CN112503416A - 一种消色差的准直发光装置及一种灯具 - Google Patents

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Abstract

本发明一种消色差的准直发光装置，包括光源，所述光源发出的光包括第一角度光和发光角大于第一角度光的第二角度光，还包括角度选择装置，所述角度选择装置包括一个出光口，第一角度光朝向出光口发光；还包括消色差透镜组，所述第一角度光由出光口出射后穿过消色差透镜组后出射，所述消色差透镜组包括靠近出光口的第一凹透镜和远离出光口的第一凸透镜，所述第一凹透镜的色散系数小于第一凸透镜的色散系数，第一凸透镜和第一凹透镜紧靠；还包括第二凸透镜，第一角度光依次穿过消色差透镜组、第二凸透镜，最后准直出射，本技术方案通过调整位置调节装置，调节消色差透镜组与光源之间的距离，实现消除由消色差透镜组出射的光的色差。

Description

一种消色差的准直发光装置及一种灯具
技术领域
本发明涉及照明技术领域，具体地说，涉及具有消色差功能的照明装置。
背景技术
随着照明技术的发展，已经变的越来越成熟。在照明装置中为了进行收光和聚焦，通常在光路中增加凸透镜进行收光。因为增加了凸透镜，从凸透镜出射的光会出现色散现象。所谓的色散现象即为，一束平行于主光轴的白光射至一个放置于空气(n≈1)中的玻璃制成的薄透镜，由于光的散射，射出透镜的不同波长的光产生不同的偏折。红光折射率nL红小于紫光折射率nL紫，所以红光对应的透镜焦距f红大于紫光对应的透镜焦距f紫。
发明内容
本发明的目的在于克服上述传统技术的不足之处，针对现有技术的不足，本发明发明一种消色差的照明装置。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：一种消色差的准直发光装置，包括光源，所述光源发出的光包括第一角度光和发光角大于第一角度光的第二角度光，其特征在于：还包括角度选择装置，所述角度选择装置包括一个出光口，第一角度光朝向出光口发光；
还包括消色差透镜组，所述第一角度光由出光口出射后穿过消色差透镜组后出射，所述消色差透镜组包括靠近出光口的第一凹透镜和远离出光口的第一凸透镜，所述第一凹透镜的色散系数小于第一凸透镜的色散系数，第一凸透镜和第一凹透镜紧靠；
还包括第二凸透镜，第一角度光依次穿过消色差透镜组、第二凸透镜，最后准直出射。
作为上述技术方案的一种改进：所述角度选择装置还包括光回收装置，所述光回收装置包括反射面，所述第二角度光朝向反射面发光，第二角度光被反射面反射后回到光源。
作为上述技术方案的一种改进：所述反射面围绕出光口设置，所述反射面为球面的一部分，光源位于球面的球心位置。
作为上述技术方案的一种改进：还包括位置调节装置，该装置用于调节消色差透镜组与光源之间的距离。
作为上述技术方案的一种改进：所述第一凹透镜与第一凸透镜胶合在一起。
作为上述技术方案的一种改进：所述光源为LED芯片，LED芯片包括发光区，所述发光区的四周围绕有白色围墙。
作为上述技术方案的一种改进：还包括光阑，所述光阑覆盖在发光区与白色围墙上；光阑上设置有一个圆形的通光孔，该通光孔的直径大于发光区的边长，小于发光区对角线的长度。
作为上述技术方案的一种改进：所述光源为波长转换装置，还包括激发该波长转换装置的激光发光装置。
作为上述技术方案的一种改进：所述波长转换装置为透射式荧光片，激光发光装置由远离角度选择装置的一侧发出激光，该透射式荧光片被激光激发后朝向角度选择装置发出荧光；或者还包括反射镜，激光发光装置所发出的激光被反射镜扭转方向后激发波长转换装置，该波长转换装置为反射式荧光片，反射式荧光片被激光激发后朝向角度选择装置发出荧光。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本技术方案通过调整位置调节装置，调节消色差透镜组与光源之间的距离，实现消除由消色差透镜组出射的光的色差。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1是一种消色差的准直发光装置的剖视图。
图2是LED芯片与白色围墙的结构示意图。
图3是LED芯片、白色围墙与光阑的结构示意图。
图4是另一种消色差的准直发光装置的剖视图。
图5是另一种消色差的准直发光装置的剖视图。
具体实施方式
实施例1：
如图1-3所示，一种消色差的准直发光装置，包括光源，光源提供一种至少两种不同颜色混合而成(波长不同)的白光。一种优选的实施方式是，光源为LED芯片101a，LED芯片101a包括发光区109。LED芯片101a价格便宜，易于获得。由于LED芯片101a是全角发光的，发光区109发出的光包括第一角度光121和发光角大于第一角度光121的第二角度光122。由于实际应用中需要将LED芯片101a发出的光聚焦或准直出射，不论是聚焦还是准直，都需要穿过消色差透镜组，其中大角度的第二角度光122无法被消色差透镜组收光，此时就要选择能够被消色差透镜组收拢的那部分光。一种优选的实施方式是，还包括角度选择装置，所述角度选择装置包括一个出光口102，第一角度光121朝向出光口102发光。由出光口102出射的第一角度光121即为发光角度符合要求的光，大角度的光不能被消色差透镜组收拢、聚焦，因此角度选择装置通过是否由出光口102出射选择发光角度小的第一角度光121。
当一束光穿过凸透镜的时候，由于凸透镜一般由两个球面(或一个球面和一个平面)组成，折射率为nL的透镜放置于折射率为n的介质中，在物点发出的光线与透镜主光轴的夹角很小(一般小于5°)的情况下，薄透镜的焦距公式为
Figure BDA0002847051710000031
其中r1和r2为透镜两个折射面的半径，不同波长的光(不同颜色的光)具有不同的nL值，于是导致不同波长的光在穿过凸透镜后具有不同的焦距f，因为不同波长的光穿过同一透镜后的焦距f不同，所以发生色散现象。为了解决光穿过透镜后产生的色散现象。为了消除色散，一种优选的实施方式是，还包括消色差透镜组，所述第一角度光121由出光口102出射后穿过消色差透镜组后出射消色差光123，消色差光123的发光角度小于第一角度光121的发光角度。本实施方式给出的消色差透镜组包括靠近出光口102的第一凹透镜103和远离出光口102的第一凸透镜104，所述第一凹透镜103的色散系数小于第一凸透镜104的色散系数，第一凸透镜104和第一凹透镜103紧靠。根据光学原理可知，色散系数越小色散的程度越大。在本实施方式中，第一凸透镜104起到汇聚第一角度光121的作用，根据光学原理可知，第一凸透镜104对蓝光的汇聚程度比对红光的汇聚程度要大；第一凹透镜103起到发散第一角度光121的作用，根据光学原理可知，第一凹透镜103对蓝光的发散程度比对红光的发散程度要大；又因为该装置最终需要平行光，为了能使消色差光123准直出射，本技术方案使消色差光123的发光角度小于第一角度光121的发光角度，所以第一凸透镜104对光的汇聚、收拢的能力需要大于第一凹透镜103对光的发散能力，由于第一凹透镜103与第一凸透镜104对光的弯折能力不同，引起了色散。为了抵消第一凸透镜104对第一角度光121的汇聚、收拢过程造成的色散，本实施方式通过增大第一凹透镜103的色散程度的方式，即第一凹透镜103的色散系数小于第一凸透镜104。
消色差透镜组是第一凹透镜103与第一凸透镜104的组合，第一角度光121经过发散和收拢后出射，此时对消色差光123的收拢能力不足，消色差光123不能准直出射。一种优选的实施方式是，还包括第二凸透镜105，第一角度光121依次穿过消色差透镜组、第二凸透105镜，最后准直出射。本实施方式中第二凸透镜105的作用就是将消色差光123准直出射。
通过上述分析可知，消色差透镜组只能收拢发光角度小的第一角度光121，LED芯片101a包括发光区109发出的第二角度光122(大角度光)并不能进入消色差透镜组，此时第二角度光122不能被利用，造成了能量的浪费，不符合环保节能的要求。一种优选的实施方式是，所述角度选择装置还包括光回收装置106，所述光回收装置106包括反射面107，所述第二角度光122朝向反射面107发光，第二角度光122被反射面107反射后回到光源。光回收装置106通过反射面107将第二角度光122反射回到发光区109，由于LED芯片101a的发光区109对自身所发出的光具有散射反射的作用，所以被反射面反射回到发光区109的光被发光区109重新调整发光角度后出射，部分第二角度光122被发光区调整发光角后转变成第一角度光121由出光口102出射，该技术方案将LED芯片101a所发出的光充分利用，提高了光的利用率，起到了绿色环保的作用。
通过上述分析可知，反射面107对第二角度光122转变成可以利用的第一角度光121关键在于反射面107的设置，只有合理的设计反射面107的位置和面型才能够保证被反射面107反射后的第二角度光122完全回到LED芯片101a的发光区109。一种优选的实施方式是，所述反射面107围绕出光口102设置，所述反射面107为球面的一部分，光源位于球面的球心位置。根据光学原理可知，当发光区109位于球面的球心位置的时候，发光区109发出的光被球面反射后最终回到发光区109。由于在光学中点光源位于球面的球心出所发出的任意一束光经过球面反射后必定回到发光的光源，但是此时发光区109是一个发光面，并不完全符合该光学原理。根据申请人多次试验后发现，当发光区109向反射面107移动过程中，被反射面107反射的第二角度光122回到发光区109的比例逐渐增多，当达到一个极限值后逐渐减少。
该发光装置在使用过程中为了满足用户的使用需求需要调整发光装置出射光124的焦距，为了能够调整发光装置出射光124的焦距。一种优选的实施方式是，还包括位置调节装置，该装置用于调节消色差透镜组与光源之间的距离。位置调节装置包括调节环108，调节环108固定连接消色差透镜组，移动调节环108消色差透镜组随着调节环108移动。消色差透镜组的焦距调节变得越来越容易和简单。
由于消色差透镜组包括第一凸透镜104和第一凹透镜103，在消色差透镜组使用过程中为了能够起到消色差的效果，第一凸透镜104与第一凹透镜103需要紧密的贴合在一起，两者距离的变化同样会引起出射光124色差的变化，为了减小出射光124的色差变化，一种优选的实施方式是，所述第一凹透镜103与第一凸透镜104胶合在一起。第一凹透镜103与第一凸透镜104胶合成一个整体，消色差透镜组的稳定性增强，并且焦距调节精度较高。
由于本技术方案中光源采用了LED芯片101a，现有的LED芯片101a大多是矩形，矩形LED芯片101a应用在本技术方案中最终形成的光斑是对LED芯片101a的成像，此时的光斑仍为方形的，在赵明亮领域，我们更希望获得圆形的光斑。一种优选的实施方式是，如图2所示，发光区109的四周围绕有白色围墙110。由于发光区109不是点光源，所以被反射面107反射后的第二角度光122回到发光区109以及周边区域，此时将白色围墙110围绕在矩形的发光区109的周围，并且将白色围墙110的外轮廓做成圆形，相当于一个圆形光源发光，最终形成的光斑也成为圆形。
使用白色围墙110的外轮廓做成圆形，该方法虽然改变了出射光124的光斑形状，但是白色围墙110做成圆形的难度大，其次此时相当于增大了发光区109的发光面积，当光源的光功率不变的情况下，根据光学扩展量守恒可知，增大发光面积，光强减弱，此时不是我们想要得到的。一种优选的实施方式是，如图3所示，还包括光阑111，所述光阑111覆盖在发光区109与白色围墙110上；光阑111上设置有一个圆形的通光孔112，该通光孔112的直径大于发光区109的边长，小于发光区109对角线的长度。为了尽量减小对出射光124光强影响的前提下，还要出射光124形成圆形的光斑，该技术方案通过增加一个设置有圆形通孔112的光阑111，将光阑111覆盖在发光区109与白色围墙110上，被反射面反射的第二角度光122回到通孔112所露出的发光区109与白色围墙110的区域，该技术方案中，通孔112区域相当于虚拟的光源，此时得到的出射光124的光斑为圆形光斑。为了不增大虚拟光源的发光面积，通孔112面积不能大于发光区109对角线的长度，又为了保证发光区109所发出的大多数光能够从通孔112出射，通孔112的直径大于发光区109最短边的边长。
实施例2：
LED芯片作为光源，虽然价格便宜，但是在远距离、高亮度照明的照中存在诸多弊端，为了增大消色差准直发光装置的应用范围，需要利用能够满足远距离、高亮度使用的光源。如图4所示，一种消色差的准直发光装置，所述光源为波长转换装置，还包括激发该波长转换装置的激光发光装置213。所述波长转换装置为透射式荧光片201b，激光发光装置213由远离角度选择装置的一侧发出激光，该透射式荧光片201b被激光发光装置213所发出的激发激发后朝向角度选择装置发出荧光。光源为透射式荧光片201b，激光发光装置213激发透射式荧光片201b发光取代LED芯片。透射式荧光片201b所发出的光功率更高，准直性更强。满足了大功率远距离照明的需求。
实施例3：
实施例2中的光源为透射式荧光片，透射式荧光片中激光需要穿过透明的导热基底后激发荧光材料发光，在激光穿过透明的基底的过程中，必定会造成激光的损耗。在激光照明领域还存在反射式荧光片，反射式荧光片无需激光穿过透明的基底，不会造成激光的损耗，但是如何将激光引导到荧光材料表面激发荧光材料，并且不会对荧光材料所发出的荧光产生阻挡需要对光路进行设计。如图4所示，还包括反射镜314，波长转换装置为反射式荧光片301c，激光发光装置313所发出的激光被反射镜314扭转方向后激发反射式荧光片301c，反射式荧光片301c被激光激发后朝向角度选择装置发出荧光。与实施例2相比，反射式荧光片301c的位置仍然设置在光源的位置上，增加一个反射镜314，将激光发光装置313所发出的激光扭转到反射式荧光片301c上，反射镜314对反射式荧光片301c所发出的第一角度光321并不会发生遮挡，所以并不会影响出射光324的光斑形状。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，所述内容为本发明的最佳实施方式，不能被用于限定本发明的保护范围。对于本领域技术人员而言，任何对该发明进行的等同修改和替代也都在本发明所要保护的范畴之中。

Claims (10)

1.一种消色差的准直发光装置，包括光源，所述光源发出的光包括第一角度光和发光角大于第一角度光的第二角度光，其特征在于：还包括角度选择装置，所述角度选择装置包括一个出光口，第一角度光朝向出光口发光；
还包括消色差透镜组，所述第一角度光由出光口出射后穿过消色差透镜组后出射消色差光，消色差透镜组包括第一凹透镜和第一凸透镜，消色差光的发散角小于第一角度光的发散角，所述第一凹透镜的色散系数小于第一凸透镜的色散系数，第一凸透镜和第一凹透镜紧靠；
还包括第二凸透镜，第一角度光依次穿过消色差透镜组、第二凸透镜，最后准直出射。
2.根据权利要求1所述的一种消色差的准直发光装置，其特征在于：所述角度选择装置还包括光回收装置，所述光回收装置包括反射面，所述第二角度光朝向反射面发光，第二角度光被反射面反射后回到光源。
3.根据权利要求2所述的一种消色差的准直发光装置，其特征在于：所述反射面围绕出光口设置，所述反射面为球面的一部分，光源位于球面的球心位置。
4.根据权利要求1所述的一种消色差的准直发光装置，其特征在于：还包括位置调节装置，该装置用于调节消色差透镜组与光源之间的距离。
5.根据权利要求1所述的一种消色差的准直发光装置，其特征在于：所述第一凹透镜与第一凸透镜胶合在一起。
6.根据权利要求2所述的一种消色差的准直发光装置，其特征在于：所述光源为LED芯片，LED芯片包括发光区，所述发光区的四周围绕有白色围墙。
7.根据权利要求6所述的一种消色差的准直发光装置，其特征在于：还包括光阑，所述光阑覆盖在发光区与白色围墙上；光阑上设置有一个圆形的通光孔，该通光孔的直径大于发光区的边长，小于发光区对角线的长度。
8.根据权利要求1或2所述的一种消色差的准直发光装置，其特征在于：所述光源为波长转换装置，还包括激发该波长转换装置的激光发光装置。
9.根据权利要求8所述的一种消色差的准直发光装置，其特征在于：所述波长转换装置为透射式荧光片，激光发光装置由远离角度选择装置的一侧发出激光，该透射式荧光片被激光激发后朝向角度选择装置发出荧光；或者还包括反射镜，激光发光装置所发出的激光被反射镜扭转方向后激发波长转换装置，该波长转换装置为反射式荧光片，反射式荧光片被激光激发后朝向角度选择装置发出荧光。
10.一种灯具，其特征在于：包括权利要求1-9其中任意一项所述的一种消色差的准直发光装置。
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