CN102149964B - 用于产生均匀准直光的紧凑光学系统和透镜 - Google Patents
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Abstract
一种光学系统包含柱形侧面发射透镜（110）、反射器（130）和柱形菲涅尔透镜（150），从而产生具有在正向上的严格准直光的基本上均匀受照射的出射面。柱形侧面发射透镜（110）将来自光源（102），比如安置在一条直线中的多个发光二极管（102）的光重定向为沿着与出射面平行的光轴的侧面发射光。反射器（130）可以是包含多个反射器表面的阶梯状多焦距反射器，从而重定向来自柱形侧面发射透镜（110）的光以照射出射面并且将沿着一条轴的光重定向到正向，所述多个反射器表面具有基于到光源的表面距离和高度的不同焦距。柱形菲涅尔透镜（150）用于将沿着正交轴的光重定向到正向。
Description
技术领域
本发明涉及用于一种产生严格准直照射的紧凑光源的光学系统和透镜，且具体地涉及一种具有窄纵横比的高度低的光学系统，出射面各处的照射被严格准直且是均匀的。
背景技术
许多光源应用具有空间和照射限制。尽管出于节约空间目的而可以使用比如发光二极管的小光源，这些装置需要附加光学系统来产生期望照射。例如，在一些应用中会期望提供一种光源，该光源具有在一区域上是基本上均匀的严格准直的光或照射。期望提供一种光学系统和透镜，其可以从均匀被照亮的表面区域产生严格准直的光，但是不需要大量的空间。
发明内容
依照本发明的一个实施例，一种光学系统包含柱形侧面发射透镜、反射器和柱形菲涅尔透镜，从而产生具有在正向上的严格准直光的基本上均匀受照射的出射面。该柱形侧面发射透镜将来自光源，比如安置在一条直线中的多个发光二极管的光重定向为沿着与出射面平行的光轴的侧面发射光。该反射器可以是包含多个反射器表面的阶梯状反射器，从而重定向来自柱形侧面发射透镜的光以照射出射面并且将沿着一条轴的光重定向到正向，所述多个反射器表面具有基于到光源的表面距离和高度的不同焦距。该柱形菲涅尔透镜用于将沿着正交轴的光准直到正向。
在本发明的另一实施例中，一种柱形侧面发射透镜包含：底表面，该底表面平行于光轴；以及腔体，一个或多个光源可以定位在该腔体内。该腔体的内表面由两个平面表面和一个大致球形表面组成。该透镜的外表面含有全内反射（TIR）反射表面和第一折射表面，该第一折射表面也是平面的且相对于透镜的中心轴倾斜成一角度，该中心轴与光轴正交。第二折射表面从底表面延伸到第一折射表面。从腔体进入透镜且直接入射在反射表面上的光被反射到第一折射表面并且被折射，从而在与该光轴基本上平行的方向上离开该透镜。而且，从腔体进入透镜且直接入射在第二折射表面上的光被折射，从而在也与该光轴基本上平行的方向上离开该透镜。该柱形侧面发射透镜具有在由中心轴和光轴限定的平面内的截面形状，并且在沿着与该光轴和中心轴正交的水平轴的每一点具有相同的截面形状。
在本发明的另一实施例中，一种阶梯状多焦距反射器使用多个反射器表面，所述多个反射器表面定位在距光源不同距离处且定位在相对于光轴的不同高度。最接近光源的反射器表面具有在光轴上的最低高度，且最远离光源的反射器表面具有在光轴上的最大高度。每个反射器表面具有基于反射器表面到光源的距离以及反射器表面在该光轴上的高度的不同焦距。每个反射器表面的焦距构造成将来自光源的光重定向到正向，以及构造在出射面上产生基本上均匀的照射并且基本上准直沿着该光轴的光。
附图说明
图1说明依照本发明的一个实施例可以与紧凑光源（例如发光二极管(LED)）一起使用的光学系统的透视图。
图2和3为图1的光学系统沿正交轴的侧视图。
图4说明柱形侧面发射透镜的一个实施例的透视图。
图5以透视图说明多个耦合在一起的图1的光学系统。
具体实施方式
图1说明依照本发明的一个实施例可以与紧凑光源一起使用的光学系统100的透视图，该紧凑光源为例如发光二极管（LED）102。可以看出，光学系统100具有窄的纵横比，例如为3:1，但是这可以根据需要改变。图2和3分别为光学系统100的沿着长轴101long和短轴101short的侧视图。长轴101long和短轴101short相互正交。光学系统100造成从光源发射的光被基本上均匀地分布遍及光学系统100的出射窗口106并且被严格准直，即，定向到基本上垂直于出射窗口106的平面的方向。本领域中广为理解的是，准直光不是理想准直的，而是可以具有某种程度的角度扩展。
如图3所说明，光学系统100可以与多个光源一起使用，例如，安置在同一平面内且安置在与光学系统100的短轴101short平行的直线中的四个LED 102。任何传统LED 102或其它光源可以与本发明一起使用。在一个实施例中，LED 102产生大致朗伯辐射模式且可以是产生白色光或任何颜色光的磷光体转换蓝色LED。优选地，与光学系统100一起使用的光源产生沿着短轴101short的基本上均匀的辐射。基本上均匀的照射可以例如足够均匀，使得肉眼无法观察到干扰的强烈的光变化。应理解，尽管会存在某些照射变化，但是该变化或者无法被肉眼察觉到或者并不是干扰的。
光学系统100包含柱形侧面发射透镜110，依照本发明的一个方面，该柱形侧面发射透镜将来自LED 102的光重定向到与长轴101long和出射面106平行的方向。图4说明柱形侧面发射透镜110的一个实施例的透视图。柱形侧面发射透镜110具有沿着由中心轴113和透镜110的光轴112限定的平面的截面，该截面在形状上可以类似于比如在通过引用结合于此的US6679621中所描述的旋转对称的传统侧面发射透镜。沿着该截面，柱形侧面发射透镜110包含V形顶部110top，该V形顶部具有反射（例如，全内反射）表面I和折射表面H。反射表面I和若干折射表面形成若干平面，折射表面相对于中心轴113倾斜成一角度。下部110lower具有折射表面116，该折射表面作为平滑曲线从折射表面H延伸到透镜110的底表面118。
LED 102定位在透镜110中的腔体120内部。腔体120的内表面由两个平面表面121和一个大致球形表面122组成。腔体120可含有气体，可以是真空的，或者可包含可以辅助光提取的非气体材料，比如固体、液体或者凝胶。腔体120的外侧面（即，与反射和折射表面I、H和116正交的侧面）可以覆盖有反射膜，其或者覆盖在透镜110上或者覆盖在光学系统100的侧面上。入射在反射表面I上的光的一小部分可以被透射并用于照射出射面106。从腔体120进入透镜110且直接入射在反射表面I上的光被反射到第一折射表面H并且被折射，从而在与光轴112基本上平行的方向上离开透镜110。直接入射在第二折射表面116上的从腔体120进入透镜110的光也被折射，从而在与光轴112基本上平行的方向上离开透镜110。
在图4中可以看出，柱形侧面发射透镜110的沿着由光轴112和中心轴113限定的平面的截面形状在沿着与光轴112正交的水平轴114的每一点都是相同的截面形状。因而，不同于传统侧面发射透镜，柱形侧面发射透镜110不是旋转对称的。应理解，侧面发射透镜110的截面形状是示范性的并且可以根据需要使用侧面发射透镜的其它截面形状。透镜110可以使用例如真空浇铸或注射成型，利用比如聚碳酸酯、PMMA或其它恰当材料的材料来生产。
如图1所示，反射器130存在于光学系统100中，从而将来自柱形侧面发射透镜110的侧面发射光重定向到正向100forward，该正向垂直于长轴100long和短轴100short。光学系统100包含统称为反射器130的两个阶梯状多焦点线反射器130a和130b，所述反射器置于柱形侧面发射透镜110的相对侧面上。如果需要，可以仅仅使用一个反射器130，柱形侧面发射透镜110定位在光学系统100的一个端部。柱形侧面发射透镜110将无需跨过短轴是对称的。在另一实施例中，反射器130可以是在整个长度上具有恰当形状（例如样条曲线）的连续反射器，从而将侧面发射光重定向为正向光。
反射器130包含多个反射器表面132，所述多个反射器表面定位在距柱形侧面发射透镜110不同距离处。附加地，反射器表面132定位在相对于正向100forward测量的不同高度处。可以看出，最高反射器表面132top也最远离柱形侧面发射透镜110，并且最低反射器表面132bottom最接近侧面发射透镜110。反射器表面132可以相互连接，例如经由如所说明的阶梯134，或者可替换地可以是分离的且由光学系统100的侧壁104支撑。而且，可以在图2所示侧视图中更清楚地看出，反射器表面132是抛物线形状的。每个抛物线反射器表面132的焦距选择为对应于反射器表面132和柱形侧面发射透镜110之间的距离。反射器表面132的构造（即，它们的抛物线形状以及位置，该位置包括高度和距柱形侧面发射透镜110的距离）将侧面发射光重定向为正向光，该正向光与由柱形侧面发射透镜110发射的沿正向的那部分光结合而形成沿着出射面106的长度（即沿着长轴100long）基本上均匀的照射。基本上均匀的照射可以是例如足够均匀的，使得肉眼无法观察到干扰的强烈的光变化。应理解，尽管会存在某些照射变化，但是该变化或者无法被肉眼察觉到或者并不是干扰的。
与柱形侧面发射透镜110类似，反射器130可以使用例如真空浇铸或注射成型，利用比如聚碳酸酯、PMMA或其它恰当材料的材料来生产。
利用组合的柱形侧面发射透镜110和阶梯状多焦点线反射器130a和130b，所述光沿着光学系统的长度是基本上均匀的且被严格准直到正向100forward。如图2所说明，相对于长轴和正向100forward，所述光基本上被准直，即，所述光在由正向100forward和长轴100long限定的平面内具有在正向周围±15度的角度扩展α。
光学系统100还包含在出射面106处的柱形菲涅尔透镜150，从而在由正向100forward和短轴100short限定的平面内准直在正向100forward周围的光，如图3所说明。应理解，图3沿着短轴说明光学系统100，但是为了简化起见未示出反射器130。在图3中说明的沿着短轴的截面中观看时，柱形菲涅尔透镜150具有传统菲涅尔构造。柱形菲涅尔透镜150在沿着长轴的每一点具有相同的截面。相对于短轴，柱形菲涅尔透镜150将光基本上准直到正向l00forward，即，所述光具有在正向周围的±15度的角度扩展β。
与柱形侧面发射透镜110类似，柱形菲涅尔透镜150可以使用例如真空浇铸或注射成型，利用比如聚碳酸酯、PMMA或其它恰当材料的材料来生产。
利用柱形侧面发射透镜110、阶梯状多焦点反射器130a和130b以及柱形菲涅尔透镜150，使光学系统100的高度最小化，同时实现了良好的准直程度。通过实例的方式，光学系统100具有90mm×30mm的纵横比，光学高度小于10mm。在一些实施例中，光学系统300可包含耦合在一起的多个光学系统100，如图5所说明。
尽管出于指导性目的而结合特定实施例对本发明予以说明，但是本发明不限于此。可以进行各种调适和调整而不背离本发明的范围。因此，所附权利要求的精神和范围不应限于前述说明书。
Claims (13)
1.一种用于产生在正向上的基本上准直光的光学系统，其中该光学系统具有相互正交的长轴和短轴，并且该正向垂直于该长轴和该短轴，该光学系统包含：
至少一个光源；
柱形侧面发射透镜，其光学耦合到该至少一个光源，该柱形侧面发射透镜构造成将从该至少一个光源发射的光的一部分重定向为侧面发射光，该侧面发射光垂直于该正向且平行于该长轴；其中该柱形侧面发射透镜具有沿着由该正向和该长轴限定的平面的侧面发射透镜的截面形状，以及其中该柱形侧面发射透镜在沿着该短轴的每一点具有相同的截面形状；
至少一个反射器，其定位为接收来自该柱形侧面发射透镜的该侧面发射光并将所述光基本上重定向到该正向，该反射器构造成使得在该光学系统的出射面上产生基本上均匀的照射，并且相对于由该正向和该长轴限定的平面，所述光被基本上准直到该正向；以及
柱形菲涅尔透镜，其耦合成接收来自该至少一个反射器的所述正向光，相对于由该正向和该短轴限定的平面，该柱形菲涅尔透镜基本上准直所述正向光；其中该柱形菲涅尔透镜具有沿着由该正向和该短轴限定的平面的菲涅尔透镜的截面形状，以及其中该柱形菲涅尔透镜在沿着该长轴的每一点具有相同的截面形状。
2.权利要求1的光学系统，其中具有两个反射器，该柱形侧面发射透镜布置在所述两个反射器之间。
3.权利要求1的光学系统，其中该至少一个光源为布置在与该短轴平行的直线中的多个光源。
4.权利要求3的光学系统，其中该光源为发光二极管。
5.权利要求1的光学系统，其中该柱形侧面发射透镜的截面形状包含顶部和底部，该顶部具有V形，该V形的每个臂包含位于该V形的内侧上的反射表面以及位于该V形的外侧上的折射表面，该底部具有作为平滑曲线从该V形的折射表面延伸到底表面的折射表面，该柱形侧面发射透镜的截面形状还包含腔体，该光源布置在该腔体内。
6.权利要求1的光学系统，其中该至少一个反射器为至少一个阶梯状多焦点反射器，该阶梯状多焦点反射器具有定位在距该柱形侧面发射透镜不同距离处且定位在相对于该正向的不同高度的多个反射器表面，该多个反射器表面具有基于每个反射器表面的距离和高度而变化的不同焦距，其中每个反射器表面的焦距、距该柱形侧面发射透镜的距离以及高度的构造在该光学系统的出射面上产生基本上均匀的照射且将所述光基本上准直到正向。
7.权利要求6的光学系统，其中所述多个反射器表面耦合在一起。
8.权利要求1的光学系统，其中由该反射器基本上准直的光具有±15度或更小的角度扩展，以及其中基本上准直光的该柱形菲涅尔透镜产生具有±15度或更小的角度扩展的光。
9.一种柱形侧面发射透镜，其具有光轴、与该光轴正交的水平轴以及与该光轴和水平轴正交的中心轴，该柱形侧面发射透镜包含：
底表面，该光轴与该底表面平行；
腔体，一个或多个光源可以定位在该腔体内；以及
反射表面，该反射表面为平面；
第一折射表面，该第一折射表面为平面且相对于该透镜的中心轴倾斜成一角度；以及
第二折射表面，该第二折射表面从该底表面延伸到该第一折射表面；
其中从该腔体进入该透镜且直接入射在该反射表面上的光从该反射表面反射到该第一折射表面并且被该第一折射表面折射，从而在与该光轴基本上平行的方向上离开该透镜；以及其中从该腔体进入该透镜且直接入射在该第二折射表面上的光被该第二折射表面折射，从而在与该光轴基本上平行的方向上离开该透镜；
其中该柱形侧面发射透镜具有沿着由该中心轴和该光轴限定的平面的截面形状且在沿着该水平轴的每一点具有相同的截面形状。
10.权利要求9的柱形侧面发射透镜，其中该第二折射表面作为平滑曲线从该底表面延伸到该第一折射表面。
11.权利要求9的柱形侧面发射透镜，其中该腔体构造成具有定位在内部的发光二极管。
12.权利要求9的柱形侧面发射透镜，其中该反射表面通过全内反射进行反射。
13.权利要求9的柱形侧面发射透镜，其中该反射表面为第一反射表面，该柱形侧面发射透镜还包含：
第二反射表面，该第二反射表面为平面且与该第一反射表面形成V形；
第三折射表面，该第三折射表面为平面且相对于该透镜的中心轴倾斜成一角度；以及
第四折射表面，该第四折射表面从该底表面延伸到该第三折射表面；
其中从该腔体进入该透镜且直接入射在该第二反射表面上的光从该第二反射表面反射到该第三折射表面且被该第三折射表面折射，从而在与该光轴基本上反平行的方向上离开该透镜；以及其中从该腔体进入该透镜且直接入射在该第四折射表面上的光被该第四折射表面折射，从而在与该光轴基本上反平行的方向上离开该透镜。
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