用于多個led的光學元件、以及用于光發(fā)射的安排的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于影響多個LED(1)所發(fā)射的光的光學元件，該光學元件具有用于光入射的光入射區(qū)域(2)、以及位于該光入射區(qū)域(2)對面并且用于光出射的光出射區(qū)域(3)。另外，本發(fā)明涉及一種包括這種光學元件和這些LED(1)的用于光發(fā)射的安排。該光學元件的形狀限定了既穿過該光入射區(qū)域(2)又穿過該光出射區(qū)域(3)的軸線(A)；該光出射區(qū)域(3)被環(huán)狀凹陷(4)細分成中央中間區(qū)域(31)以及圍繞該中間區(qū)域(31)安排的邊緣區(qū)域(32)。該光入射區(qū)域(2)和該光出射區(qū)域(3)被成形為使得在從沿著該軸線(A)的方向觀看時，它們具有n重旋轉對稱，其中，n是大于2的自然數(shù)。這種設計使得這些LED(1)能夠被安排成使得恰好這些LED(1)中的一者被分配給所形成的n個旋轉對稱區(qū)域中的每個區(qū)域。這種分配使得可以實現(xiàn)該安排的發(fā)射特性的特別好的可控性。
【專利說明】用于多個LED的光學元件、以及用于光發(fā)射的安排
[0001]本發(fā)明涉及一種用于影響多個LED(LED:發(fā)光二極管)所發(fā)射的光的光學元件，并且涉及一種具有這種光學元件和相應LED的用于光發(fā)射的安排。
[0002]現(xiàn)有技術披露了具有切口的這種光學元件，來自LED的光通過該切口照射進來;該光學元件在相反側具有光出射區(qū)域。在實踐中，已經(jīng)證明了將光學元件和相應LED安排成使得可靠地實現(xiàn)具有預先指定的準確度的期望發(fā)射特性是有問題的且復雜的。
[0003]本發(fā)明基于詳細說明改善的光學元件和相應的改善的安排的目的。具體地，目的是獲得可以特別好地受到控制的可靠發(fā)射特性和整體緊湊的設計。
[0004]這個目的根據(jù)本發(fā)明是通過從屬權利要求中所述的主題來實現(xiàn)的。從屬權利要求中詳細說明了本發(fā)明的特殊類型的實施例。
[0005]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于影響多個LED所發(fā)射的光的光學元件，該光學元件具有用于光入射的光入射區(qū)域以及還有位于該光入射區(qū)域對面、用于光出射的光出射區(qū)域。該光學元件的形狀限定了既延伸穿過光入射區(qū)域又延伸穿過光出射區(qū)域的軸線;該光出射區(qū)域被細分成中央中間區(qū)域和通過環(huán)形空腔圍繞該中間區(qū)域安排的邊緣區(qū)域。該光入射區(qū)域和該光出射區(qū)域被成形為使得它們在沿著該軸線的方向上具有η重旋轉對稱，其中，η是大于2的自然數(shù)。
[0006]關于這種設計可以將這些LED安排為使得這η個形成的旋轉對稱區(qū)域中的每一個區(qū)域正好被分配給這些LED中的一者。通過這種分配，可以達到這種安排的發(fā)射特性的特別好的可控性。
[0007]η優(yōu)選地具有在3與10之間、特別是在3與6之間的值。據(jù)此，可以使用該光學元件獲得特別均勻的光發(fā)射。
[0008]當相對于該軸線以直角觀看時，中間區(qū)域優(yōu)選地呈一級近似的弓形形式。結果是，可以引起光學元件的有利的透鏡效果。
[0009]從光技術觀點講，這種設計是有利的，使得在沿著軸線的投影下觀看時，中間區(qū)域完全地覆蓋光入射區(qū)域。
[0010]優(yōu)選地，在該光入射區(qū)域與該光出射區(qū)域之間形成了針對光線的全內反射設計的反射表面區(qū)域。據(jù)此，可以達到該安排的特別高的效率。
[0011]光入射區(qū)域優(yōu)選地由切口形成。以此方式，可以實現(xiàn)的是，LED所發(fā)射的光的特別大的一部分射入光學元件。該切口優(yōu)選地具有底部區(qū)域和側壁區(qū)域;具體地，該切口可以有利地由底部區(qū)域和側壁區(qū)域形成。
[0012]如果反射表面區(qū)域是針對經(jīng)由該側壁區(qū)域進入該光學元件的光線的全內反射而設計的，在此可以實現(xiàn)特別好的光導向。該光學元件另外有利地被配置成使得經(jīng)由該底部區(qū)域進入該光學元件的另外的光線經(jīng)由該中間區(qū)域射出該光學元件。
[0013]該光學元件優(yōu)選地被配置成注塑成型零件的形式。這允許在有成本效益的制造選項中特別適合地配置該光學元件的形式。
[0014]光出射區(qū)域優(yōu)選地具有多個結構元件，這些結構元件具有凸形形狀。據(jù)此，可以相對于制造工程學特別合適地有利地影響發(fā)射特性。
[0015]這些結構元件優(yōu)選地是一段球體的形式。在將彼此連接起來觀看時，這些結構元件具體地可以具有線結構或交叉線結構。從而可以特別有利地生產(chǎn)這些結構元件，特別是如果光學元件被配置成注塑成型零件。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另外一方面，提供了一種具有根據(jù)本發(fā)明的光學元件、以及多個LED的、用于光發(fā)射的安排，其中，LED的數(shù)量是η或η+1。在η個LED的情況下，可以將其特別有利地安排成使得在每種情況下恰好這些LED中的一者被分配給恰好η個旋轉對稱區(qū)域中的一個區(qū)域。在η+1個LED的情況下，可以將其特別有利地安排成使得在每種情況下恰好這些LED中的一者被分配給恰好η個旋轉對稱區(qū)域中的一個區(qū)域，并且剩下的最后一個LED相對于光入射區(qū)域安排在中心。
[0017]以下將基于示例性實施例并參照附圖來更詳細地解釋本發(fā)明，在附圖中:
[0018]圖1示出了關于根據(jù)本發(fā)明的用于光發(fā)射的安排的原理的截面圖示，
[0019]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的光學元件的光出射區(qū)域的視圖，
[0020]圖3示出了貫穿具有示例性光線的安排的截面圖示，
[0021]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的光學元件的透視圖示，
[0022]圖5示出了從不同的視角觀看的該光學元件的另外一個透視圖，
[0023]圖6示出了與以不同方式設計的安排以及它們以此可以達到的發(fā)射特性相關的四個示例性圖示，
[0024]圖7示出了來自用于將光學元件制造成注塑成型零件的模具的表面區(qū)域的放大細
-K-
T ,
[0025]圖8示出了光學元件的相應地產(chǎn)生的中間區(qū)域的一部分，并且
[0026]圖9示出了具有結構元件的透鏡的示例。
[0027]圖4和圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的光學元件的透視圖示。圖1示出了用于展示相應光學元件的工作原理的截面圖示。該光學元件被設計用于影響多個LED I所發(fā)射的光。根據(jù)本發(fā)明的用于光發(fā)射的安排包括相應的光學元件和所述多個LED I。這種安排具體被配置成用于達到定向光發(fā)射。
[0028]與僅用于一個LED的光學元件相比，據(jù)此可以獲得多個優(yōu)點:配備有相應光學元件或安排的燈可以被配置成使得它具有總體數(shù)量減少的光學元件或安排。這導致安裝工作量減少。
[0029]光學元件具有用于光入射的光入射區(qū)域2以及位于光入射區(qū)域2對面、用于光出射的光出射區(qū)域3。該光學元件被配置成使得其形狀定義一條既延伸穿過光入射區(qū)域2又延伸穿過光出射區(qū)域3的軸線Α。
[0030]如從例如圖5可看到的，光出射區(qū)域3被細分成中央中間區(qū)域31和通過環(huán)形圓周空腔4圍繞中間區(qū)域31安排的邊緣區(qū)域32 ο在此處所展示的實例中，軸線A延伸穿過中間區(qū)域31?？涨?相應地圍繞軸線A呈封閉的圓周形式延伸。邊緣區(qū)域32還優(yōu)選地繞軸線A以封閉的圓周形式延伸。
[0031]光入射區(qū)域2和光出射區(qū)域3被成形為使得當從沿著軸線A的方向觀看時它們具有η重旋轉對稱，其中，η是大于2的自然數(shù)。這種設計優(yōu)選地使得，如圖中所描繪的，軸線A在此與所述旋轉對稱的軸線完全相同。
[0032]當從平行于軸線A的方向向光出射區(qū)域3上觀看時，后者因此在繞軸線A轉過角度360° /n之后與旋轉之前看起來完全一樣。對于光入射區(qū)域2而言也同樣如此。
[0033]換言之，如果光出射區(qū)域3投影到垂直于軸線A的表面上，則所述投影具有η個旋轉對稱區(qū)域。名稱“旋轉對稱”一般用于平面圖。然而，表達“旋轉對稱區(qū)域”在這種情況下旨在指明所述投影沿軸線A限定或形成的相應三維空間區(qū)域。從而，形成了 η個三維旋轉對稱區(qū)域，這些區(qū)域都向上延伸至軸線Α。
[0034]在此處所示的實例中，光入射區(qū)域2和光出射區(qū)域3具有四重旋轉對稱。這可以清楚地例如從圖2的圖示中看出，該圖示出了沿軸線A至光出射區(qū)域3上的視圖。因此在所示的實例中，形成了四個旋轉對稱區(qū)域1、I1、II1、IV，這些旋轉對稱區(qū)域在每種情況下相對于軸線A相應地具有90°的開度角。
[0035]整個光學元件優(yōu)選地具有所述旋轉對稱。
[0036]通過旋轉對稱可以達到的是，可以將LEDI特別適合地分配給單獨的旋轉對稱區(qū)域1、I1、II1、IV;結果是可以達到能夠受到特別好的控制的光導向。具體可以實現(xiàn)的是，在每種情況下來自LED I的光主要受到該光學元件的位于對應地分配的旋轉對稱區(qū)域1、I1、
II1、IV中的那個區(qū)域的影響。
[0037]LED I與光學元件相對的安排在此優(yōu)選地使得一個LED I安排在旋轉對稱區(qū)域1、
I1、II1、IV中的每一個區(qū)域中，如圖2中通過用虛線表示的四個LED I的位置a、b、c、d舉例描繪的。這種安排一般包括優(yōu)選地η個LED I或者η+1個LED I，在所示的實例中指四個或五個LED I。第五個LED I在此優(yōu)選地相對于光入射區(qū)域2安排在中心，尤其使得它與軸線A相交。
[0038]更加概括而言，η重旋轉對稱和η個LED的情況下的LEDI的安排使得恰好這些LEDI中的一者被安排在η個旋轉對稱區(qū)域中的每個區(qū)域中。在η+1個LED I的情況下，這些LED I的安排使得恰好這些LED I中的一者安排在這η個旋轉對稱區(qū)域中的每個區(qū)域中，并且剩下的一個LED被安排成使得它與光入射區(qū)域2或軸線A在中心相交。
[0039]通過LEDI相對于光學元件的所述安排可以實現(xiàn)的是，LED I之一所發(fā)射的光穿過主要位于其中安排有相關LED的那個旋轉對稱區(qū)域內的光學元件。據(jù)此，可以用特別合適的方式達到特別好的可控性。
[0040]通過所述設計另外可以達到的是，在放置LEDI時的小偏差幾乎對這種安排的光發(fā)射行為沒有任何顯著影響。甚至使用就其大小而言稍微偏離其指定值的LED對光發(fā)射行為具有極少的影響。為了獲得達到一定準確度的特定發(fā)射特性，根據(jù)本發(fā)明的安排因此允許相對大的游隙或制造容差，使得有可能特別有成本效益地制造這種安排。
[0041]圖6示出了展示以不同方式配置的具有對應的發(fā)射特性的安排的四個實例的表格;在此所有的安排具有四重旋轉對稱。
[0042]在左起第一列、第二行中，描繪了類型I的四個LED的安排，對應于圖2中所描繪的位置a、b、c、d。在第三行中，示出了相關聯(lián)的光分布曲線。第二列示出了與以下安排相關的相應表示，在該安排中，與第一列相比較，在中間安排了第五LED，也就是說使得它與軸線A交叉。光分布曲線與第一列中的光分布曲線非常相似。從而，添加第五個LED對光發(fā)射特性具有相對小的影響。
[0043]第三列中的表示與再次使用了四個LED的安排有關，但這些LED是與前2列中所示的類型I的LED相比具有更大的發(fā)光表面的類型2。相應的光分布曲線在此更加均勻。第四列相應地再一次與具有五個LED的安排相關;再一次，添加第五個LED對光發(fā)射特性沒有顯著影響。
[0044]從而，LED的數(shù)量可以在某些限制內變化，而這不會導致發(fā)射特性顯著變化。
[0045]特別合適的是旋轉對稱，其中，η的值在3與10之間，具體地，在3與6之間。這使得在光出射區(qū)域2對面的LED I的特別均勻的安排成為可能。在三重或四重或六重旋轉對稱的情況下，此外使得可以特別簡單地堆疊多個相應的光學元件成為可能。
[0046]如圖1中通過舉例示出的，該光學元件被優(yōu)選地配置成使得在相對于軸線A以直角觀看時中間區(qū)域31呈一級近似的弓形形式。具體地，在此該形狀使得在沿著軸線A的投影觀看時，中間區(qū)域31完全地覆蓋了光入射區(qū)域2。結果是，針對LED I所發(fā)射的光的大部分可以產(chǎn)生特別合適的集束。這在圖3中被展示出，在該圖中，以示例性的方式示出了LED I所發(fā)射的光的一些不例性光線。
[0047]進一步優(yōu)先地，如例如圖1和圖5中所指示的，針對光線的全內反射而設計的反射表面區(qū)域5形成在光入射區(qū)域2和光出射區(qū)域3之間。據(jù)此，可以實現(xiàn)總體寬闊的光發(fā)射。反射表面區(qū)域5優(yōu)選地向上延伸直至光入射區(qū)域2。
[0048]光入射區(qū)域2優(yōu)選地由切口形成。該切口在此優(yōu)選地具有底部區(qū)域21和側壁區(qū)域22。如圖中所描繪的，切口可以具體地由底部區(qū)域21和側壁區(qū)域22形成。LED I優(yōu)選地安排在該切口內，至少與其發(fā)光表面區(qū)域一起。據(jù)此，可以實現(xiàn)這種安排的特別高的光技術效率。
[0049]如具體從圖3中清楚的，該設計在此優(yōu)選地使得反射表面區(qū)域5是針對以下光線的全內反射設計的:經(jīng)由側壁區(qū)域22射入光學元件的光線、以及另外經(jīng)由底部區(qū)域21射入光學元件、優(yōu)選地通過中間區(qū)域31射出光學元件的另外光線。
[0050]該設計在此優(yōu)選地使得LEDI所發(fā)射的光的經(jīng)由側壁區(qū)域22射入光學元件的那部分至少主要在反射表面區(qū)域5經(jīng)歷全內反射，并且LED I所發(fā)射的光的通過底部區(qū)域21射入光學元件的另外一部分光至少主要經(jīng)由中間區(qū)域31射出光學元件。
[0051]換言之，尤其可以提供的是光學元件的形狀被設計成使得LEDI所發(fā)射的光分成兩條主路徑，其中，第一主路徑經(jīng)底部區(qū)域21引入光學元件并且通過中間區(qū)域31引出光學元件。第二主路徑與LED I更平直地發(fā)射的光相關，并且經(jīng)由側壁區(qū)域22引入光學元件并且經(jīng)由邊緣區(qū)域32引出光學元件。遵循第一主路徑的那部分光通過折射的方式被導向，并且遵循第二主路徑的另外那部分經(jīng)歷全內反射并從而在其方向方面受到影響。
[0052]如從圖1變得清楚的，所描述的形狀形成準“中間透鏡”，該中間透鏡在光通過中間區(qū)域31射出的一側受限并且相對于邊緣區(qū)域32“回撥”，也就是說朝光入射區(qū)域2的方向回撥。以這種方式可以達到的是，光學元件總體上可以被設計成相比之下具有特別小的安裝空間并且沿著軸線A具有小范圍h，也就是說低“安裝高度”h。這相對于制造選項是有利的。具體地，以這種方式可以實現(xiàn)特別短的制造時間和特別具有成本效益的制造。
[0053]光學元件的設計優(yōu)選地使得對于其相對于安裝高度h橫向于軸線A的范圍b，滿足以下條件:0.20〈h/b〈0.50，優(yōu)選地，0.25〈h/b〈0.40。
[0054]通過選擇中間透鏡的“高度定位”，此外可以控制將光分成兩條主路徑的成比例分害J，以及根據(jù)要求將或多或少的光導向至反射表面區(qū)域5上。據(jù)此，可以顯著地特別合適地影響這種安排的特性。
[0055]該光學元件優(yōu)選地被配置成注塑成型零件。這使得光學元件的制造可能特別有利。
[0056]如圖1中通過舉例指示的，光出射區(qū)域3優(yōu)選地具有凸形形狀的結構元件35。據(jù)此，可以另外合適地影響這種安排的光發(fā)射。這些結構元件35，通過舉例，可以是一段球體的形式;然而，特別優(yōu)先地，它們具有狹長的結構或形式，即，準“線”，尤其是平行線，例如圓柱形透鏡的形式。所述結構元件35或圓柱形透鏡可以具體地也在光學元件的彎曲表面區(qū)域上延伸。從而，這些結構元件35還可以被形成為使得它們展現(xiàn)出交叉線，也就是說，例如“以交叉的方式延伸的圓柱形透鏡”，使得形成某種類型的微型棱鏡光學器件。
[0057]制造結構元件35的特別合適的選項是將光學元件配置成注塑成型零件，并且在這個過程中使用旋轉工具對與結構元件35相對應的相關模具進行機加工，以便以這種方式使與結構元件35相對應的負表面區(qū)域成形。合適的旋轉工具在此是例如球面刀。以此方式，結構元件35可以有利地特別合適地同樣具體形成于光學元件的總體彎曲的表面區(qū)域上，SP，例如中間區(qū)域31的彎曲表面上。圖7以放大的樣式通過舉例展示了模具的這種表面區(qū)域。圖8示出了中間區(qū)域31的放大后的、相應地配置的表面區(qū)域。
[0058]可以通過結構元件35實現(xiàn)光導向的進一步改善的可影響性。具體地，可以通過結構元件35避免或減少由于反向散射引起的損失。另外可以使用結構元件35類似地解決或減少特別高的點亮度。還可以實現(xiàn)的是來自LED的光從不同的發(fā)射角度更好地混合。據(jù)此，尤其是可以顯著地減少磷光體電暈的負面效應?？傮w上，產(chǎn)生了改善的光的顏色混合。
[0059]可以通過將結構設計成使得它們不超過特定大小或通過將結構表面的陡度選擇成使得其不太大來避免結構元件35處不希望的全內反射。以此方式，特別是可以避免不希望的、干擾的光散射比。
[0060]結構元件35在此不必全部被配置成具有相同的半徑?？梢蕴峁┎煌陌霃?、以及還有不同的深度。以此方式，可以用高度定向且優(yōu)良的方式影響光發(fā)射的方向依賴性。還可以使用具有任何期望設計的非對稱形狀或幾何形狀。然而，在這種情況下，總體上顯著增加了用于生產(chǎn)模具的花費。還可以使用能夠通過更加復雜的方法以及模具加工引入的結構，例如交叉的凹凸結構。
[0061]在此處所展示的實例中，結構元件35形成于中間區(qū)域31的整個表面中。此外，結構元件35形成于邊緣區(qū)域32中?？涨?相對于軸線A在內側由中間區(qū)域31的邊緣區(qū)域形成并且在外側由傾斜的表面區(qū)域41形成，該傾斜的表面區(qū)域向外向上延伸至邊緣區(qū)域32;這個傾斜的表面區(qū)域41優(yōu)選地不具有結構元件35，因為在此沒有預期巨大的光通量，如從圖3的表示中可以看到的。傾斜的表面區(qū)域41優(yōu)選地被成形為使得它與軸線A圍起角度α，該角度小于40°，特別優(yōu)選地小于30°。
[0062]可替代地或此外，結構元件35還可以形成于光入射區(qū)域2中。
[0063]更加概括而言，結構元件35不僅可以有利地用于在此描述的光學元件，而且還可以一般用于透鏡中，確切地，用于光入射區(qū)域中和光出射區(qū)域中。圖9示意性地示出了貫穿相應透鏡的截面。
【主權項】
1.一種用于影響多個LED( I)所發(fā)射的光的光學元件，該光學元件包括 -用于光入射的光入射區(qū)域(2)， -位于該光入射區(qū)域(2)對面、用于光出射的光出射區(qū)域(3)， 其中，該光學元件的形狀限定了既延伸穿過該光入射區(qū)域(2)又延伸穿過該光出射區(qū)域(3)的軸線(A)， 其中，該光出射區(qū)域(3)被細分成中央中間區(qū)域(31)和通過環(huán)形空腔(4)圍繞該中間區(qū)域(31)安排的邊緣區(qū)域(32)， 其特征在于 該光入射區(qū)域(2)和該光出射區(qū)域(3)被成形為使得當從沿著該軸線(A)的方向觀看時它們具有η重旋轉對稱，其中，η是大于2的自然數(shù)。2.如權利要求1所述的光學元件，其中，η具有在3與10之間、特別是在3與6之間的值。3.如權利要求1或2所述的光學元件，其中，在相對于該軸線(A)以直角觀看時，該中間區(qū)域(31)呈一級近似的弓形形式。4.如以上權利要求之一所述的光學元件，其中，在沿著該軸線(A)的投影下觀看時，該中間區(qū)域(31)完全覆蓋了該光入射區(qū)域(2)。5.如以上權利要求之一所述的光學元件，其中，在該光入射區(qū)域(2)與該光出射區(qū)域(3)之間形成了被設計成用于光線的全內反射的反射表面區(qū)域(5)。6.如以上權利要求之一所述的光學元件，其中，該光入射區(qū)域(2)是由切口形成的。7.如權利要求6所述的光學元件，其中，該切口具有底部區(qū)域(21)和側壁區(qū)域(22)，具體地是由該底部區(qū)域(21)和該側壁區(qū)域(22)形成的。8.具有權利要求5和7中所述的特征的光學元件，其中，該反射表面區(qū)域(5)被設計成用于經(jīng)由該側壁區(qū)域(22)射入該光學元件的光線的全內反射。9.如權利要求7或8所述的光學元件，該光學元件被配置成使得經(jīng)由該底部區(qū)域(21)射入該光學元件的另外的光線經(jīng)由該中間區(qū)域(31)射出該光學元件。10.如以上權利要求之一所述的光學元件，該光學元件被配置成注塑成型零件的形式。11.如以上權利要求之一所述的光學元件，其中，該光出射區(qū)域(3)具有多個結構元件(35)，這些結構元件具有凸形形狀。12.如權利要求11所述的光學元件，其中，這些結構元件(35)呈一段球體的形式，或在將彼此連接起來觀看時具有線結構或交叉線結構。13.—種用于光發(fā)射的安排，該安排具有 -根據(jù)以上權利要求之一所述的光學元件 -多個LED(I)，其中，LED(I)的數(shù)量為η或η+1。
【文檔編號】G02B19/00GK105849614SQ201480069001
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年12月17日
【發(fā)明人】史蒂芬·艾伯納
【申請人】宗拓貝爾照明器材有限公司