[发明专利]准直器和照明单元

说明书

本发明提供了一种准直器，其包括包含折射透镜部分和齿状全内反射部分的菲涅尔透镜。光阻挡元件至少在透镜部分和光源之间。光源输出的一部分被阻挡到达内透镜部分的至少一个区。在透镜部分的一些或所有部分处，光不从光源的全部区域到达那些部分。该部分的光阻挡意味着光源的整个形状未投射到透镜部分中的全部上，并且降低或消除了光晕效应。

技术领域

本发明涉及照明布置，并且特别地涉及利用一个或多个准直器的照明布置。

背景技术

准直器，例如用于发光二极管（LED）应用的准直器，用于提供定向光输出，例如光斑光束。如果需要若干LED，则通常提供多个圆形准直器并以被称为“淋浴头”阵列的阵列布置该多个圆形准直器。由于缺少圆形准直器的镶嵌，准直器的形状意味着阵列包括未点亮的区域。

因此，代替若干LED，单个光源（例如，板上芯片（COB）LED）可以与单个准直器一起使用。单个源聚光灯比多准直器解决方案优选得多。

然而，用于单个组合光源的光学器件比小准直器阵列占据更大的深度。在许多LED设备中，单个光源所需的深度是不可用的，因为设备的其他部分（诸如散热器和驱动器）占据了可用空间的显著比例。

对于具有单个光源的较大聚光灯，菲涅耳准直器是良好的选项，特别是全内反射（TIR）菲涅耳透镜。这种透镜高效、紧凑并且产生窄束。

图1示出了具有焦点15的典型菲涅耳透镜。它包括使用两次光折射操作提供光聚焦的中心透镜10，以及利用全内反射的周围环形齿状设计。在典型设计中，源光的30％通过中心透镜，并且高达光的70％通过TIR菲涅耳部分。透镜是旋转对称的，其具有旋转对称轴13，并且光源14沿着旋转对称轴13位于光源位置17处的焦点15处，旋转对称轴13是透镜的光轴。光源14不是点源，而是具有与中心透镜的尺寸相比显著的面积。光源14提供围绕光轴方向的光。光源的全部区域（其可以被认为占据以光源位置为中心的光源区）向中心透镜的每个点发射光。

来自TIR透镜的可实现的轴上强度由贡献约70％的TIR路径支配。强度与源亮度乘以沿轴发射的面积成比例。透镜仅覆盖准直器的小表面部分，并且因此具有小的表面积，以及因此对强度贡献很小。

中心透镜部分和TIR部分之间的光路径之间存在其他大的差异。TIR路径是非成像路径，并且由于TIR菲涅耳透镜中的光学扩展量和光线分配规则，它产生相对窄的光分布。为了提供最窄的光分布，中心透镜将是具有一个或两个凸表面的近似成像透镜。然而，从光学扩展量可以示出，这种光分布比TIR菲涅耳部分的光分布宽得多（通常为2到3倍宽）。在许多情况下，这种光是不想要的，因为它在主束周围产生光晕，主束通常具有清晰、非常可见的边缘。用户测试示出主束周围的光晕被感知与较低质量有关。

特别地由于中心透镜的成像特性，当其与COB源一起使用时是有问题的，因为这种源的边缘发射完全转换的淡黄色光。中心透镜将这种光放在光分布的边缘处，从而在光分布周围产生黄色的最外环，这是不期望的。

大中心透镜图像的问题与典型TIR菲涅耳准直器的几何约束相链接。换句话说，在中心透镜部分中存在太高的光学扩展量。在保持镜头尺寸的同时使束角度更小只有通过降低光学扩展量才是可能的，这意味着降低通过透镜透射的光通量。这可以通过使用阻挡特征来吸收或反射光的部分来完成。

例如，阻挡设备可以采用准直器之上的百叶窗元件的形式，其中百叶窗元件覆盖全部出射孔或仅覆盖中心透镜。如果吸收百叶窗是薄的，则这种元件使所有平行于光轴的光通过，同时阻挡以离轴角度发射的光。透射轮廓基本上是三角形的。

为了使这种百叶窗设备高效，其需要是非常薄的材料（例如金属）的，这使它是昂贵的。因此，它增加了设计的体积和成本。

因此需要一种准直器设计，其解决作为TIR菲涅耳准直器的中心透镜产生比TIR菲涅耳部分宽得多的光分布，从而产生光晕、眩光和可能的彩色条纹的问题。

发明内容