CN114087550A - 一种光学系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学系统，所述光学系统包括：光源、最外层反射器以及至少一层内层反射器，所述光源安装在所述最外层反射器内，所述内层反射器设置在所述最外层反射器的内部，所述内层反射器和所述最外层反射器之间形成至少一个出光口，同一所述内层发射器以及相邻设置的所述内层反射器之间均形成有至少一个出光口。本申请通过对大尺寸光源的表面进行虚拟的人为的区域分割，将大尺寸光源问题简化成为诸多小尺寸光源及其组合，从而简化了大尺寸光源的光学系统的设计，使得大尺寸光源的光学系统可以用较小的开口尺寸以及较浅的光学系统深度，达到较好的控制光线并进行定向分布的效果。

Description

一种光学系统

技术领域

本申请属于光学技术领域，具体涉及一种光学系统。

背景技术

在光学设计的时候，一般来说，通常都希望发光面的尺寸越小越好，最好能将其简化成一个几何意义的点，这样就很容易用一些抛物线、双曲线、椭圆球面等标准的几何形状作为反射面，从而达到比较好的设计效果。

而对于几何尺寸略大的发光面，这时候往往需要用到自由曲面设计技术，对光源的近场光分布进行光型的能量分布环带进行再分配，从而拟合出一条比较贴近于目标的曲线，来达到比较理想的光型分布，从而达到设计效果。

而在光学设计里面，通常光学器件的开口尺寸以及光学器件的深度，是受到光源发光面的限制决定的，就是说，发光面的尺寸以及目标光型分布，将最终的决定光学器件的开口尺寸以及光学器件的深度。由此带来的影响是：对于一个大尺寸的光学系统，当需要对这个光学系统进行光学设计的时候，例如需要将光集中在某一个特定的方向形成定向性很强的光分布的时候，需要把反射面或者全反射面(全反射面主要是针对透镜光学系统)做到很大的开口尺寸和很深的光学器件深度，也就是说这个光学器件的宽度尺寸和深度尺寸会很大，如若此时更是要求光学器件或光学系统对于光源的光学利用效率达到很高的效率水平，那么，可能这个光学期间或者光学系统将需要更大的几何尺寸才能完成。

发明内容

针对上述现有技术的缺点或不足，本申请要解决的技术问题是提供一种光学系统，本申请在相同尺寸的光源面积下、在相同的出射光学分布下、在相同的光学系统效率要求下，能够用更小的光学器件或光学系统深度，且更小的光学器件或光学系统开口尺寸，在完成需要的光学器件或光学系统设计，从而使得光学器件或光学系统几何尺寸更小，达到成本节省和适用范围更加广泛的目的。

为解决上述技术问题，本申请通过以下技术方案来实现：

本申请提出了一种光学系统，所述光学系统包括：光源、最外层反射器以及至少一层内层反射器，所述光源安装在所述最外层反射器内，所述内层反射器设置在所述最外层反射器的内部，所述内层反射器和所述最外层反射器之间形成至少一个出光口，同一所述内层发射器以及相邻设置的所述内层反射器之间均形成有至少一个出光口。

进一步地，上述的光学系统，其中，所述内层反射器包括：弧形反射板结构，所述弧形反射板结构的内表面和外表面均可用于反射所述光源发出的光线。

进一步地，上述的光学系统，其中，所述内层反射器包括：具有较小端和较大端的中空的旋转体结构，所述旋转体结构的内表面和外表面均可用于反射所述光源发出的光线。

进一步地，上述的光学系统，其中，所述旋转体结构的剖面包括：多边形结构、圆形结构或椭圆形结构。

进一步地，上述的光学系统，其中，所述旋转体机构的剖面包括：正多边形结构。

进一步地，上述的光学系统，其中，所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的20％。

进一步地，上述的光学系统，其中，所述内层反射器的内侧、外侧以及靠近所述光源发光面的端面均具有镜面反射结构。

进一步地，上述的光学系统，其中，所述内层反射器通过连接部件与所述最外层反射器连接。

进一步地，上述的光学系统，其中，所述内层反射器通过所述连接部件与所述最外层反射器可拆卸连接。

进一步地，上述的光学系统，其中，所述光源的发光面正对、侧对或背对所述光学系统设置。

与现有技术相比，本申请具有如下技术效果：

本申请通过对大尺寸光源的表面进行虚拟的人为的区域分割，将大尺寸光源问题简化成为诸多小尺寸光源及其组合，从而简化了大尺寸光源的光学系统的设计，使得大尺寸光源的光学系统可以用较小的开口尺寸以及较浅的光学系统深度，达到较好的控制光线并进行定向分布的效果。

本申请所用反射或全反射面可以采用标准几何曲线，也可以采用自由曲线设计，可以使得大尺寸光源的光线(可见光线或非可见光线或无线电波)的收集反射光学系统，在较小的开口尺寸和较小的光学深度下，实现能量的定向集中。以光学系统为例，可以使得光学系统的CBCP(Center Beam Candle Power,中心光束烛光)值达到在相同光学系统开口尺寸和相同光学系统深度的情况下，用传统的单反射面(这个反射面母线可以是一条几何曲线的一段，也可以是多条几何曲线的拼接)3倍及以上的CBCP值，极大的提高了光学能量的集中度。

本申请不但对于可见光线有效，而且对于不可见的紫外、红外有效，此外，对于米波及波长不大于米波的无线电微波也是有一定的效果。本申请可用于多种针对紫外光、可见光、红外线的灯具、发光管、球泡、射灯、手电筒等产品；也可以作为声波、电磁波的收集与发射装置；还可用于中远红外线辐射管，在小尺寸空间内将红外线向某一方面单向辐射照射。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1：本申请光学系统实施例一的剖视图；

图2：本申请光学系统实施例一的立体图；

图3：本申请光学系统实施例一的工作原理图一；

图4：本申请光学系统实施例一的工作原理图二；

图5：本申请光学系统实施例二的剖视图；

图6：本申请光学系统实施例二的立体图；

图7：如图6所示结构的剖视图；

图8：本申请光学系统实施例二的工作原理图；

图9：本申请光学系统实施例三的立体图；

图10：如图9所示结构的剖视图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例一

如图1至图4所示，在本实施例中，一种光学系统，所述光学系统包括：光源1、最外层反射器3以及至少一层内层反射器，所述光源1安装在所述最外层反射器3内，所述内层反射器设置在所述最外层反射器3的内部，所述内层反射器和所述最外层反射器3之间形成至少一个出光口，同一所述内层发射器以及相邻设置的所述内层反射器之间均形成有至少一个出光口。

在本实施例中，通过在最外层反射器3内部设置有至少一层内层反射器，通过对大尺寸光源的表面进行虚拟的人为的区域分割，将大尺寸光源问题简化成为诸多小尺寸光源及其组合，从而简化了大尺寸光源的光学系统的设计，使得大尺寸光源的光学系统可以用较小的开口尺寸以及较浅的光学系统深度，达到较好的控制光线并进行定向分布的效果。

其中，所述内层反射器的设置层数为至少一层，其可基于做到的光学效果和这个大面积光源的发光面积决定。

所述内层反射器包括：弧形反射板结构，所述弧形反射板结构的内表面和外表面均可用于反射所述光源发出的光线。

其中，在本实施例中，如图2所示，所述内层反射器通过连接部件M与所述最外层反射器3连接。在实际操作过程中，可以根据实际需要设置连接部件M的数量以实现内层反射器与最外层反射器3的连接。其中，所述连接部件M的具体结构本申请并不做限定，以现有技术可实现即可。

可选地，所述内层反射器通过所述连接部件M与所述最外层反射器3可拆卸连接。通过上述可拆卸连接方式，便于安装以及后续的维修管理等作业。

本实施例的工作原理如下所示：

所述光源1的光学的下发光面12发出的光线L1，照射到内下层反射器22的内反射面221，在其表面产生镜面反射，镜面反射光R1，光线R1射向光源1和内下层反射器22组成的光学系统出光口的中心区域OZ1。

所述光源1的光学的下发光面12发出光线L2，照射到最外层反射器3的内反射面31上，在其表面产生镜面反射，镜面反射光R2，光线R2射出内下层反射器22和最外层反射器3组成的光学系统出光口的出光口OZ3。

所述光源1的光学的上发光面11发出光线L3，照射到最外层反射器3的内反射面31上，在其表面产生镜面反射，镜面反射光R3，光线R3射到内上层反射器21的外反射面211上，产生二次反射光线R3，R3射出内上层反射器21和最外层反射器3组成的光学系统出光口的出光口OZ2。

如图4所示，所述光源1的光学的下发光面12发出光线L4，照射到内下层反射器22的内反射面壁厚端面BM2上，在其表面产生镜面反射，镜面反射光R4，光线R4射到最外层反射器3的内反射面31上，产生二次反射光线R4，光线R4射出内上层反射器21和内下层反射器22组成的光学系统出光口的出光口OZ1。其中，内上层反射器21的内反射面壁厚端面BM1。

其中，上述结合图3和图4仅针对几种光线的反射原理进行了描述，具体在实际作业过程中，并不局限于上述列举的情况，本领域技术人员根据上述描述可理解本实施例的工作原理。

由此，可完成上述实施例一的光线控制。

其中，在本实施例中，所述光源1正对所述光学系统设置，具体地，所述光源1为板状结构，其内嵌于所述最外层反射器3内设置，所述光源1的上发光面11和下发光面12均正对所述最外层反射器3设置。

可选地，所述内层反射器的内侧、外侧以及靠近所述光源1发光面的端面均具有镜面反射结构。其中，内层反射器的的背面或者内部的全反射面的背面，还可以作为给外层反射器或者全反射面的二次反射面使用，以进行光线的反射。即要求，所述内层反射器的内侧、外侧以及靠近所述光源1发光面的端面的反射效率越高越好，尽可能地接近100％。其中，采用镜面反射结构可保证尽量不存在或少存在散射面或者散射现象，从而提高光的利用率。

在本实施例中，最外层的发光区域，通过最外层反射器3以及内层反射器的外表面发射层来控制这部分发出的光的光路；中间区域的发光区域，通过中间各层的内层反射器以及其内的一层的内层反射器的外表面来控制该部分各层发出的光的光路；最内层的区域，通过最内层的内层反射器来控制各层发出的光的光路。

本应用要求内层反射器的结构壁厚要尽可能的薄，越薄的反射面结构越不容易对内部各虚拟分割区域的光线形成遮挡。具体地，在本实施例中，所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的20％，优选地，所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的19％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的18％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的17％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的16％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的15％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的14％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的13％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的12％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的11％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的10％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的8％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的5％。

本实施例不但对于可见光线有效，而且对于不可见的紫外、红外有效，此外，对于米波及波长不大于米波的无线电微波也是有一定的效果。本实施例可用于多种针对紫外光、可见光、红外线的灯具、发光管、球泡、射灯、手电筒等产品；也可以作为声波、电磁波的收集与发射装置；还可用于中远红外线辐射管，在小尺寸空间内将红外线向某一方面单向辐射照射。

实施例二

如图5至图8所示，一种光学系统，所述光学系统包括：光源1、最外层反射器3以及至少一层内层反射器，所述光源1安装在所述最外层反射器3内，所述内层反射器设置在所述最外层反射器3的内部，所述内层反射器和所述最外层反射器3之间形成至少一个出光口，同一所述内层发射器以及相邻设置的所述内层反射器之间均形成有至少一个出光口。

在本实施例中，通过在最外层反射器3内部设置有至少一层内层反射器，通过对大尺寸光源的表面进行虚拟的人为的区域分割，将大尺寸光源问题简化成为诸多小尺寸光源及其组合，从而简化了大尺寸光源的光学系统的设计，使得大尺寸光源的光学系统可以用较小的开口尺寸以及较浅的光学系统深度，达到较好的控制光线并进行定向分布的效果。

其中，所述内层反射器的设置层数为至少一层，其可基于做到的光学效果和这个大面积光源的发光面积决定。

在本实施例中，所述内层反射器包括：具有较小端和较大端的中空的旋转体结构，所述旋转体结构的内表面和外表面均可用于反射所述光源发出的光线。

在本实施例中，以所述旋转体结构的剖面为圆形结构进行举例说明。

下面将结合附图8说明本实施例的工作原理：

光线L41从光源41的发光面411发出，照射到第一层反射器42的内反射面421，产生反射光线R41，光线R41通过第四层反射器45(最外层反射器)最右边的光学出光口。

光线L42从光源41的发光面411发出，照射到第一层反射器42的外反射面422，产生反射光线R42，光线R42通过第四层反射器45(最外层反射器)最右边的光学出光口。

光线L43从光源41的发光面411发出，照射到第三层反射器44的内反射面441，产生反射光线R43，光线R43照射到第二层反射器43的外反射面432产生二次反射光R43，光线R43通过第四层反射器45(最外层反射器)最右边的光学出光口。

光线L44从光源41的发光面411发出，照射到第三层反射器44的外反射面442，产生反射光线R44，光线R44照射到第四层反射器45(最外层反射器)内反射面451，产生二次反射光R44，R44通过第四层反射器45(最外层反射器)最右边的光学出光口。

光线L45从光源41的发光面411发出，穿过第三层反射器44和第四层反射器45(最外层反射器)的空隙，直接照射出第四层反射器45(最外层反射器)最右边的光学出光口。

其中，在本实施例中，所述光源1侧对所述光学系统设置，具体地，所述光源1为板状结构，其外设于所述最外层反射器3设置。

可选地，所述内层反射器的内侧、外侧以及靠近所述光源1发光面的端面均具有镜面反射结构。其中，内层反射器的的背面或者内部的全反射面的背面，还可以作为给外层反射器或者全反射面的二次反射面使用，以进行光线的反射。即要求，所述内层反射器的内侧、外侧以及靠近所述光源1发光面的端面的反射效率越高越好，尽可能地接近100％。其中，采用镜面反射结构可保证尽量不存在或少存在散射面或者散射现象，从而提高光的利用率。

在本实施例中，最外层的发光区域，通过最外层反射器3以及内层反射器的外表面发射层来控制这部分发出的光的光路；中间区域的发光区域，通过中间各层的内层反射器以及其内的一层的内层反射器的外表面来控制该部分各层发出的光的光路；最内层的区域，通过最内层的内层反射器来控制各层发出的光的光路。

本应用要求内反射器的结构壁厚要尽可能的薄，越薄的反射面结构越不容易对内部各虚拟分割区域的光线形成遮挡。具体地，在本实施例中，所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的20％，优选地，所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的19％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的18％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的17％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的16％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的15％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的14％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的13％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的12％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的11％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的10％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的8％；所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的5％。

本实施例不但对于可见光线有效，而且对于不可见的紫外、红外有效，此外，对于米波及波长不大于米波的无线电微波也是有一定的效果。本实施例可用于多种针对紫外光、可见光、红外线的灯具、发光管、球泡、射灯、手电筒等产品；也可以作为声波、电磁波的收集与发射装置；还可用于中远红外线辐射管，在小尺寸空间内将红外线向某一方面单向辐射照射。

实施例三

如图9至图10所示，本实施例与实施例二的区别在于，本实施例所述旋转体结构的剖面为多边形结构，其他结构特征及工作原理可参见实施例二，此处不再赘述。

其中，光源-5，光源的发光面-51，第一层反射器-52，第二层反射器53，第三次反射器54(最外层反射器)。

本申请通过对大尺寸光源的表面进行虚拟的人为的区域分割，将大尺寸光源问题简化成为诸多小尺寸光源及其组合，从而简化了大尺寸光源的光学系统的设计，使得大尺寸光源的光学系统可以用较小的开口尺寸以及较浅的光学系统深度，达到较好的控制光线并进行定向分布的效果。

本申请所用反射或全反射面可以采用标准几何曲线，也可以采用自由曲线设计，可以使得大尺寸光源的光线(可见光线或非可见光线或无线电波)的收集反射光学系统，在较小的开口尺寸和较小的光学深度下，实现能量的定向集中。以光学系统为例，可以使得光学系统的CBCP(Center Beam Candle Power中心光束烛光)值达到在相同光学系统开口尺寸和相同光学系统深度的情况下，用传统的单反射面(这个反射面母线可以是一条几何曲线的一段，也可以是多条几何曲线的拼接)3倍及以上的CBCP值，极大的提高了光学能量的集中度。

本申请不但对于可见光线有效，而且对于不可见的紫外、红外有效，此外，对于米波及波长不大于米波的无线电微波也是有一定的效果。本申请可用于多种针对紫外光、可见光、红外线的灯具、发光管、球泡、射灯、手电筒等产品；也可以作为声波、电磁波的收集与发射装置；还可用于中远红外线辐射管，在小尺寸空间内将红外线向某一方面单向辐射照射。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限定，参照较佳实施例对本申请进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，均应涵盖在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：光源、最外层反射器以及至少一层内层反射器，所述光源安装在所述最外层反射器内，所述内层反射器设置在所述最外层反射器的内部，所述内层反射器和所述最外层反射器之间形成至少一个出光口，同一所述内层发射器以及相邻设置的所述内层反射器之间均形成有至少一个出光口。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述内层反射器包括：弧形反射板结构，所述弧形反射板结构的内表面和外表面均可用于反射所述光源发出的光线。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述内层反射器包括：具有较小端和较大端的中空的旋转体结构，所述旋转体结构的内表面和外表面均可用于反射所述光源发出的光线。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述旋转体结构的剖面包括：多边形结构、圆形结构或椭圆形结构。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述旋转体机构的剖面包括：正多边形结构。

6.根据权利要求1至5任一项所述的光学系统，其特征在于，所述内层发射器的壁厚不超过所述光学系统发光尺寸最大值的20％。

7.根据权利要求1至5任一项所述的光学系统，其特征在于，所述内层反射器的内侧、外侧以及靠近所述光源发光面的端面均具有镜面反射结构。

8.根据权利要求1至5任一项所述的光学系统，其特征在于，所述内层反射器通过连接部件与所述最外层反射器连接。

9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述内层反射器通过所述连接部件与所述最外层反射器可拆卸连接。

10.根据权利要求1至5任一项所述的光学系统，其特征在于，所述光源的发光面正对、侧对或背对所述光学系统设置。

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