CN102792092A - 聚焦透镜系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于闪光灯或其它照明单元的透镜提供用于会聚来自诸如LED的光源的光，以提供在点光束和宽光束之间可调的光束。所述透镜包括透镜主体，所述透镜主体具有前表面、后LED接纳井、和在前表面与后井之间延伸的侧表面。前表面包括由环形凹表面包围的中央表面。后井包括用于在位置上调节LED的空间。后井空间由凹曲线侧壁和凹曲线底部限定。侧壁和底部的凹曲线可以是贝塞尔曲线。

Description

聚焦透镜系统
相关申请的交叉引用
本申请是2010年12月3日提交的名称为“Focusing Lens System”(聚焦透镜系统)的美国专利申请No.12/960,434的部分继续申请，后者是2009年10月2日提交的名称为“Focusing Lens System”(聚焦透镜系统)的美国专利申请No.12/572,910的部分继续申请，这些申请的整个说明书出于所有目的全文以引用方式并入本文中，但不包括与本说明书不一致的章节(如有)。
技术领域
本发明涉及一种用于从闪光灯或其它照明单元中的诸如发光二极管(LED)的光源产生光束的透镜。该透镜可以与用于改变光束的焦点的调节机构结合，并且可以容纳在支撑透镜、光源和调节机构的结构中。这样的结构也可包括电源、控制器、互联装置和电子器件。
背景
已经以多种形式提供用于闪光灯和其它照明单元的透镜，该透镜通常具有关于光沿其导向的轴线(即光学轴线)对称的共同的形状。几种这样的透镜包括了在邻近光源的透镜后端中的孔。在孔内，光源可以沿光学轴线调节位置。相对于透镜的后孔的光源位置的调节使得能够改变从透镜前表面发出的光束。通常，透镜的能力局限于将点光束的最大强度与宽光束的大致均匀性结合。
现有技术透镜通常也设有在前表面的中央凸透镜表面，在光被接收到透镜中、在透镜内反射或从透镜发射的地方，该表面与至少一个附加的凸表面结合。在现有技术中，附加的凸表面可能已被视为对于将来自光源的光适当会聚成光束所必需的。现有技术透镜可替代地设有在横截面中观察时为平坦的光接收表面、光反射表面和光发射表面。这样的平坦表面也可能被视为对于聚光或制造目的所必需的。
发明概述
本申请中描述的透镜系统提供了一种可与光源和调节机构结合的透镜。透镜系统可结合到闪光灯或其它照明单元中，并且提供用于会聚来自光源的光。发光二极管或LED是合适的光源，但可以使用诸如白炽灯管或荧光灯管的其它光源。光束可以在点光束和宽光束之间可调。
透镜可包括透镜主体，该透镜主体具有前表面、后LED接纳腔或井、和在前表面与后井之间延伸的侧表面。前表面包括由环形凹表面包围的中央表面。后井包括由凹曲线腔侧壁和底部限定的空间，用于在位置上调节LED。在各种实施例中，底部可包括凹形弯曲、大致平坦的表面、或者可替代地由大致平坦的表面包围的凸形聚焦元件。侧壁和底部的凹形弯曲可以是贝塞尔曲线或基函数的导函数曲线(basis function derived curve)。
透镜系统可包括壳体结构，该壳体结构制造成两部分并带有用于使一部分相对于另一部分移动的调节机构。通常，LED将联接到壳体的一部分，透镜联接到另一部分。
透镜主体的侧表面可在截面中限定椭圆形曲线。侧表面通常为光反射表面，反射从透镜主体内入射到其上的光。从透镜主体内部观察，作为反射器的侧表面通常在截面中限定凹曲线。从透镜主体外部观察，侧表面通常限定凸曲线。
透镜主体的中央表面通常为凸面，并且因而包括通常在表面的中心处的最前点。透镜主体的前表面的环形表面可向前延伸到前边沿，前边沿比中央表面的最前点更靠前。透镜主体还可包括限定在环形表面和侧表面之间的斜面的外前边沿。
腔侧壁的凹形弯曲以及在一些实施例中的底部可以是贝塞尔曲线，或者使用其它曲线，例如基函数的导函数曲线。边沿可以围绕后井延伸，并且与后边沿相邻的后井可具有锥度，以有利于从模具中取出。
采用透镜系统的闪光灯可包括具有两部分的壳体结构、调节机构、LED和透镜。透镜的主体可包括侧表面、具有底部和腔侧壁的后井、以及具有中央表面和环形表面的前表面。一般来讲，在该透镜主体中，底部和腔侧壁为光进入表面，并且前表面的中央表面和环形表面为光发射表面，而侧表面为光反射表面。除了中央表面通常为凸形的之外，所有这些表面可以是凹形的，但底部也可以包括本文更详细描述的其它构造。
照明单元可包括电源，例如电池或交流直流变换器，该交流直流变换器带有调节电压波形以与LED相容的电子器件。例如，可使用脉冲宽度调制器来调节LED的有效亮度。
透镜主体通常由诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的固体透明材料形成，该材料被模制或以其它方式成形为用于全内反射(TIR)的单件。
附图简介
图1是用于根据本说明书的实施例的透镜系统的透镜主体的剖视图。
图2是图1的透镜主体的剖视图，其采用了沿光学轴线可调节位置的光源。
图3是用于根据本说明书的实施例的透镜系统的透镜主体的剖视图。
图4是用于根据本说明书的实施例的透镜系统的透镜主体的剖视图。
图5是根据本公开的实施例的图4的透镜主体的透视图。
图6是组装的透镜系统的局部剖视图，示出了头部相对于主体部分的移动。
图7是透镜系统的端视图，示出了控制开关和系索连接结构。
图8A-8D示出了当光源在透镜主体的后井中移动时形成变化的光束(8A宽光束到8D点光束)的光折射和反射。
图9是透镜系统的实施例的外部视图，其中头部的外轮廓在手指夹持部上设有缺口。
图10是透镜系统的实施例的外部视图，其中头部的外轮廓在手指夹持部上设有缺口和按钮。
图11是透镜系统的实施例的外部视图，其中头部的外轮廓在手指夹持部上设有缺口。
图12是根据本公开的各种实施例的透镜系统的分解剖视图。
较佳实施例的详述
图1示出了用于会聚光的透镜10。透镜10可包括透镜主体12，透镜主体12具有前表面14、诸如井的后腔16、以及在前表面14和后井16之间延伸的侧表面18。前表面14包括由环形表面22包围的中央表面20，环形表面22在截面中可限定凹曲线。后井16限定空间24，在空间24内，LED或其它光源可调节位置(参见例如图2)。
井16通常由腔侧壁26和底部28限定。如图1所示，侧壁26优选地在截面中限定凹曲线。在该实施例中，底部28也在截面中限定凹曲线。后井16可包括后沿30；如图1所示，后沿30可理解为限定基准线RL。
底部和侧壁中的凹曲线形状可以是适于制造和使用的任何形状。侧壁26的曲线通常为贝塞尔曲线。用于后井的侧壁的优选贝塞尔曲线可包括与井的底部相邻的相对于基准线RL的约74°的第一角度S1和与井的后沿相邻的相对于基准线RL的约90°的第二角度S2，曲线按照贝塞尔曲线的特性在第一角度和第二角度之间变化。在其它实施例中，在底部和侧壁中的曲线的形状可以是基函数的导函数曲线。本发明不以这种方式受限制。
底部28的曲线可为大致弓形的。这样的弓形曲线的典型半径不小于约38mm。
前表面14的环形表面22的曲线通常为贝塞尔曲线。用于环形表面22的优选贝塞尔曲线可包括与前表面14的前沿32相邻的相对于基准线RL的约48°的第一角度A1和与前表面14的中央表面20相邻的相对于基准线RL的约20°的第二角度A2。
透镜10的侧表面18通常在截面上限定椭圆形曲线，如图1所示。侧表面18一般为光反射表面。也就是说，该表面通常在透镜主体12内反射光(参见例如图8C-8D)。侧表面18可以在截面上限定相对于其反射的光为凹面的曲线。
中央表面20通常为限定最前点34的凸面。中央表面20可采用多种弯曲，并且典型的弯曲为大致弓形的，并具有不超过约7mm的半径。
结合透镜的实施例描述的测量值仅仅是示例性的。本领域的普通技术人员将容易理解，在不偏离本公开范围的情况下可以使用其它测量值。作为实例，透镜10在大型透镜系统中可以为本文提供的测量值的至少约两倍大。此外，结合图1讨论的测量值可以同等地适用于图2-5的实施例。
透镜主体12的前表面14的环形表面22可以向前延伸至前沿32。通常，前沿32比中央表面20的最前点34更靠前。前沿或外沿32可包括在环形表面和侧表面之间的斜面35，斜面35具有至少约1mm的宽度。斜面35可具有为所需透镜尺寸和操作特性选择的宽度，并且仅作为实例，其宽度可以为约1.5mm、约1.6mm、约2.6mm或约3.0mm。
透镜10限定宽度W和在后沿30与前沿32或斜面35之间的高度H，宽度W是在前沿32处的外径。典型宽度W在约20mm和约50mm之间，并且仅作为实例，可以为约20.7mm、约26.0mm、约39.0mm或约46.6mm。
后井16通常在后沿30处具有至少约9mm的内径。后井16可具有为所需透镜尺寸和操作特性选择的内径，并且仅作为实例，该内径可以为约9.8mm、约12.6mm、约19.4mm或约22.1mm。后井16可在与后沿30相邻处具有在约2°和约3°之间的锥度，以方便从后井周围移除模具部件。
如图2中可见，诸如LED 36的光源优选地沿大致在后井16内的光学轴线OA在位置上从实线所示典型开始位置经中间位置P1和P2到最终位置P3可调。调节可以是连续的，或者可以在所选位置处设有止挡或制动器。可以采用适合特定透镜尺寸、设计和所需光束变化的任何位置调节范围。通常，该范围为约5mm至约6mm，并且范围的其它实例包括约6.1mm、约6.8mm、约14.0mm或约16.9mm。LED 36的最后面位置可位于基准线RL处或下面，或者LED 36可在基准线RL上方的后井16内开始。通常，后井16为约9mm深，并且深度的其它实例包括约12.8mm、约15.9mm、约23.2mm或约28.6mm。LED 36可以在井内向前移动至底部28内约3mm至5mm处，或者移动至为透镜系统的所需操作特性选择的其它极限。通常，相比凸形弯曲，侧壁26和底部28的凹形弯曲允许LED及其在后井16内的支承结构的增加的移动和更大的结构。
例如用于中等尺寸透镜系统的透镜的优选实施例组合了约20.7mm的透镜宽度、约12.8mm的高度、约9.8mm的内径、约1.6mm的斜面宽度和约6.1mm的位置调节范围。可以为所需操作特性选择其它组合。通常，这样的尺寸可以变化至少约±10％。
参照图3，示出了根据各种实施例的用于透镜聚焦系统的透镜主体。透镜10可包括透镜主体12，透镜主体12具有前表面14和后表面15。前表面14包括凸形中央表面20，凸形中央表面20由在截面中限定凹曲线的环形表面22包围且与其同轴设置。后表面15包括发光二极管接纳井，例如井16，该井由井底部28和井侧壁26限定，井侧壁26在截面上限定凹曲线。将前表面14互连到后表面15的是侧表面18，侧表面18在截面上限定椭圆形曲线。后井16限定空间24，在空间24内，LED或其它光源可调节位置。
在该实施例中，井16可由腔侧壁26和底部28限定。在一个实施例中，底部28在截面上限定平坦表面。换句话讲，底部28可以由平行于由后沿30限定的基准线的平面限定。在各种实施例中，平坦表面可包括多种几何形状，例如，底部28可由圆平坦表面或可替代地方形平坦表面限定。在各种实施例中，在腔侧壁26中的凹曲线的形状可以是适于制造和使用的任何形状。腔侧壁26的曲线可以是贝塞尔曲线，并且可由相对于基准线RL的角度限定，如参照图1所描述的。
在图3的实施例中，前表面14包括在截面中限定凹曲线的环形表面22。凹曲线可以是贝塞尔曲线，并且也可由角度限定，如参照图1所描述的。环形表面22限定可包括斜面的前沿32。前表面14也包括凸形中央表面20。凸形中央表面20包括最前点34。在各种实施例中，最前点34设置在由环形表面22的前沿32限定的区域35中。
参见图4，示出了根据另一个实施例的用于透镜聚焦系统的透镜主体。透镜10可包括透镜主体12，透镜主体12具有前表面14和后表面15。前表面14可包括与参照图1-3所述类似的特征。后表面15包括发光二极管接纳井，例如井16，该井由井底部28和井侧壁26限定，井侧壁26在截面上限定凹曲线。将前表面14和后表面15互连的是侧表面18，侧表面18在截面上限定椭圆形曲线。
在各种实施例中，井底部28可包括凸形聚焦元件31。凸形聚焦元件31可具有小于井底部28的直径的全径。因此，凸形聚焦元件31可描述为与井底部28同轴设置的球形凸块。由于凸形聚焦元件31具有小于井底部28的直径的直径，整个井底部28可以分成两部分：第一部分37和第二部分33。第二部分33可以是凸形聚焦元件31。第二部分33可具有从底部28限定的高度，并且与井底部28同轴设置。第一部分37可以是大致平坦的，并且由设置在凸形聚焦元件31和腔侧壁26之间的井底部的区域组成。
在各种实施例中，聚焦元件31可与光源以多种方式相互作用，例如视光源的位置而定。当光源远离透镜(窄角位置)时，只有一小部分光可与聚焦元件31相互作用。因此，聚焦元件31不明显影响窄光分布。当光源靠近聚焦元件31(广角位置)时，聚焦元件31以所需方式影响光束图案。因此，聚焦元件31允许广角光分布，且几乎不影响窄角分布。
参照图5，示出了如参照图4所描述的透镜主体的透视图。透镜主体10包括后表面15，后表面15包括井侧壁26和底部28，底部28包括凸形聚焦元件31。如图所示，井底部28可以在取向上是圆形的，并且具有第一部分37和第二部分33。第一部分35或者可替代地在凸形聚焦元件31和井侧壁26之间的区域可以是大致平坦的。第二部分35可包括突入到LED接纳井16中的凸形聚焦元件31。如图所示，凸形聚焦元件31可与底部28同轴设置。
如图8A-D中可见，相对于透镜的LED位置调节提供了在宽光束(图8A)和窄光束或点光束(图8D)。点光束可提供在最大强度的约50％下约+/-0.3°的角分布。宽光束的实例是具有约+/-20°的角度范围的分布，在该范围内强度为最大值或同轴值的至少约50％。利用本实施例的设计，在LED的位置调节不超过约5mm的情况下，光可以从点光束变化为宽光束。图8A-8D中的每一个示出了为典型透镜和LED构造计算的光线LR的表示。如图中可见，透镜10通常将相当大一部分光线LR导向至所需光束中，并且预计较少部分的光线LR可以传播至所需光束以外。
如图6-7和9-12所示，用于会聚光束的透镜系统38可包括壳体结构40，壳体结构40包括第一部分例如主体42、第二部分例如头部44、以及用于使第一部分相对于第二部分移动的调节机构46。调节机构46优选地为头部44到主体42上的可滑动安装架，或者可替代地可以为部分42和44之间的螺纹接合或者允许使用者调节壳体部分的相对位置的其它合适机构。
LED 36可联接到壳体40的主体42。Lens 10可联接到壳体40的头部44。在各种实施例中，透镜10可以是如图1-5中任一个所述的透镜。部分之间的可滑动安装允许直接移动头部44，而部分之间的螺纹接合允许一部分相对于另一部分旋转，在任一种情况下都允许LED 36和透镜10的位置的相对移动或调节RP(图6)，以在点光束和宽光束之间调节光束。
LED 36和透镜10可结合以产生在光束中可见的二极管图像。如果在调节透镜10和LED 36的相对位置中移动范围RP限制为不超过约5mm，则可以相信本实施例显著缩小了这样的二极管图像。
带有如所描述的调节机构的本实施例的透镜系统38可使光束具有宽光束，该宽光束具有约+/-20°的角度范围的分布，在该范围内强度为最大值或同轴值的至少约50％。可以相信，对于该宽光束来说，透镜系统38提供在至少约+/-10°的角分布之间的大致均匀的强度。也可以相信，相比在其后井侧壁、后井底部、前环形表面和/或侧表面之中采用一个或多个平表面或凸表面的类似透镜，透镜系统40为点光束提供增加的强度。
如图6和12中可见，根据本实施例的闪光灯48可包括具有以上所述调节机构、LED和透镜的壳体结构。头部44可包括帽50，其具有由与透镜10的前沿32相邻的唇缘54限定的开口52。诸如内螺母56的托架可螺纹接合在帽50中，以通过将前沿32和/或斜面35压靠到唇缘54而将透镜10保持位置。通常，唇缘54与前沿32和/或斜面35重叠在约0.5mm和约1.0mm之间的部分，或者针对特定透镜尺寸和闪光灯的所需应用来选择这样的重叠。闪光灯48可包括在透镜10前面的透明保护板，或者透镜可提供外表面。通常，在壳体结构40的主体部分42中设有电子器件、电池和互连件58。
主体42可包括用于接纳LED 36的安装座60的螺纹接合。头部44可包括基座部分62，基座部分62带有用于附接到帽50的螺纹接合。可以根据需要设置O形环以密封螺纹连接。调节机构46可包括安装在头部44中的内部O形环64，当调节头部的位置时，O形环64对主体42的外表面66施加压力。LED 36的安装座60可设有O形环68，当调节头部的位置时，头部44的内表面70在O形环68上施加压力。
头部44优选地设有通常围绕基座部分62延伸的夹持增强区，例如凹槽72和增大部74。在用另三个手指夹持主体的同时，通过为拇指和食指提供在头部上的便利夹持，夹持增强区帮助使用者例如进行光束焦点的单手调节。可以在增大部74上或头部44上的其它位置设置各种其它夹持增强区，例如一个或多个缺口76，如图9-11所示。如图6和9-12所示，可以在闪光灯主体42上设置控制按钮78，例如在与头部相对的端部处。也可为了任何目的在头部44上设置按钮80(图10)，例如，为了控制头部位置的调节或其它夹持或控制目的。
壳体结构可由诸如铝或钢的金属或诸如ABS的塑料制成。部件材料可以选择为与在诸如很高或很低的环境温度的恶劣环境中的照明单元的操作相适应。
尽管已经为了举例说明的目的详细描述了本发明，但应当理解，这些细节仅仅为了该目的，并且本领域的技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对其进行改动，除非可能受到权利要求的限制。
申请人认为其发明的主题包括本文所公开的各种要素、特征、功能和/或性质的所有新颖且非显而易见的组合和子组合。没有一个公开的实例的单一特征、功能、要素或性质对于所有实例是必要的。以下权利要求书限定被视为新颖和非显而易见的某些组合和子组合。特征、功能、要素和/或性质的其它组合和子组合可通过修改本权利要求或在本申请或相关申请中提出新权利要求而要求权利保护。这样的权利要求，无论其范围相比原始权利要求不同、更宽、更窄或等同，也被认为包含在申请人的发明的主题内。

Claims (20)

1.一种透镜系统，包括：
壳体，所述壳体包括第一部分和第二部分，其中所述第一部分被构造成相对于所述第二部分移动；
透镜，所述透镜联接到所述第二部分，其中所述透镜包括环形表面和在截面上限定凹曲线的腔侧壁；和
光源，所述光源联接到所述第一部分，其中所述光源被构造成与所述透镜相互作用以提供光束。
2.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜还包括腔底部，所述腔侧壁和所述腔底部限定腔，所述腔被构造成接纳所述光源。
3.根据权利要求2所述的透镜系统，其特征在于，所述腔底部在截面上限定平坦表面。
4.根据权利要求2所述的透镜系统，其特征在于，所述腔底部包括凸形聚焦元件，所述凸形聚焦元件的直径小于所述腔底部的直径。
5.根据权利要求4所述的透镜系统，其特征在于，所述凸形聚焦元件与所述光源同轴设置。
6.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述环形表面设置在所述透镜的前部上，并且所述透镜的所述前部还包括凸形中央表面。
7.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述壳体还包括调节元件，所述调节元件被构造成使所述第一部分相对于所述第二部分移动。
8.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述光源为发光二极管(LED)，并且所述LED和所述透镜被构造成形成二极管图像。
9.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜限定光学轴线，并且所述第一部分被构造成沿所述光学轴线相对于所述第二部分移动约5毫米。
10.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述腔侧壁的所述凹曲线为大致弓形的，且具有约38毫米的半径。
11.一种透镜，包括：
前表面，所述前表面具有与环形表面同轴设置的凸形中央表面，其中所述环形表面在截面中限定凹曲线；和
后表面，所述后表面具有发光二极管(LED)接纳井，其中所述LED接纳井由井底部和井侧壁限定，并且所述井侧壁在截面中限定凹曲线。
12.根据权利要求11所述的透镜，其特征在于，所述井底部在截面上限定平坦表面。
13.根据权利要求11所述的透镜，其特征在于，所述井底部包括凸形聚焦元件，其中所述凸形聚焦元件的直径小于所述井底部的直径。
14.根据权利要求13所述的透镜，其特征在于，所述凸形聚焦元件与所述井底部同轴设置。
15.根据权利要求13所述的透镜，其特征在于，在所述侧壁和凸形聚焦元件之间的所述井底部的区域为大致平坦的。
16.根据权利要求11所述的透镜，其特征在于，还包括将所述前表面和所述后表面互连的侧表面，其中所述侧表面在截面中限定椭圆形曲线。
17.根据权利要求11所述的透镜，其特征在于，所述环形表面形成比所述凸形中央表面延伸更远的前沿。
18.根据权利要求11所述的透镜，其特征在于，所述环形表面的所述凹曲线为贝塞尔曲线。
19.根据权利要求11所述的透镜，其特征在于，所述井侧壁的所述凹曲线为贝塞尔曲线。
20.根据权利要求18所述的透镜，其特征在于，所述LED接纳井包括限定基准线的边沿，并且其中所述井侧壁的所述贝塞尔曲线限定与所述LED接纳井的所述底部相邻的相对于所述基准线的约74°的第一角度和与所述边沿相邻的相对于所述基准线的约90°的第二角度。
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