CN105264288B - 透镜和照明设备 - Google Patents
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Abstract
公开的是用于包括固态照明元件(20)的照明设备(10)的透镜(100)，该透镜包括：光出射表面(110)；与所述光出射表面相对的中心透镜部分(120)；与所述光出射表面相对并且从所述光出射表面延伸离开第一距离(d1)的内环形反射元件(130)，所述内环形反射元件界定所述中心透镜部分；以及由与所述光出射表面相对并且从所述光出射表面延伸离开第二距离(d2)的外环形反射元件(140)限定的侧表面，第二距离大于第一距离，使得外环形反射元件延伸超过内环形反射元件。还公开了包括这种透镜的诸如灯泡之类的照明设备。
Description
技术领域
本发明涉及用于包括固态照明元件的照明设备的透镜。
本发明进一步涉及包括这种透镜的照明设备。
背景技术
随着人口的持续增加，越来越难以既满足世界的能量需求又控制碳排放，以限制被认为造成了全球变暖现象的温室气体排放。这些忧虑引发了驱使向更高效的用电，以试图减少能量消耗。
所关注的一个这种领域是在家用环境下或者在商业环境下的照明应用。明显趋向于使用能量效率更高的代替品替换臭名昭着的能量效率低的常规白炽灯泡。事实上，在很多辖区内，生产和零售白炽灯泡是不合法的，因此迫使消费者例如当替换白炽灯泡时，购买节能备选物。
特别有希望的备选物由固态照明(SSL)设备提供，其可以以白炽灯泡的一部分能量成本产生单位光输出。这种SSL元件的示例是发光二极管。
基于SSL元件的照明设备的缺点是单独SSL元件具有比例如白炽、卤钨或者荧光灯泡低得多的光输出，使得有必要在诸如灯泡之类的单个照明设备中包括多个SSL元件以获得所需的光输出水平。然而，这通常被认为对照明设备的外观产生负面影响，妨碍了这种照明设备的市场渗透，虽然近期所谓的板上芯片(COB)SSL元件(例如COB LED)的出现已经在很大程度上解决了这一问题，在该元件中，多个SSL芯片被封装在一起作为一个照明模块，使得在使用中，照明设备的发光表面给出单个照明面板的外观。
妨碍这种照明设备的消费者市场渗透的另一问题是，至少以节约成本的方式控制这种设备的光输出的形状，并非易事。当需要高方向性的光输出时，例如具有小的光束角(例如小于30°的光束角)的灯泡，这是特别的问题。通过将诸如菲涅耳(Fresnel)透镜和准直器之类的光学元件包括到照明设备中，可以控制光束角。例如，公开号为JP2011-192494A的日本专利申请公开了用于照明系统的菲涅耳透镜，该菲涅耳透镜具有折射透镜部分和反射透镜部分。该菲涅耳透镜进一步包括用于将透镜放置在照明设备的基板上的框架。
然而，光束角和实现期望的光束角所需要的光学元件的尺寸之间存在负相关。这意味着，对于小的光束角，例如25°或者15°的光束角，需要大尺寸的光束成形元件。在诸如紧凑型灯泡之类的很多小的照明设备中，没有足够的空间容纳诸如上面提到的现有技术的菲涅耳透镜之类的光学元件。
发明内容
本发明力求提供可以用于在紧凑型照明设备中生成高方向性的光输出的透镜。
本发明进一步力求提供包括这种透镜的照明设备。
根据本发明的方面，提供了用于包括固态照明元件的照明设备的透镜，该透镜包括：光出射表面；中心透镜部分，与所述光出射表面相对；内环形反射元件，与所述光出射表面相对并且从所述光出射表面延伸离开第一距离，所述内环形反射元件界定所述中心透镜部分；以及侧表面，由外环形反射元件限定，外环形反射元件与所述光出射表面相对并且从所述光出射表面延伸离开第二距离，该第二距离大于第一距离使得外环形反射元件延伸超过内环形反射元件。
本发明的至少一些实施例是基于洞悉了具有两个这种环形元件(即界定诸如折射透镜部分之类的中心透镜部分的内环形反射元件、和直接邻近内环形元件的外环形元件)的透镜的外环形反射元件可以用作透镜的支撑部。因此，当透镜被放置在承载一个或者多个SSL的表面上时，外环形反射元件不仅支撑透镜，而且封闭由一个或者多个SSL元件限定的发光表面。由于透镜不需要分立的支撑结构，透镜可以以紧凑方式制成，使得其可以被适配在诸如方向性灯泡之类的紧凑型照明设备中。
而且，因为外环形反射元件被设计为与照明设备的支撑部紧密配合，在浅角下从SSL元件发射的光仍然可以被收集和准直。要注意的是，JP 2011-192494A中的菲涅耳透镜不享有这一优势，因为这一透镜的外反射部分在其面对照明设备的表面的末端和这一表面之间具有间隙，这是由于以下事实，即这一透镜的支撑构件延伸向这一表面到超过外反射部分的程度，即与这一表面紧密配合的是支撑构件。因此，以浅角发射的光不可以被外反射部分捕获，而是代之可以被不能准直该光的支撑构件捕获。因此，根据本发明的至少一些实施例的透镜实现了比这一现有技术透镜更高程度的准直。
在实施例中，中心透镜部分具有凸形表面。该凸形表面实现朝向透镜的中心轴的入射光准直，从而实现更加聚焦的外观。
中心透镜部分可以包括菲涅耳折射表面。
在实施例中，内环形反射元件和外环形反射元件中的至少一个包括由多个小面环限定的渐窄外表面，以改进透镜的颜色混合。此外，这种小面环可以用于以增加直径为代价减少透镜的总高度。
光出射表面可以包括阶梯式轮廓以减少透镜的总高度，从而使其更适合集成在紧凑型照明设备中。
光出射表面可以被纹理化，和/或透镜可以包括在所述光出射表面上的微透镜阵列，以减少透镜的颜色随角度(COA)变化。
透镜可以由诸如(光学级)聚碳酸酯或者聚甲基丙烯酸甲酯之类的聚合物材料制成，使得透镜可以通过诸如注射成型之类的低成本技术制造。
根据本发明的另一方面，提供了包括至少一个固态照明元件和根据本发明的实施例的透镜的照明设备，该透镜被放置在至少一个固态照明元件之上，使得外环形反射元件与照明设备的表面接触，其中固态照明元件的发光表面区域被外环形反射元件包围。
这提供了具有高效率准直特性的紧凑型照明设备，该紧凑型照明设备能够生成小于20°的窄光束，诸如15°或者更小。
在实施例中，发光表面区域延伸超过中心透镜部分。因为外环形反射元件和灯泡的表面之间的物理接触，这是可行的，使得形成了其中透射光输出的气密密封腔体。因此，所有发射的光被透镜收集，从而产生了具有高光通量结合上面提及的窄光束角的照明设备。
照明设备可以包括在所述至少一个固态照明元件之上的腔体，所述腔体容纳所述透镜。
至少一个SSL元件可以是发光二极管(LED)。诸如COB LED之类的板上芯片(COB)SSL元件是特别优选的，因为这种SSL元件产生外观均匀的高光输出，这从美学角度是令人愉悦的。
附图说明
更详细地并且通过参照附图的非限制性示例的方式描述了本发明的实施例，其中：
图1示意性地描绘了根据本发明的实施例的透镜；
图2示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的透镜；
图3示意性地描绘了根据本发明的又一实施例的透镜；
图4示意性地描绘了根据本发明的实施例的透镜的第一透视图；
图5示意性地描绘了图4中的透镜的第二透视图；并且
图6示意性地描绘了根据本发明的实施例的照明设备。
具体实施方式
应该理解的是，附图仅是示意性的并且未按比例绘制。还应该理解的是，相同的附图标记贯穿附图用于指示相同或者相似的部分。
图1示意性地描绘了根据本发明的实施例的透镜100。透镜100包括由中心透镜部分120限定的光进入表面、内环形反射元件130、以及限定透镜100的侧表面的外环形反射元件140。透镜100进一步包括与光进入表面相对的光出射表面110。在使用中，透镜100的光进入表面通常面对光源，诸如包括诸如发光二极管之类的一个或者多个固态照明(SSL)元件20的表面。在实施例中，内环形反射元件130和外环形反射元件140直接邻近彼此，即透镜100包括不多于两个的这种环形元件。
内环形反射元件130和外环形反射元件140每个都朝向承载(多个)SSL元件20的表面延伸离开光出射表面110。内环形反射元件130从光出射表面110的一部分延伸离开距离d1，而外环形反射元件140从这一部分延伸离开距离d2，其中d2大于d1。换句话说，外环形反射元件140比内环形反射元件130延伸超过中心透镜部分120的平面125更大的量或者距离。因此，在使用中，外环形反射元件140可以接触承载(多个)SSL元件20的表面，而内环形反射元件130和这一表面之间保留间隙。
内环形反射元件130具有内表面132和外表面134。外环形反射元件140具有内表面142和外表面144。内环形反射元件130和外环形反射元件140的相应内表面132和142是有角度的，使得来自(多个)SSL元件20的入射光以小于反射临界角的角度入射，使得大部分的入射光将分别行进进入内环形反射元件130和外环形反射元件140。技术人员将容易理解的是，少量的反射可能是难以避免的。
内环形反射元件130和外环形反射元件140的相应外表面134和144是有角度的，使得来自(多个)SSL元件20的分别通过内环形反射元件130和外环形反射元件140行进的入射光以大于反射临界角的角度与这些表面相遇，从而如图1中的箭头所示的那样将光反射向光出射表面110。换句话说，内环形反射元件130和外环形反射元件140的相应外表面134和144是全内反射表面。因此，内环形反射元件130和外环形反射元件140分别充当用于(多个)SSL元件20所发射的光的内准直器和外准直器。
内环形反射元件130和外环形反射元件140的相应外表面134和144可以是光滑表面，或者可以是多小面表面，其中该表面由每个都包括多个小面的多个弧形段构建。这改进了透镜100的颜色混合和光束成形。
在实施例中，内环形反射元件130和外环形反射元件140的相应外表面134和144被成形为使得被这些表面改向的光竖直离开光出射表面110，即垂直于光出射表面110的平面离开这一表面。
在实施例中，中心透镜部分120可以具有凸形形状，使得由中心透镜部分120折射的入射光竖直地离开光出射表面110，即垂直于光出射表面110的平面离开这一表面。这一实施例因此提供了生成经高度准直的输出的透镜100，特别是当与内环形反射元件130和外环形反射元件140的相应外表面134和144组合时，其中外表面134和144被成形为使得被这些表面改向的光也竖直地离开光出射表面110。在这一情形下，透镜100可以产生具有低至15°的光束角的准直光输出。应该理解的是，通过更改中心透镜部分120和/或内环形反射元件130和外环形反射元件140的相应外表面134和144的形状来更改光输出的形状，例如以产生被聚焦向透镜100的中心轴的光输出，同样是可行的。这是本身已知的并且仅为了简洁而不再更详细地解释。
在实施例中，透镜100的整体尺寸使得(多个)SSL元件20的典型发光区域延伸超过内环形反射元件130的内表面132，如图1示意性示出的。在这一实施例中，外环形反射元件140被布置为收集从这一发光区域超过内环形反射元件130的内表面132的部分发射的光、以及在浅角下从这一发光区域发射的光(使得这一光穿过内环形反射元件130和承载(多个)SSL元件120的表面之间的间隙)。
此外，外环形反射元件140的外表面144限定透镜100的侧表面，即透镜100不包含分立的支撑构件。代之，外环形反射元件140还充当透镜100的支撑构件。
透镜100可以以任何合适的方式并且由任何合适的材料制造。特别合适的制造方法是使用诸如(光学级)聚碳酸酯或者PMMA之类的聚合物材料的注射成型。对于技术人员而言，其它合适的聚合物材料将是显而易见的。
在图1中，透镜100具有光出射表面110，该光出射表面具有阶梯式轮廓。这是为了进一步减少透镜100的整体尺寸，即为了产生更紧凑的透镜100。然而，应该理解的是，光出射表面110可以具有任何合适的形状。例如，图2描绘了透镜100的实施例，其中光出射表面110是平面表面，但是例如弯曲形状的其它表面形状同样可行。相似地，中心透镜部分120可以具有任何合适的形状，诸如如图2所示的菲涅耳表面。
光出射表面110可以是平坦或者光秃(clear)的表面。备选地，光出射表面100可以纹理化，或者可以承载诸如图3所示的微透镜阵列150之类的光学元件，以改进包括透镜100的照明设备的COA。如果照明设备产生不同颜色(以不同输出角度)的白光，使得由于这种不同颜色光的增强混合(例如通过散射)，光出射表面100的纹理化或者诸如图3中的透镜100上的微透镜阵列150之类的光学元件的存在改进了透镜100的白光输出的均匀性，这是特别有意义的。
图4和图5示出了根据本发明的示例实施例的具有纹理化的光出射表面110的透镜100的相应透视图，该光出射表面具有还如图1所示的阶梯式轮廓。图4进一步示出了内环形反射元件130和外环形反射元件140的相应外表面134和144、以及中心透镜部分120的一部分。透镜100可以进一步包括多个固定构件160，以用于与照明设备的接收构件接合，使得透镜100被固定在所述照明设备中。
此处要注意的是，特征的某些组合未在单个附图中明确示出的事实并不意在将这种组合从本发明的范围排除。如在图1至图5中分别示出的透镜100的特征的任何组合被设想为落入本发明的范围内。
图6示意性地描绘了本发明的照明设备10的方面。照明设备10包括承载至少一个SSL元件20的载体30。在实施例中，包括至少一个SSL元件20的载体30是板上芯片LED封装，虽然应该理解的是，其它布置同样可行，例如安装在分立载体(例如印刷电路板)上的诸如LED之类的一个或者多个SSL元件20。
在实施例中，照明设备10包括在载体30之上的腔体12，透镜100被适配在该腔体中。透镜100可以以任何合适的方式被适配在这一腔体中。例如，腔体12可以包括多个接收构件，以用于接收透镜100的固定构件160，虽然其它固定原理同样适用，例如使用诸如螺丝等之类的紧固构件。
如可在图6中所见的，透镜100的外环形反射元件140与载体30物理接触，使得外环形反射元件140封闭由载体30上的一个或者多个SSL元件20限定的发光表面。因此，一个或者多个SSL元件20的基本上所有光输出被透镜100的中心透镜部分120、内环形反射元件130、以及外环形反射元件140捕获。
在实施例中，如由一个或者多个SSL元件20限定的载体30的发光区域延伸超过内环形反射元件130的内表面132，如之前所解释的那样。例如，在Par 30灯泡中，发光区域可以具有大约10mm的直径，并且腔体12可以具有56mm的直径和22mm的高度，使得透镜100的整体尺寸由腔体尺寸界定。这说明根据本发明的实施例的透镜100的紧凑本质。在实施例中，诸如Par 30灯泡之类的照明设备的60％至80％之间(例如70％)的光输出通过中心透镜部分120和内环形反射元件130准直，其中剩余输出通过外环形反射元件140准直。
作为非限制性示例，照明设备100可以是Par 30灯泡，该灯泡具有14.6°的光束角、89％的效率、以及9.7的Cd/lm比。这并不亚于具有更高光束角或者更低Cd/lm比的现有技术Par 30灯泡。
要重申的是，在图6中，照明设备10是通过非限制性示例方式的灯泡。应该理解的是，根据本发明的实施例的透镜100可以应用于任何合适的照明设备中。此外，照明设备10可以是Par 30灯泡或者任何其它合适类型或者尺寸的灯泡。仅举几例，其它合适的灯泡尺寸包括但是不限于GU10、MR11、MR16、AR111、Par38、BR30、BR40、R20、以及R50灯泡。
应该注意的是，上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计很多备选实施例。在权利要求中，放置在圆括号之间的任何参考符号不应被解释为限制该权利要求。词语“包括”不排除存在权利要求中所列的那些之外的元件或者步骤。元件之前的词语“一(a)”或者“一个(an)”不排除存在多个这种元件。本发明可以通过包括若干不同元件的硬件的方式来实现。在列举了若干组件的设备权利要求中，这些组件中的若干个可以通过完全相同的硬件项体现。仅凭在互相不同的从属权利要求中记载某些措施的事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。
Claims (13)
1.一种包括透镜(100)和至少一个固态照明元件(20)的照明设备(10)，所述至少一个固态照明元件(20)在载体(30)上，所述透镜包括：
光出射表面(110)；
中心透镜部分(120)，与所述光出射表面相对；
内环形反射元件(130)，具有内表面(132)和充当全反射表面的外表面(134)，所述内环形反射元件(130)被布置作为内准直器，所述内环形反射元件(130)与所述光出射表面相对并且从所述光出射表面延伸离开第一距离(d1)，所述内环形反射元件界定所述中心透镜部分；以及
外环形反射元件(140)，具有内表面(142)和限定侧表面、充当全反射表面的外表面(144)，所述外环形反射元件(140)被布置作为外准直器，所述外环形反射元件与所述光出射表面相对并且从所述光出射表面延伸离开第二距离(d2)，所述第二距离大于所述第一距离，使得所述外环形反射元件延伸超过所述内环形反射元件；其中所述内环形反射元件(130)和所述外环形反射元件(140)直接邻近彼此；
其中所述透镜被放置在所述至少一个固态照明元件之上，使得所述外环形反射元件(140)与承载所述至少一个固态照明元件的所述载体接触，其中所述固态照明元件(20)的发光表面区域由所述外环形反射元件包围；并且
其中所述发光表面区域延伸超过所述中心透镜部分(120)。
2.根据权利要求1所述的照明设备(10)，其中所述透镜(100)的所述中心透镜部分(120)具有凸形表面。
3.根据权利要求1或者2所述的照明设备(10)，其中所述透镜(100)的所述中心透镜部分(120)包括菲涅耳折射表面。
4.根据权利要求1或者2所述的照明设备(10)，其中所述透镜(100)的所述内环形反射元件(130)和所述外环形反射元件(140)中的至少一个包括由多个小面环限定的渐窄外表面(134、144)。
5.根据权利要求1或者2所述的照明设备(10)，其中所述透镜(100)的所述光出射表面(110)包括阶梯式轮廓。
6.根据权利要求1或者2所述的照明设备(10)，其中所述透镜(100)的所述光出射表面(110)被纹理化。
7.根据权利要求1或者2所述的照明设备(10)，其中所述透镜(100)进一步包括在所述光出射表面(110)上的微透镜阵列(150)。
8.根据权利要求1或者2所述的照明设备(10)，其中所述透镜由聚合物材料制成。
9.根据权利要求8所述的照明设备(10)，其中所述聚合物材料是聚碳酸酯或者聚甲基丙烯酸甲酯。
10.根据权利要求1所述的照明设备(10)，进一步包括在所述至少一个固态照明元件(20)之上的腔体(12)，所述腔体容纳所述透镜(100)。
11.根据权利要求1所述的照明设备(10)，其中所述载体上的所述至少一个固态照明元件(20)是板上芯片固态照明元件。
12.根据权利要求1至2和9至11中的任一项所述的照明设备(10)，其中所述至少一个固态照明元件(20)是发光二极管。
13.根据权利要求1至2和9至11中的任一项所述的照明设备(10)，其中所述照明设备具有不超过15°的光束角。
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