CN107209355B - 来自颜色随位置变化的光源的光的颜色校正准直 - Google Patents

来自颜色随位置变化的光源的光的颜色校正准直 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于颜色随位置变化的光源(2)的准直器(3)。准直器(3)包括：焦点(F)；包含焦点(F)的光轴(OA)；围绕光轴(OA)布置或布置在光轴(OA)上的成像元件(4)；以及多个光扩展元件(5、11、12)，光扩展元件(5、11、12)围绕光轴(OA)布置，用于接收来自成像元件(4)的至少一个图像。光扩展元件(5、11、12)具有不同的光束变宽特性，所述光扩展元件(5、11、12)中的每个光扩展元件(5、11、12)的光束变宽特性取决于光扩展元件(5、11、12)相对于焦点(F)的位置。光扩展元件(5、11、12)适于使撞击光扩展元件(5、11、12)的光在包括光轴(OA)的第一平面(M)中扩展。还提供了一种用于准直来自颜色随位置变化的光源(2)的光的方法。

Description

来自颜色随位置变化的光源的光的颜色校正准直
技术领域
本发明涉及一种用于颜色随位置变化的光源的准直器、包括准直器的照明装置以及相关的方法。
背景技术
许多应用需要发出统一白光的光源。一些光源通过不同颜色的光的混合来提供白光。实际上，由这些类型的光源发出的光在光源作为点光源出现的远场中通常不是统一的白色，并且用于颜色校正的各种技术在本领域中是已知的。例如，WO 2013/035036 A1公开了具有旋转对称表面段的准直器，所述表面段设计为用于校正所谓的“颜色随角度”(CoA)变化。简而言之，CoA变化源自于发射光的颜色取决于发射角。
可能发生的不期望的颜色变化的另一示例被称为“颜色随位置”(CoP)变化，其指发射光的颜色取决于光源上的发射位置的情况。可以使用准直器来减少CoP变化，但与CoA变化的情况相比，必须满足不同的技术要求。
发明内容
提供一种能够减少来自光源的远场光的不期望的颜色变化的改进的或替代的准直器将是有利的。特别感兴趣的一个方面是准直器校正CoP变化的能力。
为了更好地解决这个问题，在本发明的第一方面，提出了一种用于CoP光源的准直器。该准直器包括：焦点(F)；包含焦点(F)的光轴；围绕光轴布置或布置在光轴上的成像元件；以及围绕光轴布置的多个光扩展元件，用于接收来自成像元件的至少一个图像。光扩展元件具有不同的光束变宽特性，并且所述光扩展元件中的每个光扩展元件的光束变宽特性取决于光扩展元件相对于焦点(F)的位置。光扩展元件适于使撞击光扩展元件的光在包括光轴的第一平面中扩展。
“CoP光源”是指具有CoP变化的光源。也就是说，由光源发射的光的颜色取决于光源上发光的位置。
为准直器提供与位置相关的光扩展元件——成像元件在其上形成至少一个图像——改善了具有不同颜色的光的混合，并且因此可以减少来自CoP光源的远场光的不期望的颜色变化。
在一个实施例中，成像元件被配置用于一维成像。根据另一实施例，成像元件被配置用于二维成像。根据预期应用的技术要求或者出于成本原因，一种类型的成像元件可能相对于另一种是优选的。
每个光扩展元件的光束变宽特性可以取决于从焦点到光扩展元件所测量的光路长度。每个光扩展元件的光束变宽特性可以取决于从光轴到光扩展元件的正交距离。准直器通常具有的形状使得这些类型的位置相关性导致远场中不同颜色的光的良好混合。
在一个实施例中，光扩展元件适于使撞击光扩展元件的光在第一平面和第二平面两者中扩展，其中第二平面与第一平面正交并且具有与光轴正交的法线。将光在两个平面中扩展而不是仅仅一个平面中扩展可以改善远场中不同颜色的光的混合。
在一个实施例中，光扩展元件是微透镜或小面。在一些实施例中，光扩展元件是漫射元件。这些类型的光扩展元件容易制造成具有特定应用所需的光束变宽特性。
在一个实施例中，光扩展元件适于扩展撞击光扩展元件的光，使得撞击了不同光扩展元件的光束在空间中相同地扩展开。这种光扩展元件有助于确保没有特定颜色的光在远场中占主导。
在一个实施例中，光扩展元件设置在准直器的光重定向表面上。这种准直器特别适用于具有中等功率发光二极管的应用。
在一个实施例中，光扩展元件设置在准直器的光出射表面上。
在一个实施例中，准直器包括第一透镜和第二透镜，其中所述成像元件由第一透镜形成，并且光扩展元件设置在第二透镜上。这种准直器特别适用于具有大量光源的应用，并且可以使用相对少量的材料来制造。第二透镜可以为光束偏转提供大的面积，并使准直器具有统一的外观。
在本发明的第二方面中，提供了一种照明装置，其包括根据第一方面的准直器并且包括颜色随位置变化的光源，所述光源布置在准直器的焦点上，使得来自光源的光被准直器接收。
第二方面可以具有与第一方面相同或相似的特征和技术效果，反之亦然。
在本发明的第三方面中，提出了一种用于准直由颜色随位置变化的光源发出的光的方法。该方法包括：提供如上所述的准直器，将光源布置在准直器的焦点上，以及操作光源。在光源的操作期间，光源的至少一个图像被来自成像元件的光扩展元件接收，并且撞击光扩展元件的光在包括光轴的第一平面中被扩展。
第三方面可以具有与第一方面相同或相似的特征和技术效果，反之亦然。
应当注意，本发明涉及权利要求中所述的特征的所有可能的组合。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本发明的这些方面和其他方面。
图1示出了包括准直器和光源的照明装置的实施例的示意性横截面侧视图。
图2示出了图1中的照明装置的另一示意性横截面图。照明装置相对于图1已经围绕光轴旋转了90度。
图3示出了图1中的照明装置的示意性俯视图。
图4示出了包括准直器和光源的照明装置的替代实施例的示意性横截面侧视图。
图5示出了包括准直器和光源的照明装置的另一替代实施例的示意性横截面侧视图。
图6是用于准直来自CoP光源的光的方法的一些步骤的流程图。
如图所示，为了说明的目的，层和区域的尺寸被夸大，因此提供它们是为了说明本发明实施例的一般结构。相同的附图标记始终表示相同的元件。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为局限于本文所阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了透彻而完整，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
图1至图3示出了具有CoP光源2和准直器3的照明装置1。照明装置1可以例如是聚光灯。
准直器3被配置为将来自光源2的光准直为在照明装置1的一般照明方向I上传播的光束。准直器3的高度h和宽度w通常远大于光源2在任何方向上的延伸度。高度h通常在10mm至100mm之间。宽度可以是光源2的直径的约5至20倍。光源2被布置在准直器3的焦点(F)和光轴OA上，光轴OA是准直器3的中心轴线并且与一般照明方向I平行。光源2被布置成使得由光源2发射的光被准直器3接收。更具体地，由光源2发射的光被围绕光轴OA布置的成像元件4接收。在本实施例中，成像元件4是圆形对称的并且中心在光轴OA上。成像元件4被配置为形成光源2的两个图像。在其他实施例中，成像元件4可以被配置为仅形成一个图像或形成多于两个图像，最合适的图像数量取决于多个因素，例如准直器3的尺寸和几何形状。成像元件4可以被配置用于二维成像或用于一维成像。由成像元件4形成的图像被放大。放大率尤其地取决于图像的数量、光源2的尺寸和光扩展元件5的尺寸(见下文)等等，但可以例如是2.5或3。成像元件4可以例如由聚碳酸酯、硅树脂或环烯烃共聚物制成。其他可能的材料是丙烯酸酯，例如聚(甲基丙烯酸甲酯)。成像元件4可以由玻璃或塑料制成。
多个光扩展元件5围绕光轴OA布置，以接收成像元件4通过偏转来自光源2的光所形成的两个图像。因此，成像元件4被配置为将光源2的两个图像聚焦在光扩展元件5上，通常使得全部图像都落在光扩展元件5上。成像元件4在第一组光扩展元件6上产生第一图像，并在第二组光扩展元件7上产生第二图像，其中第一组6比第二组7远离光轴OA和光源2。第一图像由光源2以相对于光轴以小于θ0的角度所发射的光形成，并且第二图像由以大于θ0的角度所发射的光形成。
光扩展元件5具有位置相关的光束变宽特性，这意味着特定光扩展元件的光束变宽特性取决于光扩展元件相对于焦点F的位置。更具体地，每个光扩展元件的光束变宽特性取决于从焦点F到光扩展元件测得的光路长度。在该实施例中，这种相关性使得每个光扩展元件的光束变宽特性取决于从光轴到光扩展元件的正交距离，但在其他实施例中，情况可以是这样或者不是这样。光扩展元件5可以适于通过例如反射和/或折射来扩展光。光扩展元件5的示例包括微透镜和小面(facet)，这时光扩展元件5的光束变宽特性由微透镜或小面的曲率决定。光扩展元件5通常具有在从10微米到几毫米范围内的尺寸。可以制成光扩展元件5的材料包括诸如铝的金属和金属化塑料。
每个光扩展元件5适于在第一平面M中扩展入射光，第一平面M将被称为子午平面M。每个光扩展元件5还可以适于在第二平面S中扩展入射光，第二平面S将被称为矢状平面S。光扩展元件的子午平面M是包含光扩展元件和光轴OA的平面。光扩展元件的矢状平面S包含光扩展元件，与子午平面M正交，并且具有与光轴OA正交的法线。
光扩展元件5设置在光重定向表面8(诸如由反射镜形成的反射表面)上。光重定向表面8是弯曲的，使得入射光通常被重定向在一般照明方向I上。光重定向表面8围绕光轴OA并且关于光轴OA是圆形对称的。从光轴OA到光重定向表面8的正交距离在照明装置1的一般照明方向I上增加。光重定向表面8的前边缘限定光出射平面P，光出射平面P垂直于光轴OA并且是光在离开准直器3时通过的平面。
图4示出了与前面关于图2所讨论的照明装置类似的照明装置14的实施例。然而，在该实施例中，光扩展元件8设置在准直器30的光出射表面6上。光扩展元件8可以与光出射表面15单块形成，或者与附接在光出射表面15上的单独的部件(例如板)相集成。在一些实施例中，光扩展元件8适于使光漫射(diffuse)，例如通过透射所导致的漫射或者通过金属反射所导致的漫射。
图5示出了与前面关于图2和图3所讨论的照明装置类似的照明装置9的实施例。然而，在该实施例中，准直器300包括形成成像元件的第一透镜4和设置有光扩展元件5的第二透镜10。在本实施例中，第一透镜4被配置为在第二透镜10上形成光源2的一个放大图像，但在其他实施例中，第一透镜4可以被配置为形成两个或更多个图像。第一透镜4可以例如是平凸元件或菲涅尔透镜。第二透镜10可以是旋转对称的准直透镜。第二透镜可以是自由形状的菲涅尔透镜，其允许独立地控制来自透镜的光出射表面的每个点的光的方向和扩展，这时光扩展元件与第二透镜10单块形成。第一透镜4和第二透镜10与光轴OA正交并且彼此平行地间隔开距离l1布置。距离l1通常在毫米或厘米范围内。第一透镜4和光源2之间的距离l2通常为几厘米。第一透镜4的宽度w1通常小于第二透镜10的宽度w2。宽度w1和w2通常在毫米或厘米范围内。
图6是用于对来自颜色随位置变化的光源2的光进行准直的方法的一些步骤的流程图。在步骤S1中，提供类似于前面关于图2至图4所讨论的准直器的准直器3。在步骤S2中，在准直器的光轴上布置CoP光源2。在步骤S3中，将光源投入操作。
以下将参照图2至图4来描述本发明的实施例的操作。通过激活光源2，光源2发射光，所述光通过撞击成像元件4而被准直器3接收。在通过成像元件4形成在光扩展元件5上的每个图像中，不同颜色的光在空间上分离，使得每个光扩展元件5不接收由光源2发射的具有所有颜色的光。在没有成像元件4的情况下，每个光扩展元件5将接收从光源上发射光的所有位置的光。因此，每个光扩展元件5将接收由光源2发射的具有所有颜色的光(这是由于CoP变化)。对于一些应用，从颜色仅在一个空间方向上分离(在这种情况下，成像元件4被配置用于一维成像)或在两个空间方向上分离(在这种情况下，成像元件4被配置用于二维成像)的意义上说，颜色的部分分离是足够的。在一维情况下，光束的颜色在子午平面中分离。在二维情况下，光束的颜色在子午平面和矢状平面中都分离。
由于成像元件4对颜色的分离，第一光扩展元件11接收的光的颜色与比第一光扩展元件11更靠近光源2的第二光扩展元件12接收的光的颜色稍微不同。第一光扩展元件11与光轴OA之间的正交距离为d1，并且第二光扩展元件12与光轴OA之间的正交距离为d2。第一光扩展元件11被第一光束10撞击，第一光束10因此被朝向一般照明方向I重定向，并且在第一光扩展元件11的子午平面M中，并且还可选地在矢状平面S中扩展。类似地，第二光束13撞击第二光扩展元件12，由此第二光束13被朝向一般照明方向I重定向，并且在第二光扩展元件12的子午平面中，并且还可选地在矢状平面中扩展。第一光扩展元件11使第一光束10扩展，使得其在子午平面M中覆盖角度θ1。第二光扩展元件12使第二光束13扩展，使得其在第二光扩展元件12的子午平面中覆盖角度θ1。第一光束10和第二光束13在它们各自的子午平面中覆盖的角度相等或近似相等。
光线11’和11”示出了光源2的中心的成像，而光线13’和13”示出了光源2的边缘的成像，即光源2发射不同颜色的不同位置的成像。
在第一和第二光扩展元件11、12适于在它们各自的子午平面和各自的矢状平面中扩展光的那些实施例中，第一和第二光束10、13以下述方式扩展。第一光扩展元件11使第一光束10扩展，使得第一光束10在子午平面M中覆盖角度θ1，并且在矢状平面S中覆盖角度θ2。第二光扩展元件12使第二光束13扩展，使得第二光束13在第二光扩展元件12的子午平面中覆盖角度θ1，并且在第二光扩展元件12的矢状平面中覆盖角度θ2。角度θ1和θ2可以相同也可以不同，但是第一光束10和第二光束13在它们各自的子午平面中覆盖的角度相等或近似相等，并且第一光束10和第二光束13在它们各自的矢状平面中覆盖的角度相等或近似相等。
在离开准直器3时，第一光束10和第二光束13因此被定向为与光轴OA大致平行，并且在空间中大致相同地扩展开。作为说明，应当注意，光扩展元件5通过经由曲面形成相应的焦点来扩展光束，其中具有不同焦点的光扩展元件5以不同的方式扩展入射光束。这类似于透镜的工作方式。此外，从光扩展元件到光源2的距离越大，光源2对于光扩展元件则“显得”越小。因此，如果光扩展元件5的光束变宽特性不是依赖于位置的，则离开第一光扩展元件11的光束将比离开第二光扩展元件12的光束宽。第一光扩展元件11的更强的光束变宽特性补偿了更大的距离，使得第一光束10和第二光束13的宽度在准直光中相互匹配，由此，一个光束的颜色不会在远场中压制另一个光束的颜色。
本领域技术人员认识到，本发明绝不限于上述优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内，许多修改和变型都是可能的。本领域技术人员在实施要求保护的本发明时根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究将能够理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词并不排除其他元件或步骤，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单一事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (13)

1.一种照明装置(1、9、14)，包括用于颜色随位置变化的光源(2)的准直器(3、30、300)，所述准直器(3、30、300)包括：
焦点(F)；
包含所述焦点(F)的光轴(OA)；
围绕所述光轴(OA)进行布置或被布置在所述光轴(OA)上的成像元件(4)，其中所述成像元件被配置为形成所述光源的至少一个图像；以及
多个光扩展元件(5、11、12)，具有第一组光扩展元件(6)和第二组光扩展元件(7)，所述第一光扩展元件(6)被定位为比所述第二组光扩展元件远离所述光轴(A)和所述光源(2)，所述多个光扩展元件(5、11、12)围绕所述光轴(OA)布置，以用于接收来自所述成像元件(4)的所述至少一个图像，
其中，所述成像元件(4)在所述第一组光扩展元件(6)上生成第一图像，并且在所述第二组光扩展元件(7)上生成第二图像，所述第一图像由所述光源(2)以比相对于所述光轴的θ0小的角度所发射的光形成，以及所述第二图像由大于θ0的角度所发射的光形成；
其中，所述光扩展元件(5、11、12)具有不同的光束变宽特性，所述光扩展元件(5、11、12)中的每个光扩展元件(5、11、12)的光束变宽特性取决于所述光扩展元件(5、11、12)相对于所述焦点(F)的位置，并且其中，所述光扩展元件(5、11、12)适于使撞击所述第一组光扩展元件(6)和第二组光扩展元件(7)的光以以下方式在包括所述光轴(OA)的第一平面(M)中扩展，该方式即使得所述光束变宽特性允许所述第一图像和所述第二图像以基本上相等的角度θ1扩展，
其中，所述照明装置还包括所述颜色随位置变化的光源(2)，所述颜色随位置变化的光源(2)布置在所述准直器(3、30、300)的所述焦点(F)上，使得来自所述光源(2)的光被所述准直器(3、30、300)接收。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述成像元件(4)被配置用于一维成像。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述成像元件(4)被配置用于二维成像。
4.根据前述权利要求1-3中任一项所述的照明装置，其中，每个光扩展元件(5、11、12)的光束变宽特性取决于从所述焦点(F)到所述光扩展元件(5、11、12)所测量的光路长度。
5.根据前述权利要求1-3中任一项所述的照明装置，其中，每个光扩展元件(5、11、12)的光束变宽特性取决于从所述光轴(OA)到所述光扩展元件(5、11、12)的正交距离。
6.根据前述权利要求1-3中任一项所述的照明装置，其中，所述光扩展元件(5、11、12)适于使撞击所述光扩展元件(5、11、12)的光在所述第一平面(M)和第二平面(S)两者中扩展，所述第二平面(S)与所述第一平面(M)正交并且具有与所述光轴(OA)正交的法线。
7.根据前述权利要求1-3中任一项所述的照明装置，其中，所述光扩展元件(5、11、12)是微透镜或小面。
8.根据前述权利要求1-3中任一项所述的照明装置，其中，所述光扩展元件(5、11、12)适于使撞击所述光扩展元件(5、11、12)的光扩展，使得撞击了不同光扩展元件(5、11、12)的光束在空间中相同地扩展开。
9.根据前述权利要求1-3中任一项所述的照明装置，其中，所述光扩展元件(5、11、12)被设置在所述准直器(3)的光重定向表面(8)上。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的照明装置，其中，所述光扩展元件(5、11、12)设置在所述准直器(3)的光出射表面上。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的照明装置，其中，所述准直器(3)包括第一透镜(4)和第二透镜(10)，所述成像元件由所述第一透镜(4)形成，以及所述光扩展元件(5、11、12)被设置在所述第二透镜(10)上。
12.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述成像元件被配置为形成所述光源的至少两个放大的图像，包括在第一组光扩展元件(6)上生成的第一图像和在第二组光扩展元件(7)上生成的第二图像，所述第一组光扩展元件(6)被定位为比所述第二组光扩展元件(7)远离所述光轴(OA)和所述光源(2)。
13.一种用于准直来自颜色随位置变化的光源(2)的光的方法，所述方法包括：
提供准直器(3、30、300)，所述准直器(3、30、300)包括：焦点(F)；包含所述焦点(F)的光轴(OA)；围绕所述光轴(OA)进行布置或被布置在所述光轴(OA)上的成像元件(4)，其中所述成像元件被配置为形成所述光源的至少一个图像；以及多个光扩展元件(5、11、12)，所述多个光扩展元件具有第一组光扩展元件(6)和第二组光扩展元件(7)，所述第一光扩展元件(6)被定位为比所述第二组光扩展元件远离所述光轴(A)和所述光源(2)，所述多个光扩展元件(5、11、12)围绕所述光轴(OA)布置，以用于接收来自所述成像元件(4)的所述至少一个图像，其中，所述成像元件(4)在所述第一组光扩展元件(6)上生成第一图像，并且在所述第二组光扩展元件(7)上生成第二图像，所述第一图像由所述光源(2)以比相对于所述光轴的θ0小的角度所发射的光形成，以及所述第二图像由大于θ0的角度所发射的光形成；其中所述光扩展元件(5、11、12)具有不同的光束变宽特性，所述光扩展元件(5、11、12)中的每个光扩展元件(5、11、12)的光束变宽特性取决于所述光扩展元件(5、11、12)相对于所述焦点(F)的位置，并且其中所述光扩展元件(5、11、12)适于使撞击所述第一光扩展元件(6)和所述第二光扩展元件(7)的光以以下方式在包括所述光轴(OA)的第一平面(M)中扩展，该方式即使得所述光束变宽特性允许所述第一图像和所述第二图像以基本上相等的角度θ1扩展；
将所述光源(2)布置在所述准直器(3、30、300)的所述焦点(F)上；以及
操作所述光源(2)，
由此所述光扩展元件(5、11、12)从所述成像元件(4)接收所述光源(2)的所述至少一个图像，并且由此使得撞击所述光扩展元件(5、11、12)的光在包括所述光轴(OA)的第一平面(M)中被扩展。
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