CN107430282A - 光束整形设备和使用其的聚光灯 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光束整形装置，该光束整形装置例如用作聚光灯的一部分。准直器用于接收来自光源的光，并且用于提供更准直的输出。光学板被设置在准直器的输出处，并且包括在输入侧上的透镜阵列以及在相对的输出侧上的对应的透镜阵列。透镜被布置为柯勒透镜对，并且其中输出侧上的透镜中的至少一些透镜相对于光学板的总平面倾侧。这种倾侧提供了用于改善光束整形性质的设计选项。

Description

光束整形设备和使用其的聚光灯
技术领域
本发明涉及一种光束整形设备，该光束整形设备特别地但并不排他地用在用于调整聚光灯光束性质的照明单元中。
背景技术
众所周知，设计用于聚光照明效果的系统或光学器件通常是具有挑战性的，特别是对其光输出在角度或位置上不完全均一的光源。
有许多已知的光源可用，例如LED可以被分成大功率LED、中功率LED、小功率LED、成群LED和板上芯片。
大功率LED可以在尺寸上是小的，例如具有约1mm2的面积，并且LED的磷光体可以与裸片的面积良好地匹配。这导致相对于发射角度的相对均一的彩色光分布。
中功率和小功率LED通常稍大一些，例如具有2-6mm2的面积。中功率或小功率LED的这种使用通常导致颜色分布效应，因为这些LED具有以下缺点：它们在所有方向上发射光并且它们的颜色在整个LED上不均一。
光束整形在大多数照明应用中找到。光束整形光学元件例如包括反射器和准直器，并且这些用在大多数灯具中。
当使用用于生成白光的中功率发光二极管(LED)或用于生成颜色可变光的红-绿-蓝(RGB)LED时，颜色分布的问题变得严重。即使当这样的光源与具有准直特性的光学器件结合时，也可能产生相对于发射角度的颜色分布效应。这是众所周知且经常妨碍中等功率LED应用的主要问题。
当在聚光灯应用中使用LED时，期望准直的光束，并且颜色应当在整个光斑上均一。
从具有颜色不均匀性的发散源实现准直且均一的彩色光束的众所周知的解决方案是，通过首先利用准直器来准直光，然后借助于柯勒(Koehler)透镜设计来混合颜色。
柯勒设计由双透镜阵列组成，在基板的每一侧上具有一个阵列，两个阵列一起形成光学板。两个透镜阵列都定位在彼此的焦平面上并且相对于彼此对齐。每个柯勒透镜对的功能是重新分布进入基板的第一侧的光，以去除原始光束斑的角度信息。
即使利用准直器和光学板，也难以控制输出光束形状以具有期望的强度特性。
发明内容
本发明由权利要求限定。
根据按照本发明的一个方面的示例，提供了一种光束整形装置，包括：
准直器，用于接收来自光学源的光，并且用于提供更准直的输出；以及
光学板，用于接收更准直的输出，其中光学板包括在输入侧上的透镜的二维阵列以及在相对的输出侧上的透镜的对应二维阵列，
其中，输入侧上的透镜各自具有在输出侧上的对应透镜处的焦点，并且输出侧上的透镜各自具有在输入侧上的对应透镜处的焦点，并且其中输出侧上的透镜中的至少一些透镜相对于光学板的总平面倾侧。
光学板用作柯勒透镜对的阵列。在光学板的输出侧上的透镜的倾侧被用作用于调整光学板的光束整形性质的设计参数。特别地，倾侧向柯勒透镜对的颜色混合功能添加了漫射功能。二维阵列限定了各自定位在光学板上的其自身位置处的透镜的网格。
至少一些透镜的倾侧例如朝向或远离中心。
倾侧提供了透镜的光学轴线相对于光学板的总平面的法线方向的倾斜。这种倾侧提供了漫射及因此的光束增宽功能。
单个透镜可以具有各种形状，包括同心图案。
通过将透镜阵列形成为网格，单个透镜将被分配在光学板的非圆形的局部区域(因为圆形不能嵌合(tessellate))。单个透镜可以具有截切的外形，诸如六边形外形(用于六边形网格)或正方形外形(用于正方形网格)。由透镜倾侧提供的漫射防止透镜形状的这种局部截切转化成不期望的光束斑形状。以这种方式，可以提供光学板上的完全透镜覆盖，而没有非圆形光束斑的缺点。
透镜阵列可以形成旋转对称图案，例如简单的蜂巢状图案。旋转对称图案可以具有4或更高次的旋转对称性(例如，具有4次旋转对称性的正方形网格或具有6次旋转对称性的六边形网格)。然而，更复杂的嵌合也是可能的。此外，并不是所有的透镜都需要相同的形状，使得更复杂的嵌合是可能的，例如具有8重或12重对称性。
透镜可以不是规则的多边形，或者可以存在不同多边形的组合，以便提供具有更高次旋转对称性的设计。
在一个示例中，透镜阵列图案可以是六边形网格，并且尽管是六边形网格图案，但光学板可以确保远场中的圆形光束形状。此外，可以控制角强度分布。
倾侧的透镜例如具有基准平面(垂直于光学轴线)，该基准平面是倾斜的，使得基准平面与光学板的总平面之间的相交线是围绕中心的切线。这意味着透镜的倾侧是围绕板的中心的，即它们朝向或远离中心倾侧。
倾侧的透镜的光学轴线例如以倾侧角度与法线(光学板的总平面的)斜交，其中所述倾侧角度对于距中心相同距离处的所有透镜是相同的。光学板基本上是旋转对称的(但具有有限次的旋转对称性)，但是设计可以随着距中心的距离而改变。
倾侧的透镜中的所有透镜的光学轴线可以以相同的倾侧角度与法线(光学板的总平面的)斜交。这使得光学板的设计易于实现。倾侧角度可以代之跨板而变化，例如取决于离中心的半径。
所有倾侧的透镜的倾侧角度优选地小于40度。
中心透镜通常不倾侧。剩余的透镜可以全部倾侧，但是同样地，对于光学板的一些区域而言可以具有不倾侧的透镜。
准直器可以包括菲涅尔透镜。
本发明还提供了一种光单元，包括：
光源；以及
如上文所限定的装置，用于对从光源输出的光进行光束整形。
光源优选地包括LED阵列或一个LED，并且光单元另外可以包括LED聚光灯。聚光灯使用提供远场中的圆形光强度分布的光束整形装置，例如容纳至少一些LED的反射器主体。
附图说明
现在将参考所附的示意图来详细描述本发明的示例，其中：
图1示出了一种组合准直器和光学板的已知的光束整形装置；
图2示出了一种经修改的光学板；
图3示出了光学板如何接收非法线方向上的准直光；
图4示出了对图3的光学板而言如何存在最大接受角；
图5示出了叠置的已知的光学板和经修改的光学板；
图6示出了已知的光学板如何处理入射的准直光的光线图；
图7示出了经修改的光学板如何处理入射的准直光的光线图；
图8示出了被照射的已知的光学板的角强度函数；和
图9示出了被照射的经修改的光学板的角强度函数；和
图10示出了四种可能的透镜阵列设计。
具体实施方式
本发明提供了一种例如用作聚光灯的一部分的光束整形装置。准直器用于接收来自光学源的光，并且用于提供更准直的输出。光学板被设置在准直器的输出处，并且包括在输入侧上的透镜阵列、以及在相对的输出侧上的对应的透镜阵列。透镜形成网格。透镜被布置为柯勒透镜对，并且输出侧上的透镜中的至少一些透镜相对于光学板的总平面倾侧。这种倾侧提供了用于改善光束整形性质的设计选项。
图1示出了一种已知的光学系统，该已知的光学系统将准直器与利用柯勒透镜对的集成板组合。
该系统包括：光源10(例如，LED或LED阵列)，在这一示例中以准直光学板形式的准直光学元件12，以及以第二光学板14的形式的集成光学元件。
光源可以包括一个或多个照明元件。如果使用多个光源，则它们可以例如是不同颜色的光源。备选地，光源可以是分布在一个区域上的单色照明元件，或者甚至可以是具有根据跨其光输出面的位置而变化的输出光束颜色和方向的单个照明元件。
准直光学板12是例如菲涅尔透镜，并且它预先准直光并将光递送到集成光学板14。这意味着从准直光学板12的表面上的任何特定点离开的光具有形成子光束(beamlet)的有限范围的角度，例如小于10度的角度扩展。子光束的角度扩展由到源的距离和源尺寸来限定。
对于光学板14的入射光而言所需的准直度由柯勒设计确定，例如光学板具有法线每侧20°的输入接受角。入射光束的取向在法线方向(垂直于光学板)上。如果光学板直接定位于准直器之后，则它们的直径将几乎相同。如果光学板如图1所示意性示出的那样远离准直器，则它可以比准直器大，同时使入射到光学板的光保持在接受角范围内。
其他透镜设计可以用于准直功能。准直器可以代之包括全内反射(TIR)准直器。
集成光学板使用下文进一步描述的柯勒透镜对。
离开准直光学板12的光具有在第二光学板的接受角内的、相对于法线的输出角度范围(在图1中示出为α)，例如α<β/2，其中β是接受角并且也是第二集成光学板14的输出处的输出角度的扩展。
集成光学板14由从准直光学板12接收的每个子光束形成光束16。光束以法线方向为中心。此外，源自光源10的不同区域(因为它不会是一个完美的点源)的光优选地通过集成光学板14而基本上均匀地混合。
从光学系统输出的所得到的光束是由集成光学板14形成的光束16的叠加。光束16中的每个光束是均匀地混合的。集成光学板14基于这种均匀的混合而消除了彩色伪影。
图2更详细地示出了集成光学板14，并且包括了根据本发明的修改。其示出了通过向输出透镜中的一些输出透镜引入倾侧而修改的、利用柯勒透镜对的已知的光束处理装置。
光学板14包括上游面15，在上游面15上分布有一系列的弯曲透镜元件。这是光学板的面对光源的第一面。弯曲透镜元件具有在光学板14的相关联的相对的下游面16处的焦点。这是光学板的背对光源的第二面。
光学板14的下游面16被配置有弯曲透镜或透镜元件，这些弯曲透镜或透镜元件被布置成这样的方式，使得第一面15上的弯曲透镜元件中的每一个在第二面16上具有相关联的光学对准的弯曲透镜元件。
类似地，第二面16上的弯曲透镜具有其位于第一面15处的焦点。以这种方式，第二面16上的弯曲透镜元件被配置为混合在由位于第一面15上的弯曲透镜的聚焦之后的角度范围上的光。
图2示出了光学板14的三个透镜的横截面图。中心透镜位于光学板的总平面P的中心25(中心点，或中心轴线)，并且没有倾侧。在这一示例中，每侧的透镜具有朝向中心的倾侧。这使得光被指向远离中心。透镜的表面法线由参考标记17示出。表面法线是对应透镜的光学轴线，并且垂直于透镜的基准平面。透镜倾侧提供了表面法线的倾侧，使得其不与光学板14的总平面的法线方向平行。
作为示例，左柯勒透镜对包括面对来自准直器的入射光的第一(输入)透镜18、以及面对输出光束所指向的输出区域的第二(输出)透镜19。
输出透镜19具有基准平面23，基准平面23相对于光学板的总平面P以倾侧角度γ倾侧。图2中所示的示例具有约300的倾侧角度γ。
图2示出了在法线方向上到达的光学板的入射光线。然而，这不是必需的。例如，如果光源包括LED阵列，则这些LED相对于准直器的不同位置将导致对于不同LED而言不同的光入射角度。这在图3中示出，在图3中三个不同的LED(LED1、LED2、LED3)导致来自准直器的照明以不同的入射角度到达集成光学板。
第一面和第二面上的透镜可以具有基本上恒定的曲率半径，即它们可以是以对称轴线为中心的规则球面透镜(或透镜部分)，并且该对称轴线是如参考图2所解释的表面法线。
标准的柯勒透镜对被设计以用于来自准直器的、特定发散角度(其本身是准直器上的位置的函数)的光。在光学板的厚度已知后，透镜的半径是固定的。
一起形成光学板的透镜对的嵌合是可以选择的另一参数。这确定了远场光分布，诸如高帽(top hat)或高斯或六边形分布。
对于柯勒设计的正确操作，接受角限制了输出光束的准直度。为了保持准直度同时跨角度输出方向均匀地混合所有入射光线，最大光束角度需要小于柯勒透镜接受角。典型的柯勒接受角例如为2x20°。
图4示出了在柯勒透镜对的最大接受角处的入射光束的光线20。如图所示，准直光束20被聚焦到相对的透镜的最边缘。光束20的角度例如与法线22偏移20°。
在许多照明应用中，期望超过该值的最大光束角度。
在常规的柯勒设计中，入射光的准直度被保持。然而，由于实际的设计原因(主要与柯勒元件的尺寸有关)，所允许的准直度是受限的：从照明的角度来看，被限制成相当窄的光束。图2中使用的倾侧修改了柯勒设计，使得准直度不被保持：通过修改提取透镜阵列，所提取的光束与入射光束相比变宽了。
透镜阵列被布置在二维网格结构中。网格结构例如使用具有嵌合的外形的透镜，诸如，矩形透镜或六边形透镜。网格结构是旋转对称的(具有有限次n的n重旋转对称性)，并且例如包括具有6重旋转对称性的六边形网格。为了完全嵌合透镜，它们将具有被截切的六边形的外形。通常，六边形透镜阵列直接导致远场中的六边形光束斑，而圆形光束形状是期望的。
针对这一问题的典型解决方案是特别地关于准直光源设计的、与六边形图案不同的专用的透镜嵌合。
本发明利用在光学板的输出表面处的透镜的倾侧，以改变光束斑形状、以改变光束偏转和/或以针对选择的透镜嵌合做校正。例如，可以使用六边形透镜嵌合来实现圆形的远场光分布。
图5示出了所得到的光学板设计。其示出了彼此叠置的常规设计60及根据本发明的示例而修改的设计62。
在一个示例中，各个透镜形成六边形网格(在平面视图中)。在这一示例中的透镜均远离中心轴线64而倾斜。换言之，光学板的输出面上的透镜是倾斜的，使得它们的基准平面位于倾斜的平面中，并且它们的表面法线方向相对于总法线方向是倾斜的。
如上述两个示例所示，这种倾斜的平面的倾侧可以朝向或远离光学板的中心。在任一情况下，表面法线17可以与光学板的总法线相交(取决于倾侧而在光学板的上方或下方)。每个透镜的弯曲部分可以具有恒定的曲率半径，并且可以关于表面法线方向旋转对称。为了使倾斜的透镜形成为连续的片材，在相邻透镜的边缘之间可以存在台阶部分。
中心透镜是不倾斜的。此外，对于光学板的初始内部径向部分而言，透镜可以不倾侧(使得透镜的子集不倾侧)。倾侧可以在从中心向外特定半径处开始，并且倾侧的角度对于所有透镜而言也可以是不相同的。曲率半径可以对于所有透镜是相同的，但也可以对于所有透镜是不相同的。每个透镜具有相关联的单个倾侧角度值，但是对于距中心的不同距离，倾侧角度可以不同。在距中心的给定距离处，倾侧角度对于所有透镜是相同的，以保持光学板的n重旋转对称性。
由此得到优选地旋转对称(具有有限次)的装置。该装置例如可以被形成为正六边形阵列。
图6和图7示出了当向柯勒透镜对的输出透镜中的每个输出透镜添加30度的附加倾侧时，输出光束如何变化。30度的角度以及倾侧对所有透镜而言均相同的事实是一种任意性选择，并且仅是为了说明性目的。倾侧角度对不同的透镜而言可以是不同的，例如具有根据距中心的径向距离而变化的倾侧角度，例如倾侧角度随着距中心的径向距离的增加而增加或减小的变化，所述变化可以是逐渐的，或者作为备选所述变化可以是陡峭的、显著的台阶。
图6示出了当常规光学板被完美准直的光束照射时的光束路径。
图7示出了当经修改的光学板被完美准直的光束照射时的光束路径。
存在由全内反射引起的各种杂散光束。忽略这些杂散光束，可以观察到总体光学功能。
图8示出了常规光学板的光斑强度，而图9示出了经修改的装置的光斑强度。这些图示出了根据角度而变化的强度。强度轮廓示出了角度空间中的强度，其中角度在水平和竖直方向上从-90度到+90度。横截面图示出了在0度的竖直角度处强度对角度的水平横截面。
光束的半高全宽(FWHM)从20度变化到30度。这示出了如下可能性，即，使光束与所期望的那样宽，以匹配聚光灯的期望性质。
远场中的颜色均一性仍然是可接受的。
两个面上的成对透镜之间的距离将与透镜的焦距相匹配。这是可以用于影响光学性能的另一设计参数。
第一面15上的透镜与第二面16上的透镜之间存在一对一映射。这使得来自光学板的光输出特性能够被精确控制。
阵列中的透镜的半径可以全部相同。倾侧角度可以随着朝向光学板的边缘而增加。如果表面调制高度要被固定，则透镜间距可以朝向光学板的边缘而减小。备选地，倾侧角度可以对所有透镜而言是相同的。此外，恒定透镜半径不是必需使用的。
如上文所解释的，透镜可以是非圆形的，使得它们嵌合以填充光学板的区域，但是这不是必需的。图10示出了四种可能的嵌合。图10(a)示出了呈六边形网格的圆形透镜的嵌合。由于圆形不会完全嵌合，所以透镜之间存在间隙。图10(b)示出了呈方形网格的圆形透镜的嵌合。图10(c)示出了呈六边形网格的、被截切成六边形形状的透镜的嵌合。在这种情况下，透镜形状完全地嵌合。图10(d)示出了呈正方形网格的、被截切成正方形的透镜的嵌合。
如果透镜的倾角朝向透镜的边缘而增加，那么该倾角将使得水平(平面视图)面积减小。这将中断嵌合，并且可能引起透镜之间的空隙。透镜也可以被移动而更靠近在一起，以减少这些空隙。当上部透镜被移动得更靠近时，板的下侧处的透镜相应地改变，使得上部和下部透镜的表面积相匹配。
为了最佳效率，应当避免空隙，并且这可以通过使用具有非正则多边形形状的透镜来实现。
本发明使得透镜倾侧能够被用作设计参数，以使得所期望的光学功能能够被实现。
光学板可以包括聚合物材料，例如从由以下项构成的组中选择的一种或多种材料：PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PC(聚碳酸酯)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(树脂玻璃或有机玻璃)、乙酸丁酸纤维素(CAB)、硅酮、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、(PETG)(乙二醇改性的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，其他(共)聚合物也是可以的。此外，光学板可以由玻璃制成。
当被用作聚光灯的一部分时，光束整形装置对来自LED或LED阵列的输出光进行整形，以在输出处生成圆形的光强度图案。聚光灯例如包括外部壳体，LED或LED阵列以及光束整形装置被安装在该外部壳体中。如本领域技术人员将熟知的，适当的驱动器电子器件也将包括在壳体内，例如以将市电输入转换成用于LED的DC驱动信号。
通过研究附图、公开内容和所附的权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明中，可以理解和实现对所公开的实施例的其他变形。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载的某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何参考标记不应当被解释为限制范围。

Claims (11)

1.一种光束整形装置，包括：
准直器(12)，用于接收来自光学源的光，并且用于提供更准直的输出；以及
光学板(14)，用于接收所述更准直的输出，其中所述光学板包括在输入侧(15)上的透镜(18)的二维阵列以及在相对的输出侧(16)上的透镜(19)的对应二维阵列，
其中所述输入侧上的所述透镜各自具有在所述输出侧上的对应透镜处的焦点，并且所述输出侧上的所述透镜各自具有在所述输入侧上的对应透镜处的焦点，并且其中所述输出侧上的所述透镜中的至少一些透镜相对于所述光学板的总平面倾侧。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述透镜中的至少一些透镜朝向或远离中心倾侧。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中在所述输入侧上的透镜的所述阵列和在所述输出侧上的透镜的所述阵列关于旋转中心具有至少4次的有限旋转对称性。
4.根据权利要求3所述的装置，其中网格图案包括六边形网格。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中倾侧的所述透镜具有光学轴线，所述光学轴线以倾侧角度与所述光学板的所述总平面的法线斜交，其中所述倾侧角度对于距所述中心相同距离处的所有透镜是相同的。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述倾侧角度对于所有倾侧透镜是相同的。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所有倾侧透镜的倾侧角度小于40度。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述准直器(12)包括菲涅尔透镜。
9.一种光单元，包括：
光源(10)；以及
根据前述权利要求中的任一项所述的装置(12、14)，用于对从所述光源输出的光进行光束整形。
10.根据权利要求9所述的光单元，其中所述光源(10)包括LED阵列或一个LED。
11.根据权利要求10所述的光单元，包括LED聚光灯，其中所述装置提供远场中的圆形光强度分布。
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