CN103982856A - 透镜和具有该透镜的照明装置 - Google Patents

Abstract

用于照明装置的透镜（100），包括准直透镜模块（1）和微透镜模块（2），其将来自光源的光线调整为平行光线，并输出至微透镜模块，微透镜模块包括多个具有第一出射面（211）的微透镜单元（21），第一出射面设计成球面的一部分，微透镜单元具有：作为光轴的第一轴线（Z）；垂直于第一轴线的第二轴线（X）和第三轴线（Y），第二轴线和第三轴线彼此正交，平行光线经第一出射面出射后在远离于第一轴线的方向上偏转，平行光线经第一出射面调整后出射的光线在第三轴线的方向上的光分布范围大于在第二轴线的方向上的光分布范围，使得经第一出射面出射的光线在被照射物体上形成椭圆形的光分布。本发明还涉及一种具有该透镜的照明装置。

Description

透镜和具有该透镜的照明装置

技术领域

本发明涉及一种用于照明装置的透镜。此外，本发明还涉及一种具有上述类型的透镜的照明装置。

背景技术

LED照明技术因其发光效率高、能耗低和绿化环保的优点而越来越多地为人们所关注，并广泛地应用到各种类型的照明装置中。然而，需要对LED芯片发射的光线进行二次光学处理，以满足不同的照明需求。通常需要为LED芯片配备专门设计的透镜，从而获得不同的光束角，以满足预定的要求。由此使照明装置获得对称的或者不对称的光分布，例如圆形的光分布或者椭圆形的光分布。

在一些特殊的领域中，例如对展览品或者商品的照明中，或者为了实现特殊的装饰效果，往往需要获得椭圆形的光分布效果。为此，在现有技术中提出了一种透镜，该透镜包括准直透镜模块和微透镜模块，其中微透镜模块包括多个子透镜单元，这些子透镜单元具有部分圆柱形的出射面，这些部分圆柱形的出射面从微透镜模块的一边彼此平行的延伸至另一边。然而，这种透镜存在一个显著的缺陷，这是因为准直透镜模块首先将光源的光线调整为平行光线，然后经过微透镜模块调整或出射，但是，这种微透镜模块仅仅能够将一个方向的光线调整成在远离于透镜的光轴的方向出射，而与该方向垂直的另一个方向上的光线则始终是平行光线，微透镜模块无法在该方向上对平行光线的出射角进行调整。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于照明装置的透镜，该透镜能够在各个方向上对来自光源的光线进行调整，以获得在各个方向上都能调整的椭圆形光分布。此外，本发明还提出了一种具有上述类型的透镜的照明装置。

本发明的第一个目的通过一种用于照明装置的透镜由此实现，即该透镜包括准直透镜模块和微透镜模块，准直透镜模块将来自照明装置的光源的光线调整为平行光线，并输出至微透镜模块，其中，微透镜模块包括多个具有第一出射面的微透镜单元，第一出射面设计成球面的一部分，其中，微透镜单元具有：作为光轴的第一轴线；分别垂直于第一轴线的第二轴线和第三轴线，其中第二轴线和第三轴线彼此正交，平行光线经过第一出射面出射后在远离于第一轴线的方向上偏转，其中，经第一出射面调整出射的光线在第三轴线的方向上的光分布范围大于在第二轴线的方向上的光分布范围，使得经第一出射面出射的光线在被照射物体上形成椭圆形的光分布。在根据本发明的设计方案中，需要通过准直透镜将来自光源的光线调整为平行光线，该平行光线需要通过微透镜模块进行处理，以形成椭圆形光分布。根据本发明的透镜能够在各个方向上对平行光线进行调整，使得所有的平行光线都能够在远离于透镜的光轴的方向上输出，从而获得具有良好的椭圆形的光分布。

根据本发明提出，在由第二轴线和第三轴线限定的X-Y平面中，第一出射面和由第三轴线和第一轴线限定的Y-Z平面之间的相交曲线投影出的最长的投影部段的长度大于在第一出射面和由第二轴线和第一轴线限定的X-Z平面之间的相交曲线投影出的最长的投影部段的长度。在本发明的设计方案中，微透镜单元在垂直于第一轴线的横截面具有拉长的轮廓，也就是说，该轮廓仅仅相对于Y-Z平面和X-Z平面对称。由此，通过该微透镜单元出射的光线必然是拉长的轮廓，也就是说，不会形成圆形的光分布。此外，由于微透镜单元的第一出射面是球面的一部分，因此出射面在空间的各个角度上看都是弯曲的，进而由此出射的平行光线也必然会被调整。

根据本发明进一步提出，微透镜单元在X-Y平面上的轮廓设计为具有多对彼此平行的边的多边形，其中多边形具有一对彼此平行的第一边和至少一对彼此平行的第二边，其中第一边的长度大于第二边的长度。优选的是，微透镜单元在X-Y平面中具有六边形轮廓。

根据本发明提出，六边形轮廓如此确定，即多个具有相同的曲率半径和相同的间距的球面彼此相交，并且与所有相邻的球面相交的球面在X-Y平面中所具有的六边形轮廓作为六边形轮廓。在本发明的设计方案中，微透镜单元是通过多个彼此相交的球面构成的，而这些球面之间的摆放位置的不同导致了六边形轮廓的变化，从而进一步改变了对平行光线调整的效果。

在本发明的一个优选的设计方案中，多个球面排列成至少三个行和至少三个列，其中行中的微透镜单元的第一轴线的投影点连接成第一直线，列中的微透镜单元的第一轴线的投影点连成第二直线，其中第一直线和第二直线之间的夹角在0度和60度之间。根据本发明，微透镜模块包括多个微透镜单元，这些微透镜单元都是相同的，因此，计算出一个微透镜单元的尺寸和轮廓，就可以获知所有的微透镜单元的尺寸和轮廓，然后将这些微透镜单元组合在一起即可获得根据本发明的透镜中的微透镜模块。

进一步有利的是，第一边和第二边的长度取决于夹角，其中，第一边的长度随着夹角的变大而缩短，并且第二边的长度随着夹角的变大而变大。在本发明优选的实施例中，第一直线和第二直线之间的夹角可以为45度或30度，当然该夹角也不限于在0度和60度之间的其他角度。例如，夹角为45度时第一边的长度要小于夹角为30度时的第一边的长度，而夹角为45度时第二边的长度要大于夹角为30度时的第二边的长度。

根据本发明提出，准直透镜模块包括入射面、第二出射面以及连接在入射面和第二出射面之间的反射面，其中，反射面设计为全内反射面，并且来自光源的光线经过反射面反射后调整为平行光线。优选的是，入射面可以形成凹进区域，光源可以布置在该凹进区域中，以使得所有光线都能够进入到准直透镜模块中。

根据本发明的一个优选的设计方案提出，准直透镜模块与微透镜模块一体制成，其中微透镜模块的各个微透镜单元的第一出射面共同构成准直透镜模块的第二出射面。在该设计方案中，可以直接在准直透镜模块的第二出射面上形成微透镜模块的各个微透镜单元，实际上第一出射面和第二出射面为相同的表面。

根据本发明的另一优选的设计方案提出，准直透镜模块与微透镜模块分体制成，其中，第二出射面构成微透镜模块的承载面。该设计方案的一个决定性的优点在于，准直透镜模块作为微透镜模块的载体。在需要获得不同类型的椭圆形光分布时，可以简单地在准直透镜模块上更换另外的微透镜模块来实现上述目的。这显著地提高了根据本发明的透镜的适用范围。

本发明的另一个目的通过一种照明装置实现，该照明装置包括光源和前述类型的透镜。根据本发明的照明装置能够产生良好的椭圆形光分布。

优选的是，光源设计成LED光源。LED光源具有发光效率高，寿命长和绿色环保的优点。

应该理解的是，如果没有其它特别注明，这里描述的不同的示例性实施例的特征可以彼此结合。

附图说明

附图构成本说明书的一部分，用于帮助进一步理解本发明。这些附图图解了本发明的实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。在附图中相同的部件用相同的标号表示。图中示出：

图1是根据本发明的透镜示意图；

图2是根据本发明的透镜的微透镜模块的一个微透镜单元的俯视图；

图3a-图3b是通过图2示出的微透镜单元出射的光线的光路图；

图4a-图4b是形成图2中的微透镜单元的原理图；

图5a是通过根据本发明的透镜的准直透镜模块出射的光线的光分布图；

图5b是通过根据本发明的透镜的准直透镜模块出射的光线形成的光斑的示意图；

图6a是通过根据本发明的第一实施例的透镜出射的光线的光分布图；

图6b是通过根据本发明的第一实施例的透镜出射的光线形成的光斑的示意图；

图7a是通过根据本发明的第二实施例的透镜出射的光线的光分布图；

图7b是通过根据本发明的第二实施例的透镜出射的光线形成的光斑的示意图；

图8a是通过根据本发明的第三实施例的透镜出射的光线的光分布图；

图8b是通过根据本发明的第三实施例的透镜出射的光线形成的光斑的示意图。

具体实施方式

在下面详细描述中，参考形成本说明书的一部分的附图，其中，以例证的方式示出了可以实施本发明的具体实施例。关于图，诸如“顶”、“底”、“上”、“下”等方向性术语参考所描述的附图的方向使用。由于本发明实施例的组件可以在许多不同方向上放置，所以方向术语仅用于说明，而没有任何限制的意思。应该理解的是，可以使用其它实施例，并且在不背离本发明的范围的前提下可以进行结构或逻辑改变。所以，下面详细描述不应被理解为限制性的意思，并且本发明由所附的权利要求限定。

图1示出了根据本发明的透镜100的示意图。从图中可见，该透镜100包括准直透镜模块1和设置在准直透镜模块1上的微透镜模块2，其中，准直透镜模块1包括入射面11、第二出射面12以及连接在入射面11和第二出射面12之间的反射面13，其中，反射面13设计为全内反射面，并且来自照明装置的光源（其优选为LED光源）的光线经过反射面13反射后调整为平行光线（参见图5a-图5b）并输出至微透镜模块2。

另外，从图1中进一步可见，微透镜模块2包括多个具有第一出射面211的微透镜单元21，第一出射面211设计成球面的一部分。

此外，在本发明设计方案中提出，准直透镜模块1与微透镜模块2一体制成，其中微透镜模块2的各个微透镜单元21的第一出射面211共同构成准直透镜模块1的第二出射面12。在该设计方案中，可以直接在准直透镜模块1的第二出射面12上形成微透镜模块2的各个微透镜单元21，实际上第一出射面211和第二出射面12为相同的表面。

而在本发明的另一个优选的设计方案中提出，准直透镜模块1与微透镜模块2分体制成，其中，第二出射面12构成微透镜模块2的承载面。该设计方案的一个决定性的优点在于，准直透镜模块1作为微透镜模块2的载体。在需要获得不同类型的椭圆形光分布时，可以简单地在准直透镜模块1上更换另外的微透镜模块2来实现上述目的。这显著地提高了根据本发明的透镜100的适用范围。

图2示出了微透镜单元21的俯视图，该微透镜单元21具有：作为微透镜模块2的光轴的第一轴线Z；分别垂直于第一轴线Z的第二轴线X和第三轴线Y，其中第二轴线X和第三轴线Y彼此正交，平行光线经过第一出射面211出射后在远离于第一轴线Z的方向上偏转。此外，从图中可见，微透镜单元21包括：由第一轴线Z（垂直于纸面的方向）和第三轴线Y限定出的Z-Y平面，和由第一轴线Z和第二轴线X限定出的Z-X平面，其中，在由第二轴线X和第三轴线Y限定的X-Y平面中，第一出射面211和由第三轴线Y和第一轴线Z限定的Y-Z平面之间的相交曲线投影出的最长的投影部段的长度大于在第一出射面211和由第二轴线X和第一轴线Z限定的X-Z平面之间的相交曲线投影出的最长的投影部段的长度。在本实施例中，微透镜单元21在X-Y平面中的截面为具有多对彼此平行的边的多边形，其中多边形具有一对彼此平行的第一边212和至少一对彼此平行的第二边213，其中第一边212的长度大于第二边213的长度。在本实施例中，该微透镜单元21在该截面中具有拉长的六边形轮廓。

参见图3a-图3b示出的光路图，平行光线经第一出射面211调整后出射的光线在第三轴线Y的方向上的光分布范围（图3b）大于在第二轴线X的方向上的光分布范围（图3a），使得经第一出射面211出射的光线在被照射物体上形成椭圆形的光分布（参见图6至图8）。

图4a-图4b是形成图2中的微透镜单元21的原理图。根据本发明的设计方案提出，六边形轮廓如此确定，即多个具有相同的曲率半径和相同的间距的球面彼此相交，并且与所有相邻的球面相交的球面在X-Y平面中所具有的六边形轮廓确定作为六边形轮廓。这些球面排列成至少三个行和至少三个列，其中行中的微透镜单元21的第一轴线Z的投影点连接成第一直线，列中的微透镜单元21的第一轴线Z的投影点连成第二直线，其中第一直线和第二直线之间的夹角在0度和60度之间。根据本发明的设计方案提出，第一边212和第二边213的长度取决于夹角，其中，第一边的长度随着夹角的变大而缩短，并且第二边的长度随着夹角的变大而变大。

图4a示出了本发明的一个优选的设计方案，其中夹角被选择为45度，而图4b示出了本发明的另一个优选的设计方案，其中，夹角被选择为30度。当然该夹角也不限于在0度和60度之间的其他角度。例如，夹角为45度时第一边212的长度要小于夹角为30度时的第一边212的长度，而夹角为45度时第二边213的长度要大于夹角为30度时的第二边213的长度。

在图4a和图4b中仅仅示意性的示出了如何获得所需的微透镜单元21的六边形轮廓，在获得预定的六边形轮廓之后，可以复制具有这种六边形轮廓的微透镜单元21并组合出根据本发明的微透镜模块2。

图5a示出了准直透镜模块1输出的光线的光分布图，而图5b则示出准直透镜模块1出射的光线形成的光斑的示意图，从图中可见，该光斑几乎为圆形的光斑。

图6a示出了通过根据本发明的第一实施例的透镜100出射的光线的光分布图，在本实施例中，第一直线和第二直线之间的夹角选择为20度。图7a示出了通过根据本发明的第二实施例的透镜100出射的光线的光分布图，在本实施例中，第一直线和第二直线之间的夹角选择为30度。图8a示出了通过根据本发明的第三实施例的透镜100出射的光线的光分布图，在本实施例中，第一直线和第二直线之间的夹角选择为45度。参照图7至图8的各个附图，从图中可见，在各个角度下所产生的椭圆形的光斑的轮廓都随角度的变化发生了变化。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

参考标号

1        准直透镜模块

11       入射面

12       第二出射面

13       反射面

2        微透镜模块

21       微透镜单元

211      第一出射面

212      第一边

213      第二边

Z        第一轴线

X        第二轴线

Y        第三轴线

100      透镜

Claims (12)

1.一种用于照明装置的透镜（100），包括准直透镜模块（1）和微透镜模块（2），所述准直透镜模块（1）将来自所述照明装置的光源的光线调整为平行光线，并输出至所述微透镜模块（2），其特征在于，所述微透镜模块（2）包括多个具有第一出射面（211）的微透镜单元（21），所述第一出射面（211）设计成球面的一部分，其中，所述微透镜单元（21）具有：作为光轴的第一轴线（Z）；分别垂直于所述第一轴线（Z）的第二轴线（X）和第三轴线（Y），其中所述第二轴线（X）和所述第三轴线（Y）彼此正交，所述平行光线经过所述第一出射面（211）出射后在远离于所述第一轴线（Z）的方向上偏转，其中，经所述第一出射面（211）出射的光线在所述第三轴线（Y）的方向上的光分布范围大于在所述第二轴线（X）的方向上的光分布范围，使得经所述第一出射面（211）出射的光线在被照射物体上形成椭圆形的光分布。

2.根据权利要求1所述的透镜（100），其特征在于，在由所述第二轴线（X）和所述第三轴线（Y）限定的X-Y平面中，所述第一出射面（211）和由所述第三轴线（Y）和所述第一轴线（Z）限定的Y-Z平面之间的相交曲线投影出的最长的投影部段的长度大于在所述第一出射面（211）和由所述第二轴线（X）和所述第一轴线（Z）限定的X-Z平面之间的相交曲线投影出的最长的投影部段的长度。

3.根据权利要求2所述的透镜（100），其特征在于，所述微透镜单元（21）在X-Y平面上的轮廓设计为具有多对彼此平行的边的多边形，其中所述多边形具有一对彼此平行的第一边（212）和至少一对彼此平行的第二边（213），其中所述第一边（212）的长度大于所述第二边（213）的长度。

4.根据权利要求3所述的透镜（100），其特征在于，所述微透镜单元（21）在所述X-Y平面中具有六边形轮廓。

5.根据权利要求4所述的透镜（100），其特征在于，所述六边形轮廓如此确定，即多个具有相同的曲率半径和相同的间距的球面彼此相交，并且与所有相邻的球面相交的球面在所述X-Y平面中所具有的六边形轮廓作为所述六边形轮廓。

6.根据权利要求5所述的透镜（100），其特征在于，多个所述球面排列成至少三个行和至少三个列，其中所述行中的所述微透镜单元（21）的第一轴线（Z）的投影点连接成第一直线，所述列中的微透镜单元（21）的第一轴线（Z）的投影点连成第二直线，其中所述第一直线和所述第二直线之间的夹角在0度和60度之间。

7.根据权利要求6所述的透镜（100），其特征在于，所述第一边（212）和所述第二边（213）的长度取决于所述夹角，其中，所述第一边（212）的长度随着所述夹角的变大而缩短，并且所述第二边（213）的长度随着所述夹角的变大而变大。

8.根据权利要求1或2所述的透镜（100），其特征在于，所述准直透镜模块（1）包括入射面（11）、第二出射面（12）以及连接在所述入射面（11）和所述第二出射面（12）之间的反射面（13），其中，所述反射面（13）设计为全内反射面，并且来自所述光源的光线经过所述反射面（13）反射后调整为所述平行光线。

9.根据权利要求8所述的透镜（100），其特征在于，所述准直透镜模块（1）与所述微透镜模块（2）一体制成，其中所述微透镜模块（2）的各个所述微透镜单元（21）的所述第一出射面（211）共同构成所述准直透镜模块（1）的第二出射面（12）。

10.根据权利要求8所述的透镜（100），其特征在于，所述准直透镜模块（1）与所述微透镜模块（2）分体制成，其中，所述第二出射面（12）构成所述微透镜模块（2）的承载面。

11.一种照明装置，包括光源，其特征在于，所述照明装置还包括根据权利要求1至10中任一项所述的透镜（100）。

12.根据权利要求11所述的照明装置，其特征在于，所述光源设计成LED光源。