CN104180299B - 中光束配光透镜及使用该透镜的灯具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中光束配光透镜，为以透镜光轴对称的近椭圆球型透镜，所述透镜的端面包括中部向内凹陷形成一光源容置腔以及环绕所述光源容置腔的咬花面；所述透镜的端面以外部分形成出射面，所述出射面的母线为近椭圆形；所述端面过近椭圆形焦点且垂直于长轴，所述光源容置腔为半球型容置腔，所述光源容置腔球心与LED光源中心以及所述近椭圆形焦点重合。上述中光束配光透镜以及使用该中光束配光透镜的灯具，端面中部向内凹陷形成半球型容置腔，透镜的端面以外部分形成出射面，光线经半球型容置腔进入透镜，入射光线由出射面折射出，形成半光强角为20度光路；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，采用MT11000的咬花面可以防止杂散光影响。

Description

中光束配光透镜及使用该透镜的灯具

技术领域

本发明涉及照明灯具，特别是涉及一种中光束配光透镜及使用该中光束配光透镜的灯具。

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，由于出光角度的原因导致LED的大部分光线不经反射体而直接照射出去，从而在特定出光角范围内光能利用率不高。因此，如何有效提高LED光能利用率是噬待解决的问题。

发明内容

基于此，有必要提出一种充分利用LED光源光线，出光角小于20度的中光束配光透镜及使用该透镜的灯具。

一种中光束配光透镜，所述透镜为以透镜光轴对称的近椭圆球型透镜，所述透镜的端面包括中部向内凹陷形成一用于适配容置LED光源的光源容置腔以及环绕所述光源容置腔的咬花面；所述透镜的端面以外部分形成出射面，所述出射面的母线为近椭圆形；所述端面过近椭圆形焦点且垂直于长轴，所述光源容置腔为半球型容置腔，所述光源容置腔球心与LED光源中心以及所述近椭圆形焦点重合。

在其中一个实施例中，所述咬花面表面精度为MT11000。

在其中一个实施例中，所述透镜的入射光线和出射光线满足斯涅耳定律，具体满足公式：

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，B为A’在三个坐标的投影长度。

在其中一个实施例中，所述光源容置腔表面的外形构造为供光源光线入射到所述透镜的半球面。

在其中一个实施例中，所述光源容置腔球面半径为3.5mm，所述折射率n为1.59，所述母线的长轴半径为7.5mm，所述母线的短轴半径为6mm，所述母线的焦距为11mm。

在其中一个实施例中，所述咬花面12为圆环面，所述圆环面的宽度为1-2mm。

在其中一个实施例中，所述端面的咬花面采用雾化处理。

在其中一个实施例中，所述配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中光束配光透镜的灯具。

在其中一个实施例中，所述中光束配光透镜独立的对应一个LED光源。

上述中光束配光透镜以及使用该中光束配光透镜的灯具，端面中部向内凹陷形成半球型容置腔，透镜的端面以外部分形成出射面，光线经半球型容置腔进入透镜，入射光线由出射面折射出，形成半光强角为20度光路；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。该透镜结构简单、开模成型容易。

附图说明

图1为本发明一个实施例配光透镜结构剖面图；

图2为本发明一个实施例配光透镜结构立体图；

图3为本发明一个实施例配光透镜结构侧视图；

图4为本发明一个实施例配光透镜出射面的设计图；

图5为本发明一个实施例配光透镜光强分布曲线图。

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。

该中光束配光透镜，透镜为以透镜光轴对称的近椭圆球型透镜，透镜的端面包括中部向内凹陷形成光源容置腔以及环绕光源容置腔的咬花面，光源容置腔用于适配容置LED光源；透镜的端面以外部分形成出射面，出射面的母线为近椭圆形，端面过近椭圆形焦点且垂直于长轴，光源容置腔为半球型容置腔，光源容置腔球心与LED光源中心以及近椭圆形焦点重合。

上述中光束配光透镜，端面中部向内凹陷形成半球型容置腔，透镜的端面以外部分形成出射面，光线经半球型容置腔进入透镜，入射光线由出射面折射出，形成半光强角为20度光路；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。该透镜结构简单、开模成型容易。

图1是一个实施例中配光透镜结构剖面图。图2是一个实施例中配光透镜结构立体图。图3是一个实施例中配光透镜结构侧视图。结合图1和图3，该中光束配光透镜为以透镜光轴对称的近椭圆球型透镜，包括端面10、以及出射面20。可应用到手电筒、投光灯等灯具。

该透镜的端面10中部向内凹陷形成一光源容置腔11，光源容置腔11用于适配容置LED光源，端面10外围环绕光源容置腔11形成咬花面12；透镜的端面10以外部分形成出射面20，出射面20的母线21近椭圆形，端面10为过近椭圆形焦点且垂直于长轴的剖面。即该配光透镜为过椭圆形焦点且垂直于长轴的剖面切割，余下原点和焦点的部分，基于配光透镜为不完整的椭圆球，其出射面20的母线近椭圆形。

优选地，咬花面的表面精度为模德标准纹路MT11000，即咬花深度为0.0004，拔模角为1度。采用模德标准纹路MT11000的咬花面可以防止杂散光影响。

优选地，如图4所示，该透镜的入射光线和出射光线满足斯涅耳(snell)定律，具体满足公式：

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，B为A’在三个坐标的投影长度。

将透镜出射面和目标光斑分成等量的网格，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，整个出射面的曲面控制网格节点坐标由迭代计算求出，最后设计出类似椭圆形透镜。

光源容置腔11为半球型容置腔，该光源容置腔11表面的外形构造为供光源光线入射到透镜的半球面。上述半球型容置腔11半径R与LED光源表面弧接近，以保证光线出射不偏移。其中，半径R取值范围优选为1.5-3.5mm。

光源容置腔11球心与LED光源中心以及母线切割焦点重合。

该实施例中，端面10的咬花面12采用雾化处理。雾化处理的咬花面12起漫反射作用，增加光的利用率及防止杂散光影响。咬花面12为圆环面，圆环面的宽度为1-2mm。

在优选实施方式中，该半球型容置腔11的球面半径为3.5mm，折射率n为1.59，出射面母线的长轴半径OB为7.5mm，出射面母线的短轴半径OA为6mm，出射面母线的焦距FF’为11mm。

该实施例中，该配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中光束配光透镜的灯具；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配光透镜，且每个配光透镜独立的对应一个LED光源。

如图5所示，该灯具包括1个上述的配光透镜，配光透镜对应的LED光源采用CreeXP-E 3W的朗伯型LED。经测定，最高光照度可以达到450lux，该灯具光通量得到极大提高，光照度得到极大提升。

上述中光束配光透镜以及使用该中光束配光透镜的灯具，端面中部向内凹陷形成半球型容置腔，透镜的端面以外部分形成出射面，光线经半球型容置腔进入透镜，入射光线由出射面折射出，形成半光强角为20度光路；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。该透镜结构简单、开模成型容易。该灯具采用LED做光源，在相同照度要求下比其他光源能耗更低、更环保，可以替代现有的热致发光光源。该透镜结构简单紧凑超薄、成本低、易于批量生产。

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)

1.一种中光束配光透镜，其特征在于，所述透镜为以透镜光轴对称的近椭圆球型透镜，所述透镜的端面包括中部向内凹陷形成一用于适配容置LED光源的光源容置腔以及环绕所述光源容置腔的咬花面；所述透镜的端面以外部分形成出射面，所述出射面的母线为近椭圆形；所述端面过近椭圆形焦点且垂直于长轴，所述光源容置腔为半球型容置腔，所述光源容置腔球心与LED光源中心以及所述近椭圆形焦点重合。

2.根据权利要求1所述的中光束配光透镜，其特征在于，所述咬花面表面精度为MT11000。

3.根据权利要求1所述的中光束配光透镜，其特征在于，所述透镜的入射光线和出射光线满足斯涅耳定律，具体满足公式：

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

N＝N_xi+N_yj+N_zk；

A＝A_xi+A_yj+AZk；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，B为A’在三个坐标的投影长度。

4.根据权利要求1所述的中光束配光透镜，其特征在于，所述光源容置腔表面的外形构造为供光源光线入射到所述透镜的半球面。

5.根据权利要求1所述的中光束配光透镜，其特征在于，所述光源容置腔球面半径为3.5mm，其折射率n为1.59，所述出射面母线的长轴半径为7.5mm，所述出射面母线的短轴半径为6mm，所述出射面的焦距为11mm。

6.根据权利要求1所述的中光束配光透镜，其特征在于，所述咬花面为圆环面，所述圆环面的宽度为1-2mm。

7.根据权利要求6所述的中光束配光透镜，其特征在于，所述咬花面采用雾化处理。

8.根据权利要求1所述的中光束配光透镜，其特征在于，所述配光透镜的材质为聚碳酸酯或者聚甲基丙烯酸甲酯。

9.一种包括权利要求1至8任一所述的中光束配光透镜的灯具。

10.根据权利要求9所述的灯具，其特征在于，所述中光束配光透镜独立的对应一个LED光源。