用于准直和聚焦的单片透镜阵列 以及使用该透镜阵列的LED光发生器 共同转让的荷兰申请序列号No.17233(申请日为1998年12月7日)和荷兰申请序列号No.17607(申请日为1999年9月)均与具有单片透镜阵列、对光进行准直的光发生器有关。
【技术领域】
本发明涉及LED光发生器中用做准直和聚焦光的透镜，特别是涉及用于准直和聚焦光的单片透镜阵列以及使用这种透镜阵列的LED光发生器。
背景技术
目前，LED光发生器装置对来自分离LED源的光进行集中，将光聚焦在一目标上，如光纤的入射光瞳。在大多数这些装置中，为了产生有用的光束，一个关键的方面是分离LED光源的准直和聚焦。
许多LED光发生器装置采用了多个分离且不同的基本光学元件(准直器)，其中的每一个都能有效地收集各个LED光源所产生的非常宽地发散光。由于实际的原因，准直器是相同的，从而具有平行光轴，产生彼此平行的准直光束。第二透镜(收集透镜)将该平行准直光束聚焦在所需地目标上。第二透镜必需具有相当大的大角度折射，将LED光源所产生的光束聚焦在阵列的边缘。
对于阵列的每个LED光源使用分离且不同的准直器增加了光发生器装置的尺寸、复杂性和成本，这是不符合要求的。这是因为在组装过程中，准直器必需使用庞大的装配硬件和隔片逐个进行安装和调整，在组装过程中要求昂贵地控制和调整步骤。
另外，由于在较大折射角处的菲涅耳损耗和光束扩展，收集透镜的大角度折射减小了总收集效率。
因此，在LED光发生器中需要准直和/或聚焦光的透镜，减少光发生器组装过程中的控制和调整，允许具有基本上相同光学功能的更加小型的光发生器装置。
【发明内容】
一种用做包含一LED光源阵列在内的发光二极管(LED)光发生器的透镜阵列。该透镜阵列包括一整体形成的元件，该元件具有多个设置在预定阵列中的准直透镜。将透镜设置在阵列中，使得每个透镜作为相应LED光源的准直器。根据其相应LED光源在LED阵列中所处的位置对阵列中每个透镜进行优化。
一种LED光发生器包括一LED光源的预定阵列，上述透镜阵列以及一将准直光束聚焦在预定目标上的收集透镜。
一种用于标志和照明应用的照明系统，该系统包括一个用来将光引导向预定位置的光纤，和上述的LED光发生器。该光纤包括入射光瞳，形成光发生器的预定目标。
【附图说明】
通过现在参照附图对实施例的描述，将更加充分地理解本发明的优点、性质和多种附加特点。
图1为典型的发光二极管(LED)光发生器中所使用的根据本发明一个实施例的透镜阵列的示意图；
图2为具有尤其是适合于与本发明透镜阵列一起使用的收集透镜的LED光发生器的示意图；
图3A为参考系统的示意图，用于使用光线跟踪程序分析典型LED光发生器中所使用的传统透镜系统的性能而执行的计算中；
图3B为系统的示意图，用于使用光线跟踪程序分析本发明的透镜系统的性能而执行的计算中；
图4A的图表说明了参考系统的角分布和积分分布；
图4B的图表说明了改进系统的角分布和积分分布。
应该理解，附图用于说明本发明的慨念，没有按比例绘出。
实旋例说明
图1为示意图，给出了根据本发明第一实施例的透镜阵列10，用在包括LED光源18的阵列17的典型发光二极管(LED)光发生器中。透镜阵列10将多个准直器透镜14集成为一次整体形成的元件12，可以使用传统的光学塑料模制方法用塑料来廉价地制造元件12。以预定方式将透镜14设置在阵列10中，使得每个LED光源18具有自己的准直器。根据LED阵列17中相应的LED光源18所处的位置，对该阵列10的每个透镜14进行光学优化。在透镜阵列10后面设置一个平面收集透镜20，如菲涅尔透镜，将光束B聚焦在所需目标22上，如光纤的入射光瞳或者指示或照明系统的光导管。对收集透镜20选择透镜要求，使得允许该收集透镜20与透镜阵列10的光学优化的透镜14一起进行有效地工作。
如前所述，按照LED阵列17中相应的LED光源18的位置对阵列10的每个透镜14进行光学优化。例如，位于透镜阵列10边缘24处、对LED阵列17的边缘26处LED光源18进行准直的透镜14，具有它们自身的特殊透镜要求。这种透镜要求能够定义一个折射表面28，使得透镜14能够将准直光束B部分地朝着所选择的目标22折射或“偏转”。因为透镜14被整体模制成一个元件，而在塑料模制工具中容易地满足各个透镜要求。因此，本发明的透镜阵列10允许使用多种LED装置，尺寸规咯，总光通量(流明)要求等。进一步提供的数据表示出了说明这种原理的简化计算的结果。
通过使它们具有自身特定的透镜要求而对透镜阵列10中的每个透镜14进行光学优化的能力，允许LED光发生器16中可变的LED光源18的间距，这是有利的。由于下面的原因，这一点是非常重要的。对于所有的设计，在准直器的效率和尺寸之间进行折中。较小的准直器效率较低，但它可以改善收集透镜效率，因为聚焦角较小(较大的准直器更有效，但是因为它们距离光发生器的中心轴更远而增加了聚焦角)。再次声明，在准直器效率和尺寸之间进行折中。在传统的光发生器装置中，只能一次、全面地对所有LED光源的准直器效率(即准直透镜的尺寸)进行决策。然而，本发明透镜阵列10的每个透镜14的准直器效率可以特别地与相应LED光源18的位置相匹配(改变透镜14“尺寸”的要求)。由于收集透镜20的收集效率沿半径变化，可以根据其相应的LED光源18相对收集透镜20所处的位置通过相反地改变阵列10的透镜14的准直效率而实现匹配。因此，使用本发明的透镜阵列10可以导致更高的总LED光发生器效率。例如，在透镜阵列10的边缘24处的透镜14具有这样的透镜要求，使出射光瞳的尺寸增加。这将对透镜阵列10的边缘处的光提供更好地准直，从而与收集透镜20边缘处较低的收集效率相匹配。
使用本发明的透镜阵列10可以实现其它优点。例如，透镜阵列10还减小了光发生器16的制造成本，因为与传统的分离准直器透镜元件相比，本发明的透镜阵列10在组装过程中基本上不需要控制和调整。另外，本发明的透镜阵列10允许更加紧凑的光发生器装置，具有与较大的传统装置基本上相同的光学功能，因为不需要与传统分离准直器透镜相关的固定凸缘和隔片。
与具有“光束偏转”透镜要求的透镜14的透镜阵列10一起使用的收集透镜20需要进行改变，与透镜阵列10一起进行有效地工作。图1中所描述的透镜阵列10仅提供了少量光束偏转，从而可以从简单球透镜开始，改变收集透镜20的曲率，来更有效地对来自透镜阵列10的“偏转的”光束B进行折射。
当透镜阵列10的透镜14具有产生一定量光束偏转的光学要求时，可以将收集透镜构造成弯曲的菲涅尔透镜的单片阵列30，如图2所示。因为收集透镜30是一次整体形成元件，也可以使用已知传统的光学塑料模制方法用塑料进行廉价地制造。另外，收集透镜阵列30的菲涅尔透镜可以具有不同焦距。收集透镜30还可以包括对光收集进行优化的其它的变型。
现在很显然，本发明的透镜阵列10具有两个独立的优点。第一是成本。与传统光发生器设计中使用的多个部分相比，一次整体形成的元件部分制造起来更加便宜。整体化允许实际中更加复杂的光学设计而不用额外增加制造成本，当透镜阵列10准直并将光朝着光发生器出射光瞳部分偏转、然后收集透镜完成聚焦任务时，改善对光的收集。通过在两个元件之间分别承担折射角，改善了总效率。
如前所述，执行简化计算来说明本发明透镜阵列10的更高的性能。使用称为ASAPTM的光线跟踪程序进行计算。对具有非光束偏转准直器的传统光发生器透镜系统(参考系统)以及使用本发明光束偏转透镜阵列的光发生器透镜系统(改进系统)执行计算。
图3A中描述了使用平行板42和单楔形板44对光束B进行偏转的参考系统40。图3B描述了使用两个楔形板52、54的改进系统50。所有板和楔形板的折射率均为1.5。可以任意选择楔形角和总的折射角，方便值以外的特殊值没有特别的意义。对使用单个楔形板和两个楔形板对光束进行偏转进行比较的结果具有普遍性。其中包含代替没有偏振功能的准直器的平行板，不过也可以包含两个表面的菲涅尔损耗接近准直器菲涅尔损耗的菲涅尔透镜。参考系统的单楔形板角度为39.53°，导致33.18°的总的折射角。改进系统的两个楔形板中每一个角度为25°，也导致33.18°的总的折射角。所有楔形板具有与初始光束方向垂直的入射表面。再次声明，这仅是为了便于计算，不代表计算的任何必需特性。
计算结果表明，改进的系统在两个方面比较优越。第一，参考系统仅透过64％的入射光(2×4°锥角的截面朗伯(Lambertian)量)，改进系统透过大约80％，或者比参考系统多25％的光(即80/64＝1.25)。第二个优点比较细微，不过具有相当大的重要性。与改进系统相比，从参考系统出射的光束更宽(从而每单位总光通量具有更低的强度)。这种表示的优点的数值依赖于应用中特定的几何结构，不过至少能够定量地给出扩展的幅度。
由于两个系统中光束均没有对称地扩展，这种不对称性对于参考系统更加不利，当考虑总的光通量整体时，测量从10％的点到90％的点的角度(即光束中间的80％)。对于参考和改进系统来说，那些角度分别为13.7°和10.4°。图4A和4B中给出了参考系统和改进系统的角分布和积分分布曲线，指针(“+”)在积分分布上构成测量范围。
已经参照上述实施例对上述发明进行了描述，在不偏离本发明精神的条件下可以进行多种变型和改变。因此，认为所有这种变型和改变在所附权利要求范围之内。