CN105378536B

CN105378536B - 用于余弦立方、典型蝙蝠翼、平坦蝙蝠翼分布的透镜

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Publication number: CN105378536B
Application number: CN201480041748.4A
Authority: CN
Inventors: J.钦尼亚; G.艾伦; B.尤德
Original assignee: Karent Lighting Solutions Co ltd
Current assignee: Karent Lighting Solutions Co ltd
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2014-06-23
Publication date: 2020-06-30
Anticipated expiration: 2034-06-23
Also published as: TW201518657A; WO2015012984A2; TWI624620B; US9233510B2; MX2016000945A; WO2015012984A3; US20150023028A1; CN105378536A; CA2918355A1; MX350144B

Abstract

按照各种实施例、具有均匀照射分布的照明设备能够包括用于区域照明的透镜。在一个实施例中，透镜包括通过在不同角度所限定的厚度比所识别的多个截面。厚度比相对于在透镜的中心角所限定的截面的厚度来确定。在另一个实施例中，具有均匀照射分布的照明设备包括具有内表面和外表面的透镜。内表面和外表面的轮廓由使用半径和圆心所限定的多个分段圆弧组成。通过接合内表面和外表面的分段圆弧，作为复合曲线透镜来形成透镜。

Description

用于余弦立方、典型蝙蝠翼、平坦蝙蝠翼分布的透镜

技术领域

本公开一般涉及发光二极管(LED)照明。更具体来说，本公开涉及在平坦表面上产生均匀照度的LED透镜。

背景技术

近年来，随着LED功率和效率增加及其成本降低，LED在许多应用中用作常规荧光灯、白炽灯、氖管和光纤光源的可行替代。LED照明系统能够在多种环境中用来照射平坦表面，例如街道照明、停车场、停车库、车行道、走道、边道、过道、走廊、桌子、台阶、房间、制造设施、仓库和其他类型的环境。

在将这些光应用于这些环境中，许多因素影响设备的选择、固定装置（fixture）的放置以及适合于结构、地形和业余活动的照度。基于为特定应用所选择的LED透镜，能够造成非均匀光强度的亮点，其对人眼是显见的。不良照明设计能够造成投射阴影的眩光的盲点，从而造成刺眼以及多个保险和安全风险。因此，对于安装了商业照明系统的企业主，安全列为最高关注。

例如在停车场照明系统中，能见度构成每一个设计中的主要因素。停车场照明系统实际上由政府来管理，并且按法规必须产生最小四英尺烛光。忽视这个元素不仅使驾驶员和行人在停车场中有风险，如果不幸事故在因不良能见度的前提下发生，则它还能够对企业主造成采取可能的政府罚款形式的责任和法律责任。

因此，照明系统的设计内的光学规范通常识别要求由所选光源所产生的专用辐射图。例如，在诸如街道照明、停车库照明和走道照明的一些照明应用中，期望从光源所输出的均匀照射，以便均匀照射整个区域。

但是，当目标区域具有广泛变化距离时，这个要求可能难以达成。为了实现在整个区域上的均匀照射，需要通过相对于该区域的最近部分朝该区域的更远部分增加强度，来定制（tailor）LED透镜的强度。

为了在平坦表面上产生均匀照度，理想强度分布通过倒余弦立方定理(1/cos³θ，变化，其中θ是所测量与灯的垂直方向的角度)来给出。幅度可根据电源而变化，但是分布形状仍然遵循倒余弦立方定理。不能产生具有“理想”均匀照度的特性的准确透镜。

一些常规技术而是接近均匀照度，而没有实际实现“理想”均匀照度。一种这样的常规技术是蝙蝠翼光束图，其常用于照射平坦表面。可通过在烛光分布图中具有两个大致相等峰值(其中在大约0度处峰值之间具有谷值)，来限定蝙蝠翼图。辐射蝙蝠翼强度分布的一些LED灯能够产生均匀照度，但是都不能产生遵循倒余弦立方定理的强度分布。

发明内容

给定上述缺陷，仍然需要一种透镜，其给出与倒余弦立方分布基本上类似的均匀照度强度轮廓。

此外，当传统光源、例如荧光灯的组件破裂并且要求更换时，荧光灯的修理在部件和人力方面能够是成本高的。另外，荧光灯的处置引发环境问题，因为它们包含汞。为了解决与荧光灯关联的问题，LED灯提供比荧光灯更为有效和环境友好的光源。

因此，仍然存在改进的照明系统的需要，照明系统能够在改型和新应用中均在平坦表面上产生均匀照度。仍然存在设计用于由具有将在平坦表面上产生均匀照度设计的LED进行照射的透镜的需要。但是，一些照明应用可能不要求如倒余弦立方定理所表达的理想均匀照射。实际上，它可以是确定是否要优选具有基于倒余弦定理的参数的透镜的照明系统的应用类型。

因此，可为特定应用选择不同透镜。因此，存在具有根据LED的预期光分布所限定的截面轮廓的透镜的需要。此外，存在能够产生具有可用于多种环境中的不同强度分布的若干不同配置透镜的单个透镜设计方法的需要。

在一个实施例中，本公开描述一种透镜，其提供高达65度的近完善1/cos^3强度分布。在另一个实施例中，本公开描述一种透镜，其提供也具有60度遮光角的标准蝙蝠翼分布。在又一个实施例中，本公开描述一种透镜，其提供具有60度遮光角的平坦蝙蝠翼分布。在特定应用中，透镜的照度需要的精度可用来确定要使用哪一个透镜。

下面参照附图详细描述本发明的其他特征和优点以及本发明的各种实施例的结构和操作。要注意，本发明并不局限于本文所述的具体实施例。这类实施例在本文中仅为了说明的目的而提出。附加实施例对于一个或多个相关领域的技术人员基于本文包含的教导将是显而易见的。

附图说明

图1是按照本公开的均匀照度分布透镜的截面图；

图2是示出图1的均匀照度分布透镜的强度分布的图；

图3A是按照本公开的均匀照度透镜设计的示范实施例；

图3B是图3A的均匀照度分布的外表面的数据的示范表；

图3C是图3A的均匀照度分布的内表面的数据的示范表；

图4A是按照本公开的均匀照度透镜设计的另一个示范实施例；

图4B是图4A的均匀照度分布的厚度比的数据的示范表；

图5是按照本公开的蝙蝠翼强度分布透镜的截面图；

图6A是按照本公开的蝙蝠翼透镜设计的实施例；

图6B是图6A的蝙蝠翼透镜设计的外表面的数据的示范表；

图6C是图6A的蝙蝠翼透镜设计的内表面的数据的示范表；

图7A是按照本公开的蝙蝠翼透镜设计的另一个实施例；

图7B是图7A的蝙蝠翼透镜设计的厚度比的数据的示范表；

图8是图5的蝙蝠翼强度分布的极坐标图；

图9是按照本公开的平坦蝙蝠翼分布透镜的截面图；

图10A是按照本公开的平坦蝙蝠翼透镜设计的实施例；

图10B是图10A的平坦蝙蝠翼透镜设计的外表面的数据的示范表；

图10C是图10A的平坦蝙蝠翼透镜设计的内表面的数据的示范表；

图11A是按照本公开的平坦蝙蝠翼透镜设计的另一个实施例；

图11B是图11A的平坦蝙蝠翼透镜设计的厚度比的数据的示范表；以及

图12是图9的平坦蝙蝠翼强度分布的极坐标图。

本公开可采取各种组件和组件的布置以及各种过程操作和过程操作的布置的形式。本公开在附图中示出，附图中，相似参考标号在各个附图中可指示对应或类似部件。附图仅为了示出优选实施例的目的，而并不是要被理解为限制本公开。给定附图的以下实现性描述，本公开的新方面对本领域的普通技术人员应当变得显见的。

具体实施方式

虽然本文中采用特定应用的说明性实施例来描述本发明，但是应当理解，本发明不限于此。获得本文所提供的教导的本领域的技术人员，将会知道在本发明以及本发明在其中具有显著效用的附加领域的范围之内的其他修改、应用和实施例。

以下详细描述实际上只是示范性的，而不旨在限制本文所公开的应用和用途。此外，并不是意在通过前面的背景、概述或者以下详细描述中提出的任何理论来限制。

本公开的各种实施例提供设计可在多种环境中用来提供照明平坦表面的均匀照度的照明系统的若干方式。应当理解，光源可配置用于多种照射应用。“照射源”是一种光源，其具体配置成生成具有有效照射内部或外部空间的充分强度的辐射。系统和方法可配置用于各种平坦表面应用，例如街道照明、停车场、停车库、车行道、走道、人行道、过道、走廊、桌子、台阶、房间、制造设施、仓库和其他类型的环境。

本文中公开在平坦表面上提供均匀照度的至少两种主要方式：分段方式和厚度比方式。两种方式均基于透镜几何结构(即，透镜的形状)来产生均匀照度，如图1、图5和图9所示。

在分段方式中，实施例提供将强度分布曲线分为段的近似。这在图3A-3C、图6A-6C和图10A-10C中示出。每个透镜提供适合于区域照明的不同强度分布，并且具有由分段圆弧所组成的内和外表面。

在厚度比方式中，实施例限定作为在不同角度沿光轴的透镜的厚度的函数的透镜的曲率或深度。这在图4A-4B、图7A-7B和图11A-11B中示出。

两种方式均提供创建产生不同类型的强度分布(例如均匀照度强度分布(图1)、蝙蝠翼强度分布(图5)和平坦蝙蝠翼强度密度(图9))的不同形状透镜的透镜设计技术。图1、图5和图9中的每个透镜基于相同原理来创建，但是具有不同的几何结构，使得在每个实施例中以不同方式控制光。即，构成透镜的原理是相同的，但是每个透镜的曲率是不同的，以便创建不同分布。实施例基于透镜几何结构来产生预期照度。

在图1-4B所示的一个实施例中，本公开描述一种透镜，其提供高达65度的近完善1/cos^3强度分布。在街道照明应用中，例如，这个透镜将在道路表面上提供高达65度的完善均匀照度。

在如图5-8所示的另一个实施例中，本公开描述一种透镜，其提供具有60度遮光角的标准蝙蝠翼分布。

在如图9-12所示的又一个实施例中，本公开描述一种透镜，其提供具有60度遮光角的平坦蝙蝠翼分布。在特定应用中，透镜的照度的预期精度可用来确定要使用哪一个透镜。

在图1-4B中，示出提供高达65度的近完善1/cos^3强度分布的均匀照度透镜100的示范实施例。众所周知，实现“理想”均匀照度所需的来自光源的强度分布的形状通过倒余弦立方定理(1/cos³θ，变化，其中θ是所测量与灯的垂直方向的角度)来给出。

光幅度可根据电源而变化，但是透镜100的分布形状仍然遵循倒余弦立方定理。在它将均匀地照射平表面的意义上，分布是理想的。但是，无法产生具有理想均匀照度强度的透镜。一直尝试创建理想透镜。在没有透镜中的少许偏差的情况下，不能产生这种透镜。这些偏差是人眼觉察不到的。

按照实施例，为了能够得到可接受透镜，提供一种透镜100，其尽可能密切地遵循倒余弦立方定理。图2是光强度与所测量与垂直轴的角度的图。图2将来自透镜100的强度曲线105与理想强度曲线110的强度值进行比较。

图2中，能够观察到，来自透镜的强度曲线105与理想强度分布曲线110类似。均匀照度透镜100的曲线105看起来与理想强度曲线110几乎相同。

图1是按照图3A-3C的分段方式或者图4A-4B所示的厚度比所设计的均匀照度透镜的图示。更具体来说，图1描绘包括外表面115和内表面120的均匀照度透镜100的截面轮廓。外表面115包括用于接纳LED(未示出)的底部凹口125。在使用中，LED将位于凹口125中。

图3A-3C表示使用分段方式所生成的均匀照度透镜100的外表面115a和内表面120a的半轮廓的图。图在包括x轴和y轴的坐标系中示出。坐标系的原点对应于光源(例如LED)。外表面115a和内表面120a由分段弧来组成。

在图1的实施例中，该系统生成一个透镜，其给出与高达65度角的倒余弦立方分布非常接近的强度轮廓。图3A中，透镜100作为接合分段圆弧的复合曲线透镜来形成。复合曲线透镜的截面轮廓根据具有半径和圆心的圆弧来提供。透镜100的内和外轮廓组合是唯一的，并且与现有技术不同。

在图3A-3C中，实施例选择分段近似，以便最佳地拟合倒余弦立方定理的曲线。为了限定图3A所示透镜100的截面的几何结构，分段近似将内表面120a和外表面115a分为弧。例如，图3A中，该系统将曲线分为内侧表面120a上的一系列4个不同弧和外侧表面115a上的11个不同弧。

实施例提供用于使用均匀照度曲线的光分布图来确定限定透镜的几何结构的圆弧的过程。实施例平衡透镜的圆弧性质。实施例识别形成复合曲线的圆弧，并且能够用于表示透镜的几何结构。实施例包括用于计算透镜几何结构的圆弧并且利用分段圆形设计曲率的技术。

每个圆弧通过中心点和半径来限定。计算技术能够用来识别所有参数(中心以及半径)，其描述组成透镜的每个圆弧。透镜的组件然后能够通过圆弧来建模。

通过根据组成它的圆弧来表示透镜，以高精度来确定透镜几何结构。任何已知分段技术能够用于检测透镜的复合曲线的曲线。

将圆弧用于表示几何结构的组件的一个优点在于，可需要较少数据以预期精度等级来表示透镜。因此，采用本技术所得到的弧的使用可以是表示透镜几何结构的更有效方式，因为这种表示直接利用透镜的分段圆弧设计。在上述实施例中，该技术识别与透镜的倒余弦立方定理一致的圆弧。

在如图4A-4B所示的备选实施例中，厚度比用来产生基于倒余弦立方定理的透镜几何结构。类似地，在这个实施例中，透镜产生与倒余弦定理相似的均匀照度。

在图4A-4B中，示出图1的透镜的一系列截面。每个截面通过在其透视角的厚度比来识别。每个透镜段的截面通过连接任何两个相邻透镜段之间的对应部分的过渡表面来限定。当将透镜段建模成具有上表面115b和下表面120b的单个平滑连续透镜时，每个透镜段具有唯一厚度。

本发明的实施例基于在不同角度的截面来创建透镜。相对于在90度角处的A₁-B₁的截面的厚度来确定厚度比。换言之，所有其他段的厚度是与位于透镜中心处的段A₁-B₁的厚度的比较。所示尺寸只是示范。例如，A₁-B₁的厚度比能够是诸如1、1.5或5的值，但是所有其他段的厚度与段A₁-B₁相比来计算。

因此，例如，段A₁-B₁的特征在于在90度角处所取的厚度比1，段A₂-B₂的特征在于在80度角处所取的厚度比1.2206，依此类推。

将会理解，虽然以10度间隔示出角度，但是设计考虑将指示截面的大小，只要仍然存在段A₁-B₁与其余段之间的厚度比关系。

作为示例，这些预期特性通过具有+/-10至15%的范围之内的变化和厚度比的透镜来提供。在这些范围之内所选择的精确尺寸比将取决于透镜的确切应用。

使用上述分段方式和厚度比方式，能够产生多两个透镜—一个产生中等蝙蝠翼分布而另一个产生平坦蝙蝠翼分布。

在图5-8中，透镜200提供具有60度遮光角的标准蝙蝠翼分布。一般来说，在如图8的极坐标图所示的蝙蝠翼辐射图中，LED产生大约110至120度宽并且具有比其中心要亮的边缘的光束，使得LED在其光束之内均匀照射与LED的轴垂直的平表面。

称作蝙蝠翼的辐射图“近似”为倒余弦立方定理。这种辐射图在与光束的轴垂直的平表面上产生均匀照射图。这种图案因作为与辐射图的轴的角度的函数的强度的图形状而称作“蝙蝠翼”，如图8所示。可通过在烛光分布图中具有两个大致相等峰值(其中在大约0度处峰值之间具有谷值)，来限定蝙蝠翼图。

图5描绘包括外表面215和内表面220的蝙蝠翼强度分布透镜200的截面轮廓。外表面215包括用于接纳LED(未示出)的凹口225。图6A-6C是如上所述使用分段方式所生成的蝙蝠翼强度分布透镜200的外表面215a和内表面220a的半轮廓的图。在图7A-7B中，厚度比用来基于蝙蝠翼强度光束图来产生具有外表面215b和内表面220b的透镜几何结构，如上所述。

在某些平坦表面应用中，蝙蝠翼强度分布透镜200(图5)可以是比均匀照度透镜100(图1)更好的选择。虽然蝙蝠翼强度分布透镜200不如均匀照度透镜那么“完善”，但是透镜200更简易和更廉价地产生。如图1所示，透镜100是厚透镜，其能够难以模塑。因此，在与均匀照度透镜的完善特性的偏差是可接受的应用中，则能够为这种应用选择蝙蝠翼透镜200。另外，蝙蝠翼透镜200的截面没有包括与透镜100相似的锐点。此外，图7B中的厚度比的距离更为均匀，这使这个透镜200更易于制造。

蝙蝠翼透镜200能够产生非均匀性(例如亮点和较低点的区域)。因此，在使用中，透镜200需要满足较低点（lower spot）最小要求。但是，这可能在亮点中产生额外光。这在能量方面略微是浪费的，因为它通过过度照射区域而浪费光。从成本角度来看，蝙蝠翼透镜200可优于均匀照度透镜100。但是，在一些设计应用中，客户可能不希望亮点的区域，而优选透镜100的完善照射。

在图9-12所示的又一个实施例中，透镜300提供具有60度遮光角的平坦蝙蝠翼分布。如图12的极坐标图所示，平坦蝙蝠翼300的强度分布的形状与蝙蝠翼200类似。图12中，平坦蝙蝠翼图通过从一个最大峰值延伸到相对最大峰值的基本平坦线条来限定。

图5示出与蝙蝠翼透镜200类似的、包括外表面315和内表面320的平坦蝙蝠翼强度分布透镜300的截面轮廓。外表面315包括用于接纳LED(未示出)的凹口325。图10A-10C是如上所述使用分段方式所生成的平坦蝙蝠翼强度分布透镜300的外表面315a和内表面320a的半轮廓的图。在图11A-11B中，厚度比用来基于蝙蝠翼强度光束图来产生具有外表面315b和内表面320b的透镜几何结构。

这个平坦蝙蝠翼透镜300是比均匀照度透镜100和蝙蝠翼透镜200更简单的设计。透镜300可选择作为常规荧光灯的替代。优于荧光灯的优点是在光的方向上的更好控制。可选择透镜300供诸如工厂和购物中心的环境中使用。透镜300可以是可优选的，因为能够控制更多光，使得它被定向到地板和货架上。

一般来说，图1、图5和图9中的每个透镜提供或接近均匀照射但不同的分布方案。透镜100、200和300是轴对称透镜、挤压透镜和旋转透镜。系统和方法在每个实施例中提供轴对称透镜。透镜100、200和300的轮廓围绕垂直轴镜像，并且与轮廓表面垂直挤压。每个透镜100、200和300的轮廓围绕水平旋转，与垂直轴相反。

因此，本方法能够用来根据圆弧或厚度比来得到透镜的几何结构。如本文所述所定义的透镜能够按照可控方式来收集分布光。本文所述的透镜还能够产生避免浪费的光强度分布。

透镜100、200和300可由诸如丙烯酸、聚碳酸酯和硅酮等的材料来制成。

将会仍然由本公开包含的备选实施例、示例和修改可由本领域的技术人员具体根据上述教导进行。此外，应当理解，用来描述本公开的术语旨在具有描述措辞而不是限制的性质。

本领域的技术人员还将会理解，能够配置上述优选和备选实施例的各种适配和修改，而没有背离本公开的范围和精神。因此，要理解，在所附权利要求书的范围内，可以不同于如本文的具体所描述的那样实施本公开。

Claims

1.一种照明设备，包括：

用于区域照明的透镜，具有内表面和外表面；

其中所述内表面的轮廓由第一多个分段圆弧来组成；

其中所述外表面的轮廓由第二多个分段圆弧来组成；以及

其中所述透镜的截面轮廓通过接合第一和第二多个分段圆弧来形成，第一和第二多个分段圆弧的每个由中心点和半径来表示并且限定所述透镜的几何结构；

其中，所述透镜在沿与水平方向30°角的方向上具有相对于最小厚度的最大的厚度比；以及

其中，所述透镜提供具有60度遮光角的蝙蝠翼分布。

2.如权利要求1所述的照明设备，其中，第二多个分段圆弧的数量大于第一多个分段圆弧的数量。

3.如权利要求2所述的照明设备，其中，与所述第二多个分段圆弧的每个关联的半径范围从2.768至402.415；以及

其中与所述第一多个分段圆弧的每个关联的半径范围从6.821至27.158。

4.如权利要求1所述的照明设备，其中，第二多个分段圆弧的数量小于第一多个分段圆弧的数量。

5.如权利要求4所述的照明设备，其中，与所述第二多个分段圆弧的每个关联的半径范围从3.862至41.109；以及

其中与所述第一多个分段圆弧的每个关联的半径范围从2.660至14.380。

6.如权利要求2所述的照明设备，其中与所述第二多个分段圆弧的每个关联的半径范围从5.063至29.839；以及

其中与所述第一多个分段圆弧的每个关联的半径范围从2.516至12.581。

7.如权利要求1所述的照明设备，其中，每个中心点和半径与所有其他中心点和半径是不同的。