CN106662315A - 光学布置、照明设备和光照方法 - Google Patents

Abstract

一种光学布置包括具有互补成形的透镜阵列的两个板。装饰图像被提供在光输入侧上的板处。这些板关于彼此在通过模式与装饰图像模式之间是可移位的，在透过模式中这些板接触或紧密接近，并且在装饰图像模式中这些板分开。

Description

光学布置、照明设备和光照方法

技术领域

本发明涉及光学布置，特别是能够向场景提供一般功能光照并且能够提供显示的图像作为装饰光照的光学布置。本发明还涉及照明设备以及包括所述光学布置的光照方法。

背景技术

在一些照明系统中，用户能够通过对光源的颜色进行调光和调谐而进行场景设置。除这些一般光照功能之外，装饰图案也是用户感兴趣的以创建气氛。

通常，照明系统提供装饰功能或者是实用的，并且不存在单个系统中的两种类型照明之间的可能切换。

实现在诸如泛光照明或聚光照明效果之类的不同功能效果之间切换的照明设备是已知的。

US20060202910A1公开了一种具有一对透镜阵列的光学布置，这对透镜阵列可相互移动以提供通过功能和装饰模式。该已知布置的缺点在于，在装饰模式中提供了恶化质量的图像。

发明内容

本发明的目的是提供一种紧凑系统，在该紧凑系统中现有技术的系统的至少一个缺点得到抵消。

本发明由权利要求书限定。

根据本发明的实施例，提供了一种光学布置，包括：

第一板，其包括主输入表面以及在输出表面上的第一透镜阵列；

第二板，其包括输入表面上的第二透镜阵列以及输出表面，第二透镜阵列具有与第一透镜阵列互补的形状并且平行于第一透镜阵列延伸；以及

在第一板处提供的装饰图像，

其中第一板和第二板沿主输入表面的法向关于彼此在第一配置与第二配置之间是可移位的：

在第一配置中，第一和第二透镜阵列在一起并且第一和第二板用来提供通过功能；以及

在第二配置中，第一和第二透镜阵列以距离D分隔并且第一和第二板用来将装饰图像提供给输出，

其中第一透镜阵列包括具有负焦长（focal length）Fn的负透镜的阵列，以及

其中装饰图像定位在第一板的输出表面处或者在所述输出表面与负焦长Fn之间。

负焦长意味着在光的传播方向上，透镜的焦长关于（负）透镜在上游。

现有技术公开了一对透镜阵列，这对透镜阵列中的第一透镜阵列包括正透镜，其中第一透镜处于相对于负透镜的第二透镜阵列的位置的上游位置中。对于现有技术光学布置，为了正常工作，图像必须放置在比正凸透镜阵列的焦距（focal distance）/焦长f更大的距离处，甚至事实上放置在至少两倍的焦距f处。由于从装饰图像偏离的辐射性质及其距第一透镜阵列的相对大距离，装饰图像并非仅仅涉及第一透镜阵列的单个透镜，而是涉及来自所述第一透镜阵列的多个透镜。因而，该现有技术的布置导致相对大量的串扰，并且因而导致恶化的图像质量。在另一方面，如果装饰图像定位在与第一正透镜阵列的焦距相比距第一透镜阵列更短的距离处，则正透镜不能使入射辐射图案/射束折射以变成会聚图案/射束，并且图像将重定向到第二透镜阵列的各种负透镜。这也导致串扰和恶化的图像质量。

本发明通过正和负透镜阵列的颠倒次序（即第一透镜阵列包括负透镜并且第二透镜阵列包括互补正透镜）以及通过尽可能接近第一透镜阵列并且最佳地甚至在第一透镜阵列的输出表面上提供装饰图像而解决了该串扰问题。如果装饰图像放置在第一（负）透镜阵列的输出表面处，则负透镜阵列不再在图像形成过程中发挥作用并且每一个图像或图像部分仅与透镜阵列的单个相应透镜相关联。

为了最佳地获益于该特征，图像优选地在第一透镜阵列的输出表面上提供。然而，从实际实验看来，用于定位装饰图像或图像部分的有用范围在第一板的输出表面处或者在所述输出表面与负焦长Fn之间，获得了所投射的足够质量的图像。该有用范围是非常方便的，因为在第一透镜阵列的输出表面处提供装饰图像是相对繁琐的。更方便的是，使装饰图像位于第一透镜阵列的输入表面处，其一般地处在距第一透镜阵列的0.5*Fn内。但是，在实践中优选的是，在单独的载体板上提供装饰，这是相对简单的并且此外实现了装饰图像的简易更换。而且，然后一般仍旧实现了在距第一透镜阵列的1*Fn内提供图像。

一个透镜阵列关于另一个透镜阵列的移位使得当透镜没有触碰并且图像被提供给输出以用于装饰目的时能够实现透镜功能，并且当透镜在一起时实现通过功能。当透镜在一起时，透镜阵列相遇以作为它们的互补形状的结果而限定固体界面。这意味着可以使两个透镜阵列基本上在它们的完整区域之上接触或近乎接触。

本发明因而提供一种在构造方面简单、小且低成本的照明系统，并且在一个系统中提供装饰和实用射束功能二者。借助于机械移动在两个功能之间提供了简单的切换布置。

第一透镜阵列包括负透镜的阵列。这些例如包括凹透镜（这意味着透镜表面突伸到透镜主体中）。第二透镜阵列可以包括与第一透镜阵列的负透镜互补的正透镜的阵列。这些例如包括凸透镜（这意味着透镜表面从透镜主体突伸出来）。正和负透镜可以相遇以限定对通过模式中的光具有最小的光学效应的固体块。

第一和第二透镜阵列各自可以包括单独的小透镜的二维阵列，该小透镜例如是诸如微透镜之类的圆形小透镜。

装饰图像优选地包括完整图像或图像部分的重复图案，其中一个图像或图像部分与第一透镜阵列的每一个透镜相关联。这些完整图像或图像部分由系统投射，例如投射到在距光学系统的预先设计的距离处的固定投射表面。透镜阵列可以生成图像或图像部分的多个版本（主图像和卫星图像）。如果装饰图像包括立体图像部分，即分别用于左眼和用于右眼的图像部分，还可能的是在通过功能与3D图像的投射之间进行切换。

在第二配置中，每一个图像或图像部分优选地被聚焦到成像平面处的相同地点，其是距第二光学板的输出表面的预定距离。出于该目的，图像或图像部分之间的间距可以大于第二透镜阵列的透镜之间的间距，以提供图像或图像部分到相同地点的聚焦。

装饰图像可以提供：

在第一透镜阵列的平面输入表面上；或者

在第一透镜阵列的输出表面上；或者

在抵靠第一透镜阵列的平面输入表面放置的载体板上。

这些提供了用于提供装饰图像的各种选项。

在第二配置中，装饰图像与第二透镜阵列之间的距离可以等于第二透镜阵列的透镜的焦距的0.9到1.1倍，第一和第二透镜阵列之间的距离D（近似）相同。这提供了重复图像部分在表面上的成像，装饰图像将在该表面处被观看。

本发明还涉及一种照明设备，包括面向第一光学板的主输入表面的光源，该光源被配置成在操作期间朝向第一光学板的主输入表面发出光源光。例如，光学布置可以作为照明设备的部分被提供，例如在例如具有圆形外壳的灯具的输出处被提供，该灯具例如是LED灯。

本发明还提供一种光照方法，包括：

向光学布置提供光，该光学布置包括：包含主输入表面以及在输出表面上的第一透镜阵列的第一板，其中第一透镜阵列包括具有负焦长Fn的负透镜的阵列；以及包含输入表面上的第二透镜阵列以及输出表面的第二板，第二透镜阵列具有与第一透镜阵列互补的形状并且平行于第一透镜阵列延伸，其中装饰图像被提供在第一板的输出表面处或者在所述输出表面与负焦长Fn之间，

其中该方法包括使第一和第二板沿主输入表面的法向关于彼此在第一配置与第二配置之间移位：

在第一配置中，第一和第二透镜阵列接触并且第一和第二板用来提供通过功能；以及

在第二配置中，第一和第二透镜阵列以距离D分隔并且第一和第二板用来将装饰图像提供给输出。

附图说明

现在将参照示意性附图详细地描述本发明的示例，在附图中：

图1示出了在第一模式中依照本发明的光学布置的示例；

图2示出了在第二模式中的光学布置；

图3示出了用于装饰图像部分的一些可替换位置；

图4示出了如何限定透镜焦距；

图5用于解释提供期望聚焦的第一关系；

图6用于解释提供期望聚焦的第二关系；

图7用于解释在成像平面处提供图像部分的期望会聚的间距关系；

图8示出了用于第一和第二透镜阵列的小透镜的一种可能布置；以及

图9示出了根据现有技术的光学布置。

图中的一些尺度可能为了解释和清楚起见而夸大。

具体实施方式

图9a和9b示出了根据现有技术的光学布置1的两个变形。现有技术的布置包括包含正透镜的第一透镜阵列16的第一板14以及包含负透镜的第二透镜阵列19的第二板18。正透镜的第一透镜阵列被放置在相对于负透镜的第二透镜阵列的位置的上游位置中。对于现有技术的光学布置，为了正常工作，装饰图像22必须放置在比正凸透镜阵列的焦距/焦长f更大的距离处，甚至实际上放置在至少两倍的焦距f处，这在图9a中示出。由于从装饰图像偏离的辐射性质及其距第一透镜阵列的相对大距离，装饰图像并非仅仅涉及第一透镜阵列的单个透镜，而是涉及来自所述第一透镜阵列的多个透镜。因而，该现有技术的布置导致相对大量的串扰25，并且因而导致投射表面30上的恶化的图像质量。另一方面，如果装饰图像定位在与第一正透镜阵列的焦距相比距第一透镜阵列更短的距离处，如图9b中所示，则正透镜不能将入射辐射图案转换成会聚射束，并且图像将投射在第二透镜阵列的各种负透镜上。这也导致串扰25以及投射表面30上的恶化的图像质量。

本发明提供了一种包括两个板的光学布置，这两个板具有互补成形的透镜阵列。装饰图像在输入板处提供。这些板在通过模式与装饰图像模式之间关于彼此是可移位的，在该通过模式中板接触或紧密靠近并且在该装饰图像模式中板分开。

图1示出了依照本发明的实施例的光学布置1。该布置1接收输入光10并且提供出射光12。

第一板14处于输入侧上并且具有主平面输入表面15以及在输出表面上的第一透镜阵列16。第一透镜阵列16包括负透镜的阵列。这些例如包括凹（即阴型）透镜（通过此意味着透镜表面突伸到透镜主体中）。

第二板18处于输出侧上并且具有在输入表面上的第二透镜阵列19以及平面输出表面20。第二透镜阵列19具有第一透镜阵列互补的形状，因而包括正透镜的阵列。这些例如包括凸（即阳型）透镜（这意味着透镜表面从透镜主体突伸出来）。

正和负透镜可以相遇，其中透镜阵列配对以限定对光具有最小光学效应的固体块，并且由此限定通过模式。透镜阵列可以在该通过模式中物理地相遇，但是如果存在与透镜的焦深相比小的间隙，光学性能没有显著改变。

装饰图像22在第一板处提供。在图1的示例中，装饰图像在载体板24上提供，但是它可以在第一板14自身上提供。

第一和第二板沿主输入表面15的法向N在第一和第二配置之间关于彼此是可移位。在第一配置中，第一和第二透镜阵列在一起并且第一和第二板用来（提供通过功能。该配置在图1中示出，并且两个板起单个平行板块的作用。一些菲涅尔反射发生并且装饰图案的确造成一些光损失或散射，但是入射射束10的射束轮廓保持不变。

在第二配置中，第一和第二透镜阵列以距离D分隔（参见图2）并且第一和第二板用来将装饰图像22提供给输出。

图2示出了在第二配置中的系统。第一板14上的第一透镜阵列16的透镜具有负焦长Fn，其绝对值等于第二透镜阵列的正透镜的焦距f。第二板18上的第二透镜阵列19距装饰图像的间距近似等于该距离f，例如在0.9f和1.1f之间，其与距离D近似相同。

阳型-阴型透镜对的效果是将装饰图像的局部部分成像（并且倒置）到在距光学系统的设计的距离处的观看平面30上。如图1和2中所示，装饰图像包括图像部分32的重复图案，其中一个图像部分与第一透镜阵列16的每一个透镜相关联。这些图像部分由系统投射到固定投射表面30。透镜阵列生成图像部分的多个版本（主图像30a和卫星图像30b，其中光通过邻近透镜）。所有这些单独的主图像部分一起形成单个所得图像，并且卫星图像也形成表面上的重复图案。

一个透镜阵列关于另一个透镜阵列的移位使得在透镜分开并且图像被提供给输出以用于装饰目的时能够实现射束成形功能。

本发明因而提供了一种在构造方面简单、小且低成本的照明系统，并且在一个系统中提供装饰和实用射束功能二者。借助于机械移动在两个功能之间提供简单切换布置。这可以通过用户手动实现或者其可以在电机布置的控制之下。

图3示出了用于装饰图像的各种选项。在图3中，装饰图像包括整个图像23的重复图案，其中每一个图像与第一透镜阵列的相应透镜相关联。图3（a）示出了图1和2的布置，其中在抵靠第一透镜阵列的平面输入表面放置的透明载体板24上提供图像。

图3（b）示出了应用于第一板14的平面主输入表面15的装饰图像，并且图3（c）示出了应用于第一透镜阵列14的输出表面16的装饰图像。这些提供了用于提供装饰图像的各种选项。如在图3a-c中所示，第一透镜阵列的每一个负透镜具有负焦长Fn。在图3a中，装饰图像位于第一透镜阵列的输出表面和焦长Fn之间，即在大约0.6*Fn处。在图3b中，装饰图像提供在第一透镜阵列的输出表面和0.5*Fn之间，即在大约0.4*Fn处。在图3c中，装饰图像提供在第一透镜阵列的输出表面处，即在0*Fn处。

透镜被设计成确保所设计的表面30处的装饰图像的成像。现在将讨论实现这一点的光学考虑。

图4示出了如何针对空气中的球形（即，恒定半径）透镜导出焦距。在透镜半径为R的情况下，焦距由下式给出：

f=n_airR(n_lens-n_air)

其中n_air是空气的折射率（即，n_air=1）并且n_lens是透镜材料的折射率。

图5示出了在没有考虑到负透镜功能的情况下的光学布置。如果装饰图案放置在正透镜阵列19的焦点处或者靠近该焦点，并且如果图案靠近负透镜阵列16或者在负透镜阵列16处，则这是合理假设。图像处于距第二透镜阵列19的焦距f处。如图5中所示，所投射的图像基本上平行并且仅在期望的表面30处的该距离中会聚。图像在其处会聚的距离将取决于间距从值f（其取而代之地给出不会聚焦的准直输出图像）的偏离。

如果不能忽略负透镜，则图案的呈现仍旧是可能的。图6示出了必须满足以提供适当成像的关系。在该情况下，假设透镜阵列16、19是薄的。对于实际设计，还应当考虑透镜到衬底的厚度。

在图6中，f再次为透镜阵列19的透镜的焦距。图像与第一透镜阵列16之间的距离是该焦距的第一倍数α（＜1）并且第一透镜阵列16与第二透镜阵列19之间的距离是该焦距的第二倍数β（＜1），其中：

β=1/(1+α)。

从该配置的再小偏离导致图像聚焦而不是以准直形式投射到无穷远。

为了提供不同图像部分32到成像平面30处相同位置的聚焦，图像部分32之间的间距大于第二透镜阵列19的透镜之间的间距p_lens。

这在图7中示出。

存在两个条件以从所有图像部分32的重叠创建单个主图像。

第一，如果：

d_pattern=d_imagef/(d_image-f)

则图像部分全部聚焦在成像平面30处，

其中d_pattern是图像部分32与第二透镜阵列19之间的距离，d_image是第二透镜阵列19与成像平面30之间的距离，并且f是第二透镜阵列19的透镜的焦距。

第二，如果：

p_pattern/p_lens=1+d_image/d_image

则图像重合，

其中p_pattern是图像部分32的间距并且p_lens是第二透镜阵列19的透镜的间距。

以此方式，图像部分全部会聚到成像平面处的单个放大（并且倒置）的图像。以相同方式，卫星图像也重叠。

图像部分优选地是等同的图像，使得它们在成像平面处创建单个图像。

第一和第二阵列的透镜是单独的小透镜（即，微透镜）。它们优选地是圆形的并且布置在规则阵列中，例如其中圆形的中心形成六边形网格，如图8中所示。每一个透镜将完整相关联的图像部分成像到成像平面上。

光学布置可以作为照明设备的部分而被提供，例如在例如具有圆形外壳的灯具的输出处提供，该灯具例如是LED灯。灯和外壳被设计成提供期望的射束轮廓（图1中的10），其入射在光学布置上。这可以是任何适当的射束轮廓，例如近乎准直的聚光射束，或者发散的泛光射束。当使透镜阵列在一起时，该射束轮廓被保留，但是当透镜阵列移开时，在距光源期望距离处形成图像。

合并光学布置的照明单元可以具有用于接收控制光学布置的设置的RF命令的无线接收器，以及用于设置配置的电机。可以控制照明单元的附加特征，比如照明单元的平移和倾斜，使得用户可以控制光照方向。还可以控制光输出的各方面，比如颜色、射束尺寸以及形状和强度。

本发明还提供了一种光照方法，包括向如上文所述的光学布置提供光。该方法包括使第一和第二板关于彼此在第一配置与第二配置之间移位，在第一配置中第一和第二透镜阵列在一起以提供通过功能，并且在第二配置中第一和第二透镜阵列分离以提供装饰图像。

当透镜阵列在一起时，它们可以接触，要不然间距小于第二阵列的透镜的焦距的5%。当它们分开时，间距是在焦距的数量级。

透镜阵列可以可选地可移动到中间位置。例如，通过调节透镜阵列之间的距离，图像清晰度可以是可控的。然而，调节范围相对小，因为还将需要间距调节以实现焦距的更大控制。

小透镜的典型尺寸的示例是3mm间距，以及在3mm-10mm范围中的曲率半径。然而，这些尺度可以放大或缩小。因而，间距可以例如在1mm到10mm范围中，并且曲率半径可以在1mm到30mm范围中。每一个透镜阵列的典型尺寸对于圆形布置的直径而言处在几厘米的量级，例如6cm。例如，直径可以在3cm到10cm范围中，并且这给出每一阵列数百个小透镜，例如可以存在100到1000个小透镜。对于具有3mm间距的6cm直径透镜阵列，每一个阵列中存在大约400个小透镜。

本发明可以应用于家庭、办公室或工业（例如，商店）用途。

本发明可以用于LED照明。更一般地，光源可以包括固态光源，但是还可以使用其它类型的光源。光学板可以包括聚合材料，例如选自由以下各项构成的组的一种或多种材料：PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、PEN（聚乙烯萘）、PC（聚碳酸酯）、聚丙烯酸甲酯（PMA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）（树脂玻璃或者有机玻璃）、醋酸丁酸纤维素（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（聚二甲基硅氧烷）以及COC（环烯烃共聚物）。然而，其它（共）聚合物也可以是可能的。

本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和随附权利要求，可以理解和实现对所公开的实施例的其它变形。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。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于获益。在权利要求中的任何参考标记不应当解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种光学布置，包括：

第一板（14），其包括主输入表面（15）以及在输出表面上的第一透镜阵列（16）；

第二板（18），其包括输入表面上的第二透镜阵列（19）以及输出表面（20），第二透镜阵列具有与第一透镜阵列互补的形状并且平行于第一透镜阵列延伸；以及

在第一板处提供的装饰图像（22），

其中第一和第二板沿主输入表面（15）的法向关于彼此在第一配置与第二配置之间是可移位的：

在第一配置中，第一和第二透镜阵列（16,19）在一起并且第一和第二板用来提供通过功能；并且

在第二配置中，第一和第二透镜阵列（16,19）以距离D分隔并且第一和第二板用来将装饰图像提供给输出，

其中第一透镜阵列（16）包括具有负焦长Fn的负透镜的阵列，并且

其中装饰图像定位在第一板的输出表面处或者在所述输出表面与负焦长Fn之间。

2.如权利要求1中所述的光学布置，其中所述装饰图像放置在第一板的输出表面与0.5*Fn之间。

3.如权利要求2中所述的光学布置，其中第二透镜阵列（19）包括正透镜的阵列。

4.如任一项前述权利要求中所述的光学布置，其中第一板的输入表面（15）是平面的并且第二板的输出表面（18）是平面的。

5.如任一项前述权利要求中所述的光学布置，其中第一和第二透镜阵列各自包括单独小透镜的二维阵列。

6.如任何权利要求5中所述的光学布置，其中所述单独小透镜是圆形的。

7.如任一项前述权利要求中所述的光学布置，其中所述装饰图像包括整个图像（23）或图像部分（32）的重复图案，其中一个图像或图像部分与第一透镜阵列（16）的每一个透镜相关联。

8.如权利要求7中所述的光学布置，其中在第二配置中，每一个图像或图像部分（32）聚焦到成像平面（30）处的相同位置，该相同位置是距第二光学板的输出表面的预定距离。

9.如权利要求8中所述的光学布置，其中图像或图像部分之间的间距（p_pattern）大于第二透镜阵列（19）的透镜之间的间距（p_lens）以提供图像或图像部分到所述相同位置（30a）的聚焦。

10.如任一项前述权利要求中所述的光学布置，其中所述装饰图像被提供：

在第一透镜阵列（16）的输入表面上；或者

在第一透镜阵列（16）的输出表面上；或者

在抵靠第一透镜阵列的平面输入表面放置的载体板（24）上。

11.如任一项前述权利要求中所述的光学布置，其中在第二配置中，所述装饰图像（22）与第二透镜阵列（19）之间的距离等于第二透镜阵列的透镜的焦距的0.9倍到1.1倍。

12.一种照明设备，包括如前述权利要求1-11中任一项中所述的光学布置，并且包括面向第一光学板的主输入表面的光源，所述光源被配置成在操作期间朝向第一光学板的主输入表面发出光源光。

13.一种光照方法，包括：

向光学布置提供光，所述光学布置包括：包含主输入表面（15）以及在输出表面上的第一透镜阵列（16）的第一板（14），其中第一透镜阵列（16）包括具有负焦长Fn的负透镜的阵列；以及包含输入表面上的第二透镜阵列（19）以及输出表面（20）的第二板（18），第二透镜阵列具有与第一透镜阵列互补的形状并且平行于第一透镜阵列延伸，其中装饰图像被提供在第一板的输出表面处或者在所述输出表面与负焦长Fn之间，

其中所述方法包括使第一和第二板（14,18）沿主输入表面（15）的法向关于彼此在第一配置与第二配置之间移位：

在第一配置中，第一和第二透镜阵列（16,19）在一起并且第一和第二板用来提供通过功能；并且

在第二配置中，第一和第二透镜阵列（16,19）以距离D分隔并且第一和第二板用来将装饰图像提供给输出。

14.如权利要求13中所述的方法，其中第二透镜阵列（19）包括正透镜的阵列并且所述装饰图像包括图像或图像部分（32）的重复图案，其中一个图像或图像部分（32）与第一透镜阵列（16）的每一个透镜相关联，

其中所述方法包括在第二配置中将每一个图像部分聚焦到成像平面（30）处的相同位置，该相同位置是距第二光学板的输出表面的预定距离。

15.如权利要求13或14中所述的方法，其中所述装饰图像被提供：

在第一透镜阵列的平面输入表面上；或者

在第一透镜阵列的输出表面上；或者

在抵靠第一透镜阵列的平面输入表面放置的载体板上。