CN103917823B - 光整形光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括光源(22)和散射构件(24)的发光装置(20)。该散射构件(24)沿着光输出方向在光源(22)前方布置成三维形状。散射构件的不同区域具有不同的光学特性，以提供关于亮度水平、散射功能和光束形状的期望总的光输出。

Description

光整形光学元件

技术领域

本发明涉及光学元件，特别地，涉及包括具有散射和光束整形能力的散射构件的光学元件。

背景技术

在用于室内照明产品的光学设计中，需要考虑光源亮度和光束的整形。照明产品的亮度过高是不理想的。这可能引起来自照明产品的光分布不均匀，而该光分布不均匀可能提供散射和光束整形问题。在图1中示出根据现有技术的常见照明产品(1)，该照明产品(1)包括光源(2)和布置在距离光源一定距离(6)上的散射片(4)。立体角(8)表示来自光源的光被散射片覆盖的角度。

一般地，在室内照明产品中，在光源亮度和照明产品的光束整形能力之间存在折衷。具有高光源亮度，可能在以期望方式整形光束时存在问题。进一步，低光源亮度可能影响照明产品的有效性。

对根据照明产品中的光束整形实现合适的亮度水平的问题进行解决的一个方式是首先降低来自光源的光亮度，如通过增加布置成靠近光源的漫射或散射构件。随后是例如通过大型反射器或白杯对光束进行整形。

该解决方案的一个示例在JP2010113975中公开，其中漫射片布置在多个光发射器上方。为了整形光束，需要增加光束整形器，如反射器。

在可替换的方式中，首先整形光束，如通过TIR(全内反射)准直器或小型反射器，并且随后降低光亮度，如通过针对光束引入有限的漫射出射窗。

进一步，需要实现最小物理尺寸的照明产品。如图1b中所示，散射片(4)可以布置在距离光源(2)较小距离(6’)，由此同时提供较大立体角(8’)和较小产品。然而，关于具有反射器和散射片的照明产品可以有多小存在限制，因为在不超过最大亮度的情况下散射片可以布置在光源多近存在限制。该布置可以引起在散射片的中心部分的亮度过高，和散射片的边缘部分的亮度水平显著更低。这可以引起光分布不均匀，其不利地影响照明产品的光束整形能力。

因此，还需要更小尺寸的照明产品的可替换解决方案，其结合适中的亮度和光束整形能力。

发明内容

本发明的目标是克服该问题，并提供小尺寸且具有散射与光束整形功能的发光装置。

根据本发明的第一方面，通过包括光源和散射构件的发光装置实现该目标和其他目标。散射构件沿着光输出方向在光源前方布置成三维形状。散射构件的不同区域具有不同几何光学结构形式的不同的光学特性。

在光源前方布置成三维形状的散射构件和散射构件的不同区域的不同光学特性的组合可以提供亮度降低功能、光散射功能和光束整形功能。通过使散射构件布置在光源前方，光源的大立体角可以由散射构件覆盖。进一步，可以维持光源和散射构件之间的最小距离。这意味着光学元件可以捕获光源在足以不超过光学元件的期望最大亮度的距离处的最大光线。这可以避免发光装置出现眩光问题。由散射构件捕获的所有光在散射构件的区域上散射，以降低来自光源的光的亮度。这可以进一步提供，与现有技术相比该发光装置获得更小尺寸。散射构件可以布置成靠近光源，而没有由于散射构件的三维形状导致的亮度问题风险。

“在......前方”，是指沿着光分布方向在光源的前方，或在光源和发光装置的目标观察者之间。

通过将散射构件的不同区域设计为具有不同光学特性，光学元件的总光学性质和发光性质(包括光束的形状)而可以出于某一目的得到优化。可以执行该优化以最大化散射构件的前向散射和最小化散射构件的背向散射。可以设计总的光分布，即可以整形来自光源的光束。根据本发明的发光装置可以具有容易定制的优势。通过只替换散射构件，发光装置的总的光分布可以变化。不同应用可能要求不同的亮度水平和不同的光束形状。本发明可以提供经济高效的解决方案，从而提供了向光学元件提供多种设计方案的可能性。该发光装置可以同时适用于消费者应用和专业的照明应用。

由于所有需要的用于散射和光束整形二者的光学元件集成在发光装置中，其可以适用于模块产品架构。散射构件的三维形状可以是圆锥状、盒体状、圆柱状、球体状、圆顶状等。

通过提供在构件的不同区域具有不同光学结构的散射构件，来自光源的光可以在光被散射以设定来自光学构件的期望光亮度输出的同时以期望的方式进行整形。不同光学结构可以例如包括散射构件的表面不同、散射构件的材料成分不同或散射构件的厚度不同。不同的光学结构可以进一步为表面结构的特性的不同。不同的光学结构可以进一步为散射构件的表面的不同几何形状。不同的光学结构可以是不同的几何光学结构。可替换地，不同的光学特性可以由散射构件的表面的微粒或孔提供。

在一个实施例中，散射构件表面的不同区域可以具有不同的光学特性。

通过向散射构件表面的不同区域提供不同光学特性，可以控制来自发光装置的总光分布。通过相应地设计在散射构件表面的不同区域的光学特性，可以以特定的方式整形来自发光装置的光束。通过设计散射构件的表面，该散射构件可以易于制造。

在进一步的实施例中，散射构件的表面可以包括从波纹结构、折射结构、透镜阵列结构和其组合中选择的至少一个光学结构。

通过设计散射构件的不同区域的光学结构，可以通过有效的方式控制和设计在不同区域的散射构件的功能。这允许进一步在设计散射构件的不同区域的散射和光束整形功能的可能性，促进发光装置的整体光分布。散射构件可以进一步包括具有不同类型的结构的组合的区域。该区域可以是在具有不同结构的两个区域之间的过渡区域，从而提供从一个结构到另一个结构的梯度区域。散射构件的不同区域可以因而具有彼此之间的浮动限制。区域的光学结构可以是具有散射功能的任何结构。光学结构可以从波纹、折射或透镜阵列结构的组中选择。具有从所述组中选择的不同光学结构的不同区域可以被提供为具有相同光学结构类型但是具有不同特性的不同区域。

在另一个实施例中，散射构件的两个相对表面的每一个可以包括从波纹结构、折射结构、透镜阵列结构和其组合中选择的光学结构。

散射构件可以由布置成三维形状的散射片制造而成。然后，两个相对表面可以是散射片的两个侧面。通过在散射构件的两个表面的不同区域提供不同光学结构，散射构件的不同区域的行为可以被设计成每个侧面具有较不复杂的结构设计，这是因为两个侧面将协作获得该区域的总光学行为。在两个相对的表面，散射构件的具体区域可以被提供有相似类型的光学结构。可替换地，区域可以包括提供有不同类型的光学结构的两个相对表面，例如在一个侧面的波纹结构和在另一侧面的折射结构。两个表面的光学结构可以是非对称的或对称的。

在一个实施例中，折射结构可以包括全内折射面。

通过在散射构件的表面将全内折射面包括到折射结构中，散射构件可以设计为进一步最小化散射构件的背向散射。面的设计可以基于面相对于光源的位置选择。

在一个实施例中，散射构件的每个不同区域的光学特性可以取决于垂直于每个区域的表面的方向和从相同区域朝向光源的方向之间的角度选择。

通过基于从某一区域到光源与垂直于该区域的表面的方向相比较的角度，设计该区域的光学特性或光学结构，可以最小化在该区域的背向散射。进一步，可以关于折射优化该区域，以为该区域提供期望的光束形状。

在一个实施例中，散射构件的不同区域的光学特性可以取决于散射构件的所述区域到光源的相对距离选择。

某一区域和光源之间的相对距离可以影响到达该区域的光强度。区域的光学特性的设计可以因而受所述相对距离的影响。为了实现来自发光装置的期望总光分布，可能需要关于所述距离设计每个区域。举例来说，取决于所述距离可以为每个区域选择某一类型和/或某一特性的光学结构。

在一个实施例中，光学结构具有大约5到50微米的深度。

对于散射结构的不同区域而言，该深度可以是不同的。散射结构的不同区域可以具有相同类型的光学结构，但是具有不同的结构深度。对于结构深度，其是指在散射构件的表面的浮雕结构的顶部和底部之间的距离。

在一个实施例中，散射构件可以是弯曲或折叠成三维形状的散射片。

散射构件可以是已经弯曲或折叠成三维形状的二维散射片。这可以提供用于制造的经济有效的发光装置和散射构件。相对于固态三维散射构件，该二维散射片更容易制造。

在进一步的实施例中，散射片可以包括不同区域具有不同光学特性的顶面和底面。

取决于散射构件的三维形状，形成三维散射构件的散射片可以通过特定方式设计。不同区域的光学特性可以取决于每个区域在三维散射构件中的位置选择。因而在散射片布置成三维形状之前，两个表面可以拥有在不同区域的不同光学特性。

在一个实施例中，散射构件可以被布置成三维形状，使得来自光源的光由散射构件重定向至至少两个不同方向。

散射构件的三维形状可以提供：来自光源的光被定向到不同方向。来自发光装置的光束可以因而以期望的方式进行设计。利用单个散射构件可以使光从相同的发光装置定向到多个方向。

根据本发明的第二方面，提供用于制造发光装置的方法。该方法包括制造散射片的步骤，其中散射片的不同区域具有不同的光学特性，从而提供在散射片的不同区域具有不同几何光学结构的散射片，和将散射片沿着光输出方向在光源前方布置成三维形状。

散射片可以制造为在片的不同二维区域具有不同光学结构的二维片。这为散射片和发光装置提供了经济有效的制造方法。然后，散射片可以在光源前方布置成三维形状。散射构件可以布置在圆锥状、箱体形状、盒体状、球体形状、圆顶形状等。本文针对根据本发明的发光装置所描述的所有特征可以适用于根据所述方法制造的发光装置。

在进一步的方面中，本发明涉及一种灯具，其包括本文中所述的发光装置。

应当注意的是，本发明涉及权利要求中所述的特征的所有可能组合。

附图说明

根据下面的详细说明书和附图将容易理解本发明的包括其特定特征和优势的各个方面，在附图中：

图1a和b示出根据已知技术的发光装置；

图2a示出根据本发明的实施例的发光装置；

图2b示出根据本发明的实施例的提供总的光输出的不同光形状；

图2c示出根据本发明的实施例的发光装置；

图3示出根据本发明的实施例的散射构件表面的光学结构；

图4示出根据本发明的实施例的方法的流程图；和

图5a-d示出根据本发明的实施例的散射构件。

具体实施方式

以下将参考附图更全面地描述本发明，其中示出本发明的当前优选的实施例。然而，本发明可以以许多不同形式实现，且不应当解释为限于本文中阐述的实施例；相反，出于透彻性和完整性，以及将本发明的保护范围完全地传递给本领域的普通技术人员而提供这些实施例。相似的参考标记全文指代相似的元件。

图1a示出根据现有技术的发光装置。发光装置1包括光源2和散射片4。散射片4布置在与光源2相距距离6处。散射片4和光源2之间的距离6和散射片4的尺寸提供了发光装置1的立体角8。立体角8是通过散射片4的散射来确定来自光源2的光有多少用于发光装置1中的一种方式。

需要提供更小的光学装置，例如图1a中所示的发光装置1。为了使图1a中的发光装置1更小，现有技术提供了如图1b中的发光装置1’。发光装置1’具有在散射片4和光源2之间的更小距离6’，提供更大的立体角8’。来自光源2的更大量的光因而用于发光装置1’。然而，对于散射片4可以布置在成距离光源2多近而不会超过最大亮度水平存在限制。

现在转向本发明，图2示出根据实施例的发光装置20。发光装置20包括光源22和散射构件24。散射构件24的中心区域27b布置在距离光源22的距离16处。来自光源22的光从光源22以光输出方向朝着散射构件24延伸。散射构件24在光源22的前方沿光输出方向A被布置成三维形状。与现有技术相比较，这提供更大的立体角18，而不会超过最大亮度水平。

如图2a中所示，光源22朝着散射构件24发出光26。散射构件24具有拥有不同光学特性的不同区域27a-c。在根据图2a的实施例中，光学特性被提供为在散射构件24的顶面25a和/或底面25b中的光学结构。具有不同光学结构的不同区域27a-c提供了如下特征，即来自光源22的光在散射构件24的不同区域27a-c中被不同地散射。来自发光装置20的输出光在散射构件24的不同区域中提供为不同形状28a-c。如图2b中所示，不同区域的不同形状28a-c被设计为提供来自发光装置20的期望的总的光输出29。

为散射构件24的特定区域27c选择光学特性可以取决于区域27c相对于光源22的位置。如图2c中所示，该位置可以由垂直于区域27c的表面25b的方向B和从光源朝着区域27c的方向C之间的角度D确定。该角度D还可以描述为从光源22到散射构件24的光26的入射角。

为区域27c选择光学特性可以进一步取决于区域27c和光源22之间的距离选择。

如图3中所示，散射构件24的一个或多个表面25可以包括不同类型的光学结构，以提供在散射构件24的不同区域27a-c中的不同散射特性。散射构件24可以拥有单面的波纹结构32、双面的波纹结构33(其中该波纹结构可以与底部表面上的结构相比以垂直方式进行布置)、单面的折射结构34、双面的折射结构35、单面的透镜阵列结构36或双面的透镜阵列结构37。任何双面结构的布置可以通过一面结构与另一面结构相比以垂直的方式进行布置来提供。这些结构中的一个或多个可以在相同的散射构件24中进行提供。不同类型和不同尺寸的结构可以在散射构件24的不同区域中进行提供。不同类型的光学结构32-37提供不同的散射功能。选择某一区域27a-c的光学结构，以优化散射功能和该具体区域的光束整形功能。这样用于优化光输出和降低发光装置中的背向散射。

图4示出根据实施例的方法100。方法100包括制造在散射片的不同区域具有不同光学特性的散射片的步骤102。由此，散射片被制造为二维片。光学特性可以是在散射片的至少一个表面上的光学结构，该光学结构可以被压花(embossed)和铣刻(milled)在片材料中。可替换地，光学结构可以增加到散射片材料中，作为附接层或膜。

在进一步的步骤104中，散射片在光源前方被布置成三维形状。发光装置因而被制造成包括在光源前方的三维布置的散射构件，其中散射构件包括在构件的不同区域的不同光学特性。

如上所述的方法100和装置20进一步在图5a-d中示出，其中片状的二维散射构件40、50、60、70在光源44、54、64、74前方被布置成三维形状42、52、62、72中。如图5a中所示，散射构件40布置成圆锥状42。如图5b中所示，散射构件50布置成盒体状5。散射构件还可以具有弯曲形状。如图5c中所示，散射构件60布置成隧道状或部分圆柱状62。如图5d中所示，散射构件70布置成圆顶状72。

本领域的普通技术人员意识到，本发明决不限于以上所述的优选实施例。相反，许多改进和变化在所附权利要求的保护范围内是可能的。例如，散射构件在根据本发明的发光装置中的光源前方可以布置成任何三维形状。

此外，根据对附图、公开和所附权利要求的研究，本领域的技术人员在实施所要求的本发明中，可以理解和实现所公开的实施例的变化。在权利要求中，单词“包括”不排除其他元件或步骤，和不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中阐述的多项的功能。在互不相同的权利要求中记载某些措施的仅有事实并不指示不能有利地利用这些措施的组合。

Claims (11)

1.一种发光装置(20,40,50,60,70)，该装置包括：

光源(22,44,54,64,74)，和

散射构件(24,42,52,62,72)，其沿着光输出方向在所述光源的前方被布置成三维形状，其中所述散射构件的不同区域具有不同的光学特性，其中所述散射构件(24,42,52,62,72)的所述不同区域(27a-c)的所述不同的光学特性为不同的几何光学结构，其中所述散射构件是弯曲或折叠成三维形状(42,52,62,72)的散射片(40,50,60,70)，使得所述散射片的边缘部分朝着所述光源弯曲或折叠，

其中所述散射构件(24,42,52,62,72)的每个不同区域(27a-c)的所述光学特性根据与每个区域的表面(25a,25b)垂直的方向(B)与从相同区域朝向所述光源(22,44,54,64,74)的方向(C)之间的角度(D)而被选择。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述散射构件(24,42,52,62,72)的表面的不同区域(27a-c)具有不同光学特性。

3.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述散射构件(24,42,52,62,72)的表面(25)包括从波纹结构(32,33)、折射结构(34,35)、透镜阵列结构(36,37)和其组合的组中选择的至少一个光学结构。

4.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述散射构件(24,42,52,62,72)的两个相对的表面(25a，25b)中的每个包括从波纹结构(32,33)、折射结构(34,35)、透镜阵列结构(36,37)和其组合的组中选择的光学结构。

5.根据权利要求3-4中任一项所述的发光装置，其中，所述折射结构(34,35)包括允许所述散射构件的背向散射最小化的折射面。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的发光装置，其中，所述散射构件(24,42,52,62,72)的不同区域(27a-c)的所述光学特性是进一步取决于所述散射构件的相应区域(27a-c)到所述光源(22,44,54,64,74)的相对距离而选择。

7.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述光学结构的深度为大约5到50微米。

8.根据权利要求7所述的发光装置，其中，所述散射片(40,50,60,70)包括被提供具有不同光学特性的不同区域的顶部表面(25a)和底部表面(25b)。

9.根据权利要求1-4和7-8中任一项所述的发光装置，其中，所述散射构件(24,42,52,62,72)被布置成三维形状，以使得来自所述光源(22,44,54,64,74)的光由所述散射构件重定向到至少两个不同方向。

10.一种用于制造发光装置(20,40,50,60,70)的方法(100)，所述方法包括步骤：

制造(102)散射片(41,51,61,71)，其中，所述散射片的不同区域具有不同的光学特性，从而提供在所述散射片的不同区域具有不同几何光学结构的所述散射片，其中所述散射片弯曲或折叠成三维形状，并且所述散射片的每个不同区域的所述光学特性根据与每个区域的表面(25a,25b)垂直的方向(B)和从相同区域朝向光源(22,44,54,64,74)的方向(C)之间的角度(D)而被选择；和

将所述散射片沿着光输出方向在所述光源(22,44,54,64,74)的前方布置(104)成三维形状使得所述散射片的边缘部分朝着所述光源弯曲或折叠。

11.一种灯具，包括根据权利要求1的或由权利要求10所述的方法制造的发光装置。

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