CN104763977B - 一种用于离散led光源的二次配光透镜及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及LED光源照明领域，特别涉及一种用于离散LED光源的二次配光透镜及设备。所述透镜入射面包括入射侧面和入射端面；所述入射端面为复合面，包括主入射端面和子入射端面；所述子入射端面为曲面向透镜底部方向凸起，设置于主入射端面上；所述透镜适用于离散LED光源，其中子入射端面同光源中各个子光源相对应使用；所述子入射端面将所处于离轴状态的子光源所发出相对于透镜本体中心轴线的轴外光线，转变成该子入射端面的轴上光或近轴光，这样能有效提高小角度光线的光强；在入射端面上密集分布起匀光作用的次级小凸起透镜阵列，使离散光源经透镜调制后的照明光场达到理想的效果。

Description

一种用于离散LED光源的二次配光透镜及设备

技术领域

本发明涉及LED光源照明领域，特别涉及一种用于离散LED光源的二次配光透镜及设备。

背景技术

作为一种节能照明技术， LED照明全方位地进入了人们的生活。在实际生产及使用中，LED灯具的性价比成为日益突出的矛盾。在相同功率下，集成封装COB光源的价格是多颗独立封装光源的数倍，例如现在广泛使用的采用3030EMC支架封装的光源。还有在相同功率下的COB集成封装光源，芯片排布间距大的光源出光效率大于排布间距小的光源。因此现在不少灯具厂商试图采用多颗独立封装的LED光源或芯片间距大的COB光源来降低光源成本。这两种方式的共性就是离散的发光光源，如果配以常规的配光透镜，会在照明光场呈现出与光源排布相类似的光斑分布，产生较大的光斑缺陷，特别是在小角度高K值要求的情况下，光源的排布会很明显地分布在照明光场，极大地影响了照明的效果。在现有应用中，有采用入射孔端面附着小透镜阵列的方法，这样的方式虽然可以使一部分高频率段的光场分布得到匀化，但不能有效的解决中低频率段光斑呈光源分布的现象，这样的光场不均匀分布的缺陷极大的限制了离散光源的照明使用效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种用于离散LED光源的二次配光透镜及设备，将离散光源中离轴子光源所发出的相对于透镜中轴线的轴外光线，转变成相对应的子入射端面的轴上光或近轴光。有效改变了在照明光场呈现出与光源排布相类似的光斑分布情况，使出射光场变得均匀，同时提高照明光场的中心光强，从而提高灯具的K值，使使用离散光源达到和集成芯片光源一样的照明效果，显著降低光源的成本。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：一种用于离散LED光源的二次配光透镜，包括透镜本体，所述透镜本体包括入射面和出射面；所述入射面包括入射侧面和入射端面；

所述透镜本体包括入射孔，所述入射孔位于透镜本体的底部中心，向透镜本体顶部方向凹陷（本发明中以透镜的入射面方向为顶部，以光源安装面方向为透镜底部，同时本发明所指的凹陷与凸起均是相对实体而言）所述入射孔的顶部端面为入射端面；所述入射孔的侧面为入射侧面；

其中所述入射端面为复合面，包含主入射端面和子入射端面；

所述主入射端面为平面，所述子入射端面为曲面，所述子入射端面设置于主入射端面上，所述子入射端面向透镜本体底部方向凸起；

其中所述子入射端面在与透镜本体中心轴垂直的平面上的投影面积≥对应离轴子光源在与透镜本体中心轴垂直的平面上的投影面积的0.8倍；

所述子入射端面的顶点在与透镜本体中心轴垂直的平面上形成第一投影点，对应子光源中心点在与透镜本体中心轴垂直的平面上形成第二投影点，所述第一投影点到第二投影点之间的距离≤对应子光源边缘处到中心点最大距离的1倍（子光源边缘处到中心点最大距离是指：子光源中荧光粉涂布的边缘处到中心点之间的最大距离）。

本发明中将入射孔的单个端面离散为一个主入射平面与多个凸起子入射曲面的组合，每个子曲面分别与离散的子光源相对应。

本发明透镜使用时，子入射端面将其对应的离轴子光源所发出的相对于透镜中轴线为轴外光线中的一部分，转变成相对应的子入射端面的轴上光或近轴光，而子入射端面的光轴与透镜中轴线平行或有小量夹角，通常小于10°。这样就能够把离轴子光源所发出的部分光线照射到远场照明光场的中心位置，这样能有效提高小角度光线的光强，从而提高灯具的K值。同时其他没有与该子光源对应的子入射端面也都会对该子光源较大角度的光线成像，这样就能在出射光场的不同区域形成多个该子光源的像。这样的照明光场是由多个子光源像叠加形成，这些多个子光源的像相互叠加，可以在空间中低频率段形成相对均匀的照度分布，本发明改变了出射光场的光斑呈现出光源分布的情况，改善了出光效果，使用低成本的离散LED光源，也可以达到和整体为芯片COB集成封装的LED光源相同的出光效果，降低了相关产品的生产成本。

进一步的，所述入射侧面为圆柱面或者圆锥面，具体情况根据出光效果以及加工工艺而定。

作为一种优选，所述透镜的主入射端面和，或子入射端面上附着有次级透镜阵列（小凸起透镜阵列）；所述次级透镜向透镜本体底部方向凸起。小凸起透镜阵列面的阵列方式可以是环形阵列也可以为行列阵列；所述次级小凸起透镜列阵可将上述照明光场的中频段的分布不均匀现象进行匀化，这样通过透镜中间端面入射的光线就能在光场呈现出大致均匀过度的光斑。

进一步的，所述透镜的主入射端面、子入射端面和，或入射侧面为雾化表面。次级小凸起透镜阵列面的设置能够较好地调制中频率的空间不均匀分布，但是会在较高频率的照明光场带来一些不均分布，通过雾化处理更够将光斑进一步的匀化，克服由于次级透镜阵列所引起的较高频率的空间不均匀分布，能在光场呈现较为圆润过度的光斑。

进一步的，所述子入射端面的球面曲率根据照明光场需要的角度及分布而定。

进一步的，所述子光源，可以为一个单个的LED光源（单颗的LED光源或者单个芯片封装的LED光源），也可以为由至少2个的相对独立的次级子LED光源（次级子光源为单颗的LED光源或者单个芯片封装的LED光源）所构成子光源模块。

当子光源为单个的LED光源构成时，通过离轴子入射端面与该子光源相对应，并且该子光源所发出部分的光线通过该子入射端面的调节后成为与所述透镜本体中心轴平行的子入射端面轴线的轴上光线或者近轴光线。

当子光源为至少2个的相对独立的次级子LED光源构成子光源模块时（某些情况下子光源并非是独立的LED光源，而是由2个以上相对集中分布的LED光源构成的，比如说三三两两或者三五成群的分布在一个相对集中的区域内（此处的相对集中分布是相比于其他子光源或子光源模块而言），这种情况下，用一个子入射端面与子光源模块相对应（子光源模块的中心点即是该子光源的中心点），该子入射端面将所对应的子光源模块所发出部分的光线调节成为与该子入射端面同轴的轴上光线或者近轴光。

进一步的，所述透镜本体还包括全反射面，所述全反射面位于透镜本体的侧面，入射到透镜侧面的光线经过所述全反射面的全反射作用后入射到透镜本体的出射面上，并经过透镜出射面的折射作用后，最终出射到透镜本体的顶部空间。

作为一种优选，所述全反射面包括子反射面，所述子反射面为平面或者曲面，相互离散拼接如鳞片状分布在所述全反射面上；所述子反射面对不同立体角范围内的光线分别进行控制，让它们按需要投射到照明光场，所形成的光斑相互叠加和补充，最终在照明光场形成较为理想的光斑。

进一步的，所述透镜的出射面为平面、轴对称曲面、平面与轴对称曲面组合面或不同轴对称曲面组合面，具体的面型根据使用的要求而定。出射面可以为抛光面，也可以为雾化表面或小凸起透镜列阵面，这样可以进一步优化出射光斑的质量。

进一步的，由于本发明透镜的设计是根据光源结构分布来设计的，因此在使用时与光源有相对严格的对应关系，要防止透镜在装配时的轴向转动，因此本发明透镜具有定位装置来防止安装和使用所述透镜时与匹配光源之间的相对滑动，或者旋转错位。

进一步的，本专利所述透镜与其对应的光源可以根据需要配合适当的电源组件、散热组件以及其他结构组件共同组成LED灯具设备，该灯具设备具有成本低廉，光斑质量优良的特点。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供一种用于离散LED光源的二次配光透镜及设备，通过将入射面离散成主入射端面和子入射端面，使得对于每一个离轴的子光源都有子入射端面与之相对应，并且通过子入射端面将对应子光源所发出部分的光线调整为与透镜本体中心轴平行或者有小量夹角的子入射端面的轴线的轴上光或者近轴光，提高光场的中心光强，有效改变了在照明光场呈现出与光源排布相类似的光斑分布情况，使出射光场变得均匀，使使用离散光源具有和集成芯片光源一样的照明效果，显著降低光源的成本。

本透镜中的主入射端面为平面，相比于曲面，制备工艺和制模过程相对简单，其主入射端面以及主入射端面上的子入射端面以及次级透镜阵列面的面型也更容易加工和实现，在室内射灯类以及有角度要求的筒灯类的开发领域具有广阔的应用前景。

附图说明：

图1为本用于离散LED光源的二次配光透镜以及对应光源安装位置的剖面示意图。

图2为子入射端面与对应子光源在与透镜本体中心轴垂直的平面上的投影位置示意图。

图3为本用于离散LED光源的二次配光透镜以及实施例1的仰视示意图。

图4为实施例1的立体结构示意图。

图5为实施例2仰视示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

一种用于离散LED光源的二次配光透镜及设备，将离散光源中离轴子光源所发出的相对于透镜本体中心轴线的轴外光线，转变成相对应的子入射端面的轴上光或近轴光。有效改变了在照明光场呈现出与子光源排布相类似的光斑分布情况，使出射光场变得均匀，同时提照明光场的中心光强，从而提高灯具的K值，使使用离散光源达到和集成芯片光源一样的照明效果，大大降低光源的成本。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：一种用于离散LED光源的二次配光透镜，如图1、图3所示：包括透镜本体10，所述透镜本体10包括入射孔14，所述入射孔14位于透镜本体10的底部中心，所述入射孔14的顶部端面为入射端面11，其中所述入射端面11为复合面，包含主入射端面11-1和子入射端面11-2；所述主入射端面11-1为平面，所述子入射端面11-2为曲面，所述子入射端面11-2设置于主入射端面11-1上，所述子入射端面11-2向透镜本体底部方向凸起。

其中所述子入射端面11-2在与透镜本体10中心轴垂直的面上的投影面积≥对应离轴子光源A在与透镜本体中心轴垂直的面上的投影面积的0.8倍；

如图2所示，所述子入射端面11-2的顶点D在与透镜本体中心轴垂直的面上的第一投影点D’到对应子光源中心点O在与透镜本体中心轴垂直的面上的第二投影点O’的距离≤对应子光源边缘处到中心点最大距离的1倍；

本发明中，所述子入射端面11-2将其对应的离轴子光源A所发出的部分的光线调制为与透镜本体10中心轴平行的子入射端面11-2对称轴线的轴上光线或近轴光线。这样就能够把离轴子光源所发出的部分光线照射到远场照明光场中心，达到提高中心光强的目的。

本发明中将入射孔中间端面单个端面离散为一个主入射平面和多个子入射曲面的组合，每个子曲面分别与离散的子光源相对应。各个离散子光源所发出的光经过对应子入射端面的调制作用后其部分能量变成了与透镜本体中心轴平行或者小角度倾斜的的对应子入射端面的轴上光或近轴光，同时其他没有与该子光源对应的子入射端面也都会对该子光源较大角度的光成像，这样就能在出射光场的不同区域形成多个该子光源的像。而照明光场就会由许多子光源像叠加形成，这些多个子光源的像相互叠加也可以在空间中低频率段形成相对均匀的照度分布，改变了出射光场的呈现光源分布的情况，改善了出光效果，使用低成本的离散LED光源，也可以达到和整体为芯片COB集成封装的LED光源相同的出光效果，降低了相关产品的生产成本。

进一步的,所述入射孔14的侧面为入射侧面14-1，所述入射侧面14-1为圆柱面或者圆锥面，具体情况根据出光效果以及加工工艺而定。

作为一种优选，如图4所示，所述透镜的主入射端面11-1和，或子入射端面11-2上附着有次级透镜阵列15（小凸起透镜阵列）；所述次级透镜15向透镜本体底部方向凸起。（小凸起透镜阵列面的阵列方式可以是环形阵列也可以为行列阵列）所述次级小凸起透镜列阵可将上述照明光场中频段的分布不均匀现象进行匀化，这样通过透镜入射端面入射的光就能在光场呈现大致均匀过度的光斑。

进一步的，所述透镜的主入射端面11-1、子入射端面11-2和，或入射侧面14-1为雾化表面。次级小凸起透镜阵列面15的设置能够较好地调制低频率的空间不均匀分布，但是会带来一些较高频率的照明光场分布不均，为了克服这种较为高频率的空间不均匀分布，这样通过将入射面进行雾化处理能在光场呈现较为圆润过度的光斑，同时可以提高中心光强。

进一步的，所述子入射端面11-2的球面曲率根据照明光场需要的角度及分布而定。

进一步的，所述子光源A，可以为由一个单个的LED光源（单颗的LED光源或者单个芯片封装的LED光源），也可以为由至少2个的相对独立的次级子LED光源（次级子光源为单颗的LED光源或者单个芯片封装的LED光源））构成子光源模块。

当子光源为单个的LED光源构成时，通过离轴子入射端面与该子光源相对应，并且该子光源所发出部分的光线通过该子入射端面的调节后成为与所述透镜本体中心轴平行的子入射端面轴线的轴上光线或者近轴光线。

当子光源为至少2个的相对独立的次级子LED光源构成子光源模块时（某些情况下子光源并非是独立的LED光源，而是由2个以上相对集中分布的LED光源构成的，比如说三三两两或者三五成群的分布在一个相对集中的区域内（此处的相对集中分布是相比于其他子光源或子光源模块而言）），这种情况下，用一个子入射端面与子光源模块相对应（子光源模块的中心点即是改子光源的中心点），该子入射端面将所对应的子光源模块所发出部分的光线调节成为与该子入射端面同轴的轴上光线或者近轴光。

进一步的，如图1、图3所示，所述透镜本体10还包括全反射面13，所述全反射面13位于透镜本体10的侧面，底部与透镜本体底面相连，入射到透镜侧面的光线经过所述全反射面13的全反射作用后入射到透镜本体10的出射面12上，并经过透镜出射面12的折射作用后，最终出射到透镜本体的顶部空间。

作为一种优选，如图3所示，所述全反射面13包括2个以上的子反射面13-1，所述子反射面为曲面，如鳞片状分布在所述全反射面上，它们对不同立体角范围内的光线分别进行控制，让它们按需要投射到照明光场，使全反射分形成的光斑相互叠加相互补充，形成较为理想的光斑。

进一步的，所述透镜的出射面12为平面、轴对称曲面、平面与轴对称曲面组合面或不同轴对称曲面组合面。具体面型根据实际出光效果进行灵活选择。

进一步的，出射面可以为抛光面，也可以为雾化表面或小凸起透镜列阵面，这样可以进一步使光斑圆润过度。

进一步的，由于本发明透镜的设计是根据光源结构分布来设计的，因此在使用时与光源有相对严格的对应关系，要防止透镜在装配时在轴向转动，因此本发明透镜具有定位装置（如图1、3、5标记18所示）来防止安装和使用所述透镜时与匹配光源之间的相对滑动，或者旋转错位。

进一步的，本专利所述透镜与其对应的光源可以根据需要配合适当的电源组件、散热组件以及其他结构组件共同组成LED灯具设备，该灯具设备具有成本低廉，光斑质量优良的特点。

实施例1

如图3所示，本实施例中包括3个子光源，其中3个子光源都是单颗的LED光源（或者单个芯片封装的LED光源），3个子光源相对于透镜本体的中心轴为离轴均匀分布，本实施中透镜的入射孔顶部端面为平面，在顶部端面的平面上设有与3个子光源分别对应的子入射端面，子入射端面为球面；工作时，将3个子光源分别对准对应子入射端面的球面中心（三个子球面的球心位置相对于透镜入射孔侧面旋转中心轴的离轴量与各自对应光源中心相对于透镜入射孔侧面旋转轴的离轴量相同）对应入射端面将子光源所发出部分的离轴光线调制成与透镜本体中心轴平行的子入射端面轴线的轴上光或者是近轴光，这样每颗子光源都会在其对应子入射端面的作用下成像一个轴上主光斑，同时会在其他两个入射面的作用下成像两个副光斑。因此最终照明场会存在三个几乎完全重合的主光斑，6个离散的副光斑。

此外，本实施例中的主入射端面和子入射端面上，具有次级小凸起透镜阵列面（如图4所示），这些次级小凸起透镜阵列面形成小透镜阵列，通过小透镜的匀化可以使主光斑及6个副光斑均匀的融合过渡，达到理想的照明效果。

本实施例的其他结构和原理与具体实施方式相同，不再赘述。

实施例2

如图5所示，本实施例中包括3个子光源模块，其中3个子光源模块分别包含3个品字形排布的次级子LED光源或者3个品字形排布的次级子芯片封装的单颗LED光源（图4小虚线框内表示子光源模块），3个子光源模块中心相对于透镜本体的中心轴为离轴均匀分布，本实施透镜的入射孔顶部端面为平面，在顶部端面的平面上设有与3个子光源模块分别对应的子入射端面，子入射端面为曲面；工作时，将3个子光源模块的中心点分别对准对应子入射端面的曲面中心，对应子曲面将子光源模块所发出部分的离轴光线调制成与透镜本体中心轴平行的子入射端面轴线的轴上光或者是近轴光，这样每颗子光源模块都会在其对应子入射端面的作用下成像一个轴上主复合光斑（每个复合光斑中包括3个次级子光斑），同时会在其他两个入射面的作用下成像两个副复合光斑。因此最终照明场会存在三个几乎完全重合的主复合光斑，6个离散的副复合光斑。

此外，本实施例中的主入射端面和子入射端面上，具有次级小凸起透镜阵列面，这些次级小凸起透镜阵列面形成小透镜阵列，通过小透镜的匀化可以使主复合光斑及6个副复合光斑均匀的融合过渡，达到理想的照明效果。

本实施例其他结构和原理与具体实施方式相同，不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内；应该理解本发明中所使用的附图均为示意性的，不代表实际尺寸和比例。

Claims (9)

1.一种用于离散LED光源的二次配光透镜，包括透镜本体，所述透镜本体包括入射面和出射面，其特征是：所述入射面，包括入射侧面和入射端面；

所述入射侧面为所述透镜本体中入射孔的侧面；所述入射端面为所述入射孔的端面；

所述入射端面为复合面，包含主入射端面和子入射端面；

所述主入射端面为平面，所述子入射端面为曲面，所述子入射端面设置于主入射端面上，所述子入射端面向透镜本体底部方向凸起；

所述子入射端面在与所述透镜本体中心轴垂直的平面上的投影面积≥对应离轴子光源在与所述透镜本体中心轴垂直的平面上的投影面积的0.8倍；

所述子入射端面的顶点在与透镜本体中心轴垂直的平面上形成第一投影点，对应子光源中心点在与透镜本体中心轴垂直的平面上形成第二投影点，所述第一投影点到第二投影点之间的距离≤对应子光源边缘处到中心点最大距离的1倍。

2.如权利要求1所述的透镜，其特征是：所述子光源为单颗的LED光源或者为由至少2个独立的次级子光源所构成子光源模块；所述次级子光源是单颗的LED光源。

3.如权利要求1或2所述的透镜，其特征是：所述主入射端面和，或子入射端面上附着有次级透镜阵列，所述次级透镜向透镜本体底部方向凸起。

4.如权利要求3所述的透镜，其特征是：所述主入射端面、子入射端面和，或入射侧面为雾化表面。

5.如权利要求4所述的透镜，其特征是：所述透镜本体还包括全反射面，所述全反射面位于所述透镜本体的侧面，所述全反射面由多个离散的小曲面拼接而成。

6.如权利要求5所述的透镜，其特征是：所述透镜的出射面为平面、轴对称曲面、平面与轴对称曲面组合面或不同轴对称曲面组合面。

7.如权利要求6所述的透镜，其特征是：所述出射面为抛光面、雾化表面或者为由次级透镜构成的小凸起透镜列阵面。

8.如权利要求7所述的透镜，其特征是：所述透镜具有定位装置。

9.一种LED灯具设备，其特征在于：包括如权利要求1至8之一所述的透镜。