[发明专利]固态照明的宽光束角度创建

说明书

公开了一种透镜板（10），包括多个多边形非球面小透镜（11），每个小透镜被限定在沃罗诺伊点（13）周围，所述多边形小透镜组合以形成沃罗诺伊镶嵌，其中每个多边形小透镜包括以其沃罗诺伊点为中心的旋转对称部分（15）和非球面表面（21），该非球面表面（21）具有从所述旋转对称部分的表面顶点（25）朝向其边缘（17）连续减小的曲率。这种透镜板能够以高光学效率生成宽光束角度，例如，在光束的FWHM处超过30°的光束角度。还公开了包括这种透镜板的光学布置、包括这种光学布置的照明装置以及包括这种照明装置的设备。

技术领域

本发明涉及一种透镜板，其包括多个多边形非球面小透镜，每个小透镜被限定在沃罗诺伊（Voronoi）点周围，所述多边形小透镜组合形成沃罗诺伊镶嵌。

本发明还涉及一种包括这种透镜板的光学布置、包括这种光学布置的照明装置以及包括这种照明装置的设备。

背景技术

随着不断增长的人口，满足世界的能量需求并同时控制碳排放以遏制被认为是全球变暖现象原因的温室气体排放正变得越来越困难。这些担忧已经触发了朝向更高效电力使用的驱动，以试图降低能耗。

一个这样的关注领域是照明应用，无论是在家庭还是商业环境中。存在朝向利用更能量高效的替换物替换传统的相对能量不高效的灯泡（诸如白炽灯泡或荧光灯泡）的明显趋势。事实上，在许多司法管辖权中，白炽灯泡的生产和零售已经被宣布为非法，因此迫使消费者购买能量高效的替代品，例如在更换白炽灯泡时。

固态照明（SSL）装置提供了一种特别有前途的替代品，它可以以白炽灯泡或荧光灯泡的能量成本的一部分产生单位发光输出。这种SSL元件的示例是发光二极管（LED）。此外，与传统光源相比，这种SSL装置受益于增强的鲁棒性，从而显著增加了它们的操作寿命。

然而，利用这种SSL装置成功替换传统光源需要解决的主要挑战是确保这种SSL装置产生的发光输出具有期望的分布，例如，确保发光输出类似于要被替换的传统光源的发光输出。

例如，在期望的发光分布是具有限定光束角度的点光（spotlight）光束的情况下，基于SSL元件的照明装置通常包括一个或多个光学元件，以将SSL元件的发光分布成形为这样的点光光束。一种常见的方法是准直这种发光分布，准直分布随后被角度扩展，以便创建具有特定光束角度的点光光束。这种角度扩展例如可以通过借助于粗糙化光出射表面来散射穿过准直器的光出射表面的光来实现。这是实现这种光束扩展的成本有效的方式，但是具有较差可控性的主要缺点；难以控制通过这种表面粗糙化引入的散射程度。而且，由于不可避免的背散射效应，使用散射技术实际上不可能获得良好限定的大光束角度。

为此原因，通常优选的解决方案是使用包括多个微透镜（小透镜）的单侧微透镜阵列，以将利用准直器产生的准直光转换成具有期望光束角度的点光光束。这种阵列也可以称为透镜板。已知解决方案，其中，透镜板（在空间上）与准直器分离或者形成准直器的组成部分，例如，限定准直器的光出射表面。由于可用于刻面的工具，所以这种小透镜的表面通常在性质上是球面的。利用这种透镜板实现的光束角度可以通过改变小透镜密度、透镜板上小透镜的镶嵌类型和小透镜的曲率半径中的至少一个来控制。

然而，与这种透镜板相关联的问题是难以以高光学效率实现相对大的光束角度，例如在光束的半峰全宽（FWHM）处超过30°的光束角度。这是因为可以通过减小小透镜的曲率半径来实现更高的光束角度，但是这以离轴角度（即，以与球面小透镜表面的光轴成非零角度入射在球面小透镜表面上的光）下更高的全内反射（TIR）为代价，特别是在相对大的离轴角度下。这种TIR降低了透镜板的光学效率，并且可能增加光学伪影，诸如利用透镜板形成的光束中的眩光和颜色分离。

US 2006/0238876 A1公开了一种用于光束成形的光学器件阵列，其使用包括多边形微透镜（典型地为球面微透镜）的微透镜组合。单独透镜的几何布置及其直径遵循沃罗诺伊分布模式，其中每个微透镜的表面顶点相对于其多边形区域的沃罗诺伊点位移。然而，这种光学器件阵列在离轴角度下仍然遭受TIR。