CN107667253A

CN107667253A - 照明设备、透镜和方法

Info

Publication number: CN107667253A
Application number: CN201680029039.3A
Authority: CN
Inventors: J.M.蒂斯森; F.福纳萨; R.A.塞普克哈诺夫; I.范德沃
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Signify Holding BV
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2018-02-06
Anticipated expiration: 2036-05-11
Also published as: US10247385B2; EP3298441B1; US20180156415A1; EP3298441A1; WO2016184748A1; CN107667253B; JP6345890B1; ES2726995T3; JP2018518802A

Abstract

本发明涉及一种用于在沿着光轴的主方向上发出光束的照明设备。该照明设备包括光源和设置在光轴上的正折射透镜，该透镜在光轴之上相对于光源可移动。照明设备还包括设置在光轴上并具有增加的模糊强度FWHM的混合结构，FWHM在3º至15º的范围内。

Description

照明设备、透镜和方法

技术领域

本发明涉及一种照明设备，其包括用于在沿着光轴的主方向上发出光的光源和设置在光轴上的透镜。本发明还涉及透镜和获得光束的期望的或需要的质量的方法。

背景技术

现今，聚光照明（spot lighting）设备主要应用于零售照明和博物馆照明。光分布主要由光源和光学解决方案（即诸如反射器、TIR准直器或透镜的光学部件）定义。每个光学解决方案都有其自己的属性、优点和缺陷，并且光学架构的选择主要取决于应用的要求。

例如，TIR准直器是具有高光学效率和对光分布的合理控制的解决方案，但是它不能制造可变的射束宽度。对于较宽射束，反射器可以是具有良好光学效率的解决方案，但是由于直射光，它在光分布中通常不示出清楚的截止（cut-off）。在一定程度上，这可以通过深反射器或通过遮蔽直射光来改善，但是这将降低效率，并且非常窄的射束仍然保持是有挑战的。菲涅尔透镜倾向于造成光分布的较小的均匀性，因为在折射/反射环的边缘处发生衍射。可以使用凸状的正透镜来制造具有良好强度分布的窄射束，但是该窄射束具有下述缺点：它将示出光源的可见图像和色差。另外，例如，当LED用作与这样的正透镜组合的光源时，增加了相对低的光学效率的风险，因为来自朗伯LED源的一些光将不进入透镜，但是其将在壳体中被吸收。射束的宽度可以通过调节透镜和LED之间的距离来修改。

发明内容

鉴于来自现有技术的已知解决方案（每种解决方案都具有它们自己的缺点），存在对于这样的照明设备的需要：其造成可以从非常窄到宽变化的射束宽度，例如在具有选自5º-90º（例如5º-40º或8º-20º）的范围的顶角的虚拟锥内发出、同时保持相对清晰的、正常的光强度分布和相对均匀颜色的光分布的光束。这样的照明设备可以服务于许多应用，例如具有小型和较大物体的变化展示的商店中或博物馆中的物体的光照。

本发明的一个目的是提供如开头段落中描述的类型的照明设备，并且其中射束宽度可以变化，并且其中上述缺点中的至少一个被消减。另外，如开头段落中描述的类型的照明设备的特征还在于透镜沿着光轴相对于光源可移动，并且在光轴上设置混合结构，其具有在3º至15º的范围内的模糊强度FWHM，混合结构的模糊强度随着径向上距光轴的距离R的增加而逐渐且连续地增加。

本发明优选地用于光的质量非常重要的聚光照明，特别是如博物馆照明和高端零售照明的应用中。根据本发明的照明设备提供了窄射束、可变射束、优异的颜色均匀性、旋转方向上的优异的强度均匀性和优异的径向强度分布图（profile）的组合。混合结构用于减少由色差引起的颜色伪像以及其他伪像。朝向透镜的外围，光线被弯曲得更剧烈，所以经由模糊的对色差的补偿更重要，并且因此相比于在透镜的中心，该补偿在更靠近边缘之处稍微更强烈。所需的模糊强度取决于许多参数，诸如透镜材料、透镜几何形状、源几何形状以及从光源到透镜的距离。一般地，混合结构引起增加的模糊性和射束变宽这两种现象。模糊性是期望的，因为它移除了色差和光源在投射表面上的成像，射束变宽不是期望的，因为这限制了照明设备的射束宽度控制的范围，并且它经常涉及射束边缘的清晰截止的降低。因此，必须选择针对这两种冲突现象的适当设置。

优选地，混合结构的模糊强度从光轴开始在径向上增加到至少1.1倍，例如1.25倍，以充分地应对这种影响，但优选地小于1.6倍以避免射束的太不清晰的边缘和/或射束的变宽。仅作为示例，通过混合结构在中心具有5ºFWHM的增加模糊强度的透镜于是优选地在透镜的边缘处具有在5.5º至9ºFWHM的范围内的模糊强度。

模糊强度按照下述来确定：作为起始点，取激光射束的（光）射线的准直束，即具有基本上为0º的半高全宽（FWHM）的光束（即，激光射束）。射线的束的所述准直射束将传播通过混合结构，其导致射束的光成为一束稍微发散的光线的扩展，所述稍微发散的光线传播到包围锥轴线（该锥轴线可能与光轴重合）的虚拟锥中，所述虚拟锥具有在3º至15º的范围内的顶角。从经准直射束（FWHM=0º）中的射线的束到扩展射束中相互发散的光线的束的光的所述扩展被测量为FWHM，并且被定义为混合结构的模糊强度，即，在本发明中，特别地，所述模糊强度被设定成在3º至15ºFWHM的范围内。所期望的模糊强度通过随机的微尺寸结构（例如喷砂表面）、或通过规则的微尺寸几何结构（例如正方棱锥的拼贴表面）可获得。微尺寸意味着在从1μm（即至少比可见光的波长长得多）至大约5000μm或优选地1000μm的范围内的尺寸。随机结构一般是有利的，因为它们制造起来相对容易，并使模糊强度给出具有令人愉快的平滑的射束边缘的高斯形射束。当模糊具有高斯分布或分布图时，模糊强度也可以从高斯西格玛或σ的角度来表示，其中σ=FWHM/2.355。模糊可以在横向方向上不同，即在x方向上模糊可以例如仅为3º，而在横向y方向上，模糊可以是例如12º，这独立于所期望的射束图案。

看起来一般地在FWHM 3º至15º的范围内的模糊强度将导致具有正常强度轮廓并具有均匀颜色分布的射束。因此，例如在光源是LED的情况下，这种程度的散射使得照明设备在操作期间发出期望质量的光束。特别地，模糊强度的3º的下限值使得射束具有可接受的低的程度的色差，即，色差刚好在针对可被观察到的门限水平上或低于所述门限水平。特别地，当采用CIE（u'，v'）色度图作为颜色空间时，射束内的颜色差小于这样的圆：所述圆在所述颜色空间中在坐标中具有起始于射束的平均颜色的、小于0.0055（u'，v'）的半径，这对于大多数应用是实际的和可接受的低的值。优选地，所述半径在坐标中等于或小于0.0013（u'，v'），即低于刚好可注意到的色度差异，在50％概率下，人类在（u'，v'）图的白色区域中不再观察到该颜色差异。当所述半径在（u'，v'）坐标中等于或小于0.0011时，人类不再可观察到颜色差异。模糊强度越高，相对于色差的不存在和欧几里德差异的不存在（即所投射射束中的光源图像的可见性的不存在）的射束的均匀性越好。然而，模糊不应当变得太多。因此，在模糊强度的15º的上限值以下，由照明设备发出的光束对于大多数应用而言仍然可以是可接受的窄。

此外，模糊不应当与漫散射相混淆，因为利用漫散射，发生漫散射的每个位置将表现为朗伯光源，并且原始初级光束的相对小的光展量得到增加。然而，在本发明中，由于一些表面粗糙度、内部不规则或边界，模糊实际上总是包括百分之几的散射，例如5％。在本发明中，在一定程度上允许混合结构所致的漫散射，例如，高达25％的照射在混合结构上的光可以被漫散射。在混合结构（例如经由喷砂或蚀刻而获得）的情况下，存在大量漫散射的重大风险。由被喷砂的或蚀刻的表面所致的漫散射的量例如将由喷砂/蚀刻的程度和由此获得的图案的密度来控制，即经处理的表面仅被轻度地喷砂/蚀刻，使得混合结构上的照射光的显著部分（例如至少75％）保持不受影响并且沿其原始路径传播。利用包括隆起结构（例如微尺寸的随机纹理或微尺寸的常规几何结构，如小透镜、棱镜、小面）的混合结构的实施例，混合结构所致的漫散射控制起来更容易。由于隆起结构的圆形边缘和清晰过渡的不存在，这样的隆起结构典型地涉及较少的漫散射，例如10％或更少，诸如3％。

对于所投射射束中的光源的成像的程度，测量长度的几何差异，在本发明中，欧几里德差异被用于此。取欧几里德差异作为欧几里德距离，即欧几里德空间中两个点之间的直线距离。此外，对于没有增加的模糊的所投射光束中的光源的图像，测量两个（优选地，最不同的）截面的欧几里德差异的基本值。然后在相同的截面上，针对模糊被增加到的所投射光束中的光源的图像确定欧几里德差异，并且然后除以所述基本值，得到欧几里德差异的归一化值。如果该归一化值低于被选择的、期望的门限值，例如在当前情况下低于10％，则认为光源的成像显著缺失或认为其不可见。

根据照明设备的期望的射束属性，可以选择光源和透镜的材料。光源优选地是一个LED或多个LED（例如，白光、RGBW或RGBA），因为它们相对便宜并且能够实现低电压应用并且由于半球而仅将光发射到向前的方向。然而，可替换地，紧凑的HID灯或卤素灯可以用作光源。

透镜可以例如是折射的非球面透镜、球面透镜、双曲线透镜、凸凹透镜、平凸透镜或双凸透镜。正透镜通常将光重定向、汇聚和/或准直成相对窄的射束。色差由针对不同波长的折射率的差异引起。透镜材料可以例如选自软玻璃、硬玻璃、石英玻璃、或聚合材料（如PMMA、聚碳酸酯或聚乙烯），不过其它聚合物（共聚物）也可以是可能的。玻璃透镜通常可以稍微更好地承受（例如由光源引起的）高温，但另一方面，合成透镜比玻璃透镜（在重量方面）稍微更轻。

下表给出了一些合适的透镜材料的折射率和波长之间的关系：

波长ʎ	硅树脂	PMMA	二氧化硅玻璃(SiO2)
				400nm	1.417	1.499	1.47012
500nm	1.410	1.490	1.46233
				600nm	1.404	1.485	1.45804
700nm	1.401	1.482	1.45529
				800nm	1.407	1.487	1.45332

如前所述，如果光源（LED）靠近于透镜的焦点或在透镜的焦点上，则光源的图像将投射在投射表面上，例如墙壁或被照射的物体上。虽然该图像没有非常清晰，但优选的并不是平滑的均匀的旋转对称的射束。照明设备的一实施例的特征在于，模糊强度FWHM在4.5º至10º的范围内。模糊强度FWHM>=4.5º使得照明设备发出射束，其中有效地消除投射表面上的光源的成像，即所投射射束中的经成像光源的欧几里得差异的归一化值小于10％。模糊强度FWHM<=10º使得照明设备发出具有相对清晰的截止的射束，即，所投射射束的外轮廓边缘被观察为相对清晰，同时可以维持相对窄的射束。

照明设备的一实施例的特征在于，混合结构被设置在光源和透镜之间。如前所述，混合结构涉及增加模糊性和射束变宽的冲突现象，并且因此必须选择针对这两种冲突现象的适当设定。虽然具有设置在透镜的出射表面上的混合结构的照明设备是本发明的合适的实施例，但是看起来，设置在来自光源的光进入透镜的主体之前的位置处（透镜的上游）的混合结构（即其定位于透镜的进入表面处或定位于光源和透镜之间），比起在透镜的出射表面处或在透镜之后（透镜的下游）设置混合结构，一般地造成所述两个冲突的现象之间的更好的平衡。换言之，在透镜的进入表面之前或之上的小的模糊使射束平滑，而不显著地增加/提高FWHM射束宽度。

照明设备的一实施例的特征在于，混合结构设置在单独的载体上。这是相对简单的解决方案，因为避免了在透镜自身上设置混合结构的步骤。此外，简单地允许实现混合结构在期望位置上的定位（或者在透镜的上游，或者在其下游）。并且，由不同的第二混合结构替换第一混合结构是相对简单且便宜的。

照明设备的一实施例的特征在于，混合结构设置在透镜面向光源的光进入表面上。因此，照明设备所需部件的数量减少，造成了照明设备的更简单的构造。

照明设备的一实施例的特征在于，混合结构处于一个部件中，相比于设置在两个部件中（即，在透镜的进入和出射表面上）的可替换混合结构或者设置在三个部件中（即，在单独的载体上以及透镜的进入和出射表面上）的可替换混合结构，这造成了照明设备的相对简单的构造。然而，所述可替换方案提供了微调两个冲突的现象（期望的模糊性和不期望的射束变宽）之间的平衡的足够的可能性。

照明设备的一实施例的特征在于，混合结构具有至少一个微尺寸纹理，所述纹理选自由下述组成的组：小面、凹形或凸形小透镜、棱镜、棱脊、气体夹杂物、磨砂表面、喷砂表面、蚀刻表面、粉末夹杂物。微尺寸意味着在从1 μm（即，至少比可见光的波长长得多）到约5000 μm（但优选地到1000 μm或更小，因为相对精细的结构造成了模糊的足够的微调可能性）的范围内的尺寸。随机模糊结构（如气体夹杂物、磨砂表面、喷砂表面、蚀刻表面、固体和/或液体夹杂物，它们具有与它们嵌入于其中的材料不同的折射率）适合于获得期望的模糊性增加，而保持相对窄的射束。可替换地，几何结构（例如小透镜或棱镜的纹理）可以用于实现所述期望效果。与随机结构相比，几何结构的优点是利用几何结构比起利用随机结构可以更好地控制光学功能。另一方面，随机结构在一些情况下可能制造起来更容易。

多个小透镜可以包括凸形和/或凹形小透镜。这些透镜的最优光学功率可以通过测量如较早前解释的欧几里德差异来找到。照明设备的一实施例的特征在于，混合结构体现为规则的几何结构，例如体现为三角形、正方形、矩形、六边形或八边形与正方形的组合的拼贴表面。规则结构的优点是具有正确的混合属性的混合结构设计起来更容易。几何形状的示例是：

- 被添加到光进入表面，放置在例如三角形配置中的圆顶；

- 被从光进入表面减去，放置在例如六边形配置中的圆顶；

- 放置在例如正方形配置中的抛物面凸起或凹陷；

- 在星形配置中增加到光进入表面的圆柱体或锥体。这将主要补偿非圆形源的成像，对射束宽度的影响有限，而且对色差的补偿的影响也减小。在源的非圆度比颜色差更令人不安的情况下，这可具有优点；

- 在同心配置中增加到光进入表面的圆环面（torus）。这将主要对颜色差产生影响，并且对非圆度产生较小的影响。射束扩展的效果将更大。

混合结构所致的模糊的程度可以经由其微尺寸元件的许多参数来改变，所述参数诸如例如是气体夹杂物、颗粒夹杂物或隆起纹理外形的密度和/或尺寸、棱镜结构的角度（的扩展）、小透镜的直径和半径。此外，混合结构的材料的折射率可以用于改变模糊的所述程度，或者混合结构的表面的任何其它的结构化、形成和/或小面化可以用于改变模糊的所述程度。所有这些表面的关键属性是它们的下述功能：在透镜表面的每个位置处略微增加模糊性和/或变宽光的入射射束。

照明设备的一实施例的特征在于透镜是非球面透镜。非球面折射透镜就其本身而论减少了光学像差，但是具有比普通凸折射透镜稍微更复杂的表面分布图。凸折射透镜使得照明设备相对高效，因为存在相对小的菲涅尔反射，这是由于光相对地垂直于折射材料的外表面而进入和离开折射材料。

照明设备的一实施例的特征在于透镜具有直径D_L，并且光源具有直径D_LS，其中D_L/D_LS>=6，优选地D_L/D_LS>=8。对于D_L/D_LS>=6，光源于是与透镜相比具有相对小的尺寸，使得光源可以或多或少被认为是点状光源，并且可以充分地避免所投射射束中的光源的成像。当DL/DLS>=8时，获得甚至更好的结果，因为基本上可以使得所投射射束中的光源的成像对于人类完全不可见。本发明可以用于根据在聚光灯具中的使用而已知的各种光源，例如卤素灯、高压气体放电灯（HID）和LED。LED的优点是，它通常以约120ºFWHM的朗伯发射模式开始，这允许比利用全向源（如卤素灯和HID）更高效的耦入。在全向光源的情况下，光源正后方的镜面反射镜将有助于提高效率。诸如（紧凑的）荧光灯或OLED之类的较大光源因为它们的大的光展量而不是优选的。

本发明还涉及设置有具有模糊强度FWHM的混合结构的透镜，FWHM在3º至15º的范围内，混合结构的模糊强度随着在径向上距光轴的距离R的增加而逐渐且连续地增加。这样的透镜不仅可应用于根据本发明的照明设备中，而且还适合于具有固定透镜（即，相对于光源不可移动的透镜）的照明设备，并且其中射束宽度经由光阑来控制。

本发明还涉及一种获得光束的期望的或需要的质量的方法，该方法包括以下步骤：

- 选择用于生成初级光束的光源；

- 为次级光束选择色差和几何差异中的至少一种的、至少一个期望的或需要的门限值；

- 提供用于将初级光束变换为次级光束的混合结构，所述混合结构设置在光轴上并且具有模糊强度FWHM，FWHM在3º至15º的范围内，混合结构的模糊强度随着距光轴的径向上的距离R的增加而逐渐且连续地增加；

- 通过改变混合结构的模糊强度来改变光束的变换，以确定最小的增加的模糊，通过所述最小的增加的模糊，获得针对次级光束的所述至少一个期望的或需要的门限值。

评估光束的变换并达到期望的或需要的门限值（经由最小的模糊值）的方便方式是标绘作为所增加散射的函数的所获得的值。绘图变得低于门限值时的所增加模糊的量为最小的所增加模糊。几何差异的可能度量是欧几里德差异。

在该方法中，可以增加透镜以提供更准直的次级光束。然而，透镜的存在对次级射束中的光源的成像有影响，并且因此用于提供所增加模糊的混合结构的模糊属性可能不得不被相应地调整。

附图说明

现在将借助于示意图进一步阐明本发明，在图中：

图1示出了根据本发明的照明设备的第一实施例的截面；

图2示出了通过已知的照明设备和根据图1的照明设备获得的射束的束斑和属性；

图3A-B示出了透镜所致的LED光源的成像相对于混合结构所致的增加模糊的关系；

图4A-B示出了设置在透镜的进入表面上的根据本发明的混合结构的第一示例；

图5A-B示出了根据本发明的混合结构的第二示例和相对于混合结构的变化的成像的模拟结果；

图6A-B示出了根据本发明的混合结构的第三示例和相对于混合结构的变化的成像的模拟结果；

图7A示出了发光强度分布图，并且图7B分别示出了没有和具有增加模糊的、FWHM=13º的射束的截面的颜色差异du'v'；并且

图8A-F示出了作为距光轴的径向距离的函数的模糊强度的示例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的照明设备1的第一实施例的截面。照明设备包括围绕光轴5而中心地布置的壳体3，并容纳中心地安装在光轴上的光源7。图中的光源是包括具有约1cm的直径D_LS的圆顶9的LED，该LED发出初级光束12。壳体还包括玻璃透镜11，即LIBA 2000，其中心地安装在光轴上，并且具有约7cm的透镜直径D_L，并且沿着光轴和/或在光轴上相对于光源可移动。透镜具有光进入表面13和光出射表面14，光进入表面设置有混合结构15，其具有约4.5ºFWHM的模糊强度，所述模糊具有高斯分布。照明设备发出次级光束16。

图2给出了通过三个已知的照明设备2获得的次级射束和从根据图1的本发明的实施例的照明设备1获得的射束18的属性和束斑的效果（impression）。如示出的，利用本发明的照明设备可获得次级光束的相对窄的束斑17，所述次级光束既可变又均匀，并且在射束边缘19处具有清晰的截止。根据本发明的照明设备一般优于所有已知的照明设备，并且由于可变射束的特征，仅具有比使用TIR准直器的照明设备稍微更低的效率。当不使用TIR透镜时，所述光学效率相对低，因为来自朗伯LED源的一些光将不进入透镜，但是其将在壳体中被吸收，而TIR透镜基本上捕获所有光，但不使可变射束成为可能，并且因此不满足本发明的目的。不直接进入透镜的光可以被反射而不是被吸收以提高光学效率，但这将增强使射束变宽的风险。

图3A-B示出了透镜所致的LED光源的成像相对于混合结构所致的增加散射的关系。为了抵消成像和色差，透镜的进入表面的模糊强度增加，直到模糊性已增加到一程度，使得在射束中不再有可见的图像。可见度被定义为理论上正方形的LED光源1的A-A和对角线B-B上的强度截面之间的相对差异。这些截面之间的差异被定义为向量之间的欧几里德差异。这些截面之间的差异可以以许多方式定义，但是这里使用欧几里德距离。然而，图像的可见度总是与差异成比例，与定义无关。在没有任何模糊的图像形成的情况下，差异被归一化为1，因此图3B示出了欧几里德距离的相对差异。如图3B中的LED光源的透镜所致的成像相对于混合结构所致的增加模糊的关系的曲线21所示，当模糊强度增加时，图像变得更模糊，并且因此截面之间的差异减小，即强度分布图接近圆。全可见度的10％的门限值（图中在点20处）处的图像形成被定义为不存在图像形成。根据该曲线，在针对理论上正方形的LED光源的这种特殊情况下，对于在所投射射束中不存在成像，按照FWHM的模糊强度约为9º。在更接近于圆形的实际源的情况下，更温和的模糊将是足够的，一般对于圆的光源，约4º的增加模糊强度足以充分地抵消成像。请注意，取决于应用要求，也可以使用其他门限值（例如在全可见度的20％处或5％处），并且可以通过用户测试来定义其他门限值。针对没有模糊23的情况，示出了如投射到墙壁上的图像，并且其中图像25具有约9ºFWHM的增加模糊。类似的模型可以用于定义模糊结构的最小要求，以减少/消除色差的可见效果，参见图6A-B。

图4A示出了设置在玻璃透镜11的进入表面13上的根据本发明的随机混合结构15的第一示例。进入表面具有典型的纹理27，其使透镜具有受控的模糊属性，在图4A中为按照FWHM的约4.5º的增加模糊。随机混合结构具有包括不规则波纹的纹理，其在直径/尺寸方面从几十微米到几百微米变化，并且在高度方面从约一微米至约二十微米变化。具有混合结构的透镜通过在模具中压制透镜的热玻璃而制成，其中（镜）纹理在模具的平侧上。也可以使用制作表面结构的其它方法，例如通过使用气体夹杂物或粉末夹杂物，或利用蚀刻剂或利用喷砂来处理透明透镜或载体的表面。可替换地，通过小透镜或棱镜的纹理，可以获得纹理化混合结构，以实现相同的期望的模糊效果。图4B示出了由台阶仪（step profiler）测量的、在透镜上提供的纹理的部分的分布图。

图5A-B示出了根据本发明的混合结构15的第二示例（其包括在透镜11上的六角布置的小透镜31的拼贴表面），以及成像相对于小透镜曲率的模拟结果（图5B）。六角布置的小透镜的所述混合结构的纹理在图5A中示出。凸六角布置的球面小透镜的所述规则结构的效果以与随机结构相同的方式来模拟，并且当不存在混合结构时，光源的图像的可见度被设定为100％。对于该示例，0.9mm的直径用于每个设置在PMMA透镜的进入表面上的小透镜。这只是一个示例，可以使用其它合适的材料和1 mm或更小的任何直径，只要它对于制造而言不太小或太接近于光的波长，即当直径至少为1μm时。小透镜是0.9 mm的球面帽（具有约3mm的透镜曲率半径），并且在六角布置中放置，如图5A中所示。对于不同的透镜曲率半径的范围进行了许多模拟，而保持小透镜的数量和小透镜的0.9mm的（投射）直径。结果标绘在图5B中。曲线图33示出了LED的图像的可见度在点35处降低到〜10％，因此被认为是不再可见的，其中透镜半径约为3mm，并且（投射）直径为0.9mm。

已经针对具有经刻面的表面的混合结构15的第三实施例进行了类似的模拟，该经刻面的表面具有尺寸为直径约100μm的六边形小面32，如图6A中所示。混合结构的所述第三实施例设置在1mm厚的单独载体34的进入面上，其在透镜的进入表面的上游3.6mm处定位于光源和透镜之间。这些模拟的结果在图6B中由曲线图33示出。通过小面相对于载体平面的主表面的平均取向的变化（其称为“小面倾角”）（所述主表面大约垂直于光轴取向），混合结构的模糊强度被改变，这被进行直到约20º的小面倾角。如果平均小面倾角大于约7º，即从点35起，光源的成像小于10％。结果针对具有随机分布的小面的经刻面表面的混合结构而示出，不过从模拟呈现出，其他分布也可以被使用（这取决于想要实现该扩展射束的什么形状），并且对于小面倾角的小角度（直到20º），小面的精确角分布不起作用，即也可以使用均匀分布。

图7A-B示出了有着高斯分布的半射束的没有增加模糊37和具有4.23ºFWHM的增加模糊39的强度分布图（图7A）；以及有着高斯分布的，FWHM=13º的、没有增加模糊41的和具有8.5ºFWHM的增加模糊43的射束的截面的颜色差异du'v'（图7B）。混合结构用于最小化由色差引起的颜色伪像，以及其它伪像，例如成像。所需的模糊强度取决于许多参数，诸如材料、透镜几何形状、源几何形状以及从源到透镜的距离。可以通过使用下述方法的模拟来确定所需混合结构。

为了模拟混合结构的效果，使用12mm直径的圆源，并且使用du'v'来定义颜色差异。参考是u'v'加权的平均数。用于聚光照明的颜色伪像的能源之星^TM标准需要du'v'<=0.005在最大强度的10％以内，不过不同的应用可能具有不同的要求。在非常要求高的应用中，诸如博物馆照明，在最大强度的1％以内的du'v'<=0.005可能适用。

在模拟中，应用了在透镜的进入表面处提供的、具有高斯分布的8.5ºFWHM的增加模糊。图7A中的曲线图示出了相对于射束内的角度的线性强度分布。实线是没有模糊的强度分布，虚线示出了具有上述混合结构的相同透镜的光强度分布。在图7A中标绘的曲线图示出：模糊使射束的清晰度平滑，即约8º，但对FWHM射束宽度的影响非常有限，即仅约2º，即图7A中的曲线图示出：透镜的进入表面上的小（高斯）模糊使射束平滑，而不增加FWHM射束宽度。射束的清晰度可以描述为其中强度从最大强度的90％降低到最大强度的10％的角度空间。如果角度空间小，则射束清晰。图7A示出了在没有由结构混合所致的增加模糊的光束中，强度在小角度空间中从90％降低到10％，即从约5º处的90％至约7.5º处的10％。图7A还示出了在具有由混合结构所致的增加模糊的光束中，光分布遵循基本上是高斯分布的曲线，并且其中强度从90％降低到10％的角度空间在此情况下大得多，即从约3º处的90％至约9º处的10％。因此，具有增加的模糊的射束不太清晰，但仍然比通过光源和反射器的类似组合所获得的射束清晰。

图7B中的曲线图示出了相对于射束内的角度的du'v'。实线示出了du'v'在6º和7º之间的区域中的大增加，其中强度仍然高，即图7A中的曲线图示出所述区域中的强度高达最大强度的大致40％。这没有按照能源之星标准，并且在要求高的应用中不可接受。与此相反，图7B中的虚线示出：在最大强度的1％的强度下du'v'在0.002左右，这是由混合结构引起的模糊效果的结果。根据本发明的照明设备具有针对强度分布和颜色差异du'v'的虚线的特性，并且满足较早前提到的能源之星^TM标准的规格。此外，为使色差可接受，模糊甚至可以小一点，使得射束的强度分布图甚至稍微更好。最优值可以通过试错过程中的模拟来定义。优选地，射束扩展的期望量是所需的两个最小值（针对不存在色差和不存在成像）中的较大者，因为于是两个准则都被满足，并且还避免了可以使射束宽度变宽而没有任何可见成效的任何附加的、不必要的扩展。

如果透镜的进入表面上的FWHM模糊大于不具有模糊结构的射束角度的FWHM，则其将导致增加的FWHM射束宽度。这得出以下结论：FWHM中的最大扩展等于不具有模糊结构的相同透镜几何形状的FWHM中的射束宽度。在这没有给出足够的结果的情况下（由于不能改变的参考系的参数）应当接受较大的射束。

图8A-F示出了作为距光轴的径向距离的函数的模糊强度FWHM的示例。如所示的，模糊强度可以根据径向R上的各种分布图而变化。模糊强度FWHM可以以小的、恒定的梯度（图8B）逐渐增大，或者以小的稍微增大的梯度（图8A）或稍微减小的梯度（图8C）逐渐增大，或者以梯度的突然陡增（图8E）逐渐增大。模糊强度可以阶梯式地，但连续且逐渐地增大（具有单个台阶（图8E）或多个台阶（图8F））。如所示的，在大多数情况下，混合结构的模糊强度FWHM从光学轴开始在径向R上增大到至少1.1倍，优选地增大到至少1.6倍，在图8D中所述倍数大约为2.8。显然，图8A-F仅示出了示例，并且可以设想其他梯度。

Claims

1.一种用于在沿着光轴的主方向上发出光束的照明设备，所述照明设备包括：

- 光源；

- 正折射透镜，其设置在所述光轴上，所述透镜相对于所述光源沿着所述光轴可移动；以及

- 混合结构，其设置在所述光轴上并具有模糊强度FWHM，FWHM在3º至15º的范围内，所述混合结构的所述模糊强度随着径向上距所述光轴的距离R的增加而逐渐且连续地增加。

2.根据权利要求1所述的照明设备，其特征在于，所述混合结构的所述模糊强度从光轴开始在径向R上增加到至少1.1倍，优选增加到至少1.6倍。

3.根据权利要求1或2所述的照明设备，其特征在于，所述模糊强度FWHM在4.5º至10º的范围内。

4.根据权利要求1、2或3所述的照明设备，其特征在于，所述模糊具有根据高斯分布图的分布。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的照明设备，其特征在于，所述混合结构设置在所述光源和所述透镜之间。

6.根据权利要求5所述的照明设备，其特征在于，所述混合结构设置在单独的载体上。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的照明设备，其特征在于，所述混合结构设置在所述透镜的面向所述光源的光进入表面上。

8.根据权利要求1、2、3或4所述的照明设备，其特征在于，所述混合结构在一个部件中。

9.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备，其特征在于，所述混合结构具有至少一个微尺寸的纹理，所述纹理选自由下述组成的组：小面、凹小透镜或凸小透镜、棱镜、棱脊、气体夹杂物、磨砂表面、喷砂表面、蚀刻表面、液体夹杂物、固体夹杂物。

10.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备，其特征在于，所述混合结构体现为几何规则结构。

11.根据前述权利要求1至9中任一项所述的照明设备，其特征在于，所述混合结构体现为随机结构。

12.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备，其特征在于，所述透镜是非球面透镜。

13.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备，其特征在于，所述透镜具有直径D_L，并且所述光源具有直径D_LS，其中D_L/D_LS>=6，优选地D_L/D_LS>=8。

14.一种设置有具有模糊强度FWHM的混合结构的透镜，FWHM在3º至15º的范围内，所述混合结构的所述模糊强度随着径向上距光轴的距离R的增加而逐渐且连续地增加。

15.一种获得光束的期望的或需要的质量的方法，所述方法包括以下步骤：

- 选择用于产生初级光束的光源；

- 为次级光束选择色差和几何差异中的至少一种的至少一个期望的或需要的门限值；

- 提供用于将初级光束变换为次级光束的混合结构，所述混合结构设置在光轴上，并且具有模糊强度FWHM，FWHM在3º至15º的范围内，所述混合结构的所述模糊强度随着径向上距所述光轴的距离R的增加而逐渐且连续地增加；

- 通过所述混合结构的模糊强度的变化来改变光束的变换，以确定最小的增加的模糊，通过所述最小的增加的模糊，获得用于所述次级光束的所述至少一个期望的或需要的门限值。