CN103672730A - 透镜、led模组及使用该led模组的照明系统 - Google Patents

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Abstract

透镜、LED模组及使用该LED模组的照明系统。一种照明系统，其包括LED模组与被照射面。该LED模组包括透镜和LED。所述透镜包括光轴，光源设置处，第一出光面，以及一个设置在与该第一出光面同侧的第二出光面。所述第一、第二出光面在沿透镜的光轴并与该第一、第二出光面的交线垂直的截面轮廓线包括至少一个与所述光轴在出光方向上成锐角的切线，且该第一、第二出光面在该截面上的轮廓线以光轴为中心轴是不对称的。虽然第一出光面射出光由于射向离LED模组较远处有更大的衰减，但由于第一、第二出光面相比，其出射光没有被分散或者是其出光强度或出光量较大，弥补了该第一出光面的射出光的更多的衰减，进而可以使离LED模组较近处的被照射面与离LED模组较远处的被照射面有基本相同的照度。

Description

透镜、LED模组及使用该LED模组的照明系统
技术领域
本发明涉及一种照明系统，特别是一种可以提供均匀照明的透镜、LED模组及使用该LED模组的照明系统。
背景技术
在一般的日常生活中，随处都可见到各种照明设备，例如，日光灯、路灯、台灯、艺术灯等。在上述的照明设备中，传统上大部分是以钨丝灯泡做为发光光源。近年来，由于科技日新月异，已利用发光二极管(LED)作为发光来源。甚者，除照明设备外，对于一般交通号志、广告牌、车灯等，亦都改为使用发光二极管做为发光光源。如前所述，使用发光二极管作为发光光源，其好处在于省电，且亮度更大，故于使用上已逐渐普通化。
如图1所示，为一种现有技术中使用LED作为光源的照明系统的光路示意图。该照明系统包括一个被照射面1，一个设置在该被照射面1一侧的LED光源2。该LED光源2包括一个出光面3，该出光面3射出无数灯光线4并照射在被照射面1上。可以想到的是，无论所述LED光源2放置在被照射面1的哪个位置，出光面3射出的光线4中的一部分一定会射向被照射面1的近端，而另一部分则一定会射向被照射面1的远端。正是由于以上不可避免的光线照射结构，射向被照射面1近端的光线相对于射向被照射面1远端的光线衰减将较小，而无论是射向远端的光线还是射向近端的光线，其初始亮度值是相等的，因此会导致由于被照射面1相对于LED光源2的远近不同，其明亮度也不同，即被照射面1各处的照度不同。
这种不均匀的光照效果对于一些场合，如展览厅、展示会，又或是一些商场中的照明场合，由于光照效果不均匀，即照度不均匀将会降低被展示的物品给参观者或购买者视觉效果，从而降低展示物品给人视觉上的品质感。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种可以提供光照效果均匀的透镜、LED模组及使用该LED模组的照明系统，以克服上述不足。
一种透镜，其包括一个光轴，一个用于设置光源的光源设置处，一个设置在所述光源设置处对面的第一出光面，以及一个设置在与该第一出光面同侧并与该第一出光面相交的第二出光面。所述第一、第二出光面之间具有一条与所述光轴相交的交线。所述第一、第二出光面在沿光轴并与该第一、第二出光面的交线垂直的截面的轮廓线上分别包括至少一条与所述光轴在出光方向上成锐角的切线，且该第一、第二出光面在该截面上的轮廓线以光轴为中心轴是不对称的。
一种LED模组，其包括一个透镜，和一个与该透镜搭配使用的LED。所述透镜，其包括一个光轴，一个用于设置光源的光源设置处，一个设置在所述光源设置处对面的第一出光面，以及一个设置在与该第一出光面同侧并与该第一出光面相交的第二出光面。所述第一、第二出光面之间具有一条与所述光轴相交的交线。所述第一、第二出光面在沿光轴并与该第一、第二出光面的交线垂直的截面的轮廓线上分别包括至少一条与所述光轴在出光方向上成锐角的切线，且该第一、第二出光面在该截面上的轮廓线以光轴为中心轴是不对称的。
一种照明系统，其包括至少一个LED模组，以及至少一个与相应的LED模组对应的被照射面。该LED模组包括一个透镜，和一个与该透镜搭配使用的LED。所述透镜，其包括一个光轴，一个用于设置光源的光源设置处，一个设置在所述光源设置处对面的第一出光面，以及一个设置在与该第一出光面同侧并与该第一出光面相交的第二出光面。所述第一、第二出光面之间具有一条与所述光轴相交的交线。所述第一、第二出光面在沿光轴并与该第一、第二出光面的交线垂直的截面的轮廓线上分别包括至少一条与所述光轴在出光方向上成锐角的切线，且该第一、第二出光面在该截面上的轮廓线以光轴为中心轴是不对称的。
与现有技术相比，虽然第一出光面射出光由于射向离LED模组较远处的被照射面会比射向离LED模组较近处的被照射面的第二出光面的射出光有更大的衰减，但是由于第一出光面与第二出光面相比，其出射光没有被分散或者是其出光强度或出光量较大，从而弥补了该第一出光面的射出光由于到达离LED模组较远处而导致的更多的衰减，进而可以使离LED模组较近处的被照射面与离LED模组较远处的被照射面有基本相同的照度。
附图说明
以下结合附图描述本发明的实施例，其中：
图1为现有技术的照明系统的光路结构示意图。
图2为本发明第一实施例提供的一种照明系统的光路示意图。
图3为图2的照明系统中的透镜的立体结构示意图。
图4A-图4B为LED设置在图3的透镜的不同位置以及透镜沿A-A线的结构示意图。
图5A-图5D为四个具有不同出光面结构的透镜的结构示意图。
图6为图3的透镜的俯视图。
图7A-图7B分别为图4A在B处以及图6在C处的局部放大图
图8为具有图5A透镜的照明系统的光路示意图。
图9为具有图5B透镜的照明系统的光路示意图。
图10为本发明第二实施例提供的一种透镜的结构示意图。
图11A-图11C为图10的透镜的第三出光面相对于透镜的光轴具有不同曲率的结构示意图
具体实施方式
以下基于附图对本发明的具体实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅作为实施例，并不用于限定本发明的保护范围。
请参阅图2，为本发明第一实施例提供的一种照明系统的结构示意图。该照明系统100包括至少一个LED模组10，以及至少一个与每一个LED模组10分别对应的被照射面20。在实际应用中，所述LED模组10可能会包括多个，这可以根据被照射面20的大小或多少来确定。在本实施例中，仅为了详细说明本发明，故仅示出一个LED模组10和一个与该LED模组10相对应的被照射面20。可以想到的是，该照明系统100还包括其他元器件，如柜体、用于设置LED模组10的灯架，灯罩等组件，以及用于给LED模组10供电的电源等等，因为诸如此类的组件不为本发明的重点，在此不再赘述。
所述LED模组10包括一个透镜11，和一个与该透镜11搭配使用的LED12。
请参阅图3，所述透镜11包括一个光轴111，一个用于设置光源的光源设置处112，一个设置在所述光源设置处112对面的第一出光面113，一个设置在与该第一出光面113同侧并与该第一出光面113相交的第二出光面114，一个设置在所述第一、第二出光面113、114与光源设置处112之间的全反射面115，一个设置在该全反射面115的周缘与第一、第二出光面113、114的周缘之间具有一个过渡面116，以及一个设置在光源设置处112侧的沉孔117。
可以理解的是，与所有透镜一致，每一个透镜都包括一根光轴。在本实施例中，所述透镜11包括一个光轴111。该光轴用于设置光源，即LED12，同时光轴也是光路设计的导向。
所述光源设置处112用于设置光源，如LED12，或者是其他的光源，如荧光灯。在本实施例中，所述光源为LED12。可以想到的是，当其他光源如荧光灯与透镜11的尺寸比例和LED12与透镜11的尺寸比例相当时，则也可以使用荧光灯来作为光源，同样可以达到本发明所要达到的技术效果。在该光源设置处11，如图4A、图4B所示，所述LED12可以设置在该沉孔117的里面，也可以设置在该沉孔117的外面，即沉孔117的里面或外面皆可以作为光源的光源设置处112。当LED12设置在沉孔117中时，为了使透镜11的利用最大化的同时，便于组装该透镜11与LED12，该LED12的出光面的相反侧与所述沉孔117的开口端齐平。当LED12设置在沉孔117的外面时，为了使LED12所有光全部能进入透镜11中，优选的是，该LED12的出光面与所述沉孔117的开口端齐平。在本实施例中，所述LED12的出光面与所述沉孔117的开口端齐平。
所述第一出光面113与光源设置处112相对，用于将来自LED12的一部分光源从其折射而出，并照射到被照射面20离LED模组10较远的一侧。为了控制第一出光面113的出射光束的射束宽度(beam width)，以在被照射面20形成可控大小的光斑，在该第一出光面113上设置有多个相互连接的六角形微球面透镜1131，如图6所示。请一并参阅图7A、图7B，图7A为图4A在B处的局部放大图。图7B为图6在C处的六角形微球面透镜116的俯视图。图7A示出了每一个球面透镜的球面半径，即曲率R，以及该球面弧形的拱高h，图7B示出了每一个六角形的对边距离L。通过改变R、h、以及L即可以改变每一个六角形微球面透镜116的射束宽度。例如，当R＝3.0mm，h＝0.1mm，L＝1.33mm时，所得到的六角形微球面透镜116的射束宽度将是一个12度到17度的射束宽度。当R＝2.0mm，h＝0.2mm，L＝1.51mm时，所得到的六角形微球面透镜116的射束宽度将是一个20度至24度的射束宽度。当R＝3.0mm，h＝0.5mm，L＝3.0mm时，所得到的六角形微球面透镜116的射束宽度将是一个25度至30度的射束宽度。
所述第二出光面114与该第一出光面113同侧设置，并与该第一出光面113形成一条与所述光轴111相交的交线1141。需要特别说明的是，由于制造精度的原因，该交线1141在实际中并不能体现在透镜11中，而是一个具有一定曲率的弧面代替。该第二出光面114用于将LED12的另一部分光源从其折射而出，并照射到被照射面20较近的一侧。所述第二出光面114与第一出光面113相同，其出光面上也设置有多个相互连接的六角形微球面透镜。该六角形微球面透镜与第一出光面113的微球面透镜118一样，在此不再赘述。当然可以理解的是，在一些情况下，如被照射面较广，该第一、二出光面113、114上也可以不设置这些六角形微球面透镜。
如图4A、图4B所示，为所述第一、第二出光面113、114在沿透镜的光轴111并与该第一、第二出光面113、114的交线1141垂直的截面结构示意图。
所述第一、第二出光面113、114的截面的轮廓线上分别包括至少一条与所述光轴111在出光方向上成锐角的切线。根据该要求，至少可以得出如图4及图5所示的三种结构，在图4A及图4B中，第一出光面113为一平面，则仅包括一条与所述光轴111在出光方向上成锐角的切线，而第二出光面114为一弧面，该弧面包括多条与所述光轴111在出光方向上成锐角的切线以及多条与所述光轴111在出光方向上成钝角的切线。同理，可以理解的是，在图5A-图5D中，每一个第一、第二出光面113、114都分别包括至少一条与所述光轴111在出光方向上成锐角的切线，因此会产生很多种变形，如图5C中，第一、第二出光面113、114皆为凹面。在上述各形状的透镜中，所述第一、第二出光面113、114在所述截面上的轮廓线以光轴111为对称轴是不对称的，以使第一出光面113与第二出光面114的出光强度或出光量不同。在本实施例中，第一出光面113为一平面，第二出光面114为一弧面。
所述全反射面115用于将接收到的光都反射出去，其设置在光滑设置处111与第一、第二出光面113、114之间，以使所述透镜11形成一个锥台状结构。
所述过渡面116设置在该全反射面115的周缘与第一、第二出光面113、114的周缘之间，该过渡面116在理想状态下既不接收来自光源LED12的光，也不会反射或折射任何光，其作用仅在于形成所述第一、第二出光面113、114。请再参阅图4，所述沉孔117的轴向中心穿过所述透镜11的光轴111。通过该沉孔117将来自LED12的光分散或准直，从而进入透镜11的第一、第二出光面113、114，以及全反射面115上。
所述LED(Light Emitting Diode)12是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光能。该LED12的中心设置在透镜11的光轴111。
所述被照射面20为所述LED模组10照射的位置，其可以为平面，也可以为曲面。在本实施例中，仅为了举例说明本发明，该被照射面20为平面。
该被照射面20可以为博物馆中所要照亮的画等物品，也可以是在超级市场中冰柜中的贩卖品。如图2所示，当安装所述LED模组10时，应当将光没有被分散或出光强度、出光量大的那一个出光面的出射光射向离LED模组10较远的被照射面20上，如当第一出光面113为平面时，可以使该第一出光面113射出的光射向被照射面20相对于LED模组10较远的一侧，而使第二出光面114射出的光射向被照射面20相对于LED模组10较近的一侧。
现举例说明该照明系统的工作原理，对于图4A中的透镜，在工作时，其照明系统100的光路图如图2所示。在该透镜11中，所述第一出光面113为一平面，其出射光射向离LED模组10较远的一侧，第二出光面114为一弧面，其出射光射向离LED模组10较近的一侧。同时，因为所述第二出光面114的轮廓线包括多条与所述光轴111在出光方向上成锐角的切线和多条与所述光轴111在出光方向上成钝角的切线，因此，轮廓线与光轴111成锐角的那部分弧面的出射光将射向离LED模组10最近的一侧的被照射面20，而轮廓线与光轴111成钝角的那部分弧面的出射光相对于轮廓线与光轴111成锐角的那部分弧面的出射光将射向离LED模组10较远的一侧。因此，虽然第一出光面113射出光由于射向离LED模组10较远处会比射向离LED模组10较近处的第二出光面114的射出光有更大的衰减，但是由于第二出光面114的出射光被其弧面进行了分散，从而使得第一出光面112相对于第二出光面114接收了更多的光，进而弥补了第一出光面112的射出光由于到达离LED模组10较远处而导致的更多的衰减。所以，该照明系统100可以使离LED模组10较近处与离LED模组10较远处有基本相同的照度。在这里，需要说明“基本相同”的意思，该基本相同是指虽然用照度仪器测量离LED模组10较远或较近的被照射面20的两侧，其照度值可能不完全一样，但是对于人们肉眼观察则难以察觉这种不同，从而达到对于人们的视觉来说，被照射面20的光照效果即照度是一致的。
对于图5A图中的透镜11，在工作时，其照明系统100的光路图如图8所示。在该透镜11中，所述第一、第二出光面113、114皆为平面。由于该第一、第二出光面113、114的交线1141与光轴间隔设置，使得第一出光面113与第二出光面114的出光强度或出光量不同。在本实施例中，由于交线114偏向第二出光面1141，使得第一出光面113的出光强度或出光量大于第二出光面114。因此当该第一出光面113的出射光射向离LED模组10较远的一侧，而第二出光面114的出射光射向离LED模组10较近的一侧时，虽然第一出光面113的出射光射向路程较远的一侧，光衰减较大，但是其出光强度或出光量较大，从而可以弥补该光衰减或损失，进而达到与第二出光面114射向离LED模组10较近的一侧的基本相同的照度。
对于图5B图中的透镜11，在工作时，其照明系统100的光路图如图9所示。在该透镜11中，所述第一、第二出光面113、114皆为弧面，其工作原理是该弧面不仅对出射光进行了分散，而且由于交线1141与光轴111间隔设置，使得第一出光面113与第二出光面114的出光强度与出光量不同。如同图5的(b)的透镜，由于第一出光面113与第二出光面114的出光强度与出光量不同，可以使得被照射面离LED模组远近侧的照度基本相同。
可以理解的是，图5C、图5D的透镜11的工作原理与图5A或图5B也大体相同。
综上所述，与现有技术相比，虽然第一出光面113射出光由于射向离LED模组10较远处会比射向离LED模组10较近处的第二出光面114的射出光有更大的衰减，但是由于第一出光面113与第二出光面114相比，其出射光没有被分散或者是其出光强度或出光量较大，从而弥补了该第一出光面113的射出光由于到达离LED模组10较远处而导致的更多的衰减，进而可以使离LED模组10较近处与离LED模组10较远处有基本相同的照度。
如图10所示，其为第二实施例所提供的透镜的结构示意图。所述第二实施例与第一实施例相比，仅在于透镜的不同。所述第二实施例所提供的透镜21包括一个光轴211，一个用于设置光源的光源设置处212，一个设置在所述光源设置处212对面的第一出光面213，一个设置在与该第一出光面213同侧并与该第一出光面213相交的第二出光面214，一个设置在所述第一、第二出光面213、214与光源设置处212之间的全反射面215，一个设置在该全反射面215的周缘与第一、第二出光面213、214的周缘之间具有一个过渡面216，一个设置在光源设置处212侧的沉孔(未标示)，以及一个设置在所述光源设置处212与第二出光面214之间一侧的第三出光面217。
所述光轴211、光源设置处212、第一、第二出光面213、214、全反射面215、过渡面216、沉孔与第一实施例的透镜11的各部分基本相同，在这里不再赘述。下面仅对第三出光面217进行说明。
所述第三出光面217设置在离被照射面较近一侧，并且该第三出光面218从光源设置处212一侧朝第一、第二出光面213、214延伸。另外，根据出射光的需要，该第三出光面217可以为平面，也可以是弧面。当该第三出光面218为弧面时，相对于透镜21的光轴211，可以为正曲率，也可以为负曲率。如图11A、图11B、以及图11C分别示出了该三种曲面的样式。在本实施例中，所述第二出光面218为一具有正曲率的弧面。但是，无论是哪一种曲面，其弧线顶点处的切线应该与第一、第二出光面213、214的交线平行，以保证该第三出光面218的出射光能最大限度地照射在被照射面上。该第三出光面218的沿透镜21的光轴211的截面轮廓线可以与透镜21的光轴211平行，也可以使该轮廓线的延长线透镜21的光轴211相交。同时，为了控制从该第三出光面218的出光量，该第三出光面217可以与所述沉孔间隔设置，也可以直接穿过该沉孔。
由于该第三出光面217的存在，可以照亮该第三出光面217侧的被照射面，使得该被照射面有更大的被照射区域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则的内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围的内。

Claims (11)

1.一种透镜，其包括一个光轴，一个用于设置光源的光源设置处，其特征在于：所述透镜还包括一个设置在所述光源设置处对面的第一出光面，一个设置在与该第一出光面同侧并与该第一出光面相交的第二出光面，所述第一、第二出光面之间具有一条与所述光轴相交的交线，所述第一、第二出光面在沿光轴并与该第一、第二出光面的交线垂直的截面的轮廓线上分别包括至少一条与所述光轴在出光方向上成锐角的切线，且该第一、第二出光面在该截面上的轮廓线以光轴为中心轴是不对称的。
2.如权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述第一出光面为平面或具有至少一个凹面。
3.如权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述第二出光面为平面或弧面。
4.如权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述第一、第二出光面上还设置有多个相互连接的六角形微球面透镜，该六角形微球面透镜的曲率、拱高以及对边距离根据预定的光线射束宽度设置。
5.如权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述透镜还包括一个设置在所述第一、第二出光面与光源设置处之间的全反射面，该全反射面的周缘与第一、第二出光面的周缘之间具有一个过渡面。
6.一种LED模组，其包括一个透镜，和一个与该透镜搭配使用的LED，所述透镜，其包括一个光轴，一个用于设置光源的光源设置处，其特征在于：所述透镜还包括一个设置在所述光源设置处对面的第一出光面，一个设置在与该第一出光面同侧并与该第一出光面相交的第二出光面，所述第一、第二出光面之间具有一条与所述光轴相交的交线，所述第一、第二出光面在沿光轴并与该第一、第二出光面的交线垂直的截面的轮廓线上分别包括至少一条与所述光轴在出光方向上成锐角的切线，且该第一、第二出光面在该截面上的轮廓线以光轴为中心轴是不对称的。
7.如权利要求6所述的LED模组，其特征在于：所述透镜还包括一个沉孔，该沉孔的轴向中心线穿过所述透镜的光轴，同时LED收容在该沉孔中或该LED的出光面与该沉孔的开口端齐平，且该LED的中心设置在该光轴上。
8.一种照明系统，其包括至少一个LED模组，以及至少一个与相应的LED模组对应的被照射面，该LED模组包括一个透镜，和一个与该透镜搭配使用的LED，所述透镜，其包括一个光轴，一个用于设置光源的光源设置处，其特征在于：所述透镜还包括一个设置在所述光源设置处对面的第一出光面，一个设置在与该第一出光面同侧并与该第一出光面相交的第二出光面，所述第一、第二出光面之间具有一条与所述光轴相交的交线，所述第一、第二出光面在沿光轴并与该第一、第二出光面的交线垂直的截面的轮廓线上分别包括至少一条与所述光轴在出光方向上成锐角的切线，且该第一、第二出光面在该截面上的轮廓线以光轴为中心轴是不对称的。
9.如权利要求8所述的照明系统，其特征在于：所述第一出光面射出的光射向被照射面相对于LED模组较远的一侧，所述第二出光面射出的光射向被照射面相对于LED模组较近的一侧。
10.如权利要求8所述的透镜，其特征在于：所述透镜还包括一个设置在所述光源设置处与第一、第二出光面之间且离被照射面较近一侧的第三出光面，该第三出光面从光源设置处一侧朝第一、第二出光面延伸，该第三出光面的顶点处的切线与第一、第二出光面的交线平行。
11.如权利要求10所述的透镜，其特征在于：所述透镜还包括一个沉孔，该沉孔的轴向中心线穿过所述透镜的光轴，所述第三出光面与该沉孔间隔设置或穿过该沉孔。
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