CN201561366U

CN201561366U - Led光源及其透镜

Info

Publication number: CN201561366U
Application number: CN2009202058764U
Authority: CN
Inventors: 许小云; 杨军; 黄九太
Original assignee: SHENZHEN OPHIR LIGHTING CO Ltd
Current assignee: SHENZHEN OPHIR LIGHTING CO Ltd
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2019-10-19

Abstract

本实用新型公开了一种LED光源及其透镜。所述LED光源包括：LED和设于所述LED出光面的透镜，所述透镜包括：入光面和出光面，所述入光面为凹曲面，所述出光面为凸曲面，所述入光面和出光面都是只能用参数矢量来表示的、满足边界光线原理、光通量守恒以及展度守恒的光学曲面，所述入光面和出光面是光滑的光学曲面并以连续的方式进行配光，使从所述LED光源发出的相邻的两根光线在目标上的点也是相邻的，LED光源的边界对应于目标的边界。

Description

LED光源及其透镜

技术领域

本实用新型涉及半导体照明技术领域和光学透镜技术领域，尤其涉及一种LED光源及其透镜。

背景技术

LED是一种外形较小的半导体器件，当电流通过它时能够发出光线。发光颜色主要取决于LED芯片发光成分的化学组成，根据需要可以调配成白光或者其它各种有色光。近来，使用LED光源作为显示、装饰、美化、亮化和照明光源已经开始。但是，LED发光角度偏小，因此在需要发光角度的应用领域中常配合透镜来达到所需的发光角度。

相关的透镜技术可以参阅2009年5月27日公开中国发明专利申请第200710170553.1号所揭露的一种自由曲面透镜，所述透镜的出光面为自由曲面，入光面为平面、弧面或抛物面。采用自由曲面的设计以提高出光均匀度，应用于广告、广场等领域。

于2009年6月10日公开的中国发明专利申请第200810220703.X号揭露的一种应用导向型发光二极管器件的封装结构和方法，描述了其透镜出光面与入光面中至少有一表面为自由曲面，专门应用于照明领域，以得到符合要求的光斑。但该专利并没有描述所述光面与入光面的自由曲面为何种自由曲面。

此外，于2009年8月12日公开的中国发明专利申请第200910037807.1号揭露的一种用于LED室内灯具的透镜及包含该透镜的格栅灯，描述了其透镜的入光面为半球面，出光面为满足特定最大照射半径的自由曲面，目的是采用所述透镜控制光线分布使光斑呈圆形。

目前，使用透镜时，在一定区域的光照效果和光均匀度方面仍存在不理想现象，LED光源发出来的光的发射角度有时并没有达到预期。而且采用大功率LED光源用作照明或显示时，需要照射比较大的范围，均匀度要好，以达到需要的效果和减少光通量浪费。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种发光均匀度较高、光利用率高的LED光源及其透镜。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种应用于LED光源的透镜，包括入光面和出光面，所述入光面为凹曲面，所述出光面为凸曲面，所述入光面和出光面都是只能用参数矢量来表示的、满足边界光线原理、光通量守恒以及展度守恒的光学曲面，所述入光面和出光面是光滑的光学曲面并以连续的方式进行配光，所述光学曲面为XY多项式曲面、贝塞尔曲面、B样条曲面或非均匀有理B样条曲线(NURBS)曲面。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的另一个技术方案是：提供一种LED光源，包括：LED和设于所述LED出光面的透镜，所述透镜包括：入光面和出光面，所述入光面为凹曲面，所述出光面为凸曲面，所述入光面和出光面都是只能用参数矢量来表示的、满足边界光线原理、光通量守恒以及展度守恒的光学曲面，所述入光面和出光面是光滑的光学曲面并以连续的方式进行配光，所述光学曲面为XY多项式曲面、贝塞尔曲面、B样条曲面或非均匀有理B样条曲线NURBS曲面。

本实用新型的有益效果是：区别于现有技术配合透镜的LED光照效果和光均匀度不理想的情况，本实用新型针对LED出光角度分布非均匀、非线形的特点，特别设计双面都采用参数矢量来表示光学曲面的透镜，不仅在出光面进行复杂的光学曲面设计，还在入光面上进行复杂的光学曲面设计，即所述出光面和入光面的光学曲面既满足边界光线原理、光通量守恒以及展度守恒，也能够对来自LED的光线以连续的方式进行配光，使从所述LED光源发出的相邻的两根光线在目标上的点也是相邻的，LED光源的边界对应于目标的边界，这样，设计的透镜对光线的折射、扩散结构基本与LED的光发散分布为互补关系，使得从透镜出来的光在照射范围内实现高度均匀，可轻易实现均匀度0.85以上，甚至达0.95以上；原理上完全不同于仅在一个表面进行光学曲面设计的透镜结构，因为本实用新型在透镜入光面和出光面都进行如上的光学曲面设计，该两光学曲面对光线的折射作用是有机配合的，功能是使LED光发射分布和透镜的光折射结构实现互补，显然仅在透镜的一个表面进行光学曲面设计是无法达到这种效果的；而且，所述出光面和入光面的光学曲面既满足边界光线原理、光通量守恒以及展度守恒，能够最大程度提高光利用效率，减少光损耗。

附图说明

图1是本实用新型透镜实施例一的整体结构剖面示意图；

图2是实施例一的凹面立体结构示意图；

图3是实施例一的凸面立体结构示意图；

图4是本实用新型透镜实施例二的整体结构剖面示意图；

图5是实施例二的凹面立体结构示意图；

图6是实施例二的凸面立体结构示意图；

图7是本实用新型透镜实施例三的整体结构剖面示意图；

图8是实施例三的凹面立体结构示意图；

图9是实施例三的凸面立体结构示意图；

图10是本实用新型透镜实施例四的整体结构剖面示意图；

图11是实施例四的凹面立体结构示意图；

图12是实施例四的凸面立体结构示意图；

图13是本实用新型透镜的一种配光曲线图。

具体实施方式

一起参阅图1至图3，本实用新型应用于LED光源的透镜实施例包括：

入光面和出光面；

其中，所述入光面为凹曲面，所述出光面为凸曲面，所述入光面和出光面都是只能用参数矢量来表示的、满足边界光线原理、光通量守恒以及展度守恒的光学曲面，所述入光面和出光面是光滑的光学曲面并以连续的方式进行配光，使从所述LED光源发出的相邻的两根光线在目标上的点也是相邻的，LED光源的边界对应于目标的边界。

区别于现有技术配合透镜的LED光照效果和光均匀度不理想的情况，本实用新型针对LED出光角度分布非均匀、非线形的特点，特别设计双面都采用参数矢量来表示光学曲面的透镜，不仅在出光面进行复杂的光学曲面设计，还在入光面上进行复杂的光学曲面设计，即所述出光面和入光面的光学曲面既满足边界光线原理、光通量守恒以及展度守恒，也能够对来自LED的光线以连续的方式进行配光，使从所述LED光源发出的相邻的两根光线在目标上的点也是相邻的，LED光源的边界对应于目标的边界，这样，设计的透镜对光线的折射、扩散结构基本与LED的光发散分布为互补关系，使得从透镜出来的光在照射范围内实现高度均匀，可轻易实现均匀度0.85以上，甚至可达0.95以上；

本实用新型原理上完全不同于仅在一个表面进行光学曲面设计的透镜结构，因为本实用新型在透镜入光面和出光面都进行如上的光学曲面设计，该两光学曲面对光线的折射作用是有机配合的，功能是使LED光发射分布和透镜的光折射结构实现互补，显然仅在透镜的一个表面进行光学曲面设计是无法达到这种效果的；

而且，所述出光面和入光面的光学曲面既满足边界光线原理、光通量守恒以及展度守恒，能够最大程度提高光利用效率，减少光损耗。

所述光学曲面为XY多项式曲面、贝塞尔曲面、B样条曲面或非均匀有理B样条曲线NURBS曲面。

在其中一个实施例中，所述LED光源为大功率LED光源，所述透镜为透光率93％以上的广角透镜。

所述广角全角角度为95度以上。

所述广角透镜与上述LED光源相配合使用，更进一步增强在较大区域的光照效果和光均匀度，提高光照均匀度及光效，达到所需的较大范围的照射角度，对大功率超亮度LED光源发出的每一角度的光线进行重新配光，最大可能地提高光利用效率。

在其中一个实施例中，所述透镜包括从所述透镜边缘径向延伸出的安装部以及位于安装部上的与LED支架固定定位的安装孔或安装柱。

所述透镜是由透光性能优质的光学材料，如光学PMMA、光学PC或光学玻璃等，采用多轴超精密纳米加工技术、超精密注塑成型技术、玻璃成型技术，一体化整体制作的有若干个安装孔或安装柱的广角透镜，透光率为93％以上，这样所述安装部和安装柱与所述透镜是一体成型结构。

所述安装孔可以是螺丝直接安装孔位，比如沉头螺丝安装孔位，所述安装柱式有凸柱的紧配安装柱。

以下更详细说明本实用新型：

还参照图1至图3，本实用新型实施例一如下：

图1是本实用新型实施例一的整体结构剖面示意图。大功率LED光源的广角透镜1经光学系统设计，由透光性能优质的光学材料例如光学PMMA、光学PC等一体化整体注塑成型，透光率达93％以上，包括凹曲面1c、凸曲面1b以及安装部(又称透镜支架)1d及透镜支架上的至少两个沉头螺丝安装孔位1a，这安装孔位按所需要排列组合；凹曲面1c和凸曲面1b设计成光学曲面或非球形曲面，光学曲面或非球形曲面主要指任意非传统的曲面或者非对称的曲面或者只能用参数矢量来表示的曲面，例如NURBS曲面，参数矢量表示任意形状光学曲面，包括XY多项式曲面、贝塞尔曲面、B样条曲面或非均匀有理B样条曲线曲面NURBS等。本实施例中所述入光面为XY多项式曲面，出光面为贝塞尔曲面。采用光学曲面的这些系统或元件被称为光学曲面光学系统或光学曲面光学元件，光学曲面照明设计原理有边界光线原理、光通量守恒及展度守恒，提高光照均匀度及光效，达到所需的较大范围的照射角度，对大功率超亮度LED光源发出的每一角度的光线进行重新配光，最大可能地提高光利用效率，任何光滑的光学表面以连续的方式进行配光，从大功率超亮度LED光源发出的相邻的两根光线在目标上的点也是相邻的，LED光源的边界对应于目标的边界，展度指光学径角性，与光源面积及立体角有关；透镜支架1d与透镜主体是一体注塑成型，也可以另外注塑再装配，透镜支架1d上设置有至少两个沉头螺丝安装孔位1a。

图2是实施例一的凹面立体结构示意图。广角透镜上设置有凹曲面1c和透镜支架1d。

图3是实施例一的凸面立体结构示意图。广角透镜上设置有凸曲面1b和透镜支架上设置有至少两个沉头螺丝安装孔位1a。

图4是本实用新型实施例二的整体结构剖面示意图。大功率LED光源的广角透镜2经光学系统设计，由透光性能优质的光学材料例如光学PMMA、光学PC等一体化整体注塑成型，透光率达93％以上，包括凹曲面2c、凸曲面2b以及透镜支架2d及透镜支架上的至少两个安装卡位紧配柱2a，这安装卡位紧配柱按所需要排列组合；凹曲面2c和凸曲面2b设计成光学曲面或非球形曲面，光学曲面或非球形曲面主要指任意非传统的曲面或者非对称的曲面或者只能用参数矢量来表示的曲面，例如NURBS曲面，参数矢量表示任意形状光学曲面，包括XY多项式曲面、贝塞尔曲面、B样条曲面、非均匀有理B样条曲线曲面NURBS等。本实施例中所述入光面为贝塞尔曲面，出光面为B样条曲面。采用光学曲面的这些系统或元件被称为光学曲面光学系统或光学曲面光学元件，光学曲面照明设计原理有边界光线原理、光通量守恒及展度守恒，提高光照均匀度及光效，达到所需的较大范围的照射角度，对大功率超亮度LED光源发出的每一角度的光线进行重新配光，最大可能地提高光利用效率。

图5是实施例二的凹面立体结构示意图。广角透镜上设置有凹曲面2c和透镜支架上的至少两个安装卡位紧配柱2a。

图6是实施例二的凸面立体结构示意图。广角透镜上设置有凸曲面2b和透镜支架2d。

图7是本实用新型实施例三的整体结构剖面示意图。大功率LED光源的广角透镜3经光学系统设计，由透光性能优质的光学材料例如光学PMMA、光学PC等一体化整体注塑成型，透光率达93％以上，包括凹曲面3c、凸曲面3b以及透镜支架3d及透镜支架上的至少两个沉头螺丝安装孔位3a，这安装孔位按所需要排列组合；凹曲面1c和凸曲面1b设计成光学曲面或非球形曲面。本实施例中所述入光面为B样条曲面，出光面为非均匀有理B样条曲线NURBS曲面。

图8是实施例三的凹面立体结构示意图。广角透镜上设置有凹曲面3c和透镜支架3d。

图9是实施例三的凸面立体结构示意图。广角透镜上设置有凸曲面3b和透镜支架上设置有至少两个沉头螺丝安装孔位3a。

图10是本实用新型实施例四的整体结构剖面示意图。大功率LED光源的广角透镜4经光学系统设计，由透光性能优质的光学材料例如光学PMMA、光学PC等一体化整体注塑成型，透光率达93％以上，包括凹曲面4c、凸曲面4b以及透镜支架4d及透镜支架上的至少两个安装卡位紧配柱4a，这安装卡位紧配柱按所需要排列组合；凹曲面4c和凸曲面4b设计成光学曲面或非球形曲面。本实施例中所述入光面为贝塞尔曲面，出光面为非均匀有理B样条曲线NURBS曲面。

图11是实施例四的凹面立体结构示意图。广角透镜上设置有凹曲面4c和透镜支架上的至少两个安装卡位紧配柱4a。

图12是实施例四的凸面立体结构示意图。广角透镜上设置有凸曲面4b和透镜支架4d。

图13是本实用新型的一种配光曲线图。是由大功率超亮度的LED光源经广角透镜重新配光，透光率达93％以上，提高光照均匀度及光效，均匀度0.85以上，达到所需的较大范围的照射角度，全角95度，对大功率超亮度LED光源发出的每一角度的光线进行重新配光，任何光滑的光学表面以连续的方式进行配光，从大功率超亮度LED光源发出的相邻的两根光线在目标上的点也是相邻的，LED光源的边界对应于目标的边界，最大可能地提高光利用效率，节约能源。

本实用新型还公开一种LED光源，包括：

LED和设于所述LED出光面的透镜，所述透镜包括：

入光面和出光面，所述入光面为凹曲面，所述出光面为凸曲面，所述入光面和出光面都是只能用参数矢量来表示的、满足边界光线原理、光通量守恒以及展度守恒的光学曲面，所述入光面和出光面是光滑的光学曲面并以连续的方式进行配光，使从所述LED光源发出的相邻的两根光线在目标上的点也是相邻的，LED光源的边界对应于目标的边界。

如上，采用本实用新型透镜的LED光源出光均匀度可大幅提高，光利用率也有效提高。

其中，所述光学曲面为XY多项式曲面、贝塞尔曲面、B样条曲面或非均匀有理B样条曲线NURBS曲面。

而且，还可以包括LED支架，所述透镜包括安装部，所述安装部从所述透镜边缘径向延伸出，并且具有位于安装部上的与LED支架固定定位的安装孔或安装柱。

综上，本实用新型至少具备以下有益效果：

(1)本实用新型是固态组件冷光源，由于目前LED光源本身发出来的光的照度、光照效果及光均匀度都不是很理想，LED光源发出来的光的发射角度有时并没有达到预期，而本实用新型所提供的广角透镜能够达到所需的效果。广角透镜是用透光性能优质的光学材料一次成型而得的一体化整体且有若干个安装位的广角透镜，广角透镜中的主体结构是由凹曲面和凸曲面两个光学曲面或非球形曲面构成。

(2)本实用新型所述的光学曲面或非球形曲面是主要指任意非传统的曲面或者非对称的曲面或者只能用参数矢量来表示的曲面，例如NURBS曲面，参数矢量表示任意形状光学曲面，包括XY多项式曲面、贝塞尔曲面、B样条曲面、非均匀有理B样条曲线曲面(NURBS)等，采用光学曲面的这些系统或元件被称为光学曲面光学系统或光学曲面光学元件，光学曲面照明设计原理有边界光线原理、光通量守恒及展度守恒，提高光照均匀度及光效，达到所需的较大范围的照射角度，对大功率超亮度LED光源发出的每一角度的光线进行重新配光，最大可能地提高光利用效率，任何光滑的光学表面以连续的方式进行配光，从大功率超亮度LED光源发出的相邻的两根光线在目标上的点也是相邻的，LED光源的边界对应于目标的边界。

(3)本实用新型透镜是可以应用于CREE XP-E以及LUXEONRebel大功率超亮度LED的广角透镜，解决了高亮度大功率LED光源本身发光角度单一且光照均匀性不理想、透镜角度偏小、光照均匀度不理想、光利用效率不理想的技术问题，整体结构设计新颖、独特，也更紧凑、更和谐、更美观。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims

1.一种应用于LED光源的透镜，其特征在于：

包括入光面和出光面，所述入光面为凹曲面，所述出光面为凸曲面，所述入光面和出光面都是只能用参数矢量来表示的、满足边界光线原理、光通量守恒以及展度守恒的光学曲面，所述入光面和出光面是光滑的光学曲面并以连续的方式进行配光，所述光学曲面为XY多项式曲面、贝塞尔曲面、B样条曲面或非均匀有理B样条曲线NURBS曲面。

2.根据权利要求1所述的应用于LED光源的透镜，其特征在于：

所述LED光源为大功率LED光源，所述透镜为透光率93％以上的广角透镜。

3.根据权利要求2所述的应用于LED光源的透镜，其特征在于：

所述广角全角角度为95度以上。

4.根据权利要求1或2所述的应用于LED光源的透镜，其特征在于：

包括从所述透镜边缘径向延伸出的安装部以及位于安装部上的与LED支架固定定位的安装孔或安装柱。

5.根据权利要求4所述的应用于LED光源的透镜，其特征在于：

所述安装部和安装柱与所述透镜一体成型。

6.根据权利要求1或2所述的应用于LED光源的透镜，其特征在于：

所述透镜的材料为光学PMMA或光学PC。

7.一种LED光源，其特征在于，包括：

LED和设于所述LED出光面的透镜，所述透镜包括：

入光面和出光面，所述入光面为凹曲面，所述出光面为凸曲面，所述入光面和出光面都是只能用参数矢量来表示的、满足边界光线原理、光通量守恒以及展度守恒的光学曲面，所述入光面和出光面是光滑的光学曲面并以连续的方式进行配光，所述光学曲面为XY多项式曲面、贝塞尔曲面、B样条曲面或非均匀有理B样条曲线NURBS曲面。

8.根据权利要求7所述的LED光源，其特征在于：

包括LED支架，所述透镜包括安装部，所述安装部从所述透镜边缘径向延伸出，并且具有位于安装部上的与LED支架固定定位的安装孔或安装柱。