CN102588880B - 一种非对称配光的led光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种LED光学系统，包括光源和聚焦透镜本体，所述聚焦透镜本体底部设有第一棱镜，且所述第一棱镜的厚度由所述聚焦透镜一侧向另一侧的方向上逐渐减小，使得所述聚焦透镜呈现出向一侧倾斜的形状，从而使得所述聚焦透镜在C90-C270平面上的配光曲线为非对称式的，有利于光线的导向，即将所述聚焦透镜在C90-C270平面上最大光强点控制在+2度至+70度的范围内，进而可以在利用该LED光学系统照明时，将该LED光学系统的照明光线导向更有利用价值的方向，降低眩光，减少不必要的光线浪费，提高照明灯具光通量的利用率。

Description

一种非对称配光的LED光学系统

技术领域

本发明涉及LED照明技术领域，尤其涉及一种非对称配光的LED光学系统。

背景技术

LED易于实现各种形式的配光，目前常用的技术手段是通过透镜来进行配光设计，其中，LED灯具的配光基础可以为一次配光工艺，也可以为二次配光工艺。

一次配光工艺是在封装单颗LED的过程中，将透镜封装到封装支架上，使其与LED发光芯片、荧光胶和封装支架组成一体从而构成LED光学系统。其中，LED发光芯片表面涂覆有荧光胶，为光源；透镜一般为硅胶透镜。这种工艺相当于在制作LED的过程中一次性的实现了目标配光形式，因此，我们通常称这种工艺为一次配光工艺，所采用的透镜为一次透镜。

二次配光工艺是在封装完好的LED的基础上安装独立的透镜来进行配光设计。其中，封装完好的LED为光源，所采用的透镜一般为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质的透镜，该透镜独立与光源之外，二者组成光学系统。这种工艺相当于在LED一次配光工艺的基础上又增加了第二级透镜进行配光，从而实现了目标配光形式，因此，我们通常称这种工艺为二次配光工艺，所采用的独立于LED之外的透镜称为二次透镜。

而C-平面系统是一种常用的确定灯具空间光强分布的坐标系统，该系统可用于室内照明灯具和道路照明灯具的光度测试中。在C-平面系统下测量并描述灯具的配光曲线，一般是关注C0-C180和C90-C270这两个平面上的配光曲线形式。从配光曲线图上看，这两个平面上的配光曲线可以是重合的，也可以是完全不同的，而每个平面上的配光曲线可以是对称式的(相对于0度角度线左右对称)也可以是非对称式的(相对于0度角度线左右非对称)。

目前，在很多实际照明应用场合，照明灯具的配光曲线多为对称式的。例如，LED路灯的配光形式一般是：在C0-C180平面上(对应道路行车方向上)，其配光曲线为蝙蝠翼型；在C90-C270平面上(对应道路宽度方向上)，其配光曲线为近似椭圆形或近似锥形等，且相对于0度角度线对称。LED路灯的配光形式在道路行车方向上采用蝙蝠翼型配光，可使LED路灯的光线沿着车道向两侧拉开，而非集中与路灯下方的部分，从而有利于达到路面照明度均匀分布的要求。而在道路宽度方向上，LED路灯的配光形式采用对称式的近似椭圆形或近似锥形，会导致许多光线照射到道路以外的部分，虽然使路灯杆的悬臂有一定的仰角，可以在一定程度上解决这个问题，但是仍有过多的光线会照射到道路以外的部分，造成部分光线的浪费。

此外，LED室内照明灯具在某些应用场合也需要将光线偏向空间的某一侧或集中到某个方向，如酒店内用于洗墙时照明的射灯，需要将光线偏向所洗墙面一侧，若采用对称配光的LED光源结合灯具上的反光设施来实现，则会同时增加一部分光损失。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种非对称配光的LED光学系统，该光学系统有利于光线的导向，从而减少不必要的光线浪费，提高照明灯具光通量的利用率。

为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种LED光学系统，包括光源和聚焦透镜本体，所述聚焦透镜本体底部设有第一棱镜，且所述第一棱镜的厚度由所述聚焦透镜一侧向另一侧的方向上逐渐减小。

优选的，所述聚焦透镜本体与所述第一棱镜为一体式结构。

优选的，所述第一棱镜的棱镜角度为10°。

优选的，所述聚焦透镜的截面半径沿其轴线方向从上到下依次增大；其中，所述截面垂直于所述聚焦透镜的轴线。

优选的，所述聚焦透镜的外部轮廓为：端部为与水平线相切的弧形，端部下方为具有一定倾斜角的直线形；其中，所述倾斜角为所述聚焦透镜的直线形外部轮廓与所述聚焦透镜底部平面所成的夹角，且所述倾斜角的范围为0°～90°。

优选的，所述聚焦透镜的直线形外轮廓的具体形成方式为：在所述聚焦透镜的侧壁叠加第二棱镜；保留所述聚焦透镜与所述第二棱镜相叠加的部分，并去除所述第二棱镜剩余的部分。

优选的，所述第二棱镜的棱镜角度为10°。

优选的，所述光源为表面涂覆有荧光胶的发光芯片时，该LED光学系统还包括中心设有柱形基座的封装支架；其中，所述光源设置于所述柱形基座上表面；所述聚焦透镜设置于所述封装支架上，且所述聚焦透镜的底面中心、所述发光芯片的中心以及所述荧光胶的中心在一条直线上。

优选的，所述聚焦透镜为的材质为硅胶或环氧树脂。

优选的，所述光源为LED封装单灯，所述聚焦透镜底部中心具有光源安装孔，且所述光源安装于所述光源安装孔；其中，所述LED封装单灯包括：封装支架，设置于所述封装支架中心的柱形基座，和设置于所述柱形基座上表面的发光芯片，所述发光芯片的表面涂覆有荧光胶；所述聚焦透镜为PMMA透镜、PC透镜或玻璃透镜。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的LED光学系统中，所述聚焦透镜本体底部设有第一棱镜，且所述第一棱镜的厚度由所述聚焦透镜一侧向另一侧的方向上逐渐减小，使得所述聚焦透镜呈现出向一侧倾斜的形状，从而使得所述聚焦透镜在C90-C270平面上的配光曲线为非对称式的，有利于光线的导向，即将所述聚焦透镜在C90-C270平面上最大光强点控制在+2度至+70度的范围内，进而可以在利用该LED光学系统照明时将该LED光学系统的照明光线导向更有利用价值的方向，降低眩光，减少不必要的光线浪费，提高照明灯具光通量的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一所提供的LED光学系统的结构分解示意图；

图2为本发明实施例一所提供的LED光学系统的结构示意图；

图3为本发明实施例一所提供的LED光学系统的前视图；

图4为本发明实施例一所提供的LED光学系统中所述聚焦透镜的直线形外部轮廓的具体形成示意图；

图5为本发明实施例一所提供的LED光学系统中所述第一棱镜采用第一种叠加方式时的剖视图；

图6为本发明实施例一所提供的LED光学系统中所述第一棱镜采用第二种叠加方式时的剖视图；

图7为本发明实施例一所提供的LED光学系统用于照明时的光路示意图；

图8(1)为本发明实施例所提供的LED光学系统的配光曲线图，(2)为现有技术中的LED光学系统的对称式60度光束角的配光曲线图；

图9(1)为本发明实施例所提供的LED光学系统的照明光斑示意图，(2)为现有技术中LED光学系统的对称式60度光束角的照明光斑示意图；

图10为本发明实施例二中所提供的LED光学系统的结构分解示意图；

图11为本发明实施例二中所提供的LED光学系统的结构示意图；

图12为本发明实施例二中所提供的LED光学系统的剖视图；

图13为本发明实施例二中所提供的LED光学系统的前视图。

图中示出了：1-封装支架、2-发光芯片、3-荧光胶、4-聚焦透镜、41-透镜收光部分、42-透镜偏光部分、43-透镜前侧壁、44-透镜后侧壁、45-第二棱镜结构、46-第一棱镜结构、5-柱形基座、6-LED封装单灯、7-光源安装孔。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

正如背景技术部分所述，现有技术中的很多实际照明应用场合，照明灯具的配光曲线多为对称式的，而对称式的配光不利于光线的导向，使得照明光线缺乏方向性，从而造成不必要的光线浪费，或不必要的眩光，影响照明灯具光通量的利用率。

有鉴于此，本发明提供了一种LED光学系统，包括光源和聚焦透镜本体，所述聚焦透镜本体底部设有第一棱镜，且所述第一棱镜的厚度由所述聚焦透镜一侧向另一侧的方向上逐渐减小，从而使得本发明所提供的LED光学系统具有非对称的配光结构，进而在利用本发明所提供的LED光学系统照明时，可以提高光线的导向性，从而使得其照明光线导向更有利用价值的方向，进而降低眩光，减少不必要的光线浪费，最终提高照明灯具光通量的利用率。

下面结合附图对本发明所提供的LED光学系统进行详细描述。

实施例一：

本发明实施例所提供的LED光学系统采用的是一次配光工艺，所述光源为表面涂覆有荧光胶3的发光芯片2，所述聚焦透镜4的材质为硅胶或环氧树脂。参考图1，图1为本发明实施例所提供的LED光学系统的结构分解示意图。从图1中可以看出，所述LED光学系统除包括光源和配光透镜4外，还包括中心设有柱形基座5的封装支架1，其中，所述光源设置于所述柱形基座5上表面；所述聚焦透镜4设置于所述封装支架1上，且所述聚焦透镜4的底面中心、所述发光芯片2的中心以及所述荧光胶3的中心在一条直线上。

参考图2和图3，其中，图2为本发明实施例所提供的LED光学系统的结构示意图；图3为本发明实施例所提供的LED光学系统的前视图。从图2和图3可以看出，本发明实施例所提供的LED光学系统中，所述聚焦透镜4为近似圆锥形的聚焦透镜，即所述聚焦透镜4的截面半径沿其轴线方向从上到下依次增大，其中，所述截面垂直于所述聚焦透镜4的轴线，从而可以对光源发出的光线起到收缩光束的作用，将所述LED光学系统的光束角约束在68°的范围内。

为了进一步的收缩光束，将所述LED光学系统的光束角约束在更小的范围内，可以使所述LED光学系统的外部轮廓为：端部为与水平相切的弧形，端部下方为具有一定倾斜角的直线形；其中，所述倾斜角为所述聚焦透镜4的直线形外部轮廓与所述聚焦透镜4底部平面所成的夹角，且所述倾斜角的范围为0°～90°。

参考图4，所述聚焦透镜4的直线形外部轮廓的具体形成方式为：在所述聚焦透镜4的前后侧壁分别叠加第二棱镜45；保留所述聚焦透镜4与所述第二棱镜45相叠加的部分，并去除所述第二棱镜45剩余的部分。从图4中可以看出，所述聚焦透镜4的前后壁轮廓原为弧形轮廓，本发明实施例中所述的直线形外部轮廓，相当于先在所述聚焦透镜4的前后壁44上分别叠加第二棱镜结构45，所述第二棱镜结构45的棱镜角度为10°，然后再在所述聚焦透镜4与所述第二棱镜结构45相叠加的基础上，保留所述聚焦透镜4与所述第二棱镜结构45相叠加的部分，同时去除所述第二棱镜结构45剩余的部分，从而使得所述聚焦透镜4的外部轮廓由原来的弧形变为：端部为与水平线相切的弧形，端部下方为具有一定倾斜角的直线形；其中，所述倾斜角为所述聚焦透镜4的直线形外部轮廓与所述聚焦透镜4底部平面所成的夹角，且所述倾斜角在0°～90°的范围内，进而将所述LED光学系统在C90-C270平面上的配光曲线的光束角α约束至约60°的范围内，提高所述LED光学系统照明光线的利用价值，最终提高所述LED光学系统的光通量利用率。

而且，本发明实施例所提供的LED光学系统中，所述聚焦透镜4本体的底部设有第一棱镜46，且所述第一棱镜46的厚度由所述聚焦透镜4一侧向另一侧的方向上逐渐减小，从而使得所述聚焦透镜4的最高点偏离所述聚焦透镜4的底面中心点，呈现出向所述聚焦透镜4的后侧壁44一侧倾斜的形状，进而使得所述LED光学系统的配光曲线上负角度一侧的光强进一步减小，正角度一侧的小角度区域(即0°至45°)的光强进一步增大，偏光效果更加明显，最终提高所述LED光学系统照明光线的利用价值。

需要说明的是，本发明实施例中所提供的聚焦透镜，相当于在所述聚焦透镜4本体的底部叠加了第一棱镜结构46，但在实际生产制作时，所述聚焦透镜本体与所述第一棱镜为一体式结构。其中，所述第一棱镜46的具体叠加方式有两种，其中，方式1为首先使所述聚焦透镜4整体向所述聚焦透镜4后侧壁44一侧倾斜，倾斜角度为10°，倾斜后的聚焦透镜4会有一部分超出底部水平线，然后沿所述聚焦透镜4的底部水平线去除所述聚焦透镜4超出底部水平线的部分，并在所述聚焦透镜4底部叠加第一棱镜46，如图5所示，其中，所述第一棱镜46的棱镜角度为10°，从而使所述聚焦透镜4的最高点偏离所述聚焦透镜4的底面中心点，呈现出向所述聚焦透镜4后侧壁44一侧倾斜的形状，进而使得所述LED光学系统的配光曲线上负角度一侧的光强进一步减小，正角度一侧的小角度区域(即0°至45°)的光强进一步增大，偏光效果更加明显，最终提高所述LED光学系统照明光线的利用价值。

第一棱镜46的叠加方式2中，同样需要将所述聚焦透镜4整体向所述聚焦透镜4后侧壁44一侧倾斜，倾斜角度为10°。与方式1所不同的是，方式2中采取直接在所述聚焦透镜4底部叠加第一棱镜结构46的方式，如图6所示，从而使所述聚焦透镜4的最高点偏离所述聚焦透镜4的底面中心点，呈现出向所述聚焦透镜4后侧壁44一侧倾斜的形状，进而使得所述LED光学系统的配光曲线上负角度一侧的光强进一步减小，正角度一侧的小角度区域(即0°至45°)的光强进一步增大，偏光效果更加明显，最终提高所述LED光学系统照明光线的利用价值。

如图7所示，图7为本发明实施例所提供的LED光学系统用于照明时的光路示意图。从图7中可以看出，所述聚焦透镜4包括透镜收光部分41和透镜偏光部分42，所述收光部分41的作用是将从光源射入所述收光部分41一侧的一部分光线a反射至所述偏光部分42，一部分光线b折射向更小角度的方向，从而缩小了所述LED光学系统在C90-C270平面上负角度一侧的各个角度的光强；而所述偏光部分42的作用是将进入所述偏光部分42一侧的较小角度的光线d折射到更大角度，一部分较大角度的光线c折射向小角度方向，从而增大所述LED光学系统在C90-C270平面上正角度一侧在小角度区域的光强，进而得到非对称式配光。而且随着角度的增大，所述光线的光强迅速减小，最终使得所述LED光学系统在C90-C270平面上正角度一侧各角度的光强明显大于相应的负角度处的光强。

如图8所示，图8(1)为本发明实施例所提供的LED光学系统的配光曲线图，图8(2)为现有技术中的LED光学系统的对称式60度光束角的配光曲线图。对比图8(1)和图8(2)可以看出，本发明实施例所提供的LED光学系统，实现了在C0-C180平面上的配光曲线是蝙蝠翼型，而在C90-C270平面上的配光曲线是非对称式，其峰值光强点e约束在约+15°位置，光束角α(即两个半峰值光强点f之间的夹角，e为峰值光强点)约束至约60°的范围内。如图9所示，图9(1)为本发明实施例所提供的LED光学系统的照明光斑示意图，图9(2)为现有技术中的LED光学系统的对称式60度光束角的照明光斑示意图。对比图9(1)和9(2)可以看出，本发明实施例所提供的LED光学系统，如果用于室内照明，可以将更多的光线偏向空间的某一侧或是集中到某个方向上，从而避免不必要的光线浪费，提高所述LED光学系统照明光线的利用价值。

实施例二：

本发明实施例与上一实施例所不同的是，本发明实施例中所提供的LED光学系统采用的是二次配光工艺，所述光源为LED封装单灯6，所述聚焦透镜4为PMMA透镜、PC透镜或玻璃透镜。

参考图10，图10为本发明实施例所提供的LED光学系统的结构分解示意图。从图1中可以看出，所述聚焦透镜4底部中心具有光源安装孔7，且所述光源安装于所述光源安装孔7；其中，所述LED封装单灯6包括：封装支架1，设置于所述封装支架中心的柱形基座5，和设置于所述柱形基座上表面的发光芯片2，所述发光芯片的表面涂覆有荧光胶3。

当所述LED光学系统采用二次配光工艺时，所述聚焦透镜4的改进原理与实施例一中所描述的改进原理基本类似，参考图11-图13，其中，图11-图13分别示出了本发明实施例中所提供的LED光学系统的结构示意图、剖视图和前视图，具体可参考实施例一，这里就不再一一赘述。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

需要说明的是，在本文中，为了将各实施例中所提供的LED光学系统的结构叙述清楚，采用了″相当于″等各种描述方式，在具体生产时，所述聚焦透镜的制作是一体成型的。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句″包括一个......″限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种LED光学系统，包括光源和聚焦透镜本体，其特征在于，所述聚焦透镜本体底部设有第一棱镜，且所述第一棱镜的厚度由所述聚焦透镜一侧向另一侧的方向上逐渐减小；

所述聚焦透镜包括透镜偏光部分和透镜收光部分，通过所述透镜收光部分对光线的反射或折射，以及所述透镜偏光部分对光线的折射，来得到非对称式配光，其中，所述透镜收光部分对光线的反射是将所述光线反射至所述透镜偏光部分；

所述聚焦透镜的截面半径沿其轴线方向从上到下依次增大，其中，所述截面垂直于所述聚焦透镜的轴线；

所述聚焦透镜为近似圆锥形且所述聚焦透镜的外部轮廓为：端部为与水平线相切的弧形，端部下方为具有一定倾斜角的直线形；其中，所述倾斜角为所述聚焦透镜的直线形外部轮廓与所述聚焦透镜底部平面所成的夹角，且所述倾斜角的范围为0°～90°；

所述LED光学系统的形成工艺为一次配光工艺。

2.根据权利要求1所述的LED光学系统，其特征在于，所述聚焦透镜本体与所述第一棱镜为一体式结构。

3.根据权利要求1所述的LED光学系统，其特征在于，所述第一棱镜的棱镜角度为10°。

4.根据权利要求1所述的LED光学系统，其特征在于，所述光源为表面涂覆有荧光胶的发光芯片时，该LED光学系统还包括中心设有柱形基座的封装支架；

其中，所述光源设置于所述柱形基座上表面；所述聚焦透镜设置于所述封装支架上，且所述聚焦透镜的底面中心、所述发光芯片的中心以及所述荧光胶的中心在一条直线上。

5.根据权利要求4所述的LED光学系统，其特征在于，所述聚焦透镜为的材质为硅胶或环氧树脂。