CN101326401B - 形成照明窗的光学设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于形成照明窗(50)的光学设备，该光学设备包括多个辐射源(11，12，13，14)和光学元件(10)。所述光学元件(10)设置成从多个辐射源(11，12，13，14)产生的辐射形成基本准直的辐射束(20)，其中由相应的多个辐射源(11，12，13，14)产生的辐射基本上未混合。光学设备还包括具有第一透镜板(30)的多个第一子透镜(31)的第一透镜板(30)，其中每个第一子透镜(31)在照明窗(50)处投影一部分辐射束(20)，使得每个第一子透镜(31)的投影至少部分重叠。

Description

形成照明窗的光学设备
技术领域
本发明涉及用于形成照明窗的光学设备。
背景技术
在现有技术中，发光二极管(LED)是众所周知的。LED由半导体管芯形成，在彼此的顶部定位有P型半导体层和N型半导体层。PN结限定在P型半导体层和N型半导体层之间。当向LED施加电压时，吸引P型半导体层中的空穴和N型半导体层中的电子并聚集在PN结。当空穴和电子复合，便产生了光子，导致辐射束(光)。
LED可以位于反射杯中，该反射杯作为用于传输LED产生的热的散热器以及用于反射产生的辐射束的反射器。
LED通常取决于形成PN结的材料的带隙能发射单一波长的光。如今，可以根据用于制造LED的材料产生各种颜色。例如，用砷化镓制造的LED产生红外光和红光。其他的实例是镓铝磷(gallium aluminumphosphide)(GaAlP)对应绿光，磷化镓(GaP)对应红、黄和绿光以及硒化锌(ZnSe)对应蓝光。
LED通常产生未准直的辐射束。因此，已经做出了准直由LED产生的光的努力。特别在高功率LED的领域中，颜色的混合和束成形以及准直光学器件是频繁讨论的主题。甚至在发明LED之前就已知将点源(在本情况下即LED)转变成准直辐射束的不同方法。1922年2月在Revue D6ptique-Théorique et Instrumentale出版的M.Henri Chrétien所著标题为Le télescope de Newton et le télescope aplanétique的文章描述了使用两个反射表面将点源转变成准直辐射束的数学。
这些数学方法用于开发光学元件以准直由LED产生的辐射束。在这篇文章中，“准直束”应理解成表示基本平行(即10°或20°以内的平行)的辐射束。
US 2004/0246606A1描述了位于光源之上的这样的光学元件，该光源例如圆屋顶形(dome)封装的LED或LED阵列。LED定位在所述光学元件的空腔内。以这样的方式形成光学元件，以便LED产生的辐射束通过所述空腔的入口表面进入光学元件。辐射束在作为基本准直辐射束离开所述光学元件之前在光学设备内部经过两次反射。在下面将参考图1更详细地说明根据US 2004/0246606A1的光学元件。
WO 2005/103562A2解决了从多个有色LED产生白光的问题。根据该文献，提供了一种用于将多个LED输出组合成单一的基本均匀混合的输出的光学歧管(manifold)。其他已知的混合技术使用混合杆、光导、反射器或其组合。然而，这些技术相对较大和笨重。
发明内容
本发明的目的是进一步改进现有技术。
这样的光学设备提供用于混合和/或成形基本准直的辐射束的简单和紧凑的工具，所述辐射束例如没有均匀着色。
可以通过选择第一透镜板的第一子透镜的形状来控制所述照明窗的形状。
该要求保护的发明的一个方面提供一种产品，该产品包括容纳如前面定义的光学设备的支架。这样的产品相对紧凑并可用于照明具有特定形状的物体。可以通过选择第一子透镜的形状来控制所述照明窗的形状。
在WO00/036336中公开了一种光学设备，该光学设备包括多个LED和第一光学元件以及第二光学元件，第一光学元件用于从每个相应的LED产生的辐射形成未混合的准直辐射束，第二光学元件用于投影具有相应LED的辐射的至少相互、部分重叠的辐射束。
附图说明
现在将参考一些实施例和附图对本发明进行更详细的描述，所述实施例和附图仅旨在说明本发明而非限制其范围，其范围只受所附权利要求限制。
图1示意性描绘了根据现有技术的光学元件；
图2示意性描绘了根据现有技术的可替换光学元件；
图3a和3b示意性描绘了光学元件的实施例；
图4是根据实施例的辐射束的示意性横截面视图；
图5示意性描绘了一种设置的实施例；
图6a，6b和6c示意性描绘了透镜板的不同实施例；
图7a，7b和7c示意性描绘了照明窗的不同实施例；
图8示意性描绘了一种设置的可替换实施例；
图9a，9b和10a，10b示意性描绘了不同设置的不同实施例。
具体实施方式
US 2004/0246606A1描述了一定数量的光学元件，该光学元件设置成将由例如LED产生的未准直辐射束转变为基本准直的辐射束。
这样的光学元件4的例子示意性地表示在图1中。图1是这样的光学元件4的横截面侧视图，光学元件4是旋转对称的。光学元件4由入口表面1和出口表面7形成。实际上，LED 3位于在入口表面1中形成的空腔2中。LED 3包括如上所述的用附图标记5表示的P层和N层，并定位在圆屋顶形覆盖物6中。图1还表示了电缆8，电缆8连接至LED3，用于为其提供电能。
LED 3产生的辐射通过入口表面1进入光学元件4。随后，在辐射束通过出口表面7离开光学元件4之前，辐射束借助于TIR(全内部反射)由出口表面7反射并由出口表面1反射。出口表面7可以部分是反射镜，例如，在靠近LED 3的中央可以是反射镜。入口表面1是反射镜。选择入口表面1和出口表面7的形状，使得辐射束以基本准直的形式离开光学元件4。
图2示意性描绘了可替换的实施例，表示了根据现有技术的可替换光学元件4′。LED 3完全定位在这个可替换光学元件4′的内部。再次，在辐射通过出口表面7′离开光学元件4′之前，由LED 3产生的辐射在光学元件7′内部反射两次，第一次是被出口表面7′反射，随后是被后表面8反射。光学元件4′也是旋转对称的。
下面将描述本发明的不同实施例。对于技术人员而言明显的是，参考图1和图2描述的光学元件4，4′可以与本发明一起组合使用。也可以使用产生基本准直辐射束的任何其他光学元件。
下面将描述使用光学元件4或可替换物的不同实施例，所述光学元件4或可替换物用于将多个LED组合成一个基本混合的、基本均匀的辐射束。即使调节如参考图1和2描述的根据现有技术的光学元件4，4′出口表面的形状，混合和束成形都是不可能的。
在一个实施例中，提供了一种具有多个定位的LED 11，12，13，14的光学元件10，例如上面参考图1和2所述的光学元件4，4′。其中每个LED 11，12，13，14可以由单个LED或一组LED构成，例如，LED11是一组10个LED(11′，11″，11″′，...)。图3a是这样的光学元件10的示意性横截面侧视图，而图3b是光学元件10的示意性前视图。图3a中的横截面侧视图是在图3b中表示的虚线I-I上截取的。
多个LED 11，12，13，14定位在光学元件10的内部。在图3a和3b中表示的实例中，四个LED定位在光学元件10的内部，当然任何其他数量的LED也可以定位在光学元件10中。同样也可以使用其他类型的辐射源。
在图3a和3b中所示的实例中，LED 11，12，13，14定位在载体15上的光学元件10中。该载体15可以由传导材料制成，但也可以由任何其他类型的合适材料制成。例如，载体15可以由特别适合于消散LED11，12，13，14产生的热的材料制成。
LED 11，12，13，14可以发射不同颜色的辐射。在图3a和图3b中表示的实施例中，第一LED 11可以发射红色辐射，第二LED 12可以发射绿色辐射，第三LED 13可以发射琥珀色辐射以及第四LED 14可以发射蓝色辐射。在可替换的实施例中，可以使用三个LED，第一LED 11可以发射红色辐射，第二LED 12可以发射绿色辐射，第三LED可以发射蓝色辐射。当然，对技术人员清楚的是，可以使用任何适当数目的具有任意颜色组合的LED。LED 11，12，13，14可以具有一种和相同的颜色。
如可在图3a中所见的，光学元件10产生基本准直的辐射束。如上面已经陈述的，术语“准直的”在这里用于表示基本平行的辐射束。为了简单起见，辐射束20在图中被描绘成“完美”准直的辐射束。
应该理解的是，辐射束20不具有均匀的颜色，按照图3a和图3b中所示的取向，沿着线I-I，在顶部主要是红色，在较低侧主要是琥珀色。
实际上，辐射束20具有四种颜色，如图4中所示，图4是如光学元件10发射的辐射束20的横截面视图。
然而，对于技术人员而言明显的是，如果辐射源(即四个LED 11，12，13，14的合成)相对于光学元件10相对较小，那么如光学元件10发射的辐射束20已经在某种程度上被混合。
在一个实施例中，提供了一种用于混合不同LED 11，12，13，14发射的辐射的设备。为了实现之，按照如图5中示意性描绘的实施例提供第一透镜板30和第二透镜板40。第一透镜板30包括多个子透镜31，第二透镜板40包括多个子透镜41。透镜板30，40的子透镜31，41也称为透镜组(lenslets)。
图6a是第一透镜板30和/或第二透镜板40的示意性前视图，它们可以是相似的。可以看到，第一和第二透镜板30，40可以具有正方形形状(或矩形形状)并包括5×5方形子透镜31，41。应该理解的是，对于第一透镜板30和第二透镜板40以及子透镜31，41，子透镜31，41的许多可替换的形状和数目是可以的。
图6b是可替换的第一透镜板30′和/或第二透镜板40′的示意性前视图。可以看到，第一和第二透镜板30′，40′在这个实施例中可以基本是正方形的并包括5×5圆形的子透镜31′，41′。
图6c是另一个可替换的第一透镜板30″和/或第二透镜板40″的示意性前视图。可以看到，第一和第二透镜板30″，40″在此情况下可以基本是圆形的并包括多个六边形子透镜31″，41″(蜂窝)。
应该理解的是，可以想到许多可替换的透镜板30，40。也可以使用不同数量的子透镜31，41。实际上，透镜板30，透镜板40，第一透镜板30的第一子透镜31和第二透镜板40的第二子透镜41可以是相似的，但也可以互相不同，并具有例如不同的大小和/或形状。
根据图5，可以看到透镜30定位在光学元件10的后面，包括一定数量的子透镜31。每个子透镜31具有基本相同的焦距f1。第二透镜板40基本定位在与第一透镜板30相距f1处。
在图5中可以看到，第二透镜板40将第一透镜板30的透镜组31成像到照明窗50上。这个方面由图5中的虚线指示。应当注意，照明窗50距离第二透镜板40相对遥远，出于实用目的，因而可以考虑为远场。第一透镜板可以处于第二透镜板的焦平面中，但是也可以靠近第二透镜板50的焦平面。
光学设备可以包括具有多个第二子透镜41的第二透镜板40，其中第二透镜板40的第二子透镜41在照明窗50处成像第一透镜板30的对应第一子透镜31，以便由第二透镜板40的第二子透镜41投影的第一透镜板30的每个第一子透镜31的像至少部分重叠。
这个照明窗50可以处于远场中，并可以与将被照明的物体重合。在实践中，这样的物体(例如，一幅画，一张桌子，一扇窗，一幢建筑等)可以具有被LED 11，12，13，14照明的表面。这里描述的技术还可以用在投影显示应用中。应当注意的是，照明窗50距离第二透镜板40相对较远，在图中仅示意性地进行了描绘。
这里术语“远场”用于表示照明窗距离第二透镜板40相对遥远。在实践中，透镜板40可以具有仅几厘米的直径，在这种情况下，术语远场可以指大约2m的距离。
在图5中描绘了辐射束20的两个子部分：红色子部分和琥珀色子部分。红色子部分通过第一透镜板30的子透镜31和第二透镜板40的相应子透镜41投影在所述远场中。琥珀色子部分通过第一透镜板30另外的子透镜31和第二透镜板40另外的相应子透镜41投影在所述远场中。
图5示出了在照明窗50中较大程度地混合红色子部分和琥珀色子部分。实际上，由全部的LED 11，12，13，14发射的辐射基本上在照明窗50中被混合。如果LED 11，12，13，14发射不同的颜色，这些颜色在照明窗中混合，产生例如白光。
图7a示意性地描绘了第一透镜板30和第二透镜板40在远场中投影的辐射束20的照明窗50。所述投影包括25个正方形的子投影。每个子投影由第一透镜板30的子透镜31和第二透镜板40的子透镜41的相应对产生。子投影相对彼此而移动。然而，这个移动相比照明窗50的大小可以相对较小，因此在实际使用中可以忽略。这个移动等于相应子透镜31的距离。每个子投影的形状由第一透镜板30的第一子透镜31的形状决定。第二透镜板40的每个子透镜41在远场中成像第一透镜板30的每个子透镜31的轮廓。结果，由不同LED 11，12，13，14产生的辐射束基本上在照明窗中被混合。
应该理解的是，第二透镜板40的子透镜41的数目可以等于第一透镜板30的子透镜31的数目，因为第二透镜板40的每个子透镜41成像第一透镜板30的相应子透镜31的轮廓。为了完成之，第二透镜板40的子透镜41的焦距f2可以基本等于第一透镜板30的子透镜31的焦距f1。第一透镜板30的第一子透镜31也可以定位于相距第二透镜板的相应子透镜41一定距离处，该距离等于第二透镜板40的第二子透镜41的焦距。
也应该理解的是，尽管附图表示照明窗与第二透镜板40相对较近，但是该照明窗处于远场中。
进一步应该理解的是，子透镜31，41的焦距和第一透镜30和第二透镜40之间的相互距离没有必要需要彼此严格相等。例如，等于透镜板30，40的厚度的变化是允许的。可以根据辐射束20的特性或根据一定距离处照明窗50所期望的大小来调节子透镜31，41的焦距和第一透镜板30和第二透镜板40之间的距离。
基于以上，应理解的是，每个子投影的形状，进而照明窗50是由第一透镜板30的子透镜31的形状决定。如果如图6b中所示选择透镜板30′，那么因此每个子投影将基本是圆形的，如图7b中示意性所示。整个照明窗也将粗略是圆形的。如果如图6c中所示使用透镜板30″，那么每个子投影将基本上是六边形的，如图7c中示意性所示。整个照明窗也将粗略是六边形的。然而，应该理解的是，在实践中，如图7a，7b，7c中所示的混合部分与未被完全混合并在实践中小得可以忽略的边缘相比相对较大。
因此远场50中的子投影的形状可以由第一透镜板30的子透镜31的形状决定。结果，这里提出一种有益的和简单的束成形设备。可以根据将被照明的物体形状来选择第一透镜板30的子透镜31的形状。如果具有例如矩形形状的物体将被照亮，那么第一透镜板30的子透镜31可被给予相应的矩形形状。如果一张圆桌将被照亮，可以选择第一透镜板30′的圆形子透镜31′，如图6b和7b中所示。
这里提出的设备还提供了一种混合基本准直束的有益方法。
可以通过改变第一透镜板30的第二透镜板40之间的距离来改变远场50中每个子投影的大小。应理解的是，也可以相应地改变焦距f1和焦距f2。
在一个实施例中，省略了第二透镜板40，如图8中所示。对于技术人员清楚的是，第二透镜板40不再具有成像功能(图5中虚线)。因此与图8中所示设置的混合相比，来自不同辐射源(LED 11，12，13，14)的辐射的混合以及按照图5设置的束成形具有更高的质量。
在另一个实施例中，第一透镜板30具有不同于第二透镜板40的大小，如图9a中示意性所示。在图9a中，与第一透镜板30相比，第二透镜板40相对较小。光学元件10、第一透镜板30和第二透镜板40容纳在支架60中，提供了一种小且紧凑的产品。因为第二透镜板40相对较小，所以该产品可以容易地安装在壁61(或天花板)中，而只要求壁61中相对较小的开口。
第一透镜板30的子透镜31定位在半圆结构或相似结构中。第一透镜板30的每个子透镜31可以具有不同的取向。相应地，第二透镜板40的子透镜41定位在半圆结构中，但是朝着相反的方向，如图9a中可见。第二透镜板40的每个子透镜41可以具有不同的取向。因此，朝辐射束20的传播方向看去，第一透镜板30可以具有凸的(圆)形状，而朝辐射束20的传播方向看去，第二透镜板40可以具有凹的(凹陷)形状。
对于技术人员清楚的是，第一透镜板30的第一子透镜31和第二透镜板40的第二子透镜41相对于它们如图5中所示的取向可以具有相似的倾斜，但是朝着相反的方向。选择的第二透镜板40的每个第二子透镜41的取向可以取决于第一透镜板30的第一子透镜31的取向，或者反之亦然。
根据另一个实施例，第一透镜板30的所有子透镜31与倾斜的取向成直线地定位，第二透镜板40的子透镜41也与倾斜的取向成直线地定位。相对于第二透镜板40的第二子透镜41的倾斜，第一透镜板30的每个第一子透镜31可以具有相反的倾斜。这在图9b中所示。
在图9a和9b所示的实施例中，第一和第二透镜板30，40的第一和第二子透镜31，41的焦距可以变化，因为来自第一和第二透镜板30，40的相应子透镜31，41之间的距离也变化。
在另一个实施例中，球面的或非球面的光学元件(例如(非球面)透镜70)定位在第二透镜板40之后，如图10a中所示。根据一种变形，(非球面)透镜70集成在第二透镜板40中，如图10b中所示。
在另一个实施例中，光学设备包括球面的或非球面的光学元件，例如朝辐射的传播方向看去定位在第二透镜板40之后的透镜70，例如集成在第二透镜板40中的辐射源11，12，13，14在使用中发射所述辐射。
这样的(非球面)透镜70的使用增强了束的性能。
基于以上，多个LED定位在光学元件10中。光学元件10产生的辐射束20被基本准直，但是来自不同LED 11，12，13，14的辐射在远场中仍然未混合。提供透镜板30和可能地第二透镜板40以混合不同LED11，12，13，14的辐射。该被混合的辐射可以用来照明物体，例如墙壁。
第一透镜板30的子透镜31可以具有不同的形状，用来成形光学设备形成的照明窗50。当然，也可以在第一透镜板30的每个子透镜31之后定位光圈，以便成形所述辐射束。
所有的LED 11，12，13，14可以具有不同的颜色。可以通过控制每个LED 11，12，13，14的电流来改变混合照明束的颜色。然而，LED11，12，13，14也可以具有一种和相同的颜色。
所有的LED 11，12，13，14、光学元件10、第一透镜板30和第二透镜板40可以集成在单个支架60或覆盖物中。这样的产品相对较小和紧凑。该产品可以例如大约15cm大，但是也可以小于10cm，在距离第二透镜板40大约2m处产生大约25×25cm的照明窗。
上述实施例提供一种用于混合不同的平行、基本准直的辐射束的简单和紧凑的光学设备。同时，提供了简单和紧凑的束成形工具。虽然上面示出的光学设备在相对较短的距离处提供了相对较大的照明窗，同时还提供有良好的颜色混合以及束成形，但是所述光学设备可以相对较小，具有的长度(从光学元件10到第二透镜板40)可以充分低于10cm。
另外，可以通过载体15在光学元件10的后侧容易地冷却所述(高功率)LED 11，12，13，14。
已经描述了通过混合多个LED 11，12，13，14来形成照明窗的光学设备。然而，明显的是，诸如(光)灯泡、(电晕)放电灯等之类的其他辐射源(光源)也可以用于替换LED 11，12，13，14。
同样明显的是，其他设置可以用于替换位于光学元件10内部的多个辐射源。实际上，第一透镜板30和第二透镜板40可以用于从任何基本准直的、可能未混合的辐射束20形成照明窗。
本着教导本发明的目的，已经描述了根据本发明的方法和设备的优选实施例。对于本领域技术人员明显的是，在实践中可以想到并实现本发明的其他可替换和等效的实施例，而不背离本发明的真正精神，本发明的范围只由所附权利要求限定。

Claims (11)

1.用于形成照明窗(50)的光学设备，该光学设备包括多个辐射源(11，12，13，14)和光学元件(10)，所述光学元件(10)设置成从多个辐射源(11，12，13，14)产生的辐射形成基本准直的辐射束(20)，其中由相应的多个辐射源(11，12，13，14)产生的辐射基本上未混合，
其中光学设备还包括具有第一透镜板(30)的多个第一子透镜(31)的第一透镜板(30)，其中每个第一子透镜(31)在照明窗(50)处投影一部分辐射束(20)，使得每个第一子透镜(31)的投影至少部分重叠，
特征在于，该光学设备进一步包括具有多个第二子透镜(41)的第二透镜板(40)，其中第二透镜板(40)的第二子透镜(41)在照明窗(50)处成像第一透镜板(30)的相应第一子透镜(31)，使得由第二透镜板(40)的第二子透镜(41)投影的第一透镜板(30)的每个第一子透镜(31)的像至少部分重叠。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中多个辐射源(11，12，13，14)由发光二极管(LED)形成。
3.根据前述权利要求任一项所述的光学设备，其中多个辐射源(11，12，13，14)每一个发射不同的辐射波长。
4.根据权利要求1或2所述的光学设备，其中第一透镜板(30)的多个第一子透镜(31)具有以下形状之一：正方形、矩形、圆形、六边形，产生的照明窗具有相应的形状。
5.根据权利要求1或2所述的光学设备，其中第一透镜板(30)的每个第一子透镜(31)具有焦距(f1)，第二透镜板(40)的第二子透镜(41)定位在第一透镜板(30)的每个相应第一子透镜(31)的焦距(f1)处。
6.根据权利要求1或2所述的光学设备，其中第一透镜板(30)的第一子透镜(31)和第二透镜板(40)的相应第二子透镜(41)大小不同。
7.根据权利要求1或2所述的光学设备，其中第一透镜板(30)的每一个第一子透镜(31)具有不同的取向，其中第二透镜板(40)的每一个第二子透镜(41)具有不同的取向，第一透镜板(30)的每一个第一子透镜(31)相对于第二透镜板(40)的每一个第二子透镜(41)的倾斜具有相反的倾斜。
8.根据权利要求1或2所述的光学设备，进一步包括球面或非球面的光学元件。
9.根据权利要求8所述的光学设备，其中所述球面或非球面的光学元件包括朝辐射源(11，12，13，14)在使用中发射的辐射的传播方向看去定位在第二透镜板(40)之后的透镜(70)。
10.根据权利要求8所述的光学设备，其中所述球面或非球面的光学元件包括朝辐射源(11，12，13，14)在使用中发射的辐射的传播方向看去集成在第二透镜板(40)之后的透镜(70)。
11.包括容纳根据前述权利要求任一项所述光学设备的支架(60)的产品。
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