CN102818216B - 一种大角度透镜及大角度出光的led光源模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大角度LED透镜，包括下端开口的、呈壳体状的主体，所述主体具有围绕其中心轴对称设置的、位于主体内侧的入射面以及位于主体外侧的出射面，所述入射面为透光凹面，所述出射面为透光凸面，主体下部的最大厚度d1与主体顶部的最小厚度d2满足：4＜d1/d2＜6；透光凹面的凹陷深度h1与主体顶部的最小厚度d2满足关系：h1＞4*d2；透光凸面的凸起高度h2与主体顶部的最小厚度d2满足关系h2＞5*d2。本发明的大角度透镜将光束角转换为大于130度，实现大角度照明，同时改善照明均匀度；由于透光凹面、透光凸面的这种设计将光线的全反射几率降到最低，保证出光角度增大的同时也保证了透镜的效率达到90％，最大限度的提高了光的利用率。本发明还公开一种大角度出光的LED光源模块。

Description

一种大角度透镜及大角度出光的LED光源模块
技术领域
本发明涉及LED的封装技术领域，尤其涉及一种大角度透镜及设有此大角度透镜的大角度出光的LED光源模块。
背景技术
LED光源由于具有体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度、低热量等众多优点，目前得到了人们的广泛关注及应用，基于此，LED光源技术也得到了迅速发展，人们致力于通过技术改进提高LED光源的各种性能。
配光曲线大概符合朗伯分布的LED光源，其光束角约为110～120度，能够应用一般照明场合，但光束角不够大，光能利用效率不高。为了解决这一技术问题，人们在LED光源模块中的LED器件上使用二次配光透镜，通过对透镜的入射面及出射面的形状设计，以扩大出光角度，有效利用光能。现有透镜技术对光能分配、利用的效果不理想，由此可见，如何对透镜入射面及出射面进行更为优化的设计，进一步提高透镜的出光角度是本领域目前需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大角度透镜，提高出光角度；基于此，本发明还提供一种设有此大角度透镜的大角度出光的LED光源模块。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种大角度LED透镜，包括下端开口的、呈壳体状的主体，所述主体具有围绕其中心轴对称设置的、位于主体内侧的入射面以及位于主体外侧的出射面，所述入射面为透光凹面，所述出射面为透光凸面，主体下部的最大厚度d1与主体顶部的最小厚度d2满足：4＜d1/d2＜6；透光凹面的凹陷深度h1与主体顶部的最小厚度d2满足关系：h1＞4*d2；透光凸面的凸起高度h2与主体顶部的最小厚度d2满足关系h2＞5*d2。
优选地，所述透光凹面位于主体顶部的面为平面或向主体外部凸起的凸面，所述透光凸面位于主体顶部的面为平面或向主体壁面凹陷的凹面或向主体外部凸起的凸面。本技术方案中，包含以下几种组合：1)透光凹面位于主体顶部的面为平面，透光凸面位于主体顶部的面为平面；2)透光凹面位于主体顶部的面为平面，透光凸面位于主体顶部的面为向主体外部凸起的凸面；3)透光凹面位于主体顶部的面为向主体外部凸起的凸面，透光凸面位于主体顶部的面为平面；4)透光凹面位于主体顶部的面为向主体外部凸起的凸面，透光凸面位于主体顶部的面为向主体外部凸起的凸面；5)透光凹面位于主体顶部的面为向主体外部凸起的凸面，透光凸面位于主体顶部的面为向主体壁面凹陷的凹面；6)透光凹面位于主体顶部的面为平面，透光凸面位于主体顶部的面为向主体壁面凹陷的凹面。
优选地，所述透光凸面位于主体下部的面为圆柱形面或母线为弧线的曲面。
优选地，所述透光凹面位于主体下部的面为圆柱形面或母线为凹函数曲线的曲面，该凹函数曲线的斜率由下至上逐渐递增。
优选地，所述主体的厚度由主体下部向主体顶部逐步减少。
优选地，所述主体的下端设有安装部，与基板接触的所述安装部的底部设有凸纹。
优选地，所述主体的下端设有安装部，所述安装部包括位于透光凸面下方的第一安装部及位于透光凹面下方的第二安装部，所述第一安装部为从主体外侧下端向偏离主体中心轴方向延伸的台阶式结构，所述第二安装部为从主体内侧下端向偏离主体中心轴方向延伸的凹陷结构。
本发明的一种大角度出光的LED光源模块，包括基板、至少一个设置在基板上的LED器件、罩设在LED器件上的大角度透镜、直接成型于基板上并将大角度透镜与基板封装的塑胶外壳，所述大角度透镜的出射面露在塑胶外壳之外，所述大角度透镜包括下端开口的、呈壳体状的主体，所述主体具有围绕其中心轴对称设置的、位于主体内侧的入射面以及位于主体外侧的出射面，所述入射面为透光凹面，所述出射面为透光凸面，主体下部的最大厚度d1与主体顶部的最小厚度d2满足：4＜d1/d2＜6；透光凹面的凹陷深度h1与主体顶部的最小厚度d2满足关系：h1＞4*d2；透光凸面的凸起高度h2与主体顶部的最小厚度d2满足关系h2＞5*d2。
优选地，所述大角度透镜紧贴基板表面，罩住整个LED器件发光面，所述塑胶外壳压铸或注塑成型于基板上表面及四周，将大角度透镜与基板封装。
优选地，所述主体的下端设有安装部，所述安装部的下端与基板接触，所述安装部包括位于透光凸面下方的第一安装部及位于透光凹面下方的第二安装部，所述第一安装部为从主体外侧下端向偏离主体中心轴方向延伸的台阶式结构，所述第二安装部为从主体内侧下端向偏离主体中心轴方向延伸的凹陷结构。
优选地，所述基板为金属芯PCB板。
优选地，所述塑胶外壳围绕大角度透镜形成一敞口式凹槽，所述大角度透镜的出射面露出于所述凹槽的底面，所述敞口式凹槽的侧面倾斜于底面设置。
优选地，所述敞口式凹槽的侧面与底面所成的角度为10度～52度。
优选地，所述大角度透镜与塑胶外壳为一体成型结构。
与现有技术相比，本发明的大角度透镜，由于对入射面的透光凹面及出射面的透光凸面的形状进行优化设置，对主体的不同部位的厚度进行设置，对主体顶部的厚度与透光凹面的深度、透光凸面的高度的关系进行优化设置，使得透镜的出光角度大幅提高，能将光束角转换为大于130度，实现大角度的照明，同时改善照明均匀度；由于透光凹面、透光凸面的这种设计将光线的全反射几率降到最低，保证出光角度增大的同时也保证了透镜的效率达到90％，最大限度地提高了光的利用率。
进一步地，在实际应用中，主体下方的安装部的这种结构设置，能够很好地保护LED发光器件，透镜盖住LED发光面，更好地保护LED器件，使之免受外界环境的影响，延长器件的使用寿命。
本发明的大角度透镜应用于LED光源模块后，能够加大整个LED光源模块的发光角度，使LED光源模块的照射面加大，在终端实际使用时可减少LED光源模块的排列密度，减少LED光源模块的使用数量，从而降低了终端的人工安装成本和产品成本。
附图说明
图1为本发明的大角度透镜实施例一的纵向剖视图；
图2为图1中大角度透镜整体结构示意图之一；
图3为图1中大角度透镜整体结构示意图之二；
图4为图1中大角度透镜光路示意图；
图5为本发明大角度透镜实施例二的纵向剖视图；
图6为本发明大角度透镜实施例三的纵向剖视图；
图7为图6中的局部放大图；
图8为本发明大角度出光的LED光源模块实施例一的结构示意图；
图9为图8中大角度出光的LED光源模块的纵向剖视图；
图10为图8中大角度透镜与基板的配合剖视图；
图11为图8中的LED光源模块去掉大角度透镜去掉后的发出的朗伯分布的配光曲线；
图12为图8中的大角度出光的LED光源模块的配光曲线；
图13为不设大角度透镜的LED光源模块使用时的出光示意图；
图14为图8中LED光源模块使用时的出光示意图；
图15为本发明大角度出光的LED光源模块实施例二的整体结构示意图；
图16为图15中大角度出光的LED光源模块的纵向剖视图；
图17为本发明大角度出光的LED光源模块实施例三的整体结构示意图；
图18为图17中的B向剖视图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
大角度透镜实施例一
参见图1、图2、图3，本实施例的大角度透镜A包括下端开口的呈壳体状的主体1、主体1下方设有与主体一体成型的安装部2；其中，主体具有入射面S1和出射面S2，入射面S1和出射面S2均相对于中心轴旋转对称设置。本实施例的大角度透镜所用的材料为透光材质。
其中，入射面S1为透光凹面，透光凹面由下半部分的圆柱形面逐渐变为球形面，而后平滑过渡在顶部成为一平面。
其中，出射面S2为透光凸面，透光凸面由下半部分的圆柱形面渐渐向主体的中心轴处弯曲最终在主体顶部成为一平面。
由下至上，主体的厚度逐渐变小。主体下部为圆筒体状，定义主体下部的厚度d1为入射面S1到出射面S2的水平距离，其各处厚度d1相同，此厚度为主体的最大厚度；定义主体顶部的最小厚度(也即透镜中心厚度)d2为入射面S1的顶部平面到出射面S2的顶部平面的距离，各处厚度d2相同，此为整个主体的最小厚度；其中，d1与d2的关系满足4＜d1/d2＜6。
另外，透光凹面的凹陷深度h1，也即由透光凹面底部到顶部最高处的距离，其与透镜中心厚度d2的关系满足h1＞4*d2。
透光凸面的凸起高度h2，也即透光凸面的底部到顶部最高处的距离，其与透镜中心厚度d2的关系满足h2＞5*d2。
本实施例中的大角度透镜，其光路如图4所示，其特点是，通过透光凹面及透光凸面这两个透光面对光线进行偏折，将光线重新进行分配，使更多的光线偏离轴线，且大部分的光线通过透镜后的出射角度都大于等于由发光面发出的出射角度。
另外，本实施例的大角度透镜在保证出光角度增大的同时也保证了透镜的效率达到90％，这主要是由于透光凹面及透光凸面的两个透光面设计将光线的全反射几率降到最低，最大限度地提高了光的利用率。
安装部2包括靠近透光凸面设置的便于将大角度透镜与基板封装的第一安装部21以及靠近透光凹面设置的便于安装固定LED器件的第二安装部22；其中第一安装部21为设于透镜外部、透光凸面下方的台阶结构，从上至下，整个台阶结构由一平面、斜面、一竖直面、一平面以及一竖直面组成；第二安装部22为设于透镜内部、主体的透光凹面下方的凹陷结构，从上至下，该凹陷结构由一平面、竖直面、一平面以及一竖直面组成。
在其他实施例中，作为更优选的方案，在安装部的底部23上设置若干凸纹，如螺旋纹等，能够将射向底部的光反射回透镜，增加光能利用率。
大角度透镜实施例二
参见图5，本实施例中的大角度透镜包括主体1以及设置在主体1下方的安装部2，主体具有入射面S1和出射面S2，入射面S1和出射面S2均相对于中心轴旋转对称设置；安装部2包括靠近透光凸面设置的便于将大角度透镜与基板封装的第一安装部21以及靠近透光凹面设置的便于安装固定LED器件的第二安装部22。
与实施例一不同的是，本实施例中，透光凸面位于主体顶部的面为向主体外部凸起的凸面，透光凹面位于主体顶部的面为向主体外部凸起的凸面；透光凹面下部的面为非圆柱形面的曲面，该曲面的母线为凹函数曲线，其斜率由下至上呈递增趋势，因而使得主体下部的厚度不一致；但其他条件，如d1与d2的关系仍然满足4＜d1/d2＜6，透光凹面的凹陷深度h1，也即由透光凹面底部到顶部最高处的距离，其与透镜中心厚度d2的关系满足h1＞4*d2；透光凸面的凸起高度h2，也即透光凸面的底部到顶部最高处的距离，其与透镜中心厚度d2的关系满足h2＞5*d2。
本实施例通过透光凹面及透光凸面这两个透光面对光线进行偏折，将光线重新进行分配，使更多的光线偏离轴线，且大部分的光线通过透镜后的出射角度都大于等于由发光面发出的出射角度。
大角度透镜实施例三
参见图6、图7，本实施例中，两个大角度透镜一起制造形成，每个大角度透镜包括主体1以及设置在主体1下方的安装部2，主体具有入射面S1和出射面S2，入射面S1和出射面S2均相对于中心轴旋转对称设置；安装部2包括靠近透光凸面设置的便于将大角度透镜与基板封装的第一安装部21以及靠近透光凹面设置的便于安装固定LED器件的第二安装部22。
与实施例一不同的是，本实施例中，透光凸面的顶部为向主体壁面凹陷的凹面而非平面，透光凹面顶部为向外凸起的凸面而非平面；但其他条件，如d1与d2的关系仍然满足4＜d1/d2＜6，透光凹面的凹陷深度h1，也即由透光凹面底部到顶部最高处的距离，其与透镜中心厚度d2的关系满足h1＞4*d2；透光凸面的凸起高度h2，也即透光凸面的底部到顶部最高处的距离，其与透镜中心厚度d2的关系满足h2＞5*d2。
本实施例通过透光凹面及透光凸面这两个透光面对光线进行偏折，将光线重新进行分配，使更多的光线偏离轴线，且大部分的光线通过透镜后的出射角度都大于等于由发光面发出的出射角度。
以上实施例中的大角度透镜中，透光凸面的位于主体下部的面均为圆柱形面，在其他的实施方式中，也可将此面设置成母线为弧线的曲面，更进一步地，母线为凹函数曲线，该凹函数曲线的斜率由下至上逐渐递增。
大角度出光的LED光源模块实施例一
参见图8、图9、图10，本实施例的大角度出光的LED光源模块包括基板4、设置在基板4上的两个LED器件5、大角度透镜A、塑胶外壳3、与基板连接的电源线6，基板上表面设有电源线焊接处，电源输入线6a及电源输出线6b分别设置在基板上表面的两长边位置处，实现基板与外电源的连接。塑胶外壳3的外部还形成一敞口式凹槽31，该敞口式凹槽31围设在大角度透镜A的周围，大角度透镜A的出射面露出于敞口式凹槽的底面，不被塑胶外壳包覆；该敞口式凹槽的侧壁由四个倾斜的平面组成，这些倾斜的平面中，其中沿LED光源模块长度方向的两个平面与敞口式凹槽底面所成角度为19度，作为其他的实施方式，也可为15度～25度这一范围中的任意一值；沿LED光源模块宽度方向的两个平面与敞口式凹槽底面成49度的角，作为其他的实施方式，也可为45度～52度这一范围中的任意一值；这样的结构设置有利于出光。
大角度透镜A的底面紧贴在基板的表面，罩住LED发光面，塑胶外壳3由成型材料直接成型在基板上而形成，从而将大角度透镜A与基板封装，塑胶外壳3形成在基板上表面及四周，包覆基板4。塑胶外壳的成型工艺可以为注塑成型或压铸成型。本实施例由于设置大角度透镜，出光角度增大到155度。本实施例中的基板为金属芯PCB板。本实施例中塑胶外壳所用的成型材料可为ABS树脂。本实施例中所用的大角度透镜A的结构与前面大角度透镜实施例一中的一致，此处不再赘述。
参见图11，如果不设大角度透镜，LED光源模块的配光曲线为朗伯分布，如图中的类似圆形的曲线Q1，光束角为110～120度，有关发光的参数为：效率：1.0000-100000光线；光强最小值：4.8113e-013cd，光强最大值：31.683cd，Total Flux(光通量)：100lm；而本实施例的设有大角度透镜的LED光源模块的配光曲线如图12所示呈蝙蝠翼型分布的曲线Q2，光束角为130～155度，有关发光的参数为：效率：0.90246-99572光线；光强最小值：2.5724e-013cd，最大值：24.87cd；Total Flux(光通量)：90.246lm。这种蝙蝠翼的光分布曲线可以比朗伯分布曲线更容易实现照明的均匀度。
如图13所示，LED光源模块在未加大角度透镜前，自身的发光角度为β1，在实际使用时需要达到H1的高度来保证出光面的亮度均匀；
而通过增加透镜使LED光源模块的发光角度增大至β2，从而降低发光面的高度到H2也能使发光面的亮度均匀，如图14所示；这能够降低使用者实际使用的高度，节省成本；或者在不降低实际使用的高度情况下，减少所用LED光源模块的数量，减少产品的数量和安装的人工成本。
本实施例中，LED器件及大角度透镜被一塑胶外壳包封，具有良好的防潮、防腐蚀性能，可缓解模块老化的功能，能够满足户外复杂环境下的展示要求。
大角度出光的LED光源模块实施例二
参见图15、图16所示，本实施例与前一实施例的区别在于，所用的大角度透镜的结构不同，本实施例采用的是前述大角度透镜实施例二中的透镜结构，此处不再赘述；除此之外，塑胶外壳上的敞口式凹槽31的侧壁平面的倾斜角度有所不同，本实施例中敞口式凹槽31侧壁的各平面与敞口式凹槽底面所成的角度均相同，都为14度，作为其他的实施方式，所成的角度也可为10度～16度这一范围中的任意一值。
大角度出光的LED光源模块实施例三
参见图17、图18所示，本实施例与前面两个实施例的不同之处在于，本实施例的塑胶外壳3与大角度透镜A是由同样的材质通过一体成型工艺一体制造而成，大角度透镜与塑胶外壳的这种一体结构，将LED器件5封装在基板4上。
作为一种优选的方式，制成塑胶外壳3与大角度透镜A采用防水材料制成。
作为一种优选的方式，大角度透镜A的出光面为磨砂面。
本实施例中大角度透镜A的结构与前述大角度透镜实施例三的结构相似，透光凸面的顶部为向主体壁面凹陷的凹面而非平面，透光凹面顶部为向外凸起的曲面而非平面。
以上对本发明进行了详细介绍，文中应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (13)

1.一种大角度LED透镜，所用的材料为透光材质，包括下端开口的、呈壳体状的主体，所述主体具有围绕其中心轴对称设置的、位于主体内侧的入射面以及位于主体外侧的出射面，所述入射面为透光凹面，所述出射面为透光凸面，其特征在于，主体下部的最大厚度d1与主体顶部的最小厚度d2满足：4<d1/d2<6；透光凹面的凹陷深度h1与主体顶部的最小厚度d2满足关系：h1>4*d2；透光凸面的凸起高度h2与主体顶部的最小厚度d2满足关系h2>5*d2；所述主体的厚度由主体下部向主体顶部逐步减少。
2.根据权利要求1所述的大角度LED透镜，其特征在于，所述透光凹面位于主体顶部的面为平面或向主体外部凸起的凸面，所述透光凸面位于主体顶部的面为平面或向主体壁面凹陷的凹面或向主体外部凸起的凸面。
3.根据权利要求1所述的大角度LED透镜，其特征在于，所述透光凸面位于主体下部的面为圆柱形面或母线为弧线的曲面。
4.根据权利要求1所述的大角度LED透镜，其特征在于，所述透光凹面位于主体下部的面为圆柱形面或母线为凹函数曲线的曲面，该凹函数曲线的斜率由下至上逐渐递增。
5.根据权利要求1所述的大角度LED透镜，其特征在于，所述主体的下端设有安装部，与基板接触的所述安装部的底部设有凸纹。
6.根据权利要求1所述的大角度LED透镜，其特征在于，所述主体的下端设有安装部，所述安装部包括位于透光凸面下方的第一安装部及位于透光凹面下方的第二安装部，所述第一安装部为从主体外侧下端向偏离主体中心轴方向延伸的台阶式结构，所述第二安装部为从主体内侧下端向偏离主体中心轴方向延伸的凹陷结构。
7.一种大角度出光的LED光源模块，其特征在于，包括基板、至少一个设置在基板上的LED器件、罩设在LED器件上的大角度透镜、直接成型于基板上并将大角度透镜与基板封装的塑胶外壳，所述大角度透镜的出射面露在塑胶外壳之外，所述大角度透镜所用的材料为透光材质，包括下端开口的、呈壳体状的主体，所述主体具有围绕其中心轴对称设置的、位于主体内侧的入射面以及位于主体外侧的出射面，所述入射面为透光凹面，所述出射面为透光凸面，主体下部的最大厚度d1与主体顶部的最小厚度d2满足：4<d1/d2<6；透光凹面的凹陷深度h1与主体顶部的最小厚度d2满足关系：h1>4*d2；透光凸面的凸起高度h2与主体顶部的最小厚度d2满足关系h2>5*d2；所述主体的厚度由主体下部向主体顶部逐步减少。
8.根据权利要求7所述的大角度出光的LED光源模块，其特征在于，所述大角度透镜紧贴基板表面，罩住整个LED器件发光面，所述塑胶外壳压铸或注塑成型于基板上表面及四周，将大角度透镜与基板封装。
9.根据权利要求7所述的大角度出光的LED光源模块，其特征在于，所述主体的下端设有安装部，所述安装部的下端与基板接触，所述安装部包括位于透光凸面下方的第一安装部及位于透光凹面下方的第二安装部，所述第一安装部为从主体外侧下端向偏离主体中心轴方向延伸的台阶式结构，所述第二安装部为从主体内侧下端向偏离主体中心轴方向延伸的凹陷结构。
10.根据权利要求7所述的大角度出光的LED光源模块，其特征在于，所述基板为金属芯PCB板。
11.根据权利要求7所述的大角度出光的LED光源模块，其特征在于，所述塑胶外壳围绕大角度透镜形成一敞口式凹槽，所述大角度透镜的出射面露出于所述凹槽的底面，所述敞口式凹槽的侧面倾斜于底面设置。
12.根据权利要求11所述的大角度出光的LED光源模块，其特征在于，所述敞口式凹槽的侧面与底面所成的角度为10度～52度。
13.根据权利要求7所述的大角度出光的LED光源模块，其特征在于，所述大角度透镜与塑胶外壳为一体成型结构。
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