CN105874374B - 具有用于分布光的透镜元件的灯 - Google Patents

Abstract

一种灯的实施例，该灯通过具有蝙蝠翼外观的亮度分布来分布来自一个或更多个发光二极管(LED)器件的光。这些实施例可包括透镜，该透镜具有透镜主体，该透镜主体具有不同类型的光学器件以获得优选的分布。在一个示例中，该透镜主体具有第一区段和第二区段，该第一区段具有实现多个棱镜小面的光学器件，该第二区段具有形成相对于LED器件朝外弯曲的凸起形状的光学器件。

Description

具有用于分布光的透镜元件的灯

技术领域

本公开的主旨涉及光照技术、照明技术、固态照明技术、和相关技术。

背景技术

照明技术的改进通常依赖于有限光源(例如，发光二极管(LED)器件)来生成。在许多应用中，LED器件与常规光源(例如，白炽和卤素灯)相比提供优秀的性能。然而，所有的LED器件产生近朗伯亮度分布(near Lambertian intensity distribution)。LED器件的该特性导致来自裸露LED器件的光以不均匀和/或改变平坦目标表面变化的光照分布的照射在该平坦目标表面上。至少出于该理由，照明器件将经常利用可分布光的透镜，以在平坦目标表面上获得更均匀的照度分布。

发明内容

本公开描述具有透镜的灯的实施例，该透镜可以以具有蝙蝠翼外观的亮度分布来分布来自LED器件和其他有限光源的光。该亮度分布可用于均均地照平坦表面。如在下面进一步阐述的，透镜的示例组合不同类型的光学器件，它们可使光弯曲以获得蝙蝠翼外观。该结构还可通过相对于光源的尺寸调节透镜的尺寸来按比例改变蝙蝠翼外观的强度。

在一个实施例中，本公开描述灯，该灯包括形成光轴的光源、和透镜，该透镜配置在接收来自该光源的光的位置中。该透镜具有主体，该主体具有顶部、底部、接近该光轴的内表面、和外表面。该主体具有选自内表面和外表面中的一者的第一表面，该第一表面以在光轴和与该第一表面上的至少一个点相切的平面之间测得的大于0°且小于90°的角度配置。该主体还具有第二表面，该第二表面选自该内表面和该外表面中的一者且其不同于该第一表面，该第二表面具有接近该顶部的第一区段和接近该底部的第二区段，该第二表面在该第一区段中形成第一光学器件，该第二表面在该第二区段中形成与该第一光学器件不同的第二光学器件。

在另一实施例中，本公开描述灯，该灯包括形成光轴的发光二极管器件、和透镜，该透镜配置在接收来自该发光二极管器件的光的位置中。该透镜包括接近该光轴的内表面、外表面、和开口，该开口将该内表面暴露于来自该发光二极管器件的光。该内表面以在该光轴和与该内表面上的至少一个点相切的平面之间测量的大于0°且小于90°的角度配置。该外表面包括第一光学器件和第二光学器件，它们构造成以不同的分布角度引导光。

在又一实施例中，本公开描述包括主体的透镜，该主体具有中心线和截面廓线(cross-section profile)，该截面廓线限定该主体上的第一表面和第二表面。该第一表面以在该中心线和与该第一表面上的至少一个点相切的平面之间测量的大于0°且小于90°的角度配置。该第二表面具有形成多个棱镜形状的第一区段和形成远离中心线而弯曲的凸起形状的第二区段。

通过参照与附图结合地作出的以下描述，本公开的其他特征和优势将变得显而易见。

附图说明

现在简要地对附图进行参考，在附图中：

图1描绘灯的示范实施例的示意图，该灯具有带蝙蝠翼外观的亮度分布；

图2描绘灯的示范实施例的侧立面视图，该灯具有带蝙蝠翼外观的亮度分布；

图3描绘图2的灯的截面图；

图4描绘图2的灯的详细视图；

图5描绘图2的灯的射线轨迹的示意图；

图6描绘用于与图1的灯一起使用透镜的示例的侧立面截面图；

图7描绘用于与图1的灯一起使用透镜的示例的侧立面截面图；

图8描绘用于与图1的灯一起使用的透镜的示例的透视图；

图9描绘用于与图1的灯一起使用的透镜的示例的透视图；

图10描绘用于与图1的灯一起使用的透镜的示例的透视图；

图11描绘用于与图1的灯一起使用的透镜的示例的透视图；且

图12描绘用于与图1的灯一起使用的透镜的示例的透视图。

其中，贯穿若干附图，在适当的地方，相似的参考标号指示相同或对应的构件和单元，附图不依照比例，除非另外指出。

具体实施方式

图1例示灯100的示范实施例的示意图。灯100包括透镜102和灯主体104。灯100还包括光源106，光源106沿光轴108方向生成光。灯主体104可包括连接器以及驱动和控制光源106的各种电构件和电路。连接器的示例可使灯主体104与固定装置110联接，其可提供爱迪生型灯插座和/或其他类型的插座和连接器，以将电引导至灯主体104的构件。灯100和固定装置110之间的所得的连接可形成照明系统112，该照明系统112将光分布到表面114(例如，平坦和/或相对平坦的表面)上。如在下面更多地解释的，透镜102可具有一个或更多个光学区段(例如，第一光学区段116和第二光学区段118)。光学区段116、118可以以限定的图案120分布来自光源106的光，该限定的图案120形成具有原点O的亮度分布122。在一个实现方式中，灯100和/或光照系统112可包括一个或更多个外围光学元件123，外围光学元件123可接收来自灯100的光。外围光学元件123的示例可具有带光学特性的光学器件，以更改来自灯100的光的分布。

透镜102的示例可形成尤其在表面114上实现均匀照度的亮度分布。这些示例可获得蝙蝠翼外观或形状，其示例通过亮度分布122的两个外围区或“叶(lobe)”而在图1中例示。本公开还构想透镜102的可获得在表面114上提供均匀和非均匀照度二者的其他亮度分布(例如，朗伯或非朗伯二者)的构造。出于论述目的，注意可生成蝙蝠翼外观或形状的透镜102的设计，这些设计可在表面114上提供基本上均匀的照度，直到从光轴108测量的特定截止角度(cut-off angle)。该所得的亮度分布可遵循由下面的方程(1)限定的曲线：

方程(1)

其中Ⅰ是亮度分布且θ为从光轴108至以下直线(或平面)测量的截止角度，该直线(或平面)从原点O延伸至表面114上的照度变为零处的点。在另一示例中，该截止角度θ限定作为从零测量的角度，超过其，光的亮度近似为零(即，没有光)。遵循方程(1)所生成的曲线(还称作“反余弦立方函数”)的亮度分布将在表面114上提供完全均匀的照度。用于透镜102的设计还可在表面114上生成与完全均匀的照度偏离的亮度分布。用于这些设计的亮度分布不一定遵循该反余弦立方函数，但作为代替，亮度分布在光轴108附近呈现相对于通过反余弦立方函数预测的亮度高的亮度。在一个示例中，这些变化可将亮度分布122的形状从图1中示出的蝙蝠翼外观改变为看起来像在原点O处具有一个点的等腰三角形的形状。

用于光学区段116、118的构造形成以下光学器件，该光学器件使光从有限光源弯曲以形成亮度分布122。有限光源的示例包括发光二极管(LED)器件和具有利用或包括固态发光技术的结构的器件。在相对高的水平处，光学器件可具有表现自由曲面(freeform)和平面的光学器件的几何结构(geometry)。自由曲面光学器件可采用任何形状且不限于圆锥区段。平面的光学器件主要包括平坦表面且在一个示例中，该光学器件仅包括平坦表面。在一个实现方式中，在光学区段116、118中的一个或二者中的几何结构与存在于菲涅耳透镜上的光学器件相称。

该光学器件可在光学区段116、118中的各个中采取不同形式。例如，该光学器件可具有用于在第一区段116中使用的第一形式和用于在第二区段118中使用的第二形式。如在下面注意到的，第一光学区段116中的光学器件的第一形式可包括棱镜小面，棱镜小面沿光轴108与光源106且与彼此间隔开。用于第二光学区段118的第二形式可包括具有弧形形状的一个或更多个光学器件。共同地，透镜102的光学器件的组合可生成与限定的图案120一致的光图案。该图案可用在街道灯和各种高架照明中，尽管本公开构想受益于与本公开的范围和精神一致的设计的光的均匀分布和灯100的结构的广泛应用。

图2和3例示灯200的示范实施例，其可以以在本文中构想的限定图案220生成光。在图2中，透镜202具有透镜主体224，该透镜主体224具有顶部226和底部228，其与基底204联接。该透镜主体224还具有外表面230。在区段216、218中的各个中，外表面230具有更改透镜202的光分布特性以获得亮度分布222的轮廓。例如，该轮廓可分别在第一区段216和第二区段218中形成一个或更多个光学器件，例如，第一光学器件232和第二光学器件234。对于第一光学器件232，轮廓将外表面230形成为一个或更多个棱镜小面236。第二区段218中的轮廓将外表面230形成为凸起形状238，该凸起形状238相对于光源206具有正凹度。

在图3的截面图中，透镜主体224具有中央平面239和内表面240，该中央平面239与光轴208对齐，该内表面240界定内部体积242。透镜主体224还可在底部228处具有第一开口244，其允许接近内部体积242。内表面240从光轴208以角度246配置。在一个示例中，角度246限定在光轴208和与内表面240上的至少一个点相切的平面248之间测量的角度偏移。角度246可具有大于0°且小于90°的值，且在一个示例中，该值在从大约20°至大约30°的范围中。共同地，透镜主体224的特征形成截面廓线250，该截面廓线250限定外表面230和内表面240的轮廓。截面廓线250可具有外廓线和内廓线，该外廓线限定外表面230的轮廓，该内廓线限定内表面240的轮廓。

本公开还构想其中外表面230和内表面240的轮廓转变的截面廓线250的构造。即，该构造可将透镜主体224限定为具有第一表面和第二表面，它们各自从外表面230和内表面232中的一个选择。在一个示例中，第一表面将具有外廓线的轮廓且第二表面将具有内廓线的轮廓。在另一示例中，第一表面将具有内廓线的轮廓且第二表面将具有外廓线的轮廓。

透镜主体224可包括各种类型和成分的材料，包括玻璃和/或塑料(例如，聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚碳酸酯等)以及类似的光透射材料。在一个示例中，透镜主体224包括光学地透明的材料，其可使背反射最小化且维持高光学效率。然而，本公开确实构想可从包括混合在松散材料内的光散射和/或反射光散射颗粒的材料受益的透镜主体224的构造。

图4的详图例示示范构造254，其限定用于棱镜小面236的几何结构。本示例中的棱镜小面236具有较高表面256和较低表面258，较低表面258以形成外端部260的角度邻接较高表面256。如上面提及的，棱镜小面236的设计，且更具体而言，较高表面256和较低表面258可采取平面、弯曲、和自由曲面的几何结构的组合。这些不同的几何结构包括在离开菲涅耳透镜上小面的构造上存在和/或通常相关的几何结构。在一个实现方式中，较高表面256可弯曲，例如，沿光轴朝上，且较低表面258可形成平面和/或平面表面。然而，本公开构想，根据需要，棱镜小面236可采取各种形状、尺寸、和类似的几何结构。例如，外端部260可采取尖头和/或有角形状(如图4所示)。在其他示例中，外端部260可为圆形和/或弧形的。类似地，相对于较高表面256，较低表面258可采取更浅和/或更陡的角度。

图5描绘射线轨迹的示意图，以概括地例示透镜主体224的弯曲特性。在一个示例中，该弯曲特性在内表面240(“进入表面”)和外表面230(“离开表明”)二者处使光改变方向。光可以相对于光轴208以分布角度262离开该离开表面。在操作期间，来自光源206的光照射在透镜主体224的内表面240上。内表面240的角度246可与外表面230的轮廓和光学器件组合来在光轴208的任一侧上使光弯曲。分布角度262的值至少部分地取决于内表面240的角度246的值。在一个示例中，角度246的30°的值可导致分布角度262的60°的值。

图6和7例示图6的灯和图7的灯的示范实施例的截面。这些实施例使用不同的透镜构造，以更改来自各灯的光的分布。在图6的透镜构造中，透镜主体324具有截面廓线350，该截面廓线350形成截头圆锥形状，该截头圆锥形状包括在顶部326处的第二开口364。第二开口364允许接近内部体积342。在操作期间，来自光源306的光将穿过开口364发射，从而除本文中构想的亮度分布322之外，在光轴308附近提供具有更大亮度的光。

图7的透镜构造更改该截头圆锥形状。该透镜主体424包括配置在透镜主体424顶部426处的光学器件466，该光学器件466具有带变化几何结构的光学器件表面468。光学器件466的示例可更改接近光轴408的光的分布。光学器件466可例如作为截面廓线450的部分与透镜主体424的构造集成。在其他实施例中，光学器件466可实现贴附至透镜主体424的一个或更多个分离的构件。在本示例中，光学器件表面468相对于光源406以负凹度弯曲。

概括地，光学器件表面468的曲率用于在亮度分布的中央部分中散布光。例如，光学器件表面468可给予额外的光学特性(例如，光散布、光聚焦等)，以影响照射在光学器件466上的分布光。除了负凹度之外，光学器件表面468可采取可更改光学器件466的光学特性的不同的曲率(例如，具有变化角度的正凹度，更多和/或更少的负凹度、自由曲面等)。在一个实现方式中，光学器件466包括体积扩散元件以获得某些光学特性。体积扩散元件的示例可包括本文中描述的材料，包括具有分布在其中的光散射颗粒的光学地透明的介质。

图8、9、10和11描绘灯的简图，该灯包括具有变化构造的透镜以获得本文中构想的亮度分布。这些透镜具有以下透镜主体，该透镜主体具有通过使截面廓线相对于制作轴线旋转而得到的形状。该构造形成环形光学器件，该环形光学器件可实现上述同心棱镜小面和/或凸起光学器件。图8和9描绘具有制作轴线A的灯500(图8)和灯600(图9)的示例，该制作轴线A与透镜主体524、624的中心线570、670对齐。透镜主体524的形状通过以圆形方式围绕制作轴线A旋转截面250(图3)而得到。透镜主体624的形状通过以圆形方式围绕制作轴线A旋转截面350(图6)而得到。图10和11描绘灯700(图10)和灯800(图11)的示例。在这些示例中，制作轴线A与中央平面739、839垂直地配置。透镜主体724、824的形状通过以圆形方式围绕制作轴线A旋转横截面450(图7)而得到。该构造包括光学器件766、866。在图11中，透镜主体824包括一对旋转的区段，区段各自以圆形方式围绕制作轴线A'和A''旋转。备选地，透镜主体824的构造可沿预先限定的导向路径A'''扫过截面450(图7)。

特别地，灯700(图10)和灯800(图11)可生成形状为矩形，而非围绕光轴(例如，图1的光轴108)对称的亮度分布。对于灯700、800二者，沿制作轴线A、A'和A''的方向的亮度分布将具有蝙蝠翼外观(以及形状)。沿与中央平面739、839垂直的方向的亮度分布将为朗伯(在灯700中)或近朗伯(在灯800中)的。这些类型的非对称亮度分布对于非圆形表面需要光照的应用而言可为极为合乎需要的。

图12描绘灯900的示例，该灯900包括由压出和/或伸长的设计制成的透镜。灯900具有制作轴线A，该制作轴线A与中央平面939垂直地配置。透镜主体924的形状是通过沿制作轴线A压出截面450(图7)以形成伸长元件而得到的。该构造还包括光学器件966。伸长元件的示例可用在替代器件中，该替代器件使用LED器件来替代荧光灯泡。尽管示为围绕中央平面939对称，但本公开构想伸长元件的结构，在该结构中，中央平面939任一侧上的截面廓线不对称，例如，内表面以不同的角度配置在中央平面939的各侧上。

鉴于前述，本文中论述的灯的实施例可从有限点源分布具有蝙蝠翼外观的光。该特征允许这些实施例用作存在于街道灯和其他高架照明应用中的常规照明技术(例如，白炽、卤素等)的替代。本文中提出的设计和结构还能够顺应蝙蝠翼外观中的更改；例如，灯可包括透镜，该透镜可设计成匹配不同尺寸光源的分布特征。例如，相对于透镜增大源尺寸将导致截止角度处的峰亮度与与轴线上亮度之比的降低。

如在本文中使用的，以单数叙述且前缀词语“一”或“一个”的元件或功能应当理解为不排除复数的所述元件或功能，除非明确地叙述此种排除。此外，对要求保护的发明的“一个实施例”的参照不应当解释为排除也包括所叙述特征的附加实施例的存在。

本书面说明使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并且使用任何装置或系统，并执行任何合并的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种灯，包括：

光源，其包括发光二极管并具有光轴；和

透镜，其配置在接收来自所述光源的光的位置处，所述透镜具有主体，所述主体具有顶部、底部、接近所述光轴的内表面、和外表面，所述主体具有，

第一表面，其选自所述内表面和所述外表面中的一者，其以在所述光轴和与所述第一表面上的至少一个点相切的平面之间测量的大于0°且小于90°的角度配置，和

第二表面，其选自所述内表面和所述外表面中的一个，且其不同于所述第一表面，其具有接近所述顶部的第一区段和接近所述底部的第二区段，所述第二表面在所述第一区段中形成第一光学器件，所述第二表面在所述第二区段中形成与所述第一光学器件不同的第二光学器件。

2.根据权利要求1所述的灯，其中，所述第一光学器件包括多个棱镜小面。

3.根据权利要求1所述的灯，其中，所述第二光学器件包括导致所述第二表面远离所述光轴凸出地弯曲的几何结构。

4.根据权利要求1所述的灯，其中，所述第一表面包括所述内表面且所述第二表面包括所述外表面。

5.根据权利要求1所述的灯，其中，所述主体具有如下截面，该截面限定具有用于存在于菲涅耳透镜上的所述第一光学器件和所述第二光学器件的几何结构的所述第一光学器件和所述第二光学器件。

6.根据权利要求1所述的灯，还包括配置在所述透镜的顶部处且与所述光轴对齐的第三光学器件，所述第三光学器件处于接收来自所述光源的光的位置中。

7.根据权利要求6所述的灯，其中，所述第三光学器件具有用于散布光的光学特性。

8.根据权利要求6所述的灯，其中，所述第三光学器件包括光学地透明的材料，该材料具有分布在其中的光散射颗粒。

9.根据权利要求6所述的灯，其中，所述主体与所述第三光学器件整体式地集成。

10.根据权利要求1所述的灯，其中，所述第一光学器件和所述第二光学器件构造成导致所述透镜以具有蝙蝠翼外观的第一亮度分布来分布光。

11.根据权利要求10所述的灯，其中，所述第一光学器件和所述第二光学器件构造成导致所述透镜以与所述第一亮度分布不同的第二亮度分布来分布光，且其中，所述第二亮度分布为非对称的。

12.根据权利要求1所述的灯，还包括与所述透镜分离的一个或更多个外围光学器件，其中，一个或更多个外围光学元件具有以下光学器件，该光学器件具有更改所述透镜的亮度分布的光学特性。

13.一种透镜，包括：

主体，其具有中心线和截面廓线，所述截面廓线限定在所述主体上的第一表面和第二表面，

其中，所述第一表面以在所述中心线和与所述第一表面上的至少一个点相切的平面之间测量的大于0°且小于90°的角度配置，且

其中，所述第二表面具有形成多个棱镜形状的第一区段和形成远离所述中心线弯曲的凸起形状的第二区段，

其中，所述主体形成伸长元件，所述伸长元件对应于沿与所述中心线垂直的制作轴线压出所述截面廓线。

14.根据权利要求13所述的透镜，其中，所述截面廓线具有截头圆锥形状。