CN105987350A - Led配光透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED配光透镜，透镜呈半圆柱体，该半圆柱体包括半圆弧面、切平面和两端面，半圆柱体的切平面中部设置有用以放置光源的凹部，该凹部由第一侧壁、第二侧壁和弧形底面合围构成，其中第一侧壁与第二侧壁相对设置；半圆柱体的一端面为第一端面且呈扩散形外凸弧面，该第一端面的起点靠近第一侧壁的中部，且由该起点向半圆柱体的周缘圆弧扩散成形；光源射向第一侧壁的光线为第一光线，第一光线经第一侧壁折射至半圆柱体的第一端面，再经扩散形外凸弧面反射至半圆弧面，并从半圆弧面射出，且该第一光线从半圆弧面射出的角度小于其初始角度。本发明提供一种LED配光透镜，通过该配光透镜呈现出长度大于宽度的光斑，以适用于狭长场合的照明。

Description

LED 配光透镜

技术领域

本发明涉及透镜技术领域，尤其涉及LED配光透镜。

背景技术

LED光源发射出的光线呈散射状态，需要通过配光透镜进行聚光。目前配光透镜共同特点是：通过配光透镜呈现的光斑为圆形光斑。但圆形光斑不能很好地适用于一些特殊的场合，如马路、巷道、货架间隔等狭长场合照射，由于圆形光斑的照射范围近似圆形，当圆形光斑的直径等于狭长场合的宽度时，存在照射距离短的问题，需要排布多个光源，而当圆形光斑的直接大于狭长场合的宽度时，部分光线将照射到狭长场合外，存在光线浪费的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种LED配光透镜，通过该配光透镜呈现出长度大于宽度的光斑，以适用于狭长场合的照明。

为实现上述目的，本发明提供一种LED配光透镜，所述透镜呈半圆柱体，该半圆柱体包括半圆弧面、切平面和两端面，所述半圆柱体的切平面中部设置有用以放置光源的凹部，该凹部由第一侧壁、第二侧壁和弧形底面合围构成，其中所述第一侧壁与第二侧壁相对设置；所述半圆柱体的一端面为第一端面且呈扩散形外凸弧面，该第一端面的起点靠近所述第一侧壁的中部，且由该起点向所述半圆柱体的周缘圆弧扩散成形；所述光源射向所述第一侧壁的光线为第一光线，所述第一光线经所述第一侧壁折射至半圆柱体的第一端面，再经所述扩散形外凸弧面反射至所述半圆弧面，并从所述半圆弧面射出，且该第一光线从所述半圆弧面射出的角度小于其初始角度。

优选地，所述半圆柱体的另一端面为第二端面且也呈扩散形外凸弧面，该第二端面的起点靠近所述第二侧壁的中部，且由该起点向所述半圆柱体的周缘圆弧扩散成形；所述光源射向所述第二侧壁的光线为第二光线，所述第二光线经所述第二侧壁折射至第二端面，再经该第二端面反射至所述半圆弧面，并从所述半圆弧面射出，该第二光线从所述半圆弧面射出的角度小于其初始角度。

优选地，所述半圆柱体的另一端面为第二端面呈外凸的球面，所述第二侧壁靠近该所述第二端面设置，且也呈外凸的球面。

优选地，所述第一光线经所述扩散形外凸弧面反射后，所述第一光线垂直于所述半圆弧面优选地，所述弧形底面呈外凸弧面；所述光源射向所述弧形底面的光线为第三光线，所述第三光线经所述弧形底面折射至所述半圆弧面，并从所述半圆弧面射出，且该第三光线从所述半圆弧面射出的角度小于或等于其初始角度。

优选地，所述第三光线经所述弧形底面折射后，所述第三光线垂直于所述半圆弧面。

优选地，所述透镜由玻璃、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯中任意一种材料制成。

优选地，平行、并穿过所述圆柱体的中心轴线的平面为剖切平面，任意剖切平面剖切所述透镜均得到相同的剖面图形；

所述剖面图形包括第一端面形成线、第一侧壁形成线、弧形底面形成线和半圆弧形面形成线，其中，所述第一端面形成线集合形成第一端面，所述第一侧壁形成线集合形成第一侧壁，所述弧形底面形成线集合形成所述弧形底面，所述半圆弧形面形成线集合形成半圆弧形面。

优选地，在所述剖面图形上建立平面直角坐标系，所述圆柱体的中心轴线为X轴，垂直于X轴、且穿过光源的中心点的直线为Y轴，则，

所述第一侧壁形成线与X轴的交点为（a₀，0），其与X轴的夹角为b，则第一侧壁形成线上的点为（x_n，y_n），且符合表示方程：y_n=tan(b)*(x_n-a₀)；

所述第一光线的出射角度为c_n，所述透镜的折射率为N'，所述第一光线在所述第一侧壁形成线的入射角度为c_n-90-b，经折射后，所述第一光线与X轴的夹角为d_n，所述第一光线的折射角度为d_n-90+b，并符合表示方程：sin(c_n-90-b)=sin(d_n-90+b)*N'；

所述第一光线经所述第一侧壁和第一端面后与所述半圆弧面垂直，所述第一光线与所述第一端面形成线的交点为（x'_n，y'_n），该交点的切向方向与X轴的夹角为f_n，且f_n=（90+d_n）/2，

其中，tan(d_n)= -(y'_n-y_n)/(x'_n-x_n)。

优选地，所述光源射向所述弧形底面的光线为第三光线，所述第三光线经所述弧形底面后垂直于所述半圆弧面；

所述第三光线与所述弧形底面形成线的交点为（x_m，y_m），该交点的切向方向与X轴的夹角为h_m，所述第三光线的出射角度为g_m，所述弧形底面形成线符合表示方程：

sin(90+h_m-g_m)=sin(h_m)*N'；

tan(g_m)=-y_m/x_m。

本发明所能实现的有益效果：由于本发明的结构设计，改变第一光线和第三光线在所述中心轴轴向方向上的出光方向，也即通过该透镜结构缩小了光斑的宽度，但并未缩小光斑的长度，使得光斑的长度大于其宽度，光线能有效用于狭长场合延伸方向的照明，且减少垂直于狭长场合方向的光线，也避免了光线照射到狭长场合之外而造成浪费及光污染，并提高狭长场合的照明强度。

附图说明

图1为本发明LED配光透镜一实施例第一视角下的立体结构示意图；

图2为本发明LED配光透镜一实施例第二视角下的立体结构示意图；

图3为本发明LED配光透镜一实施例的俯视图；

图4为本发明LED配光透镜一实施例的仰视图；

图5为图4中AA’剖视图；

图6为图4中BB’剖视图；

图7为本发明LED配光透镜一实施例的剖面图形；

图8为图4中BB’剖视的光路示意图；

图9为图4中AA’剖视的光路示意图；

图10为本发明LED配光透镜一实施例的第一光线初射光路分析示意图；

图11为本发明LED配光透镜一实施例的第一光线折射光路分析示意图；

图12为本发明LED配光透镜一实施例的第一光线反射光路分析示意图；

图13为本发明LED配光透镜一实施例的第三光线光路分析示意图；

图14为本发明LED配光透镜一实施例形成的光斑；

图15为本发明LED配光透镜另一实施例第一视角下的立体结构示意图；

图16为本发明LED配光透镜另一实施例第二视角下的立体结构示意图；

图17为本发明LED配光透镜另一实施例的俯视图；

图18为本发明LED配光透镜另一实施例的仰视图；

图19为图18中AA’剖视图；

图20为图18中BB’剖视图；

图21为本发明LED配光透镜另一实施例的剖面图形；

图22为本发明LED配光透镜另一实施例形成的光斑。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明还提供一种LED配光透镜，如图1至图6所示，透镜呈半圆柱体10，该半圆柱体10包括半圆弧面2、切平面3和两端面，半圆柱体10的切平面3中部设置有用以放置光源9的凹部8，该凹部8由第一侧壁4、第二侧壁6和弧形底面5合围构成，其中第一侧壁4与第二侧壁6相对设置；半圆柱体10的一端面为第一端面1且呈扩散形外凸弧面，该第一端面1的起点靠近第一侧壁4的中部，且由该起点向半圆柱体10的周缘圆弧扩散成形；光源9射向第一侧壁4的光线为第一光线，第一光线经第一侧壁4折射至半圆柱体10的第一端面1，再经扩散形外凸弧面反射至半圆弧面2，并从半圆弧面2射出，且该第一光线从半圆弧面2射出的角度小于其初始角度。

由于本发明的结构设计，限制了射向第一侧壁4的第一光线的发光角度，使得通过透镜形成光斑的长度和宽度不同，以适用于狭长场合的照明，也即是减少垂直于狭长场合方向的光线，避免了光线照射到狭长场合之外而造成浪费及光污染，并提高狭长场合的照明强度。

进一步地，继续参见图1至图6所示，半圆柱体10的另一端面为第二端面7且也呈扩散形外凸弧面，该第二端面7的起点靠近第二侧壁6的中部，且由该起点向半圆柱体10的周缘圆弧扩散成形；光源9射向第二侧壁6的光线为第二光线，第二光线经第二侧壁6折射至第二端面7，再经该第二端面7反射至半圆弧面2，并从半圆弧面2射出，该第二光线从半圆弧面2射出的角度小于或等于其初始角度；弧形底面5呈外凸弧面；光源9射向弧形底面5的光线为第三光线，第三光线经弧形底面5折射至半圆弧面2，并从半圆弧面2射出，且该第三光线从半圆弧面2射出的角度小于或等于其初始角度。第二光线和第三光线的发光角度，使得通过透镜形成长条形光斑，进一步减少垂直于狭长场合方向的光线，避免了光线照射到狭长场合之外而造成浪费及光污染，并提高狭长场合的照明强度。

如图7所示，平行、并穿过圆柱体的中心轴线的平面为剖切平面3，任意剖切平面3剖切透镜均得到相同的剖面图形20。剖面图形20包括第一端面形成线11、第一侧壁形成线41、弧形底面形成线51和半圆弧面形成线21，其中，第一端面形成线11集合形成第一端面1，第一侧壁形成线41集合形成第一侧壁4，弧形底面形成线51集合形成弧形底面5，半圆弧形面形成线21集合形成半圆弧形面2。

本领域技术人员应当理解，经透镜形成的光斑具有长度和宽度。在本发明中，宽度方向即为中心轴线方向。如图8所示，改变第一光线、第二光线和第三光线在中心轴轴向方向上的出光方向，也即通过该透镜结构缩小了光斑的宽度，但并未缩小光斑的长度，如图9所示，使得光斑的长度大于其宽度，减少垂直于狭长场合方向的光线，避免了光线照射到狭长场合之外而造成浪费及光污染，并提高狭长场合的照明强度。

作为本实施例的一种优选实现方式，第一光线经第一侧壁4及第一端面1后从半圆弧面22射出，且第一光线垂直于半圆弧面2，该第一侧壁形成线41及第一端面形成线11具体可以这样设计。

如图10所示，在剖面图形20建立平面直角坐标系，X轴为圆柱体的中心轴线，垂直于X轴、且穿过光源9的中心点的直线为Y轴，第一侧壁形成线41的起点为（a₀，0），其与X轴的夹角为b， a₀根据LED的大小来决定，为已知，b值为0-90度，其中，80-85度为优选范围值。

第一光线的出射角度细分为N等分，取第一光线中相邻的两条光线，第一光线n，第一光线n+1，两条第一光线的出射角度分别为c_n、c_n+1，而与第一侧壁形成线41的交点分别记为（x_n，y_n）(x_n+1，y_n+1)，则可得方程：

y_n=tan(b)*(x_n-a₀)

y_{n+ 1}=tan(b)*(x_n+1-a₀)

y_n=tan(c_n)*x_n

y_{n+ 1}=tan(c_n+1)*x_n+1

以上述四个方程，可解得x_n，y_n，x_n+1，y_n+1。取定N值时，可以求解得x₁、x₂、x₃、x₄…………x_n、x_n+1 …………x_N，以及y₁、y₂、y₃、y₄ …………y_n、 y_n+1 …………y_N，从而得出第一端面形成线11。

如图11所示，第一光线在第一侧壁4发生折射，根据选材透镜的材料不同，可以选择为玻璃、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯中任意一种，设本实施例中透镜的折射率为N'，则第一光线在第一侧壁形成线41的入射角度分别为c_n-90-b、c_n+1-90-b，折射角度分别为d_n-90+b、d _n+1-90+b，在此符合折射定律，可得：

方程2：sin(c_n-90-b)=sin(d_n-90+b)*N'

方程3：sin(c_n+1-90-b)=sin(d_n+1-90+b)*N'

可求解d₁、d₂ 、d₃、d₄…………d_n、d_n+1 …………d_N。

如图11和图12所示，第一光线在第一端面1发生镜面反射，第一光线经反射与Y轴平行，根据反射定律可知，入射角等于反射角，设第一光线与第一端面形成线11的交点分别是（x'_n,y'_n） (x'_n+1,y'_n+1)，两点之间的连线与X轴的夹角为f_n，且该夹角f_n为交点(x'_n+1,y'_n+1)的切向方向与X轴形成的夹角，反射角与f_n相等，入射角为90-f_n+ d_n，可得：

方程4：（f_n+1）= -(y'_n+1- y'_n )/ (x'_n+1- x'_n )

方程5：f_{n+ 1}=90-f_n+1+ d_n

由于已求解d₁、d₂ 、d₃、d₄…………d_n、d_n+1 …………d_N，可解得f₁ f₂、f₃、f₄ …………f_n、f_n+1 …………f_N。

从图12中的几何关系可得：

方程6：tan（d_n+1）= -(y'_n+1- y_n+1 )/ (x'_n+1- x_n+1 )

联立方程5、6可得：

tan（f_n+1）= -(y'_n+1- y'_n )/ (x'_n+1- x'_n )

tan（d_n+1）= -(y'_n+1- y_n+1 )/ (x'_n+1- x_n+1 )

继续参见图12所示，第一端面形成线11起始点为（b₀,0），b₀为小于a₀，b₀为已知，代入上述方程组中，即n=0时的值，为x’_n =x’₀=b₀ y’_n= y’₀ =b₀，则可求解 x’₁、y’₁

n=1时的值x'₁ 、y'₁为已求解，可求解x'₂、y'₂的值

n=2时的值x'₂ 、y'₂为已求解，可求解x'₃ 、y'₃的值

以此类推,可求解

x'₁、x'₂、x'₃、x'₄ …………x'_n、x'_n+1 …………x'_N

y'₁、y'₂、y'₃、y'₄ …………y'_n、y'_n+1 …………y'_N

将算出的点拟合出光滑的曲线，即得出第一端面形成线11。

作为本实施例的一种优选实现方式，如图13所示，第三光线经弧形底面5后从半圆弧面2，且第三光线垂直于半圆弧面2，该弧形底面形成线51具体可以这样设计，如图13所示，将第三光线的出射角度范围细分为M等分，取两条相邻的第三光线，分别为m和m+1，两条第三光线的出射角分别为g_m和g_m+1，此两条光线与弧形底面形成线51的交点分别为（x_m,y_m）(x_m+1,y_m+1)，两点连线的夹角为h_m+1，该夹角为交点(x_m+1,y_m+1)的切向方向，且在(x_m+1,y_m+1)点符合折射定律，根据上述选用的透镜材料，折射率为N'，可列出方程组：

tan（h_m+1）= -(y_m+1- y_m )/ (x_m+1- x_m )

sin(90+ h_m+1- g_m+1)=sin(h_m+1)*N’

tan(g_m+1)=- y_m+1/ x_m+1

弧形底面形成线51的起点为前面已求解出的（x_N，y_N），即m=0时的值，为xm =x_m0= x_N ym= y_m0 = y_N，则可求解 x_m1 ,y_m1

n=1时的值x_m1 ,y_m1为已求解，可求解x_m2,y_m2的值

n=2时的值x_m2,y_m2为已求解，可求解x_m3,y_m3的值

以此类推,可求解

X_m1、x_m2、x_m3、x_m4 …………x_mn、x_m+1 …………x_M，

Y_m1、y_m2、y_m3、y_m4 …………y_m、y_m+1 …………y_M

将算出的点拟合成光滑的曲线，即得出弧形底面形成线51，呈弧形线。

图14即为上述透镜形成的光斑。

如图15至21所示，为本发明的另一实施例。

其中，图15为该实施例第一视角下的立体结构示意图，图16为该实施例第二视角下的立体结构示意图，图17为该实施例的俯视图，图18为该实施例的仰视图，图19为图18中AA’剖视图，图20为图18中BB’剖视图，图21为本发明透镜另一实施例的剖面图形20。

透镜呈半圆柱体10，该半圆柱体10包括半圆弧面2、切平面3和两端面，半圆柱体10的切平面3中部设置有用以放置光源9的凹部8，该凹部8由第一侧壁4、第二侧壁6和弧形底面5合围构成，其中第一侧壁4与第二侧壁6相对设置；半圆柱体10的一端面为第一端面1且呈扩散形外凸弧面，该第一端面1的起点靠近第一侧壁4的中部，且由该起点向半圆柱体10的周缘圆弧扩散成形；光源9射向第一侧壁4的光线为第一光线，第一光线经第一侧壁4折射至半圆柱体10的第一端面1，再经扩散形外凸弧面反射至半圆弧面2，并从半圆弧面2射出，且该第一光线从半圆弧面2射出的角度小于或等于其初始角度。且半圆柱体10的另一端面为第二端面7呈外凸的球面，第二侧壁6靠近该第二端面7设置，且也呈外凸的球面。

该结构设计同样地改变第一光线和第三光线在宽度方向上出光方向，也即通过该透镜结构缩小了光斑的宽度，但并未缩小光斑的长度，使得光斑的长度大于其宽度，即是减少垂直于狭长场合方向的光线，也避免了光线照射到狭长场合之外而造成浪费及光污染，并提高狭长场合的照明强度。

如图22所示，为该透镜形成的光斑。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种LED配光透镜，其特征在于，所述透镜呈半圆柱体，该半圆柱体包括半圆弧面、切平面和两端面，所述半圆柱体的切平面中部设置有用以放置光源的凹部，该凹部由第一侧壁、第二侧壁和弧形底面合围构成，其中所述第一侧壁与第二侧壁相对设置；所述半圆柱体的一端面为第一端面且呈扩散形外凸弧面，该第一端面的起点靠近所述第一侧壁的中部，且由该起点向所述半圆柱体的周缘圆弧扩散成形；所述光源射向所述第一侧壁的光线为第一光线，所述第一光线经所述第一侧壁折射至半圆柱体的第一端面，再经所述扩散形外凸弧面反射至所述半圆弧面，并从所述半圆弧面射出，且该第一光线从所述半圆弧面射出的角度小于其初始角度。

2.如权利要求1所述的LED配光透镜，其特征在于，所述半圆柱体的另一端面为第二端面且也呈扩散形外凸弧面，该第二端面的起点靠近所述第二侧壁的中部，且由该起点向所述半圆柱体的周缘圆弧扩散成形；所述光源射向所述第二侧壁的光线为第二光线，所述第二光线经所述第二侧壁折射至第二端面，再经该第二端面反射至所述半圆弧面，并从所述半圆弧面射出，该第二光线从所述半圆弧面射出的角度小于其初始角度。

3.如权利要求1所述的LED配光透镜，其特征在于，所述半圆柱体的另一端面为第二端面呈外凸的球面，所述第二侧壁靠近该所述第二端面设置，且也呈外凸的球面。

4.如权利要求1所述的LED配光透镜，其特征在于，所述第一光线经所述扩散形外凸弧面反射后，所述第一光线垂直于所述半圆弧面。

5.如权利要求1所述的LED配光透镜，其特征在于，所述弧形底面呈外凸弧面；所述光源射向所述弧形底面的光线为第三光线，所述第三光线经所述弧形底面折射至所述半圆弧面，并从所述半圆弧面射出，且该第三光线从所述半圆弧面射出的角度小于或等于其初始角度。

6.如权利要求5所述的LED配光透镜，其特征在于，所述第三光线经所述弧形底面折射后，所述第三光线垂直于所述半圆弧面。

7.如权利要求1所述的LED配光透镜，其特征在于，所述透镜由玻璃、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯中任意一种材料制成。

8.如权利要求1所述的LED配光透镜，其特征在于，平行、并穿过所述圆柱体的中心轴线的平面为剖切平面，任意剖切平面剖切所述透镜均得到相同的剖面图形；

所述剖面图形包括第一端面形成线、第一侧壁形成线、弧形底面形成线和半圆弧形面形成线，其中，所述第一端面形成线集合形成第一端面，所述第一侧壁形成线集合形成第一侧壁，所述弧形底面形成线集合形成所述弧形底面，所述半圆弧形面形成线集合形成半圆弧形面。

9.如权利要求8所述的LED配光透镜，其特征在于，在所述剖面图形上建立平面直角坐标系，所述圆柱体的中心轴线为X轴，垂直于X轴、且穿过光源的中心点的直线为Y轴，则，

所述第一侧壁形成线与X轴的交点为（a₀，0），其与X轴的夹角为b，则第一侧壁形成线上的点为（x_n，y_n），且符合表示方程：y_n=tan(b)*(x_n-a₀)；

所述第一光线的出射角度为c_n，所述透镜的折射率为N'，所述第一光线在所述第一侧壁形成线的入射角度为c_n-90-b，经折射后，所述第一光线与X轴的夹角为d_n，所述第一光线的折射角度为d_n-90+b，并符合表示方程：sin(c_n-90-b)=sin(d_n-90+b)*N'；

所述第一光线经所述第一侧壁和第一端面后与所述半圆弧面垂直，所述第一光线与所述第一端面形成线的交点为（x'_n，y'_n），该交点的切向方向与X轴的夹角为f_n，且f_n=（90+d_n）/2，

其中，tan(d_n)= -(y'_n-y_n)/(x'_n-x_n)。

10.如权利要求9所述的LED配光透镜，其特征在于，所述光源射向所述弧形底面的光线为第三光线，所述第三光线经所述弧形底面后垂直于所述半圆弧面；

所述第三光线与所述弧形底面形成线的交点为（x_m，y_m），该交点的切向方向与X轴的夹角为h_m，所述第三光线的出射角度为g_m，所述弧形底面形成线符合表示方程：

sin(90+h_m-g_m)=sin(h_m)*N'；

tan(g_m)=-y_m/x_m。