CN112483992A - 用于修改光分布的光学设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于修改光分布的光学设备。该光学设备(201)包括具有入光表面(206)和出光表面(207)的透镜(205)。该入光表面包括在入光表面的中心区域(208)上的一个或多个V形突起，并且该入光表面在该中心区域以外的区域(209)上没有角。每个V形突起被成形以使得在光束到达该V形突起的一个侧表面时发生表面穿透，并且在光束到达该V形突起的其它侧表面时发生全内反射。由此，由光源(202)的发光表面(213)的边缘区域发射的倾斜到达的光束更好地与由发光表面的其它区域发射的光束进行混合。因此，光分布图案内所不期望的颜色变化被减少。

Description

用于修改光分布的光学设备
技术领域
本公开总体上涉及照明工程。更具体地，本公开涉及一种用于修改由光源产生的光的分布的光学设备，所述光源可以例如但并非必然包括一个或多个发光二极管“LED”。
背景技术
光源所产生的光的分布在一些应用中会很重要，或者甚至是关键。光源可以例如但并非必然包括一个或多个发光二极管“LED”、一个或多个白炽灯或者一个或多个气体放电灯。由光源产生的光的分布可以利用光学设备进行修改，所述光学设备诸如透镜、反射器，以及包括充当透镜的部分和充当反射器的部分的组合透镜-反射器设备。图1示出了用于修改由光源102所发射的光的分布的根据现有技术的示例性光学设备101的截面图。光学设备101例如可以是拉长元件，从而图1中的截面是光学设备101的横截面，并且该横截面在平行于坐标系199的z轴的纵向长度上是相同的。作为另一个示例，光学设备101可以关于坐标系199的y轴旋转对称。在该示例情形中，光源202是发光二极管，其包括发射蓝光的半导体部件103以及将该蓝光转换为具有多个波长的光的黄磷104。
在许多情形下，光源102是非理想的，从而由光源102的发光表面“LES”的中心区域发射的光具有与由该发光表面的边缘区域发射的光不同的波长分布。通常，对应于蓝色的波长在由中心区域发射的光中占据主导，而对应于黄色的波长则在由边缘区域发射的光中占据主导。由上述中心区域和边缘区域之间的区域发射的光可以是白色，即具有不同波长的平衡混合。在图1中，由中心区域发射的示例性光束利用附图标记151描绘，由边缘区域发射的示例性光束利用附图标记152描绘，并且由上述中心区域和边缘区域之间的区域发射的示例性光束则利用附图标记153来描绘。
因为许多光源在上文所描述的方式中是非理想的，所以通常期望光学设备101将由光源102的发光表面的不同区域发射的光分量进行混合。尤其是由发光表面的边缘区域发射的倾斜到达的光束——诸如光束152，被控制从而在光的整个分布图案上实现不同波长的所期望混合是具有挑战性的。通常，希望不同波长的混合使得光是白色。一种解决上述问题的已知方法是在光学设备的入光表面和/或出光表面提供以纹理和/或粗糙化以混合具有不同波长的光分量。纹理和粗糙化的缺点在于，它们通过将光朝向光源反射回去而降低了光学设备的效率。此外，纹理和粗糙化会将光散射至所不期望的方向，并且因此光分布图案的形状与所期望的形状有所偏差。
发明内容
下文给出简化的发明内容以便提供对各个发明实施例的一些方面的基本理解。发明内容并非是本发明的广泛概述。其并非意在标示出本发明的关键或决定性要素，也并非意在界定本发明的范围。以下发明内容仅以简化形式给出本发明的一些概念，作为对本发明的示例性实施例的更详细描述的前序。
在本文中，词语“几何”在被用作前缀时意指并不一定是任何物理对象的一部分的几何概念。几何概念例如可以是几何的点、直的或弯曲的几何线条、几何平面、非平面的几何表面、几何空间，或者零、一、二或三维的任何其它几何实体。
依据本发明，提供了一种用于修改由光源产生的光的分布的新型光学设备。
根据本发明的光学设备由透明材料制成，并且该光学设备包括具有入光表面和出光表面的透镜。该入光表面包括处于该入光表面的中心区域上的一个或多个V形突起，并且该入光表面在该中心区域以外的区域上没有角。每个V形突起被成形以使得在光束到达该V形突起的侧表面时发生表面穿透，并且响应于上述光束到达考虑的该V形突起的其它侧表面的情况而发生全内反射“TIR”。
该一个或多个V形突起尤其将由光源的发光表面“LES”的边缘区域发射的倾斜到达的光束指向光分布图案的中心区域。由此，由边缘区域发射的倾斜到达的光束更好地与由发光表面的其它区域发射的光束进行混合。因此，光分布图案内所不期望的颜色变化有所减少。
依据本发明，还提供了一种新型灯具，其包括：
-光源，和
-用于修改由光源发射的光的分布的根据本发明的光学设备。
该光源的发光表面关于该光学设备的透镜的入光表面的中心区域被对称定位。该光源例如可以是发光二极管“LED”。
依据本发明，还提供了一种新型模具，其具有适于通过模铸(mold casting)来制造一块例如塑料的透明材料的形式，所述透明材料具有根据本发明的光学设备的形状。
各种示例性且非限制性实施例在所附的从属权利要求中有所描述。
在结合附图阅读时，有关构造以及有关操作方法的示例性和非限制性实施例连同其附加的目标和优势一起将通过以下对具体示例性实施例的描述而最佳地被理解。
动词“包括”和“包含”在本文中被用作开放式限定，其既不排除也不要求尚未被引用的特征的存在。除非以其它方式明确指出，否则从属权利要求中所引用的特征能够互相自由组合。此外，所要理解的是，贯穿本文对于“一”(“a”或“an”)即单数形式的使用并不排除复数。
附图说明
下文参考附图更详细地解释示例性和非限制性实施例以及它们的优势，其中：
图1图示了用于修改光分布的根据现有技术的光学设备；
图2图示了用于修改光分布的根据示例性和非限制性实施例的光学设备；和
图3a-图3c图示了用于修改光分布的根据示例性和非限制性实施例的光学设备。
图1已经在本文的背景技术部分中进行过解释。
具体实施方式
下文所给出的描述中提供的具体示例并其不应当被理解为对所附权利要求的范围和/或适用性有所限制。除非以其它方式明确指出，否则下文所给出的描述中提供的示例的列表和群组并不是详尽的。
图2示出了用于由修改光源202发射的光的分布的根据示例性和非限制性实施例的光学设备201的截面图。几何截面图与坐标系299的xy平面平行。光学设备201例如可以是拉长元件，从而图2中所示的界面是光学设备201的横截面，并且该横截面在平行于坐标系299的z轴的纵向长度上是相同的。作为另一个示例，光学设备201可以关于坐标系299的y轴旋转对称。光学设备201由其折射率大于1的透明材料制成。透明材料例如可以是丙烯酸系塑料(acrylic plastic)、聚碳酸酯(polycarbonate)、光学有机硅(optical silicone)或玻璃。一种制造光学设备201的方法例如可以是模铸。在图2所示的示例性情形中，光源202是发光二极管“LED”，其包括发射蓝光的半导体部件203以及将该蓝光转换为具有多个波长的光的黄磷204。
光学设备201包括透镜205，其具有入光表面206和出光表面207。入光表面206包括处于该入光表面206的中心区域208上的V形突起，并且入光表面206在中心区域208以外的区域209上没有角。在图2所示的示例性光学设备201中，入光表面206在中心区域208以外的区域209上是凸面的。入光表面206在中心区域208以外的区域209上也可能是凹面的或平面的。图2中所示出的截面表现出两个并排的V形突起，从而在所述V形突起之间存在V形凹部。在光学设备201是其横截面在平行于坐标系299的z轴的纵向长度上相同的拉长元件的示例性情形中，光学设备201包括在坐标系299的z方向伸长的两个V形突起。在光学设备201关于坐标系299的y轴旋转对称的另一种示例性情形中，光学设备201包括环形脊部，从而图2所示的截面图表现出两个V形突起。
在图2中，示例性光束利用带箭头的虚线来描绘。如图2中所示，在光束到达每个V形突起的一个侧表面时发生表面穿透，并且响应于该光束到达考虑的V形突起的其它侧表面的情况而发生全内反射“TIR”。该V形突起尤其将由光源202的发光表面“LES”213的边缘区域发射的倾斜到达的光束指向光分布图案的中心区域。由此，由边缘区域发射的倾斜到达的光束更好地与由发光表面213的其它区域发射的光束进行混合。因此，光分布图案内所不期望的颜色变化有所减少。
图2中所示的示例性光学设备201包括沿透镜205的边界的反射器部210。反射器部210包括沿透镜205的入光表面206的边界的入光表面211。反射器部210包括反射器表面212，其用于反射经过反射器部210的入光表面211到达的光从而在反射器表面212上发生全内反射“TIR”。在光学设备201是其横截面在平行于坐标系299的z轴的纵向长度上相同的拉长元件的示例性情形中，反射器部210处于透镜205的两侧上。在光学设备201关于坐标系299的y轴旋转对称的另一种示例性情形中，反射器部210围绕透镜205。
在根据示例性和非限制性实施例的光学设备中，中心区域208的表面积最多是该中心区域以外的区域209的表面积的15％。在根据示例性和非限制性实施例的光学设备中，中心区域208的表面积最多是该中心区域以外的区域209的表面积的20％。在根据示例性和非限制性实施例的光学设备中，中心区域208的表面积最多是中心区域以外的区域209的表面积的30％。
光学设备201和光源202构成了根据示例性和非限制性实施例的灯具。光源202关于光学设备201被机械支撑，从而光源202的发光表面213关于入光表面206的中心区域208被对称定位。
在根据示例性和非限制实施例的灯具中，入光表面206的中心区域208的宽度W1处于光源202的发光表面213的宽度W2的25％至80％的范围内。
在根据示例性和非限制实施例的灯具中，从入光表面206的V形突起的尖端到光源202的发光表面213的距离处于光源202的发光表面213的宽度W2的25％至50％的范围内。
在根据示例性和非限制实施例的灯具中，入光表面206的V形突起的z方向高度H处于光源202的发光表面213的宽度W2的5％至25％的范围内。
图3a-图3c图示了用于修改光分布的根据示例性和非限制性实施例的光学设备301a、301b和301c。图3a中所示的示例性光学设备301a包括透镜305a，其具有入光表面306a和出光表面307a。入光表面306a包括处于入光表面306a的中心区域308a上的单个V形突起，并且入光表面306a在中心区域308a以外的区域309a上没有角。在示例性的光学设备301a中，入光表面306a在中心区域308a以外的区域309a上是凹面的，并且出光表面307a是凸面的。
图3b中所示的示例性光学设备301b包括透镜305b，其具有入光表面306b和出光表面307b。入光表面306b包括处于入光表面306b的中心区域308b上的两个V形突起，并且入光表面306b在中心区域308b以外的区域309b上没有角。在示例性的光学设备301b中，入光表面306b在中心区域308b以外的区域309b上是平面的，并且出光表面307b是凸面的。
图3c中所示的示例性光学设备301c包括透镜305c，其具有入光表面306c和出光表面307c。入光表面306c包括入光表面306c的中心区域308c上的三个V形突起，并且入光表面306c在中心区域308c以外的区域309c上没有角。在示例性的光学设备301c中，入光表面306c在中心区域308c以外的区域309c上是凸面的，并且出光表面307c是平面的。
以上所给出的描述中的具体示例并不应当被理解为对所附权利要求的范围和/或适用性有所限制。除非以其它方式明确指出，否则以上所给出的描述中提供的示例的列表和群组并不是详尽的。

Claims (16)

1.一种用于修改光分布的光学设备(201,301a-301c)，所述光学设备由透明材料制成并且包括具有入光表面(206,306a-306c)和出光表面(207,307a-307b)的透镜(205,305)，其特征在于，所述入光表面包括在所述入光表面的中心区域(208,308a-308c)上的一个或多个V形突起，并且所述入光表面在所述中心区域以外的区域(209,309a-309c)上没有角，每个V形突起被成形使得在光束到达所述V形突起的侧表面中的一个时发生表面穿透，并且响应于所述光束到达考虑的所述V形突起的所述侧表面中的另一个的情况而发生全内反射。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述透镜的所述入光表面的所述中心区域(208)包括至少两个并排的V形突起，使得在所述V形突起中的相邻的V形突起之间存在V形凹部。
3.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述光学设备进一步包括沿所述透镜的边界的反射器部(210)，所述反射器部包括沿所述透镜的所述入光表面的边界的入光表面(211)以及用于反射经过所述反射器部的所述入光表面到达的光的反射器表面(212)。
4.根据权利要求2所述的光学设备，其中，所述光学设备进一步包括沿所述透镜的边界的反射器部(210)，所述反射器部包括沿所述透镜的所述入光表面的边界的入光表面(211)以及用于反射经过所述反射器部的所述入光表面到达的光的反射器表面(212)。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的光学设备，其中，所述透镜的所述入光表面(206,306c)在所述中心区域以外的所述区域上是凸面的。
6.根据权利要求1-4中的任一项所述的光学设备，其中，所述透镜的所述入光表面(306a)在所述中心区域以外的所述区域上是凹面的。
7.根据权利要求1-4中的任一项所述的光学设备，其中，所述透镜的所述入光表面(306b)在所述中心区域以外的所述区域上是平面的。
8.根据权利要求1-4中的任一项所述的光学设备，其中，所述透镜的所述出光表面(307a,307b)是凸面的。
9.根据权利要求1-4中的任一项所述的光学设备，其中，所述透镜的所述出光表面(307c)是平面的。
10.根据权利要求1-4中的任一项所述的光学设备，其中，所述光学设备是所述透明材料的拉长件，使得所述拉长件的横截面形状在所述拉长件的纵向长度上是相同的。
11.根据权利要求1-4中的任一项所述的光学设备，其中，所述光学设备关于与所述透镜的所述入光表面的中心区域和所述透镜的所述出光表面的中心点相交的几何轴旋转对称。
12.根据权利要求1-4中的任一项所述的光学设备，其中，所述透明材料是以下之一：丙烯酸系塑料、聚碳酸酯、光学有机硅、玻璃。
13.根据权利要求1-4中的任一项所述的光学设备，其中，所述透镜的所述入光表面的所述中心区域(208)的表面积最多是所述中心区域以外的所述区域(209)的表面积的30％。
14.一种灯具，包括：
-光源(202)，和
-用于修改由所述光源发射的光的分布的根据权利要求1-4中任一项所述的光学设备(201)，
其中，所述光源的发光表面(213)关于所述光学设备的所述透镜(205)的所述入光表面的所述中心区域(208)被对称定位。
15.根据权利要求14所述的灯具，其中，所述透镜的所述入光表面的所述中心区域(208)的宽度(W1)在所述光源的所述发光表面(213)的宽度(W2)的从25％至80％的范围内。
16.一种模具，所述模具具有适于通过模铸来制造构成根据权利要求1-4中的任一项所述的光学设备的透明件的形式。
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