的角度范圍內折射光的能力。此特性還與在位于根據本發明的基底或光學屏幕上的有機電場致發光器件 (OLED)中觀察到的輸出耦合效率的顯著提高相關。最后，很明顯，這樣構思的光學屏幕可以經歷許多修改和變更，其全部包括在本發 明中；此外，所有細節可以用技術上等效的元素來代替。例如，可以改變根據本發明的折射 屏幕的顏色以便改變發射的光的顏色。還可以借助于不同的生產技術來制造。根據本發明的優選實施例，可以從模具開始用聚合材料、特別是聚碳酸酯和甲基 丙烯酸酯、或溶膠-凝膠型材料的模制和注射技術來制造光學屏幕，在所述模具的有效表 面上，存在多個一致的腔體以便反面地再現突起14的精確輪廓。模具表面上的多個腔體又 可以借助于數控機器用通過工具處理來制造。
然而，根據技術要求，可以對制造方法、使用材料以及對表征作為本發明目的的光學屏幕的所有參數采取的尺寸進行任何類型的修改。
權利要求
一種用于指引光束的光學屏幕(10)，包括基底(11)，基底(11)具有特別用于光束(30)進入的第一表面(13)和特別用于光束(30)發射的第二表面(12)，基底(11)的所述表面(12、13)中的至少一個具有多個突起(14)，所述突起(14)沿著垂直于所述基底(11)的方向延伸，其特征在于所述突起(14)由圍繞軸(A)的旋轉體組成，所述突起(14)的母線由具有面向所述突起(14)內部的凹度的至少一個第一曲線區段(16)定義。
2.如權利要求1所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于所述第一曲線區段 (16)在每個點處具有在從相關突起(14)的高度(h)的0. 1倍至100倍的范圍變化的曲率 半徑(R2)。
3.如權利要求1或2所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于所述突起(14) 的所述母線包括至少一個第二曲線區段(15、15')。
4.如權利要求3所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于所述第二曲線區段 (15)具有面向所述突起(14)的外部的凹度。
5.如權利要求3所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于所述第二曲線部分 (15)與所述基底(11)相應地終止且所述第一曲線區段(16)與所述旋轉軸(A)相應地起 始。
6.如權利要求4或5所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于所述第二曲線 區段(15)在每個點上具有在從相關突起(14)的所述高度(h)的0. 1倍至500倍的范圍變 化、且優選地在從所述高度(h)的0. 5倍至50倍的范圍變化的曲率半徑(Rl)。
7.如權利要求4至6中的任一項所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于所 述第一曲線區段(16)在每個點上具有在從相關突起(14)的所述高度(h)的0.5倍至10 倍的范圍變化的曲率半徑(R2)。
8.如權利要求4至7中的任一項所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于， 在所述突起(14)的輪廓和由所述基底(11)定義的平面之間的交叉點(19)處，所述突起的 所述輪廓的切線和所述平面形成在從20°至60°的范圍變化、且優選地在從35°至45° 的范圍變化的角(Θ)。
9.如權利要求3所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于所述第二曲線區段 (15')具有面向所述突起(14)的內部的凹度，具有小于或等于所述第一曲線區段(16)的 曲率半徑(R2)的曲率半徑(Rl)。
10.如權利要求9所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于所述第二曲線區 段(15')與所述旋轉軸(A)相應地起始。
11.如權利要求1、2、9或10所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于所述突 起(14)的所述母線包括直線(24)。
12.如權利要求9所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于所述直線(24)與 所述基底(11)相應地終止。
13.如權利要求9至12中的任一項所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于 所述第一曲線區段(16)在每個點處具有在從相關突起(14)的所述高度(h)的1倍至10 倍的范圍變化的曲率半徑(R2)。
14.權利要求9至13中的任一項所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于所 述第二曲線區段(15')在每個點處具有在從相關突起(14)的所述高度(h)的0倍至10倍的范圍變化的曲率半徑(Rl)。
15.如權利要求9至14中的任一項所述的用于指引光束的光學屏幕，其特征在于，在所 述突起(14)的輪廓與由所述基底(11)定義的平面之間的交叉點(19)處，所述突起(14)的 所述輪廓的切線和所述平面形成在從30°至80°的范圍變化、且優選地在從40°至60° 的范圍變化的角(Θ)。
16.如權利要求9至15中的任一項所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于 對著所述第二曲線區段(15')的弦和所述旋轉軸(A)形成在從75°至90°的范圍變化的 角(Y) °
17.如權利要求9至16中的任一項所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于 對著所述第一曲線區段(16)的弦和所述直線區段(24)與由所述基底(11)定義的基面形 成在從35°至75°的范圍變化、且優選地在從45°至55°的范圍變化的角(β)。
18.如前述權利要求中的任一項所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于所 述曲線區段(15、16 ；15'、16)包括由大于或等于二次的多項式定義的一個或多個曲線區 段。
19.如權利要求3至18中的任一項所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于 所述第一和第二曲線區段(15、16 ；15'、16)在具有公切線的點(17)處相接。
20.如權利要求3至18中的任一項所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于 所述第一和第二曲線區段(15、16 ；15'、16)在尖點(17)處相接。
21.如前述權利要求中的任一項所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于旋 轉軸(A)和對著所述母線的所述區段(15、16;15'、16、24)的極弦形成在從40°至80°的 值范圍變化的角(α)。
22.根據前述權利要求中的任一項所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于 所述突起(14)包括頂點(18)，在頂點(18)處，與所述頂點(18)相應的所述突起(14)的輪 廓的切線(22)與所述旋轉軸㈧形成在40°至90°范圍內的角(X)。
23.根據前述權利要求中的任一項所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于 所述突起(14)被布置為形成具有六角形單元的矩陣。
24.根據前述權利要求中的任一項所述的用于指引光束的光學屏幕(10)，其特征在于 所述突起(14)的基圓半徑r在0. Imm至5mm、且優選地0.5mm至2mm的范圍內。
25.一種照明體，其包括至少一個光源(20)，所述光源(20)面向如前述權利要求中的 任一項所述的用于指引光束的光學屏幕(10)。
26.如權利要求25所述的照明體，其特征在于所述光源(20)包括與用于光束(30)的 進入的所述表面(13)相應地布置的一層或多層有機電致發光材料。
27.如權利要求25所述的照明體，其特征在于所述光源(20)是白熾光源。
28.如權利要求25所述的照明體，其特征在于所述光源(20)是氣體放電光源。
全文摘要
本發明涉及用于指引光束的光學屏幕，其包括具有特別用于光束(30)的進入的第一表面(13)和特別用于光束(30)的發射的第二表面(12)，基底(11)的表面(12、13)中的至少一個具有多個突起(14)，該突起沿著垂直于基底(11)的方向延伸，且其特征在于突起(14)由圍繞軸(A)的旋轉體組成，旋轉體的母線由具有面向突起(14)內部的凹度的至少一個第一曲線區段(16)定義。
文檔編號F21V5/00GK101815898SQ200880110102
公開日2010年8月25日 申請日期2008年9月29日 優先權日2007年10月2日
發明者A·古齊尼, G·吉格里, M·曼卡 申請人:伊古齊尼照明有限公司