改進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)和led燈具的制作方法
【專利摘要】在本發(fā)明中，位于反射透鏡的兩個(gè)相對(duì)端的第一折射凹槽和第二折射凹槽被設(shè)置在同一中心軸上。所述透鏡采用半透明外殼，并具有喇叭型外觀。喇叭型或錐型開口從第一折射凹槽指向第二折射凹槽。外表面被設(shè)計(jì)成具有多個(gè)反射節(jié)段。當(dāng)LED光源位于第一折射凹槽中時(shí)，LED發(fā)出的光由第一折射凹槽折射后，在第二折射凹槽處從錐體開口發(fā)出。同時(shí)，通過半透明外殼的光由多節(jié)段反射表面折射后，也從錐體開口投射出去。本發(fā)明的反射表面透鏡將多種功能結(jié)合一體，包括聚焦，折射以及反射，這使得在不需要任何反射涂層下有均勻的照明和其它所需的照明效果。這簡(jiǎn)化了LED照明系統(tǒng)的加工技術(shù)，減少了加工成本。
【專利說明】改進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)和LED燈具

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新型的透鏡，尤其地，涉及一種能大幅提升LED燈具的光效率的透鏡。

【背景技術(shù)】
[0002]作為一種在21世紀(jì)的新型的競(jìng)爭(zhēng)性的固體光源，LED燈具有以下優(yōu)點(diǎn):高效率，純光色，低能耗，壽命長，可靠耐用，無污染，以及控制靈活。隨著LED技術(shù)的不斷改進(jìn)，LED燈具的光通量和光效率將不斷地提高。目前，單一白光LED的光通量已達(dá)到20001m以上。作為燈具的LEDs的照明系統(tǒng)的數(shù)量迅速增長。從LED芯片發(fā)出的光以朗伯(Lambertian)分布投射。在大多數(shù)情況下，如果在應(yīng)用時(shí)未通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)處理，這樣的光場(chǎng)分布用在燈具中時(shí)，不能夠滿足性能要求。因此，LED燈具的照明系統(tǒng)的二次光學(xué)設(shè)計(jì)是絕對(duì)必要的。
[0003]二次光學(xué)設(shè)計(jì)能在目標(biāo)區(qū)形成具有均勻照明的光斑，從而照明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)均勻照明。照明系統(tǒng)一般分為反射型，折射型以及反射折射混合型。其中，該混合型主要采用TIR(全內(nèi)反射)技術(shù)。一般來說，由于LED的出光范圍廣，反射型或折射型很難控制LED的所有出光。另一方面，TIR技術(shù)能充分發(fā)揮折射和全反射，并有效地聚集LED的大多數(shù)出光，以及控制光束分布，從而保證照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊。
[0004]現(xiàn)有的反射型的LED透鏡具有低反射率，通過為80%。由于條件的限制，如透鏡直徑，折射型的LED透鏡的透光率低至90%?，F(xiàn)有的反射折射混合型的LED透鏡一般具有單獨(dú)的折射和反射部分，這些部分增加了技術(shù)成本和LED燈的加工程序。然而，現(xiàn)有反射部分的反射面要求反射涂層，比如鋁涂層，這也增加了 LED燈的技術(shù)成本。
[0005]如圖10所示，申請(qǐng)200910108644.1為LED聚光透鏡。雖然這個(gè)聚光透鏡具有兩個(gè)折射凹槽，但是，透鏡并沒有反射面設(shè)計(jì)，因此，它沒有良好的發(fā)光效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，根據(jù)權(quán)利要求1提供一種LED燈具的光學(xué)系統(tǒng)。因此，本發(fā)明提供一種光學(xué)系統(tǒng)，包括:
[0007](i)由透明或半透明材料制成的大致錐狀體，所述錐狀體具有第一窄端，第二寬端，以及外表面，所述外表面設(shè)計(jì)為基本上完全向所述錐狀體的第二端反射光，所述錐狀體具有從第一端延伸到第二端的主軸；
[0008](ii)位于所述錐狀體的第一端的凹陷或凹槽，所述凹陷或凹槽適于容納LED燈亙.N 9
[0009]其特征在于，所述錐狀體的外表面包括多個(gè)反射面或反射表面。
[0010]這種類型的光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造使LED燈具發(fā)出的光聚焦成一束光，相對(duì)于傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)，該束光所產(chǎn)生的炫目比較少，其中，所述光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造優(yōu)選地由整體材料形成，所述材料的折射率高于空氣的折射率，從而產(chǎn)生全內(nèi)反射。
[0011]優(yōu)選地，所述反射面基本上覆蓋所述錐狀體的整個(gè)外表面。
[0012]優(yōu)選地，位于所述錐狀體的第一端的凹陷的底部或內(nèi)表面是非平面的。與其它情況相比，這種情況導(dǎo)致了更多的光通過反射或折射直接導(dǎo)向到光學(xué)系統(tǒng)外表面的反射面上。
[0013]優(yōu)選地，所述凹陷的內(nèi)表面包括多個(gè)透鏡表面，所述透鏡表面適于發(fā)散任何落在凹陷底部表面的光。
[0014]優(yōu)選地，所述多個(gè)透鏡表面的形式為一系列凸形突起，更優(yōu)選地，所述多個(gè)透鏡表面的形式為多個(gè)凸形反射表面，所述凸形反射表面依次繞著錐體的外表面連接。能用在此上下文中的反射表面的其他形式非限制地包括弧面，平面，菱形面，金剛石表面或其他任何形狀，這些形狀能達(dá)到將來自LED燈具的光反射出錐狀體的第二端的所需效果。
[0015]優(yōu)選地，反射表面的半徑從錐體的第一端到錐體的第二端逐漸增加。
[0016]優(yōu)選地，該多個(gè)反射透鏡表面圍繞著所述錐體的主軸以層狀排列，更優(yōu)選地，依次連接的這些反射表面的半徑從所述錐狀體的第一端到第二端逐漸增加。在此術(shù)語“半徑”具有廣泛的含義，包括穿過反射面的距離，所述反射面一般不是圓形的。
[0017]優(yōu)選地，所述光學(xué)系統(tǒng)還包括位于所述錐狀體的第二端的凹陷或凹槽。所述第二凹陷引起更多的光反射或折射到所述錐狀體的外反射表面上，否則，這些更多的光將被直接傳送出所述光學(xué)系統(tǒng)。
[0018]優(yōu)選地，所述光學(xué)系統(tǒng)還包括一個(gè)或多個(gè)LED燈具。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供一種包含根據(jù)第一發(fā)明的二級(jí)光學(xué)系統(tǒng)的LED燈具。
[0020]本發(fā)明提出的反射表面將反射功能納入普通的折射透鏡中，這在不需要應(yīng)用反射涂層的情況下，能達(dá)到良好的反射效果，并簡(jiǎn)化了 LED燈具的構(gòu)造。此外，本發(fā)明的反射表面透鏡能整體成型，與現(xiàn)有的折射反射混合透鏡相比，其具有更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。已被分成多個(gè)節(jié)段的反射表面能更好更有效地利用從LED發(fā)出的光。
[0021]本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。在反射表面透鏡中，分別位于所述反射透鏡的兩個(gè)相對(duì)端的第一折射凹槽或凹陷以及第二折射凹槽或凹陷設(shè)置在同一中心軸上。所述透鏡采用半透明的外殼，并呈錐形外表。錐體的開口從第一折射凹槽指向第二折射凹槽。外表面設(shè)計(jì)成具有多個(gè)反射節(jié)段。
[0022]在這里描述的術(shù)語“錐體”具有更廣泛的含義，并包括截頭錐體或截頭圓錐體，或任何一般角形結(jié)構(gòu)。所述錐體的外表面一般為多面的。
[0023]當(dāng)LED光源放置在第一折射凹槽時(shí)，LED發(fā)出的光通過所述第一折射凹槽折射，接著在第二折射凹槽處從錐體開口投射出去。同時(shí)，通過半透明透鏡外殼的光由多節(jié)段反射表面折射，接著也從錐體開口處投射出去。本發(fā)明的反射表面透鏡發(fā)出的LED能達(dá)到各種所需的照明效果，而這是不能通過傳統(tǒng)的LED透鏡達(dá)到的。
[0024]進(jìn)一步地，上述多節(jié)段反射表面由多圈反射表面依次連接成錐形而形成。S卩，在從第一折射凹槽到第二折射凹槽的方向上，依次連接的反射表面的半徑逐漸增加，以形成錐形。在一個(gè)更好的設(shè)計(jì)中，每圈反射表面由依次連接的多個(gè)反射單元形成。所述反射單元可以為各種形狀，非限制地包括弧面，平面，菱形的面，金剛石面，或其它能達(dá)到所需效果的形狀。特定的形狀能根據(jù)折射和反射效果以及能量守恒定律來設(shè)計(jì)。
[0025]本發(fā)明的反射透鏡一體成型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其具有反射功能而不需要任何反射涂層；這有助于LED燈具的安裝。半透明外殼的外表面上的多節(jié)段反射表面具有良好的聚集和反射效果，從而提供了 LED燈具的各種所需的照明效果。
[0026]總之，在本發(fā)明中，位于反射透鏡的兩個(gè)相對(duì)端的第一折射凹槽和第二折射凹槽，設(shè)置在同一中心軸上。所述透鏡采用半透明外殼，其外觀呈喇叭型。喇叭型或錐形開口從第一折射凹槽指向第二折射凹槽。將外表面設(shè)計(jì)成具有多個(gè)反射節(jié)段。當(dāng)LED光源位于或在第一折射凹槽時(shí)，LED發(fā)出的光由第一折射凹槽折射后，在第二折射凹槽處從錐體開口發(fā)出。同時(shí)，通過半透明外殼的光由多節(jié)段反射表面折射后，也從錐體開口投射出。本發(fā)明的反射表面透鏡將多種功能結(jié)合一體，包括聚焦，折射以及反射，使得在不需要任何反射涂層下有均勻的照明和其它所需的照明效果。這簡(jiǎn)化了 LED照明系統(tǒng)的加工技術(shù)，減少了加工成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1展示了 LED芯片的相對(duì)光強(qiáng)度的分布曲線；
[0028]圖2展示了本發(fā)明的反射表面透鏡的結(jié)構(gòu)原理；
[0029]圖3展示了本發(fā)明中入射光源在目標(biāo)平面上的照明；
[0030]圖4展示了本發(fā)明的多節(jié)段反射表面的設(shè)計(jì)原理；
[0031]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的剖視圖；
[0032]圖6為執(zhí)行本發(fā)明實(shí)施例1的透鏡照明數(shù)據(jù)的模擬效果圖；
[0033]圖7為本發(fā)明實(shí)施例1中的透鏡照明數(shù)據(jù)的模擬曲線圖；
[0034]圖8為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)的前透視圖；
[0035]圖9為本發(fā)明實(shí)施例2的外表面結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0036]圖10為現(xiàn)有技術(shù)LED聚光透鏡結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0037]圖11為本發(fā)明的第二實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的截面示意圖；
[0038]圖12為圖11的光學(xué)系統(tǒng)的俯視圖；
[0039]圖13為進(jìn)一步實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的截面示意圖；
[0040]圖14為圖13的光學(xué)系統(tǒng)的俯視圖。
[0041]在圖11和12中，數(shù)字分別表示:
[0042]11-截頭錐體
[0043]12-圓柱體
[0044]13-圓柱形凹槽
[0045]14-球形表面
[0046]15-球形面
[0047]16-圓柱體。
[0048]在圖13和圖14中，數(shù)字分別表示:
[0049]11’ -截頭錐體
[0050]12’ -圓環(huán)
[0051]13’ -圓柱形凹槽
[0052]14’ -球形表面
[0053]15’ -球形面。
[0054]在圖8和9中，數(shù)字分別表示:1、第一折射凹槽；2、第二折射凹槽；3、多節(jié)段反射表面；4、透鏡外殼；41、透鏡外表面；42、相依邊。

【具體實(shí)施方式】
[0055]以下的說明，結(jié)合附圖和實(shí)施例僅用于舉例，并非用于限制本發(fā)明的衍生例。
[0056]如圖8和圖9所示，第一折射凹槽I和第二折射凹槽2分別設(shè)置在所述反射透鏡的兩個(gè)末端上，它們位于同一中心軸上，并為圓柱形。透鏡外殼4為半透明的,外表面41為錐形。錐體開口從所述第一折射凹槽I指向所述第二折射凹槽2。多節(jié)段反射表面3設(shè)置在外表面41上。
[0057]當(dāng)LED位于第一折射凹槽I時(shí)，LED發(fā)出的光由所述第一折射凹槽I折射，投射穿過錐體開口，所述第二折射凹槽2位于所述錐體開口。穿過透鏡外殼4的光由錐形的多節(jié)段反射表面3反射，還投射穿過錐體開口。所述半透明材料可以為硅膠，PMMA，PC，玻璃或其它半透明材料，比如半透光材料，但不限于上述的半透明材料。
[0058]在一個(gè)重要的實(shí)施例中，位于錐體第一端的凹陷或凹槽的底部或內(nèi)表面是非平面的。與其它情況相比，這致使更多的光通過反射或折射而被反射或折射到光學(xué)系統(tǒng)的外表面上的反射面上。例如，所述凹槽可以為圓柱形凹陷，而所述凹陷的底部或內(nèi)表面包括多個(gè)透鏡表面，所述透鏡表面用于發(fā)散任何落在所述凹陷底部表面上的光。在外型上，從所述光學(xué)系統(tǒng)的第一端觀看時(shí)，像一系列排列在凹陷底部表面上的挖瘡。
[0059]此外或作可替代地，也可提供與位于錐狀體第二端的與凹陷或凹槽連接的類似透鏡表面。
[0060]在本實(shí)施例中，所述多節(jié)段反射表面3由多圈依次連接成錐形的反射表面形成，比如圖8中所示的反射表面31，32和33。即，在從第一折射凹槽到第二折射凹槽的方向上，依次連接的反射表面的半徑逐漸增大，以形成錐形。例如，反射表面33的半徑小于反射表面32的半徑,而反射表面32的半徑小于反射表面31的半徑。每圈反射表面由多個(gè)依次連接的反射單元形成。所述反射單元可以為各種形狀，非限制地包括弧面，平面，菱形的面，金剛石面，或其他能達(dá)到所需效果的形狀。例如，圖8中的反射表面由弧形反射單元311, 312, 313 以及 314 形成。
[0061]每個(gè)反射單元的表面形狀可以根據(jù)所需光的反射和折射效果以及能量守恒定律設(shè)計(jì)。反射單元表面形狀的設(shè)計(jì)方法將在下面詳細(xì)地描述。
[0062]LED芯片可視為朗伯(Lambertian)光源,所述光源發(fā)出的光呈余弦分布。如圖1中LED芯片的相對(duì)光強(qiáng)度的分布曲線所示，橫軸為光強(qiáng)度；而縱軸為輻射角度。如果LED芯片的郎伯光強(qiáng)度分布是已知的，則給定方向上的光強(qiáng)度應(yīng)該如下:
[0063]
!'二 1.::;>:.、(、 (--
[0064]在公式中，I e為法線方向上燈光表面的光強(qiáng)度；Ici為與法線形成任何角度O的光角度。當(dāng)LED芯片為郎伯光源，其在任何方向上的亮度為常數(shù)，SP:
T — Im10VOs(O) Ia 會(huì)
[0065]Ij9 -1A^m =^M = L {2)
[0066]在該公式中，dA為燈光表面的單元面積。L為常數(shù)，表示芯片亮度。孔徑角O的三圍角度范圍內(nèi)的光通量如下面公式所示:
[0067]

【權(quán)利要求】
1.一種用于LED燈具的光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)包括: (i)由透明或半透明材料構(gòu)成的大致錐狀體，所述錐狀體具有窄的第一端、寬的第二端、以及外表面，所述外表面設(shè)計(jì)為將光基本完全地朝向所述錐體的第二端反射，所述錐狀體具有從所述第一端延伸到所述第二端的主軸； (?)位于所述錐狀體的所述第一端的凹陷或凹槽，所述凹陷或凹槽適于容納LED燈亙.N 9 其特征在于，所述錐狀體的所述外表面包括多個(gè)反射面或反射表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述反射面大致覆蓋所述錐狀體的整個(gè)外表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，位于所述錐狀體的所述第一端上的所述凹陷的底部或內(nèi)表面為非平面的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述凹陷的內(nèi)表面包括多個(gè)透鏡表面，所述多個(gè)透鏡表面適于使落在所述凹陷的底部表面上的任何光發(fā)散開來。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)透鏡表面的形式為一系列凸形突起。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,在所述錐狀體的外表面上的所述多個(gè)反射面包括圍繞所述錐體的外表面依次連接的多個(gè)反射表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述反射表面的半徑從所述錐體的所述第一端到所述錐體的所述第二端是逐漸增大的。
8.根據(jù)權(quán)利要求4-7中任一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)反射透鏡表面圍繞所述錐體的主軸排列為層狀。
9.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述透鏡系統(tǒng)還包括位于所述錐體的所述第二端的凹陷或凹槽。
10.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)系統(tǒng)還包括一個(gè)或多個(gè)LED燈具。
11.結(jié)合附圖的任意組合、在此處描述的光學(xué)系統(tǒng)。
12.—種LED燈具，所述LED燈具包括一個(gè)或多個(gè)如權(quán)利要求1_11中任一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】F21V7/00GK104169776SQ201280071314
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月10日
【發(fā)明者】張勇 申請(qǐng)人:奧羅拉有限公司