CN105683800A - 具有改善的光混合和颜色混合性质的准直器 - Google Patents

具有改善的光混合和颜色混合性质的准直器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于光源(108)的准直器(100)，准直器(100)包括：本体(106)；腔体(110)，形成在本体(106)的底侧面(120)上，用于收纳光源(108)，腔体(110)具有被设置用于接收由光源(108)生成的光的进入表面(112、114)；全内反射TIR表面(124)，被提供在本体(106)的侧表面(104)处；出射表面(102)，被提供在本体(106)的顶侧面(122)处并且被设置用于准直光的发射；其中进入表面(112、114)包括具有粗糙度值的表面粗糙度，使得实现了来自光源(108)的进入准直器(100)的光的改善的光混合。

Description

具有改善的光混合和颜色混合性质的准直器
技术领域
本发明涉及用于光源的准直器，具体而言，涉及具有被设置用于接收来自光源的光的进入表面的准直器。本发明进一步涉及用于形成这种准直器的方法。
背景技术
准直器是改变由准直器接收的光的方向使得从该准直器发射的光被对准在特定方向上的设备。因此，以某个角度范围进入准直器的光可以以更窄的角度范围发射，即所发射的光是准直的(平行的)。准直器可以包括全内反射(TIR)表面，使得准直器中的光损失在很大程度上被避免。
关于准直器的问题可能是，准直器的颜色和光混合性质不足，使得从准直器发射的光例如可能包含较暗的区域和较亮的区域，或者所发射的光的颜色均匀性可能是不令人满意的。对这一问题的一种解决方案可以是在准直器的TIR表面上包括小面或者在准直器的光出射表面上包括双凸面(lenticular)透镜阵列。
WO2006/033032A1(皇家飞利浦电子公司)公开了有小面光准直器和有小面光反射器的组合。有小面光准直器包括不同级别的小面。该文档进一步公开了光成形漫射器，其被定位为使得从有小面光准直器发射的光被该漫射器漫射。
WO2013/029400(惠州轻型发动机有限公司)涉及被应用于半导体固态照明设备的透镜，其包括：透镜本体；全反射表面，被布置在透镜本体的外侧面上，全反射表面的形状是鳞状多面体；凹部，形成在透镜本体之下的中间位置，并且被用于容纳LED，凹部具有侧表面和顶部部分，并且凹部的侧表面具有圆柱体表面、渐窄表面、或者回转表面的形状；微透镜阵列，形成在凹部的顶部部分处；以及出射表面，被布置在透镜本体的顶部部分处，该出射表面包括一个或者多个平坦或者弯曲表面。
然而，期望对准直器的光混合和颜色混合性质的进一步改善。
发明内容
鉴于上文，本发明的目的是提供用于光源的具有有利的光混合和颜色混合性质的准直器。
根据本发明的第一方面，这一目的和其它目的通过准直器实现，该准直器包括：本体；腔体，形成在本体的底侧面上、用于收纳光源，腔体具有被设置用于接收由光源生成的光的进入表面；全内反射(TIR)表面，被提供在本体的侧表面处；出射表面，被提供在本体的顶侧面处并且被设置用于准直光的发射，其中进入表面包括具有粗糙度值的表面粗糙度，使得实现了来自光源的进入准直器的光的改善的光混合和/或颜色混合。
本发明基于提供准直器的构思，其中被准直的光当进入准直器时已经被漫射(即散射和折射)。准直器的这一发明性混合性质通过准直器的进入表面上的表面粗糙度实现。表面粗糙度将进入准直器的光散射和折射，使得可以实现改善的光混合。令人惊讶的是，效率损失可以是小的，因为被散射的光中的大部分仍然可以满足被TIR表面(被提供在准直器的本体的侧表面处)反射的要求。
通过术语“光混合和或颜色混合”在本说明书的上下文中应该被理解为在光源发射多颜色光的情形下从准直器发射的光的颜色混合、以及从提供针对从准直器发射的光的平滑亮度分布的意义上讲的光混合两者。换句话说，本发明的准直器可以发射在光束分布之上具有恒定颜色以及平滑亮度分布的光。
术语“光源”应该被理解为指代各种辐射源中的任何一种或者多种，包括但不限于基于LED的光源、白炽源(例如灯丝灯、卤素灯)、荧光源、磷光源、高强度放电源(例如钠蒸汽、汞蒸汽、以及金属卤化物灯)、激光器、其它类型的电致发光源、火发光源(例如火焰)、蜡烛发光源(例如气灯罩、碳弧辐射源)、光致发光源(例如气体放电源)、使用电子饱和的阴极发光源、电流发光源、结晶发光源、运动发光源、热发光源、摩擦发光源、超声发光源、射线发光源、以及发光聚合物。
术语“表面粗糙度”应该被理解为指代表面的纹理。“表面粗糙度值”因此是对由真实表面从其理想形式的竖直偏离量化的表面粗糙度的量度。如果偏离大，则表面粗糙，即高的表面粗糙度值；如果偏离小，则表面光滑，即低的表面粗糙度值。
根据一个实施例，进入表面可以至少包括第一和第二进入表面，其中第一进入表面的表面粗糙度的表面粗糙度值不同于第二进入表面的表面粗糙度的表面粗糙度值。这一实施例的优势可以是，准直器的光混合和颜色混合性质增加，因为表面粗糙度可以独立于彼此选择。进入表面的表面粗糙度可以例如基于穿过进入表面进入准直器的光的角度范围、颜色和/或强度来选择。其可以进一步基于穿过进入表面进入准直器的光是否将在准直器内被进一步混合而选择。
根据一个实施例，第一进入表面的表面粗糙度的粗糙度值与第二进入表面的表面粗糙度的粗糙度值相比更高。这可以是有利的，因为根据一些实施例，穿过第一进入而进入准直器的光在从准直器穿过出射表面发射之前未被TIR表面反射。因此，穿过第一进入表面进入准直器的光不可以在准直器内被进一步混合。因此，可以期望第一进入表面的表面粗糙度的更高的粗糙度值。此外，根据这一实施例，由于穿过第一进入表面进入准直器的光将不会击中TIR表面，通过TIR表面的光泄漏对于这一光而言不是问题。因此，当设计第一进入表面的表面粗糙度时，不需要这种考虑。相反地，穿过第二进入表面进入准直器的光可以在穿过准直器的出射表面发射之前被TIR表面进一步混合。因此，第二进入表面的表面粗糙度的更低粗糙度值可以是可接受的。
粗糙度值可以依据VDI(德国工程师协会)来表达，并且第一进入表面的表面粗糙度的表面粗糙度值可以具有在1至32范围内的粗糙度值，并且第二进入表面的表面粗糙度的表面粗糙度值可以具有在1至26范围内的粗糙度值。根据一些实施例，第一进入表面的表面粗糙度的表面粗糙度值可以具有在22至32范围内的粗糙度值，并且第二进入表面的表面粗糙度的表面粗糙度值可以具有在16至26范围内的粗糙度值。这可以改善准直器的光混合和/或颜色混合性质，同时减少从TIR表面的任何光泄漏。较低的VDI值将比较高的VDI值较少地将光混合。然而，低的VDI值(诸如1)将仍然将光混合并且在一些环境下可能是有利的。
根据进一步的实施例，第一进入表面垂直于光源的光轴，和/或第二进入表面基本上平行于该光轴。由于腔体可以使用注射模塑形成，为了更容易地移除模具，可能要求第二进入表面的拔模角度。通常这些拔模角度大约为1.5°至4°以便还适应表面粗糙度。当设计第一和第二进入表面的表面粗糙度时，腔体的这一示例性设计可以是有利的。腔体的这一示例性设计可以进一步简化准直器的制造过程。腔体(形成在本体的底侧面上用于收纳光源)可以例如具有立方体形状或者圆柱体形状。
根据一些实施例，准直器的材料是聚碳酸酯PC和/或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。根据应用，PC或者PMMA可以是有利的，因为它们具有不同的折射率。这两种材料的组合同样是可能的。
根据另一实施例，光源包括固态光源，诸如例如发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、或者聚合物发光二极管(PLED)。使用固态光源的优势可以是实现了减少的热量生成。其它优势可以是，固态光源提供与易碎玻璃管/泡相比对冲击和振动的更大抵抗。
根据实施例，光源包括多个发光器。发光器在那一情形下可以是空间分离的。当需要多颜色光源(例如颜色可调谐的有方向性的聚光灯)时，这可以例如是有利的。空间分离的发光器可以提供光源的改善通量水平。
根据第二方面，本发明提供包括光源和根据本发明的第一方面的准直器的灯具。
根据第三方面，本发明提供用于形成用于光源的准直器的方法，该方法包括如下步骤：提供模具，该模具包括突起，该突起用于在准直器的本体的底侧面上形成用于收纳光源的腔体；使突起的表面受到表面粗糙度处理；以及使用模具通过注射模塑形成准直器。
根据实施例，表面粗糙度处理包括化学刻蚀、电放电刻蚀、以及喷砂中的一种。这些形成表面粗糙度的方法可以提供各种表面粗糙度值。它们可以进一步提供具有高粗糙度值的表面粗糙度。
根据进一步的实施例，形成准直器的步骤进一步包括将材料注射到模具中，其中该材料是聚碳酸酯PC和/或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。
第二和第三方面一般可以具有与第一方面相同的特征和优势。
注意，本发明涉及在权利要求中记载的特征的所有可能组合。一般地，在权利要求中使用的所有术语都将根据本技术领域内的其普通含义来解释，除非在本文中另外明确限定。
本发明的其它目的、特征、以及优势将从以下详细公开内容以及附图中显而易见。
附图说明
现在将参照示出了本发明的实施例的附图更详细地描述本发明的这一方面和其它方面，其中：
图1示意性地图示了包括根据本发明的第一方面的准直器的竖直横截面灯具，
图2图示了图1的准直器的光混合性质，
图3图示了用于形成图1和图2的准直器的方法。
如图所示，层和区域的尺寸为了说明性目的而被夸大，并且因此，被提供用于图示本发明的实施例的一般结构。相同的附图标记通篇指代相同的元件。
具体实施方式
现在将参照其中示出了本发明的当前优选实施例的附图在下文中更充分地描述本发明。然而，本发明可以以很多不同的形式体现并且不应该被解释为限制于本文中阐述的实施例；更确切地说，这些实施例被提供用于透彻性和完整性，并且向技术人员充分传达本发明的范围。
图1在横截面中示出了本发明的实施例的结构。示出的装置10(例如诸如聚光灯之类的灯具)包括用于光源108的准直器100。准直器100和光源108被安装在例如印刷电路板的安装壳体116上。准直器100包括本体106。
准直器100的本体106可以包括具有1.58的折射率的聚碳酸酯(PC)。其它可应用材料同样是可行的，诸如具有1.49的折射率的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或者PC和PMMA的组合。在准直器100的折射率高于围绕它的介质(优选地，具有1.0的折射率的空气)的情况下，准直器100的本体106的侧表面104因此提供表面124，表面124具有针对从光源108接收的光的普遍已知的光学现象全内反射(TIR)。
准直器进一步包括被提供在本体106的顶侧面122处并且被设置用于准直光的发射的出射表面102。
准直器100进一步包括形成在本体106的底侧面120上用于收纳光源108的腔体110。腔体110具有被设置用于接收由光源108生成的光的进入表面112、114。进入表面112、114包括具有粗糙度值的表面粗糙度，使得实现从光源108进入准直器100的光的改善的光混合。表面粗糙度将在下面结合图2详细解释。
根据这一示例性实施例，腔体110中的进入表面112、114包括两个不同的进入表面。第一进入表面112垂直于光源108的光轴118。第二进入表面114基本上平行于光源的光轴118。如上面解释那样，可能需要第二进入表面的拔模角度，用于便于腔体的注射模塑。根据这一实施例，腔体的3D形状可以是圆柱体或者立方体的。在立方体形状的情形下，第二进入表面114包括立方体的四个侧表面，并且第一进入表面112包括立方体的顶表面。在圆柱体形状的情形下，第二进入表面114包括圆柱体的圆周侧表面，并且第一进入表面112包括圆柱体的顶表面。进入表面的其它设计同样是可能的。例如，进入表面可以包括仅一个圆顶形进入表面。或者进入表面可以包括一起在光源上方成形为三角形的三个不同的进入表面。根据其它实施例，进入表面包括不止两个不同的进入表面，其被成形为使得实现了对进入准直器的光的改善的光混合。
光源108可以是任何合适的光源。根据一个实施例，光源108是诸如LED光源之类的固态光源。可能要注意的是，即使图1中的光源108被呈现为一个光源，但是这仅用于说明性目的并且不应该被解释为限制本发明的范围。光源108可以包括多个发光器。多个发光器可以是空间分离的，即它们可以不被定位为与彼此邻接。在一个实施例中，每个发光器都发射具有相同颜色的光。在这一情形下，准直器的颜色混合性质不是问题，但是准直器的亮度分布可能是问题，特别是在多个空间分离的发光器的情形下。灯具10的观察者应该有利地不将所发射的光感知为是由多个发光器发射的。根据本发明的准直器100可以提供改善的光混合，即从准直器100的出射表面102发射的光可以使用与在准直器的进入表面上没有表面粗糙度的准直器相比更均匀的亮度分布来发射。在另一实施例中，多个发光器包括发射具有第一颜色的光的至少第一发光器和发射具有第二颜色的光的至少第二发光器。在这一情形下，颜色混合可能是问题。灯具10的观察者应该有利地不将所发射的光感知为是由多个发光器发射的并且不应该将从光源发射的光感知为具有不同的颜色。根据本发明的准直器100可以提供改善的颜色混合，即从准直器100的出射表面102发射的光可以被感知为是由单个颜色的光源而不是由多个不同颜色的光源发射的。
腔体110可以被定位为基本上在本体106的底侧面120的中心处。光源108可以被定位在安装壳体116上、基本上在腔体110的中心处。这一对称设置可以简化进入表面112、114的表面粗糙度的生产过程并且进一步改善准直器100的光混合性质。
图2图示了发明的准直器100的光混合性质的其它细节。准直器100包括第一进入表面112和第二进入表面114。进入表面112、114中的每个都包括表面粗糙度202、204的部分。可能要注意的是，根据一些实施例，整个第一进入表面112和/或第二进入表面114包括表面粗糙度。第一进入表面112的表面粗糙度202的表面粗糙度值可以与第二进入表面114的表面粗糙度204的表面粗糙度值不同。如果表面粗糙度202、204的表面粗糙度值独立于彼此选择，则光混合和/或颜色混合性质可以被改善。
与由第二进入表面114接收的光相比，第一进入表面112可以被设置为接收由光源108以更靠近光源108的光轴118的角度生成的光。
现在将解释准直器100的光混合性质。由光源108发射的光穿过进入表面112、114进入准直器100。与穿过表面的不包括表面粗糙度的部分进入准直器的光相比，在光穿过进入表面112、114的包括表面粗糙度的部分进入的情况下，光可以不同地被折射。穿过表面粗糙度进入准直器的光可以被进一步散射。在该情形下，每个得到的光束可以在不同的方向上被折射。
在图2中，第一进入表面112包括表面粗糙度的两个部分202。第二进入表面114包括表面粗糙度的一部分204。第一进入表面上的表面粗糙度部分202可以具有大于第二进入表面114上的表面粗糙度部分204的表面粗糙度值的表面粗糙度值。依据VDI(德国工程师协会)(其是表面粗糙度的标度)，表面粗糙度部分202的表面粗糙度值可以是27。表面粗糙度部分204可以具有22的VDI值。这仅是可能的粗糙度值的示例。第一进入表面112的表面粗糙度202的粗糙度值可以具有在22至32范围内的VDI值，并且第二进入表面114的表面粗糙度204的粗糙度值可以具有在18至26范围内的VDI值。表面粗糙度值可以在诸如Ra或者Rz之类的其它方面来表达。
如图2所示，光束206从光源108发射并且穿过第一进入表面112的不包括表面粗糙度的部分进入准直器100。因此当进入准直器100时，光束206未被散射。光束可能由于腔体的介质的折射率和准直器100的进入表面112的材料的折射率之间的差别而被折射，但是光束206未由于任何表面粗糙度而被进一步折射。此外，光束208从光源108发射并且穿过第一进入表面112的包括表面粗糙度的部分202之一进入准直器100。光束208因此被折射并且被散射成两个光束208a、208b。如上文所述，因为穿过第一进入表面112进入准直器100的光未击中TIR表面124，可能重要的是，这一光与穿过第二进入表面114进入准直器100的被TIR表面124反射的光相比被更多地混合。因此，可能重要的是，第一表面112的表面粗糙度202的粗糙度值与第二表面114的表面粗糙度204的粗糙度值相比更高。
此外，光束210从光源108发射并且穿过第二进入表面114的不包括表面粗糙度的部分204进入准直器100。光束210因此被折射并且可能被散射(未示出)。光束210接着在从准直器100的出射表面102发射之前被TIR表面124反射。
因为TIR表面124仍然对进入准直器100的大部分经折射和经散射的光起作用，所以可以限制光束角度(即从准直器100发射的光)的增加(由因为进入表面112、114的表面粗糙度202、204而产生的更大“虚拟”光源引起)。第二表面114的表面粗糙度204的粗糙度值越低，越少的光将从TIR表面124漏出。另一方面，第二表面114的表面粗糙度204的粗糙度值越高，准直器100的混合性质将改善得越多。
图3图示了用于形成用于光源的准直器(例如图1至图2所示的准直器)的方法300。方法包括提供S302模具。该模具包括用于在准直器的本体的底侧面上形成用于收纳光源的腔体的突起。
方法进一步包括使突起的表面受到S304表面粗糙度处理。根据实施例，表面粗糙度处理包括化学刻蚀、电放电刻蚀、以及喷砂中的一种。其它合适的表面粗糙度处理同样是可能的。
方法进一步包括使用模具通过注射模塑形成S306准直器。注射模塑可以包括将聚碳酸酯PC和/或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA注射到模具中。
本领域技术人员要意识到，本发明决不限于上面描述的优选实施例。相反地，很多修改和变化在所附权利要求的范围内是可能的。例如，准直器100可以包括其它光混合特征，例如TIR表面124上的小面和/或准直器100的出射表面102上的双凸面透镜阵列。在这一情形下，穿过第一进入表面112进入准直器100的光可以被设置为不由准直器100的出射表面102上的双凸面透镜阵列混合。由于如上文所述那样穿过第一进入表面112进入准直器100的光可以被设置为不被TIR表面124反射，则这种光将不被TIR表面124上的任何小面混合。相反地，穿过第二进入表面114进入准直器100的光可以被设置为被准直器100的出射表面102上的双凸面透镜阵列混合。因此，穿过第二进入表面114进入准直器100的光可以在准直器100内通过TIR表面124上的小面和/或通过出射表面102上的双凸面透镜阵列得到进一步混合，并且因此减少对于第二进入表面114的表面粗糙度204的高粗糙度值的需要。如上文所述，这转而可以减少通过TIR表面124的光泄漏。
此外，对所公开的实施例的变化可以由技术人员在实践所要求保护的发明中，从学习附图、公开内容以及所附权利要求中理解和实现。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或者步骤，并且不定冠词“一(a)”或者“一个(an)”不排除多个。仅凭在互相不同的从属权利要求中记载某些措施的事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (7)

1.一种用于光源(108)的准直器(100)，所述准直器(100)包括：
本体(106)，
腔体(110)，形成在所述本体(106)的底侧面(120)上，用于收纳所述光源(108)，所述腔体(110)具有被设置用于接收由所述光源(108)生成的光的进入表面(112、114)，
全内反射TIR表面(124)，被提供在所述本体(106)的侧表面(104)处，
出射表面(102)，被提供在所述本体(106)的顶侧面(122)处并且被设置用于准直光的发射，
其中所述进入表面(112、114)包括具有粗糙度值的表面粗糙度(202、204)，
其中所述粗糙度值用以微米为单位的平均粗糙度高度表达，
其中所述进入表面(112、114)至少包括第一进入表面(112)和第二进入表面(114)，
其中所述第一进入表面(112)的表面粗糙度(202)的粗糙度值与所述第二进入表面(114)的表面粗糙度(204)的粗糙度值相比更高，
其特征在于：
所述第一进入表面(112)的所述表面粗糙度(202)的表面粗糙度值具有在1.26微米至4微米范围内的粗糙度值，并且所述第二进入表面(114)的所述表面粗糙度(204)的表面粗糙度值具有在0.63微米至2微米范围内的粗糙度值，
所述第一进入表面(112)垂直于所述光源(108)的光轴(118)，并且所述第二进入表面(114)偏离所述光轴(118)以1.5°至4°的拔模角度。
2.根据权利要求1所述的准直器(100)，其中所述腔体(110)具有立方体形状和圆柱体形状之一的形状。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的准直器(100)，其中所述准直器(100)的材料是聚碳酸酯、PC和/或聚甲基丙烯酸甲酯、PMMA。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的准直器(100)，其中所述光源(108)包括固态光源。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的准直器(100)，其中所述光源(108)包括多个发光器。
6.根据权利要求5所述的准直器(100)，其中所述多个发光器中的每个发光器是空间分离的。
7.一种灯具(10)，包括光源(108)和根据权利要求1至6中的任一项所述的准直器(100)。
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