ОПТИЧЕСКИЙ КОЛЛИМАТОР ДЛЯ СВЕТОДИОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА Российский патент 2018 года по МПК G02B19/00 G02B17/08 G02B27/09 F21V13/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение в целом относится к области коллимации света. В частности, оно относится к коллимационной оптической системе для светодиодных (СИД) источников света.

Уровень техники

Замена галогенных ламп направленного освещения на СИД является растущим рынком. Замена галогенных ламп на СИД является весьма непростой задачей, поскольку галогенные лампы и СИД обладают разными свойствами. В частности, различие между галогенными лампами и СИД состоит в том, что СИД имеют ограниченный выходной поток по сравнению с галогенными лампами. Чтобы светодиодный прожектор имел такую же максимальную интенсивность при конкретных углах раствора пучка, как галогенный прожектор, оптическая система светодиодного прожектора должна обеспечивать гораздо более высокую интенсивность в центре пучка на единицу потока для компенсации ограниченного выходного потока. Интенсивность в центре пучка на единицу потока часто именуется значением силы света в центре пучка (CBCP) на люмен, или просто кд/лм или CBCP/лм.

Ввиду вышеизложенного, в области светодиодной оптики направленного освещения существует задача конструирования компактной и экономичной оптической системы в очень ограниченном пространстве для получения более высокого значения CBCP/лм для конкретных углов раствора пучка.

Светодиодная оптическая система направленного освещения обычно содержит коллиматор на основе полного внутреннего отражения (ПВО), имеющий отверстие для приема СИД и центральную выпуклую линзу, которая располагается на расстоянии от отверстия, куда вставлен СИД. Однако такая конфигурация затрудняет коллимацию и перераспределение света, проходящего через центральную выпуклую линзу, поскольку линза располагается слишком близко к светодиодному источнику, размер которого пренебрежимо мал. Вследствие этого ограничения центральной линзы, распределение интенсивности света выходного светового пучка приобретает нежелательно тяжелые хвосты, что затрудняет получение определенной характеристики направленности, имеющей высокие значения CBCP/лм при конкретных углах раствора пучка, соответствующих полной ширине на полумаксимуме (FWHM). Углы раствора пучка FWHM задаются углами относительно центра пучка, для которых интенсивность света составляет половину интенсивности света в центре пучка.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в преодолении или по меньшей мере уменьшении рассмотренных выше проблем и создании коллимационной оптической системы и осветительного устройства, имеющих повышенный показатель CBCP на люмен. В частности, его задача состоит в создании коллимационной оптической системы и осветительного устройства, обладающих повышенной коллимационной способностью, без увеличения размера оптической системы.

Согласно первому аспекту изобретения эта и другие задачи решаются коллимационной оптической системой для светодиодных (СИД) источников света, содержащей: отражающий коллиматор, имеющий первое отверстие для приема светодиодного источника света и для обеспечения возможности входящему свету из светодиодного источника света входить в коллиматор и второе отверстие для обеспечения возможности исходящему свету выходить из коллиматора, причем отражающий коллиматор дополнительно имеет элемент стенки, проходящий от первого отверстия ко второму отверстию и имеющий внутреннюю отражающую поверхность для направления входящего света от первого отверстия ко второму отверстию; первую выпуклую линзу, размещенную на расстоянии от первого отверстия для преломления входящего света; и вторую выпуклую линзу, размещенную на втором отверстии для преломления исходящего света для коллимации исходящего света.

Предпочтительно первая выпуклая линза размещена на расстоянии от первого отверстия таким образом, что первая выпуклая линза располагается между первым отверстием и вторым отверстием. Благодаря обеспечению второй выпуклой линзы на втором отверстии световые пучки, преломленные первой выпуклой линзой, дополнительно преломляются и коллимируются второй выпуклой линзой. Таким образом, коллимационная способность коллимационной оптической системы повышается, хотя размер коллимационной оптической системы не увеличивается. В частности, для фиксированного значения потока, максимальное значение интенсивности может увеличиваться, поскольку вторая выпуклая линза перераспределяет свет таким образом, что распределение интенсивности света больше концентрируется к центру светового пучка по сравнению со случаем отсутствия второй выпуклой линзы. Одновременно с повышением максимального значения интенсивности, угол раствора пучка FWHM остается по существу неизменным. Другими словами, показатель CBCP на люмен повышается. В результате, можно использовать меньше светодиодных ламп, то есть более низкий поток, в случае, когда CBCP нужно поддерживать на том же уровне, что и раньше. В качестве альтернативы, в случае использования одного и того же количества светодиодных ламп, можно добиться более высокого значения CBCP.

Первая и вторая выпуклые линзы могут быть линзами Френеля, каждая из которых имеет множество граней. Грани иногда именуются зонами Френеля. В случае использования простой выпуклой линзы изображение формы кристалла СИД может быть видимым в пятне освещения, обусловленном коллимационной оптической системой. Однако этого не происходит, если используются линзы Френеля, поскольку линзы Френеля перераспределяют свет в режиме перемежения. В частности, взаимный порядок световых лучей в пучке световых лучей, падающих на первую выпуклую линзу, изменяется по мере того, как пучок световых лучей проходит через и преломляется первой и второй выпуклыми линзами. В результате, визуальная однородность пятна освещения, обусловленного коллимационной оптической системой, повышается.

Визуальная однородность возрастает с увеличением количества граней линз Френеля. В одном варианте осуществления, количество граней первой выпуклой линзы и/или второй выпуклой линзы равно 3, 4 или 5.

Коллимационная оптическая система может дополнительно содержать поверхностную пластину, покрывающую по меньшей мере часть второго отверстия. Вторая выпуклая линза может располагаться на поверхностной пластине. Это имеет преимущество в обеспечении простого и гибкого способа размещения второй выпуклой линзы. Кроме того, вторую выпуклую линзу можно легко включать в состав существующей коллимационной оптической системы. Например, вторая выпуклая линза может располагаться в выемке поверхностной пластины. В качестве альтернативы, вторая выпуклая линза может располагаться на внешней поверхности поверхностной пластины. В качестве еще одной альтернативы, вторая выпуклая линза может располагаться на внутренней поверхности поверхностной пластины.

Предпочтительно оптическая ось первой выпуклой линзы и оптическая ось второй выпуклой линзы совмещены с оптической осью коллимационной оптической системы, причем оптическая ось отражающего коллиматора проходит от первого отверстия ко второму отверстию. Этого можно добиться в случае, когда линзы размещены по существу поперек оптической оси отражающего коллиматора. Это имеет преимущество симметрии коллимационной оптической системы, что обеспечивает изотропию коллимации световых пучков.

Элемент стенки отражающего коллиматора может дополнительно содержать первый участок, содержащий первое отверстие, и второй участок, содержащий второе отверстие, причем первый участок элемента стенки выполнен с возможностью разведения входящего света, падающего на первый участок, для направления входящего света от второй выпуклой линзы, и второй участок элемента стенки выполнен с возможностью коллимации входящего света. Это особенно полезно в случае, когда диаметр второй выпуклой линзы больше диаметра дна отражающего коллиматора. В таком случае, значительная часть световых лучей, отражаемых отражающим коллиматором для направления ко второму отверстию, может блокироваться второй выпуклой линзой, приводя к потере оптической эффективности и потере в значении CBCP. Вышеописанная конфигурация позволяет избежать такой блокировки световых лучей второй выпуклой линзой и, следовательно, повысить эффективность и значение CBCP.

Согласно второму аспекту изобретения, эта и другие задачи решаются посредством осветительного устройства, содержащего по меньшей мере одну коллимационную оптическую систему согласно первому аспекту и по меньшей мере один светодиод, СИД, выполненный с возможностью излучения света через первое отверстие одной из по меньшей мере одной коллимационной оптической системы.

Каждый СИД осветительного устройства может иметь соответствующую коллимационную оптическую систему. Кроме того, каждый СИД может быть выполнен с возможностью излучения света через первое отверстие его соответствующей коллимационной оптической системы. Это имеет преимущество увеличения потока благодаря наличию нескольких СИД и индивидуальной коллимации света каждого СИД для получения повышенного значения CBCP для каждого СИД.

Осветительное устройство может содержать по меньшей мере два СИД, выполненных с возможностью излучения света через первое отверстие общей коллимационной оптической системы. Благодаря наличию по меньшей мере двух СИД, совместно использующих общую коллимационную оптическую систему, осветительное устройство можно сделать более компактным.

Согласно третьему аспекту изобретения, эта и другие задачи решаются способом определения параметров коллимационной оптической системы согласно первой задаче, причем параметры относятся к форме первой и второй выпуклых линз и к форме элемента стенки отражающего коллиматора, причем способ содержит этапы, на которых: определяют начальные значения параметров на основании теоретической модели коллимационной оптической системы, оптимизируют функцию качества по отношению к параметрам коллимационной оптической системы с использованием определенных начальных значений в качестве начальных значений, причем функция качества содержит первую целевую функцию, относящуюся к желаемому углу раствора пучка, соответствующему полной ширине на полумаксимуме (FWHM), и вторую целевую функцию, относящуюся к максимальной интенсивности света в центре светового пучка, выводимого из коллимационной оптической системы.

Функция качества может дополнительно содержать третью целевую функцию, относящуюся к желаемому профилю пучка.

Форму элемента стенки можно дополнительно моделировать посредством набора кривых Безье, имеющих соответствующий набор параметров Безье, причем параметры коллимационной оптической системы содержат радиус кривизны первой выпуклой линзы, радиус кривизны второй выпуклой линзы и набор параметров Безье.

Преимущества и признаки первого аспекта, в целом, применимы ко второму и третьему аспектам.

Следует отметить, что изобретение относится к всевозможным комбинациям признаков, указанных в формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут более подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, демонстрирующие вариант(ы) осуществления изобретения.

Фиг. 1-2 - виды в разрезе осветительных устройств, содержащих коллимационную оптическую систему согласно вариантам осуществления.

Фиг. 3a-b и 4a-b - траектории пучков осветительных устройств согласно вариантам осуществления и соответствующие пятна освещения.

Фиг. 5a-b - траектории пучков осветительных устройств согласно вариантам осуществления.

Фиг. 6a - вид в разрезе осветительного устройства согласно вариантам осуществления.

Фиг. 6b - вид в плане сверху осветительного устройства, показанного на фиг. 6a.

Фиг. 7 - вид в разрезе осветительного устройства согласно вариантам осуществления.

Фиг. 8 - график нормализованного распределения интенсивности как функции угла наблюдения.

Фиг. 9 - блок-схема способа согласно вариантам осуществления.

Как показано на чертежах, размеры слоев и областей в целях иллюстрации преувеличены и таким образом призваны иллюстрировать общие структуры вариантов осуществления настоящего изобретения. Сходные ссылочные позиции обозначают сходные элементы на всех чертежах.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение будет описано ниже более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых показаны предпочтительные в настоящее время варианты осуществления изобретения. Однако это изобретение можно реализовать во многих других формах и не следует рассматривать как ограниченное изложенными здесь вариантами осуществления; напротив, эти варианты осуществления приведены для основательности и полноты и полностью доносят объем изобретения до специалиста в данной области техники.

Фиг. 1 иллюстрирует осветительное устройство 100, содержащее коллимационную оптическую систему 2 и светодиодный источник 5 света. Коллимационная оптическая система 2 содержит отражающий коллиматор 3, например, коллиматор на основе полного внутреннего отражения. Отражающий коллиматор 3 имеет первое отверстие, или отверстие 7 для приема светодиодного источника 5 света и для обеспечения возможности входящему свету из светодиодного источника 5 света входить в коллиматор 3. Кроме того, отражающий коллиматор 3 имеет второе отверстие, или отверстие 9 для обеспечения возможности исходящему свету выходить из отражающего коллиматора 3. Второе отверстие 9 обычно имеет больший размер (диаметр), чем первое отверстие 7. Отражающий коллиматор 3 дополнительно имеет элемент 15 стенки, проходящий от первого отверстия 7 ко второму отверстию 9. Внутренняя поверхность элемента 15 стенки способна отражать свет, чтобы направлять входящий свет от первого отверстия 7 ко второму отверстию 9, таким образом образуя коллиматор на основе полного внутреннего отражения.

Отражающий коллиматор 3 может обладать поворотной симметрией относительно оптической оси A отражающего коллиматора 3, проходящей в направлении от центра первого отверстия 7 к центру второго отверстия 9. В данном случае отражающий коллиматор 3 имеет в общем чашеобразную форму, причем первое отверстие 7 располагается в центре дна чаши, и второе отверстие 9 соответствует верхнему отверстию чаши.

Первая выпуклая линза 11, имеющая диаметр D₁, располагается на расстоянии S₁ от первого отверстия 7. Расстояние S₁ может быть приблизительно равно или близким к фокусному расстоянию первой выпуклой линзы 11. Первая выпуклая линза 11 имеет радиус кривизны r₁. Проиллюстрированная первая выпуклая линза 11 является плосковыпуклой линзой. Плоская поверхность плосковыпуклой линзы обращена от первого отверстия 7. В ряде случаев первая выпуклая линза может быть конической выпуклой линзой. Различные другие асферические линзовые структуры можно использовать взамен сферической поверхности первой выпуклой линзы 11.

Предпочтительно, оптическая ось первой выпуклой линзы 11 соответствует оптической оси A отражающего коллиматора 3. В этом случае говорят, что первая выпуклая линза 11 размещена поперек оптической оси A.

Первая выпуклая линза 11, в целом, может быть соединена с, или поддерживаться, отражающим коллиматором 3 с помощью крепежного средства 19. Крепежное средство 19 может входить в состав отражающего коллиматора 3. Например, первая выпуклая линза 11 может быть соединена с отражающим коллиматором 3 с помощью крепежного средства 19, которое присоединено к отражающему коллиматору 3 и выполнено с возможностью удержания первой выпуклой линзы 11 на расстоянии от первого отверстия 7. В иллюстрируемом примере крепежное средство 19 реализовано посредством элемента 19 внутренней стенки, входящего в состав отражающего коллиматора 3 и проходящего от первого отверстия 7 в направлении второго отверстия 9. Верхний конец элемента 19 внутренней стенки образует отверстие, расположенное на расстоянии S₁ от первого отверстия 7. Отверстие может принимать и удерживать первую выпуклую линзу 11. В альтернативных вариантах осуществления, крепежное средство 19 может содержать раму, которая располагается в отражающем коллиматоре 3 и выполнена с возможностью удержания первой выпуклой линзы 11. В качестве альтернативы, первая выпуклая линза 11 может быть соединена с отражающим коллиматором 3 стержнями.

Вторая выпуклая линза 13, имеющая диаметр D₂, располагается на втором отверстии 9 на расстоянии S₂ от первого отверстия 7. Точнее говоря, вторая выпуклая линза 13 выполнена с возможностью покрытия по меньшей мере частей второго отверстия 9. Вторая выпуклая линза 13 имеет радиус кривизны r₂. Проиллюстрированная вторая выпуклая линза 13 является плосковыпуклой линзой. Плоская поверхность плосковыпуклой линзы обращена ко второму отверстию 9. В ряде случаев вторая выпуклая линза 13 может быть конической выпуклой линзой. Различные другие асферические линзовые структуры можно использовать взамен сферической поверхности второй выпуклой линзы 13. Вторая выпуклая линза 13 обычно имеет такой же показатель преломления n, скажем, как первая выпуклая линза 11.

Предпочтительно, оптическая ось второй выпуклой линзы 13 соответствует оптической оси A отражающего коллиматора 3. В этом случае говорят, что первая выпуклая линза размещена поперек оптической оси A.

Существует много возможных альтернатив размещения второй выпуклой линзы 13 на втором отверстии 9. В проиллюстрированном варианте осуществления, коллимационная оптическая система 2 содержит поверхностную пластину 17. В целом, поверхностная пластина 17 может покрывать по меньшей мере часть второго отверстия 9. В данном случае поверхностная пластина 17 покрывает все второе отверстие 9. Поверхностная пластина 17 предпочтительно выполнена из полупрозрачного материала. Поверхностная пластина 17 выполнена с возможностью удержания второй выпуклой линзы 13. Точнее говоря, поверхностная пластина 17 может содержать выемку 21, которая, предпочтительно, центрирована относительно оптической оси A и в которой может располагаться вторая выпуклая линза 13. В качестве альтернативы, вторая выпуклая линза 13 может располагаться поверх поверхностной пластины 17. В порядке еще одной альтернативы, поверхностная пластина 17 может содержать отверстие, центрированное относительно оптической оси A, в котором может располагаться вторая выпуклая линза 13.

В других вариантах осуществления, вторая выпуклая линза 13 не удерживается и не поддерживается поверхностной пластиной 17. Например, вторая выпуклая линза 13 может удерживаться рамой, которая присоединена к отражающему коллиматору 3 или стержнями, проходящими от отражающего коллиматора 3.

Диаметры D₁ и D₂ и радиусы кривизны r₁ и r₂ могут изменяться таким образом, чтобы получались предписанный угол раствора пучка и желаемая характеристика направленности. Точнее говоря, диаметры D₁ и D₂ и, в частности, радиусы кривизны r₁ и r₂ можно определять согласно процедуре оптимизации, которая будет описана ниже со ссылкой на блок-схему операций, приведенную на фиг. 9.

На первом этапе S100 такой процедуры оптимизации определяются начальное значение диаметров D₁ и D₂ и радиусов r₁ и r₂. Например, начальные значения можно вычислять на основании теоретического вычисления, опирающегося на модель точечного источника и параксиальные условия. Точнее говоря, начальные значения можно определять согласно нижеследующим уравнениям:

где n - показатель преломления первой выпуклой линзы 11 и второй выпуклой линзы 13. Начальное значение D₁ можно определять на основании желаемого отношения между световой энергией, которая проходит через первую выпуклую линзу 11, и световой энергией, которая направляется к элементу 15 стенки отражающего коллиматора 3. Желаемое отношение можно определить, приняв во внимание несколько практических соображений. Например, элемент 15 стенки отражающего коллиматора 3 более эффективно перераспределяет характеристику направленности светодиодного источника для получения высокого CBCP по сравнению с первой выпуклой линзой 11. По этой причине, преимущественно, если D₁ настолько мал, что как можно больше световой энергии направляется к элементу 15 стенки, не проходя через первую выпуклую линзу 11. Однако, в то же время, D₁ не должен быть слишком мал, поскольку слишком малый диаметр D1 может приводить к потерям энергии на поверхностной пластине 17. Точнее говоря, для данного оптического пространства, элемент 15 стенки отражающего коллиматора 3 обладает ограниченной способностью к перераспределению света. В результате, свет может испытывать полное отражение на поверхностной пластине 17. Другими факторами, влияющими на выбор D₁, являются размер и первоначальная характеристика направленности используемого источника света и данный оптический размер.

Поскольку все реальные источники имеют геометрические размеры, вышеупомянутые начальные значения обычно не дают желаемой характеристики направленности. Поэтому на следующем этапе S102 способа вышеупомянутые начальные значения используются в качестве входных данных алгоритма оптимизации.

Функция качества, используемая в оптимизации, содержит несколько целевых функций. Например, функция качества может быть суммой нескольких целевых функций. Во-первых, функция качества базируется на желаемом угле раствора пучка FWHM. Важно учитывать угол раствора пучка FWHM, поскольку желательно увеличивать CBCP, оставляя при этом угол раствора пучка FWHM по существу постоянным.

Во-вторых, функция качества базируется на максимальном значении CBCP/лм. Объединяя желаемый угол раствора пучка FWHM и значение CBCP/лм в одной и той же функции качества, можно получить локальное или глобальное оптимальное значение CBCP для желаемого угла раствора пучка FWHM.

В-третьих, и в необязательном порядке, функция качества может базироваться на желаемом профиле пучка. Например, желаемый профиль пучка может быть параметрическим профилем пучка, например, гауссовым профилем пучка. Предпочтительно, функция качества базируется на желаемом профиле пучка только в случае, когда трудно найти решение на основании первой и второй целевых функций.

Параметры оптимизации можно разделить на две группы, а именно, параметры, относящиеся к первой и второй выпуклым линзам 11 и 13, и параметры, относящиеся к форме элемента 15 стенки отражающего коллиматора 3.

Точнее говоря, параметры оптимизации могут содержать радиус кривизны r₁ первой выпуклой линзы 11 и радиус кривизны r₂ второй выпуклой линзы 13 для оптимизации коллимации световой энергии, которая проходит через линзы 11 и 13. В случае использования асферических линз, параметры оптимизации могут вместо этого содержать соответствующие параметры для асферических линз. В необязательном порядке, оптимизация также может содержать диаметры D₁ и D₂ первой и второй выпуклых линз 11 и 13.

Для оптимизации коллимации световой энергии, которая отражается отражающим коллиматором 3, не проходя через первую выпуклую линзу 11, параметры оптимизации могут содержать параметры, относящиеся к форме элемента 15 стенки отражающего коллиматора 3. Начальные значения этих параметров также можно определить на этапе S100. Например, элемент 15 стенки можно моделировать посредством кривых Безье. В этом случае, параметры оптимизации могут содержать коэффициенты кривых Безье. В случае, когда кривые Безье непригодны для моделирования формы элемента 15 стенки, другие типы кривых асферического профиля можно использовать для моделирования формы элемента 15 стенки. В этом случае, параметры оптимизации могут содержать коэффициенты кривых асферического профиля.

В качестве альтернативы, оптимизацию можно осуществлять в последовательном режиме. Например, сначала параметры можно оптимизировать по отношению к первой целевой функции. Затем, на отдельном этапе, параметры можно оптимизировать по отношению ко второй целевой функции. Аналогичным образом, параметры можно оптимизировать отдельно по отношению к третьей целевой функции.

Функция осветительного устройства 100 будет описана ниже со ссылкой на фиг. 3a-b и фиг. 8.

На фиг. 3b проиллюстрированы траектории пучков осветительного устройства 100 в ходе его эксплуатации. Входящий свет, исходящий из светодиодного источника 5 света, входит в отражающий коллиматор 3 через первое отверстие 7. Входящий свет, который не попадает в первую выпуклую линзу 11, отражается отражающей поверхностью 15 отражающего коллиматора 3, направляясь ко второму отверстию 9.

Входящий свет, который попадает в первую выпуклую линзу 11, коллимируется первой выпуклой линзой 11. В случае, когда светодиодный источник 5 света располагается в фокальной точке первой выпуклой линзы 11, первая выпуклая линза 11 коллимирует свет, падающий на линзу, в пучок по существу параллельных лучей. Однако вследствие ограничений по размеру отражающего коллиматора 3, первая выпуклая линза 11 обычно располагается на расстоянии от СИД, которое короче фокусного расстояния. В результате, пучок лучей, покидающий первую выпуклую линзу 11, является расходящимся.

Затем пучок лучей, коллимированный первой выпуклой линзой 11, попадает во вторую выпуклую линзу 13. Предпочтительно, вторая выпуклая линза 13 превосходит по размеру первую выпуклую линзу 11, благодаря чему, каждый луч света в пучке лучей, прошедшем через первую выпуклую линзу 11, попадает во вторую выпуклую линзу 13. Вторая выпуклая линза 13 дополнительно коллимирует входящий пучок лучей. Таким образом, благодаря обеспечению второй выпуклой линзы 13, коллимационная способность коллимационной оптической системы 2 повышается без увеличения размера оптической системы.

На фиг. 8, характеристики коллимационной оптической системы 2, содержащей вторую выпуклую линзу 13 сравниваются с характеристиками коллимационной оптической системы без второй выпуклой линзы 13. Фиг. 8 демонстрирует нормализованные распределения 25 и 27 интенсивности коллимационной оптической системы 2 со второй выпуклой линзой 13 и без второй выпуклой линзы 13, соответственно. Оба распределения интенсивности соответствуют полной ширине на полумаксимуме (FWHM) в 21 градус. На графике показано, что сила света в центре пучка (CBCP), то есть центральная максимальная интенсивность, примерно на 25% выше для коллимационной оптической системы 2, имеющей вторую выпуклую линзу 13. Кроме того, хвосты распределения 25 гораздо легче, чем хвосты распределения 27. Это означает, что интенсивность света оптического коллиматора 2, имеющего вторую выпуклую линзу 13, лучше фокусируется в центр пучка по сравнению с интенсивностью света оптического коллиматора без второй выпуклой линзы. Таким образом, благодаря обеспечению второй выпуклой линзы 13, интенсивность света можно перераспределять таким образом, чтобы получать распределение интенсивности света, которое лучше сфокусировано вокруг центра пучка и имеет более высокий центральный максимум.

На практике, обеспечение второй выпуклой линзы 13 имеет несколько последствий. С одной стороны, для одного и того же светового потока, можно получить более высокую центральную максимальную интенсивность, чем с помощью оптического коллиматора без второй выпуклой линзы. С другой стороны, такую же центральную максимальную интенсивность, как и для коллимационной оптической системы без второй выпуклой линзы, можно получить при более низком световом потоке. Последний факт, таким образом, означает, что можно использовать меньше СИД.

Фиг. 3a иллюстрирует пятно 29 освещения, которое можно получить, направляя осветительное устройство 100 к поверхности. Центр пятна 29 пучка имеет форму, близкую к квадратной. Это обусловлено тем, что кристалл СИД обычно имеет прямоугольную форму, и тем, что эта форма изображается первой и второй выпуклыми линзами 11 и 13.

Фиг. 2 иллюстрирует осветительное устройство 200, содержащее коллимационную оптическую систему 2 и светодиодный источник 5 света. Коллимационная оптическая система 2 осветительного устройства 200 отличается от коллимационной оптической системы 2 осветительного устройства 100 тем, что первая и вторая выпуклые линзы 11 и 13 являются линзами Френеля. Каждая из первой и второй выпуклых линз 11 и 13 содержит множество граней 23 и 24, соответственно, также известных как зоны Френеля. Грани 23 являются концентрическими кольцевыми секциями линз 11 и 13. Количество граней 23 первой выпуклой линзы 11 и второй выпуклой линзы 13 может различаться. В одном варианте осуществления количество граней первой выпуклой линзы и/или второй выпуклой линзы равно 3, 4 или 5. В проиллюстрированном варианте осуществления, первая выпуклая линза 11 имеет четыре грани, и вторая выпуклая линза 13 имеет пять граней. Варьируя количество граней 23 и 24 и согласовывая размеры первой выпуклой линзы 11 и второй выпуклой линзы 13, можно оптимизировать значение интенсивности центрального пучка выходного света. Таким образом, количества граней 23 и 24 являются параметрами, которые можно регулировать для оптимизации характеристик оптического коллиматора 2.

По аналогии с раскрытием, представленным на фиг. 1, вторая выпуклая линза 13 может по-разному располагаться на втором отверстии 9. В иллюстрируемом примере вторая выпуклая линза 13 располагается на внутренней поверхности поверхностной пластины 17. Предпочтительно, для упрощения изготовления коллимационной оптической системы 1, вторая выпуклая линза 13 формируется воедино с поверхностной пластиной 17. Кроме того, коллимационная оптическая система 1 в целом, предпочтительно формируется из одного куска, содержащего только один вид материала, например пластмассу.

Функция осветительного устройства, содержащего линзы Френеля в качестве первой и второй выпуклых линз 11 и 13 будет описана ниже со ссылкой на фиг. 4a-b.

Фиг. 4b иллюстрирует осветительное устройство 400, имеющее первую выпуклую линзу 11, которая является линзой Френеля с тремя гранями 23a-b, и вторую выпуклую линзу 13, которая является линзой Френеля с тремя гранями 24a-c.

Входящий свет, исходящий из СИД 5 входит в отражающий коллиматор 3 через первое отверстие 7. Входящий свет, который попадает на первую выпуклую линзу 11, коллимируется первой выпуклой линзой 11. Благодаря структуре с гранями первой выпуклой линзы 11, входящие световые лучи коллимируются попеременно, в том смысле, что взаимный порядок лучей во входящем пучке лучей отличается от взаимного порядка лучей в исходящем пучке. Точнее говоря, преломление входящих световых лучей зависит от того, на какую грань 23a-c падают световые лучи.

В иллюстрируемом примере, первая и вторая выпуклые линзы 11 и 13 размещены так, что световые лучи, попадающие на грань 23a первой выпуклой линзы 11, преломляются и направляются к грани 24a второй выпуклой линзы 13. Кроме того, световые лучи, попадающие на грань 23b первой выпуклой линзы 11, преломляются и направляются к грани 24c второй выпуклой линзы 13. Аналогично, световые лучи, попадающие на грань 23c первой выпуклой линзы 11, преломляются и направляются к грани 24b второй выпуклой линзы 13. Затем пучок световых лучей, коллимированный и перемеженный первой выпуклой линзой 11 дополнительно коллимируется выпуклой линзой 13.

Характеристики осветительных устройств 200 и 400, содержащих линзы Френеля, сравнимы с характеристиками осветительного устройства 100 в отношении максимальной интенсивности света в центре пучка. Однако осветительные устройства 200 и 400 имеют дополнительные преимущества, которые будут объяснены со ссылкой на фиг. 4a.

Фиг. 4a иллюстрирует пятно 31 пучка, полученное направлением осветительного устройства 200 или 400, содержащего первую и вторую выпуклые линзы 11 и 13, обе из которых являются линзами Френеля, к поверхности. Пятно 31 пучка имеет однородный и кругосимметричный внешний вид. В частности, пятно 31 пучка не содержит изображения прямоугольной формы кристалла СИД. Это обусловлено тем, что линзы Френеля перемежают, т.е. перераспределяют пути света, исходящего из СИД 5, как объяснено выше.

Увеличивая количество граней 23 и 24, применяемое во Френелевой структуре, можно повысить показатель однородности пятна 31 пучка. Это обусловлено тем, что увеличение количества граней приводит к усилению способности к перераспределению или перемежению световых лучей из СИД 5. Таким образом, количества граней 23 и 24 являются параметрами, которые можно регулировать для оптимизации показателя однородности пятна 31 пучка, а также для оптимизации максимальной интенсивности центрального пучка выходного света.

Фиг. 5a иллюстрирует осветительное устройство 500a, аналогичное показанному на фиг. 1. В частности, фиг. 5a иллюстрирует траектории пучков для световых пучков, отражаемых отражающим коллиматором 3. Пучки, отражаемые внутренней поверхностью 15, направляются ко второму отверстию 9. Однако, когда диаметр второй выпуклой линзы 13 больше диаметра дна отражающего коллиматора 3, некоторые из пучков направляются ко второй выпуклой линзе 13. Это нежелательный признак, поскольку пучки, попадающие на вторую выпуклую линзу 13, сильно коллимируются, что может приводить к падению интенсивности центрального пучка. Падение интенсивности зависит от того, сколько света попадает в верхнюю центральную линзу после отражения отражающим коллиматором 3.

Фиг. 5b иллюстрирует осветительное устройство 500b согласно альтернативному варианту осуществления. Осветительное устройство 500b имеет отражающий коллиматор 3, где элемент стенки имеет два участка P₁ и P₂. Участок P₁ содержит первое отверстие 7, и второй участок P₂ содержит второе отверстие 9. Первый участок P₁ выполнен с возможностью разведения входящего света. Точнее говоря, кривизна элемента стенки на первом участке P₁ установлена такой, что падающий пучок световых лучей отражается с расхождением относительно оптической оси A осветительного устройства 500b. Обычно кривизна элемента стенки на первом участке P₁ больше кривизны соответствующего участка элемента стенки осветительного устройства 500a. Таким образом, входящий свет направляется от второй выпуклой линзы 13. Аналогично, второй участок P₂ выполнен с возможностью коллимации входящего света. В частности, кривизна элемента стенки на втором участке P₂ установлена такой, что падающий пучок световых лучей отражается с коллимацией относительно оптической оси A осветительного устройства 500b.

На практике форму элемента 15 стенки на первом участке P₁ можно моделировать первым набором кривых Безье, имеющих первый набор параметров Безье. Аналогичным образом, форму элемента 15 стенки на втором участке P₂ можно моделировать вторым набором кривых Безье, имеющих второй набор параметров Безье. Первый набор параметров Безье и второй набор параметров Безье можно оптимизировать в соответствии с раскрытым выше способом оптимизации. В частности, начальные значения для оптимизации первого набора параметров Безье можно выбирать таким образом, чтобы пучок световых лучей, падающий на первый участок P₁, отражался с расхождением. Аналогично, второй набор параметров Безье можно выбирать таким образом, чтобы пучок световых лучей падающий на второй участок P₂, коллимировался или отражался со схождением. Поскольку первый и второй участки P₁ и P₂ имеют свои собственные наборы параметров Безье, оптимизацию можно осуществлять по отдельности для двух участков P₁ и P₂.

Фиг. 6a и 6b иллюстрируют осветительное устройство 600, содержащий несколько СИД и несколько коллимационных оптических систем. В принципе возможно любое количество СИД и коллимационных оптических систем. В данном случае, в целях иллюстрации, показаны четыре СИД 5a-d и четыре коллимационных оптических систем 3a-d.

Каждый СИД 5a-d соответствует одной коллимационной оптической системе 3a-d. Например, в иллюстрируемом примере, СИД 5a соответствует коллимационной оптической системе 3a, и СИД 5b соответствует коллимационной оптической системе 3b. Коллимационная оптическая система 3a-d может относиться к любому из раскрытых здесь типов. В частности, СИД 5a-d могут размещаться в первом отверстии своих соответствующих коллимационных оптических систем 3a-d, благодаря чему СИД выполнены с возможностью излучения света через первое отверстие своей соответствующей коллимационной оптической системы.

Осветительное устройство 600 дополнительно содержит поверхностную пластину 17, которая полностью покрывает вторые отверстия 9a-d коллимационной оптической системы 3a-d. Проиллюстрированная поверхностная пластина 17 может иметь круглую форму в виде сверху.

Фиг. 7 иллюстрирует альтернативный вариант осуществления осветительного устройства 700, содержащего несколько СИД. Осветительное устройство 700 содержит множество СИД. В данном случае в целях иллюстрации показано два СИД 5a-b. Осветительное устройство 700 дополнительно содержит коллимационную оптическую систему 3 согласно любому из ранее раскрытых вариантов осуществления. Множество СИД 5a-b выполнено с возможностью размещения в первом отверстии 7 коллимационной оптической системы 3. Таким образом, множество СИД выполнено с возможностью излучения света через первое отверстие 7 общей коллимационной оптической системы 3.

Специалисту в данной области техники понятно, что настоящее изобретение никоим образом не ограничено вышеописанными предпочтительными вариантами осуществления. Напротив, в объеме нижеследующей формулы изобретения возможны многочисленные модификации и вариации. Например, варианты осуществления, раскрытые со ссылкой на фиг. 6 и 7, можно объединять в осветительное устройство, содержащее несколько коллимационных оптических систем, по аналогии с вариантом осуществления, представленным на фиг. 6a и 6b, но в котором каждая коллимационная оптическая система связана с несколькими СИД, как показано на фиг. 7.

Дополнительно, специалист в данной области техники может понять и использовать вариации раскрытых вариантов осуществления, практически осуществляя заявленное изобретение, изучая чертежи, раскрытие и нижеследующую формулу изобретения. В формуле изобретения, слово «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов, и их упоминание в единственном числе не исключает наличия их множества. Лишь тот факт, что определенные средства упомянуты в различных зависимых пунктах формулы изобретения не означает, что нельзя с пользой применять сочетание этих средств.

Коллимационная оптическая система содержит отражающий коллиматор, имеющий чашеобразную форму, содержит первое отверстие в центре нижней стороны чаши для приема светодиодного источника света, второе отверстие в верхнем отверстии чаши для обеспечения возможности исходящему свету выходить из упомянутого отражающего коллиматора и элемент стенки, проходящий от первого отверстия ко второму отверстию и имеющий внутреннюю отражающую поверхность, первую выпуклую линзу, соединенную с отражающим коллиматором через крепежное средство и размещенную на расстоянии от первого отверстия между первым и вторым отверстиями, вторую выпуклую линзу, размещенную на поверхностной пластине, которая покрывает по меньшей мере часть второго отверстия. Технический результат - повышение коллимационной способности без увеличения размера оптической системы. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Коллимационная оптическая система (2) для светодиодных источников (5) света, содержащая:

- отражающий коллиматор (3), имеющий чашеобразную форму с нижней стороной и верхней стороной, причем упомянутый отражающий коллиматор (3) дополнительно содержит первое отверстие (7), расположенное в центре нижней стороны чаши, для приема светодиодного источника (5) света и для обеспечения возможности входящему свету из светодиодного источника света входить в упомянутый отражающий коллиматор (3), и второе отверстие (9), расположенное в верхнем отверстии чаши, для обеспечения возможности исходящему свету выходить из упомянутого отражающего коллиматора (3), причем отражающий коллиматор (3) дополнительно имеет элемент (15) стенки, проходящий от упомянутого первого отверстия (7) к упомянутому второму отверстию (9) и имеющий внутреннюю отражающую поверхность для направления упомянутого входящего света от упомянутого первого отверстия (7) к упомянутому второму отверстию (9),

- первую выпуклую линзу (11), соединенную с отражающим коллиматором (3) через крепежное средство (19), размещенную на расстоянии от первого отверстия (7) между первым отверстием (7) и вторым отверстием (9), для преломления упомянутого входящего света и

- вторую выпуклую линзу (13), размещенную на поверхностной пластине (17), которая покрывает по меньшей мере часть второго отверстия (9), для преломления упомянутого исходящего света для коллимации упомянутого исходящего света.

2. Коллимационная оптическая система по п. 1, в которой первая и вторая выпуклые линзы являются линзами Френеля, каждая из которых имеет множество граней.

3. Коллимационная оптическая система по п. 2, в которой количество граней первой выпуклой линзы и второй выпуклой линзы различны.

4. Коллимационная оптическая система по п. 3, в которой количество граней первой выпуклой линзы и/или второй выпуклой линзы равно 3, 4 или 5.

5. Коллимационная оптическая система по п. 1 или 2, в которой вторая выпуклая линза расположена в выемке поверхностной пластины.

6. Коллимационная оптическая система по п. 1 или 2, в которой вторая выпуклая линза расположена на внешней поверхности поверхностной пластины.

7. Коллимационная оптическая система по п. 1, в которой оптическая ось первой выпуклой линзы и оптическая ось второй выпуклой линзы совмещены с оптической осью отражающего коллиматора, причем оптическая ось отражающего коллиматора проходит от первого отверстия ко второму отверстию.

8. Коллимационная оптическая система по п. 1, в которой элемент стенки содержит первый участок, содержащий первое отверстие, и второй участок, содержащий второе отверстие, причем первый участок элемента стенки выполнен с возможностью разведения входящего света, падающего на первый участок, таким образом, чтобы направить входящий свет от второй выпуклой линзы, и второй участок элемента стенки выполнен с возможностью коллимации входящего света.

9. Осветительное устройство (100), содержащее

- по меньшей мере одну коллимационную оптическую систему (2) по п. 1 и

- по меньшей мере один светодиод (5) (СИД), выполненный с возможностью излучения света через первое отверстие (7) одной из по меньшей мере одной коллимационной оптической системы (2).

10. Осветительное устройство по п. 9, в котором каждый СИД (5) по меньшей мере одного светодиодного источника имеет соответствующую коллимационную оптическую систему, причем каждый СИД выполнен с возможностью излучения света через первое отверстие его соответствующей коллимационной оптической системы.

11. Осветительное устройство по п. 9, содержащее по меньшей мере два СИД, выполненных с возможностью излучения света через первое отверстие общей коллимационной оптической системы.

12. Способ определения параметров коллимационной оптической системы (2) по п. 1, причем параметры относятся к форме первой (11) и второй выпуклой линзы (13), и к форме элемента (15) стенки отражающего коллиматора (3), причем способ содержит этапы, на которых:

- определяют (S100) начальные значения параметров на основании теоретической модели коллимационной оптической системы (2),

- оптимизируют (S102) функцию качества по отношению к параметрам коллимационной оптической системы (2) с использованием определенных начальных значений в качестве начальных значений, причем функция качества содержит первую целевую функцию, относящуюся к желаемому углу раствора пучка, соответствующему полной ширине на полумаксимуме (FWHM), и вторую целевую функцию, относящуюся к максимальной интенсивности света в центре светового пучка, выводимого из коллимационной оптической системы (1).

13. Способ по п. 12, в котором функция качества дополнительно содержит третью целевую функцию, относящуюся к желаемому профилю пучка.

14. Способ по п. 12, в котором форма элемента стенки моделируется посредством набора кривых Безье, имеющих соответствующий набор параметров Безье, причем параметры коллимационной оптической системы содержат радиус кривизны первой выпуклой линзы, радиус кривизны второй выпуклой линзы и набор параметров Безье.