CN204964862U

CN204964862U - 用于更改由光源发射的光的空间分布以提供在第一方向上伸长的伸长光束的光学元件、光学组件、照明设备和照明器

Info

Publication number: CN204964862U
Application number: CN201390000865.7U
Authority: CN
Inventors: 张海锋; 彭元静
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2012-11-05
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: DE112013005281T5; DE202013012202U1; WO2014068497A1

Abstract

本实用新型涉及一种用于更改由光源（4）发射的光的空间分布的光学元件（7；21）。光学元件包括用于接收由所述光源（4）发射的光的光输入表面（17；27），该光输入表面（17；27）限定光学元件（7；21）中的用于容纳光源（4）的腔（16）。光学元件还包括用于发射伸长光束（10）的光输出表面（9；22）。光输出表面（9；22）至少包括被布置为接收来自光输入表面（17；27）的行进的光的第一全内反射表面部分（12；23）。第一全内反射表面部分（12；23）被成形为经由全内反射向着平行于支撑表面（8；25）的平面反射光的至少一部分。

Description

用于更改由光源发射的光的空间分布以提供在第一方向上伸长的伸长光束的光学元件、光学组件、照明设备和照明器

技术领域

本发明涉及一种用于更改由安装在载体上的光源发射的光的空间分布以提供伸长光束的光学元件。本发明还涉及一种照明系统和一种光输出设备。

背景技术

为了驾车者和行人等的安全，在夜晚时刻经常使用路灯来光照道路。

在街道照明中，挑战之一是实现选择性光照，即光照街道而不光照周围区域。这可通过使用诸如反射器和/或透镜之类的光学元件来完成。这允许能量的更高效使用，因为在不失去期望照明的情况下可增大相邻路灯之间的距离。此外，通过增大距离，需要较少路灯并且因此其还减小安装和维护的成本。

然而，常规照明技术（诸如例如放电灯）需要大量的能量用于每个灯以便光照灯之间的道路，特别是如果相邻路灯之间的距离增大的话。此外，它们需要频繁的维护。

近来，固态光源（例如发光二极管（LED））已在街道照明应用中实施。例如，WO2012/080889A1公开了包括LED的阵列和光学元件的阵列的路灯，一个光学元件被布置在每个LED前方。

根据WO2012/080889A1的光学元件中的每个更改由其对应LED发射的光的空间分布以提供道路上的伸长光照图案。这允许路灯之间增大的间隔。

然而，将期望的是，进一步改进光的空间分布并且在基于LED的街道照明中提供改进的光照图案。

发明内容

鉴于上文，本发明的一般目的是提供一种改进的光学元件，其提供光的改进的空间分布。

根据本发明，因此提供了一种用于更改由光源发射的光的空间分布以提供在第一方向上伸长的伸长光束的光学元件，其中该光学元件包括：用于将该光学元件支撑在载体上的支撑表面；用于接收由该光源发射的光的光输入表面，该光输入表面限定该光学元件中的用于容纳该光源的腔；用于在光输入表面处的第一折射和光输出表面处的第二折射之后发射伸长光束的光输出表面，其中光输出表面至少包括第一全内反射表面部分，第一全内反射表面部分被布置为接收来自光输入表面的在与第一方向垂直的第二方向上行进并且从平行于支撑表面的平面偏离小于45°的角度的光，第一全内反射表面部分被成形为经由全内反射向着平行于支撑表面的平面反射光的至少一部分。

该光源可以有利地是所谓的固态光源，其是其中经由电子和空穴的再组合而生成光的光源。固态光源的示例包括发光二极管（LED）和半导体激光器。

本发明是基于以下认识：通过提供向着支撑表面将否则将在非期望方向上发射的光线引导回以致该光可被再循环的光学元件，可增大‘有用’光照的比率。例如，因此由光学元件再引导的光可以被散射反射器反射并且之后以更加称心的方向进入光学元件。例如，该光源可以安装在载体上，载体可具有漫反射上表面。在这样的散射反射器处的反射之后，‘再循环的’光线可贡献于‘有用’的光照。

本发明人已经进一步认识到，可通过将光学元件的光输出表面的一部分适当成形来经由全内反射便利地并且高效地实现向着载体的光线的上文提到的方向。

通过增大‘有用’光照（即，否则将不会到达光照的意图区域的光）的比率，可减小包括该光学元件的光输出设备的能耗，同时仍然提供相同量的‘有用’光照。

因为第一TIR表面被布置为接收在从平行于支撑表面（例如当光学元件被布置为容纳布置在载体上的光源时该载体的表面）的平面偏离小于45°的角度的第二方向上的光，第一TIR表面部分被布置为接收以关于支撑表面的小角度从光源发射的光线。这意味着否则将在非希望方向上从光学元件逃离的‘发散’光可在该TIR表面部分被‘捕获’并且被向着载体再引导。

该光学元件可以由具有大于1的折射率的光学材料制造。适当光学材料的示例是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或聚碳酸酯（PC），但是可以使用很多其它材料，例如玻璃。

第一TIR表面部分可以有利地包括具有与第一全内反射表面之外的光输出表面的相邻表面部分的曲率中心不同的曲率中心的表面部分。

换言之，在包括第一TIR表面部分和光输出表面的另一部分之间的连接的光学元件的每个截面中，限定该截面的轮廓的曲线在该连接处具有中断点，使得轮廓曲线在该连接处是不连续的。

光学元件可有利地具有横贯第一TIR表面部分的对称平面。

这可以是有利地，例如发散节段为该对称平面的部分的情况，在该情况下可通过TIR表面部分来收集发散光线并且将其反射回到载体。

TIR表面部分关于该对称表面的截面可以有利地由贝赛尔曲线来限定。

贝塞尔曲线是可通过三个点来限定的曲线并且是控制曲率的有效方式。通过使用贝塞尔曲线限定第一全内反射表面部分的截面，可便于光学元件的设计。

光输出表面可有利地进一步包括第二TIR表面部分，第二TIR表面部分被布置为关于光学元件的腔与第一TIR表面部分相对，使得第二TIR表面部分被光学元件的对称平面横贯。

为了进一步减小“向侧边”发射的杂散光的出现，该光学元件可附加地包括第二TIR表面部分。例如，利用被布置为与第一TIR表面部分相对的附加TIR表面部分，可以使发射的光束沿着两个TIR表面部分之间的维度更窄。

在一个实施例中，使第二TIR表面与第一TIR表面类似，该实施例的光学元件可具有相互垂直的两个对称平面。

光输入表面可以有利地包括折射表面部分，该折射表面部分被配置为使得在该表面部分的切线与平行于支撑表面的平面之间的角度是至少40°。

折射表面部分被布置成使得光线在到达TIR表面部分之前可以被折射表面部分折射。折射表面使光线折射以使得当它们到达TIR表面时光线的入射角是大的。当折射表面部分的切线与平行于支撑表面的平面之间的角度是至少40°时，光输出表面的TIR表面部分可以高效地将光向着载体反射回。

此外，光输入表面的折射表面部分可以有利地是平面的。然而，折射表面部分可以另外是弯曲表面部分，只要该表面部分的切线满足与平行于支撑表面的平面的至少40°的角度的条件。

折射表面部分被布置为与光输出表面的TIR表面部分相邻，使得光线在到达TIR表面部分之前可被折射表面部分折射。在对称平面中，折射表面部分和TIR表面部分被布置在关于腔的“同一侧上”。

光输出表面可有利地包括通过泽尔尼克多项式限定的表面部分。

换言之，与TIR表面部分相邻的表面部分可以通过泽尔尼克多项式限定。泽尔尼克多项式被普遍用于描述光学像差，并且因此在设计具有高精度的光学器件时是有用的。通过泽尔尼克多项式限定的表面形成弯曲表面。

在另一实施例中，光输出表面可有利地包括通过发散表面部分桥接的两个会聚表面部分。该构造产生“花生”形状的表面，并且在将发射的光线收集到伸长形状中是高效的，其中该伸长是在沿着“花生”形状的表面的纵轴的第一方向上。

有利地，TIR表面可被布置为与发散表面部分相邻。

换言之，TIR表面可被布置在“花生”的中间中的窄部分上。通过将TIR表面部分布置成与发散节段相邻，可将在TIR表面部分的方向上发散的光线高效地反射回到载体。

根据本发明的各个实施例的多个光学元件可另外有利地布置在阵列中以形成光学组件。这样的光学组件可包括不同光学元件，或者光学组件中的所有光学元件可以基本上相同。

这样的组件的光学元件可被布置为使得由所有光学元件发射的光形成具有高强度的合成均匀输出光束。

有利地，可以在一个部件中一体形成光学组件中的多个光学元件。

在单个部件中做出该组件显著便于最终产品的维护。另外，如果在一个部件中一体形成，则可以以更高的生产量更高效地执行包括光学元件的设备的批量生产。

根据本发明的一个实施例，进一步提供了一种照明设备，其包括：安装在载体上的多个光源；以及上述光学组件，该光学组件被布置在载体上使得固态光源中的每个容纳在包括于光学组件中的光学元件中的对应一个光学元件的腔中；其中该载体是散射反射载体。

在其上安装了光源的照明设备的载体包括散射反射表面以便（漫）反射从TIR表面返回的光并且因此使从TIR表面返回的光再循环。

根据本发明的一个实施例，提供了一种照明器，其包括：固定装置；以及附接到该固定装置的照明设备。

例如，该固定装置可以是使该照明器适合道路或街道照明的柱。其可以进一步是较小的柱，从而使照明器适合边墙、步行小路的照明、花园照明或公园的光照。该固定装置还可以是隧道的吊顶使得该照明器可以被用于照明隧道，或是一些其它吊顶。另外，壁可以是固定装置使得照明器可以附接到该壁以用于隧道的照明或甚至室内照明。

附图说明

参考示出本发明的示例实施例的附图，现在将更详细地描述本发明的这些和其它方面，其中：

图1图示了包括照明设备和柱的照明器；

图2图示了包括根据本发明的光学元件的照明设备的示例性实施例；

图3是安装在载体上的根据本发明的第一实施例的光学元件和发光二极管的分解视图；

图4是安装在载体上的根据本发明的第一实施例的光学元件和发光二极管的截面视图；

图5图示了根据本发明的第二实施例的光学元件；

图6是安装在载体上的本发明的第二实施例的截面视图；以及

图7示意性示出具有两个TIR表面部分的根据本发明的光学元件的另外示例性实施例。

具体实施方式

在以下描述中，主要参考具有光学元件的道路照明应用描述本发明，该光学元件被布置在安装于用于道路的光照的柱上的板上。

然而，应当注意，这绝非限制本发明的范围，本发明同样适用于其它应用，例如边墙、公园、花园等的光照。

图1图示了以照明器1的形式的根据本发明的光学元件的实施例的示例性应用，该照明器1包括固定装置2和附接到固定装置2的照明设备3。在该实施例中，该应用可以用于例如道路或边墙的光照。

图2图示了关于照明设备3的根据本发明的实施例，照明设备3包括安装在载体5上的多个固态光源，该光源在此以发光二极管（LED）4的形式提供。光学组件6被布置在载体5上，使得每个LED4容纳在光学组件6的光学元件7中的对应一个的腔中。以该方式，光学元件可更改由LED发射的光。该实施例的载体5是散射反射载体以便用于再循环由光学元件的TIR表面（参见图4）反射的光束。该照明设备可以安装在固定装置2（例如柱）上以用于例如道路的光照。

在图2中图示的照明设备的一个实施例中，光学组件包括具有对应LED的16个光学元件。光学元件被布置为使得发射的光高效地产生具有高强度和低能耗的均匀合成光束。如果这样的照明设备被安装在柱上以用于道路照明，则一个可实现8/1的间隔/高度，其中间隔是相邻灯柱之间的距离并且高度是柱的高度。

图3是安装在载体5上的光学元件7的示例性实施例的分解视图，载体5用于将光学元件7支撑在支撑表面8上。当光学元件7被布置在载体5上时，LED4被布置在由光学元件7和载体5形成的腔中（将参考图4更详细地解释腔）。存在用于发射沿着第一方向11伸长的伸长光束10的光输出表面9。光输出表面9至少包括被布置为接收来自光输入表面（在图4中示出）的在与第一方向11垂直的第二方向13上行进的光的第一TIR表面部分12。

在图3中示出的实施例中，光输出表面9包括通过发散表面部分15桥接的两个会聚表面部分14，以及被布置为与发散表面部分15相邻的第一TIR表面部分12。该构造得到了‘花生’形状的光输出表面。两个会聚表面部分14沿着第一方向11分布，其使发射的光束10在如图3中所指示的第一方向11上伸长。桥接发散表面部分将发射的光从发散表面向着会聚表面部分散布。TIR表面部分12被布置为与发散表面部分15相邻，并且使得在垂直于第一方向11的第二方向13上发射的并且落入平行于支撑表面8的平面的小于45°的角度内的光可以被向着载体5全内反射。以该方式，利用TIR表面部分12，由LED发射的否则“无用”的光可被向着载体反射回并且被再循环。在一些实施例中，该角度可以有利地小于35°或25°，从而使伸长的光束10稍微更宽。

图4是安装在载体5上的光学元件7的截面视图，载体5用于将光学元件7支撑在支撑表面8上并且用于支撑LED4，如图3所示那样。该截面是在沿着第二方向13横贯第一TIR表面部分12的对称平面中。如可在图4中看到的，容纳LED4的腔16由包括平面折射表面部分18的光输入表面17限定。平面折射表面部分被布置为使得在平面折射表面部分和平行于光学元件7的支撑表面8的平面之间形成至少40°的角度α。载体5的上表面19是平行于光学元件的支撑表面8的这样的平面。

在图4中，指示了用于光束的示例性行进路径20。示例性光束由LED4发射并且在平面折射表面部分18的方向上向着光输入表面17行进。光输入表面17在平面折射表面18处接收光束20并且光束在平面折射表面18处被折射。接着折射表面18处的折射，存在在光输出表面9处的第二折射之后用于发射光束的光输出表面9。图4中的光束的行进路径20在平面折射表面18处的第一折射之后到达TIR表面部分12，TIR表面部分12被布置为接收来自光输入表面17的在垂直于第一方向11的第二方向13上行进并且从平行于支撑表面8的平面偏离小于45°的角度的光。TIR表面部分被成形为通过全内反射向着平行于支撑表面8的表面反射光的至少一部分。因此，如由示例性行进路径20示出的，光束在TIR表面部分12处的全内反射之后继续向着载体5。载体使得光在如图4中所指示的表面处被反射，并且可因此被再循环。

图4中示出的实施例包括平面折射表面部分18。折射表面在根据本发明的各个实施例中可以是弯曲表面部分，条件是在折射表面部分的切线和载体的平面之间的角度是至少40°。例如，根据本发明，折射表面部分可以是同样起作用的会聚表面部分。

在根据本发明的各个实施例中，TIR表面部分12在对称平面中的截面可以通过贝塞尔曲线来限定。使用贝塞尔曲线是限定曲率的有效方式。贝塞尔曲线可通过3个点来限定，利用三个点，曲线由如下给出：

其中P₀、P₁和P_2-是控制曲线的形状的三个点。例如，当t=0时，则P(t)=P₀，并且当t=1时，则P(t)=P₂，这表示P₀和P_2-是贝塞尔曲线的起点和终点。通过改变P₁，可控制曲率。

在根据本发明的各个实施例中，光输入表面17的至少一个表面部分在对称平面中的截面可以通过贝塞尔曲线来限定。

图5图示了根据本发明的光学元件21的替代实施例，其包括光输出表面22、第一TIR表面部分23、通过泽尔尼克多项式限定的光输出表面部分24，TIR表面部分23被布置为与泽尔尼克光输出表面部分24相邻。

泽尔尼克多项式一般用于描述光学像差，其中泽尔尼克多项式的不同阶描述了不同阶的像差。描述该表面的函数由以下给出

其中，k是圆锥常数，c是曲率，c_n+1是Z_n（n=1到66）的系数，Z_n是第n个泽尔尼克多项式，并且，其中x和y是载体5的平面中的垂直维度。

图6图示了在图5所示的本发明的实施例的对称平面中的截面，该截面横贯包括通过泽尔尼克多项式限定的表面部分24和与泽尔尼克光输出表面部分24相邻的第一TIR表面部分23的光输出表面22、将光学元件21支撑在支撑表面25上并且可支撑LED的载体5、被布置为与第一TIR表面部分23相邻的折射表面部分26、以及光输入表面27。

在图6中，光输入表面27的至少一个表面部分在对称平面中的截面可通过贝塞尔曲线来限定。此外，TIR表面部分23在对称平面中的截面可以通过贝塞尔曲线来限定。

最终，将参考图7描述根据另外实施例的光学元件30。图7中的光学元件类似于上文参考图3和4描述的光学元件7。尽管图3和4中的光学元件7具有单个TIR表面部分12并且因此关于图4中示出的截面是非对称的，但是图7中的光学元件30具有第一TIR表面部分12和第二TIR表面部分31，以使由光学元件30成形的光束对称地更窄。尽管在图7中未明确示出，但是应当理解的是，图7中示出的光学元件30的光输入表面可有利地具有与图4中示出的折射表面部分18相对布置的附加折射表面，从而光输入表面还在图4的截面视图中是对称的。

附加地，技术人员根据对附图、公开文本和所附权利要求的研究，在实践所要求保护的发明时能够理解和实现对所公开的实施例的变型。例如，实施例绝不被限制为在每个光学元件中具有单个光源，而是可同样包括多于一个的光源。此外，在具有“花生”形状的光输出表面的实施例中并且在具有泽尔尼克多项式表面的另一实施例中描述了本发明。然而，本发明可利用例如球形、椭圆、抛物面或其它多项式光输出表面来同样工作。

光输入表面和TIR表面部分在各个实施例中依据贝塞尔曲线来描述。所提到的贝塞尔曲线的阶“三”并非是限制性的，其也不限制本发明的函数。此外，TIR表面部分可以同样是平面表面部分。

在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。若干措施在相互不同的从属权利要求中记载的单纯事实不表明这些措施的组合不能被用于获益。

Claims

1.一种用于更改由光源（4）发射的光的空间分布以提供在第一方向（11）上伸长的伸长光束（10）的光学元件（7；21），其中所述光学元件（7；21）包括：

支撑表面（8；25），其用于将所述光学元件（7；21）支撑在载体（5）上；

光输入表面（17；27），其用于接收由所述光源（4）发射的光，所述光输入表面（17；27）限定所述光学元件（7；21）中的用于容纳所述光源（4）的腔（16）；

光输出表面（9；22），其用于在所述光输入表面（17；27）处的第一折射和所述光输出表面（9；22）处的第二折射之后发射所述伸长光束（10），

其中所述光输出表面（9；22）至少包括第一全内反射表面部分（12；23），所述第一全内反射表面部分（12；23）被布置为接收来自所述光输入表面（17；27）的在与所述第一方向（11）垂直的第二方向（13）上行进并且从平行于所述支撑表面（8；25）的平面偏离小于45°的角度的光，

所述第一全内反射表面部分（12；23）被成形为经由全内反射向着平行于所述支撑表面（8；25）的所述平面反射所述光的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的光学元件（7；21），其中所述第一全内反射表面部分（12；23）包括具有与所述第一全内反射表面（12；23）之外的所述光输出表面（9；22）的相邻表面部分的曲率中心不同的曲率中心的表面部分。

3.根据权利要求1或2所述的光学元件（7；21），其中所述光学元件（7；21）具有横贯所述第一全内反射表面部分（12；23）的对称平面。

4.根据权利要求3所述的光学元件（7；21），其中所述全内反射表面部分（12；23）关于所述对称平面的截面由贝赛尔曲线来限定。

5.根据权利要求3所述的光学元件（7；21），其中所述光输出表面（9；22）进一步包括第二全内反射表面部分，所述第二全内反射表面部分被布置为关于所述光学元件（7；21）的所述腔（16）与所述第一全内反射表面（12；23）相对布置，使得所述第二全内反射表面部分被所述光学元件（7；21）的所述对称平面横贯。

6.根据权利要求1或2所述的光学元件（7；21），其中所述光输入表面（17；27）包括折射表面部分（18；26），所述折射表面部分（18；26）被配置为使得在所述表面部分（18；26）的切线与平行于所述支撑表面（8；25）的所述平面之间的角度（α）是至少40°。

7.根据权利要求6所述的光学元件（7；21），其中所述光输入表面（17；27）的所述折射表面部分（18；26）是平面的。

8.根据权利要求1或2所述的光学元件（7；21），其中所述光输出表面（9；22）包括通过泽尔尼克多项式（24）限定的表面部分。

9.根据权利要求1或2所述的光学元件（7；21），其中所述光输出表面（9；22）还包括通过发散表面部分（15）桥接的两个会聚表面部分（14）。

10.根据权利要求9所述的光学元件（7；21），其中所述第一全内反射表面部分（12；23）被布置为与所述发散表面部分（15）相邻。

11.一种光学组件（6），其中所述光学组件（6）包括被布置在阵列中的多个根据权利要求1或2所述的光学元件（7；21）。

12.根据权利要求11所述的光学组件（6），其中所述多个光学元件（7；21）在一个部件中一体形成。

13.一种照明设备（3），其中所述照明设备（3）包括：

安装在载体（5）上的多个光源（4）；以及

根据权利要求11或12所述的光学组件（6），所述光学组件（6）被布置在所述载体（5）上使得所述光源（4）中的每个容纳在包括于所述光学组件（6）中的所述光学元件（7；21）中的对应一个光学元件的所述腔（16）中；

其中所述载体（5）是散射反射载体。

14.一种照明器（1），其中所述照明器（1）包括：

固定装置（2）；以及

附接到所述固定装置（2）的根据权利要求13所述的照明设备（3）。