CN110235043A - 用于管理来自发光二极管的光的光学系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种光学系统，该光学系统包括光学器件和反射器。光学器件具有后表面、腔体和与后表面相背对的前表面，该腔体被构造成接收来自光源的光，前表面被构造成发射由光学器件处理的光，并且前表面包括居中设置的凸区。光学器件的前表面和后表面在相对于腔体在外围延伸的边缘处相交。反射器被设置成邻近光学器件，并且包括发光端、邻接边缘的光接收端、和在光接收端与发光端之间延伸的锥形区。

Description

用于管理来自发光二极管的光的光学系统

相关申请

本专利申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2017年1月31日提交的标题为“用于管理来自发光二极管的光的光学系统(Optical System For Managing Light From a LightEmitting Diode)”的美国临时专利申请号62/452,811的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

所述技术的实施方案整体涉及照明系统，并且更具体地涉及管理来自至少一个发光二极管(LED)的光的光学系统。

背景技术

对于照明应用，发光二极管提供了与其能量效率、光质量和紧凑尺寸相关联的大量潜在有益效果。然而，为了实现由发光二极管所提供的全部潜在有益效果，需要新技术。

例如，本领域需要管理由单个发光二极管、大型板载(COB)发光二极管和发光二极管阵列所发射的光。此类需要包括以提供受控照明的方式处理来自一个或多个发光二极管的发射光的改善，例如在可适用于对足球场或另外的运动场所进行照明的高输出照明系统中。此类需要还包括尺寸紧凑并且能够处理来自尺寸较大的发光二极管的光的改善的光学器件。

解决一种或多种此类需要或本领域的一些其他相关缺陷的能力将支持改善的照明系统以及发光二极管在照明应用中的更广泛的利用。

发明内容

在一个实施方案中，本公开涉及一种光学器件，该光学器件包括后表面和腔体，该腔体被构造成接收来自光源的光。光学器件还包括被构造成发射由光学器件处理的光的前表面，前表面包括居中设置的凸区。光学器件的前表面和后表面相交以形成相对于腔体在外围延伸的边缘。前表面还包括设置在边缘与居中设置的凸区之间的凹区，凹区围绕居中设置的凸区在外围延伸。

在另一个实施方案中，本公开涉及包括光学器件和反射器的系统。光学器件包括后表面、腔体和与后表面相背对的前表面，该腔体被构造成接收来自光源的光，前表面被构造成发射由光学器件处理的光，并且前表面包括居中设置的凸区。光学器件的前表面和后表面在相对于腔体在外围延伸的边缘处相交。反射器被设置成邻近光学器件，并且包括发光端、邻接边缘的光接收端、和在光接收端与发光端之间延伸的锥形区。

在又一个实施方案中，本公开涉及一种照明系统，该照明系统包括基板、安装在基板上的至少一个发光二极管、安装在基板上的光学器件、以及反射器。光学器件包括被设置成接收来自至少一个发光二极管的光的腔体、围绕腔体周向延伸的全内反射表面、被设置成发射发射光的折射表面、以及在全内反射表面与折射表面之间形成的边缘。反射器包括邻接边缘的光接收端、和与光接收端相对的发光端。在一个示例中，反射器可安装到基板，使得在光学器件与中空的反射器之间的物理接触仅发生在边缘处。又如，反射器可安装到基板，使得边缘与反射器的光接收端之间存在间隙。在又一个示例中，光学器件的腔体可包括至少一个侧壁，其中至少一个侧壁包括被构造成减少从光源接收的光的一部分的折射的多个成角度的小平面。在又一个示例中，腔体可包括最宽腔体直径，并且光源包括最宽光源直径，其中最宽光源直径大于最宽腔体直径的一半。

根据以下具体实施方式和所附权利要求书，这些及其他方面、目的、特征和实施方案将显而易见。

附图说明

附图仅示出了用于包括折射器和反射器的光学系统的方法、系统和装置的示例性实施方案，因此不应视为限制范围，因为这些示例性实施方案可允许其他同等有效的实施方案。附图中示出的元件和特征部未必按比例绘制，而是将重点放在清楚地说明示例性实施方案的原理上。另外，某些尺寸或位置可被放大以有助于在视觉上传达此类原理。在附图中，附图标记表示相似或对应但不一定相同的元件。

图1A示出了根据本公开的示例性实施方案的光学系统的侧透视图。

图1B示出了根据本公开的示例性实施方案的图1A的光学系统的侧视图。

图1C示出了根据本公开的示例性实施方案的图1A的光学系统的后视图。

图1D示出了根据本公开的示例性实施方案的图1A的光学系统的前视图。

图2A、图2B和图2C示出了根据本公开的示例性实施方案的图1A的光学系统的光学部分的侧剖视图，该光学系统叠加有来自光源的代表性光线迹线。

图3A和图3B示出了根据本公开的示例性实施方案的图1A的光学系统的侧剖视图，该光学系统叠加有来自光源的代表性光线迹线。

图4示出了根据本公开的示例性实施方案的图1A的光学系统的侧剖视图，该光学系统叠加有来自光源的代表性光线迹线。

图5示出了根据本公开的另一个示例性实施方案的光学器件的侧剖视图。

图6示出了根据本公开的示例性实施方案的光学系统的侧剖视图，该光学系统包括图5的示例性光学器件并且叠加有来自光源的代表性光线迹线。

图7示出了根据本公开的示例性实施方案的图5的示例性光学器件的一部分的放大侧剖视图，该示例性光学器件叠加有来自光源的代表性光线迹线。

图8示出了根据本公开的示例性实施方案的包括图5的示例性光学器件的光学系统的侧剖视图。

具体实施方式

在本文所述的一些示例性实施方案中，照明系统可包括光学系统，该光学系统接收从光源(例如，发光二极管光源)发射的光，并且该光学系统处理(例如，折射、反射或以其他方式修改)所接收的光以提供照明。在本文所述的一些示例性实施方案中，照明系统可包括光学器件和相关联的反射器。在一些示例性实施方案中，照明系统的尺寸可被设定成递送呈窄光束泛光形式的高照明度，诸如可用于户外运动场所。

下文将参考示出了技术的实施方案的附图的示例更详细地描述一些代表性实施方案。然而，技术可具体体现为许多不同形式，并且不应解释为限于本文所阐述的实施方案；相反，提供这些实施方案使得本公开将是周密且完整的，并且将向本领域技术人员完全传达技术的范围。

附图仅示出了示例性实施方案，因此不应视为对本公开实施方案的限制，因为其他同样有效的实施方案也在本公开的范围和实质内。附图中示出的元件和特征部未必按比例绘制，而是将重点放在清楚地说明实施方案的原理上。另外，某些尺寸或位置可被放大以有助于在视觉上传达这些原理。在附图中，不同附图间的类似附图标记表示相似或对应但不一定相同的元件。

图1A、图1B、图1C和图1D(统合图1)示出了包括光学器件150和相关联的反射器125的示例性光学系统100。在图1中，光学器件150被示出为不透明的以促进观察，但在物理实现中可为光学透明的。例如，光学器件150可具有透明硅树脂、透明丙烯酸或其他适当光学级聚合物的组合物。图1A示出了光学系统100的侧透视图。图1B示出了光学系统100的侧视图。图1C示出了光学系统100的后视图。图1D示出了光学系统100的前视图。

图2A、图2B和图2C(统合图2)示出了叠加有来自光源155的代表性光线的光学器件150的示例性实施方案的侧剖视图。光源155可包括一个或多个发光二极管，并且在图中被表示为点源。图2A、图2B和图2C中的每一者均示出了来自不同立体角度的点光源发射光的代表性光线，以有利于读者观察光线。尽管在图中为简单起见被示出为点光源，但光源可为多种光源中的任何一种光源，包括但不限于分立LED、多个LED、板载LED或有机LED。本文所述的示例性光学系统的一个优点在于，这些示例性光学系统可适应相对较大的光源而不需要相应增加光学系统的尺寸。换句话讲，光学器件和反射器的尺寸可保持相对小，同时能够处理来自具有较大尺寸的光源的光。

图3A和图3B示出了叠加有来自光源155的代表性光线的光学系统100的示例性实施方案的侧剖视图。

如图1B和图2A中最佳所示，光学系统100被构造用于安装到基板161，诸如电路板或可提供结构支撑的其他适当元件。基板161沿参考平面160延伸。在一些示例性实施方案中，光源155可直接安装到基板161。在一些示例性实施方案中，光学器件150也可直接安装到基板161。在一些其他示例性实施方案中，光学器件150附接到光源155，并且所得单元直接附接到基板161。

将在下文进一步详细讨论的反射器125可直接附接到光学器件150或可直接附接到基板161。在直接附接到基板161的示例中，光学器件150和反射器125可彼此接触或彼此略微分开，例如具有小于约0.5mm或1.0mm的间距。在一些实施方案中，光学器件150和反射器125以避免与光学器件150的任何光学表面物理接触的方式分开地附接到基板161，这将妨碍光学器件150的预期光学功能。

在例示的实施方案中，并且如图2B和图3A中所示，光学器件150和反射器125可以是关于轴线179旋转地对称的。轴线170可包括光学器件150、反射器125和光源155的光轴。

如图3A(和其他附图)的剖视图中所示，在例示的实施方案中，光学器件150包括被取向为接收来自光源155的光的腔体105。腔体105具有接收来自光源155的光的开口、和侧壁115(例如，如果腔体为圆柱形)，或延伸到光学器件150的主体中的多个侧壁。腔体105的底部呈起伏状以形成会聚入射光的凸面110，如图3B中最佳所示。

在例示的实施方案中，光学器件150还包括全内反射表面145。如图3B(以及其他附图)的横截面中所示，全内反射表面145围绕腔体105周向或在外围延伸。

如图2A所示，例示的示例性光学器件150包括后表面177，该后表面限定腔体105并且可抵靠或沿基板161定位，使得后表面177沿参考平面160延伸或位于该参考平面中。如图所示，光学器件150的全内反射表面145的横截面是弯曲的，并且该全内反射表面从后表面177横向延伸到光学器件150上的边缘120。

光学器件150还包括位于与后表面177相对的一侧上的发光侧(前侧)，并且发光侧被边缘120限定。如图所示，光学器件150的发光侧包括凹区135和居中定位的凸区140。凹区135被设置成邻近边缘120并且围绕凸区140在外围延伸。在例示的示例中，凹区135可被表征为凹槽。如图1A至图3B的示例中进一步所示，凸区140和凹区135形成连续平滑表面(或如横截面所观察的曲线)，当该连续平滑表面(或如横截面所观察的曲线)从光学器件150的一侧上的边缘120沿发光侧延伸到光学器件150的相对侧上的边缘120时表面无突变。

如图2A的剖视图所示，在例示的示例中，凹区135具有被设置在距参考平面160第一距离167处的凹区底部。居中定位的凸区140的中心或顶点被设置在距参考平面160第二距离165处。边缘120被设置在距参考平面160第三距离166处。在例示的示例中，在参考平面160与凹区135的底部之间的第一距离167小于第二距离165和第三距离166两者。第三距离166介于第一距离167和第二距离165之间。

作为表征所例示的示例性光学器件150的代表性几何形状的另一种方式，凹区135可具有保持流体的形式。换句话讲，虽然凹区135提供光学功能，但是凹区135的形状和取向可以可用作流体的容器的方式形成。更具体地讲，如图所示，凹区135和光学器件150被构造成使得参考平面160可相对于重力水平定位，并且光学器件150可被取向为安置在参考平面上(如图2A中所示，但不限制)。在该假设构型中，凹区135具有相对于重力的形式和取向，使得放置于凹区135中的液体可保持在凹区135中。

如图1和图3所示，光学系统的示例性反射器125包括被取向为接收、处理和发射从光学器件150发射的光的锥形反射表面。在一个实施方案中，反射器被设计成漫反射光并且可由白色塑料、金属化塑料或纺丝金属制成。在横截面或侧视图中，反射器125在例示的示例中是弯曲的。如图所示，边缘120和反射器125的光接收端彼此邻接以形成界面130。在相反端，光在反射器的发光端处离开反射器125。在例示的示例性实施方案中，反射器125在界面130处向上邻接到边缘120。在例示的实施方案中，可使用多种机构接合反射器125和边缘120，诸如共模制这两个部件或形成凹口以使一个部件配合在另一个部件内。结合图5和图8所示的实施方案描述了用于接合这两个部件的其他示例性机构。在又其他实施方案中，反射器125可附接到基板161并且可接触或可不接触光学器件150。换句话讲，在一些实施方案中，反射器125与光学器件150的边缘120之间可存在小间隙。

反射器125和光学器件150可被形成为使得光学器件150的全内反射表面145和反射器125的反射表面在界面130处向内弯曲。例如，如图1B所示，在一些实施方案中，线170可被绘制成与反射器125的外表面相切并且还与光学器件150的全内反射表面145相切。在界面130处，全内反射表面145和反射表面可从该切线170移位，使得存在间隙175。

如图2A所示，凸面110和凸区140协同准直由光源155的点源模型发射的立体角度的光。如图2B所示，由光源155发射的另一立体角度的光穿过侧壁115并且被全内反射表面145向前反射以产生附加的准直光。

如图2C所示，由光源155发射的另一立体角度的光透射穿过侧壁115并在凹区135处或其附近离开光学器件150。如图3A所示，反射器125反射该光并将该光向前引导以产生附加的准直光。如图3B所示，光学系统100的复合输出对由光源155(当被建模为点光源时)产生的光进行准直。当光源155被物理地实现为大型板载发光二极管时，在一些示例性实施方案中，光学系统100可管理高输出光并递送理想的均匀照明。例如，如图4所示，在某些实施方案中，光源155可具有大于腔体105的开口面积的一半的面积，但光学系统100的设计能够递送在很大程度上准直的理想的均匀照明。以另一种方式测量并且如图4中进一步示出，光源155在其最宽点处可具有直径(最宽光源直径430)，该直径可大于腔体105在其最宽点处的直径(最宽腔体直径435)的一半。在又其他实施方案中，最宽光源直径430可大于最宽腔体直径435的四分之三。

现在参见图4至图8，将讨论本公开的另选示例性实施方案。图400示出了光学系统100，该光学系统具有许多先前已解释并且将不再重复的相同特征部。光学系统100生成由图4中的光线405和光线410所示的准直光束。然而，如图4中进一步所示，在某些实施方案中，可发射未准直的光线415。即，光线415被光学器件150的区420折射，以这种方式使得光线通过全内反射表面145离开光学器件，或被全内反射表面145反射回到光学器件150中。光线415的这种折射降低了光学系统100的效率并且可形成不期望的光图案。

为了解决图4所示的散射光线415，图5至图8示出了光学器件150的另选实施方案，其包括使穿过腔体105的凸面110附近的侧壁115的光线的折射最小化的小平面。参考图5至图8所示的实施方案，示出了如结合图1A至图3B所述的光学系统的许多相同特征部，并且将不再重复。然而，图5至图8的光学器件150包括沿着侧壁115的与腔体105的凸面110相邻的小平面530。在小平面530附近的区中，图4的光线415被折射并导致图4所示的不需要的散射。为了使光线415的不需要的散射最小化，小平面530使从腔体105穿过腔体105的凸面110附近的侧壁115的光线的折射最小化。如图7中提供的小平面530的放大视图所示，小平面包括长面750和短面755。长面750相对于侧壁115成大于0度并小于90度的角度。小平面530的形状被设置为使得光线640在小平面530的长面750处穿过侧壁115。因此，光线640的折射被最小化，并且这些光线被反射器125以准直的方式反射，如图6所示。虽然图5至图8的示例性实施方案显示具有长面750和短面755的小平面530，但在另选实施方案中，小平面可采取其他形式或形状以实现将散射光束415最小化的相同目标。在图5至图8的示例性实施方案中，小平面530是旋转地对称的并且沿着与腔体105的凸面110相邻的整个侧壁115延伸。然而，在另选实施方案中，小平面可在腔体105内具有另选位置。

参考图8，示出了光学系统的一个具体实施方案。图8所示的实施方案包括先前所述的许多相同特征部，并且这些描述将不再重复。另外，图8的实施方案示出了反射杯860，光学器件150位于该反射杯中。反射杯860是具有反射内表面的可选特征部，该反射内表面用于将任何杂散光反射回光学器件150。图8所示的示例性反射杯860还具有安装架865，该安装架接纳从反射器125向下延伸的凸出部。在图8(以及图5中)中所示的示例性光学器件150中，边缘120形成为水平凸缘，该水平凸缘被夹紧在安装架865与反射器125之间以便联接光学器件150和反射器125。如前所述，在其他实施方案中，可使用其他机构固定光学器件和反射器。

虽然示出为准直的，但在各种实施方案中，来自光学系统100的光的输出分布可以发散、会聚、指向偏轴、扇出、横向偏置、穿过中心线、不对称或根据应用参数以其他方式构造。尽管例示的实施方案如上所述是旋转地对称的，但其他实施方案可以为不旋转对称的。在各种实施方案中，光学系统100的元件、特征部和轮廓可为连续的、不连续的、平滑接合的或突然分离的，例如方位角的方向。在一些实施方案中，可将纹理或微观特征部添加到光学表面以促进光分布图案的漫射或扩散。可利用反射器125的各种形式。例如，反射器125可包括根据设计和使用参数为镜面反射的、半镜面反射的、漫射的、着色的或涂覆有暗漆或其他光吸收材料的表面或特征部。在一些实施方案中，可对反射器125的选定区域进行处理或掩蔽，使得取决于反射器的哪些区域预期是有效的，来以不同的方式控制光。

本领域的技术人员将会想到本文所述的公开内容的许多修改形式和其他实施方案，这些修改形式和其他实施方案具有前述描述和相关附图中呈现的教导内容的有益效果。因此，应当理解，本公开不限于所公开的具体实施方案，并且修改形式和其他实施方案旨在包括在本专利申请的范围内。虽然本文采用了具体的术语，但是它们仅用于一般的和描述性的意义，而不是出于限制的目的。

Claims (15)

1.一种光学器件，包括：

后表面；

腔体，所述腔体形成于所述后表面中，并且所述腔体被构造成接收来自光源的光；和

前表面，所述前表面与所述后表面相背对，所述前表面被构造成发射由所述光学器件处理的光，并且所述前表面包括居中设置的凸区，

其中所述前表面和所述后表面相交以形成相对于所述腔体在外围延伸的边缘，并且

其中所述前表面还包括凹区，所述凹区被设置在所述边缘与所述居中设置的凸区之间，并且所述凹区围绕所述居中设置的凸区在外围延伸。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述腔体包括至少一个侧壁，其中所述至少一个侧壁包括多个成角度的小平面，所述多个成角度的小平面被构造成减少从所述光源接收的所述光的一部分的折射。

3.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述腔体包括最宽腔体直径，并且所述光源包括最宽光源直径，其中所述最宽光源直径大于所述最宽腔体直径的一半。

4.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述后表面的最后面部分沿着参考平面延伸，

其中所述边缘被设置在距所述参考平面第一距离处，

其中所述凹区的底部被设置在距所述参考平面第二距离处，并且

其中所述第一距离大于所述第二距离。

5.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述后表面的最后面部分沿着参考平面延伸，

其中所述边缘被设置在距所述参考平面第一距离处，

其中所述凹区的最后面部分被设置在距所述参考平面第二距离处，

其中所述前表面的最前面部分被设置在距所述参考平面第三距离处，并且

其中所述第一距离介于所述第二距离和所述第三距离之间。

6.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述腔体包括第二居中设置的凸区。

7.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述后表面包括从所述边缘朝向所述腔体延伸的全内反射表面。

8.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述后表面包括：

平坦表面，所述平坦表面被设置成邻近所述腔体，并且所述平坦表面限定所述腔体；和

弯曲的内反射表面，所述弯曲的内反射表面从所述平坦表面延伸到所述边缘，并且所述弯曲的内反射表面限定所述腔体。

9.根据权利要求8所述的光学器件，其中所述平坦表面被构造用于抵靠基板定位，并且

其中所述光源包括安装到所述基板的至少一个发光二极管。

10.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述后表面包括围绕所述光学器件的中心轴线的第一旋转表面，

其中所述前表面包括围绕所述光学器件的中心轴线的第二旋转表面，并且

其中所述边缘是关于所述中心轴线旋转地对称的。

11.一种系统，包括：

光学器件，所述光学器件包括：

后表面；

腔体，所述腔体形成于所述后表面中，并且所述腔体被构造成接收来自光源的光；和

前表面，所述前表面与所述后表面相背对，所述前表面被构造成发射由所述光学器件处理的光，并且所述前表面包括居中设置的凸区，

其中所述前表面和所述后表面相交以形成相对于所述腔体在外围延伸的边缘；和

反射器，所述反射器为中空的，所述反射器被设置成邻近所述光学器件，并且所述反射器包括：

光接收端，所述光接收端邻接所述边缘；

发光端；和

锥形区，所述锥形区在所述光接收端与所述发光端之间延伸。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述光学器件的所述后表面包括内反射表面，所述内反射表面围绕所述腔体在外围延伸，并且所述内反射表面从所述边缘朝向所述腔体延伸，并且

其中所述反射器的所述锥形区包括反射表面，所述反射表面被取向为反射由所述光学器件处理的光的一部分。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述内反射表面的第一区邻接所述边缘，

其中所述反射表面的第二区邻接所述光接收端，并且

其中所述内反射表面和所述反射表面呈起伏状，使得所述内反射表面的所述第一区和所述反射表面的所述第二区从与所述内反射表面相切并且与所述反射器的外表面相切的线移位。

14.根据权利要求11所述的系统，其中所述腔体包括至少一个侧壁，其中所述至少一个侧壁包括多个成角度的小平面，所述多个成角度的小平面被构造成减少从所述光源接收的所述光的一部分的折射。

15.根据权利要求11所述的系统，其中所述腔体包括最宽腔体直径，并且所述光源包括最宽光源直径，其中所述最宽光源直径大于所述最宽腔体直径的一半。