CN105757610A - 一种小光束角低眩光方形光斑led透镜 - Google Patents

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    • F21V5/04—Refractors for light sources of lens shape

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

本发明涉及一种小光束角低眩光方形光斑LED透镜，包括全反射面分布有鳞甲的透镜主体和容纳透镜主体的支架。本发明通过全反射面的鳞甲结构设计将LED光源波面分割成众多的像，从而极大地提升人眼感知的发光面积，降低了眩光。同时，在小光束角的情况下，通过出射面的非球面设计，调整和改变光线的传播方向和能量分布，获得方形光斑，并可通过方形光斑的叠加实现多种矩形光斑照明的效果。该透镜的方形光斑具有光线柔和，光斑均匀的优点。

Description

一种小光束角低眩光方形光斑LED透镜
技术领域
本发明涉及一种LED照明应用光学技术领域，尤其是指一种能降低眩光的小光束角方形光斑LED透镜。
背景技术
由于发光二极管(lightemittingdiode,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。
此外，由于LED光源功率密度高，光源面积小，很容易产生刺眼的直接眩光，引起人们视觉上的不适，这不仅会影响空间的视看条件，还是导致视力下降和心理不快的重要因素。目前，通常的做法是使用磨砂处理的透光罩，使得发出的光线比较柔和。但是这种做法是以牺牲一部分光强为代价，光效比较低。因此，如何在牺牲光强较少的情况下降低眩光，也是目前照明行业急需解决的一个问题。
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CN102679266A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
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种小光束角低眩光方形光斑LED透镜，以适应某些场合对方形光斑形状和较低眩光的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种小光束角低眩光方形光斑LED透镜，包括透镜主体、容纳透镜主体的支架，其特征在于，所述透镜主体包括入射面、全反射面和出射面，所述透镜主的出射面为优化的轴对称非球面结构。
进一步的，所述透镜主体的全反射面分布有不同形状和大小的鳞甲结构。
进一步的，所述鳞甲结构，可为四边形、五边形或六边形中的一种或多种。
进一步的，所述入射面可为球面、圆锥面、非球面曲面或以上三种方式的组合。
进一步的，所述轴对称非球面结构，在与0°-180°平面成正负45度角的方向上具有从边缘向中间过渡部分逐渐降低，然后从中间过渡部分向中心又逐渐升高的形状。
进一步的，所述透镜主体和支架通过卡扣结合在一起。
进一步的，所述支架上等间距分布有若干个卡扣，安装时利用支架的弹性将透镜主体放入支架中，并通过卡扣固定在一起。
进一步的，所述透镜主体的材料包括光学玻璃、石英玻璃、亚克力、PMMA塑料树脂或PC树脂。
本发明的有益效果是，本发明提供的小光束角低眩光方形光斑LED透镜通过全反射面的鳞甲设计将LED光源波面分割成众多的像，从而极大地提升人眼感知的发光面积，降低了眩光。同时，在小光束角的情况下，通过出射面的非球面设计，调整和改变光线的传播方向和能量分布，获得方形光斑，并可通过方形光斑的叠加实现多种矩形光斑照明的效果。该透镜的方形光斑具有光线柔和，光斑均匀的优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明小光束角低眩光方形光斑LED透镜具体实施方式的整体结构图；
图2是本发明透镜主体的具体实施方式的结构图；
图3是本发明透镜主体的具体实施方式的底视图；
图4是本发明透镜主体的具体实施方式的剖视图；
图5是本发明小光束角低眩光方形光斑LED透镜在1米远处的光斑效果图；
图6是本发明小光束角低眩光方形光斑LED透镜的配光曲线。
附图标记：1.透镜主体；11.入射面；12.全反射面；13.出射面；14.LED光源槽；15.鳞甲结构；2.支架；21.卡扣。
具体实施方式
为进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，解析本发明的优点与精神，藉由以下结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的解释。
如图1，2，3，4所示，本发明包括透镜主体1、容纳透镜主体1的支架2。所述透镜主体1包括入射面11，全反射面12和出射面13；所述透镜主体1的全反射面12布满六边形的鳞甲结构15。光线经过全反射面12上六边形鳞甲结构15的作用，发光面积得到了增大，从而提升了人眼感知的发光面积，使直接眩光得到一定程度的降低。由于光学界面和光线入射方向垂直时反射损耗最少，为减少反射损耗，本实施例中入射面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。所述入射面11与LED光源的外形尺寸精确定位，确保所述透镜主体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。支架2上等间距分布有4个卡扣21，由于支架一般采用ABS塑料，具有一定的弹性，因此当透镜主体1和支架2结合在一起时，可以利用卡扣21使两者固定在一起。
如附图1和2所示，所述透镜主体的的出射面13为优化的轴对称非球面结构。该轴对称非球面在与0°-180°平面成正负45度角的方向上具有从边缘向中间过渡部分逐渐降低，然后从中间过渡部分向中心又逐渐升高的形状。所述轴对称，是指以入射面11和出射面13的中心连线为对称轴，透镜主体每绕对称轴旋转90°，即可与原透镜主体重合。
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，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入射面11折射后到达全反射面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，重新回到透镜主体1中并从出射面13射出。利用透镜主体1出射面13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。由于该轴对称非球面结构在与0°-180°平面成正负45度角的方向上具有从边缘向中间过渡部分逐渐降低，然后从中间过渡部分向中心又逐渐升高的形状，因此当光线从出射面13出射时，原本靠近边缘的部分光线会在此轴对称非球面结构的作用下向透镜的中心部分汇聚，从而形成方形光斑。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。光斑效果和配光曲线如图5和6所示。
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来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种小光束角低眩光方形光斑LED透镜，包括透镜主体(1)、容纳透镜主体(1)的支架(2)，其特征在于，所述透镜主体(1)包括入射面(11)、全反射面(12)和出射面(13)；所述透镜主体(1)的出射面(13)为轴对称非球面结构。
2.根据权利要求1所述的小光束角低眩光方形光斑LED透镜，其特征在于，所述透镜主体(1)的全反射面(12)分布有不同形状和大小的鳞甲结构(15)。
3.根据权利要求2所述的小光束角低眩光方形光斑LED透镜，其特征在于，所述鳞甲结构(15)，可为四边形、五边形或六边形中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的小光束角低眩光方形光斑LED透镜，其特征在于，所述入射面(11)可为球面、圆锥面、非球面曲面或以上三种方式的组合。
5.根据权利要求1所述的小光束角低眩光方形光斑LED透镜，其特征在于，所述轴对称非球面结构，在与0°-180°平面成正负45度角的方向上具有从边缘向中间过渡部分逐渐降低，然后从中间过渡部分向中心又逐渐升高的形状。
6.根据权利要求1所述的小光束角低眩光方形光斑LED透镜，其特征在于，所述透镜主体(1)和支架(2)通过卡扣结合在一起。
7.根据权利要求6所述的小光束角低眩光方形光斑LED透镜，其特征在于，所述支架(2)上等间距分布有若干个卡扣(21)，安装时利用支架(2)的弹性将透镜主体放入支架(2)中，并通过卡扣(21)固定在一起。
8.根据权利要求1所述的小光束角低眩光方形光斑LED透镜，其特征在于，所述透镜主体(1)的材料包括光学玻璃、石英玻璃、亚克力、PMMA塑料树脂或PC树脂。
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