光學元件和具有光學元件的照明裝置的制造方法

光學元件和具有光學元件的照明裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種光學裝置(1)，其具有第一光學元件(2)，第一光學元件以斜切有斜面(21)的光導(19)的形式或包括斜切有斜面(21)的光導(19)，以及第二光學元件(3)，其中第一光學元件(2)通過全內反射在其壁(22)處傳導光并具有由光導(19)的非斜切端面形成的光射入區域(24)，并且具有光射出區域(25)，其中，光射出區域(25)由壁(22)在光導(19)的布置斜面(21)的端部的表面區域形成。第二光學元件(3)具有光射入孔(30)，其布置在第一光學元件(2)的光射出區域(25)上，或者面向第一光學元件(2)的光射出區域(25)。第一光學元件(2)的光射入區域(24)具有寬度x和第二光學元件(3)的光射入區域(30)具有高度z，其滿足下述關系：x/z≤1.5·[tan(90°?α/2)?tan(90°?(2·[α/2+90°]?[180°?arcsin(1/n)]))]?1。其中，α表示光在斜面(21)處的偏轉角，以及n表示第一光學元件(2)的材料的折射率。
【專利說明】
光學元件和具有光學元件的照明裝置
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種能夠使用多個彩色發光元件混合光顏色的光源。
【背景技術】
[0002] LED越來越多地用于例如車輛和建筑物內部、例如飛機客艙的照明用途。LED由于 其低能量消耗和低工作電壓特別適合于這些領域。
[0003] 例如，WO 2010/013181 Al公開了一種具有在其整個長度上具有恒定橫截面的透 光區域的光學元件。在光束的方向上鄰近于該透光區域的是具有沿光傳播方向增大的橫截 面的光校準區域。所述光校準區域的端部由傾斜的反射器限定。在該反射器處反射的光基 本上垂直于光在透光區域中的傳播方向離開光學元件。所述光校準區域可具有各種幾何形 狀。
[0004] DE 10 2012 022 716 Al公開了一種用于將光注入到光導并在光導中混合的方 法。光基本上垂直于光導地注入到光導中，撞擊到傾斜的反射器上并由后者反射到光導中。 光的混合通過在光導的內壁處的光束的全內反射來實現。
[0005] 所述的現有技術的光混合器表現出高度的對稱性，其對于純光混合器是相當有利 的。
[0006] 然而，如果光學元件具有偏轉功能，證明了對稱結構對于光在額外的下游光學系 統中最有效的利用是不利的。

【發明內容】

[0007] 因此，本發明基于如下目的：提供一種在利用下游光學系統中的光方面比現有技 術顯示出更高的效率的光學裝置。
[0008] 此目的通過權利要求1的主題所實現。從屬權利要求中限定了本發明的有利的設 計方案和改進方案。
[0009] 因此，本發明提供了一種光學裝置，其包括:第一光學元件，所述第一光學元件以 斜切有斜面的光導的形式或包括斜切有斜面的光導，以及第二光學元件，其中所述第一光 學元件通過全內反射在其壁處傳導光并具有由光導的非斜切端面形成的光射入區域，并且 具有光射出區域，其中，所述光射出區域由壁的在光導的布置斜面的端部處的表面區域形 成。所述第二光學元件具有光射入孔，其布置在所述第一光學元件的光射出區域上或面向 所述第一光學元件的光射出區域，以及所述第一光學元件的光射入區域具有在沿著光射入 區域與光在斜面處的偏轉的平面的交叉點的方向上測量的寬度X，以及所述第二光學元件 的光射入孔具有在沿著第一光學元件的光射入區域與光在斜面處的偏轉平面的交點的方 向上測量的高度z。
[0010]寬度X和高度z滿足下列關系：
[0011] (l)x/z < 1.5 · [tan(900-a/2)-tan(900-(2 · [α/2+900]-[180°-arcsin(I/ η)]))]-、
[0012] 這里，α表示光在斜面處的偏轉角，以及η表示第一光學元件的材料的折射率。在不 限定通用性的情況下，坐標系已被選擇成使得光的偏轉僅發生在x-z平面。本文中的偏轉角 是沿著光導的縱向通過光導的光線的偏轉角，這意味著其不在光導的側壁反射。
[0013] 在光混合器中偏轉的情況下，光混合器的射入面顯然成像到其射出區域。然而，該 顯而易見的關系對于具有α>0的典型FWHM(半高全寬）的角度分布的照射光束是不正確的， 這是光在如上所述的下游光學系統中的進一步開發中的效率損失的原因。在以上給出的關 系式的情況下，位于光的偏轉平面的射入孔的尺寸ζ變得比所述第一光學元件的光射入區 域的寬度X更大，所述寬度X同樣在光的偏轉平面的方向上測得。
[0014] 在效率方面，尺寸ζ的較大的值是有利的，但是，可以注入到第二光學元件中的強 度的增加對于ζ的較大的值減小，而第二光學元件變得越來越龐大。因此，根據本發明的另 一實施例，如果第二光學元件的高度ζ相對于第一光學元件的光射入區域的寬度限定，是有 利的。具體而言，因此根據本發明的另一實施例預期，尺寸X和ζ另外滿足以下關系：
[0015] (2)χ/ζ > 0.85 · [tan(90°-a/2)-tan(900-(2 · [α/2+900]-[180°-arcsin(I/ η)]))]-、
[0016] 在一個優選的實施方案中，在第一光學元件的斜面處的偏轉角的范圍為75個至 105 優。
[0017] 第一光學元件的光導優選地具有棱柱的形狀，并且其光射入區域由棱柱的非斜切 的底面形成。本發明的意義上的棱柱是由底面的平行位移、在本發明的情況下是指由光射 入區域的平行位移而形成的主體。底面不需要必定是有角的。相反，底面或棱柱的橫截面區 域也可以具有圓形圓周部。
[0018] 光導的橫截面區域具有如下形狀:其尺寸是在從背向第二光學元件的表面朝向第 二光學元件的方向上單調變大的并在沿著該方向的至少一個部分中連續單調變大的。
[0019] 在這種情況下，光導可具有兩個相對的側面，其中，所述側面中的一個包括光射出 區域，并且包括光射出區域的側面寬于相對的側面。具體而言，橫截面尺寸在光射出區域處 最大。
[0020] 已證明這樣的橫截面形狀對于光學系統的效率特別有利。通過這樣的橫截面形狀 可以實現，光在光射出區域處射出，使得不進入下游光學元件的射入孔的光保持最小化。
[0021] 因此，根據本發明的另一方面，無論是否提供了與第一光學元件光學耦合的第二 光學元件，光學元件2設置成斜切有斜面21的棱柱形光導19的形式或包括斜切有斜面21的 棱柱形光導19,其中，所述第一光學元件2
[0022] -通過全內反射在其壁22處傳導光；以及
[0023]-具有由光導19的非斜切端面形成的光射入區域24;以及
[0024] -具有光射出區域25,以及所述光射出區域25由壁22的在光導19的布置斜面21的 端部處的表面區域形成;其中，所述光導19的橫截面區域具有如下形狀:其具有在從背向所 述第二光學元件3的表面朝向所述第二光學元件3的方向上單調變大并在沿著該方向的至 少一個部分中連續單調變大的尺寸。
[0025] 在一個優選的實施例中，光學裝置構造成使得斜面以相對于所述光導的縱向的45 成角延伸，使得在光導中傳導的光在斜面處偏轉90伸。在這種情況下，第二光學元件的光射 入孔的高度和第一光學元件的光射入區域的寬度X滿足下述關系：
[0026] (3)χ/ζ<1.5·[ l+tan(arcsin( 1/η)) ]_1,
[0027] 其中，η是第一光學元件的材料的折射率。
[0028] 優選地，比值χ/ζ額外地滿足以下關系：
[0029] (4)χ/ζ>0.85· [l+tan(arcsin( 1/n))]_1〇
[0030] 對于兩個相互垂直的方向，光學裝置的第二光學元件的光射入孔的形狀具有0.8: 1至1.2:1、優選0.9:1至1.1:1、最優選1:1的縱橫比。特別是通過這樣的約1:1的縱橫比和光 偏轉，本發明提供了高耦合效率。
[0031] 第一光學元件的材料優選對于可見光具有至少1.4的折射率。因此，用于注入的光 的開度角保持很小，并且可以注入來自較大立體角的光。優選地，第一光學元件的折射率在 1.4至2.1的范圍內，最優選不大于2.0。常見的合適的光學玻璃具有在此范圍內的折射率， 和典型的折射率范圍高達 n = l.9。因此，1.4至1.9的用于可見光的折射率是特別優選的。 [0032]此外，根據本發明的一個實施例可以預期的是，本發明的光學裝置是照明裝置的 一部分，所述照明裝置包括多個在發射的光的顏色上彼此不同的發光元件，其中，所述發光 元件布置成使得它們的光注入到第一光學元件的光射入區域。
[0033]根據本發明的一個優選實施例，第二光學元件包括從第一光學元件發出的光注入 到其中的光導。光導具有沿其縱向的光散射結構，其將注入的光散射離開光導。
[0034]將光直接通過其端面注入到光導中是特別有用的。相應地，第二光學元件由光導 形成以及第二光學元件的光射入孔由光導面向第一光學元件的光射出區域的端面形成。因 此，光通過其端面注入光導中，并通過其側表面從光導發射。在這樣的布置的情況下，發光 元件的光強度因此分布在較大的發光面上。這里，在其非常高的耦合效率的情況下，本發明 有助于降低耦合損失，使得亮度不能進一步降低。
【附圖說明】
[0035] 以下借助實施例并參考附圖對本發明作進一步描述。在附圖中，相同的附圖標記 表述相同或對應的元件。在附圖中：
[0036] 圖1示意性示出了根據本發明的光學裝置；
[0037] 圖2示意性示出了具有傾斜反射器的光導中的光束路徑；
[0038]圖3a示意性示出了光偏轉90性的幾何形狀；
[0039] 圖3b示意性示出了矩形和橢圓形射入區域的射入和射出區域之間的縱橫比；
[0040] 圖4示出了光偏轉常規角度α的情況下的幾何形狀；
[0041] 圖5a是光射出區域中的光強度分布的照片；
[0042]圖5b是灰度值作為到光射出區域的左邊緣的距離的函數的曲線圖；
[0043] 圖6示出了根據本發明的光學裝置的光導的基底的不同的形狀；
[0044] 圖7示意性示出了包括根據本發明的光學裝置的照明裝置；
[0045] 圖8至10示出第一和第二光學元件的不同的配置和幾何形狀；
[0046] 圖11示出了圖7中所示的照明裝置的改進方案；
[0047] 圖12示出了偏轉角小于90了的光學裝置；以及 [0048]圖13示出了偏轉角大于90了的光學裝置。
【具體實施方式】
[0049] 圖1示意性示出了根據本發明的光學裝置1，其包括第一光學元件2和第二光學元 件3。第一光學元件2是具有壁22、光射入區域24以及光射出區域25的光導19。光射出區域25 位于傾斜斜面21的對面，在傾斜斜面21處光通過反射偏轉。通常，但不限于圖1所示的具體 實施例，斜面可以為此設置為鏡面。它可以包括二向色性或金屬(例如鋁或銀)涂層，以及金 屬涂層可任選地通過另外的層(例如二氧化硅)防腐蝕。鏡功能也可通過粘合鏡或反射箱來 實現。
[0050] 斜面的鏡功能對于所有實施例是特別優選的。通過在斜面21處的鏡面5,甚至反射 那些因為陡的入射角不再滿足全內反射條件的光線。由于根據本發明的縱橫比的第一和第 二光學元件的寬度X和高度z的幾何尺寸，甚至這些光線通過鏡面斜面21至少部分地到達第 二光學元件。
[0051] 第一光學元件2中的光通過在光射入區域24處注入到光導19中的光的全內反射在 光導19的壁22上進行傳導。
[0052] 對于光導19,優選可見光的折射率為至少1.4、優選至少1.5的材料。
[0053]在橫截面圖中，第一光學元件的壁22由兩個側面190、191限定。側面191包括光射 出區域25并因此比側面190更長。
[0054]光射入區域24具有在沿著光射入區域24與在斜面21處的光偏轉的平面的相交的 方向上測量的寬度X。
[0055]在一個優選實施例中，斜面21以相對于所述光導的縱向的45對角延伸，使得在光 導19中傳導的光在斜面21處偏轉90轉。
[0056]第二光學元件3，其可以例如是另一光導，具有光射入孔30，其或者位于第一光學 元件2的光射出區域25上，或者面向光射出區域25。光射入孔30具有在沿著第一光學元件2 的光射出區域25與在第一光學元件2的斜面21處的光偏轉平面的相交的方向上測量的高度 Zo
[0057]在這里，第二光學元件3的光射入孔30的形狀對于兩個相互垂直的方向具有0.8:1 至1.2:1、優選0.9:1至1.1:1、最優選1:1的縱橫比。
[0058]通常，但不限于圖1所示的示例，根據本發明的將寬度X和高度z彼此聯系的表達式 (1)還導致，從朝向第一光學元件2的光射出區域25或投射到光射出區域25的方向上看，斜 面21的高度za不等于并且特別是小于第二光學元件的射入孔的高度z。該比第二光學元件3 的射入孔的高度z更小的高度z a如圖1所示。因此，在與光的傳播相反的觀察方向上看時，斜 面與射入孔不完全重疊。但是，令人驚訝地，正是這種布置導致到達并進入射入孔的光的比 例方面的高效率。
[0059] 圖2示意性示出了具有側面190、191和斜面21的光導19中的光路。光束4注入到光 導19并在z方向朝向斜面21傳播。在斜面21處，光束4以90光的角反射，使得其在斜面21處反 射之后在X方向上傳播。
[0060] 如果入射光束4具有寬度^1以及反射后的出射光束具有寬度z_0,則輸入顯然易 見地成像到輸出，使得適用x_I = z_0。
[0061] 出于簡單起見，圖2僅示出了平行的入射光束4的情況。更通常地，光束在光射入區 域24處也以一角度入射。沿其進一步的路徑，這些光束將在壁22的內表面處被完全反射。其 結果是，光錐從斜面21的內表面發出。
[0062]圖12和圖13示出了兩個示例性實施例，與圖1和2中的示例不同，在其中偏轉角α不 是90中。具體而言，在圖12的示例中，偏轉角為銳角，這意味著其小于90例。因此，第一和第 二光學元件2、3的縱向長線彼此成鈍角。在圖13所示的示例中，偏轉角α是大于90于的鈍角。 第一和第二光學元件的縱向延長線彼此成銳角。
[0063]圖3a示出了在光偏轉90了以注入到對應于圖1的光學裝置1的第二光學元件3的圓 形光導的情況下，對應于圖1中的第一光學元件2的光混合器的幾何形狀。這里，對于光混合 器的材料，具有n = l.5的可見光折射率。
[0064]在n = l. 5的這個折射率的情況下，獲得了 42個的臨界角，其對應于光混合器中的 光錐在經由其平坦底面注入的情況下的理論上可行的最大開度角。當考慮到在注入時的反 射損失和LED的典型朗伯發射特性，實際得到了35型的開度角，其包括輻射的主要部分。
[0065] 在下文中，光射入區域的寬度X也稱為x_I。
[0066] 在所述的值的情況下，光射出區域在z方向上的尺寸z_0通過z_0 = x_I+x_I*tan (35坦基或x_I = z_0/(l+tan(35°))得到。這意味著光混合器的底面、即圖1的第一光學元件 2的光射入區域24被選擇成使得在y方向上的尺寸為在X方向的尺寸的約1.7倍。由于輻射錐 的空間長度在y方向上不變，由此在射出處實現1:1的縱橫比，因為z尺寸也是X尺寸的1.7 倍。
[0067]圖3b示出了在目標縱橫比、即第二光學元件的光射入孔的1:1的縱橫比x/z的優選 情況下，第一光學元件2的射入和射出區域的表面積的這些比例。以平面圖示出了射入區 域，即沿z方向、注入的光的方向，使得射入區域在y軸和X方向上延伸。
[0068] 射入或輸入區域對應于圖1中的第一光學元件2的光射入區域24。射出或輸出區域 對應于圖1中的第一光學元件2的光射出區域25。
[0069] 在左側部分中，圖3b示意性地示出了第一光學元件的兩個輸入區域或光射入孔， 即矩形和橢圓形。在右側部分中，圖3b示出了相應的輸出區域。在輸入區域和輸出區域之間 的比例的"恰當"選擇的情況下，矩形輸入區域將成像成正方形的輸出區域，以及橢圓輸入 區域成像成圓形輸出區域。
[0070] 對于1:1的目標縱橫比的上述優選情況，得到了棱鏡第一光學元件的特定形式。在 這種情況下，對于依賴于光的偏轉角的光射入區域，獲得了特定的縱橫比，而不管第二光學 元件是否布置在下游。具體而言，不限于具體示例性實施例，根據本發明的另一方面，光學 元件2設置成斜切有斜面21的棱柱形光導19的形式或包含斜切有斜面21的棱柱形光導19， 其中，第一光學元件2通過在其壁22處的全內反射傳導光，并具有由光導19的非斜切端面形 成的光射入區域24。光導19具有光射出區域25,以及光射出區域25由壁22的在光導19的布 置斜面21的端部處的表面區域形成，其中
[0071]-光學元件2的光射入區域24具有在沿著光射入區域24與在斜面21處的光偏轉平 面的相交的方向上測量的寬度X和垂直于寬度X測量的深度y，其滿足下列關系：
[0072] (5)x/y < 1.5 · [tan(90°-a/2)-tan(900-(2 · [α/2+900]-[180°-arcsin(I/ η)]))]-1,
[0073] 其中α再次表示在斜面21處的光偏轉角以及η表示光學元件2的材料的折射率。
[0074] 在本發明的其他實施例的情況下，光射出區域25不必是一個單獨的面，僅需要至 少壁22的與斜面相對的表面區域是半透明的并因此適合作為光射出區域25。
[0075] 以上給定的表達式(5)對應于表達式（1)，除了指定光射入區域的比值x/y，而不是 光射入區域24的寬度與第二光學元件的光射入孔的高度z的比值x/z。這是因為對于1:1的 目標縱橫比，光射入孔的尺寸y和z是相同的，而且深度y是恒定的，使得在這種情況下得到z =y。這里，再次優選的是，光射入區域的縱橫比不會變得過小。因此，根據本發明的另一實 施例預期，類似于表達式(2)，以下適用于光射入區域24的尺寸x、y的縱橫比：
[0076] (6)x/y > 0.85 · [tan(90°-a/2)-tan(900-(2 · [α/2+900]-[180°-arcsin(I/ η)]))]-、
[0077] 此外，90,的光偏轉在這種情況下也是優選的。因此，根據本發明的另一實施例，類 似于表達式(3)，預期斜面以相對于光射入區域的45以角傾斜，使得光偏轉角為90角，在這 種情況下，以下適用于光導的光射入區域24的寬度X和深度y的比值：
[0078] (7)x/y<1.5· [l+tan(arcsin( 1/n))]_1〇
[0079] 類似于表達式(4)，縱橫比優選還限定為：
[0080] (8)x/y20·85 · [l+tan(arcsin(1/n))]-1O
[0081] 圖4示出在常規偏轉角α的情況下光混合器或第一光學元件的幾何形狀。在該圖 中，z_out_0表示在不考慮光束錐的情況下的射出高度。此外，示出了一些特定的光線:最初 沿〇示行進的光線的反射光線26,在玻璃中沿35玻行進的光線的反射光線27和鏡面的表面 法線28。
[0082] 根據本發明，上文給出的表達式（1)適用于這樣的偏轉角、第一光學元件的尺寸X 和第二光學元件的射入孔的z。優選地，比值x/z的下限此外通過上文給出的表達式(2)來設 置。
[0083] 下表列出了在通常的偏轉角度α的情況下的所有的用于計算的參數。在第一列中， 列出了參數的名稱，而第二列包含用于各參數的符號。第三列包含用于計算的示例性值，第 四列包含計算的結果。第五列包含對于90況的偏轉角α和1:1的目標縱橫比的簡化計算的結 果。
[0085] 對于光射入區域24的寬度x(表中稱Sx_G)與光射入孔30的高度z的比值x/z，根據 本發明，對于通常的偏轉角α，以下適用于射入孔的縱橫比，而與目標縱橫比無關：
[0086] χ/ζ <1.5 · [tan(900-a/2)-tan(900-(2 · [α/2+900]-[180°-arcsin(1/η)]))]_1 (9)〇
[0087] 優選的是在75°至105°、即范圍90范圍圍于射的范圍內的偏轉角。已經發現，在偏 轉角距離90圍的值的較大偏差的情況下，畸變和內部反射損失過多。
[0088] 如在上文參照圖1所說明的，第一光學元件2的斜面21投影到光射入孔的高度^小 于光射入孔30的高度z。射入孔30的高度z對應于圖4中的參數 2_〇此。根據本發明的另一實 施例，以下因此通常適用于比值x/za，即第一光學元件2的光射入區域的寬度X與第一光學 元件2的斜面21到光射入孔的投影的高度z a的比值：
[0089] (10)x = za · tan(a/2) 〇
[0090] 因此，對于高度Za與高度z的比值，從表達式(1)和表達式(10)得到如下：
[0091] (11)
[0092] ζ3/ζ <1.5* [tan(a/2) · [tan(90°-a/2)-tan(900-(2 · [α/2+900 ]-[180°-arcsin(l/n)]))]]-、
[0093] 如從圖I的示例中可以看出的，高度Za也可定義為斜面的沿著第一光學元件的縱 向測量的高度，或者定義為沿第一光學元件2的縱向部分的長度，斜面沿著所述第一光學元 件2設置。
[0094] 然而，如以上參照表達式(2)所述，對于尺寸z的較大值，降低了效率的提高，同時 第二光學元件變得越來越龐大。因此，根據本發明的另一實施例有利的是，額外地設置表達 式（11)中比值的下限，其隨著高度z的增加而減小。因此，由表達式（10)和(2)的組合，根據 本發明的另一實施例得到了以下額外的條件：
[0095] (12)
[0096] ζ3/ζ > 0.85 · [tan(a/2) · [tan(90°-a/2)-tan(900-(2 · [α/2+900]-[180°-arcsin(l/n)]))]]一、
[0097] 對于偏轉角α = 90轉的優選特殊情況，我們得到了 x = za。因此，適用如下：
[0098] (13)x/z = za/z。
[0099] 由表達式（11)，那么隨后：
[0100] (14)za/z < 1.5 · [ l+tan(arcsin( 1/n)) ]_1,
[0101] 以及由表達式(12)，我們得到對于α = 90們的特殊情況，作為有利的附加條件：
[0102] (15)za/z20·85 · [l+tan(arcsin(1/n))]-工。
[0103] 圖5a和5b示出了具有給出41 了的臨界角的η= 1.5215的折射率的玻璃LIBA2000的 測量示例。偏轉角選擇為90量。在上述公式和1:1的輸出縱橫比的情況下，得到了計算的縱 橫比 x_G/y_G = 0.534。所采用的棱鏡的縱橫比為 x_G/y_G = 3.66mm/5. OOmm = 0.732。
[0104] 如果使用LED作為光源，其通常構成所謂的朗伯輻射器，其意味著不管觀看方向， LED的發光面表現出均勻光亮的。
[0105] 可以選擇較大的實際比值x_G/y_G，因為用作光源、作為朗伯輻射器的LED在較高 角度處僅發出很小的輻射。此外，以較大角度入射到棱鏡的底面的輻射大部分被反射。 [0 106]圖5a不出在光學裝置的光射出區域25的光強度分布的垂直立視圖。
[0107]圖5b是示出了圖5a中沿線41的光輻射的灰度值的曲線圖。橫軸表示距離光射出區 域25的左側邊緣的距離。
[0108]如果第二光學元件的光射入孔的縱橫比和第一光學元件的光射入區域的縱橫比 根據本發明不適應，其是指如果第一光學元件的尺寸X和第二光學元件的尺寸z是相同的， 在光強度以在2至5毫米的范圍內射出的圖5b的示例中，僅在z坐標大于2的值處射出的光強 度注入到第二光學元件。與此相反，本發明的裝置構造成使得在0至2毫米的范圍內的光強 度也注入。因此，本發明顯然實現了更高的效率。
[0109] 在一個優選的實施例中，第一光學元件2的光導19具有一棱柱20的形狀，并且其光 射入區域24由棱柱20的非斜切底面形成。
[0110] 在現有技術的用于混合和重導向光的光學裝置中，使用具有基于基本的幾何形狀 的橫截面形狀或底面（=本發明的光學裝置1的光射入區24)的光導。特別是使用圓形橫截 面。為了實現入射光的更好混合，使用正六邊形。基本形狀在技術方面對純光混合器非常有 利。
[0111] 但是，在附加的偏轉的情況下，這些橫截面形狀導致光學系統的效率較低。這些效 率的損失由這些系統的一些不良性質引起。
[0112] 這些缺點通過從Z方向90缺偏轉成X方向的實施例進行說明。
[0113]最高強度垂直注入到底面的表面，并因此在光學系統中平行于z軸行進。在已經偏 轉之后，其在X方向上行進，所述X方向為發射所需的方向。為了避免從所希望方向的偏離， 其為與反射鏡相對的表面區域的射出表面區域必須垂直于X軸。這意味著，表面區域必須位 于x-y方向的平面中。在光導的圓形或六邊形底面的情況下，這是不可行的。
[0114]圓形或六邊形底面的另一缺點是，具有扁平射入面的下游光學元件、諸如例如光 導或平凸透鏡，不能盡可能靠近在輻射的各射出點處的射出表面區域地放置。因此，所發射 的輻射由于削弱的集光率或者需要收集輻射的另一光學元件而可以偏離。
[0115] 為了避免上述缺點，本發明以下文所述的方式背離規則幾何形狀。
[0116] 光導19的橫截面區域具有如下形狀:其具有在從背向第二光學元件3的表面朝向 第二光學元件3的方向上單調變大并在至少一個部分中沿著該方向由此連續單調變大的尺 寸。
[0117] 應當注意在本文中，矩形橫截面是邊界上的情況，因為光導的底面的寬度在這種 情況下是恒定的。雖然常數函數是單調的，但是除了在本發明的上述實施例中，它不是連續 單調的。
[0118] 如果基體具有正六邊形的形狀，基體的尺寸甚至在某些區域中連續地單調減小， 其導致了上述缺點。
[0119] 圖6示出了根據本發明的另外的實施例的光導19的四個不同底面或橫截面區域 192。這些實施例基于光導19的橫截面區域具有如下形狀的事實:其具有在從背向第二光學 元件3的表面朝向第二光學元件3的方向上單調變大并在至少一個部分中沿著該方向由此 連續單調變大的尺寸。
[0120] 圖6的a)部分示出了具有在光導的整個延伸上單調增大的寬度的橫截面區域。
[0121] 圖6的b)部分示出了具有在附圖中從左到右單調增大以及之后保持恒定的寬度的 橫截面區域。
[0122] 在圖6的a)部分和b)部分的示例性實施例中，光導具有扁平的壁部分。然而，也可 以提供圓形壁，如圖6的c)部分中的示例所示。在該示例性實施例的光導的橫截面區域中， 其中所述橫截面尺寸連續地單調增大的壁部分是圓形的。
[0123] 圖6的d)部分示出了三角形底面。因此，不具有與光射出區域25相向存在的面，而 是橫截面從朝向面191的邊緣193開始加寬。
[0124] 如以上參照圖1所已經說明的，面191包括光射出區域25。圖6的所有示例性實施例 的共同之處在于，由于朝向光射出區域25的橫截面的尺寸的單調以及至少部分連續單調地 增大（即在示例性實施例示出的取向的情況下從左至右），橫截面192在光射出區域25或相 關的面191處具有其最大尺寸。
[0125] 圖7示意性示出了本發明的包括光學裝置1的照明裝置100。在光學裝置1的第一光 學元件2的光射入區域24的前方，照明裝置100包括多個發光元件50、51、52、53、54,其將其 光注入到光射入區域24中。發光元件50、51、52、53、54為例如半導體發光元件、例如LED。發 光元件50、51、52、53、54在發射的光的顏色上彼此不同。在這個意義上，甚至白色的不同的 色度被認為是不同的顏色或色彩。例如，可以提供發射不同色溫的光的兩種白光LED，例如 分別發射2700K和7000K的白光的兩個白光LED。
[0126] 例如，當使用四色LED陣列時，可以覆蓋較寬的顏色空間。在這種情況下，設置至少 一個紅色發光LED、至少一個綠色或黃色發光LED、至少一個藍色發光LED和至少一個白色發 光LED。以這種方式，例如可以通過將來自一個或多個紅色、綠色和藍色發光LED的光與來自 一個或多個白色發光LED的光混合來修改白光的色溫。對于作為半導體發光元件的發光二 極管和激光器，以下光譜范圍優選用于發射的光：
[0127] 藍光:430納米至480納米的波長，
[0128] 綠光:500納米至560納米的波長，
[0129] 紅光:至少600納米、優選600nm至660nm的波長。
[0130]在照明布置100的情況下，光學裝置1的第二光學元件3由具有面向第一光學元件2 的光射出區域25的端面的光導31形成，所述端面限定了光射入孔30。取決于確切的應用配 置，反射損失可以通過將表面區域25和30粘合在一起而最小化，使得整體的效率能夠提高。 然而，這意味著額外的費用，并可限制對溫度變化的抗性，如果燈的基本結構表現出與玻璃 棒不同的熱膨脹行為。
[0131]沿其縱向，光導31包括光散射結構310,其以這樣的方式部分地散射注入到光導31 的光，使得超過全內反射的臨界角，使得散射的光從光導31的側表面離開。因此，光導31成 為發射貫穿其縱向的光的線形或細長的光源。特別合適的是施加在光導的側表面上的光散 射結構。為此適合的是漫反射涂層。在這種情況下，涂層包括作為光散射結構的反射顆粒。
[0132] 如圖7所示，光散射結構310也可以施加到僅一部分的側表面。以這種方式，促進了 在光導31的相對的、非涂覆側上的光的發射。光導布置在壁、頂部或底部上或布置在壁、頂 部或底部中是有利的。不限于圖7中所示的具體示例，光散射結構優選布置在面向發光元件 50、51、52、53、54的側表面的一側。以這種方式，第一光學元件可以安裝在壁、頂部或底部 中，由此被遮蓋。
[0133] 可以看出，在棱柱的區域中，由于涂層，通常沒有光沿著棒在Z方向射出。因此，當 多個這樣的光源相結合時，光線可能會中斷，這可能在光場中產生不良影響。這些影響可以 通過設計面21上的鏡面涂層使得光的一部分在z方向上或在具有主要z分量的方向上傳送 而減小。例如通過不在整個面上的鏡面涂層(例如通過省略周邊區域），這特別容易實現。
[0134] 第一光學元件2的光導19和/或第二光學元件3的光導31可以是玻璃或塑料棒。光 導可以用具有較低折射率的材料加套，或者可以至少在其部分中沒有加套。
[0135] 發光元件50、51、52、53、54連接到電子控制單元(在此未示出），其允許控制發光元 件的亮度，甚至彼此分離地控制。
[0136] 在上述實施例中，在喪失通用性的情況下，坐標系已被選擇成使得光在斜面處的 偏轉發生在x-z平面。第一和第二光學元件在y方向上的延伸優選相同。第一光學元件在y方 向上的較小尺寸減小了注入區域以及由此的注入效率，并產生第二光學元件的不必要的較 大尺寸設計和因此不太有利的性質，例如在安裝空間、重量和成本方面。
[0137] 第一光學元件在y方向上相對于第二光學元件的更大延伸是指光橫向行進通過第 二光學元件并因此降低了效率。
[0138] 另一方面，出于結構上的原因，第一光學元件（以上也稱為y_G)或光射入區域的深 度y和第二光學元件的光射入孔的深度y的微小偏差可以是有利的。通常，但不限于圖示的 示例性實施例，因此優選的是，第一光學元件的光射入區域24的深度 y_G和第二光學元件的 光射入孔的深度y2限定了范圍為0.85至1.15、優選為0.9至1. 11的7_6/>2比。
[0139] 而且，由于上述原因，使光射入區域24和光射出區域25的深度相適應是有利的。因 此，根據本發明的一個實施例適用于第一光學元件的光導的是，第一光學元件的光射入區 域24的深度y (上文也稱為y_G)與光射出區域25的深度y_out的比y/y_out的范圍為0.85至 1.15,優選 0.9 至 1.11。
[0140]圖8是棱柱20和第二光學元件3的光導18的幾何形狀重合的情況下沿X軸所取的 圖。由于棱柱20的矩形幾何形狀和光導18的圓形幾何形狀，存在非重疊區域23。
[0141] 由于兩個幾何形狀不需要重合，在z方向上稍微更大的程度可以是有利的，例如對 于圓形光導的情況，因為積極影響大于消極影響。這種情況示于圖9。產生了額外的重疊區 域32和第二光學元件3的光導18的非覆蓋區域33。
[0142] 在同樣的情況下，第二光學元件在z方向上的向上的微小位移也是有利的，因為高 強度的區域在射出區域的上部區域中，如之前已經結合圖5a和5b更詳細地說明的。圖10示 出了在z方向上擴大和向上移動的圓形光導18的這種情況。
[0143] 此外，從圖8-10中可以看出，第二光學元件的光射入孔的橫截面形狀不僅在縱橫 比方面不同于第一光學元件的光射入區域的橫截面形狀，而且可以另外地構成其他一些幾 何圖形。例如，光射入區域通常可以具有多邊形的形狀，而第二光學元件的光射入孔可以具 有圓形的形狀，例如優選的光導的光射入面。
[0144]圖11示出了圖7所示的照明裝置100的實施例的變形方案。該照明裝置100包括至 少兩個、優選更多的光學裝置。每個光學裝置包括作為第二光學元件的光導31。光導31成行 布置或前后布置，使得它們的光射入孔30彼此隔開。光學裝置1的第一光學元件2并排布置， 使得在光射入孔30之間的中間空間103中，光射出區域25以相反的方向取向并面向光導3的 相對的光射入孔30。各第一光學元件分別具有與之相關聯的其自身的發光元件，優選多個 發光元件50、51和53、54,其在發射的光的顏色方面彼此不同，而且所述第一光學元件2還優 選布置成使得特別是在表面之間沒有接觸的情況下，第一光學元件2的壁22的并置表面彼 此分離，使得各光學元件傳導與之相關聯的發光元件的光以及避免了在一個發光裝置與相 鄰的照明裝置1中傳導的光之間的串擾。以這種方式，可以在亮度和/或顏色方面分別調整 各照明裝置。而且，在光導31的串聯布置的情況下獲得了細長的線形光源。為了允許光到達 中間空間103,例如根據本發明的另一實施例預期，斜面上的鏡面涂層5是部分透射的。這可 以通過部分反射的鏡面涂層5和/或通過僅部分由鏡面涂層5覆蓋的斜面21來實現。
[0145] 對于本領域技術人員顯而易見的是，本發明不限于示例性實施例，而是可以在權 利要求的主題的范圍內而以多種方式進行變化。例如，在圖1和圖7的示例性實施例中，設置 了將光朝向第二光學元件3偏轉90例的第一光學元件22。然而，也可以使用其它角度。
[0146] 附圖標記列表
[0147] 1 光學裝置
[0148] 2 第一光學元件
[0149] 3 第二光學元件
[0150] 4 光束
[0151] 5 鏡面
[0152] 18 光導
[0153] 19 光導
[0154] 20 棱柱
[0155] 21 斜面
[0156] 22 壁
[0157] 23 非重疊區域
[0158] 24 光射入區域
[0159] 25 光射出區域
[0160] 26 最初沿〇初行進的光的反射光
[0161] 27 在玻璃中沿35璃行進的光的反射光
[0162] 28 鏡面的表面法線
[0163] 30 光射入孔
[0164] 31 光導
[0165] 32 額外的重疊區域
[0166] 33 未覆蓋區域
[0167] 41 剖面線
[0168] 50、51、52、53、54 發光元件
[0169] 100 照明裝置
[0170] 103 中間空間
[0171] 190、191 側面
[0172] 192 19的橫截面區域
[0173] 193 邊緣
[0174] 310 光散射結構
【主權項】
1. 一種光學裝置(1)，其包括： -第一光學元件(2)，所述第一光學元件為斜切有斜面(21)的光導（19)的形式或包括斜 切有斜面(21)的光導（19);以及 -第二光學元件(3); 其中所述第一光學元件(2): -通過全內反射在其壁(22)處傳導光；以及 -具有由所述光導（19)的非斜切端面形成的光射入區域(24);以及 -具有光射出區域(25)，其中所述光射出區域(25)由所述壁(22)的在所述光導（19)的 布置所述斜面(21)的端部處的表面區域形成；以及其中 -所述第二光學元件(3)具有光射入孔(30)，其布置在所述第一光學元件（2)的所述光 射出區域(25)上或者布置成面向所述第一光學元件(2)的所述光射出區域(25);其中 -所述第一光學元件（2)的所述光射入區域(24)具有在沿著所述光射入區域(24)與在 所述斜面(21)處的光偏轉平面的相交的方向上測量的寬度X;以及 -所述第二光學元件(3)的所述光射入孔(30)具有在沿著所述第一光學元件(2)的所述 光射出區域(25)與在所述斜面(21)處的所述光偏轉平面的相交的方向上測量的高度z，其 中所述寬度X和所述高度Z滿足如下關系:x/z < 1.5 · [tan(90°-a/2)-tan(90°-(2 · [α/2+ 90。]-[180°-arcsin(l/n)]))]-、 其中，α表示光在所述斜面(21)處的偏轉角，以及n表示所述第一光學元件(2)的材料的 折射率。2. 根據上述權利要求所述的光學裝置（1)，其特征在于，所述寬度X和所述高度ζ還滿足 下列關系： χ/ζ>0.85 · [tan(90〇-a/2)-tan(90〇-(2 · [α/2+90〇 ]-[ 180°-arcsin( 1/n)]))]_1〇3. 根據上述權利要求中任一項所述的光學裝置（1)，其特征在于，在所述第一光學元件 (2)的所述斜面(21)處的所述偏轉角的范圍為75的至105所。4. 根據上述權利要求中任一項所述的光學裝置（1)，其特征在于，所述第一光學元件的 所述光導（19)具有棱柱(20)的形狀，并且其光射入區域(24)由所述棱柱(20)的非斜切的底 面形成。5. 根據上述權利要求中任一項所述的光學裝置(1)，其特征在于，所述光導（19)的橫截 面區域具有如下形狀:其具有在從背向所述第二光學元件(3)的表面朝向所述第二光學元 件(3)的方向上單調變大并在至少一個部分中沿著該方向的連續地單調變大的尺寸。6. 根據上述權利要求所述的光學裝置，其特征在于，所述光導（19)具有兩個相對的扁 平的側面（190、191)，其中，一個所述側面（191)包括所述光射出區域(25)，并且其中包括所 述光射出區域(25)的所述側面(191)寬于相對的側面(190)。7. 根據上述權利要求中任一項所述的光學裝置(1 )，其特征在于，所述斜面(21)以相對 于所述光導的縱向的45相角延伸，使得在所述光導（19)中傳導的光在所述斜面(21)處偏轉 90偏。8. 根據上述權利要求所述的光學裝置，其特征在于，所述第二光學元件(3)的所述光射 入孔(30)的所述高度ζ和所述第一光學元件的所述光射入區域(24)的所述寬度X滿足下述 關系:χ/ζ<1·5· [l+tan(arcsin(l/n))]-、 其中，η表示所述第一光學元件(2)的材料的折射率。9. 根據上述權利要求中任一項所述的光學裝置，其特征在于，所述斜面(21)是鏡面。10. 根據上述權利要求中任一項所述的光學裝置，其特征在于，所述第二光學元件的所 述光射入孔(30)的形狀對于兩個相互垂直的方向具有0.8:1至1.2:1、優選0.9:1至1.1:1、 最優選1:1的縱橫比。11. 根據上述權利要求中任一項所述的光學裝置，其特征在于，所述第一光學元件的所 述光射入區域(24)的深度y_G和所述第二光學元件的所述光射入孔(30)的深度y2限定了在 0.85至1.15的范圍內、優選在0.9至1.11的范圍內的y_G/y2比。12. 根據上述權利要求中任一項所述的光學裝置，其特征在于，所述斜面(21)投影到所 述第一光學元件(2)的所述光射出區域(25)的高度z a與所述第二光學元件(3)的所述光射 入孔(30)的高度z的比值滿足如下關系： za/z <1.5· [tan(a/2) · [tan(90°-a/2)-tan(90°-(2 · [α/2+90〇 ]-[ 180°-arcsin( 1/ n)]))]]-、13. 根據上述權利要求所述的光學裝置，其特征在于，進一步地，所述斜面(21)投影到 所述第一光學元件(2)的所述光射出區域(25)的高度z a與所述第二光學元件（3)的所述光 射入孔(30)的高度z的比值滿足如下關系： za/z>0.85· [tan(a/2) · [tan(90〇-a/2)-tan(90〇-(2 · [α/2+90〇 ]-[180°-arcsin(l/ η)]))]]-1。14. 根據上述權利要求中任一項所述的光學裝置，其特征在于，所述第一光學元件的材 料對于可見光具有至少1.4、優選不高于2.0的折射率。15. -種具有根據上述權利要求中任一項所述的光學裝置（1)的照明裝置（100)，其包 括多個發光元件(50、51、52、53、54)，所述發光元件在發射的光的顏色上彼此不同，其中，所 述發光元件(50、51、52、53、54)布置成使得它們的光注入到所述第一光學元件(2)的所述光 射入區域(24)。16. 根據上述權利要求所述的照明裝置（100)，其特征在于，所述第二光學元件(3)包括 從所述第一光學元件(2)發出的光注入到其中的光導（31)，其中所述光導具有沿其縱向的 光散射結構，其將注入的光散射離開所述光導(31)。17. 根據上述權利要求所述的照明裝置（100)，其特征在于，所述第二光學元件(3)由所 述光導(31)形成以及所述光射入孔(30)由所述光導(31)的面向所述第一光學元件(2)的所 述光射出區域(25)的端面形成。18. 根據上述兩項權利要求中任一項所述的照明裝置（100)，包括至少兩個、優選多個 光學裝置（1)，其中每個所述光學裝置包括作為所述第二光學元件(3)的光導（31)，并且所 述光導(31)連續地布置，使得它們的光射入孔(30)彼此隔開，以及其中所述光學裝置(1)的 所述第一光學元件(2)并排布置，使得在所述光射入孔(30)之間的中間空間（103)中，所述 光射出區域(25)以相反的方向取向并面向所述光導(3)的相對的光射入孔(30)。19. 一種光學元件(2)，其為斜切有斜面(21)的棱柱形狀的光導（19)的形式或包括斜切 有斜面(21)的棱柱形狀的光導（19)，其中所述第一光學元件(2): -通過全內反射在其壁(22)處傳導光；以及 -具有由所述光導（19)的非斜切端面形成的光射入區域(24);以及 -具有光射出區域(25)，其中所述光射出區域(25)由所述壁(22)的在所述光導（19)的 布置所述斜面(21)的端部處的表面區域形成；以及其中 -所述光學元件(2)的所述光射入區域(24)具有在沿著所述光射入區域(24)與在所述 斜面(21)處的光偏轉平面的相交的方向上測量的寬度X和垂直于所述寬度X測量的深度y， 其滿足下列關系： x/y <1.5 · [tan(90°-a/2)-tan(90〇-(2 · [α/2+90〇]-[180°-arcsin(l/n)]))]_1, 其中，α表示光在所述斜面(21)處的偏轉角，以及η表示所述光學元件(2)的材料的折射 率。20. 根據上述權利要求所述的光學元件(2)，其特征在于，所述斜面以相對于所述光射 入區域的45其角傾斜，使得光的偏轉角為90，，其中，以下關系式適用于所述光導的所述光 射入區域(24)的寬度X和深度y的比值： x/y <1.5 · [l+tan(arcsin(l/n))]-、21. 根據上述權利要求中任一項所述的光學元件（2)，其特征在于，所述光射入區域 (24)的深度y和所述光射出區域(25)的深度y_out的比值y/y_out在0.85至1.15的范圍內， 優選0.9至1.11的范圍內。
【文檔編號】F21V8/00GK105992911SQ201480063885
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2014年11月21日
【發明人】B·韋爾芬, A·哈曾比勒
【申請人】肖特股份有限公司