CN115597015A - 用于减少眩光同时维持led光源的混色和光束控制的全内反射透镜 - Google Patents

用于减少眩光同时维持led光源的混色和光束控制的全内反射透镜 Download PDF

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Abstract

本公开涉及用于减少眩光同时维持LED光源的混色和光束控制的全内反射透镜。一种多色LED照明装置并且具体地说是一种透镜，包括从LED被配置所在的光入射区域延伸到透镜中的圆柱形开口。表面在透镜的光出射区域上延伸，并且TIR外表面在光入射区域与光出射区域之间延伸。在圆柱形开口的侧壁和上表面以及光出射区域(如果不需要眩光控制的话)上存在漫射表面。月牙部可以被配置在圆柱形开口的侧壁表面上和TIR外表面上。作为另一实例，仅在选择的表面上而不在光出射区域上制得并且可能增加漫射元件。光的第一部分的三次光相互作用和光的第二部分的两次相互作用能够改进混色和光束控制。这些相互作用包括具有或不具有中间反射的两次折射。

Description

用于减少眩光同时维持LED光源的混色和光束控制的全内反 射透镜
本申请是于2018年4月27日提交的、申请号为201880041328.4、发明名称为“具有由复合抛物面聚光器外表面界定的渐缩侧壁入口和凹入球形出口以减少眩光同时维持LED光源的混色和光束控制的全内反射透镜”的中国发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年4月27日提交的美国专利申请No.15/498,671的权益，所述专利申请的全部公开内容以引用的方式并入本文中。
背景技术
1.发明领域
本发明涉及一种发光二极管(LED)照明装置，且更具体地说涉及一种具有外部复合抛物面聚光器(CPC)表面的全内反射(TIR)透镜，其用以在相对较小的抛物面铝反射器(PAR)构造中更有效地混合LED输出，并且根据另一个实施方案，可以减少眩光输出同时维持足够的混色和光束控制。
2.相关技术的描述
在光学器件领域，且具体地说是在非成像光学器件的领域，通常存在两种在源和目标之间传递光辐射的光学装置。第一种光学装置通常被称为照明器；第二种光学装置通常被称为聚光器。在照明器中，目标通常在照明装置外部以使用通常在照明装置内部的多种光源来照射物体。流行的光源可以是固态光源，诸如发光二极管(LED)。相反，聚光器通常用来将聚光器外部的光源聚集到聚光器内部的目标上。聚光器的一种流行形式是用于为光伏电池聚集太阳能的太阳能聚光器。
聚光器的两种流行形式是复合椭球面聚光器(CEC)或复合抛物面聚光器(CPC)。任一形式都将能量从通常无限远的地方聚集到CEC或CPC的反射表面上，然后聚集到CEC或CPC的基底附近的焦点。通常，CPC优于大多数其他类型的聚光器，包括CEC或广义抛物面聚光器，因为CPC可以接受更大量的光，并且无需接受仅垂直于聚光器的入口孔径的光线。
图1至图3示出了CPC与抛物面聚光器之间的大体差异，以及CPC接收相当大的受光角Φ内的光线的操作。参考图1，CPC 10由两个抛物面镜形成。CPC 10的一个臂12是通过在点16处切割抛物线并丢弃虚线所示的抛物线部分而形成。CPC 10的另一臂14是通过在点18处切割抛物线并丢弃虚线所示的抛物线部分而形成。臂12和14形成为与中心轴线20的距离相等，并且围绕中心轴线20旋转以形成对称的CPC反射表面。
转向图2，以横截面示出了一般的抛物面聚光器26，其反射表面22围绕中心轴线24旋转。比较图1至图2，抛物面聚光器26的入口孔径比CPC 10的入口孔径大得多。然而，如图3所示，CPC 10可以接收与垂直于入口孔径的光不同的处于受光角Φ的光28。因此，CPC10与其他形式的聚光器(诸如抛物面聚光器)相比接受更大量的光。
与聚光器相反，照明器向外发出光，而不是向内接收光。照明器的光源通常放置在次级光学元件的基底附近。光源形成初级光学元件，因为它产生光，其实例包括白炽灯或固态灯，诸如发光二极管(LED)。LED是将电能转换成光的固态装置，并且通常包括插入在相反地掺杂的半导体层之间的半导体材料的一个或多个有源区域。光从LED的有源区域和表面发射。
为了产生期望的输出颜色，有时有必要使用所谓的多色LED灯来混合光的颜色。多色LED灯可以包括一个或多个LED，所述一个或多个LED在常规封装中安装在衬底上并被半球形硅圆顶覆盖。LED可以发射蓝色、红色、绿色或其他颜色，并且可以混合这些颜色的组合以产生任何期望的色谱。
由于各种LED源的物理布置，因此在输出处可能存在具有分色和不良的颜色均匀性的阴影。例如，以蓝色和黄色为特征的源在正面观察时可能看起来具有蓝色，而从侧面观察时可能看起来有黄色。因此，与多色光LED相关联的一个挑战是具有良好的空间和角度分离，或者被称为在LED源的近场和远场中向外投射的空间和角度均匀性。
一种用于改进空间和角度均匀性并因此改进混色的方法是在发射光之前使光从若干表面反射或折射。也可以使用反射和折射的组合来实现混色。两者都具有使发射光与其初始发射角度解除关联的作用。均匀性通常会提高，但是每一光相互作用(反射和折射)具有相关联的损耗。
图4示出了与初级光学元件(LED源)结合使用的次级光学元件。图4的次级光学元件仅使用透镜30或反射外壳32来反射光。反射外壳32和透镜30两者都主要用于准直光输出，如由光线40和42的准直输出所示。LED(例如红色、绿色、蓝色和白色)可以沿着基底平面彼此间隔开，以形成图5中进一步示出的阵列34。LED阵列以平面方式沿着基底平面延伸，其中覆盖物36覆盖LED的平面布置。覆盖物36可以安装到基底，所述基底优选地是具有散热器的印刷电路板。LED阵列34居中并且垂直于中心轴线38，所述中心轴线优选地是反射器外壳32的中心轴线并且透镜30关于轴线38是对称的。
如图4所示，透镜30是由塑料或玻璃制成的透明透镜，其折射率大于空气。当光束40进入透镜30时，它与凸出球形表面成直角进入，并以准直方式从外表面反射到透镜外部。因此，透镜30通常被称为全内反射(TIR)透镜，其中有角度的外表面由反射材料以围绕中心轴线38旋转的抛物线形状制成。反射部分在数学上被描述为抛物线f(y)＝ay2+by+c，其中y是透镜的从入口到出口的高度。
没有进入透镜30的凹入入口的光线可以从外壳32反射，诸如光线42。在任一情况下，图4示出了使用两个反射表面进行的全内反射的一个实例，一个在透镜30的外表面上并且另一个在外壳32的外表面上。在任一情况下，仅发生单一光相互作用，它是反射而不是折射。因此，无论LED 41出现在例如其中不同颜色的LED在空间上跨越矩阵定位的矩阵内的何处，次级光学元件的输出都使用单一光相互作用进行准直。
现在转向图6，示出了透镜44。透镜44不需要反射外壳，或反射外壳与TIR透镜之间的气隙。透镜44紧邻LED阵列34放置，以便捕获从LED发射的所有光，而无需反射外壳。透镜44包括球形凹入入射表面46和球形凸出出射表面48。另外，出射部分50可以既不凸出也不凹入。术语凸出用于描述球形部分，其中凸出是相对于透镜内部区域并且向内朝向透镜的中心延伸，而凹入从透镜内部部分向外延伸。向内和向外延伸都关于中心轴线对称地发生。
如图6所示，从LED阵列34延伸的任何光线被反射52或折射54。光线52从透镜44的TIR外表面反射，而光线54从凸出表面48折射。根据折射定律，np sineΦp＝na sineΦa。例如，使用该方程式并且知道空气的折射率na小于塑料的折射率np，则Φp<Φa。该角度关系用图6所示的角度Φp和Φa来描述，以指示当光线54从例如塑料透镜延伸到空气中时的折射和相对于垂直线的角度的变化。在光线52被反射或光线54被折射的任一情况下，透镜44只需要一次光相互作用。而且，只需要一次光相互作用来形成准直的输出；因此，形成准直透镜。应注意，凹入表面46被布置成使得无论从LED阵列34发射什么光线，那些光线都以基本上直角进入凹入表面46；因此，在光入射区域上不发生折射。
图7示出了具有关于中心轴线对称的TIR表面的透镜60。然而，替代于凹入的光入射区域，透镜60的光入射区域62是凸出的。而且，存在与中心轴线的距离相等的笔直的侧壁表面64，所述侧壁表面从上面附接了LED阵列34的平面基底延伸到凸出表面62。因此，光线66在凸出表面62上折射，而光线68在侧壁表面64上折射，然后在TIR表面上反射。在任一情况下，至多发生一次折射。
除了凸出的光入射表面62之外，光出射表面70也可以是凸出的，如虚线所示。不幸的是，使用凸出的入射表面和出射表面致使光线72经历两次折射，一次在入口上并且另一次在出口上。出口处的第二次折射可以保持准直，然而角度均匀性变成问题，因为输出投射在彼此间隔开的强度峰值处，而不是在垂直于中心轴线的平面上均匀地混合。而且，都是折射的两次光相互作用对输出色谱以及输出亮度本身都具有显著影响。避免折射通常是重要的，因为折射可能根据光的波长改变发射光的传播路径。例如，在源处为蓝色的折射光束与绿色光束相比在穿过透镜时采用不同的传播路径。因此，在利用例如红色、绿色、蓝色和白色LED源的设置中，通常期望避免折射，因为折射通常是波长相关的。避免大量的光相互作用，包括折射和反射，也是有利的。发生的光相互作用越多，可能会有害地影响输出流明亮度。
在上文中描述的透镜结构中的每一者中，在所投射输出处实现准直。然而，纯准直含有某些缺点。例如，图7所示的使用两次光相互作用进行的准直输出具有固有的混色缺点。输出虽然具有强度峰值，但其角度均匀性也相对较差。模块34内的每个LED产生以大约180度的径向角度向外延伸的输出。例如，红色LED可以与绿色LED间隔开，并且每个LED的输出将它们的角度输出彼此间隔开一定距离投射到双光相互作用透镜上，然后所述透镜通过折射和/或反射准直和投射不均匀的角度输出。不幸的是，输出的不良的角度均匀性将对混色产生负面影响。如果期望改进的混色，则纯准直不应成为选择透镜的主要原因。此外，混色通常可能减小输出强度，且因此，如果低功率LED应用都是可能的，则具有两个以上的光相互作用是有问题的。
将期望实现一种改进的透镜设计，所述透镜设计具有改进的混色，同时选择性地使用来自透镜设计的某些部分的修改的准直输出。这类透镜可能需要两个以上的光相互作用，以不仅实现更好的角度均匀性，并且因此实现混色，而且在可以适当地增大LED输出的情况下也可以实现。通过使用具有至少三次光相互作用的增大的LED输出，进一步期望准直透镜输出的外部径向区域，同时避免在透镜输出的内部径向区域上的准直。选择性地将准直调整到外部区域通过适当放置的漫射月牙部提供更多的控制，所述漫射月牙部漫射从外部区域准直的光线，以不仅改进常规透镜设计中无法实现的角度均匀性，而且在透镜的整个输出表面上维持与在内部径向区域中所实现的一致的改进的混色。
整个输出表面上的改进的混色不是通过如图4、图6和图7所示的准直透镜或其衍生物实现的，因为这类透镜不会选择性地控制外部径向区域处的透镜输出，也不会去除在内部径向区域处的引起不良的角度均匀性并且因此引起LED输出的不良混色的凹入或凸出的入射表面或出射表面。
发明内容
上文概述的问题在很大程度上由一种改进的透镜解决，所述透镜在内部径向区域处具有笔直的入口以改进在中心轴线附近并且不利于来自该内部径向区域的准直的LED输出的混色。改进的透镜在外部径向区域处也具有笔直的侧壁入口，以改进距中心轴线较远的LED输出的混色，即使这类LED输出是准直的。然而，笔直的侧壁入口配置有表面，所述表面在来自LED的光入射在CPC反射输出表面上时漫射或散射所述光，然后到达由CPC反射外表面界定的凹入球形出口。通过配置离开内部径向区域的非准直光和离开外部径向区域的准直的但经过漫射处理的光，外部径向地发射的光包围内部径向地发射的光，从而使投射的光出现在近场和远场中以在LED输出的较宽的角度范围内实现更好的混色。因此，用作次级光学元件的透镜实现了一种用于从一个或多个LED传递混色光的改进的方法。
根据第一实施方案，提供了一种用于接收来自LED的光的透镜。所述透镜包括从光入射区域延伸到透镜中的圆柱形开口。圆柱形开口被配置为接收来自LED的全部光。凹入球形表面在整个光出射区域上。凹入球形表面朝向中心轴线向内延伸并且关于该中心轴线是对称的。凹入球形表面的弓形路径延伸到光出射区域附近的整个外表面。外表面是成形为CPC的TIR外表面，所述TIR外表面在光入射区域和光出射区域之间延伸。
圆柱形开口包括面向中心轴线并且与中心轴线的距离相等的侧壁表面。侧壁表面接收外部径向区域处的光，在所述外部径向区域中，光以相对于中心轴线大于例如20度离开LED，并且不撞击垂直于侧壁表面并形成圆柱形开口的上部区域的笔直的上部的基本上圆形的平面。撞击上部的基本上圆形的平面的任何光被称为内部径向区域处的光。
侧壁表面优选地包括多个月牙部，所述月牙部中的每一者是基本上平面的，具有某一长度和宽度，长度大于宽度并且平行于中心轴线延伸。月牙部与中心轴线等距离地间隔开，并终止于圆柱形开口的上部区域上。取决于月牙部的数量，随着月牙部的数量增加，上平面变得更圆。月牙部的数量优选地在8个与20个之间。如果使用多于20个月牙部，则对于给定透镜尺寸，径向地延伸的LED光输出可能发生更多准直，这不利于透镜的内部径向区域中的期望的混色。少于8个月牙部将形成更为正方形的上平面，从而导致光束强度损失比仅增加LED输出所能实现的更大。
所述透镜包括单体构造，并且在整个镜片中相连处具有相同的材料，而在整个透镜内的一个主体与另一主体之间没有接缝、结合点或接合点，使得透镜是无缝的并且优选地由例如成型设备制成。单体材料优选地具有大于空气的折射率，并且被配置在由圆柱形开口的侧壁形成的表面、在整个光出射区域上延伸的凹入球形表面和成形为CPC的TIR外表面之间。
根据另一个实施方案，提供了一种照明装置。所述照明装置包括单体透镜，所述单体透镜在入射表面与球形凹入出射表面之间具有围绕中心轴线成形为CPC的反射外表面。多个LED被配置为靠近入射表面并且沿着垂直于中心轴线的基底平面彼此间隔开。多个月牙部从基底平面垂直地延伸，所述月牙部中的每一者具有细长的平面表面，其中细长的平面表面沿着中心轴线以相等距离配置到平行于基底平面的上平面。上平面从中心轴线径向地向外延伸到远端半径。多个月牙部中的每一者在远端半径上以90°角度终止，从而形成由多个月牙部界定的圆柱形表面，并且上平面向内面向基底平面和LED。
单体透镜的填充材料可以是例如塑料或玻璃。这种填充材料可以是射出成型的丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或任何其他形式的透明材料。成形为CPC的外部TIR表面的反射表面包括反射来自内部填充材料的光线的任何表面，诸如方板多面反射表面。
根据所有实施方案，本文中的透镜有意避免使用任何外壳反射器，而是以PAR形式因子实现，PAR形式因子在整个标准的0°、25°并且向上至40°光束角度提供均匀的颜色。透镜优选地具有从入射部分到出射部分的不超过1.4英寸的管，其中延伸到TIR反射器表面的球形凹入出射表面不超过2.5英寸。透镜在基底平面处的底部直径不超过1英寸。因此，本发明的透镜是紧凑的；因此，说明了使用CPC尺寸而不是标准抛物面尺寸的一个好处。利用通过CPC构造实现的紧凑设计的相对小的形式因子不仅实现出色的混色与改进的(即使不是出色的)亮度控制，而且在入射表面和出射表面两者上都使用独特的透镜构造，并且还能够调节供应到LED负载的驱动电流，以适应波长相关的折射的任何变化。
提供了一种用以实现从LED传递光的这些有益结果的方法。所述方法包括将光的第一部分相对于围绕其形成透镜的中心轴线以多个第一角度传播通过空气。因此，从光源传播的光的第一部分以及光的第二部分通常是朗伯体(Lanbertian)，这意味着LED矩阵或间隔开的LED阵列在所有方向上都发射光。然而，TIR次级光学元件提取并准直光出射表面处的光。所述方法还包括首先使第一部分在光入射表面的侧壁表面处折射。然后，光的折射的第一部分从透镜的外表面反射回到透镜中，在该处发生第二折射。第二折射使反射的第一部分从球形凹入表面折射到空气中。
根据另一个实施方案，所述方法包括将光的第二部分相对于中心轴线以小于多个第一角度的多个第二角度传播通过空气。发生第三折射，由此第二部分在垂直于中心轴线的平面表面处再次折射到透镜中。发生第四折射，由此经过第三折射的第二部分再次从球形凹入表面折射到空气中。
根据替代实施方案，提供了一种照明装置内的透镜，所述透镜可以实现减少的眩光输出，同时通过次级光学元件或透镜维持足够的混色和光束控制。替代透镜构造是实现渐缩圆柱形开口而不是具有笔直侧壁的圆柱形开口的透镜。透镜内部径向区域的渐缩侧壁靠近光入射区域，并且可以在第一多个月牙部上包括经漫射处理的表面，以维持足够的光束控制。经漫射处理的第一多个月牙部还提供适当的混色。
重要的是，光出射区域的凹入球形表面在该表面上没有任何漫射处理。通过避免任何漫射处理或任何制得的漫射表面，当从光滑的射出成型装置表面取下透镜时，光出射区域的凹入球形表面保持为清晰且相对光滑的。出射表面未经漫射处理，也未通过经由蚀刻进行的纹理化、喷砂或通过在表面上配置微透镜阵列而制得漫射，因此，出射表面有利地减少从照明装置输出和通过透镜的任何眩光。在光出射区域的整个凹入球形表面上消除任何漫射处理、制得的漫射或纹理化，各种形式的直接和间接眩光得以最小化。
不是将漫射处理置于凹入球形表面的光出射区域上，而是将漫射处理或制得的漫射置于完全在光入射区域上的透镜表面上，且具体地说是在渐缩圆柱形开口的渐缩侧壁表面和上平面表面上。通过将漫射置于光入射区域而不是光出射区域处，最小化眩光但仍维持混色和光束控制。
根据替代实施方案，透镜包括渐缩圆柱形开口，所述渐缩圆柱形开口具有从被配置为接收来自一个或多个LED的全部光的光入射区域延伸到透镜中的渐缩侧壁表面。透镜还包括在透镜的整个光出射区域上延伸的凹入球形表面。与具有经漫射处理或制得漫射的渐缩侧壁表面和上平面表面的光入射区域不同，整个凹入球形表面未经过漫射处理、制得漫射或以任何方式纹理化。所述透镜还包括成形为CPC的TIR外表面，所述TIR外表面在光入射区域与光出射区域之间延伸。
渐缩圆柱形开口从光入射区域部分地延伸到透镜中，并且沿着透镜的中心轴线居中。为了呈现其渐缩形状，渐缩侧壁表面从光入射区域朝向光出射区域以相对于中心轴线的递减的径向距离围绕中心轴线配置。为了形成锥度，递减的径向距离相对于中心轴线为大约4°至10°。
根据替代实施方案的又一实施方案，渐缩侧壁表面包括从开口朝向中心轴线径向地向内延伸到上平面的多个平面月牙部，其中在多个月牙部中的每一者上具有制得或经漫射处理的表面。沿着渐缩侧壁表面的多个平面月牙部被称为第一多个月牙部。第二多个月牙部存在于TIR外表面上，并且用于将进入透镜的任何光内反射回到光出射区域，具体地说是透镜的凹入球形表面。第二多个月牙部有助于在准直离开光出射区域的光的同时进行混色。第二多个月牙部从渐缩圆柱形开口延伸到光出射区域处的凹入球形表面，由此第二多个月牙部以1.5:1至2.5:1之间的比率在数量上超过第一多个月牙部。
除了替代实施方案之外，还提供了照明装置。所述照明装置包括单体透镜，所述单体透镜在制得漫射的光入射表面与未制得漫射的球形凹入光出射表面之间具有围绕中心轴线成形为CPC的反射外表面。替代实施方案的照明装置还包括至少一个LED或多个LED，所述LED靠近光入射表面并且沿着垂直于中心轴线的基底平面彼此间隔开。根据替代实施方案的照明装置还包括在光入射表面上的第一多个月牙部，第一多个月牙部中的每一者具有细长的平面表面，所述细长的平面表面以相对于中心轴线的递减的距离从基底平面延伸到平行于基底平面的上平面。第二多个月牙部配置在成形为CPC的TIR透镜的反射外表面上，每个月牙部具有第二细长平面表面，所述第二细长平面表面以相对于中心轴线的递增的距离从基底平面延伸到光出射区域的球形凹入表面。
附图说明
在阅读以下详细描述并参考附图后，本发明的其他目的和优点将变得清楚。
图1是复合抛物面形状相对于抛物面形状的平面图；
图2是所具有的相对于中心轴线的半径比复合抛物面形状的半径宽的抛物面形状的平面图；
图3是通常用于接受太阳光线并将其聚集到焦点上的复合抛物面聚光器的平面图；
图4是安装在反射外壳内以实现全内反射的透镜的侧视横截面视图；
图5是沿着图4的平面5的视图，其示出了LED阵列；
图6是没有反射外壳而仅使用一次光相互作用实现全内反射的TIR透镜的侧视横截面视图；
图7是没有反射外壳而使用不超过两次光相互作用实现全内反射的TIR透镜的侧视横截面视图；
图8A是根据本发明的一个实施方案的透镜的侧视横截面视图，所述透镜具有成形为CPC的TIR外表面并且具有多达三次光相互作用以实现改进的输出准直和混色；
图8B是漫射表面的放大横截面视图；
图9A是沿着图8A的平面9-9的视图，其示出了圆柱形开口，圆柱形开口具有沿着圆柱形开口的侧壁表面布置的多个月牙部。
图9B是成形有CPC的TIR透镜的两个月牙部的放大横截面视图；
图10A是根据替代实施方案的图8A的透镜的侧视横截面视图，其中凹入的光出射区域不包括漫射表面，并且光入射区域包括漫射表面和渐缩侧壁表面以使眩光最小化；
图10B是配置在根据图10A的实施方案的透镜的光入射区域上的漫射表面的放大横截面视图；以及
图11是沿着图10A的平面11的横截面视图，其示出了透镜的反射TIR外表面具有多个月牙部，每个月牙部具有围绕外表面的圆周延伸的宽度和从光入射区域延伸到光出射区域的长度。
具体实施方式
图8A示出了填充有材料82(例如射出成型的透光材料)的透镜80。材料82被界定在光入射区域84、光出射区域86与TIR外表面88之间，所述TIR外表面88被成形为CPC。TIR外表面88的出射区域小于虚线90所示的抛物面TIR。此外，替代于具有虚线96所示的平坦表面的大多数常规的抛物面透镜，出射区域86包括凹入球形表面94。因此，图8A示出了常规抛物面透镜91与本透镜80之间的比较。本透镜80不仅被成形为CPC，而且在其构造上也更紧凑：出射区域86的直径小于2.5英寸，入射区域84的直径小于1英寸，并且从入射区域到出射区域的高度不超过1.4英寸。入射区域被定义为上面驻留了LED 100的平面基底。本发明的紧凑型PAR尺寸的整体最大高度是从平面基底到TIR反射表面88的外部范围的1.4英寸，在外部范围处TIR反射表面与凹入球形表面94接合。
重要的是，成形为CPC的透镜80的紧凑型PAR构造优于常规的抛物面透镜。常规透镜91可以接收穿过光入射区域84附近的侧壁表面102的光，这种侧壁表面构成圆柱形开口的侧壁表面，所述圆柱形开口还具有上平面表面104。虚线表示在抛物面透镜的塑料-空气界面处在角度ΦPA1和ΦPM2下的折射。接下来，在透镜91的TIR外表面处发生以角度ΦR3和ΦR4所示的反射，由此反射光然后在透镜91的出射表面处通过ΦPM2到ΦPA2的相互作用折射。所得的出射光线或光束可能不是准直的。因此，期望形成准直透镜，其可以通过严格地遵守透镜80的构造而实现，所述准直透镜具有形成侧壁表面102和上平面表面104的圆柱形开口以及凹入球形表面94，其中表面94必须在整个光出射区域上从中心轴线延伸到外表面88，透镜80关于所述中心轴线是对称的。
图8A示出了撞击侧壁表面102的任何光束必须经历三次光相互作用。例如，光束106在侧壁表面102处经历折射ΦA1/ΦM1，到反射ΦR1/ΦR2，到表面94上的另一折射ΦM2/ΦA2。光束108也经历三次相互作用。第一次相互作用是折射，随后是反射，以另一折射结束。因此，进入光束入射部分附近的侧壁表面的每一光束都经历折射、反射和折射的序列，最终作为准直光束离开光出射区域，这在常规透镜91中是无法实现的。为了附图的简洁和清楚起见，在示出可能超过几百个甚至数千个的各种光线路径时，透镜80仅示出了两个进入侧壁表面的光线路径。此外，为了不使光线路径线模糊不清，没有用交叉影线示出材料82；然而，应当理解，在光入射区域附近的圆柱形开口到光出射区域的凹入球形表面之间的区域中，透镜80填充有相连且不间断的(诸如射出成型的)单体材料82。
除了使来自LED 100的入射在侧壁表面102上的光的第一部分传播通过由圆柱形开口造成的空气之外，还可以使入射在平面上表面104上的光的第二部分通过圆柱形开口的空气发出。光的第一部分首先在表面102处折射，然后在表面88处反射，然后在表面94处再次折射。如果光的第二部分110以非垂直角度入射在平面上表面上，则光的第二部分进行第三折射ΦA3/ΦM3，其中光的第二部分稍后在表面94上进行第四折射ΦM4/ΦA4。
来自LED输出的外部径向区域的光的第一部分在作为光束106离开时示出为准直的。然而，第一部分穿过侧壁表面102上的漫射表面以进行散射，或混合光输出以实现输出的角度和线性均匀性。此类漫射、准直的输出特意置于外部径向区域，以包围LED输出的非准直的内部径向区域，从而在近场和远场实现混色。改进的混色是由于光入射区域的圆柱形开口到光出射区域的凹入球形表面的独特构造，由CPC形状的反射外表面界定，以实现PAR灯的整体紧凑尺寸。
图8B中所示的漫射器表面112在透镜80的侧壁表面102、平面上表面104和出射表面94上。漫射器表面112散射来自各种LED源的光，从而得到更宽的光束角。通常，优选地，漫射器表面112被配置为具有不同纹理的表面和/或图案114的某种组合，使得进入该表面的光116将被散射或漫射，如光118所示。例如，执行散射的小透镜可以是矩形或正方形的圆顶(dome)，并且可以足够小使得小透镜的曲率由形成小透镜的弧的半径限定。
图9A示出了当沿着图8A的平面9-9从透镜80的基底观察时的多个月牙部120。看向圆柱形开口中，一系列基本上平坦或平面的月牙部120与中心轴线122间隔开相等距离沿着侧壁表面102延伸。示出了八个月牙部，并且优选地，本文中改进的透镜设计使用八个到不超过20个月牙部以增强LED输出所进入的内部圆柱形开口中的混色。每个月牙部具有细长表面，所述细长表面沿侧壁表面的整个长度从上面驻留了LED 100的平面基底延伸到上平面表面104。月牙部120的细长表面沿着中心轴线122间隔开相等距离从基底平面垂直地延伸到平行于基底平面的上平面104。月牙部只是透镜80中的平面切口，其在将填充材料施加到模具时作为射出成型工艺的一部分而形成，其中透镜的圆柱形开口内的模具外部区域具有多个沿周向配置的平面表面。
图9B是示出两个月牙部120a/120b的区域的放大图，并且提供了关于为什么将这类表面定义为月牙部的一般描述。月牙部表面形成为以交叉影线示出、由两个圆弧界定的凹凸区域。月牙部表面120a/120b由此形成。
现在转向图10A、10B和11，示出了透镜的替代实施方案。与图8A和8B中所示的透镜相反，图10A和10B中的透镜是从光出射区域86(具体地说是从在整个光出射区域86上延伸的凹入球形表面94)发射较低眩光的透镜。由于图10A中所示的透镜80是具有TIR外表面并且成形为CPC的透镜，因此在图10A与图8A之间存在描述TIR透镜80的许多相似的数字标识符，但是图10A中的透镜80的表面中的一些与图8A中的透镜80的表面不同。
例如，在图10A所示的替代实施方案中的光出射区域86的凹入球形表面94上没有任何漫射处理或没有制得任何漫射。因此，图10B示出了带纹理图案114的漫射表面，使得进入该表面的光116将被散射或漫射，如光118所示。重要地，漫射器表面112仅存在于光入射区域上，并且具体地说存在于渐缩侧壁表面102和上平面表面104上。尽管对于圆柱形开口的侧壁表面102和上平面表面104示出了相似的数字，但是图10A的替代实施方案仍然指示与图8A中的侧壁表面102和上平面表面104的差异。具体地说，图10A中的侧壁表面102是渐缩的并且不垂直于LED 100在其上延伸的基底平面，而图8A中的侧壁表面102是垂直于LED100在其上延伸的基底平面的笔直的侧壁表面。相比于笔直的侧壁表面102，可以将更多的漫射或纹理施加到渐缩侧壁表面102。
图10A和10B在光出射区域86(具体地说是光出射区域86的凹入球形表面94)上未示出任何漫射器表面。所有漫射置于光入射区域的渐缩侧壁表面102和上平面表面104上。通过将漫射器表面仅放置在光入射区域上，并且使渐缩圆柱形开口的侧壁渐缩，可以将混色维持为有点接近图8A所示的实施方案的混色。然而，通过从光出射区域去除任何漫射器表面，可以实现较低的眩光。
通常认识到存在至少两种眩光：直接的或间接的。直接眩光是当人们直视照明装置源或次级光学透镜后面的LED时出现的眩光。间接眩光是由从视场中的表面反射的照明输出所产生的眩光。那些表面可以在透镜本身内部或在透镜外部，诸如在远离照明装置的物体(例如，桌子、计算机屏幕等)上。
无论眩光的类型如何，眩光通常都可能导致严重的问题，诸如图像模糊、眼睛疲劳或甚至头痛。处理眩光和与其相关联的视觉不适的典型方式是防眩光结构。流行的防眩光结构包括漫射膜和反射屏幕。通常将防眩光结构放置在照明装置上，以试图匹配并偏移可能由于照明输出而引起的任何反射。进行这类匹配充其量只不过是困难的，并且如果成功地进行，则会导致匹配和偏移屏幕的设计和制造为复杂的，匹配和偏移屏幕几乎肯定会导致从照明装置输出的光效率较差。
通过确保在光出射区域上不发生这种防眩光屏蔽、过滤或偏移，眩光问题以及通过防眩光反射过滤、屏蔽等来偏移该眩光的任何失败尝试得以完全消除。因此，通过从凹入球形表面94去除任何漫射表面并替代地使侧壁表面102渐缩以在更靠近光源或LED 100处实现漫射来解决这些问题。这允许透镜内的自然折射和反射导致在透镜内发生任何必要的偏移或匹配，并且不会通过尝试光出射区域86上的漫射表面而增加任何额外的眩光。
最小化安装在天花板上的灯具(并且具体地说是使用LED的PAR筒灯)中的眩光，不仅消除了眩光区，而且根据图10A至图11所示的防眩光替代实施方案，在出射区域86的凹入球形表面94上不需要偏移、反向补偿、眩光调整、匹配或任何其他昂贵且难以制造的出射漫射器表面。所有眩光控制和眩光区消除都发生在光入射区域，并且具体地说通过使用渐缩圆柱形开口以及在CPC形状本身内部发生的各种折射和反射而发生。
如图10A所示，将LED 100移动得更靠近如虚线所示的上平面表面104，并且渐缩圆柱形开口的开口130可以制成更大的直径，可能大于一英寸，使得凹入球形表面94相对于中心轴线132的直径在开口130同样相对于中心轴线132的直径的2倍至2.5倍之间。因此，如果开口130的直径大于一英寸，并且凹入球形表面94直径的直径为2.5英寸，则该比率将小于2.5。可以将侧壁表面102的锥度值描述为相对于中心轴线132的角度φ。因此，渐缩侧壁表面相对于中心轴线132的角度φ可以在4°到10°之间变化。锥度值主要由特定的光束角度要求决定。而且，在光入射区域的渐缩侧壁表面102和上平面表面104上制得的漫射的量取决于所需的混色量和光束均匀性。
像图8A至图9B中所示的实施方案一样，图10A至图11中所示的低眩光实施方案还包括在侧壁表面102上的第一多个月牙部。两个不同实施方案之间的唯一区别在于图10A中的侧壁表面102上的月牙部是渐缩平面表面，而图8A中的实施方案的第一多个月牙部不是渐缩的并且垂直于基底平面延伸。具体地说，渐缩的第一多个平面月牙部作为渐缩侧壁表面的一部分从开口130朝向中心轴线径向地向内延伸到上平面104。所有第一多个月牙部具有相等的长度，并且所有第一多个平面月牙部是从开口延伸到上平面的月牙部。第一多个渐缩月牙部中的每一者在其上具有制得的漫射表面。
尽管在图8A的实施方案中以数字88示出的TIR反射表面不具有第二多个平面月牙部，但图10A至图11中的实施方案对于低眩光构造具有第二多个平面月牙部。如第二实施方案中的外反射表面88的横截面11-11所示，第二多个平面月牙部140布置在反射外表面88上。第二多个月牙部140中的每一者具有第二细长平面表面，所述第二细长平面表面以相对于中心轴线132递增的距离从上面存在LED100的基底平面的开口130延伸到球形凹入出射表面94。第二多个月牙部中的每一者的形状为复合抛物面以符合CPC外表面，但具有在从光入射区域延伸到光出射区域时弯曲的平面形状。优选地，第二多个月牙部的数量与第一多个月牙部的数量之间的比率在1.5:1与2.5:1之间。因此，如果第一多个月牙部在8个与20个之间，则第二多个月牙部在12个至50个之间。如图11所示，第二多个月牙部140优选地存在于外反射表面88的内表面上。因此，第二多个月牙部140是反射平面表面，所述反射平面表面将在月牙部上接收的所有光反射回透镜80中并通过光出射表面86离开。第二多个月牙部因此实现了TIR功能，但是在CPC构造内。
受益于本公开的本领域技术人员应了解，相信本发明提供了实现改进的混色的改进的透镜构造。通过处理LED模块输出的准直的外部径向区域，同时在LED输出的内部径向区域上维持非准直，实现改进的混色。需要三次以上的光相互作用来实现改进的混色以及改进的空间和角度均匀性。在光出射区域的凹入球形表面上不制得任何漫射的情况下，使用光入射区域的渐缩的漫射制得的侧壁表面还实现改进的眩光控制。鉴于本说明书，对本发明的各方面的另外的修改和替代实施方案对于本领域技术人员来说将是清楚的。旨在将随附权利要求解释为涵盖所有此类修改和变化。因此，本说明书和附图应以说明性意义而不是限制性意义看待。

Claims (33)

1.一种用于接收来自多个发光二极管的光的透镜，所述透镜包括：
具有全内反射TIR外表面的透镜主体，所述TIR外表面被成形为围绕中心轴线旋转的复合抛物面聚光器CPC；
围绕中心轴线旋转的凹入透镜入射表面；以及
围绕中心轴线旋转的透镜出射表面；并且
其中CPC透镜主体的几何形状使得入射到凹入透镜入射表面的光的一部分作为准直光在透镜出射表面的外围区域附近出射，并且光的其余部分作为非准直光从透镜出射表面的中心区域出射；
其中透镜出射表面的外围区域包围透镜出射表面的中心区域。
2.如权利要求1所述的透镜，其中透镜入射表面包括漫射表面。
3.如权利要求2所述的透镜，其中漫射表面包括多个微透镜。
4.如权利要求1所述的透镜，其中透镜入射表面包括多个月牙部，每个月牙部具有平行于中心轴线的长度和垂直于中心轴线的宽度，其中所述多个月牙部中的每个月牙部的长度超过相应月牙部的宽度。
5.如权利要求1所述的透镜，其中透镜出射表面包括凹入球形表面。
6.如权利要求1所述的透镜，其中凹入入射表面包括具有侧壁表面和顶表面的圆柱形入射表面。
7.如权利要求6所述的透镜，其中圆柱形表面的顶表面包括平面表面。
8.如权利要求6所述的透镜，其中圆柱形入射表面的顶表面包括凹入表面。
9.如权利要求6所述的透镜，其中圆柱形入射表面包括多个月牙部，每个月牙部具有平行于中心轴线的长度和垂直于中心轴线的宽度，其中所述多个月牙部中的每个月牙部的长度超过相应月牙部的宽度。
10.如权利要求1所述的透镜，其中凹入入射表面包括截头圆锥形入射表面，截头圆锥形入射表面具有朝向截头圆锥形入射表面的顶表面渐缩的侧壁。
11.如权利要求10所述的透镜，其中截头圆锥形入射表面包括多个微透镜。
12.一种照明灯具，所述照明灯具包括：
透镜，包括：
具有全内反射TIR外表面的透镜主体，所述TIR外表面被成形为围绕中心轴线旋转的复合抛物面聚光器CPC；
围绕中心轴线旋转的凹入透镜入射表面；以及
围绕中心轴线旋转的透镜出射表面；并且
其中CPC透镜主体的几何形状使得入射到凹入透镜入射表面的光的一部分作为准直光在透镜出射表面的外围区域附近出射，并且光的其余部分作为非准直光从透镜出射表面的中心区域出射；
其中透镜出射表面的外围区域包围透镜出射表面的中心区域，
多色发光二极管LED阵列，部署为靠近凹入透镜入射表面的开放端，所述多色LED阵列居中并且垂直于CPC透镜的中心轴线。
13.如权利要求12所述的照明灯具，其中所述多色LED阵列包括：
一个或多个红色发光二极管；
一个或多个绿色发光二极管；
一个或多个蓝色发光二极管；以及
一个或多个白色发光二极管。
14.如权利要求13所述的照明灯具，其中所述多色LED阵列包括：
半球形透镜，居中于中心轴线并且封装所述多色LED阵列。
15.如权利要求12所述的照明灯具，其中透镜入射表面包括漫射表面。
16.如权利要求15所述的照明灯具，其中漫射表面包括多个微透镜。
17.如权利要求12所述的照明灯具，其中透镜入射表面包括多个月牙部，每个月牙部具有平行于中心轴线的长度和垂直于中心轴线的宽度，其中所述多个月牙部中的每个月牙部的长度超过相应月牙部的宽度。
18.如权利要求12所述的照明灯具，其中透镜出射表面包括凹入球形表面。
19.如权利要求12所述的照明灯具，其中凹入入射表面包括具有侧壁表面和顶表面的圆柱形入射表面。
20.如权利要求19所述的照明灯具，其中圆柱形表面的顶表面包括平面表面。
21.如权利要求19所述的照明灯具，其中圆柱形入射表面的顶表面包括凹入表面。
22.如权利要求19所述的照明灯具，其中圆柱形入射表面包括多个月牙部，每个月牙部具有平行于中心轴线的长度和垂直于中心轴线的宽度，其中所述多个月牙部中的每个月牙部的长度超过相应月牙部的宽度。
23.如权利要求12所述的照明灯具，其中凹入入射表面包括截头圆锥形入射表面，截头圆锥形入射表面具有朝向截头圆锥形入射表面的顶表面渐缩的侧壁。
24.如权利要求23所述的照明灯具，其中截头圆锥形入射表面包括多个微透镜。
25.一种照明装置，包括：
单体透镜，所述单体透镜在光入射表面与球形凹入光出射表面之间具有限定围绕中心轴线的复合抛物面聚光器的反射外表面，光入射表面限定基本为圆柱形的侧壁表面和上部平面表面，侧壁的下部限定光入射区域，光入射区域限定垂直于中心轴线的基平面；以及
多个发光二极管，所述多个发光二极管靠近基平面并且被配置为向光入射表面辐射光；
其中：
所述侧壁表面包括第一漫射表面；并且
所述上部平面表面包括第二漫射表面。
26.如权利要求25所述的照明装置，其中第一和第二漫射表面包括以不同方式纹理化的表面的组合。
27.如权利要求25所述的照明装置，其中第一和第二漫射表面包括不同图案的组合。
28.如权利要求25所述的照明装置，其中第一和第二漫射表面包括微透镜。
29.如权利要求28所述的照明装置，其中微透镜包括矩形形状的圆顶。
30.如权利要求28所述的照明装置，其中微透镜包括正方形形状的圆顶。
31.如权利要求25所述的照明装置，其中球形凹入出射表面围绕所述中心轴线在整个距离上延伸到所述反射外表面。
32.如权利要求25所述的照明装置，其中透镜是透光透镜，并且反射外表面被配置为反射来自发光二极管的被引导至反射外表面的基本上所有光。
33.如权利要求25所述的照明装置，其中球形凹入出射表面被配置为接收来自发光二极管的被引导至反射外表面并从反射外表面反射的所有光。
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