Компактная оптическая система и линзы для формирования равномерного коллимированного света

Компактная оптическая система и линзы для формирования равномерного коллимированного света

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к оптической системе и линзам для компактного источника света, которая создает хорошо направленное освещение, и в частности к невысокой оптической системе с малым соотношением, с хорошо направленным и равномерным освещением по выходной плоскости.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Многие применения источника излучения имеют ограничения по пространству и освещению. Несмотря на то что небольшие источники света, такие как светодиоды, могут быть использованы для целей экономии пространства, эти устройства требуют дополнительных оптических систем для создания требуемого освещения. Например, в некоторых применениях требуется обеспечить источник света с хорошо коллимированным светом, или освещением, которое по существу равномерно на площади. Требуется обеспечить оптическую систему и линзы, которые могут создать хорошо коллимированный свет из равномерно освещенной поверхности, но которая не занимает много места.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения, оптическая система включает в себя цилиндрическую линзу с боковым излучением, отражатель и цилиндрическую линзу Френеля для создания по существу равномерно освещенной выходной плоскости с хорошо коллимированным светом в прямом направлении. Цилиндрическая линза с боковым излучением перенаправляет свет от источника света, такого как множество светодиодов, расположенных в ряд, в свет, излучаемый вбок, вдоль оптической оси, которая параллельна выходной плоскости. Отражатель может являться ступенчатым отражателем, который включает в себя множество поверхностей отражателя с различными фокусными расстояниями, исходя из удаленности поверхностей от источника света и высоты, для перенаправления света от цилиндрической линзы с боковым излучением для освещения выходной плоскости и коллимации света вдоль одной оси в прямом направлении. Цилиндрическая линза Френеля используется для коллимации света вдоль ортогональной оси в прямом направлении.

В другом варианте выполнения настоящего изобретения, цилиндрическая линза с боковым излучением включает в себя нижнюю поверхность, которая параллельна оптической оси, и полость, в которой может быть расположен один или более источников света. Внутренняя поверхность полости состоит из двух плоских поверхностей и одной по существу сферической поверхности. Наружная поверхность линзы состоит из отражающей поверхности полного внутреннего отражения (TIR), первой преломляющей поверхности, которая также является плоской и которая наклонена под углом относительно центральной оси линзы, причем центральная ось ортогональна оптической оси. Вторая преломляющая поверхность продолжается от нижней поверхности первой преломляющей поверхности. Свет, который входит в линзу из полости и падает непосредственно на отражающую поверхность, отражается к первой преломляющей поверхности и преломляется к выходу из линзы в направлении по существу параллельном оптической оси. Более того, свет, который входит в линзу из полости и падает непосредственно на вторую преломляющую поверхность, преломляется к выходу из линзы в направлении, которое также по существу параллельно оптической оси. Цилиндрическая линза с боковым излучением имеет форму поперечного сечения в плоскости, образованной центральной осью и оптической осью, и имеет ту же форму поперечного сечения в каждой точке вдоль горизонтальной оси, которая ортогональна оптической оси и центральной оси.

В другом варианте выполнения настоящего изобретения, ступенчатый отражатель с множеством фокусных расстояний использует множество поверхностей отражателя, которые расположены на различных расстояниях от источника света и расположены на различных высотах относительно оптической оси. Поверхность отражателя, ближайшая к источнику света, имеет наименьшую высоту на оптической оси, и поверхность отражателя, наиболее удаленная от источника света, имеет наибольшую высоту на оптической оси. Каждая поверхность отражателя имеет различное фокусное расстояние, которое основано на удаленности поверхности отражателя от источника света и на высоте поверхности отражателя на оптической оси. Фокусное расстояние каждой поверхности отражателя выполнено с возможностью перенаправления света от источника света в прямом направлении и создания по существу равномерного освещения на выходной плоскости и по существу коллимации света вдоль оптической оси.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 изображает вид в перспективе оптической системы, которая может быть использована с компактными источниками света, такими как светодиоды (LEDs), согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения.

Фиг.2 и 3 - виды сбоку оптической системы с Фиг.1, вдоль ортогональных осей.

Фиг.4 изображает вид в перспективе одного варианта выполнения цилиндрической линзы с боковым излучением.

Фиг.5 изображает на виде в перспективе множество оптических систем с Фиг.1, соединенных вместе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Фиг.1 изображает вид в перспективе оптической системы 100, которая может быть использована с компактными источниками света, такими как светодиоды (LEDs) 102, согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения. Как можно видеть, оптическая система 100 имеет малое соотношение сторон, например, 3:1, но оно может изменяться по желанию. Фиг.2 и 3 - виды сбоку оптической системы 100 вдоль длинной оси 101_long и короткой оси 101_short, соответственно. Длинная ось 101_long и короткая ось 101_short ортогональны друг другу. Оптическая система 100 вызывает по существу равномерное распределение света, излученного источником света, поперек выходного отверстия 106 оптической системы 100, и хорошую коллимацию, то есть направленность в направлении, по существу перпендикулярном плоскости выходного отверстия 106. В данной области техники известно, что коллимированный свет не идеально коллимирован, а может иметь некоторую степень угловой расходимости.

Как показано на Фиг.3, оптическая система 100 может быть использована с множеством источников света, например, четырьмя светодиодами 102, которые расположены в одной плоскости и на прямой линии, параллельной короткой оси 101_short оптической системы 100. Любые традиционные светодиоды 102 или другой источник света может быть использован с настоящим изобретением. В одном варианте выполнения, светодиоды 102 создают по существу ламбертовскую диаграмму направленности излучения и могут являться светодиодами синего свечения с люминофором, которые создают белый свет или любой цвет светового излучения. Предпочтительно, источники света, используемые с оптической системой 100, создают по существу равномерное излучение вдоль короткой оси 101_short. По существу, равномерное освещение может быть, например, достаточно равномерным, так что невозможно увидеть искажающие яркие изменения света. Ясно, что поскольку некоторое изменение освещения может иметь место, изменение либо не может быть распознано глазом, либо не является искажающим.

Оптическая система 100 включает в себя цилиндрическую линзу 110 с боковым излучением, которая, согласно одному аспекту настоящего изобретения, перенаправляет свет от светодиодов 102 в направлении, которое параллельно длинной оси 101_long и выходной плоскости 106. Фиг.4 изображает вид в перспективе одного варианта выполнения цилиндрической линзы 110 с боковым излучением. Цилиндрическая линза 110 с боковым излучением имеет поперечное сечение вдоль плоскости, образованной оптической осью 112 линзы 110 и центральной осью 113, которое может быть аналогично форме осесимметричной традиционной линзы с боковым излучением, такой как описана в U.S. 6679621, который включен сюда путем ссылки. Вдоль этого сечения, цилиндрическая линза 110 с боковым излучением включает в себя V-образный верхний участок 110_top, имеющий отражающую (например, полного внутреннего отражения) поверхность I и преломляющую поверхность H. Отражающая поверхность I и преломляющие поверхности образуют плоскости, причем преломляющая поверхность наклонена под углом относительно центральной оси 113. Нижний участок 110_lower имеет преломляющую поверхность 116, которая продолжается в виде плавной кривой от преломляющей поверхности H до нижней поверхности 118 линзы 110.

Светодиоды 102 расположены внутри полости 120 в линзе 110. Внутренняя поверхность полости 120 состоит из двух плоских поверхностей 121 и одной по существу сферической поверхности 122. Полость 120 может содержать газ, возможно разреженный, или может включать в себя негазообразный материал, такой как твердый, жидкий или гелеобразный, который может способствовать извлечению света. Наружные стороны полости 120, то есть стороны, ортогональные отражающей и преломляющим поверхностям I, H и 116, могут быть покрыты отражающей пленкой, либо на линзе, либо на сторонах оптической системы 100. Малая часть света, которая падает на отражающую поверхность I, может быть пропущена и использована для освещения выходной плоскости 106. Свет, входящий в линзу 110 из полости 120 и падающий непосредственно на отражающую поверхность I, отражается к первой преломляющей поверхности H и преломляется к выходу из линзы 110 в направлении, по существу параллельном оптической оси 112. Свет, входящий в линзу 110 из полости 120, который падает непосредственно на вторую преломляющую поверхность 116, также преломляется для выхода из линзы 110 в направлении, по существу параллельном оптической оси 112.

Как видно на Фиг.4, форма поперечного сечения цилиндрической линзы 110 с боковым излучением вдоль плоскости, образованной оптической осью 112 и центральной осью 113, имеет такую же форму поперечного сечения в каждой точке вдоль горизонтальной оси 114, которая ортогональна оптической оси 112. Таким образом, в отличие от традиционных линз с боковым излучением, цилиндрическая линза 110 с боковым излучением не осесимметрична. Ясно, что форма поперечного сечения линзы 110 с боковым излучением является примером и что другие формы поперечного сечения линз с боковым излучением могут быть использованы при необходимости. Линза 110 может быть изготовлена, используя, например, литье в вакуум или литье под давлением, используя материал, такой как поликарбонат, ПММА или другой подходящий материал.

Как показано на Фиг.1 отражатели 130 присутствуют в оптической системе 100 для перенаправления света, излучаемого вбок из цилиндрической линзы 110 с боковым излучением, в прямом направлении 100_forward, которое перпендикулярно длинной оси 101_long и короткой оси 101_short. Оптическая система 100 включает в себя два ступенчатых отражателя 130a и 130b с множеством фокусных расстояний, называемых обобщенно отражатели 130, которые расположены на противоположных сторонах цилиндрической линзы 110 с боковым излучением. При необходимости, только один отражатель 130 может быть использован, причем цилиндрическая линза 110 с боковым излучением расположена на одном конце оптической системы 100. Цилиндрической линзе 110 с боковым излучением нет необходимости быть симметричной относительно короткой оси. В другом варианте выполнения, отражатели 130 могут являться сплошным отражателем подходящей формы, например, кривая, по всей длине для перенаправления света, излучаемого вбок, в прямо направленный свет.

Отражатели 130 включают в себя множество поверхностей 132 отражателя, которые расположены на различных расстояниях от цилиндрической линзы 110 с боковым излучением. Кроме того, поверхности 132 отражателя расположены на различных высотах, измеренных относительно прямого направления 100_forward. Как можно видеть, наиболее высокая поверхность 132_top отражателя является также наиболее удаленной от цилиндрической линзы 110 с боковым излучением, и наиболее низкая поверхность 132_bottom отражателя является ближайшей к линзе 110 с боковым излучением. Поверхности 132 отражателя могут быть соединены друг с другом, например, посредством ступеньки 134, как изображено, или альтернативно могут быть отделены и поддерживаться боковыми стенками 104 оптической системы 100. Более того, как более ясно видно на виде сбоку, показанном на Фиг.2, поверхности 132 отражателя имеют параболическую форму. Фокусное расстояние каждой параболической поверхности 132 отражателя выбрано соответствующим расстоянию между поверхностью 132 отражателя и цилиндрической линзой 110 с боковым излучением. Конфигурация поверхностей 132 отражателя, то есть их параболические формы и положения, включающие в себя высоту и удаленность от цилиндрической линзы 110 с боковым излучением, перенаправляет свет, излучаемый вбок, в свет, направленный прямо, который совместно с частью света, которая излучена в прямом направлении цилиндрической линзой 110 с боковым излучением, приводит к по существу равномерному освещению вдоль длины, то есть вдоль длинной оси 100_long выходной плоскости 106. По существу равномерно освещение может быть, например, достаточно равномерным, так что невозможно увидеть искажающие яркие изменения света. Ясно, что поскольку некоторое изменение освещения может иметь место, изменение либо не может быть распознано глазом, либо не является искажающим.

Отражатели 130, подобно цилиндрической линзе 110 с боковым излучением, могут быть изготовлены, используя, например, литье в вакуум или литье под давлением, используя материал, такой как поликарбонат, ПММА или другой подходящий материал.

При объединенных цилиндрической линзе 110 с боковым излучением и ступенчатыми отражателями 130a и 130b с множеством фокусных расстояний, свет по существу равномерен вдоль длины оптической системы и хорошо коллимирован в прямом направлении 100_forward. Как показано на Фиг.2, относительно длинной оси и прямого направления 100_forward, свет по существу коллимирован, то есть свет имеет угловую расходимость α ±15° относительно прямого направления в плоскости, образованной прямым направлением 100_forward и длинной осью 100_long.

Оптическая система 100 дополнительно включает в себя цилиндрическую линзу 150 Френеля в выходной плоскости 106 для коллимации света около прямого направления 100_forward, в плоскости, образованной прямым направлением 100_forward и короткой осью 100_short, как показано на Фиг.3. Ясно, что Фиг.3 изображает оптическую систему 100 вдоль короткой оси, но не показывает отражатели для ясности. Цилиндрическая линза 150 Френеля, на виде в сечении вдоль короткой оси, показанном на Фиг.3, имеет традиционную форму линзы Френеля. Цилиндрическая линза 150 Френеля имеет это же сечение в каждой точке вдоль длинной оси. Цилиндрическая линза 150 Френеля по существу коллимирует свет в прямом направлении 100_forward относительно короткой оси, то есть свет имеет угловую расходимость β ±15° относительно прямого направления.

Цилиндрическая линза 150 Френеля, подобно цилиндрической линзе 110 с боковым излучением, может быть изготовлена, используя, например, литье в вакуум или литье под давлением, используя материал, такой как поликарбонат, ПММА или другой подходящий материал.

При использовании цилиндрической линзы 110 с боковым излучением, ступенчатых отражателей 130a и 130b с множеством фокусных расстояний и цилиндрической линзы 150 Френеля, высота оптической системы 100 уменьшается, в то же время обеспечивая хороший угол коллимации. В качестве примера оптическая система 100, имеющая соотношение сторон 90 мм × 30 мм, имеет оптическую высоту менее 10 мм. В некоторых вариантах выполнения, оптическая система 300 может включать в себя множество оптических систем 100, которые соединены, как показано на Фиг.5.

Хотя настоящее изобретение показано в связи с конкретными вариантами выполнения для инструктивных целей, настоящее изобретение не ограничивается ими. Различные адаптации и модификации могут быть сделаны, не выходя за пределы объема изобретения. Следовательно, сущность и объем прилагаемой формулы изобретения не ограничиваются вышеизложенным описанием.

1. Оптическая система для формирования по существу коллимированного света в прямом направлении, причем оптическая система имеет длинную ось и короткую ось, которые ортогональны друг другу, и прямое направление перпендикулярно длинной оси и короткой оси, причем оптическая система содержит:по меньшей мере, один источник света;цилиндрическую линзу с боковым излучением, оптически соединенную, по меньшей мере, с одним источником света, цилиндрическая линза с боковым излучением выполнена с возможностью перенаправления части света, излученного, по меньшей мере, одним источником света, в свет, излучаемый в боковом направлении, которое перпендикулярно прямому направлению и параллельно длинной оси;по меньшей мере, один отражатель, расположенный с возможностью приема света, излучаемого в боковом направлении, от цилиндрической линзы с боковым излучением и перенаправления света в по существу прямом направлении, отражатель выполнен так, чтобы по существу равномерное освещение создавалось на выходной плоскости оптической системы и свет был по существу коллимирован в прямом направлении относительно плоскости, образованной прямым направлением и короткой осью; ицилиндрическую линзу Френеля, соединенную для принятия прямо направленного света, по меньшей мере, от одного отражателя, причем цилиндрическая линза Френеля по существу коллимирует прямо направленный свет относительно плоскости, образованной прямым направлением и длинной осью.

2. Оптическая система по п.1, в которой имеются два отражателя с цилиндрической линзой с боковым излучением, расположенной между двумя отражателями.

3. Оптическая система по п.1, в которой, по меньшей мере, один источник света представляет собой множество источников света, расположенных параллельно короткой оси.

4. Оптическая система по п.3, в которой источниками света являются светодиоды.

5. Оптическая система по п.1, в которой цилиндрическая линза с боковым излучением имеет форму поперечного сечения линзы с боковым излучением вдоль плоскости, образованной прямым направлением и длинной осью, и в которой цилиндрическая линза с боковым излучением имеет ту же форму поперечного сечения в каждой точке вдоль короткой оси.

6. Оптическая система по п.1, в которой форма поперечного сечения цилиндрической линзы с боковым излучением содержит верхний участок и нижний участок, причем верхний участок имеет V-образную форму, причем каждая сторона «V» включает в себя отражающую поверхность на внутренней стороне «V» и преломляющую поверхность на наружной стороне «V», причем нижний участок имеет преломляющую поверхность, которая продолжается в виде плавной кривой от преломляющей поверхности V-образной формы до нижней поверхности, причем форма поперечного сечения цилиндрической линзы с боковым излучением дополнительно содержит полость, в которой расположены источники света.

7. Оптическая система по п.1, в которой цилиндрическая линза Френеля имеет форму поперечного сечения линзы Френеля вдоль плоскости, образованной прямым направлением и короткой осью, и в которой линза Френеля имеет ту же форму поперечного сечения в каждой точке вдоль длинной оси.

8. Оптическая система по п.1, в которой, по меньшей мере, один отражатель является, по меньшей мере, одним ступенчатым отражателем с множеством фокусных расстояний, имеющим множество поверхностей отражателя, расположенных на различных расстояниях от цилиндрической линзы с боковым излучением и на различных высотах относительно прямого направления, множество поверхностей отражателя имеют различные фокусные расстояния, которые изменяются исходя из удаленности и высоты каждой поверхности отражателя, в которой конфигурация фокусного расстояния, удаленность от цилиндрической линзы с боковым излучением и высота каждой поверхности отражателя создают по существу равномерное освещение на выходной плоскости оптической системы и по существу коллимируют свет в прямом направлении.

9. Оптическая система по п.8, в которой множество поверхностей отражателя соединены.

10. Оптическая система по п.1, в которой свет, по существу коллимированный отражателем, имеет угловую расходимость ±15° или менее, и в которой цилиндрическая линза Френеля, по существу коллимирующая свет, создает свет с угловой расходимостью ±15° или менее.

11. Цилиндрическая линза с боковым излучением, имеющая оптическую ось, горизонтальную ось, которая ортогональна оптической оси, и центральную ось, которая ортогональна оптической оси и горизонтальной оси, причем цилиндрическая линза с боковым излучением содержит:нижнюю поверхность, причем оптическая ось параллельна нижней поверхности;полость, в которой может быть расположен один или более источников света; иотражающую поверхность, которая является плоскостью;первую преломляющую поверхность, которая является плоскостью и наклонена под углом относительно центральной оси линзы; ивторую преломляющую поверхность, продолжающуюся от нижней поверхности к первой преломляющей поверхности;в которой свет, входящий в линзу из полости и падающий непосредственно на отражающую поверхность, отражается от отражающей поверхности к первой преломляющей поверхности и преломляется первой преломляющей поверхностью к выходу из линзы в направлении, по существу параллельном оптической оси; и в которой свет, входящий в линзу из полости и падающий непосредственно на вторую преломляющую поверхность, преломляется второй преломляющей поверхностью для выхода из линзы в направлении, по существу параллельном оптической оси;в которой цилиндрическая линза с боковым излучением имеет форму поперечного сечения вдоль плоскости, образованной центральной осью и оптической осью, и имеет такую же форму поперечного сечения в каждой точке вдоль горизонтальной оси.

12. Цилиндрическая линза с боковым излучением по п.11, в которой вторая преломляющая поверхность продолжается в виде плавной кривой от нижней поверхности до первой преломляющей поверхности.

13. Цилиндрическая линза с боковым излучением по п.11, в которой полость выполнена имеющей светодиоды, расположенные внутри.

14. Цилиндрическая линза с боковым излучением по п.11, в которой отражающая поверхность отражает с полным внутренним отражением.

15. Цилиндрическая линза с боковым излучением по п.11, в которой отражающей поверхностью является первая отражающая поверхность, причем цилиндрическая линза с боковым излучением содержит:вторую отражающую поверхность, которая является плоскостью и которая образует V-образную форму с первой отражающей поверхностью;третью преломляющую поверхность, которая является плоскостью и наклонена под углом относительно центральной оси линзы; ичетвертую преломляющую поверхность, продолжающуюся от нижней поверхности до третьей преломляющей поверхности;в которой свет, входящий в линзу из полости и падающий непосредственно на вторую отражающую поверхность, отражается от второй отражающей поверхности к третьей преломляющей поверхности и преломляется третьей преломляющей поверхностью для выхода из линзы в направлении, по существу встречно-параллельном оптической оси; и в которой свет, входящий в линзу из полости и падающий непосредственно на четвертую преломляющую поверхность, преломляется четвертой преломляющей поверхностью для выхода из линзы в направлении, по существу встречно-параллельном оптической оси.