CN116888402A - 用于可转向反射照明器的光学设计 - Google Patents

Abstract

本文描述的用于定向照明器的背射光学系统提供了射束的工程设计扩散和定制，以校正不期望的伪影。在一个实施例中，背射光学系统包括光源、具有入射面和背面的固体透镜以及表面反射器。表面反射器与透镜紧密接近地设置，并通过气隙与透镜的背面间隔开。

Description

用于可转向反射照明器的光学设计

技术领域

本发明涉及光学器件，特别地涉及用于定向光照产品的光学结构。

背景技术

诸如发光二极管(LED)、白炽灯或卤素灯之类的用于照明目的的光源以宽范围的角度发射可见辐射。在用于许多目的的光照应用中，这种宽的光分布是不合期望的，并且需要定向光。在特定方向上准直和引导照明的光照器材是高度有利的。

该任务通常由利用光引擎(包括发光源、提供功率的电路，并且通常包括耗散废热的散热器)和光学系统的照明器来完成，该光学系统包括一个或多个反射或折射光学器件，以将光输出准直、成形和混合成合期望的光分布。光引擎和光学器件通常相对于彼此固定在位，并且然后通过各种机械装置倾斜整个组装件，以便引导光束。光学系统连同光引擎的组合大小和质量提出了许多挑战，包括将定向光放置在有限的空间中或者彼此紧密接近地放置。此外，瞄准不同方向上的大量定向光的美学效果通常被认为是不吸引人的。

这些传统可调照明器的一种已知替代方案是利用成像光学器件来准直和瞄准明亮的源。利用该设计的系统已经在现有技术中示出，其使用与反射透镜耦合的后射的光源(瞄准照明器)。通过控制光源相对于透镜光轴的平面内位移来实现射束转向。这种类型的光学系统设计的非转向实现也是有价值的。

图1示出了现有技术的示例背射(back-firing)光学系统，包括发光源100(诸如无模LED)和反射透镜光学器件180。该现有技术实施例中的反射透镜光学器件180是由具有>1折射率的透明材料制成的固体光学器件(或“透镜”)104。固体光学器件104包括正面102、内部区域103和后面106。反射涂层107设置在后面106上，并且与其轮廓共形。光源100被支撑在支撑结构110上，该支撑结构110提供与光源100的电连接，并将热量从光源100传导开。支撑结构110例如可以是金属芯印刷电路板的一部分。它必然遮挡光学器件104的正面102的一部分，并且可以以各种方式成形以最小化该遮挡。

来自源100的光101进入正面102，穿过光学器件内部103以照射设置在后面106上的反射涂层107，然后在离开面102之前再次穿过光学器件内部103以形成输出射束108。可以通过在垂直于光轴105的平面内调整光源100相对于固体光学器件104的光轴105的位置来控制输出射束108的方向。固体光学器件104可以被描述为“第二表面反射器”(SSR)，因为感兴趣的光学反射发生在透镜内部103和设置在后面106上的反射涂层107之间的界面处。

若干光学挑战限制了现有技术的该光学系统的性能，以及使用这样的光学系统的可转向照明器的性能。

第一，在投射射束108中对源100成像将光源100中存在的任何强度或颜色的空间不均匀性赋予射束108。附加地，源100的形状可以是正方形或矩形，而可能期望射束是圆形或椭圆形。由于这些原因，需要一种能够在光学系统内引入有限的射束混合和扩散的光学设计。

第二，合期望的是提供具有多种不同射束宽度的光照产品，以便服务不同的光照目的。需要一种简单的光学机构，以便在不以其他方式改变照明器及其光学系统的设计或操作的情况下提供扩大的射束宽度。

第三，从发光源以非常高的角度(例如，相对于光轴75°以上)发射的光不被光学系统高效地收集，并且可能导致不想要的眩光。诸如全内反射(TIR)准直器之类的准直光学器件广泛用于LED照明中，以收集来自光源的广角发射，并将其引导成较窄的射束。但是这些光学器件必须大，通常是光源宽度的几倍宽并且是几倍深。如果结合到背射光学系统中的光源上，则这样大的光学器件将引入大量的射束遮蔽和/或射束形状伪影。在背射光学系统中，需要的是一种用于适度准直的紧凑型光学器件。

第四，当输出射束108远离光轴105转向时，出现彗差。这导致射束在转向方向上展宽，从而引起不对称的射束形状。需要的是一种最小化彗差的光学设计。

第五，固体光学器件材料中的光学色散引起不同颜色的光被转向到不同的程度。这导致远离光轴105转向的射束中的颜色分离，其中朝向光谱的蓝色端的光比朝向光谱的红色端的光被转向得更远。该颜色分离可能在被转向射束的边缘引起不合期望的颜色效应。需要的是一种抵消颜色分离的光学设计。

第六，难以在某些材料上形成具有高反射率和高耐久性二者的第二表面反射器涂层。因此，实际设计必须在固体光学器件104的光学材料的期望特性(诸如低成本、高透明度和低光学色散)和反射涂层107的最佳性能之间进行折中。需要的是保留现有技术的功能性但避免这样的权衡的光学设计的变型。

最后，存在由支撑结构110遮挡输出射束108的一部分而导致的光学影响。支撑结构的遮蔽导致损失光，从而大大降低了系统的光学效率。此外，当支撑结构被输出射束108明亮地点亮时，它本身将在光学系统中成像并作为输出射束的一部分被投射，这可能创建不合期望的射束形状。最后，支撑结构110的侧壁111可以反射和散射输出射束108中的光。散射光在系统中创建不合期望的眩光，并且离开侧壁111的镜面反射可以产生指向不意图用于照明的方向的反射射束。

在这些光学结构所属的定向照明器光学器件中，从发光源以相对于光轴非常高的角度(>75°)发射的光通常不被光学系统高效地收集，并且可能导致不想要的眩光。对于平面发光源，该高角度光可能是总光亮输出的一小部分，但是它可能是不合期望的眩光源，并且将有利的是将其准直并将其引导入成像光学系统、将其反射回到发光源用于可能的再循环，或者将其吸收。

发明内容

本文描述的用于定向照明器的背射光学系统提供了射束的工程设计扩散和定制，以校正不合期望的伪影。

在一个实施例中，背射光学系统包括光源、具有入射面和背面的固体透镜以及表面反射器。表面反射器与透镜紧密接近地设置，并通过气隙与透镜的背面间隔开。表面反射器以与透镜后面或背面的总体曲率一致的总体曲率为特征。

例如，透镜背面和第一表面反射器之间的气隙可以小于透镜入射面和透镜背面之间距离的10％。

在一些实施例中，纹理被应用于透镜的后表面和表面反射器中的一者或二者。纹理可以径向变化。在一些实施例中，纹理由一组球冠或小透镜提供。小透镜的节距可以在透镜的入射面的半径的2％和10％之间，并且小透镜的焦距可以在透镜的后背面的焦距的0.1和0.5倍之间。

在其他实现中，纹理是随机扰动的图案，其不形成规则包装的阵列。

一种机构可以调整表面反射器相对于透镜的旋转，从而控制输出射束的宽度。

抗反射层可以设置在透镜的入射面上。抗反射层可以是蛾眼纳米结构、低折射率材料、梯度折射率层、多孔结构或多层介电结构。

该透镜可以是由具有不同折射率的两种不同光学材料制成组成的双合透镜。

也可以提供一种支撑结构。支撑结构具有朝向透镜正面取向的面。支撑结构的面可以进一步由吸光材料组成，从而减小支撑结构在输出射束中成像的程度。替代地，支撑结构的面可以在其上具有反射区域。反射区域可以具有(a)赋予输出射束强度分布改变的形状，或者(b)特定反射率光谱，以产生输出射束光谱的移位。

透镜和表面反射器可以形成光学元件，该光学元件是光学元件阵列的一部分。调整器机构被布置成相对于光源的轴移动光学元件的轴。

附图说明

图1示出了现有技术的背射光学系统的横截面视图。

图2示出了具有刻面化后面的反射透镜的横截面视图。

图3示出了具有均匀纹理化后面的反射透镜的横截面视图。

图4示出了被设计用于集成到光照器材中的两单元反射透镜片的透视图。

图5示出了反射透镜的横截面视图，该反射透镜具有随着距透镜光轴的径向距离而减小的纹理。

图6示意性地示出了对于中心射束和转向射束二者，来自使用具有平滑对照均匀纹理化对照径向递减纹理化的后面的反射透镜的射束轮廓改变。

图7示出了具有随机扰动的小透镜位置的反射透镜的横截面视图。

图8A至图8D示出了双合反射透镜的四种设计的横截面视图。

图9示出了具有气隙的双合反射透镜的横截面视图。

图10示出了具有纹理化后面的双合反射透镜的横截面视图。

图11示出了使用FSR(第一表面反射器)片的反射透镜组的横截面视图。

图12示出了使用具有高反射率涂层的FSR(第一表面反射器)片的反射透镜组的横截面视图。

图13示出了使用FSR(第一表面反射器)片并且以透镜元件上的纹理和光滑的FSR表面为特征的反射透镜组的横截面视图。

图14示出了使用FSR(第一表面反射器)片并且以FSR表面上的纹理和光滑透镜元件后面为特征的反射透镜组的横截面视图。

图15A示出了由具有纹理化后面的透镜元件和具有纹理化表面的FSR组成的柱状透镜光学对的横截面视图。

图15B示出了具有柱状透镜光学对的示例背射光学系统的射束宽度对照相对旋转的曲线图。

图16示出了在入射面上具有抗反射层的反射透镜的横截面视图。

图17示出了在光源上具有固体准直器的背射光学系统的横截面视图。

图18示出了在光源上具有固体准直器的背射光学系统的横截面视图，该背射光学系统以围绕光源侧壁的反射管为特征。

图19示出了在光源上具有中空准直器的背射光学系统的横截面视图。

图20示出了在光源上具有平凸透镜准直器的背射光学系统的横截面视图。

图21示出了在光源上具有中空反射器和准直器的背射光学系统的横截面视图。

图22示出了具有支撑结构的背射光学系统的横截面视图，该支撑结构被着色以便在表面和侧壁上吸收光。

图23示出了具有支撑结构的背射光学系统的横截面视图，该支撑结构在直接围绕光源的区域中是反射性的。

图24示出了具有支撑结构的背射光学系统的横截面视图，该支撑结构在具有设计大小和形状的区域中是反射性的。

图25A至图25C示出了反射透镜阵列和匹配光源阵列的平面图，其中该阵列被取向成产生(a)中心射束、(b)被转向射束和(c)展宽射束。

图26示出了反射透镜阵列和对应的光源阵列的平面图，其中光源阵列中光源的定位与反射透镜阵列中反射透镜的定位不匹配，使得来自各个透镜的光束没有完全相同地瞄准。

图27A和图27B示出了反射透镜阵列和对应的光源阵列的平面图，其中光源相对于透镜的位置可以独立调整，以便独立转向来自不同反射透镜元件的光束。

具体实施方式

1.SSR表面纹理化

以将源照明混调、扩大或成形为均匀射束这样的方式设计反射透镜180的一种方法是使反射透镜轮廓与提供成像质量的平滑透镜公式偏离。图2将这描绘为经由应用于后面轮廓106的平坦刻面112实现的。反射涂层107与刻面112共形。刻面化应当被设计成使得不向投射射束赋予新的伪影，特别是当源被平移以转向射束时。通过折射和反射定律，对于在转向范围内的源的任何位置，刻面的大小可以根据平坦刻面的表面角度和透镜公式的表面角度之间的最大可容许偏差来确定。该计算允许由刻面化产生的射束的非成像扩展保持连续，并防止在输出射束中形成伪影。

设计反射透镜180以将源照明混调、扩大或成形为均匀投射射束的第二种方法是通过将某个规定的纹理113应用于后面轮廓106，如图3中所示。该纹理表示被施加到平滑成像公式上的表面角度偏差的分布。纹理可以由表面特征——诸如球冠小透镜、圆锥形、非球面或自由形式的小透镜、波动或其他特征——组成。如果使用小透镜特征，则它们可以是凹的或凸的。小透镜可以在它们相遇的地方具有尖锐的或圆滑的界面，或者可以被平滑的区域分离。反射涂层107与纹理113共形。优选实施例是球冠小透镜，其具有在透镜面102直径的1％和10％之间的小透镜节距，并且球冠的焦距在后面轮廓106的焦距的0.1和0.5倍之间。

图4是具有凸球冠小透镜的示例反射透镜的透视图，如它可以被实现用于光照产品中。该光学器件是将两个反射透镜180组合成并排阵列的单件104，并且意图与对应的光源阵列相匹配。这两个透镜共享公共的正面102，并且它们的背面106以球冠小透镜表面纹理113为特征。该部分还包含销129和用于在光照器材中对准和保持的其他机械特征。

表征纹理113的表面角度偏差的分布跨后光学面106的表面上可以是一致的(如图3中)，或者可以以某种规定的方式变化。在后一种情况下，表面角度偏差的变化分布在与从光轴的半径平行和与从光轴的半径相切的方向上也可能不同。在图5的示例中，随着离反射成像光学器件的中心轴105的距离增加，通过减小半径方向上的表面角度偏差来变更表面纹理。在该示例中，该表面纹理变更是通过减小离光轴105更远的小透镜114的曲率来实现的。这样的设计可以补偿由于光源从光学器件的中心轴位移而发生的彗差导致的射束扩展。图6描绘了对于一种典型的反射可转向光学器件，对于平滑、均匀纹理化和径向递减纹理分布的转向和非转向情况二者，典型的射束轮廓看起来将是什么样的。

纹理113可以由阵列中的规则重复特征形成，诸如图3中所示的径向包装球冠小透镜114。替代地，特征的布置可以是某种规则的网格，诸如正方形、矩形或六边形格栅。定义每个纹理元素的放置的格栅参数可以是恒定的，产生规则的网格，或者它们可以跨纹理化表面上变化，产生具有更紧密包装的纹理元素的区域和具有不太密集包装的元素的区域。该包装变型可以单独使用，或者与可变纹理元素曲率或表面角度结合使用，以在转向之上改变所赋予的射束扩散。转向之上的该可变影响可以用于成形射束或补偿像差，以在转向之上产生一致的射束轮廓。附加地，可以通过引入特征位置的伪随机扰动来“随机化”特征的位置，以便防止输出光束中可能由纹理化特征的规则阵列产生的结构化伪影。在图7的示例透镜中示出了球冠小透镜的随机扰动分布。在该示例中，所有的小透镜具有相同的曲率半径，但是不定位在规则的格栅中。结果，小透镜的边缘不规则地间隔，并且小透镜垂度跨阵列上变化。替代地，纹理113可以由具有变化曲率的小透镜组成，或者由展现期望的表面角度分布的随机或半随机表面波动组成。

2.双合SSR透镜

照明器中反射可转向成像光学器件的另一个挑战是投射射束中的颜色分离。光锥反射成准直射束是消色差过程，然而，当准直白光射束从固体光学器件内折射到环境空气中时，空间重叠的光谱分量获取稍微不同的角度，导致射束的蓝色前沿和红色后沿。减少该颜色分离的一种方法涉及由彼此相邻设置的两种不同透明材料构造固体反射光学器件，在它们之间创建附加的折射界面，并在该界面处应用光学功率。图8描绘了该反射双合透镜的四种配置，其具有两个透镜元件，本文称为第一元件120和第二元件125。第一元件120具有正面102和接合面122。第二元件125具有接合面124和后面106。第一元件的接合面122和第二元件的接合面124具有相反的曲率，使得它们可以紧贴地配合在一起。在接合面122和124相遇的界面处发生的波长相关折射可以被工程设计成校正或遮挡投射射束的色度分离。取决于发光源100的空间和角度均匀性以及后面106的纹理化，在正面102和接合面122中的一者或二者处具有第一元件的正曲率或负曲率可能是有利的。对于空间和角度均匀的源，发现对于以下各项有利的是，第一元件120由比第二元件125具有更高折射率和更低阿贝数的材料制成，并且第一元件的两个折射面(102和122)包含负曲率(凹的)，如图8A中所示。对于其他源质量，可能合期望的是第一元件的折射面(102和122)中的一者或二者展现正(凸)曲率。图8B示出了示例，其中第一元件120是在源100上具有正曲率的弯月透镜。图8C示出了示例，其中第一元件120是在源100上具有负曲率的弯月透镜。图8D示出了其中第一元件120是双凸透镜的示例。另外的可能性是第一元件120的入射面102是平的，其具有展现正曲率或负曲率的接合面122。

反射双合透镜可以通过将一种材料包覆成型在另一种材料上来构造，从而在两个接合面122和124相遇的地方产生突变的折射界面。替代地，它可以通过利用合适的折射率匹配或中间折射率粘合剂粘结或粘附第一元件120和第二元件125来构造。在一些应用中，如图9中所描绘的，在第一元件120和第二元件125之间留有气隙以减小非常高(>45°)的转向角度下的彗差可能是有利的。

图10中描绘了反射双合透镜的另一个实施例，以第二元件125的后面106上用于射束混调、混合、扩大或成形的表面纹理为特征。如上所述，该纹理跨表面上可以是均匀的，或者跨表面上是变化的。此外，如上所述，纹理特征可以是平坦的刻面、重复的形状或随机或半随机的表面波动，以提供各种射束转向角度的表面角度偏差的期望分布。

对于该章节中描述的所有实施例，可以将反射涂层应用于后面106，以便创建反射双合透镜。

3.FSR

图11中示出了一种替代构造。在这种情况下，固体光学器件104的表面上不存在涂层，而是取而代之将单独的第一表面反射器(FSR)部分220与透镜紧密接近设置并与其间隔开设置。FSR 220的光学面222可以通过小的气隙230与固体光学器件104的后面106分离。FSR部分220的光学面222以与后面106的总体曲率一致的总体曲率为特征，使得气隙230跨透镜表面上的厚度近似恒定。气隙230的厚度优选小于固体光学器件104的正面102和后面106之间的最小距离的10％，并且最优选小于该距离的2％，以便维持良好准直的输出射束108。FSR 220的光学面222具有高镜面反射率，优选高于80％，并且最优选高于90％。

如图11中所示，来自光源100的大部分光101进入固体光学器件104的正面102，穿过内部103，离开后面106，穿越气隙230，反射离开FSR部分的光学面222，再一次横穿气隙230，进入光学器件106的后面，再次横穿光学器件内部103，并且然后离开光学器件正面102，以便形成输出射束108。一小部分光将在光学器件104的后面106处经历菲涅耳反射，并且因此不与FSR部分220相互作用，但仍将对总输出射束108有贡献。

FSR 220可以由诸如铝或钢的金属制成，其在光学面222上具有高度抛光的表面以提供反射性。替代地，如图12中所示，FSR 220可以包括应用于光学面222的高反射率涂层225。在这种情况下，FSR部分220可以由各种不同的材料制成，所述材料包括金属、聚合物材料或其他材料。

FSR设计提供了与现有技术的透镜设计相似的光学功能性，但是通过允许镜面反射器沉积在与用于光学器件104的材料不同的材料上，提供了有用的实际优势。这允许每种材料被单独优化，以得到最佳的光学性能和最低的成本，而不是被迫在这些性能中进行折中。

图11和图12中所示的设计以光滑的后面106和FSR光学面222为特征。然而，其他设计是可能的，并且对于某些实现可能是有利的。例如，后面106可以包括纹理化特征213，诸如刻面、小透镜和上面章节1中描述的其他纹理。图13示出了示例，其中小透镜纹理被应用于后面106并与平滑的FSR光学面222配对。当与FSR一起使用代替透镜上的第二表面反射涂层时，这些特征将为射束混合、成形和扩展提供相同类型的光学益处。在这种情况下，表面纹理通过光在纹理化表面的不同表面角度下的折射来混合光。由于折射比反射提供更少的射束角度改变，因此为了实现章节1中规定的相同的期望光学功率，与SSR设计相比，在FSR设计中需要更明显的表面纹理(更大的表面角度变化)。

虽然图13示出了在透镜104的后面106上使用径向包装的均匀球形小透镜的示例，但是章节1中的所有实施例也可以应用于FSR系统。具体实施例包括FSR 220和具有后面106的透镜104，该后面106以刻面化纹理；球形、圆锥形或自由形式的小透镜帽、波动或其他表面纹理中的任何一个为特征。在另外的实施例中，后透镜面106上的表面纹理可以随着后面上的径向位置而变化，并且表面纹理可以从规则包装的阵列中随机扰动。

图14示出了一种替代设计，其中纹理元素被放置在FSR 220的光学面222上。图14示出了在光学面222上具有凹的小透镜特征223阵列的FSR。其他实施例包括光学面222上的凸小透镜、刻面化纹理、波动和其他表面纹理。在另外的实施例中，光学面222上的表面纹理可以随着光学面上的径向位置而变化，并且表面纹理可以从规则包装的阵列随机扰动。在仍另外的实施例中，FSR的任何这些纹理化表面可以与后透镜面106上的任何纹理化表面组合。

图15A示出了另一个实施例，其中反射透镜180包括柱状透镜光学对，该柱状透镜光学对由具有纹理化后表面106的透镜104和具有纹理化光学面222的FSR 220组成。后透镜面106和FSR光学面222上的纹理可以是凸或凹的小透镜、刻面化纹理、波动或其他。在该“柱状透镜”实施例中，两个纹理化表面可以被设计成使得围绕它们的公共光轴105的相对旋转变更它们的相互作用，并且改变光束的组合的合成扩展。这是由两个相邻表面上的纹理元素串联作用以增加所赋予的角展度或者相互抵消以减小所赋予的角展度导致的。后透镜面106和FSR光学面222上的表面纹理的布置可以彼此匹配。在图15A中所示的示例中，后透镜面106以凸的小透镜的布置为特征，其中FSR光学面222以凹的特征的匹配布置为特征。替代地，各面可以展现出在大小或节距方面不同的纹理布局。任一纹理的布局在节距上可以是均匀的，或者可以沿相关表面径向和/或周向变化。图15B示出了从示例柱状透镜对背射光学系统的光学模拟中获得的射束宽度对照相对旋转的示例。

柱状透镜对可以以各种方式实现。可以提供调整机构，以允许FSR220相对于透镜104围绕它们的公共光轴旋转，从而提供可调整的射束宽度。可以提供机械特征，该机械特征允许透镜104和FSR 220在各种固定取向上被夹在一起，以提供各种固定的射束宽度。此外，柱状透镜对可以被设计成通过透镜104和FSR 220之间的其他形式的相对运动而不是围绕它们的公共光轴旋转，来提供射束宽度变化。例如，可以经由透镜104和FSR 220的相对平移，或者经由围绕透镜表面106和/或FSR表面222的近似曲率中心的相对旋转来实现射束宽度变化。

通过用FSR实现替换反射涂层107，在该章节中描述的任何FSR实施例也可以与章节2中描述的任何双合透镜设计相组合。

4.抗反射表面

图16示出了反射透镜180，该反射透镜180具有设置在透镜的输入面102上的抗反射层130。该抗反射层减少了对于进入和离开透镜二者的光在透镜面102处的菲涅耳反射，从而改进了光学系统的光学效率并减少了不想要的杂散光。抗反射涂层可以具有本领域已知的任何类型，包括蛾眼型纳米结构、低折射率膜、多孔材料、梯度折射率材料或多层介电材料，并且可以使用包括真空沉积、溶液沉积、压花/纳米压印等多种过程沉积或形成在透镜104上。此外，抗反射层130可以是具有粘附到透镜面102上的表面抗反射层的膜。

图16的示例示出了在反射透镜180上实现的抗反射涂层130，该反射透镜180是光滑的单片SSR，但是它也可以用本文档中描述的任何反射透镜设计来实现。

5.紧凑型准直器

图17示出了包括紧凑型准直光学器件300的背射光学系统。准直光学器件300由固体透明材料组成，并围绕光源100的发光面和侧壁。光学器件300的侧壁310向外倾斜，并通过全内反射或应用的反射涂层在光学器件之内内部反射光。准直光学器件适度地减小了实心体内光锥的发散，使得与从光源100以这样的角度发射的光的部分相比，从光学器件300的出射面320以高角度(与光轴成>75°)发射的光的部分被减小或消除。准直光学器件300和光源100相对于彼此保持固定在位，并且准直器的光轴305维持平行于或几乎平行于反射透镜180的光轴105。聚焦透镜准直光学器件300和光源100的相对位置一起定位在垂直于光轴105和305的平面内，以便转向输出射束。通过改变平行于光轴105和305的方向上准直器和反射透镜180之间的间隔，可以进一步调整射束宽度和形状。包含准直光学器件300可以准许来自源100的更多光被引导入反射透镜180。

图18示出了替代的准直器实施例，其中围绕光源100侧壁的光学表面314是反射性的(或是镜面的或是散射性的)，并且用于在来自光源的高角度光进入准直器的入射面316之前对其进行混合。图17和图18二者的准直器被示出有平出射面320，但是这些面也可以被成形以赋予另外的光学功能。例如，面320可能以凸曲率为特征，以便添加另外的准直能力。面320也可以用同心刻面特征来创建，以创建聚焦菲涅耳透镜。此外，面320可以以诸如刻面或小透镜之类的纹理化为特征，以提供射束混合。

图19示出了与背射光学系统一起使用的紧凑型准直器的另一个实施例。在该设计中，紧凑型准直器350是具有面向光源的反射壁360的中空光学器件。壁360根据非成像设计原理向外倾斜或弯曲，以通过对从光轴以高角度(＞75°)发射的光赋予反射来限制来自输出370的高角度光的发射。反射壁360可以是镜面的或散射的，具有低的效率损失，因为它们被设计成主要与从LED以相对于光轴的高角度发射的光相互作用。

本领域公知的任何其他类型的准直器也可以在该系统中实现。例如，图20示出了使用简单的平凸透镜380作为光源100的准直器。

注意，虽然图17、18、19和20中所示的示例实现将这些准直器与图13中所示类型的反射透镜180配对，但是反射透镜的任何其他实施例也可以与这些准直器一起利用。

6.中空反射器

图21示出了替代构造，其中单独使用FSR 220来形成中空反射器光学器件。来自光源100的光穿过准直光学器件300，准直光学器件300减少了来自光源的射束的发散。然后，光被反射离开FSR 220以形成准直光束108。如在先前的实施例中，光源100和准直器300相对于彼此保持固定在位，并且通过改变反射器(在这种情况下是中空FSR 220)相对于光源100和准直器300的位置来调整光束108离开系统的角度。该调整优选地通过保持光轴105和305彼此平行，并通过调整垂直于这些轴的平面中的相对定位来实现。通过改变平行于光轴105和305的方向上FSR和准直器之间的间距，可以进一步调整射束的宽度和形状。

图21的示例使用图18的准直器设计，但是其也可以用多种多样的准直器类型来实现，包括章节5中描述的任何准直器。该设计可以进一步在根本没有任何准直器的情况下实现，使得光源直接照射到FSR中，尤其是如果光源具有已经至少部分准直的固有发射图案的话。

7.支撑结构的光学设计

由支撑结构110遮挡了输出射束108的一部分导致光学影响。支撑结构的遮蔽导致损失光，从而大大降低了系统的光学效率。此外，当支撑结构被输出射束108明亮地点亮时，它将在光学系统中被成像并作为输出射束的一部分被投射，从而变更输出射束的形状。最后，支撑结构110的侧壁111可以反射和散射输出射束108中的光。该章节涉及控制支撑结构的光学特性，以便改进射束特性。

图22示出了示例支撑结构110，其被成形为横跨反射透镜180的正面102的臂。支撑结构的其他形状也是可能的。支撑结构110可以可选地由金属芯印刷电路板形成。为了防止来自明亮地点亮的支撑结构成像的射束伪影，在支撑结构110的朝向反射透镜180的正面102取向的面152上提供吸光表面。这样的表面将最小化反射回到反射透镜180的正面102中的光量，从而减小支撑结构110在输出射束中成像的程度。面152上的吸光表面可以通过使用深色涂料或其他着色剂来提供。该表面优选地还具有无光表面，以最小化从输出射束108返回到光学器件104中的光的镜面反射。如果支撑结构110由印刷电路板形成，则面152的着色可以可选地通过使用适当的深色(例如无光黑色)阻焊层来提供。

支撑结构还可以以侧壁111为特征，该侧壁111可以在不期望的方向上反射或散射光。另外的实施例是利用吸光结构涂覆这些侧壁，以便最小化这样不期望的光。在支撑结构是具有铝芯的电路板的情况下，提供这样的吸光侧壁涂层的便利方法是在电路板的暴露的铝侧壁111上创建黑色阳极氧化表面光洁度。

图23示出了一种支撑结构设计，其中支撑结构110的面152上靠近光源100的区域154被制成反射性的而不是吸光的。不靠近光源100的面152的区域153仍然被制成是吸光的。撞击反射区域154的来自输出射束的光将被反射回到光学器件104中，并最终将对输出射束有贡献。因此，与仅在面112上使用吸光表面相比，反射区域154改进了系统功效。因为反射区域154靠近光源100，所以来自该区域的光基本上不改变输出射束的形状。反射区域154远离光源100延伸的程度可以取决于光学系统内的混合和射束扩展程度以及期望的末端射束宽度来定制，但是优选地在光源100的特性尺寸的0.05至3倍之间。反射区域154可以提供散射反射或镜面反射或两者的混合。在该实施例中，反射区域154跨光源100的光谱上提供近似一致的反射率。例如，可以使用白涂料或其他高反射率涂层来产生反射表面。如果支撑结构110由印刷电路板形成，则区域153和154可以通过使用深色阻焊层来提供，该深色阻焊层仅在区域154中具有印刷在其上的反射(例如白色)“丝网”层；替代地，它可以使用仅在区域153中在其上印刷有深色(例如黑色)“丝网”层的反射阻焊层来产生。反射区域154的形状可以被定制以影响输出射束108的形状，并且该区域的局部反射率也可以通过控制反射材料的成分或密度来定制。

图24示出了实施例，其中支撑结构110的反射区域154被成形以便赋予远场射束的强度分布的改变。该区域可以被成形为向射束的外围提供增强的通量，或者调整射束的梯度以便更平滑地混调两个射束。替代地，反射区域154可以被成形为将结构赋予被合期望投射到表面上的射束，例如梯形反射区域可以被用于在射束所瞄准的竖直表面上投射更均匀的照明。该反射区域154可以是均匀反射的，或者展现出梯度，以便对投射射束进行甚至更好的控制。支撑结构110可以被扩大以容纳期望的反射区域154。

在另一个实施例中，区域154被产生成具有特定的期望反射率的光谱。这产生了输出射束108的光谱移位。例如，如果区域154是蓝颜色的(反射蓝光并吸收其他颜色)，则它将优先将蓝光反射回到光学器件104中，并因此将整个输出射束108移位成更蓝的颜色。为了实现光照器材的特定色点，或者为了补偿由光学系统的其他元件产生的光谱影响，这可能是期望的。区域154中的反射材料的颜色可以通过适当指定要应用的涂料或其他反射涂层来控制。可以通过选择涂料的色调，或者通过使用包括广谱(例如白色)反射材料和有色反射材料的点的抖动图案(“半色调”)来控制颜色强度。如果支撑结构110由印刷电路板形成，则该板可以优选地使用深色阻焊层形成，以在区域153中提供仅在区域154中在其上印刷有色“丝网”层的吸光材料。

该章节中的设计可以与任何背射光学系统一起应用，所述背射光学系统包括先前章节或现有技术中描述的那些，并且包括各种反射透镜实施例，并且在使用或不使用准直器和/或FSR的情况下。

8.阵列设计

光照系统可以由背射光学系统阵列组成，其中背射光学系统可以具有任何设计，所述设计包括先前章节或现有技术中描述的那些，并且包括各种反射器和反射透镜实施例，并且在使用或不使用准直器的情况下。该阵列可以包含任何数量的背射光学系统，甚至包括单个背射光学系统。每个背射光学系统包括至少一个光源和至少一个光学元件，使得光照系统包括光源阵列和对应的光学元件阵列。来自每个背射光学系统的输出射束一起形成光照系统的合计光学输出。

在一个实施例中，光源阵列中光源的布置是固定的，并且与光学元件阵列中光学元件的类似固定布置相匹配。光学元件阵列可以可选地经由调整器机构在阵列平面内相对于光源阵列移动。这样的移动准许射束被转向。图25A至25C示出了从平行于反射透镜180的光轴105的方向观察的这样系统的平面图，从而仅示出了反射透镜180和源100的位置。在图25A中，光源100都沿着光学元件的光轴定位，产生平行于光轴的输出射束。在图25B中，阵列已经被移动，使得光源100都从光学元件的光轴105偏移，导致输出射束远离光轴105被转向。在图25C中，阵列已经相对于彼此旋转，导致在一定角度范围内扩展的输出射束，从而产生更宽的合计光学输出射束。

在第二实施例中，如图26的示例中所示，光源阵列中光源100的固定布置与光学元件阵列中反射透镜180的固定布置不匹配。结果，从每个反射透镜180出现的光束并不都瞄准同一方向。通过适当设计两个阵列，由来自不同背射光学系统的不同输出射束的组合创建的合计光学输出射束可以呈现复杂的结构。这两个阵列可以相对于彼此固定在位，以便产生静态的合计输出射束，或者可以被配置为相对于彼此移动，以便准许合计输出射束被转向和/或展宽。

在又一个实施例中，光学元件180的布置和/或光源100的布置不是固定的，使得来自各个反射透镜180(或者反射透镜180的组，如果组保持在固定布置中)的射束的方向可以通过调整光学元件(或者光学元件组)相对于各个光源100(或者光源组)的定位来瞄准。图27示出了这样的系统的示例，其中三个反射透镜180可以相对于三个光源100独立调整，从而产生三个独立可瞄准的射束。图27A示出了所有三个射束平行于光学元件的光轴出现的配置，并且图27B示出了其中两个射束瞄准了一个方向并且一个射束瞄准不同方向的配置。该系统可以经由光学元件的移动和/或光源的移动来实现。

这些示例并不详尽，并且光照系统内这些光学器件的其他有用实现对于本领域技术人员来说将是清楚的。

Claims (27)

1.一种背射光学系统，包括：

光源，

具有入射面和背面的透镜，

和表面反射器，

其中，所述表面反射器与透镜紧密接近地设置，并通过气隙与透镜的背面间隔开，并且

其中表面反射器以与透镜背面的总体曲率一致的总体曲率为特征。

2.根据权利要求1所述的背射光学系统，其中，透镜背面和表面反射器之间的气隙小于透镜入射面和透镜背面之间距离的10％。

3.根据权利要求1所述的背射光学系统，其中，纹理被应用于透镜的后表面和表面反射器中的一者或二者。

4.根据权利要求3所述的背射光学系统，其中，所述纹理径向变化。

5.根据权利要求3所述的背射光学系统，其中，所述纹理包括小透镜。

6.根据权利要求5所述的背射光学系统，其中，所述小透镜的节距在所述透镜的入射面的直径的1％和10％之间，并且其中所述小透镜的焦距在所述透镜的背面的焦距的0.1倍和0.5倍之间。

7.根据权利要求3所述的背射光学系统，其中，所述纹理包括不形成规则包装阵列的图案。

8.根据权利要求1所述的背射光学系统，其中，纹理被应用于透镜的背面和表面反射器二者。

9.根据权利要求8所述的背射光学系统，进一步包括用于调整表面反射器相对于透镜的旋转从而调整输出射束的宽度的机构。

10.根据权利要求8所述的背射光学系统，进一步包括用于在一个或多个选择的固定位置中将表面反射器附接到透镜从而将输出射束的宽度调整到选择的固定值的机构。

11.根据权利要求1所述的背射光学系统，进一步包括设置在透镜入射面上的抗反射层。

12.根据权利要求11所述的背射光学系统，其中，所述抗反射层包括蛾眼纳米结构、低折射率材料、梯度折射率层、多孔结构或多层介电结构中的一种。

13.根据权利要求1所述的背射光学系统，其中，所述透镜由双合透镜组成，所述双合透镜由具有不同折射率的两种光学材料组成。

14.一种背射光学系统，包括：

光源，

固体透镜，其具有入射表面和背表面，并且以背表面上的纹理为特征，以及

设置在固体透镜背表面上的反射涂层。

15.根据权利要求14所述的背射光学系统，其中，所述纹理径向变化。

16.根据权利要求14所述的背射光学系统，其中，所述纹理包括小透镜。

17.根据权利要求16所述的背射光学系统，其中，所述小透镜的节距在透镜直径的1％和10％之间，并且所述小透镜的焦距在所述背面的轮廓的焦距的0.1倍和0.5倍之间。

18.根据权利要求14所述的背射光学系统，其中，所述纹理包括不形成规则包装阵列的图案。

19.根据权利要求14所述的背射光学系统，进一步包括设置在透镜入射表面上的抗反射层。

20.根据权利要求19所述的背射光学系统，其中，所述抗反射层由蛾眼纳米结构、低折射率材料、梯度折射率层、多孔结构或多层介电结构组成。

21.根据权利要求14所述的背射光学系统，其中，所述透镜包括由具有不同折射率的两种光学材料组成的双合透镜。

22.根据权利要求1所述的背射光学系统，附加地包括支撑结构，所述支撑结构具有朝向透镜入射面取向的面，所述支撑结构的面进一步由吸光材料组成，从而减小支撑结构在输出射束中成像的程度。

23.根据权利要求1所述的背射光学系统，附加地包括支撑结构，所述支撑结构具有朝向透镜入射面取向的面，所述支撑结构的面在其上具有反射区域。

24.根据权利要求23所述的背射光学系统，其中，所述反射区域具有赋予输出射束强度分布的改变的形状和特定反射率光谱中的一者或二者，以产生输出射束光谱的移位。

25.根据权利要求1所述的背射光学系统，其中，所述透镜和表面反射器形成光学元件，所述光学元件是光学元件阵列的一部分。

26.根据权利要求25所述的背射光学系统，附加地包括被布置成相对于光源的轴移动光学元件的轴的调整器机构。

27.根据权利要求25所述的背射光学系统，其中，所述光学元件相对于所述光源不同地取向。