CN101639196B - 一种发光二极管透镜和照明装置 - Google Patents

一种发光二极管透镜和照明装置 Download PDF

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本发明涉及一种发光二极管透镜和照明装置，透镜的形状为以平行于柱体的中轴线的平面截取的部分中空的柱体，该平面为所述透镜的透镜区与非透镜区的分界面；所述部分中空的柱体的内表面为所述透镜的入光面，外表面为所述透镜的出光面；所述透镜的出光面为不规则的柱面。照明装置包括分布于同一个平面上的多个发光二极管，和位置与所述多个发光二极管一一对应、并且分别罩于发光二极管之上多个发光二极管透镜。本发明使用光学透镜来定向改变光强分布，提高发光二极管的发光亮度均匀性和色彩均匀性，最大限度提高光源转换率，减少光源眩光。

Description

一种发光二极管透镜和照明装置
技术领域  本发明涉及一种发光二极管透镜和照明装置。
背景技术  大功率发光二极管是一种定向发光的点光源，需要使用光学透镜来定向改变光强分布曲线，光学透镜的设计会影响发光二极管的光源转换率，好的光学透镜的设计不仅能调整发光二极管的发光亮度均匀性和色彩均匀性，还能最大限度提高光源转换率，并且减少光源眩光。
发明内容  本发明的主要目的在于提供一种发光二极管透镜和照明装置，使用光学透镜和光学透镜的组合来定向改变光强分布，改善发光二极管的发光亮度均匀性和色彩均匀性，最大限度提高光源转换率，减少光源眩光。
本发明公开的一种发光二极管透镜，所述透镜的形状为以平行于柱体的中轴线的平面截取的部分中空的柱体，该平面为所述透镜的透镜区与非透镜区的分界面；所述部分中空的柱体的内表面为所述透镜的入光面，外表面为所述透镜的出光面；所述透镜的出光面为不规则的柱面。
所述部分中空的柱体关于过柱体的轴线且垂直于透镜区与非透镜区的分界面的面对称，在离对称面的距离较小处的透镜的厚度较小，离所述对称面的距离较大处的厚度较大。
以所述透镜出光面指向光源中心和入光面相交之间的最短距离h为透镜基本厚度，所述透镜出光面指向光源中心并且和入光面相交之间的最大距离H为透镜参考厚度；所述透镜基本厚度h和透镜参考厚度H的比例关系为：7.5h≥H≥h。
设光源中轴线上透镜曲面点切线和光源轴线的最小夹角b为透镜中心切线夹角，则透镜中心切线夹角的角度为：90°≥b≥48°
设透镜出光曲面边缘的任意一点指向光源中心的连接线和光源中轴线的夹角a为透镜曲面夹角，则透镜曲率面夹角的角度为：a≤45°。
所述透镜的入光面和透镜的出光面为镜面；或者所述透镜的入光面为镜面，出光面为非镜面。
本发明还公开了一种发光二极管照明装置，包括分布于同一个平面上的多个发光二极管，和位置与所述多个发光二极管一一对应、并且分别罩于发光二极管之上的如权利要求1至6中任意一个所述的多个发光二极管透镜。
所述发光二极管透镜和发光二极管的分布方式是：多个所述发光二极管透镜以所述柱体的中轴线头尾相接的方式排列成行，多行之间相互平行。
本发明公开的一种发光二极管透镜，由于采用了特定的透镜形状，使得光强在一个方向上的分布比另一个方向上的分布更均匀可调，同时该方向光源转换率更高，整体上提高了发光二极管的发光亮度均匀性和色彩均匀性，提高光源转换率，减少光源眩光。本发明公开的一种发光二极管照明装置，对多点发光二极管阵列采用同型半透镜的阵列组合，产品制成容易，多点组合成本低，可大面积阵列组合。
附图说明
图1为本发明的一种半透镜结构立体示意图。
图2为本发明的一种半透镜的入光面为镜面或者非镜面时的光路示意图。
图3为本发明的一种半透镜的出光面为镜面或者非镜面时的光路示意图。
图4为本发明的一种同型半透镜的多点阵列组合结构示意图。
图5为本发明的一种采用同型半透镜的多点阵列组合的光源结构示意图。
图6为本发明的一种半透镜的光路示意图。
图7为图1所示半透镜的光强分布图。
图8为透镜基本厚度示意图。
图9为透镜参考厚度示意图。
图10是透镜曲率面夹角和透镜中心切线夹角示意图。
具体实施方式  下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
光学透镜一般以光学级PMMA/PC材料，以注塑或挤出的方式制成，如图1所示，为本发明的一个实施例的透镜结构立体示意图，透镜的形状为在中空的柱体上以平行于柱体中轴线的方向截出的一部分，截面是在一个平面上的相互平行的两个矩形，这个截面就是透镜的透镜区与非透镜区的分界面；在分界面之上透镜之下是光源的物理发光区。该中空的柱体的内表面为透镜的入光面，外表面为透镜的出光面。
一般以发光二极管的光源物理发光区域的最大截面的中心点称为光源中心点，在上述实施例中分界面的中心点为光源中心点，从光源中心点垂直指向透镜出光中轴线的连线称为光源中轴线，多点单阵列的带透镜光源组合时各个带透镜光源的光源中轴线构成中轴面，多点多阵列组合时就有多中轴面。即从出光面垂直指向透镜区与非透镜区的分界面并和光源中心点连接的直线称为光源中轴线。
图1所示的半透镜是左右对称的，其对称面过光源中轴线且垂直于透镜区与非透镜区的分界面的截面。在对称面附近透镜的厚度较小，往两边的厚度较大。也即，柱体的外表面不是光滑的圆柱表面，在这个部分柱体的外表面的中心线附近向下凹陷。这个柱体的高度一般小于其直径。
本发明的透镜和光源物理出光面均匀紧密接近的透镜面称为透镜入光面，根据需要可生成光滑镜面、磨砂面、点面或齿形面。透镜上光线从透镜出来的物理表面为出光面，图1所示的透镜在过透镜光源中轴线的两侧由相同曲率或不同曲率组合生成的出光面，根据需要也可生成光滑镜面，磨砂面，点面或齿形面。
如图2所示为本发明的一个实施例的透镜的入光面为镜面或者非镜面时入射光的光路示意图，当透镜的入光面为镜面时从光源中心点发出的入射光直接进入透镜内；当透镜的入光面为非镜面时入射光会在入光面部分发生无效反射。在图2中光源LED的发光区的截面为半园形，实际应用中，光源LED的发光区还可以是平圆或凹圆发光光源，本发明的技术方案完全可以应用于这两种光源。
如图3所示为本发明的一个实施例的透镜的出光面为镜面或者非镜面时的光路示意图，当出光面为镜面时，射出透镜的光不改变方向进入空气中；当出光面为非镜面时，射出透镜的光会改变为不同的方向进入空气中。
在本发明中透镜入光面和光源物理出光面均匀紧密接近，尽可能减少光通量在空气介质中的距离传导损失，光滑镜面使得原光源光线的路径不改变直接进入透镜中。实际应用中，可以根据设计需要，适当进行雾化处理，雾化处理提前改变了光线路径，会有一定的光通量损失。
透镜物理入光面在双轴线上完全与光源物理出光面双轴线均匀紧密接近的透镜为半透镜，一般以精密挤出生成，其基本截面图形决定透镜模型及光强分布，本发明的发光二极管透镜是一种半透镜，其入光面和光源出光面两维定向方法设计，半透镜的优点是产品制成容易，多点组合成本低，可大面积阵列组合。
如图4所示是多点同型半透镜多阵列组合结构示意图，多个半透镜沿柱体中轴线的方向连续成列，多列再在透镜区与非透镜区分界面重合的面上一致排列。
目前以LED为光源，其技术成熟度已经基本满足照明应用领域和背光显示模块的要求，将逐步替代传统该领域光源产品，现有的直射式LED光源产品，因LED自身定向饱和发光的特性，难以实现亮度和色彩均匀性要求，必须进行二次光学透镜设计。传统应用设计中，为消除产品的眩光和实现均匀性要求的问题，需要进行雾化处理，这样造成很大比例的光通量损失，实际产品的光源有效转换率很低，同样为克服上述因素，弥补光通量损失，会额外增加很多结构和光源成本，能源节俭效果也不明显，本发明所揭示的方案可以最低限度降低系统成本，满足市场化要求。
如图5所示是本发明的一种同型半透镜的多点多阵列组合光源的结构示意图，根据需要也可以选择异型半透镜阵列组合来实现。在多点发光二极管阵列上使用如图4所示的同型半透镜阵列组合结构，形成平面光源。
图6为本发明的一种半透镜的光路示意图，从光源中心发出的光直接进入透镜，再折射到空气中。光学透镜的所有光线都以折射出光为基本要求，同时满足光强有效分布，使光源系统转换率最大化，实现光源亮度和色彩均匀性要求。
图7为图1所示半透镜的光强分布示意图，由图可见光源经透镜后单方向光强分布实现均匀可调，多阵列组合时可整体上实现均匀可调，系统光源转换率也有所提高.在过光源中轴且垂直于柱体高度的平面上光强呈120度分布，且外侧的光强于中心光强。在过光源中轴线且平行于柱体高度的平面上光强呈60度分布。
透镜出光面指向光源中心和入光面相交之间的最短距离h为透镜基本厚度，其位置在光源中心线上或出光面边缘线上，如图8所示。透镜基本厚度，是个基本设计数据，当透镜的光源中轴线为透镜中轴线时，其基本厚度位置在轴线上。
透镜出光面指向光源中心和和入光面相交之间的最大距离H为透镜参考厚度，其位置在光源中心线以外区域，如图9所示。
透镜出光曲面边缘的任意一点指向光源中心的连接线和光源中轴线的夹角a为透镜曲面夹角。如图10所示。光源中轴线上透镜曲面点切线和光源轴线的最小夹角b为透镜中心切线夹角，也如图10所示。
透镜参考设计数据，透镜参考厚度和基本厚度有一定的配比关系，曲面角度和中心切线角度设定一定的范围，目的是使所有光线均以一次折射出光；折射出去的光强分布角度控制是有效方向的，否则容易出现无效分布，无法利用造成系统光通量损失。
在本发明的一个实施例中，二次透镜的基本厚度h和透镜参考厚度H的比例关系如下：
7.5h≥H≥h
透镜曲率面夹角：a≤45°
透镜中心切线夹角：90°≥b≥48°
本发明的透镜出光面是由相同曲面或不同曲面组合而成，且不同曲面数n≥2；由于透镜设计本身已经改变了进入透镜面的光线路径，所以要求透镜出光面为光滑镜面，因为在达到设计光强分布的要求的情况下，镜面处理最好，有时很难达到分布要求或为进一步降低眩光影响，也可以进行全部或局部雾化处理。
雾化处理是改变透镜光线路径，光通量损失相对较小。
本发明公开的发光二极管二次透镜，光源转换率可达85％以上，产品亮度均匀性和色彩均匀性可达80％以上，可以最低限度的降低光源的使用数量，从而最大限度的节省功耗。由于透镜是以精密挤出制成，所以产品阵列规格设计灵活，产品实现容易。
本方案设计上进行了光强均匀性调整，降低了眩光影响，因此不需要额外辅助结构材料处理相关影响，透镜本身既可以发挥透镜功能，又可以兼外观防护件作用；同时因高效率转换，相应的散热成本也跟随降低，产品结构成本最低。

Claims (6)

1.一种发光二极管透镜，所述透镜的形状为以平行于柱体的中轴线的平面截取的部分中空的柱体，该平面为所述透镜的透镜区与非透镜区的分界面；所述部分中空的柱体的内表面为所述透镜的入光面，外表面为所述透镜的出光面；所述透镜的出光面为不规则的柱面；
所述部分中空的柱体关于过柱体的轴线且垂直于透镜区与非透镜区的分界面的面对称，在离对称面的距离较小处的透镜的厚度较小，离所述对称面的距离较大处的厚度较大；
其特征在于，以所述透镜出光面指向光源中心和入光面相交之间的最短距离h为透镜基本厚度，所述透镜出光面指向光源中心并且和入光面相交之间的最大距离H为透镜参考厚度；所述透镜基本厚度h和透镜参考厚度H的比例关系为：7.5h≥H≥h。
2.如权1所述的发光二极管透镜，其特征在于，设光源中轴线上透镜曲面点切线和光源轴线的最小夹角b为透镜中心切线夹角，则透镜中心切线夹角的角度为：90°≥b≥48°
3.如权2所述的发光二极管透镜，其特征在于，设透镜出光曲面边缘的任意一点指向光源中心的连接线和光源中轴线的夹角a为透镜曲面夹角，则透镜曲率面夹角的角度为：a ≤45°。
4.如权2所述的发光二极管透镜，其特征在于，所述透镜的入光面和透镜的出光面为镜面；或者所述透镜的入光面为镜面，出光面为非镜面。
5.一种发光二极管照明装置，其特征在于，包括分布于同一个平面上的多个发光二极管，和位置与所述多个发光二极管一一对应、并且分别罩于发光二极管之上的如权利要求1至4中任意一个所述的多个发光二极管透镜。
6.如权5所述的发光二极管照明装置，其特征在于，所述发光二极管透镜和发光二极管的分布方式是：多个所述发光二极管透镜以所述柱体的中轴线头尾相接的方式排列成行，多行之间相互平行。
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