CN207034986U - 透镜、照明设备和照明器 - Google Patents

Abstract

公开了用于固态照明元件（24）的透镜（100）。透镜包括至少一个光进入表面（110,112）以及与至少一个光进入表面相对的光出射表面（120），光出射表面包括微结构（122）的规则图案以及另外的微结构（124）的多个规则图案，其中另外的微结构的每一个规则图案在所述微结构中的相应一个微结构上。这样的透镜（100）可以实现卓越的颜色混合。还公开了包括这样的透镜的照明设备（10）以及包括这样的照明设备（10）的照明器。

Description

透镜、照明设备和照明器

技术领域

本发明涉及用于固态照明元件的透镜，该透镜包括至少一个光进入表面以及与至少一个光进入表面相对的光出射表面，光出射表面包括微结构的规则图案。

本发明还涉及包括这样的透镜的照明设备。

本发明又进一步涉及包括这样的照明设备的照明器。

背景技术

随着人口连续增长，变得越来越难以满足世界的能量需要以及抑制温室气体排放，诸如二氧化碳排放，其被视为对全球变暖现象负有责任。这些关注已经触发朝向更加高效的电力使用以试图减少能量消耗的驱动力。

一个这样的关注领域是处于家庭或商业设置中的照明应用。存在朝向利用更加能量高效的替换物来替换传统白炽灯泡的清晰趋势，传统白炽灯泡众所周知是高耗能的。实际上，在许多管辖范围中，已经宣布白炽灯泡的生产和销售不合法，因此迫使消费者购买能量高效的可替换物，例如当替换白炽灯泡时。

特别有前景的可替换物通过包括固态照明（SSL）元件的照明设备来提供，其可以以白炽灯泡的小部分能量成本而产生单位发光输出。这样的SSL元件的示例是发光二极管。

妨碍这样的照明设备向消费者市场的渗透的问题在于，消费者习惯于诸如白炽照明设备之类的传统照明设备的外观并且期望基于SSL元件的照明设备具有与这些传统照明设备类似的外观。然而，由于SSL元件充当点源而不是全向光源并且可能产生特定颜色的光而不是白光，因此要求附加措施来调节SSL元件的发光输出使得基于SSL元件的照明设备的外观类似于诸如白炽照明设备之类的传统照明设备的外观。

为了调节由SSL元件产生的光的颜色，可以通过磷光体覆盖SSL元件的发光表面，例如以将SSL元件的窄频谱发光输出转换成白光。与磷光体的使用相关联的问题在于，通过SSL元件产生的不同光线可能沿着具有通过磷光体的不同路径长度的不同路径行进。这在照明设备的发光输出中导致所谓的角度之上的颜色变化，其中在不同角度之下离开照明设备的光具有不同颜色。

为了解决该问题，照明设备可以包括透镜来混合离开磷光体的光以便减少发光输出中的颜色分离。例如，透镜可以提供成具有由凸形或凹形微结构的网格限定的光出射表面以便提供该混合功能。这样的微结构充当刻面使得通过不同刻面重定向的光可以混合以便改进照明设备的发光输出的颜色均匀性。

增加这样的透镜的颜色混合能力并不是简单明了的，如将在图1和2的帮助下解释的，图1和2示意性描绘了光在关于光轴的角度之下（图1）和平行于竖直光轴（图2）入射于其上（如通过虚线箭头所指示）的凸形透镜刻面（左侧）和凹形透镜刻面（右侧）。微结构可以被标识为在线n-o和线m-o之间延伸的弯曲片段。如在图1和2中可以看到的，凸形和凹形微结构二者成功地在相对宽的角度之下散射入射光，因而促进由透镜的光出射表面上的不同微结构所散射的光的颜色混合。可以实现的光散射的量由微结构的曲率掌控。然而，曲率的能力不能无限地增加。对于凸形微结构，针对在微结构的左端点处入射的射线出现限制场景，即，具有入射角和出射角的射线。对于凹形微结构，针对在微结构的右端点处入射的射线出现限制场景，即具有入射角和出射角的射线。尽管更大的散射角度可以通过进一步增加微结构的曲率来实现，但是相应出射角和作为结果而迅速逼近90°，从而显著增加全内反射的概率，其不利地影响透镜的效率。因而，这样的微结构化透镜典型地实现效率和光散射能力之间的折衷。

发明内容

本发明力图提供一种用于固态照明元件的透镜，其具有改进的颜色混合能力。

本发明还力图提供一种包括这样的透镜的照明设备。

本发明又进一步力图提供一种包括这样的照明设备的照明器。

根据一方面，提供了一种用于固态照明元件的透镜，该透镜包括至少一个光进入表面以及与至少一个光进入表面相对的光出射表面，光出射表面包括光散射微结构的规则图案以及另外的光散射微结构的多个规则图案，其中另外的光散射微结构的每一个规则图案在所述光散射微结构中的相应一个光散射微结构上。

已经发现，通过在每一个光散射微结构的表面上提供另外的光散射微结构的图案，这样的颜色混合透镜的散射能力可以明显地改进而没有明显增加全内反射。

透镜可以是全内反射透镜以最大化离开透镜的光出射表面的光的量。

在实施例中，光散射微结构的规则图案可以是蜂巢图案以实现光散射微结构的紧密包裹的网格。

另外的光散射微结构的规则图案可以是蜂巢图案以实现每一个光散射微结构上的另外的光散射微结构的紧密包裹的网格。

每一个光散射微结构和/或每一个另外的光散射微结构可以具有弯曲表面，诸如凸形表面或凹形表面以便实现均匀散射特性。

透镜可以进一步包括用于从固态照明元件接收发光输出的腔体，其中所述腔体通过光进入表面以及在光进入表面和准直透镜的外表面之间延伸的另外的光进入表面来定界。外表面可以从另外的光进入表面朝向光出射表面向外渐缩以便实现期望的反射特性，例如全内反射。

透镜可以由光学级聚合物制成，诸如聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或者聚甲基丙烯酸甲酯。这具有以下优点：透镜可以以低成本制造，例如通过模制技术。

根据另一方面，提供了一种照明设备，包括前述透镜的一个或多个实施例以及布置成在至少一个光进入表面的方向上产生发光输出的固态照明元件。这样的照明设备可以受益于由于发明透镜的存在所致的有限的角度之上的颜色分离。

这可以特别地是如果固态照明元件包括由磷光体覆盖的发光表面（例如以生成白光）的情况，因为透镜的颜色混合能力确保在很大程度上消除掉角度之上的颜色分离，如果不是完全消除掉的话。

固态照明元件可以是发光二极管。

在实施例中，照明设备是灯泡。合适的灯泡大小的非限制性示例包括但不限于MR11、MR16、GU4、GU5.3、GU6.35、GU10、AR111、Par20、Par30、Par38、BR30、BR40、R20、R50灯泡等。

依照本发明的另一方面，提供了一种照明器，包括根据本发明的实施例的照明设备。这样的照明器可以例如是照明设备的支座或者向其中集成照明设备的装置。

附图说明

更加详细地并且通过非限制性示例的方式参照随附各图来描述本发明的实施例，其中：

图1分别示意性描绘了凸形和凹形光散射微结构的光学原理；

图2分别示意性描绘了凸形和凹形光散射微结构的另一光学原理；

图3示意性描绘了根据实施例的透镜的截面；

图4示意性描绘了图3的透镜的顶视图截面；

图5示意性描绘了根据另一实施例的透镜的截面；

图6示意性描绘了根据实施例的透镜的光学原理；

图7示意性描绘了根据实施例的照明设备的截面；以及

图8示意性描绘了根据另一实施例的照明设备的截面。

具体实施方式

应当理解到，附图仅仅是示意性的并且没有按照比例绘制。还应当理解到，贯穿附图使用相同的参考标号以指示相同或类似的部分。

图3示意性描绘了根据实施例的透镜100的截面。透镜100包括通过第一光进入表面110以及从第一光进入表面110朝向透镜100的端点延伸的另外的光进入表面112定界的腔体115。在端点中，另外的光进入表面112邻接透镜100的外表面114，该外表面114从端点延伸到透镜100的光出射表面120。将理解到，同样可行的是通过末端片段替换端点，其中末端片段从另外的光进入表面112延伸到外表面114。应当理解到，光进入表面110,112仅通过非限制性示例的方式被示为平面表面。这些表面可以采取任何适合的形状，例如弯曲表面，诸如凸形或凹形表面。

外表面114可以从端点向光出射表面120向外渐缩使得透镜100的宽度朝向光出射表面120增加。例如，外表面114可以成角度使得通过第一光进入表面110或另外的光进入表面112进入透镜100并且入射在外表面114上的光由外表面114朝向光出射表面120反射。在实施例中，外表面114布置成朝向光出射表面120反射所有这样的入射光，从而提供全内反射透镜100。尽管第一光进入表面110、另外的光进入表面112和外表面114被描绘为平面表面，但是应当理解到，这些表面中的至少一些可以是弯曲的，如之前所提及的。此外，外表面114可以是自由形式表面、弯曲表面等。

光出射表面120典型地布置成与第一光进入表面110相对使得光出射表面120和第一光进入表面110通过透镜材料的部分分离。光出射表面120包括多个光散射微结构122，其典型地布置在诸如网格之类的规则图案中。光散射微结构122是在不同方向上散射离开透镜100的光的散射光散射微结构。在实施例中，光散射微结构122可以是弯曲光散射微结构，即具有弯曲表面的光散射微结构。弯曲表面可以是球形表面或者非球形表面。

每一个光散射微结构122承载多个另外的光散射微结构124，该另外的光散射微结构可以在光散射微结构122的表面上布置在诸如网格之类的规则图案中。另外的光散射微结构124是在不同方向上散射离开透镜100的光的散射光散射微结构。在实施例中，另外的光散射微结构124可以是弯曲光散射微结构，即具有弯曲表面的光散射微结构。弯曲表面可以是球形表面或者非球形表面。换言之，每一个光散射微结构122具有通过多个另外的光散射微结构124限定的表面而不是从第一端点延伸到光出射表面120上的第二端点的连续表面；每一个光散射微结构122限定由多个刻面构建的光出射表面，每一个刻面对应于一个另外的光散射微结构124。例如，替代于具有由单个曲率限定的表面，每一个光散射微结构122可以具有由多个邻接曲率限定的光出射表面，即通过多个另外的光散射微结构124限定。

如稍后将更加详细解释的，另外的光散射微结构124在光散射微结构122的表面上的提供改进透镜100的颜色混合能力而不遭受大量全内反射的不利后果。

光散射微结构122和/或另外的光散射微结构124可以布置在任何适合的规则图案中。在实施例中，光散射微结构122和/或另外的光散射微结构124可以布置在如图4中所示的蜂巢图案中。这具有以下优点：可以实现特别高密度的光散射微结构122和/或另外的光散射微结构124，因为每一个（内部）光散射微结构的每一个边缘部分接触相邻光散射微结构的边缘部分。

如图3中所示，光散射微结构122和另外的光散射微结构124是凸形光散射微结构。然而，同样可行的是，光散射微结构122和另外的光散射微结构124是如图5中所示的凹形光散射微结构。可替换地，光散射微结构122可以是凸形光散射微结构并且另外的光散射微结构124可以是凹形光散射微结构，或者光散射微结构122可以是凹形光散射微结构并且另外的光散射微结构124可以是凸形光散射微结构。要指出的是，在图3中为了清楚起见而夸大了光散射微结构122和另外的光散射微结构124的一些尺寸。

现在将在图6的帮助下进一步详细地解释透镜100的光学原理，图6描绘了承载多个另外的光散射微结构124的光散射微结构122的表面部分。通过非限制性示例的方式示出承载多个凸形另外的光散射微结构124的凸形光散射微结构122；相同原理适用于承载多个凹形另外的光散射微结构124的凹形光散射微结构122。根据实施例，光散射微结构122的近似线性表面片段a-d-c由弯曲表面片段a-b-c替换，即由另外的光散射微结构124替换，在此通过非限制性示例的方式将另外的光散射微结构124示出为凸形光散射微结构。这局部地增加光散射微结构122的表面的曲率并且将光散射微结构122的表面划分成多个这样的弯曲片段，其优选地是邻接片段。

弯曲的另外的光散射微结构124局部地增加光散射微结构122的能力，因为增加的表面曲率增加离开光散射微结构122的光线的角度，从而增加透镜100的光散射微结构122的颜色混合能力，例如因为源自相邻光散射微结构122的不同颜色的光可以更加有效地混合。同时，另外的光散射微结构124较不可能对行进通过光散射微结构122的光线进行内部反射。这可以如下理解。

如之前在图1和2的帮助下所解释的，最差的光学性能场景可以发生在光线入射于凸形光散射微结构122的左端点上或者入射于凹形光散射微结构122的右端点上时。这是因为全内反射风险对于这些场景最高。另外的光散射微结构124在每一个光散射微结构122的表面上的包括降低该风险。以下等式（1）可以用于计算另外的光散射微结构124的合适曲率。该表达式适用于凸形和凹形的另外的光散射微结构124二者。

在等式（1）中：

是在图6中示出的另外的光散射微结构124的端点切线倾斜角。角度表示另外的光散射微结构124的曲率；角度越大，曲率就变得越大。

Ri是在所选取的波长（例如，550nm）处的透镜100的材料的折射率。折射率可以使用任何适当数目的相关数位来指定，例如两个相关数位。

是要由透镜100产生的目标全宽度射束角度。的范围在典型照明应用中可以从10°到60°。

是在图6中示出的第一光散射微结构122的端点切线倾斜角。在一些实施例中，是10°或者更小，尽管应当理解到，还可以设想到其它值，例如大于10°。

是安全或设计容差范围，其用于降低全内反射的风险。在一些实施例中，可以选自1°到5°的范围，尽管应当理解到，还可以设想到其它值，例如小于1°或者大于5°。

结果，通过选择作为第一光散射微结构122的端点切线倾斜角和/或的函数的安全角度，可以实现改进的颜色混合而同时确保透镜100的光出射表面120处的全内反射风险可以缩减。

当相对大时，例如60°左右，可以保持为小，例如1°左右。另一方面，当为小时，例如10度左右，要求透镜100实现更高程度的准直，使得可以更大，例如5°左右。

透镜100可以由任何合适的材料制成，诸如玻璃或者聚合物，优选地光学级聚合物。这样的聚合物的非限制性示例包括聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），尽管应当理解到，技术人员将意识到对这些示例聚合物的许多合适的聚合物可替换方案。在前述聚合物材料之一中制造透镜100具有以下优点：透镜100可以以简单明了且低成本的方式制造，例如通过模制技术，诸如注塑成型。这促进透镜100的大规模生产，其是在透镜100要集成于诸如包括一个或多个SSL元件的照明设备之类的照明设备中时的重要考虑。透镜100可以具有任何合适的形状，诸如包括圆形形状的光出射表面120的透镜100，如例如在图4中所示。

透镜100的实施例可以集成到包括多个SSL元件20的照明设备10中，如在图7和8中所示。图7示意性描绘了包括之前描述的具有凸形光散射微结构122,124的透镜100的照明设备10，并且图8示意性描绘了包括之前描述的具有凹形光散射微结构122,124的透镜100的照明设备10。

照明设备100还包括SSL元件组装件20，其包括载体22，诸如承载一个或多个SSL元件24的印刷电路板和/或热沉。一个或多个SSL元件24可以例如是任何适当类型的LED，诸如中等功率LED或者高功率LED。LED可以包括任何适当的半导体材料，例如有机、聚合物或者无机半导体材料，如本身所公知的。

一个或多个SSL元件24可选地可以嵌入在用于转换由一个或多个SSL元件24产生的发光输出的波长的磷光体中。例如，磷光体可以布置成将一个或多个SSL元件24的发光输出转换成白光。任何适合的磷光体可以用于该目的，因为这样的磷光体本身是公知的，所以这将仅为了简要起见而没有进一步详细地解释。

SSL元件组装件20布置成使得SSL元件组装件20的发光输出定向到透镜100的腔体115中使得发光输出可以通过第一光进入表面110和/或另外的光进入表面112而耦合到透镜100中。在实施例中，SSL元件组装件20的上表面与透镜100的端表面对准，如在图7和图8中所示。应当理解到，其它布置同样可行，例如SSL元件组装件20可以部分地放置或者以其整体放置在腔体115内部使得透镜100围封SSL元件组装件20。照明设备10受益于由于以下事实所致的其输出中的减少的颜色分离：如之前所解释的，角度之上的颜色伪影通过透镜100的光出射表面120处的光散射微结构122和另外的光散射微结构124的存在而抵消。

在实施例中，这样的照明设备可以是灯泡。灯泡的形状和大小不被特别地限制并且可以设想到任何合适的形状和大小。这样适合的大小的非限制性示例包括MR11、MR16、GU4、GU5.3、GU6.35、GU10、AR111、Par20、Par30、Par38、BR30、BR40、R20、R50灯泡等。这样的照明设备可以有利地集成到照明器中以提供受益于能够产生具有增加的准直的发光输出的照明器。可以设想到任何适合类型的照明器，诸如天花板向下的光照器（lighter）、电枢（armature）、独立式照明器、包括照明设备的电子设备，例如油烟机、电冰箱、微波炉等。

应当指出的是，以上提及的实施例说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多可替换实施例而不脱离随附权利要求的范围。在权利要求中，放置在括号之间的任何参考标记都不应当被解释为限制权利要求。词语“包括”不排除除权利要求中列出的那些之外的元件或步骤的存在。元件前面的词语“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。本发明可以借助于包括若干分立元件的硬件而实现。在枚举若干构件的设备权利要求中，这些构件中的若干可以由同一个硬件项体现。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能用于获益。

Claims (15)

1.一种用于收集和再分布由固态照明元件（24）发射的光的透镜（100），透镜包括至少一个光进入表面（110,112）以及与至少一个光进入表面相对的光出射表面（120），外表面（114）从光进入表面（110）延伸到光出射表面（120），外表面（114）成形为使得基本上所有入射光线朝向光出射表面（120）反射，并且光出射表面（120）包括光散射微结构（122）的规则图案，其中每一个光散射微结构（122）承载布置在规则图案中的多个另外的光散射微结构（124）。

2.权利要求1所述的透镜（100），其中透镜是全内反射透镜。

3.权利要求1或2所述的透镜（100），其中光散射微结构（122）的规则图案是蜂巢图案。

4.权利要求1或2所述的透镜（100），其中另外的光散射微结构（124）的规则图案是蜂巢图案。

5.权利要求1或2所述的透镜（100），其中每一个光散射微结构（122）和/或每一个另外的光散射微结构（124）具有弯曲表面。

6.权利要求1或2所述的透镜（100），其中每一个光散射微结构（122）和/或每一个另外的光散射微结构（124）具有凸形表面。

7.权利要求1或2所述的透镜（100），其中每一个光散射微结构（122）和/或每一个另外的光散射微结构（124）具有凹形表面。

8.权利要求1或2所述的透镜（100），还包括：

用于从固态照明元件（24）接收发光输出的腔体（115），其中所述腔体通过光进入表面（110）以及在光进入表面和透镜的外表面（114）之间延伸的另外的光进入表面（112）来定界。

9.权利要求1或2所述的透镜（100），其中准直透镜由光学级聚合物制成。

10.权利要求9所述的透镜（100），其中光学级聚合物是聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲酯。

11.一种照明设备（10），包括：

权利要求1-10中任一项所述的透镜（100）；以及

布置成在至少一个光进入表面（110,112）的方向上产生发光输出的固态照明元件（24）。

12.权利要求11所述的照明设备（10），其中固态照明元件（24）包括由磷光体（26）覆盖的发光表面。

13.权利要求11或12所述的照明设备（10），其中固态照明元件（24）是发光二极管。

14.权利要求11或12所述的照明设备（10），其中照明设备是灯泡。

15.一种照明器，包括权利要求11-14中任一项所述的照明设备（10）。