专利名称：配光装置及其制造方法,以及包括该装置的光学系统的制作方法
技术领域：
本发明一般来说涉及光学技术领域，更具体而言，涉及用于光学系统的配光装置
和包括该配光装置的光学系统，以及制造该配光装置的方法。
背景技术：
众所周知，在诸如光学照明系统的光学系统中，需要通过适当的配光装置而将发自光源装置的光线引导到特定的光接受面，以获得满足各种不同的照明要求的照明光斑。
在某些特定的应用领域，例如路灯照明和投影仪照明系统等中，要求对光源装置发出的光
进行配光以便在光接受面上形成所需的矩形照明光斑。 在目前的一些照明系统中，通过利用配光装置配光来实现所需的照明。例如，由丁毅、顾培夫所著的"实现均匀照明的自由曲面反射器"(光学学报，第27巻第3期，2007年3月，第540-544页)公开了一种通过单一 自由曲面反射器进行配光来实现均匀照明的方案。在所公开的方案中，根据已知的光源装置发光特性以及所需的照明要求，推导出一组可计算反射器的自由曲面形的偏微分方程，并利用数值解法直接得出单一 自由曲面反射器的自由曲面的具体构形参数，从而可获得作为照明系统的配光装置的、能够实现均匀照明的单个的自由曲面反射器。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于光学系统的配光装置，以改善该配光装置的光效率，使得配备有根据本发明的实施例的配光装置的光学系统实现在光接受面上均匀的照度分布。
本发明的实施例提供一种用于光学系统的配光装置，包括 反射单元，其将来自光学系统的光源装置的出射光中的、偏离出射光法线方向的边缘光线中的至少一部分直接反射至所述光学系统的光接收面；禾口 光均匀化单元，其将来自所述光源装置的出射光中的中心光线以及从所述反射单
元反射到所述光均匀化单元的光线引导至所述光接收面，以便在所述光接收面上与来自所
述反射单元的反射光共同用于形成照度均匀的所需光斑。 本发明的实施还提供一种具有上述的配光装置的光学系统。
本发明的实施再提供一种用于制造上述的配光装置的方法，包括 提供反射单元，以使该反射单元将来自光学系统的光源装置的出射光中的、偏离
出射光法线方向的边缘光线中的至少一部分直接反射至所述光学系统的光接收面；禾口 提供光均匀化单元，以使该光均匀化单元将来自所述光源装置的出射光中的中心
光线以及从所述反射单元反射到所述光均匀化单元的光线引导至所述光接收面，以便在所
述光接收面上与来自所述反射单元的反射光共同用于形成照度均匀的所需光斑。
通过结合附图对本发明的具体实施方式
的描述，可使得本发明的目的、特点和优点 更为清楚。在各附图中，相同或者类似的附图标记表示相同或者类似的功能部件。在附图中
图1示出了根据本发明一个实施例的配光装置的配置的透视简图；
图2示出了使用如图1中所示的根据本发明一个实施例的配光装置的照明系统的 侧视图； 图3示出了使用如图1中所示的根据本发明一个实施例的配光装置的照明系统在 工作状态下的示意光路图； 图4A和4B分别示出了未应用根据本发明的实施例的配光装置以及应用了根据本 发明的实施例的配光装置的光学系统的配光曲线的比较图； 图5示出了利用配备有根据本发明的实施例的配光装置的路灯照明系统对路面 进行照明试验所得到的试验结果的照度图；以及 图6示出了用于制造如图1中所示的根据本发明的实施例的配光装置的方法的示 意流程图。
具体实施例方式
下面将结合图l-3描述根据本发明实施例的配光装置100以及配备有这种配光装 置100的光学系统200的示例性实施例。 如图l-3所示，配光装置100包括由四个自由曲面的反射子单元10， 12， 14和16 构成的反射单元，其将来自光源装置26的出射光中的、偏离出射光法线a-a方向的边缘 光线中的至少一部分直接反射至光接收面S-S。配光装置100还包括光均匀化单元18，其 将来自所述光源装置26的出射光中的中心光线以及从所述反射单元反射到所述光均匀化 单元18的光线引导至所述光接收面S-S，以便在所述光接收面S-S上与来自所述反射单元 的反射光共同用于形成所需光斑。在本实施例中，反射单元包括的四个自由曲面的反射子 单元10， 12， 14和16形成了一个反射空间13 (有些情况下也称为"反射杯")，即，在其中来 自光源装置26的光线历经反射单元的反射以到达光接受面S-S用以形成所需光斑的空间。
参见图3所示的光路示意图。从照明系统200的光源装置26出射的光在偏离出 射光法线a-a方向的边缘光线的至少一部分(在图3中以光线A和光线F表示)，通过反 射单元的、构成反射空间P的四个自由曲面的反射子单元10，12，14和反射子单元16(图 中未示出)被直接反射到光接收面S-S上用于形成所需光斑。从光源装置26出射的光在 与出射光法线a-a方向呈某一角度9的范围内的中心光线(即，与法线a-a方向之间 的角度《9的范围内的光线，在图3中以光线C和光线D表示)，通过光均匀化单元18的 反射后，其中的一部分中心光线C经反射后直接到达光接受面S-S，用于形成所需光斑；而 另一部分光线D经反射后到达反射单元的自由曲面反射子单元14，然后通过自由曲面反射 子单元14的再次反射到达光接受面S-S，用于形成所需光斑。从图3中可看出，从光源装 置26发出的光在偏离出射光法线a-a方向的光线中的边缘光线指的是与法线a-a方 向之间的角度大于9的范围内的光线，B卩，除了中心光线之外的光线。从光源装置26出射 的光中还有一部分(在图3中以光线G表示)被反射单元的反射子单元10反射后入射到 光均匀化单元18，然后再经由光均匀化单元18的反射被引导至光接受面S-S，用于形成所需光斑。 此外，从光源装置26发出的光的边缘光线中还有一部分(在图3中以光线B和光线E表示)直接入射到光接受面S-S上而不经过反射单元和/或光均匀化单元光均匀化单元18的反射。由此，在本实施中，从光源装置26发出的光线A-G分别通过反射单元的反射、光均匀化单元的反射、反射单元和光均匀化单元的两次反射、以及直接入射，在光接受面S-S上形成最终的照度均匀的所需光斑。 相对比而言，在现有的配光装置中只设置有反射单元，则在光学系统的光接受面上形成的最终光斑中存在中心亮点。这种中心亮点主要由至少两部分光线形成一部分是由光源装置出射光中的中心光线直接入射到光接受面上的光线；一部分是由反射单元将来自光源装置出射光中的一些光线反射到光接受面上的光线。如上所述，在根据本发明实施例的配光装置100中，通过设置光均匀化单元18而对这些可能形成中心亮点的光线进行相应处理，从而消除中心亮点，改善在光接受面上最终形成的光斑的照度均匀性，提高光效率。 在图1-3中所示的上述根据本发明的实施例的配光装置100的工作中，从光源装置26出射的光当中的中心光线是在与出射光法线a-a方向之间的角度《e的范围内的光线，而从光源装置26出射的光当中的边缘光线是在偏离出射光法线a-a方向，即与出射光法线a-a方向之间的角度大于e的范围中的光线。本领域技术人员理解，角度e与光源装置26的发光特性以及所需的照明要求等条件相关。例如，如果光源装置26是LED光源，则其出射光的发光角度可根据实际需要选择一个合适的角度，例如选为大约80度-180度，而角度9与来自LED光源装置26的中心光线在没有设置光均匀化单元18的情况下要在光接受面S-S上形成的较亮的中心亮点的区域相关。这个较亮的中心亮点的区域就是需要通过光均匀化单元18的作用来分散从而在光接受面S-S上获得照度均匀的最终的所需光斑的区域。同理，来自光源装置26的、经由反射单元的反射(在没有设置光均匀化单元18的情况下)而要在光接受面S-S上用于形成中心亮点的光线也与光源装置26的发光特性以及所需的照明要求等条件相关。基于上述的可根据光学系统的光源装置26的发光特性以及所需的照明要求而预先确定的条件，就可以确定所使用的光均匀化单元18的特性，例如，该光均匀化单元18需要具有如何的反射能力，并由此确定光均匀化单元18的适当的构造，诸如其形状、尺寸、材料等。如前所述，不同的光学系统所具有的光源装置26的发光特性以及所需的照明要求等条件可能是不同的，与此相适应，根据本发明的实施例的配光装置100可以具有各种不同的配置。本领域技术人员可根据具体情况进行相应设计，在此不再赘述。 在上述图l-3所示的实施例中，虽然从光源装置26发出的光的边缘光线中一部分(在图3中以光线B和光线E表示)直接入射到光接受面S-S上而不经过反射单元和/或光均匀化单元光均匀化单元18的反射。但是，在可替选的实施例中，也可通过对配光装置100的结构的适当设置，使得所有的边缘光线都经过反射单元和/或光均匀化单元光均匀化单元18的处理后再被引导至光接受面S-S。 此外，在图1-3所示的实施例中，虽然光均匀化单元18不直接处理光源装置26的出射光中的边缘光线，而是对边缘光线(在图3中用光线G表示)经反射单元反射后的光线进行二次反射。但是，也可通过对配光装置100的结构的适当设置，使得光均匀化单元18可对光源装置26的出射光中的部分边缘光线进行直接反射。 在一些可替选实施方式中，也允许有部分的从光源装置26发出的光线(图中未示 出)最后并不入射到光接受面s-s或者虽然入射到光接受面S-S但是不对最终所需照明光 斑的形成做出贡献。本领域技术人员理解，可通过对配光装置100的结构的适当设置，例 如，反射单元的曲面形状和尺寸、光均匀化单元18的形状和尺寸等，使得这部分光线不影 响所需光斑的形成。 在图l-3所示出的实施例中，光均匀化单元18设置在由所述反射单元的四个自 由曲面反射子单元10，12，14和16所形成的反射空间13 (即"反射杯")中，由此反射单元 可将其所接收的、来自光均匀化单元18的反射光经二次反射到达所述光接收面S-S(在图 3中以光线D表示)。作为可替选的实施例，光均匀化单元18也可以不设置在反射空间13 中。光均匀化单元18的设置可以在图1-3所示的实施例的基础上做出各种改变，例如，使 得光均匀化单元18被设置成离光源装置26更远，因而延伸到该反射空间13外部，被光均 匀化单元18反射的光(在图3中以光线D表示)可不经历反射单元的二次反射。或者，可 使得光均匀化单元18被设置成离光源装置26更近。只要使得该光均匀化单元18能实现 分散要在光接受面S-S上形成的中心亮点，就可提高照度的均匀性。本领域技术人员理解， 光均匀化单元18与光源装置26以及反射单元的位置关系可以根据具体的光学系统特性和 照明需求进行设计，在此不再赘述。 图4A示出了未应用根据本发明实施例的配光装置的光学系统的配光曲线图，图 4B示出了应用了根据本发明实施例的配光装置之后的光学系统的配光曲线图。在图中所 示的曲线中，横坐标表示角度，纵坐标表示光强。曲线与横坐标所围的面积即为光通量(单 位lm，流明)。从图4A的配光曲线可看出，在没有应用根据本发明实施例的配光装置时中 心法线方向光强高，导致中心照度不均匀，在光接受面上会出现中心亮点。而应用了根据本 发明实施例的配光装置之后，如图4B所示，中心光强分布更为均匀，消除了中心亮点，提高 了光效率。 图5示出了应用配备有根据本发明的实施例的配光装置100的路灯照明系统对 路面进行照明试验所得到的试验结果的照度图。在该试验中，将根据本发明的实施例的配 光装置100安装于作为光源装置26的LED模块中以构成照明系统，模拟在道路照明中的 应用，即，模拟在光接受面(本例中即为路面)上的照度分布。其中，LED模块的光通量为 llm(流明)，功率为l瓦特，与光接受面的距离为l米。图5示出的是照明系统的光源装置 LED模块在垂直发光方向的光接受面上的等照度分布曲线图。其中，X和Y分别代表光接受 面的水平和竖直坐标，坐标原点(O，O)表示光源装置LED模块在光接受面上的垂直投影。
根据试验结果，将相等照度的值用曲线连接起来，图5中不同的线形代表不同的 照度值，其照度值(单位为Lux，流明/平方米)在等照度分布图左边标示出。从图4中可 以看出，光接受面中心的照度值分布比较均匀，形成照度均匀的大致的矩形照明光斑，体现 了光均匀化单元18分散光源装置出射光所形成的中心亮点的作用。因此，通过配备有根据 本发明的实施例的配光装置100的路灯照明系统的光效率得到改善，可以很好地符合相关 的路灯国家标准，例如CJJ45-2006城市道路照明设计标准。 除了可以改善照明系统的光效率以外，根据本发明的实施例的配光装置可获得的 有益效果还包括但不限于提高配备有该配光装置的光学系统的大功率驱动能力。由于根据本发明的实施例的配光装置可以充分有效地利用来自光源装置的光线来形成照度均匀的 所需光斑，因此对于需要获得的相同的最终照明光斑而言，配备有根据本发明的实施例的 配光装置的照明系统对比于现有的类似照明系统而言可以使用较低功率的光源装置，从而 降低照明系统成本。此外，照明系统的光效率的提高可以使得配光装置因而使得整个照明 系统的使用寿命得到延长。 上面结合图1-5描述了根据本发明的配光装置以及配备有这种配光装置的光学 系统的具体实施例，在此需要说明，这些实施例中所提及的配光装置和光学系统的具体结 构配置、光学组成元件的类型、其各种具体参数等，都仅为示例性的而不应理解为对本发明 的限制。本领域技术人员理解，本发明还包括对这些实施例的各种可替选的实施方式。
例如，虽然在图l-3所示的上述实施例中，光均匀化单元18被设置成具有反射功 能，通过其反射功能来分散光源装置26的出射光在没有设置光均匀化单元18的情况下要 在光接受面s-s上形成的中心亮点，因而使得最终形成的所需光斑照度均匀。但是本领域 技术人员理解，光均匀化单元18也可以被设置成具有折射功能，其根据折射的原理进行工 作，通过折射来分散光源装置26的出射光在没有设置光均匀化单元18的情况下要在光接 受面上形成的中心亮点，实现最终光斑的均匀的照度。不言而喻，将光均匀化单元18设置 成可同时具有折射和反射功能，使其根据折射和反射的原理来分散光源装置26的出射光 在没有设置光均匀化单元18的情况下要在光接受面上形成的中心亮点也是可行的。对于 作为具有反射和/或折射功能的光均匀化单元18的形状、尺寸等的具体配置，本领域技术 人员可根据具体光学系统的特性以及照明需求进行设计，在此不再赘述。
在上述实施例中，光均匀化单元18被设计为是三棱柱的形状。然而，也可以将其 设计为例如是四棱柱、五棱柱、圆柱形、椭圆柱形、其他多面体形状、由单个的自由曲面形 成，等等。只要可使得光均匀化单元18实现分散光源装置26的出射光在没有光均匀化单 元18的情况下要在光接受面S-S上形成的中心亮点的功能，其各种构形都是可以接受的。 另外，在上述实施例中光均匀化单元18是单个光学元件的形式，但是，根据需要，也可以将 其设计为由若干光学子元件形成。 此外，在上述实施例中，通过四个自由曲面反射子单元10， 12， 14和16构成反射 单元。但是，反射子单元的数量及其自由曲面的形态都不限于此。例如，根据实际需要，反 射子单元的数量可以是大于四个或者小于四个的任意数量，自由曲面的形状也可以是任意 的，诸如矩形曲面、双曲面、抛物曲面等。相应地，由反射子单元形成的反射空间P可以是 长方体、正方体、圆球体、椭圆球体、其他对称的或不对称的多面体，等等。形成反射单元的 各个反射子单元10， 12， 14和16可以采用相同的或者互不相同的自由曲面形式。容易理解， 在反射空间P是圆球体、椭圆球体等的情况下，可由单个的反射子单元来形成所述反射单 元。 应当注意，在图1-3中示出的实施例中，在自由曲面反射子单元10，12，14和16所 形成的反射空间P的下方设置有一个底板20。该底板20可设计为是一个附加的反射面， 用于将来自光源装置26的、入射到其上的一部分杂散光线向上反射，以便使这些光线直接 地、或者通过反射单元和/或光均匀化单元18而被引导至光接受面S-S，用于形成所需光 斑，有助于进一步提高光学系统的效率。当然，该底板20也可以不具有反射功能，而仅作为 用于将反射单元和光均匀化单元18安装到光源装置26上的机械构件。如图1所示，在底板20上开有一个孔22，发自光源装置26的光从该孔22中被导入到反射空间P中。容易 理解，即使不设置底板20，发自光源装置26的光仍可被引入到反射空间13中。从机械安装 的角度来看，也可不通过底板20而将反射单元和光均匀化单元18安装到光源装置26上， 例如，可将反射单元和光均匀化单元18通过支撑杆、粘接剂等直接安装到光源装置26的壳 体等构成部件上。可见，在本发明图1-3中示出的实施例中，底板20是可选的构成部件。
从图1-3可看出，光均匀化单元18通过支撑杆24与反射单元耦接在一起，并整体 地安装在光源装置26的上方。但是本发明不限于此，在其他可替选实施例中，光均匀化单 元18可通过其他任何适合的安装方式与反射单元耦接。例如，光均匀化单元18与反射单 元之间可以固定地连接，也可以通过诸如铰链连接、榫式连接等可拆卸方式进行连接。可替 选地，反射单元和光均匀化单元18可一体地形成，然后将其与光源装置26安装在一起。或 者，反射单元和光均匀化单元18也可作为分立的部件分别与光源装置26安装在一起。此 外，在图l-3所示的实施例中，由反射单元形成的反射空间13设置于光源装置26的上方， 且尺寸大于光源装置26的尺寸。本领域技术人员理解，只要可通过根据本发明的实施例的 配光装置IOO将来自光源装置26的光引导至光接受面S-S从而形成所需的光斑，反射单元 形成的反射空间P与光源装置26之间的位置关系和尺寸关系并不受限于图l-3的实施 例。例如，也可将光源装置26设置在所述反射空间13中，使得该反射空间13环绕光源装 置26。 此外，反射单元和光均匀化单元18的表面可处理为光滑表面或者具有微结构的 表面。可替选地，这些表面可镀覆反射膜，例如镀银膜，镀铝膜等，从而可增强相应反射面的 反射率。 根据本发明的实施例的配光装置100可适用的光源装置26可以是任何合适的类 型，包括但不限于LED装置、白炽灯光源、卤素灯光源、激光光源，等等。相应地，各种光源装 置26配备有根据本发明的实施例的配光装置100可构建各种照明系统，例如，路灯照明系 统、家居照明系统(例如各种灯)、工厂(例如仓库)照明系统、军用照明系统、用于投影仪 的照明系统、用于数字微器件(Digital micro device, DMD)的照明系统、用于液晶显示器 面板的照明系统，等等。因此，配备有根据本发明的实施例的配光装置100的各种照明系统 也应被认为落入本发明的保护范围内。 此外，配备有根据本发明的实施例的配光装置100的光学系统200可以单独地 实施，也可以通过将若干个这样的光学系统组合起来(例如排布成阵列)实施，从而满足 各种不同的需要。而且，也可以根据实际需要，用若干个根据本发明的实施例的配光装置 100 (例如排布成阵列)来对单个的光源装置26进行配光。 图6示出了用于制造如图1中所示的根据本发明的实施例的配光装置100的方法
的示意流程图。如图6所示，在步骤S610，提供反射单元，以使得该反射单元通过反射将来
光学系统的自光源装置的出射光中的、偏离出射光法线方向的边缘光线中的至少一部分引
导至该光学系统的光接收面。在步骤S620，提供光均匀化单元，以使得该光均匀化单元将来
自所述光源装置的出射光中的中心光线的至少一部分引导至所述光接收面，以使其与来自
所述反射单元的反射光在所述光接收面上共同用于形成照明光斑。因此，用于制造根据本
发明的实施例的配光装置100的方法也应被认为落入本发明的保护范围内。 本领域技术人员理解，虽然上述实施例是通过配备有根据本发明的配光装置的照明系统进行描述，但是，根据本发明的配光装置当然可以应用于各种光学系统，只要这种光 学系统需要通过配光装置将来自光源的光引导至特定的光接受面上以形成所述光学图像 (例如光斑)即可。 尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应 该理解，本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、 改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。
权利要求
一种用于光学系统的配光装置，包括反射单元，其将来自光学系统的光源装置的出射光中的、偏离出射光法线方向的边缘光线中的至少一部分直接反射至所述光学系统的光接收面；和光均匀化单元，其将来自所述光源装置的出射光中的中心光线以及从所述反射单元反射到所述光均匀化单元的光线引导至所述光接收面，以便在所述光接收面上与来自所述反射单元的反射光共同用于形成照度均匀的所需光斑。
2. 如权利要求1所述的配光装置，其中所述光均匀化单元被设置在由所述反射单元所形成的反射空间中，由此所述反射单元将其所接收的、来自所述光均匀化单元的光线反射到所述光接收面。
3. 如权利要求1或2所述的配光装置，其中所述光均匀化单元具有反射和/或折射功能。
4. 如权利要求3所述的配光装置，其中所述光源装置是以下中的至少一种LED光源、白炽灯光源、卤素灯光源、激光光源。
5. 如权利要求3所述的配光装置，其中所述光均匀化单元由以下任意一种形状构形而成棱柱形、圆柱形、椭圆柱形、单个的自由曲面。
6. 如权利要求3所述的配光装置，其中所述反射单元和所述光均匀化单元整体地形成。
7. —种具有如权利要求1-6中任一项所述的配光装置的光学系统，其中，所述光学系统配备有一个所述的配光装置或者配备有由多个所述的配光装置形成的阵列。
8. 如权利要求7所述的光学系统，其中所述光学系统是以下中至少之一 路灯照明系统、家居照明系统、工厂照明系统、军用照明系统、用于投影仪的照明系统、用于液晶显示器的照明系统、用于数字微器件的照明系统。
9. 一种制造如权利要求1-6中任一项的用于光学系统的配光装置的方法，包括提供反射单元，以使该反射单元将来自光学系统的光源装置的出射光中的、偏离出射光法线方向的边缘光线中的至少一部分直接反射至所述光学系统的光接收面；禾口提供光均匀化单元，以使该光均匀化单元将来自所述光源装置的出射光中的中心光线以及从所述反射单元反射到所述光均匀化单元的光线引导至所述光接收面，以便在所述光接收面上与来自所述反射单元的反射光共同用于形成照度均匀的所需光斑。
全文摘要
本发明公开了一种用于光学系统的配光装置，包括反射单元，其将来自光学系统的光源装置的出射光中的、偏离出射光法线方向的边缘光线中的至少一部分直接反射至所述光学系统的光接收面；和光均匀化单元，其将来自所述光源装置的出射光中的中心光线以及从所述反射单元反射到所述光均匀化单元的光线引导至所述光接收面，以便在所述光接收面上与来自所述反射单元的反射光共同用于形成照度均匀的所需光斑。本发明还公开了配备有这种配光装置的光学系统及其用于该配光装置的制造方法。配备有根据本发明的实施例的这种配光装置的光学系统可实现均匀的照度，提高光效率。
文档编号F21V7/10GK101782214SQ20091000554
公开日2010年7月21日 申请日期2009年1月19日 优先权日2009年1月19日
发明者何锡源, 罗亚斌, 马克斯·尤埃 申请人:奥斯兰姆有限公司