CN103732983A

CN103732983A - 手电筒的薄剖面透镜

Info

Publication number: CN103732983A
Application number: CN201380002595.8A
Authority: CN
Inventors: G·D·温德姆; D·C·布兰兹
Original assignee: Coast Cutlery Co
Current assignee: Coast Cutlery Co
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: CN103732983B; US9416937B2; DE112013000160B4; WO2013184499A1; EP2861906A1; EP2861906B1; EP2861906A4; US20130329408A1; DE112013000160T5; DE212013000017U1

Abstract

本公开涉及一种薄剖面透镜，用于为来自如手电筒或其它照明单元中的例如发光二极管（LED）等光源的光束塑造形状。在各种实施例中，透镜可与调整机构结合以改变光束的焦点，且透镜可被嵌入在支撑透镜、光源、以及调整机构的结构内。在各种实施例中，所述结构可还包括电源、控制装置、相互连接、以及电子设备。在各种实施例中，薄剖面透镜可允许所述透镜用于范围从较窄直径手电筒到较大直径光源的若干应用中的任何一个中。

Description

手电筒的薄剖面透镜

相关申请的交叉引用

本申请要求在2012年6月6日提交题为“Thin Profile Lens For Flashlight”的美国申请第13/490,275号的优先权。

技术领域

本公开涉及一种薄剖面透镜，用于为来自如手电筒或其它照明单元中的例如发光二极管（LED）等光源的光束塑造形状。在各种实施例中，透镜可与调整机构结合以改变光束的焦点。

背景技术

已提供各种形式的手电筒和其它照明单元的透镜，所述透镜通常具有关于轴线对称的相同形状，其中沿该轴线引导光，例如光轴。若干此类透镜在邻近光源的透镜背侧包括孔，例如后空隙。在孔内，可沿光轴调整光源位置。相对于透镜后孔调整光源位置能够使光束自透镜前面发生变化。通常，限制了透镜结合点波射束的最大明暗度和较宽射束的大体均匀性的能力。

通常此种透镜前面上还具有中心凸形透镜表面，其中所述前面与至少一个额外的凸形表面组合，其中光或者被接收至透镜、被反射在透镜内、或者自透镜射出。在不受理论束缚的情况下，可以认为额外的凸形表面对于光从光源恰当聚焦至光束而言是必须的。可替换地，此种透镜具有按横截面观看是平坦的光接收、反射、以及发射表面。还可以认为此种平坦表面对于光聚焦或制造的目的而言是必须的。

附图说明

结合附图，根据以下详细描述将易于理解实施例。通过示例而不是通过限制附图中图形的方式示出实施例。

图1A-图1C示出了三种薄轮廓透镜主体例子的横截面图，包括在透镜中心部分上具有凹形后表面的薄剖面透镜（图1A）、在透镜中心部分上具有平坦后表面的例子（图1B）以及在透镜中心部分上具有凸形后表面的例子（图1C）；

图2A-图2C示出了图1A-图1C所示透镜主体的横截面图，其中薄剖面透镜具有凹形后表面（图2A）、平坦后表面（图2B）以及凸形后表面（图2C），其中每种透镜均嵌入包含光源的聚光圈内，所述光源位置沿光轴可调整；

图3A和图3B示出了光源相对于透镜主体后壁移动时的光折射和光反射，从而形成不同射束（图3A示出较窄或点波射束，图3B示出较宽或泛光射束）；

图4A-图4D是手电筒的聚光圈和薄剖面透镜系统的四种横截面图，该图示出了螺纹可调整聚光圈，其中光源在较宽射束（wide beam）或泛光位置（图4A）以及较窄或点波射束位置（图4B）以及滑动可调整聚光圈，其中光源在较宽射束或泛光位置（图4C）和较窄或点波射束位置（图4D）；以及

图5示出了手电筒例子的横截面图，所述手电筒经配置用于薄剖面透镜系统，全部均根据不同实施例。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考形成为其中一部分的附图，且其通过可被实行的所示实施例示出。将明白可运用其它实施例，在不背离本范围的情况下可作出结构或逻辑变化。因此，以下详细描述不应具有限制意义，实施例的范围由所附权利要求及其等效物限定。

不同操作以有助于理解实施例的方式可被描述为按序的多次分离的操作；然而，描述顺序不应视为暗示这些操作依据所述顺序。

本描述可使用基于透视的描述，例如上/下、后/前、以及顶/底。此种描述仅用于帮助讨论，并非要限制所公开实施例的申请。

可使用术语“联接”和“连接”及其变型。应明白这些术语并非是彼此的同义词。而是，在个别实施例中，“连接”可用于指示两个或更多元件直接物理或电气接触彼此。“联接”可意味着两种或更多元件直接物理或电气连接。然而，“联接”还可意味着两种或更多元件并非直接接触彼此，而是彼此配合或相互作用。为了描述，“A/B”形式或“A和/或B”形式的短语意味着（A）、（B）或（A和B）。

为了描述，“A、B和C中的至少一个”形式的短语意味着（A）、（B）、（C）、(A和B)、（A和C）、（B和C）、或（A、B和C）。为了描述，“（A）B”形式的短语意味着（B）或（AB），也就是A是视需要元件。

描述可使用术语“一个实施例”或“多个实施例”，其每个均指一个或更多相同或不同的实施例。此外，相对于实施例所使用的术语“包括”“包含”“具有”等为同义词。

本文实施例提供了手电筒和其它照明装置的薄剖面透镜系统。在一些实施例中，薄剖面透镜系统可与光源和调整机构结合，所述调整机构允许来自光源的光聚焦。其它实施例可提供固定焦点射束，因此聚焦较窄或点波射束、较宽射束泛光照明、或中间聚焦射束中的射束。在不同实施例中，虽然有其它光源，例如可使用白炽灯或荧光灯，但发光二极管或LED可被用作光源。

在不同实施例中，透镜通常可以呈圆形，其可具有经配置发出光的前面以及自光源接受光的后面。在不同实施例中，透镜按形状形成从而按所需方向引导来自光源的光，具有基本凹形前面和基本凸形后面。

在不同实施例中，透镜可包括两个或更多不同部分，例如被环形圈包围的中心部分，且依据透镜所需的射束成形性能以及其它因素，这两部分中的每个的弯曲可彼此独立变化。在不同实施例中，依据个别应用，中心部分的前表面可以是凸形，中心部分的后表面可以是凸形、凹形、或平坦的。依据应用，环形圈部分通常可以是弯曲或平坦的。在一些实施例中，环形圈部分的后表面可以是反射表面或涂有反射表面，然而在其它实施例中，环形圈的后表面可以是干净的。

在一些实施例中，环形圈部分的厚度（除中心部分）在不同部位变化非常小，透镜后表面上缺少用于接收光源的接收空隙。因此，在不同实施例中，透镜可经配置，以便透镜后表面上缺少LED或其它结构可进入的任何凹形部。在不受理论束缚的情况下，认为与传统透镜相比，所公开的透镜剖面允许更有效地通过透镜传播光，且能够使用较低功率的光源，从而与传统手电筒透镜相比，实现具有相等或较大亮度的射束。

在一些实施例中，透镜可被嵌入在手电筒聚光圈内，该聚光圈可联接至或形成为主体或外壳构件的一部分。在一些实施例中，主体或外壳构件可包括固定联接至其中的光源，且相对于主体或外壳构件，通过例如滑动或扭动可调整聚光圈。在一些实施例中，该可滑动或可扭动调整可允许改变透镜和光源之间的距离，因此允许光束从泛光或较宽射束调整为点波或较窄光束。在个别实施例中，聚光圈可适于联接至包括固定在其中的LED的主体构件。在这些实施例中，例如经螺纹联接或一个或更多O形环，借助于调整主体构件上的聚光圈位置，可调整透镜和LED之间的距离。在其它实施例中，在主体或聚光圈内可调整光源位置，系统可包括相对于透镜移动光源的调整机构，例如开关、键形物和狭槽slot，或本领域技术人员已知的其它任何机构。

在一些实施例中，透镜主体的环形圈部分可将横截面限定为椭圆形弯曲，且可包括光反射表面，该反射表面可经配置反射自透镜主体投至其中的光。在不同实施例中，环形圈部分，自透镜主体内部看为反射镜，可将横截面限定为凹形弯曲。在其它实施例中，自透镜主体外部观看的环形圈部分可限定凸形弯曲。在又一个实施例中，当观看横截面时，环形圈部分可以是平坦的。

在不同实施例中，透镜中心表面可以是凸形的，所以可包括通常在表面中心处的最前点。在不同实施例中，透镜主体前面的环形圈部分可向前延伸至前边缘，所述边缘比中心表面的最前点还要向前，因此防止透镜主体碰撞和磨损。透镜主体可还包括限定环形表面和侧表面之间倒角的外边缘、前边缘。

在不同实施例中，手电筒还可包括电源，例如电池或带电AC-DC变压器，以提供与LED兼容的电压波形。例如，在一些实施例中，脉冲宽度调制器可用于调整LED的有效亮度。在不同实施例中，透镜主体、聚光圈、视需要，所有或部分主体或外壳可由单件固体、透明材料形成，所述透明材料包括玻璃、丙烯酸酯聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），以及热塑性材料，例如聚碳酸酯塑料、模塑或以其它方式形成为单件。在一些实施例中，透镜可由单件固体、注射模塑丙烯酸形成。在一些实施例中，透镜可以与例如所有或部分聚光圈等其它部件共同模塑。视情况，该整体件的一些部分可使用例如光反射或光阻碍涂层着色或涂层，和/或可为聚光圈部分喷漆或以其它方式着色以防止光逸出（escape）。

图1A-图1C示出了根据不同实施例的三种薄剖面透镜主体例子的横截面图，包括在透镜中心部分上具有凹形后表面的薄剖面透镜（图1A）、在透镜中心部分上具有平坦后表面的例子（图1B）以及在透镜中心部分上具有凸形后表面的例子（图1C）。每个透镜100a、100b、100c具有基本呈凹形前面102a、102b、102c和基本呈凸形后面104a、104b、104c。每个所示透镜主体100a、100b、100c包括中心部分106a、106b、106c和围绕中心部分106a、106b、106c的环形圈部分108a、108b、108c。在不同的实施例中，如下更为详细地描述，这些不同的透镜部分可经配置按所需方向引导来自光源的光。虽然所示透镜主体示出具有两不同的光引导部分，但是本领域技术人员将认识到合适的薄剖面透镜还可被配置成仅具有一个、或三个、四个、或更多不同的光引导部分。

在不同实施例中，虽然透镜部分可具有弯曲或平坦的前表面和后表面，但中心部分106a、106b、106c以及环形圈部分108a、108b、108c的横截面可具有薄剖面。例如，在图1A所示例子中，中心部分106a具有凸形前表面114a和凹形后表面116a。环形圈部分108a具有平坦前表面110a和平坦后表面112a，且代表基本呈平坦剖面的横截面。

在图1B所示例子中，中心部分106b具有凸形前表面114b和平坦后表面116b。环形圈部分108b具有凹形前表面110b和凸形后表面112b。如可从图1b中看出，与图1A所示的相对直的横截面剖面108a相比，环形圈部分108b具有基本弯曲的横截剖面。

在图1C所示例子中，中心部分106c具有凸形前表面114c和凸形后表面116c。环形圈部分108c具有凹形前表面110c和平坦后表面112c。如可从图1c中看出，与图1A所示的相对直的横截面剖面108a相比，环形圈部分108c具有略有弯曲的横截剖面。

虽然图1A、图1B、以及图1C示出三种透镜曲率组合的例子，但本领域技术人员将明白可替代平坦和/或弯曲透镜表面的其它组合以适合个别申请和/或一组射束聚焦要求。此外，虽然透镜主体100a、100b、100c不同部分包括轻微凹形和/或凸形，但是本领域技术人员将明白整体透镜形状包括凹形前面、凸形后面，且观看横截面时，每个透镜主体100a、100b、100c的环形圈部分108a、108b、108c（除中心部分106a、106b、106c）的整体厚度相当均匀。在不同实施例中，可测量基本垂直于前表面的厚度（T），且该厚度可在环形部分108a、108b、108c的整个宽度的不到约20%，例如18%、15%、12%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%或甚至0%内变化。具体地，非限制性实施例，小直径透镜的环形圈部分的合适透镜厚度可约为0.5-4.0mm，例如0.5-2.0mm、或0.7-1mm，大直径透镜的环形圈部分的合适透镜厚度可为0.4-4.0cm，例如1-2cm。

此外，所有所示的透镜主体缺少手电筒透镜通常所包括的后空隙或LED接收壁。实际上，透镜主体100a、100b、100c无任何部分适于接收透镜主体任何部分内的LED光源或相应吸热构件。

在各种实施例中，中心部分106a、106b、106c可包括限定最前点118a、118b、118c的凸形表面114a、114b、114c。在不同实施例中，凸形前表面114a、114b、114c可包含任何不同的弯曲，在相同实施例中，对于具有整体透镜直径少于约1cm的小直径手电筒，例如具有整体直径约为6-8mm的透镜，弯曲可以是具有半径不超过约2-4mm的大体上弓形。本领域技术人员将明白对于较大直径透镜，该中心部分直径通常可按比例较大。例如，5-10cm的大直径透镜可具有直径为1-4cm的中心部分，例如约为1.5-2.5cm。参考透镜实施例的测量仅是示例性的。本领域技术人员将易于理解在不偏离本公开范围的情况下可以使用其它测量。

在不同实施例中，透镜主体100a、100b、100c的环形圈部分108a、108b、108c可向前延伸至前边缘120a、120b、120c。在不同实施例中，前边缘120a、120b、120c比中心部分106a、106b、106c的最前点118a、118b、118c向前延伸还要远。在不同实施例中，前边缘120a、120b、120c可包括对于小直径手电筒，宽度为至少约0.2-0.5mm的环形圈108a、108b、108c和前边缘120a、120b、120c之间的倒角。在一些实施例中，倒角可具有为所需透镜尺寸和可操作特性所选的宽度，仅作为例子，对于较大直径透镜，倒角宽度可以约1.5mm、约2.0mm、约2.5mm、或约3.0mm。

图2A-图2C示出了图1A-图1C所示的透镜主体的横截面图，其中根据不同实施例，每个透镜均嵌入在包含光源的聚光圈内，其中光源位置沿光轴线可调整。如图2A-2C所示，在不同实施例中，透镜200a、200b、200c可与例如LED222a、222b、222c的光源配对，例如，光源位置可沿聚光圈224a、224b、224c内的光轴可调整，从实线所示典型的开始位置通过中间位置到达由虚线所指示的最终位置。在不同实施例中，调整可以是连续的或者在所选位置处可设有止挡或制动器。任何范围的位置调整可包含适合个别透镜尺寸、设计、以及所需射束变更。在一些实施例中，对于小直径手电筒，该范围从约3mm到约5mm，对于较大直径透镜系统，多达2-3cm或更多。

在透镜的一个具体、非限制性例子中，例如，对于小尺寸透镜系统，透镜可具有约8mm的宽度、约2mm的环形圈部分厚度、约3mm的内径、约1mm的倒角宽度、以及约2mm的位置调整范围。对所需操作特性和透镜尺寸可选择其它组合。通常此类尺寸比可变化至少约±10%。

在不同实施例中，中心部分206a、206b、206c可形成聚焦元件，该聚焦元件依据例如光源的位置可以不同方式与光源相互作用。例如，在不同实施例中，当光源远离透镜（例如，较窄角位置）时，仅小部分光可与聚焦元件相互作用。结果，在不同实施例中，聚焦元件可能无法显著地影响较窄光分布。相反地，当光源接近聚焦元件（例如，较宽角位置）时，聚焦元件可按所需方式影响射束图。因此，在不同实施例中，聚焦元件可以能够有较宽角光分布，对较窄角分布影响较少。在不同实施例中，例如为了有助于按所需方向引导光，聚光圈224a、224b、224c可包括反射内表面。

根据实施例，在图3A和图3B中示出该现象，其中当光源相对于透镜主体后壁移动时，光折射和光反射形成不同的射束（图3A示出较宽或泛光射束，图3B示出较窄或点波射束）。如图3A和图3B所示，相对于透镜调整LED位置可提供较宽射束或泛光（例如参看图3A）和较窄或点波射束（例如参看图3B）之间的射束范围。在不同实施例中，点波射束可以约50%的最大明暗度提供约+/-3°的角分布。较宽射束的例子为约+/-45°的角范围分布，在该范围内明暗度为最大值或同轴值的至少约50%。根据不同实施例，依据透镜直径，在LED位置调整不超过约3-50mm的情况下，光可从点波射束变化至较宽光束。分别在图3A和图3B中示出计算出的适于透镜和LED配置的例子的光线LR表示。如图所示，在不同实施例中，透镜300可将大部分光线LR引导至所需射束，可预料到较小部分光线LR在所需光束外侧传播。

图4A-图4D是根据不同实施例的手电筒的聚光圈和薄剖面透镜系统的横截面图，示出螺纹可调整聚光圈和滑动可调整聚光圈，其中在螺纹可调整聚光圈中，光源在较宽射束或泛光位置（图4A）以及较窄或点波射束位置（图4B），在滑动可调整聚光圈中，光源在较宽射束或泛光位置（图4C）以及较窄或点波射束位置（图4D）。如图所示，在不同实施例中，如图4A和4B所示，系统可包括聚光圈424a，且透镜400a嵌入其中。在一些实施例中，聚光圈424a可经配置联接至主体构件426a，该主体构件可包括光源，例如LED422a。在一些实施例中，系统可还包括调整机构，例如聚光圈424a和主体构件426a之间的螺纹联接或啮合428，所述调整结构可允许调整光源和透镜之间的空间，因此如上详细描述能够使所得到的光源聚焦。

在其它实施例中，如图4C和图4D所示，系统可包括嵌入聚光圈424b内的透镜400b，所述聚光圈可滑动地安装在主体构件426b上。在一些实施例中，可滑动安装可包括有助于在主体构件426b上调整聚光圈424b的一个或更多O形环430，所述O形环可允许调整LED422b和透镜400b之间的空间，因此能够使所得到的光束聚焦，从而例如产生点波射束或泛光射束。虽然示出螺纹安装和可滑动安装，但是本领域技术人员将明白可使用允许使用者调整透镜和光源相对位置的任何其它合适的机构。

在不同实施例中，系统可通过所述调整机构调整，从而提供约+/-45°角范围分布的具有较宽射束的光束，在所述角范围内明暗度为最大值或轴上值的至少50%。对于该较宽射束，系统可提供角分布至少约+/-10°之间的大体均匀的明暗度。

在一些实施例中，聚光圈424a、424b可设有紧握增强部位，例如具有凹槽、脊状突起、隆起、织构等部位，该部位可围绕聚光圈424a、424b部分或完全延伸。在不同实施例中，例如在一只手调整射束聚焦中，通过为聚光圈424a、424b上的拇指和食指提供便利的紧握，同时由其它三个手指紧握主体构件426a、426b，紧握增强区域将有助于使用者调整。在一些实施例中，可在手电筒主体上，例如聚光圈424a、424b相对端处，或聚光圈424a、424b本身上提供控制按钮。

在不同实施例中，可由例如铝或钢等金属或例如ABS等塑料制成主体构件426a、426b或其它外壳结构。可选择这样的组件材料，即在例如非常高的外界温度或非常低的外界温度的恶劣环境下与照明单元操作兼容。

图5示出了根据不同实施例的手电筒例子的横截面图，所述手电筒经配置用于薄剖面透镜系统。在所示实施例中，透镜500被嵌入在经螺纹啮合528联接至主体构件526的聚光圈524内。在使用中，使用者相对于主体构件526扭动聚光圈524，从而减少或增加LED522和透镜500之间的距离，并按使用者所需，将光束调整至泛光射束或较宽射束，或者较窄射束或点波光。虽然示出螺纹式啮合机构，但是本领域技术人员将明白可用允许使用者调整透镜500和LED522之间距离的任何其它调整结构替代。

虽然此处已说明和描述了某些实施例，但本领域技术人员应明白在不背离本范围的情况下，可用适合实现相同目的的大量替换和/或等效实施例或实现替换所示和所述实施例。本领域技术人员易于明白地是可以非常广泛的方式实现这些实施例。该申请旨在覆盖本文所讨论的实施例的任何改编或变更。因此，显而易见这些实施例仅受权利要求及其等效物限制。

Claims

1.一种手电筒薄剖面透镜，包括:

基本圆形透镜主体，所述透镜主体具有基本凹形前面和基本凸形后面，其中所述透镜主体包含：

中心部分，所述中心部分具有适于按所需方向引导光束的凸形前表面；以及

环形圈部分，所述环形圈部分包围所述中心部分，其中所述环形圈部分共同定义厚度尺寸，其中所述厚度尺寸变化少于所述透镜主体的20%。

2.根据权利要求1所述的薄剖面透镜，其特征在于，所述厚度尺寸变化少于所述透镜主体的10%。

3.根据权利要求1所述的薄剖面透镜，其特征在于，所述厚度尺寸变化少于所述透镜主体的2%。

4.根据权利要求1所述的薄剖面透镜，其特征在于，所述透镜主体具有小于约1cm的直径，且其中所述厚度尺寸在约0.5mm至约4mm之间。

5.根据权利要求1所述的薄剖面透镜，其特征在于，所述透镜主体具有大于约5cm的直径，且其中所述厚度尺寸在约0.4cm至约2cm之间。

6.根据权利要求1所述的薄剖面透镜，其特征在于，所述中心部分具有凹形后表面。

7.根据权利要求1所述的薄剖面透镜，其特征在于，所述中心部分具有平坦后表面。

8.根据权利要求1所述的薄剖面透镜，其特征在于，所述中心部分具有凸形后表面。

9.根据权利要求1所述的薄剖面透镜，其特征在于，当观看横截面时，所述环形圈部分是弯曲的。

10.根据权利要求1所述的薄剖面透镜，其特征在于，当观看横截面时，所述环形圈部分是平坦的。

11.根据权利要求1所述的薄剖面透镜，其特征在于，当观看横截面时，所述环形圈部分前表面是弯曲的，后表面是平坦的。

12.根据权利要求1所述的薄剖面透镜，其特征在于，所述中心部分具有凹形后表面，其中当观看横截面时，所述环形圈部分是平坦的，其中所述厚度尺寸变化少于所述透镜主体的5%，且其中所述厚度尺寸在约2mm至约3mm。

13.一种手电筒薄剖面透镜，包括：

环形圈部分，所述环形圈部分包围所述中心部分，其中所述环形圈部分定义厚度尺寸，且其中所述透镜主体缺少适于接收光源的后空隙。

14.根据权利要求13所述的薄剖面透镜，其特征在于，所述厚度尺寸变化少于所述透镜主体的20%。

15.根据权利要求13所述的薄剖面透镜，其特征在于，所述厚度尺寸变化少于所述透镜主体的10%。

16.根据权利要求13所述的薄剖面透镜，其特征在于，所述中心部分具有凹形后表面。

17.根据权利要求13所述的薄剖面透镜，其特征在于，所述中心部分具有平坦后表面。

18.根据权利要求13所述的薄剖面透镜，其特征在于，所述中心部分具有凸形后表面。

19.根据权利要求13所述的薄剖面透镜，其特征在于，所述中心部分具有凹形后表面，其中当观看横截面时，所述环形圈部分是平坦的，且其中所述厚度尺寸在约2mm至约3mm。

20.一种手电筒，包括：

外壳件；

光源，所述光源联接至所述外壳构件；

电源，所述电源被设置在所述外壳构件内且适于将功率提供至所述光源；

聚光圈，所述聚光圈适于可调节联接至所述外壳构件；以及

薄剖面透镜，所述透镜适于安装在所述聚光圈内，其中所述薄剖面透镜包括：

环形圈部分，所述环形圈部分包围所述中心部分，其中所述环形圈部分定义厚度尺寸，且其中所述厚度尺寸变化少于所述透镜主体的20%，以及

其中，相对于所述外壳构件调整所述聚光圈调整了所述薄剖面透镜和所述光源之间的所述距离。

21.根据权利要求20所述的手电筒，其特征在于，所述厚度尺寸变化少于所述透镜主体的10%。

22.根据权利要求20所述的手电筒，其特征在于，相对于所述外壳构件调整所述聚光圈改变了通过所述透镜的光束的焦点。

23.根据权利要求20所述的手电筒，其特征在于，所述聚光圈适于经螺纹联接物联接至所述外壳构件。

24.根据权利要求20所述的手电筒，其特征在于，所述透镜主体缺少适于接收所述光源的后空隙。