CN109154682B - 光学输出设备和设计方法 - Google Patents

Abstract

光学输出设备包括板，该板具有形成为镶嵌透镜阵列的至少一个表面。镶嵌透镜包括正六边形透镜镶嵌的至少第一区域和第二区域，其中第一区域和第二区域相对于彼此倾斜。通过以这种方式去除全周期性、但保持局部周期性，在颜色和强度两者中都减少了可见的非均一性。光学输出设备不需要被均一地照射以产生不具有可见的强度或颜色边缘的输出。

Description

光学输出设备和设计方法

技术领域

本发明涉及用于对从光源输出的光进行波束成形的光学输出设备。例如，本发明涉及光准直器的一部分或者灯的光出射表面。

背景技术

使用小的透镜(经常称为小透镜或者微透镜)的阵列来提供光输出功能是众所周知的。这种透镜阵列可以用在准直光源的输出处。的确，许多准直器利用在单独的窗口元件上或者集成在介电准直器的出射表面中的漫射器或者微透镜阵列。目的是提供对波束角度的调整，和/或削弱颜色伪影(特别是当与中功率LED(或者RGB LED)一起使用时)，和/或消除或者平滑掉强度伪影。

已知在透明板的一面上使用透镜的周期性阵列，例如形成方形或六边形网格。备选地，可以使用双面积分透镜对。然而，积分透镜对特别倾向于在图案的边缘产生多边形伪影，因为光分布是第一阵列的透镜的轮廓的相对清晰的图像的叠加。

六边形或者方形透镜阵列在波束中产生六边形或者方形伪影。例如，当利用平行光照射时，单个球形透镜产生类似于具有陡峭的斜率的平顶形状的强度分布。如果镶嵌这种透镜，那么每个透镜的一部分被截断，使得镶嵌透镜的强度分布呈现与透镜相同的形状，因而在边缘具有陡峭的梯度。这对于波束成形和颜色混合通常是不需要的并且不是最佳的，因为圆的无伪影的波束是优选的。

问题已经受到公认，并且存在一些部分解决方案。例如，US 7 441927作为现有技术公开了旋转对称螺旋图案，并且作为新的设计公开了去除旋转对称的镶嵌设计。它是基于叶序螺旋图案。然而，如果没有均匀地照射每处，那么这种设计可能会引起伪影。

图1示出US 7 441 927的设计。如果该设计是由多个光源照射的，那么输出波束的形状不是圆形的，如图2中由光线追踪图像所示。这是基于当通过四个单独的准直器照射时，对来自透镜设计的输出进行建模。

因此，周期性镶嵌存在问题，并且产生可见的颜色或强度非均一性的许多已知的不规则透镜镶嵌也存在问题。在均一地照射时，试图解决该问题的已知的不规则透镜镶嵌可以产生平滑的圆波束，但是当利用多个光源(例如，准直器阵列)照射时，它们仍然可能产生伪影。

因此，需要使能来自光源或者多个光源的无伪影输出以及能够提供所期望的波束成形或者波束操纵的透镜设计。

发明内容

根据参照本发明的一个方面的示例，提供了用于接收入射光和提供输出光的光学输出设备，该光学输出设备包括：

板，具有用于接收入射光的第一主表面和用于提供输出光的第二相对表面(56)，其中第一表面和第二表面中的至少一个表面包括镶嵌透镜的镶嵌表面，

其中镶嵌透镜至少包括第一区域和第二区域，其中在每个区域内，所有的六边形是具有相同的尺寸和相对于彼此相同的角度定向的正六边形，其中第一区域和第二区域在它们之间具有关于镶嵌表面的法线的透镜的相对旋转θ，其中0度<θ<30度，其中第一区域和第二区域相对于彼此随机对准，并且其中每个区域包括至少七个镶嵌透镜。

该设计提供了正六边形镶嵌的区域，但是其中区域相对于彼此旋转。注意，在任一角度方向上的低于30度的相对旋转意味着：在一个角度方向上存在高达60度的相对角度。这种小于30度(并且大于零)的最接近的相对角度意味着：一个六边形图案相对于另一个六边形图案倾斜任意量。因为该限定允许在任一角度方向上允许相对旋转，因此相对旋转角度是在一个六边形图案的边和另一个六边形图案的最对准的边之间的最小角度。通过创建许多这种旋转区域，从而去除全周期性，在颜色和强度两者中都减少了可见的非均一性。这还意味着光学输出设备不需要被均一地照射以产生不具有可见的强度或颜色边缘的输出。可以获得光输出的任何所期望的外部形状。

透镜的镶嵌可以被认为类似于多晶结构，该多晶结构具有规则晶体结构的局部区域，并且具有多个这种局部区域，但多个这种局部区域具有局部晶体结构相对于彼此的不同的(例如，随机的)对准。

例如，透镜可以具有平坦表面，在该情况中透镜被实施为小面，或者透镜可以具有弯曲表面，例如可以具有球形表面轮廓，其在它们的中心区域中是完全旋转对称的。当然，在透镜形成六边形界面的边缘处，失去完全旋转对称。因此透镜作为整体具有六次旋转对称。备选地，当透镜具有弯曲表面时，透镜可以具有非球形表面轮廓。

透镜可以各自具有相同的表面轮廓，但是还可能不同的透镜具有不同的形状和表面外形，从而局部地变化表面轮廓。

可以只在板的一个表面上提供透镜，其中另一个表面是平面的。备选地，两个表面可以都包括镶嵌透镜。

镶嵌透镜阵列(或者镶嵌透镜的每个阵列)的整体外部形状是例如圆形的。

本发明还提供了照明设备，其包括光输出设备以及设置在光输出设备之上的如上面限定的光学输出设备。

在一种布置中，照明设备是具有输出准直器的灯，并且光学输出设备包括设置在输出准直器之上的透镜板。

在另一布置中，照明设备是具有输出准直器的灯，并且光学输出设备被形成为输出准直器的集成部分。例如，光学输出设备被形成在准直器的光出射表面中。这提供了减少的部件数目。

光输出设备可以包括多个光源以及与每个光源相关联的相应的准直器，其中镶嵌透镜至少包括用于每个光源的正六边形透镜镶嵌的第一区域和第二区域。这确保了即使当存在多个光源时，可见的边界也不存在。

光学输出设备可以包括设置在准直器之上的单个透镜板。然后，存在用于不同光源的个体准直器，但是存在共享的透镜阵列。代之，准直器可以一起包括共享的准直器板，并且光学输出设备被形成为共享的准直器板的集成部分。这再次减少了部件的数目，其中单个板提供用于所有个体光源的准直和波束成形。

根据本发明的另一方面，提供了用于设计光学输出设备的方法，光学输出设备用于接收入射光和产生输出光，方法包括：

在设计模型中，将位置分派给所期望的外部形状内的球体的集合；

在模型中，在球体被限制在外部形状内的情况下，在球体之间分配排斥力；

在模型中，基于排斥力的组合影响，变更球体的位置，使得变更后的位置对应于较低能量状态，从而形成至少包括第一区域和第二区域的球体位置，其中在每个区域内，所有的六边形是具有相同的尺寸和相对于彼此相同的角度定向的正六边形，其中第一区域和第二区域在它们之间具有关于镶嵌表面的法线的六边形的相对旋转θ，其中0度<θ<30度，其中第一区域和第二区域相对于彼此随机对准，并且其中每个区域包括至少七个镶嵌透镜；以及

使用球体中心位置来限定球形、非球形或者变化的表面轮廓的透镜的位置，透镜被限定在板的第一入射光表面和第二光出射表面中的至少一个表面上。

该设计方法导致限定类似于多晶结构的图案的透镜位置。这提供了随机和规则部分的组合，随机和规则部分一起提供所期望的光成形功能，但是避免由透镜的纯规则镶嵌导致的颜色或强度的边界。

初始地，位置可以被随机地或者伪随机地分派。

第一表面可以是平面的并且第二表面可以被限定为镶嵌透镜阵列，或者第二表面可以是平面的并且第一表面可以被限定为镶嵌透镜阵列。备选地，第一表面和第二表面可以各自被限定为镶嵌透镜阵列。

透镜可以直接形成在准直器的出射表面上，或者它们可以被提供为单独的透镜板。

附图说明

现在将参照附图详细描述本发明的示例，其中：

图1示出用于镶嵌透镜的已知的螺旋图案；

图2示出当用多个光源照射图1的透镜设计时的光输出形状；

图3示出透镜镶嵌的设计中的第一步骤；

图4示出所产生的透镜镶嵌设计；

图5示出当用多个光源照射图4的透镜设计时的光输出形状；

图6在侧视图中示出使用透镜镶嵌的光学设备；

图7示出射灯的第一示例；

图8示出射灯的第二示例；以及

图9示出设计和制造方法。

具体实施方式

本发明提供了光学输出设备，其包括具有形成为镶嵌透镜阵列的至少一个表面的板。板可以是准直器的出射表面，或者板可以是单独的独立部件。镶嵌透镜至少包括正六边形透镜镶嵌的第一区域和第二区域，其中第一区域和第二区域相对于彼此倾斜。通过以这种方式去除全周期性、但保持局部周期性，在颜色和强度两者中都减少了可见的非均一性。光学输出设备不需要被均一地照射以产生不具有可见的强度或颜色边缘的输出。

局部周期性意味着布置不是完全随机的。完全随机放置将提供圆的图案，但是那么不规则透镜将在图案的边缘处产生更加渐变的光截断，因为所有透镜将产生多边形不规则的强度图案。这种渐变截断经常是不需要的，因为其增加了不需要的波束展宽。

本发明的布置提供了六边形网格中透镜的密集放置和一些(但是很少的)不规则透镜之间的折中，以提供减少的波束边缘平滑和多边形伪影。

将参照可以用于获得透镜的相对定位和形状的设计方法，描述透镜设计。

图3示出透镜30的表示的圆形布置。图3表示透镜位置和形状的计算机模型。透镜被建模为布置在基底表面(在示出的情况中为平面的，但是其它表面形状也是可能的)上的具有恒定且相等尺寸的球体，使得当它们彼此接触时它们可以重叠。这种重叠与平行于基底表面的所涉及的球体之间的排斥力相关联。

在图3中，透镜30被随机放置在一般的外部圆形形状内部。排斥力被分配在所有透镜之间。

力可以被建模为与距离的倒数或者距离的平方的倒数成比例，或者其它关系。所产生的图案不强烈依赖于所选择的定律。

然后，可以使用算法根据所有邻近透镜的组合力来移动透镜。整体布置被限制在所期望的外部形状(在该示例中为圆形)内，并且在基底表面内。最终，算法提供透镜的中心点列表。如上面提到的，在球形或者非球形表面轮廓的情况下，透镜可以具有旋转对称。这种透镜的交叉提供了这种透镜阵列的最终形状。

该过程作为迭代过程被多次执行，直到达到稳定状态。通过该方式，透镜被建模以松弛到能量的最小值。结果等价于多晶结构，该多晶结构具有被更多不规则布置的透镜中断的完美六边形结构的晶体区域。该算法收敛到能量的局部最小值，该局部最小值具有“冻结的”六边形区域。然而，巧合地或者在非常大的数目的迭代之后，算法可以导致单晶布置的全局最小值。在该情况中，可以选择新的随机布置，并且迭代循环可以在到达适当的类似多晶的布置时停止。

算法提供透镜的中心点列表。如上面提到的，在球形或者非球形表面轮廓的情况下，透镜可以具有旋转对称。这种透镜的交叉提供这种透镜阵列的最终形状。

整体透镜设计例如包括100个到10000个之间的透镜。存在至少两个不同的区域，更优选地5个或者更多个区域，例如5个到20个之间的区域。不同区域之间的相对角度基本上是随机的，并且可以存在具有相对于彼此的平行定向的区域以及具有相对旋转角度的区域。

整体透镜阵列具有10mm到100mm的典型直径，但是更小以及更大的阵列是可能的。可以使用任何介电材料，最常见的有聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和玻璃。透镜板的厚度通常在1.5mm至5mm的范围内，但是0.1mm至0.5mm厚的膜是可能的，并且比5mm厚的板也是可能的。

在塑料板或者膜的情况中，透镜板可以被注射成型或者热压花。玻璃成型可以用于玻璃板。

图4中示出所产生的设计。其示出用于接收入射光(例如，从图4的平面的下面)以及提供输出光(例如，自图4的平面离开)的光学输出设备32。

五个区域40(包括40a和40b)被示出为正六边形镶嵌的。

通过该情况意味着在区域内的六边形全都是具有相同尺寸的正六边形，并且它们全都具有相对于彼此相同的角度定向。因此，它们可以被认为对应于单晶正六边形格子的一部分。

当存在至少7个正六边形时，认为一个区域被限定(即，一个中心六边形和六个围绕的六边形)。区域可以具有更多的正六边形，例如在7个和100个之间，例如30个。

这些区域中的至少一些区域具有不同的角度定向。如果最接近平行的来自两个六边形网格的边缘之间的角度偏移在0度和30度之间，则一个六边形网格的角度定向不同于另一六边形网格。针对区域40a和40b，该偏移角度被示出为图4中的θ。旋转是关于镶嵌表面的法线方向。对于平面的镶嵌表面，只存在一个法线方向，但是对于非平面的表面，旋转是关于局部表面法线。

这意味着区域之间的六边形是不规则的，因为它们需要形成一个区域的角度定向和下一相邻区域的不同角度定向之间的转变。

图4中示出的最小的区域具有大约九个六边形，图4中示出的最大区域包括大约四十个六边形。通过控制算法，可以形成更小或者更大的晶体区域。所导致的效果是当在许多晶体区之上照射时，形成不具有颜色和强度伪影的平滑且圆的光输出。

图5示出基于用四个单独准直器照射透镜板的光线追踪图像，并且其示出所期望的圆形输出形状。

算法提供透镜的中心点列表。如上面提到的，在球形或者非球形表面轮廓的情况下，透镜可以具有旋转对称。这种透镜的交叉提供了这种透镜阵列的最终形状。

透镜设计可以被应用于形成单面透镜表面，具有平面的相对面。透镜可以面向光源，使得外部表面是平滑的，或者它们可以背对光源。透镜板可以是例如准直器的输出面，或者透镜板可以是单独的部分。当许多透镜被照射时，透镜板产生圆的强度图案。

代之，透镜设计可以形成在板的两个相对面上，以形成双面积分器阵列。在该情况中，对于积分功能，透镜位置需要配对，使得顶部和底部表面放置沿着光学轴对齐。

透镜表面可以具有球形轮廓或者非球形轮廓，并且这些轮廓可以在整个阵列之上是恒定的，或者它们可以局部地变化。

光学输出设备可以被应用为射灯(诸如，MR16、GU10、AR111灯)或者抛物面反射器(PAR)灯的输出表面。它可以用于零售照明、家用照明和专业投射照明。

图6在侧视图中示出光学设备32。

光学设备32包括板50，板50具有用于接收入射光54的第一(主)表面52和用于提供输出光58的第二相对表面56。在图6中，第二表面56包括镶嵌透镜，但是可以是第一表面52包括镶嵌透镜，或者两个表面都包括镶嵌透镜。

图6示出平坦板50，但是板50可以是弯曲的。这种非平面的表面可以例如是具有小的曲率(相比于板的尺寸)的球体的一部分，或者它甚至可以是自由式形状。透镜可以是板50的集成部分，或者可以存在两个单独的层。

图7示出具有单个LED 60的射灯，单个LED 60具有输出准直器62以及形成准直器的光出射表面的光输出设备。

图8示出具有四个LED 70的集合的射灯，四个LED 70各自具有相关联的准直器72，并且共用的光输出设备32再次形成光出射表面。在该示例中，光源具有准直器阵列形式的几个发射区，并且多晶镶嵌被设计为使得多个正六边形区域与每个光发射区相关联。由每个准直器照射至少两个晶体区域，更优选地更大数目的、诸如至少10个晶体区域。

代之，光输出设备可以作为准直器的一部分被提供为直接在相应的光源之上。因此，透镜阵列可以是单独的部件，用于一个光源或者用于光源阵列，或者透镜阵列可以被集成到单个光源的准直器或覆盖光源阵列的准直器中。

当使用单独的透镜板时，准直器可以是任何类型的准直器。当透镜阵列被集成到准直器或准直器阵列中时，如果准直器具有可以将透镜置于其上的连续的出射表面，那么可以使用公知的全内反射(TIR)透镜、菲涅尔(Fresnel)透镜或者TIR菲涅尔透镜。

图9示出上面所解释的设计方法和制造方法。

在步骤80中，将位置随机分派给球体集合。

在步骤82中，排斥力被建模为在球体被限制在外部形状内的情况下在球体之间分配。

在步骤84中，基于排斥力的组合影响，修改球体的建模位置，使得变更的位置对应于较低能量状态，从而形成上述镶嵌。

在步骤86中，使用球体中心位置来创建所选择的形状的元件(诸如，球形或者非球形透镜)的阵列(例如，使用CAD程序执行的)，并且交叉被截断，以形成坚固的透镜阵列。

在步骤88中，根据设计制造透镜板。

透镜阵列被应用于的基底表面可以是平面的或者非平面的。

根据对附图、公开内容和随附的权利要求的研究，本领域的技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词汇“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或者“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纯粹的事实不指示这些措施的组合不能有利地被使用。权利要求中的任何参考标记不应该被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种用于接收入射光(54)和提供输出光(58)的光学输出设备(32)，包括：

板(50)，具有用于接收所述入射光的第一主表面(52)和用于提供所述输出光的相对的第二表面(56)，其中所述第一主表面和所述第二表面中的至少一个表面包括镶嵌透镜(30)的镶嵌表面，

其中所述光学输出设备至少包括六边形透镜的第一区域(40a)和第二区域(40b)，其中在每个区域内，所有的六边形是具有相同尺寸和相对于彼此的相同角度定向的正六边形，其中所述第一区域和所述第二区域在它们之间具有关于所述镶嵌表面的法线的所述透镜的相对旋转角度θ，其中0度<θ<30度，所述相对旋转角度是在所述第一区域(40a)中的一个六边形图案的边和在所述第二区域(40b)中的另一个六边形图案的最接近平行的边之间的最小角度，其中所述第一区域和所述第二区域一共包括至少五个不同区域，所述至少五个不同区域具有在所述不同区域之间的随机的相对角度，并且其中所述第一区域(40a)和所述第二区域(40b)中的每个区域包括至少七个镶嵌透镜(30)，所述至少七个镶嵌透镜(30)包括一个中心六边形和六个围绕的六边形。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述镶嵌透镜(30)具有球形表面轮廓或者非球形表面轮廓。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述镶嵌透镜(30)各自具有相同的表面轮廓。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一主表面(52)是平面的，并且所述第二表面(56)包括所述镶嵌透镜(30)的阵列，或者所述第二表面是平面的，并且所述第一主表面包括所述镶嵌透镜的阵列。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一主表面(52)和所述第二表面(56)各自包括镶嵌透镜的阵列，各自至少包括正六边形透镜镶嵌的第一区域和第二区域，其中所述第一区域和所述第二区域在它们之间具有在0度至30度之间的相对旋转。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的设备，其中所述镶嵌透镜的阵列或者镶嵌透镜的每个阵列的外部形状是圆形的。

7.一种照明设备，包括：

光输出设备(60、70)；以及

根据权利要求1-6中任一项所述的光学输出设备(32)，被提供在所述光输出设备之上。

8.根据权利要求7所述的照明设备，包括具有输出准直器(62)的灯，并且所述光学输出设备(32)包括设置在所述输出准直器之上的透镜板。

9.根据权利要求7所述的照明设备，包括具有输出准直器(62)的灯，并且所述光学输出设备(32)被形成为所述输出准直器的集成部分。

10.根据权利要求7所述的照明设备，其中所述光输出设备包括多个光源(70)以及与每个光源相关联的相应的准直器部分(72)，其中所述镶嵌透镜至少包括用于每个光源的正六边形透镜镶嵌的第一区域和第二区域。

11.根据权利要求10所述的照明设备，其中：

所述光学输出设备包括设置在所述准直器部分(72)之上的单个透镜板(74)；或者

所述准直器部分一起包括共享准直器板，并且所述光学输出设备(32)被形成为所述共享准直器板的集成部分。

12.一种用于设计光学输出设备的方法，所述光学输出设备用于接收入射光并且产生输出光，所述方法包括：

在设计模型中，将位置分派给所期望的外部形状内的球体的集合，

在所述模型中，在球体被限制在所述外部形状内的情况下，在球体之间分配排斥力；

在所述模型中，基于所述排斥力的组合影响，变更所述球体的所述位置，使得变更后的位置对应于较低能量状态，从而形成至少包括第一区域和第二区域的球体位置，其中在每个区域内，所有的六边形是具有相同尺寸和相对于彼此的相同角度定向的正六边形，其中所述第一区域和所述第二区域在它们之间具有关于镶嵌透镜(30)的镶嵌表面的法线的所述六边形的相对旋转角度θ，所述相对旋转角度是在所述第一区域中的一个六边形图案的边和所述第二区域中的另一个六边形图案的最接近平行的边之间的最小角度，其中0度<θ<30度，其中所述第一区域和所述第二区域相对于彼此随机对准，并且其中每个区域包括至少七个镶嵌透镜(30)；以及

使用所述球体的中心位置来限定球形、非球形或者变化的表面轮廓的透镜的位置，所述透镜被限定在板(50)的第一入射光表面和第二光出射表面中的至少一个表面上。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述位置被随机地或者伪随机地分派。

14.根据权利要求12所述的方法，包括：将所述第一入射光表面限定为平面的并且将所述第二光出射表面限定为所述镶嵌透镜的阵列，或者将所述第二光出射表面限定为平面的并且将所述第一入射光表面限定为所述镶嵌透镜的阵列，或者将所述第一入射光表面和所述第二光出射表面各自限定为镶嵌透镜的阵列。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述外部形状是圆形的。

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