CN112867948B - 用于改变光分布的光学装置 - Google Patents
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Abstract
一种光学装置(201)包括反射器区段(208),该反射器区段包括:光入射表面(203),用于从光源(202)接收光;反射器表面(204),用于基于全内反射来反射光;以及光出射表面(205),被反射的光穿过该光出射表面离开光学装置。当光源相对于光学装置处于预定位置处时,光出射表面处的光的入射角(θi)是光的p偏振分量透射穿过光出射表面而不被光出射表面反射的偏振角。因此,可以减少光出射表面处的不希望的反射,并因此减少光的不希望的散射,同时具有良好的透射效率。
Description
技术领域
本公开总体上涉及照明工程。更明确地说,本公开涉及一种用于改变由光源产生的光的分布的光学装置,该光源可以包括(例如,但未必)一个或多个发光二极管(LED)。
背景技术
在一些应用中,光源产生的光的分布可能是重要的,甚至是关键的。光源可以包括(例如,但未必)一个或多个发光二极管(LED)、一个或多个白炽灯或一个或多个气体放电灯。由光源产生的光的分布可以用光学装置(诸如,透镜、反射器和组合式透镜-反射器装置(其包括充当透镜的区段和充当反射器的区段))改变。图1a示出了根据现有技术的示范性光学装置101的剖视图,该光学装置101用于改变由光源102辐射的光的分布。由光源102辐射的光束中的一些光束在图1a中用虚线箭头描绘。光学装置101由折射率大于一的合适的透明材料制成。光学装置101可以相对于图1a所示的几何线120旋转对称。几何线120平行于坐标系199的z轴。光学装置101包括用于从光源102接收光的光入射表面103和用于反射穿过光入射表面103而被接收的光的反射器表面104,使得当光到达反射器表面104时发生全内反射(TIR)。光学装置101还包括用于被反射的光和穿过光入射表面106而被接收的光的光出射表面105。
与上述种类的光学装置相关的不便之处在于,光的一部分在光的主要部分离开光学装置时在所穿过的光出射表面处被反射。在图1a中,在光出射表面105处的反射用点划线箭头表示。当光束垂直到达光出射表面105处时,反射率R为(1–n)2/(1+n)2,其中n是光学装置101的透明材料的折射率。例如,当光垂直到达玻璃-空气界面处时,玻璃的折射率为约1.5,并且因此反射率R为约4%。因此,如果光学装置101的透明材料是玻璃,那么光出射表面105将到达光出射表面105处的光的约4%进行反射。在许多情况下,在光出射表面处的反射的必然结果是用光学装置产生的光分布图案偏离期望的光分布图案。图1b示出了作为极角的函数的、用光学装置101产生的光分布图案。极角/>呈现在图1a中。如图1b所示,光分布图案包括在许多情况下不合需要的侧峰。
发明内容
下文呈现简化概述,以便提供对各种发明实施例的一些方面的基本理解。该概述并不是本发明的详尽概括。它既不希望标识本发明的关键或重要元素,也不希望描绘本发明的范围。下文概述仅以简化形式呈现本发明的一些概念,以作为本发明的示范性实施例的更详细描述的序言。
在本文献中,词语“几何”在用作前缀时是指几何概念,其未必是任何物理对象的一部分。几何概念可以是例如几何点、直线或曲线几何线、几何平面或非平面几何表面、几何空间或零维、一维、二维或三维的任何其它几何实体。
根据本发明,提供了一种新颖的用于改变由光源产生的光的分布的光学装置。
根据本发明的光学装置是由透明材料制成的单个件,并且该光学装置包括反射器区段,该反射器区段包括:
-光入射表面,用于从光源接收光;
-反射器表面,用于基于全内反射对穿过光入射表面而被接收的光进行反射;以及
-光出射表面,用于被反射的光。
反射器区段的光入射表面、反射器表面和光出射表面被成形为使得当光源相对于光学装置位于预定位置处时,到达光出射表面处的被反射的光的入射角基本上是偏振角。偏振角是上述光的p偏振分量透射穿过光出射表面而不被光出射表面反射的入射角。偏振角也被称为布儒斯特角。入射角介于上述光的光束与光出射表面的几何法线之间,并且上述光的p偏振分量的偏振方向平行于由光出射表面的几何法线与上述光的光束限定的几何入射平面。
因为上述入射角基本上是上述偏振角,即,布儒斯特角,所以可以减少上述光出射表面处的不希望的反射并因而减少光的不希望的散射,同时具有良好的透射效率。光学装置的反射器区段的光入射表面、反射器表面和光出射表面有利地被成形为使得当光源相对于光学装置位于预定位置处时,上述入射角在所有被反射的光离开光学装置时所穿过的光出射表面的至少75%上基本上是偏振角。
根据本发明,还提供了一种新颖的照明装置,包括:
-光源;以及
-根据本发明的光学装置,用于改变由光源产生的光的分布。
光源相对于光学装置被定位成使得从光学装置的反射器表面到达光学装置的光出射表面处的光的入射角是上述光的p偏振分量透射穿过光出射表面而不被光出射表面反射的偏振角。
照明装置的光源可以包括例如一个或多个发光二极管(LED)。
根据本发明,还提供了一种新颖的模具,该模具具有适用于通过模铸来制造具有根据本发明的光学装置的形状的一片透明材料(例如,塑料)的形式。
本发明的各种示范性且非限制性的实施例在随附从属权利要求中描述。
当结合附图阅读时,将从具体示范性的实施例的以下描述最好地理解本发明的示范性且非限制性的实施例(关于构造与操作方法两者),以及本发明的额外目标和优点。
动词“包括”和“包含”在本文献中用作开端限制,所述开端限制既不排斥也不需要未叙述的特征的存在。除非另有明确陈述,否则从属权利要求中所叙述的特征可相互自由地组合。此外,应理解,“一”或“一个”(即,单数形式)的使用在本文献全文中不排斥多个。
附图说明
下文参考附图更详细地解释示范性且非限制性的实施例及其优点,其中:
图1a图示了根据现有技术的用于改变光分布的光学装置,并且图1b示出了用图1a所示的光学装置产生的光分布图案,
图2a图示了包括根据示范性且非限制性的实施例的光学装置的照明设备,图2b图示了图2a所示的光学装置的操作原理,并且图2c示出了用图2a所示的光学装置产生的光分布图案,以及
图3示出了根据示范性且非限制性的实施例的光学装置。
图1a和图1b已在本文献的背景技术章节中进行了解释。
具体实施方式
下文给出的描述中所提供的具体实例不应解释为限制随附权利要求书的范围和/或适用性。除非另有明确陈述,否则下文给出的描述中所提供的实例的列表和群组并非是详尽的。
图2a示出了根据示范性且非限制性的实施例的光学装置201的剖视图。几何截平面平行于坐标系299的yz平面。光学装置201被布置成改变由光源202产生的光的分布。根据示范性且非限制性的实施例,光学装置201和光源202构成照明装置。图2a中未示出支撑光学装置201和光源202的机械支撑结构。光源220可以包括例如一个或多个发光二极管(LED)、一个或多个白炽灯或一个或多个气体放电灯。光学装置201由折射率大于一的透明材料制成。透明材料可以是例如丙烯酸塑料、聚碳酸酯、光学硅酮(silicone)或玻璃。光学装置201的制造方法可以是例如模铸。光学装置201可以(例如,但未必)相对于几何线220旋转对称。在此示范性情况下,光源202被机械支撑,使得光源202位于光学装置201的几何光轴上。作为另一实例,光学装置也可以具有在坐标系299的x方向上伸长的形状。在这种示范性情况下,光学装置适用于改变由细长光源(例如,荧光管或被布置成构成直线的多个LED)产生的光的分布。
光学装置201包括反射器区段208和透镜区段209,该透镜区段的边缘部分接合反射器区段208。反射器区段208包括用于从光源202接收光的光入射表面203。反射器区段208包括反射器表面204,该反射器表面用于对穿过光入射表面203而被接收的光进行反射,使得当光到达反射器表面204处时发生全内反射(TIR)。反射器区段208包括用于被反射的光的光出射表面205。由光源202辐射的光束中的一些在图2a中用虚线箭头描绘。反射器区段208的光入射表面203、反射器表面204和光出射表面205被成形为使得当光源202相对于光学装置201位于预定位置处(即,在图2a所示的位置处)时,在光出射表面205处的被反射的光的入射角θi基本上是偏振角。偏振角也被称为布儒斯特角。如图2a所示,入射角θi介于到达光出射表面205处的光的光束与光出射表面205的几何法线之间。偏振角是光的p偏振分量透射穿过光出射表面205而不被光出射表面205反射的入射角,并且从光出射表面205反射的光仅包括s偏振光。光的p偏振分量是线性偏振的,其偏振方向位于由光出射表面205的几何法线和到达光出射表面205处的光的光束限定的几何入射平面内。在图2a所示的示范性情况下,与入射角θi相关的几何入射平面是与坐标系299的yz平面平行的几何截平面。s偏振光是线性偏振的,其偏振方向垂直于几何入射平面。
图2b示出了作为玻璃-空气界面中的入射角的函数的p偏振光的透射率Tp和s偏振光的透射率Ts。如图2b所示,在偏振角θp处,p偏振光的透射率Tp是约100%。全内反射发生在临界角θcr和高于该临界角的角度下,并且因此,透射率Tp和Ts在临界角θcr和高于该临界角的角度下为零。因为s偏振光仅表示到达光出射表面205处的光的一小部分,所以在许多情况下,通过将入射角θi选择为偏振角θp,可以最小化从光出射表面205反射的光的量。图2c示出了作为极角的函数的、用光学装置201产生的光分布图案。在图2a中呈现极角/>如图2c所示,光分布图案基本上没有图1b所示的那种侧峰。
在图2a所图示的示范性光学装置201中,光入射表面203与几何入射平面之间的区段是凸出的,以用于准直穿过光入射表面203而被接收并且位于几何入射平面中的光的光束。在图2a中,用描绘光束的虚线箭头图示准直。在图2a所图示的示范性光学装置201中,反射器表面204与几何入射平面之间的区段是直的,并且光出射表面205与几何入射平面之间的区段是直的。然而,也可以使用不同形状来实现在光学装置的反射器区段的光出射表面处的入射角是偏振角的情形。例如,可以借助于光束光学计算机模拟来设计形状。
在图2a所展示的示范性光学装置201中,透镜区段209的光入射表面206是凸出的,以用于准直穿过透镜区段的光入射表面而被接收的光,并且透镜区段的光出射表面207基本上是平面的。
在根据示范性且非限制性的实施例的光学装置中,反射器区段208的光入射表面203、反射器表面204和光出射表面205被成形为使得当光源202相对于光学装置201位于预定位置处(即,在图2a所示的位置处)时,在光出射表面205处的被反射的光的入射角θi在所有被反射的光离开光学装置时所穿过的整个光出射表面205上基本上是偏振角。
在根据示范性且非限制性的实施例的光学装置中,反射器区段208的光入射表面203、反射器表面204和光出射表面205被成形为使得当光源202相对于光学装置201位于预定位置处(即,在图2a所示的位置处)时,入射角θi在所有被反射的光离开光学装置时所穿过的光出射表面205的至少90%上基本上是偏振角。
在根据示范性且非限制性的实施例的光学装置中,反射器区段208的光入射表面203、反射器表面204和光出射表面205被成形为使得当光源202相对于光学装置201位于预定位置处(即,在图2a所示的位置处)时,入射角θi在所有被反射的光离开光学装置时所穿过的光出射表面205的至少75%上基本上是偏振角。
图3示出了根据示范性且非限制性的实施例的光学装置301的剖视图。几何截平面平行于坐标系399的yz平面。光学装置301被布置成改变由光源302产生的光的分布。根据示范性且非限制性的实施例,光学装置301和光源302构成照明装置。图3中未示出支撑光学装置301和光源302的机械支撑结构。光学装置301由折射率大于一的透明材料制成。透明材料可以是例如丙烯酸塑料、聚碳酸酯、光学硅酮或玻璃。光学装置301的制造方法可以是例如模铸。光学装置301可以(例如,但未必)相对于几何线320旋转对称。在此示范性情况下,光源302被机械支撑,使得光源302位于光学装置301的几何光轴上。作为另一实例,光学装置也可以具有在坐标系399的x方向上伸长的形状。
光学装置301包括反射器区段308,该反射器区段包括用于从光源302接收光的光入射表面303。反射器区段308包括反射器表面304,该反射器表面用于对穿过光入射表面303而被接收的光进行反射,使得当光到达反射器表面304处时发生全内反射(TIR)。反射器区段308包括用于被反射的光的光出射表面305。由光源302辐射的光束中的一些在图3中用虚线箭头描绘。光入射表面303、反射器表面304和光出射表面305被成形为使得当光源302相对于光学装置301位于预定位置处(即,在图3所示的位置处)时,到达光出射表面305处的光的入射角θi基本上是偏振角。因为在光出射表面305处的入射角θi基本上是上述偏振角,所以可以减少在光出射表面305处的不希望的反射并因此减少光的不希望的散射,同时具有良好的透射效率。
上文给出的描述中所提供的具体实例不应解释为限制随附权利要求书的范围和/或适用性。除非另有明确陈述,否则上文给出的描述中所提供的实例的列表和群组并非是详尽的。
Claims (16)
1.一种用于改变光分布的光学装置(201、301),所述光学装置是由透明材料制成的单个件并且包括反射器区段(208、308),所述反射器区段包括:
-光入射表面(203、303),所述光入射表面用于从光源接收光;
-反射器表面(204、304),所述反射器表面用于基于全内反射,对穿过所述光入射表面而被接收的所述光进行反射;以及
-光出射表面(205、305),所述光出射表面用于被反射的光,所述光出射表面是所述透明材料的所述件的腔的壁,
其特征在于,所述光入射表面、所述反射器表面和所述光出射表面被成形为使得当所述光源相对于所述光学装置在预定位置处时,到达所述光出射表面处的所述被反射的光的入射角(θi)是所述被反射的光的p偏振分量透射穿过所述光出射表面而不被所述光出射表面反射的偏振角,所述入射角介于所述被反射的光的光束与所述光出射表面的几何法线之间,并且所述被反射的光的所述p偏振分量的偏振方向平行于由所述光出射表面的所述几何法线和所述被反射的光的所述光束限定的几何入射平面。
2.根据权利要求1所述的光学装置,其中,所述反射器区段的所述光入射表面、所述反射器表面和所述光出射表面被成形为使得当所述光源相对于所述光学装置位于所述预定位置处时,所述入射角在所有所述被反射的光离开所述光学装置所穿过的所述光出射表面的至少75%上是所述偏振角。
3.根据权利要求1所述的光学装置,其中,所述反射器区段的所述光入射表面(203)与所述几何入射平面之间的区段是凸出的,以用于准直穿过所述反射器区段的所述光入射表面而被接收并且位于所述几何入射平面中的所述光的光束。
4.根据权利要求1所述的光学装置,其中,所述反射器表面(204)与所述几何入射平面之间的区段是直的。
5.根据权利要求3所述的光学装置,其中,所述反射器表面(204)与所述几何入射平面之间的区段是直的。
6.根据权利要求1所述的光学装置,其中,所述反射器区段的所述光出射表面(205)与所述几何入射平面之间的区段是直的。
7.根据权利要求3所述的光学装置,其中,所述反射器区段的所述光出射表面(205)与所述几何入射平面之间的区段是直的。
8.根据权利要求5所述的光学装置,其中,所述反射器区段的所述光出射表面(205)与所述几何入射平面之间的区段是直的。
9.根据权利要求1到8中的任一项所述的光学装置,其中,所述光学装置还包括透镜区段(209),所述透镜区段的边缘部分接合所述反射器区段。
10.根据权利要求9所述的光学装置,其中,所述透镜区段的光入射表面(206)是凸出的,以用于准直穿过所述透镜区段的所述光入射表面而被接收的光。
11.根据权利要求9所述的光学装置,其中,所述透镜区段的光出射表面(207)是平面的。
12.根据权利要求10所述的光学装置,其中,所述透镜区段的光出射表面(207)是平面的。
13.根据权利要求1到8中的任一项所述的光学装置,所述光学装置(201、301)相对于几何线(220、320)旋转对称。
14.根据权利要求1到8中的任一项所述的光学装置,其中,所述透明材料是以下之一:丙烯酸塑料、聚碳酸酯、光学硅酮、玻璃。
15.一种照明装置,包括:
-光源(202、302);以及
-用于改变由所述光源产生的光的分布的光学装置(201、301),
其中,所述光学装置(201、301)是根据权利要求1到8中的任一项所述的光学装置,并且其中,所述光源相对于所述光学装置被定位成使得从所述反射器表面到达所述光出射表面的光的入射角(θi)是所述光的p偏振分量透射穿过所述光出射表面而不被所述光出射表面反射的偏振角,所述入射角介于所述光的光束与所述光出射表面的几何法线之间,并且所述光的所述p偏振分量的偏振方向平行于由所述光出射表面的所述几何法线和所述光的所述光束限定的几何入射平面。
16.一种模具,所述模具具有适用于通过模铸来制造构成根据权利要求1到8中的任一项所述的光学装置的透明件的形式。
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