用于led灯的光学准直器的制造方法
【专利摘要】提供一种用于LED灯(5)的灯具(1)和准直光学器件(2)。准直光学器件(2)包括反射准直器(3)，反射准直器具有用于允许来自LED灯(5)的入射光进入准直器(3)的第一孔径(7)和用于允许出射光离开准直器(3)的第二孔径(9)。反射准直器(3)进一步具有含有反射内表面的壁(15)，用于引导来自第一孔径(7)的入射光指向第二孔径(9)。第一凸透镜(11)布置在距离第一孔径(7)一定距离处以折射入射光，第二凸透镜(13)布置在第二孔径(9)用于折射和准直出射光。利用公开的准直光学器件，准直性能会提高，而光学器件的尺寸不会增加。
【专利说明】用于LED灯的光学准直器
【技术领域】
[0001]本发明整体涉及光准直领域。特别地，本发明涉及用于发光二极管(LED)灯的准直光学器件。
【背景技术】
[0002]用LED代替卤素聚光灯具是一个新兴市场。用LED代替卤素灯极具挑战性，因为卤素灯和LED具有不同特性。更具体地，卤素灯和LED之间的差异是，与卤素灯相比较，LED具有有限的光通量输出。为了使LED聚光灯在特定光束角度具有与卤素聚光灯相同最大强度，因此LED聚光灯的光学器件需要每单位通量提供更高强度的光束中心，从而补偿有限的光通量输出。每单位通量光束中心强度通常被称为每流明值的中心光束烛光功率(CBCP)，或简单地 Cd/Im 或 CBCP/Im。
[0003]鉴于以上，LED聚光器件的挑战在于在十分有限空间中设计紧凑且高效的光学器件从而获得对于特定光束角度更高的CBCP/lm值。
[0004]LED聚光器件通常包括全内反射准直器(TIR)，具有用于接收LED的开孔，和布置在距离接收LED的开孔一定距离处的中央凸透镜。然而，该布置很难准直和再分配穿过中央凸透镜的光，因为透镜定位得太接近尺寸可忽略的LED灯具。由于中央凸透镜的限制，输出光束的光强度分布产生不期望的重尾(heavy tail)，因而很难获得在特定半高全宽(FffHM)的光束角度具有高CBCP/lm值的特定光束图形。FWHM光束角度由光强度是光束中心光强度一半的、相对于光束中心的角度所限定。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服或至少缓解以上所述的问题，并提供准直光学器件和具有改进的每流明CBCP的灯具。特别地，本发明的目的是提供在不增加光学器件尺寸的情况下具有改良准直能力的准直光学器件和灯具。
[0006]根据本发明的第一方面，通过用于发光二极管即LED灯的准直光学器件实现该目的和其他目的，其包括:具有用于接收LED灯和允许来自LED灯的入射光进入准直器的第一孔径与允许出射光离开准直器的第二孔径的反射准直器，反射准直器进一步具有从第一孔径延伸到第二孔径的壁元件和用于引导来自第一孔径的入射光朝着第二孔径的内反射面；布置在距离第一孔径一定距离处用于折射入射光的第一凸透镜；以及布置在第二孔径处用于折射出射光以便于准直出射光的第二凸透镜。
[0007]优选地，第一凸透镜布置在距离第一孔径一定距离处，以至于第一凸透镜布置在第一孔径和第二孔径之间。通过提供在第二孔径的第二凸透镜，已经由第一凸透镜折射的光束进一步由第二凸透镜折射和准直。因而，尽管准直光学器件的尺寸并未增加，但是准直光学器件的准直能力得到提高。特别地，对于固定通量值，由于第二凸透镜再分配光，以至于与没有第二凸透镜的情况相比较，光强度分布更集中于光束中心，最大强度值增加。在增加最大强度值同时，FWHM光束角度基本保持相同。换句话说，每流明CBCP性能得到提高。因此，如果CBCP保持与之前相同，可以使用更少的LED灯，即更低通量。可替换地，在使用相同数量的LED灯时，可以实现更高的CBCP值。
[0008]第一凸透镜和第二凸透镜可以是菲涅耳透镜，每个透镜具有多个刻面。刻面有时被称为菲涅耳带。如果使用简单的凸透镜，那么在由准直光学器件引起的照明斑可以看到LED管芯的形状的成像。然而，如果使用菲涅耳透镜，情况则不如此，因为菲涅耳透镜以交错的方式重新分布光。更具体地，随着光线束穿过第一凸透镜和第二凸透镜且由第一凸透镜和第二凸透镜折射，入射到第一凸透镜的一束光线中的光线的相互顺序改变。因此，由准直光学器件引起的照明斑的视觉一致性提高。
[0009]视觉一致性随着菲涅耳透镜的刻面数量增加而增加。在一个实施例中，第一凸透镜和/或第二凸透镜的刻面数量是3、4、或5。
[0010]准直光学器件可以进一步包括覆盖至少一部分第二孔径的面板。第二凸透镜可以布置在面板上。有利的是，这提供便捷且灵活的方式来布置第二凸透镜。进一步，第二凸透镜容易与现有的准直光学器件合并。例如，第二凸透镜可以布置在面板的凹陷中。可替换地，第二凸透镜可以布置在面板的外表面上。又可替换地，第二凸透镜可以布置在面板的内表面。
[0011]优选地，第一凸透镜的光轴和第二凸透镜的光轴都与准直光学器件的光轴对齐，反射准直器的光轴从第一孔径朝着第二孔径延伸。这可以在透镜被布置为充分横向于反射准直器的光轴的情况下实现。有利的是，准直光学器件是对称的，因此准直光束是各向同性的。
[0012]反射准直器的壁元件可以进一步包括具有第一孔径的第一部分和具有第二孔径的第二部分，其中壁元件的第一部分布置为发散入射到第一部分的入射光，以便于引导入射光远离第二凸透镜，其中壁元件的第二部分布置为准直入射光。这在第二凸透镜的直径大于反射准直器的底部直径的情况下特别有利。在这种情况下，由反射准直器反射以朝着第二孔径引导的相当大部分的光线可能被第二凸透镜所阻挡，导致光效率损耗和CBCP值损耗。利用以上布置，可以避免第二凸透镜阻挡光线，因此效率和CBCP值均提高。
[0013]根据本发明的第二方面，通过包括至少一个根据第一方面的准直光学器件的灯具、和至少一个发光二极管LED可以实现该目标和其他目标，其中LED布置为通过至少一个准直光学器件中的一个准直光学器件的第一孔径发射光。
[0014]灯具的每个LED可以具有相对应的准直光学器件。进一步，每个LED可以布置为通过其相对应的准直光学器件的第一孔径发射光。有利的是，通过具有几个LED而增加光通量，以及来自每个LED的光单独地准直以获得提高的每个LED的CBCP值。
[0015]灯具可以包括布置为通过共同准直光学器件的第一孔径发射光的至少两个LED。通过具有至少两个LED共享共同准直光学器件，灯具可以制造得更紧凑。
[0016]根据本发明的第三方面，通过确定根据第一目的的准直光学器件的参数的方法可以实现该目的和其他目的，参数与第一凸透镜和第二凸透镜的形状以及反射准直器的壁元件的形状相关，该方法包括:基于准直光学器件的理论模型确定参数的起始值、利用确定的起始值作为初始值优化关于准直光学器件的参数的优值函数，其中优值函数包括与期望半高全宽FWHM的光束角度相关的第一目标函数和与来自准直光学器件的光束输出中心的最大光强度相关的第二目标函数。[0017]优值函数可以进一步包括与期望光束形状相关的第三目标函数。
[0018]壁元件的形状可以进一步通过具有一组相对应的贝塞尔参数的一组贝塞尔曲线建模，其中准直光学器件的参数包括第一凸透镜的曲率半径、第二凸透镜的曲率半径、和该组贝塞尔参数。
[0019]第一方面的优势和特征一般适于第二方面和第三方面。
[0020]注意的是，本发明涉及权利要求中引述的特征的所有可能组合。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]现在将参考示出本发明的实施例的相关附图更详细地描述本发明的这些和其他方面。
[0022]图1到图2是包括根据实施例的准直光学器件的灯具的横截面视图。
[0023]图3a到图3b和图4a到图4b示出根据实施例的灯具的光束路径和相对应的照明斑。
[0024]图5a到图5b示出根据实施例的灯具的光束路径。
[0025]图6a是根据实施例的灯具的横截面视图。
[0026]图6b是图6a的灯具的顶部平面视图。
[0027]图7是根据实施例的灯具的横截面视图。
[0028]图8是作为视角函数的归一化强度分布的图形。
[0029]图9是根据实施例的方法的流程图。
[0030]如图中所示，为了说明的目的，放大层和区域的尺寸，因此用于示出本发明的实施例的一般结构。相似的参考数字贯穿全文指代相似的元件。
【具体实施方式】
[0031]下文中将参考附图更全面地描述本发明，其中示出本发明的当前优选的实施例。然而，本发明可以实施成许多不同形式，且不应当解释为限于本文中所阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了透彻和完整，以及将本发明的保护范围全面地传递给本领域的普通技术人员。
[0032]图1示出包括准直光学器件2和LED灯5的灯具100。准直光学器件2包括反射准直器3，例如全内反射准直器。反射准直器3具有第一孔径或开口 7，用于接收LED灯5和允许来自LED灯5的入射光进入准直器3。进一步，反射准直器3具有第二孔径或开口 9，用于允许出射光离开反射准直器3。第二孔径9的尺寸(直径)通常大于第一孔径7的尺寸。反射准直器3进一步具有从第一孔径7延伸到第二孔径9的壁元件15。壁元件15的内表面是反射的，以便于引导来自第一孔径7的入射光朝着第二孔径9，因而形成全内反射准直器。
[0033]反射准直器3可以是关于反射准直器3的光轴A旋转对称的，光轴沿着从第一孔径7的中心朝着第二孔径9的中心的方向延伸。这里，反射准直器3具有一般杯形形式，第一孔径7定位在杯底部的中心，第二孔径9对应于杯的顶部开口。
[0034]具有直径D1的第一凸透镜11布置在距离第一孔径7的距离S1处。距离S1可以近似等于或接近第一凸透镜11的焦距。第一凸透镜11具有曲率半径IV所示第一凸透镜11是平凸透镜。平凸透镜的平面朝向远离第一孔径7。在某些情况中，第一凸透镜可以是圆锥凸透镜。进一步，其他非球面透镜结构可以用于代替第一凸透镜11的球面。
[0035]优选地，第一凸透镜11的光轴对应于反射准直器3的光轴A。如果是这样，那么第一凸透镜11视为布置为横向于光轴A。
[0036]第一凸透镜11可以一般经由支承装置19连接至反射准直器3或由反射准直器3支承。支承装置19可以是反射准直器3的组成部分。例如，第一凸透镜11可以通过支承装置19连接至反射准直器3，支承装置19附接于反射准直器3和布置为支承第一凸透镜11距离第一孔径7 —定距离。在所示示例中，支承装置19是通过作为反射准直器3的部件的内壁元件19实现，内壁元件19从第一孔径7朝着第二孔径9的方向延伸。内壁元件19的上端限定开口定位在距离第一孔径7距离S1处。开口可以接收和支承第一凸透镜11。在可替换的实施例中，支承装置19可以包括布置在反射准直器3中且适用于支承第一凸透镜11的框架。可替换地，第一凸透镜11可以通过杆连接至反射准直器3。
[0037]具有直径D2的第二凸透镜13布置在第二孔径9、距离第一孔径7的距离S2处。更准确地说，布置第二凸透镜13以覆盖至少部分第二孔径9。第二凸透镜13具有曲率半径r2。所示第二凸透镜13是平凸透镜。平凸透镜的平面面向第二孔径9。在某些情况中，第二凸透镜13可以是圆锥凸透镜。进一步，其他非球面透镜结构可以用于替代第二凸透镜13的球面。第二凸透镜13通常具有与第一凸透镜11相同的折射率η。
[0038]优选地，第二凸透镜13的光轴对应于反射准直器3的光轴Α。如果这样，第一凸透镜视为布置为横向于光轴Α。
[0039]关于如何将第二凸透镜13布置在第二孔径9存在许多可能的可替换方式。在所示实施例中，准直光学器件2包括面板17。一般地，面板17可以覆盖至少部分第二孔径9。此处，面板17覆盖整个第二孔径9。面板17是优选地由半透明材料制成。面板17适用于支承第二凸透镜13。更准确地说，面板17可以包括凹口 21，其优选地以光轴A为中心，并且其中可以布置第二凸透镜13。或者，第二凸透镜13可以布置在面板17顶部。可替换地，面板17可以包括以光轴A为中心的孔，其中可以布置第二凸透镜13。
[0040]在其他实施例中，第二凸透镜13不是由面板17支持或支承的。例如，第二凸透镜13可以由附接于反射准直器3的框架支撑或通过从反射准直器3延伸的杆支承。
[0041]直径D1和D2与曲率半径rι和r2可以改变，使得获得规定的光束角度和期望的光束图形。更准确地说，直径01和％以及特别地曲率半径!^和^可以根据优化过程确定，现在将参考图9的流程图进行描述该优化过程。
[0042]在优化过程的第一步骤S100，确定直径D1和D2与曲率半径A和r2的起始值。例如，可以基于以点源模型和近轴条件为基础的理论计算来计算起始值。更准确地说，可以根据下列方程式确定起始值:
【权利要求】
1.一种用于发光二极管灯(5)即LED灯的准直光学器件(2)，包括: 反射准直器(3)，其具有用于接收LED灯(5)和用于允许来自所述LED灯的入射光进入所述准直器(3)的第一孔径(7)、以及用于允许出射光离开所述准直器(3)的第二孔径(9)，所述反射准直器(3)进一步具有从所述第一孔径(7)延伸到所述第二孔径(9)的壁元件(15)和具有用于将来自所述第一孔径(7)的入射光引导向所述第二孔径(9)的内反射面， 第一凸透镜(11)，布置在距离所述第一孔径(7) —定距离处用于折射所述入射光，和 第二凸透镜(13)，布置在所述第二孔径(9)处用于折射所述出射光，以便于准直所述出射光。
2.根据权利要求1所述的准直光学器件，其中所述第一凸透镜和所述第二凸透镜都是菲涅耳透镜，每个菲涅耳透镜具有多个刻面。
3.根据权利要求2所述的准直光学器件，其中所述第一凸透镜和第二凸透镜的刻面数量不同。
4.根据权利要求3所述的准直光学器件，其中所述第一凸透镜和/所述第二凸透镜的刻面数量是3、4或5。
5.根据权利要求1所述的准直光学器件，进一步包括: 覆盖至少一部分所述第二孔径的面板，其中所述第二凸透镜布置在所述面板处。
6.根据权利要求5所述的准直光学器件，其中所述第二凸透镜布置在所述面板的凹口中。
7.根据权利要求5所述的准直光学器件，其中所述第二凸透镜布置在所述面板的外表面上。
8.根据权利要求1所述的准直光学器件，其中所述第一凸透镜的光轴和第二凸透镜的光轴都与所述反射准直器的光轴对齐，所述反射准直器的所述光轴从所述第一孔径向所述第二孔径延伸。
9.根据权利要求1所述的准直光学器件，其中所述壁元件包括具有所述第一孔径的第一部分和具有所述第二孔径的第二部分，其中所述壁元件的第一部分布置为发散入射到所述第一部分上的入射光，以便于引导所述入射光远离所述第二凸透镜，以及其中所述壁元件的所述第二部分布置为准直入射光。
10.一种灯具(100)，包括: 至少一个根据权利要求1所述的准直光学器件(2)，和 至少一个发光二极管(5)即LED，布置为通过所述至少一个准直光学器件(2)中的一个准直光学器件的所述第一孔径(7)发射光。
11.根据权利要求(10)所述的灯具，其中所述至少一个LED的每个LED(5)具有相对应的准直光学器件，并且其中每个LED布置为通过其相对应的准直光学器件的所述第一孔径发射光。
12.根据权利要求(10)所述的灯具，包括至少两个LED，布置为通过公共准直光学器件的所述第一孔径发射光。
13.一种用于确定权利要求1的所述准直光学器件(2)的参数的方法，所述参数与所述第一凸透镜(11)和第二凸透镜(13)的形状、以及与所述反射准直器(13)的壁元件(15)的形状相关联，所述方法包括: 基于所述准直光学器件(2)的理论模型确定所述参数的起始值(S100)， 利用所述确定的起始值作为初始值优化关于所述准直光学器件(2)的参数的优值函数(S102)，其中所述优值函数包括与期望半高全宽即FWHM的光束角度相关的第一目标函数和与来自所述准直光学器件(1)的光束输出中心的最大光强度相关的第二目标函数。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述优值函数进一步包括与期望光束轮廓相关的第三目标函数。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述壁元件的形状通过具有相对应的一组贝塞尔参数的一组贝塞尔曲线进行建模，以及其中所述准直光学器件的参数包括所述第一凸透镜的曲率半径、所述第二凸透镜的曲率半径和所述一组贝塞尔参数。
【文档编号】F21V5/04GK103988110SQ201280061479
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年12月4日 优先权日:2011年12月13日
【发明者】孙理伟, 李昀, 孙延萌, 程莉 申请人:皇家飞利浦有限公司