用于多个led的光学元件、以及用于光发射的安排的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于影响多个LED(1)所发射的光的光学元件，该光学元件具有用于光入射的光入射区域(2)、以及位于该光入射区域(2)对面并且用于光出射的光出射区域(3)。另外，本发明涉及一种包括这种光学元件和这些LED(1)的用于光发射的安排。该光学元件的形状限定了既穿过该光入射区域(2)又穿过该光出射区域(3)的轴线(A)；该光出射区域(3)被环状凹陷(4)细分成中央中间区域(31)以及围绕该中间区域(31)安排的边缘区域(32)。该光入射区域(2)和该光出射区域(3)被成形为使得在从沿着该轴线(A)的方向观看时，它们具有n重旋转对称，其中，n是大于2的自然数。这种设计使得这些LED(1)能够被安排成使得恰好这些LED(1)中的一者被分配给所形成的n个旋转对称区域中的每个区域。这种分配使得可以实现该安排的发射特性的特别好的可控性。
【专利说明】用于多个LED的光学元件、以及用于光发射的安排
[0001]本发明涉及一种用于影响多个LED(LED:发光二极管)所发射的光的光学元件，并且涉及一种具有这种光学元件和相应LED的用于光发射的安排。
[0002]现有技术披露了具有切口的这种光学元件，来自LED的光通过该切口照射进来;该光学元件在相反侧具有光出射区域。在实践中，已经证明了将光学元件和相应LED安排成使得可靠地实现具有预先指定的准确度的期望发射特性是有问题的且复杂的。
[0003]本发明基于详细说明改善的光学元件和相应的改善的安排的目的。具体地，目的是获得可以特别好地受到控制的可靠发射特性和整体紧凑的设计。
[0004]这个目的根据本发明是通过从属权利要求中所述的主题来实现的。从属权利要求中详细说明了本发明的特殊类型的实施例。
[0005]根据本发明，提供了一种用于影响多个LED所发射的光的光学元件，该光学元件具有用于光入射的光入射区域以及还有位于该光入射区域对面、用于光出射的光出射区域。该光学元件的形状限定了既延伸穿过光入射区域又延伸穿过光出射区域的轴线;该光出射区域被细分成中央中间区域和通过环形空腔围绕该中间区域安排的边缘区域。该光入射区域和该光出射区域被成形为使得它们在沿着该轴线的方向上具有η重旋转对称，其中，η是大于2的自然数。
[0006]关于这种设计可以将这些LED安排为使得这η个形成的旋转对称区域中的每一个区域正好被分配给这些LED中的一者。通过这种分配，可以达到这种安排的发射特性的特别好的可控性。
[0007]η优选地具有在3与10之间、特别是在3与6之间的值。据此，可以使用该光学元件获得特别均匀的光发射。
[0008]当相对于该轴线以直角观看时，中间区域优选地呈一级近似的弓形形式。结果是，可以引起光学元件的有利的透镜效果。
[0009]从光技术观点讲，这种设计是有利的，使得在沿着轴线的投影下观看时，中间区域完全地覆盖光入射区域。
[0010]优选地，在该光入射区域与该光出射区域之间形成了针对光线的全内反射设计的反射表面区域。据此，可以达到该安排的特别高的效率。
[0011]光入射区域优选地由切口形成。以此方式，可以实现的是，LED所发射的光的特别大的一部分射入光学元件。该切口优选地具有底部区域和侧壁区域;具体地，该切口可以有利地由底部区域和侧壁区域形成。
[0012]如果反射表面区域是针对经由该侧壁区域进入该光学元件的光线的全内反射而设计的，在此可以实现特别好的光导向。该光学元件另外有利地被配置成使得经由该底部区域进入该光学元件的另外的光线经由该中间区域射出该光学元件。
[0013]该光学元件优选地被配置成注塑成型零件的形式。这允许在有成本效益的制造选项中特别适合地配置该光学元件的形式。
[0014]光出射区域优选地具有多个结构元件，这些结构元件具有凸形形状。据此，可以相对于制造工程学特别合适地有利地影响发射特性。
[0015]这些结构元件优选地是一段球体的形式。在将彼此连接起来观看时，这些结构元件具体地可以具有线结构或交叉线结构。从而可以特别有利地生产这些结构元件，特别是如果光学元件被配置成注塑成型零件。
[0016]根据本发明的另外一方面，提供了一种具有根据本发明的光学元件、以及多个LED的、用于光发射的安排，其中，LED的数量是η或η+1。在η个LED的情况下，可以将其特别有利地安排成使得在每种情况下恰好这些LED中的一者被分配给恰好η个旋转对称区域中的一个区域。在η+1个LED的情况下，可以将其特别有利地安排成使得在每种情况下恰好这些LED中的一者被分配给恰好η个旋转对称区域中的一个区域，并且剩下的最后一个LED相对于光入射区域安排在中心。
[0017]以下将基于示例性实施例并参照附图来更详细地解释本发明，在附图中:
[0018]图1示出了关于根据本发明的用于光发射的安排的原理的截面图示，
[0019]图2示出了根据本发明的光学元件的光出射区域的视图，
[0020]图3示出了贯穿具有示例性光线的安排的截面图示，
[0021]图4示出了根据本发明的光学元件的透视图示，
[0022]图5示出了从不同的视角观看的该光学元件的另外一个透视图，
[0023]图6示出了与以不同方式设计的安排以及它们以此可以达到的发射特性相关的四个示例性图示，
[0024]图7示出了来自用于将光学元件制造成注塑成型零件的模具的表面区域的放大细
-K-
T ,
[0025]图8示出了光学元件的相应地产生的中间区域的一部分，并且
[0026]图9示出了具有结构元件的透镜的示例。
[0027]图4和图5示出了根据本发明的光学元件的透视图示。图1示出了用于展示相应光学元件的工作原理的截面图示。该光学元件被设计用于影响多个LED I所发射的光。根据本发明的用于光发射的安排包括相应的光学元件和所述多个LED I。这种安排具体被配置成用于达到定向光发射。
[0028]与仅用于一个LED的光学元件相比，据此可以获得多个优点:配备有相应光学元件或安排的灯可以被配置成使得它具有总体数量减少的光学元件或安排。这导致安装工作量减少。
[0029]光学元件具有用于光入射的光入射区域2以及位于光入射区域2对面、用于光出射的光出射区域3。该光学元件被配置成使得其形状定义一条既延伸穿过光入射区域2又延伸穿过光出射区域3的轴线Α。
[0030]如从例如图5可看到的，光出射区域3被细分成中央中间区域31和通过环形圆周空腔4围绕中间区域31安排的边缘区域32 ο在此处所展示的实例中，轴线A延伸穿过中间区域31。空腔4相应地围绕轴线A呈封闭的圆周形式延伸。边缘区域32还优选地绕轴线A以封闭的圆周形式延伸。
[0031]光入射区域2和光出射区域3被成形为使得当从沿着轴线A的方向观看时它们具有η重旋转对称，其中，η是大于2的自然数。这种设计优选地使得，如图中所描绘的，轴线A在此与所述旋转对称的轴线完全相同。
[0032]当从平行于轴线A的方向向光出射区域3上观看时，后者因此在绕轴线A转过角度360° /n之后与旋转之前看起来完全一样。对于光入射区域2而言也同样如此。
[0033]换言之，如果光出射区域3投影到垂直于轴线A的表面上，则所述投影具有η个旋转对称区域。名称“旋转对称”一般用于平面图。然而，表达“旋转对称区域”在这种情况下旨在指明所述投影沿轴线A限定或形成的相应三维空间区域。从而，形成了 η个三维旋转对称区域，这些区域都向上延伸至轴线Α。
[0034]在此处所示的实例中，光入射区域2和光出射区域3具有四重旋转对称。这可以清楚地例如从图2的图示中看出，该图示出了沿轴线A至光出射区域3上的视图。因此在所示的实例中，形成了四个旋转对称区域1、I1、II1、IV，这些旋转对称区域在每种情况下相对于轴线A相应地具有90°的开度角。
[0035]整个光学元件优选地具有所述旋转对称。
[0036]通过旋转对称可以达到的是，可以将LEDI特别适合地分配给单独的旋转对称区域1、I1、II1、IV;结果是可以达到能够受到特别好的控制的光导向。具体可以实现的是，在每种情况下来自LED I的光主要受到该光学元件的位于对应地分配的旋转对称区域1、I1、
II1、IV中的那个区域的影响。
[0037]LED I与光学元件相对的安排在此优选地使得一个LED I安排在旋转对称区域1、
I1、II1、IV中的每一个区域中，如图2中通过用虚线表示的四个LED I的位置a、b、c、d举例描绘的。这种安排一般包括优选地η个LED I或者η+1个LED I，在所示的实例中指四个或五个LED I。第五个LED I在此优选地相对于光入射区域2安排在中心，尤其使得它与轴线A相交。
[0038]更加概括而言，η重旋转对称和η个LED的情况下的LEDI的安排使得恰好这些LEDI中的一者被安排在η个旋转对称区域中的每个区域中。在η+1个LED I的情况下，这些LED I的安排使得恰好这些LED I中的一者安排在这η个旋转对称区域中的每个区域中，并且剩下的一个LED被安排成使得它与光入射区域2或轴线A在中心相交。
[0039]通过LEDI相对于光学元件的所述安排可以实现的是，LED I之一所发射的光穿过主要位于其中安排有相关LED的那个旋转对称区域内的光学元件。据此，可以用特别合适的方式达到特别好的可控性。
[0040]通过所述设计另外可以达到的是，在放置LEDI时的小偏差几乎对这种安排的光发射行为没有任何显著影响。甚至使用就其大小而言稍微偏离其指定值的LED对光发射行为具有极少的影响。为了获得达到一定准确度的特定发射特性，根据本发明的安排因此允许相对大的游隙或制造容差，使得有可能特别有成本效益地制造这种安排。
[0041]图6示出了展示以不同方式配置的具有对应的发射特性的安排的四个实例的表格;在此所有的安排具有四重旋转对称。
[0042]在左起第一列、第二行中，描绘了类型I的四个LED的安排，对应于图2中所描绘的位置a、b、c、d。在第三行中，示出了相关联的光分布曲线。第二列示出了与以下安排相关的相应表示，在该安排中，与第一列相比较，在中间安排了第五LED，也就是说使得它与轴线A交叉。光分布曲线与第一列中的光分布曲线非常相似。从而，添加第五个LED对光发射特性具有相对小的影响。
[0043]第三列中的表示与再次使用了四个LED的安排有关，但这些LED是与前2列中所示的类型I的LED相比具有更大的发光表面的类型2。相应的光分布曲线在此更加均匀。第四列相应地再一次与具有五个LED的安排相关;再一次，添加第五个LED对光发射特性没有显著影响。
[0044]从而，LED的数量可以在某些限制内变化，而这不会导致发射特性显著变化。
[0045]特别合适的是旋转对称，其中，η的值在3与10之间，具体地，在3与6之间。这使得在光出射区域2对面的LED I的特别均匀的安排成为可能。在三重或四重或六重旋转对称的情况下，此外使得可以特别简单地堆叠多个相应的光学元件成为可能。
[0046]如图1中通过举例示出的，该光学元件被优选地配置成使得在相对于轴线A以直角观看时中间区域31呈一级近似的弓形形式。具体地，在此该形状使得在沿着轴线A的投影观看时，中间区域31完全地覆盖了光入射区域2。结果是，针对LED I所发射的光的大部分可以产生特别合适的集束。这在图3中被展示出，在该图中，以示例性的方式示出了LED I所发射的光的一些不例性光线。
[0047]进一步优先地，如例如图1和图5中所指示的，针对光线的全内反射而设计的反射表面区域5形成在光入射区域2和光出射区域3之间。据此，可以实现总体宽阔的光发射。反射表面区域5优选地向上延伸直至光入射区域2。
[0048]光入射区域2优选地由切口形成。该切口在此优选地具有底部区域21和侧壁区域22。如图中所描绘的，切口可以具体地由底部区域21和侧壁区域22形成。LED I优选地安排在该切口内，至少与其发光表面区域一起。据此，可以实现这种安排的特别高的光技术效率。
[0049]如具体从图3中清楚的，该设计在此优选地使得反射表面区域5是针对以下光线的全内反射设计的:经由侧壁区域22射入光学元件的光线、以及另外经由底部区域21射入光学元件、优选地通过中间区域31射出光学元件的另外光线。
[0050]该设计在此优选地使得LEDI所发射的光的经由侧壁区域22射入光学元件的那部分至少主要在反射表面区域5经历全内反射，并且LED I所发射的光的通过底部区域21射入光学元件的另外一部分光至少主要经由中间区域31射出光学元件。
[0051]换言之，尤其可以提供的是光学元件的形状被设计成使得LEDI所发射的光分成两条主路径，其中，第一主路径经底部区域21引入光学元件并且通过中间区域31引出光学元件。第二主路径与LED I更平直地发射的光相关，并且经由侧壁区域22引入光学元件并且经由边缘区域32引出光学元件。遵循第一主路径的那部分光通过折射的方式被导向，并且遵循第二主路径的另外那部分经历全内反射并从而在其方向方面受到影响。
[0052]如从图1变得清楚的，所描述的形状形成准“中间透镜”，该中间透镜在光通过中间区域31射出的一侧受限并且相对于边缘区域32“回拨”，也就是说朝光入射区域2的方向回拨。以这种方式可以达到的是，光学元件总体上可以被设计成相比之下具有特别小的安装空间并且沿着轴线A具有小范围h，也就是说低“安装高度”h。这相对于制造选项是有利的。具体地，以这种方式可以实现特别短的制造时间和特别具有成本效益的制造。
[0053]光学元件的设计优选地使得对于其相对于安装高度h横向于轴线A的范围b，满足以下条件:0.20〈h/b〈0.50，优选地，0.25〈h/b〈0.40。
[0054]通过选择中间透镜的“高度定位”，此外可以控制将光分成两条主路径的成比例分害J，以及根据要求将或多或少的光导向至反射表面区域5上。据此，可以显著地特别合适地影响这种安排的特性。
[0055]该光学元件优选地被配置成注塑成型零件。这使得光学元件的制造可能特别有利。
[0056]如图1中通过举例指示的，光出射区域3优选地具有凸形形状的结构元件35。据此，可以另外合适地影响这种安排的光发射。这些结构元件35，通过举例，可以是一段球体的形式;然而，特别优先地，它们具有狭长的结构或形式，即，准“线”，尤其是平行线，例如圆柱形透镜的形式。所述结构元件35或圆柱形透镜可以具体地也在光学元件的弯曲表面区域上延伸。从而，这些结构元件35还可以被形成为使得它们展现出交叉线，也就是说，例如“以交叉的方式延伸的圆柱形透镜”，使得形成某种类型的微型棱镜光学器件。
[0057]制造结构元件35的特别合适的选项是将光学元件配置成注塑成型零件，并且在这个过程中使用旋转工具对与结构元件35相对应的相关模具进行机加工，以便以这种方式使与结构元件35相对应的负表面区域成形。合适的旋转工具在此是例如球面刀。以此方式，结构元件35可以有利地特别合适地同样具体形成于光学元件的总体弯曲的表面区域上，SP，例如中间区域31的弯曲表面上。图7以放大的样式通过举例展示了模具的这种表面区域。图8示出了中间区域31的放大后的、相应地配置的表面区域。
[0058]可以通过结构元件35实现光导向的进一步改善的可影响性。具体地，可以通过结构元件35避免或减少由于反向散射引起的损失。另外可以使用结构元件35类似地解决或减少特别高的点亮度。还可以实现的是来自LED的光从不同的发射角度更好地混合。据此，尤其是可以显著地减少磷光体电晕的负面效应。总体上，产生了改善的光的颜色混合。
[0059]可以通过将结构设计成使得它们不超过特定大小或通过将结构表面的陡度选择成使得其不太大来避免结构元件35处不希望的全内反射。以此方式，特别是可以避免不希望的、干扰的光散射比。
[0060]结构元件35在此不必全部被配置成具有相同的半径。可以提供不同的半径、以及还有不同的深度。以此方式，可以用高度定向且优良的方式影响光发射的方向依赖性。还可以使用具有任何期望设计的非对称形状或几何形状。然而，在这种情况下，总体上显著增加了用于生产模具的花费。还可以使用能够通过更加复杂的方法以及模具加工引入的结构，例如交叉的凹凸结构。
[0061]在此处所展示的实例中，结构元件35形成于中间区域31的整个表面中。此外，结构元件35形成于边缘区域32中。空腔4相对于轴线A在内侧由中间区域31的边缘区域形成并且在外侧由倾斜的表面区域41形成，该倾斜的表面区域向外向上延伸至边缘区域32;这个倾斜的表面区域41优选地不具有结构元件35，因为在此没有预期巨大的光通量，如从图3的表示中可以看到的。倾斜的表面区域41优选地被成形为使得它与轴线A围起角度α，该角度小于40°，特别优选地小于30°。
[0062]可替代地或此外，结构元件35还可以形成于光入射区域2中。
[0063]更加概括而言，结构元件35不仅可以有利地用于在此描述的光学元件，而且还可以一般用于透镜中，确切地，用于光入射区域中和光出射区域中。图9示意性地示出了贯穿相应透镜的截面。
【主权项】
1.一种用于影响多个LED( I)所发射的光的光学元件，该光学元件包括 -用于光入射的光入射区域(2)， -位于该光入射区域(2)对面、用于光出射的光出射区域(3)， 其中，该光学元件的形状限定了既延伸穿过该光入射区域(2)又延伸穿过该光出射区域(3)的轴线(A)， 其中，该光出射区域(3)被细分成中央中间区域(31)和通过环形空腔(4)围绕该中间区域(31)安排的边缘区域(32)， 其特征在于 该光入射区域(2)和该光出射区域(3)被成形为使得当从沿着该轴线(A)的方向观看时它们具有η重旋转对称，其中，η是大于2的自然数。2.如权利要求1所述的光学元件，其中，η具有在3与10之间、特别是在3与6之间的值。3.如权利要求1或2所述的光学元件，其中，在相对于该轴线(A)以直角观看时，该中间区域(31)呈一级近似的弓形形式。4.如以上权利要求之一所述的光学元件，其中，在沿着该轴线(A)的投影下观看时，该中间区域(31)完全覆盖了该光入射区域(2)。5.如以上权利要求之一所述的光学元件，其中，在该光入射区域(2)与该光出射区域(3)之间形成了被设计成用于光线的全内反射的反射表面区域(5)。6.如以上权利要求之一所述的光学元件，其中，该光入射区域(2)是由切口形成的。7.如权利要求6所述的光学元件，其中，该切口具有底部区域(21)和侧壁区域(22)，具体地是由该底部区域(21)和该侧壁区域(22)形成的。8.具有权利要求5和7中所述的特征的光学元件，其中，该反射表面区域(5)被设计成用于经由该侧壁区域(22)射入该光学元件的光线的全内反射。9.如权利要求7或8所述的光学元件，该光学元件被配置成使得经由该底部区域(21)射入该光学元件的另外的光线经由该中间区域(31)射出该光学元件。10.如以上权利要求之一所述的光学元件，该光学元件被配置成注塑成型零件的形式。11.如以上权利要求之一所述的光学元件，其中，该光出射区域(3)具有多个结构元件(35)，这些结构元件具有凸形形状。12.如权利要求11所述的光学元件，其中，这些结构元件(35)呈一段球体的形式，或在将彼此连接起来观看时具有线结构或交叉线结构。13.—种用于光发射的安排，该安排具有 -根据以上权利要求之一所述的光学元件 -多个LED(I)，其中，LED(I)的数量为η或η+1。
【文档编号】G02B19/00GK105849614SQ201480069001
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年12月17日
【发明人】史蒂芬·艾伯纳
【申请人】宗拓贝尔照明器材有限公司