CN102162624A - 一种透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于LED光源的透镜，包括光线的入射面和出射面。所述的出射面包括左右两个旋转对称曲面和一个连接曲面，以及一个平面分界面；所述的两个旋转对称曲面为一马鞍形拱形曲面，和一碗形曲面，具有相同的对称中心直线z轴；所述的连接面在碗形曲面的上方，将所述外拱形曲面和碗形曲面连接起来。所述内表面由一个四份之一球面和一个内凹面组成，其中内凹面为一内凹弧线和一直线绕垂直于直线的方向旋转180度所构成的面得到。将LED放置于旋转对称中心轴上，该透镜可将LED发出的大部分光线偏折向一个方向，形成一个近似半圆的光斑，特别适用于安装在户外墙壁上的照亮墙外广场的场合，避免光线过多照射在墙壁，光能利用率很高。

Description

一种透镜
技术领域
本发明涉及一种用于LED照明的透镜，属于光学设计范畴的技术领域。
背景技术
现有的LED照明主要针对室内照明和户外照明两个方面的领域，其中户外道路照明涉及的光学系统配光类型主要涵盖了Type 1 到Type 5五种类型的配光。已报道的透镜光学系统中主要依靠对称的曲面完成对光线的控制。中国专利文献 CN100495113涉及一种光学透镜的设计方法，可以利用光对称分布完成了光线在一个近似矩形区域的左右对称光学透镜结构，其配光类型属于道路照明的Type I的配光。专利CN101539267A也可以通过郁金香形状的透镜完成一圆形光斑设计，但形成的光斑仍属于旋转对称的光斑分布，属于type 5的配光类型。目前报道的较大向一个方向偏折的报道还较少。在有的场合，需要将光线朝一个半空间方向照射，例如布置于建筑外部、背靠外墙的壁灯，希望尽量没有光线照射到墙壁，而射向墙外的光线越多越好。由于LED的光向左边照射和向右边两个方向的出光是对称的，且中心光强度较边缘更大，因此将光线集中照射到某一半空间是比较困难的。目前，有一些关于将光线偏折向一个方向集中的设计，但很难将绝大部分光线偏向另一侧出射，例如专利CN101571259A可以将一部分光源出射光线偏折到另一侧，并形成一个tyep3型的配光型配光，但并不能将绝大部分的光线偏折到另一侧，同时在较广阔范围内形成较为均匀的分布。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种集中偏折向一个方向并形成均匀照度分布的透镜系统。
本发明的目的可通过以下技术方案实现：
一种用于LED照明的透镜，包括光线的入射面和出射面。其特征在于：所述的出射面包括左右两个旋转对称曲面和一个连接曲面，以及一个平面分界面；所述的两个旋转对称曲面为一马鞍形拱形曲面，和一碗形曲面，具有相同的对称中心直线z轴；所述的连接面在碗形曲面的上方，将所述外拱形曲面和碗形曲面连接起来；所述的旋转对称曲面所述的旋转对称曲面被任何经过z轴的平面相截得的曲线形状是相同。
一种用于LED照明的透镜，其特征在于：包含一分界平面，将所述的马鞍形拱形曲面与所述的碗形曲面、连接曲面连接起来。
一种用于LED照明的透镜，其特征在于，包含一个马鞍形拱形曲面，该马鞍形拱形曲面被经过z轴的平面相截得到的曲线为一中心凹陷肩部隆起的内凹外凸拱形曲线。
一种用于LED照明的透镜，其特征在于：包含一碗形曲面；所述的碗形曲面被经过z轴的任何平面所截取的曲线为一从下往上逐渐延展的二次曲线。
一种用于LED照明的透镜，其特征在于：包含一连接面，位于碗形曲面的上方，将所述外拱形曲面和碗形曲面连接起来；所述碗形曲面的特征在于，为一旋转对称曲面，与另一侧马鞍形拱形曲面中高于碗形曲面顶部的那部分曲面形状完全相同。
一种用于LED照明的透镜，其特征在于：包含一连接面，位于碗形曲面的上方，将所述外拱形曲面和碗形曲面连接起来；所述连接面的特征在于，将另一侧的马鞍形拱形曲面中高于碗形曲面顶部的那部分曲面与碗形曲面顶部平滑连接。
一种用于LED照明的透镜，其特征在于：还包括一光线的入射面；所述入射面为由一个四份之一球面和一个内凹面组成，二者分界面与左右两组出射面的平面相同。
一种用于LED照明的透镜，其特征在于：入射面中包含一内凹面；所述内凹面为一内凹弧线和一直线绕经过直线底部端点且垂直于两组出射面的交界平面的方向旋转180度得到。
一种用于LED照明的透镜，其特征在于：入射面形成的空间放置一LED；所述LED光源放置位置在所有旋转对称曲面的对称中心z轴轴线上。
本发明利用了两组不同的旋转对称曲面，其中一组用以将光线均匀向一个半空间扩展，另一组则利用一个全反射面和一个外折射面一个内出光折射面，将光线偏折向另一侧。两组曲面中用一平面分割开，这个分割两组曲面的平面极为上下模具的分形面，出模非常容易，具有很强的实用性。
附图说明：
图1为本发明第一个实施例示意图
图2为使用第一个实施例的透镜组成的光源模组示意图
图3为本发明第一个实施例的俯视图
图4为本发明第一个实施例在y-z截面的侧视图
图5为本发明第一个实施例在x-z截面的侧视图及光线走向
图6为本发明第二个实施例的透镜示意图
图7为使用本发明第一个实施例的光源模组的模拟照度分布
具体实施方式：
基于图1和图2，本发明的第一个实施例如图1所示。坐标轴XYZ标识于图中。透镜由出光面和入光面组成。其中出光面由左边的曲面103、右边的104及105两曲面和中间连接上述3个曲面的平面106组成；入光面由左边的球形曲面107与右边的内凹弧面108及其中连接内凹弧面108的平面109。曲面103、104和105均为旋转对称曲面，有共同的旋转轴z轴。
在第一个实施例中，曲面105位于曲面104上端，其形状与曲面103高于104以上的那部分曲面完全相同，组成了一个完整的旋转对称圆盘面。曲面103是一个内凹外凸拱形的马鞍形面，其界面如图4所示，是一从顶部向底部先以负斜率地逐渐增大再减小，再以正斜率不断增大的曲线；曲面104是一个碗形曲面，其截面如图4所示，是由一底部到顶部逐渐扩展的二次曲线。
在第一个实施例中，曲面107为一球面的1/4，左边曲面108为一凹形齿状曲面，它为一内凹弧线和一直线绕y轴旋转180度得到，与107球面恰好相接。107和108的交界面为X轴和Z轴所组成的平面。109为一连接108和透镜底平面的平面，和107、108组成一个非对称的内凹面。
在光源组成后，本实施例的整体结构如图2所示。LED光源201放置在基板202上，嵌入到透镜203由内出光面组成的空腔204内。基板与透镜底部紧密接触，通过一定的固定方式将其固定。
图5为该实施例的透镜经一经过z轴的平面所截取的界面示意图。从中我们可以了解第一实施例的光线走向情况。其中，曲面103截取的曲线是曲线1031，可以将光源向左发出的1/4球面空间的光线501均匀分布地发射到一定距离的平面上。104截取的曲线是曲线1041，可以将光源向右发出的1/4球面空间的从曲面109（图示截取直线1091）射出的那部分光线502经全反射到曲面105上，并经曲面105折射出射（在图示中，分别对应全反射曲面105的截面1051对光线的作用）；光源发出的没有经过右边空间的与光源法线方向夹角比较小的一部分光线503 经过曲面108（图示曲线1081）折射后，再经过出光面105曲面出射。
本实施例的特点是，曲线1081可以将发散的光束汇聚，从而使光线203出射后尽量地靠近左半平面，降低了右半平面光分布的面积；而曲线1041配合折射曲面105可以将原本射向右半平面较远位置的光线转向左半平面出射，以达到将光线向一个半空间方向控制的目的。
图6为本发明的第二个实施例的图示。与第一个实施例相比，其不同点在于，第一个实施例的曲面105为一旋转对称曲面，且其形状与曲面103高于104以上的那部分曲面完全相同；而第二个实施例的曲面605是一个平滑过渡的曲面，将内凹马鞍形曲面603（第一个实施例中对应为103）和碗形曲面604（第一个实施例中对应为104）平滑连接。
图7为应用第一实施例的光源模组的光斑效果图。光源的光强分布为琅勃光分布，经过该透镜后，大部分光线将照射到一个半平面。可以看出，本透镜能将大多数光线照射到一个半平面，即将大多数都光线向一侧发射。模拟结果显示，该实施例中能将光源发出的80%以上的光线分布到一侧。

Claims (10)

1.一种透镜，包括入射面和出射面;其特征在于：所述的出射面包括左右两个旋转对称曲面和一个连接曲面；所述的两个旋转对称曲面为一马鞍形曲面，和一碗形曲面，两个旋转对称曲面具有相同的对称中心直线z轴；所述的连接曲面在碗形曲面的上方，将所述外拱形曲面和碗形曲面连接起来；每个旋转对称曲面被任何经过z轴的平面相截得的曲线形状相同。
2. 如权利要求1所述的透镜，其特征在于:还包含一分界平面，将所述的马鞍形曲面与所述的碗形曲面、连接曲面连接起来。
3.  如权利要求1所述的透镜，其特征在于:马鞍形曲面被经过z轴的平面相截得到的曲线为一中心凹陷肩部隆起的内凹外凸拱形面。
4.  如权利要求1所述的透镜，其特征在于:碗形曲面被经过z轴的任何平面所截取的曲线为一从下往上逐渐延展的二次曲线。
5. 如权利要求1所述的透镜，其特征在于:碗形曲面为一旋转对称曲面，与所述的马鞍形曲面中高于碗形曲面顶部的那部分曲面形状完全相同。
6.  如权利要求1所述的透镜，其特征在于:所述连接面将所述的马鞍形拱形曲面中高于碗形曲面顶部的那部分曲面与碗形曲面顶部平滑连接。
7.  如权利要求1所述的透镜，其特征在于:所述入射面为由一个四份之一球面和一个内凹面组成，二者分界面为连接所述的左右两个旋转对称曲面的平面。
8. 如权利要求1或7所述的透镜，其特征在于：所述的入射面中包含一内凹面；所述内凹面为一内凹弧线和一直线绕经过直线底部端点且垂直于所述平面的方向旋转180度得到。
9. 如权利要求8所述的透镜，其特征在于：所述入射面形成的空间放置一LED；所述LED光源放置位置为所述z轴轴线上。
10.如权利要求1所述的透镜，其特征在于：一分界平面将所述的马鞍形拱形曲面与所述的碗形曲面、连接曲面连接起来；所述的马鞍形拱形曲面被经过z轴的平面相截得到的曲线为一中心凹陷肩部隆起的内凹外凸拱形面；所述的碗形曲面被经过z轴的任何平面所截取的曲线为一从下往上逐渐延展的二次曲线；所述的连接面，位于碗形曲面的上方，将所述外拱形曲面和碗形曲面连接起来，其形状或者与所述的马鞍形拱形曲面中高于碗形曲面顶部的那部分曲面形状完全相同，或者将所述的马鞍形拱形曲面中高于碗形曲面顶部的那部分曲面与碗形曲面顶部平滑连接；所述入射面为由一个四份之一球面和一个内凹面组成；LED放置于入射面内形成的空间内。
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