CN103453439A - 一种应用于led超薄灯具的光学模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于LED超薄灯具的光学模块，包括凹部(20)的透镜(10)；以及配置在凹部(20)内的LED光源(30)，LED光源(30)发出的光线，通过控制透镜入光面(102)、出光面(103)或入光面(102)和出光面(103)的曲面斜率来调控透镜出射光线的照射区域，达到被照射面的照度均匀，本发明具有结构简单、可实现灯具出光表面亮度均匀分布的特点。

Description

一种应用于LED超薄灯具的光学模块

技术领域

本发明涉及照明技术领域，且更具体来说，涉及一种应用于LED超薄灯具的光学模块。 

背景技术

随着LED技术越来越多的普及应用，LED灯具特别是超薄LED灯具正被日益增加的用户开始使用。目前市场上的平板灯具主要分两类，导光板式侧发光形式：这类平板灯具最大的优势是光学腔厚度薄，可以实现超薄的灯具设计；但是由于光线在导光板内多次的反射传输，整灯光学效率不高。 

直下式发光灯具：如果要实现灯具发光表面亮度的均匀性，LED排布的间隔(L)与LED到出光面的距离(H)之比必须满足一定的条件，比如L/H＞1.5；具体的比例由作为出光表面的扩散板的扩散度和灯具表面需要达到的亮度均匀性来确定。当灯具总光通量和每颗LED的光通量确定时，LED的间隔也就有了最低的要求，从而限制了灯具高度尺寸的减少。 

为了减小灯具厚度，市场上的一些产品采用更小功率的LED密布排列；虽然可以实现轻薄的灯具外形，但是给电路的布置和LED成本方面带来了很多负面的影响。此外，有一些设计采用了中功率、大功率LED加透镜的组合，有效的减小了LED颗数，使灯具做到了轻薄，但透镜面形并不一定就是能够达到被照表面照度均匀分布的最佳形式。现有设计中，也有提出控制光线的功能主要由出光表面来承担，但对光线的偏折能力有限，且对于距高比要求较大的应用(如L/H＞2.5)，依然无法实现灯具出光表面亮度的均匀分布。 

因此，如何提供一种结构简单、实现灯具出光表面亮度的均匀分布的LED灯具，则成为照明技术发展的亟待解决的一个较为突出的问题。针对现有技术中存在的问题，本方案提出一种应用于LED超薄灯具的光学模块是照明技术领域目前急待解决的问题之一。 

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、实现灯具出光表面亮度的均匀分布的 LED灯具。本发明采用LED光源、透镜构成。其中透镜包括底面、入光面和出光面，透镜材料可以使PMMA、PC或玻璃。底面可以是平面或弧面，入光面可以是平面、圆弧面或自由曲面，出光面可为平面、圆弧面或自由曲面。本发明公布的透镜元件将LED发出的朗伯型配光或其它配光形式进行光学控制，获得了大角度二次配光，在扩散板的入光面形成均匀的光能分布，使得原本可以达到灯具出光表面亮度均匀所需的最小高度值大幅度降低，同时，LED排布颗数减少，降低了灯具光源、结构成本。本发明的特点在于透镜的入光面和出光面共同分担对光线控制的功能，并提出了入射光线和出射光线的具体关系描述，可以方便实施透镜设计。 

一种应用于LED超薄灯具的光学模块，包括：具有凹部(20)的透镜(10)；以及配置在凹部(20)内的LED光源(30)，LED光源(30)发出的光线，通过控制透镜入光面(102)、出光面(103)或入光面(102)和出光面(103)的曲面斜率来调控透镜出射光线的照射区域，达到被照射面的照度均匀。 

根据本发明实施例，所述入光面(102)上任意一点的曲面斜率γ₁可以由如下公式计算： 

其中透镜(10)的折射率为n，LED的出射角为θ₁；由LED光源(30)出射的光线经过透镜入光面(101)折射以后的光线与光轴的夹角为θ₂。 

根据本发明实施例，所述出光面103上任意一点的曲面斜率γ₂可以由公式计算： 

其中，透镜(10)的折射率为n，LED的出射角为θ₁；由LED光源(30)出射的光线经过透镜入光面(102)折射以后的光线与光轴的夹角θ₂；θ₃为LED的出射角θ₁与通过透镜入光面102和出光面103折射以后的出射角。 

根据本发明实施例，所述θ₁和θ₂以及θ₃间的关系可通过如下公式及系数k进行确定： 

对于LED的出射角θ₁与通过透镜入光面(102)和出光面(103)折射以后的出射角θ₃则须满足以下公式： 

θ₃＝tan^-1(sinθ₁·tanθ₀) 

由LED光源(30)出射的光线经过透镜入光面(102)折射以后的光线与光轴的夹角θ₂须满足以下公式： 

θ₂＝θ₁+K·(θ₃-θ₁) 

其中，系数K为分配入光面(102)和出光面(103)承担折射光线功能的权重；θ₀为最大出射角度。 

根据本发明实施例，所述系数K为分配入光面(102)和出光面(103)承担折射光线功能的权重，介于0至1之间；当K＝0时，改变光线方向的要求全部由出光面(103)承担；当K＝1时，改变光线方向的要求全部由入光面(102)承担。 

根据本发明实施例，所述最大出射角度θ₀可以通过如下公式进行计算： 

${\mathrm{\θ}}_0={\tan }^{-1}\left(\frac{L}{2^{+}H}\right)$

其中，LED光源排布的间隔为L、LED到出光面(103)的距离为H。 

根据本发明实施例，所述透镜(10)材料包括但不限于PMMA、PC或玻璃。 

根据本发明实施例，所述入光面(102)和出光面(103)的构成形式包括但不限于平面、圆弧面或自由曲面。 

根据本发明实施例，所述透镜(10)将LED光源(30)发出的朗伯型配光或其它配光形式进行光学控制，获得大角度二次配光。 

一种LED灯具，包含所述任一项所述的光学模块阵列。 

根据以下参考附图对本发明的描述，本发明的其他目标和效用将变得显而易见，并且读者可全面了解本发明。 

附图说明

图1为本发明实施例之光学模块剖面示意图； 

图2为本发明实施例之光学模块三维示意图; 

图3为采用本发明实施例之光学模块的灯具示意图之一； 

图4为采用本发明实施例之光学模块的灯具示意图之二。 

在上述附图中，相同附图标记指示相同、相似或相应的元件或功能。 

具体实施方式

下文将参照图式通过实施例来详细描述本发明的具体实施例。 

图1是本发明所述一种应用于LED超薄灯具的光学模块的结构示意图。 

如图1所示为本发明实施例之透镜剖面图，作为本发明一种应用于LED超薄灯具的光学模块包括：具有凹部(20)的透镜(10)；以及配置在凹部(20)内的LED光源(30)，LED光源(30)发出的光线，通过控制透镜入光面(102)、出光面(103)或入光面(102)和出光面(103)的曲面斜率来调控透镜出射光线的照射区域，达到被照射面的照度均匀。 

本发明所示的一种应用于LED超薄灯具的光学模块，它由LED光源(30)加透镜(10)构成。其中透镜(10)包括底面(101)、入光面(102)以及出光面(103)。如图1所示，所述LED光源(30)纵向中心轴与透镜(10)纵向中心轴处于同一平面上。在本发明实施例中，可通过控制透镜(10)的入光面(101)、出光面(102)、或两面(入光面101和出光面102)的曲面斜率来控制出射光线的照射区域，达到被照射面的照度均匀。 

在图1示的本发明实施例之光学模块剖面图，透镜要照射的最大出射角度θ₀可以根据应用需要预先设定，我们定义LED排布的间隔为(L)、LED到出光面的距离(H)。在本发明实施例中，如灯具的距高比(L/H)为3.0，其中，那么最大出射角度可以通过如下公式(1)进行计算： 

公式(1) 

入光面102(即内表面)上任意一点的曲面斜率γ₁可以由公式(2)描述： 

(公式2)，其中透镜(10)的折射率为n，LED的出射角为θ ₁；由LED光源(30)出射的光线经过透镜入光面(102)折射以后的光线与光轴 的夹角为θ₂。 

而出光面103(即外表面)上任意一点的曲面斜率γ₂可以由公式(3)描述： 

(公式3)，其中，透镜(10)的折射率为n，LED的出射角为θ₁；由LED光源(30)出射的光线经过透镜入光面(102)折射以后的光线与光轴的夹角θ₂；θ₃为LED的出射角θ₁与通过透镜两个表面(即入光面102和出光面103)折射以后的出射角。 

并且上述θ₁和θ₂以及θ₃间的关系可通过如下公式(4)和公式(5)及系数k进行确定： 

对于LED的出射角θ₁与通过透镜两个表面(即入光面102和出光面103)折射以后的出射角θ₃则须满足以下方程： 

θ₃＝tan^-1(sinθ₁·tanθ₀)  公式(4) 

由LED光源(30)出射的光线经过透镜入光面(102)折射以后的光线与光轴的夹角θ₂须满足以下方程式： 

θ₂＝θ₁+K·(θ₃-θ₁)  公式(5) 

其中，系数K为分配内外表面(即入光面102和出光面103)承担折射光线功能的权重，介于0至1之间。当K＝0时，改变光线方向的要求全部由外表面(出光面103)承担；当K＝1时，改变光线方向的要求全部由内表面(入光面102)承担。 

因此，通过上述公式的组合，便可以根据输入的透镜出光角度范围(其中照射的最大角度θ₀)、透镜(10)的折射率n值和内外表面配光比重k等参数，进而确定透镜的内外表面面形，实现大角度范围内的接收表面的均匀照度分布。 

如图2所示为本发明实施例之光学模块的三维图。 

所以，在本发明实施例中光学元件透镜(10)的入光面(102)与出光面(103)共同承担改变光线方向的需求，可以实现更大角度的均匀配光，从而实现相同LED间隔条件下更薄的灯具结构；同时，透镜两个表面的面形更趋光滑，易于加工。 

并且本发明提出的光学模块(40)，可以用于大尺寸平板灯具(50)，通过多个光学模块组合的阵列形式，实现灯具超薄的外观与出光表面的亮度均匀分布，如图3和图4所示。相比小功率LED排布的直下式平板灯，结构更加轻薄，造型美观；相比侧发光式LED灯具，光通利用率更高；相比直下式平板灯将LED灯珠排布在后壳底板上，散热面积增大，散热效果更佳，提高灯具使用寿命。 

本发明采用LED光源、透镜构成。其中透镜包括底面、入光面和出光面，透镜材料可以使PMMA、PC或玻璃。底面可以是平面或弧面，入光面可以是平面、圆弧面或自由曲面，出光面可为平面、圆弧面或自由曲面。本发明公布的透镜元件将LED发出的朗伯型配光或其它配光形式进行光学控制，获得了大角度二次配光，在扩散板的入光面形成均匀的光能分布，使得原本可以达到灯具出光表面亮度均匀所需的最小高度值大幅度降低，同时，LED排布颗数减少，降低了灯具光源、结构成本。 

上述实施例只是例示性的，并且不希望它们限制本发明的技术方法。虽然已参照优选实施例详细描述了本发明，但所属领域的技术人员将了解，可在不偏离本发明技术方法的精神和范畴的情况下修改或等同替换本发明的技术方法，这些修改和等同替换也属于本发明权利要求书的保护范畴。 

Claims (10)

1.一种应用于LED超薄灯具的光学模块，其特征在于，包括：具有凹部(20)的透镜(10)；以及配置在凹部(20)内的LED光源(30)，LED光源(30)发出的光线，通过控制透镜入光面(102)、出光面(103)或入光面(102)和出光面(103)的曲面斜率来调控透镜出射光线的照射区域，达到被照射面的照度均匀。

2.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述入光面(102)上任意一点的曲面斜率γ₁可以由如下公式计算：

其中透镜(10)的折射率为n，LED的出射角为θ₁；由LED光源(30)出射的光线经过透镜入光面(101)折射以后的光线与光轴的夹角为θ₂。

3.如权利要求2所述的光学模块，其特征在于，所述出光面103上任意一点的曲面斜率γ₂可以由公式计算：

其中，透镜(10)的折射率为n，LED的出射角为θ₁；由LED光源(30)出射的光线经过透镜入光面(102)折射以后的光线与光轴的夹角θ₂；θ₃为LED的出射角θ₁与通过透镜入光面102和出光面103折射以后的出射角。

4.如权利要求3所述的光学模块，其特征在于，所述θ₁和θ₂以及θ₃间的关系可通过如下公式及系数k进行确定：

对于LED的出射角θ₁与通过透镜入光面(102)和出光面(103)折射以后的出射角θ₃则须满足以下公式：

θ₃＝tan^-1(sinθ₁·tanθ₀)

由LED光源(30)出射的光线经过透镜入光面(102)折射以后的光线与光轴的夹角θ₂须满足以下公式：

θ₂＝θ₁+K·(θ₃-θ₁)

其中，系数K为分配入光面(102)和出光面(103)承担折射光线功能的权重；θ₀为最大出射角度。

5.如权利要求4所述的光学模块，其特征在于，所述系数K为分配入光面(102)和出光面(103)承担折射光线功能的权重，介于0至1之间；当K＝0时，改变光线方向的要求全部由出光面(103)承担；当K＝1时，改变光线方向的要求全部由入光面(102)承担。

6.如权利要求4所述的光学模块，其特征在于，所述最大出射角度θ₀可以通过如下公式进行计算：

${\mathrm{\θ}}_0={\tan }^{-1}\left(\frac{L}{2^{+}H}\right)$

其中，LED光源排布的间隔为L、LED到出光面(103)的距离为H。

7.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述透镜(10)材料包括但不限于PMMA、PC或玻璃。

8.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述入光面(102)和出光面(103)的构成形式包括但不限于平面、圆弧面或自由曲面。

9.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述透镜(10)将LED光源(30)发出的朗伯型配光或其它配光形式进行光学控制，获得大角度二次配光。

10.一种LED灯具，其特征在于，包含如权利要求1-9任一项所述的光学模块阵列。

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