CN104421835A - 透镜及采用该透镜的灯具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种透镜，所述透镜具有一个中心轴，且所述透镜包括第一入光面、第二入光面、侧面、第一出光面、以及第二出光面；所述第二入光面环绕该第一入光面并与该第一入光面相配合形成一个收容空间以收容发光光源；所述侧面为环绕所述中心轴的凸曲面；该第一出光面为一个沿远离该第一入光面的方向凸出且环绕该中心轴的凸曲面；该第二出光面为一个沿邻近该第一入光面的方向凹陷且环绕该中心轴的凹面。所述透镜可对发光二极管中心光区的光与周边光区的光分别加以透射，使得中心光区的光强度减弱而周边光区的光强度增强，该透镜获得一个均匀光场。当该透镜使用在灯具中时，该灯具具有较佳的出光均匀度。

Description

透镜及采用该透镜的灯具
技术领域
本发明涉及照明领域，尤其涉及一种透镜，以及一种采用该透镜的灯具。
背景技术
目前，随着发光二极管(Light Emitting Diode，LED)芯片和封装工艺的成熟，LED亮度要求足以满足各个照明领域的需求，LED固态照明已经成为一种流行的趋势。它节能，环保，安全，具有显色指数高，寿命长的等性能特点；同时其也具有体积小，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，如道路、隧道、景观、室内家居、商业广告、工业制造等照明灯具的应用。
与白炽灯、金属卤素灯等发光是360度全方向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。因此在具体应用领域中，为符合该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。
然而，本发明的发明人发现：在进行LED应用的二次光学设计中，由于发光角度的原因LED的大部分光线是不经反射体而直接照射出去的，这造成LED的光能损失很大；如何有效利用这部分光能是LED光源应用所要解决的问题。
发明内容
本发明提供一种透镜及采用该透镜的灯具，用以解决现有LED光源存在的技术问题。
一方面，本发明提供了一种透镜，所述透镜具有一个中心轴，且所述透镜包括：一个第一入光面；一个第二入光面，其环绕该第一入光面并与该第一入光面相配合形成一个收容空间以收容发光光源；一个侧面，其连接该第二入光面以使由发光二极管发出且由第二入光面入射的光在该侧面上发生全反射，所述侧面为环绕所述中心轴的凸曲面；一个第一出光面，其与该第一入光面相对，由发光二极管发出且由第一入光面入射的光经透镜透射后从第一出光面出射，该第一出光面为一个沿远离该第一入光面的方向凸出且环绕该中心轴的凸曲面；以及一个第二出光面，其连接在该侧面与该第一出光面之间，以使在该侧面上发生全反射的光从该一个第二出光面出射，该第二出光面为一个沿邻近该第一入光面的方向凹陷且环绕该中心轴的凹面。
另一方面，本发明还提供了一种灯具，其包括一个透镜及一个发光光源，所述透镜具有一个中心轴，且所述透镜包括：一个第一入光面；一个第二入光面，其环绕该第一入光面并与该第一入光面相配合形成一个收容空间，所述发光光源设置在所述收容空间内；一个侧面，其连接该第二入光面以使由发光二极管发出且由第二入光面入射的光在该侧面上发生全反射，所述侧面为环绕所述中心轴的凸曲面；一个第一出光面，其与该第一入光面相对，由发光二极管发出且由第一入光面入射的光经透镜透射后从第一出光面出射，该第一出光面为一个沿远离该第一入光面的方向凸出且环绕该中心轴的凸曲面；以及一个第二出光面，其连接在该侧面与该第一出光面之间，以使在该侧面上发生全反射的光从该一个第二出光面出射，该第二出光面为一个沿邻近该第一入光面的方向凹陷且环绕该中心轴的凹面。
其中，所述发光光源为发光二极管。
其中，所述收容空间为倒圆台形，所述第一入光面为一个平面，所述第二入光面为一个锥形面。
其中，所述第二出光面为一个锥形面。
其中，所述透镜进一步包括一个与所述第一、第二出光面相对的底面，所述底面连接所述侧面，且所述收容空间由所述底面向内凹陷形成。
相对于现有技术，所述透镜可对发光二极管中心光区的光与周边光区的光分别加以透射，即中心光区的光经第一入光面入射后从第一出光面出射，而周边光面的光经第二入光面入射后到达侧面并在该侧面上发生全反射以产生会聚状偏转，进而从该第二出光面出射，由此，中心光区的光强度减弱而周边光区的光强度增强，该透镜获得一个均匀光场。当该透镜使用在灯具中时，该灯具具有较佳的出光均匀度。
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是本发明第一实施例所提供的透镜的结构示意图；
图2是图1所示透镜的俯视示意图；
图3是图1所示透镜沿III-III线的剖面示意图；
图4是图1所示透镜沿IV-IV线的剖面示意图；
图5是本发明第二实施例所提供的灯具的剖面示意图；
图6是图5所示灯具的光路示意图；
图7是图5所示灯具的光强分布曲线示意图；
图8是图5所示灯具的照度分布示意图。
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。
请一起参阅图1至图4，本发明第一实施例提供一种透镜20，其可采用透明材料，如塑料或玻璃制成。所述塑料可为PMMA(Polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(Poly Carbonate，聚碳酸脂)、或是硅树脂(silicone)等。
所述透镜20整体上呈现一个圆弧形外轮廓，其具有一个中心轴Ｍ，即所述透镜20相对所述中心轴Ｍ形成轴对称结构，因此，所述透镜20沿III-III的剖面图(图3)以及沿IV-IV的剖面图(图4)相同。另外，所述透镜20由该圆弧形外轮廓的一侧向内开设有一个凹槽(或称收容空间)22，如图3所示。
如图3所示，该透镜20包括有：一个底面20A、一个侧面23、一个入光面23、以及一个出光面25。
所述底面20A为一个平面，所述侧面23为环绕所述中心轴M的凸曲面；本实施例中，所述底面20A连接所述侧面23，且所述收容空间22由所述底面20A向内凹陷形成。
如图4所示，所述入光面23包括一个第一入光面231及一个第二入光面232，其中，所述第一入光面231位于所述收容空间22的底部，所述第二入光面232为所述收容空间22的内侧壁，且所述第二入光面232连接在所述第一入光面231与所述底面20A之间；本实施例中，所述收容空间22为倒圆台形，其中，所述第一入光面231为一个平面，所述第二入光面232为一个锥形面。
请继续参阅图4，所述出光面25包括一个第一出光面251及一个第二出光面252。其中，该第一出光面251与该第一入光面231相对，该第二出光面252位于该第一出光面251的外圈且分别连接该第一出光面251与该侧面23。
请一起参阅图3及图4，本实施例中，该第一出光面251为一个沿远离该第一入光面231的方向凸出且环绕该中心轴M的凸曲面，该第二出光面252为一个沿邻近该第一入光面231的方向凹陷且环绕该中心轴Ｍ的凹面，且该第二出光面252具体为一个锥形面。
所述透镜20可应用在如手电筒、展览品照明、实验室特殊照明、投光灯等高照度要求的环境下，解决LED的二次光学设计所遇到的上述问题，以发出具较佳光均匀度的光。
如图5所示，本发明第二实施例提供的一种灯具100，其包括本发明第一实施例所提供的透镜20，以及一个半导体固态发光光源，如发光二极管50等。
请一起参阅图6，该发光二极管50设置在该透镜20的收容空间22中，其发出的光强度具有近似圆对称的光场，即其中心光区(对应于光线I)的光强度较强，而周边光区(对应于光线II)的光强度较中心光区的光强度弱。
如图6所示，中心区域的光线I由第一入光面231入射至透镜20中，且其在该第一入光面231上发生折射并到达第一出光面251，进而由该第一出光面251出射于外界。而周边区域的光线II由第二入光面232入射至透镜20中，且其在该第二入光面232发生折射并到达侧面23，进而在该侧面23上发生全反射以产生会聚状偏转，从而到达第二出光面252，并从该第二出光面252出射至外界。
图6中灯具100的光路表明，所述透镜20可将发光二极管50中心光区的光线I与周边光区的光线II分别加以透射。一方面，中心光区的光线I经第一入光面231入射后从第一出光面251出射，在这个过程中该光线I被该透镜20准直成平行光；同时，周边光区的光线II经第二入光面232入射后从第二出光面252出射，在这个过程中该光线在侧面23上发生全反射并产生会聚状偏转。由此，中心光区的光强度减弱而周边光区的光强度增强，该透镜20获得一个均匀光场。
请进一步参阅图7及图8，在本实施例中，发光二极管50采用1pcs Cree XP-E3W的LED，其安装在透镜20的收容空间22内。模拟LED经透镜20配光后，其相应的光强分布如图7，照度分布如图8所示。具体地，在2米远测试位置最高光照度可以达到130lux，光斑半径为0.3米。
如图7所示，发光二极管50发出来的±50°以内的光线II通过第二入光面232折射及侧面23进行全反射后，再通过第二入光面232折射被分配到±8°的空间内。发光二极管50剩下50°～90°的光线I先通过第一入光面231的一次折射，再通过第一出光面251的二次折射，最后形成±8°左右的出射光线I。以上两次折射形成的光束I与全反射出来的平行光束II相互叠加满足均匀的照度要求，从而获得理想的配光效果。
由于当中心光区及周边光区的光线I、II从第一、第二出光面251、252出射时，其基本为平行光，因此，由该灯具100发出的光线还具有较佳的指向性，此时透镜20起到光线准直的作用。当该灯具100应用在手电筒、展览品照明、实验室特殊照明、投光灯的情况下时，该发光二极管50发出的光可得到较充分的利用。
综上所述，所述透镜20可对发光二极管50中心光区的光I与周边光区的光II分别加以透射，即中心光区的光I经第一入光面231入射后从第一出光面251出射，而周边光面的光II经第二入光面232入射后到达侧面21并在该侧面21上发生全反射以产生会聚状偏转，进而从该第二出光面252出射，由此，中心光区的光I强度减弱而周边光区的光II强度增强，该透镜20获得一个均匀光场。当该透镜20使用在灯具100中时，该灯具100具有较佳的出光均匀度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种透镜，所述透镜具有一个中心轴，且所述透镜包括：
一个第一入光面；
一个第二入光面，其环绕该第一入光面并与该第一入光面相配合形成一个收容空间以收容发光光源；
一个侧面，其连接该第二入光面以使由发光二极管发出且由第二入光面入射的光在该侧面上发生全反射，所述侧面为环绕所述中心轴的凸曲面；
一个第一出光面，其与该第一入光面相对，由发光二极管发出且由第一入光面入射的光经透镜透射后从第一出光面出射，该第一出光面为一个沿远离该第一入光面的方向凸出且环绕该中心轴的凸曲面；以及
一个第二出光面，其连接在该侧面与该第一出光面之间，以使在该侧面上发生全反射的光从该一个第二出光面出射，该第二出光面为一个沿邻近该第一入光面的方向凹陷且环绕该中心轴的凹面。
2.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述发光光源为发光二极管。
3.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述收容空间为倒圆台形，所述第一入光面为一个平面，所述第二入光面为一个锥形面。
4.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述第二出光面为一个锥形面。
5.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，进一步包括一个与所述第一、第二出光面相对的底面，所述底面连接所述侧面，且所述收容空间由所述底面向内凹陷形成。
6.一种灯具，其包括一个透镜及一个发光光源，所述透镜具有一个中心轴，且所述透镜包括：
一个第一入光面；
一个第二入光面，其环绕该第一入光面并与该第一入光面相配合形成一个收容空间，所述发光光源设置在所述收容空间内；
一个侧面，其连接该第二入光面以使由发光二极管发出且由第二入光面入射的光在该侧面上发生全反射，所述侧面为环绕所述中心轴的凸曲面；
一个第一出光面，其与该第一入光面相对，由发光二极管发出且由第一入光面入射的光经透镜透射后从第一出光面出射，该第一出光面为一个沿远离该第一入光面的方向凸出且环绕该中心轴的凸曲面；以及
一个第二出光面，其连接在该侧面与该第一出光面之间，以使在该侧面上发生全反射的光从该一个第二出光面出射，该第二出光面为一个沿邻近该第一入光面的方向凹陷且环绕该中心轴的凹面。
7.如权利要求6所述的灯具，其特征在于，所述发光光源为发光二极管。
8.如权利要求6所述的灯具，其特征在于，所述收容空间为倒圆台形，所述第一入光面为一个平面，所述第二入光面为一个锥形面。
9.如权利要求6所述的灯具，其特征在于，所述第二出光面为一个锥形面。
10.如权利要求6所述的灯具，其特征在于，进一步包括一个与所述第一、第二出光面相对的底面，所述底面连接所述侧面，且所述收容空间由所述底面向内凹陷形成。
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