CN104145158A - 光学系统和包含该光学系统的照明装置 - Google Patents

光学系统和包含该光学系统的照明装置 Download PDF

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Abstract

本公开描述了一种用于照明装置的光学系统的实施例，例如MR/PAR/R定向灯的替代物。在一个实施例中，光学系统(100)包括具有将来自于光源(102)的光形成为光束(110)的特征的光学元件(108)(例如，透镜元件(140))。在一个实施例中，光学元件(108)包括多个焦点(126，128)，这些焦点并不全部会聚成光源(102)附近的单个焦点。相反地，一个或多个焦点，优选三个或更多个焦点与光源(102)间隔开，因此焦点的聚集配置使得光束(110)表现出良好的特性。

Description

光学系统和包含该光学系统的照明装置
技术领域
本公开的主题涉及光照技术、照明技术、固态照明技术，以及相关技术。
背景技术
照明器材，包括凹入式照明器材，可以使用用于普通照明任务的泛光灯灯泡，产生强光的相对窄束的聚光灯灯泡，或者用于定向照明的其他灯。这些定向灯有助于突出一个对象或一个原本不亮的区域。常规地，现有技术利用单独的成像光学元件，包括透镜，反射器，和全内反射(TIR)光学器件或它们的组合，以使从光源发射的光形成束。这些成像元件通常设计成具有单个焦点，以使从理想点光源发出的光完全对准成位于焦点。备选地，现有技术的选定的示例改为利用设计有一个以上焦点的光学元件，但是，这些焦点仍定位成沿着光轴。
与这些类型的成像光学系统相关联的一个问题是，光源本身的任何位置的非均匀性，无论是相对于颜色或亮度，都被直接转换成光束。这些非均匀性可以存在于几乎所有类型的源，包括白炽、卤素、荧光、HID和固态光源。其结果是，当束被引导到一个表面时，非均匀性也被投射到该表面上，导致光束的在视觉上不吸引人的外观。为了防止这种情况发生，漫射元件如微透镜阵列(lenslet arrays)、全息图案化薄膜(holographically patterned films)，甚至表面粗糙的材料被引入到光学系统来消除光束中的非均匀性。备选地，一定程度的漫射可以通过稍微移动源使其远离光学系统的焦点来实现。然而，在任一情况下，所增加的漫射也有助于扩宽整个光束，使其很难有效地形成许多应用所期望的窄而强烈的束。因此，增加的漫射所产生的视觉外观的改善带来了成本下降的光学性能。
发明内容
本公开描述了用于照明装置中的光学系统的实施例。装配有光学系统的照明装置的实施例用来替代各种灯及照明装置(例如，MR/PAR/R定向灯)。如更下方所讨论的，这些实施例使用具有使来自光源的光形成为光束的特征的光学元件。在一个实施例中，光学元件具有多个焦点，与常规的透镜和反射器不同，这些焦点不全部收敛到光源附近且离开光轴的单个焦点。更确切地说，焦点中的一个或多个与光源间隔开，因此焦点的集合配置使得光束表现出良好的特性。
在一个方面中，本发明包括一种照明装置。该装置包括对准在光轴上的光源，以及使来自光源的光形成为光束的束形成光学系统。束形成光学系统包括具有多个焦点的光学元件，多个焦点中的至少一个与光轴间隔开，并落在具有与光源间隔开的边界的成像区域之外。优选地，多个焦点中的至少三个与光轴间隔开，并落在具有与光源间隔开的边界的成像区域之外。
有多个特性限定这些实施例的性能，特别是，光学系统的实施例中创建的光束的性质。这些特性的测量通常发生在远的场地(例如，距离为灯的出口孔尺寸的至少5-10倍和/或离灯约半米或更远)。下列限定概括了可限定束图案的特性中的一个或多个，该束图案的峰靠近光束的中心，在光学系统的光轴上，随着从光轴向外移动到束的边缘和更远处具有通常降低的强度。
一个特性例如为最大束强度(还有最大束烛光度(MBCP)或者，由于MBCP可以发生在光轴上或靠近光轴，而为中心束烛光度(CBCP))。最大束强度测量光束的最大值或在中心处的光的感知亮度。另一个特性是束宽度，其由半最大值全宽(FWHM)表示。FWHM是在强度等于MBCP的一半处的光束的角宽度。束流明是与FWHM相关的另一个特性。束流明限定从光束中心向外到具有二分之一最大强度的强度轮廓的流明的集成，或在另一个示例中，流明集成向外到束的FWHM。在一个示例中，如果流明的集成在光束中继续向外至具有10％最大强度的强度轮廓，则集成的流明可以被称为照明装置的场流明。另一方面，如果束图案中的所有流明被集成，则其结果被称为照明装置的面流明，或者在另一示例中，所有的光从照明装置的面发出。如集成球中测得的，面流明可以与总流明大致相同，因为除了通过灯的输出孔以外，通常很少或没有光从灯的输出孔发出。
光学系统保持或改善了常规的定向灯和其他照明装置产生的光束的理想特性。例如，使用光学系统可以改善束均匀性(即，颜色和强度)和光学性能(例如，中心束烛光度(CBCP)，束角，束流明)，而无需对整个灯增加额外的成本。在一个实施例中，通过改善在透镜水平的束均匀性，采用以下光学系统的照明装置的示例可放弃使用某些漫射元件，包括中度至重度全息漫射膜，因为光学系统这样配置以执行漫射元件(例如，使来自光源的光平滑)的功能。
通过结合附图参照以下描述，公开的其它特征和优点将变得明显。
附图说明
现在参考附图来简要地进行说明，其中：
图1示出了具有透镜元件形式的光学元件的一个示例的示例性光学系统的示意图；
图2示出图1的光学系统；
图3示出具有反射器元件形式的光学元件的另一示例的示例性光学系统的示意图；
图4示出了具有全内部反射元件形式的光学元件的又一示例的示例性光学系统的示意图；以及
图5示出可以使用图1，2，3和4中的光学系统中的一个的示例性照明装置的分解组装图。
在若干视图中，在适用的情况下，类似的参考符号指代相同或相应的构件和单元，这些视图都不是按比例的，除非另有指明。
具体实施方式
图1示出了示例性光学系统100的示意图。光学系统100具有光源102。光源102的示例可以具有发光二极管(LED)装置104形成阵列作为主光源。然而，本公开的光学系统100与各种其它发光装置组合使用，例如，使用白炽灯丝的白炽灯装置，使用卤素胶囊的卤素装置，使用荧光管的荧光装置，高强度放电(HID)装置，以及它们的组合。
在本示例中，光源102设置在光轴106上。来自光源102的光照射在光学元件108上，其被配置为使光形成为光束110。光学元件108的示例可以改善光束的均匀性(例如，颜色和强度)，并保持(或改善)光学系统100的光学性能(例如，中心束烛光(CBCP)，束角，束流明，等等)，以满足设计参数，例如，用于定向灯和其他照明装置。在一个实施例中，均匀性的改善，例如，减少光源102引起的非均匀性，不需要额外的物理构件(例如，常规定向灯中常见的透镜元件和/或漫射元件)。
如图2最佳地所示，光学元件108显示出聚焦特征112，它限定了光束110的性质和特性。聚焦特征112可以包括对应于光学元件108的区域(例如，第一区域118和第二区域120)的一个或多个聚焦组(例如，第一聚焦组114和第二聚焦组116)。聚焦组114，116包括聚焦线(例如，第一聚焦线122和第二聚焦线124)和焦点(例如，第一焦点126和第二焦点128)。偏移角(例如，第一个偏移角130和第二个偏移角132)限定聚焦线122，124相对于光轴106的位置。图2还示出了限定成像区域136的边界134，其限定了光源102周围的区域，常规照明装置的焦点出现在该区域中。
光学元件108可以采取透镜元件140的形式，其中该区域118，120可包括可引导光(例如，折射和/或漫射)的单独的光学刻面。这些光学刻面可以包括一个或多个同心的和/或邻近的材料(例如，玻璃和/或聚碳酸酯)的环。这种材料可以是漫射的和/或透射的和/或它们的组合。如图2所示，光学刻面可以沿相邻边缘相匹配来创建透镜元件140的基本上连续的内表面和外表面。在一个示例中，光学刻面可以布置成使得光学元件108的构造类似于菲涅耳透镜的构造。在其它示例中，光学元件108可以包括可以反射光的光学刻面，其中，一个或多个区域118，120是反射性的和/或部分反射性的。
光学刻面的设计，例如，光学元件108在区域118，120的材料选择，光学元件108在区域118，120的表面曲率，和/或光学元件108在区域118，120的其它物理特征和特性，可以对应于光束110所需的束特性和/或性能。反过来，光学刻面的设计可以确定聚焦特征112的配置和布局。在一个实施例中，光学刻面的设计(并且，因此，束的特性)限定聚焦线122，124的位置、方向、以及其他特征(例如，斜率)和焦点126，128的位置。在一个示例中，第一偏移角130的值不同于第二偏移角132的值。同样，第一焦点126可以具有相对于成像区域136与第二焦点128不同的位置。
在本示例中，光学元件108的焦点126，128出现在成像区域136之外，并与光轴106间隔开。在其他示例中，一个或多个(优选三个或更多个)焦点126，128出现在成像区域136的边界之外，以及一个或多个焦点126，128出现在成像区域136的边界之内。本公开设想了聚焦特征112的其它配置，其中焦点126，128中的至少一个驻留在光轴上。在本公开的上下文中，一个或多个的这些组合可以使光学系统100形成为光束110，光束110具有减少和/或消除光源102可引起的某些非均匀性的光学性能，并且该非均匀性可在光束110中显示为异常。
图3示出另一示例性的光学系统200的示意图。光学系统200包括位于光轴206上的光源202。光学系统200还包括具有区域(例如，第一区域218和第二区域220)的光学元件208。在这个示例中，光学元件208包括与光轴206对齐的反射器元件242。反射器元件242可具有如图3中所示的抛物线形状，或者可以配置为需要的其它形状。
在一个示例中，反射器元件242的区域，例如区域218，220，可具有重新定向来自光源202的光的反射性质。重新定向的光可形成为光束210。如图3所示，光学元件208可以具有带聚焦组的聚焦特征212，聚焦组又包括聚焦线(例如，第一聚焦线222和第二聚焦线224)和焦点(例如，第一焦点226和第二焦点228)。光束210期望的特性可确定聚焦线222，224和焦点226，228的位置。在一个实施例中，光学元件208的焦点226，228出现在成像区域236的外侧并与光轴206间隔开。
图4示出另一示例性的光学系统300的示意图。光学系统300包括位于光轴306上的光源302。光学系统300还包括具有区域(例如，第一区域318和第二区域320)的光学元件308。在这个示例中，光学元件308包括与光轴306对齐的全内反射元件344。全内反射元件344的示例作为透镜元件和反射器元件两者而运作。例如，全内反射元件344可以包括倒置(或反转)半圆形式的中心区域(靠近光轴306)。该中心区域类似于传统透镜元件而运作，因为全内反射元件344的这部分折射(即弯曲)来自光源302的光以形成至少部分的光束310。全内反射元件344还可包括一个或多个侧面(例如，区域318所处的位置)。这些侧部区域类似于反射器元件而运作，因为来自源的光以相对于表面法线的陡峭角度(或大于透镜材料的所谓的临界角)撞击表面，它不能穿过该表面，而是反射离开表面，就好像该表面被例如反射材料所覆盖一样。在一个实施例中，选择侧面的形状以形成由来自光源302的光构成的光束310的至少一部分。在全内反射元件344的一个示例中，中心区域具有不同于侧面的焦点(例如，焦点326)的焦点(例如，焦点328)。
在一个示例中，全内反射344的区域，例如区域318，320，可具有允许光漫射或者另外传递来自光源302的光的性质。如图4所示，光学元件308可以具有带聚焦组的聚焦特征312，聚焦组又包括聚焦线(例如，第一聚焦线322和第二聚焦线324)和焦点(例如，第一焦点326和第二焦点328)。光束310的期望特性可确定聚焦线322，324和焦点326，328的位置，在一个实施例中，光学元件308的焦点326，326出现在成像区域336的外侧并与光轴306间隔开。
图5描绘了示例性的照明装置446的分解组装图，其示例可以代替某些类型的定向灯，例如，MR/PAR/R定向灯。照明装置446包括具有光源402的光学系统400，光源402具有发光二极管404的阵列作为主光源。光学系统400也具有光轴406，并且包括使来自发光二极管404的光形成为光束的透镜元件440。虽然在图5中未示出，但透镜元件440可以具有多个焦点，其中一个或多个(优选三个或更多个)焦点落入限定光源202的成像区域(例如，图2中的成像区域136，图3中的成像区域236，图4中的成像区域336)之外，并与光轴206间隔开。照明装置446中的焦点配置与常规定向灯中的焦点配置不同，其中，透镜的焦点会聚成单个的焦点出现在光源(例如，光源402)附近，并沿着照明装置(例如，照明装置400)的光轴(例如，光轴406)。
也如图5所示，透镜元件440是束形成光学系统448的一部分，其具有有助于使来自光源402的光形成为光束的元件。束形成光学系统448还包括绕光轴406形成反射面452的反射器450。反射器元件450使透镜元件440与光源402间隔开。在一个实施例中，束形成光学系统448还具有漫射元件452，其可以进一步更改穿过透镜元件208的光的性质。然而，控制焦点的位置可以影响漫射元件452的设计和构造，并在灯200的一个或多个实施例中，漫射元件452是可选的和/或从灯200中完全排除。在其他实施例中，形成光学系统448的束可以包括反射器元件(例如，图3中的反射器元件242)和/或全内反射元件(例如，图4中的全内反射元件344)，以代替和/或组合透镜元件440和/或其它构件，例如，反射器450和漫射元件452。
图5还示出了用于照明装置446的壳体组件454的一种构造。壳体组件454包括一个或多个保持环(例如，第一保持环456和第二保持环458)，以有助于将照明装置446的元件(例如，束形成光学系统448)固定到散热器构件458。散热器构件458与光源402热相关以散热，例如，LED装置阵列204在照明装置446的操作期间产生的热量。壳体组件454还包括主体部件460和连接器462，它们一起可以容纳用于驱动和控制光源402的各种电构件和电路。连接器462可以与在美国居住和办公处所发现的爱迪生型灯座以及将电传导至照明装置446的构件的其他类型的插座和连接器匹配。在该照明装置446的其它示例中，连接器462可以是卡口式基座或选择来与所选插座适应的其他标准基座。
发光二极管404的示例可以包括各种构造的有机和无机的发光二极管(LED)装置。这些LED装置可以包括裸露半导体片，封装的半导体片，以及各种配置的片包装，其中LED装置安装在一个或多个中间元件上，例如子座、引线框以及表面安装支撑件。在一个或多个示例中，LED装置可以结合呈杯状、圆顶形、圆柱形和/或其它形状的形式的反射部件来引导光，例如，远离光源402朝向透镜元件440。在其他的示例中，LED404可包括涂层或其它材料层，例如，具有或不具有密封剂涂层的波长转换磷光体涂层。
反射器452的示例可包括光轴406周围的圆锥形和/或截头圆锥形部件。这些部件可以具有靠近光源402的入口孔和靠近透镜元件440的出口孔。这种配置允许来自光源202的光通过反射器452传递到透镜元件440。出口孔的尺寸允许反射器452适应到壳体组件454中，其本身的尺寸可以被限制以适应于工业标准形成因素内，例如，针对MR/PAR/R定向灯提出的标准。
反射器450可以包括提供足够的强度和可靠性并且满足对这类产品的某些成本约束的各种金属(例如，铝)、塑料、以及复合材料。反射面452可以表现出高光学反射性。此特征可为所构造的反射器450的材料性质。在一个示例中，涂层或材料层设置在内表面上以形成反射面452。示例性材料包括由ALANOD Aluminum-Verdlung GMBH&Co.KG生产的具有约92％至98％的可见反射率的涂层铝材料，以及由3M生产的具有约97％至98％的可见反射率的聚合物膜。
如本文所用的，元件或功能采用单数描述并以词“一”或“一个”进行，应被理解为不排除复数个所述元件或功能，除非这种排除被明确地记载。此外，对要求保护的发明的“一个实施例”的提及不应被解释为排除了也结合有所述特征的额外实施例的存在。
所撰写的说明书使用了示例来公开本发明，包括最佳模式，并还能够使本领域的任何技术人员实践发明，包括制造并使用任何装置或系统且执行任何所合并的方法。发明的可专利的范围由权利要求限定，并可以包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这样的其他示例包括与权利要求的字面语言无实质区别的等同的结构元件，那么，这样的其他示例将在权利要求的范围内。

Claims (22)

1.一种照明装置，包括：
对准在光轴上的光源；以及
使来自所述光源的光形成为光束的束形成光学系统，所述束形成光学系统包括具有多个焦点的光学元件，所述多个焦点中的至少一个与所述光轴间隔开，并落在具有与所述光源间隔开的边界的成像区域之外。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述多个焦点中的至少三个与所述光轴间隔开，并落在具有与所述光源间隔开的边界的成像区域之外。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述束形成光学系统还包括设置在所述光轴周围的反射器，并且其中，所述反射器具有靠近所述光源的入口孔和靠近所述光学元件的出口孔。
4.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述光学元件包括设置在光路中的透镜元件，并且其中，所述透镜元件包括形成所述光束的多个光学刻面。
5.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述光学元件包括全内反射元件。
6.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述光学元件包括菲涅尔透镜。
7.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述光学元件包括能够将来自所述光源的光重新定向为所述光束的反射器元件。
8.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述多个焦点中的至少一个出现在所述成像区域中。
9.根据权利要求1所述的照明装置，其中光学元件包括多个同心的材料环，其形成对应于所述多个焦点中的各个焦点的区域。
10.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述焦点中的一个出现在所述光轴上。
11.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述光源包括多个发光装置。
12.一种照明装置，包括：
与所述照明装置的光轴对准的光源；以及
定位成接收来自所述光源的光的光学元件，所述光学元件包括具有第一焦点的第一区域和具有第二焦点的第二区域，
其中所述第一焦点与所述第二焦点中的至少一个与所述光轴间隔开，并落在具有与所述光源间隔开的边界的成像区域之外。
13.根据权利要求12所述的照明装置，其中所述第一区域和所述第二区域形成所述光轴周围的同心材料环。
14.根据权利要求12所述的照明装置，其中所述第一焦点和所述第二焦点落在所述成像区域之外。
15.根据权利要求12所述的照明装置，其中所述第一区域和所述第二区域为菲涅耳透镜的一部分。
16.根据权利要求12所述的照明装置，其中所述第一区域和所述第二区域具有不同的光学特性。
17.一种照明装置，包括：
发光二极管；以及
与所述发光二极管间隔开并定位成接收来自所述发光二极管的光的光学元件，所述光学元件具有多个焦点，其中至少一个焦点与所述光轴间隔开，并落在限定所述发光二极管的成像区域之外。
18.根据权利要求17所述的照明装置，其中所述光学元件包括菲涅尔透镜。
19.根据权利要求17所述的照明装置，还包括具有靠近所述发光二极管的入口孔和靠近所述光学元件的出口孔的反射器，其中来自所述发光二极管的光穿过所述反射器到达所述光学元件。
20.根据权利要求19所述的照明装置，其中所述反射器包括截头圆锥形部件。
21.根据权利要求17所述的照明装置，还包括设置成与所述发光二极管热相关的散热器。
22.一种照明装置，包括：
对准在光轴上的光源；以及
使来自所述光源的光形成为光束的束形成光学系统，所述束形成光学系统包括具有多个焦点的光学元件，所述多个焦点中的至少三个焦点与所述光轴间隔开，并落在具有与所述光源间隔开的边界的成像区域之外。
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