具有拒绝中心透镜的介电准直器的制作方法

本发明涉及一种包括中心透镜的介电准直器，中心透镜包括光输入表面和光输出表面。

背景技术：

介电准直器尤其是tir准直器是led照明的核心组成部分。许多变型被使用并且每年产生数十亿。tir准直器具有两个部段：通过全内反射(tir)工作的部段，还被称为tir部段；以及中心部段，基本上是通过两次折射聚焦光的透镜。在通常设计中，30％至40％的光行进通过中心透镜，并且剩余的光通过tir部段。

例如，us8,371,710b2描述了一种用于闪光灯的透镜，该透镜尽管被适配用于聚焦光，但是基本上具有上述现有技术类型的tir准直器的结构。透镜包括透镜本体，该透镜本体具有前面、背侧空隙以及在前面与背侧阱之间延伸的侧表面。前面包括中央表面以及环形表面，中央表面形成透镜的中央部的光输出表面，环形表面形成与上述tir部段相对应的透镜的外环形部的光输出表面。背侧空隙包括空隙侧壁和底座，后者限定出中心部的光输入表面。光源被布置为诸如沿光轴可移位到背侧空隙中和外。

来自tir准直器的可实现的轴上强度由贡献大约80％的tir路径主导，其中中心透镜仅仅贡献20％。这是基于强度与源亮度和沿轴线发射的面积的乘积成比例这一事实。中心透镜仅仅覆盖透镜的小中心部分，并且因此具有小表面区域，并且因此对强度的贡献很小。两条光路之间存在其他实质性差异。由于光学扩展量规则和光线分配，tir路径是非成像路径，并且其会产生相对窄的光分布。然而，如果没有使用散射特征，则中心透镜将源成像到远场中。这通常是不期望的，因为清晰的源图像使led的任何非均匀特征在目标表面上可见，诸如，接合线、锐利边缘、色彩差异等。

由于透镜与源的接近度，由透镜产生的源图像相当宽，这使得其主导全tir准直器的光分布的边缘。在许多情况下这种光都是不期望的，因为其会在主光束周围产生光晕。当从某个角范围回头看向射灯时，仅仅每个tir准直器的中心透镜发出光，这被认为是炫光和有斑点。在很多现今的led射灯(如果不是大部分的话)中都能看到这一点。特别由于其成像特性，中心透镜在与板上芯片(cob)光源或者中功率光源一起使用时是有问题的，因为这种光源的边缘发出完全转换的淡黄色光。中心透镜将这种光置于光分布的边缘，从而在光分布周围产生黄色外层环，从而引起抱怨。

换言之，在中心透镜部段中存在太多的光学扩展量。只有通过减少光学扩展量，在保持透镜的大小的同时使波束角较小才是可能的，这意味着减小了透过透镜的流量。这可以通过使用面具吸收或者反射部分光来完成。然而，除了降低透镜的效率之外，吸光元件的引入还意味着额外的生产步骤，呈第二材料的注塑成型部分、插入部分或者某些种类的打印或者涂漆过程的形式。这种添加的成本是不期望的。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服这种问题，并且提供一种介电准直器，该介电准直器在使用中呈现出减少的光学扩展量并且因此减少或者甚至完全去除由透镜与源的接近度产生的光晕效应。

根据本发明的第一方面，这个和其他目的是通过介电准直器来实现的，该介电准直器包括中心透镜，该中心透镜包括光输入表面和光输出表面，光输出表面是凸面的并且大体上半球形的，并且光输入表面包括：中央表面部段，该中央表面部段形成中心透镜的透光部，该透光部被适配用于接收入射光并且对其进行透射使其从光输出表面发射；以及外围延伸的环形外表面部段，该外围延伸的环形外表面部段是大体上平面的并且被适配用于以这样的方式重定向入射光使得：经重定向的光在光输出表面处经历tir并且被发射回到光输入表面之外。通过提供具有中心透镜的介电准直器，其中该中心透镜包括光输出表面和光输入表面，该光输出表面是凸面的并且大体上半球形的，该光输入表面包括外围延伸的环形外表面部段，该外围延伸的环形外表面部段是大体上平面的并且被适配用于这样的方式重定向入射光使得经重定向的光在光输出表面处经受tir，导致介电准直器被设置有再成形为使能拒绝入射光的一部分而不是吸收入射光的中心透镜。拒绝是通过在半球形的光输出表面处全内反射在光输入表面处在环形外表面部段处接收到的光来实现的。该构造背后的原理可以被视为以这样的方式使透镜的光输出表面成形使得：透镜的沿光输出表面的外部段基本上作为将入射光转动180度的圆形光导来工作。因此获得的反射模式相当于由声学和光学已知的所谓的回音廊模式。

在这一点上，应当注意，当将光输出表面描述为“大体上半球形的”时，其旨在通过使用词语“大体上”来涵盖与完全半球形的形状的较小偏差，因为与完全半球形的形状的细微偏差事实上是可能的并且在不影响实现结果的情况下是可接受的。同样，应当注意，当将环形外表面部段描述为“大体上平坦的”时，其旨在通过使用词语“大体上”来涵盖与完全平坦的形状的较小偏差，诸如，例如，表面粗糙度和表面结构。

因此，提供了一种介电准直器，该介电准直器在使用中呈现出减少的光学扩展量，并且利用该介电准直器，大大减少或者甚至完全去除由透镜与源的接近度导致的光晕效应。此外，不采用附加的吸光或者反射元件或者材料。

通过进一步提供具有包括形成透光部的中央表面部段的光输入表面的中心透镜，获得上述优点，同时还提供具有透光部的中心透镜以确保具有足够窄的光束角的光输出。

在一个实施例中，中心透镜的光输入表面包括中心c，并且外表面部段在光输入表面的部分上延伸，光输入表面的该部分以距中心c的、间隔为从1/n*r到r的一定径向距离延伸，其中n是中心透镜的材料的折射率，并且r是大体上半球形的光输出表面的半径。

在一个实施例中，光输入表面的外表面部段在光输入表面的径向最外三分之一上延伸。

通过这两个实施例中的任何一个，当环形外表面部段被限制为仅仅设置在光输入表面的径向区域中时，中心透镜的中央表面部段的大小与中心透镜的环形外表面部段的大小之间的关系分别被优化，在该光输入表面的径向区域中，入射光会按照其实际上在半球形的光输出表面处遭受tir的这种角度被折射。

中心透镜的材料的折射率n可以被包括在从1.4到1.6的间隔内(诸如，例如，约1.5)。

根据所使用的材料的折射率，通过多次反射的拒绝仅仅在半球的某个径向范围内有效。光被拒绝的径向入射范围大约是从1/n*r到r，其中r是半球的半径，因此，对于折射率约为1.5的典型介电材料，光被拒绝的径向入射范围是球面径向孔外的三分之一。相同的机制对于平面外光线以及针对平面内情况的所示的光线有效。这意味着，半球形透镜可以用于拒绝入射光的部分并且减少透射光的光学扩展量。对于未被反射的光，半球自然会提供一些准直，但是对于设计透镜进入表面的内2/3以改进该准直而言是相当简单直接的。

所产生的中心透镜因此具有双功能：它部分地用作tir反射设备并且部分地用作正常折射透镜。

外tir部段在两种情况下都是相同的。在改进的中心透镜中，输出表面是半球并且输入表面是：平坦部段，该平坦部段覆盖表面的最外的三分之一，该平坦部段拒绝入射光；以及凹面部段(球面或者非球面)，该凹面部段形成透镜的透光部。两个功能区域可以由透镜输入表面中的扭结(kink)分离以改进准直。还可以使用具有稍差准直的连续表面。

可以看出，通过输入表面的收集的径向范围的光线在其被准直的情况下扩展以在撞击输出表面之前覆盖较大的径向范围。由于光学扩展量保护，该扩展使所产生的光束更窄。

在一个实施例中，光输入表面的外表面部段垂直于介电准直器的光轴延伸，或者以与介电准直器的光轴成小于10°的角度延伸。

因此，提供了一种介电准直器，利用该介电准直器，在光输入表面的外表面部段入射的光按照沿光输出表面的内侧的拒绝效应被优化的这种角度被折射。

在一个实施例中，光输入表面的中央表面部段是凹面的。

因此，提供了一种介电准直器，利用该介电准直器，在中央表面部段上入射的光被提供为具有改进的准直度。

在一个实施例中，光输入表面的中央表面部段是球面的和非球面的中的任何一种。

因此，提供了一种介电准直器，利用该介电准直器，在中央表面部段上入射的光被提供为具有特别高的准直度。

在一个实施例中，扭结被设置在位于光输入表面的中央表面部段和外表面部段之间的过渡中。

在特定实施例中，设置在位于中央表面部段和外表面部段之间的过渡中的扭结是凸扭结。

在任何一种情况下，提供这种扭结都会产生实现入射光的准直度的进一步改进的结果。已经示出了凸扭结以提供最好的结果。

在一个实施例中，在光输入表面的中央表面部段和外表面部段之间的过渡是连续的。

这提供了一种具有特别容易制造的形状的中央透镜的光输入表面。

在一个实施例中，中心透镜的光输入表面和光输出表面中的至少一个包括表面纹理和/或光散射结构。

因此，实现入射光的附加和/或改进混合，以提供具有相当高的光束质量的更均匀的光输出。

在一个实施例中，介电准直器进一步包括tir准直外部段，tir准直外部段在中心透镜周围延伸并且被连接至中心透镜。

在一个实施例中，tir准直外部段包括光输入表面，并且中心透镜的光输入表面被布置为相对于tir准直外部段的光输入表面凹陷。

在一个实施例中，介电准直器进一步包括tir准直外部段，tir准直外部段在中心透镜周围延伸并且被连接至中心透镜，并且中心透镜的凸面的且大体上半球形的光输出表面的最接近光输入表面的部分已经被去除以允许到tir准直外部段的机械连接。特别地，凸面的且大体上半球形的光输出表面的最接近光输入表面并且具有0度的拔模角的部分被去除。

因此，介电准直器特别容易制造并且在仅仅最低程度地影响中心透镜的效率的同时已经提供了配件。

在一个实施例中，介电准直器是tir准直器、tir菲涅尔透镜或者折射菲涅尔透镜。

在第二方面中，本发明的上述和其他目的都是通过发光设备来实现的，该发光设备包括：至少一个光源，该至少一个光源被适配用于在操作中发射光；以及根据前述权利要求中任一项所述的介电准直器，该介电准直器被布置为接收由在光输入表面处的至少一个光源发射的光，透射在光输入表面的中央表面部段处接收到的光的一部分并且重定向和拒绝在光输入表面的外表面部段处接收到的光的一部分。

在一个实施例中，发光设备进一步包括外壳和/或其上布置有至少一个光源的基板，外壳和/或基板被布置为和被适配用于允许由介电准直器的中心透镜的外围延伸的外平面表面部段重定向的光的部分被反射回到介电准直器中。

因此，提供了一种发光设备，利用该发光设备，可以降低或者最小化因为光的重定向而产生的光损耗。

本发明进一步涉及这种发光设备，该发光设备以灯、灯具、射灯或者聚光灯的形式提供。

应当注意，本发明涉及记载在权利要求中的特征的所有可能的组合。

附图说明

现在参照示出了本发明的(多个)实施例的附图更详细地描述本发明的这些和其他方面。

图1示出了现有技术的tir准直器的横截面侧视图。

图2示出了根据本发明的第一方面的介电准直器的横截面侧视图。

图3示出了根据本发明的第二方面并且包括根据本发明的第一方面的介电准直器的发光设备的横截面侧视图。

图4是图示了分别用图1和图2的准直器的朗伯圆盘光源获得的、分别具有全光分布和仅仅由中心透镜发出的光的强度分布的图示。

图5示出了图示了用中功率led光源获得的四个光线迹线结果的图示。图示的左手侧示出了对于根据本发明和图2的准直器的结果，而图示的右手侧示出了对于根据图1的现有技术的准直器的结果。

如图所示，层和区域的大小为了说明的目的被夸大并且因此被提供以说明本发明的实施例的一般结构。相同的参考标号自始至终指代相同的元件。

具体实施方式

在下文中将参照示出了本发明的当前优选实施例的附图更全面地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式被实施并且不应该被解释为限于本文所陈述的实施例；相反，这些实施例被提供是为了透彻性和完整性，并且向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。

为了参考起见，图1示出了现有tir准直器100的横截面侧视图。tir准直器100包括中心透镜300和tir准直外部段200。中心透镜300包括光输入表面301和光输出表面302。光输出表面302是凸面的曲率，这对于现有技术类型的tir准直器而言是典型的。应当注意，球面和非球面光输出表面也是可能的且常见的。光输入表面301也是凸面的，并且光输入表面的全径向表面区域用于收集和透射入射光，从而形成径向透射范围t，包括全光输入表面301。同样，光输出表面302的全径向表面区域用于发出透射和准直的入射光，从而形成径向发射范围e，包括全光输出表面302。图1示出了行进通过tir准直器100并且最终作为准直光600发出的入射光500的光束路径。

现在转向图2和图3，将描述根据本发明的介电准直器1和发光设备12的各种特征。

图2示出了根据本发明的介电准直器1的横截面侧视图。介电准直器1包括中心透镜3。中心透镜3包括光输入表面31和光输出表面32。中心透镜3由透明材料制成，诸如，合适类型的玻璃或者聚合物，包括折射率n。

光输出表面32是凸面的并且大体上半球形的。换言之，光输出表面32的精确的形状不需要是完全球面的。相反，光输出表面32的形状可能稍微偏离球面，尽管在边缘的球面中央部和宏焦距抛物线部的组合被视为理想形状。在边缘提供宏焦距抛物线部会在输出表面处提供理想的反射行为。宏焦距轮廓的概念本身是已知的并且在juliochaves:nonimagingoptics,第2版,crcpress,参见第87页中被描述。半球形的光输出表面32包括半径r。

光输入表面31包括中央表面部段312。中央表面部段312形成中心透镜3的透光部或者径向透光范围t。光输入表面31的中央表面部段312是凹面的并且可以是球面的或者非球面的。在备选实施例中，光输入表面31的中央表面部段312可以是平坦的或者甚至凸面的。

光输入表面31进一步包括环形外表面部段311。环形外表面部段311在中央表面部段312周围垂直延伸。外表面部段311是平面的并且被适配用于以这种方式重定向入射光使得经重定向的光在中心透镜的光输出表面32处经受数次全内反射。外表面部段311因此形成径向重定向范围r。环形外表面部段311垂直于介电准直器的用箭头a表示的光轴延伸。备选地，环形外表面部段311可以以与介电准直器1的光轴a成小于10°的角度延伸。

中心透镜3的光输入表面31进一步包括中心c。外表面部段311在光输入表面31的部分上延伸，光输入表面31的该部分在距中心c的、由从1/n*r到r的间隔限定的一定距离延伸。

例如，如果中心透镜3由折射率n约为1.5的材料制成，则光输入表面31的外表面部段311在光输入表面的径向最外的三分之一上延伸。的确，对于被包括在从1.4至1.6的间隔中的中心透镜的材料的折射率n而言这也是如此。

图2示出了由光源(参见图3)发出的入射光5的光束路径，入射光5行进通过介电准直器1并且最终作为准直光6或者重定向光7发出。如可以看到的，入射光5的通过光输入表面31的外环形部段311进入介电准直器1的部分沿光输出表面32的内部被引导通过介电准直器1，并且最终在背朝光源的方向作为重定向光7发出。入射光5的通过光输入表面31的中央部段312进入介电准直器1的部分被引导通过介电准直器1，在途中被准直并且作为准直光6从光输出表面32发出。

可选的扭结313或者台阶被设置在光输入表面31的中央表面部段312与外表面部段311之间的过渡中。例如，扭结313可以是凸面的或者非连续的。备选地，在光输入表面31的中央表面部段312和外表面部段311之间的过渡可以是连续的。还可以设想过渡的设置有扭结的圆周部段和过渡的连续的其他圆周部段的组合。

介电准直器1进一步包括可选的tir准直外部段2。tir准直外部段2按照本身已知的方式包括边缘或者光输入表面24、光输出表面23和外周向延伸壁22。通过光输入表面24进入tir准直外部段2的光会在外周向延伸壁22经历tir并且通过光输出表面23或者通过中心透镜3发出。

tir准直外部段2沿中心透镜的外围在中心透镜3的周围延伸。tir准直外部段2在过渡33处被连接至中心透镜3。为了允许中心透镜3和tir准直外部段2的连接，可以去除中心透镜3的凸面的且大体上半球形的光输出表面32的最接近光输入表面31的部分。

tir准直外部段2同样按照本身已知的方式还包括具有周向延伸壁24的凹陷或者空隙4。在这种实施例中，中心透镜3的表面31可以被布置为相对于tir准直外部段2的底部表面21或者边缘凹陷。周向延伸壁24是tir部段的光输入表面。通过周向延伸壁24进入tir准直器外部段2的光因此将会在外圆周延伸壁22处经历tir，并且通过光输出表面23或者通过中心透镜3发出。

图3示出了根据本发明的第二方面的发光设备12的横截面侧视图。发光设备包括被适配用于在操作中发射光的至少一个光源8以及根据本发明的介电准直器10。

介电准直器10与上面参照图2描述的介电准直器1相同，但有一个例外。即，介电准直器10包括：布置在中心透镜3的光输出表面32上的表面纹理和/或光散射结构13、布置在光输入表面31的环形外部分311上的表面纹理和/或光散射结构14以及布置在光输入表面31的中央部分312上的表面纹理和/或光散射结构15。应当注意，表面纹理和/或光散射结构13、14和15可以是相同的、不同的或者相互不同的。同样，在备选实施例中，提供表面纹理和/或光散射结构13、14和15中的仅仅一个或者两个是可行的。合适的表面纹理包括但不限于微透镜。事实上，在优选实施例中，布置在光输入表面31的中央部分312上的表面纹理和/或光散射结构15，而光输入表面31的环形外部段311和光输出表面32不包括这种结构。

介电准直器1被布置为接收由至少一个光源8发出的光5。一个或者多个光源8在原则上可以是任何合适类型的光源，尽管led是优选的。可能的示例性类型的光源是朗伯光源、朗伯圆盘光源、低功率光源、中功率光源和高功率光源。

发光设备12进一步包括可选的外壳16和同样可选的基板9(诸如，印刷电路板)，在该基板上布置有至少一个光源8。外壳16和/或基板9可以被布置为和适用于允许由介电准直器1的中心透镜3的周向延伸的外平面表面部段311重定向并且被发射回到光输入表面31之外的光7的部分被反射回到介电准直器1中。为此，外壳16和/或基板9可以由反射材料制成或者包括反射层或者涂层。同样，甚至光源8本身可以包括反射层或者涂层，诸如以被适配用于允许由介电准直器1的中心透镜3的周向延伸的外平面表面部段311重定向并且被发射回到光输入表面31之外的光7的部分被反射回到介电准直器1中。外壳和基板可以备选地是黑色的以吸收所有重定向光，从而避免不受控制的光。

现在转向图4和图5，将通过与根据图1的现有tir准直器的比较来说明根据本发明和上面描述的介电准直器1的效果。

图4示出了图示了分别用图1和图2的准直器100和1的朗伯圆盘光源所发出的光获得的强度分布的图示。针对两种情况示出了分别用全光分布和用仅仅由中心透镜发出的光获得的强度分布。

用a)表示的图示图示了根据本发明的介电准直器1的全光分布。用b)表示的图示图示了根据图1的现有tir准直器100的全光分布。用c)表示的图示图示了根据本发明的介电准直器1的仅仅通过中心透镜3的光分布。用d)表示的图示图示了根据图1的现有tir准直器100的仅仅通过中心透镜300的光分布。

可以看出，根据本发明的拒绝介电准直器1的中心透镜3的光分布比现有tir准直器100的中心透镜300的光分布窄得多。还可以看出，根据本发明的拒绝介电准直器1的所产生的全光分布与现有tir准直器100的全光分布相比较具有低得多的强度尾部。

图5示出了图示了用中功率led光源获得的四个远场强度光线迹线结果的图示。在图示的左手侧的两个光线迹线示出了根据本发明和图2的准直器1的结果。在图示的右手侧的两个光线迹线示出了根据图1的现有准直器100的结果。

通过图5显而易见的是，与现有tir准直器100的光线迹线相比较，根据本发明的介电准直器1的光线迹线明显较窄并且有时被更好地混合。关于混合，进一步的改进可以通过提供上面参照图3描述的中心透镜的附加纹理或者散射来获得，这会导致更好的光束质量。还能够从光线迹线看到，光束角既不受根据本发明所修改的中心透镜3影响，也不是中心光束强度。

本领域的技术人员认识到，本发明绝不限于上述优选实施例。相反，许多修改和变型在所附权利要求的范围内是可能的。

另外，通过对附图、公开内容以及所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或者步骤，并且不定冠词“一”或者“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹的事实并不说明这些措施的组合不能用于有利地使用。