CN110985925A

CN110985925A - 光学单元及使用此光学单元的led照明灯具

Info

Publication number: CN110985925A
Application number: CN201910943046.XA
Authority: CN
Inventors: 樱木邦善; 岛崎宗久
Original assignee: 3s Co Ltd
Current assignee: 3s Co Ltd
Priority date: 2018-10-02
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2020-04-10
Also published as: JP2020057512A; TWI700461B; TW202014639A; JP6559862B1; KR20200038188A

Abstract

本发明公开了一种光学单元以及一种LED照明灯具，该光学单元包括一透明光学构件及一反射光学构件，其中该透明光学构件具有：一外壳，外壳相对于配置在基板上的LED光源的光轴形成为半椭圆形；一凹部，从外壳内设，并容置LED光源；及一射出面，与凹部相对，射出来自LED光源的光，该反射光学构件具有一锥形面，配置在射出面侧，并且其直径随着接近射出面侧而扩大。

Description

光学单元及使用此光学单元的LED照明灯具

技术领域

本发明有关于一种LED照明灯具及使用此的光学构件，尤其有关用于照亮广大的足球场或棒球场等的光学单元及使用此光学单元的LED照明灯具。

背景技术

例如，可高亮度照明的LED照明灯具，可利用于具有照明设备的地面或比赛场所等。作为以LED作为光源的LED照明灯具，如日本专利文献1中揭示的发明，具备有多个光学单元，此等光学单元以矩阵形式配置在矩形平板状的基底的一面上。为了以预定角度控制从LED射出的配光，在LED照明灯具中并排配置使用多个用于控制LED的配光的反射板(光学构件)。

现有专利文献：日本专利特开2009-129859号公报

发明内容

本发明所欲解决的技术问题：

然而，LED照明灯具难以调整多个反射板(光学构件)将照明范围控制到预定角度。此外，虽遮掩到一部分照射范围的光，以使照射范围内的光固定在预定的角度内，但却存在着无法有效使用照射光的问题。

所以，本发明为了解决上述问题，将提供一种可以照射有效的有效光束的透明光学构件，光学单元。此外，其目的为提供一使用该光学构件的LED 照明灯具。

解决上述技术问题而采用的技术手段：

本实施例由用于LED照明灯具的透明材料所构成的透明光学构件。该透明光学构件具备：一外壳，相对于配置在基板上的LED光源的光轴形成为半椭圆形；一凹部，从外壳凹设，并容置LED光源；及一射出面，与凹部相对，射出来自LED光源的光。且，外壳较佳具有以光轴为基准以放射状延伸的多个沟槽。

且，沟槽可以为沿直线延伸的凹槽或弯曲的凹槽。此外，凹部，也可包含一入射前面，与LED光源对向；及一入射圆锥面，相对于基板设置为倾斜。且，透明光学构件由改变外壳、入射前面、以及入射圆锥面的形状，进而变更从由射出面射出的LED光源照射光的角度。

本实施例的光学单元，具备：上述的透明光学构件；及一反射光学构件，具有一圆形开口，且该圆形开口包含一锥形面，该锥形面设置在透明光学构件的射出面侧上并且具有随着远离射出面而扩大的直径。

光学单元的透明光学构件由配置成矩阵状的多个外壳组成，且射出面彼此连接。且，透明光学构件包含形成于射出面上的第一结合部。反射光学构件由配置成矩阵状的多个圆形开口组成，且通过框体彼此连接。反射光学构件包含形成于框体上且与第一结合部嵌合的第二结合部。

另一个实施例的光学单元，具备：一透明光学构件；及一反射光学构件，其中该透明光学构件，具有：一外壳，相对于配置在基板上的LED光源的光轴形成为半椭圆形；一凹部，容置LED光源并从外壳凹设；及一射出面，与凹部相对，射出来自LED光源的光，该反射光学构件，具有一圆形开口，且该圆形开口包含一锥形面，该锥形面设置在射出面侧上并且具有随着远离射出面侧而扩大的直径。

另一个实施例的LED照明灯具，具备：上述的光学单元；及一LED基板，具有以矩阵状配置的LED光源，以便容置在凹部中。

本发明的技术效果：

本发明的透明光学构件或光学单元可以照射有效的有效光束。此外，此同样适用于使用该光学构件的LED照明灯具。

附图说明

图1为表示LED照明灯具的前面侧的透视图。

图2为表示LED照明灯具的部分剖面图。

图3A为光学单元的前视图。

图3B为沿图3A中B-B线的剖面图。

图3C为沿图3A中C-C线的剖面图。

图3D为反射光学构件22和透明光学构件26为分离状态的透视图。

图4A为第2实施例的反射光学构件23的前视图。

图4B为沿图4A中B-B线的剖面图。

图4C为沿图4A中C-C线的剖面图。

图4D为反射光学构件23的透视图。

图5A为第2实施例的透明光学构件27的前视图.

图5B为沿图5A B-B线的剖面图。

图5C为透明光学构件27的背面图。

图6为说明有效光束图。

图7A为透明光学构件27的外壳27g的放大图。

图7B为沿图7AB-B线的剖面图。

图7C为表示不同于透明光学构件27的外壳27g的放大图中的沟槽的形状。

图8A为照射角度为15度的LED照明灯具1的照射结果。

图8B为LED照明灯具1的照射角度与相对照射强度的关系的曲线图。

图8C为用在光学单元2并且照射角度为15度的透明光学构件27的剖面图。

图9A为照射角度为45度的LED照明灯具1的照射结果。

图9B为LED照明灯具1的照射角度与相对照射强度的关系的曲线图。

图9C为用在光学单元2并且照射角度为45度的透明光学构件27的剖面图。

附图标记说明：1-LED照明灯具；2-光学单元；6-电路基板；8-LED光源； 12-灯具本体；13-防护罩；22、23-反射光学构件；26、27-透明光学构件；22a- 通孔；22b-基座；22c-前面；22t-锥形面；26c-前面；22t-锥形面；26c-前面； 26g-外壳；26h-圆锥台；26j-入射圆锥面；26k-入射前面；2-光学单元；22a- 通孔；22b-基座；22c-前面；22d-背面；22e-圆锥台；22f-定位凸起；26a-通孔； 26b-支撑脚；26c-前面；26d-背面；26e-圆锥凹部；26f-定位孔；26h-圆锥台； 22a-通孔；22d-背面；22e-圆锥台；22f-定位凸起；22t-锥形面；26a-通孔；26b- 支撑脚；26d-背面；26g-外壳；26h-圆锥台；26j-入射圆锥面。

具体实施方式

对本发明的实施例的LED照明灯具进行说明。于以下的实施例中，本照明灯具说明用在如运动场、足球场或棒球场的类大型比赛设施的高输出型的照明灯具。又，用于说明的每个图，示意性显示为可以理解此等发明的程度，且尺寸大小、角度或厚度等皆以夸大形式表示。此外，在用于说明的每个图中，其中相同的组件以相同的号码表示，有些情况下可省略其说明。此外，以下的实施例所述的形状、尺寸、材料等仅为本发明范围内的较佳实施例。

LED照明灯具的概要：

如图1所式，LED照明灯具1，具备：一灯具本体12，内建有配置多个LED 光源的基板；多个光学单元2(从2-11～2-88)，配置在基板的射出侧；及一防护罩13，配置在此等光学单元2的射出侧并保护照明本体12。防护罩13利用发出从LED光源射出的光，并且让该发射面成为照明灯具1的发光面。

从图1的左上角到右上角，光学单元2-11至2-18配置在LED照明灯具1中。在该一段下侧(-Y轴侧)，光学单元2-21～2-28配置在LED照明灯具1中。在最下侧，光学单元2-81至2-88配置在LED照明灯具1中。此等光学单元2可以具有相同的规格或不同的规格，如下所述。此外，当从前面侧(+Z轴侧)观察时， LED照明灯具1为正方形，但也可以为长方形或圆形。多个光学单元2依据LED 照明灯具1的灯具主体12的形状适当地配置。

图2为表示LED照明灯具1的部分剖面图，为光学单元2-41和2-51的剖面图。LED照明灯具1由LED光源8、载放LED光源8的电路基板6、灯具主体12、防护罩13等构成。来自LED光源8的光的光轴L与Z轴方向平行。

灯具主体12由铝压铸等的金属制成并且具有正方形或圆形的深盘形状，在前面侧(+Z轴侧)具有内侧面12c。且，灯具主体12在背面侧(-Z轴侧)具有多个散热片12h。散热片12h，将由LED光源8的发光所产生的热量通过电路基板6往外部散发。

此外，灯具主体12设置有一电路基板6，以便与其内侧面12c紧密接触。多个LED光源8焊接到电路基板6上，且通过电路基板6让电源供应到LED光源 8，形成点亮LED光源8的构造。

此外，在内侧面12c的电路基板6的上侧(+Z轴侧)，配置后述的多个光学单元2。在图2中，具有相同规格的光学单元2-41和2-51被配置成嵌合到内侧面12c。且，在多个光学单元2的上侧(+Z轴侧)配置一防护罩13。防护罩13 由透明玻璃或透明塑料(例如聚碳酸酯或丙烯酸(PMMA)等)形成，以射出从LED光源8发出的光，并且LED照明灯具1内部受到保护和防水。

光学单元的概要：

光学单元2通过反射光学构件22和透明光学构件26的组合将来自LED光源8的光照射到预定的照射区域。具体而言，光学单元2由将图3A-图3D所示的透明光学构件26和反射光学构件22各一个为一组所构成。图3A为从+Z轴方向观察到的前视图，图3B为沿图3A的B-B线剖面图，图3C为沿图3A的C-C线的剖面图，图3D表示光学单元2的反射光学构件22和透明光学构件26为分离状态的透视图。又，为了帮助理解，图3D为在反射光学构件22的斜视方向与透明光学构件26斜视方向略微偏离的情况下绘制。如图3A所示，当从正面观察光学单元2时，可以观察到反射光学构件22，并且可观察到透明光学构件26的正面(射出面)26c。

(反射光学构件第1例)

首先，将说明第1例的反射光学构件22。如图3A和图3B所示，反射光学构件22具有四个圆形开口的锥形面22t，圆形开口的锥形面22t的直径随着远离射出面(+Z轴方向)而扩大。四个圆形开口对应于四个LED光源8(兹参考图2) 的光轴L。即使反射光学构件22具有四个圆形开口，但也可仅由一个圆形开口构成，或者也可由2或3个圆形开口构成，或者由9个(3*3)圆形开口构成。由于反射光学构件22为将来自透过透明光学构件26入射的LED光源8的光反射在锥形面22t上，所以至少锥形面22t较佳地要进行镜面抛光。另外，反射光学构件22的框体的前面22c较佳地也要进行镜面抛光。当来自LED光源8的一部分光被玻璃等的防护罩13反射时，会让来自防护罩13的反射光再次被反射到射出侧。反射光学构件22可以为铝压铸件，或镀镍的塑料树脂。锥形面22t较佳地相对于光轴L倾斜10°至20°。

如图3A和图3C所示，通孔22a和基座22b形成在四个圆形开口的中心。螺栓(未图标)等的紧固装置插入到通孔22a中，且螺栓等的头部与基座22b抵接。如图3C和图3D所示，由反射光学构件22的背面22d形成为作为第二接合部的圆锥台22e。通孔22a形成在圆锥台22e的中心。此外，大于等于一个的定位凸起22f也可形成在反射光学构件22的背面22d上。圆锥台22e和定位凸起22f 用于与透明光学构件26定位且与来自LED光源8的光的光轴L匹配。

(透明光学构件第1例)

其次，将说明透明光学构件26。透明光学构件26较佳由透明玻璃或透明塑料(例如聚碳酸酯或丙烯酸(PMMA)等)构成。如图3B和图3D所示，透明光学构件26具有四个形成为半椭圆体的外壳26g，并且半椭圆体的外壳26g 随着接近射出面侧(+Z轴侧)而扩大直径。透明光学构件26具有四个外壳26g，但也可仅由一个外壳构成，或者也可由2或3个外壳构成，或者也可由9个(3* 3)外壳构成。例如，在大于等于两个外壳的情况下，较佳地前面26c为彼此连结的构造。四个外壳26g在入射侧(-Z轴侧)形成有凹部，并且凹部容置有 LED光源8。凹部包含：一入射前面26k，面向LED光源8(兹参考图2)；及一入射圆锥面26j，相对于电路基板6(兹参考图2)倾斜设置。入射前面26k和入射圆锥面26j将从LED光源8射出的光引导到透明光学构件26内。且，被引导到透明光学构件26内的光，在外壳26g的内表面反射并从透明光学构件26的前面26c 射出，或是光从透明光学构件26的前面26c射出，而非在外壳26g的内表面反射。前面26c面向凹部的射出面。

如图3C和图3D所示，从背面26d延伸的圆锥台26h形成在四个外壳26g的中心，且通孔26a形成在圆锥台26h的中心处。螺栓等的紧固装置(未图标)插入到通孔26a中，该紧固装置通过电路基板6的通孔紧固到灯具本体12(兹参考图2)。在圆锥台26h内侧，形成作为第一接合部的锥形凹部26e，反射光学构件22的圆锥台22e嵌入到圆锥凹部26e中。在透明光学构件26的前面26c上，形成有凹陷的定位孔26f，且定位凸起22f嵌入到定位孔26f中。藉此，让反射光学构件22和透明光学构件26定位。此外，若形成五角圆锥，四角圆锥或三角圆锥等来取代圆锥台22e，也可用圆锥凹部26e或五角圆锥凹部，四角圆锥凹部或者三角圆锥凹部等形成。利用如此的多边形的锥形台和锥形凹部，则就不需要设置定位凸起22f。

再者，如图3C和图3D所示，透明光学构件26具有四根支撑脚26b，其用以调整LED光源8和透明光学构件26之间的距离。四根支撑脚26b比Z轴方向上的外壳26g的长度长，且比圆锥台26h在Z轴方向上的长度长。透明光学构件26具有四根支撑脚26b，但其数量不受限制，也可为大于等于三根。此外，定位凸起26m也可形成在支撑脚26b上，使得透明光学构件26和电路基板6可以定位。

(反射光学构件第2例)

其次，使用图4A-图4D来说明第2例的反射光学构件23。在图3A-图3D说明过的第1例的反射光学构件22，从前面22c到背面22d的长度(Z轴方向)对应于四个圆形开口的锥形面22t的长度。第2例的反射光学构件23，其中从框体的前面23c到背面23d的长度(Z轴方向)为短的，且形成有四个从前面23c突出的圆形开口的锥面22t。此为第1例的反射光学构件22与第2例的反射光学构件23 之间的差异。

第2例的反射光学构件23，可以形成比第1例的反射光学构件22轻，且可使用与反射光学构件22相同的材料。两者之间的功能并没有显著差异。在图 4A-图4D中，具有与第1例的反射光学构件22相同功能的构件，在末端用相同的符号表示。例如，第1例的圆锥台22e对应于第2例的圆锥台23e。

(透明光学构件第2例)

其次，使用图5A-图5C来说明第2例的透明光学构件27。在图3A-图3D说明过的第1例的透明光学构件26，在半椭圆体的外壳26g的表面上没有形成凹槽等。第2例的透明光学构件27的外壳27g具有多个凹槽27gg，其以光轴L为基准径向延伸。特别，如图5C所示，在外壳27g上绘制多个径向延伸的凹槽27gg。此为第1例的透明光学构件26与第2例的透明光学构件27的间的差异。

与第1例的透明光学构件26相比，第2例的透明光学构件27在透明光学构件27内，可将来自LED光源8的光在凹槽27gg反射。尤其，可增加在X轴方向或Y轴方向而不是Z轴方向上反射的光量。因此，藉由与第1例的反射光学构件 22或第2例的反射光学构件23的组合，可以增加从光学单元2射出的光的有效光束。增加有效光束可抑制因漏光(无效光束)引起的炫光(Glare)。

于此，使用图6补充有效光束。在定义有效光束时，可以通过光束角度和视场角度来指定。所谓光束角度为照明强度达到峰值强度的50％的角度。所谓视场角度为照明强度达到峰值强度的10％的角度。意味在该光束角度外泄漏的光的视场角越小，则有效光束越大，且意味着抑制了由漏光引起的炫光。此外，从光束角度到视场角度的角度越小，方向性越高。

图7A为透明光学构件27的外壳27g的放大图，图7B为沿7A的B-B线剖面图。如图7B所示，形成具有V字形剖面的凹槽27gg。剖面不限于V字形，也可为U字形凹槽27gg。此外，尽管未图示，但也可为波状凹槽27gg。此外，在图 7B中，凹槽27gg的宽度形成为以规则的间隔从-Z轴方向往+Z轴方向扩广，但凹槽27gg的宽度并非为恒定，也可以为可变。较佳为在透明光学构件27上尽可能让大多来自LED光源8的光在凹槽27gg反射的形状。

图7C为透明光学构件27的外壳27g的放大图，且形成不同于图7A的沟槽 27gw。虽然多个沟槽27gw以光轴L为基准径向延伸，但并非形成直线而是形成波状的曲线。波状的曲线沟槽27gw将来自LED光源8的光反射到透明光学构件27内。

LED照明灯具的照射角度：

使用图8A-图8C和图9A-图9C来说明LED照明灯具1的照射角度和其有效光束。图8A为照射角度为15度的LED照明灯具1的照射结果，图8B为LED照明灯具1的照射角度与照射强度的曲线图。图8C为用在LED照明灯具1的光学单元2的透明光学构件27的剖面图。该透明光学构件27用于照射角度15度。该用于照射角度15度的透明光学构件27用于图1所示的光学单元2(从2-11～2-88)。

图9A为照射角度为45度的LED照明灯具1的照射结果，图9B为LED照明灯具1的照射角度与照射强度的曲线图。图9C为用在LED照明灯具1的光学单元2 的透明光学构件27的剖面图。该透明光学构件27用于照射角度45度。该用于照射角度45度的透明光学构件27用于图1所示的光学单元2(从2-11～2-88)。

利用改变透明光学构件27的外壳27g的形状和凹部(入射前面27k和入射圆锥面27j)的形状，就可以改变照射角度。另一方面，不需要改变第1例的反射光学构件22的锥形面22t的锥角或第2例的反射光学构件23的锥形面22t的锥角。

如图8A所示，照射角度为15度的LED照明灯具1能够在250m的前方照射 68.0m的有效光束直径。LED照明灯具1的额定光束约为50000流明，中心照度为8.0勒克斯(lux)。如图8B所示的表格，横轴为角度，纵轴为相对强度。光束角度(50％)约为14.3度，视场角度(10％)约为28.0度。由此可知，LED照明灯具1具有极高的有效光束。

其次，说明图8C所示的照射角度为15度的透明光学构件27的外壳27g的形状和凹部(入射前面27k和入射圆锥面27j)的形状。透明光学构件27的外壳高度 (Z轴方向)H8，宽度和深度(X，Y轴方向)D8。且，外壳27g形成为具有大曲率半径(小曲率)的曲面。入射前面27k朝向-Z轴侧凸出的曲面，其宽度 D1形成较窄。入射前面27k具有凸透镜的功能。入射圆锥面27j也在光轴L侧为凸状曲面，其高度H1形成较高。

如图9A所示，照明角度为45度的LED照明灯具1，可以照射前方100m的有效光束直径81.6m。LED照明灯具1的额定光束约为50000流明，中心照度为 9.6勒克斯。如图8B所示，光束角度(50％)约为43.5度，视场角度(10％) 约为62.0度。由此可知，LED照明灯具1具有极高的有效光束。

其次，说明图9C所示的照射角度为45度的透明光学构件27的外壳27g的形状和凹部(入射前面27k和入射圆锥面27j)的形状。与照射角度为45度的透明光学构件27相同，照射角度为45度的透明光学构件27的外壳也是高度H8，宽度和深度为D8。且，外壳27g形成为具有小曲率半径(大曲率)的曲面。入射前面27k朝向-Z轴侧凸出的曲面，其宽度D3形成较宽。入射前面27k具有凸透镜的功能。入射圆锥面27j也在光轴L侧为凸状曲面或者直线，其高度H3形成较低。

当比较入射前面27k的宽度D1和宽度D3时，宽度D3约为宽度D1的两倍。若比较入射圆锥面27j的高度H1和高度HD3，高度H3约为高度H1的1/3。因此，利用调整外壳27g的曲率半径，入射前面27k和入射圆锥面27j的宽度和高度，可让LED照明灯具1的照射角度适当地从10度改变到60度。

此外，透明光学构件27具有相同的高度H8，宽度和深度D8，由于光学单元2具有相同的尺寸，所以具有不同照射角度的透明光学构件27的光学单元2 也可配置在灯具本体12中。例如，于LED照明灯具1的最外周(2-11～2-18,2-2 1,2-28,2-31，2-38，......2-81～2-88)配置具有照射角度为15度的透明光学构件27的光学单元2。于该内侧配置具有照射角度为30度的透明光学构件27的光学单元2。并且，也可以将具有照射角度为45度的透明光学构件27的光学单元 2配置在中心区域。此外，于LED照明灯具1的顶部(+Y轴侧)配置具有照射角度为15度的透明光学构件27的光学单元2，于中间段配置具有照射角度为30 度的透明光学构件27的光学单元2，于最底部(-Y轴侧)也可配置具有照射角度为45度的透明光学构件27的光学单元2。

Claims

1.一种光学单元，其特征在于，包括：

一透明光学构件，由用于LED照明灯具的透明材料所构成；及

一反射光学构件，经镜面抛光，

其中，该透明光学构件具有：

一外壳，相对于配置在基板上的LED光源的光轴形成为半椭圆形，并且包含以该光轴为基准以放射状延伸的多个沟槽；

一凹部，从该外壳凹设，并容置该LED光源；及

一射出面，与该凹部相对，射出来自该LED光源的光，

该反射光学构件具有：

一背面，设置成与该射出面接触并具有圆形开口；及

一锥形面，直径随着远离该圆形开口而扩大。

2.如权利要求1所述的光学单元，其特征在于，该透明光学构件的该沟槽部包括沿直线延伸的凹槽或弯曲的凹槽。

3.一种光学单元，其特征在于，包括一透明光学构件及一反射光学构件，其中：

该透明光学构件具有：

一外壳，相对于配置在基板上的LED光源的光轴形成为半椭圆形；

一凹部，容置该LED光源并从该外壳凹设；及

一射出面，与该凹部相对，射出来自该LED光源的光，

该反射光学构件具有：

一背面，设置成与该射出面接触并具有圆形开口；及

一锥形面，直径随着远离该圆形开口而扩大。

4.如权利要求1或3所述的光学单元，其特征在于，该透明光学构件的该凹部包括：

一入射前面，与该LED光源对向；及

一入射圆锥面，相对于该基板设置为倾斜。

5.如权利要求4所述的光学单元，其特征在于，藉由改变该透明光学构件的该外壳、该入射前面以及该入射圆锥面的形状，从而变更从由该射出面射出的该LED光源照射光的角度。

6.如权利要求1至5任一项所述的光学单元，其特征在于，该透明光学构件由配置成矩阵状的多个外壳组成，且该射出面彼此连接而包含形成于该射出面上的第一结合部；

该反射光学构件由配置成矩阵状的多个圆形开口组成，且通过框体彼此连接，从而包含形成于该框体上且与该第一结合部嵌合的第二结合部。

7.如权利要求1至6任一项所述的光学单元，其特征在于，该反射光学构件具有一与该背面相反侧的正面，并且该圆锥面由该正面突出而形成。

8.一种LED照明灯具，其特征在于，包括：

如权利要求1至7任一项所述的光学单元；及

一LED基板，具有以矩阵状配置的LED光源，以便容置在该凹部中。