專利名稱：用于產生均勻準直光的緊湊光學系統(tǒng)和透鏡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于一種產生嚴格準直照射的緊湊光源的光學系統(tǒng)和透鏡，且具體地 涉及一種具有窄縱橫比的高度低的光學系統(tǒng)，出射面各處的照射被嚴格準直且是均勻的。
背景技術：
許多光源應用具有空間和照射限制。盡管出于節(jié)約空間目的而可以使用比如發(fā)光 二極管的小光源，這些裝置需要附加光學系統(tǒng)來產生期望照射。例如，在一些應用中會期望 提供一種光源，該光源具有在一區(qū)域上是基本上均勻的嚴格準直的光或照射。期望提供一 種光學系統(tǒng)和透鏡，其可以從均勻被照亮的表面區(qū)域產生嚴格準直的光，但是不需要大量 的空間。
發(fā)明內容
依照本發(fā)明的一個實施例，一種光學系統(tǒng)包含柱形側面發(fā)射透鏡、反射器和柱形 菲涅爾透鏡，從而產生具有在正向上的嚴格準直光的基本上均勻受照射的出射面。該柱形 側面發(fā)射透鏡將來自光源，比如安置在一條直線中的多個發(fā)光二極管的光重定向為沿著與 出射面平行的光軸的側面發(fā)射光。該反射器可以是包含多個反射器表面的階梯狀反射器， 從而重定向來自柱形側面發(fā)射透鏡的光以照射出射面并且將沿著一條軸的光重定向到正 向，所述多個反射器表面具有基于到光源的表面距離和高度的不同焦距。該柱形菲涅爾透 鏡用于將沿著正交軸的光準直到正向。在本發(fā)明的另一實施例中，一種柱形側面發(fā)射透鏡包含底表面，該底表面平行于 光軸；以及腔體，一個或多個光源可以定位在該腔體內。該腔體的內表面由兩個平面表面和 一個大致球形表面組成。該透鏡的外表面含有全內反射(IlR)反射表面和第一折射表面，該 第一折射表面也是平面的且相對于透鏡的中心軸傾斜成一角度，該中心軸與光軸正交。第 二折射表面從底表面延伸到第一折射表面。從腔體進入透鏡且直接入射在反射表面上的光 被反射到第一折射表面并且被折射，從而在與該光軸基本上平行的方向上離開該透鏡。而 且，從腔體進入透鏡且直接入射在第二折射表面上的光被折射，從而在也與該光軸基本上 平行的方向上離開該透鏡。該柱形側面發(fā)射透鏡具有在由中心軸和光軸限定的平面內的截 面形狀，并且在沿著與該光軸和中心軸正交的水平軸的每一點具有相同的截面形狀。在本發(fā)明的另一實施例中，一種階梯狀多焦距反射器使用多個反射器表面，所述 多個反射器表面定位在距光源不同距離處且定位在相對于光軸的不同高度。最接近光源的 反射器表面具有在光軸上的最低高度，且最遠離光源的反射器表面具有在光軸上的最大高 度。每個反射器表面具有基于反射器表面到光源的距離以及反射器表面在該光軸上的高度 的不同焦距。每個反射器表面的焦距構造成將來自光源的光重定向到正向，以及構造在出 射面上產生基本上均勻的照射并且基本上準直沿著該光軸的光。
圖1說明依照本發(fā)明的一個實施例可以與緊湊光源(例如發(fā)光二極管(LED))—起 使用的光學系統(tǒng)的透視圖。圖2和3為圖1的光學系統(tǒng)沿正交軸的側視圖。圖4說明柱形側面發(fā)射透鏡的一個實施例的透視圖。圖5以透視圖說明多個耦合在一起的圖1的光學系統(tǒng)。
具體實施例方式圖1說明依照本發(fā)明的一個實施例可以與緊湊光源一起使用的光學系統(tǒng)100的透 視圖，該緊湊光源為例如發(fā)光二極管(LED)102?？梢钥闯觯鈱W系統(tǒng)100具有窄的縱橫比， 例如為3:1，但是這可以根據需要改變。圖2和3分別為光學系統(tǒng)100的沿著長軸IOllmg* 短軸IOlstot的側視圖。長軸IOllmg和短軸IOlstot相互正交。光學系統(tǒng)100造成從光源發(fā) 射的光被基本上均勻地分布遍及光學系統(tǒng)100的出射窗口 106并且被嚴格準直，即，定向到 基本上垂直于出射窗口 106的平面的方向。本領域中廣為理解的是，準直光不是理想準直 的，而是可以具有某種程度的角度擴展。如圖3所說明，光學系統(tǒng)100可以與多個光源一起使用，例如，安置在同一平面內 且安置在與光學系統(tǒng)100的短軸IOlstot平行的直線中的四個LED 102。任何傳統(tǒng)LED 102 或其它光源可以與本發(fā)明一起使用。在一個實施例中，LED 102產生大致朗伯輻射模式且 可以是產生白色光或任何顏色光的磷光體轉換藍色LED。優(yōu)選地，與光學系統(tǒng)100 —起使用 的光源產生沿著短軸IOlstot的基本上均勻的輻射。基本上均勻的照射可以例如足夠均勻， 使得肉眼無法觀察到干擾的強烈的光變化。應理解，盡管會存在某些照射變化，但是該變化 或者無法被肉眼察覺到或者并不是干擾的。光學系統(tǒng)100包含柱形側面發(fā)射透鏡110，依照本發(fā)明的一個方面，該柱形側面發(fā) 射透鏡將來自LED 102的光重定向到與長軸IOllmg和出射面106平行的方向。圖4說明 柱形側面發(fā)射透鏡110的一個實施例的透視圖。柱形側面發(fā)射透鏡110具有沿著由中心軸 113和透鏡110的光軸112限定的平面的截面，該截面在形狀上可以類似于比如在通過引 用結合于此的US6679621中所描述的旋轉對稱的傳統(tǒng)側面發(fā)射透鏡。沿著該截面，柱形側 面發(fā)射透鏡110包含V形頂部110t。p，該V形頂部具有反射(例如，全內反射)表面I和折射 表面H。反射表面I和若干折射表面形成若干平面，折射表面相對于中心軸113傾斜成一 角度。下部IIO1otct具有折射表面116，該折射表面作為平滑曲線從折射表面H延伸到透鏡 110的底表面118。LED 102定位在透鏡110中的腔體120內部。腔體120的內表面由兩個平面表面 121和一個大致球形表面122組成。腔體120可含有氣體，可以是真空的，或者可包含可以 輔助光提取的非氣體材料，比如固體、液體或者凝膠。腔體120的外側面(即，與反射和折射 表面I、H和116正交的側面)可以覆蓋有反射膜，其或者覆蓋在透鏡110上或者覆蓋在光 學系統(tǒng)100的側面上。入射在反射表面I上的光的一小部分可以被透射并用于照射出射面 106。從腔體120進入透鏡110且直接入射在反射表面I上的光被反射到第一折射表面H 并且被折射，從而在與光軸112基本上平行的方向上離開透鏡110。直接入射在第二折射表 面116上的從腔體120進入透鏡110的光也被折射，從而在與光軸112基本上平行的方向上離開透鏡110。在圖4中可以看出，柱形側面發(fā)射透鏡110的沿著由光軸112和中心軸113限定 的平面的截面形狀在沿著與光軸112正交的水平軸114的每一點都是相同的截面形狀。因 而，不同于傳統(tǒng)側面發(fā)射透鏡，柱形側面發(fā)射透鏡110不是旋轉對稱的。應理解，側面發(fā)射 透鏡110的截面形狀是示范性的并且可以根據需要使用側面發(fā)射透鏡的其它截面形狀。透 鏡110可以使用例如真空澆鑄或注射成型，利用比如聚碳酸酯、PMMA或其它恰當材料的材 料來生產。如圖1所示，反射器130存在于光學系統(tǒng)100中，從而將來自柱形側面發(fā)射透鏡 110的側面發(fā)射光重定向到正向IOOftmrarf，該正向垂直于長軸IOOltmg和短軸100shOTt。光學 系統(tǒng)100包含統(tǒng)稱為反射器130的兩個階梯狀多焦點線反射器130a和130b，所述反射器 置于柱形側面發(fā)射透鏡110的相對側面上。如果需要，可以僅僅使用一個反射器130，柱形 側面發(fā)射透鏡110定位在光學系統(tǒng)100的一個端部。柱形側面發(fā)射透鏡110將無需跨過短 軸是對稱的。在另一實施例中，反射器130可以是在整個長度上具有恰當形狀(例如樣條曲 線)的連續(xù)反射器，從而將側面發(fā)射光重定向為正向光。反射器130包含多個反射器表面132，所述多個反射器表面定位在距柱形側面發(fā) 射透鏡110不同距離處。附加地，反射器表面132定位在相對于正向IOOtowmd測量的不同 高度處?？梢钥闯?，最高反射器表面13\。p也最遠離柱形側面發(fā)射透鏡110，并且最低反射 器表面132b。tt。m最接近側面發(fā)射透鏡110。反射器表面132可以相互連接，例如經由如所說 明的階梯134，或者可替換地可以是分離的且由光學系統(tǒng)100的側壁104支撐。而且，可以 在圖2所示側視圖中更清楚地看出，反射器表面132是拋物線形狀的。每個拋物線反射器 表面132的焦距選擇為對應于反射器表面132和柱形側面發(fā)射透鏡110之間的距離。反射 器表面132的構造(即，它們的拋物線形狀以及位置，該位置包括高度和距柱形側面發(fā)射透 鏡110的距離)將側面發(fā)射光重定向為正向光，該正向光與由柱形側面發(fā)射透鏡110發(fā)射的 沿正向的那部分光結合而形成沿著出射面106的長度(即沿著長軸IOOlmg)基本上均勻的照 射?；旧暇鶆虻恼丈淇梢允抢缱銐蚓鶆虻?，使得肉眼無法觀察到干擾的強烈的光變化。 應理解，盡管會存在某些照射變化，但是該變化或者無法被肉眼察覺到或者并不是干擾的。與柱形側面發(fā)射透鏡110類似，反射器130可以使用例如真空澆鑄或注射成型，利 用比如聚碳酸酯、PMMA或其它恰當材料的材料來生產。利用組合的柱形側面發(fā)射透鏡110和階梯狀多焦點線反射器130a和130b，所述光 沿著光學系統(tǒng)的長度是基本上均勻的且被嚴格準直到正向100f rad。如圖2所說明，相對于 長軸和正向IOOtorad，所述光基本上被準直，即，所述光在由正向IOOfmrarf和長軸IOOltmg限 定的平面內具有在正向周圍士 15度的角度擴展α。光學系統(tǒng)100還包含在出射面106處的柱形菲涅爾透鏡150，從而在由正向 IOOtorad和短軸IOOstot限定的平面內準直在正向IOOtowmdM圍的光，如圖3所說明。應理 解，圖3沿著短軸說明光學系統(tǒng)100，但是為了簡化起見未示出反射器130。在圖3中說明 的沿著短軸的截面中觀看時，柱形菲涅爾透鏡150具有傳統(tǒng)菲涅爾構造。柱形菲涅爾透鏡 150在沿著長軸的每一點具有相同的截面。相對于短軸，柱形菲涅爾透鏡150將光基本上準 直到正向100toTOd，S卩，所述光具有在正向周圍的士 15度的角度擴展β。與柱形側面發(fā)射透鏡110類似，柱形菲涅爾透鏡150可以使用例如真空澆鑄或注射成型，利用比如聚碳酸酯、PMMA或其它恰當材料的材料來生產。利用柱形側面發(fā)射透鏡110、階梯狀多焦點反射器130a和130b以及柱形菲涅爾透 鏡150，使光學系統(tǒng)100的高度最小化，同時實現(xiàn)了良好的準直程度。通過實例的方式，光學 系統(tǒng)100具有90mmX30mm的縱橫比，光學高度小于10mm。在一些實施例中，光學系統(tǒng)300 可包含耦合在一起的多個光學系統(tǒng)100，如圖5所說明。盡管出于指導性目的而結合特定實施例對本發(fā)明予以說明，但是本發(fā)明不限于 此?？梢赃M行各種調適和調整而不背離本發(fā)明的范圍。因此，所附權利要求的精神和范圍 不應限于前述說明書。
權利要求
1.一種用于產生在正向上的基本上準直光的光學系統(tǒng)，其中該光學系統(tǒng)具有相互正 交的長軸和短軸，并且該正向垂直于該長軸和該短軸，該光學系統(tǒng)包含至少一個光源；柱形側面發(fā)射透鏡，其光學耦合到該至少一個光源，該柱形側面發(fā)射透鏡構造成將從 該至少一個光源發(fā)射的光的一部分重定向為側面發(fā)射光，該側面發(fā)射光垂直于該正向且平 行于該長軸；至少一個反射器，其定位為接收來自該柱形側面發(fā)射透鏡的該側面發(fā)射光并將所述光 基本上重定向到該正向，該反射器構造成使得在該光學系統(tǒng)的出射面上產生基本上均勻的 照射，并且相對于由該正向和該短軸限定的平面，所述光被基本上準直到該正向；以及柱形菲涅爾透鏡，其耦合成接收來自該至少一個反射器的所述正向光，相對于由該正 向和該長軸限定的平面，該柱形菲涅爾透鏡基本上準直所述正向光。
2.權利要求1的光學系統(tǒng)，其中具有兩個反射器，該柱形側面發(fā)射透鏡布置在所述兩 個反射器之間。
3.權利要求1的光學系統(tǒng)，其中該至少一個光源為布置在與該短軸平行的直線中的 多個光源。
4.權利要求3的光學系統(tǒng)，其中該光源為發(fā)光二極管。
5.權利要求1的光學系統(tǒng)，其中該柱形側面發(fā)射透鏡具有沿著由該正向和該長軸限 定的平面的側面發(fā)射透鏡的截面形狀，以及其中該柱形側面發(fā)射透鏡在沿著該短軸的每一 點具有相同的截面形狀。
6.權利要求1的光學系統(tǒng)，其中該柱形側面發(fā)射透鏡的截面形狀包含頂部和底部，該 頂部具有V形，該V形的每個臂包含位于該V形的內側上的反射表面以及位于該V形的外側 上的折射表面，該底部具有作為平滑曲線從該V形的折射表面延伸到底表面的折射表面， 該柱形側面發(fā)射透鏡的截面形狀還包含腔體，該光源布置在該腔體內。
7.權利要求1的光學系統(tǒng)，其中該柱形菲涅爾透鏡具有沿著由該正向和該短軸限定 的平面的菲涅爾透鏡的截面形狀，以及其中該柱形菲涅爾透鏡在沿著該長軸的每一點具有 相同的截面形狀。
8.權利要求1的光學系統(tǒng)，其中該至少一個反射器為至少一個階梯狀多焦點反射器， 該階梯狀多焦點反射器具有定位在距該柱形側面發(fā)射透鏡不同距離處且定位在相對于該 正向的不同高度的多個反射器表面，該多個反射器表面具有基于每個反射器表面的距離和 高度而變化的不同焦距，其中每個反射器表面的焦距、距該柱形側面發(fā)射透鏡的距離以及 高度的構造在該光學系統(tǒng)的出射面上產生基本上均勻的照射且將所述光基本上準直到正 向。
9.權利要求8的光學系統(tǒng)，其中所述多個反射器表面耦合在一起。
10.權利要求1的光學系統(tǒng)，其中由該反射器基本上準直的光具有士15度或更小的角 度擴展，以及其中基本上準直光的該柱形菲涅爾透鏡產生具有士 15度或更小的角度擴展 的光。
11.一種柱形側面發(fā)射透鏡，其具有光軸、與該光軸正交的水平軸以及與該光軸和水 平軸正交的中心軸，該柱形側面發(fā)射透鏡包含底表面，該光軸與該底表面平行；腔體，一個或多個光源可以定位在該腔體內；以及 反射表面，該反射表面為平面；第一折射表面，該第一折射表面為平面且相對于該透鏡的中心軸傾斜成一角度；以及 第二折射表面，該第二折射表面從該底表面延伸到該第一折射表面； 其中從該腔體進入該透鏡且直接入射在該反射表面上的光從該反射表面反射到該第 一折射表面并且被該第一折射表面折射，從而在與該光軸基本上平行的方向上離開該透 鏡；以及其中從該腔體進入該透鏡且直接入射在該第二折射表面上的光被該第二折射表面 折射，從而在與該光軸基本上平行的方向上離開該透鏡；其中該柱形側面發(fā)射透鏡具有沿著由該中心軸和該光軸限定的平面的截面形狀且在 沿著該水平軸的每一點具有相同的截面形狀。
12.權利要求11的柱形側面發(fā)射透鏡，其中該第二折射表面作為平滑曲線從該底表 面延伸到該第一折射表面。
13.權利要求11的柱形側面發(fā)射透鏡，其中該腔體構造成具有定位在內部的發(fā)光二 極管。
14.權利要求11的柱形側面發(fā)射透鏡，其中該反射表面通過全內反射進行反射。
15.權利要求11的柱形側面發(fā)射透鏡，其中該反射表面為第一反射表面，該柱形側面 發(fā)射透鏡還包含第二反射表面，該第二反射表面為平面且與該第一反射表面形成V形； 第三折射表面，該第三折射表面為平面且相對于該透鏡的中心軸傾斜成一角度；以及 第四折射表面，該第四折射表面從該底表面延伸到該第三折射表面； 其中從該腔體進入該透鏡且直接入射在該第二反射表面上的光從該第二反射表面反 射到該第三折射表面且被該第三折射表面折射，從而在與該光軸基本上反平行的方向上離 開該透鏡；以及其中從該腔體進入該透鏡且直接入射在該第四折射表面上的光被該第四折 射表面折射，從而在與該光軸基本上反平行的方向上離開該透鏡。
全文摘要
一種光學系統(tǒng)包含柱形側面發(fā)射透鏡(110)、反射器(130)和柱形菲涅爾透鏡(150)，從而產生具有在正向上的嚴格準直光的基本上均勻受照射的出射面。柱形側面發(fā)射透鏡(110)將來自光源(102)，比如安置在一條直線中的多個發(fā)光二極管(102)的光重定向為沿著與出射面平行的光軸的側面發(fā)射光。反射器(130)可以是包含多個反射器表面的階梯狀多焦距反射器，從而重定向來自柱形側面發(fā)射透鏡(110)的光以照射出射面并且將沿著一條軸的光重定向到正向，所述多個反射器表面具有基于到光源的表面距離和高度的不同焦距。柱形菲涅爾透鏡(150)用于將沿著正交軸的光重定向到正向。
文檔編號F21V5/04GK102149964SQ200880131034
公開日2011年8月10日 申請日期2008年9月9日 優(yōu)先權日2007年9月6日
發(fā)明者N. H. J. 斯塔薩 E., J. H. 布洛門 P. 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司, 飛利浦拉米爾德斯照明設備有限責任公司