CN112856272A - 匀光元件、光源系统以及照明设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种匀光元件、光源系统以及照明设备。其中匀光元件为不规则圆柱，不规则圆柱的第一端面为多边形，第二端面为圆形或椭圆形；不规则圆柱的侧面形成有多个平面，平面之间形成圆弧面，多个平面在第一端面相交形成多边形。通过上述匀光元件便于制造，其可实现多边形光源到圆形光源的连续转换，同时保持光学扩展量的守恒，实现良好的成像质量。

Description

匀光元件、光源系统以及照明设备

技术领域

本申请涉及光学系统的技术领域，特别是涉及一种匀光元件、光源系统以及照明设备。

背景技术

在很多照明应用如舞台灯、台灯、探照灯、手电筒等应用中，基于传统光源或传统照明习惯，人们理想或习惯接收的光照方案为圆形光斑。

作为半导体照明光源，激光与LED尽管具有电光转换效率高、全固态工作、长寿命等诸多优点，但由于半导体材料以及半导体工艺限制，激光与LED的光源芯片通常为正方形或长方形，将其用于照明，特别是成像系统的照明方案，其最佳的光斑形状为方形，与圆形光斑的习惯有所不同。

人们尝试各种将方形光源转换成圆形光斑的方法。在多芯片组的方案中，由于芯片之间存在必然的间隙，也难以直接实现圆形发光光源。常见的圆形COB封装芯片，实质上是将多颗矩形光源按照某种几何结构排列如考虑了间距的六方排列或直接矩阵排列，并辅以圆形荧光粉涂覆以实现圆形光源特征。大量的芯片方案(如20颗以上甚至更多)可以将圆形外观与方形芯片之间的几何误差降低。但在单芯片或少数芯片是，这种直接的圆形荧光涂覆结合方形芯片的方案，容易造成发光面的不均匀。

另外一种基于方形光源实现圆形光斑的方案是采用旋转对称或具有轴旋转对称的圆形光学器件；但在基于成像系统应用的方案中，如要实现最高照度，往往会对光源进行成像而导致成像光斑通常会呈现方形。如果要实现圆形光斑，通常采用离焦成像和/或使用圆形光阑已达到目的。但上述方案或者增加了系统的光学扩展量或者损失了系统光效。

发明内容

本申请提出一种匀光元件、光源系统以及照明设备，以解决现有技术中无法在方形光源实现圆形光斑的同时保持良好成像质量的问题。

为解决上述技术问题，本申请提出一种匀光元件，其中匀光元件为不规则圆柱，不规则圆柱的第一端面为多边形，第二端面为圆形或椭圆形；不规则圆柱的侧面形成有多个平面，平面之间形成圆弧面，多个平面在第一端面相交形成多边形。

为解决上述技术问题，本申请提出一种光源系统，其中光源系统包括方形光源和上述匀光元件，方形光源设置在匀光元件的第一端面。

为解决上述技术问题，本申请提出一种照明设备，其中照明设备包括上述光源系统。

本申请提出一种匀光元件，其中匀光元件为不规则圆柱，不规则圆柱的第一端面为多边形，第二端面为圆形或椭圆形；不规则圆柱的侧面形成有多个平面，平面之间形成圆弧面，多个平面在第一端面相交形成多边形。通过上述匀光元件，多边形光源从第一端面进入，从第二端面射出，可以实现将多边形光源发出的多边形光斑连续的转变为圆形或椭圆形光斑，同时保持光学扩展量的守恒，实现良好的成像质量；且匀光元件为不规则圆柱，其平面侧面与圆弧侧面平滑连接，可基于圆柱或方柱制得，工艺简单，易于制造。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请匀光元件一实施例的结构示意图；

图2是两段式匀光元件的结构示意图；

图3是熔融式匀光元件的结构示意图；

图4是本申请匀光元件的一种制作方法的工艺过程示意图；

图5是本申请匀光元件的另一制作方法的工艺过程示意图；

图6a～6c是本申请匀光元件的一些实施例的结构示意图；

图7是本申请光源系统的一实施例的结构示意图；

图8是本申请激光荧光式光源系统一实施例的结构示意图；

图9是本申请混光式光源系统一实施例的结构示意图；

图10是本申请中继镜成像的混光式光源系统一实施例的结构示意图；

图11a～11d是本申请匀光元件一实施例的实验数据图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对发明所提供的一种匀光元件、光源系统以及照明设备进一步详细描述。

本申请提出一种匀光元件，可以实现方光斑变为圆光斑、兼顾混色均匀性的同时，保持光学扩展量的守恒、实现良好的成像质量，并兼顾实际制备的可行性。

请参阅图1，图1是本申请匀光元件一实施例的结构示意图。

本实施例中的匀光元件100为不规则圆柱，不规则圆柱的第一端面11为多边形，第二端面12为圆形或椭圆形；不规则圆柱的侧面形成有多个平面13，平面13之间形成圆弧面14，多个平面13在第一端面11相交形成多边形。匀光元件100为不规则圆柱，即其大致为圆柱形态，对该圆柱形态的侧面一部分为多个平面13，相应另一部分为可构成圆柱形态整个圆形侧面的多个圆弧面14，而多个圆弧面14在第二端面12相交形成圆形或椭圆形。

具体来说，不规则圆柱的第一端面11为多边形，第二端面12为圆形或椭圆形，其中多边形可以为四边形、三角形和五边形等。第一端面11前可以放置有多边形光源，光线从第一端面11进入从第二端面12射出，就可以实现从多边形光源变成圆形或者椭圆形的光斑的过程。因此，可以将匀光元件的第一端面11的形状设置成对应光源的形状，本实施例中的光源一般采用半导体光源，为正方形或长方形的光源芯片，因此第一端面11也对应设置成正方形或长方形。若光源芯片的形状为其他多边形，匀光元件的第一端面也可以做相应改变。匀光元件的第二端面12可以设置为人们想要的光斑的形状，为了符合人们的使用习惯，一般设置为圆形或者椭圆形。

本实施例中不规则圆柱的侧面形成有多个平面13和多个圆弧面14，多个平面13在第一端面11相交形成多边形，多个圆弧面14在第二端面12相交形成圆形或椭圆形。平面13与圆弧面14之间形成自然的交界线，相应的由多边形的第一端面11射入的光线可自然的过渡到由圆形的第二端面12射出，实现方形光源转为圆形光斑的自然过渡。

相较于一种两段式匀光元件，可保证光学扩展量，对于两段式匀光元件，请参阅图2，图2是两段式匀光元件的结构示意图，该匀光元件由一截方锥棒和/或方棒加一截圆锥棒和/或圆棒构成。方锥棒和/或方棒与圆锥棒和/或圆棒的结合处容易损失光效，为了提高系统效率、不损失光效，在方形转为圆形的时候难免引入更大的光学扩展量。跟此类匀光元件相比，而本实施例匀光元件100由于是一体化的设置，不需要引入光学扩展量，可以保证光学扩展量守恒，也相应提高了成像质量。

本实施例匀光元件为不规则圆柱，其平面侧面与圆弧侧面平滑连接，可基于圆柱或方柱制得，工艺简单，易于制造。下述给出两种本申请匀光元件的制作方法。请参阅图4，图4是本申请匀光元件的一种制作方法的工艺过程示意图。具体步骤为：

S41：提供一方形/条形原材。

S42：将方形/条形原材进行滚圆，得到一圆柱。

得到的圆柱可以是任意横截面积均相同的直圆柱，也可以从一端到另一端横截面积逐渐增大或者逐渐减少的带有锥度的圆柱。

S43：保持圆柱一端不变，另一端进行倾角磨边，在圆柱侧面形成一平面以及在端面形成一边长。

若为带有锥度的圆柱，则保持横截面积小的一端不变，横截面积大的一端进行倾角磨边，在圆柱侧面形成一平面以及在横截面积小的一端形成一边长。

S44：将圆柱旋转90度，重复步骤S43在圆柱侧面形成又一平面以及在端面形成又一边长。

S45：重复步骤S44直至获得一不规则圆柱，其中一端面为方形、一端面为圆形。

需要说明的是，若需要一断面为方形，一端面为椭圆形，则S42为：将方形/条形原材进行滚圆，得到一椭圆柱。

请参阅图5，图5是本申请匀光元件的另一制作方法的工艺过程示意图。与前述方案不同在于所提供原材料为圆柱，同样的，该圆柱可以是带有锥度的圆柱体。具体步骤为：

S51：提供一圆柱原材。

S52：保持圆柱一端面不变，另一端面将圆柱原材另一端进行对角磨边，在圆柱侧面形成两个平面。

S53：将圆柱旋转90度，重复步骤S52对另一侧对角进行磨边，最终获得匀光元件。

上述工艺中抛光及相应的夹持器件未画出。上述提出了两种匀光元件制备方法，上述制备方法工艺简单，可以实现平面侧面与圆弧侧面平滑连接，且相较于另一种熔融式匀光元件，本实施例更容易在工厂中大量生产。

关于熔融式匀光元件请参阅图3，图3是熔融式匀光元件的结构示意图。此类匀光元件的方形端面和圆形端面实现了连续光滑的过渡方案，可以减少光学扩展量的引入，但由于需要抛光以实现较为平滑光学表面以提升光效，此类匀光元件的制备难度较大。

上述实施例中详细介绍了一种匀光元件及其制备方法，其中匀光元件为不规则圆柱，不规则圆柱的第一端面为多边形，第二端面为圆形或椭圆形；不规则圆柱的侧面形成有多个平面，多个平面在第一端面相交形成多边形。通过上述匀光元件，多边形方形光源从第一端面进入，从第二端面射出，可以实现很好的将多边形方形光源发出的多边形方光斑连续的转变为圆形或椭圆形光斑，且匀光元件为不规则圆柱，其平面侧面与圆弧侧面平滑连接，可基于圆柱或方柱制得，工艺简单，易于制造，且能保持光学扩展量的守恒，实现良好的成像质量。

进一步地，延伸至第二端面12，且与第二端面12点相交，可以更好地将方形光束转换成圆形光束。对平面13的长度设置可根据具体匀光元件100的尺寸来设计，本领域的技术人员可根据需求自行设计，在此不作限制。为了降低平面的加工难度，还可以使匀光元件100的平面13不延伸至第二端面12。

进一步地，匀光元件100的第二端面12的面积可以大于或等于第一端面11的面积。优选的，当第二端面为圆形时，第二端面12的直径大于第一端面11的对角线长度，以保证匀光元件的光学扩展量守恒。需要说明的是，第二端面的面积应适度大于第一端面的面积，避免光束的损失。

具体的，请参阅图1和图6a～6c，分别是本申请匀光元件的一些实施例的结构示意图。匀光元件100、600a、600b、600c分别是本申请所给出的4种匀光元件的实施例。在图1中，匀光元件100的第二端面12的直径等于第一端面11的对角线长度，平面14延伸至第二端面12，且与第二端面12点相交，靠近第一端面11为方棒区域，方棒区域内仅包含平面13，靠近第二端面12为方转圆区域，方转圆区域内包括相交错的平面13和圆弧面14。还匀光元件先对光束进行均匀化处理，然后再将方形光束转换成圆形光束，由于平面14延伸至第二端面12，确保光束转换完全。

图6a中，匀光元件600a的第二端面62的直径大于第一端面61的对角线长度，且平面63延伸至第二端面62，且与第二端面62点相交；

图6b中，匀光元件600b的第二端面62的直径等于第一端面61的对角线长度，且平面63未延伸至第二端面62，且自第一端面61开始，平面63之间即形成圆弧面64。即从方形光束进入到第一端面，便开始进行方形光束转圆形光束，即使第一端面未延伸至第二端面，也能够实现较佳的转换效果和良好的成像质量。

图6c中，匀光元件600c的第二端面62的直径大于第一端面61的对角线长度，且平面63未延伸至第二端面62。

上述实施例中对第一端面和第二端面的面积关系和平面的长度作了不同的设置，上述设置会导致从第二端面射出的光线不同，可以根据实际需要对匀光元件的第一端面的对角线长度、第二端面的直径以及平面34的长度作出不同的设置，以获得较佳效果。

进一步地，匀光元件100的第一端面11为正方形，所述第二端面12为圆形。

实际使用中，一般半导体发光芯片为正方形、人们更习惯使用的光斑形状为圆形，因此将匀光元件的第一端面设置为正方形，第二端面为圆形，实现从正方形光源到圆形光斑的转换，更能符合实际的需要。

进一步地，匀光元件100的平面13相较于不规则圆柱的中心轴倾斜。

进一步地，匀光元件100的平面13相较于所述中心轴的倾角α满足公式：

tanα≥(D2-D1)/L

其中，D2为第二端面12的直径，D1为第一端面11的边长，L为不规则圆柱的长度，也即第一端面和第二端面之间沿轴线的距离。

进一步的，匀光元件100的不规则圆柱的长度与第二端面12的直径之比大于或等于7，不规则圆柱的长度与第一端面11的对角线长度之比大于或等于7。

对匀光元件进行仿真实验，图11a～11d为本申请匀光元件一实施例的实验数据图。请参阅图11a～11d，图11a是匀光元件第一端面的能量随角度分布图；图11b是匀光元件第二端面的能量随角度分布图；图11c是匀光元件第二端面的照度分布图；图11d是经过匀光元件成像后的混色效果图。匀光元件的第一端面为1.2mm边长的正方形，第二端面为2mm的直径圆，总长度25mm，倾角斜面角度为0.9度，材料为二氧化硅。使用的发光光源为混合光源，外侧为1.1mm边长正方形黄光，内侧为边长0.5mm正方形蓝光。匀光元件的第一端面的能量随角度分布，其99％能量范围角度约为89度；匀光元件的第二端面能量随角度分布，其99％能量范围角度约为30度。且第二端面的照度分布均匀呈圆形，成像后的混色情况良好。

上述实施例中，对匀光元件第一端面和第二端面的形状、平面相较于所述中心轴的倾角α、不规则圆柱的长度和第一端面、第二端面的关系做了进一步的限定，满足上述条件的匀光元件可以将正方形光斑转换成圆形光斑的同时，保证出光光效和均匀性的最优比例，且在兼顾混色均匀性的同时，保持光学扩展量的守恒，实现良好的成像质量。

本申请还提出一种光源系统，包括方形光源和上述匀光元件，其中方形光源设置在匀光件的第一端面。一般的，光源系统使用半导体光源，但由于其半导体发光的特性，尚无法实现单光源全光谱的特性。通常要实现白光照明光源，半导体照明具有几种常见路线：1、采用蓝色芯片+黄色荧光粉(或多色荧光粉)实现复合白光光谱，常见的如通用LED照明白光芯片(包括高显指芯片等)及激光荧光方案；2、采用多芯片组合光谱，芯片组中芯片发射不同光谱，如RGB或RGBW等，再通过匀光系统混光并匀光形成白光光源；3、采用紫外芯片+三色荧光粉方案实现白光照明。

在一些实施例中，光源系统还可以包括一个光学成像系统。请参阅图7，图7是本申请光源系统的一实施例的结构示意图，其中方形光源71设置在匀光元件72的第一端面721，光学成像系统73设置在匀光元件72的第一端面722。光学成像系统73的作用是将匀光元件72的第二端面722作为光源进行投射，使得光强分布和颜色分布均匀，呈现最佳照明质量。

下述提出多种基于本申请匀光元件的光源系统，请参阅图8，图8是本申请激光荧光式光源系统一实施例的结构示意图。特征为激光入射到方形荧光片81上，该荧光片81放置在一个球面反射镜84的非主轴上，经荧光片81反射的光及荧光经球面反射镜84反射后汇聚进入位于对称位置的匀光元件82，最后经成像透镜83出射。

请参阅图9，图9是本申请混光式光源系统一实施例的结构示意图。其中不同线段表示不同颜色的光线。特征为所述光源包含一个椭球反射系统94，在其一个焦点F2处放有紧密排列的多个方形光源91，其发出的光经椭球反射系统94反射汇聚在另一个焦点F1附近，并被入射面大于等于光源组面积的匀光元件92接收并混光出射，再经一个成像系统93成像。

请参阅图10，图10是本申请中继镜成像的混光式光源系统一实施例的结构示意图。其中不同线段表示不同颜色的光线。光源101发出的光经第一个透镜成像系统104后进入匀光元件102，经匀光元件混光后由成像系统成像103出射。

此外，需要说明的是，可以根据实际需要设置匀光元件的尺寸。例如设置一个方形LED对应一个匀光元件，此时匀光元件尺寸较小；也可以设置方形LED阵列，通过一汇聚透镜汇聚光束后进入匀光元件，此时匀光元件尺寸可以相应变大。

上述光源系统均可运用到各种照明、投影设备中。因此，本申请还提出一种照明设备，其中照明设备包括上述的光源系统。照明设备可用在舞台灯、手电筒、车灯和激光照明产品等领域。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种匀光元件，其特征在于，所述匀光元件为不规则圆柱，所述不规则圆柱的第一端面为多边形，第二端面为圆形或椭圆形；所述不规则圆柱的侧面形成有多个平面，所述平面之间形成圆弧面，所述多个平面在所述第一端面相交形成所述多边形。

2.根据权利要求1所述的匀光元件，其特征在于，所述平面未延伸至所述第二端面；或延伸至所述第二端面，且与所述第二端面点相交。

3.根据权利要求1所述的匀光元件，其特征在于，所述第一端面为正方形，所述第二端面为圆形。

4.根据权利要求3所述的匀光元件，其特征在于，所述平面相较于所述不规则圆柱的中心轴倾斜。

5.根据权利要求4所述的匀光元件，其特征在于，所述平面相较于所述中心轴的倾角α满足公式：

tanα≥(D₂-D₁)/L；

其中，D₂为所述第二端面的直径，D₁为所述第一端面的边长，L为所述不规则圆柱的长度。

6.根据权利要求3所述的匀光元件，其特征在于，所述第二端面的面积大于或等于所述第一端面的面积。

7.根据权利要求3所述的匀光元件，其特征在于，所述不规则圆柱的长度与所述第二端面的直径之比大于或等于7，所述不规则圆柱的长度与所述第一端面的对角线长度之比大于或等于7。

8.一种光源系统，其特征在于，所述光源系统包括：方形光源和权利要求1-7中任一项所述的匀光元件，所述方形光源设置在所述匀光元件的第一端面。

9.根据权利要求8所述的光源系统，其特征在于，所述第一端面的尺寸大于或等于所述方形光源的尺寸。

10.一种照明设备，其特征在于，所述照明设备包括权利要求8或9所述的光源系统。

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