CN108139576A

CN108139576A - 光学元件、照明器件和灯具

Info

Publication number: CN108139576A
Application number: CN201680051916.7A
Authority: CN
Inventors: H.H.P.戈姆曼斯
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2016-08-23
Publication date: 2018-06-08
Also published as: EP3347756A1; WO2017042026A1; US20180252388A1

Abstract

公开了一种光学元件（100），用于根据由放置在光学元件的光轴（105）上的限定位置处的光源（200）生成的亮度分布创建准直光束，所述光学元件包括：以所述光轴为中心的内部区（110），所述内部区具有多个内部区区域，所述多个内部区区域用于在离透镜限定的距离处生成所述亮度分布的第一多个部分重叠图像，所述第一多个部分重叠图像限定具有在限定的距离处的第一图像宽度的第一叠加图像；以及围绕所述内部区的外部区（130），所述外部区具有第二多个外部区区域，所述第二多个外部区区域用于在限定的距离处生成所述亮度分布的第二多个部分重叠图像，所述第二多个部分重叠图像限定具有在限定的距离处的小于第一图像宽度的第二图像宽度的第二叠加图像，所述第二叠加图像在限定的距离处叠加在所述第一叠加图像上。还公开了包括所述光学元件的照明器件和包括所述照明器件的灯具。

Description

光学元件、照明器件和灯具

技术领域

本发明涉及用于创建由光源生成的亮度分布的准直光束的光学元件。

本发明进一步涉及一种包括这种光学元件的照明器件。

本发明更进一步涉及一种包括这种照明器件的灯具。

背景技术

与例如卤素和白炽光源相比，由于固态照明器件（即发光二极管（LED））优越的寿命和能量效率，越来越多地使用固态照明器件（即发光二极管（LED））来实现白色光源。LED通常集成在封装中，该封装进一步包括一种或多种磷光体以转换LED的（部分）发射光谱以便创建期望色温的发光输出。由于LED和磷光体的空间分离，这种封装的发光输出倾向于呈现颜色分离，即由LED生成的未转换的光的区域以及由一种或多种磷光体转换的光的区域。从美学角度来看，这种颜色分离被认为是不可接受的。

这样的颜色分离可以使用漫射器来校正，该漫射器基本上随机地散射，即增加来自封装的光的集光率，以实现有效的颜色混合。这特别适用于其中漫射光是可接受的应用，但不太适用于其中需要照明器件产生具有有限的集光率的光（即更准直的光）的应用领域，例如聚光灯应用。

例如，可以使用准直器来实现这种更加聚焦的光输出。然而，准直器通常不适合校正LED封装的发光输出中的颜色分离，因为当光源被放置在准直器的焦点时，准直器在远场中创建光源（例如，LED封装）的图像。这有时被称为“关于位置的颜色”。因此，在需要准直的应用领域中，多个光学元件（例如与漫射箔组合的准直器）通常集成在照明器件中以分别实现光束整形和颜色混合。

这种方法的缺点在于在照明器件中多个光学元件的集成增加了照明器件的制造复杂性和成本。因此，存在使用单个光学元件来实现颜色混合准直光的需要。

发明内容

本发明试图提供一种能够在所述输出内生成具有有效颜色混合的准直光束的光学元件。

本发明进一步试图提供一种包括这种光学元件的照明器件。

本发明更进一步试图提供一种包括这种照明器件的灯具。

根据一方面，提供了一种光学元件，用于在离光学元件的限定的有限距离处创建由放置在光学元件的光轴上限定位置处的光源生成的亮度分布的准直光束，所述光学元件包括具有多个内部区区域的内部区，所述多个内部区区域用于在限定的有限距离处生成所述亮度分布的第一多个部分重叠图像，所述第一多个部分重叠图像限定具有在限定的有限距离处的第一图像宽度的第一叠加图像；以及围绕所述内部区的外部区，所述外部区具有第二多个外部区区域，所述第二多个外部区区域用于在限定的有限距离处生成所述亮度分布的第二多个部分重叠图像，所述第二多个部分重叠图像限定具有在限定的距离处的小于第一图像宽度的第二图像宽度的第二叠加图像，第二叠加图像在限定的距离处叠加在第一叠加图像上。

本发明基于这样的认识，（圆形）光学元件的不同区域通常对光源的亮度分布的不同视图成像，其中光学元件的更周边区域（即外部区域）对亮度分布的倾斜视图成像，而由于这些中心区域和光源之间的角度关系，光学元件的更中心区域通常对亮度分布的正视图成像，使得更中心的区域可能限定所形成的准直光束的光束宽度。

因此，中心区域特别适合于限定由光学元件在光学元件的限定的距离处（例如在光学元件被包括在用于向下照明应用的聚光灯中的情况下约1-1.5米的距离）产生的图像的总体光束角度。由区区域（zone region）产生的各个图像的部分重叠或拼接进一步确保了在限定的有限距离处的图像模糊，而由各个区区域创建的叠加图像在彼此之上的叠加和在离光学元件限定的距离处（例如在远场中的一点处）的第一图像部分内，在该点处在整个图像中实现了进一步的图像模糊，而没有准直的损失。例如在由于一种或多种磷光体与一个或多个LED的空间分离而在其有限宽度上生成空间分离的颜色的LED封装的情况下，这样的图像模糊可以补偿亮度分布中的颜色分离。

光学元件可以具有任何合适的形状，例如圆形、正方形、长方形或甚至非对称形状，然而就设计和制造的容易性而言圆形是特别有利的。

在特别有利的实施例中，内部区被布置成根据朗伯亮度分布创建具有跨第一图像宽度的恒定亮度的第一叠加图像，其中第一图像宽度可选地限定准直光束的光束宽度。优选地，外部区被布置成根据朗伯亮度分布创建具有跨第二光束宽度的可变亮度的第二叠加图像，其中可变亮度具有在限定的距离处可选地与光轴一致的最大值。在该实施例中，目标照度可由光学元件凭借生成目标照度的不同部分的不同区来近似，所述目标照度的不同部分彼此叠加以近似总体目标照度。更具体地说，目标照度以轴对称方式分区，例如水平划分，其中内部区生成目标照度的下部部分并且外部区生成目标照度的上部部分。

目标照度可以是高斯分布，在这种情况下，可变照度跨第二图像宽度呈现高斯分布。更一般地，第二叠加图像的可变照度通常限定由光学元件产生的光束中的对比度。第二叠加图像可以以第一叠加图像为中心以创建在光束的中心具有其最大对比度的光束，例如创建高斯光分布。可替换地，第二叠加图像可以包围暗区域，例如在圆形光学元件的情况下可以是环形图像，其中暗区域以第一第二叠加图像为中心，以创建在光束的周边区域中具有其最大对比度或强度的光束。

在一个实施例中，内部区是折射区和/或外部区是全内反射区，以便优化光学元件的光收集效率。每个外部区区域可以包括反射小平面，这些小平面组合以实现第二多个部分重叠图像。此外，至少一些内部区区域可以包括小平面。这例如是用于利用具有比产生朗伯分布的光源的最大尺寸大的直径的光学元件生成高斯分布的特别合适的实施例，例如LED封装。对于不同的应用，其他设计选择可能更合适，例如，诸如全内反射内部区的反射性内部区和/或折射性外部区。

为了在由特定区的区区域生成的各个图像中创建部分重叠，区区域可以在光轴上具有不同的焦点。例如，焦点可以是区区域的径向位置的函数，即可以作为光学元件中的区的径向位置的函数而变化，以便创建图像拼接。

光学元件可以进一步包括位于内部区和外部区之间的至少一个中间区，所述至少一个中间区包括多个进一步的区区域，用于在限定的有限距离处生成所述照明图案的进一步的多个部分重叠图像，所述进一步的多个部分重叠图像限定在限定的距离处具有进一步的图像宽度的进一步的叠加图像，所述进一步的图像宽度小于在光学元件的较小径向位置处的每个区的图像宽度，并且大于在光学元件的较大径向位置处的每个区的图像宽度，所述进一步的叠加图像在限定的距离处叠加在第一叠加图像上。包括用于图像模糊的附加区允许提供具有（基本上）大于光源的光发射表面的最大尺寸的直径的光学元件，同时保持光学元件的期望的分布轮廓和颜色混合特性。应注意的是，包括在光学元件设计中的区的数量原则上是任意的，然而所包括的区域的增加的数量将改进目标发光轮廓的近似，并且如果光学元件尺寸需要改变（例如用于具有不同尺寸的不同照明器件），有利于从光学元件设计中排除区，而不需要光学元件的全面重新设计。

光学元件可以具有包括阶梯状轮廓的主表面，其中每个阶梯勾画所述各个区中的一个。换言之，透镜可以呈现明显不连续的区，每个实现特定的光学功能。

根据另一方面，提供了一种照明器件，其包括上述实施例中的任一个的光学元件以及放置在光学元件的光轴上并布置成将其光分布朝光学元件定向的光源，光学元件可选地具有大于光源的光发射表面的最大尺寸的直径。这种照明器件可以仅使用单个光学元件产生具有改进的颜色输出均匀性的准直光。

光源优选包括发光二极管封装，该发光二极管封装包括至少一个发光二极管和用于转换由至少一个发光二极管生成的光波长的磷光体，对于这样的光源，照明器件可以产生具有美学上可接受的颜色分离水平的发光输出。

根据又一个方面，提供了一种包括照明器件的任一上述实施例的灯具。这样的灯具受益于能够产生具有美学上可接受的色彩分离水平的准直的发光输出，例如光点。这样的灯具例如可以是照明器件的固定器，例如安装在天花板上的聚光灯、壁挂式聚光灯、电枢、吊灯、包括照明器件的电气装置，例如炊具上方的排烟罩等。

附图说明

参照附图，更详细地并通过非限制性实例描述了本发明的实施例，其中：

图1示意性地描绘了包括面向环形光学元件的小朗伯光源的光学布置；

图2是描绘作为图1的光学布置的径向位置的函数的几何配置因子及其径向导数的曲线图；

图3是描述作为图1的光学布置的视场角的函数的几何配置因子及其径向导数的曲线图；

图4示意性地描绘了包括面向环形光学元件的扩展朗伯光源的光学布置；

图5是描绘作为径向距离的函数的图4的环形光学元件的锥角的曲线图；

图6是描绘作为径向距离的函数的由图4的光学元件照射的倒易面积（reciprocalarea）的曲线图；

图7示意性地描绘了图4的光学布置中的不同径向位置处的子束生成；

图8描绘了在对距离透镜5mm处放置的LED封装成像的全内反射菲涅耳透镜1.4m处收集的中心子束；

图9描绘了在对距离透镜5mm处放置的LED封装成像的全内反射菲涅耳透镜1.4m处收集的周边子束；

图10示意性地描绘了根据实例性实施例的光学元件的顶视图；

图11示意性地示出了根据实例性实施例的光学元件的截面图；

图12示意性地描绘了根据实例性实施例的照明器件的截面图；

图13示意性地描绘了根据实施例的光学元件的目标照度轮廓的近似；

图14示意性地描绘了根据实施例的光学元件的各个区所需的通量分布，以便近似图13的目标照度轮廓；

图15描绘了作为径向位置函数的图11的光学元件中的各个区的光束偏转角；

图16示意性地描绘了由图12的照明器件中的光学元件的各个区生成的光束角度；

图17示意性地描绘了图14的所需通量分布到图12的照明器件中的光学元件的各个区上的映射；

图18描绘了由图12的照明器件中的光学元件生成并在距其1.4m处收集的图像；以及

图19描绘了根据实例性实施例的光学元件的模拟强度轮廓。

具体实施方式

应该理解的是，附图仅仅是示意性的，并不是按比例绘制的。还应该理解的是，贯穿附图使用相同的附图标记来指示相同或相似的部分。

为了更好地理解本发明的各方面，将提供利用诸如全内反射（TIR）菲涅耳透镜的环形面的环形光学元件对朗伯光源成像的理论评估。下列单位将被使用：

入射通量：Φ_i [lm]

辐射通量：Φ_r [lm]

亮度：L= Φ_i / (Ω A _r) [lm sr^-1 m^-2]

发光强度：I = Φ_i / ω [cd = lm sr^-1]

照度：E = Φ_i /A _i [lm m^-2]

投影立体角：Ω [sr]

立体角：ω [sr]。

为了将小的（照射）区域链接到扩展的（照射的）面积或图像，使用几何配置因子（GCF）：C =Ω/π。图1示意性地描绘了放置在环形光学元件的光轴15上的这种小朗伯光源10，该环形光学元件被布置成在离该光源10距离D处创建离光轴15径向距离r_rec处的具有图像宽度dr_rec的光源图像20。距离d典型地是光学元件将生成期望的光学性能（例如所需的准直程度）的目标距离。

GCF是从光源或辐射通量Φ_r传输到照射的面积的相对光通量或入射通量Φ_i。对于照射扩展的旋转对称表面的小朗伯源（接近点源），获得以下等式：

其中。

这可以通过将相对光通量确定成具有半角的立体角来得出：

其中，在的整个角度范围上，对于LED源通常假定朗伯光分布。

通过对其径向坐标进行导数，获得传输到尺寸为2πr_rec·dr_rec的每个环形图像面积的相对光通量：

[m^-1]。

图2是图1的布置的GCF及其对环形光学元件20的径向位置的导数的图。使用Lighttools照明设计软件建立模型以确定具有宽度r_s = 1.5mm和d = 5mm的光源的导数，以及与利用该模型的导数的离散的模拟值拟合的导数曲线，如图2中的点所指示。图3是图1的布置的GCF及其对作为（r = r_rec）函数的环形光学元件的视场角的导数的图：

dr_rec/d被（任意地）选为0.02。图2示出了分别表示（增加的）圆面积的项和用于朗伯源照明的公知的近似余弦四次方定律的“r”中的线性项和负四次方r^-4（由于cos⁴）。d^-2因子解释了平方反比定律，说明强度与离源10的距离的平方成反比。

图3示出当照射面积和照射的面积之间的离轴距离随着cosθ增加时，可应用的平方反比定律导致中的cos²项。图2和图3中的曲线图例如可以用于估计小朗伯源的相对光通量，该朗伯光源可以通过在与其光轴15相距一定径向距离处具有宽度dr的环形光学元件的折射和（全内）反射被偏转。将进一步清楚的是，减小收集表面和源之间的距离d将增加收集的相对光通量。

然而，在某个距离点源近似致使不准确，因为由于光源尺寸的原因，大多数光源无法通过小朗伯源精确近似。例如，LED封装可以具有若干毫米的最大尺寸（有时甚至在封装不是圆形的情况下也称为直径，例如矩形的对角线），在这种情况下，小朗伯光源是较差的近似。

图4示意性地描绘了包括这种扩展的朗伯源的光学布置，例如具有半径r_s和相对于环形光学元件20的锥角oa的LED封装200，例如TIR菲涅耳透镜的小平面。将清楚的是，位于光轴附近的小平面的锥角oa远大于远离光轴的小平面的锥角oa。

使用下面的公式计算作为径向位置的函数的环形光学元件的锥角作为几个扩展的光源直径的函数：

对于r≤r_s，

对于r＞r_s，

其中oa是全锥角，并且r_s是扩展光源半径。结果在图5中示出，图5可以清楚地表明，由于扩展光源的扩展源几何结构，准直程度变得有限，特别是在光轴15附近。这在图6中已经更清楚地显现了，图6是描绘作为径向位置的函数的由小平面照射的倒易面积20的量度的关系1/tan²（oa/2）的图。这示出了具有与光学元件和源之间的距离d相当的半径r_s的扩展光源如何限制作为环形光学元件的径向位置的函数的准直程度。

对于靠近光轴15的径向位置，子束平行于光轴偏转以创建光源的（倒）像。对于远离光轴的径向位置，子束的锥角oa减小，并且结果准直程度增加。显然，来自这些小平面的投影源图像的尺寸也减小，并且将与由更多中心小平面产生的图像在空间上分离。这在图7中示意性地描绘，图7示出了由透镜的不同径向位置上的环形光学元件生成的扩展光源200的空间分离图像200'，即在不同的r_rec产生图像。

扩展光源200可以产生包括空间颜色分离的亮度分布。这例如可以是包括一种或多种磷光体的LED封装的情况，该LED封装输出由封装中的一个或多个LED产生的波长的光以及由一种或多种磷光体转换的波长的光，其中，磷光体的空间布置（例如在封装的周边处）可以导致扩展光源在其中心产生第一光谱组成的光，并在其周边产生第二光谱组成的光，例如在其中心产生蓝色光或冷白光，并在其周边产生暖白光。对于由不同径向位置的小平面产生的图像200'，这样的图像倾向于呈现与由于对锥角的径向依赖性而引起的扩展光源200的不同区域有关的峰值强度。在诸如准直TIR菲涅耳透镜的光学元件具有超过扩展光源200的最大尺寸的直径的情况下尤其如此。这可以被视为包括扩展光源200和光学元件的照明器件产生从美观的角度来看具有不可接受的高空间颜色分离的发光输出。

这在图8和图9示出，图8和图9示出了由位于离LED源5mm处的10mm半径的TIR菲涅耳透镜生成的如Nichia公司制造的Nichia 3030 LED封装的CIE v'（顶部）图像和CIE u'（底部）图像和这些图像的光谱组成。图8描绘了由光轴处的小平面产生的图像，并且图9描绘了由距光轴5.9mm处的小平面产生的图像。远场图像由离LED光源1.4米距离处的光轴处的接收器收集。

在光轴上收集的子束给出具有高图像质量的图像，而从离光轴5.9mm的径向距离收集的图像经由全内反射被收集，并且结果提供经历围绕光轴的变化的图像。单个子束的光束宽度的差异是由于如前所述的透镜的光收集角度：在光轴上，LED表面积被完全收集，而在5.9mm的径向位置处，光被以一个角度（atan 5.9/5 = 50）收集，并且结果收集角度减小。也立即清楚的是，两个图像都包含（对应于蓝色管芯的）冷白色中心面积和对应于LED封装中的磷光体发射的暖白色周边面积，尽管图像之间的这些颜色组分的相对强度不同。

因此，为了生成具有高的颜色均匀性的光束，需要实施一定程度的颜色混合以减少该颜色分离。而且，在许多应用领域中，朗伯分布或轮廓是不期望的，并且可能需要转换成不同的光分布，例如高斯轮廓。

本发明基于以下认识：光学元件可以由适于生成期望分布的特定部分的多个区域或区形成，其中在每个部分内生成多个光源图像，多个光源图像被朝目标投影，使得各个源图像至少部分重叠。这将图像模糊引入到由区域或区产生的整体图像中，同时仍然可以实现高度的准直。这些区通常由转移函数定义，该转移函数将诸如朗伯轮廓的入射光分布转换成诸如高斯轮廓的目标轮廓。目标高斯轮廓以轴对称的方式分区，例如，通过形成水平分区或至少包括水平分量的分区，其中光学元件的每个区域或区负责近似这样的分区。由光学元件的区的相应区域产生的图像在目标处叠加以获得目标处的期望准直，其中子束图像中的重叠已经引起光源图像的大量模糊，导致在目标处产生的准直光束中不太明显的颜色分离。

重要的是，如借助于图7所解释的那样，由于较大的锥角，光学元件的中心区域产生较大的光源图像，并且因此需要较大的图像轮廓宽度，以便有效地叠加在这样的中心区域内不同的径向位置处产生的子束图像。由于这个原因，在目标照射轮廓（例如高斯轮廓）被分区成多个水平切片以由光学元件的各个区域或区近似的情况下，从目标轮廓的底部到顶部部分的方向上的切片通过具有减小的锥角的区（即在径向向外的方向上）来近似，使得具有较大锥角的区近似目标照射轮廓的较宽部分或切片，以促进较大子束图像在目标位置处的有效重合。在一个实施例中，光学器件的最内区生成包括叠加子束图像的图像，该叠加图像限定由光学元件形成的准直光束的光束宽度。

要注意的是，这种轴向对称（例如水平分区）是违反直觉的，因为目标照射轮廓的竖直分区通常被应用于光学元件设计（例如透镜设计），其中光学元件的外部区域产生目标照射轮廓的外侧翼，但是如从图7可以理解的，这种竖直分区导致在目标位置形成清晰的图像，例如光源（例如LED封装）的清晰的显影，这在美学上通常是不可接受的。

本发明的方面提供了一种光学元件，其中如果光源被放置在离光学元件正确的距离处，则可以在离光学元件的限定的（有限）距离处实现光源的高度准直，但是通过在光学元件的不同径向位置处生成的子束图像的重合该光学元件产生光源的模糊图像。这种重合优选地是部分重合，即第一子束图像的第一区域可以叠加在第二子束图像的第二区域上，以便改进由光学元件的区生成的子束图像组成的整个图像中的颜色混合。例如，在子束图像对由诸如LED封装的光源生成的空间分离的色谱进行成像的情况下，第一子束图像的第一光谱区域可以叠加在第二子束图像的第二光谱区域上以补偿这种空间颜色分离。以这种方式，第一子束图像中的光谱的蓝色或冷白色部分可以被叠加在第二子束图像的光谱的暖白色部分上，以改进由光学元件产生的整个图像中的颜色混合。

为此，光学元件典型地包括至少两个成像区；用于创建光源的准直图像部分（第一叠加图像）的内部区以及围绕内部区的环形外部区，各个图像部分例如围绕光轴在离光学元件的限定的距离处优选被部分地叠加在彼此上，以在限定的距离处（例如在远场中，例如离光源1米或更远处）的第一叠加图像内形成第二叠加图像。

换言之，光学元件的整体准直可以由中心区支配，因为该区可以对整个光源成像，而更多的周边区被布置成将它们的重叠的子束图像组成的叠加图像投影到由中心区生成的图像上，从而创建具有改进的颜色均匀性和期望的发光轮廓（例如高斯照射轮廓）的准直模糊图像。

在一些实施例中，光学元件的各个区可以产生不同的照射轮廓。例如，光学元件的内部区可以生成恒定的照度分布，即其中通量除以区表面积是恒定的，以便在由该区产生的叠加图像内获得零对比度，因为它形成目标轮廓的基部（下切片），并且因此不需要采用目标轮廓的总体形状，而光学元件的外部区可以被设计成生成目标轮廓照度，因为它形成目标轮廓的峰（上切片），并且因此应该非常类似于所期望的轮廓。

可变照度部分通常限定待由光学元件形成的目标分布（即准直光束）中的对比度。可变照度部分可以形成以第一叠加图像为中心的连续的第二叠加图像，例如，以形成在准直光束中心具有其峰值强度的分布，例如高斯分布，但这不是必需的。第二叠加图像例如可以包围黑暗区域，例如在圆形光学元件的情况下具有环形形状，在这种情况下，准直光束中的最大强度区域可以位于其周边中。

在一个优选实施例中，根据本发明的光学元件包括至少一个恒定照度区，由于下面将更详细解释的原因，其通常是光学元件的最内区。内部区可以是反射区，例如TIR区或折射区。外部区可以是反射区域，例如TIR区或折射区。在一个实施例中，作为非限制性实例，内部区是折射区，并且外部区是TIR区。每个区可以通过多个折射或反射的环形小平面来实现，例如， TIR小平面组合以创建多个叠加子束图像，即从光源生成的（部分）亮度分布的图像。

图10示意性地描绘了这样的光学元件100的实例性实施例的顶视图，并且图11示意性地描绘了这样的光学元件100的实例性实施例的横截面，该光学元件100包括中心折射区110和多个环形区，该多个环形区包括围绕中心折射区110的第一环形区120，该第一环形区120包括多个小平面122，以及围绕第一环形区120的第二环形区130，该第二环形区130包括多个小平面132。如上所述，各个环形区的小平面被布置成在离光学元件100的限定的距离处创建模糊的图像。

光学元件100的至少一些区的小平面（典型地光学元件100的至少最外区（在此为区130）的小平面）将是反射小平面，例如全内反射小平面，以如上所述地使通过小平面偏转的相对光通量最大化。中心区110可以是球形区或者可以包括环形小平面，可选地与球形中心部分组合。折射区的不连续可以与光学元件100要成像的光源的最大尺寸相关。例如，可以选择根据离光学元件100的光轴105的径向距离的区边界以与光源的最大尺寸一致，其中在该边界内的一个或多个区是折射区，并且出于使光学元件100的光学效率最大化的原因，在该边界之外的一个或多个区是全内反射区。特定区中的小平面的数量不受特别限制；可以选择任何合适数量的小平面。例如，在光学元件100的整体高度应受限制的应用中（例如当用于具有预定义形状因子的固态照明器件时），例如可能期望小平面的小型化，导致更多数量的更小的小平面。

重申的是，尽管光学元件100优选具有圆形形状以便于设计和制造，但其他形状同样可行，诸如例如其他对称形状，诸如正方形或长方形，或者甚至具有不对称形状的光学元件100。

区110、120、130可以相对于彼此不连续。在本发明的上下文中，这意味着每个区呈现出某种规则的形状或形状的图案，例如小平面，其中区之间的边界以这些形状或图案的变化为特征。图案的这种变化可以包括区之间的小平面的台阶高度的变化，使得至少部分由小平面122、132限定的光学元件100的表面可以呈现阶梯形轮廓。

在区由诸如TIR小平面的反射小平面实现的情况下，出于光学效率的原因，这些小平面优选地位于光学元件100的光入射表面中。类似地，在区是例如由折射小平面实现的折射区的情况下，折射元件优选地位于光学元件100的光出射表面中。这例如在图10和图11中示出。然而，同样可行的是使折射元件位于光学元件100的光入射表面中和/或使反射小平面位于光学元件100的光出射表面中。

为了实现区内子束图像之间的期望的重叠，每个区域例如该区的小平面典型地将其主表面（也称为偏转表面）与光轴105成预定角度，使得该区域在光源被放置在离光学元件100预期的距离处时实现入射子束的预定偏转角度。例如，由区的各个区域（例如小平面）实现的子束偏转角度可以***地变化，例如以逐步的方式，以便在离光学元件100预定距离处实现子束图像的重合。在一个实施例中，每个区域（例如小平面），具有子束偏转角，该子束偏转角是光学元件100中其径向位置（即其离光轴105的径向距离）的函数。换言之，每个区域可以具有沿着光轴105的***变化的焦点，即相对于特定区中的其他区域，每个区域的焦点被移位，使得每个区域引入不同程度的子束模糊，这是由于光源被定位在到该区的区域的各个焦点不同的距离处的事实，以便在该区产生的光源图像内实现期望的颜色混合。

这将在图12的帮助下进一步解释，图12示意性地描绘了诸如聚光灯泡的照明器件，其中具有最大尺寸D2的LED封装200在光轴105上离根据本发明的实施例的具有直径D1的光学元件100的预定距离处居中。光学元件100的直径D1可以大于LED封装200的最大尺寸D2。如前所述，最大尺寸D2可以与光学元件100的区边界一致；在此，作为非限制性实例，最大尺寸D2与区120和130之间的边界一致。因此，区域110和120可以是折射区，并且区130可以是反射区，例如TIR区，然而这些区的可替换的实施方式如前所述同样可行。

如下面将更详细解释的，区的数量和每个区的径向尺寸是设计选择的问题，例如取决于由光学元件100产生的期望的准直程度、光学元件100的所需的直径以及光源（例如LED封装200）的最大尺寸。

在图12中，光源是具有1.5mm的最大光生成表面尺寸D2的LED封装200，其中光学元件100具有20mm的直径D1（即其半径R=10mm）。LED封装被放置在离光学元件100为5mm的距离处。在该实例性实施例中，光学元件100被设计成产生具有24°光束角度的光束点。

在一个实施例中，光学元件100被设计成生成高斯强度轮廓，其实例在图13中由实线示意性地描绘。这仅仅是作为非限制性实例，因为之前已经说明了其他类型的光分布（例如具有非中心强度或对比度最大值的光分布）是同样可行的。如前所述，目标光束强度轮廓（此处为高斯分布）典型地被分区成多个切片，这里是三个切片310、320和330，其中下切片310和320通过均匀或恒定的照度近似光分布的部分，并且第三切片330通过高斯照度近似高斯轮廓的上部。下切片310对应于由第一区110产生的目标照度，中间切片320对应于由中间区120产生的目标照度，并且上切片330对应于由外部区120产生的目标照度。换言之，具有增加的径向位置的区典型地产生具有减小的光束角度的图像以反映在目标位置处产生的较小的子束图像尺寸，对于该图像尺寸需要横跨子束偏转角度的较小扫描以实现图像模糊。

对于位于较大径向位置的区，光束偏转范围减小，以生成高斯光束强度轮廓，因为在离中心位于光轴处的透镜100目标距离处每个连续的区精确地投射到前一区域的顶部。对于恒定照度区，这要求作为径向位置r_rec的函数的发光通量服从以下等式：

。

对于高斯照度区，作为径向位置r_rec的函数的发光通量必须服从以下等式：

其中E_i是光学元件100的第i个区的照度。

在离光学元件100的目标距离处各个区110、120、130的各种照度的重合可以看作通过以下等式近似于高斯分布：

其中E₁、E₂分别是由区110和区120生成的恒定照度，是由区130产生的高斯照度，并且是目标高斯照度。

为了实现每个区的期望照度，可以根据以下等式来计算作为径向位置的函数的通量：

，其中Φ_c是通量，并且E_c是恒定亮度区的亮度；

，其中Φ_g是通量，并且E_g是高斯亮度区域的亮度。

如可以由以下等式所看到的，作为由光学元件100创建的整体叠加图像的径向图像位置的函数的通量因此近似高斯亮度的通量：

。

这在图14中被示意性地示出，图14分别描绘了区110、120和130的各个目标通量分布410、420、430，其中总体目标高斯照度被描绘为实线400。示出两条曲线，其反映区110、120的正提取角度以及区130的负提取角度。目标通量分布410、420随着径向位置的增加而增加的目标通量可以根据随着增加的径向位置而增加的环形表面积来理解，因此需要增加的通量以在特定的恒定照度区的全宽度之上保持恒定的照度。

重申的是，目标照度的切割不限于水平切割；其他生成轴对称的切片的切割策略（例如三角形切割）是同样可行的，然而将理解的是，由于水平切割适合于产生紧密地近似期望的目标照度的光分布，例如高斯分布，所以水平切割是优选的。

以这种方式，可以选择光学元件100的各个区，并如上所述确定各工区的目标通量分布。随后，如由光源200产生的入射通量分布需要与将由光学元件100产生的目标通量分布匹配。这通常需要为此目的产生转移函数，以便将径向光学元件位置r连接到图像位置r_rec。

对于点光源，存在无限数量的这种转移函数，使得在这样的假设情况下，可以以随机的方式选择将光学元件区归结为目标通量分布。但是，对于扩展光源，例如LED封装，必须选择光学元件100的区的区边界，使得该区可以适应对应于该区的锥角。因此，该区应该足够宽以适应锥角。优选地，锥角除以2不应超过区的最大提取角度。更优选地，由光学元件区域实现的提取角度恰好等于其锥角的一半，因为这导致源图像的边缘被投影到光轴105上超出光学元件100的目标位置处，例如在远场中的位置。该图像边缘将与以0°提取（即平行于光轴105）的图像中心重叠。例如，对于30°的锥角（或“图像大小”或“子光束宽度”），为实现完全图像模糊，这最低限度地需要具有大约为30/2 = 15°的光束提取角度的区区域，例如小平面，使一个子束图像的图像边缘投射到目标位置中的另一个图像的图像中心的顶部。

为了计算单个区中的提取角度，可以选择该区的平均图像大小。因此，例如，在该例子中，区边界处的锥角作为表I中所示的径向距离R的函数：

表I

R [mm] 锥角 [°]

0 33

3 25

5 17

10 7。

基于各个区的选定的宽度和界定每个区的锥角范围，可以如上所述计算区内的最小光束扫描。

重申的是，锥角oa由光源尺寸和光学元件-源的距离根据以下公式确定：

对于r≤r_s，；

对于r> r_s，。

这也证明了为什么内部区被分配到目标照度的较低（最宽）分区，因为这种区由于较大的相关锥角而需要覆盖较大范围的提取角度，因此需要更宽的图像或光束轮廓以实现所期望的图像模糊。应注意的是，提取角度被分配给锥的中心光线，使得由具有指定的提取角度的光学元件部分照射的面积延伸超过最大提取角度半个锥角。

合适的转移函数的定义是技术人员的常规练习。例如，可以如下导出用于将入射朗伯照度转换成恒定照度输出的合适的转移函数r_rec(r)。通常，以下等式成立：

其中Φ_lamb(r)是入射朗伯通量分布。从这个等式，转移函数r_rec(r)可以导出如下：

在向前的方向；以及

在向后的方向。

用于将入射朗伯照度转换成高斯照度输出的转移函数可以如下导出。通常，以下等式成立：

。

从这个等式，转移函数r_rec(r)可以导出如下：

在向前的方向；以及

在向后的方向。

在这种情况下，区内的“向前的方向”是指在朗伯分布上在正'r'-方向移动，并且通过在目标分布上在正方向移动来匹配该移动。区内的“向后的方向”是指在朗伯分布上在正'r'-方向移动，并且通过在目标分布上在负方向移动来匹配该移动。

在具有期望的24°光束角度（即在高斯分布中24°的FWHM）的点生成的实例性实施例中，可以以这种方式获得如图15的曲线图中所描绘的转移函数。图15是光学元件100的转移函数，其中所有区区域位于光学元件100的光出射表面中。可以使用所描绘的光束提取角度来实施该转移函数，该光束提取角度将转移函数描绘为光学元件100的收集界面（由后缀'1'指定）和提取界面（由后缀'2'指定）处的输入朗伯光线和输出光线的径向位置的函数，以便获得期望的光束点，即获得用于光学元件100的目标分布。

在这个例子中，中心区110中的光束提取角度范围从0°到20°，小平面区120中的光束提取角度范围从0°到16°，并且小平面TIR区130中的光束提取角度范围从0°到10°。这确保了对于给定的光源尺寸和源-光学元件距离，通过由区110和区120生成的恒定照度轮廓和由区130产生的高斯亮度轮廓的上述叠加，生成具有24°的FWHM的高斯光束轮廓。

由根据实例性实施例的由照明器件生成的光分布在图16中示意性地示出，这表明区130将其发光输出（即其叠加图像）朝由第一区110生成的叠加图像重定向。

图17示意性地描绘了图14的通量轮廓分别被转换成区110、120和130的提取角度范围，其中区110具有20°的最大提取角度510，区120具有16°的最大提取角度520，并且区130具有-10°的最大提取角度530。最大提取角度也在图15中突出显示。由于实例光学元件100的旋转对称性，特别是对于实例光学元件100的恒定亮度区和/或折射区，提取角度的符号是不重要的。然而，对于TIR小平面，负提取角度是优选的，因为它们比正提取角度产生更高的提取效率；对于大于45°的入射角和大于0°的提取角，光线更可能在光学元件100内部全内反射，因此降低光学效率。

重申的是，为了从扩展的光源创建均匀的光束点，可以任意选择其中扫描过偏转角的区的数量，然而相对大数量的区是优选的，因为它使得光学元件设计对所需光学元件直径的变化更加稳健；最外区或光学元件边缘的（部分）移除不会显著影响光学元件的目标输出分布，例如高斯分布。换言之，更大数量的区提供了期望的目标分布的更好的近似，并且单个区域（的部分）的移除不显着影响近似。在上面的实例中，偏转角度选择为径向位置的连续函数，但这不是强制性的，并且可以任意修改。可替换地，区可以包括在内部小平面、外部小平面和内部小平面和外部小平面之间的中间小平面，其中小平面的偏转表面的各个角度从内部小平面到中间小平面增加，并且从中间小平面到外部小平面减小，或反之亦然。

如前所述，外部区将生成具有比由内部区生成的图像更小的光束角度的图像，使得外部区图像可以整体叠加在内部区图像上，以便由于与光学元件100的内部区相关联的较大锥角建立期望的照射轮廓。图18示出由位于离LED源5mm处的具有10mm半径和按照表Ⅰ具有前述的光束偏转角度扫描值的区110、120、130的圆形光学元件生成的如Nichia公司制造的Nichia 3030 LED封装（最大直径1.5mm）的CIE v'（顶部）图像和CIE u'（底部）图像和这些图像的光谱组成。与由图8和图9所描绘的准直TIR菲涅耳透镜生成的图像相比，就CIEu'图像和CIE v'图像二者的颜色分离而言，光束点的均匀性改进从光谱信息中立即可见。另外值得注意的事实是，由于由光学元件100的各个区实现的子束图像模糊，在由圆形光学元件100生成的图像中不能观察到管芯图像。仍然存在的是在由光学元件100形成的准直光束的边缘处冷白色和暖白色之间的一些温和的颜色对比度，但是这完全在可接受的限度内。

图19描绘了图18中的CIE v'图像的模拟发光强度分布11和CIE u'图像的发光强度分布13。这清楚地表明，就颜色分离而言产生了高度均匀的光束，即与现有技术的准直器的状况相比显示出显著降低的颜色分离的光束。因此，通过单个子束偏转步骤实现了卓越的颜色混合连同有效的准直。

光学元件100的圆形形状便于制造的简化。例如，光学元件100可以通过例如金刚石铣削以一步工艺制造。光学元件100可以由任何合适的材料制成，例如玻璃或光学级聚合物，诸如聚碳酸酯、聚（甲基丙烯酸甲酯）、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。然而，如前所述，其他光学元件形状同样可行。

在该点，此外还要注意的是，光学元件100的各个区的提取角度可以以任何合适的方式实现，例如通过与入射光线成预定角度的单个提取表面（例如光学元件100的光入射表面部分或光出射表面部分）、或者通过这样的光入射表面部分和光出射表面部分的组合。

根据本发明实施例的照明器件可以是聚光灯泡，但不限于此。照明器件可以集成在诸如聚光灯固定器的灯具中，例如安装在天花板上或壁挂式灯具、用于汽车应用的灯具等。可替换地，照明器件可以被集成在被布置成照射工作表面的电气装置（例如在淋浴房、抽油烟机等上方的抽风机）中。

应该注意的是，上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计出许多可替换的实施例。在权利要求中，放置在括号之间的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。词语“包括”不排除权利要求中列出的元件或步骤以外的元件或步骤的存在。元件之前的词语“一”或“一个”不排除多个这种元件的存在。本发明可以通过包括若干不同元件的硬件来实现。在列举若干装置的产品权利要求中，这些装置中的若干可以由同一个硬件项目来体现。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施这一纯粹事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims

1.一种光学元件（100），用于在离光学元件限定的有限距离处根据由放置在光学元件的光轴（105）上的限定位置处的光源（200）生成的亮度分布创建准直光束，所述光学元件包括：

以所述光轴为中心的内部区（110），所述内部区具有多个内部区区域，所述多个内部区区域用于在限定的有限距离处生成所述亮度分布的第一多个部分重叠图像，所述第一多个部分重叠图像限定具有在限定的有限距离处的第一图像宽度的第一叠加图像；以及

围绕所述内部区的外部区（130），所述外部区具有第二多个外部区区域，所述第二多个外部区区域用于在限定的有限距离处生成所述亮度分布的第二多个部分重叠图像，所述第二多个部分重叠图像限定具有在限定的距离处的小于第一图像宽度的第二图像宽度的第二叠加图像，所述第二叠加图像在限定的有限距离处叠加在所述第一叠加图像上。

2.根据权利要求1所述的光学元件（100），其中所述内部区（110）被布置成根据朗伯亮度分布创建具有跨第一图像宽度的恒定亮度的第一叠加图像，其中所述第一图像宽度可选地限定准直光束的光束宽度。

3.根据权利要求2所述的光学元件（100），其中所述外部区（130）被布置成根据朗伯亮度分布创建具有跨第二图像宽度的可变亮度的第二叠加图像。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的光学元件（100），其中所述外部区区域包括多个反射小平面（132），小平面组合以生成第二多个部分重叠图像。

5.根据权利要求4所述的光学元件（100），其中所述外部区（130）是全内反射区。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的光学元件（100），其中所述内部区（110）是折射区。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的光学元件，其中所述内部区区域和/或所述外部区区域具有光轴上的不同焦点。

8.根据权利要求7所述的光学元件，其中所述焦点是区区域的径向位置的函数。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的光学元件（100），其中至少一些内部区区域是小平面（112）。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的光学元件（100），进一步包括内部区（110）和外部区（130）之间的至少一个中间区（120），所述至少一个中间区包括多个进一步的区区域（122），所述多个进一步的区区域（122）用于在离光学元件限定的有限距离处生成所述照明图案的进一步的多个部分重叠图像，所述进一步的多个部分重叠图像限定在限定的有限距离处具有进一步的图像宽度的进一步的叠加图像，所述进一步的图像宽度小于在光学元件的较小径向位置处的每个区的图像宽度，并且大于在光学元件的较大径向位置处的每个区的图像宽度，所述进一步的叠加图像在限定的有限距离处叠加在第一叠加图像上。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的光学元件（100），所述光学元件具有包括阶梯状轮廓的主表面，其中每个阶梯勾画所述各个区（110、120、130）中的一个。

12.一种照明器件，包括权利要求1-11中任一项所述的光学元件（100）以及放置在光学元件的光轴（105）上并布置成将其发光输出朝光学元件定向的光源（200）。

13.根据权利要求12所述的照明器件，其中所述光学元件（100）具有大于光源的光发射表面的最大尺寸（D2）的直径（D1）。

14.根据权利要求12或13所述的照明器件（100），其中所述光源（200）包括发光二极管封装，所述发光二极管封装包括至少一个发光二极管和用于转换由所述至少一个发光二极管生成的光波长的磷光体。

15.一种灯具，包括权利要求12-14中任一项所述的照明器件。