CN114738707A - 光学系统及灯具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学系统及灯具，所述光学系统包括光源和透镜，所述透镜包括设置在其中心位置处并且供接收光源发出的光线的入射腔、形成于入射腔内壁面上的入射面、环绕所述入射面设置的反射面以及与所述入射腔相对设置的出光面，所述光源设于所述入射腔的下方中心位置处，所述反射面由若干个混光单元相互拼接而成，各个混光单元由若干个形状规则的鳞甲拼接面相互拼接而成，以便光源发出的光线自所述入射面进入所述透镜后，经所述混光单元反射后在所述透镜内部形成混光，最后经所述出光面进行出射。相较于现有技术，本发明能够实现短距离混光，减小光斑色差，从而能够避免颜色分层的现象。

Description

光学系统及灯具

技术领域

本发明涉及一种光学系统及灯具，属于照明系统领域。

背景技术

现有的光学系统，为了能够解决光源发出的光产生色差的问题，通常会设计混光结构来改善混光效果。但是，目前大部分的透镜都需要大曲率的混光结构才能进行混光，虽能够实现混光，但混光的距离大，还容易出现颜色分层的问题，同时大曲率下对灯体角度影响大，效率也低。此外，虽有混光效果良好的混光结构，但是加工起来比较繁杂，模具设计复杂，以致生产成本升高。

有鉴于此，确有必要对现有的光学系统提出改进，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学系统，以能够实现短距离混光，减小光斑色差，从而能够避免颜色分层的现象。

为实现上述目的，本发明提供了一种光学系统，包括光源和透镜，所述透镜包括设置在其中心位置处并且供接收光源发出的光线的入射腔、形成于入射腔内壁面上的入射面、环绕所述入射面设置的入反射面以及与所述入射腔相对设置的出光面，所述光源设于所述入射腔的下方中心位置处，所述入反射面由若干个混光单元相互拼接而成，各个混光单元由若干个形状规则的鳞甲拼接面相互拼接而成，以便光源发出的光线自所述入射面进入所述透镜后，经所述混光单元反射后在所述透镜内部形成混光，最后经所述出光面进行出射。

作为本发明的进一步改进，所述混光单元包括第一鳞甲拼接面和围绕第一鳞甲拼接面设置的第二鳞甲拼接面、第三鳞甲拼接面、第四鳞甲拼接面及第五鳞甲拼接面，其中，所述第一鳞甲拼接面呈菱形状设置，所述第二鳞甲拼接面、第三鳞甲拼接面、第四鳞甲拼接面及第五鳞甲拼接面分别与所述第一鳞甲拼接面相连且均呈梯形状设置。

作为本发明的进一步改进，所述第一鳞甲拼接面、第二鳞甲拼接面、第三鳞甲拼接面、第四鳞甲拼接面及第五鳞甲拼接面均为曲面。

作为本发明的进一步改进，若干个所述混光单元在所述入反射面上呈环形阵列式排布，且位于同一竖列的混光单元的棱边尺寸按照等差数列递增或递减，位于同一横列的混光单元的棱边尺寸相等。

作为本发明的进一步改进，所述透镜为上宽下窄的碗状结构，所述出光面位于所述透镜的顶部并自所述透镜的外边沿朝向所述透镜的中心位置逐渐收缩，所述入射面位于所述透镜的底部。

作为本发明的进一步改进，所述入射面包括位于所述光源正上方的第二入射面和与所述第二入射面相连的第一入射面，所述第一入射面为朝向所述入射腔弯曲和突伸的曲面，所述第二入射面为平面。

作为本发明的进一步改进，所述透镜的顶部形成有与所述入射腔相对设置的出光腔，所述出光面包括与所述第一入射面相对设置的第一出光面和与所述第二入射面相对设置的第二出光面，所述第一出光面为朝向所述出光腔弯曲和突伸的曲面。

作为本发明的进一步改进，所述透镜呈轴对称设置，所述第二出光面沿着所述透镜的中心轴线向上凸出以形成曲面。

作为本发明的进一步改进，所述入反射面为全反射面并环绕所述第一入射面设置，以便光源发出的一部分光线自所述第一入射面进入所述透镜，并经所述入反射面进行全反射形成混光后从所述第一出光面进行出射、另一部分光线自所述第二入射面进入所述透镜并经所述第二出光面进行出射。

本发明的目的在于提供一种灯具，以更好地应用上述光学系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种灯具，该灯具包括上述的光学系统。

本发明的有益效果是：本发明的光学系统通过在反射面上利用若干个混光单元对光线进行短距离混光，从而能够在保证出光率高的情况下，减小光斑色差，避免由混光而导致的出光分层。

附图说明

图1是本发明光学系统的结构示意图。

图2是图1所示透镜的剖视图。

图3是图1所示透镜上的其中一个混光单元的结构示意图。

图4是图3所示混光单元上的光线走向示意图。

图5是图1所示透镜上同一竖列的混光单元上的光线走向示意图。

图6是图1所示透镜上的光线走向示意图。

图7是本发明中光源的某一等分角相对应的混光单元纵向长度的结构示意图。

图8是本发明光学系统的混光路径及其配光效率模拟值的示意图。

图9是现有技术中具有波浪四边形混光结构的光学系统的混光路径及其配光效率模拟值的示意图。

图10是现有技术中具有菱形混光结构的光学系统的混光路径及其配光效率模拟值的示意图。

图11是不同混光结构的光学系统的混光光斑色差的比较图。

图12是本发明光学系统的反射面上某一等分角二次等分示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

如图1与图2所示，本发明揭示了一种光学系统100，该光学系统100能够应用在各种灯具中(比如射灯、筒灯等)，用于对光线进行短距离混光，在保证出光率高的情况下，还能够减小光斑色差，避免出现由混光而导致的出光分层现象。

该光学系统100包括透镜10和光源20。透镜10为上宽下窄的碗状结构，且其底部中心位置处内凹形成有供接收光源20发出的光线的入射腔11，入射腔11的内壁面上形成有入射面；透镜10的顶部内凹形成有与入射腔11相对设置的出光腔12，该出光腔12的内壁面上形成有出光面，该出光面与入射面相对设置；光源20位于入射腔11的下方中心位置处。透镜10还包括环绕入射面设置的反射面17，且该反射面17同时还环绕入射腔11和出光腔12设置。

本申请中，反射面17是由若干个混光单元170组成的混光面，且该混光面也为全反射面17，也就是说，透镜10的侧壁上包括若干个混光单元170。具体而言，该若干个混光单元170环绕透镜10的侧面设置以形成全反射面17，光源20发出的一部分光线能够从入射面进入透镜10内部，经过全反射面17的反射后在透镜10内混光，最后再从出光面折射出去；光源20发出的另一部分光线从入射面进入透镜10后，可以直接从出光面出射出去，该部分光线主要是指位于光轴附近的光线。

具体地，该光学系统100呈轴对称设置，即光学系统100关于中心轴线L对称设置。入射面包括位于光源20正上方的第二入射面14和与第二入射面14相连的第一入射面13，第一入射面13环绕第二入射面14设置。出光面包括与第一入射面13相对设置的第一出光面15和与第二入射面14相对设置的第二出光面16，第一出光面15环绕第二出光面16设置。如此设置，能够让光源20发出的光线全部打到入射腔11的内壁面上，即第一入射面13和第二入射面14，并全部进入透镜10内，最终分别从第一出光面15和第二出光面16出射出去，提高了出光率。

进一步地，第一入射面13为朝向所述入射腔11弯曲和突伸的曲面；第一出光面15自透镜10的外边沿朝向透镜10的中心位置逐渐收缩，同时第一出光面15还朝向出光腔12弯曲和突伸，以形成一曲面，也就是说，第一入射面13和第一出光面15均朝中心轴线L的方向外凸以形成曲面。第二入射面14呈平面设置，第二出光面16沿着中心轴线L向上凸起以形成凸面。这样设置，使得光线从第一入射面13折射进入透镜10内后，能够经全反射面17反射至第一出光面15，从而有效保证了出光效率。

其次，第二入射面14保证了光源20发出的靠近中心轴线L的光线在进入透镜10后能够直接从第二出光面16折射出去，而不会干扰到从第一入射面13进入透镜10的光线在全反射面17上的反射过程和在透镜10内的混光过程，保证了光线在透镜10内传播过程中的有序性，提高了出光质量。另外，为了能够较好的出射靠近中心轴线L的光线，将第二出光面16(即凸面)的径口设计成略大于第二入射面14(即平面)的径口，从而凸面设置的第二出光面16能够使靠近中心轴线L的光线更加发散性的从透镜10内出射出去，保证了出光效果，提高了出光率。

光学系统100为了能够解决灯具产生的色差问题，一般会在透镜10表面设计多种混光结构，这些结构形式多样，且需要大曲率的混光结构才能实现混光的效果。虽然能够做到一定程度上的混光，但混光的距离较大，即在透镜10外部才能进行混光，以致造成混光效果差，且会出现灯光分层的现象、出光效率低。

如图3和图4所示，本发明中的混光结构为混光单元170，该混光单元170设置在全反射面17上，包括第一鳞甲拼接面171和围绕第一鳞甲拼接面171设置的第二鳞甲拼接面172、第三鳞甲拼接面173、第四鳞甲拼接面174及第五鳞甲拼接面175，其中，第一鳞甲拼接面171呈菱形状设置，第二鳞甲拼接面172、第三鳞甲拼接面173、第四鳞甲拼接面174及第五鳞甲拼接面175分别与第一鳞甲拼接面171相连且均呈梯形状设置，以形成规则的几何结构。优选地，上述第一鳞甲拼接面171、第二鳞甲拼接面172、第三鳞甲拼接面173、第四鳞甲拼接面174及第五鳞甲拼接面175均为曲面。如此设置，使得光学系统100上的混光结构简单，不但能够方便大规模的加工生产，而且混光效果好。

结合图1、图3和图5，进一步地，混光单元170在全反射面17上呈环形阵列式排布，且位于同一竖列的混光单元170的棱边尺寸按照等差数列递增或递减，位于同一横列的混光单元170的棱边尺寸相等。结合图6，具体来讲，同一竖列的混光单元170即为全反射面17的母线位置处的混光单元170，母线的长度即为同一竖列的所有混光单元170的纵向长度D，该位置处的单个混光单元170的纵向长度d也按照等差数列递增或递减。如此设置，使光线在透镜10内反射后，能够直接在透镜10内进行短距离的混光，从而减小了混光距离。

如图7所示，下面将详细说明如何确定单个混光单元170的尺寸大小和位置。首先，将光源20所在的平面进行等分。利用公式：

计算出等分角度θ。上述公式中，I(θ)为光源20发光强度分布，θ_i为等分光源20光通量的采样光线角度，N为等分份数。然后，再根据折射定律n₁*sinθ₁＝n₂*sinθ₂，其中n₁为光在空气中的折射率，n₂为光在透镜10中的折射率，求出光线折射到全反射面17上的对应点，这里为了方便计算，则取反射点A₁和A₂。该两点的高度差即为单个混光单元170的纵向长度d，确定好母线处其中一个混光单元170的纵向长度d后，就可根据等差数列的原理来依次计算出其他混光单元170的纵向长度d，继而确定出同一竖列的每个混光单元170的纵向长度d。优选地，本发明依照上述方式可以得出一组同一列的每个混光单元170纵向长度d从小到大依次是2.39mm、2.69mm、3.01mm、3.34mm、3.67mm、3.99mm、4.16mm。

然后，将透镜10每一环带(即透镜10的外侧壁在不同高度下的每一圈的周向长度)按360°等分成若干个小段，每一小段的长度即为单个混光单元170的横向长度c。根据求出的每个混光单元170的纵向长度d和横向长度c以及光反射点的位置，即可确定每个混光单元170的尺寸大小和设置位置。

最后，根据“每一环带上的每个混光单元170的尺寸大小相同、同一竖列的所有混光单元170的纵向长度按照等差数列递增或递减”这一设计原则，即可获得反射面17上所有混光单元170的尺寸大小和设置位置，此时即完成了整个反射面17的设计。

如图8、图9、图10以及图11所示，根据实验表明，相比于反射面17上无混光结构或有其他混光结构，本发明中的由混光单元170构成的混光面(全反射面17)既能够实现在透镜10内部完成短距离的混光，也能够保证光学系统100的出光角度和出光效率，继而减小了混光出射时的光斑色差。具体地，如图9所示的由四条边均为波浪状的波浪四边形混光结构构成的混光面，其是在透镜外进行的混光；图10所示的由菱形混光结构构成的混光面，也是在透镜外进行的混光；而图8所示本发明中由混光单元170构成的混光面，其是在透镜内完成的混光，有效缩短了混光距离。由此可见，本发明更能够深层次的短距离混光，以减少光斑的色差。

此外，本发明还可以实现不同角度的混光。具体而言，首先，改变透镜10基底母线的曲率；然后，改变母线位置处的混光单元170的能量分配(即每个混光单元170对应的大小和形状)。如图12所示，θ为包含一整个混光单元170的纵向角度，由于该混光单元170为多面体，所以将此θ再进行分配，即对θ在Z轴上进行等分，即可得出单个混光单元170中五个鳞甲拼接面的大小，或是单个混光单元170的纵向(包括上区域、中区域、下区域)三个区域内的能量分配。同一个混光单元170的不同二次等分角dθ所得出的分区域形状大小不一样，因此其能量调控也不一样。因此，根据实际需求，可以通过对等分角再次的不同等分，从而得到所需的能量分配。同时，可以通过改变混光单元170的曲率来调整不同的出光角度：对于大角度而言，将能量占比更大部分的光，用更凸曲率的鳞甲去调控成大角度即可；对于小角度而言，将能量占比更少部分的光，用较平曲率的鳞甲来调控即可。

下面将详细说明该光学系统100的工作原理及过程：光源20发出的一部分光线从第一入射面13进入透镜10后，经全反射面17上的若干个混光单元170反射后在透镜10内部完成混光，混光完成后再从第一出光面15出射；光源20发出的另一部分光线从第二入射面14进入透镜10后，直接从第二出光面16出射。整个出光面的出射光形成色差低、清晰均匀的圆形光斑，使得出光更加的柔和，出射的光束无颜色分层。

综上所述，本发明的光学系统100通过在反射面17上设置混光单元170，从而能够对光线进行短距离混光，在保证出光率高的情况下，还能够降低由混光而导致的出光分层现象。该光学系统100中的混光单元170采用规则的几何结构且尺寸大小规则排列，模具设计简单，易于生产。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光学系统，包括光源(20)和透镜(10)，其特征在于：所述透镜(10)包括设置在其中心位置处并且供接收光源(20)发出的光线的入射腔(11)、形成于入射腔(11)内壁面上的入射面、环绕所述入射面设置的反射面(17)以及与所述入射腔(11)相对设置的出光面，所述光源(20)设于所述入射腔(11)的下方中心位置处，所述反射面(17)由若干个混光单元(170)相互拼接而成，各个混光单元(170)由若干个形状规则的鳞甲拼接面相互拼接而成，以便光源(20)发出的光线自所述入射面进入所述透镜(10)后，经所述混光单元(170)反射后在所述透镜(10)内部形成混光，最后经所述出光面进行出射。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述混光单元(170)包括第一鳞甲拼接面(171)和围绕第一鳞甲拼接面(171)设置的第二鳞甲拼接面(172)、第三鳞甲拼接面(173)、第四鳞甲拼接面(174)及第五鳞甲拼接面(175)，其中，所述第一鳞甲拼接面(171)呈菱形状设置，所述第二鳞甲拼接面(172)、第三鳞甲拼接面(173)、第四鳞甲拼接面(174)及第五鳞甲拼接面(175)分别与所述第一鳞甲拼接面(171)相连且均呈梯形状设置。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于：所述第一鳞甲拼接面(171)、第二鳞甲拼接面(172)、第三鳞甲拼接面(173)、第四鳞甲拼接面(174)及第五鳞甲拼接面(175)均为曲面。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：若干个所述混光单元(170)在所述反射面(17)上呈环形阵列式排布，且位于同一竖列的混光单元(170)的棱边尺寸按照等差数列递增或递减，位于同一横列的混光单元(170)的棱边尺寸相等。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述透镜(10)为上宽下窄的碗状结构，所述出光面位于所述透镜(10)的顶部并自所述透镜(10)的外边沿朝向所述透镜(10)的中心位置逐渐收缩，所述入射面位于所述透镜(10)的底部。

6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于：所述入射面包括位于所述光源(20)正上方的第二入射面(14)和与所述第二入射面(14)相连的第一入射面(13)，所述第一入射面(13)为朝向所述入射腔(11)弯曲和突伸的曲面，所述第二入射面(14)为平面。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于：所述透镜(10)的顶部形成有与所述入射腔(11)相对设置的出光腔(12)，所述出光面包括与所述第一入射面(13)相对设置的第一出光面(15)和与所述第二入射面(14)相对设置的第二出光面(16)，所述第一出光面(15)为朝向所述出光腔(12)弯曲和突伸的曲面。

8.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于：所述透镜(10)呈轴对称设置，所述第二出光面(16)沿着所述透镜(10)的中心轴线向上凸出以形成曲面。

9.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于：所述反射面(17)为全反射面并环绕所述第一入射面(13)设置，以便光源(20)发出的一部分光线自所述第一入射面(13)进入所述透镜(10)，并经所述反射面(17)进行全反射形成混光后从所述第一出光面(15)进行出射、另一部分光线自所述第二入射面(14)进入所述透镜(10)并经所述第二出光面(16)进行出射。

10.一种灯具，其特征在于：包括权利要求1-9中任一项所述的光学系统。

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