CN105283781B - 在其入射面和出射面具有密集分布的凸刻面的透镜 - Google Patents

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Abstract

用于LED的光学透镜（3），包括透镜主体（10），该透镜主体（10）具有：入光部段（1），来自LED的光通过该入光部段（1）进入所述透镜（3），该入光部段（1）具有截面尺寸（D2）并凹入以容纳LED；发光正面（2）；沿着所述入光部段（1）和所述发光正面（2）之间的中心轴延伸的接头圆锥形形状（4），其外表面包含多个密集分布的凸刻面（24）；沿着所述中心轴的高（H）；在所述发光正面（2）的水平上的截面宽度（D1）。这种光线透镜增强了光利用效率，避免产生带有色差的聚光，因此显著提高了显色性。

Description

在其入射面和出射面具有密集分布的凸刻面的透镜
技术领域
本发明涉及一种新型透镜，特别但不排他地，用于与具有LED集成光源的LED灯具一起使用，还涉及LED照明单元，该LED照明单元包括含有这些新型透镜的射灯。
背景技术
LED集成光源透镜有助于提高LED集成光源表面的发光效率。一种已知类型的LED集成光源透镜，包括孔形或凹口形的入光部段和杯形的发光部分，其在入光部段和发光部分都具有光滑表面。这具有这样的缺点： LED集成光源的光利用效率非常差。还存在一个缺点，这种设置产生具有明显色差的发光斑点，即，对显色指数产生不利的影响。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种光学透镜，其用于包括LED光引擎的LED集成光源，所述透镜包括：
（1）透镜主体，其具有底部和发光正面，来自所述LED光引擎的光可以通过所述底部进入所述透镜，所述透镜主体大致上为具有中心纵轴的截头圆锥形，所述中心纵轴从所述底部延伸穿过所述发光正面，所述透镜主体在所述底部的底平面和所述发光正面的前面之间具有高度H，并且具有横过所述发光正面的前面的横截面尺寸D1；
（2）入光部段，其嵌入在所述透镜主体的底部内，适合于容纳LED光引擎，并且具有横截面尺寸D2；
（3）在所述底部和所述发光正面之间的所述截头圆锥形透镜主体的外表面包含多个密集分布的凸刻面；
其中，来自所述LED光引擎的光集中为相对所述中心纵轴翻转15度到60度的光束，D1与H之比等于或大于1.90，并且D2不大于15 mm。
在本说明书中描述的透镜具有图3的例子所示的朝向，其中，如图所示的左手边为透镜的底部或尾部，右手边为前部或上部。在这样的情况下考虑“前部”、“上部”、“尾部”或“底部”等术语的使用，并且，可以理解的是，在使用中，透镜可以用在不同的朝向中。
透镜直径D1的测量不包括可能任何出现的围绕透镜的发光正面的外边缘的凸缘，因为光没有通过该凸缘发出。所述高度H从所述发光正面的最高点到所述透镜的所述底部的底面，其中，所述发光正面的最高通常围绕所述发光正面的最高的边缘。
相比先前这种类型的透镜，在透镜主体的外部锥形曲面使用密度更高的反射面能够提高光利用效率，产生没有明显色差的聚光，并且显著提高显色度。
优选地，D1与H之比在1.90和4.00之间，更优选地，D1与H之比在1.90和3.81之间。进一步的优点在于，这样的透镜相对低矮，允许在新的应用中与这样的透镜一起使用LED光源。例如，能够使得要生产的透镜紧凑，这样反过来又促进尺寸和亮度相当于传统卤素灯（电灯泡）的LED灯的生产，并因此可以用作卤素灯的直接LED置换。这也显著节省了能源使用。
优选地，在所述底部和所述发光正面之间的所述截头圆锥形透镜主体的外表面上密集分布的凸刻面的平均密度大于每平方厘米（Per Square Centimetre，PSC）14个刻面，更优选地，在每平方厘米14个刻面和每平方厘米85个刻面之间。
特别地，在优选的实施例中，在所述底部和所述发光正面之间的所述截头圆锥形透镜主体的外表面上密集分布的凸刻面的数量大于每锥形表面（Per Conical Surface，PES）500个刻面，更优选地，大于或等于每锥形表面600个刻面。
优选地，在所述透镜的所述底部的所述入光部段包括盲凹口，其中，所述盲凹口的横截面大致上优选为圆形。
优选地，所述盲凹口的底部包含有折射表面，该折射表面可能表现为多个大致凸刻面的形式。这些小的凸刻面镜适合于扩散或传播从LED光引擎发出的光，并且创建多点光源。在本说明书中，术语“多个”表示一个或多个。该盲凹口可能因此包括一个光散射或光发散凸透镜，并且这种透镜可能在其表面上具有多个不同的曲率。
优选地，在所述透镜主体的外表面上的密集分布的凸刻面适合于将来自所述LED光引擎的光反射出所述透镜主体的所述发光正面。
优选地，所述透镜还包括大致上围绕所述透镜主体的所述发光正面的外围向外延伸的凸缘。
优选地，所述透镜主体大致上是固体，并且，优选地由大致透明或半透明的塑料材料形成。
可选地，所述透镜主体可能由玻璃形成。
在另一优选的实施例中，所述透镜主体的所述发光正面包含凹部，以致所述透镜主体的所述发光正面大致上是凹的。
优选地，所述透镜主体的发光正面同时包含凹区域和凸区域。这些曲面影响发出的光的光束角。
优选地，所述透镜主体的发光正面的部分或全部包含折射表面，该折射表面为多个大致上凸刻面的形式。
优选地，所述透镜主体的底部包含多个切去部分，这些切去部分适合于容纳向所述LED光引擎供电的导线。
类似地，公开了一种LED集成电源透镜，包括孔形的入光部段和杯形的发光部分，还包括位于所述入光部段和发光部分之间的光学透镜，其中，所述入光部段和发光部分的外表面包括具有密集分布的凸刻面的部分。
优选地，所述光学透镜在一侧具有斑点表面。
优选地，所述光学透镜在另一侧具有曲面。
优选地，所述弯曲表面是凸的。
优选地，所述孔在它的底部设有非球状表面。
在所述入光部段和所述发光部分的外表面上密集分布的凸刻面使得所述LED集成光源能够发出多点光，其增强了光利用效率，不会产生带有色差的聚光，从而显著提高显色度。所述光学透镜的一侧具有产生多点光的斑点表面。所述光学透镜的另一侧具有改变光束角的曲面。
本发明还延伸为包括一种灯具，其包括灯座、固态照明元件、LED驱动、散热器和本发明所述的光学透镜。
附图说明
以下将参照下列附图对发明进行说明：
图1为根据本发明的透镜的第一实施例的示意透视图；
图2为图1所示的透镜的仰视图；
图3为图2所述的透镜沿线A-A的截面图；
图4为类似于图3所示的截面的示意图，示意性显示了通过透镜的光的流动；
图5为根据本发明的透镜的第二实施例的侧视图；
图6为图5所示的透镜沿线A-A的截面图；
图7为图5所述的透镜的仰视图；
图8为图5所述的透镜的前面的透视图；
图9为根据本发明的透镜的第三实施例的侧视图；
图10为图9所示透镜的仰视图；
图11为根据本发明的透镜的第四实施例的侧视图；
图12为图11所示的透镜的仰视图；
图13为根据本发明的透镜的第五实施例的侧视图；
图14为图13所示的透镜的仰视图；
图15为根据本发明的透镜的第六实施例的侧视图；
图16为图15所示的透镜的仰视图；
图17为根据本发明的透镜的第七实施例的侧视图；
图18为图17所示的透镜的仰视图；
图19和图20分别为包含根据本发明的第一方面的透镜的灯具的截面图和部件分解图；
图21为旋转式锁紧装置的示意图。
具体实施方式
首先参考图1到3，可见该透镜可以包括大致上为固体的透镜主体10，该透镜主体10通常具有圆锥或截头圆锥部4，该圆锥或截头圆锥部4设有在那附件延伸的凸缘12，为透镜提供圆形外围边缘。该凸缘12是可选的特征，在下面可以看到，它不是透镜实现其功能的必要特征。从圆形的凸缘12延伸出该圆锥或截头圆锥部4。延伸出该圆锥或截头圆锥部4的凸缘12的一侧将被称为底面、基面或后面，从而应当理解提及的“上面”、“前面”、“在……上方”或“在……下方”。
该透镜具有通常沿着图3中的D2到D1的线延伸的中心纵轴。该透镜由透明或半透明材料形成。在由透明或半透明塑料材料形成的情况下，该透镜优选地通过注塑成型形成。
圆锥或截头圆锥部4的底部设有凹部，或者在该底部中设有孔。该孔为盲凹口的形式。如图所示，通常该凹口的截面大致上为圆形，但是，也可以使用其他的截面。该凹口的一侧或多侧大致上与透镜的中心纵轴一致。
圆锥或截头圆锥部4的底部设有两个切去部分14，这两个切去部分14沿着部分的圆锥或截头圆锥部4的圆周延伸，从而产生在这两个切去部分14之间延伸的两个凸耳16。这些切去部分或凸耳适合于容纳向LED光源供电的导线。从图2可以看出，透镜关于中心平面大致对称。
在使用中，LED（LED光引擎）位于在圆锥或截头圆锥部4的底部中的孔的开口处，从而该孔形成透镜的发光部分1。盲凹口的端部或孔的底部可能设有折射表面18，例如，由一系列面组成的斑点或洼坑状表面。在本实施例中，该折射表面18的形状大致为圆形，直径为D2。从图2可以看出，这种折射表面表现为形成孔的底部的表面上的多个大致上为六边形凸刻面的形式。在使用中，折射表面18产生多点光束。在本实施例中，该折射表面18通常位于水平面，大致上垂直与透镜的中心纵轴。
圆锥或截头圆锥部4的外表面设有密集分布的凸刻面24网。在使用中，这些面24通过全内反射产生多点光束。可以看出，本实施的面24通常为三角形或菱形轮廓。每个三角形或菱形的外表面都为凸形，使得来自LED光源的光线能够通过全内反射反射出透镜的前面。可以理解的是，设计者可以改变这些凸反射面的弯曲角度从而实现特定透镜的所需光束角。对于给定和固定尺寸设置的D1、H和D2，通过调整反射面的弯曲角度，透镜的光束角可以在60度和15度之间变化。
从图2和3可以看出，面的密度，即，在透镜的锥形部分的外部上的每平厘米的面的数量，向入光部段或透镜的底部增加。这和面的总体平面密度一样，是本透镜设计的重要特征。在下表中给出了平均面密度的例子。每个刻面的表面积优选地大于1平方毫米。难以制造更小的面使其具有实现所需光束角和光效率的必要角度精度。一般情况下，根据本发明的透镜的光分布的均匀性与面的尺寸相关；面越小，光分布越均匀。
入光部段1的外表面可能因此看作在圆锥或截头圆锥部4的反射表面上设有凸刻面24，并且在折射表面18上设有凸刻面。商用的计算机程序能够为光的传播建模并优化设计标准。这样的一个程序的例子为由Lambda 研究公司（美国，Littleton的Porter路25号，MA01460）销售的TracePro。
重要地，来自LED光引擎的光在当前透镜中以约88%或以上的效率集中为相对中心纵轴翻转15度到60度的光束。在以前以这么高的效率和1.9或以上的D1与H之比实现这么窄的光束角是不可能的。
从图3可以看出，透镜的前面设有成形凹部。该成形凹部通常为凹陷的杯形，包括从透镜的正面向内延伸的斜面20，该斜面20与杯形的通常圆形的底部22相交，该底部22大致上为凸形。弯曲的凸形用于改变光束角。通常圆形的底部22设有折射表面网，这些折射表面为密集分布的凸刻面的形式。斜面优选地大致上为凹的。
在使用中，成形凹部形成透镜的发光正面或发光部分2。需要强调的是，根据透镜的性能特点，折射表面可能出现在入光部段1的底部，或者在透镜的正面上，又或者同时出现在入光部段1的底部和透镜的正面上。
孔和成形凹部之间的透镜部分形成位于透镜主体的正面和底部之间的光学主体或透镜3。
可以理解的是，入光部段1、发光部分2和光学透镜3优选地由透明或半透明材料单一成形或一体成形。
参考图3，可以看出，透镜的最左边（即，底部的底面）和透镜的最右边（即，发光正面的前面）之间可以测量出高度H。类似地，可以看出发光正面或发光部分2的截面尺寸或直径D1横在它的前方。还可以看出，入光部段包括截面尺寸D2。D2：H：D1的优选比率为1：2：4。这个比率或与该比率接近之比使得透镜具有最优范围的光束角，能够适用于这里举例说明的所有透镜。
图5到8显示了根据本发明的透镜的第二实施例。可以注意到，本实施例（和随后的实施例）没有突出在圆锥或截头圆锥部的窄端或底部的切去部分。
同样，孔或盲凹口的截面为圆形，并带有凸的盲端118。该凸的盲端18可能包含一定范围的曲率，以便将来自LED光引擎的将离开透镜而即不被折射又不被反射的光量减到最小，如下参照图4所述。
本实施例（和随后的实施例）还区别在透镜的外表面上的反射凸刻面网的图案。
类似的附图标记用于指代本发明类似的部分。因此，透镜的圆锥或截头圆锥部设有凸缘112。入光部段101包括设有反射表面124网的圆锥或截头圆锥部的外表面，以及设在透镜的背面的非球形底部表面118。折射表面124通常为菱形。通常凹的发光部分102包括从透镜的正面向内延伸的斜面120，该斜面120与通常圆形的底部相交，该底部设有折射表面128网。在本实施例（和随后的实施例）中，底部通常是平的。在入光部段101和发光部分102之间定义了光学透镜103。
现在参考图4对该透镜的功能进行说明。光从LED（未显示）等光源发出，并且可能采用若干路径。穿过入光部段101的多个刻面的光将穿过透镜并遇到凸刻面124网。这使得到达透镜的锥形表面的光形成朝向发光表面部分102的多点全反射光。多点全反射光的产生降低了眩光指数，并且提高了显色指数。
遭遇孔的底部上的折射表面118的光集中在透镜的发光部分102的表面上的折射表面128网。这提高了光效率。
穿过透镜的发光部分102上的折射表面128网的光形成多点折射发出光，其降低了眩光指数，并且提高了显色指数。
围绕透镜的发光部分102上的折射表面网的斜面120促进注塑成型工艺，并且提高了产品一致性。
可能通过在透镜主体的外部锥形表面上创建镜面，或者通过在透镜的外部锥形表面上紧密地贴合反射材料的锥形外壳（未显示），增强反射表面24、124网的总的内部反射特性。例如，这种外壳可以具有亮白色的或镀银的内表面。
图9和10展示了根据本发明的透镜的第三实施例。该第三实施例具有和第二实施例相似的部分，并呈现了另一反射表面224的图案，这些面包括混合的大致上菱形的面和大致上五边形的面。
图11和12展示了根据本发明的透镜的第四实施例。该第四实施例具有和第二实施例相似的部分，并呈现了另一反射表面324的图案，这些面包括混合的大致上六边形的面和大致上五边形的面。
图13和14展示了根据本发明的透镜的第五实施例。该第五实施例具有和第二实施例相似的部分，并呈现了另一反射表面424的图案，这些面包括混合的大致上菱形的面和大致上八边形的面。
图15和16展示了根据本发明的透镜的第六实施例。该第六实施例具有和第二实施例相似的部分，并呈现了另一反射表面524的图案，这些面包括通常矩形的，更准确地，梯形的面。
图17和18展示了根据本发明的透镜的第七实施例。该第七实施例具有和第二实施例相似的部分，并呈现了另一反射表面624的图案，这些面包括大致上多边形的面的图案。
举例来说，下表列出了典型透镜的关键测量值，并且提供D1（带有和不带有凸缘）和高度（H）的测量值的例子、D1与H的示例性比率，以及每锥形表面（PES）的面的总数和在锥形表面（PES）上每平方厘米（PSC）的平均面密度。
根据附图，可以理解的是，刻面的密度朝向透镜的底部增加，并且因此朝着它们靠近光源的位置增加，从而由每个刻面占据的面积将减少。面约小，从透镜的发光正面发出的光的光分布越均匀。刻面的外表面上的一般凸曲率在大致上所有的刻面上都存在，即使在最靠近LED光源的最小刻面，也存在该凸曲率。
从上表可以看出，在列举的所有透镜中面的平均密度大于或等于每平方厘米14个刻面，并且通常在每平方厘米22个刻面和每平方厘米85个刻面之间。但是。这些是透镜的整个锥形反射表面的平均值。因此，这允许面的密度在最靠近LED光源的区域将显著大于这个数字。
从上表可以看出，D1与H之比等于或大于1.9，并且可以高达3.81。
参考图19和20，它们分别为包含根据本发明的光学透镜的典型灯具的截面图和部件分解图。固体透镜100在外部弯曲表面上有大致上三角形配置的紧密聚集的凸刻面。这些面类似于图1所示和上述的面。透镜1100通常类似于图4所示的透镜的配置，但是，该透镜的发光正面中的凹形区域1120的轮廓比图3和4中所示的要稍微更深，并且凸形区域1122要稍微更凸，此外，比起前面的附图中的凸形区域，该凸形区域1122具有更大的曲率。
散热器1110位于透镜的后方，LED或固态照明元件1106通过盖体1111与散热器的底部保持热接触。
通过灯座1113完成该组合件，灯座1113的主体是空心的，并容纳有用于固体照明元件的LED驱动1112。在本实施例中，灯座的末端有E27螺纹灯连接器1114，然而，根据需要装入的灯具的安装类型的需要，可以使用其他类型的连接器。出于简明的原因，没有显示在灯具中的各种必需的和常见的电连接。
在光学透镜的底部上的两个相对的向外延伸的凸棱1115可以与盖体1111中的相应的凹槽1116相接合，借此，光学透镜1100通过扭转和锁定机构固定。在图20中只显示了其中一个凸棱1115，可以看出，该凸棱轻微倾斜出垂直于光学透镜的中心纵轴的平面。因此，根据旋转的方向，该光学透镜相对盖体的旋转将可以旋紧或旋松透镜。因此，这种类型的灯具中的光学透镜是可置换和可更换的，从而可以根据用户需求实现不同的光束角。
虽然图20说明了在透镜主体的底部上的扭转和锁定机构，很明显的是，该扭转和锁定机构可以合并到任何适当的区域。例如，该扭转锁定特征可以位于前环或使用额外的锁紧螺钉等连接，或者，可以作为透镜主体自身的一部分用于连接或移除。
图21展示了一个例子，其中，透镜主体220包括围绕透镜主体220的发光正面2的外围的多个弹簧夹。这些弹簧夹是有弹性的，因此，透镜主体可以通过扭转锁定连接到散热器或壳体210中相应的锁定机构上。在图21中，显示了三个弹簧夹x、y和z。可以使用具有更多或更少弹簧夹的设计。这使得透镜主体220能够扭转进入散热器或壳体210中并固定。
透镜主体220还可以包括用于接收前环230上的突起部的槽。在图21中显示了在透镜主体220中的三个这样的槽a、b和c，以及在前环230中的相应的突起部d、e和f。这种排布意味着前环230可以将配件240固定。配件240可能是，例如，过滤器或玻璃。前环230只是夹在透镜主体220上（而不是散热器或壳体210）。这些特征使得透镜主体220和配件能够方便移除和更换。

Claims (24)

1.一种光学透镜，其用于包括LED光引擎的LED集成光源，所述透镜包括：
(1)透镜主体，其具有底部和发光正面，来自所述LED光引擎的光能通过所述底部进入所述透镜，所述透镜主体具有带中心纵轴的大致截头圆锥形形状，所述中心纵轴从所述底部延伸穿过所述发光正面，所述透镜主体在所述底部的底平面和所述发光正面的前方之间具有高度H，并且具有横过所述发光正面的前方的横截面尺寸D1；
(2)入光部段，其嵌入在所述透镜主体的底部内，适合于容纳LED光引擎，该入光部段具有横截面尺寸D2；
(3)在所述底部和所述发光正面之间的所述截头圆锥形透镜主体的外表面包含多个密集分布的凸刻面；
其中，来自所述LED光引擎的光聚焦为相对所述中心纵轴成15度到60度的光束，D1与H之比大于或等于1.9，并且D2不大于15mm。
2.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述D1与H之比在1.90和4.00之间。
3.根据权利要求1或2所述的光学透镜，其特征在于，所述D1与H之比在1.90到3.81之间。
4.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，在所述底部和所述发光正面之间的所述截头圆锥形透镜主体的外表面上的所述密集分布的凸刻面的平均密度大于每平方厘米14个刻面。
5.根据权利要求4所述的光学透镜，其特征在于，在所述底部和所述发光正面之间的所述截头圆锥形透镜主体的外表面上的所述密集分布的凸刻面的平均密度在每平方厘米14个刻面到每平方厘米85个刻面之间。
6.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，在所述底部和所述发光正面之间的所述截头圆锥形透镜主体的外表面上的所述密集分布的凸刻面的数量大于或等于每锥形表面600个刻面。
7.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，在所述透镜主体的所述底部的所述入光部段包括盲凹口。
8.根据权利要求7所述的光学透镜，其特征在于，所述盲凹口的横截面大致上为圆形。
9.根据权利要求7所述的光学透镜，其特征在于，所述盲凹口的所述底部包含折射表面，该折射表面适合于扩散或传播从LED光引擎发出的光。
10.根据权利要求9所述的光学透镜，其特征在于，所述折射表面采取多个大致凸刻面的形式。
11.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，在所述透镜主体的外表面上的所述密集分布的凸刻面适于将来自所述LED光引擎的光反射回所述透镜主体，并最终从所述透镜主体的所述发光正面反射出去。
12.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜还包括大致上围绕所述透镜主体的所述发光正面的外围向外延伸的凸缘。
13.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜主体大致为固体。
14.根据权利要求13所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜主体由大致透明或半透明的塑料材料形成。
15.根据权利要求13所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜主体由玻璃形成。
16.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜主体的所述发光正面包括凹部。
17.根据权利要求16所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜主体的发光正面大致为凹入的。
18.根据权利要求16所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜主体的所述发光正均包括凹区域和凸区域。
19.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜主体的发光正面的部分或全部包含折射表面。
20.根据权利要求19所述的光学透镜，其特征在于，所述折射表面采取大致凸刻面的形式。
21.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜主体的所述底部包括多个切去部分，这些切去部分适合于容纳向所述LED光引擎供电的导线。
22.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜主体包括多个围绕所述透镜主体的所述发光正面的外围设置的弹簧夹，其中，所述透镜主体可通过扭转锁定操作连接到灯座上相应的锁紧机构上。
23.根据权利要求22所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜主体包括多个槽，这些槽用于接收前环上相应的凸耳，其中，所述前环固定配件。
24.一种灯具，包括：灯座、固态照明元件、LED驱动器、散热器和根据权利要求1到23中任意一项所述的光学透镜。
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