CN106524079A - 透镜及其应用的led灯 - Google Patents
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract
本申请提供透镜及其应用的LED灯，所述透镜包括：透镜主体，为由凸弧面形的出光面、与所述出光面相对的安装面、以及与所述出光面和安装面相接的两个相对的端面围成的结构，所述透镜主体的安装面内凹形成入光面，所述入光面包括朝向所述透镜主体的相对两个端面设置的一对侧面及连接所述一对侧面的连接面，所述透镜主体的两个端面的内凹形成朝向所述LED光源的反光面，所述LED灯通过装设该透镜达成横向和纵向角度相差近7倍的配光效果及高光学效率的优点，另外，所述LED灯内的光学组件可有多种组合，从而实现分别满足船用的信号灯多种类型的要求。
Description
技术领域
本专利申请涉及LED照明技术领域，特别是涉及透镜及其应用的LED灯。
背景技术
现有的信号灯，例如船舶信号灯，一般采用卤素灯光源、环形螺纹玻璃(菲涅尔透镜)、挡光板等组成的光学结构。此类航行信号灯存在以下问题：1、卤素灯光源----光效低(整灯在60W以上才能满足国家标准)、抗震能力差，体积大；2、环形螺纹玻璃----易积水和积灰，使光效迅速降低，存在严重的安全隐患；3、挡光板----a、不同的航行信号灯需要不同的挡光板，增加了整灯的成本；b、由于挡光板的挡光作用，整灯的光效低；c、多余的能量以热量的形式散发，给散热也带来很大的困难。因此，有必要提供一种新型的船舶航行信号灯及其光学组件，使其具有光效高，体积小，抗震能力强，散热好，成本低等优点。
LED(Light Emitting Diode)以其全固态，高光效，色度纯、能耗低、寿命长、无污染等优点成为21世纪具有竞争力的新型光源。随着LED光通量及光效的不断提高，LED在照明领域的应用也越来越广泛，然而，由于LED芯片本身属于半空间朗伯型发光，其发光强度两边(大角度)低，中心(小角度)高，无法直接应用于照明领域；因此，对LED光源的二次光学配光设计显得尤为重要。目前，针对上述问题1，市面上存在直接将LED球泡灯替换卤素灯的方案，但是并没有很好的利用LED的优势，导致光效浪费较大。常见的针对LED光源的二次配光以透镜和反射器为主，通过非成像光学设计透镜或者反射器外形，利用折射、反射等光学特性改变LED光源光线角度，对LED光源发出的光线进行重新分配，从而得到预期的照度分布。
常用的LED二次配光设计按其角度划分可以分为窄配光，中配光、宽配光以及特宽配光；按其被照面形状又可以分为圆形，椭圆形，方形，矩形，多边形等等。但是，以上的所有LED配光设计都仅仅针对于普通的室内或户外应用环境，并不能满足船舶航行信号灯这一特殊领域的配光要求；例如，在一标准中，如下表1，列出了对船用的信号灯包括多种类型(桅灯、梶灯、环照灯、左/右舷灯等)的照射角度等不同的标准：
表1
而对应不同类型的传统的灯的造型也各不相同，现有的方式是一一对应开模，成本较高。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利申请的目的在于提供透镜及其应用的LED灯，解决现有技术中LED配光设计无法满足LED信号灯的要求的问题、以及不同类型信号灯之间无法互换使用的问题。
为实现上述目标及其他相关目标，本专利申请提供一种透镜，包括：透镜主体，为实体结构，包括：凸弧面形的出光面、与所述出光面相对的安装面、以及与所述出光面和安装面相接的至少两个相对的端面；供罩设于LED光源的第一凹部，从所述透镜主体的安装面内凹而形成，其内表面构成与所述出光面对应的入光面；所述入光面包括朝向所述透镜主体的相对两个端面设置的一对侧面及连接所述一对侧面的连接面；一对第二凹部，从所述透镜主体的两个端面内凹而形成，各所述第二凹部朝向所述LED光源的表面构成反光面。
可选的，所述连接面朝向所述LED光源凸出。
可选的，所述一对第二凹部是形状对称地设置于所述两个端面的。
可选的，所述出光面设有截光部，所述截光部位于所述LED光源的至少一侧，用于将来自所述LED光源的光线向侧向折射。
可选的，所述截光部是由多个断面呈三角形的棱镜外凸地排列设置形成的。
可选的，所述截光部有至少一对，在所述出光面上分别位于所述LED光源相对两侧。
可选的，所述透镜主体向外延伸形成有凸部，所述凸部设有固定用途的穿孔。
可选的，所述透镜主体的安装面设有定位部，以供与待安装位置结合以获得定位。
为实现上述目标及其他相关目标，本专利申请提供一种LED灯，包括所述的透镜。
可选的，所述LED灯包括：顶盖、底座及设于两者之间的灯体；所述灯体包括：透光罩；
光源安装件，呈柱形，设于所述透光罩内，在其侧面的外表面形成有至少一个承载位，其中，每个承载位供设置LED发光单元，各所述承载位中的至少一个设有LED发光单元；所述LED发光单元，包括：LED基板，设有LED光源，固定设于所述承载位；所述透镜，固定设置于所述LED基板并罩设于所述LED光源外。
可选的，所述的LED灯，还包括：透镜盖板，其罩盖于所述透镜并与所述光源安装件固定结合，所述透镜盖板具有露出所述透镜的孔部。
可选的，所述承载位的至少相对两侧分别设有第一卡合部，所述透镜盖板设有与所述第一卡合部一一卡合的第二卡合部以实现所述固定。
可选的，所述透镜盖板横截面呈拱形。
可选的，所述光源安装件的横截面为多边形，每条边对应于一个承载位。
可选的，所述光源安装件的横截面为正多边形。
可选的，所述透镜主体向外延伸形成有凸部，所述凸部设有固定用途的穿孔，所述穿孔供穿合固定件以固定透镜主体于所述LED基板。
可选的，所述透镜主体的安装面设有定位部，所述定位部与所述LED基板上的待安装位置对应结合。
可选的，所述透光罩为光滑表面的透明罩。
如上所述，本专利申请提供透镜及其应用的LED灯，所述透镜包括：透镜主体，为由凸弧面形的出光面、与所述出光面相对的安装面、以及与所述出光面和安装面相接的两个相对的端面围成的结构，所述透镜主体的安装面内凹形成入光面，所述入光面包括朝向所述透镜主体的相对两个端面设置的一对侧面及连接所述一对侧面的连接面，所述透镜主体的两个端面的内凹形成朝向所述LED光源的反光面，所述LED灯通过装设该透镜达成横向和纵向角度相差近7倍的配光效果及高光学效率的优点，另外，所述LED灯内的光学组件可有多种组合，从而实现分别满足船用的信号灯多种类型的要求。
附图说明
图1显示为本专利申请一实施例中透镜的外形结构示意图。
图2显示为本专利申请一实施例中透镜内部透视的结构示意图。
图3显示为图1的A-A向的剖面示意图。
图4显示为图1的B-B向的剖面示意图。
图5显示为以图3角度展示的光路示意图。
图6显示为以图4角度展示的光路示意图。
图7显示为本专利申请一实施例中透镜上的截光部应用的光路示意图。
图8显示为本专利申请一实施例中透镜的配光曲线图。
图9显示为本专利申请一实施例中LED灯的结构示意图。
图10显示为图9的纵剖示意图。
图11显示为本专利申请一实施例中LED灯的部分组件的分解示意图。
图12a显示为本专利申请一实施例中实现LED灯设计的一种LED发光单元组合的简化结构示意图。
图12b是图12a在一实施例中的具体结构示意图。
图12c是图12a实施例下的配光曲线图。
图13a显示为本专利申请一实施例中实现LED灯设计的又一种LED发光单元组合的简化结构示意图。
图13b是图13a在一实施例中的具体结构示意图。
图13c是图13a实施例下的配光曲线图。
图14a显示为本专利申请一实施例中实现LED灯设计的再一种LED发光单元组合的简化结构示意图。
图14b是图14a在一实施例中的具体结构示意图。
图14c是图14a实施例下的配光曲线图。
元件标号说明
1 透镜
10 安装面
11 出光面
12 端面
121 第二凹部
1211 反射面
13 凸部
131 穿孔
14 截光部
15 第一凹部
151 侧面
152 连接面
2 LED光源
3 LED灯
31 顶盖
32 灯体
321 透光罩
322 安装件
3221 承载位
3222 第一卡合部
323 LED发光单元
3231 LED基板
3232 LED光源
3233 透镜
324 透镜盖板
3241 第二卡合部
33 底座
34 LED驱动电源
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本专利申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利申请的其他优点与功效。本专利申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1至图4所示，本专利申请提供一种透镜1，所述透镜1包括：透镜主体及设于所述透镜主体的第一凹部15和第二凹部121。
所述透镜主体，为由凸弧面形的出光面11、与所述出光面11相对的安装面10、以及与所述出光面11和安装面10相接的两个相对的端面12围成的实体结构。在一实施例中，如图2所示，所述透镜主体可以为例如纵切的部分圆柱体或椭圆柱体(例如半圆柱或半椭圆柱)等，而所述出光面11即可为拱形弧面，之所以采用凸弧面形的出光面11是为了LED光的扩散，可一并参考图4及图6，图4显示为图1在B-B方向的剖视图，图6例示性地展示在所述出光面11作用下的出光路线；所述安装面10为所述出光面11的相对面，图示为底面，其例如为平面等，所述透镜主体是以所述安装面10朝向LED光源2来安装的。
再如图2所示，所述第一凹部15是从所述透镜主体的安装面10内凹而形成，供罩设于LED光源2外，所述第一凹部15的内表面构成与所述出光面11对应的入光面，所述入光面包括朝向所述透镜主体的相对两个端面12设置的一对侧面151及连接所述一对侧面151的连接面152。在一实施例中，所述第一凹部15的形状可以和该透镜主体相似，为纵剖的部分圆柱体或椭圆主体，所述一对侧面151分别与所述一对端面12相对，用于两侧出光；而所述连接面152可以是弧形面，且优选的，从图2及图3可知，所述连接面152为向所述LED光源2凸出，从而将从连接面152透过的光线变为平行光。光源射出的光在经过透镜之后获得了在透镜径向的面上较大的照射角度而在透镜轴向上获得较窄的照射角度，类似扇面柱的出射光线。
所述第二凹部121，从所述透镜主体的两个端面12内凹而形成，可以是整个端面12都内凹也可以是部分内凹，各所述第二凹部121朝向所述LED光源2的表面构成反光面(优选为全反射面1211)，使得所述LED光源2至少从所述一对侧面151的出光受该反光面的反射而向所述出光面11传送，优选的，所述一对第二凹部121是形状对称地设置于所述两个端面12的，使两个反射面1211所作用的出光均衡；优选的，如图2所示，该一对第二凹部121的内凹顶点是落在安装面10上，可使所述形成的反射面1211各部分均是朝向出光面11的，而没有朝向安装面10的。
具体的，请参阅图5，LED光源2的出光从所述入光面，经过透镜1的材料介质折射后有一部分(例如从入光面的连接面152的出光)直接到达出光面11，另一部分(例如从入光面的侧面151的出光)经过所述反射面1211反射后到达出光面11，而若所述第二凹部121的内凹顶点不落在安装面10上，则所述反射面1211会有一部分是朝向安装面10的，则会影响出光效率，当然，虽然其并非最优选的实施例，但其同样被涵盖在本专利申请的保护范围之内。
该透镜的工作原理，参见图5和图6，为了表述方便，定义图5中垂直纸面的方向为纵向，图5的左右方向为横向，图6是与图5相互垂直的剖面图，那么图6中左右方向为纵向，垂直于纸面的方向为横向。在图5中所展示光路图可见，LED光源2发出的光线，一部分通过连接面152后形成平行光到达出光面11，另一部分经过入光面的侧面151的折射和反射面1211的反射后形成平行光达到出光面11(理想的情况下平行光为绝对平行，但是实际生产或设计中并不一定绝对平行)，由于反射面1211对LED光源2横向出光的限制作用，光线在横向传播上的角度变小，另外一方面，如图6中所展示光路图可知，在纵向截面上，经过入光面和出光面11的折射之后，纵向传播上角度变大(即向外扩散)。由此，原本的LED光源2的半空间朗伯型发光通过该透镜的配光，在横向和纵向分别达到了配光目的，且光强变的更加均匀。
总结起来，此透镜1通过对光源横向和纵向的光线进行分别控制，最后能形成横向和纵向角度相差近7倍的配光效果，而满足船舶航行信号灯的要求，并且其光学效率高达88％以上，请参见图8，展示的是通过该透镜1配光的曲线图。
另外优选但非必须的是，如图1所示，所述出光面11设有截光部14，所述截光部14位于所述LED光源2的至少一侧(优选为如图所示的两侧)，优选的，所述截光部14有至少一对，在所述出光面11上分别位于所述LED光源2相对两侧；具体的，所述截光部14可以是由多个断面呈三角形的棱镜外凸地排列设置形成的，并请参阅图7，从中可见，所述截光部14的每个棱镜将的来自所述LED光源2的光线向侧向折射，从而避开中间主要发光区域，实现交通信号灯尤其是船舶航行信号灯的截光性要求。
请再参阅图1及图4，在一实施例中，所述透镜主体外延伸形成有凸部13，优选是从出光面11和安装面10的相接处凸出形成，所述凸部13设有固定用途的穿孔131，以供结合例如铆钉、螺丝等固定件而固定于待安装位置；当然并非以此为限，例如所述透镜主体的安装面10可以设置定位部，以供与待安装位置结合以获得定位，所述结合包括：凹凸配合、卡扣结合等，例如，所述定位部为一或多个凸柱，而所述待安装位置设有数量一一对应的且形状匹配的凹部，两者结合以定位透镜主体。
如图9所示，本专利申请提供一种LED灯3，可应用前述实施例中的透镜而用于配光，根据前述实施例的描述可知，采用该透镜的LED灯3可良好满足例如航标灯、船舶航行信号灯的要求且具有高光学效率；具体的，所述LED灯3包括：顶盖1、底座33及设于两者之间的灯体32。
请参阅图10及图11所示，在一实施例中，所述灯体32包括：透光罩321、安装件322及LED发光单元323。
所述透光罩321可例如为穿透的筒状体，优选与所述灯体32形状相同，即例如为圆筒形，使侧向的出光均匀。在一实施例中，所述透光罩321优选为光滑表面的透明罩，可以是例如玻璃或PC等透明材质，它能使透镜3233发出的光以94％以上的效率透射出去，并且由于其表面光滑不会有由积水和积灰引起的光衰问题。
所述光源安装件322，呈柱形，设于所述透光罩321内，在其侧面的外表面形成有至少一个承载位3221，其中，每个承载位3221供设置LED发光单元323，各所述承载位3221中的至少一个设有LED发光单元323。在一实施例中，所述LED发光单元323，包括：设有LED光源3232(如光源芯片)的LED基板3231(可为铝基板)，其固定设于所述承载位3221；还包括：如之前所述的透镜3233，固定设置于所述LED基板3231并罩设于所述LED光源3232外。
优选的，所述光源安装件322中部穿透形成穿透部，可供穿设LED驱动电源34，优选的，所述穿透部和LED驱动电源34是形状匹配或者穿透部内壁设有定位LED驱动电源34的部件等(未图示)，从而定位穿入穿透部的LED驱动电源34在径向上的移动；再如图11或图12b所示，所述穿透部横截面为多边形，所谓多边形即具有三条边以上的形状，而每条边对应于一个承载位3221，根据具体的灯具照射角度等配光需求设置多边形的边数，在本实施例中，所述横截面为三角形，即具有三个承载位3221，当然在其他实施例中，并非以此为限，优选的，该多边形可为正多边形，在本实施例中优选为正三角形，由于LED发光单元323是设在光源安装件322侧面的承载位3221上，故按正多边形设置可以使各个方向的出光均匀；并且，如图10所示，所述顶盖131及底座33内可设有形状对应所述LED驱动电源34及光源安装件322的横截面形状相配合的凹部，从而与该凹部的结合即可定位该光源安装件322于顶盖131及底座33之间，同理，顶盖131和底座33优选也可设置形状配合所述透光罩321横截面的凹部，亦可定位该透光罩321。
如图11所示，所述的LED灯3，还包括：透镜盖板324，其罩盖于所述透镜3233并与所述光源安装件322固定结合，所述透镜盖板324具有露出所述透镜3233的孔部(例如图示的方孔)；具体的，可参阅图12b，所述承载位3221的至少相对两侧分别设有第一卡合部3222，所述透镜盖板324设有与所述第一卡合部3222一一卡合的第二卡合部3241以实现所述固定，所述第一卡合部3222和第二卡合部3241可以是弯曲方向相反的弯折部而相对卡合，如图所示，所述第一卡合部3222为一对从承载位3221向上凸起且向相反方向(图中为向外)弯折所形成的结构，而所述第二卡合部3241为所述透镜盖板324两侧向同方向弯折但与所述第一卡合部3222的弯折方向相反的折边，使得所述透镜盖板324通过卡合即可固定于所述承载位3221。
在一实施例中，从图中可见，优选的，所述透镜盖板324横截面呈拱形，从而既不妨碍透镜3233的主要发光区域，又能限制透镜3233边缘的杂散光对主要发光区域的影响。
在一实施例中，承前所述，所述透镜主体从出光面11和安装面10的相接处向外延伸形成有凸部13，所述凸部13设有固定用途的穿孔131，所述穿孔131供穿合例如铆钉、螺丝等固定件以固定所述透镜主体于所述LED基板3231，或者，在另一实施例中，所述透镜主体的安装面10设有定位部，所述定位部与所述LED基板3231上的待安装位置对应结合，所述卡合例如：凹凸配合或卡扣结合等。
请参见图12a～14c，展示通过不同的LED发光单元323(即LED光源3232加上透镜3233)的安装组合来对应实现不同种类的信号灯：
例如，图12a显示的是简化后的原理结构图，仅在一侧承载位3221设置LED发光单元323或仅令一侧承载位3221的LED发光单元323发光，从而实现例如航船信号灯中单侧较小角度(60°～120°)发光需求的信号灯(如左/右舷灯等)的设计。
又例如图13a，在两侧承载位3221设置LED发光单元323或仅令两侧承载位3221的LED发光单元323发光，从而实现例如航船信号灯中单侧较小角度(120°～240°)发光需求的信号灯(例如桅灯、梶灯、拖带灯等)的设计。
再例如图14a，在三侧承载位3221均设置LED发光单元323或令三侧承载位3221的光源均发光，从而实现大角度(240°～360°)例如航船信号灯中环照灯的设计。
可见，利用本专利申请提供的LED灯，还可以实现以下功能：在对灯具主体结构无需进行任何其它改变的情况下，通过调整LED发光的安装数量和位置，即可实现不同类型的信号灯需求，可以增加产品的适用性并大大减少开模成本。
需说明的是，虽然上述实施例中所展示的为船舶航用的信号灯，但在其他实施例中，本发明所提供的LED灯还可用作例如航标信号灯或航空航天的信号灯等。
综上所述，本专利申请提供透镜及其应用的LED灯，所述透镜包括：透镜主体，为由凸弧面形的出光面、与所述出光面相对的安装面、以及与所述出光面和安装面相接的两个相对的端面围成的结构，所述透镜主体的安装面内凹形成入光面，所述入光面包括朝向所述透镜主体的相对两个端面设置的一对侧面及连接所述一对侧面的连接面，所述透镜主体的两个端面的内凹形成朝向所述LED光源的反光面，所述LED灯通过装设该透镜达成横向和纵向角度相差近7倍的配光效果及高光学效率的优点，另外，所述LED灯内的光学组件可有多种组合，从而实现分别满足船用的信号灯多种类型的要求。
上述实施例仅例示性说明本专利申请的原理及其功效，而非用于限制本专利申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本专利申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本专利申请的权利要求所涵盖。
Claims (17)
1.一种透镜，其特征在于，包括：
透镜主体，为实体结构，包括：凸弧面形的出光面、与所述出光面相对的安装面、以及与所述出光面和安装面相接的至少两个相对的端面；
供罩设于LED光源的第一凹部，从所述透镜主体的安装面内凹而形成，其内表面构成与所述出光面对应的入光面；所述入光面包括朝向所述透镜主体的相对两个端面设置的一对侧面及连接所述一对侧面的连接面；
一对第二凹部，从所述透镜主体的两个端面内凹而形成，各所述第二凹部朝向所述LED光源的表面构成反光面。
2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述连接面朝向所述LED光源凸出。
3.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述一对第二凹部是形状对称地设置于所述两个端面的。
4.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述出光面设有截光部，所述截光部位于所述LED光源的至少一侧，用于将来自所述LED光源的光线向侧向折射。
5.根据权利要求4所述的透镜，其特征在于，所述截光部是由多个断面呈三角形的棱镜外凸地排列设置形成的。
6.根据权利要求4所述的透镜，其特征在于，所述截光部有至少一对，在所述出光面上分别位于所述LED光源相对两侧。
7.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜主体向外延伸形成有凸部，所述凸部设有固定用途的穿孔。
8.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜主体的安装面设有定位部，以供与待安装位置结合以获得定位。
9.一种LED灯，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的透镜。
10.根据权利要求9所述的LED灯，其特征在于，所述LED灯包括：顶盖、底座及设于两者之间的灯体；所述灯体包括：
透光罩；
光源安装件，呈柱形，设于所述透光罩内，在其侧面的外表面形成有至少一个承载位，其中，每个承载位供设置LED发光单元，各所述承载位中的至少一个设有LED发光单元；
所述LED发光单元，包括：
LED基板，设有LED光源，固定设于所述承载位；
所述透镜，固定设置于所述LED基板并罩设于所述LED光源外。
11.根据权利要求10所述的LED灯，其特征在于，还包括：透镜盖板，其罩盖于所述透镜并与所述光源安装件固定结合，所述透镜盖板具有露出所述透镜的孔部。
12.根据权利要求11所述的LED灯，其特征在于，所述承载位的至少相对两侧分别设有第一卡合部，所述透镜盖板设有与所述第一卡合部一一卡合的第二卡合部以实现所述固定。
13.根据权利要求11所述的LED灯，其特征在于，所述透镜盖板横截面呈拱形。
14.根据权利要求10所述的LED灯，其特征在于，所述光源安装件的横截面为多边形，每条边对应于一个承载位。
15.根据权利要求10所述的LED灯，其特征在于，所述透镜主体向外延伸形成有凸部，所述凸部设有固定用途的穿孔，所述穿孔供穿合固定件以固定透镜主体于所述LED基板。
16.根据权利要求10所述的透镜，其特征在于，所述透镜主体的安装面设有定位部，所述定位部与所述LED基板上的待安装位置对应结合。
17.根据权利要求10所述的LED灯，其特征在于，所述透光罩为光滑表面的透明罩。
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