CN107013884A - 投光灯透镜、具有该投光灯透镜的发光模块和投光灯 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种投光灯透镜、具有该投光灯透镜的发光模块和投光灯，其中，投光灯透镜包括透镜主体和支撑透镜主体的透镜基座，透镜主体包括第一透镜和第二透镜，第一透镜包括从光源接收光线的内表面和出射光线的外表面，内表面包括用于光线准直的第一曲面和用于折射光线的第二曲面，外表面包括用于出射光线的复眼阵列面构成的第四曲面和将光线反射至第四曲面的第三曲面，第二透镜用于接收来自第四曲面的光线并出射光线的复眼阵列面构成的第五曲面。此外，本发明涉及一种安装有上述透镜的发光模块以及一种由多个上述发光模块组成阵列的投光灯。通过双排复眼透镜的结构，可获得边界清晰的方形光斑，其光分布均匀性好，光效高。

Description

投光灯透镜、具有该投光灯透镜的发光模块和投光灯

技术领域

本发明涉及照明技术领域，特别涉及一种投光灯透镜、具有该投光灯透镜的发光模块和投光灯。

背景技术

投光灯又称聚光灯、投射灯，是一种将光源光线汇聚投向指定方向实现区域化照明的灯具。常用于广场照明、大面积作业照明、历史建筑群外墙照明、室内局部照明等场景。

投光灯主要由光学部件、机械部件和电气部件三部分组成，其中光学部件在很大程度上决定了投光灯的投光质量。现有投光灯的发光模块大多采用旋转对称型TIR(TotalInternal Reflection，即全内反射)透镜结合LED光源的形式，将上述的发光模块以阵列的形式组成光学部件，实现投射灯的整体照明作业。现有技术的发光模块所得到的光斑多为中间亮边缘暗的圆形渐变光斑或均匀圆斑。而当根据运用场景的不同，在需要获得均匀的方形光斑时，目前大多采用上述发光模块的正方形阵列形式，但这种形式所得到的光斑边界不够清晰。现有技术的另一种方式是采用方形反射杯形式以形成发光模块，此方案虽然可得到边界清晰的方形光斑，但是难以实现均匀的光分布。因此目前亟待解决的是发光模块尤其是发光模块中用于二次配光的透镜的改进。

发明内容

本发明的目的是提出一种投光灯透镜、具有该投光灯透镜的发光模块和投光灯，可以应用到照明设备上，获得高清晰度的方形光斑边界以及均匀的光分布，且光效较高。

为了解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：

本发明提供一种投光灯透镜，其包括透镜主体和支撑透镜主体的透镜基座，透镜主体包括第一透镜和第二透镜。第一透镜包括从光源接收光线的内表面和出射光线的外表面，内表面包括用于光线准直的第一曲面和用于折射光线的第二曲面，外表面包括用于出射光线的复眼阵列面构成的第四曲面和将来自第二曲面的光线反射至第四曲面的第三曲面。第二透镜包括用于接收来自第四曲面的光线并出射光线的复眼阵列面构成的第五曲面。

可选地，第一曲面为旋转对称曲面，第一曲面的旋转曲线通过如下方程限定：x＝-r sin(θ)，z＝r cos(θ)，r满足微分方程：其中，θ为光源光线与竖直方向的夹角，n为透镜材料折射率。

可选地，第三曲面为全内反射面，且第三曲面为旋转对称曲面，第三曲面的旋转曲线通过如下方程限定：

r满足微分方程：

其中，F₃＝cos(2β+2θ)，L为第三曲面底部离原点距离，β为拔模角，n为透镜材料折射率，θ为光源光线与竖直方向的夹角。

可选地，第四曲面和第五曲面为旋转对称曲面，第四曲面和第五曲面的旋转曲线通过如下方程限定：x＝r sin(θ)，z＝r cos(θ)，r满足微分方程：

其中，

θ为光源光线与竖直方向的夹角，R_s为复眼对角线长的一半，R为方形光斑对角线长的一半，n为透镜材料折射率，H为光源与接收面的距离。

可选地，第一透镜上设有第一定位柱，第一定位柱与透镜基座上设有的第一定位槽相匹配；当第一定位柱与第一定位槽连接时，第一透镜固定在透镜基座的内部。

可选地，第二透镜上设有第二定位柱，第二定位柱与透镜基座上设有的第二定位槽相匹配；当第二定位柱与第二定位槽连接时，第二透镜固定在透镜基座的上部。

可选地，透镜基座的内部上表面和第一透镜的内表面之间形成用于容纳光源的腔体。

本发明提供一种发光模块，其包括上述中任一项的投光灯透镜。

可选地，发光模块的光源为LED灯。

本发明提供一种投光灯，其包括上述中任一项的发光模块组成的阵列。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：通过旋转对称型TIR透镜结合双排复眼透镜的光学结构设计，提高了整体投光灯透镜的光学特性，获得边界清晰的方形光斑，光斑照度均匀，且光效较高。

本发明的投光灯透镜及其具有该投光灯透镜的发光模块可获得均匀的光分布、较高的光效，并且光斑为边界清晰的方形光斑。由上述阵列式的发光模块组成的投光灯，可实现均匀光分布、高光效照明，并能有效防止眩光，抑制杂散光的产生。

附图说明

图1为本发明的一实施例提供的投光灯透镜的透镜主体的结构示意图；

图2为本发明的一实施例提供的投光灯透镜的第一透镜的透视示意图；

图3为本发明的一实施例提供的投光灯透镜的第二透镜的结构示意图；

图4为本发明的一实施例提供的投光灯透镜的透镜基座的结构示意图；

图5为本发明的一实施例提供的投光灯透镜的结构示意图；

图6为本发明的一实施例提供的发光模块的照度分布图；

图7为本发明的一实施例提供的发光模块的两个剖面的照度分布图；

图8为本发明的一实施例提供的发光模块的直角坐标配光曲线图；

图9为本发明的一实施例提供的发光模块的极坐标配光曲线图；

图10为本发明的一实施例提供的发光模块的极坐标ISO配光曲线图。

具体实施方式

以下参考构成本说明书一部分的附图对本发明的各个实施例结构进行描述。可以理解的是，也可以使用部件和结构的其它具体设置，其结构和功能的改变将不会偏离本发明的范围。另外，术语“顶部”、“底部”、“中央”、“侧面”、“内侧”、“外侧”以及类似术语可以用在说明书中来描述本发明不同实施例的技术特征和元件，用在此处的这些术语具有通用的含义，例如基于图中所示的方向和/或通常所指的方向。在说明书中不需要为了落入本发明的范围而构造特定的三维或空间结构方向。

本发明实施例提供了一种投光灯透镜，其包括透镜主体和支撑透镜主体的透镜基座，透镜主体包括第一透镜和第二透镜，第一透镜包括从光源接收光线的内表面和出射光线的外表面，内表面包括用于光线准直的第一曲面和用于折射光线的第二曲面，外表面包括用于出射光线的复眼阵列面构成的第四曲面和将来自第二曲面的光线反射至第四曲面的第三曲面，第二透镜用于接收来自第四曲面的光线并出射光线的复眼阵列面构成的第五曲面。

如图1所示，为本发明的一实施例提供的投光灯透镜的透镜主体。透镜主体包括第一透镜1和第二透镜2。第一透镜1主要包括全内反射面和由复眼阵列面构成的复眼板。第二透镜2为复眼阵列面构成的复眼板。

如图2所示，为本发明的一实施例提供的投光灯透镜的第一透镜。第一透镜包括以下表面：用于接收光源光线并将光线准直出射的第一曲面A、用于折射光源光线的第二曲面B、用于接收来自第二曲面B的光线并将光线全内反射至第四曲面D的第三曲面C、以及接收来自第一曲面A和第三曲面C的光线并将光线出射的第四曲面D。第四曲面D为复眼阵列面构成的复眼板，单个复眼的形式可以是方形或六边形等的曲面。

优选地，第一曲面A为旋转对称曲面，用于将光线准直出射，提高光效。旋转轴可为光轴，也可略偏离光轴，以下旋转轴类似。光轴可选择竖直向上，也可与竖直方向呈一定角度。第一曲面A的旋转曲线通过如下方程限定：x＝-r sin(θ)，z＝r cos(θ)，r满足微分方程：其中，θ为光源光线与竖直方向的夹角，n为透镜材料折射率。

第二曲面B为旋转对称的圆台面，同时也可为拔模面，拔模角为拔模面和竖直平面的夹角。第二曲面B用于使光源光线折射至第三曲面C，通过调整拔模角度可以控制第一透镜的横向宽度。

优选地，第三曲面C为全内反射面，且为旋转对称曲面，用于接收来自第二曲面B的光线，使其发生全内反射并准直出射至第四曲面D，可提升整体光效。第三曲面C的旋转曲线通过如下方程限定： r满足微分方程：

其中，F₃＝cos(2β+2θ)，L为第三曲面底部离原点距离(即第三曲面与透镜基座底部上表面交汇处的点和第三曲面旋转轴与透镜基座底部上表面交汇处的点之间的距离)，β为拔模角，n为透镜材料折射率，θ为光源光线与竖直方向的夹角。

优选地，第四曲面D为旋转对称曲面，用于接收来自第一曲面A和第三曲面C的准直光线，使光线在接收面上形成一个均匀方形光斑。第四曲面D的旋转曲线通过如下方程限定：x＝r sin(θ)，z＝r cos(θ)，r满足微分方程：

其中，

θ为光源光线与竖直方向的夹角，R_s为复眼对角线长的一半，R为方形光斑对角线长的一半，n为透镜材料折射率，H为光源与接收面的距离。

优选地，第一透镜的外侧壁上设有便于第一透镜固定安装在透镜基座上的第一固定环G。第一透镜的外侧壁上还设有第一定位柱F，第一定位柱F与透镜基座上的第一定位槽互相匹配，两者的匹配关系涉及大小的匹配和位置的匹配。第一定位柱F和第一定位槽可将第一透镜固定安装在透镜基座上，防止因抖动等原因使第一透镜产生偏移。

如图3所示，为本发明的一实施例提供的投光灯透镜的第二透镜。第二透镜包括复眼阵列面构成的复眼曲面，即第五曲面E。第五曲面E用于接收来自第四曲面D的光线并将光线出射至投光区域，其可对光线进行整形，在调整光线出光角度的同时使光斑边界更加清晰，提高光效。单个复眼的形式可以是方形或六边形等的曲面。第四曲面D和第五曲面E的复眼曲面部分正对放置。第四曲面D在第一透镜上方得到一系列带有较小轴向像差的焦点，第五曲面E置于焦点附近或焦点以下位置。当第五曲面E置于焦点附近时，对光斑出光角没有太大影响，但能很好地收集光斑边缘的弥散光，使光斑边界很清晰。第五曲面E为旋转对称曲面，其旋转曲线通过如下方程限定：x＝r sin(θ)，z＝r cos(θ)，r满足微分方程：

其中，

θ为光源光线与竖直方向的夹角，R_s为复眼对角线长的一半，R为方形光斑对角线长的一半，n为透镜材料折射率，H为光源与接收面的距离。

优选地，第二透镜的侧壁上设有便于第二透镜固定安装在透镜基座上的第二固定环I。第二固定环I上还设有第二定位柱H，第二定位柱H与透镜基座上的第二定位槽互相匹配，两者的匹配关系涉及大小的匹配和位置的匹配。第二定位柱H和第二定位槽可将第二透镜固定安装在透镜基座上，可防止因抖动等原因使第二透镜产生偏移。

如图4所示，为本发明的一实施例提供的投光灯透镜的透镜基座。透镜基座设有第一定位槽J、支撑面L、固定钩K、第二定位槽M、光源固定孔O以及外侧面N。支撑面L支撑第一透镜的第一固定环G。固定钩K将第一固定环G卡住，使第一固定环G固定置于支撑面L上。光源固定孔O将光源固定在透镜基座的内部上表面和第一透镜的内表面之间形成的腔体内。

如图5所示，为本发明的一实施例提供的投光灯透镜。第一透镜1安装在透镜基座3的内部，第二透镜2安装在透镜基座3的上部。第一透镜的第四曲面和第二透镜的第五曲面平行放置，且两者的复眼一面相邻。

优选地，光源可选择LED灯，即包含有上述的投光灯透镜的发光模块为LED模块。此外，发光模块可以以条形阵列或矩形阵列的排列方式形成投光灯，以实现具有高光效和均匀光分布的照明，并能够有效防止眩光、杂散光产生。

如图6和7所示，为本发明实施例的发光模块的照度分布图和发光模块的两个剖面的照度分布图。由图可知，发光模块的整个光斑呈一均匀的方形光斑，光斑的水平方向和垂直方向呈基本对称状，光斑边界清晰。截面水平方向和截面垂直方向的大部分区域的照度值较接近，在正负500mm位置附近的照度值变化明显。由以上可知，本发光模块可获得均匀的光分布，且光斑边界清晰。另外，光效达到80.59％，能量利用率较高。

图8至10给出了本发明的实施例的发光模块的直角坐标、极坐标、极坐标ISO这三种坐标系下的配光曲线图。由图8至10可知，在正负20°的角度附近，光强值发生突变，进一步说明了光斑的边界清晰性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种投光灯透镜，其特征在于，包括透镜主体和支撑所述透镜主体的透镜基座，所述透镜主体包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜包括从光源接收光线的内表面和出射光线的外表面，所述内表面包括用于光线准直的第一曲面和用于折射光线的第二曲面，所述外表面包括用于出射光线的复眼阵列面构成的第四曲面和将来自所述第二曲面的光线反射至所述第四曲面的第三曲面，所述第二透镜包括用于接收来自所述第四曲面的光线并出射光线的复眼阵列面构成的第五曲面。

2.根据权利要求1所述的投光灯透镜，其特征在于，所述第一曲面为旋转对称曲面，所述第一曲面的旋转曲线通过如下方程限定：x＝-rsin(θ)，z＝rcos(θ)，r满足微分方程：其中，θ为光源光线与竖直方向的夹角，n为透镜材料折射率。

3.根据权利要求1所述的投光灯透镜，其特征在于，所述第三曲面为全内反射面，且所述第三曲面为旋转对称曲面，所述第三曲面的旋转曲线通过如下方程限定：

r满足微分方程：

其中，F₃＝cos(2β+2θ)，L为第三曲面底部离原点距离，β为拔模角，n为透镜材料折射率，θ为光源光线与竖直方向的夹角。

4.根据权利要求1所述的投光灯透镜，其特征在于，所述第四曲面和第五曲面为旋转对称曲面，所述第四曲面和第五曲面的旋转曲线通过如下方程限定：x＝rsin(θ)，z＝rcos(θ)，r满足微分方程：

其中，

θ为光源光线与竖直方向的夹角，R_s为复眼对角线长的一半，R为方形光斑对角线长的一半，n为透镜材料折射率，H为光源与接收面的距离。

5.根据权利要求1所述的投光灯透镜，其特征在于，所述第一透镜上设有第一定位柱，所述第一定位柱与所述透镜基座上设有的第一定位槽相匹配；当所述第一定位柱与第一定位槽连接时，所述第一透镜固定在所述透镜基座的内部。

6.根据权利要求1所述的投光灯透镜，其特征在于，所述第二透镜上设有第二定位柱，所述第二定位柱与所述透镜基座上设有的第二定位槽相匹配；当所述第二定位柱与第二定位槽连接时，所述第二透镜固定在所述透镜基座的上部。

7.根据权利要求1所述的投光灯透镜，其特征在于，所述透镜基座的内部上表面和所述第一透镜的内表面之间形成用于容纳光源的腔体。

8.一种发光模块，其特征在于，包括上述权利要求1-7中任一项所述的投光灯透镜。

9.根据权利要求8所述的发光模块，其特征在于，所述发光模块的光源为LED灯。

10.一种投光灯，其特征在于，包括上述权利要求8或9所述的发光模块组成的阵列。