CN112449671B - 准直透镜和照明装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种围绕轴（15）旋转对称的准直透镜（10）。该透镜包括第一主体部分（100），该第一主体部分（100）包括具有布置成容纳多个光源（5、5’）的至少一个凹部（140）的外表面（110），和与该外表面相对的内表面（120），所述内表面界定腔体（125）并向内渐缩到第一主体部分中；以及第二主体部分（200），其从所述第一主体部分与所述腔体相反方向延伸并终止于光出射窗（220），所述第二主体部分具有另一外表面（210），该另一外表面（210）在第一主体部分的外表面和光出射窗之间延伸，以及远离第一主体部分扩展。还公开了一种包括这种准直透镜的照明装置。

Description

准直透镜和照明装置

技术领域

本发明涉及一种准直透镜，该准直透镜围绕轴旋转对称并且具有用于容纳诸如固态照明元件的多个光源的透镜主体。

本发明还涉及一种包括这样的准直透镜的照明装置。

背景技术

随着人口的不断增长，满足全球能源需求以及同时控制碳排放量以遏制温室气体排放量变得越来越困难，这被认为是造成全球变暖现象的原因。这些担忧已经触发了朝向更有效地利用电力的方向努力，以试图减少能源消耗。

一种这样的担忧领域是在家庭设置或商业设置中的照明应用。有一个明显的趋势是朝向要用更节能的替代品来替代传统的、相对低能耗的灯泡，诸如白炽灯灯泡或荧光灯灯泡。实际上，在许多管辖区中，白炽灯泡的生产和零售已被取缔，从而例如在更换白炽灯泡时迫使消费者购买节能替代物。

固态照明（SSL）元件提供了一种特别有希望的替代物，它能够以仅为白炽灯灯泡或荧光灯灯泡的能耗的一小部分产生单位发光输出。这样的SSL元件的示例是发光二极管（LED）。这样的SSL元件还受益于与传统光源相比更高的鲁棒性，从而大大提高了它们的工作寿命。

然而，用包括这种SSL元件的照明装置成功替代传统光源所需要解决的主要挑战是确保由这种SSL元件产生的发光输出具有期望的分布，例如以确保发光输出类似于要被替换的传统光源。SSL元件往往会在有限的角度范围内（例如在大约180°的范围内的朗伯强度分布）产生定向的发光输出。由于这个原因，SSL元件通常与光学元件结合使用，以成形SSL元件的发光输出。例如，准直透镜可以用于减小由这种SSL元件产生的发光输出的光束角，这例如在诸如聚光灯和重点照明的应用领域中可能是期望的。

在一些应用领域中，诸如准直透镜的单个光学元件可以适于容纳并成形诸如SSL元件的多个光源的发光输出。例如，在EP 1826474 A1中描述了一种光学投影仪，该光学投影仪包括与各个凹面反射面耦合的多个LED光源，使得由LED发射的光束被所述凹面反射面反射以获得从投影仪射出的反射光束。LED被布置使得它们的发射轴相对于投影仪的几何轴基本上是径向的，并且凹面反射面被成形为使得反射光束基本上平行于投影仪的几何轴。

在这样的设计中，来自不同LED光源的光的混合是有限的。当不同的LED光源相同的情况下，这不是问题。然而，在某些诸如重点照明的应用领域中，可能希望能够改变照明装置的发光输出的光谱成分。例如，这可以通过将产生诸如具有不同光谱成分的输出的SSL元件之类的光源光学耦合到光学元件中来实现，使得在单独地控制这种光源时，可以改变照明装置的整体输出的光谱成分。然而，在光学元件不能有效地混合具有不同光谱成分的各种输出的情况下，其中这些不同光谱成分在组合时创建照明装置的期望输出，由于在照明装置内的空间上不同的位置生成的具有不同光谱成分的各个输出分量的不完全混合，照明装置的实际输出在其发光输出中将经受颜色分离。

US9416951B1公开了一种包括光源的照明设备。初级光学表面被配置为容纳来自光源的光和对来自光源的光重定向。次级光学表面被配置为容纳来自初级光学表面的重定向的光，并进一步在初级发射方向上对光重定向。该设备包括穿过该设备的中心开口，该中心开口限定穿过该设备的对流路径。初级光学表面被定位使得当从初级发射方向观察该设备时，妨碍了光源的直视。初级和次级光学表面关于中心开口基本对称。

发明内容

本发明寻求提供一种准直透镜，用于使多个光源的发光输出准直并有效地混合这些各个发光输出。

本发明进一步寻求提供一种包括这样的准直透镜的照明装置。

根据一方面，提供了一种围绕轴旋转对称的准直透镜，该准直透镜包括第一主体部分，该第一主体部分包括具有布置成容纳多个光源的至少一个凹部的外表面，和与该外表面相对的内表面，所述内表面界定腔体并向内渐缩到第一主体部分中；第二主体部分，其从所述第一主体部分与所述腔体相反方向延伸并终止于光出射窗，所述第二主体部分具有另一外表面，该另一外表面在第一主体部分的外表面和光出射窗之间延伸，以及远离第一主体部分扩展。

这样的旋转对称准直透镜可以具有单片（monolithic）透镜主体，该单片透镜主体包括：第一主体部分，在该第一主体部分中容纳光源的各个发光输出，以及第二主体部分，在该第二主体部分中对光源的各个发光输出进行混合。为此，第一主体部分被成形为使得每个发光输出的一部分直接进入第二主体部分，而每个发光输出的其余部分入射在第一主体部分的内表面上，该内表面将该入射光反射到第二主体部分中。以这种方式，实现了各个发光输出的有效混合，使得根据本发明实施例的准直透镜特别适于在包括产生具有不同光谱成分的输出的光源的照明装置中使用，原因在于准直透镜确保了照明装置的输出就其光谱成分而言是基本均匀的。

第二主体部分可以具有截顶圆锥形状，其中截顶圆锥朝向第一主体部分变窄。这确保了由光源产生的发光输出的特别有效的混合。

在一个实施例中，第一主体部分的外表面包括第一表面部分和第二表面部分，该第一表面部分在至少一个凹部和另一外表面之间，该第一表面部分被布置成将来自至少一个光源的入射光反射到另一外表面上，其中外表面布置成将所述光朝向光出射窗反射；并且第二表面部分在所述至少一个凹部和所述内表面之间，该第二表面部分被布置成将来自所述至少一个光源的入射光经由所述内表面朝向所述光出射窗反射。这提高了准直透镜的发光效率，因为由照明装置在（与光源的光轴）相对较大的角度下发射的光不会丢失，而是由准直透镜收集并朝其光出射窗定向。

为了优化利用第一表面部分和第二表面部分对光源的发光输出的这些部分的捕获，第一表面部分可以从至少一个凹部朝向另一外表面向内渐缩，并且第二表面部分可以从至少一个凹部朝向内表面向内渐缩。

作为进一步的改进，第一表面部分、第二表面部分、内表面和另一外表面中的至少一个是刻面的，以进一步改善准直透镜对光源的各个发光输出的混合。优选地，第一表面部分、第二表面部分、内表面和另一外表面中的每一个是刻面的。

在一个实施例中，至少一个凹部包括围绕第一主体部分延伸的凹槽。这样做的优点是提供了一种灵活的准直透镜设计，因为由于至少一个凹部不是专用于固定数量的光源（例如单个光源）的事实，可以很容易地改变耦合到准直透镜中的光源的数量。这样的凹槽可以包括与内表面相对的凸表面部分，该凸表面部分用作准直透镜表面，该准直透镜表面使光源的发光输出的一部分准直到倾斜的内表面上。

在一替代实施例中，旋转对称透镜包括用于容纳至少一个光源的多个凹部，并且其中第一主体部分的外表面包括多个透镜部分，每个透镜部分包括所述凹部中的一个。这样的准直透镜设计可以对由准直透镜产生的发光输出光束质量提供更大的控制，原因在于在第一主体部分的外表面上的附加透镜部分提供了对准直透镜的功率的附加控制。这样的透镜部分中的每一个可以具有从其凹部延伸的凸外表面或截顶圆锥形表面。

准直透镜可以由任何合适的材料制成。在一个特别有利的实施例中，准直透镜由光学级聚合物制成，例如聚碳酸酯、聚（甲基丙烯酸甲酯）、聚对苯二甲酸乙二醇酯或类似的聚合物，其允许例如通过注塑模制等模制技术以成本有效的方式制造准直透镜。

根据另一方面，提供了一种照明装置，其包括本文描述的实施例中的任一个的准直透镜和安装在准直透镜的至少一个凹部中的多个光源。这种照明装置受益于准直透镜的良好混合能力，使得该照明装置就其光谱成分而言可以产生高度均匀的发光输出。

优选地，多个光源包括固态照明元件，其中不同的固态照明元件可以被布置为发射具有不同光谱成分的光。SSL元素是优选的，如上述更详细地解释的那样，原因在于它们小的外形尺寸、较长的寿命和鲁棒性。

在一个实施例中，光源是可单独寻址的，使得照明装置的发光输出的光谱成分是可配置的。例如，这在诸如重点照明的应用领域中特别有吸引力，在该应用领域中照明装置（例如可调节的白光重点照明装置或可调节的彩色光重点照明装置）的发光输出的光谱成分发生变化，可以增加重点照明的兴趣。为此，照明装置可以包括可配置的控制器，该可配置的控制器被布置成对所述光源单独寻址。

附图说明

参考附图，通过非限制性示例更详细地描述本发明的实施例，其中：

图1示意性地描绘了根据一个实施例的准直透镜的透视图；

图2示意性地描绘了图1的准直透镜的截面图；

图3示意性地描绘了根据另一实施例的准直透镜的透视图；和

图4示意性地描绘了根据一个实施例的照明装置的截面图。

具体实施方式

应当理解，附图仅是示意性的，并且没有按比例绘制。还应当理解，贯穿所有附图使用相同的附图标记指示相同或相似的部分。

图1示意性地描绘了透视图，并且图2示意性地描绘了根据本发明实施例的准直透镜10的截面图。准直透镜10是侧面照明的准直透镜，这减小了透镜的尺寸因子（formfactor）和成本。准直透镜10围绕对称轴15旋转对称。在这一点上，应当注意，在本申请中，在参考内表面和外表面时，应当理解的是，内表面是靠近对称轴15的表面，并且外表面是远离光轴15的表面。换句话说，准直透镜10的内表面和外表面二者都是透镜的外部表面。

在至少一些实施例中，准直透镜10可以是单片透镜，并且包括可以被分成与第二主体部分200相邻的第一主体部分100的透镜主体。一般而言，第一主体部分100被布置为容纳多个光源5、5’的发光输出并且将容纳的发光输出定向为朝向第二主体部分200，而第二主体部分200被布置为混合从第一主体部分100容纳的发光输出，并通过用作光出射窗的其表面220产生混合的发光输出。第二主体部分200具有外表面210，该外表面从第一主体部分100朝向其光出射窗220向外扩展。例如，第二主体部分200可以具有截顶圆锥形状，其中光出射窗220限定锥的底部，而外表面210限定从锥的底部朝向第一主体部分100变窄的圆锥表面。然而，外表面210不一定是笔直的母线；相反，外表面210可以采用弯曲的形状，例如凸形或凹形，即第二主体部分200的截顶圆锥形状可以具有弯曲的外表面。

第一主体部分100典型地包括外表面，该外表面包括被布置为容纳多个光源5、5’的凹槽形凹部140。与外表面110相对的是内表面120，其通过第一主体部分110的透镜材料与外表面110分开。内表面120界定了向内渐缩（即变窄）到第一主体部分110中的腔体125。例如，腔体125可以采取由内表面120界定的（截顶的）锥形腔体的形式。因此，内表面120相对于对称轴15成非零角度。外表面110可以从内表面120延伸到第二主体部分200的外表面210。

由光源5、5’发射的，通过与光源5、5’相对的凹部140的表面部分141进入准直透镜10的发光输出的一部分可以被定向到内表面120上，该内表面120用作该光的全内反射面。这些光线在图2中被标记为光线b和c，并且通常限定光源5、5’的发光输出的中心部分。内表面120成一定角度，使得这种入射光朝向准直透镜10的光出射窗220反射。凹部140的表面部分141可以是凸表面部分，使得该表面部分已经将准直度赋予由光源5、5’发射的通过该表面部分进入准直透镜10的光输出的一部分。替代地或附加地，内表面120可以弯曲以实现这种准直。

第一主体部分100的外表面110可以包括在凹槽形凹部140和第二主体部分200的外表面210之间的第一表面部分111。第一表面部分111被布置为将来自至少一个光源5、5’的入射光反射到第二主体部分200的外表面210上。由于第二主体部分200的外表面210的成角度的性质，该反射光进一步被外表面210朝向光出射窗220反射。更具体地说，在图2中用光线d表示的光源5、5′的发光输出的周边部分可以穿过凹槽形凹部140的侧表面部分143进入准直透镜10，该侧表面部分143将发光输出的该周边部分折射到第一主体部分100的外表面110的第一表面部分111上，其进而优选地通过全内反射将这些折射光线反射到第二主体部分200的外表面210上。

第一主体部分100的外表面110还可以包括第二表面部分113，该第二表面部分113位于第一主体部分100的凹槽形凹部140和内表面120之间。该第二表面部分113被布置成将来自光源5、5’的入射光反射到内表面120上，内表面120进而将该光朝向准直透镜10的光出射窗220反射。更具体地说，在图2中用光线c表示的光源5、5′的发光输出的周边部分可以穿过凹槽形凹部140的另一侧表面部分145进入准直透镜10，该另一侧表面部分145将发光输出的该周边部分折射到第一主体部分100的外表面110的第二表面部分113上，其进而优选地通过全内反射将这些折射光线反射到第一主体部分200的内表面120上，而内表面120优选地通过全内反射将该光朝向光出射窗220反射。

为了利用第一表面部分111和第二表面部分113实现期望的反射，第一表面部分111可以从凹槽形凹部140朝向第二主体部分200的外表面210向内渐缩，并且第二表面部分113可以从凹槽形凹部140朝向内表面120向内渐缩。第一表面部分111可以通过第一另外表面部分112与凹槽形凹部140分开，而第二表面部分113可以通过第二另外表面部分114与凹槽形凹部140分开。另外表面部分112和114可以充当间隔物，并且不一定为准直透镜10的光学功能做出积极贡献。可以部署这样的间隔物以确保就光学性能而言，第一表面部分111和第二表面部分113分别最佳地位于第一主体部分100的外表面110上。

应该理解的是，在本申请的上下文中，当提及锥形表面时，这旨在指在特定方向上（相对于对称轴15）成角度的表面。具体地，在参考特定方向上的向内渐缩的表面或表面部分时，这意味着描述在该特定方向上与对称轴15成角度的表面或表面部分。在本申请的上下文中，术语“渐缩（tapered）”不应解释为专门指代厚度的任何变化。

从前述内容可以理解，准直透镜10根据光源5、5’发射它们的发光输出的部分的角度，使用不同的表面来实现光源5、5’的发光输出的准直。发光输出的更多中心区域（例如光线b和c）可以被凹槽形腔体140的表面部分141和/或第一透镜主体的内表面120准直，而发光输出的更多***区域可以通过第一主体部分100的外表面110的第一表面部分111和第二主体部分200的外表面210的组合内部反射（光线a）、或通过第一主体部分100的外表面110的第二表面部分113和第一主体部分100的内表面120的组合内反射（光线d）来准直。以这种方式，在准直透镜10内有效地混合了不同光源5、5’的发光输出，这例如有助于根据准直透镜10生成光谱成分高度均匀的发光输出，即使其中光源5、5’产生具有不同光谱成分的发光输出。

为了进一步提高准直透镜10的混合效率，内反射表面、第一主体部分100的外表面110的第一表面部分111和第二表面部分113、第一主体部分100的内表面120和第二主体部分200的外表面210中的至少一些可以是刻面的（未示出）。在优选实施例中，所有这些内部反射表面都是刻面的，以使准直透镜10的混合效率最大化。

在图1和图2中示意性描绘的实施例中，侧面照明准直透镜10包括凹槽形凹部140，该凹槽形凹部140围绕第一主体部分100的整个侧面延伸。这给结合有这种准直透镜10的照明装置提供了极大的设计自由度，原因在于光源5、5’可以定位在凹槽形凹槽140内的任何位置，从而比如提供了要在这样的照明装置内集成的光源数量的灵活性。

图3示意性地描绘了侧面照明的准直透镜10的替代实施例的透视图，其中准直透镜10包括用于容纳至少一个光源5、5’的多个凹部140。在该实施例中，凹部140中的每一个由包括凹部140的单独的透镜部分150界定，该透镜部分150从第一主体部分100的外表面110延伸。透镜部分150可以具有从凹部140延伸到第一主体部分100的外表面151，该外表面151可以是凸面形状或截顶圆锥形表面形状，其中透镜部分的外表面151朝向第一主体部分100变宽。在该实施例中，第一主体部分100的内表面120可以由多个邻接的（截顶）圆锥形表面部分127形成。与包括凹槽形凹部140的准直透镜10的实施例相比，将透镜部分150包括在内增加了准直透镜10的光学功率，从而增加了对由准直透镜10产生的光束质量的控制，尤其是对由这种准直透镜产生的光束的***的控制。

可以使用任何合适的材料以任何合适的方式来制造根据本发明实施例的准直透镜10。优选地，准直透镜10是由光学级聚合物制成的单片透镜。光学级聚合物的示例包括聚碳酸酯、聚（甲基丙烯酸甲酯）、聚对苯二甲酸乙二酯等。特别地，例如可以考虑通过注塑模制等，使用可以模制成准直透镜10的形状的任何光学级聚合物。然而，准直透镜10可以由不同的材料制成，例如由玻璃等。

图4示意性地描绘了根据示例实施例的照明装置1。照明装置1包括本发明的准直透镜10和安装在准直透镜10的凹部140中的多个光源5、5’。将理解的是，替代于如图4中所示的凹槽形凹部140，还可考虑诸如在图3中描绘的准直透镜10的实施例中的离散凹部140，其中每个凹槽140包括光源5、5′中的至少一个。在一特定实施例中，光源5、5’是SSL元件，例如LED。在不同的SSL元件可以产生具有不同光谱成分的发光输出的意义上，SSL元件可以彼此相同或不同。例如，SSL元件可以产生不同颜色的发光输出，其可以被准直透镜10混合到白光的色度中。

在一实施例中，光源5、5′（例如，SSL元件）可以是可单独控制的，使得可以调整从准直透镜10的光出射窗220射出的发光输出的光谱成分。例如，在光源5、5’产生不同颜色的发光输出的情况下，可以使用对光源5、5’的单独控制来调整照明装置1的白光输出的色温。可替代地，光源5、5’的单独控制可以用于调整照明装置1的光输出的颜色。

为此，照明装置1可以进一步包括通信地耦合到光源5、5’的控制器3，控制器3可以接收照明装置配置指令并且根据该照明装置配置指令来控制光源5、5’。这样的控制可以包括打开/关闭所选光源5、5’以及使所选光源5、5’变暗。控制器3可以以任何合适的方式接收照明装置配置指令。例如，控制器3可以包括无线通信模块（未示出），控制器3可以通过该无线通信模块例如从被配置为响应于用户输入等而提供照明装置配置指令的诸如专用遥控装置的控制装置、诸如智能电话的移动通信装置、平板计算机等接收照明装置配置指令。诸如蓝牙或Wi-Fi的任何合适的无线通信协议可以用于该目的。可替代地，控制器3可以通信地耦合至照明装置1的电源，在这种情况下，控制器3可以接收照明装置配置指令作为电源的调制。作为又一个示例，控制器3可以用有线或无线方式耦合到智能（分布式）照明***的主控制器，例如桥接器等，控制器3通过该主控制器接收照明装置配置指令。向控制器3提供照明装置配置指令的许多其他合适方式对于本领域技术人员将是显而易见的。

照明装置1可以采用任何合适的形状。在一示例实施例中，照明装置1是诸如重点照明装置的照明器，但是应当理解，本发明的实施例不限于这样的特定照明装置。

应当指出的是，以上提及的实施例说明而非限制本发明，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不应当解释为限制权利要求。单词“包括”不排除权利要求中列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件前面的词“一”（“a”或“an”）不排除多个这样的元件的存在。可以借助于包括若干不同元件的硬件来实现本发明。在列举若干器件的装置权利要求中，这些装置中的几个可以由同一硬件来体现。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的纯粹事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。

Claims (14)

1.一种准直透镜（10），其围绕轴（15）旋转对称，包括：

第一主体部分（100），其包括具有至少一个凹部（140）的外表面（110）和与所述外表面相对的内表面（120），所述凹部（140）布置成容纳多个光源（5、5’），所述内表面（120）界定腔体（125）并向内渐缩到所述第一主体部分中；

第二主体部分（200），其从所述第一主体部分与所述腔体相反方向延伸并终止于光出射窗（220），所述第二主体部分具有另一外表面（210），所述另一外表面（210）在所述第一主体部分的所述外表面和所述光出射窗之间延伸，并远离所述第一主体部分扩展；

其中所述第一主体部分（100）的所述外表面（110）包括：

在所述至少一个凹部（140）和所述另一外表面（210）之间的第一表面部分（111），其布置成将来自所述至少一个光源（5、5’）的入射光反射到所述另一外表面上，其中所述另一外表面布置成将所述光朝向所述光出射窗（220）反射；和

在所述至少一个凹部（140）和所述内表面（120）之间的第二表面部分（113），其布置成将来自所述至少一个光源（5、5’）的入射光经由所述内表面（120）朝向所述光出射窗（220）反射。

2.根据权利要求1所述的准直透镜（10），其中所述第二主体部分（200）具有截顶圆锥形的形状。

3.根据权利要求1所述的准直透镜（10），其中所述第一表面部分（111）从所述至少一个凹部（140）朝向所述另一外表面（210）向内渐缩，并且所述第二表面部分（113）从所述至少一个凹部（140）朝向所述内表面（120）向内渐缩。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的准直透镜（10），其中所述第一表面部分（111）、所述第二表面部分（113）、所述内表面（120）和所述另一外表面（210）中的至少一个是刻面的。

5.根据权利要求4所述的准直透镜（10），其中所述第一表面部分（111）、所述第二表面部分（113）、所述内表面（120）和所述另一外表面（210）中的每一个都是刻面的。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的准直透镜（10），其中所述至少一个凹部（140）包括围绕所述第一主体部分（110）延伸的凹槽。

7.根据权利要求6所述的准直透镜（10），其中所述凹槽包括与所述内表面（120）相对的凸表面部分（141）。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的准直透镜（10），其中所述旋转对称透镜包括用于容纳至少一个光源（5、5’）的多个凹部（140），并且其中所述第一主体部分（100）的外表面（110）包括多个透镜部分（150），每个透镜部分包括所述凹部（140）中的一个。

9.根据权利要求8所述的准直透镜（10），其中每个透镜部分（150）具有从其凹部（140）延伸的凸外表面（151）或截顶圆锥形表面。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的准直透镜（10），其中所述透镜由光学级聚合物制成。

11.一种照明装置（1），包括根据权利要求1-10中任一项所述的准直透镜（10）和安装在所述准直透镜（10）的至少一个的凹部（140）中的多个光源（5、5’）。

12.根据权利要求11所述的照明装置（1），其中所述多个光源（5、5’）包括固态照明元件，其中不同的固态照明元件被布置为发射具有不同光谱成分的光。

13.根据权利要求11或12所述的照明装置（1），其中所述光源（5、5’）是可单独寻址的。

14.根据权利要求13所述的照明装置（1），还包括可配置控制器（3），所述可配置控制器（3）布置成对所述光源（5、5′）单独寻址。

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