CN202598379U - 透镜和具有该透镜的照明装置 - Google Patents

透镜和具有该透镜的照明装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种用于照明装置(200)的透镜(100)，透镜具有：底壁(1)、顶壁(2)和周壁(3)，周壁连接底壁和顶壁，其中底壁的多个区域分别向顶壁拱起以限定出至少一个第一容纳腔(R1)、至少一个第二容纳腔(R2)，至少一个第一容纳腔(R1)的内壁设计为第一入射面(4)，至少一个第二容纳腔(R2)的内壁设计为第二入射面(5)，第一和第二入射面设计为不同的曲面，以分别接收第一和第二入射光。根据本实用新型的透镜可以成本低廉地进行加工，特别适用于具有多色光源的照明装置，通过该透镜可以实现对多色光源混合后的光的颜色微调，改善照明装置的混光效果，得到均匀的光分布，提高光效。此外本实用新型还涉及一种具有该透镜的照明装置。

Description

透镜和具有该透镜的照明装置
技术领域
本实用新型涉及一种透镜和一种具有该透镜的照明装置。
背景技术
随着LED照明技术的发展，人们越来越多地将LED照明装置作为光源应用到各种环境中。对于光源固定的照明装置而言，通常设定了光源输出的光的特性，例如光谱能量分布、色温(CCT)、显色指数(CRI)等等。但是在许多特定的应用环境中，例如酒店、商场或居民住宅中，经常需要对照明装置的输出光的色调、特别是色温进行调节，以便可以根据用户的需要或是情绪来改变光氛围。例如在用户休闲时照明装置发出暖白光，而在用户学习工作时照明装置发出冷白光。
现有的照明装置中，安装在照明装置中的透镜仅仅具有一种形状单一的入射面，用于接收来自不同颜色的光源发出的入射光。这些不同颜色的光源具有不同的色温，并且大部分入射光直接穿过透镜分散地射出，无法使经过相同入射面射入透镜中的光的光路按照所希望的方向进行偏转、即无法对光路进行微调，由此不能利用透镜来改善混光效果。安装有这种透镜的照明装置的系统效率因此被限制，并且需要较多的能耗用于调光和混光。例如在图1中所示，当照明装置200具有一个居中的第一光源和两个分别位于两侧的第二光源时，由第一和第二光源发出的第一和第二入射光经过入射面进入透镜100，由于各个入射面的曲面轮廓相同，因此无法利用透镜100对入射光的光路进行微调，因此难以利用透镜100进行混光。穿过这种透镜射出的光的颜色并不理想，而且获得的光分布的图案例如仅仅是长条形，而非理想的圆形。
实用新型内容
因此，本实用新型的一个目的在于提出一种透镜。根据本实用新型的透镜可以成本低廉地进行加工，特别适用于具有多色光源的照明装置，通过该透镜可以实现对多色光源混合后的光的颜色微调，改善照明装置的混光效果，得到均匀的光分布，并提高光效。
本实用新型的目的通过一种用于照明装置的透镜来实现，透镜具有：底壁、顶壁和周壁，周壁连接底壁和顶壁，其中底壁的多个区域分别向顶壁拱起以限定出至少一个第一容纳腔、至少一个第二容纳腔，至少一个第一容纳腔的内壁设计为第一入射面，至少一个第二容纳腔的内壁设计为第二入射面，第一和第二入射面设计为不同的曲面，以分别接收第一和第二入射光。在优选的实施例，“第一和第二入射光”指具有不同色温的两种以及两种以上的入射光、例如可以混合成自然白光的颜色不同的多种入射光。通过将分别接收第一和第二入射光的第一和第二入射面设计为形状不同的曲面，可以微调第一入射光和第二入射光混合后的光的颜色。此外，使第一和第二入射光进行一次混光，并且为第一和第二入射光经过透镜最终均匀混合提供了良好的基础，并且通过调整第一和第二入射光在透镜中的光路，进一步改善了光效。
在本实用新型的一个优选的设计方案中，第一入射面设计为对称曲面，第二入射面设计为非对称的曲面。设计为对称曲面的第一入射面对应于第一入射光，设计为非对曲面的第二入射面提供了较大的设计自由度，以根据第一入射光和第二入射光的预期的混合后的光的颜色来调整第二入射面的不同设计。
在本实用新型的一个优选的设计方案中，顶壁设计为出射面，出射面由微透镜阵列组成。经过第一和第二入射面调整的第一和第二入射光可以经过微透镜阵列进行第二次调整，由此进一步确保对第一和第二入射光的混光效果，并且进一步改善光分布。
在本实用新型的一个优选的设计方案中，容纳腔彼此间隔地设置。即底壁包括可以将第一和第二容纳腔连接在一起或者将两个第一容纳腔或者两个第二容纳腔彼此连接的连接面。该容纳腔之间间距越小，该容纳腔的数量越多，可微调的程度越高，图案就越均匀，混光效果也越好。
根据本实用新型的一个优选的实施例，第一入射面为旋转对称曲面。优选地，第一入射面设计为球面。由此可以使第一入射光穿过第一入射面均匀对称地射向例如设计为微透镜阵列的出射面。
在本实用新型的一个优选的设计方案中，第二入射面设计为非旋转对称曲面，非旋转对称曲面的顶点在横截面上位于第二入射面在水平面上的投影的中线远离第一入射面的一侧。经过第二入射面进入透镜的第二入射光需要被调整，基于第二入射面的非旋转对称的设计，可以使第二入射光尽可能地朝向第一入射面的方向偏转，以便对第二入射光进行微调。颜色不同的第一和第二入射光因此可以在透镜内部进行良好地混光，并使混合后的出射光经过透镜的出射面较为集中地射向同一区域，由此使出射光具有所期望的颜色，并且光分布良好。优选的是，第二入射面设计为自由曲面。特别优选地，第二入射面在横截面上具有由以下公式限定的曲线轮廓：
y＝-1E-08x^6+2E-06x^5-0.0001x^4+0.0032x^3-0.0633x^2+1.4584x+1E-06。
根据本实用新型的一个设计方案，周壁设计为具有自由曲面轮廓的全内反射面。周壁可以接收经过入射面、例如第二入射面折射的入射光，并对其进行反射，以对入射光在透镜中的光路进行进一步微调。周壁的自由曲面例如可以通过适合的高阶方程来限定。
根据本实用新型的一个设计方案，第二容纳腔的数量为多个，多个第二容纳腔在周向上均匀地布置在第一容纳腔的周围。例如透镜具有一个第一容纳腔和两个第二容纳腔，这两个第二容纳腔优选地分别对称地位于第一容纳腔的两侧；在具有三个或更多第二容纳腔时，这些第二容纳腔可以以第一容纳腔为中心，均匀地环绕排布在其周围。这种将第一和第二容纳腔对称地设计有利于获得均匀的光分布。
在本实用新型的一个优选的设计方案中，第一容纳腔的数量为多个，第一容纳腔阵列式地设置在底壁的中央区域。当透镜具有多个第一容纳腔时，这些第一容纳腔居中地构成容纳腔阵列，以确保第一入射光可以居中均匀地穿过透镜射向待照射物体。而环绕这些第一容纳腔布置的多个第二容纳腔使得第二入射光在透镜中的光路分别朝向中央偏转，由此对第二入射光的光路进行微调，使其和第一入射光的光路在透镜中汇聚，由此获得理想的混光效果，以微调出射光的颜色，例如是冷白色或暖白色。
根据本实用新型的另一个目的在于，提出一种具有上述透镜的照明装置，该照明装置光效率高、光分布均匀，并且可以以较小的能耗实现良好的混光效果。
在本实用新型的一个优选的设计方案中，照明装置包括至少一个第一光源和至少一个第二光源，其特征在于，还包括以上说明的透镜。第一和第二光源可以分别提供不同颜色的第一和第二入射光。这些入射光优选地在经过透镜汇聚后被充分混合，均匀射向待照射物体的出射光因此具有所期望的颜色。
在本实用新型的一个优选的设计方案中，至少一个第一光源和至少一个第二光源发出的光的色温不同。第一和第二光源可以提供颜色不同的第一入射光和第二入射光。第一入射光的色温例如为2700K，第二入射光的色温例如为6500K，它们可以混合成自然白光。
在本实用新型的一个优选的设计方案中，照明装置还包括承载第一和第二光源的电路板和散热体，其中第一光源容纳在透镜的第一容纳腔中，第二光源容纳在透镜的第二容纳腔中。例如可以将透镜和电路板直接利用例如固定件、或透镜和电路板自身具有的形状配合的机械连接结构固定在一起。在这种优选的情况下，第一容纳腔被电路板封闭，第一光源对应地容纳在其中；第二容纳腔同样被电路板封闭，第二光源也对应地容纳在其中。
根据本实用新型提出，散热体包括放置透镜和电路板的容纳部。为了将照明装置设计得紧凑，可以将透镜和电路板组合成整体放置在散热体中。散热体例如可以设为杯形或环形，以便尽可能大面积地环绕或接触电路板上在工作时产生热量的部件，由此不仅对电路板提供支撑，而且也可以进行良好的热传递。例如在将光源设计为LED芯片时，该照明装置是可以替代常规白炽灯的改型灯。
根据本实用新型提出，散热体设计为周壁上具有散热肋的环形结构，容纳部位于所述散热体的中央。利用散热肋可以进一步提高照明装置的冷却效果，确保照明装置正常运行。
根据本实用新型提出，电路板包括分别控制第一和第二光源的工作状态的控制电路。本领域技术人员可以基于开关电路或PWM电路的原理来设计这种控制电路。通过控制电路对第一和第二光源的通断电情况进行控制，优选地对其驱动电流的大小进行控制，由此可以改变第一和第二光源的颜色，实现调光效果。
根据本实用新型的照明装置结构简单、调光效果良好，并且可以获得均匀的光分布。
附图说明
附图构成本说明书的一部分，用于帮助进一步理解本实用新型。这些附图图解了本实用新型的实施例，并与说明书一起用来说明本实用新型的原理。在附图中相同的部件用相同的标号表示。图中示出：
图1是现有技术中的照明装置的一个实施例的剖面图，
图2是根据本实用新型的透镜的一个实施例的剖面图，
图3是图2中的实施例的第一细节图，
图4是图2中的实施例的第二细节图，
图5是根据本实用新型的照明装置的一个实施例的剖面图。
具体实施方式
图2示出了根据本实用新型的透镜的一个实施例的剖面图。用于照明装置200(参见图3)的透镜100具有底壁1、顶壁2以及周壁3。底壁1的多个区域分别向顶壁2拱起以限定出至少一个第一容纳腔R1和至少一个第二容纳腔R2，其中第一容纳腔R1的内壁设计为第一入射面4，第二容纳腔R2的内壁设计为第二入射面5。第一容纳腔R1和第二容纳腔R2可以彼此相邻的设计，也可以如该具体实施例示意出的彼此相互间隔开，底壁1上的连接面6将各个第一容纳腔R1和第二容纳腔R2彼此连接。在该具体实施例中，第一和第二入射面4，5分别接收颜色不同、即色温不同的第一和第二入射光，例如为了使得经过透镜之后的出射光为自然白色，第一入射光可以是色温为2700K的暖白光，第二入射光可以是色温为6500K的冷白光。为了清楚起见，以阴影线示出了提供第一和第二入射光的至少一个第一光源201和至少一个第二光源202，以及承载这些光源的电路板203。
区别于图1中示出的现有技术中的实施例，图2中示出的第一入射面4和第二入射面5设计为不同的曲面，由此可以对第一和第二入射光的光路进行调节，由此可以在经过第一入射面4和第二入射面5的初次折射后使颜色不同的入射光在透镜中尽可能充分地混合，以使由顶面2射出的出射光具有理想的颜色以及均匀的光分布，例如可以形成圆形光斑。在图2中示出的实施例中，一个第一容纳腔R1位于底壁1的中央，其内壁设计为对称曲面，以便作为第一入射面4接收来自第一光源201的第一入射光；两个第二容纳腔R2对称地布置在第一容纳腔R1的两侧，它们的内壁均设计为非对称的曲面，以便作为第二入射面5接收来自第二光源202的第二入射光。此外为了进一步确保良好的混光效果和光分布的均匀性，将顶壁2设计为由微透镜阵列组成的出射面。第一和第二入射光经过透镜100的底壁1和顶壁2进行两次折射，由此可以确保良好的混光效果，并且在待照射物体上的光分布均匀。
在图中示出具体实施例中，第一入射光经过例如设计为球面的第一入射面4均匀地射向透镜100的顶壁2。第二入射面5的顶点在横截面上位于第二入射面5在水平面上的投影的中线远离第一入射面4的一侧，也就是说第二入射面5和水平面之间的夹角在朝向第一入射面4的一侧较小，而在远离第一入射面4的一侧较大。位于两侧的第二入射光经过第二入射面4进行折射，折射后的光路朝向位于中央的第一入射光的光轴偏转，彼此进行充分混合。第一和第二入射面4，5的彼此不同的设计对多色入射光在透镜100中进行混光后得到的不同光的颜色的微调提供了良好的基础，并且通过调整第一和第二入射光在透镜中的光路，进一步改善了光效。
在一个未示出的实施例中，在底壁1上可以仅仅具有一个第一容纳腔R1和一个第二容纳腔R2。
在另一个未示出的实施例中，在底壁1上可以具有多个第二容纳腔R2，例如三个或更多。这些第二容纳腔R2在周向上均匀地围绕第一容纳腔R1布置。
在另一个未示出的实施例中，在底壁1上具有多个第一容纳腔R1和多个第二容纳腔R2时，多个第一容纳腔R1集中地布置在底壁1的中央，第二容纳腔R2在周向上均匀地围绕这些第一容纳腔R1布置。在此情况下，第一和第二容纳腔R1，R2布置地越密集，混光效果越好。
图3是图2中的实施例的第一细节图，在此清楚地示出了透镜100的第二入射面5和周壁3，以及第二入射光在透镜100中的光路。在本实施例中，第二入射面5可以设计为自由曲面，尤其优选的是，第二入射面5在横截面上具有由以下公式限定的曲线轮廓：
y＝-1E-08x^6+2E-06x^5-0.0001x^4+0.0032x^3-0.0633x^2+1.4584x+1E-06。
类似于第二入射面5，同样可以将设计为全内反射面的周壁3也可以是例如由高阶方程限定出的自由曲面，以进行有利于混光的全内反射。在本实施例中，周壁3可以对经过第二入射面5折射的第二入射光进行反射，以便对其光路进行微调，有利于充分混光。
图4是图2中的实施例的第二细节图，在此清楚地示出了透镜100的顶壁2以及穿过顶壁2的光路。用作出射面的顶壁2设计为微透镜阵列，因此可以对在透镜100中已经进行一次微调和混合的光进行第二次微调和混合，其中这些光包括经过第一和第二入射面4，5直接射向顶壁2的光以及少量经过周壁3反射的光。由此利用透镜100为颜色不同的第一和第二入射光提供了多次混光途径。
图5是根据本实用新型的照明装置的一个实施例的剖面图。色温可调的照明装置200包括至少一个第一光源201和至少一个第二光源202以及图2中示出的透镜100。至少一个第一光源201和至少一个第二光源202固定在电路板203上，并且分别对应地位于透镜100的第一容纳腔R1和第二容纳腔R2中。照明装置200还包括散热体204，透镜100和电路板203可以作为整体安置在散热体的容纳部R中，以便使照明装置200的结构空间最小化。可以将散热体204优选地设计为周壁上具有散热肋的环形结构，容纳部R位于散热体204的中央。散热体204也可以具有其他适合的结构。由此可以使散热体大面积地热接触电路板上的发热部件，以提高照明装置200的冷却效果。在本实施例中，第一和第二光源201，202可以是LED芯片。该照明装置200在此情况下可以设计为改型灯。
电路板203包括分别控制所述第一和第二光源201，202的工作状态的控制电路。本领域技术人员可以基于开关电路或PWM电路的原理来设计这种控制电路。通过控制电路对第一和第二光源的通断电情况进行控制，优选地对其驱动电路的大小进行控制，由此可以改变第一和第二光源的颜色，实现调光和混光。
例如在第一光源201发出色温为2700K的暖白光，第二光源202发出色温为6500K的冷白光时，本实施例中的照明装置200可以发出混合的自然白光，其色温为4000K，可以分别控制各个光源201，202，使照明装置200发出例如2700K的暖白光或6500K的冷白光。因此本实施例中的照明装置200发出的白光的色温调节范围为2700-6500K。图5中示出的照明装置200以及根据本实用新型的其他照明装置200可以适用于例如AR111型灯(LED)或MR16型灯(LED)。
当第一和第二光源201，202为单色光源时，在图5中示出的实施例也同样适用。
以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
参考标号
1    底壁
2    顶壁
3    周壁
4    第一入射面
5    第二入射面
6    连接面
100  透镜
200  照明装置
201  第一光源
202  第二光源
203  电路板
204  散热体
R    容纳部
R1  第一容纳腔
R2  第二容纳腔

Claims (18)

1.一种用于照明装置(200)的透镜，所述透镜(100)具有：底壁(1)、顶壁(2)和周壁(3)，所述周壁(3)连接所述底壁(1)和所述顶壁(2)，其特征在于，所述底壁(1)的多个区域分别向所述顶壁(2)拱起以限定出至少一个第一容纳腔(R1)、至少一个第二容纳腔(R2)，所述至少一个第一容纳腔(R1)的内壁设计为第一入射面(4)，所述至少一个第二容纳腔(R2)的内壁设计为第二入射面(5)，所述第一入射面(4)和第二入射面(5)设计为不同的曲面，以分别接收第一入射光和第二入射光。
2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述第一入射面(4)设计为对称曲面，所述第二入射面(5)设计为非对称的曲面。
3.根据权利要求1或2所述的透镜，其特征在于，所述顶壁(2)设计为出射面，所述出射面由微透镜阵列组成。
4.根据权利要求1或2所述的透镜，其特征在于，所述容纳腔彼此间隔地设置。
5.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于，所述第一入射面(4)为旋转对称曲面。
6.根据权利要求5所述的透镜，其特征在于，所述第一入射面(4)设计为球面。
7.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于，所述第二入射面(5)设计为非旋转对称曲面，所述非旋转对称曲面的顶点在横截面上位于所述第二入射面(5)在水平面上的投影的中线的远离所述第一入射面(4)的一侧。
8.根据权利要求7所述的透镜，其特征在于，所述第二入射面(5)设计为自由曲面。
9.根据权利要求8所述的透镜，其特征在于，所述第二入射面(5)在横截面上具有由以下公式限定的曲线轮廓：
y＝-1E-08x^6+2E-06x^5-0.0001x^4+0.0032x^3-0.0633x^2+1.4584x+1E-06。
10.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述周壁(3)设计为具有自由曲面轮廓的全内反射面。
11.根据权利要求1或2所述的透镜，其特征在于，所述第二容纳腔(R2)的数量为多个，所述多个第二容纳腔(R2)在周向上均匀地布置在所述第一容纳腔(R1)的周围。
12.根据权利要求11所述的透镜，其特征在于，所述第一容纳腔(R1)的数量为多个，所述第一容纳腔(R1)阵列式地设置在所述底壁(1)的中央区域。
13.一种照明装置，包括至少一个第一光源(201)和至少一个第二光源(202)，其特征在于，还包括根据权利要求1-12中任一项所述的透镜(100)。
14.根据权利要求13所述的照明装置，其特征在于，所述至少一个第一光源(201)和至少一个第二光源(202)发出的光的色温不同。
15.根据权利要求13或14所述的照明装置，其特征在于，还包括承载所述第一和第二光源(201，202)的电路板(203)和散热体(204)，其中所述第一光源(201)容纳在所述透镜(100)的第一容纳腔(R1)中，所述第二光源(202)容纳在所述透镜(100)的第二容纳腔(R2)中。
16.根据权利要求15所述的照明装置，其特征在于，所述散热体(204)包括容纳所述透镜(100)和电路板(203)的容纳部(R)。
17.根据权利要求15所述的照明装置，其特征在于，所述散热体(204)设计为周壁上具有散热肋的环形结构，所述容纳部(R)位于所述散热体(204)的中央。
18.根据权利要求15所述的照明装置，其特征在于，所述电路板(203)包括分别控制所述第一和第二光源(201，202)的工作状态的控制电路。
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