CN102901040B - 一种小尺寸led透镜以及具有该透镜的led灯具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小尺寸LED透镜以及具有该透镜的LED灯具，其小尺寸LED透镜具有一顶端面和一底端面，以及回转侧面；该底端面上设有半球形的凹球面；该顶端面的中部设有圆锥形的凹面；该回转侧面的母线为折线，该折线包括依次相连的四条直线段。其LED灯具在于具有上述小尺寸LED透镜。本发明的小尺寸LED透镜的底端面设有凹球面，顶端面设有圆锥形的凹面，LED光源的发光角较小的光线经凹球面折射之后，发光角被第一次放大，经过顶面的圆锥形的凹面折射后，发光角被第二次放大，经过二次放大，近轴线部分的较强光线向四周扩散，解决了LED光源的近轴线部分的光强较大的问题，可以实现更为均匀的泛光配光。

Description

一种小尺寸LED透镜以及具有该透镜的LED灯具

技术领域

本发明涉及照明灯具的配光透镜，更具体地说，涉及一种一种小尺寸LED透镜以及具有该透镜的LED灯具。

背景技术

采用LED光源进行泛光照明时，一般采用反光杯对LED光源进行配光，但是这种方式的配光效果不是很理想，这是因为，LED光源的近轴线部分的光强比较大，但这部分光线不能通过反光杯配光，因此反光杯配出的泛光，总是会出现中间部分的光强偏高。

为了获得较为均匀的泛光配光，也有采用凹透镜对LED光源进行配光的，但这种方式对LED光源的光通量的利用率比较低，表现在LED光源的发光角较大的光线无法被利用，最终导致灯具的光效利用率太低。

除此之外，还有一类泛光全反射透镜，是在LED光源的聚光全反射透镜的基础上改进而来的，如图1所示，在透镜的出射面1做成密布的网状小凸点或凹球面结构来实现泛光的效果，也有采用出射面磨砂处理的，这些处理方式达到的泛光效果都不够均匀，泛光角度一般较小，而且由于磨砂面或类磨砂的出射面，使光损耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的泛光透镜的上述缺陷，提供一种配光效果好、光损失小的小尺寸LED透镜，以及具有透镜的LED灯具。

本发明的目的之一在于提供一种小尺寸LED透镜，用于LED光源的配光，其特征在于，所述小尺寸LED透镜为回转体，所述小尺寸LED透镜具有一顶端面和一底端面，以及连接所述顶端面和底端面的回转侧面；

所述底端面上设有半球形的凹球面，所述半球形的凹球面的球心位于所述回转体的轴线上；

所述顶端面的中部设有圆锥形的凹面，所述圆锥形的凹面的轴线与所述回转体的轴线重合；

所述回转侧面为全反射面，回转侧面的母线为折线，所述折线包括依次相连的四条直线段，以所述底端面的中心为原点，以回转体的轴线为Z轴，以底端面的对称轴为Y轴，建立笛卡尔直角坐标系时，所述母线的起点坐标为(0，d/2，0)，其中d大于所述LED光源的直径，所述母线的每条直线段与Z轴的夹角为6～38°，所述母线的每条直线段与Z轴的夹角按照该直线段在母线由起点到终点的位置顺序依次递减，所述母线的每条直线段的起点和原点的连线与该直线段的终点和原点的连线的夹角为5～15°。

在本发明所述的小尺寸LED透镜中，所述母线的每条直线段与Z轴的夹角按照该直线段在所述母线的由起点到终点的位置顺序依次为36.5°、26.5°、16.5°、6.5°。

在本发明所述的小尺寸LED透镜中，所述母线的每条直线段的起点和原点的连线与该直线段的终点和原点的连线的夹角为10°。

在本发明所述的小尺寸LED透镜中，所述d比LED光源的直径大3～5mm。

在本发明所述的小尺寸LED透镜中，所述回转侧面上设置有增反膜。

在本发明所述的小尺寸LED透镜中，设所述凹面的母线与所述回转体的轴线的夹角为θ，凹面的顶点到底端面的距离为L，所述小尺寸LED透镜的材料的折射率为n，顶端面到底端面的距离为h，则θ和L满足如下关系：θ＝90-α(η-1)/(n-1)，L≤(1-tanα/tanθ)×h，其中，α≈15°，1.9≤η≤2.0，η＞n。

在本发明所述的小尺寸LED透镜中，所述小尺寸LED透镜由光学玻璃或光学塑料制成。

在本发明所述的小尺寸LED透镜中，所述光学玻璃或光学塑料的折射率大于1.45。

在本发明所述的小尺寸LED透镜中，所述光学塑料为聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯。

本发明的目的之二在于提供一种LED灯具，至少包括LED光源，以及如以上所述的小尺寸LED透镜，所述LED光源正对所述小尺寸LED透镜底端面上的凹球面，所述LED光源的光轴与所述小尺寸LED透镜的轴线重合。

实施本发明的小尺寸LED透镜以及具有该透镜的LED灯具，具有以下有益效果：本发明的小尺寸LED透镜的底端面设有凹球面，顶端面设有圆锥形的凹面，LED光源的发光角较小的光线经凹球面折射之后，发光角被第一次放大，经过顶面的圆锥形的凹面折射后，发光角被第二次放大，经过二次放大，近轴线部分的较强光线向四周扩散，发光角较大的光线则由回转侧面全反射后向轴线靠拢，解决了LED光源的近轴线部分的光强较大的问题，可以实现更为均匀的泛光配光。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术的小尺寸LED透镜的示意图；

图2是本发明的小尺寸LED透镜的优选实施例的示意图；

图3是本发明的小尺寸LED透镜的优选实施例的顶面的示意图；

图4是本发明的小尺寸LED透镜的优选实施例的剖视图；

图5是本发明的反光全反射透镜的优选实施例的回转侧面的示意图；

图6是本发明的小尺寸LED透镜的配光的光路示意图；

图7是本发明的小尺寸LED透镜的配光效果示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图2至图5所示，为本发明的小尺寸LED透镜的一个优选实施例的示意图，该小尺寸LED透镜10为泛光全反射透镜，用于LED光源30的配光。如图所示，该小尺寸LED透镜10为一回转体，其由透明材料制成，例如可以是光学塑料或光学玻璃，透明材料的折射率优选大于1.45，在本实施例中，该小尺寸LED透镜由聚碳酸酯制成，也即PC材料，其折射率为1.59。

该小尺寸LED透镜10具有一顶端面11和一底端面12，以及连接顶端面11和底端面12的回转侧面13。

在本实施例中，小尺寸LED透镜10的底端面12上设有半球形的凹球面121，该半球形的凹球面121的球心位于回转体也即小尺寸LED透镜10的轴线上，凹球面121用于设置LED光源30，并使LED光源30发光角较小的光线有一定的扩散作用，使得中间部分的光强不至于太集中；在顶端面11的中部设有圆锥形的凹面111，该圆锥形的凹面111的轴线与回转体也即小尺寸LED透镜10的轴线重合；设该圆锥形的凹面111的母线与回转体的轴线的夹角为θ，凹面111的顶点即锥顶位置到底端面12的距离为L，小尺寸LED透镜10的材料的折射率为n，顶端面11到底端面12的距离为h，则θ和L满足如下关系：

θ＝90-α(η-1)/(n-1)，                        (1)

L≤(1-tanα/tanθ)×h，                        (2)

其中，α≈15°，1.9≤η≤2.0，η＞n。

在本实施例的小尺寸LED透镜中，小尺寸LED透镜10的回转侧面13为全反射面，回转侧面13的母线14为折线，该折线包括依次相连的四条直线段21、22、23、24。母线14的参数有以下方式确定，以底端面12的中心为原点O，以回转体即小尺寸LED透镜10的轴线为Z轴，以底端面12的对称轴为Y轴，建立笛卡尔直角坐标系，母线14的起点坐标为(0，d/2，0)，其中d大于所述LED光源的直径，母线14的每条直线段与Z轴的夹角为6～38°，母线14的每条直线段与Z轴的夹角按照该直线段在母线14由起点到终点的位置顺序依次递减，所述母线14的每条直线段的起点和原点的连线与该直线段的终点和原点的连线的夹角为5～15°。

具体的，在本实施例中，四条直线段依次为第一直线段21、第二直线段22、第三直线段23、第四直线段24，如图5所示，母线14的起点，也即第一直线段21的起点坐标为(0，d/2，0)，在本实施例中，d＝8mm，与本实施例的小尺寸LED透镜10配合的LED光源30的直径不大于5mm，在这里，LED光源30的直径是指LED光源30的发光面31的直径，d以大于LDE光源30的直径3～5mm为宜，不宜过大。

在本实施例中，母线14的每条直线段的起点和原点的连线与该直线段的终点和原点的连线的夹角为10°，第一直线段21与Z轴的夹角为36.5°，第二直线段22与Z轴的夹角为26.5°，第三直线段23与Z轴夹角为16.5°，第四直线段24与Z轴夹角为6.5°。由第一直线段21的起点、第一直线段21的起点和原点的连线与该直线段的终点和原点的连线的夹角、以及第一直线段21与Z轴的夹角，这三个参数确定下来即可确定第一直线段21的终点的坐标，也即确定了第二直线段22的起点的坐标，依次类推即可以确定每条直线段的起点和终点，也即确定下母线14，母线14绕Z轴旋转一周即可得到回转侧面13。由上述参数即可确定小尺寸LED透镜10的形状。为了进一步提高光的利用率，可以在回转侧面13上镀增反膜，以提高反射的效率。

由以上参数既可以确定小尺寸LED透镜的参数，本实施例的小尺寸LED透镜的优选实施例的参数如下：

凹球面121的直径：5mm；

小尺寸LED透镜10的底端面12的直径d：8mm；

圆锥形的凹面111的母线与轴线的夹角θ：67°；

圆锥形的凹面111的顶点到第端面12的距离L：4mm；

顶端面11到底端面12的距离h：5mm

顶端面11的直径：12mm；

由以上参数可以看出，该小尺寸LED透镜10的所占空间最大为12mm×12mm×5mm，体积非常小。

图6示出了本发明的小尺寸LED透镜10的配光的光路示意图，靠近LED光源30的轴线的部分的光线由凹球面121进入透镜时发生第一次折射，然后由圆锥形的凹面111经第二次折射后射出，经过两次折射后，光线与轴线的夹角被放大；与LED光源30的轴线夹角稍大的部分的光线由凹球面121进入透镜时发生第一次折射，然后由顶端面11的平面部分经第二次折射后射出，经过两次折射后，这部分光线与轴线的夹角也被放大；进一步偏离LED光源30的轴线部分的光线由凹球面121进入透镜时发生第一次折射，然后射向回转侧面13，在回转侧面13上发生全反射后射向顶端面11经第二次折射后射出，该部分光线在经历第一次折射、全反射、第二次折射之后，光线由向轴线一侧方向射出改变为向向对侧射出；上述三部分光线经小尺寸LED透镜后呈交叉方式射出，由于LED光源30的靠近轴线部分的较强的光线的与轴线的夹角被放大，近轴线部分的较强光线向四周扩散，并与其他区域的光线交叉混合，这样就可以获得良好的泛光照明效果，而且，由于LED光源30各个区域发出的光都可以得到充分的利用，提高了光的利用效率。本发明的小尺寸LED透镜10的配光效果如图7所示，由图可以看出，在发光角为80°的范围内，照度均匀度非常高。

本发明除了提供上述小尺寸LED透镜外，还提供一种LED灯具，该LED灯具至少包括LED光源30，以及小尺寸LED透镜10，LED光源30正对小尺寸LED透镜10的底端面12上的凹球面121，LED光源20的光轴与小尺寸LED透镜10的轴线重合。LED光源30优选发光角为110°-130°之间的LED光源，LED光源30的发光芯片与小尺寸LED透镜10的底端面12齐平，LED光源30的球形的发光面31伸入到凹球面121内。

本发明的小尺寸LED透镜的底端面设有凹球面，顶端面设有圆锥形的凹面，LED光源的发光角较小的光线经凹球面折射之后，发光角被第一次放大，经过顶面的圆锥形的凹面折射后，发光角被第二次放大，经过二次放大，近轴线部分的较强光线向四周扩散，发光角较大的光线则由回转侧面全反射后向轴线靠拢，解决了LED光源的近轴线部分的光强较大的问题，可以实现更为均匀的泛光配光。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种小尺寸LED透镜，用于LED光源的配光，其特征在于，所述小尺寸LED透镜(10)为回转体，所述小尺寸LED透镜(10)具有一顶端面(11)和一底端面(12)，以及连接所述顶端面(11)和底端面(12)的回转侧面(13)；

所述底端面(12)上设有半球形的凹球面(121)，所述半球形的凹球面(121)的球心位于所述回转体的轴线上；

所述顶端面(11)的中部设有圆锥形的凹面(111)，所述圆锥形的凹面(111)的轴线与所述回转体的轴线重合；

所述回转侧面(13)为全反射面，回转侧面(13)的母线(14)为折线，所述折线包括依次相连的四条直线段(21、22、23、24)，以所述底端面(12)的中心为原点，以回转体的轴线为Z轴，以底端面(12)的对称轴为Y轴，建立笛卡尔直角坐标系时，所述母线(14)的起点坐标为(0，d/2,0),其中d大于所述LED光源的直径，所述母线(14)的每条直线段与Z轴的夹角为6～38°，所述母线(14)的每条直线段与Z轴的夹角按照该直线段在母线(14)由起点到终点的位置顺序依次递减，所述母线(14)的每条直线段的起点和原点的连线与该直线段的终点和原点的连线的夹角为5～15°；

设所述凹面(111)的母线与所述回转体的轴线的夹角为θ，凹面(111)的顶点到底端面(12)的距离为L，所述小尺寸LED透镜(10)的材料的折射率为n,顶端面(11)到底端面(12)的距离为h,则θ和L满足如下关系：θ＝90°-α(η-1)/(n-1)，L≤(1-tanα/tanθ)×h,其中，α≈15°，1.9≤η≤2.0，η＞n。

2.根据权利要求1所述的小尺寸LED透镜，其特征在于，所述母线(14)的每条直线段与Z轴的夹角按照该直线段在所述母线(14)的由起点到终点的位置顺序依次为36.5°、26.5°、16.5°、6.5°。

3.根据权利要求1所述的小尺寸LED透镜，其特征在于，所述母线(14)的每条直线段的起点和原点的连线与该直线段的终点和原点的连线的夹角为10°。

4.根据权利要求1所述的小尺寸LED透镜，其特征在于，所述d比LED光源的直径大3～5mm。

5.根据权利要求1所述的小尺寸LED透镜，其特征在于，所述回转侧面(13)上设置有增反膜。

6.根据权利要求5所述的小尺寸LED透镜，其特征在于，所述小尺寸LED透镜(10)由光学玻璃或光学塑料制成。

7.根据权利要求6所述的小尺寸LED透镜，其特征在于，所述光学玻璃或光学塑料的折射率大于1.45。

8.根据权利要求6所述的小尺寸LED透镜，其特征在于，所述光学塑料为聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯。

9.一种LED灯具，其特征在于，至少包括LED光源，以及如权利要求1至8任一项所述的小尺寸LED透镜，所述LED光源正对所述小尺寸LED透镜底端面(12)上的凹球面(121)，所述LED光源的光轴与所述小尺寸LED透镜的轴线重合。