CN104180296A - 透镜组件及具有该透镜组件的led灯具 - Google Patents

Abstract

一种透镜组件，用于光学处理LED光源射入的光线并射出，其特征在于，所述透镜组件包括第一曲面、第二曲面和咬花面；所述第一曲面为球冠形面并位于所述透镜组件的内侧，用于供所述LED光源发射的光线射入所述透镜组件；所述第二曲面位于所述透镜组件的外侧，用于供所述LED光源发射的光线射出；所述咬花面连接所述第一曲面与所述第二曲面。本发明还提供一种应用上述透镜组件的LED灯具。上述LED灯具中，所述LED光源发出的光线经由所述透镜组件光学处理后，该LED灯具具有较大的泛光角度，提高了光线利用率，而且具有较佳的泛光效果，满足了照明所要求的均匀度和平均照。

Description

透镜组件及具有该透镜组件的LED灯具

技术领域

本发明涉及照明领域，尤其涉及一种透镜组件及具有该透镜组件的LED（light emitting diode，发光二级光）灯具。

背景技术

现有的环照型泛光LED灯具大多数都是利用反光杯进行配光，然而，采用反光杯配光的方式会导致沿着LED光轴方向的光强较大，因此反光杯配出的泛光总会出现中间部分的光强偏高。为解决中间部分光强偏高的问题，往往会在LED灯具的出射面做成密布的小凸点（或凹孔）结构来实现泛光效果，或是采用出射面摩擦处理实现泛光的。然而，这些处理方式达到的泛光效果都不够均匀，而且泛光角度一般较小，光的利用率较低。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种泛光角度大且泛光均匀的透镜组件，解决了泛光效果不够均匀，且泛光角度较小与光的利用率较低的问题，满足了照明所要求的均匀度和平均照度。

此外，本发明的目的还在于提供一种应用上述透镜组件的LED灯具。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种透镜组件，用于光学处理LED光源射入的光线并射出，其特征在于，所述透镜组件包括第一曲面、第二曲面和咬花面；所述第一曲面为球冠形面并位于所述透镜组件的内侧，用于供所述LED光源发射的光线射入所述透镜组件；所述第二曲面位于所述透镜组件的外侧，用于供所述LED光源发射的光线射出；所述咬花面连接所述第一曲面与所述第二曲面；所述第二曲面的形状通过如下方法设计：

所述第二曲面和预设目标光斑在预设的立体空间内分成等量的网格，该第二曲面控制网格节点的法线矢量根据以下公式计算出：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_x=\frac{A_x-B_x}{\begin{array}{cc}\sqrt{2}& \sqrt{\left|A\right|-A\·A^{\′}}\end{array}}\\ N_y=\frac{A_y-B_y}{\begin{array}{cc}\sqrt{2}& \sqrt{\left|A\right|-A\·A^{\′}}\end{array}}\\ N_z=\frac{A_z-B_z}{\begin{array}{cc}\sqrt{2}& \sqrt{\left|A\right|-A\·A^{\′}}\end{array}}\end{array}\right.$

N＝N_xi+N_yj+N_zk；

A＝A_xi+A_yj+A_zk；A′＝B_xi+B_yj+B_zk；

其中，N为法线矢量，A为入射光线矢量，A’为出射光线矢量；

且所述预设目标光斑均匀分布在一与所述第一曲面同球心的球冠面上；

根据入射光线和出射光线斯涅耳（snell）定律，将网格的节点一一对应，整个第二曲面的网格节点坐标由迭代计算求出，最后将控制网格蒙皮形成曲面，再填充后形成实体，得到该第二曲面的自由曲面形状。

其中，所述透镜组件为发光角度为190°的宽光束环照型透镜，且整体呈其中一个底面由自由曲面过渡的圆柱体状。

其中，所述透镜组件由材质为聚甲基丙烯酸甲酯射出成型。

其中，所述咬花面位于一平面上，并通过咬花雾化处理制成。

本发明还提供一种LED灯具，包括LED光源和与所述LED光源相对设置的透镜组件，所述透镜组件用于光学处理所述LED光源发射的光线并出射该光线，其特征在于，该透镜组件包括第一曲面、第二曲面和咬花面；所述第一曲面为球冠形面并位于所述透镜组件的内侧，所述LED光源对准并容置于所述第一曲面内，该第一曲面用于供所述LED光源发射的光线射入该透镜组件；所述第二曲面位于所述透镜组件的外侧，用于供所述LED光源发射的光线射出；所述咬花面连接所述第一曲面与所述第二曲面；所述第二曲面的形状通过如下方法设计：

将所述第二曲面和预设目标光斑在预设的立体空间内分成等量的网格，该第二曲面控制网格节点的法线矢量根据以下公式计算出：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_x=\frac{A_x-B_x}{\begin{array}{cc}\sqrt{2}& \sqrt{\left|A\right|-A\·A^{\′}}\end{array}}\\ N_y=\frac{A_y-B_y}{\begin{array}{cc}\sqrt{2}& \sqrt{\left|A\right|-A\·A^{\′}}\end{array}}\\ N_z=\frac{A_z-B_z}{\begin{array}{cc}\sqrt{2}& \sqrt{\left|A\right|-A\·A^{\′}}\end{array}}\end{array}\right.$

N＝N_xi+N_yj+N_zk；

A＝A_xi+A_yj+A_zk；A′＝B_xi+B_yj+B_zk；

其中，N为法线矢量，A为入射光线矢量，A’为出射光线矢量；

且所述预设目标光斑均匀分布在一与所述第一曲面同球心的球冠面上；

根据入射光线和出射光线斯涅耳（snell）定律，将网格的节点一一对应，整个第二曲面的网格节点坐标由迭代计算求出，最后将控制网格蒙皮形成曲面，再填充后形成实体，得到该第二曲面的自由曲面形状。

其中，所述透镜组件为发光角度为190°的宽光束环照型透镜，且整体呈其中一个底面由自由曲面过渡的圆柱体状，该透镜组件由材质为聚甲基丙烯酸甲酯射出成型。

其中，所述LED光源的发光角度范围为110°～130°。

其中，所述LED光源的半光强角为170°。

其中，所述LED光源包括发光部，所述发光部整体呈球冠形，其球面半径等于所述第一曲面的球面半径，所述发光部对准并容置于该第一曲面内，且所述LED光源发出的光线直射至所述第一曲面上，并沿直线传输至所述透镜组件内。

其中，所述咬花面位于一平面上，并通过咬花雾化处理制成。

综上所述，本发明实施例所提供的LED灯具中，所述LED光源发出的光线经由所述透镜组件光学处理后，该LED灯具具有较大的泛光角度，提高了光线利用率，而且具有较佳的泛光效果，满足了照明所要求的均匀度和平均照度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施方式提供的具有透镜组件的LED灯具的立体示意图。

图2是图1所示LED灯具的剖视图。

图3是图1所示透镜组件的控制网格的法线及入射出射光线关系图。

图4是应用图1所示透镜组件的LED灯具的光强分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1及图2，本发明实施方式提供一种LED灯具100，其包括一LED光源10及一与该LED光源10相对设置的透镜组件20。所述透镜组件20可由材质为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）射出成型，其用于光学处理（如反射、折射）所述LED光源10发射的光线，并透过射出该光线。

所述LED光源10可为LED芯片，其发光角度范围为110°～130°。在本发明实施例中，所述LED光源10的型号为半光强角大约为170°的Cree XP-E3W（光效：60lm/w）。所述LED光源10包括一发光部12，该发光部12根据照明需要发射处相应颜色及强度的光线。

所述透镜组件20整体大致呈其中一个底面由自由曲面过渡的圆柱体状，其轴向界面大致为拱形。所述透镜组件20包括一第一曲面22、一第二曲面24及一连接该第一曲面22与第二曲面24的咬花面26。在本发明实施例中，所述透镜组件20可为针对郎伯型LED、且发光角度为190°的宽光束环照型透镜。

所述第一曲面22为球冠形面，其截面为半径为R的圆弧。所述LED光源10的发光部12整体大致呈球冠形，其尺寸等于或近似于所述第一曲面的尺寸，即该发光部12的球面半径也等于或近似为R。所述LED光源10的发光部12对准并容置于该第一曲面22内，该LED光源10发出的光线直射至所述第一曲面22上，以保证该光线不会出现偏移，即所述光线沿直线传输至所述透镜组件20内。

所述第二曲面24位于所述第一曲面22的外侧，其整体大致呈自由曲面状，该第二曲面24用于供所述LED光源10发射的光线折射后射出所述透镜组件20。在本发明实施例中，所述第二曲面24的形状具体由斯涅尔定律求出，其决定了所述LED灯具100光能量的分配及光强分布。

在本发明实施例中，所述咬花面26位于一平面上，并可通过咬花雾化处理制成。该咬花面26主要起漫反射作用，以增加光的利用率及防止杂散光影响。

所述第二曲面24的自由曲面形状通过如下方法设计：

请一并参阅图3，将所述透镜组件20的第二曲面24和预设目标光斑在预设的立体空间内分成等量的网格，所述第二曲面24控制网格节点的法线矢量根据以下公式计算出：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_x=\frac{A_x-B_x}{\begin{array}{cc}\sqrt{2}& \sqrt{\left|A\right|-A\·A^{\′}}\end{array}}\\ N_y=\frac{A_y-B_y}{\begin{array}{cc}\sqrt{2}& \sqrt{\left|A\right|-A\·A^{\′}}\end{array}}\\ N_z=\frac{A_z-B_z}{\begin{array}{cc}\sqrt{2}& \sqrt{\left|A\right|-A\·A^{\′}}\end{array}}\end{array}\right.$

N＝N_xi+N_yj+N_zk；

A＝A_xi+A_yj+A_zk；A′＝B_xi+B_yj+B_zk；

其中，N为法线矢量，A为入射光线矢量，A’为出射光线矢量；

且所述预设目标光斑均匀分布在一与所述第一曲面22同球心的球冠面上；

根据入射光线和出射光线斯涅耳（snell）定律，将网格的节点一一对应，整个所述第二曲面24的网格节点坐标由迭代计算求出，最后将控制网格蒙皮形成曲面，再填充后形成实体，得到所述第二曲面24的自由曲面形状。

在使用上述LED灯具100时，所述LED光源10产生的光线由所述第一曲面22射入所述透镜组件20，由于该第一曲面22为规则的球冠状面，因此射入所述透镜组件20内的光线将不会折射而偏移。所述光线再由所述第二曲面24经折射后射出该透镜组件20，射出的光线将照射在以所述第一曲面22为球心的190°辐射范围内。

请一并参阅图4，从所述透镜组件20的配光曲线图可知，具有该透镜组件20的所述LED灯具100的发光角度达到了190°，而且有效照射角度内的照度都很均匀，因此上述具有该透镜组件20的LED灯具100不仅照射角度大且具有很好的照度均匀度。

综上所述，本发明实施例所提供的LED灯具100中，所述LED光源10发出的光线经由所述透镜组件20光学处理后，该LED灯具100具有较大的泛光角度，提高了光线利用率，而且具有较佳的泛光效果，满足了照明所要求的均匀度和平均照度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种透镜组件，用于光学处理LED光源射入的光线并射出，其特征在于，所述透镜组件包括第一曲面、第二曲面和咬花面；所述第一曲面为球冠形面并位于所述透镜组件的内侧，用于供所述LED光源发射的光线射入所述透镜组件；所述第二曲面位于所述透镜组件的外侧，用于供所述LED光源发射的光线射出；所述咬花面连接所述第一曲面与所述第二曲面；所述第二曲面的形状通过如下方法设计：

将所述第二曲面和预设目标光斑在预设的立体空间内分成等量的网格，该第二曲面控制网格节点的法线矢量根据以下公式计算出：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_x=\frac{A_x-B_x}{\begin{array}{cc}\sqrt{2}& \sqrt{\left|A\right|-A\·A^{\′}}\end{array}}\\ N_y=\frac{A_y-B_y}{\begin{array}{cc}\sqrt{2}& \sqrt{\left|A\right|-A\·A^{\′}}\end{array}}\\ N_z=\frac{A_z-B_z}{\begin{array}{cc}\sqrt{2}& \sqrt{\left|A\right|-A\·A^{\′}}\end{array}}\end{array}\right.$

N＝N_xi+N_yj+N_zk；

A＝A_xi+A_yj+A_zk；A′＝B_xi+B_yj+B_zk；

其中，N为法线矢量，A为入射光线矢量，A’为出射光线矢量；

且所述预设目标光斑均匀分布在一与所述第一曲面同球心的球冠面上；

根据入射光线和出射光线斯涅耳（snell）定律，将网格的节点一一对应，整个第二曲面的网格节点坐标由迭代计算求出，最后将控制网格蒙皮形成曲面，再填充后形成实体，得到该第二曲面的自由曲面形状。

2.根据权利要求1所述的透镜组件，其特征在于，所述透镜组件为发光角度为190°的宽光束环照型透镜，且整体呈其中一个底面由自由曲面过渡的圆柱体状。

3.根据权利要求1所述的透镜组件，其特征在于，所述透镜组件由材质为聚甲基丙烯酸甲酯射出成型。

4.根据权利要求1所述的透镜组件，其特征在于，所述咬花面位于一平面上，并通过咬花雾化处理制成。

5.一种LED灯具，包括LED光源和与所述LED光源相对设置的透镜组件，所述透镜组件用于光学处理所述LED光源发射的光线并出射该光线，其特征在于，该透镜组件包括第一曲面、第二曲面和咬花面；所述第一曲面为球冠形面并位于所述透镜组件的内侧，所述LED光源对准并容置于所述第一曲面内，该第一曲面用于供所述LED光源发射的光线射入该透镜组件；所述第二曲面位于所述透镜组件的外侧，用于供所述LED光源发射的光线射出；所述咬花面连接所述第一曲面与所述第二曲面；所述第二曲面的形状通过如下方法设计：

将所述第二曲面和预设目标光斑在预设的立体空间内分成等量的网格，该第二曲面控制网格节点的法线矢量根据以下公式计算出：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_x=\frac{A_x-B_x}{\begin{array}{cc}\sqrt{2}& \sqrt{\left|A\right|-A\·A^{\′}}\end{array}}\\ N_y=\frac{A_y-B_y}{\begin{array}{cc}\sqrt{2}& \sqrt{\left|A\right|-A\·A^{\′}}\end{array}}\\ N_z=\frac{A_z-B_z}{\begin{array}{cc}\sqrt{2}& \sqrt{\left|A\right|-A\·A^{\′}}\end{array}}\end{array}\right.$

N＝N_xi+N_yj+N_zk；

A＝A_xi+A_yj+A_zk；A′＝B_xi+B_yj+B_zk；

其中，N为法线矢量，A为入射光线矢量，A’为出射光线矢量；

且所述预设目标光斑均匀分布在一与所述第一曲面同球心的球冠面上；

根据入射光线和出射光线斯涅耳（snell）定律，将网格的节点一一对应，整个第二曲面的网格节点坐标由迭代计算求出，最后将控制网格蒙皮形成曲面，再填充后形成实体，得到该第二曲面的自由曲面形状。

6.根据权利要求5所述的LED灯具，其特征在于，所述透镜组件为发光角度为190°的宽光束环照型透镜，且整体呈其中一个底面由自由曲面过渡的圆柱体状，该透镜组件由材质为聚甲基丙烯酸甲酯射出成型。

7.根据权利要求5所述的LED灯具，其特征在于，所述LED光源的发光角度范围为110°～130°。

8.根据权利要求5所述的LED灯具，其特征在于，所述LED光源的半光强角为170°。

9.根据权利要求5所述的LED灯具，其特征在于，所述LED光源包括发光部，所述发光部整体呈球冠形，其球面半径等于所述第一曲面的球面半径，所述发光部对准并容置于该第一曲面内，且所述LED光源发出的光线直射至所述第一曲面上，并沿直线传输至所述透镜组件内。

10.根据权利要求5所述的LED灯具，其特征在于，所述咬花面位于一平面上，并通过咬花雾化处理制成。