CN111566407A

CN111566407A - 用于改变光分布的光学装置

Info

Publication number: CN111566407A
Application number: CN201880085112.8A
Authority: CN
Inventors: 阿西·西瓦蒂
Original assignee: Ledil Oy
Current assignee: Ledil Oy
Priority date: 2018-01-04
Filing date: 2018-11-01
Publication date: 2020-08-21
Anticipated expiration: 2038-11-01
Also published as: BR112020013516A2; WO2019135021A1; RU2020123073A; EP3735555B1; US11067246B2; EP3735555A1; CN111566407B; US20210180767A1; MX2020007059A

Abstract

提出了一种用于改变光源(202)的光分布图案的光学装置(201)。光源将第一光束辐射到第一几何四分空间，并且将第二光束辐射到第二几何四分空间，其中第一和第二四分空间由相互垂直的几何平面定义，其中一个几何平面构成第一几何四分空间和第二几何四分空间之间的边界。该光学装置包括：透镜部(207)，用于改变第一光束的光分布图案；和两个反射器表面(208、211)，用于将第二光束从第二几何四分空间反射到第一几何四分空间。两个反射器表面在垂直于第一和第二几何四分空间之间的边界的方向(x)上连续，并且使得光学装置可以比仅使用一个反射器表面的情况低。

Description

用于改变光分布的光学装置

技术领域

本公开一般涉及照明工程。更具体地，本公开涉及一种用于改变光源的光分布图案的光学装置，例如，该光源可以是但不一定是发光二极管“LED”。

背景技术

在某些应用中，光源产生的光的分布可能很重要，甚至很关键。例如，光源可以是但不一定是发光二极管“LED”、白炽灯或气体放电灯。图1a示出了街道照明应用的示意图，其中布置了路灯122和123以照亮道路120。图1b示出了沿图1a所示的线A1-A1截取的截面图，图1c示出了沿图1a中的线A2-A2截取的截面图。例如，路灯122和123中的每个可以包括照明器材，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，每个光学装置被布置成改变一个或多个光源的光分布图案。在图1e和1f中示出了根据现有技术的示例性光学装置101，其中，图1f示出了沿图1e中的线A-A截取的截面图。光源102被布置成将第一光束辐射到第一几何四分空间103，并且将第二光束辐射到第二几何四分空间104，其中第一和第二几何四分空间由相互垂直的几何平面105和106定义，使得几何平面105构成第一和第二几何四分空间103和104之间的边界。在图1e和1f中，一些第一光束用点划线箭头表示，而一些第二光束用虚线箭头表示。要注意的是，上述几何平面105和106仅是用于说明目的的几何概念，而不是光学装置101或光源102的物理元件。几何平面105平行于坐标系199的yz平面，并且几何平面106平行于坐标系199的xy平面。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包括反射器表面108，用于将至少一部分第二光束反射到第一四分空间103，如图1e和1f所示。反射器表面108是腔109的表面。选择腔109的几何形状和光学装置101的透明材料的折射率，使得全内反射“TIR”在反射器表面108上发生。

图1d示出了极坐标图，该极坐标图示出了当在相邻路灯之间的距离D约为路灯杆的高度H的4.5倍并且车道121的宽度W大约是路灯杆的高度H的一半的示例性情况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。实线极坐标图显示了图1a所示的线A1-A1上的亮度分布，虚线极坐标图显示了在车道121的中间的线A2-A2上的亮度分布。图1c中定义了角□₁和□₂，并且图1b中定义了角□₃和□₄。理想的情况是使亮度在道路表面上处于适当的水平并且均匀。在图1d中，圆弧124示出了亮度均匀分布的情况。

如图1d中的实线极坐标图所示，一部分光不被引导至道路120，而是从路灯被向后引导。如图1f所示，被向后引导的光至少部分是由在接近垂直的表面110上的不期望的反射引起的。需要接近垂直的表面110，以使反射器表面108在坐标系199的z方向上如此高，以至于基本上所有辐射到第二几何四分空间104的光都落在反射器表面108上。因此，透镜部107可以在坐标系199的z方向上较厚，以便避免接近垂直表面110，但是较厚的透镜部将增加由光学装置引起的衰减。因此，提供足够高的反射器表面的几何形状并非没有挑战。

发明内容

以下给出简化的概要，以便提供对各种发明实施例的某些方面的基本理解。该概要不是本发明的广泛概述。它既不旨在标识本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围。以下概要仅以简化形式呈现了本发明的一些概念，作为对本发明的示例性实施例的更详细描述的序言。

在本文中，词语“几何”在用作前缀时表示几何概念，不一定是任何物理对象的一部分。几何概念可以是例如几何点，直线或弯曲几何线，几何平面，非平面几何表面，几何空间或为零，一，二或三维的任何其他几何实体。

根据本发明，提供了一种新的光学装置，用于改变将第一光束辐射到第一几何四分空间和将第二光束辐射到第二几何四分空间的光源的光分布图案，第一和第二几何四分空间由相互垂直的第一和第二几何平面定义，使得第一几何平面构成第一和第二几何四分空间之间的边界。根据本发明的光学装置包括：

-透镜部，用作用于改变第一光束的光分布图案的透镜，

-第一反射器表面，用于将第二光束的第一部分从第二几何四分空间反射到第一几何四分空间，以及

-第二反射器表面，用于将第二光束的第二部分从第二几何四分空间反射到第一几何四分空间。

上述第一和第二反射器表面在垂直于第一几何平面的方向上连续，使得第一反射器表面在第一几何平面和第二反射器表面之间。第一反射器表面比第二反射器表面更远离第二几何平面，使得第一反射器表面和第二几何平面之间的区域构成第二光束的第二部分到达第二反射器表面的路径上的传播通道。

上述光学装置是透明部件，包括：

-光源的第一腔，

-第二腔，其表面构成第一反射器表面，使得当第二光束的第一部分从透明部件内部到达第二腔的表面时，发生全内反射；以及

-第三腔，其表面构成第二反射器表面，使得当第二光束的第二部分从透明部件内部到达第三腔的表面时，发生全内反射，第一腔和第二腔之间的壁与第二腔和第三腔之间的壁相比更远离第二几何平面，以及第二腔和第三腔之间的壁的一部分构成第二光束的第二部分到达第二反射器表面的路径的一部分。

包括上述第一和第二反射器表面的上述光学装置不需要与仅包括一个反射器表面的相应光学装置一样高，因为更靠近光源的第一反射器表面反射对于第二反射器表面而言过低的光。

根据本发明，还提供了一种新的照明器材，其包括至少一个光源和至少一个根据本发明的光学装置。例如，至少一个光源可以包括一个或多个发光二极管“LED”。

根据本发明，还提供了一种新***，其包括道路和至少一个路灯，该至少一个路灯包括至少一个根据本发明的照明器材，其中，至少一个照明器材的每个光学装置相对于道路被定位成使得与所考虑的光学装置有关的上述第一和第二几何平面之间的几何截面线基本上与道路的纵向方向平行。

构成根据本发明的光学装置的透明部件可以例如通过铸模来制造。

根据本发明，还提供了一种新型模具，该新型模具具有适于通过铸模来制造上述透明材料的单个部件的形状。

在所附从属权利要求中描述了本发明的各种示例性和非限制性实施例。

当结合附图阅读以下具体示例性实施例的描述时，将最好地理解本发明的关于构造和操作方法的各种示例性和非限制性实施例，以及其另外的目的和优点。

在本文中，动词“包括”和“包含”是开放的限制，既不排除也不要求存在未叙述的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。此外，应当理解的是在本文中贯穿的“一个”或“一种”，即单数形式的使用，并不排除复数。

附图说明

下面参照附图更详细地解释本发明的示例性和非限制性实施例及其优点，其中：

图1a-1c示出了根据现有技术的街道照明应用的示意图，

图1d示出了极坐标图，其示出了当使用根据现有技术的光学装置时，图1a-1c所示的道路表面上的模拟亮度分布，

图1e和1f示出了根据现有技术的光学装置，

图2a和2b示出了根据本发明的示例性和非限制性实施例的光学装置，

图3示出了具有替代机械结构并且以与根据本发明的示例性和非限制性实施例的光学装置相同的方式操作的光学装置，

图4a和图4b示出了根据本发明的示例性和非限制性实施例的照明器材，

图5a-5c示出了根据本发明的示例性和非限制性实施例的街道照明应用，以及

图6a描述了根据本发明的示例性和非限制性实施例的光学装置的操作，并且图6b描述了诸如图1e和1f所示的根据现有技术的光学装置的操作。

图1a-1f已经在本文的背景部分中进行了解释。

具体实施方式

在以下给出的描述中提供的特定示例不应解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则以下给出的描述中提供的示例列表和示例组并非穷举。

图2a和2b示出了根据本发明的示例性和非限制性实施例的光学装置201，其用于改变光源202的光分布图案，该光源202可以是例如但不一定是发光二极管“LED”，白炽灯或气体放电灯。图2b示出了沿图2a所示的线A-A截取的截面图。截面与坐标系299的xz平面平行。如图2a和2b所示，光源202被布置成将第一光束辐射到第一几何四分空间203，并且将第二光束辐射到第二几何四分空间204，其中第一和第二几何四分空间由相互垂直的第一和第二几何平面205和206定义，使得第一几何平面205构成第一几何四分空间203和第二几何四分空间204之间的边界。在图2a和2b中，一些上述第一光束用点划线箭头表示，并且一些上述第二光束用虚线箭头表示。要注意的是，上述第一和第二几何平面205和206仅是出于说明目的的几何概念，而不是光学装置201或光源202的物理元件。第一几何平面205平行于坐标系299的yz平面并且第二几何平面206平行于坐标系299的xy平面。

光学装置201包括透镜部207，用于改变上述第一光束的光分布图案。光学装置201包括第一反射器表面208，该第一反射器表面208用于将上述第二光束的第一部分从第二几何四分空间204反射到第一几何四分空间203，使得当第二光束的第一部分从透明材料内部到达第一反射器表面208时发生全内反射“TIR”。光学装置201包括第二反射器表面211，用于将第二光束的第二部分从第二几何四分空间204反射到第一几何四分空间203，使得当第二光束的第二部分从透明材料内部到达第二反射器表面211时发生全内反射。除由反射器表面208或211反射的光之外，光源202可以将没有落在反射器表面208和211中的任一个上的光辐射到第二几何四分空间204。然而，目的是将辐射到第二几何四分空间204但是未被反射的光的量最小化。

如图2a和2b所示，第一和第二反射器表面208和211沿垂直于第一几何平面205的方向连续，使得第一反射器表面208在第一几何平面205和第二反射器表面211之间。如图2b所示，第一反射器表面208比第二反射器表面211更远离第二几何平面206，使得第一反射器表面208和第二几何平面206之间的区域219构成用于第二光束的第二部分到达第二反射器表面211的路径上的传播通道。借助于图2b可以理解，更靠近光源202的第一反射器表面208在坐标系299的负z方向上反射对于第二反射器表面211而言过低的光。因此，光学装置201不需要在坐标系299的z方向上与仅包括一个反射器表面的相应光学装置一样高，该相应光学装置例如为图1e和1f所示的光学装置101。

如图2a所示，第一反射器表面208朝向第一几何四分空间203凸出，以便将反射的第二光束的第一部分向侧向展开(spread)，并且第二反射器表面211呈楔形并指向第一几何四分空间203，以便将反射的第二光束的第二部分向侧向展开。还可以为第一反射器表面208和/或第二反射器表面211提供凹槽和/或其他起伏，以便以期望的方式展开反射的光。

图2a和2b所示的示例性光学装置201是透明材料的单个部件。透明材料部件包括用于光源202的第一腔212，如图2a和2b所示。透明材料部件包括第二腔209，其表面构成第一反射器表面208，使得当光束从透明材料内部到达第一反射器表面208时，发生全内反射“TIR”，如图2b所示。透明材料部件包括第三腔213，其表面构成第二反射器表面211，使得当光束从透明材料内部到达第二反射器表面211时，发生全内反射，如图2b所示。如图2b所示，与第二腔209和第三腔213之间的壁215相比，第一腔212和第二腔209之间的壁214离第二几何平面206更远。壁215的一部分构成到达第二反射器表面211的第二光束的第二部分的路径的一部分。壁215的上述部分的入光面可以设置有凹槽和/或其他起伏以用于在侧向上展开第二光束的第二部分的光分布图案。在图2a中，其中一个凹槽用参考标记216表示。这些凹槽基本垂直于第一几何平面205和第二几何平面206之间的几何截面线。

形成上述第一、第二和第三腔212、209和213使得透明材料部件的第一表面218包括构成第一、第二和第三腔212、209和213的凹部，并且第一表面218在围绕凹部的区域上基本上是平面的。透明材料部件的第二表面230被形成为使期望的光分布被获得的形状。第一表面218可以被安装为例如抵靠电路板，其中光源202被安装在电路板的表面上。在图2a和2b所示的示例性情况下，构成光学装置201的透明材料部件相对于与坐标系299的xz平面平行并且与关于图2b所示的截面图的截面重合的第三几何平面基本对称。在图2a中，第三几何平面用参考标记217表示。然而，非对称形状也是可能的。透明材料部件可以由例如丙烯酸塑料、聚碳酸酯、光学硅树脂或玻璃制成。制造方法可以是例如铸模。

图3示出了用于改变光源302的光分布图案的光学装置301的截面图。该截面与坐标系399的xz平面平行。光源302被布置为将第一光束辐射到第一几何四分空间303和将第二光束辐射到第二几何四分空间304，其中第一和第二四分空间由相互垂直的第一和第二几何平面305和306定义，使得第一几何平面305构成第一和第二几何四分空间之间的边界。第一几何平面305平行于坐标系399的yz平面并且第二几何平面306平行于坐标系399的xy平面。在图3中，一些第一光束用点划线箭头表示并且一些第二光束用虚线箭头表示。光学装置301包括用于改变上述第一光束的光分布图案的透镜部307。光学装置301包括第一反射器表面308，其用于将上述第二光束的第一部分从第二几何四分空间304反射到第一几何四分空间303。光学装置301包括第二反射器表面311，其用于将第二光束的第二部分从第二几何四分空间304反射到第一几何四分空间303。第一反射器表面308和第二反射器表面311在垂直于第一几何平面305的方向上连续，使得第一反射器表面308在第一几何平面305和第二反射器表面311之间。第一反射器表面308比第二反射器表面311离第二几何平面306更远，使得第一反射器表面308和第二几何平面306之间的区域319构成到达第二反射器表面311的路径上的第二光束的第二部分的传播通道。

在图3所示的示例性光学装置中，第一反射器表面308是元件331的外表面，该元件可以例如是诸如铝的金属部件或涂覆有反射层的塑料部件。相应地，第二反射器表面311是元件332的外表面，该元件可以例如是诸如铝的金属部件或涂覆有反射层的塑料部件。因此，基于两个反射器表面以及以上参考图2a和2b描述的原理也适用于其中反射器表面由例如金属的不透明的反射材料实现的光学装置。

图4a和4b示出了根据本发明的示例性和非限制性实施例的照明器材。图4b示出了沿图4a所示的线A-A截取的截面图。截面与坐标系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。每个光学装置是根据本发明的示例性和非限制性实施例的。在图4a中，用参考标记402a和402b描绘了两个光源。光学装置401a-401d中的每一个可以例如是诸如图2a和2b所示。每个光源可以包括至少一个发光二极管“LED”。在图4a和图4b所示的示例性情况下，照明器材还包括电路板425。在该示例性情况下，光学装置401a-401d是透明材料的单个部件426的一部分。如图4b所示，光源位于电路板425的表面上和光学装置401a-401d的腔中。

图5a示出了街道照明应用的示意图，其中布置了路灯522和523以照亮道路520。图5b示出了沿图5a所示的线A1-A1截取的截面图，图5c示出了沿图5a所示的线A2-A2截取的截面图。每个路灯522和523包括一个或多个照明器材，每个照明器材包括一个或多个光源，例如发光二极管“LED”，以及用于改变一个或多个光源的光分布图案的一个或多个光学装置。每个光学装置可以是根据图2a和2b或图3所示。每个光学装置相对于道路520被定位成使得与所考虑的光学装置有关的第一和第二几何平面之间的几何截面线基本上与道路520的纵向方向平行。以上参考图2b和图3定义了上述第一和第二几何平面。

图6a描述了图2a和2b所示的光学装置的操作，并且图6b描述了根据例如图1e和1f所示的现有技术的光学装置的操作。图6a和6b示出了在球体的内表面上的等光强曲线，该球体具有基本上在其中心点处的光学装置和光源。在每个等光强曲线上，每单位立体角的发光功率是恒定的。角□_v在图5b中定义，并且角□_h在图5c中定义。从图6a和6b中可以看出，图2a和2b中所示的光学装置不像图1e和1f中所示的光学装置那样向后引导太多的光，即，朝向角□_v为负的方向。

以上给出的描述中提供的特定示例不应解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则以上给出的描述中提供的示例列表和示例组不是穷举。

Claims

1.一种光学装置(201)，所述光学装置用于改变将第一光束辐射到第一几何四分空间(203)和将第二光束辐射到第二几何四分空间(204)的光源的光分布图案，所述第一和第二几何四分空间由相互垂直的第一和第二几何平面(205、206)定义，使得所述第一几何平面(205)构成所述第一和第二几何四分空间之间的边界，所述光学装置包括：

-透镜部(207)，所述透镜部用作改变所述第一光束的光分布图案的透镜，

-第一反射器表面(208)，所述第一反射器表面用于将所述第二光束的第一部分从所述第二几何四分空间反射到所述第一几何四分空间，以及

-第二反射器表面(211)，所述第二反射器表面用于将所述第二光束的第二部分从所述第二几何四分空间反射到所述第一几何四分空间，

其中，所述第一和第二反射器表面在垂直于所述第一几何平面的方向上连续，使得所述第一反射器表面在所述第一几何平面和所述第二反射器表面之间，并且其中所述第一反射器表面比所述第二反射器表面离所述第二几何平面更远，使得所述第一反射器表面和所述第二几何平面之间的区域(219、319)构成所述第二光束的所述第二部分到所述第二反射器表面的路径上的传播通道，其特征在于，所述光学装置是透明部件，所述透明部件包括：

-用于所述光源的第一腔(212)，

-第二腔(209)，所述第二腔的表面构成所述第一反射器表面(208)，使得当所述第二光束的所述第一部分从所述透明部件内部到达所述第二腔的所述表面时，发生全内反射，以及

-第三腔(213)，所述第三腔的表面构成所述第二反射器表面(211)，使得当所述第二光束的所述第二部分从所述透明部件内部到达所述第三腔的所述表面时，发生全内反射，所述第一和第二腔之间的壁(214)比所述第二和第三腔之间的壁(215)离所述第二几何平面更远，并且所述第二和第三腔之间的壁的一部分构成到所述第二反射器表面的所述第二光束的所述第二部分的所述路径的一部分。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第二反射器表面(211)是楔形的并且指向所述第一几何四分空间(203)，以便将第二光束的被反射的所述第二部分引导到侧向。

3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第二和第三腔之间的所述壁的所述部分的表面包括凹槽(216)，所述凹槽用于在侧向上展开所述第二光束的所述第二部分的光分布图案，所述凹槽基本垂直于所述第一和第二几何平面之间的几何截面线。

4.根据权利要求1或3所述的光学装置，其中，所述透明部件相对于垂直于所述第一和第二几何平面的第三几何平面(217)基本对称。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学装置，其中，所述透明部件的第一表面(218)包括凹部，所述凹部构成所述第一、第二和第三腔(212、209、213)，并且所述透明部件的所述第一表面在围绕所述凹部的区域上基本是平面的。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的光学装置，其中，所述透明部件由以下之一制成：丙烯酸塑料、聚碳酸酯、光学硅树脂、玻璃。

7.一种照明器材，所述照明器材包括光源(402a、402b)和根据权利要求1至6中的任一项所述的光学装置(401a、401b、401c、401d)。

8.根据权利要求7所述的照明器材，其中，所述照明器材还包括电路板(425)，并且所述光学装置是根据权利要求6的，所述透明部件的所述第一表面的所述平面区域抵靠所述电路板，并且所述光源在所述第一腔中。

9.根据权利要求7或8所述的照明器材，其中，所述照明器材包括多个光源和多个根据权利要求6的光学装置，所述光学装置是透明材料的单个部件(426)的部分。

10.一种模具，所述模具具有适于通过铸模来制造构成根据权利要求1至6中的任一项所述的光学装置的所述透明部件的形状。

11.一种***，所述***包括道路(520)和包括至少一个照明器材的路灯(522、523)，所述至少一个照明器材是根据权利要求7-9中的任一项所述的照明器材，其中，所述至少一个照明器材的每个光学装置相对于所述道路被定位成使得与所考虑的所述光学装置有关的所述第一和第二几何平面之间的几何截面线与所述道路的纵向方向基本平行。