CN103270437B - 提供均质和均匀光束的光学光混合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提供均质和均匀光束的光学光混合器，其中所述光学光混合器由固体透明材料形成，且光通过入射面进入所述光学光混合器，且通过所述主体反射至出射面，此处所述光从所述光学光混合器出去。所述光学光混合器包括形成为棱锥台的第一部分，其中所述棱锥台的顶面形成所述入射面；和形成为圆锥台的第二部分，且其中所述圆锥台的底面形成所述出射面。本发明还涉及一种包括许多光源和这种光学光混合器的照明设备。

Description

提供均质和均匀光束的光学光混合器

技术领域

本发明涉及一种提供均质和均匀光束的光学光混合器，其中光学光混合器由固体透明材料形成，且光通过入射面进入光学光混合器，且通过所述主体反射至出射面，此处所述光从所述光学光混合器出去。本发明还涉及一种包括许多光源和这种光学光混合器的照明设备。

发明背景

许多照明设计从均质光受益。因而，已作出努力来从光源，如产生非均匀照明分布的发光二极管（LED）获得大体上均匀的照明分布。实现这个目标的一个已知方法是利用混合杆。在许多实施方案中，来自光源的通量被传递至混合杆的输入端。通过混合杆传递的通量通常一次或多次从混合杆的侧壁反射。在某些实施方案中，将产生非均匀照明分布的光源与混合杆的输入端耦接在混合杆的输出端产生了大体上均匀的照明分布。

某些混合杆构造在实现大体上均匀照明分布上尤其有效。例如，已知具有矩形或六边形截面的直杆会良好运作。这种构造分别产生矩形和六边形光束图案。然而，在许多应用中圆形光束图案是优选的，如手电筒、聚光灯、光纤照明器和具有圆形光瞳的投影系统。不幸地是，对比于矩形或其它有面构造，圆形直杆一般提供较劣质的空间混合。因此，通常代替圆形混合杆而使用六边形混合杆，以近似圆形光束图案，同时实现具有平面侧壁的混合杆的优点。

已知将混合杆与用于改变光束发散的变焦透镜组合。然而这通常导致照明分布在整个变焦范围内而不是大体上均匀的照明分布的事实，因为已知的混合杆被设计成使得其仅在某个平面中（例如，在光闸处）提供均匀/均质长光束。从而，需要产生具有大体上均匀照明分布的圆形光束图案的混合杆。此外，需要可与变焦透镜组合且在整个变焦范围内维持大体上均匀照明分布的混合杆。

US 6,219,480公开了一种光学耦合器，其用于沿着耦合器一侧上的光端口与耦合器另一侧上的多个光端口之间的轴耦合光。耦合器包括具有光端口的一侧台座和具有位于绕轴的多个臂的多侧台座，每个臂具有光端口。中置区域将一侧和多侧台座分开，且被定位成沿着轴，此处多个臂至少最初开始从彼此以朝多侧光端口的沿着轴的方向分裂。臂的每个各自最初部分沿着所述方向的截面距轴约相同距离配置。臂沿着轴的截面积在臂沿着轴完全从彼此分开的突破点区域处大于多侧光端口处。至少一对臂的每个开始沿着所述方向以关于轴大体上对称的方式分裂。

US2007/0024971公开了光混合器的各种实施方案，其包括光管，光管具有输入和输出端和在其之间的中央区域。光路在纵向方向上从输入端通过中央区域延伸至输出端。光管的中央区域包括一个或多个波纹反射侧壁，其具有多个伸长脊和谷以及在其之间的斜面。从输入端沿着光路传播的光从斜面反射并且以不同方位角的方向朝输出端重新导向，从而在输出端处混合光。在一些实施方案中，混合器的截面形状和面积沿着混合器的全长是恒定的，且输入面和输出面是相同形状和大小。在其它配置中，混合器的截面形状和/或面积沿着其长度而变化，且输入面和输出面可相对于彼此在形状和/或大小上变化。在一些情况中，输入面界定矩形或正方形，且输出面界定圆形，或反之亦然。US2007/0024971明确讲述是波纹反射侧壁且不是光混合器的形状改进了出射光束的均质性。然而，光混合器的波纹反射侧壁难以制造，因为其必须以非常低的公差设计，这大大增加了制造成本。此外，具有波纹反射侧壁的光混合器需要相对于光源非常精确地定位，这再次增加了制造成本。

US 6,200,002公开了一种光源，其包括LED阵列，每个阵列中具有多个色彩，如在管状反射器的入射孔径中的红色、绿色和蓝色，所述管状反射器优选地具有面对光轴的凸起壁和朝出射孔径向外的扩口，且优选地具有多边形截面，如正方形。通过利用大量小型LED而进一步促进色彩的混合，其中LED的每个色彩在光轴上集中。

US 6,547.416公开了一种光源，其包括LED组件阵列，每个阵列中具有多个色彩，如在管状反射器的入射孔径中的红色、绿色和蓝色，所述管状反射器具有出射孔径、在孔径之间延伸的光轴，和在孔径之间延伸的反射圆周壁，以反射和混合来自LED组件阵列的光。反射器主体的圆周壁的至少一部分具有垂直于光轴获取的多边形截面，且平行于光轴获取的截面的至少一部分包括一个接合至下一个的曲线段，以形成多个面，以将来自LED组件的光反射至所述出射孔径。优选地，平行于光轴获取的反射器主体的截面中包括的曲线段是连续的、线性梯形面。

EP2211089公开了一种用于输出混合色彩的光束的装置，其包括光混合器和透镜。光混合器被调适来混合从至少两个光发射体接收的光，两个光发射体的每个具有不同色彩的光输出，其中混合器被调适来混合接收的光，使得由混合器输出的混合光的混合程度是至少50%，其中100%的混合程度是完全混合光。透镜从光混合器间隔开，其中以透镜可相对于光混合器移动的这样一种方式将透镜附接至透镜架，以改变由透镜输出的混合色彩光束的大小。EP2211090公开了一种聚光灯，其包括发光二极管模块，其中每个LED模块包括具有不同光发射光谱的至少两个发光二极管和光混合器，其中每个光混合器与分配的LED模块协作而配置在光混合器的一侧，且每个光混合器被构造来混合所分配的LED模块的至少两个LED的不同光发射光谱以形成光束，且其中在光混合器另一侧的出射面在彼此旁边以矩阵配置，其中光混合器的光束形成共同光束，且聚焦光学器件用于聚焦共同光束。EP2211089和EP2211090公开了一种可定位在共同光束中的虹膜，以通过切开共同光束而产生圆形光束。然而，这将减小光系统的效率和有效性。

WO101 13100A公开了一种LED准直光学器件模块和使用其的照明器，和用于舞台照明的光学设备。在LED准直光学器件模块的一个实施方案中，LED芯片提供多个光源（G、R、B、W）。光学导体被叠加在LED芯片上以混合从多个光源接收的光。在经过光学导体之后，混合光进入耦接至光学导体的复合抛物面聚光器。复合抛物面聚光器将从光学导体接收的光准直，使得发射均质光瞳。这个光混合光学器件相对较长，且因此具有这种类型的光混合光学器件的照明设备也非常长，这在结合移动头灯器具时是不可取的，因为其可减小移动头的移动速度。其还难以将LED准直光学器件模块以有效方式整合至变焦效果系统中，因为这种变焦效果系统必须尺寸非常大。

发明概要

本发明的目的是解决上文描述的关于现有技术的限制，并提供容易生产并整合至照明系统中的紧凑型光混合系统。这通过如独立权利要求中描述的光混合器和照明设备来实现。从属权利要求描述本发明的可行实施方案。在本发明的详细描述中描述本发明的优点和益处。

附图简述

图1a至图1c图示了根据本发明的光学光混合器的第一实施方案；

图2a至图2c图示了根据本发明的光学光混合器的第二实施方案；

图3a至图3c图示了根据本发明的光学光混合器的第三实施方案；

图4a至图4h图示了根据本发明的光学光混合器的第四实施方案；

图5a至图5h图示了根据本发明的光学光混合器的第五实施方案；

图6a至图6g图示了根据本发明的光学光混合器的第六实施方案；

图7a至图7b图示了根据本发明的光学光混合器的第七实施方案；

图7c图示了光学变焦系统中使用的光学光混合器的第七实施方案；

图8a至图8b图示了通过图7c的光学变焦系统的光束；

图9a至图9d图示了在图8a和图8b中图示的光学光混合器的不同位置处的截面光分布；

图10a至图10d图示了在图8a和图8b中图示的光学光混合器的不同位置处的角度光分布；

图11a至图11b图示了在变焦系统后某一距离处的截面极性光分布；

图12a至图12b图示了图8a和图8b中图示的变焦系统后某一距离处的角度光分布。

具体实施方式

图1a至图1c图示根据本发明的光学光混合器101的第一实施方案，其中图1a是仰视图，图1b是从箭头I看到的侧视图，且图1c是从箭头II看到的侧视图。

光混合器101由固体透明材料形成，如玻璃或聚合物。光通过底侧的入射面103进入光混合器，且通过光混合器而反射至在顶侧的出射面105，光在此处从光混合器出去。光学光混合器包括形成为棱锥台107的第一部分和形成为圆锥台109的第二部分。棱锥台的顶面形成入射面103，且因此光通过棱锥台的顶面进入光混合器，且通过棱锥台透射至棱锥台111的底面，此处其通过圆锥台的顶面113而进入圆锥台。光学领域技术人员应认识到，一些光束将从顶面直接行进至棱锥台的底面，且其它光束将例如通过全内反射或通过施加至棱锥台外表面的反射涂层而在棱锥台的平面侧壁处被反射。

从此，光通过圆锥台透射至其底面105，此处其从光混合器出去，且因此圆锥台的底面105形成了出射面。技术人员应认识到，一些光束将从顶面直接行进至圆锥台的底面，且其它光束将例如通过全内反射或通过施加至圆锥台外表面的反射涂层而在圆锥台的弯曲侧壁处被反射。技术人员应认识到，棱锥台的顶面面积小于其底面面积。类似地，圆锥台的顶面面积小于其底面面积。

图1a至图1c中图示的光混合器使得可提供圆形、均匀和均质的光束，因为进入光混合器的光被混合使得其跨光束大体上均等分布，且使得光束具有相对于光混合器的中心轴大体上均匀的发散。出射光束的截面也是圆形的。由此可将来自多个光源的光混合成一个均匀均质光束，其可使用于在没有破坏跨光束的均质光分布的情况下可改变光束的发散的变焦系统中。还可以使用本领域中已知的光学元件而构建变焦系统。光跨光束大体上均等分布意味着光束内的最小光强度是光束内的最大强度的至少50%。光束具有大体上均等的发散意味着光跨光束发散内的极角大体上均等分布。技术人员应认识到，光束宽度没有完全尖锐的边缘，并且可以例如由常用方法所定义的许多不同方式获得宽度，如D4σ、10/90或20/80刀边、1/e2、FWHM和D86。此外，技术人员应认识到均质光束可在光束中心具有实质平光分布或“热点”。

由于平面侧壁处的多个反射，这随着棱锥台首先跨截面混合光束而实现。圆锥台由于其曲面而将整个光束改变为圆形光束。由于棱锥台和圆锥台两者的侧壁相对于中心轴成角度，和每次光束在侧面反射时相对于光轴的光束角度将减小的事实，光束的发散角沿着光混合器是均匀的。

由于在接近两个邻近侧/面之间的角处具有两个邻近侧/面之间的相对较短距离的事实，随着光束经历许多反射，棱锥台的有面侧壁提供光束的更快混合。与此对比，对于光垂直于切线反射且在再次被反射前需要行进更大距离的圆锥形或圆柱形光混合器则不是这种情况。此外棱锥台的侧/面将光束反射至更多种角度，这提供更好的光混合。圆锥台的圆锥弯曲侧面随其反射附加光束而提供圆形光束。

所提供的光混合器对比于现有技术的光混合器是相对更简单的，且制造更简单和廉价，因为其可在没有较小公差需求的情况下以聚合物或玻璃模制或研磨。此外所提供的光混合器提供圆形光束，其可在使得可调整光束发的散且同时在整个变焦范围中维持均质和均匀光束的变焦系统中使用。技术人员应认识到，光混合器皆可构建成一个主体和多个主体部分，其中例如单独生产棱锥台和圆锥台并在后续过程中组合。

在所图示的实施方案中，棱锥台的底面面积小于圆锥台的顶面面积。这确保了从棱锥台的底面出去/经过棱锥台的底面的所有光束将进入圆锥台中。换句话说，圆锥台的顶面因此外切棱锥台的底面。

图2a至图2c图示了根据本发明的光学光混合器201的第二实施方案，其中图2a是仰视图，图2b是从箭头III看到的侧视图，且图2c是从箭头IV看到的侧视图。在这个实施方案中，棱锥台207的顶面203和底面211形成六边形。结果从棱锥台207出去且进入圆锥台209的光将具有大体上六边形的截面，且结果对比于图1a至图1c的圆锥台109，圆锥台209可更短，因为为了将六边形光束转变成圆形光束需要较少反射。这个实施方案可例如在进入光混合器中的光的截面光分布对比于进入图1a至图1c的光混合器的光是更均质的情况中是有用的。技术人员应认识到，棱锥台的底面和顶面可形成为任何多边形。

图3a至图3c图示了根据本发明的光学光混合器301的第三实施方案，其中图3a是仰视图，图3b是从箭头V看到的侧视图，且图3c是从箭头VI看到的侧视图。在这个实施方案中，棱锥台307类似于图1a至图1b的第一实施方案的棱锥台107，然而圆锥台309已被修改为圆锥台309的底面305小于圆锥台109的底面105。由此对比于从光混合器301出去的出射光束，从光混合器301出去的出射光束的截面减小。技术人员应认识到，圆锥台的弯曲侧壁的角度也减小，且结果提供更长圆锥台可为必要的，以提供具有相对于光混合器的中心轴的大体上相同发散的出射光束。因此棱锥台和圆锥台的侧面倾斜可具有任何角度。

图4a至图4h图示了根据本发明的光学光混合器401的第四实施方案，其中图4a是仰视图，图4b是从箭头VII看到的侧视图；图1c是从箭头IIX看到的侧视图，且图4d是透视图。沿着线A-A、B-B、C-C和D-D的截面图分别在图4e、图4f、图4g和图4h中示出。

光混合器401由固体透明材料形成，如玻璃或聚合物。光通过底侧的入射面403进入光混合器，且通过光混合器透射至在顶侧的出射面405，光在此处从光混合器出去。光学光混合器包括形成为棱锥台407的第一部分、形成为圆锥台409的第二部分和定位在棱锥台407与圆锥台409之间的第三部分415。

棱锥台407的顶面403形成入射面403，且因此光通过棱锥台的顶面进入光混合器，且通过棱锥台透射至棱锥台411的底面，此处其通过输入面411而进入第三部分。在所图示的实施方案中，棱锥台407的底面和第三部分415的输入面是相同的，且因此标为411，且沿着图4e的线A-A以截面图示出。在图4c和图4d中，从棱锥台的底面至第三部分的输入面的过渡411由点线指示，因为其在这些视图中是不可见的。

进入第三部分415的光从此通过第三部分透射至输出面413，此处其进入圆锥台409的顶面413。在所图示的实施方案中，第三部分415的输出面和圆锥台的顶面是相同的且因此标为413，且沿着图4h的线D-D以截面图示出。在图4c和图4d中，从第三部分的输出面至圆锥台的顶面的过渡413由点线指示，因为其在这些视图中是不可见的。

从此，光通过圆锥台透射至其底面405，此处其从光混合器出去，且因此圆锥台的底面405形成出射面。

技术人员应认识到，一些光束将从入射面403直接行进至光混合器401的出射面405，且其它光束将例如通过全内反射或通过施加至圆锥台外表面的反射涂层而在棱锥台、第三部分和/或圆锥台的侧壁处被反射。

第三部分415的截面形态从输入面411的形状逐渐转变成输出面413的形状。在所图示的实施方案中，第三部分的截面形态沿着其中心轴从如图4e中所示的正方形411改变为如图4h中所示的圆形413。图4f和图4g示出两个中间位置处的截面。在中间位置处的截面成形为重叠正方形的圆形外部轮廓，其中圆形和正方形的中点对齐，且其中圆形的直径大于正方形的边，但小于正方形的对角线。正方形的边长和圆形的直径沿着第三部分的中心轴增大。然而，圆形的直径比正方形的边增大更快。结果是截面的圆形部分沿着中心轴增大。在第三部分的输入面处，圆形的直径等于正方形的边，而在第三部分的输出面处，圆形的直径等于正方形的对角线。换句话说，第三部分形成为圆锥台和棱锥台的组合，其中棱锥台的底面由圆锥台的底面外切，且其中棱锥台的顶面外切圆锥台的顶面。

如同图1至图3的光混合器，图4a至图4h中图示的光混合器使得可提供圆形、均匀和均质的光束，因为进入光混合器的光被混合使得其跨光束大体上均等分布，且使得光束具有相对于光混合器的中心轴的大体上均匀的发散。出射光束的截面也是圆形的。由此可将来自多个光源的光混合成一个均匀均质光束，其可使用于在没有破坏跨光束的均质光分布的情况下可改变光束的发散的变焦系统中。还可以使用本领域中已知的球形对称光学元件而构建变焦系统。

由于平面侧壁处的多个反射，这随着棱锥台首先跨截面混合光束而实现。圆锥台由于其曲面而将整个光束改变为圆形光束。由于棱锥台和圆锥台两者的侧壁相对于中心轴成角度，和每次光束在侧面反射时相对于光轴的光束角度将减小的事实，光束的发散角沿着光混合器是均匀的。第三部分415从棱锥形逐渐转变成圆锥形，这确保了对比于图1至图3的光学光混合器从棱锥台至圆锥台的更平滑过渡。此外，第三部分具有在两个邻近侧/面之间的角的优点，其提供许多反射，以及同时圆形截面的优点，其随其反射附加光束而逐渐提供更圆形的光束。第三部分使得可减小光混合器的长度，因为第三部分提供由于平面侧壁之间的角的有效光混合和由于弯曲侧壁部分也开始形成圆形光束两者。此外，可由第三部分415避免图1b、图2b和图3b中示出的光混合器的棱锥台与圆锥台之间的截面积上的递增。截面积上的这种递增导致圆锥反射器接近其顶面的部分没有任何光束，且因此这个部分占据不必要的空间。这可通过提供从棱锥台逐渐变化为圆锥台的第三部分来避免。

所提供的光混合器对比于根据现有技术光混合器的现有技术的光混合器是相对更简单的，且制造更简单和廉价，因为其可在没有较小公差需求的情况下以聚合物或玻璃模制或研磨。技术人员应认识到，光混合器皆可构建成一个主体和多个主体部分，其中例如单独生产棱锥台和圆锥台并在后续过程中组合。

图5a至图5h图示了根据本发明的光学光混合器501的第五实施方案，其中图5a是仰视图，图5b是从箭头IX看到的侧视图；图5c是从箭头X看到的侧视图，且图5d是透视图。沿着线E-E、F-F、G-G和H-H的截面图分别在图5e、图5f、图5g和图5h中示出。

光混合器501类似于图4a至图4h的光混合，且类似组件用与图4a至图4h中相同的参考数字标记，且将不在此描述。图5a至图5h中图示的光混合器与图4a至图4h中图示的光混合器之间的主要差异是第三部分515的截面沿着其中心轴从正方形411（如图5e中所示）逐渐变化为圆形413（如图5h中所示））的方式。图5f和图5g示出两个中间位置处的截面，且可看到正方形的边的曲率沿着中心轴逐渐增大，直到四个边的曲率足够大以形成圆形。

图6a至图6h图示了根据本发明的光学光混合器601的第六实施方案，其中图6a是仰视图，图6b是从箭头XI看到的侧视图且图6c是透视图。沿着线M-M、L-L、K-K和J-J的截面图分别在图6d、图6e、图6f和图6g中示出。光混合器601类似于图4a至图4h的光混合，且类似组件用与图4a至图4h中相同的参考数字标记，且将不在此描述。

在这个实施方案中，第一部分形成为具有六边形顶面603和六边形底面的棱锥台607。第三部分615的截面形态从输入面611的形状逐渐转变成输出面413的形状。在所图示的实施方案中，第三部分的截面形态沿着其中心轴从如图6d中所示的六边形611变化成如图6g中所示的圆形413。图6e和图6f示出两个中间位置处的截面。中间位置中的截面成形为重叠六边形的圆形的外部轮廓，其中圆形和六边形的中点对齐。六边形的边长和圆形直径沿着第三部分的中心轴增大。然而，圆形直径比六边形的边增大更快。第三部分形成为圆锥台和棱锥台的组合，其中棱锥台的底面由圆锥台的底面外切，且其中棱锥台的顶面外切圆锥台的顶面。本领域技术人员应认识到，底面和顶面可形成为任何多边形，且第三部分从具有多边形截面的棱锥台逐渐转变成圆锥台。

图7a至图7c图示了根据本发明的光学光混合器701的第七实施方案，其中图7a是正透视图，且图7b是仰视透视图，且图7c是照明设备中体现的光学光混合器的侧视图。

光混合器701类似于图4a至图4h的光混合，且类似组件用与图4a至图4h中相同的参考数字标记且将不在此描述。在这个实施方案中，圆锥台的底面705包括额外光学构件以形成从光混合器出去的光。所图示的用于形成圆锥台的光的光学构件由曲面形成。这使得可使从光混合器出去的光衍射，以例如产生出射光束的预定义发散。技术人员应认识到，用于在圆锥台的底面处形成光的光学构件可形成为附加光学元件，如覆盖底面的一部分的凸透镜、凹透镜、球面透镜和非球面透镜扩散器。

图7c图示了与许多光源720和变焦透镜722一起体现的光学光混合器701。光源可例如为安装在PCB 724上的两个不同LED晶片720a和720b，且发射具有不同色彩的光（由虚线726a和点线726b图示）。然而，技术人员应认识到，可使用任何种类的光源。来自光源的光在入射面403处进入光混合器，且如上文所描述，通过光混合器701混合成均匀和均质的光束，其在光混合器的出射面（由实线728图示）处从光混合器出去，且变焦透镜722衍射所出射的光束。也可在光源与光混合器的入射面之间提供光学构件。这些光学构件可被调适来收集由光源发射的光，且将其朝光混合器的入射面导向。例如为确保大部分光束在光混合器的接受角内。光学构件也可以被调适来将光源在入射面处成像，从而实现将可见的光源直接定位在入射面，由于物理限制，这可能不可行。变焦透镜可沿着如由箭头732图示的光轴移动，从而如光学领域中所已知，可改变出射光束的发散和光束宽度。以点线图示“幻象”变焦透镜722a，且图示（以点线734）如何改变出射光束的发散。变焦透镜可以是任何种类的光学透镜，例如凸透镜、凹透镜、球面透镜。在一个实施方案中，变焦透镜是非球面的和/或关于光轴旋转不对称的，且被调适来补偿从光混合器出去的最终非均质和非均匀光束。结果为光混合器可被设计来（对比于最佳设计）提供较不均质和非均匀光束，因为变焦透镜被调适来与光混合器协力以在变焦透镜的出射面处提供均质和均匀光。在这些情况中光混合器的长度还可以缩短。

图8a和图8b图示图7c的照明设备的光线模拟。在这个实施方案中，光源体现为4合1的LED，包括发射红光的红色LED晶片，两个发射绿光的绿色LED晶片，和发射蓝光的蓝色LED晶片。然而，技术人员应认识到可使用任何组合和数量的光源，例如4合1的RGBW LED，其包括发射红光的红色LED晶片、发射绿光的绿色LED晶片、发射蓝光的蓝色LED晶片和发射白光的白色LED晶片。如另外的动态照明领域中所已知，可个别控制LED晶片。技术人员应注意到仅示出少许光束，且所图示的光束是已被投影至纸张平面的三维光束。图8a图示在窄变焦位置中的光线模拟，其中已从光混合器移开变焦透镜722，且图8b图示在宽变焦位置中的光线模拟，其中已从光混合器移开变焦透镜722。

图9a至图9d图示分别在棱锥台的顶面（由图8a和图8b中的线a-a指示）、在棱锥台的底面（由图8a和图8b中的线b-b指示）、在圆锥台的顶面（由图8a和图8b中的线c-c指示）和在圆锥台的底面（由图8a和图8b中的线d-d指示）的模拟截面照明分布。模拟截面照明分布是灰度图，其中白色指示最亮照明且其中黑色指示最暗照明。

图10a至图10d图示分别在棱锥台的顶面（由图8a和图8b中的线a-a指示）、在棱锥台的底面（由图8a和图8b中的线b-b指示）、在圆锥台的顶面（由图8a和图8b中的线c-c指示）和在圆锥台的底面（由图8a和图8b中的线d-d指示）的光关于光混合器的中心轴的角分布。

在图9a中，可看到光非均质地分布，且实际上可分辨四个LED晶片，因为来自四个LED晶片的光可看作四个单独正方形，其中左上正方形940a指示来自蓝色晶片的光，右上正方形940b和左下正方形940c指示来自两个绿色晶片的光，且右下正方形940d指示来自红色晶片的光。图10a指示在这个截面处角分布是约40度（测量为相对于光轴的光束半角），并且跨发散角也大体上均等分布。

图9b图示来自四个LED的光通过棱锥台混合，且跨棱锥台的底面大体上均等分布，这实际上是所需效果。然而在这个位置，光束不是如许多情况中所想要的圆形。此外图10b图示在这个截面处的发散角是约30度，且角分布更不均质，因为已通过棱锥台产生了许多“指状物”1042。这些指状物是由于由棱锥台平面侧的多个反射所产生的LED晶片的多个镜像。结果是如果从棱锥台的底面出去的光被整合至变焦系统中，那么难以维持跨通过整个变焦范围的大体上均等的光分布。

图9c图示通过第三部分的光束截面转变成具有大体上均等光分布的圆形光束。此外图10c图示在这个截面处的发散角减小至约25度。然而一些“指状物”1042仍然相对较大，且因此如果第三部分的输出面被整合至变焦系统中，那么仍然难以维持跨通过整个变焦范围的大体上均等的光分布。

图9d图示通过圆锥台的底面的光束截面是具有大体上均等光分布的圆形光束，且已通过圆锥台而增大光束的光束宽度。此外图10d图示在这个截面处的发散角减小至约20度且指状物的大小已明显减小。结果为如果从圆锥台部分的底面出去的光被整合至变焦系统中，那么仍然可维持跨通过整个变焦范围的大体上均等的光分布。

图11a和图11b图示了在变焦透镜722后某一距离处的模拟极性照明分布（由图8a和图8b中的线e-e指示），其中变焦图11a对应于图8a中的情况（窄光束），且图11b对应于图8b中的情况（宽光束）。图12a和图12b图示了通过光束的中心截面轴的对应极性光分布。可看到所得光束在整个变焦范围上是非常均质和均匀的，且变焦范围是约15至55度（相对于光轴的全角度）。

Claims (16)

1.一种提供均质和均匀光束的光学光混合器，所述光学光混合器由固体透明材料形成，其中光通过入射面进入所述光学光混合器，且通过主体反射至出射面，此处所述光从所述光学光混合器出去，其中所述光学光混合器包括：

·形成为棱锥台的第一部分，其中所述棱锥台的顶面形成所述入射面，所述棱锥台的顶面面积小于其底面面积；

·形成为圆锥台的第二部分，所述圆锥台的底面形成所述出射面，所述圆锥台的顶面面积小于其底面面积。

2.根据权利要求1所述的光学光混合器，其中所述棱锥台的底面面积小于所述圆锥台的顶面面积。

3.根据权利要求1所述的光学光混合器，其中所述光学光混合器还包括：

第三部分，其包括输入面和输出面，所述第三部分定位在所述第一部分与所述第二部分之间，使得从所述棱锥台的底面出去的光进入所述输入面且通过所述第三部分而反射至所述输出面，其后所述光进入所述圆锥台的顶面。

4.根据权利要求3所述的光学光混合器，其中所述输入面的截面与所述棱锥台的底面大体上相同。

5.根据权利要求3所述的光学光混合器，其中所述输出面的截面与所述圆锥台的顶面大体上相同。

6.根据权利要求4或5所述的光学光混合器，其中所述第三部分的截面形态从输入面的截面形态逐渐转变成输出面的截面形态。

7.根据权利要求1所述的光学光混合器，其中所述圆锥台的底面包括用于形成从所述光学光混合器出去的所述光的进一步的光学构件。

8.一种照明设备，其包括产生光的许多光源和光学光混合器，所述光学光混合器由固体透明材料形成，且所述光通过入射面进入所述光学光混合器，且通过主体而反射至出射面，此处所述光从所述光学光混合器出去，其中所述光学光混合器包括：

·形成为棱锥台的第一部分，其中所述棱锥台的顶面形成所述入射面，所述棱锥台的顶面面积小于其底面面积；

·形成为圆锥台的第二部分，所述圆锥台的底面形成所述出射面，所述圆锥台的顶面面积小于其底面面积。

9.根据权利要求8所述的照明设备，其中所述棱锥台的底面面积小于所述圆锥台的顶面面积。

10.根据权利要求8所述的照明设备，其中所述光学光混合器还包括：

·第三部分，其包括输入面和输出面，所述第三部分定位在所述第一部分与所述第二部分之间，使得从所述棱锥台的底面出去的光进入所述输入面且通过所述第三部分而反射至所述输出面，其后所述光进入所述圆锥台的顶面。

11.根据权利要求10所述的照明设备，其中所述输入面的截面与所述棱锥台的底面大体上相同。

12.根据权利要求10所述的照明设备，其中所述输出面的截面与所述圆锥台的顶面大体上相同。

13.根据权利要求11或12所述的照明设备，其中所述第三部分的截面形态从输入面的截面形态逐渐转变成输出面的截面形态。

14.根据权利要求8所述的照明设备，其中所述圆锥台的底面包括用于形成从所述光学光混合器出去的所述光的进一步的光学构件。

15.根据权利要求8所述的照明设备，其中所述照明设备包括光学变焦透镜，所述光学变焦透镜被调适来偏转从所述光学光混合器出去的所述光，且相对于所述光学光混合器可移动。

16.根据权利要求15所述的照明设备，其中所述光学变焦透镜是球形的和/或关于光轴旋转不对称的。

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