1.本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种小角度光学系统模组和照明灯具。


背景技术：

2.目前，在很多应用场景下，都希望做出更加小巧轻薄的照明灯具。根据光学扩展量守恒定律可知，在透镜或者灯具尺寸较小的情况下，很难实现小角度照明，除非牺牲光学效率。
3.如图1所示的一种光学系统，包括光源11、透镜安装支架12、菲涅尔透镜13和印制电路板(printed circuit board，pcb)14，该光学系统很难实现高效的小角度照明。例如，当光源11为1mm
×
1mm的面光源，菲涅尔透镜14的直径为52mm时，仅能做出40％的光学效率2
°
角光学系统。
4.可见，现有的小角度光学系统的光学效率很低，亟待改进。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种小角度光学系统模组、照明灯具，以提高小角度光学系统的光学效率。
6.为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
7.第一方面，提供了一种小角度光学系统模组，包括光源21、菲涅尔透镜23和曲面反射器25；
8.所述曲面反射器25的至少部分曲面由椭圆弧构成；
9.所述曲面反射器25设置在所述光源21的出射面和所述菲涅尔透镜23的入射面之间，所述曲面反射器25覆盖在所述光源21上，构成所述曲面反射器25的椭圆弧的长轴与所述光源21的出射面重合，且所述光源21的至少部分出射面位于构成所述曲面反射器25的椭圆弧的两个焦点以内；
10.所述曲面反射器25正对于所述光源21的位置开设有通孔251。
11.第二方面，提供了一种照明灯具，包括至少一个如第一方面所述的小角度光学系统模组。
12.本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组，在光源21的出射面和菲涅尔透镜23的入射面之间增设了一个至少部分曲面由椭圆弧构成的曲面反射器25，该曲面反射器25覆盖在光源21上，且构成曲面反射器25的椭圆弧的长轴与光源21的出射面重合，以及光源21的至少部分出射面位于构成所述曲面反射器25的椭圆弧的两个焦点以内，曲面反射器25正对于光源21的位置还开设有通孔251。基于椭圆的双焦点原理可知，从第一焦点出射的光反射回来正好落在第二焦点上，从第一焦点和第二焦点之间出射的光反射回来仍落在第一焦点和第二焦点之间。因此，从光源21发出的光的一部分通过所述通孔251直接出射形成直射光，到达菲涅尔透镜23后进行准直后射出，还有一部分大角度光线则由曲面反射器25发射回来形成反射光，并重新汇聚在光源21上再次作为光源出射，依此类推形成能量循环，进
而提高了光源21的出射光的利用率。
附图说明
13.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
14.图1是现有技术中一种光学系统的主视图。
15.图2a是本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组的主视图。
16.图2b是本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组的俯视图。
17.图2c是图2b所示的小角度光学系统模组的a-a向剖视图。
18.图3是本发明实施例提供的通孔251的开口半角与菲涅尔透镜23的尺寸的关系示意图。
19.图4是本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组中的安装支架22和曲面反射器25的安装结构示意图。
20.图5a是本发明实施例提供的一种菲涅尔透镜23的三维结构示意图。
21.图5b是本发明实施例提供的一种菲涅尔透镜23的俯视图。
22.图6a是图1所示的一种光学系统的光路示意图。
23.图6b是本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组的光路示意图。
24.图7a是图1所示的一种光学系统的光强极坐标图。
25.图7b是本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组的光强极坐标图。
26.图8a是图1所示的一种光学系统的光斑图。
27.图8b是本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组的光斑图。
28.图9是椭圆的方程图。
29.图10a是本发明实施例提供的半个椭球面结构的曲面反射器的光线分配原理图。
30.图10b是本发明实施例提供的半个球面结构的曲面反射器的光线分配原理图。
31.图11a是经半个椭球面结构的曲面反射器反射后的光源中心ns光线落点图。
32.图11b是经半个球面结构的曲面反射器反射后的光源中心ns光线落点图。
33.图12a是经半个椭球面结构的曲面反射器反射后的光源边缘ns光线落点图。
34.图12b是经半个球面结构的曲面反射器反射后的光源边缘ns光线落点图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.为了提高小角度光学系统的效率，本发明实施例提出了一种小角度光学系统模组，下面结合附图分别对该模组的结构、该模组所能取得的有益效果以及该模组为什么能取得这样的有益效果进行说明。
37.首先，对本发明实施例提出了一种小角度光学系统模组的结构进行说明。
38.如图2a、图2b和图2c所示，本发明实施例提出的一种小角度光学系统模组可包括：
光源21、菲涅尔透镜23和曲面反射器25。
39.其中，曲面反射器(25)的至少部分曲面由椭圆弧构成，曲面反射器25设置在光源21的出射面和菲涅尔透镜23的入射面之间，且曲面反射器25覆盖在所述光源21上。
40.此外，和现有技术(如图1所示)中的光学系统类似，菲涅尔透镜23安装在透镜安装支架22上，光源21的中心与菲涅尔透镜23的焦点重合，光源21嵌设在印制电路板24上。
41.进一步地，曲面反射器25与光源21正对的位置开设有通孔251，开设该通孔251以后，从光源21出射的光的一部分将通过该通孔251形成直射光，到达菲涅尔透镜23后进行准直后射出，另一部分光线中的至少部分由曲面反射器25发射回来形成反射光。
42.进一步地，如图2a、图2b和图2c所示，曲面反射器25覆盖在所述光源21上后，构成曲面反射器25的椭圆弧的长轴与光源21的出射面重合，光源21的至少部分出射面位于构成曲面反射器25的椭圆弧的两个焦点以内。
43.基于椭圆的双焦点原理可知，从第一焦点出射的光反射回来正好落在第二焦点上，从第一焦点和第二焦点之间出射的光反射回来仍落在第一焦点和第二焦点之间。因此，本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组，可使光源21出射的光中经曲面反射器25反射回来的部分，能重新汇聚至光源21上，从而被作为光源重复利用，如此不断循环，最终提高了光学效率。
44.在一种实施方式中，曲面反射器25可以是全部由半个椭圆柱面，相当于是对半个椭圆弧沿轴向进行拉伸得到的椭圆柱面，也即，对图2a所示的半个椭圆弧沿x轴拉伸预设距离得到的椭圆柱面。一般来说，对于一个椭圆而言，其长半轴用a表示，其短半轴用b表示，其方程为：x2/a2+y2/b2＝1。在该实施方式中，构成曲面反射器25的至少部分椭圆弧的长轴与光源21的出射面重合，构成曲面反射器25的椭圆弧的短轴与光源21的出射面垂直。
45.在另一种实施方式中，曲面反射器25可以是半个椭球面，且该半个椭球面的长半轴和中半轴相等。一般来说，对于一个椭球而言，其长半轴用a表示，其中半轴用b表示，其短半轴用c表示，其方程为：x2/a2+y2/b2+z2/c2＝1。因此，在该实施方式中，所述半个椭球面的a＝b》c，且将曲面反射器25安装好后，所述半个椭球面的xy平面与光源21的出射面重合，相应的所述半个椭球面的z轴与光源21的出射面垂直，也就是说，所述半个椭球面的短半轴与光源21的出射面垂直，且所述半个椭球面的中心与光源21的出射面的中心重合。可以理解，该曲面反射器25相当于是对长半轴等于b、短半轴等于c、位于yz平面上的椭圆绕z轴旋转180度得到。
46.可以理解，曲面反射器25的结构可以不限于上述半个椭圆柱面或上述半个椭球面，还可以是其他形状，只要其中包含椭圆弧构成的曲面，且曲面反射器25覆盖在光源21上后，构成曲面反射器25的椭圆弧的长轴与光源21的出射面重合，且光源21的至少部分出射面位于构成曲面反射器25的椭圆弧的两个焦点以内即可。
47.在一种实施方式中，光源21的出射面呈长条形，且光源21的出射面的两端分别位于构成曲面反射器25的椭圆弧的两个焦点上。例如，如图2b所示，如果曲面反射器25为半个椭球面，光源21的出射面呈长条形，且光源21的出射面的第一端211位于所述半个椭球面的第一焦点f1上，光源21的出射面的第二端212位于所述半个椭球面的第二焦点f2上。这种安装方式可以使从第一端211出射的光中被曲面反射器25反射回来的部分能重新汇聚在第第二端212上再次作为光源，并使从第二端212出射的光中被曲面反射器25反射回来的部分能
重新汇聚在第一端211上再次作为光源，从而提高本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组的光学效率。
48.在另一种实施方式中，如果曲面反射器25为半个椭球面，光源21的出射面可以呈圆形，且光源21的出射面的直径正好等于所述半个椭球面的焦距，这样一来，可以使光源21的边缘正好与所述半个椭球面的两个焦点形成的曲线重合，从光源21的边缘出射的光中被曲面反射器25反射回来的部分能重新汇聚在光源21上再次作为光源，从而提高本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组的光学效率。
49.应理解，光源21的出射面的形状和尺寸可以不局限于上述两种，还可以是其他的情况，只要保证光源21的至少部分出射面位于构成曲面反射器25的椭圆弧的两个焦点以内，便可或多或少提升光源21出射光中大角度光线的利用率，从而能够本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组的光学效率。
50.在本发明实施例中，对曲面反射器25顶部开设的通孔251的形状也不做限制。作为一个例子，通孔251可以呈圆形，且与光源21同心，可以理解，当曲面反射器25为半个椭球面时，由于曲面反射器25的中心与光源21的中心重合，因此，通孔251与所述半个椭球面也是同心的。
51.进一步地，在一种实施方式中，曲面反射器25顶部开设的通孔251的尺寸(如直径，或相对于曲面反射器中心的开口角度)是根据第一能量和第二能量的比例确定的，其中，第一能量为所述光源21发出的光中经由所述通孔251直射出去的能量，第二能量为光源21发出的光中由曲面反射器25反射回来的能量，也即通孔251的尺寸根据光源的出射光中直射光和反射光的能量分配比例确定的。
52.进一步地，在另一中实施方式中，通孔251的尺寸随着菲涅尔透镜23的尺寸的变化而变化。如图3所示，菲涅尔透镜23的焦点与光源21的中心重合，为了尽可能充分地利用光源21出射的光线，当曲面反射器25为半个椭球面时，通孔251相对于光源21的中心的开口半角θ等于目标角度，其中，目标角度是第一连线与第二连线之间的角度，第一连线是菲涅尔透镜23中心a与菲涅尔透镜23的焦点o之间的连线，第二连线是菲涅尔透镜23的边缘b与菲涅尔透镜23的焦点o之间的连线，即目标角度为∠aob。在图3中，r表示菲涅尔透镜23的外径的一半，f表示菲涅尔透镜23的焦距。
53.在具体实现时，可以根据上述能量分配比例以及菲涅尔透镜23的尺寸综合确定通孔251的尺寸。一般来说，通孔251的尺寸大于光源21的尺寸，小于菲涅尔透镜23的外径。
54.不同尺寸(相对于曲面反射器25的中心的开口半角)的通孔251对本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组的光学效率的贡献也不相同，表1列出了不同尺寸的圆形通孔251对应的光学效率。
55.表1
[0056][0057]
从表1中可以看出，通孔251相对于曲面反射器的中心的开口半角越大，光源21出射的光线的利用率越高。
[0058]
可选地，在本发明实施例中，光源21为led光源。
[0059]
进一步地，如图2a、图2b和图2c所示，本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组还包括印制电路板24，其中，光源21设置在印制电路板24的中央，曲面反射器25覆盖在印制电路板24上。
[0060]
由于在光源21的出光方向上设置曲面反射器25以后，难免会有一些光线被反射至印制电路板上未设置光源21的部分，为了将这部分光线也利用起来以进一步提升本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组的光学效率，可选地，还可以在印制电路板24上面向曲面反射器25的侧面上未被光源21占据的部分涂覆反光涂层，以将反射至印制电路板24上的光线再次反射出去，反射出去的光线可能有两种去向，一种去向是入射至曲面反射器25的反射壁，经由曲面反射器25的反射壁反射后到达光源21，被再次作为光源加以利用；另一种去向是直接从通孔251直射出去到达菲涅尔透镜23。可以理解，不管是这两种情况中的哪一种，都可以提升光线的利用效率。
[0061]
可选地，为了尽可能的提升印制电路板24的光线反射效果，涂覆在印制电路板24上的反光涂层的颜色可以为白色。
[0062]
进一步地，本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组还可以包括透镜安装支架22，其中，透镜安装支架22的尺寸是根据菲涅尔透镜23的尺寸(外径以及焦距)设计的，具体设计属于现有技术，本文不做赘述。
[0063]
可选地，透镜安装支架22可由塑料制成，曲面反射器25可由铝合金压铸而成。
[0064]
可选地，透镜安装支架22还可用于安装印制电路板24和曲面反射器25。图4示出了曲面反射器25安装在透镜安装支架22上的三维结构示意图。结合图4以及图2a、图2b和图2c可以看出，在本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组中，当曲面反射器25为半个椭球面时，曲面反射器25如“倒扣的碗”一样扣在光源21的出光面上，且曲面反射器25顶部开设有一个圆形通孔251，以将光源21的出射光分为直射光和反射光，起到对光源21发出的光进行能量分配的作用，如前文所述，可通过预设的能量分配比例，设置通孔251的尺寸。
[0065]
图5a示出了菲涅尔透镜23的三维结构示意图，图5b示出了菲涅尔透镜23的俯视图。本发明实施例采用的菲涅尔透镜23与现有技术中的菲涅尔透镜类似，因此不做详细描述。
[0066]
在理想的光学系统中，光束经光学系统后光学扩展量守恒。用于权衡所要求的面积和立体角，从而确定结构参数。光学扩展量定义：光束所通过的面积和光束所占有的立体角的积分。
[0067]
e＝n2∫∫cos(θ)dadω
[0068]
其中，θ是面元da的法线与立体角dω中心轴之间的夹角。
[0069]
由光学扩展量公式可知，单一的小尺寸光学面光学透镜(如图1所示的光学系统只包含菲涅尔透镜)难以做出高光效的小角度照明，例如，当光源11为1mm
×
1mm的面光源，菲涅尔透镜14的直径为52mm时，仅能做出40％的光学效率2
°
角光学系统。进而，为满足某一条件必然会放弃某些条件，因此，现有技术中多采用牺牲光学效率的方式保证小角度照明的实现，只利用分部分光线，将大部分光线舍弃掉，这无疑会造成能量损失，光学效率低的后果。
[0070]
本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组，相当于是在图1所示的光学系统(现有技术中的一种小角度光学系统)的基础上，增加了一个曲面反射器25，以在实现小角
度照明的同时，提高光源21发出的光线的利用效率，即提高光学效率。此外，增加曲面反射器25后，色温(k)值也得到了提升。
[0071]
下面对本发明实施例提供的一种小角度光学系统能取得的有益效果进行详细说明。
[0072]
图6a示出了图1所示的一种光学系统的光路示意图。图6b示出了本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组的光路示意图。对比图6a和图6b可以发现，采用单一菲涅尔透镜的光学系统，其光线利用率明显低于本发明实施例提供的一种包括“曲面反射器25+菲涅尔透镜23”的小角度光学系统模组，采用单一菲涅尔透镜的光学系统中的一些光线反射路线杂乱无序，无法被有效利用，因此光学效率低，而本发明实施例提供的一种包括“曲面反射器25+菲涅尔透镜23”的小角度光学系统模组能够高效地利用几乎全部的光线，光学效率明显较高。
[0073]
图7a示出了图1所示的一种光学系统的光强极坐标图。图7b示出了本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组的光强极坐标图。对比图7a和图7b可以发现，本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组的光线能量收集总功率、光学效率和最大强度均明显高于图1所示的光学系统。
[0074]
表2列出了图1所示的一种光学系统与本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组的有益效果对比表。
[0075]
表2
[0076][0077]
通过表2可以看出，在采用同样的光源的情况下，本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组在实现更小光束角和视场角的情况下，光学效率、k值更高，具体来说，光学效率可提升20％，k值可提升100。
[0078]
图8a示出了图1所示的一种光学系统的光斑图。图8b示出了本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组的光斑图。结合表2，再对比图8a和图8b后可发现，本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组在实现更小光束角和视场角以及差不多光斑效果的情况下，光学效率、k值更高。
[0079]
通过上述对比可知，本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组，在实现更小角度照明的前提下，能大幅提升光学效率及k值。
[0080]
下面用一个例子对本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组为什么能取得上述效果的原理进行详细说明。
[0081]
前文说到，一般而言，对于一个椭球而言，其长半轴用a表示，其中半轴用b表示，其短半轴用c表示，其方程为：x2/a2+y2/b2+z2/c2＝1。在本发明实施例的一个例子中，当曲面反射器25为半个椭球面时，所述半个椭球面的a＝b》c，且将曲面反射器25安装好后，所述半个椭球面的xy平面与光源21的出射面重合，相应的所述半个椭球面的z轴与光源21的出射面
垂直，也就是说，所述半个椭球面的短半轴与光源21的出射面垂直，且所述半个椭球面的中心与光源21的出射面的中心重合。可以理解，该曲面反射器25相当于是对长半轴等于b、短半轴等于c、位于yz平面上的椭圆绕z轴旋转180度得到。
[0082]
如图9所示，对于长半轴等于b、短半轴等于c、与yz平面平行且过原点的椭圆来说，其方程式为：y2/b2+z2/c2＝1，其中，b》c》0，该椭圆的两个焦点可以分别表示为f1(即第一焦点)、f2(即第二焦点)，他们之间的距离为2l，该椭圆上任意一点m(y,z)到f1、f2的距离之和等于2b，通常认为，圆是椭圆的一种特殊情况，相应的，球面是椭球面的一种特殊情况。
[0083]
椭圆的双焦点原理是：任意一个椭圆有两个焦点，且从第一焦点出射的光，必然会汇聚在第二焦点，对于圆这种特殊的椭圆，从其圆心出射的光经过圆周的反射后重新汇聚到圆心位置。将此原理扩展到椭球仍然如此。具体的，如图10a所示，对于从椭圆的f1出射的光经椭圆周反射后汇聚于f2；如图10b所示，对于从圆心f出射的光经圆周反射后仍汇聚于f。
[0084]
小角度照明中的光源一般为led，led通常是利用芯片激发光色荧光粉发光，因此led并不是传统意义上的点光源，而是一个面光源。基于这点，在本发明提供的一种小角度光学系统模组中，使用半个椭球面的曲面反射器25和长条形的led光源后，如果使led(光源21)一端与曲面反射器25的第一焦点重合，使led的另一端与曲面反射器25的第二焦点重合，优势在于led发出的光中被曲面反射器25反射回的光线全部重新汇聚于led表面上，具体是从第一焦点发出的光反射回第二焦点处，从第二焦点发出的光反射回第一焦点处，两个焦点以内的led发出的光也相应的落在两个焦点之间。被反射回来的重新汇聚在led表面上的光线，会重新激发黄色荧光粉发光，此时可看作一个新的朗伯光源在led表面发光，如此循环不断，可大幅提高led的光线利用率，进而提升光学效率。
[0085]
需要说明的是，椭球面与球面还是存在差别的，由于led是个面光源，因此，如果以球面结构作为反射器的话，led边缘的光线仍无法被充分利用，光线利用率相对而言低于椭球面结构。
[0086]
图11a示出了经半个椭球面结构的反射器反射后的光源中心ns光线落点图。图11b示出了经半个球面结构的曲面反射器反射后的光源中心ns光线落点图。图12a示出了经半个椭球面结构的曲面反射器反射后的光源边缘ns光线落点图。图12b示出了经半个球面结构的曲面反射器反射后的光源边缘ns光线落点图。对比图11a和图11b后可发现，对于分别经半个椭球面结构和球面结构的曲面反射器反射的光学系统，二者光源中心的光线利用率相差不大。但对比图12a和图12b后可发现，对于分别经半个椭球面结构和半个球面结构的曲面反射器反射的光学系统，二者光源边缘的光线利用率相差很大，具体来说，光源边缘发出的光经半个椭球面结构的曲面反射器反射后几乎可以全部回到光源表面进行二次激发，而经半个球面的反射器反射回来的光线却杂乱无章，在半个球面结构的曲面反射器内形成杂散光，难以被再次利用。因此，半个椭球面结构的曲面反射器可以更好收集并利用光源边缘出射的光线，进而更大程度的提升光学效率。
[0087]
总之，本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组，通过在光源的出射面和菲涅尔透镜的入射面之间增设包含至少部分由椭圆弧构成的曲面的曲面反射器，可以将光源发出的光进行重新分配，把现有技术中牺牲掉的无法利用的大角度光线重新利用起来，在满足小角度的前提下，不仅能使光学效率大幅提升，还能使k值明显提高。此外，还可以通过
控制曲面反射器顶部的通孔尺寸，使包含该小角度光学系统模组的灯具实现不同角度的照明。
[0088]
本发明实施例提供的一种小角度光学系统模组适用于楼顶、飞机场等需要重点照明与远距离照明的场景。另外，由于菲涅尔透镜较为轻薄，因此可以使整个小角度光学系统模组的尺寸更为小巧，从而适应对安装控件有更小要求的应用场景，满足小巧、轻薄化的照明需求。
[0089]
在上述小角度光学系统模组的基础上，本发明实施例还提供了一种照明灯具，该照明灯具中可以包括至少一个小角度光学系统模组。
[0090]
在实际应用中，可以根据实际照明需求、使用场景，对多个上述小角度光学系统模组进行组合、拼接，满足不同功率的照明需求。也可以在有需求时，拆卸拼装成的灯具中的部分小角度光学系统模组。
[0091]
可以理解，由于本发明实施例还提供的一种照明灯具，是通过对本发明实施例提供的至少一个小角度光学系统模组组合、拼接得到的，所以也能提升光学效率和k值，此外，由于本发明实施例提供的小角度光学系统模组本身的尺寸很小巧、很轻薄，所以该照明灯具可以做到小型化、轻薄化。
[0092]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0093]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。