CN103649812B - 光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于影响基本上点状光源具体是LED的光发射的光学元件（20）。该光学元件具有一个截断金字塔形或截断锥形的基本形状，这个基本形状具有一个形成光发射表面的大约矩形底座（1），并且该光学元件还具有一个面向该光源并且形成一个光进入表面的顶盖表面（2）。该光学元件（20）的侧面（6）区域是通过扁平或旋转对称的多个表面区域（7）形成的，所述区域是从该顶盖表面（2）在该底座（1）的拐角的方向上延伸。

Description

光学元件

技术领域

本发明涉及一种光学元件，提供所述光学元件是为了影响一个基本上点状的光源、具体是LED的光发射。此外，本发明涉及一种照明安排，该照明安排包括一个或多个点状光源和相应地分配的光学元件。

背景技术

由于LED近年来迅猛发展，这些光源可以越来越多地用于照明用途。借助LED可以获得的光强度现在足够高，让LED可以替代例如白炽灯泡、荧光灯或卤素灯等迄今为止在几乎所有应用领域中使用的传统光源。使用LED的一个优点是LED提供了改变或修改光发射的非常良好的可能性。举例来说，现代的基于LED的光源具体来说让所发射的光的色彩或色温可以得到调节。

原则上，LED在比较大的角程中发射光。因而惯例上会给这些LED分配一些光学元件，例如小型的反射器或透镜，这些光学元件可以将光发射限制或集中到特定的空间区域或限制或集中到特定的空间区域上。这样做就可以确保照明设备总体发射的光不会在屏幕或桌面等反射表面上给观察者造成眩光或干扰性反射。

图12和图13中展示了例如目前用于影响一个或多个LED的光发射的典型的光学元件。在这种情况下，图12示出了一个单独的光学元件100，而图13示出了一个伸长的光影响元件120，这个伸长的光影响元件由这种类型的多个一体地互连的光学元件组成。具体来说，例如使用根据图13的光影响元件120来影响一个伸长的电路板的光发射，这个伸长的电路板上彼此并排地安排了多个LED。在这种情况下，给这些单独的LED每一个分配一个对应的光学元件100。

根据图12的已知光学元件100首先具有一个截断金字塔形或截断锥形的基本形状，其中邻近于截断金字塔形或截断锥形主体的侧翼110主要是用于在照明设备中固定光学元件100。所述元件100的光发射表面是由截断金字塔的大约正方形的底表面101相应地形成，并且光经由与底表面101相对地定位的顶表面102耦合进来。所述顶表面配备有一个切块103，其中在后来的操作状态中，LED(这里没有展示)被安排在所述切块103的区域中。也就是说，LED发射的光经由切块103的底表面和圆周表面进入光学元件100中。所述光的一个部分接着直接照射到正方形底表面101上，并且经由正方形底表面被发射，而另一部分在进入光学元件100时被折射，其方式为使得这个部分首先入射到侧表面104上。在这种情况下，选择光学元件100的形状，其方式为使得所述侧表面104上发生光线的全内反射，以使得所述光线又经由正方形底表面101离开光学元件100。在这种情况下，切块103和侧表面104两者的几何形状都经过选择，以便使得经由底表面101发射的光出现期望的分布。

已经知道，LED的光发射大约是旋转对称的。这意味着，使用旋转对称地配置的光学元件本身也将更适合于用期望的方式影响光。但是，在这种情况下，多个这种类型的光学元件于是将不可能一体地互连，并且这里将不可能获得封闭区域光发射。

图12中展示的已知光学元件的形状总地来说是优选的，因此，因为正方形光发射表面，使得图13中展示的这种类型的多个元件100可以接合在一起形成一个伸长的光影响元件120，在这种情况下，跨越光影响元件120的整个长度于是会出现基本上均质的光发射。此外，通过相应地调适切块103和侧表面104，可以调适期望区域内的光发射特性。

但是，现在已经发现，在根据图12的光学元件或来自图13的光影响元件的情况下，在特定的角程下不能充分抑制所发射光的眩光。发生这种情况的原因是，在截断金字塔形主体的四个边缘105上产生了杂散光，并且这个杂散光会用基本上不受控制的方式离开光学元件。这具体来说在所谓的C平面45、135、225和315中导致光学效率降低。

发明内容

本发明是基于所陈述的目的，因此，在已知光学元件的基础上，用可以提高所述光学元件的效率的方式进一步改善所述光学元件。

根据本发明的光学元件首先也具有截断金字塔形或截断锥形的基本形状，这个基本形状具有一个大约矩形具体是正方形的底表面，这个底表面形成光学元件的光发射表面，并且允许多个这种类型的元件接合在一起。光同样在光学元件的顶表面上耦合，这个顶表面与底表面相对地定位。但是，现在为了减少已知光学元件中发生的杂散光分量，本发明提出修整截断金字塔的边缘。具体来说，对边缘进行修整，其方式为使得产生多个表面区域，这些表面区域从顶表面在朝向底表面的拐角的方向上延伸，并且这些表面区域用平面或旋转对称方式实施。已经发现，由于采取了这种措施，因为现在形成了封闭表面区域，而且避免了尖锐的边缘或拐角，所以杂散光分量可以减少，并且光学元件的光学效率可以显著提高。

换句话说，本发明提出一种用于影响基本上点状的光源具体是LED的光发射的光学元件，其中该元件具有一个截断金字塔形或截断锥形的基本形状，该基本形状具有一个形成光发射表面的大约矩形的底表面，并且具有一个面向该光源而且形成一个光进入表面的顶表面，并且其中，根据本发明，该光学元件的侧向表面的从该顶表面在朝向该底表面的拐角的方向上延伸的区域是通过平坦的或旋转对称地实施的表面区域形成的。

由于根据本发明的具有不同基本几何形状和对称性的所谓的透镜元件的这种组合，最终获得一种光学元件，这种光学元件允许维持所追求的或优选的矩形具体是正方形的光退出表面，但同时可以具体来说在C平面45、135、225和315中提高光学效率。根据本发明的措施可以优化光分布曲线，因为，具体来说可以减少杂散光的比例并且可以改进光的导向，这样也可以更好地抑制眩光。最终可以获得的照明效率因此可以显著提高。

光学元件的侧向表面的其余区域(下文中也称为侧表面)可以用不同方式配置。在一个实例中，这些区域可以通过平坦的或弯曲的表面区域形成。但是，在这种情况下，所述侧表面还可以另外地被构造，具体来说配备有刻面和/或球面罩盖。因此，可以用针对性的方式根据每种情况的具体需要来适配最终获得的光分布曲线。

光学元件的顶表面可以用旋转对称或多边形的方式实施。具体来说，该光学元件同样优选地具有一个切块，这在现有技术中是已知的。在这种情况下，切块的侧向表面可以遵循抛物线、椭圆形状或所谓的自由曲线。切块的底表面可以根据期望的光发射特性用平面或弯曲的方式实施。在这种情况下，根据一个特定实施例，具体来说还可制做该切块使其具有一个凹痕。所述凹痕形成一个用于LED的入射光的所谓的光束分离器，以使得最终获得的光分布曲线具有两个侧翼。这种光发射特性(也常常被称为蝙蝠翼分布)在特定的应用中是特别符合期望的，因为首先这个特性可以避免浅视角上的眩光，而且其次，可以避免水平表面上的干扰性反射。因此，最终借助于光学元件的不同组成部分的相应调适，可以根据期望的分布来精确地调适光发射特性。

附图说明

下文将参照附图更详细地解释本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的光学元件的第一示例性实施例；

图2至图4示出了根据本发明的其他光学元件的不同示例性实施例；

图5示出了用于修整光学元件的边缘的根据本发明的程序的示意性图示；

图6示出了用于说明根据本发明的光学元件的不同部件或透镜元件的图示；

图7和图8示出了根据本发明的光学元件的可能发展；

图9示出了根据本发明的光学元件的特别优选的进入表面的配置；

图10和图11示出了根据本发明的由多个接合在一起的光学元件组成的光影响元件的变体；并且

图12和图13示出了根据现有技术的光学元件和光影响元件。

具体实施方式

首先，将参照图1解释根据本发明的用于产生光学元件的程序。接着将参照以下附图来解释进一步的变体。

根据本发明的光学元件总地来说配备有参考符号20，该光学元件同样是用透明材料(优选是塑料)用截断锥形或截断金字塔形的方式实施。透明的翼21在光学元件20的两侧邻接，所述翼主要是用于在照明设备或照明设备的主体上安装该元件20。但是，即使很小一部分光耦合到所述翼21当中以使得所述翼看起来被稍微照明，这些侧翼21对于光发射的影响也是可以忽略的。

但是，根据本发明的光学元件20的实际光发射同样经由底表面1(也就是说截断锥形或截断金字塔的下侧)发生，平面底表面1是用矩形优选是正方形的方式实施的。正如在引言中已经解释的，底表面1的这个平面矩形配置有一种效果，即能够使得相同类型的多个光学元件20可以被串在一起，于是跨越整个表面能获得均质的或均一的光发射。

光学元件20的顶表面2(该顶表面与底表面1相对地定位)面向光源，并且相应地形成光学元件20的光进入区域。同样做出的安排是所述顶表面2配备有一个切块3，这个切块形成光学元件20的实际光进入区域。因而，光源发射的光线首先经由底表面4然后经由切块3的圆周表面5进入光学元件20中。光线的一个部分接着从光学元件20经由底表面1直接显现，而另一部分在光学元件20的侧向表面6上经受全内反射，以使得这个部分随后可以经由底表面1被发射。在这种情况下，侧向表面6形成截断锥形的封闭外表面，也就是说这个表面持续或无变化地延伸，具体来说从光进入区域到底表面并没有一些将形成锯齿状结构的层次。就此而言，根据本发明的光学元件20的构造对应于来自图12的已知光学元件100的构造。

但是，根据本发明的光学元件20的特定特征现在在于侧向表面6的配置。该侧向表面现在被配置，其方式为使得不再存在从底表面1的拐角朝向顶表面2延伸的任何尖锐边缘。实际上，所述边缘已经用特殊方式被修整，现在会产生一些从底表面1的拐角朝向顶表面2作为封闭表面延伸的新颖的表面区域7。在所展示的示例性实施例中，对所述表面区域7(下文中也称为拐角表面)进行配置，其方式为使得这些表面区域相对于一根穿过光学元件20中心延伸的轴线具有旋转对称性。

因而，迄今为止产生的边缘现在都是圆形的(在圆周方向上看)，这最终具有这样一个效果，即迄今为止通过尖锐边缘引起的杂散光在这些区域中在很大程度上受到抑制。实际上，在这些区域中，现在也可以获得所追求的照射光线的全内反射，以使得根据本发明的光学元件20的效率总的考虑最终得到显著改善。

其余的表面区域(也就是说光学元件20的从底表面1的四个边缘朝向顶表面2延伸的侧表面8)起初不变，也就是说这些表面区域用迄今为止惯例的方式完成它们的照明任务，即反射所产生的光线。

同样参照图5中的图示来示意性地说明根据本发明的程序，该图示出了光学元件20的沿来自图1的轴线I-I的部分截面图示，即穿过光学元件20的拐角区域延伸的图示。在这种情况下，曲线A对应于例如来自根据图12的现有技术的光学元件100中存在的边缘区域的走向。根据本发明，现在修整所述边缘区域以便产生对应于曲线B的走向。因而，截断金字塔的先前尖锐的边缘现在被一个表面替换，其中这个表面区域(朝向底表面持续或无变化地倾斜)相对于根据图1的示例性实施例中的中央轴线X具有旋转对称性。但是，如下文将更详细解释的，修整边缘所产生的表面区域也可以平移地实施或者用平面方式实施。曲线C示出了切块3的底表面和圆周表面的走向，这个走向用迄今为止已知的方式被配置，或者根据期望的发射特性被调适。

因此，本发明的中心概念是实施具有不同基本几何形状的不同透镜元件的有针对性的串在一起，具体是实施自由曲线、抛物线、椭圆形等和对称性。图6在此说明透镜元件的意思，其中根据本发明的光学元件20同样得到展示，这次是用分解的图解。这里第一透镜元件是所谓的进入透镜30，这个透镜是通过截断金字塔形主体的顶表面中的切块3形成的。所述进入透镜30优选地对应于LED的光发射特性具有旋转对称性。四个侧表面(也就是说从截断金字塔的底表面的四个边缘在顶表面的方向中延伸的那些区域)优选地是线性或平移的透镜元件31。如下文将更详细解释的，这些线性或平移透镜元件具体来说还可经过专门构造以便进一步优化光发射。如已经解释的，根据本发明修整边缘区域还产生了旋转对称的透镜元件32，这些透镜元件尤其会抑制不期望的杂散辐射的出现。因为这些不同透镜元件用针对性的方式关于其形状受到影响并且接着彼此组合的事实，最终获得的光分布曲线可以单独地根据特定的需要被适配。在这种情况下，光学元件20的单独的透镜元件提供的总发射特性的比例具有不同量值，并且所述单独的透镜元件因而可以照亮不同区域。在这种情况下，这些单独的透镜元件之间，同样借助于从一个元件到另一个元件的针对性的过渡走向，可以提高效率，并且可以进一步改善杂散光分量的减少。如果这些单独的透镜元件减少到其基本线路，并且对应线路接着用针对性的方式与受控制的走向连接，那么可以产生一些优化的形式自由的表面，这最终可以引起光分布曲线的单独配置。

下文将解释根据本发明的光学元件的其他可设想的配置。但是，所有这些示例性实施例共同之处具体是边缘区域已经经过修整。

在根据图2的变体的情况下，同样用使得所得的拐角表面区域7用旋转对称的方式被实施的方式实现修整。但是，现在在面向底表面1的下部区域中的较大区域上实施修整，以使得这些拐角表面7现在通过下部曲线被定界。侧表面8用不变的方式被实施，并且可以是平面或者遵循一条稍微弯曲的曲线。

在图3中的示例性实施例中，对边缘进行修整，其方式为使得拐角表面7现在用平面方式或平移地实施。这里(类似的图2)将拐角表面7的下部区域制造得较宽。

图4关于拐角表面7的配置同样基本上对应于图1中的第一示例性实施例，也就是说拐角表面7同样朝向底表面1的拐角区域逐渐缩小。但是，这里同样，现在实现了平移边缘修整，也就是说拐角表面7是用平面方式实施的。

刚刚解释的示例性实施例说明了根据本发明的光学元件可以用不同方式配置。就此而言，通过举例，顶表面2的切块3或者顶表面2本身也可以用旋转对称或多边形的方式实施。但是，在任何情况下，截断金字塔的原先尖锐的边缘都被一些表面替换，这样由于杂散光因此减少，会使得照明属性得到显著改善。

在图7中展示了图1至图4中的任何上述示例性实施例中可以使用的一种可设想的发展。在这种情况下，具体来说侧表面8用带有构造的方式实施，也就是说配备有刻面15。借助于这些额外的结构性元件，光学元件20的光分布曲线可以用期望的方式另外受到影响，当然，在这种情况下，作为替代或补充，也可以设想在拐角表面7上形成刻面。此外，还可以使用其他构造，例如球面罩盖或类似构造。

图8中还展示了替代或补充的发展，其中在这种情况下，顶表面2的切块3配备有一个凹痕10。凹痕10在切块2的底表面4和圆周表面5两者上延伸，并且引起从光源入射在光学元件20中的光分裂。因此，因而形成一个光束分离器，借助于这个光束分离器，光学元件20发射的光分裂成两条光束，这两条光束相对于一个通过凹痕限定的平面基本上对称地定向。这两条光束在相对于垂直线的角度上定向，因而产生所谓的蝙蝠翼分布。这种光发射特性首先防止在浅角度观察照明设备时出现眩光。其次，在照明设备下方的水平表面上避免了干扰性反射，结果是这种光发射特性非常适合于工作场所的实例还有其他领域的实例。在先前描述的所有示例性实施例中，又可设想使用凹痕10的形式的这种光束部分。

图9中同样更详细地展示了进入透镜30的优化配置，这个进入透镜包括这种凹痕10，也就是说光束分离器。这个图示明确地示出，借助于根据本发明的光学元件的单独透镜元件的对应配置，光分布曲线的适配可以得到优化而且效率可以因而得到改善。

如同已经提到的，根据本发明的解决方案的一个具体优点是，在光学元件20中，尽管光退出表面是矩形的具体是正方形的，但是，即便用作光源的LED实际上具有旋转对称的光发射特性，也可以获得均一的光发射。这个属性的效果是，根据本发明的光学元件特别适合于被接合在一起而形成更大的光影响元件。在这种情况下，图10和图11示出了光影响元件40的两个实例，这两个实例都是由多个一体地互连的光学元件20组成，其中图1中的光学元件用于根据图10的光影响元件40中。根据图11的光影响元件40是基于根据图2的变化形式的光学元件20。在这两个示例性实施例中，跨越光影响元件40的整个表面获得具有所追求的光发射特性的均一光发射，即使光产生是由点状光源实现时也是如此。通过根据本发明的解决方案，可以特别好地并且有效地解决这个固有矛盾。

Claims (13)

1.一种用于影响点状的光源的光发射的光学元件(20)，

其中该光学元件(20)具有一个截断金字塔形或截断锥形的基本形状，这个基本形状具有一个形成光发射表面的大约矩形底表面(1)，并且具有一个面向该光源并且形成一个光进入表面的顶表面(2)，

该光学元件的特征在于

该光学元件(20)的侧向表面(6)的从该顶表面(2)在朝向该底表面(1)的拐角的方向上延伸的区域通过平坦的或旋转对称形成的表面区域(7)构成，

该表面区域(7)从该底表面(1)的拐角朝向该顶表面(2)作为封闭表面延伸，以及

该光学元件是使用透明材料按截断锥形或截断金字塔形的方式实施的。

2.如权利要求1所述的光学元件，

其特征在于

该光源是LED。

3.如权利要求1所述的光学元件，

其特征在于

该光学元件(20)的该侧向表面(6)的其余的区域是通过平面表面区域形成的。

4.如权利要求1到3中任一项所述的光学元件，

其特征在于

该光学元件(20)的该侧向表面(6)的多个区域具有构造，该构造配备多个刻面(15)或球面罩盖。

5.如权利要求1到3中任一项所述的光学元件，

其特征在于

该光学元件(20)的顶表面(2)是旋转对称的。

6.如权利要求1到3中任一项所述的光学元件，

其特征在于

该光学元件(20)的顶表面(2)是用多边形的方式实施的。

7.如权利要求1到3中任一项所述的光学元件，

其特征在于

该光学元件(20)的顶表面(2)具有一个切块(3)。

8.如权利要求7所述的光学元件，

其特征在于

该切块(3)的圆周表面(5)遵循一条抛物线、一个椭圆形形状或一条自由曲线。

9.如权利要求7所述的光学元件，

其特征在于

该切块(3)的底表面(4)是弯曲的。

10.如权利要求7所述的光学元件，

其特征在于

该切块(3)具有一个凹痕(10)。

11.如权利要求1到3中任一项所述的光学元件，

其特征在于

该光学元件(20)的底表面(1)是正方形的。

12.一种用于影响多个点状光源的光的光影响元件(40)，其中该光影响元件(40)是由多个一体地互连的如权利要求1-11中任一项所述的光学元件(20)组成。

13.如权利要求12所述的光影响元件(40)，

其特征在于

该光源是LED。