CN102576797B

CN102576797B - 用于非对称光束生成的透镜

Info

Publication number: CN102576797B
Application number: CN201080045239.0A
Authority: CN
Inventors: V.特雷安顿
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-10-08
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: TW201140134A; JP2013507654A; EP2486605B1; CA2776733A1; JP5657679B2; US9039252B2; US20120195040A1; CN102576797A; EP2486605A1; CA2776733C; WO2011042837A1; KR20120093271A

Abstract

本发明涉及一种用于给予非对称光束的光学设备。该光学设备包括具有出射屈光面（12）的透镜（10），该出射屈光面具有包括凸表面（16）的出射表面，该凸表面限定具有第一曲率的弯曲后部（18）和具有与第一曲率不同的第二曲率的弯曲前部（19）。此外，透镜（10）包括入射屈光面（11），该入射屈光面包括用于容纳至少一个光源的至少一个凹形容器（13），凹形容器（13）的表面至少部分地面对弯曲后部（18）。

Description

用于非对称光束生成的透镜

技术领域

本发明涉及用于生成非对称光束的光学设备。该光学设备对于照明加油站是特别相关的；然而，该光学设备可以扩展到用于室内或室外照明的任何其他应用领域，例如尤其是道路、区域或装饰照明。

背景技术

图1绘出了配备有生成非对称光束的灯具1的道路段1的示意性横向视图。该照明器或烛台（candelabra）包括照明器柱2和照明器头3。

已知的是使用反射器创建从室外照明器输出的非对称光束。已经提出了各种不同的反射器系统以提供非对称光束。这样的反射器系统相当庞大。

对于街道照明而言，通常的光源是高强度放电灯，比如钠蒸气灯、荧光气球或荧光管。然而，这些种类的光源相当庞大并且它们需要频繁且耗时的维护。体积庞大的后果在于，照明器头也是庞大的，这在刮风条件下可能是个缺陷。

其他的照明器在于使用发光二极管（LED）作为光源，具有被定形为获得确定且固定的光效的主透镜。这样的类型的主透镜例如记载于WO2008/122941、EP1621918、US2006/138437、WO98/33007中。

如今，基于led的照明器是室内和室外应用越来越希望的。它们相对于传统技术给出了若干优点，其中值得注意的是寿命和更好的光控制。这触发了对于可以覆盖传统光源实现的整个应用范围的专用光学器件的需要。

例如，从US2007/0201225获悉提供了一种用于LED的非对称透镜，其具有重定向光的附加棱镜或扩展部分以便生成非对称光束。

这样的透镜带来具有生产困难且相当昂贵的复杂形状的缺点。而且，这种种类的透镜不能用在各种不同的应用中。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有低生产成本的街道照明器。

本发明实施例的另一个目的是提供一种允许生成非对称光束或对称光束的街道照明器。

本发明实施例的另一个目的是提供一种生成柔和光的街道照明器。

本发明实施例的另一个目的是提供一种具有落在感兴趣区域上的优化光量的街道照明器。

本发明实施例的另一个目的是提供一种具有降低的风敏感性的街道照明器。

本发明实施例的另一目的是提供一种很少需要维护的街道照明器。此外，本发明实施例的一个目的是提供一种具有低操作成本的街道照明器。

为此目的，本发明的一个实施例提出了一种光学设备，并且描述了该光学设备的可选的实施例。

本发明的其他实施例涉及一种照明器头。

本发明的这些和其他方面根据以下描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照这些实施例进行阐述。

附图说明

现在将通过实例参照附图更详细地描述本发明，在附图中：

-图1示出了配备有街道照明器的道路段的示意性横向视图；

-图2示出了依照本发明的光学设备的第一实施例的从上面看的示意性透视图；

-图3示出了依照本发明的光学设备的第一实施例的示意性矢状截面；

-图4示出了依照本发明的光学设备的第一实施例的从上面看的示意性平面图；

-图5示出了依照本发明的光学设备的外透镜反射的光线的示意性侧面正视图；

-图6示出了离开依照本发明的光学设备的透镜的通量的示图；

-图7示出了生成对称光束的依照本发明的光学设备的第二实施例的从上面看的示意性透视图。

具体实施方式

在本说明书中采用以下限定。措词“街道”、“道路”、“汽车道”等等应当被解释为具有相似的含义。

屈光面（diopter）是分离两个具有不同折射率的光传播介质的光学表面。光传播介质的实例例如是空气、玻璃、聚甲基丙烯酸酯或者其他塑料。

透镜是使得光会聚或发散的设备。它由诸如玻璃、聚甲基丙烯酸酯或者其他塑料之类的定形材料件制成。通常，透镜具有两个面或屈光面。面或者其部分可以是平坦的（它不弯曲）、凸的（从透镜向外凸出）或者凹的（凹入透镜）。

二次曲面是二阶表面。例如，球面是二次表面。

元表面是元球的表面。

元球如下进行限定。元球的每个部件C_i可以由三维数学函数f_i(x,y,z)限定，其中x、y、z为空间点坐标。选择阈值T。对于每个点(x,y,z)，计算元球的每个部件的贡献之和S(x,y,z)并且将其与阈值T进行比较：

（方程1）。

这个函数限定了标量场。如果S(x,y,z)低于阈值T，那么点(x,y,z)处于元球体积内部；如果S(x,y,z)等于阈值T，那么点(x,y,z)在元球表面上，即在元表面上。否则，点(x,y,z)处于元球外部。换言之，以下不等式代表由部件C_i限定的元球内包围的体积：

（方程2）。

球面可以由以下方程表示，其中(x_o,y_o,z_o)为球面的中心坐标并且r为球面的半径：

（方程3）。

此外，具有z轴的圆柱可以由以下方程表示，其中r为该圆柱的半径：

（方程4）。

众所周知的是，S(x,y,z)可以利用多项式函数逼近，以便加速元球和元表面的计算。与元球和元表面有关的另外的发展可以在因特网上找到。

如上所述，本发明的实施例涉及用于给予（impart）非对称光束的光学设备。

参照图2-4，所述光学设备包括具有入射屈光面11和出射屈光面12的透镜10。优选地，透镜10被设计成使得它能够将圆形光束定形为具有基本上均匀的光强度的非对称光束。这允许使用诸如发光二极管（LED）之类的通常发射圆形光束的光源。其他的光源可能是适当的。然而，LED的优点在于，它们是小型光源。因此，构造结合了多个LED的薄照明器头变成可能，每个LED配备有依照本发明的光学设备，以便将圆形光束定形为细长光束。例如，将LED及其关联的光学设备设置在多个行和列中。通过给予光束适当的方位（bearing），有可能朝道路定向细长的光束并且照亮道路，而不是在灯头下笔直向下照明。而且，有可能如下文中将要描述的将散热器置于LED之后（即关于LED与光学设备相对）、两行LED之间，而对照明器头的薄度具有最小的影响。而且，由于电力成本高的原因，LED的高效率是有益的。

透镜10具有入射屈光面11，该入射屈光面是凹的。它可以设置为用于光源的容器（lodging）。入射屈光面11的大体形状不是透镜2的基本特征。然而，优选的是入射屈光面11的大体形状为球形或者至少为二次曲面。实际上，这样的形状对于光线分布具有最小的影响。这意味着当光线经过这样的入射屈光面11，尤其是球形屈光面时，光线分布保持大部分不受影响。

如图2和图3所示，每个凹形容器13优选地是球面的一部分，该部分通过包含在相距球面中心0.1*r与0.8*r之间的距离处的平面截取，其中r为球面的半径。在图2-5绘出的实例中，截取平面对于4.9（例如以毫米为单位）的半径而言位于3.4处。基表面14位于透镜10的基底，在入射屈光面11与出射屈光面12之间延伸。光源优选地应当相对于入射屈光面11设置，例如设置在容器13中，使得没有来自光源的光经过基表面14。这可以通过使用朗伯型LED而改进，即使依照本发明也可以使用其他类型的LED。这并不意味着绝对没有光穿过基表面14，而是仅仅意味着基本上光源发射的所有光优选地朝入射屈光面11定向。优选地，基表面14基本上内切基平面。这使得依照本发明的光学设备的制造以及所述光学设备在更大的照明设备中的装配容易。

优选地，如图2所示，依照本发明的光学设备具有至少一个垂直对称平面A，即透镜10的矢状面，其也垂直于基表面14内切的基表面14。矢状面A和基表面14相交于透镜10的中心线15。优选地，光源位于透镜2的中心线15上。优选地，所述容器13具有穿过所述光源的对称轴。

应当指出的是，所述容器13可以接纳多个光源而不脱离本发明的范围。而且，透镜10可以包括多个容器13，其中容器13以及还有光源的几何中心位于透镜10的矢状面内。

最重要的是透镜2的出射屈光面4的形状以及光源的位置。实际上，主要是出射屈光面12的形状决定了透镜10出口处的光线分布。出射屈光面12包括出射表面，该出射表面呈现包括第一凸段16和明显地垂直于透镜10的矢状面的平坦面17的凸表面。

优选地，所述第一凸段16和平坦面17限定了这样的连续表面，该连续表面在笛卡尔正交坐标系统中围绕合并透镜10的中心线15的至少一个旋转轴旋转地构造，在所述坐标系统中，x轴和y轴位于透镜的矢状面内并且z轴位于平坦基表面14内。

可替换地，整个出射屈光面12可以包括旋转对称表面。这意味着在Z位置处，相应表面点的半径对于任何角位置具有相同的值：这是围绕中心线15的旋转对称性。

在本发明的一个优选实施例中，出射屈光面12包括出射表面，该出射表面包括凸表面16，该凸表面限定具有第一曲率的弯曲后部18和具有与第一曲率不同的第二曲率的弯曲前部19。后部18在平面中的轮廓，比如在如例如图3和图5中所绘的矢状面中的轮廓由至少3阶的第一多项式方程描述，并且前部19在相同平面中的轮廓由至少5阶的第二多项式方程描述，其中多项式方程的x和y参数由彼此垂直且位于矢状面内的x轴和y轴限定，其中所述x轴和y轴的原点是光源的几何中心。

图2-5的透镜10由以下第一多项式方程：y=-0.61x⁴-7.74x³-36.47x²-74.40x–49和以下第二多项式方程：y=-3E-05x⁶+0.0009x⁵-0.0086x⁴+0.0242x³-0.0307x²+0.5574x+8.2846（例如以毫米为单位）限定。x轴和y轴的原点是该光源的几何中心（如果存在仅仅一个光源）或者这些光源的几何中心（如果存在多个光源）。

后部和/或前部的表面可以由多项式方程限定的轮廓围绕限定为所述矢状面与平坦基表面14之间的交线的轴15旋转地构造。然而，可以提供更加复杂的构造。

前部离后部的远侧部分是垂直于平坦基表面14的平坦面17。所述平坦面17与描述前部19的轮廓的第二多项式方程的渐近线相应。

接纳光源，可选地接纳朗伯型LED的容器13置于透镜的矢状面上，即所述透镜10的中心线上，在所述透镜10的后端与前端之间的距离的1/4处。通过这种方式，后部18被优化以便最大化全内反射并且因而向前部19发送在别的情况下将向后行进的光线。轮廓的前部19被优化以便尽可能多地透射光并且从而最小化弹射回到后部18的光线。应当指出的是，通过这种方式，透镜10被设置成使得光源直接发射的光的至少50%以及优选地至少75%在弯曲后部18上被反射，并且在透镜表面上反射的或者由光源直接发射的光的至少50%以及优选地至少90%透射通过前部19。而且，应当指出的是，透镜10被设置成使得输出光束至少在矢状面内彼此平行。因此，从光学设备输出的光可以高效且远程地照亮要照射的区域。

此外，取决于后部以及相应地前部的轮廓，入射屈光面11的容器13可以沿着中心线15定位在透镜10的后端与所述透镜10的中间部分之间。

图5在2D中示出了由点状朗伯型光源发射的光线跟随的通过如图2-4所示的光学设备的路径。这种光源通常导致圆形光束。LED20可以近似为点状光源。

图6示出了依照2-5的透镜10对于朗伯型LED20发射的锥形光束的影响。看起来后部18被优化以便最大化全内反射并且因而向前部19发送在别的情况下将向后行进的光线，并且轮廓的前部19被优化以便尽可能多地透射光并且从而最小化弹射回到后部18的光线。

图6示出了出射屈光面12处的光束的极坐标表示。该表示表明光束显然是非对称的。

然而，可能希望的是提供对称的出射光束。

图7表示依照本发明的光学设备的另一个实施例。在该实施例中，两个透镜10相互面对，第一透镜10的平坦面17面对第二透镜10的平坦面17。透镜10的矢状面A合并并且所述透镜10置于给定距离d处。这种构造允许以这样的方式生成对称光束，使得所述透镜10可以在生成对称光束或者非对称光束的照明器构思中使用。

应当指出的是，LED是用于街道照明的标准光源的良好替代方案。可以将大量的LED安装到每个照明器头上以便提供充分的照明。为了提供吸引人的产品，照明器头的尺寸应当保持合理地低。

LED的优点之一是小型化。在室外用具中，这允许利用小型化光学器件减小照明器头的厚度。本发明提出了易于设计且适于大范围配置的用于LED的光学器件。

通常，依照本发明的透镜10通过依照公知技术的压缩成型或注射成型而制造。优选地，它们利用透明材料来制成。取决于希望的应用，该材料可以是有色的或无色的。例如，适当的材料是聚甲基丙烯酸酯，更特别地为聚（甲基丙烯酸甲酯）。可以使用其他的透明塑料，例如聚碳酸酯。

依照本发明实施例的光学设备可以用于例如街道照明器。这样的街道照明器包括在照明器杆顶部提供的照明器头。照明器头包括用于多个照明设备的支撑，这些照明设备设置在照明器头的支撑之下并且朝地面定向。

每个照明设备包括相对于光传播处于至少一个光学设备的上游的至少一个发光二极管（LED），所述光学设备比如例如图2-5的实施例，所述光学设备具有基本上相同的方位以生成非对称光束。

为了提供生成对称光束的街道照明器，照明器头可以包括多个发光二极管（LED），至少一个LED设置在如图2-5中所描述的每个光学设备的上游，所述光学设备成对设置，其中如图7所示每对的两个透镜（10）相互面对，第一透镜（10）的前部面对第二透镜（10）的前部以便生成对称光束。

本发明的附加修改和改进对于本领域普通技术人员也可以是清楚明白的。因此，本文描述且图示的部分的特定组合意在表示本发明的仅仅一些实施例，并非意在用作本发明的精神和范围内的可替换设备的限制。

以下权利要求书中的任何附图标记都不应当被视为限制了权利要求。显然，动词“包括”及其变体的使用并没有排除存在任何权利要求中未限定的任何其他元件。元件之前的措词“一”或“一个”并没有排除存在多个这样的元件。

Claims

1.一种用于给予非对称光束的光学设备，所述光学设备包括透镜（10），该透镜具有：

（i）出射屈光面（12），其包括出射表面，该出射表面包括凸表面（16），该凸表面限定具有第一曲率的弯曲后部（18）和具有与第一曲率不同的第二曲率的弯曲前部（19）；

（ii）入射屈光面（11），其包括用于容纳至少一个光源的至少一个凹形容器（13），凹形容器（13）的表面至少部分地面对弯曲后部（18），

其中透镜（10）被设置成使得光源直接发射的光的至少50%在弯曲后部（18）上经由全内反射而不利用反射器或反射涂层被反射，并且在透镜（10）表面上反射的以及由光源直接发射的光的至少50%透射通过前部（19）。

2.权利要求1的光学设备，其中平坦基表面（14）将凹形容器（13）连接到出射屈光面（12）的后部（18）和前部（19）。

3.权利要求1的光学设备，其中弯曲后部（18）具有提供直接来自光源的光线的至少75%的内反射的轮廓并且前部分（19）透射反射的光线以及直接来自光源的光线的至少90%。

4.权利要求1的光学设备，其中容器（13）置于所述透镜（10）的后部（18）与前部（19）之间的距离的1/4处。

5.权利要求1的光学设备，其中每个凹形容器（13）具有对称轴（15）。

6.权利要求5的光学设备，其中每个凹形容器（13）是球面的一部分。

7.权利要求5的光学设备，其中每个凹形容器（13）是球面的一部分，该部分通过包含在相距球面中心0.1*r与0.8*r之间的距离处的平面截取，其中r为球面的半径。

8.权利要求1的光学设备，其中所述光学设备具有垂直对称平面，后部（18）在所述垂直对称平面中的轮廓由至少3阶的第一多项式方程描述，并且前部（19）在所述垂直对称平面中的轮廓由至少5阶的第二多项式方程描述，其中多项式方程的x和y参数由彼此垂直且位于该垂直对称平面内的x轴和y轴限定。

9.依照权利要求8的光学设备，其中所述垂直对称平面是透镜（10）的矢状面。

10.依照权利要求2的光学设备，其中所述光学设备具有垂直对称平面，其中后部（18）和/或前部（19）的表面在笛卡尔正交坐标系统中围绕限定为所述垂直对称平面与平坦基表面（14）之间的交线的轴（15）旋转地构造，在所述坐标系统中，x轴和y轴位于透镜的矢状面内。

11.依照权利要求8的光学设备，其中后部（18）和/或前部（19）的表面在笛卡尔正交坐标系统中围绕限定为所述垂直对称平面与平坦基表面（14）之间的交线的轴（15）旋转地构造，在所述坐标系统中，x轴和y轴位于透镜的矢状面内。

12.依照权利要求1的光学设备，其中前部（19）离后部（18）的远侧部分是垂直于基平坦表面（14）的平坦面（17）。

13.依照权利要求9的光学设备，其中透镜（10）被设置成使得输出光束在矢状面内彼此平行。

14.依照权利要求8的光学设备，其中第一多项式方程为y=-0.61x⁴-7.74x³-36.47x²-74.40x–49并且第二多项式方程为y=-3E-05x⁶+0.0009x⁵-0.0086x⁴+0.0242x³-0.0307x²+0.5574x+8.2846，其中所述x轴和y轴的原点是光源的几何中心。

15.一种照明器头，包括多个发光二极管（LED），至少一个LED设置在至少一个如权利要求1所述的光学设备的上游，所述光学设备具有基本上相同的方位。

16.一种照明器头，包括多个发光二极管（LED），至少一个LED设置在每个如权利要求1所述的光学设备的上游，所述光学设备成对设置，其中每对的两个透镜（10）相互面对，第一透镜（10）的前部面对第二透镜（10）的前部（19）以便生成对称光束。