CN105465646B - 一种可实现圆形光斑和方形光斑变换的led光学结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构，包括一个可实现圆形光斑的第一透镜（1），第一透镜（1）上连接有可拆卸的第二透镜（3），第二透镜（3）与第一透镜（1）同轴安装；且第一透镜（1）和第二透镜（3）的叠加效果可实现方形光斑，通过拆卸或安装第二透镜（3）实现圆形光斑和方形光斑的变换。本发明可以适应不同场合对光斑形状的不同要求，而且光斑照度均匀，即使是在出射光线小角度发散的聚光情况下，也能实现均匀配光的效果，还可有效用于LED光源尺寸较大的情况。

Description

一种可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构

技术领域

本发明涉及一种可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构，属于照明设备技术领域。

背景技术

由于发光二极管(light emitting diode,简称LED)具备寿命长、能耗低、小巧、轻便、高效等诸多优点，在各个领域得到了广泛的应用，如景观照明、道路照明、投影机以及室内照明等。但是，由于LED光源制造商通常仅生产90度、120度、170度等有限几种配光的LED，发散角度比较大，并且LED光源的发光形状为近似郎伯分布，光能量在中心处(0度)最强，角度越大光强越弱，当裸光源直接用于照明时，会产生被照面中心照度高、周围照度低的问题。为了有效控制LED光束，改善光照的均匀度，提高被照面的光通量，配之以辅助光学器件进行二次配光设计就显得尤为必要。

此外，随着LED芯片和封装技术的提高，LED的发光效率得到了迅速的提升，其应用范围和领域正在急剧延伸。这除了对均匀度、眩光控制等光照品质提出更高的要求以外，必然还对光斑覆盖的范围和形状提出多样化的要求，以满足不同应用领域对光斑形状的不同要求。

目前，LED光源的光分布一般具有中心对称的特点，所投下的光斑大多为圆形。以此为基础，市面上常见的二次配光元件如透镜、反光杯等的配光结果一般可分为两类：一类是以准直透镜为代表，出射角度一般小于90度，广泛应用于泛光灯、投光灯照明中。这类透镜一般仅改变光的出射角度和均匀度，而光斑仍保持原来的圆形形状。另一类以花生米透镜为代表，一般在某一方向的出射角度大于90度，不仅改变光线的出射角度和均匀度，还将光斑由圆形转换为矩形，这类透镜广泛应用于隧道、道路照明中。但是，在出射角度小于90度的第一类透镜中，鲜有出射光斑为方形的照度均匀的透镜。

而在某些应用领域，方形光斑比圆形光斑具有更大的优势。比如在广告照明中,常常碰到需要方形光斑照明的情况。再比如在影视舞台照明、闪光灯、投影仪当中，灯具布光对象主要是人物和舞台，记录设备的取景器和我们看到的画面都是方的。在这些应用领域中，为了产生方形光斑，通常采用裁截的方式，即使用方形的光栅，将光源发出的光裁剪成方形。这种方式必然以损失一部分光能为代价，因此浪费了能源。此外，在一些使用场合中，比如室内照明中的地面、工作面，通常不希望使用太多的灯具，但又希望照度能够均匀。如果采用被照面为圆形、椭圆形等光斑形状时，在不增加灯具数量的情况下，在相邻灯具的衔接处，势必会出现暗区和照射盲点，而难以保证被照面的照度均匀性，从而很难达到客户的使用要求，而采用正方形的照射光斑则可以得到良好的结果。

现有技术中，专利CN102287754A中公开了一种正方形均匀光斑透镜的设计方法，但这种透镜出射角度较大，并不适合用在出射角度较小的投光灯、泛光灯照明中；专利CN102679266 A公开了一种呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法，但这种方法是针对点光源的，而实际大功率LED光源都是具有一定形状尺寸的。当光源尺寸较大时，目标面的光斑会出现较大的恶化，因此，其应用受到一定的限制。

在灯具的制造和生产过程中，人们总是希望通过光学结构上的最少改动，来实现不同的照明目标。由于圆形光斑和方形光斑是照明应用中最为广泛的两种形状，而矩形光斑则可以通过方形光斑的叠加来实现。因此，实现光斑在圆形和方形之间的转换，对于灯具的制造和生产具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构。本发明可以适应不同场合对光斑形状的不同要求，而且光斑照度均匀，即使是在出射光线小角度发散的聚光情况下，也能实现均匀配光的效果，还可有效用于LED光源尺寸较大的情况。

本发明的技术方案：一种可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构，其特点是：包括一个可实现圆形光斑的第一透镜，第一透镜上连接有可拆卸的第二透镜，第二透镜与第一透镜同轴安装；且第一透镜和第二透镜的叠加效果可实现方形光斑，通过拆卸或安装第二透镜实现圆形光斑和方形光斑的变换。

上述的可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构中，所述第一透镜安装在底部支架内，第二透镜安装在上部支架内，上部支架与底部支架之间设有可拆卸的连接结构。

前述的可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构中，所述第一透镜包括第一入射面和第一出射面，第一入射面和第一出射面之间的侧面为全反射面；所述第一出射面为平面；全反射面为由样条曲线旋转而成的非球面结构，且其横截面直径沿着第一入射面至第一出射面的方向逐渐增大；所述第一入射面为内凹的球面。

前述的可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构中，所述第二透镜包括第二入射面和第二出射面；所述第二入射面为平面，与第一入射面平行，所述第二出射面为轴对称非球面，所述轴对称非球面由8个相同的曲面单元呈圆形结构拼接而成，每个曲面单元均是由第一边缘曲线和第二边缘曲线圆滑过渡而成的曲面；其中第一边缘曲线的高度从中心线向第二出射面的边缘逐渐降低然后逐渐升高；第二边缘曲线的高度从中心线向第二出射面的边缘逐渐降低然后逐渐升高，最后再逐渐降低；第一边缘曲线的最低点离中心线的距离大于第二边缘曲线的最低点离中心线的距离。

前述的可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构中，所述第二入射面和第二出射面之间的侧面为圆柱面或圆锥面。

前述的可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构中，所述底部支架靠近上部支架一端的外缘设有多个卡槽，底部支架上设有与卡槽相配合的卡扣，底部支架和底部支架通过卡槽及卡扣连接在一起。

作为优选，前述的可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构中，所述的材料为光学玻璃、石英玻璃、亚克力、PMMA塑料树脂或PC树脂。

与现有技术相比，本发明通过光学结构上的较少改动，可轻易地实现LED光源的圆形光斑和方形光斑之间的变换。同时，即使是在出射光线小角度发散的聚光情况下，也能实现均匀配光的效果。本发明不仅可应用于点光源，在应用于具有一定形状尺寸的LED光时，仍然能够避免光斑恶化，使其应用范围大大增加。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是第一透镜的结构示意图；

图3是第二透镜的结构示意图；

图4是本发明实现方形光斑时的配光曲线；

图5是第二出射面的正投影图；

图6是第一边缘曲线和第二边缘曲线的示意图。

附图中的标记为：1-第一透镜，2-底部支架，3-第二透镜，4-上部支架，11-第一入射面，12-全反射面，13-第一出射面，14-LED光源槽，21-卡槽，31-第二入射面，33-第二出射面，41-卡扣。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。一种可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构，如图1所示：包括一个可实现圆形光斑的第一透镜1，第一透镜1上连接有可拆卸的第二透镜3，第二透镜3与第一透镜1同轴安装；且第一透镜1和第二透镜3的叠加效果可实现方形光斑，通过拆卸或安装第二透镜3实现圆形光斑和方形光斑的变换。所述第一透镜1安装在底部支架2内，第二透镜3安装在上部支架4内，上部支架4与底部支架2之间设有可拆卸的连接结构。所述底部支架2靠近上部支架4一端的外缘设有多个卡槽21(优选3个，等间距设置)，上部支架4上设有与卡槽21相配合的卡扣41，上部支架4和底部支架2通过卡槽21及卡扣41连接在一起。所述的材料为光学玻璃、石英玻璃、亚克力、PMMA塑料树脂或PC树脂，但不仅限于这些材料。

所述第一透镜1的结构如图2所示，包括第一入射面11和第一出射面13，第一入射面11和第一出射面13之间的侧面为全反射面12；所述第一出射面13为平面；全反射面12为由样条曲线旋转而成的非球面结构，且其横截面直径沿着第一入射面11至第一出射面13的方向逐渐增大；所述第一入射面11为内凹的球面。为减少反射损耗，本实施例中第一入射面11为球面。为实现对光线出射角度的控制，其他形式的曲面，比如圆锥面、非球面曲面或它们的组合也是可以采用的。所述全反射面12的底部设有LED光源槽14，所述LED光源槽14用于放置LED光源。所述第一入射面11与LED光源的外形尺寸精确定位，确保所述第一透镜1的光轴中心位置与LED光源芯片中心位置重合且两者保持符合设计要求的间距。

所述第二透镜3的结构如图3所示，包括第二入射面31和第二出射面33；所述第二入射面31为平面，所述第二出射面33为轴对称非球面。所述轴对称非球面如图5和6所示，由8个相同的曲面单元呈圆形结构拼接而成，每个曲面单元均是由第一边缘曲线B和第二边缘曲线A圆滑过渡而成的曲面；其中第一边缘曲线B的高度从中心线向第二出射面33的边缘逐渐降低然后逐渐升高；第二边缘曲线A的高度从中心线向第二出射面33的边缘逐渐降低然后逐渐升高，最后再逐渐降低；第一边缘曲线B的最低点a离中心线的距离大于第二边缘曲线A的最低点b离中心线的距离。第二出射面的正投影中部呈现一个方形，而且第二边缘曲线A的最高点h离中心线的距离＝√2第一边缘曲线B的最低点b离中心线的距离。所述第二入射面31和第二出射面33之间的侧面为圆柱面或圆锥面中的一种。

本发明的工作原理：

当需要实现出射光线小角度发散、投射光斑为圆形的照明时，通电使LED光源处于工作状态。LED发出的光线靠近光轴的一部分经第一入射面11折射后直接到达出射面13，而远离光轴的那部分光线经第一入射面11折射后到达全发射面12。由于在这里光线是从光密介质进入光疏介质且入射角大于临界角，因此光线发生全反射，重新回到第一透镜1中并从第一出射面13射出，形成圆形光斑。

当需要实现出射光线小角度发散、投射光斑为方形的照明时，首先将容纳第二透镜3的上部支架4的卡扣41嵌入底部支架2的卡槽21中，然后通电使LED光源处于工作状态。LED发出的光线在第一透镜1中的传播和光斑为圆形时相同。从第一透镜1的第一出射面13出射的光线通过第二透镜3的第二入射面31进入到第二透镜3中。由于第二透镜3的第二入射面31和第一透镜1的第一出射面13同轴且平行，光线在进入第二透镜3前后传播方向几乎不发生改变。利用第二透镜3的第二出射面33的优化的轴对称非球面结构，调整和改变光线的传播方向和能量分布，然后在照明面上相互“叠加”，以光斑“叠加”的方式来达到均匀和方形光斑的目的。其配光曲线如图4所示。可以看出，尽管光学结构的整体保持圆形的轴对称结构，但按本发明仍能得到接近标准的方形光斑，且光照度在方形区域内均匀分布。

以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，所做的任何修改、等同替换、改进、变形等，均包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构，其特征在于：包括一个可实现圆形光斑的第一透镜(1)，第一透镜(1)上连接有可拆卸的第二透镜(3)，第二透镜(3)与第一透镜(1)同轴安装；且第一透镜(1)和第二透镜(3)的叠加效果可实现方形光斑，通过拆卸或安装第二透镜(3)实现圆形光斑和方形光斑的变换；所述第一透镜(1)包括第一入射面(11)和第一出射面(13)，第一入射面(11)和第一出射面(13)之间的侧面为全反射面(12)；所述第一出射面(13)为平面；全反射面(12)为由样条曲线旋转而成的非球面结构，且其横截面直径沿着第一入射面(11)至第一出射面(13)的方向逐渐增大；所述第一入射面(11)为内凹的球面；所述第二透镜(3)包括第二入射面(31)和第二出射面(33)；所述第二入射面(31)为平面，所述第二出射面(33)为轴对称非球面，所述轴对称非球面由8个相同的曲面单元呈圆形结构拼接而成，每个曲面单元均是由第一边缘曲线(B)和第二边缘曲线(A)圆滑过渡而成的曲面；其中第一边缘曲线(B)的高度从中心线向第二出射面(33)的边缘逐渐降低然后逐渐升高；第二边缘曲线(A)的高度从中心线向第二出射面(33)的边缘逐渐降低然后逐渐升高，最后再逐渐降低；第一边缘曲线(B)的最低点(a)离中心线的距离大于第二边缘曲线(A)的最低点(b)离中心线的距离。

2.根据权利要求1所述的可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构，其特征在于：所述第一透镜(1)安装在底部支架(2)内，第二透镜(3)安装在上部支架(4)内，上部支架(4)与底部支架(2)之间设有可拆卸的连接结构。

3.根据权利要求根据权利要求1所述的可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构，其特征在于：所述第二入射面(31)和第二出射面(33)之间的侧面为圆柱面和圆锥面中的一种。

4.根据权利要求2所述的可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构，其特征在于：所述底部支架(2)靠近上部支架(4)一端的外缘设有多个卡槽(21)，底部支架(2)上设有与卡槽(21)相配合的卡扣(41)，底部支架(2)和底部支架(2)通过卡槽(21)及卡扣(41)连接在一起。

5.根据权利要求1或2所述的可实现圆形光斑和方形光斑变换的LED光学结构，其特征在于：所述第一透镜(1)和第二透镜(3)的材料为光学玻璃、亚克力、PMMA塑料树脂或PC树脂。