CN105683651B

CN105683651B - 具有两个或更多微结构化膜的光学配置

Info

Publication number: CN105683651B
Application number: CN201480058244.3A
Authority: CN
Inventors: W.P.A.J.米奇尔斯; M.P.C.M.克里恩; R.A.塞普克哈诺夫; A.A.M.马里努斯; H.H.P.戈姆曼斯
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Signify Holding BV
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2014-10-13
Publication date: 2019-09-24
Anticipated expiration: 2034-10-13
Also published as: EP3060843B1; US9618179B2; WO2015058983A1; US20160298822A1; CN105683651A; ES2641137T3; JP5920612B2; JP2015537360A; EP3060843A1

Abstract

本发明提供一种照明单元（10），包括（i）多个光源单元（100）的布置（111），其配置成提供对应光源单元光（101），（ii）包括多个透射第一箔区（211）的第一箔（210），其中每一个第一箔区（211）包括多个光学元件（212），以及（iii）包括多个透射第二箔区（220）的第二箔（220），其中每一个第二箔区（221）包括多个光学元件（222），其中每一个光源单元（100）具有配置在所述光源单元（100）的下游的对应第一箔区（211）和配置在所述第一箔区（211）的下游的对应第二箔区（221）。

Description

具有两个或更多微结构化膜的光学配置

技术领域

本发明涉及包括（i）多个光源单元的布置的照明单元以及其用途。

背景技术

单个LED和透镜组件在本领域中是已知的。US7,588,358例如描述了用于从单个LED源通过透镜产生光输出图案的装置和方法，所述透镜将光从单个源发散在透镜中心处或周围但是将光会聚在中心区域周围的同心区域处。组件可以避免光输出图案中的强度的中心热点并且创建较高表观强度的一个或多个同心环。

发明内容

射束成形在所有照明应用中是关键的。一个类别的射束成形光学元件包括如使用在大多数照明器中的诸如反射器和准直器之类的经典元件。传统地，属于该类别的元件是庞大的而第二类别中的那些难以设计并且制造起来昂贵。

因而，本发明的一方面是提供一种可替换的照明单元，其优选地还至少部分地消除以上描述的缺陷中的一个或多个。特别地，本发明的一方面是提供一种可替换的照明单元，利用其可以以相对大的自由度对射束成形，而另一方面具有（（多个）光源和光学器件的基本元件的）相对薄的构造。

微光学结构和固态光源看起来提供了可以用于这样的可替换照明单元的良好组合。看起来令人惊喜的是，当选择具有微光学结构的箔的具体多层系统时，可以产生可以选择成窄或宽并且可以定向的射束。

因而，在第一方面中，本发明提供了一种照明单元，包括（i）多个光源单元的布置，其配置成提供对应光源单元光，（ii）包括多个透射第一箔区（“第一箔区”）的第一箔，其中每一个第一箔区包括多个光学元件，所述多个光学元件包括在每一个区的中心的具有对光源单元光的折射功能性的光学元件以及在远离每一个区中的所述中心的外围区域中的具有对光源单元光的全内反射功能性的光学元件，以及（iii）包括多个透射第二箔区（“第二箔区”）的第二箔，其中每一个第二箔区包括多个光学元件，其中每一个第二箔区包括在其中心处的具有对光源单元光的折射功能性的光学元件以及在远离其中心的外围区域中的具有对光源单元光的全内反射功能性的光学元件；其中每一个光源单元具有配置在所述光源单元的下游的对应第一箔区和配置在所述第一箔区的下游的对应第二箔区。

特别地，这样的照明单元可以有益地用于控制来自多个光源单元的布置的光源单元光的光束形状。例如，这样的照明单元可以用于提供具有小于20°，诸如小于15°的半高全宽（FWHM）的所述光束（即照明单元（在第二箔的下游）所生成的光（的射束））；甚至小于10°是可能的。可替换地（或此外），照明单元还可以用于控制所述光束的形状和方向中的一个或多个。因而，本文提供了令人惊喜的多功能照明单元。特别地，通过将第一箔选择成均质的并且将第二箔选择成准直的，人们可以获得相对窄的射束宽度，并且通过将第一箔选择成与可偏移（或可输运）元件组合地提供聚焦射束，人们可能能够将射束形状从窄调谐成宽。

照明单元包括多个光源单元的布置。在实施例中，第一箔的每一个区的中心和对应光源单元在相应法向矢量上对准到多个光源单元的布置。该布置特别地是2D布置，并且特别地该布置是规则的，诸如立方体布置或六边形布置。然而，布置还可以是不规则的。光源单元的布置特别地对多个第一箔区和（多个）第二箔区的布置施以影响（同样参见下文），因为特别地每一个光源单元具有对应第一箔区和（其下游的）第二箔区。在光源单元规则布置的情况下，相邻光源单元之间的最短距离（从来自光源单元的中心点测量）还可以指示为间距。在实施例中，在（两个）不同方向上可以存在（两个）不同间距。由于布置可以是规则的或不规则的，或者其组合，并且由于间距可以在布置之上全部恒定或者可以在（两个）不同方向上不同，因此本文还限定平均最短距离（从来自光源单元的中心点测量）。对于每一个箔上的区，适用类似的“间距”定义。区是相互定位在具体布置中的光学元件的组。所述具体布置以（平均）周期性重复，因此限定两个相邻区之间的最短区距离，或者区间距。对于不规则的区布置，这导致区的平均区间距。对于相互对应的光源单元和第一箔上的区，光源单元和区二者的（不）规则布置和平均间距优选地等同，从而使得第一箔的每一个区的中心和对应光源单元能够在相应法向矢量上对准到多个光源单元的布置。可选地，该配置关系还适用于光源单元和第二箔上的区。

平均最短距离一般可以在0.5-100mm的范围中，诸如至少1mm，比如特别地在5-50mm的范围中。布置包括多个光源单元，诸如例如至少4，比如至少16，诸如至少25，比如至少49，或者甚至更多，至少100个光源单元。然而要指出的是，明显更大的数目也是可能的。

在具体实施例中，光源单元包括固态光源（诸如LED或激光二极管）。在另外的具体实施例中，多个光源单元包括两个或更多子集，其可以是独立可控的。可替换地或此外，多个光源单元包括配置成生成具有不同颜色的光源单元光的两个或更多子集。如以上所指示的，并且如以下进一步阐明的，每一个光源单元可以寻址具体的第一箔区。光源单元自身在具体实施例中可以包括一个光源，诸如固态光源，比如LED或激光二极管。在这样的实施例中，光源单元可以基本上包括光源。然而，在又一实施例中，光源单元包括两个或更多光源，其也可以可选地是独立可控的。因此，在具体实施例中，光源单元中的一个或多个，特别地多个，诸如总数目的至少80%的光源单元，可以至少包括第一固态光源和第二固态光源，其中第一固态光源的子集和第二固态光源的子集是单独可控的。为此目的，照明单元还可以包括控制单元，其配置成控制照明单元，特别地第一固态光源的子集和第二固态光源的子集。当然，可以存在多于两个子集。因而，照明单元可以包括多个（≥2）子集，每一个单独可控。在另外的实施例中，可以存在一个或多个光源单元，其包括多于两个不同光源，诸如多于两个不同固态光源，例如每一个具有不同颜色或不同色温。

如以上所指示的，照明单元包括至少两个箔，尽管多于两个箔可以是可得到的。在此，主要关于两个箔来说明本发明，并且在一些实施例中关于三个箔来说明本发明。箔特别地平行于彼此并且平行于多个光源的布置而布置。一般地，将存在光源单元与第一箔之间的非零距离（同样参见下文），以及第一箔与第二箔之间的非零距离。每一个箔的总厚度可以在0.2-20mm的范围中，特别地0.2-5mm，包括光源元件。箔可以具有在4mm²-50m²的范围中的截面面积，尽管甚至更大可以是可能的。还可以应用布置成彼此相邻的箔的拼块。箔是透射性的，即光的至少部分，特别地光照箔的一侧（即特别地上游侧）的可见光的至少部分，穿过箔，并且在下游侧从箔发出。这最终导致照明单元光。特别地，箔包括聚合物材料，甚至更特别地大体由聚合物材料构成，聚合物材料特别地为选自包括以下的组的一个或多个材料：PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、PEN（聚萘二甲酸乙二酯）、PC（聚碳酸酯）、聚丙烯酸甲酯（PMA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）（树脂玻璃或有机玻璃）、乙酸丁酸纤维素（CAB）、硅树脂、聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、（PETG）（乙二醇改性聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PDMS（聚二甲硅氧烷）和COC（环烯共聚物）。然而，其它（共）聚合物也可以是可能的。因而，相应箔的箔区对于（多个）光源的光的至少部分也是透射性的。

第一箔布置在光源单元的下游，并且第二箔布置在第一箔的下游；第一箔因而布置在第二箔的上游。术语“上游”和“下游”涉及项或特征相对于来自光生成构件（在此特别地为（多个）光源单元）的光的传播的布置，其中相对于来自光生成构件的光束内的第一位置，更靠近光生成构件的光束中的第二位置是“上游”，并且更远离光生成构件的光束内的第三位置是“下游”。

每一个箔包括多个箔区，其分别指示为（透射）第一箔区和（透射）第二箔区。近似地，光源单元的数目对应于第一箔区和第二箔区的数目。无论如何，原则上，任何第一箔区具有单个对应光源单元和单个对应第二箔区。术语对应在那些短语中特别地指示光源单元配置成大体仅光照单个（对应）第一箔区。例如，光源单元的频谱功率（瓦特）的至少85%，特别地至少95%可以光照对应第一箔区。光源单元及其对应第一箔区配置成大体仅光照单个（对应）第二箔区。例如，第一箔区下游的光的频谱功率（瓦特）的至少85%，特别地至少95%可以光照对应第二箔区。要指出的是，当光源单元包括多个光源时，这些数据适用于单个光源（在操作中）。特别地，第一箔的上游侧的超过85%，甚至更特别地超过90%由多个光源单元光照（在照明单元的操作期间）。因而，第一箔的大部分提供第一箔区。取代于术语侧，比如在上游侧，还可以应用术语面。

每一个箔区包括多个光学元件。这些光学元件可以特别地包括棱形元件、透镜、全内反射（TIR）元件、折射元件、有刻面的元件中的一个或多个。可选地，元件的子集可以是半透明或散射性的（同样参见下文）。一般地，光学元件的至少子集或全部是透明的。光学元件可以嵌入在箔中，并且可以特别地为箔侧（或面）的部分，诸如特别地为下游侧或上游侧，或者下游侧和上游侧二者。在本文中，还特别地关于具有菲涅尔或折射功能的光学元件和具有全内反射功能的光学元件来描述光学元件。每一个光学元件可以包括一个或多个刻面。

刻面可以布置在箔（第一和/或第二箔等）的上游侧或下游侧或上游侧和下游侧二者。特别地，TIR元件特别地在箔（第一和/或第二箔）的上游侧处可得到，而诸如菲涅尔透镜之类的折射元件可以布置在箔（第一和/或第二箔）的上游和/或下游侧处。（这些元件的）特别地TIR元件的刻面的尺寸，比如高度、宽度、长度等，在实施例中可以等于或小于5mm，特别地在0.01-5的范围中，诸如小于2mm，比如小于1.5mm，特别地在0.01-1mm的范围中。折射菲涅尔透镜的直径在实施例中可以在0.02-50mm的范围中，诸如0.5-40mm，比如1-30mm，虽然小于30mm可以因而（也）是可能的，比如等于或小于5mm，诸如0.1-5mm。这些刻面的高度在实施例中也将小于5mm，诸如小于2mm，比如小于1.5mm，特别地在0.01-1mm的范围中。在此术语“刻面”，特别地在TIR实施例中，可以是指（大体）平坦（小）面，而术语“刻面”，特别地在菲涅尔实施例中，可以是指弯曲面。因此弯曲可以特别地在箔的平面中，而且垂直于箔的平面（“透镜”）。菲涅尔透镜不必是圆形的，它们还可以具有变形的圆形形状或其它形状。

在实施例中，总数目的至少85%，甚至更特别地超过90%的第一箔区是等同的（即特别地形成第一箔区的规则晶格或规则结构）。同样地，这可以适用于第二箔：在实施例中，总数目的至少85%，甚至更特别地超过90%的第二箔区是等同的（即特别地形成第二箔区的规则晶格或规则结构）。在另外的具体实施例中，光源单元、第一箔区和第二箔区的每一个组合关于几何形状和光学器件而（大体）等同。

在具体实施例中，每一个第一箔区包括具有对光源单元光的折射功能性的光学元件和具有对光源单元光的全内反射（TIR）功能性的光学元件，和（/或）更特别地，每一个第二箔区包括具有对光源单元光的折射功能性的光学元件和具有对光源单元光的全内反射功能性的光学元件。特别地利用这样的配置，可以生成窄（准直）射束。看起来进一步有利的是，控制到第一箔的距离和光源单元之间的相互距离。因而，在具体实施例中，光源单元具有平均最短距离（p）并且其中光源单元具有到第一箔的最短距离（d1），其中d1/p≤0.3。在规则布置中，诸如六边形或立方体布置，平均最短距离是间距。

如以上已经指示的，特别地第一箔区可以配置成改进利用光源单元光对第二箔区的均匀光照。在没有第一箔的情况下，第二箔的光照可以大体是点状的，而现在利用第一箔，可以实现更均匀的光照。这可以通过提供上游侧上的第一箔的光学元件并且提供第一箔的上游侧的下游的散射元件（优选地在第一箔的下游侧上）来进一步改进。在又一实施例中，可替换地或此外，第一箔区配置成改进光源单元光的准直。

第二箔的大体均匀光照可以例如通过选择折射和TIR光学元件来实现，其中特别地在第一箔区的中心是具有折射性质的元件（诸如菲涅尔透镜式光学元件），以及更远离中心（并且更靠近第一箔区的边界）是TIR光学元件。在这样的实施例中，第二箔也可以配置成促进准直。因而，在另外的实施例中，第二箔区配置成改进第一箔下游的光源单元光的准直（即特别地使其准直）。具有小于10°的FWHM的窄射束宽度可以以此方式获得。因而，在这些实施例中，第二箔可以具有准直功能。同样地在此，可以特别地在第二箔区的中心发现具有折射性质的元件，以及更远离中心（并且更靠近第一箔区的边界）的TIR光学元件。如以上所指示的，这些光学元件可以布置在第一箔的上游侧处，可选地具有下游侧处的散射元件。

利用以上所指示的实施例，可以实现第二箔（区）的相对均匀的光照。因而，在实施例中，第一箔可以特别地配置成促进第二箔的均匀光照。要指出的是，特别地基于固体光源的光源单元可能大体是点源，其提供非均匀光照。在一些实施例中，这可能不是所期望的。

可选地，第一准直在两个或更多箔之上划分。因而，在实施例中，照明单元包括配置在多个光源下游的上游第一箔，以及配置在上游第一箔的下游的下游第一箔，其中上游第一箔配置成通过光学元件预准直光源单元光，并且其中下游第一箔配置成通过上游第一箔的下游的另外的准直元件来进一步准直源单元光。利用这样的实施例，准直可以甚至比利用单个第一箔的情况更高。上游第一箔和下游第一箔可以关于光学元件的宽度、类型以及光学元件的位置而大体等同。（上游）第一箔区和（下游）第一箔区的数目一般将是相同的，并且还与光源单元的数目相同（同样参见上文）。

在再另外的实施例中，不同于以上描述的实施例中的一些，每一个第一箔区配置成提供多个射束（B）。这可能不添加于均匀性，因为生成射束，但是另一方面，这可以允许射束性质的调谐，特别是当照明单元的元件可能能够被（致动器）输运时（同样参见下文）。在另外的具体实施例中，每一个第一箔区包括具有菲涅尔功能性的多个光学元件。具有菲涅尔功能性的光学元件可以是菲涅尔透镜，但是还可以可选地为变形菲涅尔透镜，例如以至少部分地适应（多个）（第一箔）区的对称性（如果有的话）。因而，在实施例中，第一箔可以具有聚焦在第二箔上的功能，特别地提供多个射束，并且第二箔可以具有创建若干射束点的功能。在又一实施例中，第二箔区中的每一个包括具有棱形形状的多个光学元件，其中每第二箔区的具有棱形形状的光学元件的数目是如其中生成多个射束的（多个）实施例中的多个射束（B）的数目的n倍，其中n是等于或大于1的自然数。因而，在这样的实施例中，每一个射束可以寻址光学元件的对应集合。例如，第一箔区可以配置成生成5个射束并且第二箔区包括5个光学元件（具有光学元件的5个子区），即5n个光学元件。例如，每一个对应子区可以包括多个（大体等同的）光学元件，特别地为以上所指示的棱形光学元件。棱形形状或元件可以基本上包括布置在与彼此的角度之下并且特别地布置在相对于穿过箔的平面的角度（＞0°并且＜90°）之下的两个（大体平坦的）刻面。

取决于第一箔和第二箔，可以生成更窄或更宽的射束。具体特征是照明单元的元件可以是（略微）输运式的（相对于照明单元的其它项），诸如＞100μm，比如100μm-5mm，通过其可以调谐例如射束的宽度。输运可以包括例如平移或旋转。因而，在另外的具体实施例中，在平行于或垂直于光源单元（和第二箔）的第一布置的方向上，选自包括以下的组的一个或多个可以在输运动作中进行输运：（i）光源单元中的一个或多个，（ii）第一箔，以及（iii）第二箔。为此目的，照明单元还可以包括配置成执行输运动作的致动器。这样的致动器可以例如包括用于特别地引致平移的压电元件。

照明设备可以是例如办公室照明系统、家庭应用系统、商店照明系统、家用照明系统、重点照明系统、点照明系统、剧院照明系统、光纤应用系统、投影系统、自点亮显示系统、像素化显示系统、分段显示系统、警告标示系统、医学照明应用系统、指示器标示系统、装饰照明系统、便携式系统、机动车应用、温室照明系统、园艺照明或LCD背光照明的部分或者可以应用在其中。

本文中的术语白光对于本领域技术人员而言是已知的。其特别地涉及具有在大约2000和20000K，特别地2700-20000K之间的相关色温（CCT）的光，以用于特别地在大约2700K和6500K的范围中的一般照明，以及用于特别地在大约7000K和20000K的范围中的背光照明目的，并且特别地在距BBL（黑体轨迹）大约15 SDCM（颜色匹配标准偏差）内，特别地在距BBL大约10 SDCM内，甚至更特别地在距BBL大约5 SDCM内。

诸如在“基本上所有光”或“基本上包括”中的术语“基本上”在本文中将被本领域技术人员所理解。术语“基本上”还可以包括具有“整个”、“完整地”、“所有”等的实施例。因而，在实施例中，修饰性的基本上也可以被移除。在适用的情况下，术语“基本上”还可以涉及90%或更高，诸如95%或更高，特别地99%或更高，甚至更特别地99.5%或更高，包括100%。术语“包括”还包含其中术语“包括”意指“由……构成”的实施例。术语“和/或”特别地涉及在“和/或”之前和之后提到的项中的一个或多个。例如，短语“项1和/或项2”和类似短语可以涉及项1和项2中的一个或多个。术语“包括”在实施例中可以是指“由……构成”，但是在另一实施例中还可以是指“至少包含所限定的物种以及可选地一个或多个其它物种”。

此外，术语第一、第二、第三等在说明书和权利要求书中用于区分类似的元件并且未必用于描述序列性或时间性次序。要理解的是，如此使用的术语在适当的情况下可互换，并且本文所描述的本发明的实施例能够以除本文所描述或图示的之外的其它次序来操作。

除其它之外，在操作期间描述本文的设备。如本领域技术人员将清楚的，本发明不受限于操作方法或操作中的设备。

应当指出的是，以上提到的实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多可替换实施例而不脱离所附权利要求的范围。在权利要求中，置于括号之间的任何参考标记不应解释为限制权利要求。动词“包括”及其词形变化的使用不排除权利要求中所陈述的那些之外的元件或步骤的存在。元件之前的冠词“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。本发明可以借助于包括若干分立元件的硬件和借助于适当编程的计算机实现。在枚举若干构件的设备权利要求中，这些构件中的若干个可以由同一个硬件项体现。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能用来获益。

本发明还适用于包括说明书中描述和/或附图中示出的表征特征中的一个或多个的设备。本发明还关于包括说明书中描述和/或附图中示出的表征特征中的一个或多个的方法或过程。

在本专利中讨论的各个方面可以组合以便提供附加的优点。另外，一些特征可以形成用于一个或多个分案申请的基础。

附图说明

现在将仅通过示例的方式，参照随附示意图来描述本发明的实施例，在随附示意图中对应参考符号指示对应部分，并且其中：

图1a-1b示意性地描绘了本发明的一些基本方面；

图2a-2f示意性地描绘了本发明的一些实施例；

图3a-3f（示意性地）描绘了本发明的实施例（及其变形）；以及

图4a-4c（示意性地）描绘了本发明的另外的实施例（及其变形）。

附图未必按比例。

具体实施方式

图1a示意性地描绘了照明单元10的实施例，包括（i）配置成提供对应光源单元光101的多个光源单元100的布置111。在此，作为示例，示意性地描绘了利用参考标记100A-100D指示的四个光源单元100。照明单元10还包括（ii）包括多个透射第一箔区211的第一箔210，其中每一个第一箔区211包括多个光学元件212。在此，多个光源单元100具有对应数目的第一箔区211，利用参考标号211A-211D指示。照明单元10还包括（iii）包括多个透射第二箔区221的第二箔220，其中每一个第二箔区221包括多个光学元件222。再次，多个光源单元100具有对应数目的第二箔区221，利用参考标号221A-221D指示。因而，每一个光源单元100具有配置在所述光源单元100的下游的对应第一箔区211和配置在所述第一箔区211的下游的对应第二箔区221。这在本文中还指示为区元（cell）（在此在图1a中：四个区元）。第一箔上的每一个区和第二箔上的对应区与利用参考标记Na-d指示的相应法向矢量N上的对应光源单元对准到多个光源单元的布置。

来自第一箔的下游的光源单元100的光利用参考标记101’指示；第二箔220下游的光被指示为照明单元光11。光源单元100具有平均最短距离（在此为间距）（从来自光源单元的中心点测量），利用p指示；到第一箔的最短距离，即到光源单元的下游的第一箔的距离利用参考标记d1指示。区可以具有利用参考标记L指示的（最大）宽度和（最大）长度，其可以在平均最短距离p的范围中。光源单元与第二箔220之间的最短距离利用d2指示；第一箔与第二箔之间的距离利用参考标记d3指示。特征尺寸可以是：

	单位	(第一)射束成形实施例	(第二)射束成形实施例
				光源单元的数目		1 – 1,000,000	1 – 1,000,000
d1	mm	0.1-25	0.1-25
				d2	mm	1-100	1-100
d3	mm	1-100	1-100
				L	mm	1-100	1-100
功能，第一箔		第二箔的均一光照	聚焦于第二箔上
				光学元件的类型，第一箔		折射/TIR（刻面，透镜）	折射/TIR（刻面，透镜）
（TIR）光学元件的尺寸，第一箔	mm	0.01-5	0.01-5
				功能，第二箔		准直	若干射束点创建
光学元件的类型，第二箔		折射/TIR（刻面，透镜）	折射/TIR（刻面，透镜）
				（TIR）光学元件的尺寸，第二箔	mm	0.01-5	0.01-5

第一射束成形的变形在图3a-3f中特别地描绘，并且第二射束成形实施例的变形在图4a-4b中特别地描绘。

在图1a中，示意性地描绘了光源单元、第一箔区和第二箔区的利用参考标记A，B，C，D指示的四个（等同）组合（或“区元”）。

图1b示意性地描绘了其中应用三个箔的实施例（还可以应用多于三个箔）。在此，照明单元10包括配置在多个光源100的下游的上游第一箔210A，以及配置在上游第一箔210A的下游的下游第一箔210B。特别地，上游第一箔210A配置成预准直光源单元光101并且下游第一箔210B配置成在上游第一箔210A的下游进一步准直源单元光101。针对上游第一箔和下游第一的特征尺寸可以如以上针对第一箔所描述的那样。

下游箔210B的下游的光利用参考标记101’’指示。对应地指示区，其中区210AA-210DD针对第一箔区210A，并且其中区210BA-210BD针对第二箔区210B。从光源单元到上游第一箔210A的距离利用参考标记d1A指示；到下游第一箔210B的距离利用参考标记d1B指示；这两个箔之间的距离利用参考标记d4指示，其可以在针对双箔系统（图1a）的d3的量级上。

在（第一）射束成形实施例中，前两个箔实现——尽可能多的——平行射束以及均一的空间和角度光分布。射束成形在新添加的第3箔中完成。优点在于第3箔独立于LED的位置、LED的数目和箔之间的距离。这改进灵活性和后期可配置型。然而，光学效率在该情况下将降低。

在图1a和1b中示意性地描绘了处于相应箔的下游侧的光学元件211和222。然而，可替换地或此外，光学元件可以在相应箔的上游侧处可得到。

图2a示意性地描绘了六边形布置（即规则布置）中的多个光源单元100（在此事实上为固态光源）的布置111；图2b示意性地描绘了不太规则或甚至不规则的布置（作为Voronoi图）。该布置因而可以应用于多个光源单元的布置，以及随附多个透射第一箔区和第二箔区，因为照明单元可以包括多个单元区元，每一个单元区元包括光源单元、对应第一箔区和对应第二箔区。

例如，通过使用折射对光重定向的微结构和通过使用TIR对光重定向的微结构可以应用为光学元件。折射元件典型地用于在关于箔的主法线的小角度之上进入箔的光，并且TIR元件用于在较大角度之上进入箔的光。折射元件的示例是刻面阵列。图2c和2d分别示出2D和3D中的刻面阵列。光学元件的顶部利用参考标记T指示；顶部之间的距离（或间距）利用参考标记TD指示。参考标记F1和F2指示面或刻面。参考标记γ指示刻面或菲涅尔透镜角度（假定菲涅尔透镜）。特别地TIR元件的特征尺寸可以是：

	单位	（第一）射束成形实施例（图3a）	（第二）射束成形实施例（图4a）
				T第一箔（高度）	mm	0.05-5	0.05-5
TD第一箔	mm	0.01-50，诸如0.05-5	0.01-50，诸如0.05-5
				T可选中间箔（参见图1b）（高度）	mm	0.05-5	0.05-5
TD可选中间箔（参见图1b）	mm	0.05-5	0.05-5
				T第二箔（高度）	mm	0.05-5	0.05-5
TD第二箔	mm	0.01-50，诸如0.05-50，比如0.05-5	0.01-50，诸如0.05-50，比如0.05-5

图2e示出2D中的TIR元件。在图2e中，光通过折射进入左表面。然后其在第二表面处通过TIR反射。为了从该2D模型到3D模型，在非限制性实施例中，我们绕竖直轴掠扫该2D模型。这给出还在图2f中描绘的旋转对称结构。参考标记θ_in指示元件上的光线入射角度（箭头）并且θ_m指示介质中的折射角度并且θ_out指示离开介质的折射。参考标记α指示利用参考标记F1指示的刻面与箔平面的角度；并且参考标记β指示（其它）刻面，利用参考标记F2指示。因而，TIR元件可以特别地由角度α和β指示，其特别地在大约至少30°的量级上。γ的值特别地在最多55°的范围中；这是刻面F1与箔平面的角度。刻面F2与箔平面的角度在TIR折射元件的情况下可以特别地接近于垂直，诸如＞80°。要指出的是，在菲涅尔透镜的情况下，刻面F1可以是弯曲的，并且所指示的角度γ可以特别地为最大角度。

为了实现薄照明器、高光学效率、受控射束成形、减少的眩光以及所有角度之上（或多或少）的均一外观而没有各个眩目LED的可见性，我们的发明使用以下光学配置。LED源定位在某种2D网格中，例如，图2a中所示的六边形网格或矩形网格。任何其它布局也是可能的。该布局不需要是规则的（同样参见图2b）。然后，添加具有微结构的两个板或箔。第一箔（即最靠近LED的箔）使得我们在第二箔处具有或多或少均一的空间光分布。也就是说，第一箔使得在第二箔的任何位置处我们都具有近似相同数量的每单位面积的流明。第二箔实现射束成形。在图3a中描绘该配置，其中光束成形为窄点。

图3a-3f示意性地描绘了具体实施例和变形的一些方面。

我们现在更详细点地讨论这两个箔。如所指示的，第一箔在第一射束成形实施例中实现第二箔处的或多或少均一的光照（参见图3a）。均一程度可以例如通过以下表述：

其中I _max和I _min分别是第二箔处的最大和最小照度。值在0和1之间定界。值越大，照度越均一。因而，为了在本发明中要求某个最小程度的均一性，我们可以要求该表达式为至少某个常数C。C的可能值是1/10。第二箔的功能是应用射束成形。射束成形以这样的方式完成：第2箔的任何小区产生近似相同的射束。如果这些区足够小（例如1mm²），则我们实现或多或少均一的角度光分布。在具有我们的发明的以上基本描述的情况下（即双箔配置和2个箔的功能），我们现在描述我们的发明的一些方面。

本发明的第一方面是LED间距P与到第一箔d₁的距离之间的比值。在第一箔中对光成形的能力取决于在任何位置处进入箔的光的射束宽度。传入光的射束宽度越小，我们就可以越精确地将光重定向到第二箔的某个位置。显然，越多的LED贡献于该位置处的传入光，射束宽度就越大。因而，为了得到小射束宽度，进入给定位置的光的量必须非常少或者光必须主要来自单个LED。这可以通过令比值d ₁/P足够小来实现。例如，小于0.25，或者更优选地，0.15。

本发明的另一方面如下。关于第一箔，同样适用于第二箔的是，为了执行射束成形，重要的是进入给定位置的光必须主要来自单个LED（除了一些小过渡区）。为此目的，我们设计第一箔使得其不仅均一地光照第二箔，并且其以满足该性质的这种方式这样做。更精确地，如果我们具有n个源，则将第二箔分成n个区元，使得存在源与它们光照的区元之间的一对一映射。最明显的分区由具有作为生成器的源集合的Voronoi图来给出。由源光照的区元则是直接在其上方的第二箔上的区元；参见图2b。本发明的第三方面是第一箔中的微结构的类型。典型地，这是折射元件和TIR元件的组合（同样参见上文）。

作为本发明的实施例，我们示出本发明可以如何用于构建具有均一光照的出射窗口的薄点。我们以9个LED的阵列开始。这些LED定位在六边形网格中，其中六边形的边为12.5mm。也就是说，我们（实际上）将具有LED的PCB分成具有12.5mm的边长的9个相等大小的六边形并且我们将LED定位在六边形的中心。这在图2a中可视化。要指出的是，平面的六边形分区对应于通过将LED视为生成器而获得的Voronoi图。

在LED的该放置中，两个接连行具有半六边形的相互移置并且行内的LED的间距为21.65mm。在距LED d ₁=3mm处，我们放置第一微结构化箔。我们然后具有d ₁/P=3/21.65=0.14，如果我们取位于相同行中的两个LED的间距P的话。第二微结构化箔放置在距LED的10mm处。如本发明所描述的，第一箔使得第二箔被均一光照。第二箔将光——尽可能多地——重定向成平行射束。另外，微结构设计成使得以下成立。如果我们以与我们针对PCB所做的相同方式将第一和第二箔分成9个六边形区元，则箔中的六边形区元主要由直接在其下方的LED光照，并且仅最低限度地来自其它LED。这描绘在图3b中，其示出箔的侧视图。在此，示意性地描绘了光源单元、第一箔区和第二箔区的利用参考标记A，B，C指示的三个（等同）组合（或“区元”）。竖直线描绘六边形区元之间的边界。图3c示出两个箔通过折射和TIR的组合实现。对于每一个箔，示出相应区211,221，所述相应区相互对应，与相应光源单元100对应，并且在相应法向矢量N上对准。所述相应法向矢量N延伸穿过光源单元并且穿过第一和第二箔上的相应区的相应中心，即分别由RF1和RF2指示的折射区域。每一个区还包括远离中心的相应外围区域，即分别由TIR1和TIR2指示的全内反射区域。图3d和3e分别示出第二箔的远场强度分布和照度。图3d（点的远场分布）示出我们已经获得了具有仅7度的FWHM的点。矩形区中的照度均一性是0.5。图3e示出第二箔的照度。矩形区中的照度均一性是0.5。要指出的是，在图3a-3b中，光源单元、第一箔区和第二箔区的每一个组合关于几何形状和光学器件（大体）等同。这可以导致如图3e中所描绘的图案。可选地，在（第一）射束成形实施例中，第一箔的下游侧还包括漫射器（包括具有漫射器功能性的光学元件）。图3f示意性地描绘了如图3c中描绘的第一箔或第二箔的上游面的3D视图。这是示意图；取决于类型布置，刻面可以变形和/或区的其余空间可以填充有另外的刻面。

图4a-4b（和4c，具体变形）涉及另一方面，其中非均匀性不太成问题，但是射束成形和/或可定向性是相关的。该实施例在本文中还指示为第二射束成形实施例。第一射束成形实施例在图3a，3b和3d中特别地描绘。其它图（除其它还有4a-4b）一般可以适用于两个实施例，即第一准直实施例和第二点创建实施例。如对本领域技术人员将清楚的是，光学元件（及其几何形状）可以选择成提供大体均匀的光照、准直或射束点创建。

当前每一个射束形状要求其自身的射束成形光学器件。我们的发明使用单个光学元件以用于创建各种不同的射束形状。本发明的这些实施例的相关特征是在微光学器件（以下称为微刻面）的交替图案中在微观水平下组合两个或更多射束形状设计的出射窗口的设计，其中邻近的微刻面寻址不同射束形状。利用微刻面寻址的小展度允许高度准直的小射束，其可以重定向到出射窗口上的微刻面的子集。出射窗口上的刻面的大小选择成当从典型的观看距离（例如一米）观看时在人眼的分辨率以下。也就是说，用户在常规操作之下不能识别出射窗口上的各个微刻面。因而射束形状之间的过渡被无缝地处置。射束形状设计通过关于系统的光学部分的其它元件横向偏移出射窗口而选自两个或更多形状设计。

图4a示出射线追踪模拟，其示出经由出射窗口上的两个不同光学元件重定向的准直小射束。第一（底部）箔将小射束重定向到第二（顶部）箔上的光学元件的子集。两个面板，左和右，展示两个不同射束形状。对于该实施例，双箔方案是优选的。第一箔实现第二箔处的或多或少聚焦的光照。第二（顶部）箔的功能是应用射束成形。相比于以上（第一）射束成形实施例，其中第二箔以均一方式光照，在此发生第二箔的非均一光照：第二箔以交替图案来光照，诸如棋盘格（参见图4a针对射线追踪模拟）。也可以应用第二箔的更稀疏光照。

图4a示出具有作为示例的光源单元100、第一箔210和第二箔220的仅一个组合的小箔。然而，这将是具有多个这样的组合的较大结构的部分（参见例如图1a-1b；2a-2f）。因而，这将更加扩展，具有多个区和多个光源单元。在此，作为示例，仅描绘了单个光源单元及其对应的第一箔区和第二箔区。图4a的左部和（因而还有）右部可以因而在照明单元中包括多个光源单元、第一箔区和第二箔区的（2D）阵列，如除其它之外还在图3a-3b中所示。再次，在实施例中，光源单元、第一箔区和第二箔区的每一个组合关于几何形状和光学器件（大体）等同。通过例如第二箔关于沿相应法向矢量N的对准的偏移位置（参见图4a中从左向右配置的改变），射束（方向）改变。第一箔将一般聚焦在第二箔处。

通过改变第二箔关于第一箔的对准，寻址第二箔上的不同刻面。人们可以设想到使用线状设计的精确对准使得经由旋转发生第二箔关于第一箔和LED的组合的横向（和可选地垂直）移置。以此方式，可以获得不同对准位置。可替换或甚至附加于横向移置，垂直移置也是可能的。例如，人们可以沿光学路径（或者垂直于第一箔和/或第二箔）移动（多个）光源单元、第一箔和第二箔中的一个或多个。

由于位于第二箔上的刻面大小在0.01-50mm直径的量级上，诸如0.1-5mm，所以要求最小调节以在刻面位置之间切换。在该实施例和相关实施例中，第二箔上的光学元件的大小典型地为第一箔上的光学元件的大小的1.5至100倍大，在图中第二箔上的光学元件是第一箔上的光学元件的大小的约3倍大。第二箔的大小越大，每射束形状配置就有越多空间可用于从第一箔重定向光并且射束点定义就越精确。点或向下的光的出射窗口通常在超过（第一）射束成形实施例中所描述的典型配置（参见图3a-3f）的厘米量级上，其中使用（出射窗口的）2cm直径。因而，典型地存在应用多个射束形状图案的充足空间。在另外的实施例中，对准可以在使用压电致动器的操作之下调节。由于临近刻面可以间隔成如0.1mm那样接近，所以这是可行的。在此所描述的实施例可以例如用于利用单个光学元件在点或向下光中的射束成形。

图4b示意性地描绘了射束成形还可以如何通过使用透明区1222A和散射区1222B而利用第二箔完成。每一个射束可以寻址到透明区1222A和散射区1222B，其形成区或子区。通过平移或旋转的偏移可以通过第二箔、第一箔或光源单元中的一个或多个的移动来完成。致动器20（参见图4c）可以移动这些中的一个或多个。例如，在其中第二箔包括（微）透镜的实施例中，射束扩散（准直程度）可以在（略微）改变第一与第二箔之间的距离时进行控制。

然而，还可以可能的是，光源单元100包括两个（或更多）光源，其在图4c中指示为第一光源110A和第二光源110B，从而形成多个光源的多个子集。控制单元30可以控制光源（的子集）。控制单元30还可以配置成控制以上指示的可移动项中的一个或多个的移动（对于其中照明单元项关于彼此可移动的那些实施例）。如对本领域技术人员将清楚的，致动器和/或控制单元30，特别地控制单元30，可以使用在任何本文所描述的实施例中。

Claims

1.一种照明单元（10），包括（i）多个光源单元（100）的布置（111），其配置成提供对应光源单元光（101），（ii）包括多个透射第一箔区（211）的第一箔（210），其中每一个第一箔区（211）包括多个光学元件（212），所述多个光学元件（212）包括在每一个区的中心（RF1）的具有对光源单元光（101）的折射功能性的光学元件和在远离每一个区中的所述中心的外围区域（TIR1）中的具有对光源单元光（101）的全内反射功能性的光学元件，以及（iii）包括多个透射第二箔区（220）的第二箔（220），其中每一个第二箔区（221）包括多个光学元件（222），其中每一个第二箔区（221）包括在其中心（RF2）处的具有对光源单元光（101）的折射功能性的光学元件和在远离其中心的外围区域（TIR2）中的具有对光源单元光（101）的全内反射功能性的光学元件，其中每一个光源单元（100）具有配置在所述光源单元（100）的下游的对应第一箔区（211）和配置在所述第一箔区（211）的下游的对应第二箔区（221）。

2.根据权利要求1所述的照明单元，其中第一箔（210）的每一个区（211）的中心（RF1）和对应光源单元（101）在相应法向矢量N上对准到多个光源单元（100）的布置。

3.根据权利要求1或2所述的照明单元（10），其中第一箔的光学元件提供在上游侧上并且散射元件提供在第一箔的上游侧的下游。

4.根据权利要求1或2所述的照明单元（10），其中第一箔的光学元件提供在上游侧上并且另外的准直元件提供在第一箔的下游侧上。

5.根据权利要求1或2所述的照明单元（10），其中光源单元（100）具有平均最短距离p并且其中光源单元（100）具有到第一箔（210）的最短距离d1，其中d1/p≤0.3。

6.根据权利要求1或2所述的照明单元（10），其中第一箔区（211）配置成改进利用光源单元光（101）对第二箔区（221）的均匀光照。

7.根据权利要求1或2所述的照明单元（10），其中第二箔区（221）配置成改进第一箔（210）的下游的光源单元光（101）的准直。

8.根据权利要求1或2所述的照明单元（10），包括配置在多个光源（100）的下游的上游第一箔（210A），以及配置在上游第一箔（210A）的下游的下游第一箔（210B），其中上游第一箔（210A）配置成预准直光源单元光（101），并且其中下游第一箔（210B）配置成进一步准直上游第一箔（210A）的下游的源单元光（101）。

9.根据权利要求1或2所述的照明单元（10），其中第一箔上的光学元件是向第二箔提供聚焦的射束的聚焦元件。

10.根据权利要求1所述的照明单元（10），其中每一个第一箔区（211）配置成提供多个射束（B）。

11.根据权利要求10所述的照明单元（10），其中第二箔区（221）中的每一个包括具有棱镜形状的多个光学元件（212），其中每第二箔区（221）具有棱形形状的光学元件（212）的数目是根据权利要求10所述的多个射束（B）的数目的n倍，其中n是等于或大于1的自然数。

12.根据权利要求1或2所述的照明单元（10），其中在垂直于光源单元（100）的第一布置（111）的方向上，选自包括以下的组的一个或多个能够在输运动作中进行输运：（i）光源单元（100）中的一个或多个，（ii）第一箔（210），以及（iii）第二箔（220）。

13.根据权利要求1或2所述的照明单元（10），其中在平行于光源单元（100）的第一布置（111）的方向上，第二箔（22）以及光源单元（100）和第一箔（210）中的一个或多个的组合能够在输运动作中相互输运以用于对准中的改变。

14.根据权利要求1或2所述的照明单元（10），其中光源单元（100）中的一个或多个至少包括第一固态光源（110A）和第二固态光源（110B），并且其中第一固态光源（110A）的子集和第二固态光源（110B）的子集单独可控。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的照明单元（10）用于控制来自多个光源单元（100）的布置（111）的光源单元光（101）的光束（11）的形状的用途。