CN106170728A

CN106170728A - 光束成形系统和使用其的光照系统

Info

Publication number: CN106170728A
Application number: CN201580011543.6A
Authority: CN
Inventors: M.P.C.M.克里恩; R.A.塞普克哈诺夫
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Signify Holding BV
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2035-03-04
Also published as: EP3114520B1; US9946055B2; JP2017509117A; WO2015132290A1; EP3114520A1; CN106170728B; US20160363747A1; JP6242501B2

Abstract

一种光束成形系统例如被用在光源阵列上。光束成形单元的阵列被布置在一般平面中，每个光束成形单元包括中心折射区域、用于处理来自中心区域下方的光源的光的中间全内反射区域、和用于处理来自最近光源和相邻光源的光的外全内反射区域。该外区域实质上扩展了相邻光束成形单元的有效尺寸以改进光束成形性能和/或光学效率。

Description

光束成形系统和使用其的光照系统

技术领域

本发明涉及用于光照系统的光束成形光学器件以及使用该光束成形光学器件的光照系统。

背景技术

光束成形在许多照明应用中是必不可少的。光束成形光学元件的示例包括经典元件，诸如反射器和准直器。这样的光学元件占据相当大的体积并且相对昂贵，特别是当需要这样光学器件的阵列时，如对于聚光照明应用常有的情况。

光束成形通常用于对LED的输出光轮廓进行再成形，因为它们具有非常小的和明亮的光输出区域，而较大的光输出区域是用户期望的。

对于LED聚光照明应用，由LED发射的光必须被收集并准直到一定程度。准直的程度取决于应用，但通常从针对宽光束的40°变化到针对窄光束的10°。

对于收集和准直功能，通常使用全内反射（TIR）准直器。它们使用在准直器的中心部分处的折射和在准直器的外部分处的全内反射的组合。这样的准直器相对笨重且昂贵。

薄膜微光学器件的使用正在被广泛研究作为用于提供与TIR准直器相同的功能的替代选项。这些采用在一个或两个表面上的微结构化表面的材料的厚板的形式。

对于大多数应用，单个LED未提供足够的光。在这种情况下，LED阵列被使用，每个都有其自己的准直器。当使用常规的光学器件，这个选项不仅成本高昂，而且从客户的角度会导致当看往或观察光源时的淋浴头的印象。这种淋浴喷头印象从美学观点是不被欣赏的。

薄膜的微光学器件的平铺不具有这些缺点，因为该平铺结构具有大体平坦的外观。但是，仍有在实现与高光学效率组合的小光束扩散时的困难。

本发明旨在解决这一问题。

JP2002352611A公开了一种显示设备，包括布置在一般平面中的光束成形单元阵列，每个光束成形单元包括中心折射区域S和提供TIR的一个外区域M。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据一方面，提供了一种光束成形系统，包括布置在一般平面中的光束成形单元阵列，每个光束成形单元包括：

中心区域，用于通过折射来自中心区域下方的光源的光来提供光束通过功能;

中间区域，用于通过提供来自中心区域下方的光源的光的全内反射（TIR）来提供光束成形功能;和

外区域，用于通过提供来自中心区域下方的光源的光的全内反射（TIR）并且还提供来自相邻光束成形单元的中心区域下方的光源的光的全内反射来提供光束成形功能，并且

每个光束成形单元具有用于面对光源的阵列的波状表面，其中在所述中间区域和外区域中的波状表面包括一组光偏转棱镜元件（齿），每个光偏转棱镜元件具有朝向光源的第一面和背向光源的第二面，

其中，第一面从一般平面以第一角度α延伸，并且第二面从一般平面以第二角度β延伸，

其中对于在中间区域中的齿，α<85°，β> 50°，|α-β|>5°，

其中对于在外区域中的齿，50°<α，β<60°且|α-β|<5°。

光束成形系统可用于处理来自光源阵列的光，例如以形成具有有限光束扩散的光束。光束成形单元被设计为在各自的光源上方居中。优选地，中心区域、中间区域和外区域被同心地围绕中心布置，具有在中心下方的相关联光源。外区域提供相邻光束成形单元（并且因此相邻光源）之间的重叠区。该重叠区允许到达这一重叠区的来自相邻光源的光的接收和成形。结果是在光学效率中的增加或在光束成形程度（例如，准直度）中的增加或两者的组合。

该系统可以包括设置有具有用于面对光源阵列的波状表面的光束成形单元的板或箔（在一般平面中延伸），其中在中间区域和外区域中的波状表面包括一组齿，每个齿具有面向光源的第一面和背向光源的第二面。该齿接收相对大角度的入射光（即接近一般平面）。第一面通常执行入射光的折射（其是空气到板的边界），而光通过全内反射反射离开第二面（在板到空气的边界处）。

板或箔的材料优选具有在范围1.4到1.7中的折射率。

第一面可以被定义为以第一角度α从一般平面延伸并且第二面可以被定义为以第二角度β从一般平面延伸。对于在外区域中的齿，α和β可以在范围50°到60°内。

齿以这种方式相当对称，使得它们能够以类似的方式处理来自相对侧的光。对称性可以使得|α-β|<5°。在一种完美对称的实施方式中，α=β。

每个光束成形单元可以具有六边形外形，在中心区域和中间区域之间的边界为圆形、六边形或具有圆角的六边形，并且在中间区域和外区域之间的边界为圆形、六边形或具有圆角的六边形。齿可以由此围绕中心圆形延伸远离外区域，其中最外面的形状是六边形。然后外齿可以被成形为从圆形交融到六边形，或者它们可以是不连续的圆形部分。替代地，齿可以都遵循六边形路径，然后可以将边界认为是六边形或具有在圆和六边形之间的形状。

因此，每个光束成形单元类似于菲涅尔结构并且全内反射齿可具有不精确旋转对称的形状而是在圆和六边形之间的某处的形状。内区域可以例如比外区域更圆对称。圆对称结构因为它们更易于制造是优选的。

在实施例中，光束成形单元包括以下优选特征中的至少一个：

- 被稍微倾斜的光偏转棱镜元件（齿）包围的相对大的、弯曲中心光偏转元件，在这方面的稍微倾斜意味着α> 80°和β<50°，其中优选α-β> 35°;

- 对于在中间区域中的齿，α>β，优选α-β<30°;

- 对于在外区域中的齿，α=β。

中间区域和外区域的光束成形功能优选是准直功能。类似地，通过中心区域提供的光束通过功能还可以包括准直功能。因此，单个板可以在其整个区域上提供准直。根据期望的准直程度，光束成形单元包括上述优选特征中的一个或多个。

替代方案是使用不同的结构用于准直直接在光源之上的中心区域，和用于准直周边区域（包括对相邻的光源执行准直的情况）。为了这个目的，第二光束成形单元的第二阵列可以被布置在所述（第一）光束成形单元阵列之上的一般平面上，其中通过所述（第一）光束成形单元阵列的中心区域提供的光束通过功能提供穿过功能。

本发明还提供了一种光照系统，包括：

光源阵列;和

本发明的光束成形系统，其中每个光束成形单元的中心区域被设置在各自的光源之上。

光源可包括LED，例如一起包括聚光光照系统。

附图说明

现在将参照附图详细地描述本发明的示例，其中：

图1示出由光束成形单元和相关联的LED的申请人提出的系统;

图2示出当使用LED阵列时来自图1的LED的一些光如何被引导到相邻光束成形单元;

图3示出了影响系统的光学性能的设计参数;

图4示出来自一个LED的光到达相邻光束成形单元的问题;

图5示出了本发明的系统的第一示例的光学行为;

图6示出组成每个光束成形单元的不同的区;

图7用于解释光束成形单元齿的优选角度关系;

图8示出如果入射光束未遇见光束成形单元齿的两面则产生的问题;

图9示出使得能够进行选择所期望的角度设置的曲线图;

图10示出多个LED和光束成形单元如何可以形成为六边形网格;

图11示出非对称齿可用于处理来自在相对侧上的LED的光;

图12示出了两个LED之间的非对称齿的光束轨迹;

图13示出了用于解释光束成形单元的外区多大可取决于在LED与光束成形单元的间隔的关系;和

图14示出了本发明的系统的第二示例。

具体实施方式

本发明提供了例如用于在光源阵列之上使用的光束成形系统。光束成形单元的阵列被布置在一般平面上，每个光束成形单元包括中心折射区域、用于处理来自中心区域下方的光源的光的中间全内反射区域，和用于处理来自最近的光源和相邻的光源的光的外全内反射区域。这个外区域实质上扩展了相邻光束成形单元的有效尺寸来提高光束成形性能和/或光学效率。

如上所述，存在当使用薄膜微光学器件用于光束准直（或其它光束成形功能）时，难以实现与高光学效率组合的小光束扩散的问题。此问题的起源将首先被描述。

图1凭借光束成形单元10的一部分的横截面视图来示意性示出操作的原理，该光束成形单元10被体现为用于准直LED 12发射的光的薄膜微光学器件板/箔10。薄膜微光学器件板/箔（也称为“光学元件”）被定位为靠近LED（在几个毫米的距离处）。由LED发射的光通常具有朗伯分布。由LED发射的光线的角度的范围从垂直于光学元件到平行于光学元件（光线对着2π的立体角）。

中心部分14依靠折射并且基本上以菲涅耳透镜的形式，即它包括由稍微倾斜的光偏转棱镜元件包围的相对大的、弯曲的中心光偏转元件。在这方面的稍微倾斜意味着α>80°和β<50°，其中优选地α-β>35°。在相对于垂直于光学元件的方向的大角度离开该LED的光线无法通过折射来准直。另外，光学元件的中间部分15和外部分16依靠全内反射（TIR）。在这些区域中，每条射线与光学元件的下表面两次交互，如图1的放大部分所示。

作为例子，光线与在中间区域15中的光偏转棱镜元件的交互被示出，针对示出的棱柱元件α= 70°且β= 55°。在第一次，光线由第一表面17折射（从空气传递到光学板），并且在第二次，其从第二表面18由全内反射反射（在板到空气的边界处）。以该方式，光线可以被准直，以大角度离开LED。

图2示出与图1相同的结构并且示出以过大的角度离开LED的光线20将完全错过光学元件。光线将被拦截时的最大角度为θ _max=tan^-1(R /h)，其中，R是光学元件的半径并且h是从LED到光学元件的距离。对于朗伯发射器，以该方式被拦截的光线（或能量）的份数f 是f=sin(θ _max)²。

被拦截的能量的份数可以通过最小化距离h或最大化半径R被最大化。

在实践中，最大化R存在限制：LED的一定数量必须被容纳在有限的可用空间中。此外，由于成本原因，存在远离高功率LED朝向中功率LED的趋势，意味着每个LED的可用空间将进一步减少。

最小化h也存在限制。

图3示出与图1相同的结构并且用于解释LED源的尺寸的显著性。如在图3中所示，从LED和薄膜光学元件的组合获得的准直（光束扩散）的程度是由距离h和源尺寸s（LED管芯的大小）确定。典型地，光束扩散Δθ 由表达式Δθ =tan^-1(n·s/h )给出，其中n是LED的圆顶的折射率（假如没有圆顶，则n = 1）。这意味着，从LED到光学元件的小的距离意味着大光束扩散。

这意味着必须在光束扩散和光学损耗之间作出折衷。

图4示出当存在堆叠在紧密包装配置中的LED 12a、12b的阵列时的情况，每个LED具有其光学元件10a、10b。例如，每个LED可设置有六边形光学元件，并且光学元件然后可被镶嵌。镶嵌也可以由例如具有三角形、矩形或正方形（可选具有锐角或圆角）或圆形的周边作为边界的一致地成形的光学元件来完成。

源自LED 12a的将错过与该LED相关联的光学元件10a的光线（在图4中的光线b）将交叉到相邻的光学元件10b和将以无法控制的并可能对于考虑到的应用来说太大的出射角结束。换句话说，这些光线将在期望的光束以外结束，并导致降低的光学效率。该光学效率可以被定义为在期望的目标光束内结束的光线的份数。

本发明提供了在其中设置薄膜微光学元件的阵列的设计。每个光学元件用于与对应的光源对准。光学元件的阵列形成单个片，虽然也可以使用多个片。

每个光学元件被分成三个区。与中心区域相交的光线通过折射原理准直。与在中心区域和外区域之间的区域相交的光线通过TIR准直。TIR微结构（其具有棱镜元件或齿的结构）基本上非对称。

外区域也依赖于TIR并且具有可以是基本上对称的结构或否则这些可以是非对称。然而，在该外区域中的TIR齿的角度被选择为使得来自对应的LED的光线和来自相邻的LED的光线被准直（或以其它方式被成形），即α和β是实质上相等，即|α-β| <5°或甚至相等α=β。

第一实施例示于图5中，其示出了两个LED 12a、12b形成LED阵列的一部分。每个LED配备有关联的薄膜微板/箔作为光学元件10a、10b，并且它们之间的边界被示为线50。

（薄膜）光学元件被平铺以得到光学元件的单个片。

在该第一示例中，光学元件在接近边界50处被修改，使得全内反射表面是对称的。参考图1（其示出了第一和第二表面17、18），这些表面被布置有α≈β，即相对于光学板的一般平面的相同角度。当然这也意味着表面以相对于法向方向的相同的角度延伸。

光在边界区域被处理的方式示于图5中。源自LED的与在两个相邻的LED之间的边界相交的光线（在图5中标记为b的光线）仍然会被准直，假如它保持相当接近边界。

如在图6中所示，每个光学元件10a、10b具有（至少）三个区域。

第一区域A、14具有半径R_A，其中使用折射处理光。这可以作为菲涅耳透镜起作用。

第二区域B、15被限定在半径R_A和R_B之间，其中光线是基于全内反射被准直，而α≠β并且α和β被优化以致得到与最高效率组合的针对最近LED的最高准直程度，α <85°，β>50°，且|α-β|>5°。还优选α>β，更优选地 α-β<30°。

第三区域C、16被限定在半径R_B和R之间，而α≈β。优选地50°<α<60°（且50°<β<60°）和|α-β|<5°。此外，优选地，60^o < tan^-1(R _B/h) < 85^o。

从中心区域到中间区域并从中间区域到外区域的转变分别在半径R_A和半径R_B处发生。R_A、R_B和R根据0.15*R =< R_A =< 0.4*R和1.5*R_A =< R_B <= 0.9R相关。这关系普遍适用，因此不仅适用于在图6中所示的实施例。外区域由此在R_B和R之间延伸。

图7用来解释这些所期望的关系，并示出了入射光束60，其在法线方向离开板。注意，所用的定义允许θ₂为负（在法线的相对侧上）。

对于对称“牙齿”（即α=β），如果服从下列关系，至少然后保证击中这样的齿的光线将被准直：

。

在该关系中，θ是入射光线角，而n是该光学元件的材料的折射率。

图7示出角度关系，以提供垂直于光学元件的平面的输出光。方程[1]是折射率方程，方程[2]是三角形70的角度的和。当组合后，它们给出上面的关系。

图8示出了如果入射角太低则入射光线可能错过第二表面。

这给出了两个期望的关系。

图9的左曲线图示出作为针对两个折射率值（1.5和1.6）的在α和θ之间的关系的上述函数。它示出了50°到60°的α（和因此β）的值的期望范围。因此，对于n的典型值和大入射角，典型地，α≈55°±5°。折射率通常是在1.4至1.7的范围内。

图9中的右曲线图示出再次针对相同的两个不同折射率值，作为角θ的函数的光束错过第二表面的量（图8中的值Δz）。对于在准直光线中被使用的对称的齿，入射角优选可以超过60°，因为对于较小的角度，光线的一部分将错过第二表面。

具有拥有对称的全内反射表面的第三区域的优点在于，与两个光学元件之间的边界相交的光线将仍然被准直到良好的程度。实际上，每个光学元件的有效半径已从R增加到R+（R-R_B）。这会增加光学效率，因为光线的较大份数将被准直。它也允许在LED和光学元件之间的距离h被增加，并且结果，降低了光束扩散。以这种方式，准直的程度和效率之间的更好折衷是可能的。

图10示出具有形成为一组镶嵌六边形的光学板的LED 10的阵列。如图6中所示的三个区域A、B、C（或14，15，16）被指示用于LED中的一个。

在第二实施例中，光学元件被再次分割成三个区域，如图6已示出的那样。然而，在第三区域（区域C）中的反射表面现在是非对称的。考虑到来自对应的LED和相邻LED的入射光线同时但不一定具有相等角度来计算在该区域中的每个特定齿的角度α和β。这是可能的，因为在角α和β的选择中存在一定自由。

然而，为了从两侧以类似的方式处理光，相同的小差别|α- β|<5°再次是优选的。

自由起源于以下事实：光线与形成该结构的每个齿的第一和第二光学表面两者交互。

图11是用来解释针对从两侧入射的两个光线执行全内反射的第三区中的准直齿的操作原理。这示意性地示出了针对具有稍微不同的入射角的来自相对侧的光，折射后折射如何得到垂直引导的光束。

图12示出光线跟踪模拟，其示出来自由第三区准直的两个相邻LED的光线，即使LED在相距第三区不同的距离处，从而入射的角度是不同的。

光学结构的每个齿可以被认为执行针对来自一个LED的光的单个TIR功能，或者针对来自两个相邻的LED的光的双TIR功能。齿功能取决于到那些LED的距离和从LED到光学元件的距离。

图13绘出了作为LED节距2R与到光学元件的距离h的比率的函数的第三区(R-R_B)/2R，即双TIR齿的区的相对尺寸。这是曲线图“TIRdouble”。全部TIR区（R-R_A）/2R也被示为曲线图“TIR”。

如在第一实施例中，具有双TIR区的优点在于，与在两个光学元件之间的边界相交的光线仍然会被准直到良好的程度。

在实际上，每个光学元件的有效半径再次被从R增加到R +（R-R_B）。

针对上述示例示出的横截面可以是线性结构，或否则它们可能是旋转对称结构的横截面。然而，概念也可以被扩展到旋转非对称结构。

使用外（第三）区以处理来自两侧的光要求它们具有有限的非对称性，从而使小于5度的α和β之间的差适用，以及α和β的优选范围各自在50和60度之间。在两个LED之间的边界处，对称的齿是优选的（α=β）。逐渐地，从边界进一步远离，有更多的自由来选择α和β并获得类似的结果。因此，不对称程度可以在相距边界的不同距离处变化。

参照图14描述第三实施例。

在本实施例中，配置包含LED 12a、12b的阵列，其中每个LED现在具有用于一个LED12a的两个光学元件130a、132a和用于另一LED 12b的130b、132b的堆叠。最靠近LED的光学元件130a、130b收集由该LED反射的光线并且以均匀的方式照射第二光学元件132a、132b。

第二光学元件提供光束成形（例如准直成窄斑）。另外，在这种情况下，第一光学元件130a、130b以如上所述的方式被分成三个不同的区。

下光学元件130a、130b的中心区域仅提供通过折射成形的部分光束，因为该光束成形可以通过第二光学元件132a、132b完成。

如在上面的例子中，微结构不一定需要是旋转对称的。

上述的示例已大体上被解释为被设计用于光的准直。然而，使用类似的光学元件，其他更复杂的光束成形也是可能的。

上面的例子中使用LED。然而，光束成形可以应用于其它小面积光源。通常，对于固态照明设备，本发明是特别令人感兴趣的。

对于具有小的光输出面积的光源，该系统通常是令人感兴趣的。一般，LED管芯尺寸（在图3中的参数s）的范围为0.1mm至2mm。

LED之间的间隔（图2中的半径R）通常在范围5 mm < R <25mm中，例如为10mm至15mm。间隔值（图3中的参数h）为通常在范围1mm < h < 10mm中，例如1.5mm至2.5mm。一般对于所有实施例，优选地，R/h具有在4 <= R/h <= 10的范围内的比率。

用于光学板的合适的材料是塑料，例如PMMA和聚碳酸酯。这些是最常见的在用于照明应用的光学元件中使用的材料。

本发明可应用于（除其他的之外）需要具有有限角扩散的光束的照明应用（如聚光灯、射灯、及用于办公室照明的灯具）。

上面的例子使用在每个光束成形单元下面的分立物理光源。然而，这些光源可以是从远程物理光源发送（例如通过反射镜或光导）的光源。因此，光源可以是虚拟的，而光的实际原始源在不同位置。术语“光源”应被相应地理解。在这种情况下，共享物理光源可以提供多个虚拟光源，例如作为LED，其具有一组围绕该LED的反射镜以创建虚拟光源阵列。

公开的实施例的其他变型可以由本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究而理解和实现。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中的这一事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims

1.一种光束成形系统，包括布置在一般平面中的光束成形单元（10a、10b）的阵列，每个光束成形单元包括：

中心区域（A），用于通过折射来自所述中心区域下方的光源（12a、12b）的光来提供光束通过功能;

中间区域（B），用于通过提供来自所述中心区域下方的光源的光的全内反射（TIR）来提供光束成形功能;和

外区域（C），用于通过提供来自所述中心区域下方的光源的光的全内反射（TIR）并且还提供来自相邻光束成形单元的中心区域下方的光源的光的全内反射来提供光束成形功能，并且

每个光束成形单元（10）具有用于面对光源（12a、12b）的阵列的波状表面，其中在所述中间区域（B）和所述外区域（C）中的波状表面包括一组光偏转棱镜元件（齿），每个光偏转棱镜元件具有朝向所述光源的第一面（17）和背向所述光源的第二面（18），

其中，所述第一面（17）从所述一般平面以第一角度α延伸，并且所述第二面从所述一般平面以第二角度β延伸，

其中对于在所述中间区域中的所述齿，α<85°，β> 50°，|α-β|> 5°，

其中对于在所述外区域中的所述齿，50°<α，β<60°且|α-β|<5 °。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述系统包括上面布置有所述光束成形单元（10a、10b）的板或箔（10）。

3.如权利要求1或2所述的系统，其中对于所述外区域，α=β。

4.如权利要求1、2或3所述的系统，其中对于所述中间区域，α>β，优选α-β<30°。

5.如权利要求1、2、3或4所述的系统，其中所述中心区域包括一组所述光偏转棱镜元件（齿），其中对于所述中心区域，α>80°，并且β<50°，优选α-β>35°。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述板或箔（10）的材料具有在1.4到1.7的范围内的折射率。

7.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述偏转棱镜元件是脊，优选这些脊被布置为同心圆。

8.如任一前述权利要求所述的系统，其中每个光束成形单元具有六边形外形，在所述中心区域（A）和所述中间区域（B）之间的边界是圆形、六边形或具有圆角的六边形，并且在所述中间区域（B）和所述外区域（C）之间的边界是圆形、六边形或具有圆角的六边形。

9.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述中间区域（B）和所述外区域（C）的所述光束成形功能是准直功能。

10.如任一前述权利要求所述的系统，其中由所述中心区域（A）提供的光束通过功能是准直功能。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述中心区域（A）包括菲涅尔透镜。

12.如权利要求1到9中的任一项所述的系统，包括被布置在一般平面中在所述光束成形单元（130a、130b）的阵列中的第二光束成形单元（132a、132b）的第二阵列，其中由所述光束成形单元（130a、130b）的阵列的中心区域提供的光束通过功能提供穿过功能。

13. 一种光照系统，包括：

光源阵列;和

如任一前述权利要求所述的光束成形系统，其中每个光束成形单元的所述中心区域（A）被设置在各自的光源（12a、12b）之上。

14.如权利要求13所述的光照系统，其中所述光源（12a、12b）包括LED。

15.如权利要求13或14所述的光照系统，包括聚光光照系统。