專利名稱：用于光源的光學(xué)元件和使用所述光學(xué)元件的照明系統(tǒng)的制作方法
用于光源的光學(xué)元件和使用所述光學(xué)元件的照明系統(tǒng)
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)照明系統(tǒng)越來越普遍地成為現(xiàn)有照明系統(tǒng)的替代品。LED是固態(tài)照明的實(shí)例并且與傳統(tǒng)的照明解決方案(例如白熾照明和熒光照明)相比因?yàn)槭褂玫哪芰扛佟⒏臃€(wěn)定、使用壽命更長、能夠以可控的紅藍(lán)綠陣列組合而實(shí)際輸送任何顏色的光并且不含鉛或汞而更有優(yōu)勢。在很多應(yīng)用中，一個或多個LED管芯(或芯片)被安裝在LED封裝內(nèi)或LED模塊上，它們可以構(gòu)成照明器材的一部分，照明器材包括一個或多個電源以給LED供電。某些照明器材包括多個LED模塊。器材中的模塊或條帶包括的封裝材料具有(從外部電路到LED管芯的)金屬引線、用于LED管芯的保護(hù)性殼體、散熱片或者引線、殼體和散熱片的組合。LED器材可以用允許其代替標(biāo)準(zhǔn)螺紋白熾燈泡或各種類型熒光燈中任何一種的形·態(tài)因數(shù)制成。LED器材和燈經(jīng)常在其自身的LED模塊包括某種類型的光學(xué)元件。這樣的光學(xué)元件可以允許局部的顏色混合、準(zhǔn)直照明和/或提供可行的最小光束角。光學(xué)元件可以包括反射鏡、透鏡或者兩者的組合。反射鏡可以是例如金屬型或鏡面型，其中由不透明的涂銀面反射光線。反射鏡也可以由玻璃或塑料制成并且通過全內(nèi)反射(TIR)的原理發(fā)揮作用，光線在全內(nèi)反射中因?yàn)橄鄬τ诜ㄏ蛄恳缘扔诨虼笥谂R界角的角度投射到元件邊緣而在光學(xué)元件內(nèi)部反射。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種使照明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)光束控制并且在必要時(shí)有效混合來自多個光源的光線例如實(shí)現(xiàn)混色的光學(xué)元件。根據(jù)示例性實(shí)施例的光學(xué)元件可以有效用于需要高度可控光束的場合例如軌道照明、顯示照明和娛樂照明等。根據(jù)示例性實(shí)施例的光學(xué)元件也可以有效用于提供不同的照明效果。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，一種光學(xué)元件包括入射面以及與入射面間隔開的出射面。入射面包括至少三個子面，其中每一個子面都被設(shè)置用于接收來自光源的光線。三個子面中的每一個都被幾何成形和定位成引導(dǎo)光線通過該子面進(jìn)入光學(xué)元件，目的是為了引導(dǎo)光線穿過光學(xué)元件。因此，第一子面可以引導(dǎo)來自光源的第一部分光線，第二子面可以引導(dǎo)來自光源的第二部分光線，并且第三子面可以引導(dǎo)來自光源的第三部分光線。光學(xué)元件還包括設(shè)置在出射面和入射面之間的外表面。在某些實(shí)施例中，外表面的形狀是包括拋物線在內(nèi)的二次曲線。在至少某些實(shí)施例中，子面包括球形子面、平坦的二次曲線子面和倒轉(zhuǎn)的二次曲線子面。在某些實(shí)施例中，子面包括平坦的子面、球形子面和倒轉(zhuǎn)的球形子面。在某些實(shí)施例中，光學(xué)元件包括設(shè)置在出射面內(nèi)的聚光透鏡。聚光透鏡例如可以是菲涅耳透鏡或球面透鏡。在某些實(shí)施例中，光學(xué)元件包括混光處理?；旃馓幚砝缈梢允窃诠鈱W(xué)元件出射面內(nèi)的衍射表面處理。作為附加示例，混光處理還可以是出射面內(nèi)的圖案化透鏡處理或者是光學(xué)元件出射面內(nèi)的刻面?；旃馓幚磉€可以包含或包括光學(xué)元件入射面內(nèi)的刻面或光學(xué)元件外表面內(nèi)的刻面?；旃馓幚磉€可以由與光學(xué)元件的出射面間隔一小段空隙的體積擴(kuò)散材料實(shí)施。在某些實(shí)施例中，混光處理提供了不同色光的混合。根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的照明系統(tǒng)包括至少一個光源以及如上所述使來自光源的光線準(zhǔn)直的光學(xué)元件。在某些實(shí)施例中，光源是LED或LED封裝。在某些實(shí)施例中，LED封裝包含多個LED器件。在某些實(shí)施例中，多個光源被設(shè)置為陣列并且每一個光源都與一個光學(xué)元件配對。這樣的照明系統(tǒng)可以通過在安裝面上設(shè)置光源并在光源前方安置光學(xué)元件來組裝。光學(xué)元件被安置在每一個光源處以適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)并使光線準(zhǔn)直。這樣的照明系統(tǒng)可以構(gòu)成代替標(biāo)準(zhǔn)白熾或熒光照明燈泡的器材。


圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的光學(xué)元件的截面?zhèn)纫晥D。圖I中的光學(xué)元件是結(jié)合發(fā)光二極管(LED)光源而示出的。
圖2示出了圖I中光學(xué)元件的光入射部分的放大視圖，為了清楚起見而省略了LED。圖2示出為圖2A和圖2B兩種視圖。圖3示出了圖I中光學(xué)元件的三種不同的簡化視圖，在每一種情況下都示出了光線通過不同入射面進(jìn)入光學(xué)元件內(nèi)的路徑。圖3的三種視圖在三頁中示出為圖3A、圖3B和圖3C。在圖3B和圖3C的情況下給出了虛線路徑，其示出了光線如果從相同方向進(jìn)入光學(xué)件將采取的路徑，但是所有的光線是通過單個球形入射面進(jìn)入光學(xué)元件的。圖4根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施例示出了光學(xué)元件的截面?zhèn)纫晥D。圖5根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施例示出了光學(xué)元件入射面部分的放大截面?zhèn)纫晥D。圖6根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例示出了照明系統(tǒng)，具體地根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例示出了使用光源陣列和對應(yīng)光學(xué)元件陣列來代替燈泡的LED。
具體實(shí)施例方式以下的詳細(xì)說明涉及附圖，其中示出了本發(fā)明的具體實(shí)施例。具有不同結(jié)構(gòu)和操作的其他實(shí)施例并不背離本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明的實(shí)施例參照本文中包括的附圖進(jìn)行介紹。同樣的附圖標(biāo)記始終表示相同的結(jié)構(gòu)。應(yīng)該注意附圖在本質(zhì)上是示意性的。而且，附圖僅示出了本發(fā)明的少數(shù)具體實(shí)施例。圖I根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例示出了光學(xué)元件的側(cè)視截面圖。光學(xué)元件100被安置在光源上方，在此情況下光源是LED封裝或模塊102。LED模塊102包含一個或多個管芯，每一個都是LED。在某些情況下，LED模塊或封裝即使包含多于一個實(shí)際的半導(dǎo)體器件或多于一個管芯也可以簡稱為LED。例如，如果封裝放射出白光，那么可能包含有多個不同顏色的實(shí)際LED器件。作為不例,紅移和藍(lán)移的黃色(R+BSY)器件可以在同一個封裝內(nèi)一起使用。光學(xué)元件或者更簡單地說“光學(xué)件”100是透明的，并且在本示例中是由折射率約為I. 5的材料制成。玻璃和塑料的折射率不同，其中某些材料具有低達(dá)I. 48的折射率，而另一些材料例如某些聚碳酸酯具有I. 59的折射率。這樣的材料包括玻璃和/或丙烯酸酯，兩者均為光學(xué)部件中的常用材料。光學(xué)件100包括完全覆蓋LED 102透鏡部分的入射面104。來自LED器件的光線通過入射面104進(jìn)入光學(xué)件內(nèi)。來自LED的光線通過與入射面104間隔開并且通常與入射面104位置相對的出射面106離開光學(xué)元件。出射面106的形狀為圓形以使其在圖5的成品照明系統(tǒng)中從不同視角觀察時(shí)都很明顯，這將在本公開中隨后進(jìn)行討論。在一個示例性實(shí)施例中，界定出射面106的圓形半徑約為16mm，并且不包括聚光透鏡(下文中進(jìn)一步介紹)在內(nèi)的光學(xué)元件的高度約為20_。仍然參照圖1，光學(xué)元件100包括大致位于入射面104和出射面106之間及其側(cè)方并且形狀基本符合一部分拋物線(也就是拋物線形)的外表面108。應(yīng)該注意拋物線形表面提供用于使很多光線全內(nèi)反射并且相對于頂面以法線角或接近于法線角通過頂面(出射面)106離開光學(xué)件。但是，如果整個入射面的形狀均為球形，那么光線將以入射面的法向進(jìn)入，并且因此不會彎曲。所以只有投射到拋物線形外表面108上的光線才能以法線角反射通過頂面106。直接來自光源的光線也會相對于頂面106以法線角離開光學(xué)件。所有其他的光線將以一定角度通過頂面106離開光學(xué)元件并且相對于頂面106彎曲離開法向量，原因在于這些射線將穿過折射率約為I. 5的介質(zhì)進(jìn)入折射率約為I的空氣。這種彎曲遠(yuǎn)離實(shí)際上降低了通過光學(xué)元件的光準(zhǔn)直。
外表面108的拋物線形狀通過以下公式定義
Cr2.Z =·--i
I + yt — (I — Ac f )其中X，y和z是典型3坐標(biāo)軸系統(tǒng)內(nèi)的坐標(biāo)，k是二次曲線常數(shù)，且c是曲率。公式主要是明確了二次曲線的形狀。對于拋物線的形狀，k小于或等于-I。但是，應(yīng)該注意到外表面為拋物線且實(shí)際為二次曲線僅僅是一個示例。具有三個或更多個入射面的光學(xué)元件可以被設(shè)計(jì)為具有不同形狀的外表面，例如角形、弧形、球形、曲面以及球面，包括分段的形狀。本文公開的示例中所示的拋物線形或部分拋物線形的表面可以被用于提供全內(nèi)反射(TIR)，但是也可以有并非在光學(xué)件的所有位置都需要或者希望有全內(nèi)反射的情況。繼續(xù)參照圖I，光學(xué)元件100的另一個特征是設(shè)置在出射面106中或出射面106上的聚光透鏡110。至少在某些實(shí)施例中，聚光透鏡可以模制到光學(xué)件(例如其中使用了丙烯酸酯并且整個光學(xué)件為注模制成)內(nèi)。正如在隨后示出并介紹用于光線的說明性路徑時(shí)所看到的那樣，聚光透鏡110促使通常在出射面106的中心附近略微彎曲偏離法線的光線彎曲為基本平行于法線或朝向法線的方向，由此在光學(xué)件100的中心附近有效地使光線準(zhǔn)直穿過光學(xué)件100。在光學(xué)元件的這一特定實(shí)施例中，聚光透鏡110是圓形菲涅耳透鏡。也可以使用球面聚光透鏡。在圖I的示例中，菲涅耳透鏡的直徑約為11. 2_并且最外緣的曲率半徑約為9mm。圖2是光學(xué)元件100的入射面部分的放大視圖。為了清楚起見，從圖2中省略了LED器件102，并且實(shí)際上在本文中介紹圖中的其余部分。圖2示出為圖2A和圖2B兩個視圖。圖2A是透過光學(xué)件的側(cè)面觀看的視圖。圖2B是從光學(xué)元件自身內(nèi)部俯視光學(xué)元件底部的視圖。一部分拋物線形的外表面108在圖2A中可見。但是，圖2的主要目的是為了清楚地示出光學(xué)元件的整個入射面。在該示例性實(shí)施例中，入射面包括三個不同的子面，其中每一個子面都被設(shè)置用于以不同的方向接收來自光源的光線。三個子面中的每一個都被幾何成形和定位成以使得光線基本準(zhǔn)直穿過光學(xué)元件這樣的方式引導(dǎo)光線通過該子面進(jìn)入光學(xué)兀件。圖2中的子面包括球形子面120和平坦的二次曲線子面123。球形子面120在角部121以法線角連接該視圖中光學(xué)元件的底部。在該示例性實(shí)施例中，球形子面具有的曲率半徑約為3. 66mm。角部122連接拋物線形的外表面108并且與角部121 —起形成光學(xué)件底部的平坦環(huán)形表面。正如在本文給出的另一個實(shí)施例中看到的那樣，光學(xué)元件的底部可以擴(kuò)展以適應(yīng)各種安裝情況。在該示例性實(shí)施例中，平坦的二次曲線子面123相對于法線具有約20度的角度。仍然參照圖2，第三子面相對于平坦的二次曲線子面123形成倒轉(zhuǎn)的淺錐形，并且因此被稱為倒轉(zhuǎn)的二次曲線子面124。倒轉(zhuǎn)二次曲線子面的角度相對于法向量約為70度。在某些實(shí)施例中，倒轉(zhuǎn)的二次曲線子面具有微小的曲率半徑例如約為12_的曲率半徑。由于光學(xué)件是透明的，因此該淺錐形的邊緣作為圖2中的邊緣126是可見的，并且倒錐形的頂點(diǎn)作為頂點(diǎn)127是可見的。圖3說明了本發(fā)明實(shí)施例中光學(xué)元件的光學(xué)操作原理。圖3示出了使用不同軌跡光線的光學(xué)件操作，在圖3A、圖3B和圖3C中均給出了一種軌跡。圖3A至圖3C示出了入射 面104中各個子面的相互作用。通常，入射面104根據(jù)如果整個入射面是球面則光線會如何穿過光學(xué)件而將來自光源的光線分為三類。這些類別是1)投射至拋物線形表面108并且重新定向?yàn)榇怪庇诔錾涿?06的光線；2)直接穿過出射面106但是或者說需要相對少量的重定向以使其可以有效地重新定向至拋物線形外表面108的光線；以及3)直接穿過出射面106但是需要相當(dāng)大幅度的重定向以至于可能無法有效重新定向至拋物線形外表面108的光線。因此，入射面104的球形部分被成形用于接收將穿過球形部分并投射到拋物線形外表面108再垂直于出射面106反射的光線。入射面104中平坦的二次曲線子面123被成型和成形用于接收一部分光線，并將這部分光線重新定向至外壁108以供重新定向?yàn)榇怪庇诔錾涿?06，否則這部分光線將穿過出射面106而不會重新定向?yàn)榇怪庇诔錾涿?06。入射面104的倒轉(zhuǎn)二次曲線子面124被成型和成形用于接收一部分光線并將這部分光線重新定向至聚光透鏡110，否則這部分光線將穿過出射面106而不會重新定向?yàn)榇怪庇诔錾涿?06但卻具有可能無法由平坦的二次曲線部分123有效重定向的角度。聚光透鏡110的尺寸可以取決于倒轉(zhuǎn)二次曲線表面124的形狀和尺寸。圖3A示出了光線130通過入射面104的球形子面進(jìn)入光學(xué)元件100后發(fā)生的情況。由于射線是以法線角穿過光學(xué)件的入射面，因此這樣的射線不會在入射時(shí)彎曲。這樣的光線相對于法線以大于臨界角的角度投射到拋物線形的外表面108上，然后內(nèi)部反射從而大致以法線角離開光學(xué)件。圖3B示出了光線穿過入射面104的平坦二次曲線子面123時(shí)的光線從光源進(jìn)入光學(xué)元件100時(shí)發(fā)生的情況，此時(shí)。光線132在穿過平坦的二次曲線子面時(shí)朝向法線彎曲，并且以大于臨界角的角度投射到拋物線形的外表面108上。光線132隨后向上反射并以相對接近于法向量的角度離開光學(xué)件，保持光線準(zhǔn)直。要注意的是虛線繪制的光線134給出了光線如果穿過完全為球形的入射面將采取的路徑。光線134錯過拋物線形的外表面108并以偏離光學(xué)件中心線的角度通過出射面106離開光學(xué)件。因?yàn)楣饩€通過從具有高折射率的介質(zhì)進(jìn)入具有低折射率的介質(zhì)就會彎曲偏離法線，所以光線將以更大的角度離開光學(xué)件并且彎曲遠(yuǎn)離光學(xué)元件的中心線，降低光線的準(zhǔn)直性。圖3C示出了光線穿過入射面104的倒轉(zhuǎn)二次曲線子面124時(shí)的光線從光源進(jìn)入光學(xué)元件100時(shí)發(fā)生的情況。光線136在穿過倒轉(zhuǎn)的二次曲線子面時(shí)由于是從低折射率的介質(zhì)進(jìn)入較高折射率的介質(zhì)內(nèi)而朝向法線彎曲。在此情況下，光線138足以彎曲成穿過菲涅耳聚光透鏡的外部137并幾乎平行于法線離開光學(xué)件而結(jié)束。因此，入射子面的倒轉(zhuǎn)二次曲線部分也用于使得光線準(zhǔn)直穿過光學(xué)元件。要注意的是虛線繪制的光線138示出了如果光學(xué)件的入射面完全為球形的話光線將采取的路徑。在此情況下，光線錯過拋物線形的外表面108和聚光透鏡，并以偏離光學(xué)件中心線的角度通過出射面106離開光學(xué)件。因?yàn)檫@樣的光線通過從具有高折射率的介質(zhì)進(jìn)入具有低折射率的介質(zhì)就會彎曲偏離法線，所以光線將以更大的角度離開光學(xué)件并且彎曲遠(yuǎn)離光學(xué)元件的中心線，降低光線的準(zhǔn)直性。本文中公開的光學(xué)件實(shí)施例的入射面細(xì)節(jié)僅僅是關(guān)于如何才能實(shí)現(xiàn)使入射面具有不同形狀或輪廓的三個或更多個子面的光學(xué)元件的一個示例。各種形狀和輪廓的組合均可用于光學(xué)件入射面的子面。例如，曲面、分段面、傾斜面、球面、錐形面、拋物線形面和/或弧形面均可以不同的組合使用。如本文中詳細(xì)示例所公開的入射面的子面可以在不同的裝置中使用。這些子面的子集(例如一個或兩個)可以結(jié)合其他形狀的一個或多個子面使用。 圖4根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例示出了光學(xué)元件的截面?zhèn)纫晥D。在此情況下，光學(xué)元件具有球面聚光透鏡。光學(xué)件400包括入射面404。來自光源的光線通過入射面的其中一個子面進(jìn)入光學(xué)元件，并通過位置與入射面404相對的出射面406離開光學(xué)元件。光學(xué)元件400包括拋物線形的外表面408，其如前所述，大致位于入射面404和出射面406之間及其側(cè)方。同樣地，拋物線形表面提供用于使很多光線(特別是通過入射面的球形子面進(jìn)入光學(xué)件的那些光線)全內(nèi)反射并且相對于頂面406以法線角或接近于法線角通過出射面或頂面406離開光學(xué)件。光學(xué)元件400具有設(shè)置在出射面406內(nèi)或出射面406上的球面聚光透鏡412。至少在某些實(shí)施例中，聚光透鏡可以模制到光學(xué)件(例如其中使用了丙烯酸酯并且整個光學(xué)件為注模制成)內(nèi)。應(yīng)該注意到任何聚光透鏡都是可選的，原因在于可能想要的某些照明效果并不需要具有若干入射面的聚光透鏡，并且也可以使用不同類型的透鏡，包括組合了不同類型表面的透鏡。在圖4所示的示例中，球面聚光透鏡具有約為11. 2mm的直徑以及約為9mm的曲率半徑。圖4中的實(shí)施例示出了光學(xué)元件的另一種可能的變形。在該實(shí)施例的情況下，外表面與先前的實(shí)施例相比進(jìn)一步向下延伸以使光學(xué)件的底座具有更加突出的環(huán)形部分450，這就可以允許根據(jù)使用該光學(xué)件的照明系統(tǒng)的特定細(xì)節(jié)而將光學(xué)件更加直接地放置在LED安裝面上。無需過分強(qiáng)調(diào)的是本發(fā)明中的光學(xué)元件和照明系統(tǒng)幾乎有無數(shù)種實(shí)施例的變形。引導(dǎo)輸入光線的子面的角度、尺寸和設(shè)置方式可以改變并且也可以包括附加的子面。光學(xué)元件所有表面的多種變形都是可行的。例如，各個表面的尺寸和關(guān)系可以取決于光源的尺寸和光輸出特性、期望的光束角、所需的光混合量和/或光學(xué)件內(nèi)使用的材料。實(shí)際上，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)件入射面甚至可以被設(shè)計(jì)用于不同的照明效果，包括其中光線不準(zhǔn)直而是改為形成各種投影裝飾或?qū)嵱脠D案的效果。這樣的變形可以用于各種形狀的外表面，并且可以有或者也可以沒有聚光透鏡?？梢岳锰峁┥渚€跟蹤和/或等照度曲線的測光仿真軟件工具設(shè)計(jì)各種變形。這樣的工具可由各種來源公開獲得。這種計(jì)算機(jī)軟件仿真工具的一個示例是由美國科羅拉多州Westminster市的LTI Optics有限責(zé)任公司發(fā)布的Photopia0圖5示出了用于光學(xué)件實(shí)施例的入射面的另一種變形。圖5示出了具有外表面508的光學(xué)件500的入射面的剖視放大截面圖。在圖5的示例中，入射面包括平坦的子面550、球形子面552和倒轉(zhuǎn)的球形子面556。在該示例中，平坦的子面550以約20度的角度相對于法向量傾斜。球形子面552與倒轉(zhuǎn)的球形子面556相比具有更小的曲率半徑。而且，倒轉(zhuǎn)的球形子面556圍繞法向量經(jīng)過光學(xué)件的中心向上延伸以使其形成頂點(diǎn)560。圖6是使用本文中所述光學(xué)元件的照明系統(tǒng)的示意圖。照明系統(tǒng)600被形成用于代替在所謂的“嵌入式(recessed can) ”天花板照明器材中常用的標(biāo)準(zhǔn)R30型白熾燈泡。照明系統(tǒng)包括標(biāo)準(zhǔn)螺紋的底座602。七個LED模塊被用作光源并且在照明系統(tǒng)內(nèi)位于前面板604后方。冷卻翅片606有助于保持系統(tǒng)內(nèi)合適的工作溫度。在每一個LED模塊上方都留有孔隙，并且孔隙包含有光學(xué)元件610，也就是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的光學(xué)元件。圖6中每一個光學(xué)元件的頂面都包括混色處理，在圖6中作為光學(xué)件頂面上用作對出射面的衍射表面處理的圓點(diǎn)或斑點(diǎn)是可見的?？蛇x的混色處理可以是提供由體積擴(kuò)散材料制成的與出射面間隔一小段空隙距離的蓋罩。該蓋罩可以裝在每一個光學(xué)元件上，并且由于為了要保持空隙而不會明顯改變圖6中系統(tǒng)的外觀；每一個蓋罩都可以在聚光透鏡 上方有所起伏。其他可行的混色處理包括圖案化的透鏡處理，如果將其應(yīng)用于出射面也同樣不會明顯改變圖6中系統(tǒng)的外觀。光學(xué)元件的入射面或拋物線形表面上的刻面也可以被用作混色處理，在此情況下，圖6中每一個光學(xué)件頂部的圓點(diǎn)或斑點(diǎn)可以不存在。本文中所用術(shù)語僅僅是為了描述特定的實(shí)施例，而并不是要限制本發(fā)明。如本文中所用，單數(shù)形式“一”、“一個”和“這個”應(yīng)理解為也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文中清楚地另有說明。進(jìn)一步應(yīng)該理解的是術(shù)語“包括”和/或“包含”在本說明書中使用時(shí)明確了所述特征、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但是并不排除存在或加有一個或多個其他的特征、步驟、操作、元件、部件和/或其群組。另外，比較性的定量術(shù)語例如“小于”和“大于”應(yīng)理解為涵蓋了相等的概念，因此，“小于”可以不僅表示嚴(yán)格數(shù)學(xué)意義上的“小于”而且還表示“小于或等于”。還應(yīng)該指出的是本公開中對于附圖和說明書可以使用例如“頂部”、“底部”、“側(cè)面”、“在……以內(nèi)”、“在……內(nèi)部”、“在……上”等術(shù)語以及表達(dá)結(jié)構(gòu)、組成部分或視圖相對位置的其他術(shù)語來進(jìn)行引用。這些術(shù)語僅僅是為了方便而使用并且僅表達(dá)從讀者的角度看如圖所示特征的相對位置。本公開語境中安置或設(shè)置在另一個元件頂部的元件可以在功能上處于實(shí)際產(chǎn)品內(nèi)的同一位置但是由于器件或設(shè)備的取向而相對于觀察者位于另一個元件側(cè)方或下方。使用這些術(shù)語的任何討論都意味著涵蓋用于取向和布置的各種可能性。盡管已經(jīng)在本文中圖示和介紹了具體的實(shí)施例，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該意識到經(jīng)計(jì)算可實(shí)現(xiàn)相同用途的任何裝置均可代替圖示的具體實(shí)施例并且本發(fā)明在其他環(huán)境中具有另外的應(yīng)用。本申請應(yīng)該覆蓋本發(fā)明的任何修改或變形。所附權(quán)利要求絕不是為了將本發(fā)明的保護(hù)范圍限定為本文中介紹的具體實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于照明系統(tǒng)的光學(xué)元件，所述光學(xué)元件包括 入射面，包括至少三個子面，其中每一個子面都被設(shè)置用于接收來自光源的光線； 與入射面相對的出射面；以及 設(shè)置在出射面和入射面之間的外表面； 其中三個子面中的每一個都被成形和定位成引導(dǎo)光線通過所述光學(xué)元件。
2.如權(quán)利要求I所述的光學(xué)元件，其中所述至少三個子面進(jìn)一步包括 球形子面； 平坦的二次曲線子面；和 倒轉(zhuǎn)的二次曲線子面。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)元件，其中所述外表面是二次曲線表面。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)元件，其中所述外表面是拋物線形表面。
5.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)元件，進(jìn)一步包括設(shè)置在出射面中的聚光透鏡。
6.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)元件，進(jìn)一步包括混合處理。
7.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)元件，其中所述混合處理包括出射面中的衍射表面處理。
8.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)元件，其中所述混合處理包括出射面中的圖案化透鏡處理。
9.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)元件，其中所述混合處理包括入射面和外表面之一中的刻面。
10.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)元件，其中所述混合處理包括與出射面間隔一小段空隙的體積擴(kuò)散材料。
11.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)元件，其中所述聚光透鏡是菲涅耳透鏡。
12.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)元件，其中所述聚光透鏡是球面透鏡。
13.如權(quán)利要求I所述的光學(xué)元件，其中所述出射面進(jìn)一步包括聚光透鏡并且其中 三個子面中的第一子面將來自光源的第一部分光線引導(dǎo)至所述外表面； 三個子面中的第二子面將來自光源的第二部分光線引導(dǎo)至所述外表面；以及 三個子面中的第三子面將來自光源的第三部分光線弓I導(dǎo)至聚光透鏡。
14.一種照明系統(tǒng),包括 光源；和 光學(xué)元件，所述光學(xué)元件進(jìn)一步包括 光源附近的入射面，所述入射面包括至少三個子面，其中每一個子面都被設(shè)置用于接收離開光源的光線； 與入射面相對的出射面；以及 設(shè)置在出射面和入射面之間的外表面； 其中三個子面中的每一個都被成形和定位成引導(dǎo)光線通過所述照明系統(tǒng)。
15.如權(quán)利要求14所述的照明系統(tǒng)，其中所述至少三個子面進(jìn)一步包括 球形子面； 平坦的二次曲線子面；和 倒轉(zhuǎn)的二次曲線子面。
16.如權(quán)利要求15所述的照明系統(tǒng)，其中所述外表面是二次曲線表面。
17.如權(quán)利要求16所述的照明系統(tǒng)，其中所述外表面是拋物線形表面。
18.如權(quán)利要求17所述的照明系統(tǒng)，其中所述光源是發(fā)光二極管LED。
19.如權(quán)利要求18所述的照明系統(tǒng)，其中 所述光源包括設(shè)置為陣列的多個LED封裝；并且 所述光學(xué)元件包括多個光學(xué)元件，每一個都具有靠近多個LED之一的入射面。
20.如權(quán)利要求18所述的照明系統(tǒng)，進(jìn)一步包括設(shè)置在出射面中的聚光透鏡。
21.如權(quán)利要求20所述的照明系統(tǒng)，進(jìn)一步包括混合處理。
22.如權(quán)利要求21所述的照明系統(tǒng)，其中所述混合處理包括出射面中的衍射表面處理。
23.如權(quán)利要求21所述的照明系統(tǒng)，其中所述混合處理包括出射面中的圖案化透鏡處理。
24.如權(quán)利要求21所述的照明系統(tǒng)，其中所述混合處理包括入射面和外表面之一中的刻面。
25.如權(quán)利要求21所述的照明系統(tǒng)，其中所述混合處理包括與出射面間隔一小段空隙的體積擴(kuò)散材料。
26.如權(quán)利要求14所述的照明系統(tǒng)，其中所述出射面進(jìn)一步包括聚光透鏡并且其中 三個子面中的第一子面將來自光源的第一部分光線引導(dǎo)至所述外表面； 三個子面中的第二子面將來自光源的第二部分光線引導(dǎo)至所述外表面；以及 三個子面中的第三子面將來自光源的第三部分光線弓I導(dǎo)至聚光透鏡。
27.一種組裝照明系統(tǒng)的方法，所述方法包括 將多個光源設(shè)置為一種圖案；以及 在每一個光源處放置光學(xué)元件以通過光學(xué)元件的入射面接收光線，所述入射面包括至少三個子面，其中每一個光學(xué)元件進(jìn)一步包括 與入射面相對的出射面； 設(shè)置在出射面和入射面之間的外表面，以使三個子面引導(dǎo)光線通過照明系統(tǒng)進(jìn)入光學(xué)元件。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中每一個光源都是發(fā)光二極管LED。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中每一個光學(xué)元件進(jìn)一步包括設(shè)置在出射面中的聚光透鏡。
30.如權(quán)利要求29所述的方法,進(jìn)一步包括向每一個光學(xué)兀件加入體積擴(kuò)散材料,其中所述體積擴(kuò)散材料被設(shè)置為使其與光學(xué)元件的出射面間隔一小段空隙。
31.如權(quán)利要求29所述的方法，其中每一個光學(xué)元件進(jìn)一步包括出射面中的衍射表面處理。
32.如權(quán)利要求29所述的方法，其中每一個光學(xué)元件進(jìn)一步包括出射面中的圖案化透鏡處理。
33.如權(quán)利要求29所述的方法,其中每一個光學(xué)兀件進(jìn)一步包括入射面和外表面之一中的刻面。
全文摘要
公開了一種用于光源的光學(xué)元件(100,400,500,610)和一種使用所述光學(xué)元件(100,400,500,610)的照明系統(tǒng)。在示例性實(shí)施例中，光學(xué)元件(100,400,500,610)包括入射面(104,404)以及與入射面(104,404)相對的出射面(106,406)。入射面(104,404)包括至少三個子面(120,123,124,550,552,556)，其中每一個子面(120,123,124,550,552,556)都被設(shè)置用于接收光源發(fā)出的光線(130,132,136)。三個子面(120,123,124,550,552,556)中的每一個都被幾何成形和定位成接收光線(130,132,136)通過該子面(120,123,124,550,552,556)進(jìn)入光學(xué)元件(100,400,500,610)，目的是為了引導(dǎo)光線穿過光學(xué)元件(100,400,500,610)。在某些實(shí)施例中，光學(xué)元件(100,400,500,610)包括設(shè)置在出射面內(nèi)的聚光透鏡(110,412)。光學(xué)元件(100,400,500,610)還可以包括混合處理。照明系統(tǒng)(600)可以包括多個光學(xué)元件(100,400,500,610)，每一個都與光源例如LED或LED封裝配對。
文檔編號F21V5/04GK102947643SQ201180030207
公開日2013年2月27日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者P·K·皮卡德 申請人:克里公司