CN105992911A - 光学元件和具有光学元件的照明装置 - Google Patents

光学元件和具有光学元件的照明装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光学装置(1)，其具有第一光学元件(2)，第一光学元件以斜切有斜面(21)的光导(19)的形式或包括斜切有斜面(21)的光导(19)，以及第二光学元件(3)，其中第一光学元件(2)通过全内反射在其壁(22)处传导光并具有由光导(19)的非斜切端面形成的光射入区域(24)，并且具有光射出区域(25)，其中，光射出区域(25)由壁(22)在光导(19)的布置斜面(21)的端部的表面区域形成。第二光学元件(3)具有光射入孔(30)，其布置在第一光学元件(2)的光射出区域(25)上，或者面向第一光学元件(2)的光射出区域(25)。第一光学元件(2)的光射入区域(24)具有宽度x和第二光学元件(3)的光射入区域(30)具有高度z，其满足下述关系：x/z≤1.5·[tan(90°‑α/2)‑tan(90°‑(2·[α/2+90°]‑[180°‑arcsin(1/n)]))]‑1。其中，α表示光在斜面(21)处的偏转角，以及n表示第一光学元件(2)的材料的折射率。

Description

光学元件和具有光学元件的照明装置
技术领域
本发明涉及一种能够使用多个彩色发光元件混合光颜色的光源。
背景技术
LED越来越多地用于例如车辆和建筑物内部、例如飞机客舱的照明用途。LED由于其低能量消耗和低工作电压特别适合于这些领域。
例如，WO 2010/013181 A1公开了一种具有在其整个长度上具有恒定横截面的透光区域的光学元件。在光束的方向上邻近于该透光区域的是具有沿光传播方向增大的横截面的光校准区域。所述光校准区域的端部由倾斜的反射器限定。在该反射器处反射的光基本上垂直于光在透光区域中的传播方向离开光学元件。所述光校准区域可具有各种几何形状。
DE 10 2012 022 716 A1公开了一种用于将光注入到光导并在光导中混合的方法。光基本上垂直于光导地注入到光导中，撞击到倾斜的反射器上并由后者反射到光导中。光的混合通过在光导的内壁处的光束的全内反射来实现。
所述的现有技术的光混合器表现出高度的对称性，其对于纯光混合器是相当有利的。
然而，如果光学元件具有偏转功能，证明了对称结构对于光在额外的下游光学系统中最有效的利用是不利的。
发明内容
因此，本发明基于如下目的：提供一种在利用下游光学系统中的光方面比现有技术显示出更高的效率的光学装置。
此目的通过权利要求1的主题所实现。从属权利要求中限定了本发明的有利的设计方案和改进方案。
因此，本发明提供了一种光学装置，其包括：第一光学元件，所述第一光学元件以斜切有斜面的光导的形式或包括斜切有斜面的光导，以及第二光学元件，其中所述第一光学元件通过全内反射在其壁处传导光并具有由光导的非斜切端面形成的光射入区域，并且具有光射出区域，其中，所述光射出区域由壁的在光导的布置斜面的端部处的表面区域形成。所述第二光学元件具有光射入孔，其布置在所述第一光学元件的光射出区域上或面向所述第一光学元件的光射出区域，以及所述第一光学元件的光射入区域具有在沿着光射入区域与光在斜面处的偏转的平面的交叉点的方向上测量的宽度x，以及所述第二光学元件的光射入孔具有在沿着第一光学元件的光射入区域与光在斜面处的偏转平面的交点的方向上测量的高度z。
宽度x和高度z满足下列关系：
(1)x/z≤1.5·[tan(90°-α/2)-tan(90°-(2·[α/2+90°]-[180°-arcsin(1/n)]))]-1。
这里，α表示光在斜面处的偏转角，以及n表示第一光学元件的材料的折射率。在不限定通用性的情况下，坐标系已被选择成使得光的偏转仅发生在x-z平面。本文中的偏转角是沿着光导的纵向通过光导的光线的偏转角，这意味着其不在光导的侧壁反射。
在光混合器中偏转的情况下，光混合器的射入面显然成像到其射出区域。然而，该显而易见的关系对于具有α>0的典型FWHM(半高全宽)的角度分布的照射光束是不正确的，这是光在如上所述的下游光学系统中的进一步开发中的效率损失的原因。在以上给出的关系式的情况下，位于光的偏转平面的射入孔的尺寸z变得比所述第一光学元件的光射入区域的宽度×更大，所述宽度x同样在光的偏转平面的方向上测得。
在效率方面，尺寸z的较大的值是有利的，但是，可以注入到第二光学元件中的强度的增加对于z的较大的值减小，而第二光学元件变得越来越庞大。因此，根据本发明的另一实施例，如果第二光学元件的高度z相对于第一光学元件的光射入区域的宽度限定，是有利的。具体而言，因此根据本发明的另一实施例预期，尺寸x和z另外满足以下关系：
(2)x/z≥0.85·[tan(90°-α/2)-tan(90°-(2·[α/2+90°]-[180°-arcsin(1/n)]))]-1。
在一个优选的实施方案中，在第一光学元件的斜面处的偏转角的范围为75个至105优。
第一光学元件的光导优选地具有棱柱的形状，并且其光射入区域由棱柱的非斜切的底面形成。本发明的意义上的棱柱是由底面的平行位移、在本发明的情况下是指由光射入区域的平行位移而形成的主体。底面不需要必定是有角的。相反，底面或棱柱的横截面区域也可以具有圆形圆周部。
光导的横截面区域具有如下形状：其尺寸是在从背向第二光学元件的表面朝向第二光学元件的方向上单调变大的并在沿着该方向的至少一个部分中连续单调变大的。
在这种情况下，光导可具有两个相对的侧面，其中，所述侧面中的一个包括光射出区域，并且包括光射出区域的侧面宽于相对的侧面。具体而言，横截面尺寸在光射出区域处最大。
已证明这样的横截面形状对于光学系统的效率特别有利。通过这样的横截面形状可以实现，光在光射出区域处射出，使得不进入下游光学元件的射入孔的光保持最小化。
因此，根据本发明的另一方面，无论是否提供了与第一光学元件光学耦合的第二光学元件，光学元件2设置成斜切有斜面21的棱柱形光导19的形式或包括斜切有斜面21的棱柱形光导19，其中，所述第一光学元件2
-通过全内反射在其壁22处传导光；以及
-具有由光导19的非斜切端面形成的光射入区域24；以及
-具有光射出区域25，以及所述光射出区域25由壁22的在光导19的布置斜面21的端部处的表面区域形成；其中，所述光导19的横截面区域具有如下形状：其具有在从背向所述第二光学元件3的表面朝向所述第二光学元件3的方向上单调变大并在沿着该方向的至少一个部分中连续单调变大的尺寸。
在一个优选的实施例中，光学装置构造成使得斜面以相对于所述光导的纵向的45成角延伸，使得在光导中传导的光在斜面处偏转90伸。在这种情况下，第二光学元件的光射入孔的高度和第一光学元件的光射入区域的宽度x满足下述关系：
(3)x/z≤1.5·[1+tan(arcsin(1/n))]-1，
其中，n是第一光学元件的材料的折射率。
优选地，比值x/z额外地满足以下关系：
(4)x/z≥0.85·[1+tan(arcsin(1/n))]-1。
对于两个相互垂直的方向，光学装置的第二光学元件的光射入孔的形状具有0.8：1至1.2:1、优选0.9：1至1.1：1、最优选1：1的纵横比。特别是通过这样的约1：1的纵横比和光偏转，本发明提供了高耦合效率。
第一光学元件的材料优选对于可见光具有至少1.4的折射率。因此，用于注入的光的开度角保持很小，并且可以注入来自较大立体角的光。优选地，第一光学元件的折射率在1.4至2.1的范围内，最优选不大于2.0。常见的合适的光学玻璃具有在此范围内的折射率，和典型的折射率范围高达n＝1.9。因此，1.4至1.9的用于可见光的折射率是特别优选的。
此外，根据本发明的一个实施例可以预期的是，本发明的光学装置是照明装置的一部分，所述照明装置包括多个在发射的光的颜色上彼此不同的发光元件，其中，所述发光元件布置成使得它们的光注入到第一光学元件的光射入区域。
根据本发明的一个优选实施例，第二光学元件包括从第一光学元件发出的光注入到其中的光导。光导具有沿其纵向的光散射结构，其将注入的光散射离开光导。
将光直接通过其端面注入到光导中是特别有用的。相应地，第二光学元件由光导形成以及第二光学元件的光射入孔由光导面向第一光学元件的光射出区域的端面形成。因此，光通过其端面注入光导中，并通过其侧表面从光导发射。在这样的布置的情况下，发光元件的光强度因此分布在较大的发光面上。这里，在其非常高的耦合效率的情况下，本发明有助于降低耦合损失，使得亮度不能进一步降低。
附图说明
以下借助实施例并参考附图对本发明作进一步描述。在附图中，相同的附图标记表述相同或对应的元件。在附图中：
图1示意性示出了根据本发明的光学装置；
图2示意性示出了具有倾斜反射器的光导中的光束路径；
图3a示意性示出了光偏转90性的几何形状；
图3b示意性示出了矩形和椭圆形射入区域的射入和射出区域之间的纵横比；
图4示出了光偏转常规角度α的情况下的几何形状；
图5a是光射出区域中的光强度分布的照片；
图5b是灰度值作为到光射出区域的左边缘的距离的函数的曲线图；
图6示出了根据本发明的光学装置的光导的基底的不同的形状；
图7示意性示出了包括根据本发明的光学装置的照明装置；
图8至10示出第一和第二光学元件的不同的配置和几何形状；
图11示出了图7中所示的照明装置的改进方案；
图12示出了偏转角小于90了的光学装置；以及
图13示出了偏转角大于90了的光学装置。
具体实施方式
图1示意性示出了根据本发明的光学装置1，其包括第一光学元件2和第二光学元件3。第一光学元件2是具有壁22、光射入区域24以及光射出区域25的光导19。光射出区域25位于倾斜斜面21的对面，在倾斜斜面21处光通过反射偏转。通常，但不限于图1所示的具体实施例，斜面可以为此设置为镜面。它可以包括二向色性或金属(例如铝或银)涂层，以及金属涂层可任选地通过另外的层(例如二氧化硅)防腐蚀。镜功能也可通过粘合镜或反射箔来实现。
斜面的镜功能对于所有实施例是特别优选的。通过在斜面21处的镜面5，甚至反射那些因为陡的入射角不再满足全内反射条件的光线。由于根据本发明的纵横比的第一和第二光学元件的宽度x和高度z的几何尺寸，甚至这些光线通过镜面斜面21至少部分地到达第二光学元件。
第一光学元件2中的光通过在光射入区域24处注入到光导19中的光的全内反射在光导19的壁22上进行传导。
对于光导19，优选可见光的折射率为至少1.4、优选至少1.5的材料。
在横截面图中，第一光学元件的壁22由两个侧面190、191限定。侧面191包括光射出区域25并因此比侧面190更长。
光射入区域24具有在沿着光射入区域24与在斜面21处的光偏转的平面的相交的方向上测量的宽度x。
在一个优选实施例中，斜面21以相对于所述光导的纵向的45对角延伸，使得在光导19中传导的光在斜面21处偏转90转。
第二光学元件3，其可以例如是另一光导，具有光射入孔30，其或者位于第一光学元件2的光射出区域25上，或者面向光射出区域25。光射入孔30具有在沿着第一光学元件2的光射出区域25与在第一光学元件2的斜面21处的光偏转平面的相交的方向上测量的高度z。
在这里，第二光学元件3的光射入孔30的形状对于两个相互垂直的方向具有0.8：1至1.2:1、优选0.9：1至1.1：1、最优选1：1的纵横比。
通常，但不限于图1所示的示例，根据本发明的将宽度x和高度z彼此联系的表达式(1)还导致，从朝向第一光学元件2的光射出区域25或投射到光射出区域25的方向上看，斜面21的高度za不等于并且特别是小于第二光学元件的射入孔的高度z。该比第二光学元件3的射入孔的高度z更小的高度za如图1所示。因此，在与光的传播相反的观察方向上看时，斜面与射入孔不完全重叠。但是，令人惊讶地，正是这种布置导致到达并进入射入孔的光的比例方面的高效率。
图2示意性示出了具有侧面190、191和斜面21的光导19中的光路。光束4注入到光导19并在z方向朝向斜面21传播。在斜面21处，光束4以90光的角反射，使得其在斜面21处反射之后在x方向上传播。
如果入射光束4具有宽度x_I以及反射后的出射光束具有宽度z_O，则输入显然易见地成像到输出，使得适用x_I＝z_O。
出于简单起见，图2仅示出了平行的入射光束4的情况。更通常地，光束在光射入区域24处也以一角度入射。沿其进一步的路径，这些光束将在壁22的内表面处被完全反射。其结果是，光锥从斜面21的内表面发出。
图12和图13示出了两个示例性实施例，与图1和2中的示例不同，在其中偏转角α不是90中。具体而言，在图12的示例中，偏转角为锐角，这意味着其小于90例。因此，第一和第二光学元件2、3的纵向长线彼此成钝角。在图13所示的示例中，偏转角α是大于90于的钝角。第一和第二光学元件的纵向延长线彼此成锐角。
图3a示出了在光偏转90了以注入到对应于图1的光学装置1的第二光学元件3的圆形光导的情况下，对应于图1中的第一光学元件2的光混合器的几何形状。这里，对于光混合器的材料，具有n＝1.5的可见光折射率。
在n＝1.5的这个折射率的情况下，获得了42个的临界角，其对应于光混合器中的光锥在经由其平坦底面注入的情况下的理论上可行的最大开度角。当考虑到在注入时的反射损失和LED的典型朗伯发射特性，实际得到了35型的开度角，其包括辐射的主要部分。
在下文中，光射入区域的宽度x也称为x_I。
在所述的值的情况下，光射出区域在z方向上的尺寸z_O通过z_O＝x_I+x_I*tan(35坦基或x_I＝z_O/(1+tan(35°))得到。这意味着光混合器的底面、即图1的第一光学元件2的光射入区域24被选择成使得在y方向上的尺寸为在x方向的尺寸的约1.7倍。由于辐射锥的空间长度在y方向上不变，由此在射出处实现1：1的纵横比，因为z尺寸也是x尺寸的1.7倍。
图3b示出了在目标纵横比、即第二光学元件的光射入孔的1:1的纵横比x/z的优选情况下，第一光学元件2的射入和射出区域的表面积的这些比例。以平面图示出了射入区域，即沿z方向、注入的光的方向，使得射入区域在y轴和x方向上延伸。
射入或输入区域对应于图1中的第一光学元件2的光射入区域24。射出或输出区域对应于图1中的第一光学元件2的光射出区域25。
在左侧部分中，图3b示意性地示出了第一光学元件的两个输入区域或光射入孔，即矩形和椭圆形。在右侧部分中，图3b示出了相应的输出区域。在输入区域和输出区域之间的比例的“恰当”选择的情况下，矩形输入区域将成像成正方形的输出区域，以及椭圆输入区域成像成圆形输出区域。
对于1:1的目标纵横比的上述优选情况，得到了棱镜第一光学元件的特定形式。在这种情况下，对于依赖于光的偏转角的光射入区域，获得了特定的纵横比，而不管第二光学元件是否布置在下游。具体而言，不限于具体示例性实施例，根据本发明的另一方面，光学元件2设置成斜切有斜面21的棱柱形光导19的形式或包含斜切有斜面21的棱柱形光导19，其中，第一光学元件2通过在其壁22处的全内反射传导光，并具有由光导19的非斜切端面形成的光射入区域24。光导19具有光射出区域25，以及光射出区域25由壁22的在光导19的布置斜面21的端部处的表面区域形成，其中
-光学元件2的光射入区域24具有在沿着光射入区域24与在斜面21处的光偏转平面的相交的方向上测量的宽度x和垂直于宽度x测量的深度y，其满足下列关系：
(5)x/y≤1.5·[tan(90°-α/2)-tan(90°-(2·[α/2+90°]-[180°-arcsin(1/n)]))]-1，
其中α再次表示在斜面21处的光偏转角以及n表示光学元件2的材料的折射率。
在本发明的其他实施例的情况下，光射出区域25不必是一个单独的面，仅需要至少壁22的与斜面相对的表面区域是半透明的并因此适合作为光射出区域25。
以上给定的表达式(5)对应于表达式(1)，除了指定光射入区域的比值x/y，而不是光射入区域24的宽度与第二光学元件的光射入孔的高度z的比值x/z。这是因为对于1:1的目标纵横比，光射入孔的尺寸y和z是相同的，而且深度y是恒定的，使得在这种情况下得到z＝y。这里，再次优选的是，光射入区域的纵横比不会变得过小。因此，根据本发明的另一实施例预期，类似于表达式(2)，以下适用于光射入区域24的尺寸x、y的纵横比：
(6)x/y≥0.85·[tan(90°-α/2)-tan(90°-(2·[α/2+90°]-[180°-arcsin(1/n)]))]-1。
此外，90，的光偏转在这种情况下也是优选的。因此，根据本发明的另一实施例，类似于表达式(3)，预期斜面以相对于光射入区域的45以角倾斜，使得光偏转角为90角，在这种情况下，以下适用于光导的光射入区域24的宽度x和深度y的比值：
(7)x/y≤1.5·[1+tan(arcsin(1/n))]-1。
类似于表达式(4)，纵横比优选还限定为：
(8)x/y≥0.85·[1+tan(arcsin(1/n))]-1。
图4示出在常规偏转角α的情况下光混合器或第一光学元件的几何形状。在该图中，z_out_0表示在不考虑光束锥的情况下的射出高度。此外，示出了一些特定的光线：最初沿0示行进的光线的反射光线26，在玻璃中沿35玻行进的光线的反射光线27和镜面的表面法线28。
根据本发明，上文给出的表达式(1)适用于这样的偏转角、第一光学元件的尺寸x和第二光学元件的射入孔的z。优选地，比值x/z的下限此外通过上文给出的表达式(2)来设置。
下表列出了在通常的偏转角度α的情况下的所有的用于计算的参数。在第一列中，列出了参数的名称，而第二列包含用于各参数的符号。第三列包含用于计算的示例性值，第四列包含计算的结果。第五列包含对于90况的偏转角α和1：1的目标纵横比的简化计算的结果。
对于光射入区域24的宽度x(表中称为x_G)与光射入孔30的高度z的比值x/z，根据本发明，对于通常的偏转角α，以下适用于射入孔的纵横比，而与目标纵横比无关：
x/z≤1.5·[tan(90°-α/2)-tan(90°-(2·[α/2+90°]-[180°-arcsin(1/n)]))]-1(9)。
优选的是在75°至105°、即范围90范围围于射的范围内的偏转角。已经发现，在偏转角距离90围的值的较大偏差的情况下，畸变和内部反射损失过多。
如在上文参照图1所说明的，第一光学元件2的斜面21投影到光射入孔的高度za小于光射入孔30的高度z。射入孔30的高度z对应于图4中的参数z_out。根据本发明的另一实施例，以下因此通常适用于比值x/za，即第一光学元件2的光射入区域的宽度x与第一光学元件2的斜面21到光射入孔的投影的高度za的比值：
(10)x＝za·tan(α/2)。
因此，对于高度za与高度z的比值，从表达式(1)和表达式(10)得到如下：
(11)
za/z≤1.5·[tan(α/2)·[tan(90°-α/2)-tan(90°-(2·[α/2+90°]-[180°-arcsin(1/n)]))]]-1。
如从图1的示例中可以看出的，高度za也可定义为斜面的沿着第一光学元件的纵向测量的高度，或者定义为沿第一光学元件2的纵向部分的长度，斜面沿着所述第一光学元件2设置。
然而，如以上参照表达式(2)所述，对于尺寸z的较大值，降低了效率的提高，同时第二光学元件变得越来越庞大。因此，根据本发明的另一实施例有利的是，额外地设置表达式(11)中比值的下限，其随着高度z的增加而减小。因此，由表达式(10)和(2)的组合，根据本发明的另一实施例得到了以下额外的条件：
(12)
za/z≥0.85·[tan(α/2)·[tan(90°-α/2)-tan(90°-(2·[α/2+90°]-[180°-arcsin(1/n)]))]]-1。
对于偏转角α＝90转的优选特殊情况，我们得到了x＝za。因此，适用如下：
(13)x/z＝za/z。
由表达式(11)，那么随后：
(14)za/z≤1.5·[1+tan(arcsin(1/n))]-1，
以及由表达式(12)，我们得到对于α＝90们的特殊情况，作为有利的附加条件：
(15)za/z≥0.85·[1+tan(arcsin(1/n))]-1。
图5a和5b示出了具有给出41了的临界角的n＝1.5215的折射率的玻璃LIBA2000的测量示例。偏转角选择为90量。在上述公式和1：1的输出纵横比的情况下，得到了计算的纵横比x_G/y_G＝0.534。所采用的棱镜的纵横比为x_G/y_G＝3.66mm/5.00mm＝0.732。
如果使用LED作为光源，其通常构成所谓的朗伯辐射器，其意味着不管观看方向，LED的发光面表现出均匀光亮的。
可以选择较大的实际比值x_G/y_G，因为用作光源、作为朗伯辐射器的LED在较高角度处仅发出很小的辐射。此外，以较大角度入射到棱镜的底面的辐射大部分被反射。
图5a示出在光学装置的光射出区域25的光强度分布的垂直立视图。
图5b是示出了图5a中沿线41的光辐射的灰度值的曲线图。横轴表示距离光射出区域25的左侧边缘的距离。
如果第二光学元件的光射入孔的纵横比和第一光学元件的光射入区域的纵横比根据本发明不适应，其是指如果第一光学元件的尺寸x和第二光学元件的尺寸z是相同的，在光强度以在2至5毫米的范围内射出的图5b的示例中，仅在z坐标大于2的值处射出的光强度注入到第二光学元件。与此相反，本发明的装置构造成使得在0至2毫米的范围内的光强度也注入。因此，本发明显然实现了更高的效率。
在一个优选的实施例中，第一光学元件2的光导19具有一棱柱20的形状，并且其光射入区域24由棱柱20的非斜切底面形成。
在现有技术的用于混合和重导向光的光学装置中，使用具有基于基本的几何形状的横截面形状或底面(＝本发明的光学装置1的光射入区24)的光导。特别是使用圆形横截面。为了实现入射光的更好混合，使用正六边形。基本形状在技术方面对纯光混合器非常有利。
但是，在附加的偏转的情况下，这些横截面形状导致光学系统的效率较低。这些效率的损失由这些系统的一些不良性质引起。
这些缺点通过从z方向90缺偏转成x方向的实施例进行说明。
最高强度垂直注入到底面的表面，并因此在光学系统中平行于z轴行进。在已经偏转之后，其在x方向上行进，所述x方向为发射所需的方向。为了避免从所希望方向的偏离，其为与反射镜相对的表面区域的射出表面区域必须垂直于x轴。这意味着，表面区域必须位于x-y方向的平面中。在光导的圆形或六边形底面的情况下，这是不可行的。
圆形或六边形底面的另一缺点是，具有扁平射入面的下游光学元件、诸如例如光导或平凸透镜，不能尽可能靠近在辐射的各射出点处的射出表面区域地放置。因此，所发射的辐射由于削弱的集光率或者需要收集辐射的另一光学元件而可以偏离。
为了避免上述缺点，本发明以下文所述的方式背离规则几何形状。
光导19的横截面区域具有如下形状：其具有在从背向第二光学元件3的表面朝向第二光学元件3的方向上单调变大并在至少一个部分中沿着该方向由此连续单调变大的尺寸。
应当注意在本文中，矩形横截面是边界上的情况，因为光导的底面的宽度在这种情况下是恒定的。虽然常数函数是单调的，但是除了在本发明的上述实施例中，它不是连续单调的。
如果基体具有正六边形的形状，基体的尺寸甚至在某些区域中连续地单调减小，其导致了上述缺点。
图6示出了根据本发明的另外的实施例的光导19的四个不同底面或横截面区域192。这些实施例基于光导19的横截面区域具有如下形状的事实：其具有在从背向第二光学元件3的表面朝向第二光学元件3的方向上单调变大并在至少一个部分中沿着该方向由此连续单调变大的尺寸。
图6的a)部分示出了具有在光导的整个延伸上单调增大的宽度的横截面区域。
图6的b)部分示出了具有在附图中从左到右单调增大以及之后保持恒定的宽度的横截面区域。
在图6的a)部分和b)部分的示例性实施例中，光导具有扁平的壁部分。然而，也可以提供圆形壁，如图6的c)部分中的示例所示。在该示例性实施例的光导的横截面区域中，其中所述横截面尺寸连续地单调增大的壁部分是圆形的。
图6的d)部分示出了三角形底面。因此，不具有与光射出区域25相向存在的面，而是横截面从朝向面191的边缘193开始加宽。
如以上参照图1所已经说明的，面191包括光射出区域25。图6的所有示例性实施例的共同之处在于，由于朝向光射出区域25的横截面的尺寸的单调以及至少部分连续单调地增大(即在示例性实施例示出的取向的情况下从左至右)，横截面192在光射出区域25或相关的面191处具有其最大尺寸。
图7示意性示出了本发明的包括光学装置1的照明装置100。在光学装置1的第一光学元件2的光射入区域24的前方，照明装置100包括多个发光元件50、51、52、53、54，其将其光注入到光射入区域24中。发光元件50、51、52、53、54为例如半导体发光元件、例如LED。发光元件50、51、52、53、54在发射的光的颜色上彼此不同。在这个意义上，甚至白色的不同的色度被认为是不同的颜色或色彩。例如，可以提供发射不同色温的光的两种白光LED，例如分别发射2700K和7000K的白光的两个白光LED。
例如，当使用四色LED阵列时，可以覆盖较宽的颜色空间。在这种情况下，设置至少一个红色发光LED、至少一个绿色或黄色发光LED、至少一个蓝色发光LED和至少一个白色发光LED。以这种方式，例如可以通过将来自一个或多个红色、绿色和蓝色发光LED的光与来自一个或多个白色发光LED的光混合来修改白光的色温。对于作为半导体发光元件的发光二极管和激光器，以下光谱范围优选用于发射的光：
蓝光：430纳米至480纳米的波长，
绿光：500纳米至560纳米的波长，
红光：至少600纳米、优选600nm至660nm的波长。
在照明布置100的情况下，光学装置1的第二光学元件3由具有面向第一光学元件2的光射出区域25的端面的光导31形成，所述端面限定了光射入孔30。取决于确切的应用配置，反射损失可以通过将表面区域25和30粘合在一起而最小化，使得整体的效率能够提高。然而，这意味着额外的费用，并可限制对温度变化的抗性，如果灯的基本结构表现出与玻璃棒不同的热膨胀行为。
沿其纵向，光导31包括光散射结构310，其以这样的方式部分地散射注入到光导31的光，使得超过全内反射的临界角，使得散射的光从光导31的侧表面离开。因此，光导31成为发射贯穿其纵向的光的线形或细长的光源。特别合适的是施加在光导的侧表面上的光散射结构。为此适合的是漫反射涂层。在这种情况下，涂层包括作为光散射结构的反射颗粒。
如图7所示，光散射结构310也可以施加到仅一部分的侧表面。以这种方式，促进了在光导31的相对的、非涂覆侧上的光的发射。光导布置在壁、顶部或底部上或布置在壁、顶部或底部中是有利的。不限于图7中所示的具体示例，光散射结构优选布置在面向发光元件50、51、52、53、54的侧表面的一侧。以这种方式，第一光学元件可以安装在壁、顶部或底部中，由此被遮盖。
可以看出，在棱柱的区域中，由于涂层，通常没有光沿着棒在Z方向射出。因此，当多个这样的光源相结合时，光线可能会中断，这可能在光场中产生不良影响。这些影响可以通过设计面21上的镜面涂层使得光的一部分在z方向上或在具有主要z分量的方向上传送而减小。例如通过不在整个面上的镜面涂层(例如通过省略周边区域)，这特别容易实现。
第一光学元件2的光导19和/或第二光学元件3的光导31可以是玻璃或塑料棒。光导可以用具有较低折射率的材料加套，或者可以至少在其部分中没有加套。
发光元件50、51、52、53、54连接到电子控制单元(在此未示出)，其允许控制发光元件的亮度，甚至彼此分离地控制。
在上述实施例中，在丧失通用性的情况下，坐标系已被选择成使得光在斜面处的偏转发生在x-z平面。第一和第二光学元件在y方向上的延伸优选相同。第一光学元件在y方向上的较小尺寸减小了注入区域以及由此的注入效率，并产生第二光学元件的不必要的较大尺寸设计和因此不太有利的性质，例如在安装空间、重量和成本方面。
第一光学元件在y方向上相对于第二光学元件的更大延伸是指光横向行进通过第二光学元件并因此降低了效率。
另一方面，出于结构上的原因，第一光学元件(以上也称为y_G)或光射入区域的深度y和第二光学元件的光射入孔的深度y的微小偏差可以是有利的。通常，但不限于图示的示例性实施例，因此优选的是，第一光学元件的光射入区域24的深度y_G和第二光学元件的光射入孔的深度y2限定了范围为0.85至1.15、优选为0.9至1.11的y_G/y2比。
而且，由于上述原因，使光射入区域24和光射出区域25的深度相适应是有利的。因此，根据本发明的一个实施例适用于第一光学元件的光导的是，第一光学元件的光射入区域24的深度y(上文也称为y_G)与光射出区域25的深度y_out的比y/y_out的范围为0.85至1.15，优选0.9至1.11。
图8是棱柱20和第二光学元件3的光导18的几何形状重合的情况下沿x轴所取的图。由于棱柱20的矩形几何形状和光导18的圆形几何形状，存在非重叠区域23。
由于两个几何形状不需要重合，在z方向上稍微更大的程度可以是有利的，例如对于圆形光导的情况，因为积极影响大于消极影响。这种情况示于图9。产生了额外的重叠区域32和第二光学元件3的光导18的非覆盖区域33。
在同样的情况下，第二光学元件在z方向上的向上的微小位移也是有利的，因为高强度的区域在射出区域的上部区域中，如之前已经结合图5a和5b更详细地说明的。图10示出了在z方向上扩大和向上移动的圆形光导18的这种情况。
此外，从图8-10中可以看出，第二光学元件的光射入孔的横截面形状不仅在纵横比方面不同于第一光学元件的光射入区域的横截面形状，而且可以另外地构成其他一些几何图形。例如，光射入区域通常可以具有多边形的形状，而第二光学元件的光射入孔可以具有圆形的形状，例如优选的光导的光射入面。
图11示出了图7所示的照明装置100的实施例的变形方案。该照明装置100包括至少两个、优选更多的光学装置。每个光学装置包括作为第二光学元件的光导31。光导31成行布置或前后布置，使得它们的光射入孔30彼此隔开。光学装置1的第一光学元件2并排布置，使得在光射入孔30之间的中间空间103中，光射出区域25以相反的方向取向并面向光导3的相对的光射入孔30。各第一光学元件分别具有与之相关联的其自身的发光元件，优选多个发光元件50、51和53、54，其在发射的光的颜色方面彼此不同，而且所述第一光学元件2还优选布置成使得特别是在表面之间没有接触的情况下，第一光学元件2的壁22的并置表面彼此分离，使得各光学元件传导与之相关联的发光元件的光以及避免了在一个发光装置与相邻的照明装置1中传导的光之间的串扰。以这种方式，可以在亮度和/或颜色方面分别调整各照明装置。而且，在光导31的串联布置的情况下获得了细长的线形光源。为了允许光到达中间空间103，例如根据本发明的另一实施例预期，斜面上的镜面涂层5是部分透射的。这可以通过部分反射的镜面涂层5和/或通过仅部分由镜面涂层5覆盖的斜面21来实现。
对于本领域技术人员显而易见的是，本发明不限于示例性实施例，而是可以在权利要求的主题的范围内而以多种方式进行变化。例如，在图1和图7的示例性实施例中，设置了将光朝向第二光学元件3偏转90例的第一光学元件22。然而，也可以使用其它角度。
附图标记列表
1 光学装置
2 第一光学元件
3 第二光学元件
4 光束
5 镜面
18 光导
19 光导
20 棱柱
21 斜面
22 壁
23 非重叠区域
24 光射入区域
25 光射出区域
26 最初沿0初行进的光的反射光
27 在玻璃中沿35璃行进的光的反射光
28 镜面的表面法线
30 光射入孔
31 光导
32 额外的重叠区域
33 未覆盖区域
41 剖面线
50、51、52、53、54 发光元件
100 照明装置
103 中间空间
190、191 侧面
192 19的横截面区域
193 边缘
310 光散射结构

Claims (21)

1.一种光学装置(1)，其包括：
-第一光学元件(2)，所述第一光学元件为斜切有斜面(21)的光导(19)的形式或包括斜切有斜面(21)的光导(19)；以及
-第二光学元件(3)；
其中所述第一光学元件(2)：
-通过全内反射在其壁(22)处传导光；以及
-具有由所述光导(19)的非斜切端面形成的光射入区域(24)；以及
-具有光射出区域(25)，其中所述光射出区域(25)由所述壁(22)的在所述光导(19)的布置所述斜面(21)的端部处的表面区域形成；以及其中
-所述第二光学元件(3)具有光射入孔(30)，其布置在所述第一光学元件(2)的所述光射出区域(25)上或者布置成面向所述第一光学元件(2)的所述光射出区域(25)；其中
-所述第一光学元件(2)的所述光射入区域(24)具有在沿着所述光射入区域(24)与在所述斜面(21)处的光偏转平面的相交的方向上测量的宽度x；以及
-所述第二光学元件(3)的所述光射入孔(30)具有在沿着所述第一光学元件(2)的所述光射出区域(25)与在所述斜面(21)处的所述光偏转平面的相交的方向上测量的高度z，其中所述宽度x和所述高度z满足如下关系：x/z≤1.5·[tan(90°-α/2)-tan(90°-(2·[α/2+90°]-[180°-arcsin(1/n)]))]-1。
其中，α表示光在所述斜面(21)处的偏转角，以及n表示所述第一光学元件(2)的材料的折射率。
2.根据上述权利要求所述的光学装置(1)，其特征在于，所述宽度x和所述高度z还满足下列关系：
x/z≥0.85·[tan(90°-α/2)-tan(90°-(2·[α/2+90°]-[180°-arcsin(1/n)]))]-1。
3.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置(1)，其特征在于，在所述第一光学元件(2)的所述斜面(21)处的所述偏转角的范围为75的至105所。
4.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置(1)，其特征在于，所述第一光学元件的所述光导(19)具有棱柱(20)的形状，并且其光射入区域(24)由所述棱柱(20)的非斜切的底面形成。
5.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置(1)，其特征在于，所述光导(19)的横截面区域具有如下形状：其具有在从背向所述第二光学元件(3)的表面朝向所述第二光学元件(3)的方向上单调变大并在至少一个部分中沿着该方向的连续地单调变大的尺寸。
6.根据上述权利要求所述的光学装置，其特征在于，所述光导(19)具有两个相对的扁平的侧面(190、191)，其中，一个所述侧面(191)包括所述光射出区域(25)，并且其中包括所述光射出区域(25)的所述侧面(191)宽于相对的侧面(190)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置(1)，其特征在于，所述斜面(21)以相对于所述光导的纵向的45相角延伸，使得在所述光导(19)中传导的光在所述斜面(21)处偏转90偏。
8.根据上述权利要求所述的光学装置，其特征在于，所述第二光学元件(3)的所述光射入孔(30)的所述高度z和所述第一光学元件的所述光射入区域(24)的所述宽度x满足下述关系：x/z≤1.5·[1+tan(arcsin(1/n))]-1，
其中，n表示所述第一光学元件(2)的材料的折射率。
9.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，其特征在于，所述斜面(21)是镜面。
10.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，其特征在于，所述第二光学元件的所述光射入孔(30)的形状对于两个相互垂直的方向具有0.8：1至1.2:1、优选0.9：1至1.1：1、最优选1：1的纵横比。
11.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，其特征在于，所述第一光学元件的所述光射入区域(24)的深度y_G和所述第二光学元件的所述光射入孔(30)的深度y2限定了在0.85至1.15的范围内、优选在0.9至1.11的范围内的y_G/y2比。
12.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，其特征在于，所述斜面(21)投影到所述第一光学元件(2)的所述光射出区域(25)的高度za与所述第二光学元件(3)的所述光射入孔(30)的高度z的比值满足如下关系：
za/z≤1.5·[tan(α/2)·[tan(90°-α/2)-tan(90°-(2·[α/2+90°]-[180°-arcsin(1/n)]))]]-1。
13.根据上述权利要求所述的光学装置，其特征在于，进一步地，所述斜面(21)投影到所述第一光学元件(2)的所述光射出区域(25)的高度za与所述第二光学元件(3)的所述光射入孔(30)的高度z的比值满足如下关系：
za/z≥0.85·[tan(α/2)·[tan(90°-α/2)-tan(90°-(2·[α/2+90°]-[180°-arcsin(1/n)]))]]-1。
14.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，其特征在于，所述第一光学元件的材料对于可见光具有至少1.4、优选不高于2.0的折射率。
15.一种具有根据上述权利要求中任一项所述的光学装置(1)的照明装置(100)，其包括多个发光元件(50、51、52、53、54)，所述发光元件在发射的光的颜色上彼此不同，其中，所述发光元件(50、51、52、53、54)布置成使得它们的光注入到所述第一光学元件(2)的所述光射入区域(24)。
16.根据上述权利要求所述的照明装置(100)，其特征在于，所述第二光学元件(3)包括从所述第一光学元件(2)发出的光注入到其中的光导(31)，其中所述光导具有沿其纵向的光散射结构，其将注入的光散射离开所述光导(31)。
17.根据上述权利要求所述的照明装置(100)，其特征在于，所述第二光学元件(3)由所述光导(31)形成以及所述光射入孔(30)由所述光导(31)的面向所述第一光学元件(2)的所述光射出区域(25)的端面形成。
18.根据上述两项权利要求中任一项所述的照明装置(100)，包括至少两个、优选多个光学装置(1)，其中每个所述光学装置包括作为所述第二光学元件(3)的光导(31)，并且所述光导(31)连续地布置，使得它们的光射入孔(30)彼此隔开，以及其中所述光学装置(1)的所述第一光学元件(2)并排布置，使得在所述光射入孔(30)之间的中间空间(103)中，所述光射出区域(25)以相反的方向取向并面向所述光导(3)的相对的光射入孔(30)。
19.一种光学元件(2)，其为斜切有斜面(21)的棱柱形状的光导(19)的形式或包括斜切有斜面(21)的棱柱形状的光导(19)，其中所述第一光学元件(2)：
-通过全内反射在其壁(22)处传导光；以及
-具有由所述光导(19)的非斜切端面形成的光射入区域(24)；以及
-具有光射出区域(25)，其中所述光射出区域(25)由所述壁(22)的在所述光导(19)的布置所述斜面(21)的端部处的表面区域形成；以及其中
-所述光学元件(2)的所述光射入区域(24)具有在沿着所述光射入区域(24)与在所述斜面(21)处的光偏转平面的相交的方向上测量的宽度x和垂直于所述宽度x测量的深度y，其满足下列关系：
x/y≤1.5·[tan(90°-α/2)-tan(90°-(2·[α/2+90°]-[180°-arcsin(1/n)]))]-1，
其中，α表示光在所述斜面(21)处的偏转角，以及n表示所述光学元件(2)的材料的折射率。
20.根据上述权利要求所述的光学元件(2)，其特征在于，所述斜面以相对于所述光射入区域的45其角倾斜，使得光的偏转角为90，，其中，以下关系式适用于所述光导的所述光射入区域(24)的宽度x和深度y的比值：
x/y≤1.5·[1+tan(arcsin(1/n))]-1。
21.根据上述权利要求中任一项所述的光学元件(2)，其特征在于，所述光射入区域(24)的深度y和所述光射出区域(25)的深度y_out的比值y/y_out在0.85至1.15的范围内，优选0.9至1.11的范围内。
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