CN104696882A - 在光源与小透镜之间具有不同距离的照明装置 - Google Patents

在光源与小透镜之间具有不同距离的照明装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种照明装置，其包括发光的多个光源、光学栅；聚光器，其配置在所述光源与光学栅之间；和光学投影系统，其适于在沿所述光学轴的某个距离处成像所述光学栅。所述聚光器适于聚集来自多个光源的光，且其中所述聚光器包括多个小透镜，其聚集来自所述光源的光且将所述光转换为沿光学轴传播的多个光束。其中所述小透镜与光源之间沿相邻小透镜的所述光学轴的所述轴向距离对于所述相邻小透镜中的至少一些来说是不同的。

Description

在光源与小透镜之间具有不同距离的照明装置
技术领域
本发明涉及光学透镜，且特别涉及用于聚集来自光源阵列的光的光学透镜和透镜阵列。
发明背景
为了创建与演唱会、直播节目、电视节目、体育赛事相关或作为建筑设施的部分的各种灯光效果和情境照明，创建各种效果的灯具越来越多地用于娱乐行业。通常娱乐灯具创建具有束宽和散度的光束，且例如可以是创建具有均匀光分布的相对较宽光束的洗浴灯具，或其可以是适于将图像投影到目标表面上的轮廓照明灯具。
发光二极管(LED)由于其效率相对高、能耗低、寿命长和/或具有电子调光的能力而越来越多地结合照明应用使用。LED用于一般照明的照明应用(诸如照明广泛区域的洗浴灯/泛光灯)或用于生成宽的光束(例如用于娱乐行业和/或建筑设施)的应用。例如，如在比如由Martin Professional提供的MAC 101TM、MAC 301TM、MAC401TM、MAC AuraTM、MAC QuantumTM、Stagebar2TM、EasypixTM、ExtubeTM、TripixTM、Exterior 400TM系列中。其它LED也被集成到投影系统中，其中创建图像且将图像投影到目标表面。例如，比如在由Martin Professional提供的产品MAC 350EntrourTM中。
目前市售不同种类的LED。例如，LED可以被提供作为发射具有相对较窄光谱带宽的光且因此发射单色光的彩色LED。通常，基于LED的照明产品包括多种这些不同颜色的LED，且由所提供的LED生成的光组合至出射光束中。每种颜色的强度可相对于彼此而调整，从而可如加法混色的领域中已知般改变出射光束的颜色。这些照明产品因此可创建由LED的颜色定义的色域内的任何颜色。通常这种照明产品包括红色LED、绿色LED和蓝色LED且被称为RGB照明产品。RGB照明产品可通过闭合只有一种颜色的LED同时断开剩余颜色的LED来产生红色、绿色和蓝色。此外，RGB产品可通过同时闭合全部颜色(且大约相同强度)来产生白光。然而，白光的显色指数(CRI)由于以下事实而极低：白色是通过组合具有窄的光谱带宽的光而创建。结果是，由这种白光照明的物体不会以其天然色再现(如同由太阳光照明)。
LED还被提供作为适于发射具有宽的光谱带宽的光的白色LED且这些LED还可以具有不同色温。这些LED具有高CRI，因为其发射大的光谱带宽内的光且因此在基于LED的照明产品中使用以创建明亮的白光，所述白光可用来照明物体且以实质上物体的天然色再现物体。然而，基于LED的照明产品(基于白色LED)在不使用如减色滤光的领域中已知的彩色滤光片时不能创建彩色光束。
还提供基于RGBW LED的照明产品(其中组合多个单色LED和多个白色LED)以能够使用加法混色创建不同颜色且改善白光的CRI和效率。这是通过用多个白色LED取代多个彩色LED而实现。白色LED提供具有宽的光谱带宽的光，且由这种装置产生的白光的CRI因此由白色LED改善且还增加白光的强度。然而，缺点是，饱和颜色的强度由于这些白光较少而减小。
还在具有发射不同颜色的光的大量LED晶片和此外还具有发射白光的led晶片的包装中提供LED。LED晶片可被个别地控制，从而由每个晶片发射的光的相对强度可以相对于彼此而改变，从而可如加法混色领域中已知般改变出射光的颜色。通常这些LED包装包括红色晶片、绿色晶片、蓝色晶片和白色晶片，且被称为RGBW 4合1LED。RGBW 4合1LED通常用于如上文描述的基于RGBW LED的照明产品中。
一般来说，希望具有具备高的流明且还具有高的CRI的多色LED照明产品。然而，这难以在上述LED类型下实现，因为由于集光率限制而不可能将来自无限数量的光源的光组合为一个光束。已知的基于LED的照明产品结果通常被设计用于具体目的且通常必须具有大范围的基于LED的照明产品以能够提供多种照明方案。结合投影系统的情况尤其如此，其中光是通过图像创建对象(GOBO)所在的光学栅而耦接。光学投影系统聚集来自光学栅的光且适于在目标表面处成像光学栅(且因此还成像图像创建目标)。当光束穿过光学栅且此等投影系统因此受限于集光率时，光束极窄。让光发射穿过的栅处的集光率E＝A*Ω具有有限的开口面积A，且成像光学器件只聚集来自有限的立体角Ω的光。对于光源，可以相同方式计算集光率，其中A是辐射面积，且Ω是其辐射所成的立体角。此外，还希望具有极紧凑的照明装置，这在更多光源集成到相同照明装置上时难以实现。
在投影系统中，一般将光聚集到其中生成图像的光学栅中，且成像光学系统将栅投影到目标表面上。WO0198706、US6227669和US6402347公开了包括配置在平面阵列中的多个LED的照明系统，在平面阵列中，聚光透镜位于LED前面以聚焦光(例如)以照明预定区域/栅或将来自二极管的光耦接到光纤中。
US5309277、US6227669、WO0198706、JP2006269182A2、EP1710493A2、US6443594公开了照明系统，其中来自多个LED的光例如通过使LED相对于光学轴倾斜(JP2006269182 A2、WO0198706、US5309277)或通过使用位于每个LED前面的个别折射构件(US6443594、US7226185B、EP1710493)引导朝向共同焦点或聚焦区域。
WO06023180公开了投影系统，其包括具有多个LED的LED阵列，其中来自LED的光引导朝向目标区域。LED可以被安装到弯曲底座的表面。
先前技术灯具尝试通过尽可能多增加光源来增加流明输出。然而，结果是，关于功耗对光输出的效率极低，因为这基本上只可能有效地使用集光率与这种光学系统中的成像光学器件相同或更少的光源。因此如果光源集光率严格匹配成像系统的集光率，那么为了增加光输出(强度/流明)而使用多个光源是没有益处的，因为光源的集光率将大于成像系统的集光率且成像系统因此不能够聚集光。
WO11076213和WO11076219公开了一种照明装置，其包括生成光的光源模块、界定光学栅的孔隙和适于在目标表面处成像光学栅的投影系统。光源模块包括多个光源和多个聚光构件。聚光构件包括对准的中心透镜和至少部分包围中心透镜的外围透镜。中心透镜聚集并转换来自光源的光的第一部分，且在孔隙与投影系统之间成像光源。外围透镜部分聚集并转换来自所述光源的所述光的第二部分，且适于将所述光的所述第二部分集中在所述孔隙处。光源模块包括散热模块，其包括相对于彼此成角度的多个互连平面安装表面且其中光源配置在所述平面安装表面上。散热模块包括第一侧，其包括安装表面；和第二侧，其包括界定多个径向空气通道的多个散热片。
即使由WO11076213和WO11076219公开的照明装置极具效率，所述照明装置仍然具有一些缺点，因为照明装置的制造由于需要个别配置LED和TIR透镜而相对较为昂贵。
概述
本发明的目的是为了解决关于发明背景或发明背景的其它问题的上述限制。这是由如独立权利要求中描述的照明装置和方法而实现。附属权利要求描述了本发明的可能实施方案。本发明的优点和优势在本发明的详述中加以描述。
总而言之，本发明涉及一种具有以密集圆形图案配置的多个小透镜的聚光器，其中密集图案具有圆形外围。小透镜被配置来聚集来自对应的多个光源的光且将所聚集的光引导朝向包括在照明装置中的栅或孔隙。照明装置包括具有光源的照明单元、聚光器、栅和光学投影系统，所述光学投影系统用于将来自栅的光或来自栅的图像光朝诸如墙壁或屏幕的远距离物体投影。
附图简述
本发明的实施方案将只通过实例的方式参考附图来描述，其中
图1A-1B示出了照明装置和搭配照明装置使用的聚光器；
图2A-2C示出了小透镜的不同轴向位置、小透镜相对于光源的不同径向位置、小透镜相对于光学轴的不同倾角；
图3a-3c示出了小透镜的弯曲六边形的密集圆形包装；
图4A-4L示出了15、24、36、37、60、61、90、91、121、151、199和235个小透镜的密集圆形包装；
图5A-5E示出了用于扩大小透镜使得小透镜合并的原理；
图6A-6C示出了用于扩大小透镜使得小透镜合并的其它原理；
图7A-7D示出了用于扩大小透镜使得小透镜合并的其它原理；
图8A-8H示出了用于扩大小透镜使得小透镜合并的其它原理；
图9A-9C示出了包括根据本发明的照明单元和聚光器的照明装置；
图10A-10E示出了具有90个小透镜的聚光器的图；
图11A-11F示出了具有15个小透镜的聚光器的图；
图12A、图12B和图12C示出了包装在圆中的圆形小透镜的包装密度依据小透镜数量变化的图表。
详述
图1A示出了穿过照明装置100的中心的截面图(由图1b中的点划线A-A指示)。照明装置包括具有多个光源111的照明单元110、具有多个小透镜121的聚光器120、栅130和光学投影系统140。
光源111可以呈发光二极管(LED)、放电灯、OLED、PLED、等离子光源、白炽灯、荧光光源、基于磷的光源或其它合适的光源的形式。单个光源111可以包括一个或多个光源单元，例如具有不同颜色的两个或多个光源单元。例如，光源可以包括用于发射例如白光的一个发光体，可以包括具有红色、绿色和蓝色晶片的三个发光二极管(称为RGB 3合1LED)或可以包括具有红色、绿色、蓝色和白色晶片的四个发光二极管(称为RGBW 4合1LED)。
小透镜121适于聚集来自光源111的光且将所聚集的光转换为沿光学轴150传播的多个光束127、128(没有全部示出)。
应了解，沿光学轴传播的光束包括以与光学轴成某个角度(例如，小于45度的角度)传播的光线。因此，表示沿光学轴传播的光线的向量包括与光学轴平行的向量分量和垂直于光学轴的向量分量，其中平行向量分量大于垂直向量分量。
小透镜可以被配置来用来自光源111的光填充栅130，使得栅130的区域(即，孔隙)是以均匀强度照明或针对最大输出而优化。栅130沿光学轴150配置且可以被塑形为不透明板中的圆形孔隙。
光学投影系统140可以被配置来聚集透射通过栅130的光束的至少一部分，且在沿光学轴的某个距离处成像光学栅。例如，光学投影系统140可以被配置来将栅130成像到诸如屏幕(例如，演唱会舞台上的屏幕)的某个物体上。某个图像(例如，提供在透明窗上的某个不透明图案、不透明材料中的开放图案或诸如娱乐照明领域中已知的GOBO的成像物体)可以包括在栅130内，使得可由光学投影系统140成像已照明图像。因此，照明装置100可用于娱乐照明。
本发明的实施方案主要涉及聚光器120的配置和其关于照明单元110和栅130的配置。
图1B以从栅130来看为俯视图示出了聚光器120。每个透镜是由圆表示且对应于圆的覆盖区域。因此，小透镜中的每个具有实质上均匀圆形截面的覆盖区域且实质上相等大小或覆盖区域。小透镜的覆盖区域是指小透镜的基本外形，然而小透镜的实际形状可能例如由于如本申请中别处描述的小透镜的扩展而偏离圆形覆盖区域。此外，小透镜181是配置成如本文中别处描述的密集圆形图案，即，使得可界定外接圆180，其连接与聚光器120之中心相距相同距离170的全部最外层圆或小透镜181。每个光源111(图1A中示出)可以存在一个小透镜181，使得小透镜181与光源111之间存在一一对应，即，使得每个光源具有相关小透镜。然而，一个光源可以包括可能集成到单个光源装置中的一个或多个光源单元，诸如3合1或4合1LED。
由于密集包装的影响，小透镜可以配置成外接圆180的中心190周围的多个环181、182、183。因此，小透镜可以包括中心在最外层环181处且沿外圆边界180定位的多个最外层相邻小透镜。最外层小透镜与聚光器120的中心或中心小透镜的中心相距相同径向距离170。
沿第二最外层环182定位的小透镜可能好像配置在相距中心190的相同距离处，然而为了完成密集圆形包装，第二最外层环中的小透镜实际上配置成环状环，其中环状环是由两个同心环182a和182b(由细的虚线示出)界定。环状环182包括至少两组小透镜，其中每组小透镜包括与聚光器的中心相距相同径向距离的多个小透镜，且其中相距聚光器的中心的径向距离对于所述两组小透镜来说是不同的。
在已示出的实施方案中，环状环182中的每个第二小透镜配置在相距聚光器的中心190的相同距离处且分别被配置使得其中心处于第一同心环182a和第二同心环182b处(以圆182的内侧和外侧指示)。第二最外层环因此包括两组小透镜，其中每组小透镜配置在相距外接圆聚光器的中心的相同径向距离处。例如，第一组小透镜包括以α标记的小透镜，且第二组小透镜包括以β标记的小透镜。与其中小透镜的六边形包装被认为是最优的包装的发明背景相比，一些小透镜通过如上所述般将小透镜包装在环状环中造成以下事实：可提供的包装越密集，环绕中心小透镜的一些小透镜可移动越接近中心，且因而使用小透镜之间的更多无效空间且因此被挤压在一起。其中无效空间构成无小透镜的聚光器的区域。
属于相同环状环的小透镜(或多组小透镜)可以被定义与聚光器的中心相距大概相同径向距离的小透镜，其中大概相同的径向距离意指最外层小透镜的径向距离与最内层小透镜的径向距离之间的差小于小透镜的一半直径。
沿除了最外层环181以外的环182-183中的相同环定位的小透镜可被认为与中心相距大概相同径向距离，如可从表格1a-1l验证。位于最外层圆处的小透镜可被认为与中心相距相同径向距离，这也可从表格1a-1l验证。
本发明还涉及一种用于制造适于聚集来自多个光源的光的聚光器的方法，其中聚光器包括多个小透镜，其适于聚集来自光源的光且适于将所聚集的光转换为多个光束使得光束沿光学轴传播，其中每个小透镜包括其中所述光进入小透镜的入射面和其中光退出小透镜的出射面，且其中每个小透镜具有小透镜的实质上均匀圆形截面，所述方法包括
-以密集图案配置小透镜，其中小透镜包括沿外圆边界定位的多个最外层小透镜，其中最外层小透镜中的每个与聚光器的中心相距相同径向距离，和
-优化由小透镜的圆形截面的面积的和与外圆边界的面积的比例定义的包装密度。
图2A示出了实施方案，其中小透镜221a、221b与沿相邻小透镜221a、221b的光学轴150的相关光源211a、211b之间的轴向距离201a和201b对于至少一些相邻小透镜来说是不相同的。
轴向距离201a和201b可以取决于从小透镜或对应光源到聚光器的中心或光学轴150的径向距离270a和270b。与中心或光学轴相距相同径向距离的小透镜具有相同径向距离。因此，具有不同径向距离的小透镜或沿不同环181至183定位的小透镜可以具有不同径向距离，且环状环中的不同组的小透镜也可以具有不同径向距离。
不同径向距离可以使得光源211能够朝栅130适当地成像，使得成像最优地填充栅130且使得成像不会超过栅130的边界。
对于小透镜来说径向中心距离270a、270b越大，从小透镜到栅130的距离越大。从小透镜22a1和222a到栅130的不同距离暗示径向距离201必须不同以使得光源211能够朝栅130适当地成像。
因此，在其中径向距离201取决于从相邻小透镜之一到聚光器的中心或光学轴的径向距离270的实施方案中，与中心相距相同径向距离270的小透镜或沿相同环181-183定位的小透镜也可以具有相同径向距离201。
径向距离201可以在从0到10毫米的范围内。
此外或作为小透镜与光源之间的不同轴向距离201的替代，至少一些光源111可以相对于相关小透镜121在垂直或实质上垂直于光学轴150的方向上(例如在相对于聚光器的中心或光学轴的径向方向上)移位。移位可以呈某种形式使得光源111的中心相对于相关小透镜121的中心移位(如由图2B中的移位230a和230b示出)。光源211在照明单元210的平面(垂直于光学轴150)中的相对移位可以具有以下效果：实质上平行于光学轴150的光线231偏转到光线232中。因而，可以选取移位230a和230b使得来自光源的光231引导朝向栅130。
相对移位230可以在从0到5毫米的范围内。
在实施方案中，光源之一与相关小透镜之间的移位(例如，径向移位)依据从相关小透镜到聚光器的中心或光学轴的径向距离170的变化而增加。因而，对于光源111来说径向距离170越大，移位越大且因而朝向光学轴150的偏转角越大。
如图2C中示出，此外或作为小透镜与光源之间的不同径向距离201(图2A中示出)和相对移位230(图2B中示出)的替代，至少一些小透镜的光学轴240a、240b(以虚线示出)可以相对于聚光器120的光学轴150成角度241a、241b。成角度可以改善光从光源121到栅130上的成像。一般来说，成角度是在从0到30度的范围内，且成角度被定向使得小透镜指向光学轴，即，使得位于光学轴150上的小透镜顺时针旋转且位于光学轴150下的小透镜逆时针旋转。
在实施方案中，成角度的小透镜的角度241取决于从小透镜之一到聚光器的中心或光学轴的径向距离170，使得具有不同径向距离的小透镜或沿不同环181-183定位的小透镜可以不同地成角度，且环状环中的不同组的小透镜也可以具有不同角度。因此，对于小透镜来说径向距离170越大，角度240可能越大以提供光源到栅130上的最优成像。
此外或作为不同径向距离201、不同相对移位230和不同角度240的替代，小透镜121可以具有例如呈不同光学功率的形式的不同光学性质。可能不同的光学功率或偏离球面的透镜的形状被确定以获得光源到栅130上的适当或光学成像，即，优化栅130中的强度的效率和/或均匀度。
一般来说，当用来自光源的光填充栅130使得用具有低于给出百分比的强度变化的光填充栅和/或使得来自光源的给出百分比的功率透射通过栅130时，可以满足光源到栅130上的适当或最优成像。
由于光源211与小透镜221之间的不同径向距离201(图2A中示出)、光源211与小透镜221之间垂直于光学轴的移位230(图2B中示出)、小透镜221相对于光学轴150成角度和具有不同光学功率的小透镜221中的一个或多个，光源211可成像或投影到栅130上使得用均匀强度分布充分填充栅。当光源211配置在平坦平面中(例如，平面印刷电路板上)时，小透镜的这种配置可能特别有利，因为这种方案可以使得照明装置的制造更加简单且更加便宜。因此，在实施方案中，照明单元210可以被配置为平面或其中全部光源211位于相同平面上的平坦单元。
如结合图1B描述，小透镜121是以密集圆形图案配置。发明者已认识到，以又密(即，其中与非密集图案相比小透镜的面积与外接圆的面积的比例有所改善)又圆的图案配置小透镜是有利的，因为密集图案可以改善透射通过聚光器120和照明装置100的光功率的百分比。此外，成像透镜具有圆形孔隙，其理论上应被填充到边沿且密集圆形图案优化所述填充，因而改善效率。圆形图案可能比非圆形图案更有利，因为墙壁上的圆形图像投影与非圆形图像投影相比可以具有更加吸引人的视觉外观。此外，圆形包装使得可使用轴向对称投影系统且不会损失太多的光，且简化光学设计并减小投影系统的成本。
以下参考文献中描述了以密集圆形图案配置相同大小的圆的问题：1)“R.L.Graham,B.D.Lubachevsky,Dense packings of 3k(k+1)+1equal disks in a circle for k＝1,2,3,4and 5,Proc.First Int.Conf."Computing and Combinatorics"COCOON'95,Springer Lecture Notes inComputer Science 959(1996),303–312”和2)“B.D.Lubachevsky,R.L.Graham,Curved Hexagonal Packings of Equal Disks in a Circle,DiscreteComput.Geom.18(1997),179–194”，所述参考是以引用的方式并入本文中。所并入的参考文献描述了一般针对任何数量的圆且具体地当圆的数量等于六边形数量h(k)时可如何获得密集图案：
h(k)＝3k(k+1)+1，其中k是整数  等式1
所并入的参考文献1)和2)描述了可通过优化方法获得一般数量的圆的密集图案，其中使用已知的基于计算机的“台球(billiards)”仿真算法优化包装密度。包装密度是由圆的面积的和与外接圆的外圆边界的面积的比例来定义。
以下参考文献中描述了“台球”仿真算法：3)“B.D.Lubachevsky,How to simulate billiards and similar systems,J.ComputationalPhysics 94(1991),255-283”；4)“B.D.Lubachevsky and F.H.Stillinger,Geometric properties of random disk packings,J.StatisticalPhysics 60(1990),561-583”和5)“R.L.Graham and B.D.Lubachevsky,Dense packings of equal disks in an equilateral triangle:from 22to 34and beyond,The Electronic Journ.of Combinatorics 2(1995)”。所述三个参考文献也是以引用的方式并入本文中。
所并入的参考文献1)和2)描述了可通过以包括圆的六个弯曲路径的弯曲六边形包装图案配置圆而分析地(即，不需要计算机仿真)获得六边形数的密集图案。
图3A示出了通过使用用于获得密集圆形图案的分析方法针对相等大小的61个圆或圆盘310的六边形数获得的弯曲六边形包装图案300。所述图案示出了从外接圆311(外圆边界311)的中心延伸到外接圆的外围的相邻圆的六个弯曲路径301(由阴影圆示出)。
一般来说，根据分析方法的聚光器的小透镜是配置在相邻小透镜的六个弯曲路径中，其中每个路径从聚光器的中心延伸到外圆边界，且其中开始于定位在位于聚光器的中心处的小透镜附近的小透镜且结束于外圆边界的连续直线相对于前面的直线成角度αk＝+/-pi/3k，其中k定义弯曲路径中的每个中排除位于聚光器的中心处的小透镜以外的相邻小透镜的数量。
发明者已意识到，参考文献1)、2)和3)中描述的方法可用于研发聚光器的过程。
密集图案300或包括在圆形边界311内的密集包装的圆盘的六边形或非六边形数的其它图案在本发明的实施方案中用于以密集图案放置小透镜121。因此，圆盘310可由小透镜取代使得圆或圆盘310和圆盘310的面积等于小透镜的圆周和圆周的面积。小透镜的圆周可以由小透镜的覆盖区域(即，小透镜的入射面或出射面的圆周)来定义。因此，如图1B中描绘的小透镜121可以对应于小透镜的截面或小透镜的覆盖区域使得小透镜121的覆盖区域等于圆310。因此，圆310和外圆边界311还分别表示小透镜121和外圆边界180的截面图或覆盖区域。为了方便起见，参考数字310将用于指代小透镜121且外圆边界311将用于指代小透镜的外圆边界180。
因此，每个小透镜界定对应于小透镜121的实质上圆形截面的圆盘310。应了解，实质上圆形截面不一定恰好是圆形，但是以更广泛的意义来说可以是包括椭圆形或其它形状的圆形。由于通过扩展小透镜的体积(本文中别处描述)合并小透镜而可能偏离恰好圆形形状。此外，小透镜121的圆盘310具有相同直径且位于垂直于光学轴150的共同平面中。此外，小透镜的密集图案是通过优化由圆盘310的面积的和与外接圆盘310的容器圆盘311的面积的比定义的包装密度来获得。
应注意，实质上垂直于小透镜的光学轴的平面中的小透镜121的截面的形状是非六边形，即，不包括六边形形状，但是可以包括圆形形状或偏离圆形形状且具有光滑圆周。
因此，如图1B中示出，聚光器120的小透镜121可以包括沿外圆边界180定位的多个最外层相邻小透镜，其中最外层小透镜中的每个与聚光器的中心相距相同径向距离170，且其中密集图案是通过优化由小透镜121的圆形截面或覆盖区域的面积的和与外圆边界180的面积的比例定义的包装密度来获得。
如果聚光器120被配置具有六边形数量的小透镜121，那么小透镜的密集图案可如图3A中示出般且如参考文献1)和2)中通过确定包括相邻小透镜310的六个弯曲路径301的图案来分析地确定，其中每个路径从聚光器120的中心延伸到外圆边界311。
如图3A中示出，每个弯曲路径301可以通过最初定义连接相邻小透镜的中心的直线318a-318d的数量且通过确定直线之间的角度αk来确定，使得开始于定位在位于聚光器120的中心处的小透镜附近的小透镜且结束于外圆边界311的连续直线相对于前面的直线成角度αk＝π/3k，其中k是十六进制数且由等式1给出，且定义弯曲路径(如由阴影圆示出)中排除位于聚光器的中心处的小透镜以外的相邻小透镜的数量。
特征是，弯曲路径(由阴影圆示出)在60度旋转下不变，且结果是，组成聚光器120的全部小透镜的密集图案在60度旋转下不变。
在已示出的实施方案中，连续直线在顺时针方向上成角度，然而应注意，其也在逆时针方向上成角度，产生镜像图案。弯曲六边形图案包括由数字0至4标记的多个层/环，其中层和环可如结合图1B描述般界定和配置。
此外，弯曲六边形图案存在多个置换，且可通过使开始于第二层的多组结构层旋转且在与图3A中示出的基本弯曲规则图案相反的方向上旋转对应于αk的角度来获得这些置换。结构层旋转意指最内层旋转层(旋转的第一层)外部的全部层旋转相同角度且在相同方向上旋转。例如，一般来说以层2作为最内层旋转层将造成全部层2至k旋转且以层3作为最内层将造成全部层3至k旋转的事实。应注意，最外层k是否旋转无关紧要，因为这个层在旋转αk下不变。结果，结构外层可相对于最内层非旋转层旋转存在k-3(层0、1和K旋转不会产生置换)种不同方式。此外，应注意不同图案也存在镜像置换。
图3B示出了图3A的基本图案的置换，其中层2、3和4相对于层0和1在逆时针方向上旋转αk度。箭头320a、320b、320c分别指示第二层、第三层和第四层的旋转。
图3C示出了基本图案的置换，其中层3和4相对于层0、1、3在逆时针方向上旋转αk度。箭头320b、320c分别指示第三层和第四层的旋转。
对于六边形数(由等式1定义)，小透镜的密集圆形图案(其中多个最外层相邻小透镜沿外圆边界定位，其中最外层小透镜中的每个与聚光器的中心相距相同径向距离)可因此是通过分析或通过反复分析/计算(例如由计算机执行)而得出。可通过反复分析/计算得出非六边形数量的小透镜的密集圆形图案。图4A-4L示出了小透镜的多种密集圆形图案，且图案是通过计算机仿真而创建。
无论聚光器120是否被配置具有六边形或非六边形数量的小透镜121，特征均是至少一些最外层小透镜(即，最外层环181中的小透镜)位于两个其它最外层定位的小透镜附近。如果聚光器120被配置具有六边形数量的小透镜，那么特征是最外层小透镜中的每个位于两个其它最外层定位的小透镜附近且接触两个其它最外层定位的小透镜(即，最外层小透镜形成封闭外环181)。
聚光器120中的小透镜121的数量可以大于14。为了获得大的包装密度，可以根据等式1选取小透镜的数量，其中k大于2。替代地，可以将小透镜的数量选取为非六边形数，但是根据所述等式将其选取为减小的六边形数hr(k)：
hr(k)＝3k(k+1)，其中k是整数  等式2
因此，由等式2给出的小透镜的数量是小于由等式1给出的六边形数的一个数。可通过设计具有由等式2给出的小透镜数量的聚光器获得的包装密度接近可通过设计具有由等式1给出的小透镜数量的聚光器获得的包装密度。此外，在一些实施方案中，可基于六边形数量的小透镜得出密集圆形图案，然而小透镜之一为了其它目的被移除以将其空间用作(例如)用于在塑模过程期间塑模材料的入口空间。因此小透镜的数量减小到由等式2给出的数量。
图12A、图12B和图12C示出了包装在圆中且包括至少7个最外层小透镜的圆形小透镜的包装密度依据小透镜数量变化的图表。包装在圆中的圆形小透镜的包装密度是基于由计算机仿真获得的圆形小透镜的密集圆形包装的数量。图12A示出了区间1至225个小透镜中的包装密度；图12B示出了区间200-700个小透镜中的包装密度且图12C示出了区间700-1500个小透镜中的包装密度。水平轴1280指示小透镜的数量且垂直轴1281指示由通过最外层小透镜界定的外圆边界的区域界定的圆内部的圆形小透镜的包装密度。线1282指示包装密度的图表。
图表显示存在多个局部扩展区间I1-I25，其中小透镜的包装密度高于小透镜数量的周围范围。在一个实施方案中，根据本发明的聚光器包括表格0a中指示的扩展区间I1-I25之一内的多个小透镜，其中扩展区间I1-I25被指示为闭区间，意指表格0a中指示的端点包括在扩展区间I1-I25中。
选取小透镜数量为扩展区间I1-I25之一中保证可在小透镜的给出范围内优化小透镜的包装密度。例如，如果由于其它原因，光源的数量必须在50-75个光源的范围内，那么可知可从扩展区间I3和I4选取小透镜和光源的数量以优化小透镜的包装密度，且因而还优化照明装置的效率。类似地，如果光源的数量必须在75-125个光源的范围内，那么可从扩展区间I5和I6选取小透镜和光源的数量。
此外，图表示出了存在多个局部密度峰值P1-P51，其中具有具体数量的小透镜的包装密度高于周围多个小透镜的密度。
可知对于小透镜的数量等于等式1中给出的六边形数且小透镜总数小于100形成局部密度峰值P2、P4和P6。然而令人惊讶的是，显然如果小透镜的数量等于六边形数减去6，那么还形成大量密度峰值，例如P3、P5和P7。
在一个实施方案中，根据本发明的聚光器包括数量等于如表格0b中指示的局部密度峰值之一的小透镜。
通过以局部密度峰值P1至P51设计具有多个小透镜的聚光器，可在光源和小透镜的给出数量范围内设计具有最密集的小透镜图案的聚光器且因而优化光输出。例如，如果由于其它原因，光源的数量必须在50-75个光源的范围内，那么可知小透镜和光源的数量可能来自以下峰值局部密度峰值P3和P4以优化小透镜的包装密度，且因而还优化照明装置的效率。类似地，如果光源的数量必须在75-125个光源的范围内，那么可从局部密度峰值P5、P6或P7选取小透镜和光源的数量。可知扩展区间和局部密度峰值趋向于随着小透镜的数量增加而逐渐失去主导地位。然而，仍然可通过以峰值密度点和/或峰值密度区间选取小透镜的数量来实现效率改善。
如上文定义的包装密度一般增加以用来增加小透镜的数量。因此，对于密集包装，包装密度在大约0.71(聚光器具有15个小透镜)与大约0.88(聚光器具有1500个小透镜)之间变化。表格0b中指示局部密度峰值P1至P51下的包装密度。
图4A-4G示出了可由计算机仿真获得的圆形小透镜421的多个示例性密集圆形包装。小透镜已经配置在半径为1(一)的圆中。下文指示小透镜的所得半径和包装密度。本申请结束时的表格中指示小透镜421的中心相对于圆的中心的坐标。本领域一般技术人员将能够将外接圆的大小调整为任何所需大小且因此调整小透镜的大小和坐标。即，如果外接圆的直径应为10(以给出单位表示)，那么小透镜的半径和坐标的径向部分应乘以10。
图4A示出了以密集圆形图案配置的15个圆形小透镜的密集圆形包装。小透镜相对于圆形图案的外圆边界的相对半径是0.2212，且小透镜的包装密度是0.7338。
图4B示出了以密集圆形图案配置的24个圆形小透镜421的密集圆形包装。小透镜相对于圆形图案的外圆边界的相对半径是0.1693，且小透镜的包装密度是0.7740。
图4C示出了以密集圆形图案配置的36个圆形小透镜的密集圆形包装。小透镜相对于圆形图案的外圆边界的相对半径是0.1482，且小透镜的包装密度是0.7909。因此在一个实施方案中，根据本发明的照明装置包括至少36个小透镜且具有至少0.79的包装密度。
图4D示出了以密集圆形图案配置的37个圆形小透镜的密集圆形包装。小透镜相对于圆形图案的外圆边界的相对半径是0.1480，且小透镜的包装密度是0.8100。这样的包装对应于局部密度点P2且在扩展区间I2内。因此在一个实施方案中，根据本发明的照明装置包括至少37个小透镜且具有至少0.81的包装密度。
图4E示出了以密集圆形图案配置的60个圆形小透镜的密集圆形包装。小透镜相对于圆形图案的外圆边界的相对半径是0.1157，且小透镜的包装密度是0.8026。这样的包装在扩展区间I4内。因此在一个实施方案中，根据本发明的照明装置包括至少60个小透镜且具有至少0.80的包装密度。
图4F示出了以密集圆形图案配置的61个圆形小透镜的密集圆形包装。小透镜相对于圆形图案的外圆边界的相对半径是0.1155，且小透镜的包装密度是0.8131。这样的包装对应于局部密度点P4且在扩展区间I4内。因此在一个实施方案中，根据本发明的照明装置包括至少61个小透镜且具有至少0.81的包装密度。
图4G示出了以密集圆形图案配置的90个圆形小透镜的密集圆形包装。小透镜相对于圆形图案的外圆边界的相对半径是0.0948，且小透镜的包装密度是0.8092。因此在一个实施方案中，根据本发明的照明装置包括至少90个小透镜且具有至少0.80的包装密度。
图4H示出了以密集圆形图案配置的91个圆形小透镜的密集圆形包装。小透镜相对于圆形图案的外圆边界的相对半径是0.0946，且小透镜的包装密度是0.8150。这样的包装对应于局部密度点P6。
图4I示出了以密集圆形图案配置的121个圆形小透镜的密集圆形包装。小透镜相对于圆形图案的外圆边界的相对半径是0.0825，且小透镜的包装密度是0.8231。这样的包装对应于局部密度点P7且在扩展区间I6内。
图4J示出了以密集圆形图案配置的151个圆形小透镜的密集圆形包装。小透镜相对于圆形图案的外圆边界的相对半径是0.10742，且小透镜的包装密度是0.8315。这样的包装对应于局部密度点P8且在扩展区间I7内。
图4K示出了以密集圆形图案配置的199个圆形小透镜的密集圆形包装。小透镜相对于圆形图案的外圆边界的相对半径是0.0649，且小透镜的包装密度是0.8388。这样的包装对应于局部密度点P9且在扩展区间I7内。
图4L示出了以密集圆形图案配置的235个圆形小透镜的密集圆形包装。小透镜相对于圆形图案的外圆边界的相对半径是0.0598，且小透镜的包装密度是0.8414。这样的包装对应于局部密度点P11且在扩展区间I9内。
图4E示出了具有如由等式2(其中k＝4)给出的60个小透镜的聚光器120。可通过提供具有如图4F中示出的61个小透镜的聚光器120提供具有60个小透镜的替代设计，其中已移除一个小透镜，例如移除中心透镜或沿外接圆定位的透镜。如图4E中示出般具有61个小透镜的聚光器120的包装密度是0.8131，且具有通过从具有61个小透镜的聚光器移除一个小透镜提供的60个小透镜的聚光器的包装密度是0.8000。最优的60包装(图4E)的包装密度给出为0.8026。另一方面，具有62个小透镜的聚光器只具有0.795的包装密度。类似地，如图4H中示出般具有91个小透镜的聚光器120的包装密度是0.8150，且具有通过从具有91个小透镜的聚光器移除一个小透镜提供的90个小透镜的聚光器的包装密度是0.8060。最优的90包装(图4G)的包装密度给出为0.8092。另一方面，具有92个小透镜的聚光器只具有0.8058的包装密度。因此，具有六边形数量的小透镜的聚光器趋向于具有更高的包装密度，具有减小的六边形数量的小透镜的聚光器(根据等式2)具有稍微减小的包装密度，而具有增加的六边形数量(即，由等式1提供的数量加上一)的小透镜的聚光器具有明显增加的包装密度。因此，具有如由等式1或等式2提供的小透镜的数量的聚光器120可以是优选的。
图4D、图4F和图4H中分别具有37、61和91个小透镜的聚光器包括根据等式1的六边形数量的小透镜，而图4C、图4F和图4G中分别具有36、60和90个小透镜的聚光器包括根据等式2的减小的六边形数量的小透镜。具有六边形数量的小透镜的任何聚光器设计可通过移除一个小透镜被修改为具有减小的六边形数量的小透镜的设计。为了在用于聚光器的模具中建立孔，可能必须从具有六边形数量的小透镜的设计移除一个小透镜，其中所述孔中可注入塑模材料。然而，例如如图4B、图4I、图4J、图4K和图4L中示出，也可以使用其它数量的小透镜，其中聚光器分别具有27、121、151、199和235个小透镜，且哪个数量被选取作为这些实施方案中的小透镜的密度与具有类似但是不同数量的小透镜的聚光器的密度相比形成局部最大值。例如，图4B中具有27个小透镜的聚光器形成局部密度最大值(0.7740)，因为其具有的密度高于具有26个小透镜(0.7654)和28个小透镜(0.7739)的聚光器。此外，图4I、图4J、图4K、图4L中示出的分别具有121、151、199和235的聚光器全部形成密度大于具有介于-5与+5个小透镜之间的聚光器的密度的局部密度最大值。具有19、37、55、61、85、91、100、135、151、176、219、235、241、253个小透镜的聚光器的情况也是这样，然而应注意，具有其它更大数量的小透镜的聚光器也可以满足此。此外，具有19、37、55、85、121、151、199、219、241和270个小透镜的聚光器全部形成密度大于具有介于-10与+10个小透镜之间的聚光器的密度的局部密度最大值。
还可基于LED照明引擎系统的功率和散热需求选取小透镜的数量且然后将小透镜的数量优化为密集圆形图案。例如，图4A中示出的聚光器包括15个小透镜，其结合来自发光装置的类型SBT-70LED的15个二极管使用，因为功率和驱动器需求符合0.6kW，这符合来自申请人的现有产品的驱动器和电源的数量。因此除了纯粹的光学需求以外还可基于其它需求选取小透镜的数量。
详述结束时的表格1a-1l示出了图4A-4L中的聚光器的小透镜的放置的规范坐标。
根据实施方案，小透镜可以包括沿外圆边界180定位的多个最外层相邻小透镜。因此，密集包装的小透镜形成具有圆形外围的聚光器。圆形聚光器与六边形聚光器(即，具有六边形外围或六边形入口和出口孔隙的聚光器)对比。这些六边形聚光器可以被选取来获得高的包装密度，对于小透镜的六边形图案可能获得0.907的包装密度。六边形聚光器的缺点是非圆形外围。例如，六边形聚光器的非圆形外围可能是不利的，因为聚光器的非圆形图案与成像系统的圆形光瞳之间存在不匹配。这造成纯效率和坏的图像/光量。有利的是，本发明的实施方案可以通过使用非六边形包装图案(即，弯曲六边形包装图案)实现圆形外围和高的包装密度。
图5-8示出了根据本发明的聚光器的另一方面且示出了小透镜可如何连结聚光器的数量减小的“无效”区域/区。
图5A-5E示出了聚光器520的相邻小透镜521a至521c的截面图。
图5A示出了聚光器520中的多个相邻小透镜521a、521b、521c的原理说明。相邻或邻接小透镜可以与聚光器120的中心或光学轴150相距不同径向距离170(图1B中示出)。相邻小透镜521a、521b、521c沿光学轴150具有不同纵向或轴向位置，即，使得小透镜与光源(图5A中没有示出)之间沿相邻小透镜521a、521b、521c的光学轴的轴向距离201(图2A中示出)是不同的。小透镜521a、521b、521c的覆盖区域(即，垂直于光学轴150的平面中的最大截面区域，例如，最大圆形外围的区域)是由参考数字511a、511b或511c指示。
在实施方案中，聚光器520被塑模为单件式聚光器，使得全部小透镜521的总成整体地形成为单件。在这样的塑模聚光器520中，其将可能例如通过增加如参考数字519a、519b指示的体积中的材料来连接相邻小透镜521a-521c。然而，这样的连接体积519a、519b可能并非所需的，因为连接体积519a、519b可能引入陡边沿，所述陡边沿由于塑模需求(例如，因为边沿使得不可能分离塑模聚光器与模具)而可能无法接受。连接体积519a、519b还可能并非所需的，因为小透镜的所得总成不一定以有效方式使用聚光器120的聚光性质。
为了改善塑模条件和改善来自光源111的发射光(透射通过栅130)的功率的百分比，可以通过扩展一个或全部相邻小透镜521a至521c的体积来连接相邻小透镜521a至521c。
图5B示出了来自图5A的未连接配置的小透镜521a至521c。为了方便起见，图5B示出了分别介于小透镜521a/521b与521b/521c之间的区间523a和523b。然而，应注意，至少一些或大部分相邻小透镜由于如(例如)图1B中示出的密集包装而连接在一点处。
图5C示出了如何通过扩展上部弯曲出射面551b(为了简单起见只针对小透镜521b指示)和下部弯曲入射面553b超出平面边沿555b直到所述表面在如由虚线指示的点557b处碰撞为止来扩展小透镜521a、521b、521c的体积。所述表面沿小透镜的以数学方式界定的三维表面(通常由光学设计程序确定)扩展。
如图5C中可知，小透镜表面的扩展或扩大可能不会导致小透镜扩大到彼此之中。图5D示出了为了连接不会通过扩展出射面和入射面而合并的相邻小透镜，在扩展的相邻小透镜之间引入额外连接体积559(阴影区域)。额外连接体积559是通过扩展相邻小透镜中的第一个小透镜的入射面553a和相邻小透镜中的第二个小透镜的出射面551b直到在共同点561中碰撞为止而引入。然后将额外体积559添加到相邻小透镜的入射面553a和出射面551b的扩展部分上。额外体积的顶部提供在相邻小透镜的出射面551a与551b之间，且额外体积的高度取决于聚光器的塑模和强度需求，因为为了允许塑模，聚光器的厚度需要高于某个尺寸以允许塑模材料流动，且聚光器的强度的确也取决于厚度。
图5E示出了图5B-5D中示出的最后聚光器的截面。如上所述般合并小透镜使得可最小化额外体积且维持小透镜的大部分原始光学性质，结果是可在所需方向上聚集并引导更多光。
图6A-6C示出了聚光器的相邻小透镜621a、621b的截面图，且示出了当小透镜表面扩大到彼此之中时用于扩展小透镜621的原理。
图6A示出了未连接配置的小透镜621a和621b。为了方便起见，图6A示出了介于小透镜621a/621b之间的区间623。然而，应注意，至少一些或大部分相邻小透镜由于如(例如)图1B中示出的密集包装而连接在一点处。
图6B示出了如何通过扩展上部弯曲出射面651b和下部弯曲入射面653b超出平面边沿655b直到所述表面在如由虚线指示的点657b处碰撞为止来扩展小透镜621b的体积。所述表面沿小透镜的以数学方式界定的三维表面扩展。在这个实施方案中，小透镜621a和621b被配置得如此紧密使得当入射面653b和出射面655b扩展直到其在点657b中碰撞为止小透镜621a将扩大到小透镜621中。在这种情况下，入射面653b和出射面655b扩展直到其使小透镜621a的相邻表面碰撞为止。图6C中示出了所得聚光器620。
图7A-7D示出了聚光器720的相邻小透镜721a、721b的截面图且示出了当扩大两个相邻小透镜时所述两个小透镜扩大到彼此之中时用于扩展小透镜721的原理。
图7A示出了未连接配置的小透镜721a和721b。为了方便起见，图7A示出了介于小透镜721a/721b之间的区间723。
图7B和图7C示出了如何通过扩展上部弯曲出射面751a、751b和下部弯曲入射面753a、753b超出边沿755a和755b直到其分别在如由虚线指示的点757a、757b处碰撞为止来扩展小透镜721a和721b的体积。所述表面沿小透镜的以数学方式界定的三维表面扩展。在这个实施方案中，扩展的出射面751a和751b在点759中碰撞且出射面751a和751b只扩展到这个点，且所述两个小透镜因此连结在这个点。在入口侧处，阴影部分761具有因为入口侧处的扩展表面751a的下滑角小于允许的最小下滑角(例如，91度)而不能被塑模的结构。此外，所述部分761包括不具有光学效果或具有非所需的光学效果的透镜体积。体积761的移除还具有以下效果：小透镜721b的入射面的面积因为消除部分761对小透镜721b的阴影效果而增加。因此，部分761在用于沿光学轴150传播光的小透镜721a上的阴影是通过移除部分761而消除。
图7D中示出了所得设计，其中边沿角度大于允许的最小下滑角。图7D中的设计还满足聚光器的材料的最小厚度的需求。
图8A-8H示出了如何通过扩展上部弯曲出射面和下部弯曲入射面来扩展多个小透镜821a、821b、821c的体积，且示出了可如何在聚光器的不同截面处扩展小透镜。图8A-8D示出了使小透镜扩大之前的未扩大配置的聚光器820。图8E-8H示出了扩大配置的聚光器820，其中小透镜已扩大到彼此之中。图8A和图8E示出了聚光器的俯视图。图8B和图8F分别示出了沿图8A中的线A-A和图8E中的线A’-A’的截面图；图8C和图8G分别示出了沿图8A中的线B-B和图8E中的线B’-B’的截面图；图8D和图8H分别示出了沿图8A中的线C-C和图8E中的线C’-C’的截面图。
在图8B-8D中的未扩大聚光器820的截面图中，虚线指示小透镜821a、821b、821c的入射面和出射面的扩展部分，且在俯视图中，虚线指示如果每个小透镜的扩展出射面和扩展出射面扩展直到其碰撞为止，那么其将会碰撞。
在图8B和图8F中，可知小透镜已经沿线C-C和C’-C’碰撞(因为上述密集的包装)，且因此不一定在这些点处使小透镜扩大到彼此之中。小透镜821a和821c因此只在沿线C-C和C’-C’的最外层部分处扩大，小透镜不会在其中小透镜碰撞的点处扩大。
在图8C和图8G中，可知沿线B-B和B’-B’，小透镜821a和821b的出射面扩展直到其在所述两个小透镜之间的点碰撞为止，且其入射面也扩展直到其在所述两个小透镜之间的点碰撞为止。还可知，小透镜821c的扩展出射面撞击/碰撞小透镜821b的出射面，且小透镜821c的扩展出射面撞击/碰撞小透镜821b的入射面。结果，沿线B-B和B’-B’，只扩大小透镜821c直到其碰撞原始小透镜821b为止。可知在图8E中示出的俯视图中，结果是其中小透镜821b和821c碰撞的边界861的部分(弯曲部分)遵循小透镜821b的原始形状。
在图8D和图8H中，可知沿线A-A和A’-A’，小透镜821a和821b的出射面和入射面的扩展不会导致小透镜合并。在扩展小透镜之间的区域中的额外体积(如图5中描述)增加额外体积859且使得满足最小厚度需求。此外，可知沿线A-A和A’-A’，小透镜821b和821c的出射面扩展直到其在所述两个小透镜之间的点碰撞为止，且其入射面也扩展直到其在所述两个小透镜之间的点碰撞为止
图8A-8H示出了一列三个小透镜，然而应了解，任何数量的小透镜可扩大到彼此之中且小透镜可被配置成具有任何形状的阵列。
图9A-9C示出了呈包括光源模块901的图案投影仪900的形式的照明装置。光源模块901包括光控制器920和类似于图1中描述的照明单元910。图9A示出了照明装置的正视透视图，图9B示出了截面图，且图9C示出了光源模块901、光控制器920、照明单元910和图案转轮913的放大截面图。照明装置还包括适于将孔隙903之一的图案片成像到目标表面上的投影系统905。
图案转轮913包括安装在如娱乐照明领域中已知的旋转转盘上的多个图案片915。图案转轮例如可能如以引用的方式并入本文中的US5402326、US6601973、US6687063或US2009/0122548中描述般具体实施。可通过旋转转盘将每个图案片移动至孔隙903中。孔隙903等效于图1中示出的栅130。
投影系统适于在目标表面(没有示出)处创建图案片的图像，且包括投影系统905，投影系统905包括多个光学透镜(例如，前透镜919)、多个变焦透镜921、多个聚焦透镜923。如投影系统领域中已知，变焦透镜和聚焦透镜可相对于前透镜和孔隙移动。
已示出的图案投影仪还可包括彩色转轮，其包括多个光学滤光片(例如，双色滤光片、彩胶等等)，光学滤光片还可位于光束中。彩色转轮在以下情况下是有用的：光源产生白色光束且可用以创建某种颜色的光束。可逐渐改变光束的颜色的渐色变滤光片还可例如结合已知的CMY混色系统使用。然而，彩色转轮是选用的，因为其在以下情况下可被省略：光源111具有不同颜色且适于执行如动态照明领域中已知的加法混色。例如，这由于具有多个红色、绿色和蓝色LED而变得可能，其中混色是基于不同颜色的强度。不同颜色的强度可(例如)受控于通常已知的脉宽调制(PWM)方法或调整通过每个彩色LED的DC电流。
图9C示出了小透镜在其中放置光源的照明单元910的任意平面之间具有不同的轴向距离(图2A中示出)。图9C还示出了小透镜921(也如图2C中示出)相对于光学轴150的不同角度。小透镜921还具有不同光学功率，然而光学功率可能难以从图9C清晰地可见。
图10A-10E示出了具有90个小透镜1021的聚光器1020的图，其中图10A是俯视图(朝小透镜的出射面观看)；图10B是沿线II-II的截面图；图10C是聚光器的出射面的倾斜图；图10d是聚光器1020的侧视图；图10E是聚光器的入射面的倾斜图。
聚光器1020的90个小透镜1021配置成如先前描述的密集圆形包装。密集圆形包装等效于图4H中示出的圆形包装，且其中省略中心透镜以使用此空间作为塑模入口。
顶部图像示出了扩展的小透镜(即，根据结合图5-8描述的原理扩展的小透镜)合并在一起使得相邻小透镜的出射面沿边界或边沿1040碰撞(图中的标签只指示几个小透镜)。至少一些相邻小透镜之间的边界1040可以具有大于1mm或大于如图式中示出的小透镜的直径的至少5％或甚至大于如图式中示出的小透镜的直径的20％的长度。
图10B示出了小透镜1021具有不同的纵向/轴向位置和/或具有相对于聚光器的光学轴150成角度的光学轴1050。
此外，密集图案包括具有实质上大小的给出区域的平面或实质上平面表面的平面区1010。平面表面可以实质上垂直于光学轴150或相对于光学轴150成角度。平面区的正面和背面分别被标示为类似于小透镜的出射面和入射面的出射面和入射面。因此，平面区不具有光学功率。由于塑模需求，平面区沿光学轴150的厚度是至少2mm或至少3mm，然而基于硅酮的聚光器可以至少1mm的厚度塑模。图10A和图10B示出了至少一些小透镜的出射面1020沿弯曲边界1041碰撞平面区1010的出射面。
有利的是，聚光器中的一些平面区1010可以包括例如用于相对于聚光器120固定地安装聚光器的安装孔1024。平坦区还可以具有适于在安装聚光器时支撑聚光器的隆起/转台1026。此外，多个突出部1028可以提供在聚光器的外部处，且这些突出部可以具有用于将聚光器固定到具有LED的PCB的孔和/或支撑构件。
图10B示出了聚光器120包括上面定位有全部出射面1020的前侧1031和上面定位有全部出射面1033的后侧1032。
为了提供用于使得液态塑模材料能够流入模具中的入口，模具可以被配置使得聚光器的小透镜的所得密集图案不包括聚光器的中心处的小透镜或使得移除另一位置处的小透镜。图10A示出了聚光器不具有中心1099中的小透镜。一般来说，聚光器1020可以被配置使得省略密集图案中的小透镜中的至少一个以使得能够塑模聚光器。
图11A-11F示出了具有15个小透镜1121的聚光器1120，其中图11a是俯视图，图11B是沿线IV-IV的截面图，图11C是沿线V-V的截面图；图11D是俯视透视图，图11E是侧视图且图11f是仰视透视图。图11A-11F中的参考符号是指相似或等效于图10A-10F中以相同参考符号指示的特征的特征且将不会进一步描述。
密集圆形包装等效于图4A中示出的具有15个小透镜的圆形包装且因此不包括中心小透镜-因此，这种设计中的中心1112可以用于形成模具中用于液态塑模材料的入口。
本发明的实施方案涉及一种用于制造照明装置的方法。所述方法包括塑模步骤，其中提供用于聚光器的模具。所述模具被塑形来形成多个小透镜，其适于聚集来自光源的光且适于将所聚集的光转换为多个光束使得光束沿光学轴传播。所述模具被塑形使得小透镜中的每个包括其中所述光进入小透镜的入射面和其中光退出小透镜的出射面，使得小透镜是以密集圆形图案配置，且使得小透镜与光源之间沿相邻小透镜的光学轴的轴向距离对于至少一些相邻小透镜来说是不同的。所述制造方法还包括提供具有多个光源的照明单元和相对于聚光器配置照明单元使得小透镜配置在相对于聚光器的正确位置处。
本发明的相关实施方案涉及一种用于制造照明装置的方法，其中所述方法包括用于确定小透镜的包装密度的步骤。以密集图案配置小透镜包括配置多个小透镜作为沿外圆边界的最外层小透镜，使得最外层小透镜中的每个与聚光器的中心相距相同径向距离。所述方法还包括通过优化由小透镜的圆形截面或覆盖区域的面积的和与外圆边界的面积的比例定义的包装密度来优化包装密度。
本发明的相关实施方案涉及用于制造适于聚集来自多个光源的光的聚光器的方法，其中所述方法包括
-提供聚光器的模具，其中所述模具被塑形以形成多个小透镜，其适于聚集来自光源的光且适于将所聚集的光转换为多个光束使得光束沿光学轴传播，且其中所述模具被塑形使得
-小透镜中的每个包括其中所述光进入小透镜的入射面和其中光退出小透镜的出射面，且其中
-小透镜是以包括相邻小透镜的密集圆形图案配置，其中至少一些相邻小透镜对的出射面沿边界碰撞。
用于制造聚光器的任何方法还可以包括通过位于模具的中心中的入口将塑模流体注入到模具中使得中心小透镜在塑模聚光器中消失。从而实现可维持聚光器中的低容差，因为塑模材料的流动和塑模压力在塑模过程期间是对称的。然而，可通过边沿将低速塑模材料注入到模具中使得可维持中心小透镜。
本发明是根据包括生成光束的多个LED的照明装置而加以描述。然而，本领域一般技术人员意识到，可使用任何种类的光源，诸如放电灯、PLED、OLED、等离子光源、白炽灯、荧光光源和基于磷的光源等等。此外，应了解，所示出的实施方案只用作示出说明本发明的原理的实例且本领域一般技术人员将能够提供权利要求的范围内的几个实施方案。在所示出的实施方案中，所示出的光束和光学构件只用来说明本发明的原理，而不说明确切和精确的光束和光学构件。权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制所述范围。
以下表格1a至1l分别示出了图4A-4L中示出的聚光器设计的小透镜的规范坐标。

Claims (17)

1.一种照明装置，其包括：
多个光源,其沿光学轴发光；
光学栅，其沿所述光学轴配置；
聚光器，其配置在所述多个光源与所述光学栅之间，所述聚光器适于聚集来自所述光源的光，其中所述聚光器包括多个小透镜，所述小透镜适于聚集来自所述光源的光且适于将所述聚集的光转换为多个光束，使得所述光束沿光学轴传播且通过所述光学栅；其中所述小透镜中的每个包括所述光进入所述小透镜所在的入射面和所述光退出所述小透镜所在的出射面；
光学投影系统，其适于聚集所述光束的至少一部分且适于在沿所述光学轴的某个距离处成像所述光学栅；和
其中所述小透镜与所述光源之间沿相邻小透镜的光学轴的轴向距离对于所述相邻小透镜中的至少一些来说是不同的。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述小透镜与所述光源之间的所述轴向距离取决于从所述小透镜到所述光学轴的中心的径向距离，使得与所述光学轴相距相同或实质上相同径向距离的小透镜具有相同轴向距离。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其中小透镜与所述光源之间存在一一对应使得一个光源具有相关小透镜。
4.根据权利要求3所述的照明装置，其中所述光源中的至少一些相对于所述相关小透镜在实质上垂直于所述光学轴的方向上移位。
5.根据权利要求4所述的照明装置，其中所述光源之一与所述相关小透镜之间的所述移位根据从所述相关小透镜到所述光学轴的径向距离来增加，使得与所述光学轴相距相同或实质上相同径向距离的小透镜具有相同移位。
6.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述小透镜中的至少一些的光学轴相对于所述聚光器的所述光学轴成角度。
7.根据权利要求6所述的照明装置，其中所述成角度的小透镜的角度取决于从所述小透镜到所述光学轴的径向距离，使得与所述光学轴相距相同或实质上相同径向距离的小透镜具有相同角度。
8.根据权利要求2所述的照明装置，其中小透镜与所述光源之间存在一一对应使得一个光源具有相关小透镜，且其中所述光源中的至少一些相对于所述相关小透镜在实质上垂直于所述光学轴的方向上移位，其中所述光源之一与所述相关小透镜之间的所述移位根据从所述相关小透镜到所述光学轴的径向距离来增加，且其中所述小透镜中的至少一些的光学轴相对于所述聚光器的所述光学轴成角度，其中所述成角度的小透镜的所述角度取决于从所述小透镜到所述光学轴的径向距离，使得与所述光学轴相距相同或实质上相同径向距离的小透镜具有相同移位和相同角度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的照明装置，其中所述光源配置在垂直于所述光学轴的平坦平面中。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的照明装置，其中所述小透镜包括沿外部边界定位的多个最外层相邻小透镜，其中所述最外层小透镜中的每个与所述聚光器的中心相距相同径向距离。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的照明装置，其中所述最外层小透镜中的每个定位与两个其它最外层定位的小透镜相邻使得所述相邻最外层小透镜的所述出射面沿边界碰撞。
12.根据权利要求1至8中任一项所述的照明装置，其中所述聚光器被塑模为单件式聚光器。
13.一种提供照明装置的方法，所述方法包括以下步骤：
提供光单元，所述光单元具有沿光学轴发光的多个光源；
在所述光学轴处提供光学栅；
提供聚光器以聚集来自所述多个光源的光，其中所述聚光器包括多个小透镜，所述小透镜适于聚集来自所述光源的光且适于将所聚集的光转换为多个光束，使得所述光束沿所述光学轴传播且通过所述光学栅；
提供光学投影系统以聚集通过所述光学栅的所述光束的至少一部分，所述光学投影系统适于在沿所述光学轴的某个距离处成像所述光学栅；
其中提供所述聚光器的所述步骤包括以下步骤：
-提供至少一对相邻小透镜；
-在沿所述光学轴的相对于所述光源的不同轴向距离处配置所述小透镜，使得所述小透镜与光源之间的所述轴向距离对于所述相邻小透镜中的至少一些来说是不同的。
14.根据权利要求13所述的方法，其中提供所述聚光器的所述步骤包括以下步骤：
-提供相同数量的光源和小透镜使得所述小透镜与所述光源之间存在一一对应；
-使所述光源的中心和所述对应小透镜的中心相对于彼此在实质上垂直于所述光学轴的方向上移位，使得与所述光学轴相距相同或实质上相同径向距离的光源和对应小透镜具有相同移位。
15.根据权利要求13所述的方法，其中提供所述聚光器的所述步骤包括以下步骤：
-以相对于所述光学轴的不同角度配置所述小透镜的光学轴，使得所述小透镜的所述光学轴与所述光学轴之间的角度对于所述相邻小透镜中的至少一些来说是不同的。
16.根据权利要求13所述的方法，其中提供所述聚光器的所述步骤包括以下步骤：
-提供相同数量的光源和小透镜使得所述小透镜与所述光源之间存在一一对应；
-使所述光源的所述中心和所述对应小透镜的所述中心相对于彼此在实质上垂直于所述光学轴的方向上移位，使得与所述光学轴相距相同或实质上相同径向距离的光源和对应小透镜具有相同移位；
-以相对于所述光学轴的不同角度配置所述小透镜的所述光学轴，使得所述小透镜的所述光学轴与所述光学轴之间的所述角度对于所述相邻小透镜中的至少一些来说是不同的。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中提供所述光单元的所述步骤包括在垂直于所述光学轴的平坦平面处配置所述光源的所述步骤，且其中提供所述多个相邻小透镜的所述步骤包括安装包括所述相邻小透镜的聚光器的所述步骤，且其中配置所述小透镜的所述步骤包括在所述平面上配置所述聚光器的所述步骤。
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