光束成形系统和使用其的光照系统技术方案

一种光束成形系统例如被用在光源阵列上。光束成形单元的阵列被布置在一般平面中，每个光束成形单元包括中心折射区域、用于处理来自中心区域下方的光源的光的中间全内反射区域、和用于处理来自最近光源和相邻光源的光的外全内反射区域。该外区域实质上扩展了相邻光束成形单元的有效尺寸以改进光束成形性能和/或光学效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于光照系统的光束成形光学器件以及使用该光束成形光学器件的光照系统。
技术介绍
光束成形在许多照明应用中是必不可少的。光束成形光学元件的示例包括经典元件，诸如反射器和准直器。这样的光学元件占据相当大的体积并且相对昂贵，特别是当需要这样光学器件的阵列时，如对于聚光照明应用常有的情况。光束成形通常用于对LED的输出光轮廓进行再成形，因为它们具有非常小的和明亮的光输出区域，而较大的光输出区域是用户期望的。对于LED聚光照明应用，由LED发射的光必须被收集并准直到一定程度。准直的程度取决于应用，但通常从针对宽光束的40°变化到针对窄光束的10°。对于收集和准直功能，通常使用全内反射（TIR）准直器。它们使用在准直器的中心部分处的折射和在准直器的外部分处的全内反射的组合。这样的准直器相对笨重且昂贵。薄膜微光学器件的使用正在被广泛研究作为用于提供与TIR准直器相同的功能的替代选项。这些采用在一个或两个表面上的微结构化表面的材料的厚板的形式。对于大多数应用，单个LED未提供足够的光。在这种情况下，LED阵列被使用，每个都有其自己的准直器。当使用常规的光学器件，这个选项不仅成本高昂，而且从客户的角度会导致当看往或观察光源时的淋浴头的印象。这种淋浴喷头印象从美学观点是不被欣赏的。薄膜的微光学器件的平铺不具有这些缺点，因为该平铺结构具有大体平坦的外观。但是，仍有在实现与高光学效率组合的小光束扩散时的困难。本专利技术旨在解决这一问题。JP2002352611A公开了一种显示设备，包括布置在一般平面中的光束成形单元阵列，每个光束成形单元包括中心折射区域S和提供TIR的一个外区域M。
技术实现思路
本专利技术由权利要求限定。根据一方面，提供了一种光束成形系统，包括布置在一般平面中的光束成形单元阵列，每个光束成形单元包括：中心区域，用于通过折射来自中心区域下方的光源的光来提供光束通过功能;中间区域，用于通过提供来自中心区域下方的光源的光的全内反射（TIR）来提供光束成形功能;和外区域，用于通过提供来自中心区域下方的光源的光的全内反射（TIR）并且还提供来自相邻光束成形单元的中心区域下方的光源的光的全内反射来提供光束成形功能，并且每个光束成形单元具有用于面对光源的阵列的波状表面，其中在所述中间区域和外区域中的波状表面包括一组光偏转棱镜元件（齿），每个光偏转棱镜元件具有朝向光源的第一面和背向光源的第二面，其中，第一面从一般平面以第一角度α延伸，并且第二面从一般平面以第二角度β延伸，其中对于在中间区域中的齿，α<85°，β> 50°，|α-β|>5°，其中对于在外区域中的齿，50°<α，β<60°且|α-β|<5°。光束成形系统可用于处理来自光源阵列的光，例如以形成具有有限光束扩散的光束。光束成形单元被设计为在各自的光源上方居中。优选地，中心区域、中间区域和外区域被同心地围绕中心布置，具有在中心下方的相关联光源。外区域提供相邻光束成形单元（并且因此相邻光源）之间的重叠区。该重叠区允许到达这一重叠区的来自相邻光源的光的接收和成形。结果是在光学效率中的增加或在光束成形程度（例如，准直度）中的增加或两者的组合。该系统可以包括设置有具有用于面对光源阵列的波状表面的光束成形单元的板或箔（在一般平面中延伸），其中在中间区域和外区域中的波状表面包括一组齿，每个齿具有面向光源的第一面和背向光源的第二面。该齿接收相对大角度的入射光（即接近一般平面）。第一面通常执行入射光的折射（其是空气到板的边界），而光通过全内反射反射离开第二面（在板到空气的边界处）。板或箔的材料优选具有在范围1.4到1.7中的折射率。第一面可以被定义为以第一角度α从一般平面延伸并且第二面可以被定义为以第二角度β从一般平面延伸。对于在外区域中的齿，α和β可以在范围50°到60°内。齿以这种方式相当对称，使得它们能够以类似的方式处理来自相对侧的光。对称性可以使得|α-β|<5°。在一种完美对称的实施方式中，α=β。每个光束成形单元可以具有六边形外形，在中心区域和中间区域之间的边界为圆形、六边形或具有圆角的六边形，并且在中间区域和外区域之间的边界为圆形、六边形或具有圆角的六边形。齿可以由此围绕中心圆形延伸远离外区域，其中最外面的形状是六边形。然后外齿可以被成形为从圆形交融到六边形，或者它们可以是不连续的圆形部分。替代地，齿可以都遵循六边形路径，然后可以将边界认为是六边形或具有在圆和六边形之间的形状。因此，每个光束成形单元类似于菲涅尔结构并且全内反射齿可具有不精确旋转对称的形状而是在圆和六边形之间的某处的形状。内区域可以例如比外区域更圆对称。圆对称结构因为它们更易于制造是优选的。在实施例中，光束成形单元包括以下优选特征中的至少一个：- 被稍微倾斜的光偏转棱镜元件（齿）包围的相对大的、弯曲中心光偏转元件，在这方面的稍微倾斜意味着α> 80°和β<50°，其中优选α-β> 35°;- 对于在中间区域中的齿，α>β，优选α-β<30°;- 对于在外区域中的齿，α=β。中间区域和外区域的光束成形功能优选是准直功能。类似地，通过中心区域提供的光束通过功能还可以包括准直功能。因此，单个板可以在其整个区域上提供准直。根据期望的准直程度，光束成形单元包括上述优选特征中的一个或多个。替代方案是使用不同的结构用于准直直接在光源之上的中心区域，和用于准直周边区域（包括对相邻的光源执行准直的情况）。为了这个目的，第二光束成形单元的第二阵列可以被布置在所述（第一）光束成形单元阵列之上的一般平面上，其中通过所述（第一）光束成形单元阵列的中心区域提供的光束通过功能提供穿过功能。本专利技术还提供了一种光照系统，包括：光源阵列;和本专利技术的光束成形系统，其中每个光束成形单元的中心区域被设置在各自的光源之上。光源可包括LED，例如一起包括聚光光照系统。附图说明现在将参照附图详细地描述本专利技术的示例，其中：图1示出由光束成形单元和相关联的LED的申请人提出的系统;图2示出当使用LED阵列时来自图1的LED的一些光如何被引导到相邻光束成形单元;图3示出了影响系统的光学性能的设计参数;图4示出来自一个LED的光到达相邻光束成形单元的问题;图5示出了本专利技术的系统的第一示例的光学行为;图6示出组成每个光束成形单元的不同的区;图7用于解释光束成形单元齿的优选角度关系;图8示出如果入射光束未遇见光束成形单元齿的两面则产生的问题;图9示出使得能够进行选择所期望的角度设置的曲线图;图10示出多个LED和光束成形单元如何可以形成为六边形网格;图11示出非对称齿可用于处理来自在相对侧上的LED的光;图12示出了两个LED之间的非对称齿的光束轨迹;图13示出了用于解释光束成形单元的外区多大可取决于在LED与光束成形单元的间隔的关系;和图14示出了本专利技术的系统的第二示例。具体实施方式本专利技术提供了例如用于在光源阵列之上使用的光束成形系统。光束成形单元的阵列被布置在一般平面上，每个光束成形单元包括中心折射区域、用于处理来自中心区域下方的光源的光的中间全内反射区域，和用于处理来自最近的光源和相邻的光源的光的外全内反射区域。这个外区域实质上扩展了相邻光束成形单元的有效尺寸来提高光束成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光束成形系统，包括布置在一般平面中的光束成形单元（10a、10b）的阵列，每个光束成形单元包括：中心区域（A），用于通过折射来自所述中心区域下方的光源（12a、12b）的光来提供光束通过功能;中间区域（B），用于通过提供来自所述中心区域下方的光源的光的全内反射（TIR）来提供光束成形功能;和外区域（C），用于通过提供来自所述中心区域下方的光源的光的全内反射（TIR）并且还提供来自相邻光束成形单元的中心区域下方的光源的光的全内反射来提供光束成形功能，并且每个光束成形单元（10）具有用于面对光源（12a、12b）的阵列的波状表面，其中在所述中间区域（B）和所述外区域（C）中的波状表面包括一组光偏转棱镜元件（齿），每个光偏转棱镜元件具有朝向所述光源的第一面（17）和背向所述光源的第二面（18），其中，所述第一面（17）从所述一般平面以第一角度α延伸，并且所述第二面从所述一般平面以第二角度β延伸，其中对于在所述中间区域中的所述齿，α<85°，β> 50°，|α‑β|> 5°，其中对于在所述外区域中的所述齿，50°<α，β<60°且|α‑β|<5 °。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.04 EP 14157679.31.一种光束成形系统，包括布置在一般平面中的光束成形单元（10a、10b）的阵列，每个光束成形单元包括：中心区域（A），用于通过折射来自所述中心区域下方的光源（12a、12b）的光来提供光束通过功能;中间区域（B），用于通过提供来自所述中心区域下方的光源的光的全内反射（TIR）来提供光束成形功能;和外区域（C），用于通过提供来自所述中心区域下方的光源的光的全内反射（TIR）并且还提供来自相邻光束成形单元的中心区域下方的光源的光的全内反射来提供光束成形功能，并且每个光束成形单元（10）具有用于面对光源（12a、12b）的阵列的波状表面，其中在所述中间区域（B）和所述外区域（C）中的波状表面包括一组光偏转棱镜元件（齿），每个光偏转棱镜元件具有朝向所述光源的第一面（17）和背向所述光源的第二面（18），其中，所述第一面（17）从所述一般平面以第一角度α延伸，并且所述第二面从所述一般平面以第二角度β延伸，其中对于在所述中间区域中的所述齿，α<85°，β> 50°，|α-β|> 5°，其中对于在所述外区域中的所述齿，50°<α，β<60°且|α-β|<5 °。2.如权利要求1所述的系统，其中所述系统包括上面布置有所述光束成形单元（10a、10b）的板或箔（10）。3.如权利要求1或2所述的系统，其中对于所述外区域，α=β。4.如权利要求1、2或3所述的系统，其中对于所述中间区域，α>β，优选α-β<30°。5.如权利要求1、2、3或4...

【专利技术属性】
技术研发人员：MPCM克里恩，RA塞普克哈诺夫，
申请(专利权)人：飞利浦灯具控股公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL