CN103807807B - 用于led灯的透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于LED灯的透镜，在透镜底面上设有一凹槽，凹槽的横截面为圆形，且凹槽的内径由外到内逐渐减小，在凹槽内又设有一凸起，凸起凸出于透镜底面，凸起整体呈圆台形，凸起横截面的直径由内到外逐渐减小，在凸起内设置有底部开口的光源容置腔。本发明在上述透镜结构的基础上，对透镜的形状、尺寸进行了巧妙设计并通过计算机模拟，最后将设计好的图导入到计算机模拟软件进行设计模拟，并检查光路进行局部优化，使最终符合设计要求。本发明带来的好处是：1，更大的发光面积，降低透镜的表面亮度；2，降低透镜的高度，为散热及电源节省空间；3，降低透镜厚度，能节省透镜成本，同时降低透镜成形时间，大幅降低透镜成本。

Description

用于LED灯的透镜

技术领域

本发明涉及LED照明领域，特别涉及一种用于LED灯的透镜。

背景技术

LED全透明反射透镜能分配LED灯珠在2π立体角内的光通，光通利用率高，可达85%以上，安装简便。透镜加工方便而且体积也很小，对空间的要求小，适于安装在各类灯具之中。目前安装LED透镜的灯具已得到广泛的应用，像建筑照明、通用照明、标识照明、景观照明、交通信号灯等都已得到了很好的应用。随着LED技术的不断提高，LED透镜的前景也会更好。

现有的透镜是根据斯涅尔定律设计而成。通常来说，透镜多采用旋转对称且底部中空的碗状结构。

如图1和图2所示，LED发出的小角度光线在AD面上发生折射，然后从出光面出射，大角度光线则在CD面折射，然后再经过最外侧的自由曲面全反射，最后由出光面出射。考虑到透镜尽可能提高光通的利用率，故经过AD面折射后的角度β应小于透镜在工作波长下的临界角θ，以避免在出光面发生的全反射；同时，要保证入射到最外侧的自由曲面的光线全部发生全发射。受上述原因限制，在此类结构下的透镜出光孔径Ф与透镜高度H的比值应近似小于tanθ的值,即：按目前最大临界角的材料，其值也<2。因此，为了增大出光面面积，只能成比例增加透镜的高度，然而随着透镜高度增加，光能也会随着传播距离的增加而降低，使得出光效率降低；同时也使灯的电源和散热空间变小，影响产品的性能。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供了一种出光效率高、出光面大的用于LED灯的透镜。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于LED灯的透镜，该透镜在结构上基本呈圆台形，包括直径较小的底面、直径较大的顶面及侧面，顶面为出光面，沿顶面的周缘向外延伸出环状凸台，在透镜底面上设有一凹槽，凹槽的横截面为圆形，且凹槽的内径由外到内逐渐减小，在凹槽内又设有一凸起，所述的凸起凸出于透镜底面，凸起整体呈圆台形，凸起横截面的直径由内到外逐渐减小，在凸起内设置有底部开口的光源容置腔，光源容置腔具有使光线进入到透镜的入射侧面、入射顶面，该透镜各部分的形状、大小是采用如下方法设计而成的：

定义透镜高度为H1，透镜高度即为从出光面到光源容置腔底部开口处的垂直距离，透镜出光面直径为D1，光源容置腔底部开口直径为D3，凸起底部与环状凸台底面之间的垂直距离为H2，凸起凸出于透镜底面的高度为H3，透镜的侧面定义为面1，光源容置腔的入射侧面定义为面2，光源容置腔的入射顶面定义为面3，凸起的侧面定义为面4，透镜的出光面定义为面7，凹槽的侧壁面定义为面8；

a,以透镜的中心轴为界，取透镜纵截面的一半进行说明，LED光源处在透镜中心轴与光源容置腔底部开口的交界处，将LED光源在光源容置腔内发出的光分成三个区域a1、a2、a3，各个区域分别配光，a1区域的光为入射到面3的光，此部分光入射到面3再折射后从面7透射出去；a2、a3部分的光均为入射到面2的光，其中a2区域的光经面2折射后形成全反射角在面7形成反射，反射到面1再反射出来；a3区域的光经面4反射出来；

b，根据项目要求，在遵循透镜直径高度比大于2的前提下，确定透镜出光面直径D1、透镜高度H1和凸起底部与环状凸台底面之间的垂直距离为H2的数值，同时获知透镜角度β的数值；

c，设计材质及全反射角确定，选取项目所需的材质，并查物性表确定材料折射率，再根据折射率公式1/n=SinC/Sin90°，可求得全反射临界角度C；

d，基本设计方案或尺寸确认，由于出光面同时要作反射面，所以基本确定面7为镜面；为满足结构设计要求避开LED固定所需结构件，如螺丝等，根据经验值设定高度H3；面1为全反射面，在面1上镀高效反射膜；根据LED发光面大小和透镜设计经验值，确定光源容置腔底部开口直径D3的数值；

设计a1光学部分尺寸，因为该部分光线从质疏到质密再到质疏材质中，所以该部分的光线基本没有变化，所以该a1部分的角度基本按透镜角度的1/2定义，即LED光源与光源容置腔的入射顶面边缘的连线和透镜中心轴的夹角为透镜角度的1/2；综合考虑注塑成形条件及透过率损失，按经验设定光源容置腔的入射顶面与透镜顶面之间这部分的透镜厚度数值；

a2部分的设计分两部分，即面2的a2区域和面1的设计，根据设定的H1，H2，H3，D1尺寸，基本确定了面1回转线的起止点；设定光路x，y为入射到a2区域两个边界顶点的光路，x光路分为x1、x2、x3、x4四条光线，具体为LED光源发出的光线x1入射到a2区域的一个边界顶点折射形成x2再入射到面7发生全反射形成光线x3，x3入射到面1发生反射形成x4再从面7处直射出去；y光路分为y1、y2、y3、y4四条光线，具体为LED光源发出的光线y1入射到a2区域的另一个边界顶点折射后形成光线y2再经过面7发生全反射形成反射光线y3，y3再入射到面1时发生反射形成y4最后从面7处直射出去；通过上述光路x,y的设计，进一步确定或修正面1及面2的a2部分的起止点，y1光线射到面2的顶点位置，折射后形成的光线y2到面7形成全反射；由于已知全反射角，所以可以通过反向计算，求得面2顶点的切线；全反射的光线y3到1的顶点1后形成全反射光线y4，根据y4的角度可以通过反向计划得到面1的顶点的切线；x光线要通过光线的反向计算来计算，已知面1的顶点和x4的角度，可求得面2顶点的切线，通过面7反射形成的光线x2通过面2到达光源中心，由x1和x2可得面2的a2部分的另一边界顶点的切线；按此方法，在a2部分每2度计算一条光线传播路线，可得到面1和面2的多条切线，将各切线段连接起来，形成面1和面2；计算的点越多，结果就越准确；

a3区域的设计包括面2的a3区域和面4，入射到面2的a3区域的光线，经面2折射后到面4形成大于40度的入射角，产生全反射，按上述a1、a2区域的计算方法，可得面2的a3部分和面4的曲线；同时面4与x2的交点，即为凹槽的最深点；凹槽的面8与y3基本平行；

e，计算机模拟。将设计好的图导入到计算机模拟软件，进行设计模拟，并检查光路进行局部优化，使最终符合设计要求；

f，样品制作及测试，将模拟好的图纸制作模具，按设计的材质注塑成形。并按设计的光源与透镜的位置关系制作样品，用分布式光度计进行测试，测试结果符合设计要求。

相较于现有技术，本发明采用新颖的设计结构，出光效率高、出光面大，另外由于较大的出光面积，还能够有效降低眩光的出现。

附图说明

图1是现有的透镜结构及工作原理图；

图2是现有的透镜结构及工作原理图；

图3是本发明透镜的平面状态示意图；

图4是图3的侧视图；

图5是图3的A-A剖视图；

图6是本发明透镜的立体图；

图7是透镜的光路示意图。

具体实施方式

如图3至图7所示，一种用于LED灯的透镜，该透镜在结构上基本呈圆台形，包括直径较小的底面、直径较大的顶面及侧面，顶面为出光面，沿顶面的周缘向外延伸出环状凸台11，在透镜底面上设有一凹槽12，凹槽12的横截面为圆形，且凹槽12的内径由外到内逐渐减小，在凹槽12内又设有一凸起13，所述的凸起13凸出于透镜底面，凸起13整体呈圆台形，凸起横截面的直径由内到外逐渐减小，在凸起内设置有底部开口的光源容置腔14，光源容置腔14具有使光线进入到透镜的入射侧面、入射顶面，该透镜各部分的形状、大小是采用如下方法设计而成的:

定义透镜高度为H1，透镜高度即为从出光面到光源容置腔底部开口处的垂直距离，透镜出光面直径为D1，光源容置腔底部开口直径为D3，凸起底部与环状凸台底面之间的垂直距离为H2，凸起凸出于透镜底面的高度为H3，透镜的侧面定义为面1，光源容置腔的入射侧面定义为面2，面2为曲面，光源容置腔的入射顶面定义为面3，凸起的侧面定义为面4，透镜的顶面或出光面定义为面7，凹槽的侧壁面定义为面8；

a,以透镜的中心轴为界，取透镜纵截面的一半进行说明，LED光源处在透镜中心轴20与光源容置腔底部开口的交界处，将LED光源在光源容置腔内发出的光分成三个区域a1、a2、a3，各个区域分别配光，a1区域的光为入射到面3的光，此部分光入射到面3再折射后从面7透射出去；a2、a3部分的光均为入射到面2的光，其中a2区域的光经面2折射后形成全反射角在面7形成反射，反射到面1再反射出来；a3区域的光经面4反射出来。

b，设计要求：根据项目要求，设定透镜出光面直径D1为75mm,高度H1为15mm，直径高度比为5，凸起底部与环状凸台底面之间的垂直距离H2的数值为13～13.5mm；适用发光面7mm的COB，透镜角度为36度。

c，设计材质及全反射角确定。本案例选取透明PC为材质，查物性表材料折射率为1.58,根据折射率1/n=SinC/Sin90°,可得SinC=1/n=0.64。可求得全反射临界角度C为40°。

d，基本设计方案或尺寸确认，在本设计中，由于出光面同时要作反射面，所以基本确定面7为镜面，作为优选，本案选择平面镜面设计；为满足结构设计要求，高度H3为避开LED固定所需结构件，如螺丝等，根据经验值设定为3—4mm；面1为全反射面，为了满足H3高度要求，本设计采用镀高效反射膜；根据LED发光面大小，透镜设计经验值，确定透镜入光口即光源容置腔底部开口直径D3为14mm。

设计a1光学部分尺寸，因为该部分光线从质疏（空气）到质密（透镜PC）再到质疏（空气）材质中，所以该部分的光线基本没有变化，所以该部分的a1角度基本按透镜角度的1/2定义，按经验设定光源容置腔的入射顶面3与透镜顶面7之间这部分的透镜厚度数值为1.5—2mm。

a2部分的设计分两部分，即面2的a2区域和面1的设计，根据设定的H1，H2，H3，D1尺寸，基本确定了面1回转线的起止点；设定光路x，y为入射到a2区域两个边界顶点的光路，x光路分为x1、x2、x3、x4四条光线，具体为LED光源发出的光线x1入射到a2区域的一个边界顶点折射形成x2再入射到面7发生全反射形成光线x3，x3入射到面1发生反射形成x4再从面7处直射出去；y光路分为y1、y2、y3、y4四条光线，具体为LED光源发出的光线y1入射到a2区域的另一个边界顶点折射后形成光线y2再经过面7发生全反射形成反射光线y3，y3再入射到面1时发生反射形成y4最后从面7处直射出去；通过上述光路x,y的设计，进一步确定或修正面1及面2的a2部分的起止点，y1光线射到面2的顶点位置，折射后形成的光线y2到面7形成全反射；由于已知全反射角，所以可以通过反向计算，求得面2顶点的切线；全反射的光线y3到1的顶点后形成全反射光线y4，根据y4的角度可以通过反向计划得到面1的顶点的切线；x光线要通过光线的反向计算来计算，已知面1的顶点和x4的角度，可求得面2顶点的切线，通过面7反射形成的光线x2通过面2到达光源中心，由x1和x2可得面2的a2部分的另一边界顶点的切线；按此方法，在a2部分每2度计算一条光线传播路线，可得到面1和面2的多条切线，将各切线段连接起来，形成面1和面2；计算的点越多，结果就越准确。

a3区域的设计包括面2的a3区域和面4，入射到面2的a3区域的光线，经面2折射后到面4形成大于40度的入射角，产生全反射，按上述a1、a2区域的计算方法，可得面2的a3部分和面4的曲线；同时面4与x2的交点，即为凹槽的最深点6；凹槽的面8与y3基本平行；或凹槽的面8与透镜中心轴20的夹角略大于y3与透镜中心轴20的夹角。

e，计算机模拟。将设计好的图导入到计算机模拟软件，进行设计模拟，并检查光路进行局部优化，使最终符合设计要求。

f，样品制作及测试，将模拟好的图纸制作模具，按设计的材质注塑成形。并按设计的光源与透镜的位置关系制作样品，用分布式光度计进行测试，测试结果符合设计要求。

本发明的关键点是面2上的靠近面7的顶点5和凹槽12的设计，其设计要点是，在其角度区间的光线通过面2的折射到面7时，其入射角均大于40度，从而在面7产生全反射。

本发明带来的好处是：1，更大的发光面积，降低透镜的表面亮度，降低光线对人眼的伤害；同时也更接近传统光源发光特点，更受使用者喜欢；2，降低透镜的高度，为散热及电源节省空间，能进一步提升产品的性能；3，降低透镜厚度，能节省透镜成本，同时降低透镜成形时间，大幅降低透镜成本。

本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于LED灯的透镜，该透镜在结构上基本呈圆台形，包括直径较小的底面、直径较大的顶面及侧面，顶面为出光面，沿顶面的周缘向外延伸出环状凸台，其特征是：在透镜底面上设有一凹槽，凹槽的横截面为圆形，且凹槽的内径由外到内逐渐减小，在凹槽内又设有一凸起，所述的凸起凸出于透镜底面，凸起整体呈圆台形，凸起横截面的直径由内到外逐渐减小，在凸起内设置有底部开口的光源容置腔，光源容置腔具有使光线进入到透镜的入射侧面、入射顶面，该透镜各部分的形状、大小是采用如下方法设计而成的：

定义透镜高度为H1，透镜高度即为从出光面到光源容置腔底部开口处的垂直距离，透镜出光面直径为D1，光源容置腔底部开口直径为D3，凸起底部与环状凸台底面之间的垂直距离为H2，凸起凸出于透镜底面的高度为H3，透镜的侧面定义为面1，光源容置腔的入射侧面定义为面2，光源容置腔的入射顶面定义为面3，凸起的侧面定义为面4，透镜的出光面定义为面7，凹槽的侧壁面定义为面8；

a,以透镜的中心轴为界，取透镜纵截面的一半进行说明，LED光源处在透镜中心轴与光源容置腔底部开口的交界处，将LED光源在光源容置腔内发出的光分成三个区域a1、a2、a3，各个区域分别配光，a1区域的光为入射到面3的光，此部分光入射到面3再折射后从面7透射出去；a2、a3部分的光均为入射到面2的光，其中a2区域的光经面2折射后形成全反射角在面7形成反射，反射到面1再反射出来；a3区域的光经面4反射出来；

b，根据项目要求，在遵循透镜直径高度比大于2的前提下，确定透镜出光面直径D1、透镜高度H1和凸起底部与环状凸台底面之间的垂直距离为H2的数值，同时获知透镜角度β的数值；

c，设计材质及全反射角确定，选取项目所需的材质，并查物性表确定材料折射率，再根据折射率公式1/n＝SinC/Sin90°，可求得全反射临界角度C；

d，基本设计方案或尺寸确认，由于出光面同时要作反射面，所以基本确定面7为镜面；为满足结构设计要求避开LED固定所需结构件，如螺丝等，根据经验值设定高度H3；面1为全反射面，在面1上镀高效反射膜；根据LED发光面大小和透镜设计经验值，确定光源容置腔底部开口直径D3的数值；

设计a1光学部分尺寸，因为该部分光线从质疏到质密再到质疏材质中，所以该部分的光线方向基本没有变化，所以该a1部分的角度基本按透镜角度的1/2定义，即LED光源与光源容置腔的入射顶面边缘的连线和透镜中心轴的夹角为透镜角度的1/2；综合考虑注塑成形条件及透过率损失，按经验设定光源容置腔的入射顶面与透镜顶面之间这部分的透镜厚度数值；

a2部分的设计分两部分，即面2的a2区域和面1的设计，根据设定的H1，H2，H3，D1尺寸，基本确定了面1回转线的起止点；设定光路x，y为入射到a2区域两个边界顶点的光路，x光路分为x1、x2、x3、x4四条光线，具体为LED光源发出的光线x1入射到a2区域的一个边界顶点折射形成x2再入射到面7发生全反射形成光线x3，x3入射到面1发生反射形成x4再从面7处直射出去；y光路分为y1、y2、y3、y4四条光线，具体为LED光源发出的光线y1入射到a2区域的另一个边界顶点折射后形成光线y2再经过面7发生全反射形成反射光线y3，y3再入射到面1时发生反射形成y4最后从面7处直射出去；通过上述光路x,y的设计，进一步确定或修正面1及面2的a2部分的起止点，y1光线射到面2的顶点位置，折射后形成的光线y2到面7形成全反射；由于已知全反射角，所以可以通过反向计算，求得面2顶点的切线；全反射的光线y3到1的顶点1后形成全反射光线y4，根据y4的角度可以通过反向计划得到面1的顶点的切线；x光线要通过光线的反向计算来计算，已知面1的顶点和x4的角度，可求得面2顶点的切线，通过面7反射形成的光线x2通过面2到达光源中心，由x1和x2可得面2的a2部分的另一边界顶点的切线；按此方法，在a2部分每2度计算一条光线传播路线，可得到面1和面2的多条切线，将各切线段连接起来，形成面1和面2；计算的点越多，结果就越准确；

a3区域的设计包括面2的a3区域和面4，入射到面2的a3区域的光线，经面2折射后到面4形成大于40度的入射角，产生全反射，按上述a1、a2区域的计算方法，可得面2的a3部分和面4的曲线；同时面4与x2的交点，即为凹槽的最深点；凹槽的面8与y3基本平行；

e，计算机模拟，将设计好的图导入到计算机模拟软件，进行设计模拟，并检查光路进行局部优化，使最终符合设计要求；

f，样品制作及测试，将模拟好的图纸制作模具，按设计的材质注塑成形，并按设计的光源与透镜的位置关系制作样品，用分布式光度计进行测试，测试结果符合设计要求。

2.根据权利要求1所述的用于LED灯的透镜，其特征是：在面4、面7上涂布反射材料或镀高效反射膜。

3.根据权利要求1所述的用于LED灯的透镜，其特征是：所述面1、面4的表面为光滑圆锥面或圆弧面。