光學(xué)元件和照明系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種光學(xué)元件和一種包含該光學(xué)元件的照明系統(tǒng)。該光學(xué)元件具有用于安置光源的底面，相對設(shè)置的第一反射面和第二反射面，以及相對設(shè)置的第三反射面和第四反射面。其中，第一反射面和第二反射面非對稱，并且第一反射面、第三反射面、第二反射面以及第四反射面順序兩兩相連以使得經(jīng)過二次分配的光產(chǎn)生近似矩形的光分布。該光學(xué)系統(tǒng)還具有燈罩，燈罩的頂部和前部內(nèi)表面設(shè)有反射結(jié)構(gòu)用于對來自該光學(xué)元件的光線進行再次分配。上述光學(xué)元件和照明系統(tǒng)提供了與用戶的閱讀區(qū)域基本重合的光分布，提高了光學(xué)利用效率。
【專利說明】光學(xué)元件和照明系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種用于提供改進的光利用率的光學(xué)元件。
[0002]本實用新型還涉及一種包括上述光學(xué)元件和光源的光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]傳統(tǒng)的臺燈包括LED類型的臺燈和非LED類型的臺燈。這些臺燈可以產(chǎn)生對稱的圓形光分布。所產(chǎn)生的光在半球面空間內(nèi)被均勻分布，從而在燈的前方、后方都有光分布。然而，用戶的閱讀區(qū)域通常是在燈與用戶之間，因此，現(xiàn)有的臺燈發(fā)射到目標(biāo)閱讀區(qū)域的光比較少，幾乎有一半的光被分散到燈的后方，從而光的利用率不高。
[0004]此外，當(dāng)人的眼睛和燈處于相同高度或者比燈更低時，臺燈所產(chǎn)生的光會直接射入到人的眼睛中，導(dǎo)致視覺上感受到眩光。當(dāng)水平放置臺燈時，最大亮度點在臺燈的最下方。如果用戶希望將光分布調(diào)整到閱讀區(qū)域，他需要將燈頭移動的自己的頭部附近，這會導(dǎo)致很不舒服的閱讀感受。要么讀者需要傾斜燈頭朝向自己，這樣將會導(dǎo)致更多的光被射入到人的眼睛中，從而產(chǎn)生眩光的效果。
[0005]因此，在現(xiàn)有技術(shù)中存在著改進臺燈的光利用效率的需求。
實用新型內(nèi)容
[0006]鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺點和問題，本實用新型的一個目的是提高在目標(biāo)閱讀區(qū)域上的光利用率。這是通過一種具有如下設(shè)置的光學(xué)元件來實現(xiàn)的。該光學(xué)元件用于二次分配來自光源的光，其具有用于安置光源的底面，相對設(shè)置的第一反射面和第二反射面，以及相對設(shè)置的第三反射面和第四反射面。其中，第一反射面和所述第二反射面非對稱，并且第一反射面、第三反射面、第二反射面以及第四反射面順序兩兩相連以使得經(jīng)過二次分配的光產(chǎn)生近似矩形的光分布。與現(xiàn)有技術(shù)中的臺燈相比，這種近似矩形的光分布與用戶的常用閱讀區(qū)域重合，優(yōu)于當(dāng)前的圓形閱讀區(qū)域。由于第一反射面和第二反射面的非對稱分布，可以將更多的光分配到到光學(xué)元件的一側(cè)，從而避免了由于部分光線平均引導(dǎo)到各個方位而導(dǎo)致的光效率損失。
[0007]根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，第一反射面、第二反射面、第三反射面以及第四反射面為曲面或多個連續(xù)彎折的平面。根據(jù)該實施例的反射面可以簡單地借助于曲面和連續(xù)彎折的平面實現(xiàn)，不需要非常復(fù)雜的元器件就能提高光利用率，因此，簡單并且易于實現(xiàn)。
[0008]優(yōu)選地，第一反射面將光反射向第二反射面一側(cè)，在第一反射面的底邊所反射的光線與底面成第一角度，在第一反射面的頂邊所反射的光線與底面成第二角度，以使得被反射的光線在第一角度和第二角度之間均勻分布。優(yōu)選地，第一角度的范圍是75°到90°，第二角度的范圍是65°到75°。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解，為了簡潔起見，在這里的第二角度被定義為“在第一反射面的頂邊與底面”所構(gòu)成的角度，實際上指的是光線在該位置處相對于底面的出射角度，即，所述光線在第一反射面的頂邊處與通過該頂邊的底面平行面所構(gòu)成的角度。類似的，在下文中，在各個反射面的頂邊處與底面構(gòu)成的角度也都是指在相應(yīng)反射面的頂邊處與通過該頂邊的底面平行面所構(gòu)成的角度。
[0009]優(yōu)選地，第二反射面由兩部分組成，靠近底面的第一部分被用于將光線朝向第二反射面一側(cè)反射，在第二反射面的底邊所反射的光線與底面構(gòu)成第三角度并且被所述第一部分所反射的光線在第三角度到90°的范圍內(nèi)均勻分布。遠離底面的第二部分被用于將光線朝向第一反射面一側(cè)反射，在第二反射面的頂邊所反射的光線與底面成第四角度并且被所述第二部分所反射的光線在90°到第四角度的范圍內(nèi)均勻分布。優(yōu)選地，所述第三角度的范圍是50°到65°，并且第四角度的范圍是60°到70°。第一反射面和第二反射面使得所反射的光大部分集中在臺燈的正下方和前方，而不會有光被反射到臺燈后方，從而相比現(xiàn)有技術(shù)的光反射器件，大大增強了被導(dǎo)引到目標(biāo)閱讀區(qū)域的光線。
[0010]優(yōu)選地，由所述第二反射面的第一部分所反射的光能量大于由所述第二反射面的第二部分所反射的光能量。根據(jù)該實施例的實用新型，第二反射面所反射的光主要朝向第二反射面的方向，而只有一小部分背離所述第二反射面的方向。這樣保證了該光學(xué)元件的光分布具有比較明確的截止線。
[0011]根據(jù)本實用新型的一個實施例，第三和第四反射面分別用于對稱地將光反射到相對側(cè)，在所述第三和第四反射面的底邊處所反射的光線與底面成第五角度，在所述第三和第四反射面的頂邊處所反射的光線與底面成第六角度，并且被反射的光線在第五角度和第六角度之間具有均勻分布。優(yōu)選地，第五角度的范圍是75°到85° ,第六角度的范圍是40。到 50。。
[0012]根據(jù)本實用新型的另一方面，還提供了一種照明系統(tǒng)。該照明系統(tǒng)包括前述的光學(xué)元件和光源，其中所述光源被安排在所述光學(xué)元件的底面上。該照明系統(tǒng)還包括燈罩，所述燈罩頂部內(nèi)表面與所述光學(xué)元件的底面構(gòu)成一安裝角并且在燈罩頂部的內(nèi)表面設(shè)有反射器，用于反射由光學(xué)元件發(fā)出的光。其中，從所述光源到所述第一表面的遠端點的光線與垂直于底面的直線構(gòu)成最大出射角并且所述安裝角大于所述最大出射角和90°減第四角度。優(yōu)選地，安裝角的范圍在25°到30°之間。
[0013]該燈罩還包括燈罩前部。燈罩前部相對于燈罩頂部向下傾斜并且燈罩前部的內(nèi)表面設(shè)有反射器，用于反射由所述光學(xué)元件發(fā)出的光。
[0014]根據(jù)一個實施例，所述LED陣列與功能性外殼相結(jié)合，從而，可以在提高光利用效率的同時還能夠避免光線直射眼睛。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]在附圖中:
[0016]圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的臺燈的光分布；
[0017]圖2A示出根據(jù)本實用新型一個實施例的光學(xué)元件陣列；
[0018]圖2B示出圖2A中的光學(xué)元件陣列中的一個光學(xué)元件；
[0019]圖3A示出根據(jù)本實用新型的一個實施例的光學(xué)元件上下反射面之間的光路圖；
[0020]圖3B示出根據(jù)本實用新型的一個實施例的光學(xué)元件在左右反射面之間的光路圖；
[0021]圖4A示出根據(jù)本實用新型的一個實施例的光學(xué)系統(tǒng)的立體圖；[0022]圖4B示出圖4A的光學(xué)系統(tǒng)的工作狀態(tài)示意圖；
[0023]圖5A示出圖4A的光學(xué)系統(tǒng)的光路圖；以及
[0024]圖5B示出圖4A的光學(xué)系統(tǒng)的光分布圖。
【具體實施方式】
[0025]本實用新型的優(yōu)選應(yīng)用是室內(nèi)照明系統(tǒng)。在下文中，將進一步使用用于閱讀的LED臺燈的例子來說明本實用新型，但是本實用新型不限于這種應(yīng)用。在照明控制領(lǐng)域，可以使用各種光源來代替所述LED光源。
[0026]圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的臺燈的光分布。圖中的方框100示意性地表示現(xiàn)有技術(shù)中的臺燈的頂視圖。該臺燈所產(chǎn)生的光被均勻分布在燈頭正下方的各個方向上，最大的亮度點出現(xiàn)在臺燈的正下方，在燈的前方、后方都有對稱的光分布。然而，由于用戶的閱讀區(qū)域通常是在燈與用戶之間，現(xiàn)有的臺燈發(fā)射到目標(biāo)閱讀區(qū)域的光比較少，幾乎有一半的光被分散到燈的后方，從而導(dǎo)致光的利用率不高。
[0027]圖2A示出根據(jù)本實用新型一個實施例的光學(xué)元件陣列。所述元件陣列200的底面上安裝有光源，例如，LED光源。在本實用新型中，光源包括但不限于具有方形發(fā)光面的LED，具有正方形或者圓形發(fā)光面的LED以及其他類型的LED。每個LED光源配有一個獨立的不對稱反射器單元。在圖2A中的光學(xué)元件陣列具有10個不對稱反射器單元，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在理解了本實用新型的構(gòu)思之后，也可以根據(jù)具體的光輸出要求采用多于或者少于10個不對稱反射器單元的陣列。例如，這取決于所采用的光源的不同性質(zhì)，所需要的光分布的具體幾何尺寸等等。
[0028]圖2B示出圖2A中的光學(xué)元件陣列中的一個單元。所述單元由4個反射面兩兩相連而構(gòu)成封閉的反射空間。上反射面210和下反射面220彼此相對設(shè)置并且被布置為具有不對稱的反射結(jié)構(gòu)，以使經(jīng)由該光學(xué)元件導(dǎo)引的光不會被反射到上反射面的后方。這樣保證了大部分從燈頭產(chǎn)生的光被引導(dǎo)到LED燈的前方和正下方。左右反射表面230、240具有對稱的設(shè)置。需要指出的是，在這里使用的術(shù)語，上、下、左、右只是相對于附圖2A中的空間關(guān)系而言，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知道在具體的實現(xiàn)中，這些空間關(guān)系會隨著該元件的放置而發(fā)生變化。在一個具體的實施例中，上反射面、下反射面、左反射面以及右反射面為曲面。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是這些反射面也可以被實現(xiàn)為具有連續(xù)彎折的平面。
[0029]以下將結(jié)合圖3A和圖3B來具體描述各個反射面的設(shè)置情況。圖3A示出根據(jù)本實用新型的一個實施例的光學(xué)元件上下反射面之間的光路圖；圖38示出根據(jù)本實用新型的一個實施例的光學(xué)元件在左右反射面之間的光路圖。
[0030]上反射面310將光反射向下反射面320 —側(cè)。在上反射面的底邊反射的光線與底面成第一反射角Q1，在上反射面的頂邊反射的光線與底面成第二反射角α2，并且所反射的光線在第一反射角和第二反射角之間均勻分布。第一反射角的范圍是75°到90°，第二反射角的范圍是65°到75°。如圖所示，在上反射面的方向上，由光源直接射出的光線與垂直于底面的中心軸之間的最大角度(即最大出射角)為ε。
[0031]下反射面320由兩部分組成，靠近底面的第一部分320a被用于將光線朝向下反射面320 —側(cè)反射。在附圖中由曲線GI表示第一部分。在下反射面320的底邊所反射的光線與底面構(gòu)成第三角度Q3并且由所述第一部分320a所反射的光線在第三角度到90°的范圍內(nèi)均勻分布。
[0032]下反射面320遠離底面的第二部分320b被用于將光線朝向上反射面310 —側(cè)反射。在附圖中由曲線IH表示第二部分。在第一部分和第二部分的交界處(曲線GIH中的I點)所反射的光線與底面的平行面構(gòu)成90度角。反射光線在下反射面320的頂邊與底面成第四角度α4，以使得被所述第二部分所反射的光線在90°到第四角度的范圍內(nèi)均勻分布。優(yōu)選地，第三角度的范圍是50°到65°，第四角度的范圍是60°到70°。利用上反射面和下反射面可以將大部分光線引導(dǎo)和反射到臺燈的正下方和前方，而不會有光被分布到臺燈后方。當(dāng)目標(biāo)區(qū)域處于臺燈前方時，這大大增加了被分配到目標(biāo)區(qū)域的光線，從而提高了光源的光利用效率。
[0033]根據(jù)本實用新型的一個實施例，下反射面320將會把大部分光反射到下反射面的方向上。也就是說入射到下發(fā)射面320的第一部分GI的光線能量多于入射到下反射面的第二部分IH的光能量。例如，這可以通過調(diào)整第一部分和第二部分的比例來實現(xiàn)，以使得入射到第一部分的光線的角度范圍大于入射到第二部分的光線的角度范圍，即，Z GSI >Z ISG0根據(jù)該實施例，下反射面所反射的光主要朝向下反射面的方向，而只有一小部分背離所述下反射面的方向被反射到下反射面的相對側(cè)。這樣保證了該光學(xué)元件的光分布具有比較明確的截止線。
[0034]圖3Β示出根據(jù)本實用新型的一個實施例的光學(xué)元件在對稱的反射面之間的光路圖。左、右反射面分別用于對稱地將光反射到相對側(cè)。以下以右反射面為例對其光路分布進行說明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以清楚，左反射面上也具有對稱的光路分布。由右反射面所反射的光線被反射到左反射面的方向上。在右反射面的底邊處所反射的光線與底面成第五角度α 5，在其頂邊處所反射的光線與底面成第六角度α6。被反射的光線在第五角度和第六角度之間具有均勻分布。其中，第五角度的范圍是75°到85° ,第六角度的范圍是40°到 50。。
[0035]需要指出的是以上給出的僅僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)以上描述可以基于前述的結(jié)構(gòu)配置而選用不同的數(shù)值范圍或者具體器件。例如，根據(jù)本實用新型中所給出的光分布，也可以考慮使用各種元件來代替第一、第二、第三以及第四反射面。
[0036]圖4Α示出根據(jù)本實用新型的一個實施例的光學(xué)系統(tǒng)的立體圖。圖4Β示出圖4Α的光學(xué)系統(tǒng)的工作狀態(tài)示意圖。該光學(xué)系統(tǒng)例如為LED臺燈。在附圖中僅示出了臺燈的燈頭部分，其包括前述光學(xué)元件陣列200。該光學(xué)陣列被安裝在燈罩400中。該燈罩具有頂部450和相對于燈罩頂部向下傾斜的前部460。在燈罩頂部450和前部460的內(nèi)表面設(shè)置有反射結(jié)構(gòu)，例如，平面反射鏡或者涂覆于燈罩內(nèi)表面上的反射材料。
[0037]如圖4Α所示，該光學(xué)陣列的底面與燈罩的頂部450的平行面之間構(gòu)成安裝角Y，從而來自光學(xué)陣列的光線被發(fā)射到頂部反射鏡450和前部反射鏡460上。優(yōu)選地，該安裝角Y大于在圖3Α所示的角度ε和(90° -α4)。這樣確保了不會有光線被反射到燈罩后方，從而由光源射出的所有光都可以從臺燈前方出射，使得光輸出量更大和并且提高了光效率。如圖3Α所示，角度ε是在上表面邊緣直接射出的光線與垂直于底面的中心軸之間的角度，而角度α 4是下反射面320遠離底面的第二部分320b所反射的光線在下反射面320的頂邊相對于底面的角度。同時，安裝角Y也不宜過大，因為隨著Y的增加，來自反射器的光線有可能直接從燈罩前部460的下方入射到人眼中。依據(jù)本實用新型的一個實施例，邊緣出射角ε在20°到25°的范圍內(nèi)。安裝角Y大于所述邊緣出射角，在25°到30°的范圍內(nèi)。光學(xué)元件陣列200和頂部450之間的距離應(yīng)該盡可能的遠。這是因為隨著二者之間的距離減小，所述反射器陣列將有可能阻擋住從頂部450反射的光線，從而影響光輸出效率。
[0038]來自光學(xué)元件陣列的光在頂部450和前部460內(nèi)的反射結(jié)構(gòu)上被反射，然后被投射到目標(biāo)區(qū)域，例如，目標(biāo)閱讀區(qū)。因此，燈罩頂部450和前部460的內(nèi)表面構(gòu)成了二次光源。增加光學(xué)元件陣列和頂部450之間的距離可以減少直射入眼睛的光線。但是為了美觀和減少成本，燈頭的厚度一般不宜太大。因此，光學(xué)元件和燈罩頂部之間距離也受到限制。一般而言，燈頭厚度不超過25毫米。
[0039]燈罩頂部450上的反射結(jié)構(gòu)可以在保持燈頭的尺寸的同時增加光輸出。通過燈罩內(nèi)的反射，可以改善目標(biāo)區(qū)域的光分布以及均勻性。
[0040]圖5Α示出圖4Α的光學(xué)系統(tǒng)的光路圖。在圖中來自光學(xué)元件200的光線經(jīng)由燈罩頂部450和燈罩前部460的內(nèi)表面反射，而被引導(dǎo)到臺燈的前側(cè)。相對于現(xiàn)有技術(shù)的臺燈，大部分光線被分布到目標(biāo)閱讀區(qū)。此外，由于燈罩前部向下傾斜，其可以防止來自光學(xué)元件的光線被直射到人的眼睛中，因此避免了現(xiàn)有技術(shù)的臺燈的眩光現(xiàn)象。圖5Β示出圖4Α的光學(xué)系統(tǒng)在目標(biāo)平面上的光分布圖。圖5Β中的方框代表燈頭在目標(biāo)平面上的投影。利用根據(jù)本實用新型的實施例，大部分光線被引導(dǎo)到燈頭下方和前方。與圖1中所示的現(xiàn)有技術(shù)的光分布相比，根據(jù)本實用新型的臺燈尤其適合于在進行諸如閱讀、寫作等工作時提供照明。
[0041]雖然根據(jù)特定實施例描述了本實用新型，但是顯而易見，可由本領(lǐng)域技術(shù)人員采用其它形式來實現(xiàn)本實用新型。以上實施例僅是示范性的而非限制性的，本實用新型的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明來限定。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為對權(quán)利要求范圍的限制。此外，“包括”一詞不排除其他元件的存在。權(quán)利要求中陳述的多個部件也可以由一個部件來實現(xiàn)。第一、第二等序數(shù)詞只是用于說明的目的，而不表示任何特定的順序。
【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)元件(200)，用于二次分配來自光源的光，其特征在于所述光學(xué)元件具有: 用于安置光源的底面； 相對設(shè)置的第一反射面(210，310)和第二反射面(220，320)，以及 相對設(shè)置的第三反射面(230，330)和第四反射面(240,340), 其中，所述第一反射面和所述第二反射面非對稱，并且第一反射面、第三反射面、第二反射面以及第四反射面順序兩兩相連以使得經(jīng)過二次分配的光產(chǎn)生近似矩形的光分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中第一反射面、第二反射面、第三反射面以及第四反射面為曲面或多個連續(xù)彎折的平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)兀件,其中第一反射面將光反射向第二反射面一側(cè),在第一反射面的底邊所反射的光線與底面成第一角度，在第一反射面的頂邊所反射的光線與底面成第二角度，并且所反射的光線在第一角度和第二角度之間均勻分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)元件，其中，第二反射面由兩部分組成，靠近底面的第一部分被用于將光線朝向第二反射面一側(cè)反射，在第二反射面的底邊所反射的光線與底面構(gòu)成第三角度并且由所述第一部分所反射的光線在第三角度到90°的范圍內(nèi)均勻分布，遠離底面的第二部分被用于將光線朝向第一反射面一側(cè)反射，在第二反射面的頂邊所反射的光線與底面成第四角度并且由所述第二部分所反射的光線在90°到第四角度的范圍內(nèi)均勻分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)元件，其中，由所述第二反射面的第一部分所反射的光能量大于由所述第二反射面的第二部分所反射的光能量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的光學(xué)元件，其中，所述第三和第四反射面分別用于對稱地將光反射到相對側(cè)，在所述第三和第四反射面的底邊處所反射的光線與底面成第五角度，在所述第三和第四反射面的頂邊處所反射的光線與底面成第六角度，并且被反射的光線在第五角度和第六角度之間具有均勻分布。
7.一種照明系統(tǒng)，其特征在于，所述照明系統(tǒng)包括: 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的光學(xué)元件(200)，和 光源，其中所述光源被安排在所述光學(xué)元件的底面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的照明系統(tǒng)，還包括: 燈罩，所述燈罩的頂部(450)與所述光學(xué)元件的底面構(gòu)成一安裝角， 其中，燈罩頂部的內(nèi)表面設(shè)有反射器，用于反射由所述光學(xué)元件發(fā)出的光， 其中，從所述光源到所述第一表面的遠端點的光線與垂直于底面的直線構(gòu)成最大出射角(ε )，并且所述安裝角大于所述最大出射角和90°減第四角度(90° -δ2)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7至8之一所述的照明系統(tǒng)，其中所述燈罩還包括燈罩前部(460)，所述燈罩前部相對于燈罩頂部向下傾斜并且燈罩前部的內(nèi)表面設(shè)有反射器，用于反射由所述光學(xué)兀件發(fā)出的光。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至8之一所述的照明系統(tǒng)，其中所述光源包括發(fā)光二極管。
【文檔編號】F21V7/10GK203784727SQ201320675608
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
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