光学元件和照明设备的制作方法

本公开涉及光学元件，其包括用于面向被定位在光学元件的光轴上的光源的第一表面装置，以及与第一表面装置相对的另外表面装置。本公开还涉及包括这种光学元件的照明设备。
背景技术：
：随着持续增长的人口，满足世界的能源需求、并且同时控制碳排放以抑制被认为导致全球变暖现象的温室气体排放变得越来越困难。这些担忧引起了朝向更高效的电力使用以试图减少能源消耗的驱动力。一个这种担忧领域是家用环境中的或商业环境中的照明应用。存在明显的趋势：用更能源高效的替代品来替代传统的、相对能源低效的灯泡，诸如白炽灯泡或荧光灯泡。事实上，在许多管辖范围，白炽灯泡的生产和零售已被取缔，以此迫使消费者例如在替代白炽灯泡时购买节能的备选品。特别有前景的备选品由固态照明(ssl)设备所提供，固态照明设备可以以白炽灯泡或荧光灯泡的能源成本的一部分来产生单位发光输出。这种ssl元件的示例是发光二极管(led)。与传统光源相比，这种ssl设备还受益于增加的稳健性，从而显著地增加其运作寿命。然而，针对用这种ssl设备来成功替代传统光源，需要被解决的主要挑战是：确保由这种ssl设备产生的发光输出具有所期望的分布，例如，确保发光输出类似于将被替代的传统光源的发光输出。例如，在所期望的发光分布是具有限定的光束角的聚光灯束的情况下，基于ssl元件的照明设备通常包括一个或多个光学元件，以使ssl元件的发光分布成形为这种聚光灯束。通常的方法是准直这种发光分布。通常的准直器设计包括由菲涅耳(fresnel)型棱镜包围的成像折射中心透镜部分，菲涅耳型棱镜通过全内反射准直较大光束角下的由ssl元件发射的光。尽管这种光学元件可以产生高度准直的光束，但是难以避免照明设备(诸如部署这种光学元件的灯泡)的发光输出中的伪影。具体地，由这种光学元件产生的光斑的中心可以包括诸如环和颜色分离问题的伪影，环和颜色分离问题由于光学元件的中心透镜部分对(延伸的)光源的成像而产生。这可以通过例如将微透镜阵列添加到光学元件的光出射表面来解决，但是这增加了光学元件的成本并且增加了其厚度，这两者都是不想要的。us2011/0216543a1公开了一种具有第一透镜部分和第二透镜部分的透镜构件，第一透镜部分将光折射成在垂直于透镜构件的中心轴的径向方向上向外出射，第二透镜部分将通过第一透镜部分出射的光全内反射。第一透镜部分具有被设置成面向光源的光入射表面、以及以透镜构件的中心轴为中心的并且倾斜的锥形光出射表面，使得锥形表面和光入射表面之间的距离随着离中心轴的距离在垂直于中心轴的径向方向上向外增加而增加。第二透镜部分具有内周表面和外周表面，内周表面接收来自第一透镜部分的光，外周表面在垂直于中心轴的径向方向上被定位于内周表面外部。外周表面将通过内周表面在远离第一透镜部分的方向上所接收的光与中心轴的延伸方向平行地全反射向第二透镜部分。这种透镜构件需要附加的光学元件来产生高度准直的光输出，这增加了光学装置的整体尺寸和成本。us2016/076739a1公开了一种聚光透镜，其包括底表面、顶表面以及耦合底表面和顶表面的、向外弯曲的侧表面。底表面限定接收室。接收室被配置成接收光源。接收室是柱状的，因此接收室的顶表面是平的。us2017/276302a1公开了一种用于影响从光源发射的光的光学元件，所述光学元件沿着纵轴延伸。光学元件包括背对光源的前侧和面向所述光源的后侧，多个类细胞的进光区域被设计在后侧上以便光进入，并且沿着平行于纵轴行进的直线以行的形式延伸。wo2013/174103a1公开了一种用于led投射灯的光学装置以及用于led光源的光混合的二次光学透镜。透镜总体包括折射准直部分、两个全反射部分、和用于光分布的发射表面、边缘凸缘以及用于装配的卡扣凸耳。wo2013/060528a1公开了一种用于线性光源的透镜，其包括背对光源的外表面和面向光源的内表面，其中，外表面是平面出射表面，并且内表面包括第一凸区域和关于第一凸区域对称的第二凹区域，其中，相应的第二凹区域具有微结构，通过微结构，来自光源的光被折射并且进一步被反射到出射表面。us2016/356452a1公开了一种用于灯具的细长多部分透镜装置，以用于影响由发光体发射的光，该透镜装置包括具有第一纵轴的第一细长光学元件和具有第二纵轴的至少一个第二细长光学元件，至少一个第二细长光学元件在光引导方向上被设置在第一光学元件的下游，并且与第一光学元件分离，其中至少第一光学元件具有沿着第一纵轴提供的、并且用于将来自发光体的光引入到透镜装置中的至少一个限定的光进入区域，并且其中为了透镜装置的光引导，第二光学元件与第一光学元件光学性地交互，以便于继续第一光学元件的光引导。技术实现要素：本公开寻求提供一种紧凑并且成本有效的光学元件，其产生经准直的发光输出，该经准直的发光输出在其中心具有改善的颜色均一性。本公开还寻求提供包括这种光学元件的照明设备。在第一方面，本公开提供了一种光学元件，其包括：第一表面装置，用于面向光源，所述光源被定位在所述光学元件的光轴上，所述第一表面装置包括中心在所述光轴上的凸中心区域和包围所述凸中心区域的第一另外区域；以及另外表面装置，与所述第一表面装置相对，所述另外表面装置包括相对于所述光轴倾斜的另外中心区域和包围所述中心区域的光出射区域，其中：所述凸中心区域被布置成将来自所述光源的入射光折射到所述另外中心区域上；所述另外中心区域被布置成将折射的所述光反射到所述第一另外区域上；以及所述第一另外区域被布置成将折射的所述光朝向所述光出射区域反射；其中，所述第一另外区域是相对于所述光轴倾斜的锥形区域；其中，所述第一表面装置还包括包围所述第一另外区域的第二另外区域，所述第二另外区域包括多个菲涅耳棱镜，所述菲涅耳棱镜中的每一个菲涅耳棱镜具有与反射表面部分相对的光进入表面部分，其中，所述光进入表面部分被布置成将来自所述光源的入射光折射到所述反射表面部分上，并且所述反射表面部分被布置成将折射的所述入射光反射到所述光出射区域上。在一些实施例中，所述凸中心区域被设置尺寸以捕获由所述光源发射的、与所述光轴成从0°至高达20°和51°之间的第一角度范围内的光，并且所述第二另外区域被设置尺寸以捕获由所述光源发射的、与所述光轴成高达90°的邻近所述第一角度范围的第二角度范围内的光。在一些实施例中，所述第一另外区域还被布置成将直接源自所述光源的光朝向所述光出射区域折射。在一些实施例中，光学元件还包括壁，所述壁包围所述第一表面装置和所述第二表面装置，并且延伸超出所述第一表面装置，以便于当所述壁被定位在表面上时，在所述第一表面装置下方形成空隙。在一些实施例中，所述壁被布置成吸收或散射来自所述光源的入射光。在一些实施例中，光学元件还包括在所述另外中心区域上的反射涂层。在一些实施例中，所述光出射区域是平面区域。在一些实施例中，光学元件还包括在所述光出射区域上的微透镜装置或纹理。在一些实施例中，所述光学元件是准直透镜。在一些实施例中，所述准直透镜被布置成产生与所述光轴成6°至36°之间的光束角。在一些实施例中，所述光学元件由光学级聚合物制成，所述光学级聚合物优选地从聚甲基丙烯酸甲酯、有机硅、聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯中选择，更优选地，其中，所述光学级聚合物是聚甲基丙烯酸甲酯或有机硅。在第二方面，提供了一种照明设备，其包括外壳和光源，所述外壳包括根据第一方面所述的光学元件，所述光源被放置在所述光学元件的所述光轴上，使得所述光源面向所述光学元件的所述第一表面装置。在一些实施例中，所述光源包括至少一个固态照明元件。根据一个实施例，提供了一种光学元件，其包括：用于面向光源的第一表面装置，光源被定位在光学元件的光轴上，所述第一表面装置包括中心在光轴上的凸中心区域以及包围凸中心区域的第一另外区域；以及与第一表面装置相对的另外表面装置，另外表面装置包括相对于光轴倾斜的另外中心区域以及包围另外中心区域的光出射区域，其中，凸中心区域被布置成将来自光源的入射光折射到另外中心区域上；另外中心区域被布置成将折射的所述光反射到第一另外区域上；并且第一另外区域被布置成将折射的所述光朝向光出射区域反射。本公开基于以下认识：由这种光学元件产生的发光输出的中心区域中的伪影可以通过以下来有效地抑制：将照明设备(例如，一个或多个ssl元件)的发光输出的中心部分从另外表面装置的中心区域(全内)反射到第一表面装置的与其中心区域邻近的另外区域上，并且进一步地将该反射光(全内)反射到光学元件的光出射表面上。以这种方式，在光学元件中提供了非成像的中心部分，使得光学元件的发光输出中的诸如颜色分离和光环的光学伪影被有效地抑制，而同时提供了可以以紧凑方式被提供的光学元件，并且可以使用诸如成型的常规的制造技术来制造光学元件，使得光学元件可以以成本有效的方式被制造。优选地，第一另外区域是相对于所述光轴倾斜的锥形区域，以便于利用光学元件产生高度准直的发光输出。在至少一些实施例中，光学元件的第一表面装置还包括包围第一另外区域的第二另外区域，第二另外区域包括多个(tir)菲涅耳棱镜，所述菲涅耳棱镜中的每一个菲涅耳棱镜具有与(全内)反射表面部分相对的光进入表面部分，其中，光进入表面部分被布置成将来自光源的入射光折射到反射表面部分上，并且反射表面部分被布置成将折射的所述入射光反射到光出射区域上。光学元件的非成像中心部分和由这种菲涅耳棱镜形成的外部区域的组合得到了特别紧凑的光学元件，该光学元件能够产生高度准直的发光输出，该发光输出在其中心区域中基本上无光学伪影。在一些实施例中，凸中心区域被设置尺寸以捕获由所述光源发射的、与光轴成从0°至高达20°和51°之间的第一角度范围内的光，并且第二另外区域被设置尺寸以捕获由所述光源发射的、与光轴成高达90°的邻近第一角度范围的第二角度范围内的光。如技术人员将容易理解的，第一角度范围和第二角度范围将由凸中心区域的截面尺寸(直径)以及用于光学元件的材料的折射率来确定。在一些实施例中，第一另外区域还被布置为将直接源自光源的光朝向光出射区域折射。由第一另外区域折射的光的部分通常不有助于光学元件的经准直的发光输出，但是可以有助于该经准直的发光输出的颜色均一性，而不显著地危害光学元件的整体性能。光学元件还可以包括壁，壁包围第一表面装置和第二表面装置，并且延伸超出第一表面装置并且还可选地超出第二表面装置，以便于当壁被定位在表面上时，在第一表面装置下方形成空隙。这种壁例如可以帮助相对于光源正确地定位光学元件，即将光学元件定位在离光源的正确距离处，以便于实现光学元件的发光输出的所期望的准直。这种壁可以被布置成吸收或散射来自光源的入射光，以便于防止这种杂散光从光学元件出射并且结果危害光学元件的光学性能。为了改善另外中心区域的反射性质，另外中心区域还可以包括反射涂层。光学元件的光出射区域可以是平面区域，以便于实现特别紧凑的光学元件。然而，光出射区域也可以是弯曲的。备选地，光出射区域还可以包括微透镜装置或表面纹理，以进一步帮助抑制光学元件的发光输出中的光学伪影。在优选实施例中，光学元件是准直透镜，其优选地被布置为产生与光轴成6°至36°之间的光束角，优选地与光轴成8°至12°之间的光束角。优选实施例中的光学元件由光学级聚合物制成，光学级聚合物诸如为例如聚甲基丙烯酸甲酯、有机硅、聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯，优选聚甲基丙烯酸甲酯或有机硅，但是可以考虑其他聚合物。光学元件优选地由可以使用诸如注射成型的成型技术来形成的材料制成。根据另一方面，提供了一种照明设备，其包括外壳和光源，外壳包括本文所描述的实施例中的任何实施例的光学元件，光源被放置在光学元件的光轴上，使得光源面向光学元件的第一表面装置。优选地，光源包括至少一个固态照明元件。这种照明设备(例如灯泡等)能够产生经准直的发光输出(诸如光斑)，该发光输出(诸如光斑)在其中心区域中基本上无光学伪影，从而改善这种光斑例如在被投射到表面上时的美学质量。附图说明参照附图，通过非限制性示例的方式并且更详细地描述本公开的实施例，其中：图1示意性地描绘了根据一个实施例的光学元件的截面视图；图2示意性地描绘了包括图1的光学元件的照明设备的截面视图，以及其光学性能；图3描绘了用图2的照明设备产生的、如由离照明设备1m距离处的接收器接收的光斑的图像；图4描绘了用图2的照明设备产生的、如由远场接收器接收的光斑的图像；图5是将根据一个实施例的光学元件的中心部分的光学性能与直接照亮的折射中心透镜的光学性能进行比较的曲线图；图6示意性地描绘了包括根据另一实施例的光学元件的照明设备的截面视图；以及图7示意性地描绘了根据又一实施例的光学元件的截面视图。具体实施方式应当理解，附图仅是示意性的并且未按比例绘制。还应当理解，贯穿附图使用了相同的附图标记来指示相同的或相似的部分。图1示意性地描绘了根据本公开的一个实施例的光学元件10。例如，光学元件10可以是将与诸如灯泡的照明设备中的光源结合使用的准直透镜。图2示意性地描绘了这种照明设备1的截面视图，其中，光学元件10被定位在承载光源50的载体60之上，光源50优选地是固态照明元件或多个这种元件，例如一个或多个led。任何合适的载体60可以被用于此目的。在一个实施例中，载体60可以由诸如金属或金属合金的热传导材料制成，使得通过非限制性示例的方式，载体60可以充当用于光源50的散热器。例如，具有与载体60分离的散热器或者具有仅其一部分(即光源50安装到其上的部分)充当这种散热器的载体60同样是可行的。如下文将进一步详细解释的，图2还描绘了根据本公开的至少一些实施例的光学元件10的光学原理。光学元件10可以由诸如玻璃或光学级聚合物的任何合适的材料制成。光学级聚合物是特别优选的，因为它们便于光学元件10的简单直接的制造，例如使用诸如注射成型的成型技术。这种光学级聚合物的示例包括pmma、pc、pet和有机硅，但是这种光学级聚合物的其他示例对于技术人员来说将是立即显而易见的。pmma由于其硬度和耐刮擦性以及其合适的折射率而被特别提及，而有机硅提供了可比较的备选聚合物材料。光学元件10可以围绕其光轴15旋转对称，在这种情况下，在照明设备1中，光源50通常被定位在光轴15上。光学元件10包括第一表面装置20，当光学元件10相对于光源50被正确定位时，第一表面装置20充当光学元件10的光进入表面装置，即面向光源50的光发射表面。光学元件10还包括与第一表面装置20相对的第二表面装置30，第二表面装置30的至少一部分充当光学元件10的光出射表面。第一表面装置20包括中心在光轴15上的凸中心区域21。凸中心区域21由第一另外区域23包围，第一另外区域23包围凸中心区域21。第一另外区域23可以具有锥形形状，并且可以是凸中心区域21的延伸，即在凸中心区域21和第一另外区域23之间不一定存在不连续性。在一个示例实施例中，凸中心区域21和周围的第一另外区域23组合以形成第一表面装置20的锥形区段，该锥形区段可以具有接近于抛物线的截面形状。在至少一些实施例中，第一表面装置20还包括包围第一另外区域23的、由多个菲涅耳棱镜25组成的第二另外区域，菲涅耳棱镜25具有与全内反射表面27相对的光进入表面26，使得通过光进入表面26进入菲涅耳棱镜25的光被折射到全内反射表面27上，在全内反射表面27处，所折射的光朝向第二表面装置30的光出射表面区域33被全内反射。第二表面装置30的光出射表面区域33包围第二表面装置30的另外中心区域31。仅以非限制性示例的方式，光出射表面区域33被示出为平面区域。虽然如果照明设备1的另外的元件(例如，保护性玻璃板等)将被定位在光出射表面区域33上，则这种平面区域可以是优选的，但是应当理解，备选地，光出射表面区域33可以是弯曲的。另外中心区域31相对于光学元件10的光轴15倾斜，并且可以限定第二表面装置30的锥形表面部分。另外中心区域31可以通过垂直侧壁32连接到第二表面装置30的光出射表面区域33。备选地，倾斜的另外中心区域31可以在光出射表面区域33处终止。此外，如技术人员将理解的，侧壁32不一定是垂直的。如图2中可以更清楚看到的，由光源50发射的、入射在第一表面装置20的凸中心区域21上的光通过第一表面装置20的该表面部分被折射(即准直)到第二表面装置30的另外中心区域31上。另外中心区域31充当该折射光的全内反射表面，使得该光朝向第一表面装置20的第一另外区域23反射回去。转而，第一表面装置20的第一另外区域23充当由另外中心区域31所反射的该光的全内反射表面，使得该光通过全内反射朝向第二表面装置30的光出射表面区域33而被重新导向。如技术人员将容易理解的，倾斜的另外中心区域31相对于光轴15的倾斜角度被选择，使得如上文所解释的，由凸中心区域21从光源50接收的、并且被投射到倾斜的另外中心区域31上的光被重新导向到第一另外区域23上。这引起了从光学元件10发出的、被标记为51的光线组。为了增加另外中心区域31的反射性，该表面区域可以承载诸如反射箔、白色涂料等的反射涂层，以减少由照明设备1产生的发光输出的中心区域中的光损失，即进入第一表面装置20的凸中心区域21、并且随后分别由另外中心区域31和第一另外区域23朝向光学元件10的光出射表面区域33全内反射的发光输出的部分中的光损失。通过以这种方式将照明设备1的发光输出(例如光斑)的中心部分重新导向，因为该发光输出的中心部分不是由光学元件10的中心区域直接成像，所以中心部分中的诸如光环或颜色分离的光学伪影的形成基本上被抑制。在一个实施例中，第一表面装置20的凸中心区域21可以被布置成接收由光源50发射的、与光轴15成0°直到上限值的角度下的光线，上限值的范围从20°到51°，其中如先前提及的，由光源50发射的更大角度下的光线通过第一表面装置20的由菲涅耳棱镜25组成的第二另外区域来接收，这引起了如图2所示意性描绘的、由光学元件10产生的光束的准直部分53的形成。在一些实施例中，第一表面装置20的中心部分被成形为使得在光源50被定位在光轴15上时，第一另外区域23不直接接收来自光源50的光。然而，在一些备选实施例中，由光源50发射的在特定角度下的一些光可以直接入射在第一另外区域23上，光的这部分通过第一另外区域23朝向第二表面装置30的光出射表面区域33被折射，引起用光学元件10产生的光束的部分52。虽然部分52通常是未经准直的，并且因此不有助于光源50的发光输出的准直，但是已经发现部分52帮助抑制用光学元件10产生的光束的中心部分中的光学伪影并且特别是颜色分离伪影。这种光束可以具有任何合适的光束角，例如，相对于光学元件10的光轴15的范围从6°至36°的光束角，但是，应当理解，在使用折射中心透镜部分来准直时，特别是高度准直的光束(例如范围从6°至12°的光束)经受中心光学伪影，使得与用于这种高度准直光束的这种现有技术透镜相比，光学元件10显示特别优秀的伪影抑制。如图2示意性描绘的，光学元件10还可以包括侧壁40，侧壁40超出第一表面装置20并且优选地也超出第二表面装置30而延伸。图6中单独示出了包括这种侧壁40的光学元件10。侧壁40可以被设置尺寸，使得在与载体6接合时，光学元件10的第一表面装置20具有如通过图2中的双箭头所指示的空隙41所限定的、离光源50的最佳(即预期)距离。侧壁40可以与光学元件10集成，即可以由与光学元件10的其余部分相同的材料制成。侧壁40可以吸收或散射来自光源50的入射在侧壁40上的光，以便于避免杂散光从包括这种光学元件10的照明设备1出射，以及避免诸如由这种照明设备1产生的光束的准直和清晰度的光学性能的退化。在一个示例实施例中，光学元件10的凸中心区域21被布置成接收由光源50发射的、与光轴15成高达26°的角度下的光束，而菲涅耳棱镜25被布置成接收由光源50发射的、与光轴15成从26°至72°的角度下的光束。由光源50发射的在更大角度下的光束由侧壁40散射或吸收。应当理解，前述光束角范围仅是以非限制性示例的方式，并且可以由技术人员简单直接地调整以调整光学元件10的光学性能。图3是由这种照明设备1产生的、如由离照明设备1m距离处的接收器接收的光束的图像，以及图4是如由远场中的接收器接收的该光束的图像。如从这些图像可以看出的，在1m处以及在远场中，所产生的光斑在其中心区域都具有极好的亮度和均匀性，其中由于光学元件10的中心部分的设计，所产生的光斑的中心部分中发生最小的颜色分离。与消球差透镜相比，在光斑的中心区域中实现了好得多的颜色均匀性。这在图5中示出，图5示出了在没有添加任何颜色混合元件的情况下，针对这种消球差透镜(曲线a)和根据本公开的光学元件10(曲线b)，作为光束角(以°为单位、x轴)的函数的颜色构成(以du’v’为单位、y轴)。从平坦得多的曲线b可以立刻看出，与具有折射中心区域的这种消球差透镜相比，少得多的颜色随角度分离发生在根据本公开的实施例的光学元件10中。在表1中，将消球差透镜的光学性能与光学元件10的光学性能进行比较，在消球差透镜中，本公开的实施例的光学元件10的中心区域由非球面折射透镜替代。针对两种光学元件，相同的光源50(nichiaz系列les7)被用来便于两种光学元件之间的对等比较。表1现有技术的透镜光学元件10透镜尺寸(mm)φ60*12.50φ60*12.28透镜体积(mm3)23724.4521507.70光束角(°)9.19.1效率(％)8282.5imax(cd/klm)2771927329du’v’(参考)0.0050.0035如从表1可以看出的，消球差透镜产生在其中心区域中具有稍微更高的峰值强度(imax)的光斑，但是这是以较差的颜色分离特性为代价的。为了解决这种伪影，消球差透镜通常需要附加的微透镜阵列等，这在这种附加的微透镜阵列的附加成本和尺寸下，将imax减少至与光学元件10可比较的值。与消球差透镜相比，光学元件10还改善了效率。此外，光学元件10具有小约10％的体积(即透镜材料)，反映在与现有技术消球差透镜相比的光学元件10的减少的成本。因此，如上所解释的，根据本公开的实施例的光学元件10能够产生高度准直的光束，在这种光束的中心区域中具有极好的均一性，而不需要附加的光学元件来补偿光学伪影。然而，应当理解，在不脱离本公开的教导的情况下，这种另外的光学措施可以被包括在光学元件10的设计中，以进一步增强其光学性能。例如，如图7所示意性描绘的，光学元件10还可以包括在第二表面装置30的光出射表面区域33上的微透镜装置35。备选地，第二表面装置30的光出射表面区域33可以被纹理化，以改善通过光出射表面区域33从光学元件10出射的光的颜色混合。根据本公开的实施例的照明设备1可以是任何合适类型的照明设备，例如，任何尺寸合适的灯泡或灯具。因为由这种照明设备1产生的极好的颜色均一性，所以令人感兴趣的应用领域是产生用于行人的光效果的灯具或产生向后投射的光效果(例如被投射在墙或类似物上的光效果)的灯具。当然，照明设备1不限制于这种特定应用领域，并且可以被用在任何合适的应用领域中，例如家用照明、办公室照明、装饰照明等。应当注意，上述实施例说明而不是限制本公开，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许多备选实施例。在权利要求中，置于括号之间的任何参考符号不应当被解释为限制权利要求。词“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。在元件前面的词“一”(“a”)或“一个”(“an”)不排除多个这种元件的存在。本公开可以借助于包括若干不同元件的硬件来实现。在枚举若干组件的设备权利要求中，这些组件中的若干组件可以通过同一硬件项来体现。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实，不指示这些措施的组合不能被有利地使用。当前第1页1 2 3