CN104180298B - 全反射型投光透镜及使用该投光透镜的灯具 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全反射型投光透镜，以透镜光轴对称的圆台型透镜，第一端面中部向内凹陷形成光源容置腔，光源容置腔具有向外凸出的第一球面，光源容置腔的侧面为折射面；第二端面中部向内凹陷形成光线出射腔，光线出射腔具有向外凸出的第二球面；环绕光线出射腔形成环状凹槽；投光透镜的侧壁为全反射面。依次经第一球面和第二球面折射形成用于传输LED光源发射40°以内发射光的第一光线传输通路；依次经光源容置腔的侧面折射、投光透镜的侧壁全反射及环状凹槽折射形成用于传输LED光源发射40°‑90°发射光的第二光线传输通路；对LED光源任意角度的光线进行聚光，控制投光透镜出射光线发光角小于正负20度，提高对LED光源光线的利用率，增强对光线的聚光效果。

Description

全反射型投光透镜及使用该投光透镜的灯具

技术领域

本发明涉及照明灯具，特别是涉及一种全反射型投光透镜及使用该全反射型投光透镜的灯具。

背景技术

随着LED(Light Emitting Diode，发光二极管)芯片及封装工艺的成熟，LED亮度指标可以满足各个照明领域的需求，目前LED光源应用已经成为一种趋势。LED具有节能、环保、安全、显色指数高、寿命长等性能特点；同时其还具有体积小、光效高、能耗小等显著特点。

LED光源以其明显的优势被广泛地应用到科研实验、生产、生活的各个领域，如在道路、隧道、景观、室内家居、商业广告、工业制造等方面LED光源的应用。

与白炽灯、金属卤素灯等360度全方向发光的传统光源不同的是，LED由其芯片封装的结构决定了发光的多样性，如朗伯型、侧射型、蝙蝠型和聚光型几种。因此在具体应用中，为符合应用领域的行业或国家标准，需要进行二次光学设计，尤其是大功率LED光源，从而使得LED的光照范围、光强分布、照度等符合该行业照明的需求。

在LED应用的二次光学设计中，由于发光角度的原因导致LED的大部分光线不经反射体而直接照射出去，出光角过于分散，在特定光照范围内光能的利用率降低。因此，如何有效提高光能的利用率是LED光源应用噬待解决的问题。

发明内容

基于此，有必要提出一种充分利用LED光源光线，发光角小于正负20度的投光透镜以及使用该投光透镜的灯具。

一种全反射型投光透镜，所述投光透镜为以透镜光轴对称的圆台型透镜，所述投光透镜直径较小的第一端面中部向内凹陷形成一用于适配容置LED光源的光源容置腔，所述光源容置腔底面向外凸出形成第一球面，所述光源容置腔的侧面为折射面，所述光源容置腔的轴线垂直于所述第一端面；所述投光透镜直径较大的第二端面中部向内凹陷形成一用于光出射的光线出射腔，所述光线出射腔底面向外凸出形成第二球面；环绕所述光线出射腔形成环状凹槽，所述环状凹槽的内环边高于所述环状凹槽的外环边；所述投光透镜的侧壁为全反射面，所述圆台型透镜的母线为抛物线；所述第一球面和第二球面形成用于传输LED光源发射40°以内光线的第一光线传输通路；所述光源容置腔的侧面、所述投光透镜的侧壁及所述环状凹槽形成用于传输LED光源发射40°-90°光线的第二光线传输通路。

在其中一个实施例中，所述侧壁上坐标点(x₁，y₁)满足以下公式：

其中，坐标点(x₁，y₁)为在过所述透镜光轴的剖面坐标系中的坐标；β₁为过坐标点(x₁，y₁)在所述侧壁上的切线与平行于X轴的直线夹角；θ′₁为经所述侧面折射的折射角；δ为在所述侧壁上过坐标点(x₁，y₁)全反射的光线与平行于Y轴的直线夹角；所述第二球面上坐标点(x₂，y₂)满足以下公式：n sin(θ′₂+β₂)＝sin(α+β₂)，其中，坐标点(x₂，y₂)为在过所述透镜光轴的剖面坐标系中的坐标；β₂为所述第二球面的法线与平行于Y轴的直线夹角；θ′₂为经所述第一球面折射的折射角；α为所述第二球面过坐标点(x₂，y₂)出射的光线与平行于Y轴的直线夹角。

在其中一个实施例中，所述光源容置腔的侧面折射的光线逆向照射汇聚成一点O’，所述点O’与所述LED光源中心重合。

在其中一个实施例中，所述第一球面半径大于所述第二球面半径。

在其中一个实施例中，所述第二球面的投影直径大于2倍的所述环状凹槽的投影宽度。

在其中一个实施例中，所述第二球面的投影面积大于所述第一端面的投影面积。

在其中一个实施例中，所述光线出射腔的侧面为圆柱面。

在其中一个实施例中，所述光源容置腔的高度小于等于所述光线出射腔的高度。

在其中一个实施例中，所述投光透镜的材质为聚碳酸酯或者聚甲基丙烯酸甲酯。

本发明还提出一种包括上述全反射型投光透镜的灯具。

上述全反射型投光透镜以及使用该全反射型投光透镜的灯具，第一端面中部向内凹陷形成光源容置腔，光源容置腔具有向外凸出的第一球面，光源容置腔的侧面为折射面；第二端面中部向内凹陷形成光线出射腔，光线出射腔具有向外凸出的第二球面；第二端面外围环绕第二球面形成环状凹槽；投光透镜的侧壁为全反射面；第一球面和第二球面形成用于传输LED光源发射40°以内发射光的第一光线传输通路；光源容置腔的侧面、投光透镜的侧壁及环状凹槽形成用于传输LED光源发射40°-90°发射光的第二光线传输通路，从而对LED光源任意角度的光线进行聚光，控制投光透镜出射光线发光角小于正负20度，充分利用LED光源光线，极大的提高了对LED光源光线的利用率，大大增强了对光线的聚光效果。

附图说明

图1为本发明一个实施例投光透镜结构剖面图；

图2为本发明一个实施例投光透镜结构立体图；

图3为本发明一个实施例投光透镜结构侧视图；

图4为本发明一个实施例投光透镜出射光线配光曲线示意图；

图5为本发明一个实施例投光透镜光强分布曲线图；

图6为本发明一个实施例投光透镜照度分布图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。

该全反射型投光透镜为以透镜光轴对称的圆台型透镜，第一端面中部向内凹陷形成光源容置腔，光源容置腔具有向外凸出的第一球面，光源容置腔的侧面为折射面；第二端面中部向内凹陷形成光线出射腔，光线出射腔具有向外凸出的第二球面；环绕所述光线出射腔形成环状凹槽；投光透镜的侧壁为全反射面。

依次经第一球面折射和第二球面折射形成用于传输LED光源发射40°以内发射光的第一光线传输通路；依次经光源容置腔的侧面折射、投光透镜的侧壁全反射及环状凹槽折射形成用于传输LED光源发射40°-90°发射光的第二光线传输通路，从而对LED光源任意角度的光线进行聚光，控制投光透镜出射光线发光角小于正负20度，充分利用LED光源光线，极大的提高了对LED光源光线的利用率，大大增强了对光线的聚光效果。

上述LED光源发射角度以透镜光轴为0°。

图1是一个实施例中投光透镜结构剖面图。图2是一个实施例中投光透镜结构立体图。图3是一个实施例中投光透镜结构侧视图。结合图1和图3，该投光透镜为圆台型透镜，包括第一端面10、第二端面20以及连接第一端面10和第二端面20的侧壁30。第一端面10直径小于第二端面20直径。

第一端面10中部向内凹陷形成光源容置腔11，光源容置腔11用于适配容置LED光源，光源容置腔11底面向外凸出形成第一球面111，光源容置腔11的侧面112为用于光折射的圆柱面，光源容置腔11的母线垂直于第一端面10。LED光源光线经侧面112和第一球面111入射进投光透镜。该实施例中，光源容置腔11直径为D，大小根据LED光源的具体尺寸确定。放置LED光源时，LED光源中心与投光透镜的透镜光轴40重合。

第二端面20为出射面，第二端面20中部向内凹陷形成光线出射腔21，光线出射腔21中部向外凸出形成第二球面211，该实施例中，第一球面111与第二球面211反向设置，在投光透镜中部形成双凸透镜，分别对入射的光线进行折射，形成第一光线传输通路。

第二端面20的外围环绕光线出射腔21形成环状凹槽22，环状凹槽22为折射曲面，投光透镜的侧壁30为全反射面；该实施例中，LED光源光线经侧面112入射进投光透镜、投光透镜的侧壁30全反射入射的光线、环状凹槽22对全反射的光线进行折射，形成第二光线传输通路。

侧壁30上坐标点(x₁，y₁)满足以下公式：

其中，坐标点(x₁，y₁)为在过透镜光轴的剖面坐标系中的坐标；β₁为过坐标点(x₁，y₁)在侧壁30上的切线与平行于X轴的直线夹角；θ′₁为经侧面112折射的折射角；δ为在侧壁30上过坐标点(x₁，y₁)全反射的光线与平行于Y轴的直线夹角；Y轴即为透镜光轴。

第二球面211上坐标点(x₂，y₂)满足以下公式：

n sin(θ′₂+β₂)＝sin(α+β₂) (3)

其中，坐标点(x₂，y₂)为在过透镜光轴的剖面坐标系中的坐标；β₂为第二球面211的法线与平行于Y轴的直线夹角；θ′₂为经第一球面111折射的折射角；α为在第二球面211过坐标点(x₂，y₂)出射的光线与平行于Y轴的直线夹角；Y轴即为透镜光轴。

该实施例中，环状凹槽22的内环边221略高于环状凹槽的外环边222；第一球面111半径为R1，第二球面211半径为R2；且半径R1大于半径R2。

环状凹槽22的剖面曲线223半径为R3，半径R3<半径R1，半径R1与半径R3偏差在1mm内。

如图4所示，侧壁30由母线31绕透镜光轴40旋转360度形成。母线31为抛物线，通过侧面112折射的光线照射到母线31上，上述折射的光线逆向照射汇聚成一点O’，点O’与LED光源中心重合。

该实施例中，第二球面211的投影直径大于2倍的环状凹槽22的投影宽度；第二球面211的投影面积大于第一端面10的投影面积。投影为垂直投射在平行于第一端面10平面上的影像。环状凹槽22的投影宽度即为内环边221、外环边222在投射在平行于第一端面10平面上的影像的内环边、外环边宽度。

该实施例中，光线出射腔21的侧面212为圆柱面；光源容置腔11的高度小于等于光线出射腔21的高度。

在优选实施方式中，该投光透镜高度为14mm，外环边222半径＝18.5mm，第一端面10半径＝7.5mm，光线出射腔21半径＝9.7mm，光源容置腔11半径＝3.5mm，光线出射腔21高度＝4.88mm，光源容置腔11高度＝4.18mm，折射率n＝1.59，半径R1＝22mm，半径R2＝15.5mm，半径R3＝18.35mm，第一球面111球面顶点到LED光源中心的距离L＝3.9mm，第二球面211球面顶点到LED光源中心的距离L＝12.3mm，母线31的焦距F＝4.75mm。

图4是一个实施例中投光透镜出射光线配光曲线示意图。结合图1至图4，LED光源设置在光源容置腔11中。LED光源的光线经第一球面111和侧面112入射到投光透镜。第一球面111对LED光源发出的40°以内的光线进行折射，折射后形成的出射光线与透镜光轴40接近平行，最后由第二球面211射出，即第一光线传输通路；侧面112对LED光源发出的40°-90°的光线进行折射，侧壁30对折射后形成的出射光线进行全发射，全反射后光线与透镜光轴40接近平行，最后由环状凹槽22射出，即第二光线传输通路。经测定，该投光透镜出射光线发光角小于正负20度，第一光线传输通路与第二光线传输通路的光线相互叠加满足均匀的照度要求，从而获得理想的配光效果。

该实施例中，该投光透镜采用透明材料，便于注塑成型，优选采用聚碳酸酯(PC)或者聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质。

此外，本发明还提供一种包括上述全反射型投光透镜的灯具；根据需要，该灯具可以包括一个或者两个以上同一水平分布规则设置的上述投光透镜，且每个投光透镜独立的对应一个LED光源。

如图5、6所示，该灯具包括1个上述的投光透镜，投光透镜对应的LED光源采用CreeXP-E 3W的LED。经测定，在1米远测试位置最高光照度可以达到320lux，光斑半径为0.4米，该灯具光通量得到极大提高，光照度得到极大提升。

上述投光透镜以及使用该投光透镜的灯具，依次经第一球面折射和第二球面折射形成用于传输LED光源发射40°以内发射光的第一光线传输通路；依次经光源容置腔的侧面折射、投光透镜的侧壁全反射及环状凹槽折射形成用于传输LED光源发射40°-90°发射光的第二光线传输通路，从而对LED光源任意角度的光线进行聚光，控制投光透镜出射光线发光角小于正负20度，充分利用LED光源光线。同时，两次折射形成的光束与全反射出来的光束相互叠加满足均匀的照度要求，从而获得理想的配光效果，提高了对LED光源光线的利用率，适合中光束角度配光的投光灯使用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种全反射型投光透镜，其特征在于，所述投光透镜为以透镜光轴对称的圆台型透镜，所述投光透镜直径较小的第一端面中部向内凹陷形成一用于适配容置LED光源的光源容置腔，所述光源容置腔底面向外凸出形成第一球面，所述光源容置腔的侧面为折射面，所述光源容置腔的轴线垂直于所述第一端面；所述投光透镜直径较大的第二端面中部向内凹陷形成一用于光出射的光线出射腔，所述光线出射腔底面向外凸出形成第二球面；环绕所述光线出射腔形成环状凹槽，所述环状凹槽的内环边高于所述环状凹槽的外环边；所述投光透镜的侧壁为全反射面，所述圆台型透镜的母线为抛物线；

所述第一球面和第二球面形成用于传输LED光源发射40°以内光线的第一光线传输通路；所述光源容置腔的侧面、所述投光透镜的侧壁及所述环状凹槽形成用于传输LED光源发射40°-90°光线的第二光线传输通路。

2.根据权利要求1所述的全反射型投光透镜，其特征在于，所述侧壁上坐标点(x₁，y₁)满足以下公式：

其中，坐标点(x₁，y₁)为在过所述透镜光轴的剖面坐标系中的坐标；β₁为过坐标点(x₁，y₁)在所述侧壁上的切线与平行于X轴的直线夹角；θ′₁为经所述侧面折射的折射角；δ为在所述侧壁上过坐标点(x₁，y₁)全反射的光线与平行于Y轴的直线夹角；

所述第二球面上坐标点(x₂，y₂)满足以下公式：

n sin(θ′₂+β₂)＝sin(α+β₂)，

其中，坐标点(x₂，y₂)为在过所述透镜光轴的剖面坐标系中的坐标；β₂为所述第二球面的法线与平行于Y轴的直线夹角；θ′₂为经所述第一球面折射的折射 角；α为所述第二球面过坐标点(x₂，y₂)出射的光线与平行于Y轴的直线夹角；n为所述投光透镜的折射率。

3.根据权利要求2所述的全反射型投光透镜，其特征在于，所述光源容置腔的侧面折射的光线逆向照射汇聚成一点O’，所述点O’与所述LED光源中心重合。

4.根据权利要求2所述的全反射型投光透镜，其特征在于，所述第一球面半径大于所述第二球面半径。

5.根据权利要求2所述的全反射型投光透镜，其特征在于，所述第二球面的投影直径大于2倍的所述环状凹槽的投影宽度。

6.根据权利要求2所述的全反射型投光透镜，其特征在于，所述第二球面的投影面积大于所述第一端面的投影面积。

7.根据权利要求2所述的全反射型投光透镜，其特征在于，所述光线出射腔的侧面为圆柱面。

8.根据权利要求7所述的全反射型投光透镜，其特征在于，所述光源容置腔的高度小于等于所述光线出射腔的高度。

9.根据权利要求2所述的全反射型投光透镜，其特征在于，所述投光透镜的材质为聚碳酸酯或者聚甲基丙烯酸甲酯。

10.一种包括权利要求1至9任一所述的全反射型投光透镜的灯具。