CN101713516B - Led灯用二次光学透镜以及透镜模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了LED灯用二次光学透镜以及透镜模组，透镜包括一透镜本体，该透镜本体具有基面、入射面以及出射面；所述透镜本体沿基面呈半椭圆形凸起，透镜本体的外围凸弧面形成透镜的出射面；所述基面中间内凹形成由半椭圆面和圆弧面组成的入射面。透镜模组由复数个透镜注塑成型。本发明能够有效的解决现有LED灯用二次透镜进行聚光所存在的问题。

Description

LED灯用二次光学透镜以及透镜模组

技术领域：

本发明涉及一种光学器件，特别涉及一种二次光学透镜以及相应的用于LED灯的透镜模组。 

背景技术：

传统的市政照明灯具主要采用钠灯、汞灯或金卤灯，而这些灯的耗电量大，且寿命短，维护费用高，不利于环保。随着LED照明技术的发展以及其自身的优点，LED灯具将逐渐替代传统灯具成为照明领域中的主力军。 

在目前的LED照明技术中，为了提高LED的出光效率和使用方便，一般需要对LED芯片进行一次封装，例如采用球透镜的封装方式。对于特定的应用场合，如LED路灯照明，要求光线集中照射，以便形成需要的光斑，从而需要对一次封装后的LED灯进行二次光学处理。现有技术的处理方式为，在一组LED灯泡前加装一个公共的二次透镜。为此现有LED路灯通常会在LED灯外部罩设一透镜以达到聚光的目的。但现有的透镜投射的光斑为圆形，而且中心与周边之间的光强度相差较大；此外，对于一些在某个方向上需要大范围照明，而在另一方向上却需要小范围照明的场合，例如道路照明，在道路延伸方向上要求照射范围宽，照明效果好，角度需求大；而在垂直道路方向上并不需要宽范围的照明，否则，既浪费电能，还会对周围环境造成光污染。但对于现有这圆形透镜的LED来说，只能通过在道路延伸方向上多设灯具，通过相邻灯具的光斑叠加来达到光强度要求，即使这样，也难以避免“排骨路”的照明效果，灯具正下方的照度高，其它区域照度低，导致路面平均照度低且均匀度差，这种亮暗不均的照明，直接影响行车安全。 

发明内容：

本发明针对上述现有LED灯中采用二次透镜进行聚光时所存在的一系列问题，而提供一种新型的LED灯用二次透镜以及相应的透镜模组，其能够有 效的解决现有LED灯用二次透镜进行聚光所存在的问题。 

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案： 

LED灯用二次光学透镜，包括一透镜本体，该透镜本体具有基面、入射面以及出射面；所述透镜本体沿基面呈半椭圆形凸起，透镜本体的外围凸弧面形成透镜的出射面；所述基面中间内凹形成由半椭圆面和圆弧面组成的入射面。 

进一步，所述透镜本体两侧对称设有圆弧状的凹槽。 

再进一步，所述透镜由PMMA材料注塑而成。 

为了便于实际应用，本发明还提供了一种利用上述二次光学透镜制得的透镜模组，该透镜模组由多颗二次光学透镜通过注塑形成透镜模组，并使多颗二次光学透镜的基面形成透镜模组的基面。 

所述多颗二次光学透镜匀距分布在透镜模组的基面上。 

所述透镜模组的基面上在透镜之间设有用于安置保护LED的保护元件的安置槽。 

所述透镜模组的两端开设有便于螺钉安置紧固的半圆孔或半沉头孔。 

所述透镜模组的基面上还设有用于定位的定位柱。 

根据上述技术方案得到的本发明具有如下的优点和特点： 

(1)材料：使用日本三菱原装优质进口光学级PMMA原料(聚甲基丙烯酸甲酯，俗称：亚克力)，透光率高。 

(2)本发明提供的二次光学透镜，光源准确定位，根据LED的芯片结构与封装方式、光线特性等来设计配光曲线，使得到的路灯符合道路照明使用的标准蝙蝠翼型配光曲线，一致性好。 

(3)采用全折射模式：当LED光线经过透镜的曲面产生折射，得到最完善的光线利用与漂亮的光斑效果，光斑在路面上呈矩形分布，非常均匀，边缘清晰，有效照射区外无不良眩光，不会造成光污染，突破一般透镜的局限性，透镜侧面的光线(漏光)也得到充分利用，无杂散光，无黑洞、阴影和暗区，光线利用率与透光率高，角度精准，安装便捷，价格合理。 

(4)可将多个单颗透镜通过注塑完成一个整体的多颗透镜的透镜模组，按不同需求可以设计成单颗、3合1、5合1甚至几十颗合一的透镜模组；此设计能有效节省生产成本，实现产品品质的一致性，节省灯具机构空间，更容易 实现“大功率”等特点。 

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。 

图1为本发明提供的透镜结构示意图。 

图2为图1的俯视图。 

图3为图2在A-A方向的剖视图。 

图4为图2的A-A从另一方向看的剖视图。 

图5为本发明中一种3合1透镜模组的结构示意图。 

图6为图5的俯视图。 

图7为图5在A-A方向的剖视图。 

图8为本发明中另一种3合1透镜模组的结构示意图。 

图9为图8的主视图。 

图10为本发明进行组装的结构示意图。 

图11为由本发明得到路灯的配光曲线图。 

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。 

本发明针对上述现有LED灯中采用二次透镜进行聚光时所存在的一系列问题，而提供一种新型的LED灯用二次透镜，其具体结构如图1至图4所示： 

本发明提供的LED灯用二次光学透镜，主要包括一透镜本体100，该透镜本体100由基面102、入射面103以及出射面101共同界定。 

透镜的基面102为一平面，整个透镜本体100沿基面102呈半椭圆形凸起，透镜本体的外围凸弧面形成透镜的出射面101；而基面102中间内凹形成入射面103，该入射面103由半椭圆面和圆弧面组成的，其为在半椭圆面的两端形成圆弧面，进而形成入射面103。 

入射面103在基面102上内凹形成一凹槽104，该凹槽用于安装LED。 

为能够对透镜从侧面折射出来的光线进行利用，本发明提供的二次透镜在 透镜本体100两侧对称设有圆弧状的凹槽105。 

本发明中的透镜可由PMMA材料通过注塑方式得到而成，这样可使得透镜的透光率高。本发明中采用的PMMA材料为高度透明的无定形热塑性聚合物，相对密度(30℃/4℃)1.188-1.22。高度通明性，透光率90％-92％，比无机玻璃还高，并能透过紫外线光达73.5％，折射率1.49；同时其机械强度高、韧性好，拉伸强度60-75MPa，冲击强度12-13kJ/m，比无机玻璃高8-10倍。可拉伸定向，冲击强度提高1.5倍。具有优良的耐紫外线和大气老化性。 

由上述的技术特征得到的透镜能够准确对光源进行定位。同时能够根据LED的芯片结构与封装方式、光线特性等来设计配光曲线，并使得得到的路灯符合道路照明使用的标准蝙蝠翼型配光曲线，一致性好。 

应用于道路照明中的透镜，其配光曲线的设计原则就是要满足道路照明设计要求，道路照明要求道路上照度和亮度要均匀(纵向均匀度要求在0.7，整体均匀度在0.5以上，根据公式I＝E·r²/sinθ)，继而该透镜的配光曲线符合标准的蝙蝠翼配光曲线。 

本专利中的透镜采用全折射模式，当LED光线经过透镜的曲面产生折射，得到最完善的光线利用与漂亮的光斑效果，光斑在路面上呈矩形分布，非常均匀，边缘清晰，有效照射区外无不良眩光，不会造成光污染，突破一般透镜的局限性，透镜侧面的光线(漏光)也得到充分利用，无杂散光，无黑洞、阴影和暗区，光线利用率与透光率高，角度精准，同时本专利中的透镜安装便捷，价格合理。 

在实际应用中，可将多个单颗透镜通过注塑完成一个整体的多颗透镜的透镜模组，按不同需求可以设计成单颗、3合1、5合1甚至几十颗合一的透镜模组；此设计能有效节省生产成本，实现产品品质的一致性，节省灯具机构空间，更容易实现“大功率”等特点。具体设计如下所示： 

实施例一 

参见图5至图7，其为一3合1的透镜模组200，由3颗上述特征的透镜注塑而成，其上的每颗二次光学透镜都是针对美国CREE公司生产的XLAMPXR系列LED设计(具体结构如上所述，此处不加以赘述)。 

透镜模组200中3颗透镜201竖向、匀距的分布，它们之间的具体距离与 路灯上的LED排布方式相对应。同时这3颗透镜的基面形成透镜模组的基面202，该基面202为一平面。 

透镜模组的基面202在与透镜入射面相对应的位置开设有用于安置LED灯的槽口203。 

透镜模组的基面202在透镜201之间设置有一定位柱204，能够在安装时很好的定位光源。 

为了便于最后透镜模组的组合安装，本实施例在透镜模组200的两端开设有半圆孔或半沉头孔205，这样方便用螺钉进行安装紧固。 

上述的设计特征能够保证透镜模组能够完美的罩住路灯的LED灯上。其具体安置时如图10所示，将透镜模组200直接罩住路灯上分布的LED，由于透镜模组200上的多颗透镜分布与路灯上的LED灯分布相对应，通过其上的定位柱204与铝基板500上的定位孔相对应，即可实现每颗透镜200直接罩住LED灯400。同时两端相邻的透镜模组200，通过两端对应的半圆孔或半沉头孔205组成完整的安置孔，这样可通过紧固螺钉600将透镜模组200固定在路灯的铝基板500上。通过上述的方式，可将路灯上的LED灯全部用透镜模组罩住，能够对LED的全部光线进行折射产生聚光效果。 

本发明应用几何光学的原理，将单颗或者多颗封装好的LED光源发出的光通量，以一定的出射角，尽可能多地照射到需要照射的区域或者范围，达到相关的照度及其均匀性，或者光强分布的要求。 

本发明在实际应用时，可通过以下步骤来实现： 

(1)根据LED生产产家提供的单颗或多颗集成封装后的光强度分布，计算出其所发出理想的最小光通量；同时根据温度、驱动、光效等因素的影响，对理想的光通量值进行修正，得到的才是实际所所发出的光通量的估算值。 

(2)根据不同类型照明系统或灯具的国家标准，包括配光曲线，照度要求，计算出系统或灯具所要求的最小光通量，考虑到系统或灯具结构的反射、透射和材料的吸收等因素的影响，对理想的光通量值进行修正，得到的才是实际所要求的光通量的估算值。 

(3)利用仿真软件进行设计与分析，以光学面建立模型，进行成像设计，透镜、镜头的设计，以实体对象构建光路系统，修改完善。 

对道路照明来所，配光曲线是个重要的参数。根据上述技术方案得到的路灯的配光曲线如图11所示：图上所示的蝙蝠翼配光减少了眩光干扰区内的光线光强，最大光强值在65°～70°左右。这样能将光照射到更远的方向，覆盖二灯之间的暗区。 

根据上述技术方案得到路灯在实际应用时，其照度分布较均匀，整体空间照度差异小，从而使得光线在道路上均匀分布，有利于行车安全。 

实施例二 

参见图8和图9，该实施例提供的透镜模组与上述实例中的基本结构相同，其上的透镜特征也相同(此处不加以赘述)。 

本实施例提供的透镜模组300上的3颗透镜305呈水平、匀距分布，它们之间的具体距离与路灯上的LED排布方式相对应。 

同时这3颗透镜305的基面形成透镜模组的基面301，该基面301为一平面，在与透镜入射面相对应的位置开设有用于安置LED灯的槽口302。 

为了便于最后透镜模组的组合安装，本实施例在透镜模组300的两端开设有半圆孔或半沉头孔303，这样方便用螺钉进行安装紧固。 

在头颈模组300的基面301在两个透镜305之间可设有用于安置保护LED的保护元件的安置槽304。该实施例中在在两个透镜305之间对称的设置有两个安置槽304。 

同时在安置槽304之间都设置有用于定位安置的定位柱306. 

根据上述技术方案得到的透镜模组300在安装、使用以及相应的效果都与上述实施例中提供的透镜模组200相同。 

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (7)

1.LED灯用二次光学透镜，包括一透镜本体，该透镜本体具有基面、入射面以及出射面；其特征在于，所述透镜本体沿基面呈半椭圆形凸起，透镜本体的外围凸弧面形成透镜的出射面；所述基面中间内凹形成入射面，所述入射面由基面内凹的半椭圆面和由基面内凹的圆弧面构成，所述圆弧面位于半椭圆面的两端；所述透镜本体两侧对称设有圆弧状的凹槽。

2.根据权利要求1所述的LED灯用二次光学透镜，其特征在于，所述透镜由PMMA材料注塑而成。

3.LED灯用透镜模组，其特征在于，所述模组包括复数颗二次光学透镜，所述二次光学透镜包括一透镜本体，所述透镜本体具有基面、入射面以及出射面；所述透镜本体沿基面呈半椭圆形凸起，透镜本体的外围凸弧面形成透镜的出射面；所述基面中间内凹形成入射面，所述入射面由基面内凹的半椭圆面和由基面内凹的圆弧面构成，所述圆弧面位于半椭圆面的两端；所述透镜本体两侧对称设有圆弧状的凹槽；所述复数颗二次光学透镜通过注塑形成透镜模组，复数颗二次光学透镜的基面形成透镜模组的基面。

4.根据权利要求3所述的LED灯用透镜模组，其特征在于，所述透镜模组中多颗透镜匀距分布。

5.根据权利要求3所述的LED灯用透镜模组，其特征在于，所述透镜模组的基面上在透镜之间设有用于安置保护LED的保护元件的安置槽。

6.根据权利要求3所述的LED灯用透镜模组，其特征在于，所述透镜模组的两端开设有便于螺钉安置紧固的半圆孔或半沉头孔。

7.根据权利要求3所述的LED灯用透镜模组，其特征在于，所述透镜模组的基面上还设有用于定位的定位柱。

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