CN209484494U - 改变光分布的光学装置、照明器材和系统 - Google Patents

改变光分布的光学装置、照明器材和系统 Download PDF

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Abstract

提出了用于改变光源(202)的光分布图案的光学装置(201)、照明器材和系统。光源将第一光束辐射到第一几何四分之一空间并且将第二光束辐射到第二几何四分之一空间，其中，第一四分之一空间和第二四分之一空间由相互垂直的几何平面限定，几何平面中的一个构成第一几何四分之一空间和第二几何四分之一空间之间的边界。该光学装置包括：透镜部分(207)，其用于改变第一光束的光分布图案，以及反射器表面(208)，其用于将第二光束的至少部分从第二几何四分之一空间反射到第一几何四分之一空间。反射器表面被成形为类似于指向第一几何四分之一空间的楔形形状，以便提供全内反射并且将被反射的第二光束导向侧向方向。

Description

改变光分布的光学装置、照明器材和系统
技术领域
本公开总体上涉及照明工程。更具体地，本公开涉及用于改变光源的光分布图案的光学装置，光源可以但不必须是例如发光二极管“LED”。
背景技术
在某些应用中，光源所产生的光的分布可能是重要的，甚至是关键的。光源可以但不必须是例如发光二极管“LED”、白炽灯或气体放电灯。图1a示出街灯照明应用的示意图，其中，街灯122和123被布置用于对道路120进行照明。图1b示出沿着图1a中示出的线A1-A1截取的横截的视图，图1c示出沿着图1a中示出的线A2-A2截取的横截的视图。街灯122和123中的每个可包括例如照明器材，该照明器材包括多个光源——例如，发光二极管“LED”，以及光学装置，其中光学装置中的每一个被布置成改变光源中的一个或更多个的光分布图案。在图1e和图1f中图示了根据现有技术的示例性光学装置101，其中，图1f示出沿着图1e中示出的线A-A截取的横截的视图。光源102 被布置成将第一光束辐射到第一几何四分之一空间103，并且将第二光束辐射到第二几何四分之一空间104，其中，第一几何四分之一空间和第二几何四分之一空间由相互垂直的几何平面105和106限定，使得几何平面105构成第一几何四分之一空间103和第二几何四分之一空间104之间的边界。在图1e和图1f中，用点虚线箭头描绘了第一光束中的一些，而用虚线箭头描绘了第二光束中的一些。要注意，以上提到的几何平面105和106仅仅是出于图示目的的几何概念，而不是光学装置101或光源102的物理元件。几何平面105与坐标系199 的yz平面平行，并且几何平面106与坐标系199的xy平面平行。光学装置101包括用于改变第一光束的光分布图案的透镜部107。光学装置101包括用于将第二光束的至少部分反射到第一四分之一空间103 的反射器表面108，如图1e和1f中图示的。反射器表面108是腔体109 的表面。选择腔体109的几何形式和光学装置101的透明材料的折射率，使得在反射器表面108上发生全反射。
图1d示出极坐标图，图示了当在相邻街灯之间的距离D为路灯灯杆的高度H的大约4.5倍并且车道121的宽度W是街灯灯杆的高度H 的大约一半的示例性情形下使用上述类型的光学装置时道路120的表面上的模拟亮度分布。实线极坐标图示出了图1a所示的线A1-A1上的亮度分布，而虚线极坐标图示出了在车道121中间的线A2-A2上的亮度分布。在图1c中定义了角和在图1b中定义了角和理想情形将是使得亮度在道路表面上达到合适的水平并且是均匀的。在图1d中，圆弧124图示亮度均匀分布的情形。
固有的是，当相邻街灯之间的距离D增大时，实现在道路120的纵向方向上足够均匀的亮度分布变得越来越具有挑战性。另一方面，因距离D增大，能够降低街道照明的成本。因此，增大相邻街灯之间的距离D有明确的经济诱因。
实用新型内容
以下展示了简化的总结，以便提供对各种实用新型实施例的一些方面的基本理解。该总结并不是本实用新型的外延概述。既不旨在辨识本实用新型的关键或极重要的要素，又不旨在勾勒本实用新型的范围。以下的总结仅仅以简化形式展示了本实用新型的一些构思，是作为图示本实用新型实施例的更详细描述的序言。
在本文档中，词语“几何”用作前缀时意指几何概念，其不一定是任何物理对象的部分。几何概念可以是例如几何点、直线或曲线几何线、几何平面、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他几何实体。
按照本实用新型，提供了一种用于改变光源的光分布图案的光学装置，所述光源将第一光束辐射到第一几何四分之一空间并且将第二光束辐射到第二几何四分之一空间，所述第一几何四分之一空间和所述第二几何四分之一空间由相互垂直的第一几何平面和第二几何平面限定，使得所述第一几何平面构成所述第一几何四分之一空间和所述第二几何四分之一空间之间的边界。根据本实用新型的光学装置包括：
-透镜部分，其充当用于改变所述第一光束的光分布图案的透镜，以及
-反射器表面，其用于将所述第二光束的至少部分从所述第二几何四分之一空间反射到所述第一几何四分之一空间，使得当所述第二光束的至少部分从所述光学装置的透明材料内部到达所述反射器表面处时，所述第二光束的至少部分相对于所述反射器表面的几何法线的到达角大于全反射的临界角，
以上提到的反射器表面被成形为使得：
-使得在所述反射器表面和与所述第二几何平面平行的几何平面之间的每个几何横截曲线是楔形形状的，并且具有指向所述第一几何四分之一空间的顶点，
-所述反射器表面包括一个或更多个区域，其中所述到达角在与所述第一几何平面和所述第二几何平面垂直的几何投影平面上的投影小于所述临界角，所述到达角的投影中的每个是在所述几何投影平面上，所述第二光束中的对应一个的投影和所述反射器表面的几何法线中对应一个的投影之间的角。
在以上提到的所述反射器表面的一个或更多个区域上，在楔状形式的反射器表面的辅助下实现全反射，因此相比于例如图1f中图示的情况，被反射的第二光束较多地被导向侧向方向，较少地被导向向下，在图1f中图示的情况中，通过将反射器表面108相对于坐标系 199的z方向倾斜地布置，实现了全反射。以上提到的一个或更多个区域可覆盖例如反射面的至少50％。
按上述方式引导被反射的第二光束的光分布图案有助于实现例如当在街灯照明应用中使用上述光学装置时道路的纵向方向上的亮度的充分均匀分布。
按照本实用新型，还提供了一种新照明器材，该照明器材包括至少一个光源和根据本实用新型的至少一个光学装置。至少一个光源可包括例如一个或更多个发光二极管“LED”。
按照本实用新型，还提供了一种包括道路和至少一个街灯的新系统，该系统包括根据本实用新型的至少一个照明器材，其中，所述至少一个照明器材的每个光学装置被相对于所述道路定位，使得与所考虑的所述光学装置相关的以上提到的所述第一几何平面和所述第二几何平面之间的几何横截线与所述道路的纵向方向大体平行。
按照本实用新型，还提供了一种新模具，其具有适于通过模铸来制造透明件的形式，该透明件构成根据本实用新型的一个或更多个光学装置。
在附带的从属权利要求中描述了本实用新型的各种示例性和非限制实施例。
结合附图阅读对具体图示性实施例的描述，将最好地理解关于构造和操作方法二者的本实用新型的各种图示性和非限制实施例与其附加的目的和优点。
在本文献中使用动词“包括”和“包含”作为开放性限制，既没有排除又不必须存在另外的未阐述特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中阐述的特征能被相互自由组合。此外，要理解，在本文献的通篇中，使用“一”或“一个”——即，单数形式——没有排除多个。
附图说明
以下，参照附图更详细地说明本实用新型的图示性非限制实施例及其优点，在附图中：
图1a至图1c示出了根据现有技术的街道照明应用的示意图，
图1d示出了图示当使用根据现有技术的光学装置时图1a至图1c 所示的道路表面上的模拟亮度分布的极坐标图，
图1e和图1f图示了根据现有技术的光学装置，
图2a至2d图示了根据本实用新型的示例性非限制实施例的光学装置，
图3图示了根据本实用新型的另一个示例性非限制实施例的光学装置，
图4a和图4b图示了根据本实用新型的示例性非限制实施例的照明器材，以及
图5a至图5c图示了根据本实用新型的示例性非限制实施例的街灯照明应用。
在本文献的背景技术部分中，已经说明了图1a至图1f。
具体实施方式
以下给出的描述中提供的具体示例不应该被理解为限制随附权利要求书的范围和/或适用性。以下给出的描述中提供的示例的列表和组不是排他性的，除非另外清楚阐述。
图2a和图2b示出了用于改变光源202的光分布图案的根据本实用新型的示例性非限制实施例的光学装置201的等轴视图，光源202 可以但不必须是例如发光二极管“LED”、白炽灯或气体放电灯。用坐标系299图示了与图2a和图2b相关的观察方向。图2c示出了当以与坐标系299的正z方向相反的方向观察时的光学装置201。图2d示出了沿着图2c所示的线A-A截取的横截的视图。横截平面与坐标系299 的xz平面平行。如图2c和图2d图示的，光源202被布置成将第一光束辐射到第一几何四分之一空间203，并且将第二光束辐射到第二几何四分之一空间204，其中，第一几何四分之一空间和第二几何四分之一空间由相互垂直的几何平面205和206限定，使得第一几何平面 205构成第一几何四分之一空间203和第二几何四分之一空间204之间的边界。在图2c和图2d中，用点虚线箭头描绘了以上提到的第一光束中的一些，而用虚线箭头描绘了以上提到的第二光束中的一些。要注意，以上提到的第一几何平面205和第二几何平面206仅仅是出于图示目的的几何概念，而不是光学装置201或光源202的物理元件。第一几何平面205与坐标系299的yz平面平行，并且第二几何平面206与坐标系299的xy平面平行。光学装置201由折射率大于1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、光学硅树脂或玻璃。制造光学装置201的方法可以是例如模铸。
光学装置201包括用于改变第一光束的光分布图案的透镜部分 207。光学装置201包括反射器表面208，反射器表面208用于将第二光束的至少部分从第二几何四分之一空间204反射到第一几何四分之一空间203，使得当第二光束的至少部分从光学装置的透明材料内部到达反射器表面208处时，第二光束的至少部分相对于反射器表面208 的几何法线的到达角大于全反射的临界角。除了被反射器表面208反射的第二光束之外，光源202可以将没有落到反射器表面208上的光束辐射到第二几何四分之空间204。反射器表面208被成形为使得反射器表面208和与坐标系299的xy平面平行的几何平面之间的每个几何横截曲线是楔形形状的，并且具有指向第一几何四分之一空间203的顶点。图2c示出了反射器表面208和与坐标系299的xy平面平行的几何平面之间的示例性几何横截曲线231。用虚线描绘示例性的几何横截曲线231。示例性的几何横截曲线231仅仅是出于图示目的的几何概念，而不是光学装置201或光源202的物理元件。
反射器表面208包括其中以上提到的到达角在与第一几何平面205和第二几何平面206垂直的几何投影平面上的投影小于全反射临界角的区域。在图2d中，横截平面对应于以上提到的几何投影平面。每个到达角的投影是在以上提到的几何投影平面上，第二光束中的对应一个的投影和反射器表面208的几何法线中的对应一个的投影之间的角。放大视图220示出第二光束中的一个的到达角相对于反射器表面 208的对应几何法线的投影αp。在放大视图220中，用参考符号221 指示反射器表面的几何法线的投影，用虚线描绘第二光束中的一个的投影。达到角的投影αp小于全反射的临界角，从而在楔状形式的反射器表面208的辅助下实现全反射，因此相比于例如图1f中图示的情况，被反射的第二光束较多地被导向侧向方向，较少地被导向向下，在图1f中图示的情况中，通过将反射器表面108相对于坐标系199的 z方向倾斜地布置，实现了全反射。其中到达角的投影小于全反射的临界角的区域可覆盖例如反射器表面208的至少30％或至少50％或至少70％。
如图2b和图2c中图示的，示例性光学装置201的反射器表面208 相对于与坐标系299的xz平面平行的第三几何平面230大体上对称。反射器表面208包括彼此大体上呈镜像的第一部分208a和第二部分 208b。然而，不同形状的反射器表面也是可能的。以上提到的第三几何平面230仅仅是出于图示目的的几何概念，而不是光学装置201或光源202的物理元件。如图2a至图2c中图示的，示例性光学装置201 相对于以上提到的第三几何平面大体上对称。
在图2a在图2d中图示的示例性情况下，光学装置201是单件透明材料。如图2b至图2d中图示的，光学装置201包括用于构成用于光源202的位置的第一腔体215。光学装置201包括第二腔体209，第二腔体209的表面构成反射器表面208，使得当光束从透明材料内部到达第二腔体209的反射器表面208处时发生全反射。第一腔体215和第二腔体209被形成为使得光学装置201的第一表面216包括构成第一腔体215和第二腔体209的凹部，并且第一表面216在围绕这些凹部的区域上是大体平面的。光学装置的第二表面217被成形为使得实现了所期望的光分布。第一表面216可被安装成例如抵靠电路板，其中，光源202安装在电路板的表面上。
图3示出了用于改变光源302的光分布图案的根据本实用新型的另一个图示性非限制实施例的光学装置301的横截图。横截平面与坐标系399的xz平面平行。光源302被布置成将第一光束辐射到第一几何四分之一空间303，并且将第二光束辐射到第二几何四分之一空间 304，其中，第一几何四分之一空间和第二几何四分之一空间由相互垂直的第一几何平面305和第二几何平面306限定，使得第一几何平面305构成第一几何四分之一空间和第二几何四分之一空间之间的边界。第一几何平面305与坐标系399的yz平面平行，并且第二几何平面306与坐标系399的xy平面平行。在图3中，用点虚线箭头描绘了第一光束中的一些，而用虚线箭头描绘了第二光束中的一些。光学装置301包括用于改变第一光束的光分布图案的透镜部107。光学装置 301包括反射器表面308，反射器表面308用于将第二光束的至少部分反射到第一四分之一空间303，使得当第二光束的至少部分从光学装置的透明材料内部到达反射器表面308处时，第二光束的至少部分相对于反射器表面308的几何法线的到达角大于全反射的临界角。除了被反射器表面308反射的第二光束之外，光源302还可将不落到反射器表面308上的光束辐射到第二四分之一空间304。
反射器表面308被成形为使得反射器表面308和与坐标系399的 xy平面平行的几何平面之间的每个几何横截曲线是楔形形状的，并且具有指向第一几何四分之一空间203的顶点。在该示例性情况下，反射器表面308被成形为具有与第二几何平面306平行的起伏。反射器表面308包括其中以上提到的到达角在与第一几何平面305和第二几何平面306垂直的几何投影平面上的投影小于全反射临界角的区域。在图3中，横截平面对应于以上提到的几何投影平面。每个到达角的投影是在以上提到的几何投影平面上，第二光束中对应一个的投影和几何法线中对应一个的投影之间的角。在图3中，在放大视图320 中，示出到达角的投影αp1和αp2。用参考符号321和322指示反射器表面308的几何法线的投影，用虚线描绘相应光束的投影。在该示例性情况下，投影αp1大于全反射的临界角，并且投影αp2小于全反射的临界角。在其中到达角的投影小于全反射的临界角的区域上，在楔状形式的反射器表面308的辅助下实现全反射，因此，相比于图1f中图示的情况，在这些区域上被发射的光束较多地被导向侧向方向，较少地被导向向下。
图4a和图4b图示了根据本实用新型的示例性非限制实施例的照明器材。图4b示出了沿着图2c所示的线A-A截取的横截的视图。横截平面与坐标系499的xz平面平行。照明器材包括四个光源和四个光学装置401a、401b、401c和401d。光学装置中的每个是根据本实用新型的示例性非限制实施例。在图4b中，用参考符号402a和402b描绘光源中的两个。光学装置401a至401d中的每个可以是例如诸如图2a 至2d中图示的。光源中的每个可包括至少一个发光二极管“LED”。在图4a和4b中图示的示例性情况下，照明器材还包括电路板418。在该示例性情况下，光学装置401a至401d是单件透明材料419的部分。如图4b中图示的，光源位于电路板418的表面上和光学装置401a至 401d的腔体中。
图5a示出路灯照明应用的示意图，其中，路灯522和523被布置用于对道路520进行照明。图5b示出沿着图5a中示出的线A1-A1截取的横截的视图，图5c示出沿着图5a中示出的线A2-A2截取的横截的视图。街灯522和523中的每个包括一个或更多个照明器材，照明器材中的每个包括一个或更多个光源——例如，发光二极管“LED”，以及用于改变一个或更多个光源的光分布图案的一个或更多个光学装置。每个光学装置可以是根据图2a至2d或图3中图示的光学装置。每个光学装置相对于道路520定位，使得与所考虑的光学装置相关的第一几何平面和第二几何平面之间的几何剖面线与道路的纵向方向大体平行。以上，参照图2c和图2d和图3来限定以上提到的第一几何平面和第二几何平面。
以上给出的描述中提供的具体示例不应该被解释为限制所附权利要求书的范围和/或适用性。以上给出的描述中提供的示例的列表和组不是排他性的，除非另有明确说明。

Claims (13)

1.一种用于改变光源的光分布图案的光学装置(201、301)，所述光源将第一光束辐射到第一几何四分之一空间(203、303)并且将第二光束辐射到第二几何四分之一空间(204、304)，所述第一几何四分之一空间和所述第二几何四分之一空间由相互垂直的第一和第二几何平面(205、206、305、306)限定，使得所述第一几何平面(205、305)构成所述第一几何四分之一空间和所述第二几何四分之一空间之间的边界，所述光学装置包括：
-透镜部(207、307)，所述透镜部(207、307)充当用于改变所述第一光束的光分布图案的透镜，以及
-反射器表面(208、308)，所述反射器表面(208、308)用于将所述第二光束的至少部分从所述第二几何四分之一空间反射到所述第一几何四分之一空间，使得当所述第二光束的所述至少部分从所述光学装置的透明材料内部到达所述反射器表面处时，所述第二光束的所述至少部分相对于所述反射器表面的几何法线的到达角大于全反射的临界角，
其中，所述反射器表面被成形为：使得在所述反射器表面和与所述第二几何平面(206)平行的几何平面之间的每个几何横截曲线(231)是楔形形状的并且具有指向所述第一几何四分之一空间的顶点，其特征在于，所述反射器表面包括一个或更多个区域，其中所述到达角在与所述第一几何平面和所述第二几何平面垂直的几何投影平面上的投影(αp,αp2)小于所述临界角，其中，所述到达角的所述投影中的每个投影是在所述几何投影平面上所述第二光束中的对应一个的投影和所述反射器表面的所述几何法线中的对应一个的投影(221、322)之间的角。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述一个或更多个区域覆盖所述反射器表面的至少30％。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述一个或更多个区域覆盖所述反射器表面的至少50％。
4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述一个或更多个区域覆盖所述反射器表面的至少70％。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学装置，其中，所述反射器表面(208)相对于与所述第一几何平面和所述第二几何平面垂直的第三几何平面(230)大体上对称，使得所述反射器表面具有大体上彼此呈镜像的第一部分(208a)和第二部分(208b)。
6.根据权利要求5所述的光学装置，其中，所述光学装置(201)相对于所述第三几何平面大体上对称。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学装置，其中，所述光学装置包括第一腔体(215)和第二腔体(209)，所述第一腔体(215)用于构成用于所述光源的位置，并且所述第二腔体(209)的表面构成所述反射器表面(208)。
8.根据权利要求7所述的光学装置，其中，所述光学装置的第一表面(216)包括构成所述第一腔体(215)和所述第二腔体(209)的凹部，并且所述光学装置的所述第一表面在围绕所述凹部的区域上大体上是平面的。
9.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学装置，其中，所述光学装置由以下中的一种制成：丙烯酸类塑料、聚碳酸酯、光学硅树脂、玻璃。
10.一种照明器材，所述照明器材包括光源(402a，402b)和用于改变所述光源的光分布图案的光学装置(401a、401b、401c、401d)，所述光源将第一光束辐射到第一几何四分之一空间(203、303)并且将第二光束辐射到第二几何四分之一空间(204、304)，所述第一几何四分之一空间和所述第二几何四分之一空间由相互垂直的第一和第二几何平面(205、206、305、306)限定，使得所述第一几何平面(205、305)构成所述第一几何四分之一空间和所述第二几何四分之一空间之间的边界，所述光学装置包括：
-透镜部(207、307)，所述透镜部(207、307)充当用于改变所述第一光束的光分布图案的透镜，以及
-反射器表面(208、308)，所述反射器表面(208、308)用于将所述第二光束的至少部分从所述第二几何四分之一空间反射到所述第一几何四分之一空间，使得当所述第二光束的所述至少部分从所述光学装置的透明材料内部到达所述反射器表面处时，所述第二光束的所述至少部分相对于所述反射器表面的几何法线的到达角大于全反射的临界角，
其中，所述反射器表面被成形为：使得在所述反射器表面和与所述第二几何平面(206)平行的几何平面之间的每个几何横截曲线(231)是楔形形状的并且具有指向所述第一几何四分之一空间的顶点，其特征在于，所述反射器表面包括一个或更多个区域，其中所述到达角在与所述第一几何平面和所述第二几何平面垂直的几何投影平面上的投影(αp,αp2)小于所述临界角，其中，所述到达角的所述投影中的每个投影是在所述几何投影平面上所述第二光束中的对应一个的投影和所述反射器表面的所述几何法线中的对应一个的投影(221、322)之间的角。
11.根据权利要求10所述的照明器材，其中，所述照明器材还包括电路板(418)，并且其中，所述光学装置包括第一腔体(215)和第二腔体(209)，所述第一腔体(215)用于构成用于所述光源的位置，并且所述第二腔体(209)的表面构成所述反射器表面(208)，并且所述光学装置的第一表面(216)包括构成所述第一腔体(215)和所述第二腔体(209)的凹部，并且所述光学装置的所述第一表面在围绕所述凹部的区域上大体上是平面的，所述光学装置的所述第一表面的平面区域抵靠所述电路板并且所述光源处于所述第一腔体中。
12.根据权利要求10或11所述的照明器材，其中，所述照明器材包括多个所述光源和多个所述光学装置，所述多个光学装置由折射率大于一的单件透明材料(419)构成。
13.一种系统，所述系统包括道路(520)和街灯(522、523)，所述街灯(522、523)包括至少一个照明器材，所述照明器材包括光源(402a，402b)和用于改变所述光源的光分布图案的光学装置(401a、401b、401c、401d)，所述光源将第一光束辐射到第一几何四分之一空间(203、303)并且将第二光束辐射到第二几何四分之一空间(204、304)，所述第一几何四分之一空间和所述第二几何四分之一空间由相互垂直的第一和第二几何平面(205、206、305、306)限定，使得所述第一几何平面(205、305)构成所述第一几何四分之一空间和所述第二几何四分之一空间之间的边界，所述光学装置包括：
-透镜部(207、307)，所述透镜部(207、307)充当用于改变所述第一光束的光分布图案的透镜，以及
-反射器表面(208、308)，所述反射器表面(208、308)用于将所述第二光束的至少部分从所述第二几何四分之一空间反射到所述第一几何四分之一空间，使得当所述第二光束的所述至少部分从所述光学装置的透明材料内部到达所述反射器表面处时，所述第二光束的所述至少部分相对于所述反射器表面的几何法线的到达角大于全反射的临界角，
其中，所述反射器表面被成形为：使得在所述反射器表面和与所述第二几何平面(206)平行的几何平面之间的每个几何横截曲线(231)是楔形形状的并且具有指向所述第一几何四分之一空间的顶点，其特征在于，所述反射器表面包括一个或更多个区域，其中所述到达角在与所述第一几何平面和所述第二几何平面垂直的几何投影平面上的投影(αp,αp2)小于所述临界角，其中，所述到达角的所述投影中的每个投影是在所述几何投影平面上所述第二光束中的对应一个的投影和所述反射器表面的所述几何法线中的对应一个的投影(221、322)之间的角，
其中，所述至少一个照明器材的每个光学装置被相对于所述道路定位，使得与所考虑的光学装置相关的所述第一几何平面和所述第二几何平面之间的几何横截线与所述道路的纵向方向大体平行。
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