CN109313325A - 用于照明目的的光学透镜 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于照明目的的光学透镜(L)，包括侧表面(C)和光出射表面(B)，其中底侧以平面方式成形并具有用于接收光源的与光学相关的凹口，其特征在于透镜(L)具有完全被涂覆反射涂层的侧表面(C)，并且具有带有两个顶点(b1b2)的光出射表面(B)，其中两个顶点分别表示从光出射表面(B)过渡到侧表面(C)的最高顶点和最低顶点。

Description

用于照明目的的光学透镜

技术领域

本发明涉及交通工程领域，并且涉及专门设计的用于隧道系统的照明装置的透镜，以及包含这种透镜的照明装置。

背景技术

由于严格的照明标准，交通隧道的照明对光学设计和照明设计是一个挑战。特别是，隧道入口区域是关键的，因为人眼必须适应快速变化的光照水平(适应)。此外，在通过隧道行驶期间感觉到炫目是一个重要因素，其已由管理部门进行了标准化。

近年来在隧道区域中建立的照明概念是所谓的前光束和反光束原理。在前光束原理中，主发射方向在光路上的投影平行于行驶方向，而在反光束原理中投影反向平行于行驶方向。功能原理也如图4所示，其中前光束原理显示在左侧，反光束原理显示在右侧。

前光束原理的优点在于减少了照明设备的眩光，并且具有高对比度的品质因数。例如，在交通隧道的通道中使用前照灯照明。反光束原理允许高的光通量效率，其在隧道入口区域是特别需要的。因此，可以减少照明设备和灯的数量，并且可以更有效地满足标准要求。此外，在隧道入口区域采用反光束原理，以便产生眼睛适应所需的亮度分布。

现有技术中已知的具有不同适用性标准的隧道照明设备：

因此，EP 2093484B1(Bartenbach)公开了包含热缓冲器的隧道灯，热缓冲器用于缓冲作用在灯上的外部、环境或外来热量，该隧道灯包括具有相变器的蓄热器(2)，其从固态到液态和/或从液态到气态的相变温度低于灯的允许工作温度极限并高于灯的正常工作温度。这种蓄热器在发生火灾时吸收一些作用在灯上的热量，从而防止了灯或其部件在各自允许的温度极限之上的加热。然而，该文件不包含涉及光学透镜设计的任何公开内容。

相比之下，EP 2565525B1(Bartenbach)描述了这样的灯，其中透镜以暴露的方式布置并且在透镜与行驶方向相对的一侧上分别具有尖角形的边缘高度。在其外侧设置有向内侧作用的反射涂层，其在透镜的底侧上方的高度至少为透镜剩余主体的最大高度的125％，并且基本上完全捕获由透镜的发光表面上的污染物逆着行驶方向发出的散射光。

EP 2112428B1(Bartenbach)涉及一种具有不对称亮度分布的路灯，尤其是隧道灯。从行驶方向看，灯的光通量限制在灯后面的一半空间。该灯具有隐藏空间，该隐藏空间包括沿行驶方向看到的灯前方的一半空间。由于在行驶方向上对隧道或行驶区域的照明，行驶在特定车辆前方的车辆实际上从后面被照亮，使得后面的驾驶员清楚地看到它们。另一方面，通过避免来自与行驶方向相反的的一半空间的眩光实现了避免炫目。

EP 2962998A1(Swareflex)还涉及隧道透镜，其特征在于具有椭圆形自由形状的光出射表面，其中底侧是平面形状并且设置有用于接收光源的与光学相关的凹口，并且透镜由具有特定成分和确定折射率的玻璃组成。

用于照明目的的光学单元从US 7,799,509B1和WO 2012/080889A1中获知。

具有不对称光分布的光学系统具有的优点是它们能够很好地适应光分布。先前的方法是透明的自由形状透镜，还有具有盖罩和/或侧表面的部分镜像，以便产生期望的光分布。然而，现有技术存在相当大的问题：因此，特别地，部分光通量被盖罩吸收，从而灯的效率降低到60％以下。侧表面的部分镜像也是不利的，因为必须使用复杂的透镜形状以便在镜面上获得所需的光偏转。此外，各个有界侧表面的部分镜像对形成光学系统的能力具有负面影响。最后，产生的光分布高度依赖于生产公差。通常，先前的光学系统具有以下缺点：它们的光分布不具有最佳精度，因此导致光通量损失或干扰眩目。

这些缺点通常使交通隧道中的这种光学概念的使用复杂化或阻止其使用。

因此，本发明的目的是提供一种用于隧道的替代照明方案，其完全克服了现有技术的上述缺点。特别是，所有以下部分对象应同时实现：

使用简单的几何基本形式；

关于镜片主体和涂层的简单生产；

在光输出增强的同时最小化菲涅耳损耗；

最小化感知的发射表面积；

减少前束原理中的炫目；

提高了前光束和反光束原理中的光通量效率；

实现任何所需的不对称光分布的可能性；

较小的“颜色关于角度”效应(以窄角发出的光为白色至蓝色，而以广角发出的光具有黄色或黄色-红色色调。这种现象称为“颜色关于角度”(CoA))，和

容易滴落残留液体。

发明内容

一方面，本发明涉及用于照明目的的光学透镜(L)，包括侧表面(C)和光出射表面(B)，其中底侧(A)为平面形状并且具有用于接收光源的与光学相关的凹口，其特征在于所述透镜(L)

(a)具有完全涂有反射涂层的侧表面(C)，和

(b)具有带有两个顶点(b1b2)的光出射表面(B)，其中两个顶点分别表示从光出射表面(B)过渡到侧表面(C)的最高顶点和最低顶点。

“侧表面”是指成形透镜体的外表面，其与光出射表面和平面底面邻接。

换句话说，侧表面表示透镜体的外表面，没有光出射表面，并且没有具有光入射表面的平面底面。

透镜的特征还在于光出射表面(B)具有平面或弯曲设计。如果表面是平面的，则光出射表面的基本表面(B1)和光出射表面(B)是重合的。相反，如果表面具有弯曲设计，即凹，凸或凹凸形状，则光出射表面的基本表面(B1)与光出射表面(B)的切平面彼此平行。

当从一侧(表示到基本表面B1的边缘上的视图)观察时，透镜不一定具有对称设计。这意味着，例如，具有光出射表面的一侧可以比另一侧宽。例如，这也在图1中示出。类似地，两侧也可以具有相等的宽度，或者不具有光出射表面的一侧是更宽的一侧。在优选的变型中，当从一侧观察时，具有光出射表面的一侧是较宽的一侧。

另外，在一些实施例中，根据本发明的透镜可在其底侧上具有安装辅助装置。这种安装辅助装置原则上可以是已知的安装辅助装置。在优选实施例中，这些可以是翼片，或者特别是一个或多个正锁式连接元件。在一些实施例中，特别优选的是，根据本发明的透镜在底侧上具有透镜周围的凸缘形式的正锁式连接元件。

根据本发明的光学透镜在其底侧上具有安装辅助装置，相应地具有底侧的外表面延伸部。

在这样的实施例中，侧表面的下侧被安装辅助装置的边缘限制。相应的，反射表面也受到安装辅助装置边缘的限制。在所述安装辅助装置是几个以翼片或类似物形式的安装辅助装置的情况下，侧表面C既位于翼片的相应上边缘之上，又位于相应翼片边缘之间的内部空间中。在所述正锁式连接元件是凸缘的情况下，侧表面C的反射表面或侧表面C延伸到凸缘的上边缘。

本发明的实施例其中根据本发明的透镜在其底侧具有安装辅助装置，这具有不同的优点。

一个重要的优点是使用这种安装辅助装置实现了更好的连接。根据本发明的透镜增加的底部接触面积增加了可用的粘合表面。因此，根据本发明的透镜在支撑体上的粘附性也得到改善。

此外，有利的是具有较大的粘合表面，因为在这种情况下，在根据本发明的透镜的基本表面，粘合剂可以进一步施加在外部，即更远离用于接收光源的凹口；这可以防止(或至少明显减少)粘合剂流入凹口或挥发掉组分，特别是粘合剂进入凹口的情况。因此，最小化或排除了对透镜的光源和/或光入射表面造成污染或损坏的风险。

另外，有利的是，在将透镜嵌入铸件成分中的情况下，根据本发明的透镜在铸件成分中更好地(更牢固地)固定。这大大增加了相应组件的稳定性。

当然，除粘合剂之外或代替粘合剂粘合，根据本发明的透镜也可以通过安装辅助装置与支撑件机械连接；优选的可能是螺钉或铆钉。然而，也可以采用其他可能的机械连接，例如夹具。

用于接收光源的与光学相关的凹口是弯曲的光入射表面，其以凹形或凹凸形结合到透镜主体中；因此，它以凹形或凹凸形结合到透镜主体中并被称为弯曲的光入射表面。具有凹凸曲率的光入射表面分别具有凹曲率和凸曲率。在优选的变型中，弯曲的光入射表面具有椭圆形状。

在其他实施例中，光入射表面不是弯曲的，而是例如平面，有角的，正方形等；但是，必须确保足够的光线可以进入透镜。

在优选实施例中，根据本发明的透镜具有弯曲的光入射表面，其可以是椭圆形的，具有反射侧表面，优选地涂有反射涂层的表面，并且光出射表面可能是倾斜的平面或曲面。透镜系统的形状优选地简化为简单的几何基本形式。特别是，生产具有少量(≥2)简单参数化表面和立体结构的光学系统导致透镜形状易于在生产中加工。由于透镜的简单基本形式，光分布设计的限制由完全涂覆的反射边缘表面补偿。因此，光束可以以任何入射角以高效率在边缘表面处反射，而不基于TIR效应。与TIR透镜不同(TIR＝全内反射)，根据本发明的光输出较高，因为当光在透镜边缘处反射时不会发生菲涅耳损失。另外，光束可以以任何入射角反射而不基于TIR效应。这导致光分布设计的进一步自由度。而且，与TIR系统形成对照，不会发生所谓的“受抑全反射”，这就是光功率耦合到相邻介质中的原因。

在本发明的变型中，透镜由透镜主体和任选的涂层组成。

而且，由于完全涂覆的涂层或优选镜面以及光源至少部分地被其覆盖的事实，与传统的透镜系统相比，感知的出射表面是清晰的。这提供了几乎完美避免前光束原理中炫目的可能性，以及提供了前光束和反光束灯的高光通量效率，其中完全涂覆的镜面对于普通涂覆工艺是没有问题的。可以涂覆侧表面，即透镜模制部件的外表面，仅在某些区域中，即在其中由照明设备发出的光无论如何在透镜主体内不经历全反射并因此不能穿过侧面的那些区域中。

最后，与具有遮盖物的透镜系统相比，光束的效率更高，从而可以更容易地满足标准要求。

此外，出射表面以及整个玻璃体的倾斜角度可以高度变化，以使光源的光束偏转并产生所需的光分布。可以另外利用光入射表面与透镜系统的其余部分的相对位置，以进一步改变光分布。这些自由度使得能够产生任何不对称的光分布，这对于传统的透镜系统是不可能的，或者仅能在具有高损耗的情况下实现。光入射和出射表面以及侧表面的曲率对于光束是决定性的。此外，光出射表面的横截面的相对位置和尺寸在光束中起重要作用。另外，如果表面的至少部分区域或整个表面被磨面，则可以实现特别均匀的光分布。

本发明的另一个优点在于，通过新型透镜可以更容易地控制所谓的“颜色对于角度”效应。这使得使用照明装置在不希望有颜色梯度时得到好的照明状态。

透镜的形状还特别提供了安装在下降边缘中的可能性，这在道路交通中特别有利。由于光出射表面的斜边，可能的液体残余物流到光学系统的在光学技术中非关键边缘区域并在那里掉落。这减少了尘土残留物的形成，这种残留物可能对效率和光分布产生负面影响。

透镜的详细说明

根据本发明的透镜在图1a和1b中示出。参考标记具有以下含义：

A＝平面底侧，带有用于光源的凹口

B＝光出射表面

B1＝光出射表面的基本表面

C＝反射表面＝侧表面

L＝透镜体

a＝弯曲的光入射表面的中心

b1＝透镜体的顶点和光出射表面的上限

b2＝光出射表面的下限

c＝透镜体的高度

c1＝光出射表面向下达到透镜体所需高度

c2＝c和c1之间的差异(未显示)

α(alpha)＝倾斜角度

反射表面用实线表示。

光入射和出射表面用虚线表示。

玻璃体显示为灰色。

光出射表面本身优选地具有椭圆形状，在特定情况下具有圆形形状。优选地，从平面基本表面(A)到顶点(b1)测量，透镜具有约0.5至约10cm，优选约1cm至约5cm，特别是约2至约3cm的高度。然而，该表面可以具有任何更复杂的设计，例如，通过在表面中包括边缘或从表面中排除边缘。

光出射表面的基本表面可以被解释为穿过透镜主体的倾斜部分，从透镜的顶点(b1)开始并向下到达点(b2)并向下一个高度(c1，其对应于透镜总高度(c)的约5％至约75％，优选约10％至约50％，特别是约15％至约25％。特别地，该表面具有倾斜度，或者该部分具有角度，即α。基本表面的倾斜角度α是基本表面(B1)的法线与平面底侧(A)的法线之间的角度。通过在顶点(b2)的方向上向右旋转形成正角度α，通过向左旋转，即朝向顶点(b1)形成负角度。倾角α的范围为-90°至+90°。优选地，α的角度范围约为-45°至约+45°，尤其是0°至约+30°。

图1b与图1a的不同之处仅在于凸缘现在显示在下部。在该图形表示中，光入射表面部分地被所示的凸缘隐藏(在透镜的基本表面的水平面上)。侧表面C通向凸缘的上端。

基本表面的倾斜度影响主要的出射方向。光出射表面的曲率影响光分布。基本表面的倾斜角度α和光出射表面的曲率可以适应照明要求。

图2a示出了根据本发明的透镜的线框示意图，其中由于透视，不能看到光出射表面的基本表面B1上方的弯曲表面。

图2b示出了根据本发明的透镜的线框示意图，其中示出了基本表面B1上方的弯曲表面。

透镜主体和涂层

透镜主体基本上可由任何可涂覆的透光聚合物制成。然而，优选地，它们是玻璃体，因为后者的特征在于特别精确的光入射，同时电阻也高。

涂层的性质也可以是各种各样的，从铝镀层，到涂有银，金或其他金属的涂层。然而，建议以这样的方式进行涂覆或调节层厚度，使得反射率为至少80％，优选至少90％，特别是至少95％。可能的涂覆方法包括例如湿化学工艺，但也包括CVD，PVD，或尤其是喷溅涂覆法。

光源

这种连接中的光源可以是LED，OLED，LET或OLET；激光照射也是可能的。

LED，也称为发光二极管，是发光半导体器件，其电特性对应于二极管的电特性。如果电流沿正向流过二极管，则它发射光，IR辐射到UV辐射，其波长取决于半导体材料及其掺杂。

高性能发光二极管(H-LED)的工作电流高于20毫安。这导致对散热的特殊要求，其以特定结构来表现。热量可以通过电流供应线，通过反射器槽，或通过结合到发光二极管体中的热导体消散。

在本发明的上下文中可用作光源的其他合适的LED例子包括发光二极管芯片在板(板上芯片)上的直接引线键合以及随后用硅树脂组分浇铸。

用作光源的LED可以是多色的。多色发光二极管由一个外部主体中的几个(两个或三个)二极管组成。它们大多具有共同的阳极或阴极，并且每种颜色都有一个引线。在具有两个引线的实施例中，两个发光二极管芯片以反向平行的方式连接。根据极性，其中一个二极管或另一个二极管将亮起。通过合适的交流电流的可变脉冲宽度比可以实现几乎连续的颜色变化。

本发明意义上的另一种可能的光源是OLED。这些是有机发光二极管，更准确地说是由有机半导体材料制成的发光薄膜器件，其与无机发光二极管的不同之处在于电流密度和发光密度较低，并且不需要单晶材料。因此，与传统的(无机)发光二极管相比，可以通过薄膜技术以更低的成本生产有机发光二极管。OLED由几个有机层制成。大多数情况下，空穴传输层(HTL)被施加到由氧化铟锡(ITO)组成的阳极上，其存在于玻璃板上。根据制备方法，通常在ITO和HTL之间施加一层PEDOT/PSS，其用于降低空穴的注入势垒并防止铟向内扩散到连接处中。含有染料(约5-10％)的层或甚至很少发生地完全由染料组成的层，例如，铝三(8-羟基喹啉)Alq3施加到HTL上。该层称为发射极层(EL)。也可以可选地应用电子传输层(ETL)到该发射极层上。最后，在高真空下在其上沉积由金属或具有低的功函数的合金构成的阴极，例如钙，铝，钡，钌，镁-银合金。大多数情况下，在阴极和E(T)L之间气相沉积非常薄的氟化锂，氟化铯或银作为保护层，并降低电子的注入势垒。

也可以使用相应的晶体管(称为LET或OLET)代替发光二极管。

将光源施加到或插入合适的支撑件中。可选地，可以使用多于一个光源，例如，如果需要，可以是5，10，15，20或更多，它们以行或圆形排列。在每个光源上方，附上一个本发明的透镜，其中透镜中的凹口适合于光源。这种凹口通常具有椭圆形的基本表面，优选地是圆形的，但基本上也可以是任何其他形状。通过将透镜粘合到支撑件上来实现固定，其中，由底侧的其余部分形成的圆周边缘保持在底侧周围，提供了更好的支持，同时防止水分进入。优选地，借助于例如环氧树脂，用由支撑件和光源组成的组件浇铸透镜。

工业适用性

本发明还涉及一种照明装置，包括：

(a)至少一个根据本发明的光学透镜；

(b)至少一个光源；和

(c)用于放置光源和透镜的支撑件。

为了以机械稳定的方式将透镜集成在灯中，采用了各种支撑或固定技术。主要在经典光学系统中，部分光通量被吸收和/或偏离。这可能导致灯的效率降低和灯的光分布改变。由于侧表面完全涂有反射涂层，新型透镜系统完全不受这种影响，这导致整个灯的效率提高。

在本发明的一个实施例中，支撑件分别具有至少一个通气孔，该通气孔紧邻光源并位于光学透镜的凹口的基本表面内。根据本发明，例如，通过其可以把支撑件上的透镜的粘合剂的挥发性组分扩散出透镜凹口。这具有若干优点，包括可以防止根据本发明的光源和/或透镜的表面因与挥发性组分反应而被污染和/或损坏的事实。

在另一个实施例中，照明装置包括布置在支撑件上的各种透镜，优选地，透镜以规则排列布置。

典型的实施例包括照明装置，其包括大约1至200个，优选1至60个，更优选大约10个透镜；然而，具有更多透镜的照明装置也是可能的。

在优选实施例中，支撑件上的所有透镜的光出射表面B沿相同方向取向。然而，对于其他应用，还可以将光出射表面B定向在不同的方向上，可选地成组或单独定向

本发明还涉及一种照明方法，包括以下步骤：

(a)提供至少一个如上所述的照明装置；

(b)安装所述至少一个照明装置；和

(c)将所述至少一个照明装置连接到电源。

该过程涉及各种场所的照明，例如街道、机场、港口、工业厂房、游乐场和体育设施。特别是，它适用于照明隧道。安装可以以任何合适的方式实现，例如，在屋顶上、墙壁上、立柱上或起重机上。在隧道照明的情况下，元件被结合到天花板中或者在墙壁中的合适高度处，其可以可选地倾斜。结合到现有的电源板上也是可能的。

本发明最后涉及根据本发明的光学透镜或包含它们的照明装置的用途，一方面，用于照亮街道、机场、港口、工业厂房、游乐场和体育设施，特别是隧道，并且另一方面，用于均匀地照亮区域。

具体实施方式

实施例1，比较例C1至C3

为了进一步了解新型光学系统的差异，进行了三种经典透镜和新型透镜系统的光学技术模拟。所有透镜系统的模拟设置都相同，结构如下：

1.将LED放入坐标原点。

2.设置透镜CAD几何结构。

3.调整LED透镜系统的参考坐标。

4.获取极坐标中的光强分布。

5.以恒定距离和恒定尺寸设置矩形区域检测器以计算发光密度分布。

图3显示了不同光学系统的光技术模拟结果。透镜系统1(图3a)和具有遮盖物的透镜系统1(图3b)是在交通中使用的现有透镜系统。透镜系统2(图3c)代表纯透镜光学系统的模拟方案，其不符合规定的交通标准要求，而且难以生产。图3d表示新颖的光学系统。

透镜系统的光学效率指定为η。在图3a至3d的上半部分中，示出了光强度分布曲线，并且发光密度分布在下半部分中示出。水平线标记透镜的次要和主要发射平面之间的分区。发光密度分布中心的点表示透镜的位置。对于每个实施例，将发光密度分布的绝对亮度归一化为各自的最大发光密度。

透镜系统1的光学效率为η＝86％。

带遮盖物的透镜系统1的光学效率为η＝56％。

透镜系统2的光学效率为η＝82％。

根据本发明的光学系统具有的光学效率为η＝82-85％

如图3a至3d所示的四个光学系统的光学技术检测的结果说明了本发明的优点。显著较少的光投射到后部图像平面中。与具有遮盖物的透镜系统1相比，相似量的光到达后部图像平面，但由于新设计的反射侧表面，效率高达30％。与传统的单透镜系统相比，新颖的光学系统能够生产实质上更有效的灯，其另外能够产生更不对称的光分布。

Claims (15)

1.一种用于照明目的的光学透镜(L)，包括侧表面(C)和光出射表面(B)，其中底侧(A)为平面形状并且具有用于接收光源的与光学相关的凹口，其特征在于所述透镜(L)

(a)具有完全涂有反射涂层的所述侧表面(C)，和

(b)具有带有两个顶点(b1和b2)的所述光出射表面(B)，其中两个顶点分别表示从所述光出射表面(B)过渡到所述侧表面(C)的最高顶点和最低顶点。

2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜在其底侧具有安装辅助装置，优选为正锁式连接元件，更优选为凸缘。

3.根据权利要求1或2所述的透镜，其特征在于，所述光出射表面(B)设计为平面的。

4.根据权利要求1或2所述的透镜，其特征在于，所述光出射表面(B)设计为弯曲的。

5.根据权利要求3所述的透镜，其特征在于：所述光出射表面(B)的基本表面(B1)和所述光出射表面(B)重合。

6.根据权利要求4所述的透镜，其特征在于，所述光出射表面(B)的基本表面(B1)和所述光出射表面(B)的切平面彼此平行。

7.根据权利要求1至6中至少一项所述的透镜，其特征在于，从所述平面底侧(A)的中心(a)到所述透镜的所述顶点(b1)计算具有0.5至10cm的高度(c)。

8.根据权利要求1至7中至少一项所述的透镜，其特征在于，所述基本表面(B1)从所述透镜的所述顶点(b1)开始向下延伸高度(c1)到达所述顶点(b2)，延伸高度相当于所述透镜总高度(c)的5％至75％。

9.根据权利要求1至8中至少一项所述的透镜，其特征在于，所述基本表面(B1)具有跨度在所述基本表面(B1)的法线与所述平面底侧(A)的法线之间的角度α，并且α在-90°至+90°范围内。

10.根据权利要求9所述的透镜，其特征在于，所述基本表面(B1)具有跨度在所述基本表面(B1)的法线与所述平面底侧(A)的法线之间的角度α，并且α在-50°至+50°或0至+45°范围内。

11.根据权利要求1至10中至少一项所述的透镜，其特征在于，所述光源是LED或OLED。

12.一种照明装置，包括：

(a)至少一种根据权利要求1至11中至少一项所述的用于照明目的的光学透镜；

(b)至少一个光源；和

(c)用于放置所述光源和所述透镜的支撑件。

13.一种照明方法，包括以下步骤：

(a)提供至少一个根据权利要求12的照明装置；

(b)安装至少一个所述照明装置；以及

(c)将至少一个所述照明装置连接到电源。

14.根据权利要求1至11中至少一项所述的光学透镜或根据权利要求12所述的照明装置用于照明的用途。

15.根据权利要求1至11中至少一项所述的光学透镜或根据权利要求12所述的照明装置用于均匀照射区域的用途。