CN106164576B - 光学设备和照明器 - Google Patents

Abstract

公开了一种光学设备（10），包括用于朝目标区域投射具有预确定宽度的多个平行射束（202,204）的多个透镜（100），其中每一个透镜包括：包含用于容纳固态照明元件（200）的腔体（150）的透镜主体；用于将所述射束约束在所述预确定宽度内的一对相对的内反射侧表面（130）；以及由所述相对的侧表面定界的出光表面，出光表面包括：从第一另外的侧表面（141）延伸的弯曲区（110），其在相对的侧表面之间延伸并且被成形为生成沿光轴的准直光部分；以及在弯曲区与第二另外的侧表面（142）之间的阶梯区，其在反射侧表面之间延伸，其中所述阶梯由多个棱镜突起（120）限定，所述突起中的每一个在所述相对的侧表面之间横向延伸。还公开了一种包括至少一个这样的光学设备的照明器。

Description

光学设备和照明器

技术领域

本发明涉及用于创建编织照明效果的光学设备。

本发明进一步涉及包括至少一个这样的光学设备的照明器。

背景技术

建筑美学是重要且流行的产业。现今，人们往往将照明技术集成到建筑设计中以创建用于美学目的的艺术照明效果。

与将光效果投射到目标区域（诸如目标表面）上相关联的技术挑战之一在于并不是直截了当地创建期望的光效果。光图案生成照明设备的示例在US2014/192080中提供，其公开了包括所谓的遮光屏（gobo's）以生成期望图案的照明设备。这样的设备的缺点在于，遮光屏阻碍部分发射的光以创建期望的图案，因此这消极地影响了设备的发光效率。

在US2004/0047142A1中提供了用于产生编织照明效果的照明设备的另一示例，其公开了一种包括多个线（其中线被编织以形成网）以及与网中的多个线交织的至少一个光元件的建筑网。至少一个光元件包括电致发光线、塑料光纤或类似设备。然而，该建筑网制造起来相对昂贵，并且此外光元件中的光学元件的集成可能是麻烦的，因为光元件应当具有小形状因子以便以不引人注目的方式集成到建筑网中，这限制了可以利用网生成的照明效果的类型。此外，网很可能至少部分地覆盖至少一个光元件，由此至少部分地阻碍所发射的光以及设备的发光效率。

发明内容

本发明力图提供一种通过朝目标区域投射预确定宽度的光带来创建编织照明效果的更高效的光学设备。

本发明还力图提供一种包括至少一个这样的光学设备的照明器。

根据一方面，提供了一种光学设备，包括用于朝目标区域投射具有预确定宽度的多个平行射束的多个透镜，其中每一个透镜包括用于容纳固态照明元件的腔体；用于将所述射束约束在所述预确定宽度内的一对相对的内反射侧表面；以及由所述相对的侧表面定界的出光表面，出光表面包括从另外的表面区延伸到阶梯区的弯曲区，弯曲区和阶梯区各自在相对的内反射侧表面之间延伸，其中弯曲区成形为生成沿光轴的准直射束部分，并且阶梯区包括多个棱镜突起，所述突起中的每一个在所述相对的内反射侧表面之间延伸。

这样的光学设备的每一个透镜适配成产生多个平行光带或光束，其中光束具有第一平面中的非对称光分布，例如在笛卡尔坐标系统中的ZX平面，如由ZX平面中的出光表面的非对称性所生成，并且光束具有与第一平面垂直的第二平面中的对称光分布，例如在笛卡尔坐标系统中的ZY平面，如由ZY平面中的出光表面的对称性和相对的侧表面所生成。非对称光分布可以用于光照目标区域（例如墙壁）的大部分，并且对称光分布可以用于创建沿目标区域的平行射束，使得多个透镜创建具有高发光效率的平行射束的图案，该图案可以用于创建编织图案，例如通过以其中由相应的光学设备生成的平行射束彼此相交的配置而使用一对这样的光学设备。

在实施例中，所述光轴在与所述光学设备的底平面的非垂直角度下被定向以便创建多个有角度的平行光束。

多个透镜可以包括第一组透镜和第二组透镜，其中第一组透镜的第一弯曲区的相应光轴与第二组透镜的第一弯曲区的相应光轴交叉。这允许仅使用单个光学设备创建编织照明效果。

第一组透镜中的至少一些透镜可以邻接第二组透镜中的透镜使得邻接的透镜的相应侧表面面向彼此。这得出特别紧凑的光学设备，其中邻接的透镜可以在单个模制步骤中形成，由此减少光学设备的制造成本。

在实施例中，透镜安装在支撑透镜的载体上。至少一些透镜可以安装在载体上的可旋转主体上，由此创建要生成的照明图案中的附加可变量，因为可旋转主体可以旋转以更改其中生成光图案的方向。这例如减轻了这样的光学设备的安装约束，因为光学设备不需要精确地对准到相应的目标表面，这是因为可以通过使用在其上安装透镜的相应可旋转主体将透镜旋转到其适当位置来校正非对准。

每一个侧表面可以包括从出光表面延伸的平面区段和从平面区段朝腔体延伸的弯曲区段，至少弯曲区段限定全内反射表面。该配置特别适用于确保如之前所提及的ZY平面中的受约束光束。

弯曲区可以具有凸的出光表面以生成期望的发光分布。

阶梯区可以是弯曲的阶梯区以生成期望的发光分布。

每一个内反射侧表面可以被反射材料所覆盖以便实现来自所述侧表面的期望（全）内反射。

根据另一方面，提供了一种照明器，包括至少一个根据前述实施例中的一个或多个实施例所述的光学设备以及多个固态照明元件，其中每一个固态照明元件安装在所述腔体之一，并且其中至少一个光学设备的透镜以第一组透镜和第二组透镜布置，其中第一组透镜的第一弯曲区的相应光轴与第二组透镜的第一弯曲区的相应光轴交叉。这样的照明器适配为以高发光效率生成编织光图案。

安装在第一组透镜中的固态照明元件可以产生具有第一颜色的光，并且安装在第二组透镜中的固态照明元件可以产生具有第二颜色的光，其中第一颜色不同于第二颜色以便进一步增强编织光图案的美学吸引力，例如因为在分别由第一组透镜和第二组透镜所生成的射束的交叉部处的颜色混合将创建对于至少一些观察者而言可能特别具有吸引力的多色编织光图案。

第一组透镜和第二组透镜可以形成相同光学设备的部分，使得照明器可以利用单个的光学设备生成编织光图案。

可替换地，照明器可以包括包含第一组透镜的第一光学设备和包含第二组透镜的第二光学设备以用于生成编织光图案。

在实施例中，第一光学设备在某一角度下相对于第二光学设备被定向以生成具有非垂直地交叉的光束的编织光图案，这在美学上可能特别令人满意。

附图说明

参照附图更加详细地并且通过非限制性示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1-4示意性描绘了根据实施例的光学设备的透镜的各种视图；

图5示意性描绘了根据实施例的利用光学设备的透镜产生的光分布；

图6示意性描绘了根据实施例的利用光学设备的透镜在不同平面中产生的光分布；

图7示意性描绘了根据实施例的包括光学设备的照明器；

图8示意性描绘了由图7的照明器产生的编织光图案；

图9示意性描绘了根据另一实施例的包括一对光学设备的照明器；以及

图10示意性描绘了由图9的照明器产生的编织光图案。

具体实施方式

应当理解到，附图仅仅是示意性的并且没有按照比例绘制。还应当理解到，贯穿附图使用相同参考标号来指示相同或相似的部分。

图1-4示意性描绘了根据实施例的用于光学设备的透镜100的各种视图。透镜100典型地包括用于容纳诸如发光二极管（LED）之类的固态照明（SSL）元件200的腔体150。可以将任何合适类型的LED用于该目的。腔体150可以具有内表面，其包括通过折射弯曲表面154（例如，凸表面）毗连的两个相对的平坦侧表面152，折射弯曲表面154被成形为至少准直由LED 200产生的光分布的中心部分，例如在相对于SSL元件200的光轴的范围从0°到30°的角度下发射的光，尽管其它范围等同地可行。腔体150的内表面或者至少折射弯曲表面154可以是鞍形表面。在该范围外的角度（例如60-90°）下由SSL元件200发射的光首先通过侧表面152折射并且随后通过内反射侧表面部分131和/或132反射，其将在下文更加详细地描述。

应当理解到，侧表面152选择成平坦的以易于制造。特别地，这样的平坦表面促进透镜100针对已经将透镜模制于其中的模具的释放，例如当透镜100由可模制材料制成时，例如光学级聚合物，诸如聚碳酸酯、聚乙烯对苯二甲酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯，等等。然而要指出的是，透镜100可以由任何合适的材料制成，例如玻璃、聚合物等，并且侧表面152可以具有任何合适的形状。

透镜100的外表面被成形以创建第一平面中的准直发光输出以及与第一平面垂直的第二平面中的发散发光输出。图1示意性描绘了在其中产生发散发光输出的平面中的透镜100的平面视图，该平面将被称为ZX平面，而图4示意性描绘了在其中产生准直发光输出的平面中的透镜100的平面视图，该平面将被称为ZY平面，这种命名法是指其中透镜100的底表面160放置在XY平面上的笛卡尔坐标系统。为此目的，透镜100的外部表面沿X轴非对称，但是沿Y轴对称。

如在图1-4中所示，透镜100的出光表面包括具有不同形状的两个毗邻部分，即弯曲区110以及包括多个棱镜突起120（例如菲涅尔型棱镜）的阶梯或锯齿区。相比于替代地包括另外的弯曲表面部分的透镜而言，包括多个棱镜突起120的阶梯区极大地减少了透镜100的总体尺寸，因为对于创建与阶梯区相同的可选功能的这样另外的弯曲表面部分而言，另外的弯曲表面部分将必须抬高到比阶梯区明显更大的高度，由此使透镜和包括这样的透镜的光学设备具有明显增大的尺寸。

弯曲区110和包括多个棱镜突起120的阶梯区沿Y轴在相对的侧表面130之间延伸。阶梯区可以遵循弯曲区110沿X轴的曲率使得棱镜突起120从可以被视为弯曲区110的延伸的弯曲表面延伸。

在实施例中，相对的侧表面130各自包括平面表面部分131和全内反射表面部分132，其中平面表面部分131使出光表面与全内反射表面部分132分离。全内反射表面部分132可以是弯曲表面部分，例如诸如从侧表面部分131朝腔体150的一个平坦侧表面152向内弯曲的二次曲面表面部分之类的凹表面部分，例如以用于准直已经逃避折射弯曲表面154的SSL元件200的部分发光分布。在实施例中，平面表面部分131还可以是内反射的，例如全内反射的表面部分。相对的侧表面130或其部分可以被反射材料所覆盖以实现这些表面或其部分的期望反射性质。任何合适的反射材料，例如反射箔或涂料，可以用于该目的。

出光表面的弯曲部分110可以沿X轴在阶梯区和另外的表面区141之间延伸，该另外的表面区141在相对的侧表面131之间延伸。另外的表面区141在图1-4中被示出为平坦区，但是应当理解到，另外的表面区141可以具有任何合适的形状；另外的表面区141可以是例如另一阶梯区，只要出光窗口的总体形状保持非对称即可。

出光表面的弯曲部分110可以具有凸的形状以朝目标表面（诸如墙壁、天花板等）的相对较远区域投射光，而包括棱镜突起120的出光表面的阶梯或锯齿部分被设计成朝目标表面的较近区域投射光。透镜100的这种非对称方面在如之前所提及的图1中描绘。在实施例中，由弯曲部分110投射的光基本上具有与包括棱镜突起120的阶梯部分所投射的光相同的强度。这确保了具有均匀强度外观的细长光束通过透镜100而投射到目标表面上。同时，细长光束在伸长方向的法向上的扩展通过透镜100的出光表面在ZY平面中的对称方面与相对的内反射侧表面130的组合而得以防止。在该上下文中，对称方面的特征在于，垂直于ZY平面的对称平面对于透镜100而言存在。透镜100的这种对称方面在如之前所提及的图4中描绘。

换言之，透镜100的非对称结构是要获取具有基本上恒定宽度的细长区域之上的均匀光分布，例如准直的细长光束。因而，在包括例如定向成阵列的多个这样的透镜100的光学设备中，可以创建多个平行的细长光束以用于创建编织光图案，例如通过使光束与包括另外多个透镜100的另外光学设备的另外光束交叉，或者通过在光学设备中包括被定向成创建交叉光束的另外的多个透镜100。这将在下文更加详细地解释。

现在将在图5的帮助下更加详细地解释透镜100的实施例的光学操作，图5示意性描绘了ZX平面中的透镜100的透视图，以及通过透镜100从SSL元件200的发光输出所产生的发光输出，其中Z轴标记为250。

在该实施例中，透镜100的出光表面的弯曲表面部分110可以沿光轴240折射来自SSL元件200的光，从而例如在相对于Z轴250的30°到60°的角度下产生发光分布210，而包括棱镜突起120的阶梯表面部分可以折射来自SSL元件200的光以在相对于Z轴250的60°到120°的角度下产生发光分布220。然而，应当理解到，这些发光分布范围仅通过示例方式提供，并且本领域技术人员可以修改发光分布210和/或220的角度范围以满足不同要求。例如，阶梯部分可以设计成产生范围从30°到90°的光分布220，而凸的部分110可以设计成产生范围从60°到150°的光分布210。换言之，出光表面的这两个部分的角度分布和范围可以根据具体情况而变化，诸如光学设备与光束要被投射到其上的目标区域之间的距离。

在ZX和ZY平面中所得到的射束形状分别在图6中示意性描绘，图6示出了在ZX平面中，出光窗口的非对称形状创建沿目标表面301（例如墙壁表面）的非对称的细长射束部分201，而在ZY平面中，射束部分203具有沿其伸长长度基本上恒定的宽度，由此表明透镜100能够向目标表面上产生基本上恒定宽度的细长投射，这特别适用于创建编织的光图案，如在下文将更加详细解释的。

图7示意性描绘了根据本发明的实施例的包括光学设备10的照明器1,光学设备10包括多个透镜100。透镜100安装在载体12上，载体12可以是由任何合适材料制成的任何合适载体。仅通过非限制性示例的方式示出了容纳透镜100的盒形载体12。在图7中所示的光学设备10的实施例中，多个透镜100划分成第一组透镜100和第二组透镜100，其中第一组中的透镜100被定向成在第一方向上生成其相应的细长光束，并且第二组中的透镜100被定向成在与第一方向交叉的第二方向上生成其相应的细长光束，使得生成如在图8中所示的编织光图案。

在图8中，光学设备10的第一组透镜100布置为生成光束202，并且光学设备10的第二组透镜100布置为生成另外的光束204，所述光束202和另外的光束204在交叉区206中交叉。在实施例中，第一组透镜将第一组SSL元件200的光成形为光束202，并且第二组透镜将第二组SSL元件200的光成形为另外的光束204，其中第一组SSL元件200布置为生成第一颜色的光，并且第二组SSL元件200布置为生成与第一颜色不同的第二颜色的光。这促进了创建特别吸引人的编织光图案，其中交叉区206具有作为第一颜色与第二颜色的混合的结果的第三颜色。当然将理解到，每一组SSL元件可以布置为产生多个颜色以创建甚至更加精致的编织光图案。

如在图7中示意性所示，至少一些透镜100可以安装在载体12上的可旋转主体14上，使得可以通过旋转可旋转主体14来调节由这些透镜生成的细长光束的方向。在实施例中，可旋转主体14可以在360°范围之上可旋转，即完全可旋转，尽管应当理解到，更多地限制可旋转主体14的旋转范围同样是可行的。可旋转主体14可以由遥控器（未示出）控制使得照明器1的观察者可以远程地调节由照明器1生成的光图案。每一个可旋转主体14可以单独地可控制。可替换地，一组可旋转主体14可以由单个控制信号控制，使得维持该组内的透镜100相对于彼此的定向。在实施例中，可以自动地控制可旋转主体14，例如通过计算机、微控制器等，以创建动态编织光图案，即随时间改变的编织光图案。

在实施例中，来自第一组的透镜100和来自第二组的透镜100可以形成为单个单元15，其中来自第一组的透镜100邻接来自第二组的透镜100，并且邻接的透镜100的相应侧表面130面向彼此。这具有以下优点：单元15中的相对的透镜100可以在单个制造步骤中形成，由此减少成本。此外，在单个单元15内保证了生成编织光图案所要求的这些透镜的相对定向，这显著简化了在光学设备10的载体12上的透镜100的对准过程。

在图8中可以看出的是，相应的透镜100在与载体12的法向的非零角度下生成其发光输出。然而，提供其中透镜100的发光输出与该法向并排对准的照明器1是同样是可行的。这样的照明器1的实施例在图9中示意性描绘，其中照明器1包括第一光学设备10和第二光学设备10'。在该实施例中，第一光学设备10包括之前描述的第一组透镜100和第一组SSL元件200，并且第二光学设备10'包括之前描述的第二组透镜100和第二组SSL元件200。

第一光学设备10典型地放置在与第二光学设备10'的某一角度下，即在非零角度下，例如垂直角度，以生成如在图10中示意性示出的编织光图案，其中第一光学设备10的第一组透镜100布置为生成光束202，并且第二光学设备10'的第二组透镜100布置为生成另外的光束204，所述光束202和另外的光束204在交叉区206中交叉。

在图9和10中，仅通过非限制性示例的方式，第一光学设备10以相对于第二光学设备10'的垂直定向被放置。应当理解到，第一光学设备10可以放置在相对于第二光学设备10'的任何合适的非零角度下。在实施例中，第一光学设备10和第二光学设备10'中的至少一个的定向可以是可调节的，例如借助于远程受控的伸缩臂或任何其它合适的调节构件，使得编织光图案的观察者可以通过调节该定向而调节编织光图案的形状。在实施例中，可以自动地控制调节，例如通过计算机、微控制器等，以创建动态的编织光图案。

应当指出的是，以上提及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随附权利要求的范围。在权利要求中，放置在圆括号之间的任何参考标记不应当解释为限制权利要求。词语“包括”不排除除了在权利要求中所列出的那些之外的元件或步骤的存在。元件前面的词语“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而实现。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目来体现。在相互不同的从属权利要求中阐述某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能用于获益。

Claims (15)

1.一种光学设备（10），包括用于朝目标区域投射具有预确定宽度的多个平行射束（202,204）的多个透镜（100），其中每一个透镜包括：

用于容纳固态照明元件（200）的腔体（150）；

用于将所述射束约束在所述预确定宽度内的一对相对的内反射侧表面（130）；以及

由所述相对的侧表面定界的出光表面，出光表面包括：

从另外的表面区（141）延伸到阶梯区的弯曲区（110），弯曲区和阶梯区各自在所述相对的内反射侧表面之间延伸，其中弯曲区被成形以生成沿光轴的准直射束部分，并且阶梯区包括多个棱镜突起（120），所述突起中的每一个在所述相对的内反射侧表面之间延伸。

2.权利要求1所述的光学设备，其中所述光轴（240）被定向在与所述光学设备的底平面（12）的非垂直角度下。

3.权利要求2所述的光学设备（10），其中多个透镜（100）包括第一组透镜和第二组透镜，其中第一组透镜的弯曲区（110）的相应光轴（240）与第二组透镜的弯曲区的相应光轴交叉。

4.权利要求3所述的光学设备（10），其中第一组透镜中的至少一些透镜（100）与第二组透镜中的透镜邻接，使得邻接的透镜的相应侧表面面向彼此。

5.权利要求1-4中任一项所述的光学设备（10），其中透镜（100）安装在载体上。

6.权利要求5所述的光学设备（10），其中至少一些透镜（100）安装在载体上的可旋转主体上。

7.权利要求1-4和6中任一项所述的光学设备（10），其中每一个内反射侧表面（130）包括从出光表面延伸的平面区段（131）和从平面区段朝腔体（150）延伸的弯曲区段（132），至少所述弯曲区段限定全内反射表面。

8.权利要求1-4和6中任一项所述的光学设备（10），其中弯曲区（110）具有凸的出光表面。

9.权利要求1-4和6中任一项所述的光学设备（10），其中阶梯区（120）是弯曲的阶梯区。

10.权利要求1-4和6中任一项所述的光学设备（10），其中每一个内反射侧表面（130）被反射材料所覆盖。

11.一种照明器，包括根据权利要求1-10中任一项所述的至少一个光学设备（10,10'）以及多个固态照明元件（200），其中每一个固态照明元件安装在所述腔体之一中，并且其中所述至少一个光学设备的透镜（100）被布置成第一组透镜和第二组透镜，其中第一组透镜的弯曲区（110）的相应光轴（240）与第二组透镜的弯曲区的相应光轴交叉。

12.权利要求11所述的照明器，其中安装在第一组透镜中的固态照明元件产生具有第一颜色的光，并且安装在第二组透镜中的固态照明元件产生具有第二颜色的光，其中第一颜色不同于第二颜色。

13.权利要求11或12所述的照明器，其中第一组透镜和第二组透镜形成相同光学设备（10）的部分。

14.权利要求11或12所述的照明器，包括包含第一组透镜（100）的第一光学设备（10）和包含第二组透镜的第二光学设备（10'）。

15.权利要求14所述的照明器，其中第一光学设备（10）相对于第二光学设备（10'）被定向在一定角度下。