CN203784727U - 光学元件和照明系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光学元件和一种包含该光学元件的照明系统。该光学元件具有用于安置光源的底面，相对设置的第一反射面和第二反射面，以及相对设置的第三反射面和第四反射面。其中，第一反射面和第二反射面非对称，并且第一反射面、第三反射面、第二反射面以及第四反射面顺序两两相连以使得经过二次分配的光产生近似矩形的光分布。该光学系统还具有灯罩，灯罩的顶部和前部内表面设有反射结构用于对来自该光学元件的光线进行再次分配。上述光学元件和照明系统提供了与用户的阅读区域基本重合的光分布，提高了光学利用效率。

Description

光学元件和照明系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于提供改进的光利用率的光学元件。 

本实用新型还涉及一种包括上述光学元件和光源的光学系统。 

背景技术

传统的台灯包括LED类型的台灯和非LED类型的台灯。这些台灯可以产生对称的圆形光分布。所产生的光在半球面空间内被均匀分布，从而在灯的前方、后方都有光分布。然而，用户的阅读区域通常是在灯与用户之间，因此，现有的台灯发射到目标阅读区域的光比较少，几乎有一半的光被分散到灯的后方，从而光的利用率不高。 

此外，当人的眼睛和灯处于相同高度或者比灯更低时，台灯所产生的光会直接射入到人的眼睛中，导致视觉上感受到眩光。当水平放置台灯时，最大亮度点在台灯的最下方。如果用户希望将光分布调整到阅读区域，他需要将灯头移动的自己的头部附近，这会导致很不舒服的阅读感受。要么读者需要倾斜灯头朝向自己，这样将会导致更多的光被射入到人的眼睛中，从而产生眩光的效果。 

因此，在现有技术中存在着改进台灯的光利用效率的需求。 

实用新型内容

鉴于现有技术中的上述缺点和问题，本实用新型的一个目的是提高在目标阅读区域上的光利用率。这是通过一种具有如下设置的光学元件来实现的。该光学元件用于二次分配来自光源的光，其具有用于安置光源的底面，相对设置的第一反射面和第二反射面，以及相对设置的第三反射面和第四反射面。其中，第一反射面和所述第二反射面非对称，并且第一反射面、第三反射面、第二反射面以及第四反射面顺序两两相连以使得经过二次分配的光产生近似矩形的光分布。与现有技术中的台灯相比，这种近似矩形的光分布与用户的常用阅读区域重合，优于当前的圆形阅读区域。由于第一反射面和第二反射面的非对称分布，可以将更多的光分配到到光学元件的一侧，从而避免了由于部分光线平均引导到各个方位而导致的光效率损失。 

根据本实用新型的一个优选实施例，第一反射面、第二反射面、第三反射面以及第四反射面为曲面或多个连续弯折的平面。根据该实施例的反射面可以简单地借助于曲面和连续弯折的平面实现，不需要非常复杂的元器件就能提高光利用率，因此，简单并且易于实现。 

优选地，第一反射面将光反射向第二反射面一侧，在第一反射面的底边所反射的光线与底面成第一角度，在第一反射面的顶边所反射的光线与底面成第二角度，以使得被反射的光线在第一角度和第二角度之间均匀分布。优选地，第一角度的范围是75°到90°，第二角度的范围是65°到75°。本领域技术人员可以了解，为了简洁起见，在这里的第二角度被定义为“在第一反射面的顶边与底面”所构成的角度，实际上指的是光线在该位置处相对于底面的出射角度，即，所述光线在第一反射面的顶边处与通过该顶边的底面平行面所构成的角度。类似的，在下文中，在各个反射面的顶边处与底面构成的角度也都是指在相应反射面的顶边处与通过该顶边的底面平行面所构成的角度。 

优选地，第二反射面由两部分组成，靠近底面的第一部分被用于将光线朝向第二反射面一侧反射，在第二反射面的底边所反射的光线与底面构成第三角度并且被所述第一部分所反射的光线在第三角度到90°的范围内均匀分布。远离底面的第二部分被用于将光线朝向第一反射面一侧反射，在第二反射面的顶边所反射的光线与底面成第四角度并且被所述第二部分所反射的光线在90°到第四角度的范围内均匀分布。优选地，所述第三角度的范围是50°到65°，并且第四角度的范围是60°到70°。第一反射面和第二反射面使得所反射的光大部分集中在台灯的正下方和前方，而不会有光被反射到台灯后方，从而相比现有技术的光反射器件，大大增强了被导引到目标阅读区域的光线。 

优选地，由所述第二反射面的第一部分所反射的光能量大于由所述第二反射面的第二部分所反射的光能量。根据该实施例的实用新型，第二反射面所反射的光主要朝向第二反射面的方向，而只有一小部分背离所述第二反射面的方向。这样保证了该光学元件的光分布具有比较明确的截止线。 

根据本实用新型的一个实施例，第三和第四反射面分别用于对称地将光反射到相对侧，在所述第三和第四反射面的底边处所反射的光线与底面成第五角度，在所述第三和第四反射面的顶边处所反射的光线与底面成第六角度，并且被反射的光线在第五角度和第六角度之间具有均匀分布。优选地，第五角度的范围是75°到85°，第六角度的范围是40°到50°。 

根据本实用新型的另一方面，还提供了一种照明系统。该照明系统包括前述的光学元件和光源，其中所述光源被安排在所述光学元件的底面上。该照明系统还包括灯罩，所述灯罩顶部内表面与所述光学元件的底面构成一安装角并且在灯罩顶部的内表面设有反射器，用于反射由光学元件发出的光。其中，从所述光源到所述第一表面的远端点的光线与垂直于底面的直线构成最大出射角并且所述安装角大于所述最大出射角和90°减第四角度。优选地，安装角的范围在25°到30°之间。 

该灯罩还包括灯罩前部。灯罩前部相对于灯罩顶部向下倾斜并且灯罩前部的内表面设有反射器，用于反射由所述光学元件发出的光。 

根据一个实施例，所述LED阵列与功能性外壳相结合，从而，可以在提高光利用效率的同时还能够避免光线直射眼睛。 

附图说明

在附图中： 

图1示出根据现有技术的台灯的光分布；

图2A示出根据本实用新型一个实施例的光学元件阵列；

图2B示出图2A中的光学元件阵列中的一个光学元件；

图3A示出根据本实用新型的一个实施例的光学元件上下反射面之间的光路图；

图3B示出根据本实用新型的一个实施例的光学元件在左右反射面之间的光路图；

图4A示出根据本实用新型的一个实施例的光学系统的立体图；

图4B示出图4A的光学系统的工作状态示意图；

图5A示出图4A的光学系统的光路图； 以及

图5B示出图4A的光学系统的光分布图。

具体实施方式

本实用新型的优选应用是室内照明系统。在下文中，将进一步使用用于阅读的LED台灯的例子来说明本实用新型，但是本实用新型不限于这种应用。在照明控制领域，可以使用各种光源来代替所述LED光源。 

图1示出了根据现有技术的台灯的光分布。图中的方框100示意性地表示现有技术中的台灯的顶视图。该台灯所产生的光被均匀分布在灯头正下方的各个方向上，最大的亮度点出现在台灯的正下方，在灯的前方、后方都有对称的光分布。然而，由于用户的阅读区域通常是在灯与用户之间，现有的台灯发射到目标阅读区域的光比较少，几乎有一半的光被分散到灯的后方，从而导致光的利用率不高。 

图2A示出根据本实用新型一个实施例的光学元件阵列。所述元件阵列200的底面上安装有光源，例如，LED光源。在本实用新型中，光源包括但不限于具有方形发光面的LED，具有正方形或者圆形发光面的LED以及其他类型的LED。每个LED光源配有一个独立的不对称反射器单元。在图2A中的光学元件阵列具有10个不对称反射器单元，但是本领域技术人员在理解了本实用新型的构思之后，也可以根据具体的光输出要求采用多于或者少于10个不对称反射器单元的阵列。例如，这取决于所采用的光源的不同性质，所需要的光分布的具体几何尺寸等等。 

图2B示出图2A中的光学元件阵列中的一个单元。所述单元由4个反射面两两相连而构成封闭的反射空间。上反射面210和下反射面220彼此相对设置并且被布置为具有不对称的反射结构，以使经由该光学元件导引的光不会被反射到上反射面的后方。这样保证了大部分从灯头产生的光被引导到LED灯的前方和正下方。左右反射表面230、240具有对称的设置。需要指出的是，在这里使用的术语，上、下、左、右只是相对于附图2A中的空间关系而言，本领域技术人员可以知道在具体的实现中，这些空间关系会随着该元件的放置而发生变化。在一个具体的实施例中，上反射面、下反射面、左反射面以及右反射面为曲面。本领域技术人员可以理解的是这些反射面也可以被实现为具有连续弯折的平面。 

以下将结合图3A和图3B来具体描述各个反射面的设置情况。图3A示出根据本实用新型的一个实施例的光学元件上下反射面之间的光路图；图3B示出根据本实用新型的一个实施例的光学元件在左右反射面之间的光路图。 

上反射面310将光反射向下反射面320一侧。在上反射面的底边反射的光线与底面成第一反射角α₁，在上反射面的顶边反射的光线与底面成第二反射角α₂，并且所反射的光线在第一反射角和第二反射角之间均匀分布。第一反射角的范围是75°到90°，第二反射角的范围是65°到75°。如图所示，在上反射面的方向上，由光源直接射出的光线与垂直于底面的中心轴之间的最大角度（即最大出射角）为ε。 

下反射面320由两部分组成，靠近底面的第一部分320a被用于将光线朝向下反射面320一侧反射。在附图中由曲线GI表示第一部分。在下反射面320的底边所反射的光线与底面构成第三角度α₃并且由所述第一部分320a所反射的光线在第三角度到90°的范围内均匀分布。 

下反射面320远离底面的第二部分320b被用于将光线朝向上反射面310一侧反射。在附图中由曲线IH表示第二部分。在第一部分和第二部分的交界处（曲线GIH中的I点）所反射的光线与底面的平行面构成90度角。反射光线在下反射面320的顶边与底面成第四角度α₄，以使得被所述第二部分所反射的光线在90°到第四角度的范围内均匀分布。优选地，第三角度的范围是50°到65°，第四角度的范围是60°到70°。利用上反射面和下反射面可以将大部分光线引导和反射到台灯的正下方和前方，而不会有光被分布到台灯后方。当目标区域处于台灯前方时，这大大增加了被分配到目标区域的光线，从而提高了光源的光利用效率。 

根据本实用新型的一个实施例，下反射面320将会把大部分光反射到下反射面的方向上。也就是说入射到下发射面320的第一部分GI的光线能量多于入射到下反射面的第二部分IH的光能量。例如，这可以通过调整第一部分和第二部分的比例来实现，以使得入射到第一部分的光线的角度范围大于入射到第二部分的光线的角度范围，即，∠GSI > ∠ISG。根据该实施例，下反射面所反射的光主要朝向下反射面的方向，而只有一小部分背离所述下反射面的方向被反射到下反射面的相对侧。这样保证了该光学元件的光分布具有比较明确的截止线。 

图3B示出根据本实用新型的一个实施例的光学元件在对称的反射面之间的光路图。左、右反射面分别用于对称地将光反射到相对侧。以下以右反射面为例对其光路分布进行说明，但是本领域技术人员可以清楚，左反射面上也具有对称的光路分布。由右反射面所反射的光线被反射到左反射面的方向上。在右反射面的底边处所反射的光线与底面成第五角度α₅，在其顶边处所反射的光线与底面成第六角度α₆。被反射的光线在第五角度和第六角度之间具有均匀分布。其中，第五角度的范围是75°到85°，第六角度的范围是40°到50°。 

需要指出的是以上给出的仅仅是本实用新型的优选实施方式，本领域技术人员根据以上描述可以基于前述的结构配置而选用不同的数值范围或者具体器件。例如，根据本实用新型中所给出的光分布，也可以考虑使用各种元件来代替第一、第二、第三以及第四反射面。 

图4A示出根据本实用新型的一个实施例的光学系统的立体图。图4B示出图4A的光学系统的工作状态示意图。该光学系统例如为LED台灯。在附图中仅示出了台灯的灯头部分，其包括前述光学元件阵列200。该光学阵列被安装在灯罩400中。该灯罩具有顶部450和相对于灯罩顶部向下倾斜的前部460。在灯罩顶部450和前部460的内表面设置有反射结构，例如，平面反射镜或者涂覆于灯罩内表面上的反射材料。 

如图4A所示，该光学阵列的底面与灯罩的顶部450的平行面之间构成安装角γ，从而来自光学阵列的光线被发射到顶部反射镜450和前部反射镜460上。优选地，该安装角γ大于在图3A所示的角度ε和（90°-α₄）。这样确保了不会有光线被反射到灯罩后方，从而由光源射出的所有光都可以从台灯前方出射，使得光输出量更大和并且提高了光效率。如图3A所示，角度ε是在上表面边缘直接射出的光线与垂直于底面的中心轴之间的角度，而角度α₄是下反射面320远离底面的第二部分320b所反射的光线在下反射面320的顶边相对于底面的角度。同时，安装角γ也不宜过大，因为随着γ的增加，来自反射器的光线有可能直接从灯罩前部460的下方入射到人眼中。依据本实用新型的一个实施例，边缘出射角ε在20°到25°的范围内。安装角γ大于所述边缘出射角，在25°到30°的范围内。光学元件阵列200和顶部450之间的距离应该尽可能的远。这是因为随着二者之间的距离减小，所述反射器阵列将有可能阻挡住从顶部450反射的光线，从而影响光输出效率。 

来自光学元件阵列的光在顶部450和前部460内的反射结构上被反射，然后被投射到目标区域，例如，目标阅读区。因此，灯罩顶部450和前部460的内表面构成了二次光源。增加光学元件阵列和顶部450之间的距离可以减少直射入眼睛的光线。但是为了美观和减少成本，灯头的厚度一般不宜太大。因此，光学元件和灯罩顶部之间距离也受到限制。一般而言，灯头厚度不超过25毫米。 

灯罩顶部450上的反射结构可以在保持灯头的尺寸的同时增加光输出。通过灯罩内的反射，可以改善目标区域的光分布以及均匀性。 

图5A示出图4A的光学系统的光路图。在图中来自光学元件200的光线经由灯罩顶部450和灯罩前部460的内表面反射，而被引导到台灯的前侧。相对于现有技术的台灯，大部分光线被分布到目标阅读区。此外，由于灯罩前部向下倾斜，其可以防止来自光学元件的光线被直射到人的眼睛中，因此避免了现有技术的台灯的眩光现象。图5B示出图4A的光学系统在目标平面上的光分布图。图5B中的方框代表灯头在目标平面上的投影。利用根据本实用新型的实施例，大部分光线被引导到灯头下方和前方。与图1中所示的现有技术的光分布相比，根据本实用新型的台灯尤其适合于在进行诸如阅读、写作等工作时提供照明。 

虽然根据特定实施例描述了本实用新型，但是显而易见，可由本领域技术人员采用其它形式来实现本实用新型。以上实施例仅是示范性的而非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明来限定。不应将权利要求中的任何附图标记视为对权利要求范围的限制。此外，“包括”一词不排除其他元件的存在。权利要求中陈述的多个部件也可以由一个部件来实现。第一、第二等序数词只是用于说明的目的，而不表示任何特定的顺序。 

Claims (10)

1.一种光学元件（200），用于二次分配来自光源的光，其特征在于所述光学元件具有：

用于安置光源的底面；

相对设置的第一反射面（210，310）和第二反射面（220，320），以及

相对设置的第三反射面（230，330）和第四反射面（240，340），

其中，所述第一反射面和所述第二反射面非对称，并且第一反射面、第三反射面、第二反射面以及第四反射面顺序两两相连以使得经过二次分配的光产生近似矩形的光分布。

2.根据权利要求1的光学元件，其中第一反射面、第二反射面、第三反射面以及第四反射面为曲面或多个连续弯折的平面。

3.根据权利要求2所述的光学元件，其中第一反射面将光反射向第二反射面一侧，在第一反射面的底边所反射的光线与底面成第一角度，在第一反射面的顶边所反射的光线与底面成第二角度，并且所反射的光线在第一角度和第二角度之间均匀分布。

4.根据权利要求3所述的光学元件，其中，第二反射面由两部分组成，靠近底面的第一部分被用于将光线朝向第二反射面一侧反射，在第二反射面的底边所反射的光线与底面构成第三角度并且由所述第一部分所反射的光线在第三角度到90°的范围内均匀分布，远离底面的第二部分被用于将光线朝向第一反射面一侧反射，在第二反射面的顶边所反射的光线与底面成第四角度并且由所述第二部分所反射的光线在90°到第四角度的范围内均匀分布。

5.根据权利要求4所述的光学元件，其中，由所述第二反射面的第一部分所反射的光能量大于由所述第二反射面的第二部分所反射的光能量。

6.根据权利要求1至5之一所述的光学元件，其中，所述第三和第四反射面分别用于对称地将光反射到相对侧，在所述第三和第四反射面的底边处所反射的光线与底面成第五角度，在所述第三和第四反射面的顶边处所反射的光线与底面成第六角度，并且被反射的光线在第五角度和第六角度之间具有均匀分布。

7.一种照明系统，其特征在于，所述照明系统包括：

根据前述任一权利要求所述的光学元件（200），和

光源，其中所述光源被安排在所述光学元件的底面上。

8.根据权利要求7所述的照明系统，还包括：

灯罩，所述灯罩的顶部（450）与所述光学元件的底面构成一安装角，

其中，灯罩顶部的内表面设有反射器，用于反射由所述光学元件发出的光，

其中，从所述光源到所述第一表面的远端点的光线与垂直于底面的直线构成最大出射角（ε），并且所述安装角大于所述最大出射角和90°减第四角度（90°-δ2）。

9.根据权利要求7至8之一所述的照明系统，其中所述灯罩还包括灯罩前部（460），所述灯罩前部相对于灯罩顶部向下倾斜并且灯罩前部的内表面设有反射器，用于反射由所述光学元件发出的光。

10.根据权利要求7至8之一所述的照明系统，其中所述光源包括发光二极管。