CN105444047A - 一种微透镜及具有该微透镜的方形led筒灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方形LED筒灯，包括灯体、LED光源组件、扩散面罩、导光元件以及用于封闭灯体背光面的后盖。所述扩散面罩及导光元件设于灯体内且依次前后设置，LED光源组件固设于灯体侧壁并位于扩散面罩与导光元件之间，该LED光源组件的光线由扩散面罩射出或从侧面进入导光元件并经反射后自扩散面罩射出。本发明的灯体为方形结构，从而大大提高灯具的环境适应性，同时通过对结构的改进，提高灯的出光均匀度，使导光匀度更高，光匀可达90％，甚至以上。本发明还公开了一种设于导管元件背面的微透镜，该微透镜大大提高光的使用效率，有效减少光损耗。

Description

一种微透镜及具有该微透镜的方形LED筒灯

技术领域

本发明涉及照明领域，特别涉及一种微透镜及具有该微透镜的方形LED筒灯。

背景技术

筒灯是一种广泛应用于超市、酒店、服装、鞋帽店、休闲中心、商场、酒店、家居等消费场所的照明装饰灯具，其最大特点就是能保持建筑装饰的整体造形和风格，不会因为安装灯具而破坏灯具的周围环境。而现有的LED筒灯都做成圆形，嵌装于天花板内部，光线直接向下投射，属于直接配光，所投射的光斑为圆形。但如果灯具应用的周边环境为线条形，圆形筒灯和所投射的圆形光斑必然会影响装修风格和环境的和谐，从而限制了筒灯的应用。

目前市场上LED筒灯通常由底座、反光杯、透光罩、LED光源组件和电源组成。光源组件采用贴片方式制作，光由多颗LED发光二极管发出，采用直射式投放，光线没有经过导光元器件进行光学处理，导致光线均匀性比较低，甚至会出现暗纹和黑洞，影响筒灯的舒适性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种易于与安装环境协调且结构优化、出光均匀的方形LED筒灯。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种方形LED筒灯，包括灯体、LED光源组件、扩散面罩、导光元件以及用于封闭灯体背光面的后盖；所述扩散面罩及导光元件设于灯体内且依次前后设置，所述LED光源组件固定在灯体侧壁并垂直设置于扩散面罩与导光元件之间，LED光源组件所发出的光线由扩散面罩射出或进入导光元件并经反射后再由扩散面罩射出。

进一步地，所述灯体的横截面为多边形。

进一步地，所述导光元件背面布满通过激光打点生成的导光微透镜，所述导光微透镜为非球面Spline样条曲面，其直径为2600-2680um。

进一步地，所述导光微透镜呈六边形紧密排列，相邻两导光微透镜间距为3550-3700um。

进一步地，所述导光元件是由PS板材制成的方形板，其背面贴有一层反光纸。

进一步地，所述扩散面罩表面设置用于对光线进行均匀扩散诱变折射的扩散微透镜阵列，所述扩散微透镜阵列由多个具有微特征结构的扩散微透镜构成。

进一步地，所述扩散微透镜外形呈蝌蚪状，具有椭圆形的头部和细长的尾巴，其头部纵向长度为0.35毫米，整体长度为0.6毫米。

进一步地，所述后盖通过螺钉固定在灯体上，其中部设有用于放置电源的盘状凹槽。

进一步地，所述后盖边缘设有供连接于LED光源组件与电源之间的电线穿过的U型限位槽。

本发明的另一目的，在于提供一种微透镜：

一种如权利要求3所述的导光微透镜，其形状主要通过以下步骤计算确定：

a)假设单个微透镜基底P为边长为a×b的矩形，出射光在目标面Q上获得W×L的矩形光板，则分别用N条经线和M条纬线把微透镜进行矩形等分，同理对目标面上光斑也进行矩形等分；

b)假设微透镜的入射光线为经校准的平行光束，设I_ij，O_ij，N_ij分别为光线的入射矢量、折射矢量和透镜基面P_ij的法向量，写成分量形式为

C)假设入射光线为准直平行光束，则

由于微透镜的尺寸和相邻透镜间距尺度比透镜基面与目标面的距离相差一个数量级以上，因此忽略透镜基底不同面源格点的相对位置，折射矢量由折射到目标面上的点Q_ij决定，假定空气折射率为1，可得经过某点P_ij后折射光线为

其中i＝0,1,2…,N+1；j＝0,1,2…,M+1

根据snell定律，可知某一入射光线I_ij以P_ij点入射后的出射光线O_ij的关系有

式(2)(3)代入式(4)可得到微透镜在P_ij处的法向量

d)采用Matlab求解，得到每个网格节点P_ij的曲率，并且采用Spline样条曲线对点云进行拟合，获得非球面Spline样条曲面微透镜设计公式；

e)最后对微透镜曲面进行插值，采用机械加工获得基于Spline样条曲线的非球面微透镜阵列。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过导光元件和扩散面罩的配合，实现将灯体制成方形结构，以提高灯具的环境适应性，同时提高出光均匀度，使导光匀度更高，光匀可达90％，甚至以上。特别是，通过激光在导管元件背面打点生成导光微透镜并形成微透镜阵列，再在微透镜阵列外面贴上反光纸，由于导光元件上疏密不同、大小不一的导光微透镜，当光线由光源组件射出到达各个导光微透镜时，导光微透镜破坏反射条件，避免光线由导光元件正面射出，而向各个角度扩散，然后从正面导出进入扩散面罩，大大提高光的使用效率，减少光损耗。

附图说明

图1是本发明的结构爆炸图；

图2是本发明的灯体结构示意图；

图3是本发明的后盖结构图；

图4是本发明的导光元件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构作详细的解释和说明，但并非是对本发明结构的限定。

实施例1

请参阅图1，其是本实施例所述方形LED筒灯的结构爆炸图。

一种方形LED筒灯，包括灯体1、LED光源组件2、扩散面罩3、导光元件4以及用于封闭灯体背光面的后盖5。其中，扩散面罩3及导光元件4设于灯体1内，且自外向内依次前后设置；LED光源组件2固定在灯体1侧壁并垂直设置于扩散面罩3与导光元件4之间。扩散面罩3用于封闭灯体1的出光面，从而与后盖5一起构成对灯体1出光面和背光面的封闭，并将LED光源组件2和导光元件4封闭于灯体1内。灯体1的横截面为多边形，本实施例中，灯体1的横截面是正方形，为此，扩散面罩3和导光元件4的横截面也为正方形。

请参阅图2，LED光源组件2通过导热硅胶垫6固定在灯体1的侧壁内表面上，并位于扩散面罩3与导光元件4之间。LED光源组件2所发出的光线小部分由扩散面罩3射出，大部分光线从侧面进入导光元件4并经反射后自扩散面罩3射出。灯体1的侧壁对应位置设有散热孔10，散热孔10用于散热，避免光源组件过度发热，提高使用寿命。

如图4，导光元件4是用光学级的PS板材制成的方形板，并在光学级PS板材底面用激光雕刻印上导光微透镜，从而利用PS板材吸收从LED光源组件2发出来的光在光学级亚克力板材表面的停留。导光微透镜为非球面Spline样条曲面，布满导光元件背面，其直径大小为2600-2680um。所谓Spline样条曲面，是指由采用SplineCurves样条曲线，对根据设计方法获得的节点及其切向量进行拟合构成的曲面。导光元件背面制备了由导光微透镜排列而成的微透镜阵列，微透镜阵列中，导光微透镜的直径为2600-2680ummm，且相邻两导光微透镜的直径大小不相等。导光微透镜呈六边形紧密排列，透镜间距为3550-3700um。当光线由侧部射到各个导光微透镜时，导光微透镜所形成的微透镜能破坏反射条件而使光线由导光元件4的正面射出，并向各个角度扩散。导光元器件4的背面贴有反光纸，也即微透镜阵列外贴一层反光纸，用于将背面露出的光反射回导光元件4中，可用来提高光的使用效率，减少损耗。

为了使本发明的筒灯所发出的光更加柔和、均匀，扩散面罩3的表面设置用于对光线进行均匀扩散诱变折射的扩散微透镜阵列。所述扩散微透镜阵列由多个具有微特征结构的微小扩散微透镜构成，该扩散微透镜外形呈蝌蚪状，包括椭圆形的头部和细长的尾巴，其头部纵向长度为0.35毫米，扩散微透镜的整体长度为0.6毫米。扩散微透镜以不规则排列的方式排列形成扩散微透镜阵列，扩散微透镜阵列中相邻两个微小透镜之间的间距不完全相同，该间距为3550-3700um毫米。扩散微透镜阵列的设置使进入扩散面罩的光线均匀扩散并诱变折射，改变光的行进路线，使入射光充分散色。

为了使整体结构更优化，后盖5通过螺钉与灯体1固定，其中部位置设有用于放置电源7的盘状凹槽8，而其边缘设有U型限位槽9，U型限位槽9供连接于LED光源组件2与电源7之间的电线穿过。

实施例2

上述实施例1中导光元件背面的导光微透镜，是根据非成像光学中的边缘光线原理以及Snell折射定律并采用直接法和重叠法设计确定的Spline样条曲线凸透镜，其形状主要由以下步骤计算确定：

a)假设单个微透镜基底P为边长为a×b的矩形，出射光在目标面Q上获得W×L的矩形光板，则分别用N条经线和M跳纬线把透镜进行矩形等分，同理对目标面上光斑也进行矩形等分；

b)根据边缘光学理论，在N和M数值足够大的时候，每个网格光强均匀，只需追踪网格边缘即可获得每个网格光强。假设透镜的入射光线为经准直的平行光束，设I_ij，O_ij，N_ij分别为光线的入射矢量、折射矢量和透镜基面P_ij的法向量，写成分量形式为

C)假设入射光线为准直平行光束，则

由于微透镜的尺寸和相邻透镜间距尺度比透镜基面与目标面的距离相差一个数量级以上，因此忽略透镜基底不同面源格点的相对位置，折射矢量由折射到目标面上的点Q_ij决定，假定空气折射率为1，可得经过某点P_ij后折射光线为

其中i＝0,1,2…,N+1；j＝0,1,2…,M+1

根据snell定律，可知某一入射光线I_ij以P_ij点入射后的出射光线O_ij的关系有

式(2)(3)代入式(4)可得到微透镜在P_ij处的法向量

d)采用Matlab求解，得到每个网格节点P_ij的曲率，并且采用Spline样条曲线对点云进行拟合，获得非球面Spline样条曲面微透镜设计公式；

e)对微透镜曲面进行插值，采用NC机床，例如五轴微磨削机床等，加工获得基于Spline样条曲线的非球面微透镜阵列。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种方形LED筒灯，其特征在于：包括灯体、LED光源组件、扩散面罩、导光元件以及用于封闭灯体背光面的后盖；所述扩散面罩及导光元件设于灯体内且依次前后设置，所述LED光源组件固定在灯体侧壁并垂直设置于扩散面罩与导光元件之间，LED光源组件所发出的光线由扩散面罩射出或进入导光元件并经反射后再由扩散面罩射出。

2.根据权利要求1所述的一种方形LED筒灯，其特征在于：所述灯体的横截面为多边形。

3.根据权利要求1所述的一种方形LED筒灯，其特征在于：所述导光元件背面布满通过激光打点生成的导光微透镜，所述导光微透镜为非球面Spline样条曲面，其直径为2600-2680um。

4.根据权利要求3所述的一种方形LED筒灯，其特征在于：所述导光微透镜呈六边形紧密排列，相邻两导光微透镜间距为3550-3700um。

5.根据权利要求3所述的一种方形LED筒灯，其特征在于：所述导光元件是由PS板材制成的方形板，其背面贴有一层反光纸。

6.根据权利要求1所述的一种方形LED筒灯，其特征在于：所述扩散面罩表面设置用于对光线进行均匀扩散诱变折射的扩散微透镜阵列，所述扩散微透镜阵列由多个具有微特征结构的扩散微透镜构成。

7.根据权利要求6所述的一种方形LED筒灯，其特征在于：所述扩散微透镜外形呈蝌蚪状，具有椭圆形的头部和细长的尾巴，其头部纵向长度为0.35毫米，整体长度为0.6毫米。

8.根据权利要求1所述的一种方形LED筒灯，其特征在于：所述后盖通过螺钉固定在灯体上，其中部设有用于放置电源的盘状凹槽。

9.根据权利要求7所述的一种方形LED筒灯，其特征在于：所述后盖边缘设有供连接于LED光源组件与电源之间的电线穿过的U型限位槽。

10.一种如权利要求3所述的导光微透镜，其特征在于：所述导光微透镜的形状主要通过以下步骤计算确定：

a)假设单个微透镜基底P为边长为a×b的矩形，出射光在目标面Q上获得W×L的矩形光板，则分别用N条经线和M条纬线把微透镜进行矩形等分，同理对目标面上光斑也进行矩形等分；

b)假设微透镜的入射光线为经校准的平行光束，设I_ij，O_ij，N_ij分别为光线的入射矢量、折射矢量和透镜基面P_ij的法向量，写成分量形式为

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{ij}=(I_{ij}\stackrel{\→}{i},I_{ij}\stackrel{\→}{j},I_{ij}\stackrel{\→}{k})\\ O_{ij}=(O_{ij}\stackrel{\→}{i},O_{ij}\stackrel{\→}{j},O_{ij}\stackrel{\→}{k})\\ N_{ij}=(N_{ij}\stackrel{\→}{i},N_{ij}\stackrel{\→}{j},N_{ij}\stackrel{\→}{k})\end{array}\right.---\left(1\right)$

C)假设入射光线为准直平行光束，则

$I_{ij}=(0,0,n\stackrel{\→}{k})---\left(2\right)$

由于微透镜的尺寸和相邻透镜间距尺度比透镜基面与目标面的距离相差一个数量级以上，因此忽略透镜基底不同面源格点的相对位置，折射矢量由折射到目标面上的点Q_ij决定，假定空气折射率为1，可得经过某点P_ij后折射光线为

$Q_{ij}={\[L^2{\[\frac{\stackrel{\→}{i}}{M+1}-\frac{1}{2}\]}^2+W^2{\[\frac{\stackrel{\→}{j}}{M+1}-\frac{1}{2}\]}^2+R^2\]}^{-1/2}\·\[\[\frac{L\stackrel{\→}{i}}{M+1}-\frac{L}{2}\]\stackrel{\→}{i},\[\frac{W\stackrel{\→}{j}}{N+1}-\frac{W}{2}\]\stackrel{\→}{j},R\stackrel{\→}{k}\]---\left(3\right)$ 其中i＝0,1,2…,N+1；j＝0,1,2…,M+1

根据snell定律，可知某一入射光线I_ij以P_ij点入射后的出射光线O_ij的关系有

$N_{ij}=\frac{I_{ij}-O_{ij}}{|I_{ij}-O_{ij}|}---\left(4\right)$

式(2)(3)代入式(4)可得到微透镜在P_ij处的法向量

$N_{ij}={\[L^2{\[\frac{\stackrel{\→}{i}}{M+1}-\frac{1}{2}\]}^2+W^2{\[\frac{\stackrel{\→}{j}}{N+1}-\frac{1}{2}\]}^2+{\[n-\frac{R}{O_{ij}}\]}^2\]}^{-1/2}\·\[\[\frac{L}{2}-\frac{L\stackrel{\→}{i}}{M+1}\]\stackrel{\→}{i},\[\frac{W}{2}-\frac{W\stackrel{\→}{j}}{N+1}\]\stackrel{\→}{j},n-\frac{R}{\left|O_{ij}\right|}\stackrel{\→}{k}\]$

d)采用Matlab求解，得到每个网格节点P_ij的曲率，并且采用Spline样条曲线对点云进行拟合，获得非球面Spline样条曲面微透镜设计公式；

e)最后对微透镜曲面进行插值，采用CNC机械加工获得基于Spline样条曲线的非球面微透镜阵列。