CN205424831U - Led透镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了.一种LED透镜，包括LED光源、折射器及反射面，与所述折射器与所述反射面一体成型，所述LED光源位于所述折射器下方。本实用新型的技术方案具有以下有益效果：由于本实用新型LED透镜的大部分出射光线都较为平行，光线出射角小于10°，因此本系统对光线的利用率较高，聚光效果较好，可以形成较小的中心光斑，即使在较远处也能满足LED灯的光照度要求，从而提高了商业展示类照明的工作效率和安全性。锯齿形曲面位于折射器的上部内侧，用于减小折射器的体积；降低制造成本。由于出射光线为平行光，透镜的折射仅仅发生在光学表面，所以在不影响出射光线方向的基础上，可去除部分光学材料。

Description

LED透镜

技术领域

本实用新型涉及LED透镜，特别涉及一种折反射LED透镜。

背景技术

在艺术品展示、珠宝首饰展示、建筑泛光、矿灯、野营灯等领域的照明光学系统中，往往需要配光精准的平行光束，相比传统的卤素灯光源，LED具有光效高、寿命长、体积小，且工作时较低的结温不易引燃爆炸性气体的优点，但在实际应用时，LED透镜平行光束配光反射器过高、折射器过大等缺陷，无法满足特殊商业照明，及微窄空间的灯具装配需求，存在聚光性能差、透镜体积大等缺点，不利于微型空间的展示性照明。

实用新型内容

为解决现有本发明提出一种新型的LED平行配光系统，以折反射的配光形式，缩小透镜尺寸，使配光更加精准。

本实用新型提供的技术方案如下：

一种LED透镜，包括LED光源、折射器及反射面，与所述折射器与所述反射面一体成型，所述LED光源位于所述折射器下方。

优选地，所述折射器包括折射面和锯齿形曲面。所述折射面呈弧形，弧形内部正对所述LED光源，所述折射面顶端背面固定有一锯齿形曲面，所述锯齿形曲面开口向上，与折射面开口相反，所述反射面位于所述折射器两边。

优选地，所述折射面呈“Ω”形，底部有两段向外延伸的水平部，所述反射面与所述两段水平延伸部连接。

优选地，所述折射面顶部内侧有一向所述LED光源凸起的弧形聚光部。

优选地，所述锯齿形曲面内侧底部为水平设计。

优选地，所述折射面的母线满足迭代公式为x_i+1＝y_i+1·tanθ_i+1；其中，θ_i和θ_i+1分别为光源发出的第i和i+1条光线与竖直轴的夹角；A点(x_i，y_i)和B点(x_i+1，y_i+1)为光线与透镜母线的交点。

优选地，所述反射面的母线满足迭代公式为y_j+1＝x_j+1·tanθ_j+1，其中θ_j和θ_j+1分别为光源发出的第j和j+1条光线与水平轴的夹角；U点(x_j，y_j)和V点(x_j+1，y_j+1)为光线在反射面上的入射点。

优选地，所述透镜口径为30mm～60mm。

优选地，所述折射器口径为9mm～25mm。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下有益效果：由于本实用新型LED透镜的大部分出射光线都较为平行，光线出射角小于10°，因此本系统对光线的利用率较高，聚光效果较好，可以形成较小的中心光斑，即使在较远处也能满足LED灯的光照度要求，从而提高了商业展示类照明的工作效率和安全性。锯齿形曲面位于折射器的上部内侧，用于减小折射器的体积；降低制造成本。由于出射光线为平行光，透镜的折射仅仅发生在光学表面，所以在不影响出射光线方向的基础上，可去除部分光学材料。

附图说明

图1是LED透镜内部结构示意图；

图2是折射面的母线迭代分析图；

图3是反射面的母线迭代分析图；

图4是LED透镜的透视结构图；

图5是LED透镜照射的光强分配仿真结果图；

图6是LED透镜照射的照度分布仿真结果图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

结合图1所示，一种LED透镜，包括LED光源1、折射器2及反射面3，与所述折射器与所述反射面一体成型，所述LED光源1位于所述折射器2下方。折射器2将LED光源发出的0°～20°及20°～40°的光线配成0°的平行光线射出。进一步地，所述折射器2包括折射面21和锯齿形曲面22。所述折射面21呈弧形，弧形内部正对所述LED光源，所述折射面21顶端背面固定有一锯齿形曲面22，所述锯齿形曲面22开口向上，与折射面21开口相反，用于减小折射器2的体积。所述锯齿形曲面22内侧底部为水平设计。所述反射面3位于所述折射器2两边。在本实施例中的一个优选实施例，所述折射面21呈“Ω”形，底部有两段向外延伸的水平部，所述反射面3与所述两段水平延伸部连接。所述折射面21顶部内侧有一向所述LED光源凸起的弧形聚光部。用于支撑所述锯齿形曲面22。

如图2所示折射面的母线迭代分析图。O点为LED光源，θ_i和θ_i+1分别为光源发出的第i条和第i+1条光线与Y轴的夹角；OM为折射面的边缘光线；A点(x_i，y_i)和B点(x_i+1，y_i+1)为光线与透镜母线的交点；β_i为A点处切线与水平线的夹角；α_i为A点处入射角；δ_i为A点处出射角。

本发明采用近似算法，将点(x_i，y_i)与点(x_i+1，y_i+1)之间的母线所在直线近似为点(x_i，y_i)处的切线，即将切线的斜率表示为：

${\mathrm{tan\β}}_i=\frac{dy}{dx}=\frac{y_{i+1}-y_i}{x_{i+1}-x_i}---\left(1\right)$

光线入射角和切线与水平线的夹角满足以下关系：

α_i＝θ_i+β_i(2)

为使出射光线与Y轴正方向平行，光线出射角δ_i应等于切线与水平线的夹角，即：

δ_i＝β_i(3)

通过代换可得：

${\mathrm{tan\β}}_i=\frac{{\mathrm{sin\θ}}_i}{n-{\mathrm{cos\θ}}_i}---\left(4\right)$

将(4)代入式(1)得到母线点坐标的迭代公式：

$y_i+1=y_i\·\frac{\tan {\mathrm{\θ}}_i\·\sin {\mathrm{\θ}}_i+\cos {\mathrm{\θ}}_i-n}{\tan {\mathrm{\θ}}_{i+1}\·\sin {\mathrm{\θ}}_i+\cos {\mathrm{\θ}}_i-n}---\left(5\right)$

x_i+1＝y_i+1·tanθ_i+1(6)

将由式(5)、(6)求得的母线各点坐标连线即可得到折射面的母线。

由于出射光线为平行光，透镜的折射仅仅发生在光学表面，所以在不影响出射面光线方向的基础上，可去除部分光学材料。

反射面采用自由曲面设计，自由曲面型的反射面位于侧面，将光源发出的40°到90°的光反射成0°的平行光线射出。

如图3所示反射面的母线迭代分析图，θ_j和θ_j+1分别为光源发出的第j条和第j+1条光线与X轴的夹角；OJ为反射面的边缘光线，U点(x_j，y_j)和V点(xj+1，yj+1)为光线在反射面上的入射点；βj为U点处切线与水平线的夹角；αj为U点处入射角；δj为A点处出射角。

光线入射角和切线与水平线的夹角满足以下关系：

${\mathrm{\α}}_j={\mathrm{\θ}}_j+(\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\β}}_j)---\left(7\right)$

为使出射光线与Y轴正方向平行，光线出射角δj应等于切线与水平线的夹角，即：

δ_j＝β_j(8)

通过代换可得：

${\mathrm{tan\β}}_j=tan(\frac{{\mathrm{\θ}}_j}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{4})---\left(9\right)$

将式(9)代入式(1)即得反射面母线各点坐标的迭代公式：

$x_{j+1}=x_j\·\frac{{\mathrm{tan\θ}}_j-\tan (\frac{{\mathrm{\θ}}_j}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{4})}{{\mathrm{tan\θ}}_{j+1}-\tan (\frac{{\mathrm{\θ}}_j}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{4})}---\left(10\right)$

y_j+1＝x_j+1·tanθ_j+1(11)

将由式(10)、(11)求得的母线各点坐标连线即可得到反射面的母线。

通过计算得到设计所需的系统模型，其中透镜的口径为30mm～60mm，高为20～40mm，折射器的口径为9mm～25mm，高为5～15mm，利用建模软件结果如图4所示实体LED透镜的透视结构图。

选用CREE公司Q4光通量为100lm的中性白贴片式LED作为光源，将光学系统的模型导入光学仿真软件后进行光线追迹，其仿真结果如图5LED透镜照射的光强分配仿真结果图所示。可见本光学系统的大多数出射光线都较为平行，光线出射角小于10°，因此本系统对光线的利用率高，会聚效果较好，可以形成较小的中心光斑，即使在较远处也能满足LED灯的光照度要求，从而提高了商业展示类照明的工作效率和安全性。

由图6LED透镜照射的照度分布仿真结果图所示，光学系统在1m处的光斑效果，其半径为125mm，光斑大小适中，避免光斑过小造成眩光产生视觉疲劳，光斑过大照度不够影响可见性的问题。系统的中心照度达到1250lx，达到国家标准要求的中心照度指标。经过计算得到光照度均匀度大于0.5，说明光斑较均匀，光斑质量较好。

本发明的折射器采用PMMA材质，反射器采用铝，灯具效率约为84％。利用光学仿真软件进行模拟分析，结果表明透镜的出射角小于10°，出射光线较为平行，光斑大小适中，光照度较为均匀，中心照度值达到国家标准要求，可作为艺术品展示、珠宝首饰、建筑泛光、矿灯、野营灯等领域的照明光学配光系统，同时，本实用新型LED透镜结构紧凑、能够有效节约生产成本。

上述实施例示例性说明本发明的原理及其功效，任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种LED透镜，其特征在于：包括LED光源、折射器及反射面，与所述折射器与所述反射面一体成型，所述LED光源位于所述折射器下方。

2.根据权利要求1所述的LED透镜，其特征在于：所述折射器包括折射面和锯齿形曲面，所述折射面呈弧形，弧形内部正对所述LED光源，所述折射面顶端背面固定有一锯齿形曲面，所述锯齿形曲面开口向上，与折射面开口相反，所述反射面位于所述折射器两边。

3.根据权利要求2所述的LED透镜，其特征在于：所述折射面呈“Ω”形，底部有两段向外延伸的水平部，所述反射面与所述两段水平延伸部连接。

4.根据权利要求3所述的LED透镜，其特征在于：所述折射面顶部内侧有一向所述LED光源凸起的弧形聚光部。

5.根据权利要求2所述的LED透镜，其特征在于：所述锯齿形曲面内侧底部为水平设计。

6.根据权利要求1所述的LED透镜，其特征在于：所述折射面的母线满足迭代公式为_，；其中，θ_i和θ_i+1分别为光源发出的第i和i+1条光线与竖直轴的夹角；A点（x_i，y_i）和B点（x_i+1，y_i+1）为光线与透镜母线的交点。

7.根据权利要求1所述的LED透镜，其特征在于：所述反射面的母线满足迭代公式为，，其中θ_j和θ_j+1分别为光源发出的第j和j+1条光线与水平轴的夹角；U点（x_j，y_j）和V点（x_j+1，y_j+1）为光线在反射面上的入射点。

8.根据权利要求1所述的LED透镜，其特征在于：所述透镜口径为30mm~60mm。

9.根据权利要求1所述的LED透镜，其特征在于：所述折射器口径为9mm~25mm。