光學布置、照明設備和光照方法與流程

本發明涉及光學布置，特別是能夠向場景提供一般功能光照并且能夠提供顯示的圖像作為裝飾光照的光學布置。本發明還涉及照明設備以及包括所述光學布置的光照方法。

背景技術：

在一些照明系統中，用戶能夠通過對光源的顏色進行調光和調諧而進行場景設置。除這些一般光照功能之外，裝飾圖案也是用戶感興趣的以創建氣氛。

通常，照明系統提供裝飾功能或者是實用的，并且不存在單個系統中的兩種類型照明之間的可能切換。

實現在諸如泛光照明或聚光照明效果之類的不同功能效果之間切換的照明設備是已知的。

US20060202910A1公開了一種具有一對透鏡陣列的光學布置，這對透鏡陣列可相互移動以提供通過功能和裝飾模式。該已知布置的缺點在于，在裝飾模式中提供了惡化質量的圖像。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種緊湊系統，在該緊湊系統中現有技術的系統的至少一個缺點得到抵消。

本發明由權利要求書限定。

根據本發明的實施例，提供了一種光學布置，包括：

第一板，其包括主輸入表面以及在輸出表面上的第一透鏡陣列；

第二板，其包括輸入表面上的第二透鏡陣列以及輸出表面，第二透鏡陣列具有與第一透鏡陣列互補的形狀并且平行于第一透鏡陣列延伸；以及

在第一板處提供的裝飾圖像，

其中第一板和第二板沿主輸入表面的法向關于彼此在第一配置與第二配置之間是可移位的：

在第一配置中，第一和第二透鏡陣列在一起并且第一和第二板用來提供通過功能；以及

在第二配置中，第一和第二透鏡陣列以距離D分隔并且第一和第二板用來將裝飾圖像提供給輸出，

其中第一透鏡陣列包括具有負焦長（focal length）Fn的負透鏡的陣列，以及

其中裝飾圖像定位在第一板的輸出表面處或者在所述輸出表面與負焦長Fn之間。

負焦長意味著在光的傳播方向上，透鏡的焦長關于（負）透鏡在上游。

現有技術公開了一對透鏡陣列，這對透鏡陣列中的第一透鏡陣列包括正透鏡，其中第一透鏡處于相對于負透鏡的第二透鏡陣列的位置的上游位置中。對于現有技術光學布置，為了正常工作，圖像必須放置在比正凸透鏡陣列的焦距（focal distance）/焦長f更大的距離處，甚至事實上放置在至少兩倍的焦距f處。由于從裝飾圖像偏離的輻射性質及其距第一透鏡陣列的相對大距離，裝飾圖像并非僅僅涉及第一透鏡陣列的單個透鏡，而是涉及來自所述第一透鏡陣列的多個透鏡。因而，該現有技術的布置導致相對大量的串擾，并且因而導致惡化的圖像質量。在另一方面，如果裝飾圖像定位在與第一正透鏡陣列的焦距相比距第一透鏡陣列更短的距離處，則正透鏡不能使入射輻射圖案/射束折射以變成會聚圖案/射束，并且圖像將重定向到第二透鏡陣列的各種負透鏡。這也導致串擾和惡化的圖像質量。

本發明通過正和負透鏡陣列的顛倒次序（即第一透鏡陣列包括負透鏡并且第二透鏡陣列包括互補正透鏡）以及通過盡可能接近第一透鏡陣列并且最佳地甚至在第一透鏡陣列的輸出表面上提供裝飾圖像而解決了該串擾問題。如果裝飾圖像放置在第一（負）透鏡陣列的輸出表面處，則負透鏡陣列不再在圖像形成過程中發揮作用并且每一個圖像或圖像部分僅與透鏡陣列的單個相應透鏡相關聯。

為了最佳地獲益于該特征，圖像優選地在第一透鏡陣列的輸出表面上提供。然而，從實際實驗看來，用于定位裝飾圖像或圖像部分的有用范圍在第一板的輸出表面處或者在所述輸出表面與負焦長Fn之間，獲得了所投射的足夠質量的圖像。該有用范圍是非常方便的，因為在第一透鏡陣列的輸出表面處提供裝飾圖像是相對繁瑣的。更方便的是，使裝飾圖像位于第一透鏡陣列的輸入表面處，其一般地處在距第一透鏡陣列的0.5*Fn內。但是，在實踐中優選的是，在單獨的載體板上提供裝飾，這是相對簡單的并且此外實現了裝飾圖像的簡易更換。而且，然后一般仍舊實現了在距第一透鏡陣列的1*Fn內提供圖像。

一個透鏡陣列關于另一個透鏡陣列的移位使得當透鏡沒有觸碰并且圖像被提供給輸出以用于裝飾目的時能夠實現透鏡功能，并且當透鏡在一起時實現通過功能。當透鏡在一起時，透鏡陣列相遇以作為它們的互補形狀的結果而限定固體界面。這意味著可以使兩個透鏡陣列基本上在它們的完整區域之上接觸或近乎接觸。

本發明因而提供一種在構造方面簡單、小且低成本的照明系統，并且在一個系統中提供裝飾和實用射束功能二者。借助于機械移動在兩個功能之間提供了簡單的切換布置。

第一透鏡陣列包括負透鏡的陣列。這些例如包括凹透鏡（這意味著透鏡表面突伸到透鏡主體中）。第二透鏡陣列可以包括與第一透鏡陣列的負透鏡互補的正透鏡的陣列。這些例如包括凸透鏡（這意味著透鏡表面從透鏡主體突伸出來）。正和負透鏡可以相遇以限定對通過模式中的光具有最小的光學效應的固體塊。

第一和第二透鏡陣列各自可以包括單獨的小透鏡的二維陣列，該小透鏡例如是諸如微透鏡之類的圓形小透鏡。

裝飾圖像優選地包括完整圖像或圖像部分的重復圖案，其中一個圖像或圖像部分與第一透鏡陣列的每一個透鏡相關聯。這些完整圖像或圖像部分由系統投射，例如投射到在距光學系統的預先設計的距離處的固定投射表面。透鏡陣列可以生成圖像或圖像部分的多個版本（主圖像和衛星圖像）。如果裝飾圖像包括立體圖像部分，即分別用于左眼和用于右眼的圖像部分，還可能的是在通過功能與3D圖像的投射之間進行切換。

在第二配置中，每一個圖像或圖像部分優選地被聚焦到成像平面處的相同地點，其是距第二光學板的輸出表面的預定距離。出于該目的，圖像或圖像部分之間的間距可以大于第二透鏡陣列的透鏡之間的間距，以提供圖像或圖像部分到相同地點的聚焦。

裝飾圖像可以提供：

在第一透鏡陣列的平面輸入表面上；或者

在第一透鏡陣列的輸出表面上；或者

在抵靠第一透鏡陣列的平面輸入表面放置的載體板上。

這些提供了用于提供裝飾圖像的各種選項。

在第二配置中，裝飾圖像與第二透鏡陣列之間的距離可以等于第二透鏡陣列的透鏡的焦距的0.9到1.1倍，第一和第二透鏡陣列之間的距離D（近似）相同。這提供了重復圖像部分在表面上的成像，裝飾圖像將在該表面處被觀看。

本發明還涉及一種照明設備，包括面向第一光學板的主輸入表面的光源，該光源被配置成在操作期間朝向第一光學板的主輸入表面發出光源光。例如，光學布置可以作為照明設備的部分被提供，例如在例如具有圓形外殼的燈具的輸出處被提供，該燈具例如是LED燈。

本發明還提供一種光照方法，包括：

向光學布置提供光，該光學布置包括：包含主輸入表面以及在輸出表面上的第一透鏡陣列的第一板，其中第一透鏡陣列包括具有負焦長Fn的負透鏡的陣列；以及包含輸入表面上的第二透鏡陣列以及輸出表面的第二板，第二透鏡陣列具有與第一透鏡陣列互補的形狀并且平行于第一透鏡陣列延伸，其中裝飾圖像被提供在第一板的輸出表面處或者在所述輸出表面與負焦長Fn之間，

其中該方法包括使第一和第二板沿主輸入表面的法向關于彼此在第一配置與第二配置之間移位：

在第一配置中，第一和第二透鏡陣列接觸并且第一和第二板用來提供通過功能；以及

在第二配置中，第一和第二透鏡陣列以距離D分隔并且第一和第二板用來將裝飾圖像提供給輸出。

附圖說明

現在將參照示意性附圖詳細地描述本發明的示例，在附圖中：

圖1示出了在第一模式中依照本發明的光學布置的示例；

圖2示出了在第二模式中的光學布置；

圖3示出了用于裝飾圖像部分的一些可替換位置；

圖4示出了如何限定透鏡焦距；

圖5用于解釋提供期望聚焦的第一關系；

圖6用于解釋提供期望聚焦的第二關系；

圖7用于解釋在成像平面處提供圖像部分的期望會聚的間距關系；

圖8示出了用于第一和第二透鏡陣列的小透鏡的一種可能布置；以及

圖9示出了根據現有技術的光學布置。

圖中的一些尺度可能為了解釋和清楚起見而夸大。

具體實施方式

圖9a和9b示出了根據現有技術的光學布置1的兩個變形。現有技術的布置包括包含正透鏡的第一透鏡陣列16的第一板14以及包含負透鏡的第二透鏡陣列19的第二板18。正透鏡的第一透鏡陣列被放置在相對于負透鏡的第二透鏡陣列的位置的上游位置中。對于現有技術的光學布置，為了正常工作，裝飾圖像22必須放置在比正凸透鏡陣列的焦距/焦長f更大的距離處，甚至實際上放置在至少兩倍的焦距f處，這在圖9a中示出。由于從裝飾圖像偏離的輻射性質及其距第一透鏡陣列的相對大距離，裝飾圖像并非僅僅涉及第一透鏡陣列的單個透鏡，而是涉及來自所述第一透鏡陣列的多個透鏡。因而，該現有技術的布置導致相對大量的串擾25，并且因而導致投射表面30上的惡化的圖像質量。另一方面，如果裝飾圖像定位在與第一正透鏡陣列的焦距相比距第一透鏡陣列更短的距離處，如圖9b中所示，則正透鏡不能將入射輻射圖案轉換成會聚射束，并且圖像將投射在第二透鏡陣列的各種負透鏡上。這也導致串擾25以及投射表面30上的惡化的圖像質量。

本發明提供了一種包括兩個板的光學布置，這兩個板具有互補成形的透鏡陣列。裝飾圖像在輸入板處提供。這些板在通過模式與裝飾圖像模式之間關于彼此是可移位的，在該通過模式中板接觸或緊密靠近并且在該裝飾圖像模式中板分開。

圖1示出了依照本發明的實施例的光學布置1。該布置1接收輸入光10并且提供出射光12。

第一板14處于輸入側上并且具有主平面輸入表面15以及在輸出表面上的第一透鏡陣列16。第一透鏡陣列16包括負透鏡的陣列。這些例如包括凹（即陰型）透鏡（通過此意味著透鏡表面突伸到透鏡主體中）。

第二板18處于輸出側上并且具有在輸入表面上的第二透鏡陣列19以及平面輸出表面20。第二透鏡陣列19具有第一透鏡陣列互補的形狀，因而包括正透鏡的陣列。這些例如包括凸（即陽型）透鏡（這意味著透鏡表面從透鏡主體突伸出來）。

正和負透鏡可以相遇，其中透鏡陣列配對以限定對光具有最小光學效應的固體塊，并且由此限定通過模式。透鏡陣列可以在該通過模式中物理地相遇，但是如果存在與透鏡的焦深相比小的間隙，光學性能沒有顯著改變。

裝飾圖像22在第一板處提供。在圖1的示例中，裝飾圖像在載體板24上提供，但是它可以在第一板14自身上提供。

第一和第二板沿主輸入表面15的法向N在第一和第二配置之間關于彼此是可移位。在第一配置中，第一和第二透鏡陣列在一起并且第一和第二板用來（提供通過功能。該配置在圖1中示出，并且兩個板起單個平行板塊的作用。一些菲涅爾反射發生并且裝飾圖案的確造成一些光損失或散射，但是入射射束10的射束輪廓保持不變。

在第二配置中，第一和第二透鏡陣列以距離D分隔（參見圖2）并且第一和第二板用來將裝飾圖像22提供給輸出。

圖2示出了在第二配置中的系統。第一板14上的第一透鏡陣列16的透鏡具有負焦長Fn，其絕對值等于第二透鏡陣列的正透鏡的焦距f。第二板18上的第二透鏡陣列19距裝飾圖像的間距近似等于該距離f，例如在0.9f和1.1f之間，其與距離D近似相同。

陽型-陰型透鏡對的效果是將裝飾圖像的局部部分成像（并且倒置）到在距光學系統的設計的距離處的觀看平面30上。如圖1和2中所示，裝飾圖像包括圖像部分32的重復圖案，其中一個圖像部分與第一透鏡陣列16的每一個透鏡相關聯。這些圖像部分由系統投射到固定投射表面30。透鏡陣列生成圖像部分的多個版本（主圖像30a和衛星圖像30b，其中光通過鄰近透鏡）。所有這些單獨的主圖像部分一起形成單個所得圖像，并且衛星圖像也形成表面上的重復圖案。

一個透鏡陣列關于另一個透鏡陣列的移位使得在透鏡分開并且圖像被提供給輸出以用于裝飾目的時能夠實現射束成形功能。

本發明因而提供了一種在構造方面簡單、小且低成本的照明系統，并且在一個系統中提供裝飾和實用射束功能二者。借助于機械移動在兩個功能之間提供簡單切換布置。這可以通過用戶手動實現或者其可以在電機布置的控制之下。

圖3示出了用于裝飾圖像的各種選項。在圖3中，裝飾圖像包括整個圖像23的重復圖案，其中每一個圖像與第一透鏡陣列的相應透鏡相關聯。圖3（a）示出了圖1和2的布置，其中在抵靠第一透鏡陣列的平面輸入表面放置的透明載體板24上提供圖像。

圖3（b）示出了應用于第一板14的平面主輸入表面15的裝飾圖像，并且圖3（c）示出了應用于第一透鏡陣列14的輸出表面16的裝飾圖像。這些提供了用于提供裝飾圖像的各種選項。如在圖3a-c中所示，第一透鏡陣列的每一個負透鏡具有負焦長Fn。在圖3a中，裝飾圖像位于第一透鏡陣列的輸出表面和焦長Fn之間，即在大約0.6*Fn處。在圖3b中，裝飾圖像提供在第一透鏡陣列的輸出表面和0.5*Fn之間，即在大約0.4*Fn處。在圖3c中，裝飾圖像提供在第一透鏡陣列的輸出表面處，即在0*Fn處。

透鏡被設計成確保所設計的表面30處的裝飾圖像的成像。現在將討論實現這一點的光學考慮。

圖4示出了如何針對空氣中的球形（即，恒定半徑）透鏡導出焦距。在透鏡半徑為R的情況下，焦距由下式給出：

f=n_airR(n_lens-n_air)

其中n_air是空氣的折射率（即，n_air=1）并且n_lens是透鏡材料的折射率。

圖5示出了在沒有考慮到負透鏡功能的情況下的光學布置。如果裝飾圖案放置在正透鏡陣列19的焦點處或者靠近該焦點，并且如果圖案靠近負透鏡陣列16或者在負透鏡陣列16處，則這是合理假設。圖像處于距第二透鏡陣列19的焦距f處。如圖5中所示，所投射的圖像基本上平行并且僅在期望的表面30處的該距離中會聚。圖像在其處會聚的距離將取決于間距從值f（其取而代之地給出不會聚焦的準直輸出圖像）的偏離。

如果不能忽略負透鏡，則圖案的呈現仍舊是可能的。圖6示出了必須滿足以提供適當成像的關系。在該情況下，假設透鏡陣列16、19是薄的。對于實際設計，還應當考慮透鏡到襯底的厚度。

在圖6中，f再次為透鏡陣列19的透鏡的焦距。圖像與第一透鏡陣列16之間的距離是該焦距的第一倍數α（＜1）并且第一透鏡陣列16與第二透鏡陣列19之間的距離是該焦距的第二倍數β（＜1），其中：

β=1/(1+α)。

從該配置的再小偏離導致圖像聚焦而不是以準直形式投射到無窮遠。

為了提供不同圖像部分32到成像平面30處相同位置的聚焦，圖像部分32之間的間距大于第二透鏡陣列19的透鏡之間的間距p_lens。

這在圖7中示出。

存在兩個條件以從所有圖像部分32的重疊創建單個主圖像。

第一，如果：

d_pattern=d_imagef/(d_image-f)

則圖像部分全部聚焦在成像平面30處，

其中d_pattern是圖像部分32與第二透鏡陣列19之間的距離，d_image是第二透鏡陣列19與成像平面30之間的距離，并且f是第二透鏡陣列19的透鏡的焦距。

第二，如果：

p_pattern/p_lens=1+d_image/d_image

則圖像重合，

其中p_pattern是圖像部分32的間距并且p_lens是第二透鏡陣列19的透鏡的間距。

以此方式，圖像部分全部會聚到成像平面處的單個放大（并且倒置）的圖像。以相同方式，衛星圖像也重疊。

圖像部分優選地是等同的圖像，使得它們在成像平面處創建單個圖像。

第一和第二陣列的透鏡是單獨的小透鏡（即，微透鏡）。它們優選地是圓形的并且布置在規則陣列中，例如其中圓形的中心形成六邊形網格，如圖8中所示。每一個透鏡將完整相關聯的圖像部分成像到成像平面上。

光學布置可以作為照明設備的部分而被提供，例如在例如具有圓形外殼的燈具的輸出處提供，該燈具例如是LED燈。燈和外殼被設計成提供期望的射束輪廓（圖1中的10），其入射在光學布置上。這可以是任何適當的射束輪廓，例如近乎準直的聚光射束，或者發散的泛光射束。當使透鏡陣列在一起時，該射束輪廓被保留，但是當透鏡陣列移開時，在距光源期望距離處形成圖像。

合并光學布置的照明單元可以具有用于接收控制光學布置的設置的RF命令的無線接收器，以及用于設置配置的電機。可以控制照明單元的附加特征，比如照明單元的平移和傾斜，使得用戶可以控制光照方向。還可以控制光輸出的各方面，比如顏色、射束尺寸以及形狀和強度。

本發明還提供了一種光照方法，包括向如上文所述的光學布置提供光。該方法包括使第一和第二板關于彼此在第一配置與第二配置之間移位，在第一配置中第一和第二透鏡陣列在一起以提供通過功能，并且在第二配置中第一和第二透鏡陣列分離以提供裝飾圖像。

當透鏡陣列在一起時，它們可以接觸，要不然間距小于第二陣列的透鏡的焦距的5%。當它們分開時，間距是在焦距的數量級。

透鏡陣列可以可選地可移動到中間位置。例如，通過調節透鏡陣列之間的距離，圖像清晰度可以是可控的。然而，調節范圍相對小，因為還將需要間距調節以實現焦距的更大控制。

小透鏡的典型尺寸的示例是3mm間距，以及在3mm-10mm范圍中的曲率半徑。然而，這些尺度可以放大或縮小。因而，間距可以例如在1mm到10mm范圍中，并且曲率半徑可以在1mm到30mm范圍中。每一個透鏡陣列的典型尺寸對于圓形布置的直徑而言處在幾厘米的量級，例如6cm。例如，直徑可以在3cm到10cm范圍中，并且這給出每一陣列數百個小透鏡，例如可以存在100到1000個小透鏡。對于具有3mm間距的6cm直徑透鏡陣列，每一個陣列中存在大約400個小透鏡。

本發明可以應用于家庭、辦公室或工業（例如，商店）用途。

本發明可以用于LED照明。更一般地，光源可以包括固態光源，但是還可以使用其它類型的光源。光學板可以包括聚合材料，例如選自由以下各項構成的組的一種或多種材料：PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、PEN（聚乙烯萘）、PC（聚碳酸酯）、聚丙烯酸甲酯（PMA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）（樹脂玻璃或者有機玻璃）、醋酸丁酸纖維素（CAB）、硅樹脂、聚氯乙烯（PVC）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、（PETG）（乙二醇改性聚對苯二甲酸乙二醇酯）、PDMS（聚二甲基硅氧烷）以及COC（環烯烴共聚物）。然而，其它（共）聚合物也可以是可能的。

本領域技術人員在實踐所要求保護的發明時，通過研究附圖、公開內容和隨附權利要求，可以理解和實現對所公開的實施例的其它變形。在權利要求中，詞語“包括”不排除其它元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個”不排除多個。在相互不同的從屬權利要求中記載某些措施的僅有事實不指示這些措施的組合不能用于獲益。在權利要求中的任何參考標記不應當解釋為限制范圍。