CN101699134A - 紧凑型高效光学器件 - Google Patents

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CN101699134A
CN101699134A CN200910138526A CN200910138526A CN101699134A CN 101699134 A CN101699134 A CN 101699134A CN 200910138526 A CN200910138526 A CN 200910138526A CN 200910138526 A CN200910138526 A CN 200910138526A CN 101699134 A CN101699134 A CN 101699134A
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CN200910138526A
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罗纳德·O·伍德沃德
詹姆斯·R·麦克法登
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Magna International Inc
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Abstract

本发明涉及紧凑型高效光学器件。本发明旨在提供一种照明装置,其具有光源、至少一个光学器件、以及形成为光学器件的一部分的至少一个光输入表面,其中光输入表面用于接收基本上所有的从光源产生的光。本发明还包括形成为光学器件的一部分的至少一个光输出表面,使得经由光输入表面接收到光学器件中的光经由光学器件而被引导到光输出表面之外,由此产生期望的光束图案。

Description

紧凑型高效光学器件
技术领域
本发明涉及利用全内反射来制造高效且高功率的照明装置的光学器件。
背景技术
各种类型的照明应用中的光损失是众所周知的。从诸如白炽灯泡和高强度放电(High Intensity Discharge,HID)灯等的光源产生的光取决于使用该光源的应用而以特定方式被引导。由于在使用各种光学器件、反射器等来引导光时发生的各种低效率的情况,从光源产生的一定量的光不能成为期望的光束图案(beam pattern)的一部分。
某些类型的照明应用需要大量的光,但却同时使用低效的光学系统。高强度放电灯(HID灯)经常被用于这些类型的应用,因为它们产生大量的光并且也是能量有效的。然而,HID灯也是昂贵的。
相应地,需要一种照明装置,其具有高光学效率并能够产生HID灯的照明功率,但却可以使用导致降低的系统成本的白炽光源。
发明内容
本发明致力于提供一种照明装置,该照明装置具有光源、至少一个光学器件以及至少一个光输入表面,其中光输入表面被形成为光学器件的一部分,以用于接收从光源产生的基本上全部的光。本发明还包括至少一个光输出表面,其中光输出表面被形成为光学器件的一部分,使得通过光输入表面接收到光学器件中的光经由光学器件而被引导到光输出表面之外,由此产生期望的光束图案。
从下文中提供的详细描述来看,本发明的其它的适用领域将变得明显。应当理解,该详细描述以及特定的示例虽然表示本发明的优选实施例,但却只是旨在举例说明的目的,而不是意图限定本发明的范围。
附图说明
根据所述详细描述以及附图将更充分地理解本发明,在附图中:
图1是根据本发明的照明装置的第一实施例的透视图;
图2是沿图1中的线2-2而取的该照明装置的侧视截面图;
图3是沿图1中的线3-3而取的该照明装置的俯视截面图;
图4是根据本发明的第一实施例的在照明装置中使用的侧部光学器件的第一透视剖视图;
图5是根据本发明的第一实施例的在照明装置中使用的光学器件的第二透视剖视图;
图6是根据本发明的第一实施例的在照明装置中使用的底部光学器件的第一透视剖视图;
图7是根据本发明的第一实施例的在照明装置中使用的底部光学器件的第二透视剖视图;
图8是根据本发明的第一实施例的在照明装置中使用的前部光学器件的第一透视剖视图;
图9是根据本发明的第一实施例的在照明装置中使用的前部光学器件的第二透视剖视图;
图10是根据本发明的第一实施例的在照明装置中使用的侧部光学器件、前部光学器件和底部光学器件的透视剖视图;
图11是根据本发明的第一实施例的照明装置的后视剖视图;
图12是根据本发明的第二实施例的照明装置的第一透视图;
图13是根据本发明的第二实施例的照明装置的第二透视图;
图14是根据本发明的第二实施例的照明装置的正视剖视图;
图15是根据本发明的沿图13中的线15-15而取的侧视截面图;以及
图16是根据本发明的第三实施例的照明装置的第三实施例的透视图。
图1:正视透视图;  图2:侧视截面图;  图3:俯视截面图;
图4:侧部光学器件正视;   图5:侧部光学器件后视;
图6:底部光学器件正视;   图7:底部光学器件后视;
图8:中心光学器件正视;   图9:中心光学器件后视;
图10:侧视剖视图;        图11:后视剖视图;
图12:第二概念侧视图;    图13:第二概念侧后视图;
图14:正视剖视图;        图15:第二概念侧视截面图。
具体实施方式
以下对优选实施例的描述实质上仅是示例性的,并且决不是意图限定本发明及其应用或用途。
在图1-11中总体上以10示出了根据本发明的照明装置的第一实施例。照明装置10包括数个光学器件,这数个光学器件不仅用于产生期望的光束图案,而且还用于允许照明装置10具有全内反射(total internalreflection,TIR)。
照明装置10包括总体上以12示出的第一侧部光学器件以及总体上以14示出的第二侧部光学器件。位于第一侧部光学器件12与第二侧部光学器件14之间的是总体上以16示出的第一前部光学器件以及总体上以18示出的第二前部光学器件。照明装置10还包括总体上以20示出的顶部光学器件和总体上以22示出的底部光学器件。光学器件12、14、16、18、20、22的组合用于接收尽可能多的来自光源24的光和利用全内反射(TIR)的原理,以使照明装置10具有高效率。在本实施例中,光源24是白炽(卤素)灯,但也可以使用诸如发光二极管(LED)或HID之类的其它类型的光源,这是在本发明的范围之内的。用作光源24的白炽灯(当被用作汽车前灯时)与光学器件12、14、16、18、20、22相结合而能够对车辆前方的道路产生900流明以上,而使用典型的反射器系统的前灯将产生最多仅600流明。
在观看图3时可以最佳地看出,第一侧部光学器件12和第二侧部光学器件14具有类似的结构且彼此关于第一轴26基本上呈镜像,并且将被一起进行描述。侧部光学器件12、14均包括与第一轴26相平行的光输入表面28,其中照明装置10基本上是关于第一轴26对称的。光输入表面28是较小的主体部分或第一主体部分30的一部分。侧部光学器件12、14还包括与第一主体部分30一体化地形成的较大的主体部分或第二主体部分32。第二主体部分32包括光输出表面34,光被引导到光输出表面34之外以产生期望的光束图案的至少一部分。侧部光学器件12、14中的每一个的光输出表面34基本上是双曲线形状的。第一主体部分30还包括三个倾斜表面36、38、40,每个倾斜表面都以第一钝角42向第二主体部分32延伸,图3中示出了第一钝角42的例子。还存在从输入表面28向外侧表面46延伸的外弓形表面44。如图4和5所示,第二主体部分32还包括以第二钝角52向输出表面34扩展的上弓形表面48和下弓形表面50。内侧表面54基本上与外侧表面46相平行,并且侧表面46、54基本上与输入表面28相平行。
在图2中可以最佳地看出,前部光学器件16、18也彼此关于第一轴26基本上呈相类似的镜像。每个前部光学器件16、18还包括作为第一主体部分或四分之一圆柱形部分58的一部分的光接收表面56。前部光学器件16、18的光接收表面56基本上垂直于侧部光学器件12、14的光输入表面28。四分之一圆柱形部分58被形成为第二部分或前部60的一部分。在图2和图8-11中可以最佳地看出,前部光学器件16、18具有弯曲表面62,该弯曲表面62被形成为四分之一圆柱形部分58和前部60二者的一部分,并且是双曲线形状的。前部60还包括光散射表面64。光散射表面64基本上垂直于中部外表面66。中部外表面66向弯曲表面62延伸并在交点68处过渡到弯曲表面62。还包括成角度的内表面70。在图2中可以最佳地看出,前部光学器件16、18中的每一个的光散射表面64大致在第一轴26处相互接触,并且基本上垂直于第一轴26。成角度的内表面70均以内角72从输出表面64延伸开来,并与光接收表面56相接触。
在光接收表面56与成角度的内表面70之间的交叉处还存在过渡点74。参照图2,以虚线示出了以基本上垂直的方式而从光接收表面56的边缘延伸开来的表面76。表面76不是前部光学器件16、18的一部分,而是代表四分之一圆柱形部分58与前部60之间的过渡,并且部分58、60被形成为单个部件。在图8中可以最佳地看出,前部光学器件16、18的前部60均还包括两个成角度的外表面78,以80用虚线示出了这两个成角度的外表面78以第二内角从表面76延伸开来,并从光散射表面64朝向表面76延伸。第二内角80是当在前部光学器件16、18处向下看时所取的角度。所描述的各个表面56、62、66、64、70、78的配置产生了如图中所示的前部光学器件16、18的形状。来自光源24的光被光接收表面56接收,并经由四分之一圆柱形部分58和前部60而被引导到光散射表面64之外。由于TIR,基本上全部的经由光接收表面56接收到的光将都被反射到前部光学器件16、18内部,并被引导到光散射表面64之外。
当观看图2、6-7和11时,顶部光学器件20和底部光学器件22彼此关于第一轴26也基本上呈镜像。顶部光学器件20和底部光学器件22包括被形成为第一主体部分84的一部分的光入射表面82。底部光学器件20、22还具有第二主体部分86,并且第一主体部分84和第二主体部分86均被形成为单个单元。第二主体部分86还包括光出射表面88。光入射表面82接收来自光源24的光,然后该光经由第一主体部分84和第二主体部分86而被从光输入表面24引导到光出射表面88之外。光入射表面82并不平行于轴26,而是如同第一输入角90所表示地成角度的,其中第一输入角90是沿以92用虚线示出的基准线而取的角度,并且基准线92平行于轴26。第一梯形表面96位于相对于光入射表面82成另一角度94之处。在图6中可以最佳地看出第一梯形表面96的钝角98。当观看图2时,还存在相对于光入射表面82成角度102的第二梯形表面100。在图7中可以最佳地看出第二梯形表面100的钝角104。
还包括从第二梯形表面100延伸的外弓形表面106。梯形表面100还包括高度108。外弓形表面106是双曲线形状的,并且是第一主体部分84的一部分。内部表面110从第一梯形表面96延伸开来。
光出射表面88位于相对于轴26成角度112之处。如图2所示,第二主体部分86的内部表面110还位于相对于光出射表面88成角度114之处。如图2所示,内部表面110从光出射表面88延伸到第一梯形表面96。外部表面116也被形成为第二主体部分86的一部分。外部表面116基本上平行于轴26,并且从光出射表面88延伸到外弓形表面106。第二主体部分86还包括基本上与外部表面116和内部表面110相邻接的前部侧表面118。外部表面116、内部表面110和前部侧表面118都从光出射表面88延伸到后表面120。在图7中可以最佳地看出,第一梯形表面96从光入射表面82延伸开来,并与在内部表面110与外部表面116之间的后表面120相接触。
顶部光学器件20和底部光学器件22还包括两个不规则表面122,在图6及图7中最佳地示出了这两个不规则表面122。不规则表面122从光入射表面82延伸到第一梯形表面96、第二梯形表面100及外弓形表面106。光入射表面82、第一梯形表面96、第二梯形表面100及外弓形表面106一起形成了第一主体部分84。光出射表面88、内部表面110、外部表面116及后表面120形成了第二主体部分86。
光输入表面28、光接收表面56及光入射表面82用于接收基本上所有的由光源24产生的光。光学器件12、14、16、18、20、22均分别利用TIR原理来收集该光和将该光引导到光输出表面34、光散射表面64和光出射表面88中的每一个之外。因为收集了几乎所有的来自光源24的光、并且光学器件12、14、16、18、20、22均利用TIR原理来工作,因此基本上所有的来自光源24的光都被收集并被引导到照明装置10之外。
本发明的第二实施例是在图12至图15中总体上以124示出的另一类型的照明装置,其接收来自与第一实施例中所描述的光源24相类似的光源的光。第二实施例124基本上关于水平轴126对称,并且包括与第一下部光学器件130基本上相类似的第一上部光学器件128。还存在中心光学器件132,并且中心光学器件132的部分被布置在轴126的上方及下方。第二上部光学器件134位于中心光学器件132的布置在轴126的上方的部分与第一上部光学器件128之间。类似地,第二下部光学器件136位于中心光学器件132的布置在轴126的下方的部分与第一下部光学器件130之间。
第一上部光学器件128与第一下部光学器件130均具有基本上相类似的几何形状。二者均包括第一弓形输入表面138及第二弓形输入表面140。输入表面138和输入表面140均接收来自光源24的光,该光经由具有多个TIR表面的主体部分142而被引导到输出表面144之外。
第二上部光学器件134和第二下部光学器件136均具有单个弓形输入表面146,经由输入表面140接收来自光源24的光,并且该光经由主体部分150而被引导到输出表面148之外。
中心光学器件132具有多个输入表面。中心光学器件132包括第一外弓形输入表面152、第二外弓形输入表面154及中心弓形输入表面156。中心光学器件132还包括主体部分158以及上部成角度的输出表面160、下部成角度的输出表面162和中心弓形输出表面164。来自光源的光被接收到输入表面152、154、156中,并且该光经由主体部分158而被引导到输出表面160、162、164之外。
从图15所示的横截面视图中可以看出,光学器件128、130、132、134、136的输入表面138、140、146、152、154、156都是相互邻接的,使得基本上所有的来自光源24的光都被接收到输入表面138、140、146、152、154、156中。此外,照明装置124也利用TIR原理来产生高效且高功率的照明。光从相应的输出表面144、148、160、162、164出射,以产生期望的光束图案。
图16总体上以166示出了与图1-11中示出的第一实施例10非常相类似的本发明的第三实施例,其中相似的标号表示相似的元件。然而,输出表面34、散射表面64及出射表面88被弯曲以产生与第一实施例的照明装置10产生的光束图案相比不相同的光束图案。
本发明的照明装置10具有许多不同的用途。例如,照明装置10能够用作汽车前灯、停车场的室外灯、或者任何其它的需要高效且高功率的灯的应用。
对本发明的描述实际上仅是示例性的,因此,旨在将不背离本发明的实质的变型包括在本发明的范围之内。不应将这种变型视为背离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种照明装置,包括:
光源;
至少一个光学器件;
形成为所述光学器件的一部分的至少一个光输入表面,用于接收基本上所有的从所述光源产生的光;以及
形成为所述光学器件的一部分的至少一个光输出表面,使得经由所述至少一个光输入表面而接收到所述光学器件中的光经由所述光学器件而被引导到所述至少一个光输出表面之外,以产生期望的光束图案。
2.根据权利要求1所述的照明装置,所述至少一个光学器件还包括:
第一侧部光学器件,能够工作用于接收来自所述光源的光;
布置在所述光源的相对于所述第一侧部光学器件的相对侧的第二侧部光学器件,所述第二侧部光学器件能够工作用于接收来自所述光源的光;
至少一个前部光学器件,能够工作用于接收来自所述光源的光,所述至少一个前部光学器件至少部分地布置在所述第一侧部光学器件与所述第二侧部光学器件之间;
顶部光学器件,能够工作用于接收来自所述光源的光,所述顶部光学器件至少部分地布置在所述第一侧部光学器件与所述第二侧部光学器件之间;以及
底部光学器件,能够工作用于接收来自所述光源的光,所述底部光学器件至少部分地布置在所述第一侧部光学器件与所述第二侧部光学器件之间。
3.根据权利要求1所述的照明装置,还包括:所述至少一个光输出表面具有弓形的形状。
4.根据权利要求1所述的照明装置,其中,所述至少一个光学器件还包括:
基本上位于所述光源上方的至少一个上部光学器件,所述至少一个上部光学器件具有光输入表面;
基本上位于所述光源下方的至少一个下部光学器件,所述至少一个下部光学器件具有光输入表面;
布置在所述至少一个上部光学器件与所述至少一个下部光学器件之间的、具有光输入表面的中心光学器件,使得经由所述至少一个上部光学器件的所述光输入表面、所述至少一个下部光学器件的所述光输入表面、以及所述中心光学器件的所述光输入表面而接收到基本上所有的由所述光源产生的光。
5.根据权利要求1所述的照明装置,其中,所述至少一个光学器件提供对于从所述至少一个光源接收到的光的全内反射。
6.一种照明装置,包括:
光源;
第一侧部光学器件,所述第一侧部光学器件具有能够工作用于接收来自所述光源的光的光输入表面、以及能够工作用于产生期望的光束图案的至少一部分的光输出表面;
第二侧部光学器件,所述第二侧部光学器件具有能够工作用于接收来自所述光源的光的光输入表面、以及能够工作用于产生所述期望的光束图案的至少一部分的光输出表面,所述第二侧部光学器件被布置在所述光源的相对于所述第一侧部光学器件的相对侧,并能够工作用于接收来自所述光源的光;
第一前部光学器件,所述第一前部光学器件具有能够工作用于接收来自所述光源的光的光接收表面、以及能够工作用于产生所述期望的光束图案的至少一部分的光散射表面,所述第一前部光学器件基本上位于所述第一侧部光学器件的一部分与所述第二侧部光学器件的一部分之间;
第二前部光学器件,所述第二前部光学器件具有能够工作用于接收来自所述光源的光的光接收表面、以及能够工作用于产生所述期望的光束图案的至少一部分的光散射表面,所述第二前部光学器件基本上位于所述第一侧部光学器件的一部分与所述第二侧部光学器件的一部分之间,所述第二前部光学器件基本上与所述第一前部光学器件相邻接;
顶部光学器件,所述顶部光学器件具有能够工作用于接收来自所述光源的光的光入射表面、以及能够工作用于产生所述期望的光束图案的至少一部分的光出射表面;以及
底部光学器件,所述底部光学器件具有能够工作用于接收来自所述光源的光的光入射表面、以及能够工作用于产生所述期望的光束图案的至少一部分的光出射表面;
其中,所述第一侧部光学器件、所述第二侧部光学器件、所述第一前部光学器件、所述第二前部光学器件、所述顶部光学器件及所述底部光学器件接收来自所述光源的光,并利用全内反射(TIR)来基本上引导来自所述光源的光以产生期望的光束图案,并且所述照明装置基本上关于轴而对称。
7.根据权利要求6所述的照明装置,所述第一侧部光学器件和所述第二侧部光学器件均还包括:
第一主体部分,所述光输入表面被形成为所述第一主体部分的一部分;
第二主体部分,所述光输出表面被形成为所述第二主体部分的一部分,并且所述第一主体部分及所述第二主体部分被形成为单个单元;
形成为所述第二主体部分的一部分的内侧表面,所述光输出表面基本上与所述内侧表面相垂直;
形成为所述第二主体部分的一部分的外侧表面,所述外侧表面基本上与所述光输出表面相垂直;
形成为所述第一主体部分和所述第二主体部分这二者的一部分的外弓形表面,所述外弓形表面从所述光输入表面延伸到所述外侧表面;
形成为所述第二主体部分的一部分的上弓形表面,所述上弓形表面从所述外弓形表面延伸到所述光输出表面;
形成为所述第二主体部分的一部分的下弓形表面,所述下弓形表面从所述外弓形表面延伸到所述光输出表面;以及
形成为所述第一主体部分的一部分的多个倾斜表面,所述多个倾斜表面从所述光输入表面延伸到所述第二主体部分的所述内侧表面;
其中,所述内侧表面、所述外侧表面、所述外弓形表面、所述上弓形表面、所述下弓形表面以及所述多个倾斜表面能够工作用于提供全内反射,由此将基本上所有的由所述光输入表面接收到的光引导到所述光输出表面。
8.根据权利要求6所述的照明装置,所述第一前部光学器件和所述第二前部光学器件均还包括:
四分之一球形部分,所述光接收表面被形成为所述四分之一球形部分的一部分,并且与所述轴相平行;
与所述四分之一球形部分一体化地形成的前部,所述光散射表面被形成为所述前部的一部分,并且所述光散射表面基本上与所述轴相垂直;
形成为所述前部的一部分的中部外表面,所述中部外表面基本上与所述光散射表面相垂直;
从所述光接收表面延伸到所述中部外表面的弯曲表面,所述弯曲表面被形成为所述四分之一球形部分和所述前部这二者的一部分;
在所述前部的相对于所述弯曲表面的相对侧的、被形成为所述前部的一部分的成角度的内表面,所述成角度的内表面从所述光散射表面延伸到所述光接收表面;以及
形成为所述前部的一部分且基本上与所述成角度的内表面和所述弯曲表面相邻接的多个成角度的外表面,所述多个成角度的外表面均从所述光散射表面延伸到所述光接收表面;
其中,所述中部外表面、所述弯曲表面、所述成角度的内表面以及所述多个成角度的外表面能够工作用于提供全内反射,由此将基本上所有的经由所述光接收表面接收到的光引导到所述光散射表面。
9.根据权利要求6所述的照明装置,所述顶部光学器件和所述底部光学器件均还包括:
第一主体部分,所述光入射表面形成为所述第一主体部分的一部分;
一体化地形成为所述第一主体部分的一部分的第二主体部分,所述光出射表面形成为所述第二主体部分的一部分;
形成为所述第一主体部分的一部分的第一梯形表面,所述第一梯形表面与所述光入射表面相邻接,并从所述光入射表面延伸开来;
形成为所述第一主体部分的一部分的第二梯形表面,所述第二梯形表面与所述光入射表面相邻接,并从所述光入射表面延伸开来;
形成为所述第一主体部分的一部分的外弓形表面,所述外弓形表面与所述第一梯形表面相邻接,并从所述第一梯形表面朝向所述第二梯形表面延伸开来;
形成为所述第二主体部分的一部分的内部表面,所述内部表面从所述光出射表面延伸到所述第二梯形表面;
形成为所述第二主体部分的一部分的外部表面,所述外部表面从所述光出射表面朝向所述第二梯形表面和所述外弓形表面延伸,并且与所述第二梯形表面和所述外弓形表面相接;
形成为所述第二主体部分的一部分的后表面,所述后表面基本上处于所述第二主体部分的相对于所述光出射表面的相对侧,所述后表面从所述内部表面延伸到所述外部表面,并且所述第一梯形表面与所述后表面在所述内部表面与所述外部表面之间的区域中相接触;
形成为所述第二主体部分的一部分的多个前表面,所述多个前表面与所述光出射表面、所述内部表面、所述外部表面以及所述后表面相邻接;以及
多个不规则表面,所述多个不规则表面均被形成为所述第一主体部分的一部分,所述多个表面中的至少一个表面从所述光入射表面延伸到所述第一梯形表面、所述第二梯形表面及所述外弓形表面。
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