CN102037276A - 用于不对称光分布的光学元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于校准来自光源(3)的光的光学元件(2)，所述光学元件(2)具有：输入耦合侧(5)，布置成接收所述光；输出耦合侧(6)，布置成允许发射校准后的光；以及元件体，从所述输入耦合侧(5)向所述输出耦合侧(6)延伸，该元件体具有由相互垂直的x轴和y轴限定的与光轴(z)垂直的横截面，其中所述光学元件(2)具有沿着所述x轴的x曲率和沿着所述y轴的y曲率，所述y曲率大于所述x曲率，由此使从所述输出耦合侧(6)发射的所述校准后的光的光分布能够具有与所述光轴(z)垂直的不对称形状(CE)的横截面。本发明也涉及一种包括这样的光学元件(2)的照明系统(1)。本发明的优点在于它可以提供具有在两个垂直查看方向上增加的光束宽度差的不对称光分布。

Description

用于不对称光分布的光学元件
技术领域
本发明涉及一种用于校准来自光源的光束的光学元件，该光学元件具有：输入耦合侧，布置成接收光束；输出耦合侧，布置成允许发射校准后的光；以及元件体，从输入耦合侧向输出耦合侧延伸。
本发明也涉及一种包括这样的光学元件的照明系统。
背景技术
近来，在增加发光二极管(LED)的亮度上已经取得大量进步。因而LED已经变得充分地亮和低成本从而在例如照明系统(例如颜色可调的灯、直视液晶显示器(LCD))中以及在前和背投影显示器中适于作为光源。通过混合和控制不同颜色的LED(例如红色、绿色和蓝色LED)的强度，可以生成任何数目的颜色，例如白色。
为了影响经常广泛扩展开的发射光的方向，具有校准特性的光学元件普遍与一个或者多个LED结合布置。利用校准器例如使光的方向能够在具体方向上变得更对准或者光的空间横截面能够变得更小。US 5,555,329例如描述用于与形成照明系统的光源一起使用的光定向光学结构，该结构涉及在所需方向上对光进行重定向。该结构利用棱镜来提供在强度和方向上对沿着两个垂直查看轴的光分布的控制。然而，公开的光定向光学结构仅允许在两个查看方向上的有限光束宽度差。
为了进一步影响光学效果如光束宽度，普遍在校准器的发射表面上应用蒙砂或者透镜结构。例如为了实现与一个查看轴垂直的相对窄的光束(或者射线)和沿着垂直查看轴的更宽光束，可以利用柱面透镜结构。然而，柱面透镜结构一般仅能在第一查看方向上提供宽度较之于第二垂直查看方向上的宽10°至20°的光束。进一步的光束角度差将导致使用这样的光学结构的照明系统效率更低。
因而需要一种用于提供具有在两个垂直查看方向上的增加的光束宽度差的不对称光分布的新颖布置。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种光学元件，该布置至少减轻现有技术的至少一个问题。
根据本发明，上述目的由用于校准来自光源的光的光学元件实现，所述光学元件具有：输入耦合侧，布置成接收所述光；输出耦合侧，布置成允许发射校准后的光；以及元件体，从所述输入耦合侧向所述输出耦合侧延伸，该元件体具有由相互垂直的x轴和y轴限定的与光轴(z)垂直的横截面，其中所述光学元件具有沿着所述x轴的x曲率和沿着所述y轴的y曲率，所述y曲率大于所述x曲率，由此使从所述输出耦合侧发射的所述校准后的光的光分布能够具有与所述光轴(z)垂直的不对称形状的横截面。
鉴于光学元件的x轴和垂直y轴具有不同曲率而又优选地满足全内反射(total internal reflection，TIR)条件，本发明因此实现发射横截面不对称的校准后的光。也就是说，使从输出耦合侧发射的校准后的光能够形成如下光分布，对于该光分布，与z轴垂直的在与光学元件相距任意但是并非必然距离处的横截面具有不对称形状、优选为椭圆形。椭圆形状在本申请的背景中将被加以广义理解、类似地包括感知为椭圆形的基本上椭圆的形状。也应当注意光、光束和光线这些表达具有等效含义。
应当注意不对称这一表达在本发明的意义上限定参照于x和y轴为不对称的形状、例如椭圆形状。在不对称而不是对称光分布更高效的应用中可能希望不对称形状或者对于一些实施方式来说是椭圆形状。例如为了高效地照亮具有成排植物的园艺布置，希望在一个查看方向上具有窄的光束宽度而在垂直查看方向上具有更宽的光束宽度的光分布。通过在矩阵光照系统中布置一个或者优选多个光学元件，可以通过高均匀度以高效率照亮园艺布置。优选地，可以在也包括光源的照明系统中包括本发明的光学元件。在这样的照明系统中，光学元件的输入耦合侧适合于接收光源(可以是LED)发射的光。
选择光学元件的形状(例如x曲率和y曲率)作为相关参数并且优选地具有获得最佳效率的关系。例如可以相对于彼此限定x曲率和y曲率使得光沿着x轴的最大发散角度比沿着y轴的相对应的最大发散角度大至少15度并且优选地大至少30度。因此，鉴于在两个垂直查看方向上的这样大量的光束宽度差的可能性，本发明为需要这样的功能的应用实现更高效的光分布。
优选地，布置光学元件使得它使从输出耦合侧发射的光分布的横截面形状沿着x轴比沿着y轴具有更大宽度。以这一方式，限定发射的校准后的光分布的优选椭圆形状的沿着x轴和y轴的x曲率与y曲率之比与限定光学元件的曲率相较而言取反。换而言之，当照亮y曲率大于x曲率的光学元件时，发射的校准后的光分布的椭圆的x曲率将大于相对应的y曲率。也就是说，当光学元件在y方向上更宽时，校准后的光分布的椭圆形状将在x方向上更宽。设计使得发射曲率为取反的光学元件代表了一种相对不复杂的构造。
可以用不同方式设计光学元件的输出耦合侧。它的表面可以为平坦、例如光滑和平面化，这使光学元件相对地简单，或者它可以可选地包括蒙砂表面，这由此实现光束宽度的调节。为了更进一步影响光学效果，输出耦合侧可以包括透镜结构。向光学元件提供柱面透镜结构可以造成在与圆柱轴(即在柱面透镜的轴)垂直的方向上的附加光发散。柱面透镜因此可以用于将从输出耦合侧发射的校准后的光调节到所需的光束宽度。
光学元件(可以是校准器)还优选为固体和透明的。它可以由聚碳酸酯(Poly Carbonate，PC)或者聚甲基丙烯酸甲酯(Poly Methyl Metacrylate，PMMA)中的任一个或者组合形成。然而本领域技术人员理解到光学元件也可以是半透明的或者甚至带有颜色并且可以使用其它适当材料来形成。
如上文已经描述的那样，本发明的光学元件因而提供具有在两个垂直查看方向上的增加的光束宽度差的不对称光分布。然而应当注意，从光学元件的输出耦合侧发射的校准后的光可以具有除了所述的不对称形状之外的形状。例如，如果限定比提到的x曲率和y曲率更多的曲率为发散，则与从输出耦合侧发射的校准后的光的光轴垂直的更复杂光分布横截面是可能的。
附图说明
现在将参照示出本发明当前优选实施方式的以下附图更详细地描述本发明的这些和其它方面：
图1是图示了根据本发明一个优选实施方式的照明系统的框图；
图2a提供图1中所示实施方式的校准器的详细视图；
图2b示出了具有替代的输出耦合侧的图2a的校准器，该输出耦合侧具有透镜结构；
图3图示了优选实施方式的示例照明系统中的在xz和yz平面中行进的光的发散角；
图4a至图4d图示了极坐标分布、笛卡尔坐标分布、极坐标轮廓绘图和笛卡尔坐标轮廓绘图的曲线图，这些图示出了从图1的实施方式的照明系统发射的典型光分布；
图5示出了在用于园艺布置的矩阵光照中使用的优选实施方式的一种示例实施。
具体实施方式
现在将参照其中示出了本发明当前优选实施方式的附图在下文中更完全地描述本发明。然而本发明可以用许多不同形式来体现而不应理解为限于这里阐述的实施方式；实际上，是为了透彻和完整而提供了这些实施方式，并且这些实施方式向本领域技术人员完全地传达本发明的范围。相似标号通篇地指代相似元件。
图1是根据本发明一个示例性实施方式的照明系统1的三维图示。系统1包括由光学元件2覆盖的光源3装配到其上的装配壳体4。在所示实施方式中的光源1为LED，然而本发明并不限于此。光学元件2在该例中为校准器，尽管本发明的范围类似地覆盖其它适用替代物。图1的校准器2优选为但是并非必须为固体和透明的。这里，校准器2包括折射率为1.58的聚碳酸酯(PC)。其它适用材料类似地可行，例如折射率为1.49的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者PC和PMMA的组合。鉴于校准器2的折射率高于围绕它的介质(优选为折射率为1.0的空气)，校准器2因而为从LED 3接收的光提供公知的光学现象全内反射(TIR)。
示例性实施方式的校准器2具有覆盖LED 3的输入耦合侧5，据此校准器2被布置成接收从LED 3提供的光。在相对端中，校准器2具有布置成允许发射校准后的光的输出耦合侧6。如上文提到的那样，应当注意光、光束和光线这些表达具有等效含义。
在图2a中示出了图1的校准器2的更详细视图。如图所示，校准器2具有如下形状，该形状与公知校准器不同之处在于与所示校准器2的光轴，即z轴垂直的至少一个任意横截面并非圆形。根据本发明，沿着这样的横截面的曲率结果并不恒定而实际上不对称。在任意处与z轴垂直的横截面由相互垂直的x轴和y轴限定。在示例性实施方式中，校准器2沿着y轴的曲率(称为y曲率)大于沿着x轴的曲率(称为x曲率)。因而，这造成与z轴垂直的具有椭圆形状的横截面而沿着y轴的宽度Wy大于沿着x轴的宽度Wx。在所示例子中，校准器2的高度Hz为5.5mm，而在输出耦合侧6的宽度尺度Wy、Wx分别为14mm和10mm。然而注意其它尺度当然是可行的。尺度如x曲率和y曲率是相关参数并且优选地选择成符合TIR、同时支持所寻求的具有在两个垂直查看方向上的增加的光束宽度差的不对称光分布。
校准器2的输出耦合侧6在示例性实施方式中为平坦而具有光滑表面并且优选地垂直于z轴。然而输出耦合侧可以可选地包括蒙砂表面从而附加地影响校准器2的光学特性。另一替代方式为如图2b中所示让校准器2的输出耦合侧包括透镜结构7。图2b的所示透镜结构为柱面、由此支持经过该结构发射的光沿着x轴(即在与圆柱轴(y轴)垂直的方向上)的附加光发散。
在使用时，示例性实施方式的校准器2从LED 3接收光。图3图示了示例光束_x1、光束_x2、光束_y2、光束_y2如何经过校准器2从LED 3向校准器2的输入耦合侧5行进并且作为校准后的光束经过输出耦合侧6射出。例如光束_x1在xz平面中从LED 3行进经过输入耦合5并且在它到达校准器2的边界时作为TIR的结果而向它所穿过的输出耦合侧6反射。由于公知的折射定律、即由于在输出耦合侧6的边界的另一侧上的介质具有不同折射率，所以光束_x1的速率(即光速)改变，并且光束_x1从z轴按照角度θx射出输出耦合侧6。以相同方式，光束_y1在yz平面中行进并且按照角度θy穿过输出耦合侧6。从输出耦合侧6发射的多个校准后的光(它们之中的光束_x1、光束_x2、光束_y1、光束_y2)形成如下光分布，对于该光分布，与z轴垂直的在与校准器2相距任意距离处的横截面具有椭圆形状CE。注意椭圆形状可以类似地是被感知为椭圆形的基本上椭圆形的形状。在图3中所示例子中，校准后的光分布的椭圆形状CE沿着x轴比沿着y轴具有更大宽度。限定校准后的光分布的椭圆形状CE的沿着x轴和y轴的x曲率与y曲率之比因此与限定光学元件2的曲率相较而言取反。也就是说，在校准器2在y方向上更宽时，校准后的光分布的椭圆形状CE在x方向上更宽。
校准器2的x曲率和y曲率与z轴垂直弯曲的程度自然地影响了校准后的光分布的横截面CE的x曲率和y曲率与z轴垂直弯曲的程度。在所示实施方式中，校准器2的x曲率和y曲率具有如下关系使得光束_x1、光束_x2在xz平面中的最大发散角度θx比光束_y1、光束_y2在yz平面中的最大发散角度θy近似地大30°-35°。换而言之，发射的光分布具有与约为30°-35°的最大发散角度差相对应的分别在两个垂直查看方向上、即沿着x轴和y轴的光束宽度差。在相对于彼此来限定校准器2的x曲率和y曲率、即宽度Wx和Wy时，可以随后限定对发射的校准后的光分布的椭圆形状CE进行限定的相对应的所需x曲率和y曲率。虽然在示例性实施方式中，最大发散角度θx比最大发散角度θy大30°-35°，但是本发明并不限于此。对于一些应用，可能需要15°或者可能25°的最大发散角度差。注意在校准器2的输出耦合侧6上提供蒙砂表面或者透镜结构7可以如先前提到的那样提供对光束宽度的附加调节。
图4a至图4d示出了示例性实施方式的发射的校准后的光分布的图形。图4a图示了强度随角度变化的在相应x和y查看方向上的极坐标光分布，分布_x和分布_y，而图4b类似地图示了笛卡尔坐标光分布。分别在图4c和图4d中图示了发射的校准后的光分布的相对应的极坐标和笛卡尔坐标轮廓绘图。
为了说明用于图1至图4中所示示例性实施方式的一种可行应用，图5描绘了在矩阵光照系统9中包括的多个照明系统1。提供矩阵光照系统9以照亮在纵向方向上延伸而又具有相对窄的宽度的园艺布置8。为了照亮这样的布置8，提供在两个垂直的查看方向上的大量光束宽度差是有效的。如图所示，多个照明系统1各自包括根据本发明的校准器2。由于可以通过高均匀度以高效率照亮园艺布置8，因而有可能提供最佳光分布。
在上述本发明的示例性实施方式中，光源为LED。然而将有可能并且在本发明的范围内使用不同类型的光源，例如本领域中已知的不同类型的固态光源。类似地，有可能使用多个光源。
另外，本领域技术人员认识到本发明决不限于上述优选实施方式。恰好相反，本领域技术人员理解到许多修改和变化是可能的并且在所附权利要求的范围内。例如，从光学元件的输出耦合侧发射的校准后的光分布可以具有除了椭圆形以外的其它形状。例如，如果限定比提到的x曲率和y曲率更多的曲率为发散，则从输出耦合侧发射的校准后的光的与z轴垂直的更复杂的光分布横截面是可能的。

Claims (12)

1.一种光学元件(2)，用于校准来自光源(3)的光，所述光学元件(2)具有：
输入耦合侧(5)，布置成接收所述光；
输出耦合侧(6)，布置成允许发射校准后的光；以及
元件体，从所述输入耦合侧(5)向所述输出耦合侧(6)延伸，所述元件体具有由相互垂直的x轴和y轴限定的与光轴(z)垂直的横截面，
其中所述光学元件(2)具有沿着所述x轴的x曲率和沿着所述y轴的y曲率，所述y曲率大于所述x曲率，由此使得从所述输出耦合侧(6)发射的所述校准后的光的光分布能够具有与所述光轴(z)垂直的不对称形状(CE)的横截面。
2.根据权利要求1所述的光学元件(2)，其中从所述输出耦合侧(6)发射的所述校准后的光的光分布具有与所述光轴(z)垂直的椭圆形状(CE)的横截面。
3.根据权利要求1或2所述的光学元件(2)，其中所述光学元件(2)被布置成使所述形状(CE)沿着所述x轴比沿着所述y轴具有更大宽度。
4.根据任一前述权利要求所述的光学元件(2)，其中限定相对于彼此的所述x曲率和y曲率使得所述光束沿着所述x轴的最大发散角度(θx)比沿着所述y轴的相对应的最大发散角度(θy)大至少15度并且优选地大至少30度。
5.根据任一前述权利要求所述的光学元件(2)，其中所述光学元件(2)为校准器。
6.根据任一前述权利要求所述的光学元件(2)，其中所述光学元件(2)为固体和透明的。
7.根据任一前述权利要求所述的光学元件(2)，其中所述光学元件(2)包括聚碳酸酯(PC)或者聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的任一个或者其组合。
8.根据任一前述权利要求所述的光学元件(2)，其中所述输出耦合侧(6)为平坦。
9.根据任一前述权利要求所述的光学元件(2)，其中所述输出耦合侧(6)包括透镜结构(7)。
10.根据任一前述权利要求所述的光学元件(2)，其中所述光学元件(2)包括在矩阵光照系统(9)中。
11.一种照明系统(1)，包括根据任一前述权利要求所述的光学元件(2)和光源(3)，其中所述光学元件(2)的所述输入耦合侧(5)适合于接收所述光源(3)发射的光。
12.根据权利要求11所述的照明系统(11)，其中所述光源(3)包括发光二极管(LED)。
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