CN104412037A - 用于led照明设备的具有可调节光束的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于LED照明设备的具有可调节光束的光学系统，包括：单个LED光源(1)，由单个二极管或者由二极管集合组成；第一光学结构(2)，靠近所述LED光源(1)放置；以及第二光学结构(3)，相对于所述第一光学结构(2)更加远离所述LED光源(1)；所述第一光学结构(2)由复杂的光学元件构成，在第一光学结构(2)中，从所述LED光源(1)发出并发送到所述第一光学结构(2)上的光线发生折射和反射，以便获取发送到正透镜的第一阵列(7)上的校准的光束，所述正透镜被放置在所述第一光学结构(2)的下方。所述第一阵列(7)的所述正透镜的每一个都能够将发送到所述第一阵列(7)的校准的光束的一部分转换成入射到相应的第二光学结构(3)的负透镜的第二阵列(8)上的聚敛光束。

Description

用于LED照明设备的具有可调节光束的光学系统
本发明主要涉及用于照明设备和LED光源的具有可调节光束的光学系统。
更具体地，本发明涉及被配置为调节具有LED光源的照明装置的光度发射(即，输出光强分布)的光学系统。
照明设备，取决于其用途，关于它们的光度发射具有多种特征；尤其是，在照明和/或紧急照明领域，针对被配置为与LED光源相耦合的镜头和/或反射镜的设计和结构已经构思了大量的照明设备。
然而，几乎所有公知的光学系统都是静态的，因为它们没有提供任何用于调节光束的机制。
此外，在使用光束调节机制时，所述机制通常只有在一种工作状态下正确地工作而在所有其他工作状态下具有低性能。
本发明的目的是由此消除上述现有技术的缺陷，并且，尤其是提供用于LED照明设备的具有可调节光束的光学系统，该光学系统允许获取能够在最大准直的状态和最大张开角的状态之间调节的光束。
本发明的另一目的是提供用于LED照明设备的具有可调节光束的光学系统，该光学系统被配置为针对定义了光束的角宽度的参数，获取较高并且几乎恒定的发光效率。
本发明的另一目的是提供用于LED照明设备的具有可调节光束的光学系统，该光学系统被配置为获取最小色差和光点范围内最大的光均匀性。
本发明的更进一步的目的是提供用于LED照明设备的具有可调节光束的光学系统，该光学系统制造起来容易且经济，并且能够在无需用到复杂和/或昂贵的技术的情况下制造该光学系统。
由根据所附的权利要求1的用于LED照明设备的具有可调节光束的光学系统实现这些以及其他目的；在从属权利要求中提供了根据本发明的光学系统的其他技术特征。
有利地，将根据本发明的光学系统制造为通用设备，该通用设备能够作为组件用于许多照明系统中，而无需绑定于特定的照明设备或者应用。
从下面涉及了用于LED照明设备的具有可调节光束的光学系统的优选实施例和本发明的目的的说明书中以及从所公开的附图中，本发明的更进一步的目的和优点将变得更明确，其中：
-图1是根据本发明的用于LED照明设备的具有可调节光束的光学系统的第一分解视图；
-图2是根据本发明的用于LED照明设备的具有可调节光束的光学系统的第二分解视图；
-图3是根据本发明的用于LED照明设备的具有可调节光束的光学系统的剖视图和分解视图；
-图4、5和6显示了根据本发明的光学系统的各种配置中的光束的过程。
参考以上附图，作为本发明的目的的、具有可调节光束的光学系统，被配置为用在包括单个光源1的照明设备中；所述单个光源能够由单个LED或者由多个LED构成。
在任何情况下，光源1能够被看作拟点发射器(quasi-point emitter)。
本发明的光学系统由三个部分组成，也就是LED光源1、靠近LED光源1放置的第一光学设备2、和远离LED光源1放置的第二光学设备3。
第一光学设备2和第二光学设备3都由折射的透明材料构成，并且，具体地，第一光学设备2是复杂的光学组件，在第一光学设备2内发生光的反射和折射。
离开LED光源1并且向第一光学设备2发送的光线被折射界面5折射，并且具体地，所述光线的更靠近光轴10的部分被透镜4校准，同时所述光线的其余部分被界面的表面5折射，这构成了反射器6的抛物线轮廓的焦点上的虚拟光源。
TIR型抛物线反射器6被配置为校准光线使得光线平行于光轴10，并且反射器6的表面能够以完全内反射的方式反射光。
事实上，从LED光源1发射的光被彻底校准；在所述光被发送给放置在抛物线反射器6下方的正透镜的阵列7之前，所述光的第一部分被从透镜4的表面校准并且其余部分被从抛物线反射器6的表面校准。
阵列7的每个正透镜能够传送以聚敛光束发送到所述透镜上的准直光束部分，准直光束部分被发送给相应的第二光学设备3的负透镜的阵列8。
此外，第二光学设备3包括两个反射界面，以及，尤其地，由负透镜的阵列8和平面界面9构成。
负透镜的阵列8是与正透镜的阵列7在几何上相等的表面，但是从光学的视角来说所述阵列8与阵列7不同，原因是阵列8具有折射系数的逆序，使得负透镜的阵列8的表面在离LED光源1最近的部分相对应地包含空气，并且在离该LED光源1最远的部分包括折射元件。
被发送给正透镜的阵列7的校准的光束，其特征在于，在垂直于光轴10的平面上的不均匀辉度。
此外，光学阵列7和8的每个表面包括透镜组而不是单个透镜，以便获取离光学系统很远距离处垂直于光轴10放置的屏幕上的光点的辉度的均匀。具体地，阵列7和8由相同的非球面透镜构成(对阵列7提供凸透镜，同时对阵列8提供凹透镜)，该非球面透镜被布置在规则的六角形或者方形网格上，并且阵列7、8的每对透镜都能够将发送到透镜表面上的校准的光束分离。
由此，在离光学系统很远距离处，由每对透镜生成的部分光束重叠并且因此抵消了每单个部分光束的不均匀。
此外，本发明的光学系统装有用于调节光束角振幅的系统，其原因在于LED光源1和第一光学设备2之间的相对位置是固定的，然而对于光学系统来说，第二光学设备3可以沿着光轴10移动(即使所述第二光学设备3无法绕轴10转动)。
由此，光学阵列7、8的表面之间的距离能够在等于0的最小值和等于正透镜的阵列7中放置的透镜的焦距的两倍的最大值之间变化。
所述两个不同的光学配置构成了光学子系统的光学消色差性(opticalacromatism)，该光学子系统由透镜阵列7、8的界面或者表面构成。
尤其是，当第一光学设备2和第二光学设备3以它们之间的最小距离放置时，阵列7、8的两个表面是匹配的(如附图4中所示)，而且负透镜的阵列8抵消了正透镜的阵列7的影响，并且校准的光束11毫无几何上或者色彩上的变化地通过阵列对7、8；并且，由于终端界面9是平面，因此离开光学系统的光束11是被完全校准的。
如果第一光学设备2和第二光学设备3之间的距离增加(例如，如附图5中所示)，则正透镜和负透镜的阵列7、8两者都对光束进行改变；尤其是，随着第一光学设备2和第二光学设备3之间的距离增大，从光学系统离开的光束12的张角也增加，直到光束14的最大张开角度与最大距离的状态为止(如图6中所示)。
在将LED光源1当做点光源时，根据本发明的光学系统具有最大发光效率(除了由于菲涅耳法则发生在阵列7、8的界面附近的损失外)；即使第一光学设备2和第二光学设备3之间的距离被改变，发光效率也是恒定的。
在超出第一光学设备2与第二光学设备3之间的最大距离时，发生光晕效应，导致效率的损失。
最后，考虑到真实的LED光源1，针对光学系统的其他部分来说如果光源很小，则本发明的光学系统实质上充当了具有点光源的光学系统。
从以上描述中，除了明确了针对现有技术的技术上的优势外，还明确了作为本发明的目的的、用于LED照明设备的具有可调节光束的光学系统的技术特征。
最后，还明确了其他技术特征可以在未偏离根据权利要求的发明想法的新颖性原则的情况下被添加到本发明的光学系统上；原因在于这一点很明确：在本发明的实际实施中，所显示的技术细节的材料、形状和尺寸可以是根据需要的任意值，并且可以用技术上等同的其他细节来代替所显示的技术细节。

Claims (14)

1.用于LED照明设备的具有可调节光束的光学系统，包括：单个LED光源(1)，由单个二极管或者由二极管集合组成；第一光学结构(2)，靠近所述LED光源(1)放置；以及第二光学结构(3)，相对于所述第一光学结构(2)更加远离所述LED光源(1)，其特征在于，所述第一光学结构(2)由复杂的光学组件构成，在第一光学结构(2)中，从所述LED光源(1)发出并入射在所述第一光学结构(2)上的光线发生折射和反射，以便获取入射到正透镜的第一阵列(7)上的校准的光束，所述正透镜被放置在所述第一光学结构(2)的底部上，所述第一阵列(7)的每一个所述正透镜能够将入射到所述第一阵列(7)的校准的光束的一部分转换成入射到相应的所述第二光学结构(3)的负透镜的第二阵列(8)的聚敛光束。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一光学结构(2)和所述第二光学结构(3)由相同的透明折射材料制成。
3.根据前述权利要求的至少一项的光学系统，其特征在于，从所述LED光源(1)发出并入射到所述第一光学结构(2)的光线在所述第一光学结构(2)的折射界面(5)上受到第一次折射，并且，所述光线的第一部分，即更接近于穿过所述LED光源(1)并且垂直于透镜的所述阵列(7、8)的光轴(10)的部分，被放置在所述LED光源(1)的前方的准直透镜(4)所校准，而所述光线的剩余部分被所述折射界面(5)所折射，这能够在放置于正透镜的所述第一阵列(7)的上方的抛物线反射器(6)的焦点处实现虚拟源。
4.根据前述权利要求的至少一项的光学系统，其特征在于，所述抛物线反射器(6)将光线校准为与所述光轴(10)平行，并且所述反射器(6)的表面通过完全内反射的方式进行光的反射。
5.根据前述权利要求的至少一项的光学系统，其特征在于，从所述LED光源(1)发射的光线，在它们入射到正透镜的所述第一阵列(7)之前，部分地通过所述准直透镜(4)的表面并且部分地通过所述抛物线反射器(6)的表面被完全地校准。
6.根据前述权利要求的至少一项的光学系统，其特征在于，所述第二光学结构(3)包括两个折射界面，并且，尤其是，负透镜的所述第二阵列(8)和与负透镜的第二阵列(8)相关联的平面端界面(9)。
7.根据前述权利要求的至少一项的光学系统，其特征在于，负透镜的所述第二阵列(8)具有与正透镜的所述第一阵列(7)的表面几何上相等的表面。
8.根据前述权利要求的至少一项的光学系统，其特征在于，负透镜的所述第二阵列(8)包括位于最靠近所述LED光源(1)的部分的空气，和被与相对于所述LED光源(1)最远的部分相对应地放置的折射装置。
9.根据前述权利要求的至少一项的光学系统，其特征在于，入射到所述第一阵列(7)上的所述校准光束，具有在垂直于所述光轴(10)的平面上不均匀的辉度。
10.根据前述权利要求的至少一项的光学系统，其特征在于，透镜的所述阵列(7、8)包括相同的非球面凹透镜和凸透镜，该凹透镜和凸透镜被布置在规则的六角形或者方形网格上，使得所述阵列(7、8)的透镜的每一对都将所述入射的校准的光束进行分离。
11.根据前述权利要求的至少一项的光学系统，其特征在于，所述LED光源(1)和所述第一光学结构(2)之间的相对位置是固定的，而所述第二光学结构(3)能够相对于所述第一光学结构(2)沿着所述光轴(10)平移，使得透镜的所述阵列(7、8)的表面之间的距离从最小值向最大值变化。
12.根据前述权利要求的至少一项的光学系统，其特征在于，所述最小值等于零，同时所述最大值等于被放置在所述正透镜的第一阵列(7)内的透镜的焦距的两倍。
13.根据前述权利要求的至少一项的光学系统，其特征在于，当所述值是最小值时，透镜的所述阵列(7、8)的表面彼此相符，并且所述光束(11)在不改变光束颜色或者几何形状的情况下穿过透镜的阵列(7、8)并且同样被所述平面终端界面(9)所校准。
14.根据前述权利要求的至少一项的光学系统，其特征在于，从所述平面端界面(9)发出的光束(12、14)具有张角，该张角随着所述第一光学结构(2)和所述第二光学结构(3)之间存在的距离而增加。
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