CN104755988B - 用于发光二极管的包括截头锥形表面的全向反射器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于具有一个发光二极管(LED)作为光源的灯或照明设备的光学元件(100)，所述光学元件(100)使得来自所述LED的单向光输出分布成具有受控光强变化的全向输出。还可以在所述光学元件和所述LED周围使用漫射器以通过例如散射提供对光射线的进一步分布。所述光学元件(100)定位成与所述LED相邻并且限定中心轴(CA)和基本上正交于所述中心轴(CA)的横轴(L)，所述光学元件(100)围绕所述中心轴(CA)周向延伸并且包括：凸状光接收表面(102)，截头锥形光投射表面(104)，以及弯曲光反射表面(114)。

Description

用于发光二极管的包括截头锥形表面的全向反射器
技术领域
本发明的主题总体涉及照明装置，并且更具体地，涉及使用作为光源的一个或多个LED以及光学元件以提供改进的光分布的照明装置。
背景技术
常规的白炽灯(诸如常用A19灯泡大小)通常提供相对均匀的光分布。确切地说，在距贯穿灯泡的中线轴线固定距离处、但以不同角度来测量的光强是相对恒定的。除了消费者吸引力以外，该均匀性对于某些应用可能是必要的。
与白炽灯相比，具有某些优势的其它类型的发光装置是可用的。例如，发光二极管(LED)可以提供与白炽灯相当的光输出，但其能源效率显著提高。另外，LED灯的寿命可能比白炽灯要长得多。
可将LED配置在包括螺纹灯座(有时称为“爱迪生灯座”)的灯中，以使得其可与常规的白炽灯互换。还可提供漫射器以使得除了光散射以外还可提供具有类似于常见白炽灯的形状的LED灯。LED提供的光的颜色和强度也可类似于白炽灯。
然而，对非白炽灯的使用仍然存在某些挑战。例如，LED灯要求相关联的电路板并且要比光输出相当的白炽灯产生显著更多的热量。另外，LED近似于朗伯源起作用，并且因此它们通常不会单独提供均匀分布的全向光输出。LED装置通常平坦安装在电路板上以使得光输出基本上沿垂直于电路板的平面的线。
由此，电路板和热量管理功能造成沿每个方向的不同的光损耗，即，从而导致来自LED的光分布不均匀性。向LED提供更多能量可以增加光输出量，但仍可能不提供均匀性。然而，这还增加所产生的热量的量，这将降低LED性能，除非进行另外的热管理(诸如更大冷却功能)。然而，整个灯的大小可受限制，这取决于预期应用或所需的常规的灯形式。
因此，一种用于更均匀地分布来自包括一个或多个LED或替代地具有紧密封装在一起的多个芯片的板上芯片LED的光源的光学元件或透镜将会是有用的。更具体地，一种可相对于LED提供具有较小光强变化但具有不同角度的照明的光学元件将会是有益的。结合有这种光学元件的照明设备或灯也将是有用的。
发明内容
本发明提供一种用于具有至少一个发光二极管(LED)作为光源的灯或照明设备的光学元件。或者，所述源可以是具有紧密封装好的多个LED管芯的板上芯片(COB)LED。光学元件接近LED定位并从所述LED接收光射线。转而，光学元件使得来自LED的基本上单向的(朗伯)光输出分布成在LED周围的不同位置处并具有受控光强变化的全向输出。还可以在光学元件和LED周围使用漫射器以通过例如光散射来提供对光射线的进一步分布。本发明的其他方面和优点将部分地在以下描述中阐明，或可从本描述清楚，或可通过本发明的实践了解。
在一个示例性实施例中，本发明提供一种照明设备，所述照明设备包括至少一个发光二极管和定位成与所述至少一个发光二极管相邻的光学元件。所述光学元件限定中心轴和基本上正交于所述中心轴的横轴。所述光学元件围绕中心轴周向延伸并且包括：凸状光接收表面，所述凸状光接收表面是围绕所述中心轴基本上对称的，并且定位成与至少一个发光二极管相邻；截头锥形光投射表面，所述截头锥形光投射表面横向地定位在凸状光接收表面外侧并且是围绕中心轴基本上对称的；以及弓形光反射表面，所述弓形光反射表面横向地定位在截头锥形光投射表面内侧并且是围绕中心轴基本上对称的，所述弓形光反射表面沿中心轴与凸状光接收表面间隔开来。
在另一个示例性实施例中，本发明提供一种照明设备，所述照明设备包括至少一个发光二极管和定位成与所述至少一个发光二极管相邻的光学元件。光学元件限定中心轴和基本上正交于所述中心轴的横轴。光学元件围绕中心轴周向延伸并且包括：光接收表面，所述光接收表面是围绕中心轴基本上对称的并且定位成与至少一个发光二极管相邻，所述光接收表面与中心轴形成锐角；光投射表面，所述光投射表面是围绕中心轴基本上对称的，并且沿中心轴与光接收表面间隔开来；截头锥形表面，所述截头锥形表面与光投射表面连接并且是围绕中心轴基本上对称的；以及弓形光反射表面，所述弓形光反射表面横向地定位在截头锥形表面内侧并且是围绕中心轴基本上对称的，弓形光反射表面沿中心轴与光接收表面间隔开来。
在另一个示例性实施例中，本发明提供一种用于具有至少一个发光二极管的照明设备的光学元件。光学元件用于定位成与至少一个发光二极管相邻。光学元件限定中心轴和基本上正交于所述中心轴的横轴。光学元件围绕中心轴周向延伸。光学元件包括光接收表面,所述光接收表面围绕中心轴周向延伸，并且配置用于定位在至少一个发光二极管附近。截头锥形表面沿横向反向与光接收表面间隔开来，并且围绕中心轴周向延伸，并且是围绕中心轴基本上对称的。弓形光反射表面横向地定位在截头锥形表面内侧，并且围绕中心轴周向延伸，并且是围绕中心轴基本上对称的。光学元件被配置成使得来自至少一个发光二极管的光是发射自光学元件，其中在0至135度的角度范围内以距中心轴CA固定距离测量到的光强变化与在0至135度的角度范围内测量到的平均光强相差不到±20％。
参考以下描述以及附图，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，示出本发明的各实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本说明书参考附图，针对所属领域中的普通技术人员，完整且可实现地公开了本发明，包括其最佳模式，其中：
图1提供本发明的光学元件的示例性实施例的透视图。
图2提供图1的示例性实施例的横截面透视图。
图3为沿图1的线3-3截得的图1的示例性实施例的横截面图。
图4为沿中心轴CA的一侧的图1的示例性实施例的外表面的示意图。
图5为表示图1的示例性光学元件对来自某些光源的光射线的效果的示意图，如本说明书进一步描述。
图6为描绘针对图1的示例性实施例的随位置而变化的光强的图，如本说明书中将进一步描述。
图7为本发明的另一个示例性实施例的透视图。
图8为本发明的光学元件的另一个示例性实施例的透视图。
图9提供图8的示例性实施例的横截面透视图。
图10为沿图10的线10-10截得的图8的示例性实施例的横截面图。
图11为图8的示例性实施例的外表面的示意图。
图12为表示图8的光学元件对来自某些光源的光射线的效果的示意图，如本说明书进一步描述。
图13为带有示例性漫射器的图5的示例性光学元件和LED的透视图。
具体实施方式
现将详细参考本发明的各实施例，附图中示出本发明的各实施例的一个或多个实例。每个实例用以解释本发明而非限制本发明。事实上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明做出各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征可用于其他实施例中，从而得到另一个实施例。因此，本发明旨在涵盖所附权利要求及其等效物的范围内的此类修改和变化。
本发明的透镜或光学元件100的示例性实施例在图1至图4中示出。光学元件100(包括某些表面，如将进一步描述的)围绕中心轴CA是基本上对称的，并且围绕中心轴CA沿周向方向C延伸。出于进一步描述本发明的这个示例性实施例的目的，光学元件100限定基本上正交于中心轴CA而延伸的横向方向L。光学元件100可以包括透光材料，例如像玻璃、聚合物(诸如聚碳酸酯或丙烯酸树脂)、或其他透光材料。
光学元件100包括凸状光接收表面102。在诸如灯的照明设备中，凸状光接收表面102将会定位成与一个或多个LED相邻或与一个或多个LED紧密接近，并且将会允许来自这些光源的光射线传播至光学元件100(图5)中。凸状光接收表面102围绕中心轴CA周向延伸，并且是围绕中心轴CA基本上对称的。如图4指示，对于这个示例性实施例，凸状光接收表面由约11.75mm的半径R1限定。也可使用其他值的半径R1。
凸状光接收表面102是光学元件100的圆柱形部分110的一部分。圆柱形部分110包括圆柱形表面108，当沿图3中示出的横截面观察时，圆柱形表面108为线性的。圆柱形部分110沿中心轴CA的长度可变化以得到本发明的另一些实施例。
光学元件100还包括沿中心轴CA的方向与圆柱形部分110相邻的喇叭形部分112。喇叭形部分112包括截头锥形光投射表面104，截头锥形光投射表面104横向地定位在凸状光接收表面102外侧。表面104围绕光学元件100的中心轴CA周向延伸，并且是围绕中心轴CA基本上对称的。如图4所示，对于这个示例性实施例，截头锥形光投射表面104与中心轴CA形成锐角，并相对于横向方向L形成角度θ6。在一个示例性实施例中，角度θ6形成在与横向方向L成约50度至约70度的范围内的角度。在另一个示例性实施例中，角度θ6为约60度。
喇叭形部分112还包括弓形光反射表面114，弓形光反射表面114横向地定位在截头锥形光投射表面104内侧。表面114围绕光学元件100的中心轴CA周向延伸，并且是围绕中心轴CA基本上对称的。虽然被示出为自由形态曲线，但也可以参考图4的角度θ1、θ2、θ3、θ4和θ5描述弓形光反射表面114。每个此类角度θi均表示在位置10、20、30、40和50处与表面114相切的线相对于横向方向L的角度。位置10、20、30、40、50位于包括中心轴CA和横向方向L的平面中，并沿表面114以相等的距离彼此间隔开来。
对于一个示例性实施例，θ1为约63度，θ2为约38度，θ3为约24度，θ4为约19度，并且θ5为约14度。在另一个示例性实施例中，θ1在约50度至约70度的范围内，θ2在约30度至约50度的范围内，θ3在约20度至约30度的范围内，θ4在约10度至约30度的范围内，并且θ5在约10度至约30度的范围内。其他形状也可用于弓形光反射表面114。
如图1至图3所示，光学元件100还包括平坦光投射表面106，平坦光投射表面106位于基本上垂直于中心轴CA的平面中，并且基本上平行于横轴L。平坦光投射表面106与截头锥形光投射表面104在边缘116处连接，边缘116围绕中心轴CA周向延伸并且是围绕中心轴CA基本上对称的。平坦光投射表面106与弓形光反射表面114在边缘118处连接，边缘118围绕中心轴CA周向延伸并且是围绕中心轴CA基本上对称的，并且横向地定位在边缘116内侧。边缘118与位置50(图4)重合。
光学元件100包括锥形表面122，锥形表面122以围绕中心轴CA基本上对称的方式配置，并在边缘124处连接至弓形光反射表面114。如图所示，表面122在零度方向上沿中心轴CA打开。边缘124与位置10重合。
弓形光反射表面114可被覆盖或涂覆有高反射性材料，所述高反射性材料与用于光学元件100的主体120的构造的材料不同。例如，表面114可金属化或覆盖有例如铝、银或其他反射金属的涂层。还可使用其他材料和/或技术。类似地，锥形表面122还可覆盖或涂覆有高反射性材料，所述高反射性材料与用于主体120的构造的材料不同。
图5表示通过将光学元件100放置成与包括LED 115、117和119的三个光源紧密相邻而获得的模拟结果。或者，多个光源可由具有多个管芯的板上芯片(BOC)LED替代。举例来说，光射线126穿过凸状光接收表面102、穿过主体120的材料，并以不同角度反射离开弓形光反射表面114。光射线128穿过凸状接收表面102，并随后以不同角度穿过锥形表面122。一些光射线130穿过凸状光接收表面102，并且随后穿过平坦光投射表面106离开光学元件100。
结合有光学元件100和定位成与光学元件100相邻的一个或多个LED 115、117和119的照明设备还可包括漫射器136，如图13所示。更具体地，漫射器136可放置在光学元件100周围，以提供对来自LED和光学元件100的光射线的进一步散射，如所属领域的技术人员将理解的。漫射器136可例如由具有低光吸收损耗的漫射塑料材料来构造，或构造成包含磷光剂的玻璃灯泡，并定位在光学元件100和一个或多个LED周围。漫射器136例如可连接至散热器和/或螺纹(例如，爱迪生)灯座(未示出)。
光学元件100配置用于提供比LED光源可提供的更均匀的光分布，LED光源基本上提供了单方向光输出。更具体地，图6提供针对光学元件100的光强度(例如，单位为坎德拉)随与中心轴CA的竖直角度而变化的模拟曲线图。例如使用灯133的情况下，曲线图表示了在与中心轴CA成0度至180度的角度(如图所示)下的光强度(0度和180度与中心轴CA重合)。如图6所描绘的，对于光学元件100的示例性实施例，上述表面被配置成使得在0至135度的范围内在距中心轴CA任何距离处测量的光强变化与在0至135度的范围内测量到的平均光强相差不到±20％。在另一个示例性实施例中，这种光强变化与在0度至150度的角度范围内测量到的平均光强相差不到±10％。
图7提供本发明的光学元件200的另一个示例性实施例的透视图，其与图1至图4的示例性实施例的类似之处在于：它包括了凸状光接收表面202、截头锥形光投射表面204和弓形光反射表面214。然而，光学元件200包括位于光投射表面206上的弯曲槽232，所述弯曲槽232以围绕中心轴CA基本上对称的方式延伸并且周向围绕中心轴CA。另外，位于中心轴CA处的圆形表面236还包括多个槽238，所述多个槽238以围绕中心轴CA基本上对称的方式延伸并且周向围绕中心轴CA。槽232和槽238提供额外的光散射。其他表面特征(例如像枕)也可用于提供额外的光散射。
本发明的光学元件300的另一个示例性实施例在图8、图9、图10和图11中示出。图12示出结合LED 315、317和319的这个示例性实施例。光学元件300(包括某些表面，如将进一步描述的)的是围绕中心轴CA基本上对称的，并且围绕中心轴CA沿周向方向C延伸。出于进一步描述本发明的这个示例性实施例的目的，光学元件300还限定了基本上正交于中心轴CA而延伸的横向方向L。光学元件300是由透光材料(例如像玻璃、聚碳酸酯、丙烯酸树脂或其他透光材料)构造。
光学元件300包括圆盘形部分310和喇叭形部分312。圆盘形部分310包括光接收表面302。如图示出，表面302是锥形的，并与中心轴CA形成锐角。然而，光接收表面302还可以凸方式弯曲。在诸如灯的照明设备中，光接收表面302将会定位成与一个或多个LED相邻或与一个或多个LED紧密接近，并且将会允许来自这些光源的光射线传播至光学元件300(图12)中。光接收表面302围绕中心轴CA周向延伸，并且是围绕中心轴CA基本上对称的。
圆盘形部分310包括圆柱形表面308，当沿图10中示出的横截面观察时，圆柱形表面308为线性的。圆盘形部分310沿中心轴CA的长度可变化以得到本发明的另一些实施例。光投射表面338连接至表面308并沿中心轴CA的方向与光接收表面302间隔开来，如图所示。对于示出的示例性实施例，光投射表面338为截头锥形的。然而，在本发明的其他实施例中，表面328还可以是弓形或凸状的。如图11所示，对于这个示例性实施例，表面338与中心轴CA形成钝角，并相对于横向方向L形成锐角α8。在一个示例性实施例中，角度α8为约25度。在另一个示例性实施例中，角度α8在约20度至约30度的范围内。
喇叭形部分312沿中心轴CA的方向与圆盘形部分310相邻。喇叭形部分312包括与光投射表面338连接的截头锥形表面304。表面304围绕光学元件300的中心轴CA周向延伸并且是围绕中心轴CA基本上对称的，并沿中心轴CA与表面338间隔开来。如图11所示，对于这个示例性实施例，截头锥形表面304与中心轴CA形成锐角，并相对于横向方向L形成角度α7。在一个示例性实施例中，角度α7为与横向方向L成约28度。在一个示例性实施例中，角度α7在与横向方向L成约23度至约33度的范围内。
喇叭形部分312还包括弓形光反射表面314，弓形光反射表面314横向地定位在截头锥形表面304内侧。表面314围绕光学元件300的中心轴CA周向延伸，并且是围绕中心轴CA基本上对称的。虽然被示出为自由形态曲线，但也可以参考图11的角度α2、α3、α4、α5和α6描述弓形光反射表面314。每个此类角度αi均表示在位置10、20、30、40和50处与表面314相切的线相对于横向方向L的角度，如图11所示。位置10、20、30、40、50位于包括中心轴CA和横向方向L的平面中，并沿表面314以相等的距离彼此间隔开来。
对于一个示例性实施例，α2为约51度，α3为约43度，α4为约33度，α5为约23度，并且α6为约15度。在另一个示例性实施例中，α2在约46度至约56度的范围内，α3在约38度至约48度的范围内，α4在约28度至约38度的范围内，α5在约18度至约28度的范围内，并且α6在约10度至约20度的范围内。其他形状也可用于表面114。
如图10和图11所示，光学元件300还包括一对相邻截头锥形表面340和342，这对相邻截头锥形表面340和342是围绕中心轴CA基本上对称的，并且围绕中心轴CA周向延伸。表面340和342连接在弓形光反射表面314与截头锥形表面304之间。
光学元件300包括锥形表面322，锥形表面322以沿中心轴CA基本上对称的方式定位，并在边缘324处连接至弓形光反射表面314。如图所示，表面322在零度方向上沿中心轴CA投射。边缘324与位置10重合。
弓形光反射表面314可被覆盖或涂覆有高反射性材料，所述高反射性材料与用于光学元件300的主体320的构造的材料不同。例如，表面314可金属化或覆盖有例如铝、银或其他反射金属的涂层。还可使用其他材料和/或技术。类似地，锥形表面322还可覆盖或涂覆有高反射性材料，所述高反射性材料与用于主体320的构造的材料不同。
图12表示通过将光学元件100放置成与包括LED 315、317和319的三个光源紧密相邻而获得的模拟结果。举例来说，光射线326穿过光接收表面302、穿过主体120的材料、穿过表面338和304，并以不同角度反射离开弓形光反射表面314。光射线328穿过光接收表面302，并随后以不同角度穿过锥形表面322。一些光射线330穿过光接收表面102，并且随后通过一对截头锥形表面340和342中的一个或两个离开光学元件300。
结合有光学元件300和定位成与光学元件300相邻的一个或多个LED 115、117和119的照明设备还可包括类似于随示例性实施例100在图13中示出的漫射器136。光学元件300被配备有多个支脚344，所述多个支脚344可用来定位和支撑元件300。
正如先前的实施例那样，光学元件300配置用于提供比LED光源可提供的更均匀的光分布。以与使用图6所讨论的类似方式，光学元件100以及上述表面被配置成使得在0至135度的范围内以中心轴CA的不同角度测量到的光强变化与在0至135度的范围内在这种固定距离处测量的平均光强相差不到±20％。在另一个示例性实施例中，这种光强变化与平均光强相差不到±10％。
本说明书使用实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域中的任何技术人员能实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及执行所涵盖的任何方法。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，并可包括所属领域中的技术人员所想出的其他实例。如果其他此类实例包括的结构要素与权利要求书的字面意义相同、或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义并无实质差别，那么此类实例也在该权利要求书的范围内。

Claims (9)

1.一种照明设备，所述照明设备包括：
至少一个发光二极管；
光学元件，所述光学元件定位成与所述至少一个发光二极管相邻，所述光学元件限定中心轴和基本上正交于所述中心轴的横轴，所述光学元件围绕所述中心轴周向延伸并且包括：
凸状光接收表面，所述凸状光接收表面是围绕所述中心轴基本上对称的，并且定位成与所述至少一个发光二极管相邻；
截头锥形光投射表面，所述截头锥形光投射表面横向地定位在所述凸状光接收表面外侧并且是围绕所述中心轴基本上对称的；以及
弓形光反射表面，所述弓形光反射表面横向地定位在所述截头锥形光投射表面内侧并且是围绕所述中心轴基本上对称的，所述弓形光反射表面沿所述中心轴与所述凸状光接收表面间隔开来；
其中所述光学元件进一步包括平坦光投射表面，所述平坦光投射表面位于基本上垂直于所述中心轴并且基本上平行于所述横轴的平面中，所述平坦光投射表面与所述截头锥形光投射表面和所述弓形光反射表面连接，所述平坦光投射表面围绕所述中心轴周向延伸。
2.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述光学元件被配置成使得来自所述至少一个发光二极管的光是发射自所述光学元件的，其中在0度至135度的角度范围内以中心轴CA的不同角度测量到的光强变化与在0至135度的角度范围内测量到的平均光强相差不到±20%。
3.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述光学元件进一步包括锥形表面，所述锥形表面以围绕所述中心轴基本上对称的方式进行配置并连接至所述弓形光反射表面。
4.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述光学元件进一步包括位于所述中心轴处的连接至所述弓形光发射表面的圆形表面，所述圆形表面包括围绕所述中心轴周向延伸的槽。
5.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述弓形光反射表面金属化。
6.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述弓形光反射表面涂覆有高反射性材料。
7.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述平坦光投射表面包括围绕所述中心轴周向延伸的槽。
8.根据权利要求1所述的照明设备，所述照明设备进一步包括定位在所述光学元件和所述至少一个发光二极管周围的漫射器，所述漫射器配置用于散射从所述光学元件和所述至少一个发光二极管接收的光射线。
9.一种用于具有至少一个发光二极管的照明设备的光学元件，所述光学元件用于定位成与所述至少一个发光二极管相邻，所述光学元件限定中心轴和基本上正交于所述中心轴的横轴，所述光学元件围绕所述中心轴周向延伸，并且所述光学元件包括：
光接收表面，所述光接收表面围绕所述中心轴周向延伸，并且配置用于定位在所述至少一个发光二极管附近；
截头锥形表面，所述截头锥形表面沿横向方向与所述光接收表面间隔开来并且以围绕所述中心轴基本上对称的方式周向延伸；
弓形光反射表面，所述弓形光反射表面横向地定位在所述截头锥形表面内侧并且以围绕所述中心轴基本上对称的方式周向延伸；以及
其中所述光学元件被配置成使得来自所述至少一个发光二极管的光是发射自所述光学元件，其中在0至135度的角度范围内以距中心轴CA固定距离测量到的光强变化与在0至135度的角度范围内测量到的平均光强相差不到±20%；
其中所述光学元件进一步包括平坦光投射表面，所述平坦光投射表面位于基本上垂直于所述中心轴并且基本上平行于所述横轴的平面中，所述平坦光投射表面与所述截头锥形表面和所述弓形光反射表面连接，所述平坦光投射表面围绕所述中心轴周向延伸。
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