CN203836852U - 平行光束透镜及灯具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种平行光束透镜及灯具，该平行光束透镜包括第一圆台和设置在第一圆台上方的第二圆台，第一圆台和第二圆台的截面均为倒梯形，第一圆台的底部设有第一凹槽，第二圆台的上部设有第二凹槽，第二凹槽上设有球形凸起，第一、二凹槽的四周壁面均为弧形面，第一凹槽的底部为平面，第一、二凹槽、第一、二圆台和球形凸起均以系统光轴为对称轴，第一凹槽的底部放置光源，光源的光线经球形凸起的曲面射出至空气后形成多根平行于系统光轴的平行光线。该灯具，包括光源和上述的透镜，光源的顶点位于系统光轴上，并与第一圆台的底面位于同一直线上，光源以系统光轴为对称轴。本实用新型实现了平行光束透镜的小型化，也减小了灯具的尺寸。

Description

平行光束透镜及灯具

技术领域

本实用新型涉及灯具照明领域，具体涉及一种平行光束透镜及灯具。

背景技术

近年来，平行光束灯具被照明设计师越来越多的应用于建筑照明设计中,其特点是极小功率的灯具就可以在墙面上洗出10多米高的极窄光束。一般采用的方法是利用旋转抛物面原理，将光源置于抛物线的焦点上，这样配出来的光线为平行光。

当前平行光束灯具的配光器件一般采用旋转抛物面实现，将光源放置在旋转抛物面的焦点实现平行光。由于旋转抛物面本身的局限性，当光源尺寸与抛物面尺寸接近时，部分光束经过反射器后就不能保证平行出射。而且会有很多杂散光影响灯具效果。这就使得采用传统做法实现的平行光束灯具体积较大。灯具的材料成本也难以降低。而体积较大的平行光束灯具在建筑上安装也破坏了建筑的整体美观。

实用新型内容

在下文中给出关于本实用新型的简要概述，以便提供关于本实用新型的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本实用新型的穷举性概述。它并不是意图确定本实用新型的关键或重要部分，也不是意图限定本实用新型的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

为了解决现有技术的问题，本实用新型提供一种能够减小灯具尺寸的平行光束透镜。

本发明还提供一种灯具。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种平行光束透镜，包括第一圆台和设置在第一圆台上方的第二圆台，所述第一圆台和第二圆台的截面均为倒梯形，所述第一圆台的底部设有第一凹槽，所述第二圆台的上部设有第二凹槽，所述第二凹槽上设有球形凸起，所述第一凹槽和第二凹槽的四周壁面均为弧形面，所述第一凹槽和第二凹槽的底部均为平面，所述第一凹槽、第一圆台、第二圆台、第二凹槽和球形凸起均以系统光轴为对称轴，所述第一凹槽的底部用于放置光源，所述光源的光线经所述球形凸起的曲面射出至空气后形成多根平行于系统光轴的平行光线。

本实用新型还提供了一种灯具，包括光源和上述的透镜，所述光源的顶点位于系统光轴上，并与所述第一圆台的底面位于同一直线上，所述光源以所述系统光轴为对称轴。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料制备而成的自由曲面透镜实现了平行光束透镜的小型化。

2、采用本实用新型的透镜可以轻易实现大功率LED平行光束灯具的制作，在同等功率下，采用单颗LED颗粒实现的平行光束灯具可极大的保证LED颗粒的寿命，减少光衰，减小灯具尺寸。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的平行光束透镜的结构示意图；

图2为本实用新型提供的平行光速透镜对光束的整形过程的示意图；

图3为本实用新型提供的平行光束透镜的截面尺寸标注示意图；

图4为本实用新型提供的平行光束透镜的配光曲线图；

图5为普通平行光束灯具配光曲线图；

图6为本实用新型提供的8米外照度分布图；

图7为图6的截面图。

附图标记：

1-第一圆台；2-第二圆台；3-第一凹槽，30-第一圆形面；4-第二凹槽，40-第二圆形面；5-球形凸起；6-系统光轴；7-光源；8-光线。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。在本实用新型的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本实用新型无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，一种平行光束透镜，包括第一圆台1和设置在第一圆台1上方的第二圆台2，第一圆台1和第二圆台2的截面均为倒梯形，第一圆台1的底部设有第一凹槽3，第二圆台2的上部设有第二凹槽4，第二凹槽4上设有球形凸起5，第一凹槽3和第二凹槽4的四周壁面均为弧形面，第一凹槽3和第二凹槽4的底部均为平面，第一凹槽3、第一圆台1、第二圆台2、第二凹槽4和球形凸起5均以系统光轴6为对称轴，第一凹槽3的底部用于放置光源7，光源7的光线经球形凸起5的曲面射出至空气后形成多根平行于系统光轴6的平行光线。

采用本实用新型的自由曲面透镜结构，在得到平行光线的同时，实现了平行光束透镜的小型化。

本实施例中，为了更好的得到平行光线，并缩小透镜本身的尺寸，第一凹槽3、第一圆台1、第二圆台2、第二凹槽4和球形凸起5为一体结构。

本实施例中，为了达到更好的透光率，第一圆台1、第二圆台2和球形凸起5的材质均为聚甲基丙烯酸甲酯。即本实用新型选用聚甲基丙烯酸甲酯来一次成型制备。

本实施例中，为了更好的得到平行光线，并缩小透镜本身的尺寸，第一凹槽3的底面为第一圆形平面30，第二凹槽4的底面为第二圆形平面40，第二圆形平面40为球形凸起5的底面。

本实施例中，为了更好的得到平行光线，并缩小透镜本身的尺寸，球形凸起5的顶点到第一圆形平面30的距离、第二圆形平面40的直径与所述第一圆形平面30的直径的比例为(21.97±0.2):(21.18±0.2):(5.12±0.2)。

优选的，球形凸起5的顶点到第一圆形平面30的距离、第二圆形平面40的直径与第一圆形平面30的直径的比例为21.97:21.18:5.12。

本实用新型优选的尺寸为：第一凹槽3的高度为2.67±0.2mm，第一圆形平面30的直径为5.12±0.2mm，第一凹槽3的开口的直径为11.03±0.2mm，第一圆台1的高度为10.36±0.2mm，第二圆台2的高度为8.59±0.2mm，第二圆形平面40的直径为21.18±0.2mm，第二凹槽4的开口的直径为31.47±0.2mm，第二凹槽4的高度为2.66±0.2mm，球形凸起5的高度为8.35±0.2mm。

本实用新型更优选的尺寸为：第一凹槽3的高度为2.67mm，第一圆形平面30的直径为5.12mm，第一凹槽3的开口的直径为11.03mm，第一圆台1的高度为10.36mm，第二圆台2的高度为8.59mm，第二圆形平面40的直径为21.18mm，第二凹槽4的开口的直径为31.47mm，第二凹槽4的高度为2.66mm，球形凸起5的高度为8.35mm。

本实施中，第一凹槽3、第一圆台1、第二圆台2、第二凹槽4和球形凸起5同时缩小或扩大原来尺寸的3-5倍，原来尺寸为本实用新型的优选尺寸，可以是如图2中标注的尺寸，同样可以得到平行光线，其尺寸也小于现有技术中的尺寸。

本实用新型还提供一种灯具，包括光源和上述的透镜，所述光源的顶点位于系统光轴上，并与所述第一圆台的底面位于同一直线上，所述光源以所述系统光轴为对称轴。

通过本实用新型透镜的应用，可以极大的缩小平行光束灯具的本身尺寸。本实用新型透镜的设计是针对大功率单颗1W/3WLED芯片的平行光束配光制作的，使用该透镜组成的LED芯片阵列由于每颗都是同样的平行出光，所以整个阵列的配光也为一平行光束。因此采用本实用新型透镜制作平行光束灯具只需将透镜加在每颗LED芯片上即可。具有使用容易，灯具尺寸小的优点。如果不采用本实用新型的透镜设计大功率平行光束灯具，当采用阵列封装的LED集成芯片时，由于要保证反射镜和芯片阵列一定的尺寸比例，就会大大增加灯具本身的尺寸。

本实用新型的设计原理:

本实用新型透镜是LED灯具实现配光的重要组成部分。传统LED透镜的设计方法采用成像光学作为设计原理。一般是将问题看作设计一个NA(数值孔径)，非常大的成像光学系统，例如小的孔径比或者F数。数值孔径与其他技术参数有着密切的关系，它几乎决定和影响着其他各项技术参数。它与分辨率成正比，与放大率成正比，与焦深成反比，NA值增大，视场宽度与工作距离都会相应地变小。

在成像光学设计中，光学系统作为成像工具，基本上都用几何光线的概念来研究其规律，对能量传递的研究较少。从物理学观点看，光线携带着辐射能，光线的方向也就是辐射能的传播方向。因此，从能量的角度考虑，光学系统也是传递辐射能量的工具，是能量传播的过程。在照明领域中，往往需要得到的是能量的最终分布方式，而不是对物体成一个清晰的像。故采用非成像光学方法设计的自由曲面透镜可以很好的解决能量的传递问题。

平行光束灯具就是将LED颗粒发出的光进行二次整形后，以近似平行光线的角度出射，参见图2，从图中可以看到，光源发出的光线7经过第一圆形平面30和球形凸起5的曲面后均发生了折射，而折射的角度决定了从曲面出射的光线是否能形成平行光。

根据几何光学原理可知，光线在介质中的折射遵循折射定律，由图2可以看出，从光源发出的光线在A点经过一次折射后，从空气进入到透镜中，再经过B点，从透镜出射至空气形成一根平行于系统光轴的平行光线。两次折射均需遵循折射定律，见下式1。

n₁×sinα=n₂×sinβ    (式1)

式1中n₁为入射光线所在介质的折射率，n₂为出射光线所在介质的折射率。α为光线的入射角，β为光线的出射角。以系统光轴和光源交点为光学系统原点，根据LED颗粒出射光线的一次光学分布曲线以及已知的介质折射率n₁和n₂，代入公式1中，可以得到A点折射后的光线坐标。其中第一圆形平面30在光线出射方向的坐标为一固定值。

当光线从A点出射的坐标通过计算得到后，假设球形凸起5的曲面与光线的交点B坐标为(y,z),其中，沿光线出射方向坐标为z，与系统光轴垂直方向为y。从图中可以看到，交点B的坐标为最终所求坐标。假设B点为一在球形凸起5的自由曲面上的动点，通过不同的入射光线坐标就可求得动点B的坐标点集。

因为B点坐标为两个未知参数，故还需要一个方程才能解出。考虑从光源发出的光线，全部从球形凸起5的曲面出射，在最终照明平面上形成一个能量分布。根据能量守恒的原理得到下式2。

∫I₀cosθdΩ＝∫E·dA    (式2)

式中I₀为LED颗粒法向光强为一定值，cosθ为与法相夹角的余弦，dΩ为LED颗粒的单位立体角，E为最终在目标平面的照度，A为照射面积。根据透镜本身参数的几何关系，化简式2如下：

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dz}}=\frac{\cos \mathrm{\β}-n\cos \mathrm{\α}}{n\sin \mathrm{\α}-\sin \mathrm{\β}}$     (式3）

其中， $n=\frac{n_1}{n_2}.$

联立式1和式3，通过电脑编程，并输入需要设计的透镜角度，即可解得常微分方程，得到动点B的坐标集，即球形凸起5的曲面的坐标集。将计算的结果导入3D建模软件中，可得到最终透镜的3D模型，如图1所示，图3为本实用新型的透镜截面尺寸图，根据此图可开模制作平行透镜。

参见图4，为该平行光束透镜的配光曲线，可以看到本实用新型的透镜完全优于市面上普通的平行光束灯具配光。图5为普通平行光束灯具配光曲线。图4中，使用入射光在光源出射表面，使用100000条光线模拟时，共有92693条光线出射，效率为：92％，照度图中，辐射分布最小值：0w/sr，最大值：5654.7，w/sr，总辐照度通量为：41.595W。

参见图6和图7，本实用新型从8米外照度分布图可以看出，透镜为2°透镜，符合设计要求，且光的利用效率高。其中，图6中，对于亮度分布，光源出射表面，辐照度最小值：1.0063w/m²，最大值：132.46w/m²，平均值：41.404w/m²，均方根：37.491，总光通量：41.404W92693入射光线。图7中，a为Vertical：90°-180°配光分布曲线，b为Horizontal：0°-90°配光分布曲线。

本实用新型具有以下优点：

1、通过设计的自由曲面透镜，缩小了配光透镜本身的尺寸。

2、通过该透镜的应用，可以极大的缩小平行光束灯具的本身尺寸。

在本实用新型上述各实施例中，实施例的序号仅仅便于描述，不代表实施例的优劣。对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本实用新型的装置和方法等实施例中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本实用新型的等效方案。同时，在上面对本实用新型具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本实用新型及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本实用新型的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本实用新型的公开内容将容易理解，根据本实用新型可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (10)

1.一种平行光束透镜，其特征在于，包括第一圆台和设置在第一圆台上方的第二圆台，所述第一圆台和第二圆台的截面均为倒梯形，所述第一圆台的底部设有第一凹槽，所述第二圆台的上部设有第二凹槽，所述第二凹槽上设有球形凸起，所述第一凹槽和第二凹槽的四周壁面均为弧形面，所述第一凹槽的底部为平面，所述第一凹槽、第一圆台、第二圆台、第二凹槽和球形凸起均以系统光轴为对称轴，所述第一凹槽的底部用于放置光源，所述光源的光线经所述球形凸起的曲面射出至空气后形成多根平行于系统光轴的平行光线。

2.根据权利要求1所述的平行光束透镜，其特征在于，所述第一凹槽、第一圆台、第二圆台、第二凹槽和球形凸起为一体结构。

3.根据权利要求1所述的平行光束透镜，其特征在于，所述第一圆台、第二圆台和球形凸起的材质均为聚甲基丙烯酸甲酯。

4.根据权利要求1-3任一项所述的平行光束透镜，其特征在于，所述第一凹槽的底面为第一圆形平面，所述第二凹槽的底面为第二圆形平面，所述第二圆形平面为所述球形凸起的底面。

5.根据权利要求4所述的平行光束透镜，其特征在于，所述球形凸起的顶点到所述第一圆形平面的距离、所述第二圆形平面的直径与所述第一圆形平面的直径的比例为(21.97±0.2):(21.18±0.2):(5.12±0.2)。

6.根据权利要求5所述的平行光束透镜，其特征在于，所述球形凸起的顶点到所述第一圆形平面的距离、所述第二圆形平面的直径与所述第一圆形平面的直径的比例为21.97:21.18:5.12。

7.根据权利要求4所述的平行光束透镜，其特征在于，所述第一凹槽的高度为2.67±0.2mm，所述第一圆形平面的直径为5.12±0.2mm，所述第一凹槽的开口的直径为11.03±0.2mm，所述第一圆台的高度为10.36±0.2mm，所述第二圆台的高度为8.59±0.2mm，所述第二圆形平面的直径为21.18±0.2mm，所述第二凹槽的开口的直径为31.47±0.2mm，所述第二凹槽的高度为2.66±0.2mm，所述球形凸起的高度为8.35±0.2mm。

8.根据权利要求7所述的平行光束透镜，其特征在于，所述第一凹槽的高度为2.67mm，所述第一圆形平面的直径为5.12mm，所述第一凹槽的开口的直径为11.03mm，所述第一圆台的高度为10.36mm，所述第二圆台的高度为8.59mm，所述第二圆形平面的直径为21.18mm，所述第二凹槽的开口的直径为31.47mm，所述第二凹槽的高度为2.66mm，所述球形凸起的高度为8.35mm。

9.根据权利要求7所述的平行光束透镜，其特征在于，所述第一凹槽、第一圆台、第二圆台、第二凹槽和球形凸起同时缩小或扩大原来尺寸的3-5倍。

10.一种灯具，其特征在于，包括光源和权利要求1-9任一项所述的平行光束透镜，所述光源的顶点位于系统光轴上，并与所述第一圆台的底面位于同一直线上，所述光源以所述系统光轴为对称轴。