CN110131603B - 一种led灯具 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种LED灯具，包括灯带(1、2)、基座(3)、壳体(6)；其中，所述灯带包括发光单元，所述发光单元包括：透镜(10)、光源(11)、铝基板(12)。LED光源的透镜采用双圆弧曲面组合，设计了一种可变角度光学透镜结构。通过近光源面的圆弧曲面将光聚拢成稍小角度，以减小光损。再利用远光源圆弧面实现目标的角度光学。这样可以在薄透镜厚度下实现小角度照明，相对于传统的单自由曲面设计，有效地避免了全反射的发生，减小了照明的光损，提升了照明的距离。

Description

一种LED灯具

技术领域

本发明涉及照明技术领域，尤其涉及一种LED灯具。

技术背景

LED(发光二极管)灯具有高效低耗、节能环保、寿命长等特点，越来越受到世界各国的重视。LED吸顶灯是以LED为光源，以吸附或嵌入方式安装于天花板或者墙壁上，是现今常用的室内(如家庭、办公室、娱乐场所等)照明灯具。相较于传统照明灯具具有节能、低碳、长寿、显色性好、响应速度快等优点。目前现有技术中的LED光源在实际使用过程中需要为其设计一个光学透镜以满足均匀照明或其他照明分布方式。例如，市面上应用较多的LED均匀LED灯具透镜主要采用两种类型：一种是多片非球面型，这种结构虽然照度均匀度较高，但是会增加光学系统的复杂度和装配的难度；另一种是单片非球面型，这种结构虽然光学复杂度低，但是又会出现照明均匀度较低而且不均匀的现象。且光源与透镜封装在一起，光源的热量直接作用于透镜上不易散发，影响LED灯具的寿命。

发明内容

为了实现一种均匀照射和高耐久性的灯具，本申请实施例提供的技术方案如下：

一种LED灯具，其特征在于：包括灯带1、2、基座3、壳体6；其中，所述灯带包括发光单元，所述发光单元包括：透镜10、光源11、铝基板12。

优选地，光源11以中心线I对称设置于铝基板12的一个表面；透镜10沿中心线I对称设置；透镜10和铝基板12形成间隔13。

优选地，透镜的内表面形成凹陷部，透镜的外表面形成凸起部。

优选地，透镜的内表面以内弧R1为母线形成球形凹陷，透镜的外表面以外弧R2为母线形成球形凸起。

优选地，调整外弧R2的高度形成不同的照射角度。

优选地，内弧R1在顶点附近区域进一步地向上形成一调整部103。

优选地，内弧R1由部分椭圆面形成，椭圆面的长轴垂直于内弧R1的高度方向。

优选地，内弧R1由部分椭圆面形成，椭圆面的长轴平行于内弧R1的高度方向。

优选地，所述灯带包括第一灯带1、第二灯带2；第一灯带1、第二灯带2各自为半圆形环状；第一灯带1、第二灯带2首尾相接形成环形，分布于壳体6内部；所述基座3位于LED灯具中央，与壳体6的对称轴平行；所述基座3的两侧对称设置有第一镂空部4、第二镂空部5

LED灯具的设计方法，包括：

步骤1)，在透镜一面设置凹陷部，另一面设置凸起部，其中，所述凹陷部为对称球面，母线为内弧R₁，高度为H₁，所述凸起部为圆球面，母线为外弧R₂，高度H₂；

步骤2)，将光源设置在基板中央、凹陷部的投影区域，在透镜和/或基板上设置若干凸起使得透镜和基板之间产生间隔；

步骤3)，通过计算机仿真软件固定内弧R₁的半径和高度H₁，调整H₂获得所需要的LED灯具照射角度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：第一灯带1、第二灯带2首尾相接形成环形。壳体6从边缘到中心以圆弧状的曲线过渡形成。LED光源的透镜采用双圆弧曲面组合，设计了一种可变角度光学透镜结构。通过近光源面的圆弧曲面将光聚拢成稍小角度，以减小光损，再利用远光源圆弧面实现目标的角度光学。这样可以在薄透镜厚度下实现小角度照明，相对于传统的单自由曲面设计，有效地避免了全反射的发生，减小了照明的光损，提升了照明的距离。采用光线模拟软件对所设计的结构进行仿真，通过对模拟结果的分析，在透镜角度设计为90°，厚度为2.6mm时，单透镜的透光率高达95％。采用环形阵列分布，整个环面光源均匀度达到94.4％。相对于传统的光源透镜一对一照射方式，提高了照明的均匀度，同时大大减少了透镜的厚度和光的损失。

附图说明

图1为本发明的俯视图；

图2为本发明的仰视图；

图3为本发明的侧视图；

图4为本发明的一条灯带示意图；

图5为本发明的两条平行灯带示意图；

图6为本发明的实施例一的发光单元结构图；

图7为本发明的实施例一的发光单元的光路图；

图8为本发明90°照射角的光路图；

图9为本发明120°照射角的光路图；

图10为本发明实施例二的结构图；

图11为本发明实施例三的结构图；

图12为本发明实施例四的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案做详细描述。

如图1-2所示，本发明的LED灯具包括第一灯带1、第二灯带2、基座3、第一镂空部4、第二镂空部5、壳体6、电源线7、固定部8。

第一灯带1、第二灯带2各自为半圆形环状。第一灯带1、第二灯带2首尾相接形成环形，分布于壳体6内部。基座3位于LED灯具中央，与壳体6的对称轴平行。构成第一灯带、第二灯带的发光单元为LED。若干个LED排列成阵列构成灯带。LED的数量可以根据需要自由设定。第一灯带1、第二灯带2照射出来的光是圆形，显得更加均匀和美观。

基座3的两个端部与壳体6固定连接在一起。基座3的两侧对称设置有第一镂空部4、第二镂空部5。第一镂空部4、第二镂空部5各自为一个中空区域，形成于壳体6的内部区域。第一镂空部4、第二镂空部5在壳体6内形成的中空区域可以使得空气流通，并减少了壳体的重量。

第一灯带1、第二灯带2的驱动电路位于基座3内。电源线7与基座3内的驱动电路电气连接，为LED灯具提供电源。驱动电路设置在基座3内，与第一灯带1、第二灯带2电气连接。

第一镂空部4、第二镂空部5的截面形状可以为圆形、椭圆形、三角形、方形、长方形或多边形。本领域技术人员可以根据设计需要选择其中的一种或几种形状的组合。

电源线7、固定部8设置于基座3上。固定部8可以选择螺丝、挂钩、吊环其中之一或者其它常用固定装置将LED灯具固定于工作表面，例如天花板。

如图3所示，壳体6从边缘到中心以圆弧状的曲线过渡形成。在安装于天花板上的姿态下，壳体6的边缘向下延伸使得在垂直方向上比第一灯带1、第二灯带2所处的水平位置更接近地面。该边缘结构会挡住一些散射出来的光，这样用户在从侧面看的时候不会有刺眼的感觉，照明效果也会更好。壳体6的材质可以选择塑料、金属。此外，圆弧状的边缘利于清洗，同时不易藏污纳垢，适用于一些特定场所，如食品加工场等。圆弧状的边缘使得壳体6形成一个曲面，提高了拿取LED灯具时的触感。基座3的轮廓为弧形，形成柄状，方便安装时拿取的同时具有独特的美感。

在安装于天花板上的姿态下，壳体6的边缘向下延伸使得在垂直方向上比第一灯带1、第二灯带2所处的水平位置更接近地面。该边缘结构会挡住一些散射出来的光，这样用户在从侧面看的时候不会产生刺眼的眩光，照明效果也会更好。本发明的LED灯具透光率高达95％以上，实现了从传统点对点发光，到点对面发光。本发明半圆形的外观，比传统结构更节省材料，重量更轻。

如图4-5所示，本发明的灯带1可以包括一条灯带也可以包括多条灯带，例如平行排列的两条灯带。每条灯带由发光单元组成。发光单元包括透镜、光源、铝基板。可将多个单颗透镜通过注塑完成一个整体的多颗透镜的透镜模组，按不同需求可以设计成单颗、3合1、5合1甚至几十颗合一的透镜模组；此设计能有效节省生产成本，节省LED灯具机构空间，更容易实现“大功率”等特点。

实施例一：

如图6所示，本发明灯带1的发光单元包括透镜10、光源11、铝基板12。光源11以中心线I对称设置于铝基板12的一个表面。透镜10和铝基板12形成间隔13。间隔13形成光源导热的通道。该导热通道能够将光源的热量及时排出，因此能够适合采用大功率光源的场景。更进一步地，还可以采用电机连接风扇向该导热通道内吹风，从而加速该导热通道内的空气流动，提高散热效果。透镜10和铝基板12之间可以设置若干凸起的支撑结构以形成间隔13，这属于本领域的公知常识，在此不再赘述。透镜的内表面以内弧R₁为母线形成球形凹陷，透镜的外表面以弧R₂为母线形成球形凸起。透镜除球形凹陷和球形凸起的其余部分为板状，与铝基板12保持平行。

透镜材料可以为透明工程塑料，例如聚碳酸酯(PC，Polycarbonate)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，Polymethyl Methacrylate)。优选地，该实施例选择聚甲基丙烯酸甲酯注塑形成。这样可使得透镜的透光率高。本发明中采用的PMMA材料为高度透明的无定形热塑性聚合物，相对密度(30℃/4℃)1.188-1.22。高度通明性，透光率90％-92％，比无机玻璃还高，并能透过紫外线光达73.5％，折射率1.49；同时其机械强度高、韧性好，拉伸强度60-75MPa，冲击强度12-13kJ/m，比无机玻璃高8-10倍。可拉伸定向，冲击强度提高1.5倍。具有优良的耐紫外线和大气老化性。

透镜的内表面结构设计及计算：

光源主要使用3030光源，所以配光计算主要以3030光源为准。其次为了兼容5050的光源，透镜下方必须要预留有足够的空间可以塞下5050光源，即透镜的尺寸计算以5050光源为主，配光计算以3030光源为主。

铝基板厚度为1.5mm，5050灯珠尺寸规格为5×5×0.7mm，3030灯珠的尺寸规格为3×3×0.52mm，所以我们透镜内凹深度为2mm，透镜内圈张开固定距离为L₁＝6mm，距离5050光源的单边距离为0.5mm。查询得知透镜材料的折射率n₂≈1.58，其中透镜的内弧R₁为固定数据(也是为了可以共模)，3030光源的高度为0.52mm，所以内弧R₁高度H₁＝1.6mm(H₁-0.02＝1.58)，其一是为了留足够的距离，防止5050灯珠产生的热量波及到透镜，其次为了更好计算透镜的光学，至此，透镜的内表面的设计完成。透镜外弧R₂的宽度L₂为一定值，L₂＝7.58mm(L₂-L₁＝1.58)，所以R₂≥L₂/2。

透镜的外表面光学计算：

根据资料查得空气的折射率n1≈1.00，透镜材料的的折射率n2≈1.58。由图7可知，透镜的光经过两次折射，从光源处发射的光线初始角度r₀，经过内弧R₁的折射到R₂弧，再被折射到空气中，与中线的夹角r₀’即为我们所需要的角度；

由Snell定律可知，对于弧R₁：

Sinα₁/sinβ₁＝n₂/n₁

对于弧R₂：

Sinα₂/sinβ₂＝n₁/n₂

由此可以得到：

Sinα₁/sinβ₁＝Sinβ₂/sinα₂

即：

Sinα₁sinα₂＝sinβ₁Sinβ₂

入射光线的正弦值之积等于折射光线的正弦值之积。

由此可知，对于此款透镜，Sinα₁与sinβ₁值为定值，而入射角α₂与折射角β₂为比例关系；即入射角α₂只与圆弧R₂的大小有关，圆弧R₂≥L₂/2＝3.79mm；通过分析可知，折射角β₂越小，我们需要的透镜角度r₀’x2越大；即r₀’与R₂的大小成正相关，而R₂的大小只与高度H₂有关，并且与H₂成负相关关系；所以高度H₂↓r₀’↑；此时通过TracePro模拟光学，通过更改H₂的大小，实验几次即可得到我们所需要的60°、90°、120°等照射角度，即r₀’分别为30°、45°、60°。如图8-9所示，给出了90°、120°照射角度的示意图。圆弧R₂的高度H₂越大，穿过透镜的出射光线以偏离中心线I角越小的角度出射。圆弧R₂的高度H₂越小，穿过透镜的出射光线以偏离中心线I角越大的角度出射。

实施例二：

如图10所示，本实施例与实施例一的区别在于内弧R₁在顶点附近区域进一步地向上形成一调整部103，其余部分与实施例一相同。该调整部也以中心线I对称设置，形成一球形面。形成层调整部103的球面具有半径R₃和高度H₃(图10中未示出)。半径R₃和高度H₃可以在仿真软件中调整，以获得所需要的照射角度。该球形面能够进一步将中心线I附近的光线折射到透镜10内部。这样可以调整弧R₁在透镜中心线I附近的光路，使得从透镜顶部出射的光线在中心线I附近进一步汇聚，提高光源的照射强度。

实施例三：

如图11所示，本实施例与实施例一的区别在于内弧R₁由部分椭圆面形成，其余部分与实施例一相同。椭圆面的长轴垂直于内弧R₁的高度方向。入射光线经过椭圆面形成的内弧R₁和圆弧R₂两次折射。调整内弧R₁的高度和椭圆的长轴、短轴长度以及圆弧R₂的半径和高度可以使得出射光线产生矩形光斑，消除灯带单个光源之间的阴影，提高灯带的照射均匀度。

实施例四：

如图12所示，本实施例与实施例一的区别在于内弧R₁由部分椭圆面形成，其余部分与实施例一相同。椭圆面的长轴平行于内弧R₁的高度方向。调整内弧R₁的高度和椭圆的长轴、短轴长度以及圆弧R₂的半径和高度可以使得出射光线产生正方形光斑，提高灯带的照射均匀度。

将理解，当据称将部件“连接”到另一个部件时，它可以直接连接到另一个部件或可以存在中间部件。本发明未详细描述的部分属于本领域技术人员的公知常识。

以上例子主要说明了本发明的优选实施例。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (10)

1.一种LED灯具，其特征在于，包括：

灯带，所述灯带包括发光单元，所述发光单元包括：透镜(10)、光源(11)、铝基板(12)，所述光源(11)以中心线I对称设置于铝基板(12)的一个表面；透镜(10)沿中心线I对称设置；透镜的内表面以内弧R₁为母线形成球形凹陷，透镜的外表面以外弧R₂为母线形成球形凸起；所述透镜除球形凹陷和球形凸起的其余部分为板状，与铝基板(12)保持平行；所述透镜(10)和铝基板(12)形成间隔(13)；

基座(3)，所述基座(3)位于LED灯具中央，与壳体(6)的对称轴平行；所述基座(3)的两侧对称设置有第一镂空部(4)、第二镂空部(5)；

壳体(6)，所述灯带分布于壳体(6)内部。

2.根据权利要求1所述的LED灯具，其特征在于：内弧R1在顶点附近区域进一步地向上形成一调整部(103)。

3.根据权利要求1所述的LED灯具，其特征在于：所述壳体(6)从边缘到中心以圆弧状的曲线过渡形成；在安装于天花板上的姿态下，壳体(6)的边缘向下延伸使得在垂直方向上比灯带所处的水平位置更接近地面。

4.根据权利要求1所述的LED灯具，其特征在于：透镜外弧R₂的宽度L₂满足R₂≥L₂/2。

5.根据权利要求1所述的LED灯具，其特征在于：内弧R₁由部分椭圆面形成，椭圆面的长轴垂直或者平行于内弧R₁的高度方向。

6.根据权利要求5所述的LED灯具，其特征在于：透镜的内弧R₁高度H₁＝1.6mm。

7.根据权利要求1所述的LED灯具，其特征在于：透镜内凹深度为2mm，透镜内圈张开固定距离为L₁＝6mm。

8.根据权利要求1所述的LED灯具，其特征在于：所述灯带包括第一灯带(1)、第二灯带(2)；第一灯带(1)、第二灯带(2)各自为半圆形环状；第一灯带(1)、第二灯带(2)首尾相接形成环形，分布于壳体(6)内部。

9.根据权利要求1所述的LED灯具，其特征在于：透镜光源为5050灯珠或3030灯珠；透镜的尺寸计算以5050光源为主，配光计算以3030光源为主。

10.一种如权利要求1所述的LED灯具的设计方法，包括：

步骤1)，在透镜一面设置凹陷部，另一面设置凸起部，其中，所述凹陷部为对称球面，母线为内弧R₁，高度为H₁，所述凸起部为圆球面，母线为外弧R₂，高度H₂；

步骤2)，将光源设置在基板中央、凹陷部的投影区域，在透镜和/或基板上设置若干凸起使得透镜和基板之间产生间隔；

步骤3)，通过计算机仿真软件固定内弧R₁的半径和高度H₁，调整H₂获得所需要的LED灯具照射角度。