CN113272686A - 光学***和照明设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种光学***（10），包括：光混合棒（20），具有在入光窗（22）和相对的出光窗（24）之间延伸的细长主体；多个固态照明元件（30，30'，30"），被布置成穿过所述入光窗（22）将它们相应的发光输出耦合到光混合棒（20）中，所述相应的发光输出包括分别具有不同光谱成分的发光输出；和小透镜板（40），具有接收角（\|/，\|/'），并且包括第一表面（41）和与第一表面（41）相对的第二表面（43），该第一表面包括小透镜（42）的第一阵列，该第二表面包括小透镜（44）的第二阵列，第一阵列的每个小透镜（42）与第二阵列的对应小透镜（44）对准，其中光混合棒（20）具有纵横比，使得由固态照明元件（30，30'，30"）生成的一些光线（35）直接入射在所述第一表面（41）上，所述直接入射光线（35）在所述第一表面（41）上具有不超过所述接收角的最大入射角（Φ）。还公开了一种包括这种光学***（10）的照明设备。

Description

光学***和照明设备

技术领域

本发明涉及一种光学***，包括：光混合棒，具有在入光窗和相对的出光窗之间延伸的细长主体；和多个固态照明元件，被布置成穿过所述入光窗将它们相应的发光输出耦合到光混合棒中，所述相应的发光输出包括分别具有不同光谱成分的发光输出。

本发明进一步涉及包括这种光学***的照明设备。

背景技术

光混合棒——有时也称为光导管——是可以用于混合不同光谱成分的入射光（例如不同颜色的光）的光学透射主体，使得这种光混合棒的输出与耦合到光混合棒中的光相比具有改善的光谱均质性。例如，光混合棒可以用于接收不同颜色的固态照明元件（例如红色、蓝色和绿色LED）的光，并混合所接收的光，以便生成主要具有单一颜色或主要为白色的发光输出。这种混合通常通过光混合棒在它的入光表面和出光表面之间延伸的（多个）表面来实现，该（多个）表面例如通过全内反射或镜面反射将穿过光混合棒传播的入射光线反射回光混合棒中。这种反射将不同光谱成分的光线混合，以生成具有均质化的光谱成分的发光输出。这种光混合棒可以在各种不同的应用领域中使用，诸如例如用于零售环境的可调的重点照明。

这种光混合棒可以在其出光表面处与漫射体组合，以改善这种光学***的发光输出的光谱均质性，例如减少或消除光学***的发光输出中的颜色分离。在存在光导管的情况下，它设置在光源模块和光学引擎之间。然而，在光学***在光谱成分方面包括来自固态照明元件的大量不同的发光输入的情况下，已经发现这种光学***的光混合性质不令人满意。

US 2010/0284201 Al中解决了这个问题，其公开了一种具有光源模块的光学***，该光源模块包括不均匀的扩展光源（诸如RGB-LED）、光学引擎、以及光导管和小透镜（lenslet）阵列布置中的至少一个。在包括光导管的实施例中，光导管的尺寸使得光导管生成空间均匀的光分布，其后漫射器和光学引擎（例如准直器）减小这个发光输出的角度分布。然而，存在进一步减小这种光学***的整体大小的需要。

发明内容

本发明寻求提供一种更紧凑的光学***，该光学***包括：光混合棒，具有在入光窗和相对的出光窗之间延伸的细长主体；和多个固态照明元件，被布置成穿过所述入光窗将它们相应的发光输出耦合到光混合棒中，所述相应的发光输出包括分别具有不同光谱成分的发光输出，其对于具有不同光谱成分的发光输出表现出期望的混合能力。

本发明进一步寻求提供一种包括这种光学***的照明设备。

根据一方面，提供了一种光学***，包括：光混合棒，具有在入光窗和相对的出光窗之间延伸的细长主体；多个固态照明元件，被布置成穿过所述入光窗将它们相应的发光输出耦合到光混合棒中，所述相应的发光输出包括分别具有不同光谱成分的发光输出；和小透镜板，具有接收角（ψ，ψ′），并且包括第一表面和与第一表面相对的第二表面，该第一表面包括小透镜的第一阵列，该第二表面包括小透镜的第二阵列，第一阵列的每个小透镜与第二阵列的对应小透镜对准，其中细长主体具有长度L，其中对于空心细长主体L ≥ (w+d)/2*tan(ψ)，并且对于由具有折射率n的材料制成的实心细长主体L ≥ (w+d)/2*tan(asin(sin(ψ)/n))，并且其中小透镜板（40）由具有折射率n的材料制成，并且每个阵列的小透镜（42，44）限定具有半径R的虚拟球体（142）的冠，所述冠具有位于所述阵列的虚拟平面（141，143）中的周界，所述周界限定了虚拟圆锥（146）的准线，该虚拟圆锥在所述虚拟球体的中心（144）处具有其顶点、并具有锥角α，其中：

并且其中小透镜板的第一表面接触所述出光窗。

因此，通常，光混合棒具有纵横比，使得由固态照明元件生成的一些光线直接入射所述第一表面，所述直接入射光线在所述第一表面上具有不超过所述接收角的最大入射角（ϕ）。

本发明基于以下认识：现存光学***不能够有效地混合这种固态照明（SSL）元件的不同光谱分量是由这些SSL元件发射的穿过光混合棒传播而没有被光混合棒的一个或多个侧壁反射的光线——即当光混合棒具有不足的纵横比时、即当光混合棒的（伸长）长度和宽度之间的比例不足以确保由SSL元件发射的所有光线都入射在光混合棒的（多个）侧壁上时，直接入射在光混合棒的出光表面（出光窗）上的光线——引起的。在这种光线在空间上彼此分离的情况下，这通常是扩展光源的情况，那就是说，当SSL元件跨光混合棒的入光窗在空间上分布时，如果光混合棒的纵横比不足，则现存光学***中的漫射器不能有效地混合这些不同的光线。这导致非均质性，诸如这种光学***的发光输出中的颜色分离，这是不期望的。

在本发明的实施例中，通过提供在相对的表面上承载小透镜阵列的小透镜板，已经解决了这个问题，其中相对的小透镜阵列被对准，使得小透镜板充当Kohler积分器（integrator）。这种小透镜板的尺寸可以作为这种未反射光线入射在小透镜板的入光表面上的最大角度的函数，以便提供可以有效混合这种直接入射光线的小透镜板。为此，小透镜板的第一表面与其小透镜的第一阵列接触所述出光窗。因此，包括组合的光学***由混合棒形成，该混合棒与其出光窗接触Kohler积分器的第一入光表面上的小透镜的第一阵列。在这种光学***中，光混合棒的纵横比可以减小，因为不再要求由光混合棒单独完全混合SSL元件的相应发光输出中的各种光谱分量，从而减小了这种光学***的整体大小。

在本申请的上下文中，术语“接收角”和“积分角”互换地使用。如将被技术人员容易地理解，在对小透镜阵列的接收角进行参考的情况下，这个术语意味着表达作为整体的小透镜板的行为，例如在相同的小透镜对全都具有同一接收角的情况下，在该情况下单独的接收角等于小透镜板的接收角，以及在重叠的小透镜对的情况下，在该情况下小透镜板的接收角是单独的小透镜对的接收角的某个数值平均值。换句话说，以不超过小透镜板的接收角的角度进入小透镜板的光线被小透镜板有效地在空间上混合，而以超过小透镜板的接收角的角度进入小透镜板的光线被小透镜板透射但不被有效地在空间上混合，从而导致空间伪像，诸如由光学***生成的光束的光束轮廓中的颜色分离伪像。

在实施例中，每个阵列中的小透镜以Fermat螺旋图案布置，因为利用这种小透镜布置，实现了光学***的发光输出的良好（径向）均匀性。

每个阵列优选地由重叠的小透镜组成，使得小透镜阵列不包括小透镜之间中的需要被制成不透明的区域，以避免在光学***的发光输出中由入射在这样的区域上并穿过小透镜板而传播的光线引起的伪像的创建。

细长主体可以由选自光学透射聚合物或玻璃的光学透射材料制成，或者可以是包括至少一个内表面的空心主体，其中该至少一个内表面是镜面反射的。使用由光学透射材料制成的这种实心光混合棒的优点是改善了光学***的光学效率，但是与空心光混合棒相比，实心光混合棒要求更长的光混合棒，使得后一种光混合棒（即空心光混合棒）的实施例可以优选地在需要特别紧凑的光学***中。

这种空心主体光混合棒的至少一个内表面可以承载多个刻面或多个波纹，以进一步改善由（多个）这种内表面反射的光线的混合的效率。优选地，光混合棒具有细长主体，该细长主体具有限定入光窗和第二透射表面之间的距离的长度L，其中对于空心细长主体L≥ (w+d)/2*tan(ψ)，并且对于由具有折射率n的材料制成的实心细长主体L ≥ (w+d)/2*tan(asin(sin(ψ)/n))，其中w是入光窗的最大截面的长度，d是出光窗的最大截面的长度，并且ψ是小透镜板的接收角。这确保光混合棒具有适当的纵横比，使得具有给定接收角或积分角的小透镜板可以有效地混合直接穿过具有这种纵横比的光混合棒而传播的所有光线。对于跨其全长具有恒定截面的光混合棒，w = d，使得这些方程对于空心光混合棒可以简化为L ≥ w/tan(ψ)，并且对于实心光混合棒可以简化为L ≥ w/tan(asin(sin(ψ)/n))。

在示例实施例中，小透镜板可以由具有折射率n的材料制成，并且每个阵列的小透镜可以限定具有半径R的虚拟球体的冠，所述冠具有位于所述阵列的虚拟平面中的周界，所述周界限定虚拟圆锥的准线，该虚拟圆锥在所述球体的中心处具有其顶点、并具有锥角α，其中：

其可以以更简单的形式写为：

。

这确保了只要光混合棒遵守前面提到的最小长度要求，则直接入射在小透镜阵列上的所有光线都可以被它有效地混合。此外，这可以表明将以距离v来分离相应虚拟平面，其中：

。

进一步注意，相应地混合棒的折射率（可以称为n1）和小透镜板的折射率（可以称为n2）可以是相互不同的或可以是相同的。

在实施例中，细长主体从入光窗到出光窗以角度β向外成锥形。这具有以下优点：光混合棒的光学效率可以被改善和/或创建从光混合棒出射的更窄的光束。特别地，锥角在0 < β <= 0.5*ϕ的范围内，因为这样保持了光混合棒的可接受的纵横比。

细长主体可以具有垂直于其伸长方向的任何适合的截面形状，诸如圆形形状或多边形形状。然而，在至少一些实施例中，细长主体具有垂直于其伸长方向的正方形或六边形截面，因为这种截面形状对于光混合特别有效。

多个固态照明元件可以包括不同组的单独可寻址的固态照明元件，每组包括至少一个固态照明元件。这例如可以用于控制光学***的发光输出的光谱成分，例如用于调节这个发光输出的颜色或色温。例如，每组由生成具有相同光谱成分的发光输出的固态照明元件组成，诸如一组生成红光的SSL元件、一组生成绿光的SSL元件、和一组生成蓝光的SSL元件。当然，SSL元件的其他组合同样可行。

在实施例中，光学***进一步包括光学耦合到小透镜板的第二表面的准直器（诸如全内反射准直器），以准直所述小透镜板的发光输出。这种准直器的存在可以有助于用光学***生成特别窄的光束——例如，当在半峰全宽（FWHM）处测量时，具有5-25°范围的光束角的光束——这例如使光学***适用于重点照明（例如零售环境中的重点照明）。

根据另一方面，提供了一种照明设备，该照明设备包括壳体，该壳体包含任一本文描述的实施例的光学***。由于光学***的紧凑性质，这种照明设备（例如聚光灯等）受益于可选地紧凑而同时在光谱成分方面实现极好的均匀性，例如用这种照明设备生成的光束的颜色均匀性。

附图说明

参考附图，通过非限制性示例的方式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实施例的光学***的截面视图；

图2示意性地描绘了根据一实施例的光学***的小透镜布置的正面视图；

图3和图4示意性地描绘了根据一实施例的光学***的小透镜板及其光学性能的截面视图；

图5示意性地描绘了根据另一实施例的光学***的截面视图；

图6示意性地描绘了根据又一实施例的光学***的截面视图；

图7示意性地描绘了根据又一实施例的光学***的截面视图；

图8是描绘具有特定纵横比的光混合棒在其出光表面处缺少小透镜板的情况下的光学性能的图；以及

图9是描绘当形成根据一实施例的光学***的一部分时图9的光混合棒的光学性能的图。

具体实施方式

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

图1示意性地描绘了根据本发明实施例的光学***10的截面视图。光学***10包括光混合棒20，该光混合棒20具有细长主体，该细长主体在具有最大截面w的入光窗22和出光窗24之间延伸。在本申请的上下文中，在对表面的最大截面进行参考的情况下，这意味着限定了跨这种表面的最大线性距离。例如，对于圆形表面，这是圆的直径；对于矩形表面，这是跨这种表面的主对角线，等等。此外，在对窗进行参考的情况下，这将理解为允许光经过的任何特征，诸如开口或小孔或光透射表面。光混合棒20具有长度L，该长度L被定义为入光窗22和出光窗24之间的线性距离。

光混合棒20可以是空心结构，例如金属棒等，其中一个或多个内表面21是反射性的，例如镜面反射性的。例如，一个或多个内表面21可以充当将入射光反射回光混合棒20中的镜面。当然，这种一个或多个内表面21可以以任何适合的方式制成反射性的，例如使用涂料、涂层等。在光混合棒20是空心的情况下，将要理解，这种光混合棒的入光窗22和出光窗24可以是开口而不是材料表面。

替代地，光混合棒20可以包括由光学透射材料——诸如玻璃或光学级聚合物（诸如聚碳酸酯、硅树脂、或聚甲基丙烯酸甲酯）等——制成的实心主体。在这样的实施例中，穿过光混合棒20而传播的、入射在光混合棒20与其周围介质（例如空气）的界面上的光线通过全内反射被反射回光混合棒20中。由于这个原理本身是众所周知的，因此仅为了简洁起见，不对此进一步详细解释。

光混合棒20可以具有任何适合的截面形状（对于垂直于光学***10的光轴的光混合棒20的截面）。例如，光混合棒20可以具有圆形截面形状或多边形截面形状。在优选实施例中，光混合棒20具有矩形（例如正方形）或六边形截面形状，因为具有这种截面形状的光混合棒实现了对穿过这种光混合棒传播的光的特别有效的混合。然而，为了避免疑问，注意：光混合棒20可以具有任何适合的（截面）形状，包括在光混合棒20的伸长方向上连续变化的形状，例如当它的入光窗22和它的出光窗24通过非限制性示例的方式分别具有不同的形状（诸如圆形形状和矩形形状）时。

光混合棒20的入光窗22充当光混合棒20的入光表面，而与入光窗22相对的出光窗24充当光混合棒20的出光表面。沿着入光窗22，多个固态照明（SSL）元件30、30'、30"被布置成使得这些SSL元件的相应发光输出的大部分光穿过它的入光窗22耦合到光混合棒20中。例如，相应的SSL元件30、30'、30"可以与入光窗22对准（例如安装在入光窗22上）。SSL元件30、30'、30"包括生成具有不同光谱成分的相应发光输出的SSL元件。例如，一组SSL元件30可以包括一个或多个生成红光的LED，一组SSL元件30'可以包括一个或多个生成绿光的LED，并且一组SSL元件30"可以包括一个或多个生成蓝光的LED，使得通过单独控制各组、或者甚至每组内的SSL元件，可以调节光学***10的发光输出的光谱成分。例如，以此方式，光学***10可以被控制以生成具有可调颜色或色温的发光输出，这在广泛的应用领域——诸如例如零售环境中的重点照明——中可能是期望的。当然，对于技术人员来说，其他应用领域——诸如例如其他环境（诸如家庭环境）中的重点照明——将是立即清楚的。

SSL元件30、30'、30"可以以任何适合的方式——诸如例如以规则或随机的图案——跨光混合棒20的入光窗22分布。在这种SSL元件包括红色、绿色和蓝色LED的情况下，这种LED可以以特定的比例存在，例如R(x)、G(y)、B(z)，其中RGB分别代表红色、绿色和蓝色LED，并且x、y和z代表这种LED的比例。例如，R(3)、G(2)、B(2)表示包括比例为3:3:2的RGBLED的SSL布置，而R(2)、G(3)、B(1)表示包括比例为2:3:1的RGB LED的SSL布置。这种比例通常基于这种LED的相应的发光通量，以便确保光学***10可以生成具有期望光谱成分的发光输出，例如具有特定色温的白光。根据本发明的实施例，在光学***10中可以使用SSL元件的任何组合，诸如例如大型LED和小型LED的组合。在一些应用中，将发射白光的SSL布置——诸如具有6-32 mm范围内的直径的COB（板上芯片）——与RGB LED的阵列（例如具有大约0.1-0.3 mm范围内的大小的微型LED）相组合可能是进一步有利的。

光学***10进一步包括小透镜板40，该小透镜板40包括第一表面41和与第一表面41相对的第二表面43，第一表面41承载小透镜42的第一阵列，第二表面43承载小透镜44的第二阵列。小透镜板40的形状和面积通常与光混合棒20的出光窗24的形状和面积相匹配。这种小透镜板40通常充当Kohler积分器，即小透镜42和44是相同的并且与彼此完美对准。图2示意性地描绘了这种小透镜布置的优选实施例的前视图，其中小透镜42（和44）以Fermat螺旋图案（也称为叶序图案）布置。以这种图案布置的小透镜的阵列具有以下优点：在小透镜板40的发光输出的空间分布中实现了良好的（径向）均匀性。当然，可以设想小透镜42、44的这种阵列的其他图案。由光混合棒20穿过其出光窗（出光窗24）发射的光直接耦合到小透镜板40中。为此原因，优选的是，小透镜板40的第一表面41接触光混合棒20的出光窗24，尽管这不是必需的；相反，在这些表面之间可以存在小的空气间隙。

根据本发明的实施例，光学***10的光混合棒20的纵横比使得由SSL元件30、30'、30"发射到光混合棒20中的一部分光线直接入射在小透镜板40的第一表面41上。光混合棒20具有长度L，该长度L被定义为入光窗22和出光窗24之间的线性距离。光混合棒20的纵横比可以定义为L/d'，其中d'是出光窗24的最大截面的长度，其中L > d'（从而产生细长的光混合棒20）。在小透镜板40的尺寸匹配出光窗24的尺寸的情况下，d = d'。将要理解，小透镜板的尺寸使得整个出光窗24被小透镜板40覆盖。如图1所示，光混合棒20的纵横比限定了直接入射在第一表面41上的光线35的最大入射角ϕ。

由于直接入射在第一表面41上的这些光线中的至少一些光线的不同的光谱成分，这因此导致光混合棒20的发光输出的不均匀的空间分布。然而，小透镜板40被布置成有效地混合直接入射在光混合棒20的出光窗24上的这种光线。为了更详细地解释这个，将借助于图3来解释小透镜42、44的示例设计，图3示意性地描绘了根据这个示例实施例的小透镜阵列40的截面视图。在这样的小透镜阵列中，对准的小透镜对42、44的接收角或积分角ψ限定了可以被小透镜板40有效混合的入射光的角度范围。

在本发明的上下文中，接收角ψ应该足够大，使得对于以如相对于光学***10的光轴11限定的最大角度ϕ直接入射在小透镜42上的光线35，这些光线被小透镜板40有效地混合。光线可以以更大的角度入射在小透镜板40上，但是这种光线将已经在光混合棒20内被内反射（混合），使得对于这种光线，小透镜板40的有效性意义不大。如上所解释，最大角度ϕ是光混合棒20的纵横比的直接函数。因此，对于具有给定接收角ψ的小透镜板40，应该选择光混合棒20的纵横比，使得最大角度ϕ不超过临界值，超出该临界值，小透镜板40的混合变得不完全。替代地，对于具有给定纵横比的光混合棒20，小透镜板40应该设置成具有足够大的接收角ψ，以确保直接入射在光混合棒20的出光窗24上的光线的有效混合，尽管在实践中这是不太优选的，因为与针对给定小透镜板的光学参数定制的光混合棒的设计和制作相比，与这种小透镜板的设计和制作相关联的成本更高。

在图3中，每个小透镜42（和44）形成为具有半径R的虚拟球体142的球冠。这种限定小透镜42的球冠在小透镜板40的第一表面41的虚拟平面141中具有其周界，而限定小透镜44的球冠在小透镜板40的第二表面43的虚拟平面143中具有其周界。小透镜42、44的相应球冠相对于相应的虚拟平面141、143、即在球冠的中心处具有最大高度x。虚拟平面141和143彼此分离距离v。每个球冠的周界限定了虚拟圆锥146的直径为p的准线，该虚拟圆锥146在虚拟球体142的中心144处具有其顶点，使得虚拟圆锥146具有锥角α，该锥角α被定义为虚拟圆锥146的母线（即斜斜表面）和光学***10的光轴11之间的角度。

如前所解释，小透镜板40的小透镜对的接收角ψ限定了小透镜板40可以提供有效混合的入射光线的角度范围。距离v和接收角ψ可以表达如下：

。

其可以以更简单的形式重写为：

。

在上述方程中，n是制造小透镜板40的材料的折射率。图4中还象征性地描绘了小透镜板40的光学性能以及v和ψ的相应关系。在光线35以角度ϕ = 0°入射的情况下，由小透镜板40透射的所有光线45将在-ψ和+ψ之间。然而，一旦|ϕ| > |ψ|，由小透镜板40透射的光线45将不充分混合。因此，为了确保所有光线35直接入射在光混合棒20的出光窗24上（并因此入射在小透镜板40的第一表面41上），光混合棒20应该具有最小长度L。例如，对于空心的光混合棒20，最小长度L可以定义如下：

。

这个方程证明了光混合棒20的最小长度（或者更准确地说，最小纵横比）如何是小透镜板40的接收角和光混合棒20的入光表面（即入光窗22）的最大截面的函数。注意，这个方程对于沿光混合棒的伸长方向具有恒定截面尺寸的空心光混合棒是合理的，即光混合棒20的入光窗22和出光窗24具有相同的形状和面积。下面将进一步详细解释如何将这个方程推广到其他形状的光混合棒，例如成锥形的空心光混合棒。

对于由具有折射率n的材料制成的实心光混合棒20，上述公式变成：

。

因此，在空心或实心光混合棒20遵守其前面提到的L的关系的情况下，由SSL元件30、30'、30"生成的光通过两个过程混合：直接入射在小透镜板40上的光线被小透镜板40有效地制成空间均匀的（例如颜色均匀的），以及直接入射在小透镜板40上的光线通过与光混合棒20的一个或多个侧壁24的多次反射而被制成空间均匀的，该光随后被小透镜板40在宽范围的角度下散射。

在小透镜板40的前述示例实施例中，小透镜42和44被描绘为不重叠的小透镜，使得相邻小透镜之间将存在间隙。在这样的实施例中，小透镜板40的有效积分角等于其单独的小透镜对的有效积分角。为了防止入射在小透镜板40上的光穿过这种间隙进入小透镜板，可以将不透明材料（例如黑色涂料等）涂敷到这些间隙。然而，在优选实施例中，通过提供重叠的小透镜42和44的阵列——例如通过以Fermat螺旋类型的配置布置这种小透镜——这种间隙被完全省略。在这种配置中，p个透镜（其中p是正整数）的笛卡尔（x，y）坐标可以定义为：

。

在这些方程中，c是控制这种阵列中的小透镜之间的重叠量的设计参数，并由此控制小透镜之间中是否存在任何开放空间。在这种重叠的小透镜布置的情况下，小透镜板40的接收角ψ减小到ψ*，使得空心光混合棒20的最小长度L变成：

。

相似地，由具有折射率n的材料制成的实心光混合棒20的最小长度变成：

。

由于在这种配置中小透镜42、44之间不同程度的重叠，减小的或有效的接收角ψ*通常只能数值求解。

图5示意性地描绘了根据另一实施例的光学***10的截面视图。在此实施例中，光混合棒20从入光窗22朝着出光窗24以大约1/3*ϕ的角度β向外成锥形，使得出光窗24具有比入光窗22更大的面积。这种成锥形的光混合棒20可以用于增加光学效率和/或创建更窄的光束（截止）。在此实施例中，入光窗22具有最大截面w，并且出光窗24具有最大截面d（例如匹配小透镜板40的截面），使得作为（减小的）接收角ψ的函数的空心光混合棒20的最小长度L可以被定义为：

。

对于由具有折射率n的材料制成的实心光混合棒20，这变成：

。

当然，在这些公式中，在如上所解释的小透镜板40具有重叠的小透镜对42、44的情况下，ψ变成ψ*。

图6示意性地描绘了根据又一实施例的光学***10的截面视图。在此实施例中，光混合棒20是空心的光混合棒，其包括多个结构23——诸如在其一个或多个内表面上的刻面或波纹23，以增加入射光线的散射，从而增加光混合棒20内这种光线的混合效率。在这点上，注意，空心光混合棒相比于由光学透射材料（诸如玻璃或聚合物）制成的实心光混合棒是不太高效的，但是具有以下优点：要求较短长度L来有效地混合穿过这种光混合棒20而传播的内反射的光线。因此，在光学***10的总长度必须尽可能多得减小以便提供特别紧凑的光学***的实施例中，使用这种空心光混合棒可以是优选的。

在光学***10的前面提到的实施例中，光学***已经被描述为包括SSL元件30、30'、30"、光混合棒20、和充当Kohler积分器的小透镜板40。然而，应当理解，在这些实施例的任何一个中，可以向光学***10添加另外的光学组件而不脱离本申请的教导。例如，如图7中示意性描绘的，准直器50可以被添加到光学***10，使得准直器50（直接）光学耦合到小透镜板40的第二表面，以准直小透镜板40的发光输出47（包括光线45）。这种准直器50可以用于借助光学***10来创建窄光束，例如在光束轮廓的FWHM处具有5-25°范围内的光束角的光束。这种准直器50可以采取任何适合的形状。例如，准直器50可以是全内反射器准直器（诸如Fresnel透镜），因为这种准直器特别紧凑，并因此有助于最小化光学***10的总长度（厚度）。应当理解，可以向光学***10添加其他类型的光学组件而不脱离本发明的教导。

图8描绘了强度（y轴）作为发光输出的分量A和B的视角（x轴）的函数的曲线图，该发光输出沿着与空心光混合棒20的出光窗重合的虚拟平面的正交轴而生成，该空心光混合棒20具有2×2 mm的正方形截面和反射性内表面，并且长度L为16 mm，而不使用小透镜板40。在插图中，在光混合棒20的入光窗22上，SSL元件30、30'和30"如所示在空间上布置，具有红色LED 30、蓝色LED 30'、和绿色LED 30"，每个LED测量为0.5×0.5 mm。红色LED具有54lm的发光通量、619 nm的峰值波长和18.8 nm的高斯FWHM。绿色LED具有209 lm的发光通量、556 nm的峰值波长和18.8 nm的高斯FWHM。蓝色LED具有14 lm的发光通量、468 nm的峰值波长和18.8 nm的高斯FWHM，使得这些LED的发光输出（当完全混合时）组合产生具有约5000 K色温的白光。尽管这个光学***在光混合棒的出光窗处产生了完美均匀的照度E（x，y），但是可以从图8看出，发光输出示出了对其强度的强烈的角度依赖性，这是由这个发光输出的各种光谱成分的空间分离引起的，其导致了其中明显的颜色伪像，这也通过评估作为由这个光学***发射的光束的相对强度的函数的色差Δu'v'来证实。

图9描绘了强度（y轴）作为发光输出的相同分量A和B的视角（x轴）的函数的曲线图，该发光输出利用根据本发明的示例实施例的光学***而生成，该光学***包括如在图8的详细描述中描述的空心光混合棒20和SSL元件布置，以及如在上面更详细描述的具有以Fermat螺旋配置的小透镜42、44的小透镜板40，其中p = 2000，c = 0.45，α = 33.5°，R = 1mm，v = 2.45 mm，ψ = 18.0°，以及n = 1.50。估计ψ*的值为10°，其导致L = 16 mm。可以看出，沿着与小透镜阵列的出光表面43重合的虚拟平面的正交轴，分量A和B现在是（几乎）不可区分的，即（几乎）独立于视角，同时强度分布是平滑的并且近似朗伯分布。当评估色差Δu'v'（Δu'v'作为由这个光学***发射的光束的相对强度的函数）时，对于这个光束，在从1到0.01的相对强度范围内不存在可见的颜色效应。

如根据前文将清晰的是，当增加小透镜板40的有效接收角ψ*时，光混合棒20的纵横比可以进一步减小。例如，在图9中描述的示例实施例中，通过将单独的小透镜对的积分角ψ增加到40.0°（在该情况下ψ*估计为20°），光混合棒20的长度（当不改变其最大直径时）可以减小到7.8 mm，这使用这样的空心光混合棒来证实：其中该空心光混合棒的长度减小到8.0 mm，其再次示出了这个光学***的发光输出中没有空间分离。

根据本发明实施例的这种光学***10例如可以在照明设备中使用，其中光学***10可以容纳在这种照明设备（例如聚光灯等）的壳体内。这种照明设备例如可以用于提供颜色可调的重点照明，例如诸如在零售环境中。

应当注意，上述提到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替代实施例而不脱离所附权利要求的范围。在权利要求中，放置在括号之间的任何附图标记不应当被解释为限制该权利要求。词语“包括”不排除权利要求中所列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件前面的词语“一”或“一个”不排除多个这种元件的存在。本发明可以借助于包括若干不同元件的硬件来实施。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的若干可以由同一个硬件项来体现。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施的纯粹事实不指示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (12)

1.一种光学***（10），包括：

光混合棒（20），具有长度为L的细长主体和直的侧壁，并且在具有最大入射截面w的入光窗（22）和具有最大出射截面d的相对的出光窗（24）之间延伸；

多个固态照明元件（30，30'，30"），被布置成穿过所述入光窗将它们相应的发光输出耦合到所述光混合棒中，所述相应的发光输出包括分别具有不同光谱成分的发光输出；和

小透镜板（40），具有接收角（ψ，ψ'），并且包括第一表面（41）和与所述第一表面相对的第二表面（43），所述第一表面（41）包括小透镜（42）的第一阵列，所述第二表面（43）包括小透镜（44）的第二阵列，所述第一阵列的每个小透镜与所述第二阵列的对应小透镜对准，

其中所述细长主体具有长度L，其中对于空心细长主体L ≥ (w+d)/2*tan(ψ)，并且对于由具有折射率n的材料制成的实心细长主体L ≥ (w+d)/2*tan(asin(sin(ψ)/n))，并且

其中所述小透镜板（40）由具有折射率n的材料制成，并且每个阵列的所述小透镜（42，44）限定了具有半径R的虚拟球体（142）的冠，所述冠具有位于所述阵列的虚拟平面（141，143）中的周界，所述周界限定了虚拟圆锥（146）的准线，所述虚拟圆锥（146）在所述虚拟球体的中心（144）处具有其顶点、并具有锥角α，其中：

并且其中所述小透镜板（40）的第一表面（41）接触所述出光窗（24）。

2.根据权利要求1所述的光学***（10），其中每个阵列中的所述小透镜（42，44）以Fermat螺旋图案布置。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的光学***（10），其中每个阵列由重叠的小透镜（42，44）组成。

4. 根据权利要求1-3中任一项所述的光学***（10），其中：

所述细长主体由选自光学透射聚合物或玻璃的光学透射材料制成；或者

所述细长主体是包括至少一个内表面（21）的空心主体，其中所述至少一个内表面是镜面反射的。

5.根据权利要求4所述的光学***（10），其中所述至少一个内表面（21）承载多个刻面或波纹（23）。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的光学***（10），其中以距离v来分离所述相应虚拟平面（141，143），其中：

。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的光学***（10），其中所述细长主体从所述入光窗（22）到所述出光窗（24）向外成锥形。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的光学***（10），其中所述细长主体具有正方形或六边形截面。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的光学***（10），其中所述多个固态照明元件（30，30'，30"）包括不同组的单独可寻址的固态照明元件，每组包括至少一个固态照明元件。

10.根据权利要求9所述的光学***（10），其中每组由生成具有相同光谱成分的发光输出的固态照明元件（30，30'，30"）组成。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的光学***（10），进一步包括光学耦合到所述小透镜板（40）的第二表面（43）的准直器（50），以准直所述小透镜板的发光输出。

12.一种照明设备，包括壳体，所述壳体包含权利要求1-11中任一项所述的光学***（10）。

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