CN107810438B - 包括多个组成透镜并且设置有用于消除被传输的光通量中不期望的光效果的装置的tir透镜 - Google Patents

Abstract

一种复合透镜，其包括多个透镜并且设置有用于消除与相邻透镜的相面对的表面之间的空隙的存在相关的不期望的光效果的装置。

Description

包括多个组成透镜并且设置有用于消除被传输的光通量中不 期望的光效果的装置的TIR透镜

发明领域

本发明涉及透镜的技术领域，并且具体涉及TIR(全内反射)型透镜以及由多个透镜的组件组成的透镜的技术领域。

背景技术

照明技术近年来经历了相当大的变化，这也是由于诸如LED的光源的可用性，其给予了直到不久之前才为人所知的控制和使用的灵活性。

LED的小尺寸及其射出非常亮的光束(其辐射在非常小的、近似点状的表面上)的能力给予了利用合适的透镜、屏幕和反射器根据需要比使用灯丝型或荧光灯型光源更根本地塑造射出的光束的可能性。

照明技术的LED构造技术的不断进步已经提供了很快就能实现并超过200流明/瓦特的辐射能的装置，例如所谓的板上芯片(COB)LED或所谓的多管芯发射器(multi-dieemitter)。COB装置使用多个单个LED来制造，所述LED一起被封装在单个模块中，该模块显示为在给定表面上延伸的小光板，该给定表面的尺寸比单个LED所占据的尺寸大得多。多管芯发射器由多个LED芯片组成，所述LED芯片被组装在共用的陶瓷衬底上并且被包封在透明硅容器中，该透明硅容器适于相对于环境因素(environmental agent)屏蔽芯片并优化光提取。

虽然COB和多管芯发射器的较大的发射表面在发光质量方面非常有利，但在另一方面存在与发射的光束的准直有关的问题。实际上，在这种情况下，难以使用广泛地与单个LED相关联地使用的TIR(全内反射)型传统透镜，因为需要准直由像COB或多管芯发射器那么扩展的光源发射的束。

利用常见技术(诸如，例如模制)制造尺寸适合与扩展光源(extended lightsource)联用的TIR透镜是很难的，并且会得到不令人满意的结果。实际上，通过模制制成的透镜可能经受不均匀的冷却，这可能导致固化材料内部的应变和不规则，使得生产的透镜易碎和/或不平整。另外，用于扩展光源的TIR型透镜可能过于笨重，从而阻碍了LED技术的引入所带来的尺寸和包含的成本方面的优点。

以上公开的问题的一个解决方案包括制造由多个透镜构成的复合透镜，所述多个透镜通过现有技术的常用方法分别制成，并且适于并置在彼此之上一起使用。

所述复合透镜的每个透镜或透镜区段通常适于接收光源发射的光束，并且包括用于光束的入口表面和出口表面。各种透镜或透镜区段被布置成面对彼此，使得每个透镜在其入口表面上接收光源发射的光束的不同部分，并且朝向其出口表面传输所接收的入射光通量的至少一部分，例如通过TIR(全内反射)型反射。

现有技术的各种相邻透镜通常在相应的相面对的表面之间具有空隙，使得存在于所述空隙中的空气层允许所述相面对的表面充当TIR型表面，并且因此用作穿过相面对的表面的光束的准直器。这允许实现优异的光束准直水平并因此保持透镜组件的尺寸较小。

为此，现有技术的透镜组件经常应用于需要几何形状的所有情况，使得整体尺寸较小并且所需准直水平较高。这种类型的应用的典型示例是采用由大尺寸LED(诸如COB或多管芯发射器)组成的照明源的那些。

然而，与许多益处一起，包括复合结构的透镜(如以上描述的那些)具有与所使用的各种透镜的各个相面对的表面之间的空隙的存在有关的一些缺点。

具体地说，所述缺点会在被照射表面上产生不期望的效果：产生与照明源所投射的主光束不同的光圈和光迹。附图1示出了上述不期望的效果：在主照明区域(即中心圆形光点)周围可以看到一对不期望的圈和光晕。

光圈是由在形成复合透镜的透镜的内表面上存在一些边缘引起的，并且通常是由所采用的光源发射的光束的在所述相面对的表面之一上直接入射的部分的存在引起的。

然而，所述相面对的表面之间的上述空隙和上述边缘属于复合透镜设计本身并且不能被消除。因此需要继续研究，使得这种类型的结构不会引起所描述的缺点。

因此，本发明的目的是介绍一种TIR透镜，其包括多个组成透镜并且设置有用于消除以上描述的所投射的光通量中不期望的光效果的装置。

根据以下通过非限制性示例提供并在附图中示出的详细描述，本发明的其他目的、特征和优点将变得更加明显，在附图中：

附图的详细描述

图1示出了包括复合结构的现有技术的透镜在被照射的表面上产生的不期望的效果；

图2示出了包括复合结构的现有技术的透镜的一部分，指示了产生的光通量的一部分；

图3示出了根据本发明的复合透镜的第一实施例的一部分；

图4示出了根据本发明的复合透镜的第二实施例的一部分；

图5示出了根据本发明的复合透镜的第三实施例的一部分；

图6示出了根据本发明的复合透镜的第四实施例的一部分。

发明的详细描述

图2示出了现有技术的复合透镜的示例的一部分，指示了产生的光通量的一部分。

可以看出，这种类型的透镜可能导致中心透镜21上的入射光通量20的一部分的折射，入射光通量20的所述部分在侧面TIR透镜23的侧表面22上转向，以通过所述侧面TIR透镜23的出口表面24被发射出。因此，此光束从侧表面22而不是从入口表面25进入所述侧面透镜23中，并且因此被折射并以与所需的角度不同的角度发射，从而在被照射的表面上产生不期望的光效果。

本发明允许去除所描述的缺点。

参考图3，根据本发明的复合TIR透镜的优选实施例包括：

多个透镜30、31，其中每个透镜又包括用于光通量的入口表面32、用于光通量的出口表面33和在入口表面32和出口表面33之间延伸的侧表面34。每个所述透镜被布置成接收光源35发射的束的至少一部分，并且适于朝向其出口表面33传送通过其入口表面32接收的光通量的至少一部分。

通过其入口表面32引入到所述透镜中的光束的另一部分到达侧表面并且朝向出口表面33全反射。每个所述透镜如果进一步适于通过其侧表面34与相邻透镜相互联系，使得两个相邻透镜的侧表面之间存在空隙36，则所述空隙允许所述侧表面用作适于准直入射光束的TIR型表面。

在此优选实施例中，所述透镜30、31关于其光轴旋转对称，所述光轴与所述光源35的发光光轴(optical emission axis)37重合。所述多个透镜优选地包括中心透镜30和至少一个周边透镜31，所述中心透镜30被所述至少一个周边透镜31包围并且布置在所述至少一个周边透镜31内。此外，所述至少一个周边透镜31的入口表面32是凹入的，其曲率以光源为中心，使得入射光束以基本正交的方式在所述入口表面32上入射。

两个相邻透镜的两个侧表面之间的空隙36有助于穿过空隙36的光根据空气折射率折射，空气折射率低于制造透镜的材料的折射率。这允许将透镜的侧表面设定尺寸成使得在所述侧表面上产生入射光的至少一部分的全内反射(TIR)。优选地，所述侧表面被设定尺寸成使得经由全内反射沿基本上平行于所述光轴37的方向准直入射光。最后，准直的光将通过透镜的出口表面33被发射出，所述出口表面33优选地基本上正交于所述光轴37。

此外，在此优选实施例中，中心透镜30包括入口表面32，该入口表面32又包括凸起的中心部分和凹入的周边部分，该凹入的周边部分适于通过折射朝向出口表面准直入射光束，所述出口表面33优选地基本上正交于所述光轴37。由此，当周边透镜经由全内反射(TIR)朝向其出口表面引导光源35发射的光束时，中心透镜朝向出口表面引导入射光束(特别是通过折射)。

再次参考图3，为了去除以上描述的在被传输的光通量中存在不期望的光效果的缺点，根据本发明的复合透镜还包括适于防止所述光通量或其一部分在至少一个所述透镜30、31的侧表面的至少一部分上入射的装置。

适于防止所述光通量或其至少一部分在所述透镜30、31的侧表面的至少部分上入射的所述装置可以通过以下方式实现：用不透明的涂料涂覆相关侧表面的一部分；或通过不透明材料制成的条带38，其比存在于两个相邻透镜之间的空隙36的宽度薄，可移除并且适于布置在所述空隙36中；或通过由不透明的可压缩材料制成的条带39，其具有填充两个相邻透镜之间的空隙36的厚度，其是可移除并且适于布置在所述空隙36中的条带。

可以根据透镜的侧表面的待隐藏的部分改变所述条带38的尺寸。

所述条带39可以有利地由可压缩塑料材料制成。

在本发明的优选实施例中，由不透明材料制成的所述条带38的最小延伸部分或涂覆有所述不透明涂料的区域的最小延伸部分在图3中示出，并且用以覆盖所述周边透镜31的侧表面34的与边缘所折射的光束的入射相关的部分，所述边缘指示所述中心透镜30的入口表面32和侧表面33之间的边界。

在本发明的另一优选实施例中，由不透明材料制成的所述条带或涂覆有不透明涂料的所述区域延伸成完全覆盖所述周边透镜31的侧表面34，如图4和图5所示。

在图6所示的本发明的另一优选实施例中，由不透明的可压缩材料制成的所述条带39的厚度会填充存在于两个相邻透镜之间的空隙36，从而屏蔽光通量的将会在所述周边透镜31的侧表面34上入射的部分。可压缩材料允许所述条带39容易地插入存在于两个相邻透镜之间的所述空隙36中，并且允许利用可压缩材料的随后的膨胀完全屏蔽每个入射光束进入所述空间36的入口。

所述由不透明材料制成的条带或所述涂覆有不透明涂料的区域不使两个相面对的透镜光学耦合，在其间留下空隙。这允许保持两个相面对的表面的TIR特征。根据本发明的由不透明材料制成的条带或涂覆有不透明涂料的所述区域用以消除与上述表面异常地相互作用的光束射线，保持不会引起不期望的折射的光束射线的行为不变。

以上提及的图4示出了根据本发明的复合透镜的另一优选实施例。此优选实施例包括具有小主体和出口表面41的中心透镜40，出口表面41包括多个面42，多个面42倾斜以便促进穿过所述中心透镜40的光束沿基本平行于所述中心透镜40的旋转对称轴线的方向折射。

所述中心透镜40可以有利地通过利用菲涅尔透镜来制造。

根据本发明的复合透镜可以由现有技术中用于此用途的所有塑料材料制成，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲基甲基丙烯酰亚胺(poly-methyl-methacrylimide，PMMI)等。

由不透明材料制成的所述条带54可以替代地有利地由任何不透明材料制成，例如由不透明塑料制成。

使用适用于防止所述光通量或其一部分在至少一个所述透镜30、31的侧表面的至少一部分上入射的这种装置将因此相对于光通量的一部分屏蔽所述透镜，光通量的所述部分朝向所述透镜以不期望的方式被折射和引导，从而产生在被照射的表面上可见且不合适的投射光通量的不均匀性和不平整性。

Claims (12)

1.一种复合透镜，其包括多个透镜(30、31)，所述多个透镜(30、31)包括用于光通量的入口表面(25、32)、用于光通量的出口表面(33)和在所述入口表面(32)和所述出口表面(33)之间延伸的侧表面(34)，所述多个透镜中的每个透镜被布置成使得相邻透镜的侧表面(34)彼此面对，并且接收由与所述多个透镜(30、31)相关联的光源(35)发射的光束的至少一部分，并且适于朝向所述出口表面(33)传导通过所述入口表面(32)接收的光通量的至少一部分，其特征在于，所述复合透镜包括适于防止所述光通量或其一部分在所述多个透镜(30、31)中的至少一个透镜的侧表面的至少一部分上入射的装置，所述装置选自包括由不透明材料制成的条带(38、39)和被施加到所述多个透镜中的两个相邻透镜的所述侧表面(34)中的一个的至少一部分上的不透明涂料的组，所述条带(38、39)适于可移除地布置在存在于所述多个透镜中的两个相邻透镜的所述侧表面(34)之间的空隙(36)中。

2.根据权利要求1所述的复合透镜，其特征在于，所述多个透镜(30、31)包括中心透镜(21、30、40)和至少一个周边透镜(23、31)，所述中心透镜(21、30、40)和至少一个周边透镜(23、31)关于其光轴旋转对称，所述光轴与所述光源(35)的发光光轴(37)重合。

3.根据权利要求2所述的复合透镜，其特征在于，所述中心透镜(21、30、40)被所述至少一个周边透镜(23、31)包围并且布置在所述至少一个周边透镜(23、31)内。

4.根据权利要求3所述的复合透镜，其特征在于，所述中心透镜(40)具有小主体和出口表面(41)，所述出口表面(41)包括多个面(42)，所述多个面(42)倾斜以便促进穿过所述中心透镜(40)的光束沿基本上平行于所述中心透镜(40)的旋转对称轴线的方向折射。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的复合透镜，其特征在于，所述至少一个周边透镜(23、31)的所述入口表面(32)是凹入的，所述入口表面(32)的曲率以所述光源为中心，使得入射光束以基本上正交的方式在所述入口表面(32)上入射。

6.根据权利要求2至4中的任一项所述的复合透镜，其特征在于，所述至少一个周边透镜(23、31)的侧表面用以通过全内反射沿基本上平行于所述光轴(37)的方向准直入射光。

7.根据权利要求1至4中的任一项所述的复合透镜，其特征在于，由不透明材料制成的所述条带(38)比存在于两个相邻透镜之间的空隙(36)的宽度薄。

8.根据权利要求1至4中的任一项所述的复合透镜，其特征在于，由不透明材料制成的所述条带(39)是可压缩的且具有使得其填充存在于两个相邻透镜之间的空隙(36)的厚度。

9.根据权利要求2至4中的任一项所述的复合透镜，其特征在于，由不透明材料制成的所述条带(38、39)的延伸部分或涂覆有所述不透明涂料的区域的延伸部分用以覆盖所述周边透镜(31)的与边缘所折射的光束的入射相关的侧部分(34)，所述边缘指示所述中心透镜(30)的所述入口表面(32)和所述侧表面(33)之间的边界。

10.根据权利要求2至4中的任一项所述的复合透镜，其特征在于，由不透明材料制成的所述条带(38、39)的延伸部分或涂覆有所述不透明涂料的区域的延伸部分用以覆盖所述周边透镜(31)的整个侧表面(34)。

11.一种照明设备，其包括至少一个LED照明源，其特征在于，所述照明设备包括至少一个根据权利要求1-10中的任一项所述的复合透镜。

12.根据权利要求11所述的照明设备，其特征在于，所述至少一个LED照明源选自包括板上芯片型LED装置和多管芯发射器型LED装置的组。

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