全反射型投光透鏡及使用該投光透鏡的燈具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種全反射型投光透鏡,以透鏡光軸對(duì)稱的圓臺(tái)型透鏡,第一端面中部向內(nèi)凹陷形成光源容置腔,光源容置腔具有向外凸出的第一球面,光源容置腔的側(cè)面為折射面;第二端面中部向內(nèi)凹陷形成光線出射腔,光線出射腔具有向外凸出的第二球面;環(huán)繞光線出射腔形成環(huán)狀凹槽;投光透鏡的側(cè)壁為全反射面。依次經(jīng)第一球面和第二球面折射形成用于傳輸LED光源發(fā)射40°以內(nèi)發(fā)射光的第一光線傳輸通路;依次經(jīng)光源容置腔的側(cè)面折射、投光透鏡的側(cè)壁全反射及環(huán)狀凹槽折射形成用于傳輸LED光源發(fā)射40°-90°發(fā)射光的第二光線傳輸通路;對(duì)LED光源任意角度的光線進(jìn)行聚光,控制投光透鏡出射光線發(fā)光角小于正負(fù)20度,提高對(duì)LED光源光線的利用率,增強(qiáng)對(duì)光線的聚光效果。
【專利說(shuō)明】全反射型投光透鏡及使用該投光透鏡的燈具
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及照明燈具,特別是涉及一種全反射型投光透鏡及使用該全反射型投光透鏡的燈具。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著LED (Light Emitting D1de,發(fā)光二極管)芯片及封裝工藝的成熟,LED亮度指標(biāo)可以滿足各個(gè)照明領(lǐng)域的需求,目前LED光源應(yīng)用已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。LED具有節(jié)能、環(huán)保、安全、顯色指數(shù)聞、壽命長(zhǎng)等性能特點(diǎn);同時(shí)其還具有體積小、光效聞、能耗小等顯著特點(diǎn)。
[0003]LED光源以其明顯的優(yōu)勢(shì)被廣泛地應(yīng)用到科研實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域,如在道路、隧道、景觀、室內(nèi)家居、商業(yè)廣告、工業(yè)制造等方面LED光源的應(yīng)用。
[0004]與白熾燈、金屬齒素?zé)舻?60度全方向發(fā)光的傳統(tǒng)光源不同的是,LED由其芯片封裝的結(jié)構(gòu)決定了發(fā)光的多樣性,如朗伯型、側(cè)射型、蝙蝠型和聚光型幾種。因此在具體應(yīng)用中,為符合應(yīng)用領(lǐng)域的行業(yè)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),需要進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì),尤其是大功率LED光源,從而使得LED的光照范圍、光強(qiáng)分布、照度等符合該行業(yè)照明的需求。
[0005]在LED應(yīng)用的二次光學(xué)設(shè)計(jì)中,由于發(fā)光角度的原因?qū)е翷ED的大部分光線不經(jīng)反射體而直接照射出去,出光角過(guò)于分散,在特定光照范圍內(nèi)光能的利用率降低。因此,如何有效提高光能的利用率是LED光源應(yīng)用噬待解決的問(wèn)題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]基于此,有必要提出一種充分利用LED光源光線,發(fā)光角小于正負(fù)20度的投光透鏡以及使用該投光透鏡的燈具。
[0007]—種全反射型投光透鏡,所述投光透鏡為以透鏡光軸對(duì)稱的圓臺(tái)型透鏡,所述投光透鏡直徑較小的第一端面中部向內(nèi)凹陷形成一用于適配容置LED光源的光源容置腔,所述光源容置腔底面向外凸出形成第一球面,所述光源容置腔的側(cè)面為折射面,所述光源容置腔的軸線垂直于所述第一端面;所述投光透鏡直徑較大的第二端面中部向內(nèi)凹陷形成一用于光出射的光線出射腔,所述光線出射腔底面向外凸出形成第二球面;環(huán)繞所述光線出射腔形成環(huán)狀凹槽,所述環(huán)狀凹槽的內(nèi)環(huán)邊高于所述環(huán)狀凹槽的外環(huán)邊;所述投光透鏡的側(cè)壁為全反射面,所述圓臺(tái)型透鏡的母線為拋物線;所述第一球面和第二球面形成用于傳輸LED光源發(fā)射40°以內(nèi)光線的第一光線傳輸通路;所述光源容置腔的側(cè)面、所述投光透鏡的側(cè)壁及所述環(huán)狀凹槽形成用于傳輸LED光源發(fā)射40° -90°光線的第二光線傳輸通路。
[0008]在其中一個(gè)實(shí)施例中,所述第一球面、側(cè)壁上坐標(biāo)點(diǎn)(Xl,yi)滿足以下公式:
I γτιIdvi
P1 = 5 ;十朽+ δ tan P1=--- 其中,坐標(biāo)點(diǎn)(X1,yi)為在過(guò)所述透鏡光軸的剖面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)A1為過(guò)坐標(biāo)點(diǎn)(X1, Y1)在所述側(cè)壁上的切線與平行于X軸的直線夾角;θ ' i為經(jīng)所述側(cè)面折射的折射角;δ為在所述側(cè)壁上過(guò)坐標(biāo)點(diǎn)(Xl,Y1)全反射的光線與平行于Y軸的直線夾角;所述第二球面、環(huán)狀凹槽上坐標(biāo)點(diǎn)(X2,y2)滿足以下公式m
?ψη
sin( Θ / 2十β 2) = sin( α +β 2),tanP2 = -yf-其中,坐標(biāo)點(diǎn)(x2,y2)為在過(guò)所述透鏡光軸
* ,
的剖面坐標(biāo)系中的坐標(biāo);β2為所述第二球面、環(huán)狀凹槽的法線與平行于Y軸的直線夾角;Θ / 2為經(jīng)所述第一球面折射的折射角;α為所述第二球面、環(huán)狀凹槽過(guò)坐標(biāo)點(diǎn)(x2,y2)出射的光線與平行于Y軸的直線夾角。
[0009]在其中一個(gè)實(shí)施例中,所述光源容置腔的側(cè)面折射的光線逆向照射匯聚成一點(diǎn)O’,所述點(diǎn)O’與所述LED光源中心重合。
[0010]在其中一個(gè)實(shí)施例中,所述第一球面半徑大于所述第二球面半徑。
[0011]在其中一個(gè)實(shí)施例中,所述第二球面的投影直徑大于2倍的所述環(huán)狀凹槽的投影覽度。
[0012]在其中一個(gè)實(shí)施例中,所述第二球面的投影面積大于所述第一端面的投影面積。
[0013]在其中一個(gè)實(shí)施例中,所述光線出射腔的側(cè)面為圓柱面。
[0014]在其中一個(gè)實(shí)施例中,所述光源容置腔的高度小于等于所述光線出射腔的高度。
[0015]在其中一個(gè)實(shí)施例中,所述投光透鏡的材質(zhì)為聚碳酸酯或者聚甲基丙烯酸甲酯。
[0016]本發(fā)明還提出一種包括上述全反射型投光透鏡的燈具。
[0017]上述全反射型投光透鏡以及使用該全反射型投光透鏡的燈具,第一端面中部向內(nèi)凹陷形成光源容置腔,光源容置腔具有向外凸出的第一球面,光源容置腔的側(cè)面為折射面;第二端面中部向內(nèi)凹陷形成光線出射腔,光線出射腔具有向外凸出的第二球面;第二端面外圍環(huán)繞第二球面形成環(huán)狀凹槽;投光透鏡的側(cè)壁為全反射面;第一球面和第二球面形成用于傳輸LED光源發(fā)射40°以內(nèi)發(fā)射光的第一光線傳輸通路;光源容置腔的側(cè)面、投光透鏡的側(cè)壁及環(huán)狀凹槽形成用于傳輸LED光源發(fā)射40° -90°發(fā)射光的第二光線傳輸通路,從而對(duì)LED光源任意角度的光線進(jìn)行聚光,控制投光透鏡出射光線發(fā)光角小于正負(fù)20度,充分利用LED光源光線,極大的提高了對(duì)LED光源光線的利用率,大大增強(qiáng)了對(duì)光線的聚光效果。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例投光透鏡結(jié)構(gòu)剖面圖;
[0019]圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例投光透鏡結(jié)構(gòu)立體圖;
[0020]圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例投光透鏡結(jié)構(gòu)側(cè)視圖;
[0021]圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例投光透鏡出射光線配光曲線示意圖;
[0022]圖5為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例投光透鏡光強(qiáng)分布曲線圖;
[0023]圖6為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例投光透鏡照度分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖,對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0025]該全反射型投光透鏡為以透鏡光軸對(duì)稱的圓臺(tái)型透鏡,第一端面中部向內(nèi)凹陷形成光源容置腔,光源容置腔具有向外凸出的第一球面,光源容置腔的側(cè)面為折射面;第二端面中部向內(nèi)凹陷形成光線出射腔,光線出射腔具有向外凸出的第二球面;環(huán)繞所述光線出射腔形成環(huán)狀凹槽;投光透鏡的側(cè)壁為全反射面。
[0026]依次經(jīng)第一球面折射和第二球面折射形成用于傳輸LED光源發(fā)射40°以內(nèi)發(fā)射光的第二光線傳輸通路;依次經(jīng)光源容置腔的側(cè)面折射、投光透鏡的側(cè)壁全反射及環(huán)狀凹槽折射形成用于傳輸LED光源發(fā)射40° -90°發(fā)射光的第二光線傳輸通路,從而對(duì)LED光源任意角度的光線進(jìn)行聚光,控制投光透鏡出射光線發(fā)光角小于正負(fù)20度,充分利用LED光源光線,極大的提高了對(duì)LED光源光線的利用率,大大增強(qiáng)了對(duì)光線的聚光效果。
[0027]上述LED光源發(fā)射角度以透鏡光軸為0°。
[0028]圖1是一個(gè)實(shí)施例中投光透鏡結(jié)構(gòu)剖面圖。圖2是一個(gè)實(shí)施例中投光透鏡結(jié)構(gòu)立體圖。圖3是一個(gè)實(shí)施例中投光透鏡結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。結(jié)合圖1和圖3,該投光透鏡為圓臺(tái)型透鏡,包括第一端面10、第二端面20以及連接第一端面10和第二端面20的側(cè)壁30。第一端面10直徑小于第二端面20直徑。
[0029]第一端面10中部向內(nèi)凹陷形成光源容置腔11,光源容置腔11用于適配容置LED光源,光源容置腔11底面向外凸出形成第一球面111,光源容置腔11的側(cè)面112為用于光折射的圓柱面,光源容置腔11的母線垂直于第一端面10。LED光源光線經(jīng)側(cè)面112和第一球面111入射進(jìn)投光透鏡。該實(shí)施例中,光源容置腔11直徑為D,大小根據(jù)LED光源的具體尺寸確定。放置LED光源時(shí),LED光源中心與投光透鏡的透鏡光軸40重合。
[0030]第二端面20為出射面,第二端面20中部向內(nèi)凹陷形成光線出射腔21,光線出射腔21中部向外凸出形成第二球面211,該實(shí)施例中,第一球面111與第二球面211反向設(shè)置,在投光透鏡中部形成雙凸透鏡,分別對(duì)入射的光線進(jìn)行折射,形成第一光線傳輸通路。
[0031]第二端面20的外圍環(huán)繞光線出射腔21形成環(huán)狀凹槽22,環(huán)狀凹槽22為折射曲面,投光透鏡的側(cè)壁30為全反射面;該實(shí)施例中,LED光源光線經(jīng)側(cè)面112入射進(jìn)投光透鏡、投光透鏡的側(cè)壁30全反射入射的光線、環(huán)狀凹槽22對(duì)全反射的光線進(jìn)行折射,形成第二光線傳輸通路。
[0032]第一球面111、側(cè)壁30上坐標(biāo)點(diǎn)(Xl,Y1)滿足以下公式:
[0033]+ 5(I)
dvj
[0034]tan P1 = -^―
c^sI{Z)
[0035]其中,坐標(biāo)點(diǎn)(Xl,yi)為在過(guò)透鏡光軸的剖面坐標(biāo)系中的坐標(biāo);P1為過(guò)坐標(biāo)點(diǎn)(X1,Y1)在側(cè)壁30上的切線與平行于X軸的直線夾角;Θ ' 經(jīng)側(cè)面112折射的折射角;δ為在側(cè)壁30上過(guò)坐標(biāo)點(diǎn)(Xl,yi)全反射的光線與平行于Y軸的直線夾角;Y軸即為透鏡光軸。
[0036]第二球面211、環(huán)狀凹槽22上坐標(biāo)點(diǎn)(x2,y2)滿足以下公式:
[0037]n Sin ( θ ' 2+ β 2) = sin ( α + β 2)(3)
dy^
[0038]'tan β2 =■ ■
dx2(4)
[0039]其中,坐標(biāo)點(diǎn)(χ2,y2)為在過(guò)透鏡光軸的剖面坐標(biāo)系中的坐標(biāo);β2為第二球面211、環(huán)狀凹槽22的法線與平行于Y軸的直線夾角;Θ,2為經(jīng)第一球面111折射的折射角;α為在第二球面211、環(huán)狀凹槽22過(guò)坐標(biāo)點(diǎn)(x2,y2)出射的光線與平行于Y軸的直線夾角;Y軸即為透鏡光軸。
[0040]該實(shí)施例中,環(huán)狀凹槽22的內(nèi)環(huán)邊221略高于環(huán)狀凹槽的外環(huán)邊222 ;第一球面111半徑為R1,第二球面211半徑為R2 ;且半徑Rl大于半徑R2。
[0041]環(huán)狀凹槽22的剖面曲線223半徑為R3,半徑R3〈半徑R1,半徑Rl與半徑R3偏差在Imm內(nèi)。
[0042]如圖4所示,側(cè)壁30由母線31繞透鏡光軸40旋轉(zhuǎn)360度形成。母線31為拋物線,通過(guò)側(cè)面112折射的光線照射到母線31上,上述折射的光線逆向照射匯聚成一點(diǎn)O’,點(diǎn)O’與LED光源中心重合。
[0043]該實(shí)施例中,第二球面211的投影直徑大于2倍的環(huán)狀凹槽22的投影寬度;第二球面211的投影面積大于第一端面10的投影面積。投影為垂直投射在平行于第一端面10平面上的影像。環(huán)狀凹槽22的投影寬度即為內(nèi)環(huán)邊221、外環(huán)邊222在投射在平行于第一端面10平面上的影像的內(nèi)環(huán)邊、外環(huán)邊寬度。
[0044]該實(shí)施例中,光線出射腔21的側(cè)面212為圓柱面;光源容置腔11的高度小于等于光線出射腔21的高度。
[0045]在優(yōu)選實(shí)施方式中,該投光透鏡高度為14mm,外環(huán)邊222半徑=18.5mm,第一端面10半徑=7.5mm,光線出射腔21半徑=9.7mm,光源容置腔11半徑=3.5mm,光線出射腔21高度=4.88臟,光源容置腔11高度=4.18mm,折射率η = 1.59,半徑Rl = 22mm,半徑R2 =15.5mm,半徑R3 = 18.35mm,第一球面111球面頂點(diǎn)到LED光源中心的距離L = 3.9mm,第二球面211球面頂點(diǎn)到LED光源中心的距離L = 12.3mm,母線31的焦距F = 4.75mm。
[0046]圖4是一個(gè)實(shí)施例中投光透鏡出射光線配光曲線示意圖。結(jié)合圖1至圖4,LED光源設(shè)置在光源容置腔11中。LED光源的光線經(jīng)第一球面111和側(cè)面112入射到投光透鏡。第一球面111對(duì)LED光源發(fā)出的40°以內(nèi)的光線進(jìn)行折射,折射后形成的出射光線與透鏡光軸40接近平行,最后由第二球面211射出,即第一光線傳輸通路;側(cè)面112對(duì)LED光源發(fā)出的40° -90°的光線進(jìn)行折射,側(cè)壁30對(duì)折射后形成的出射光線進(jìn)行全發(fā)射,全反射后光線與透鏡光軸40接近平行,最后由環(huán)狀凹槽22射出,即第二光線傳輸通路。經(jīng)測(cè)定,該投光透鏡出射光線發(fā)光角小于正負(fù)20度,第一光線傳輸通路與第二光線傳輸通路的光線相互疊加滿足均勻的照度要求,從而獲得理想的配光效果。
[0047]該實(shí)施例中,該投光透鏡采用透明材料,便于注塑成型,優(yōu)選采用聚碳酸酯(PC)或者聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材質(zhì)。
[0048]此外,本發(fā)明還提供一種包括上述全反射型投光透鏡的燈具;根據(jù)需要,該燈具可以包括一個(gè)或者兩個(gè)以上同一水平分布規(guī)則設(shè)置的上述投光透鏡,且每個(gè)投光透鏡獨(dú)立的對(duì)應(yīng)一個(gè)LED光源。
[0049]如圖5、6所示,該燈具包括I個(gè)上述的投光透鏡,投光透鏡對(duì)應(yīng)的LED光源采用Cree XP-E 3W的LED。經(jīng)測(cè)定,在I米遠(yuǎn)測(cè)試位置最高光照度可以達(dá)到3201ux,光斑半徑為
0.4米,該燈具光通量得到極大提高,光照度得到極大提升。
[0050]上述投光透鏡以及使用該投光透鏡的燈具,依次經(jīng)第一球面折射和第二球面折射形成用于傳輸LED光源發(fā)射40°以內(nèi)發(fā)射光的第二光線傳輸通路;依次經(jīng)光源容置腔的側(cè)面折射、投光透鏡的側(cè)壁全反射及環(huán)狀凹槽折射形成用于傳輸LED光源發(fā)射40° -90°發(fā)射光的第二光線傳輸通路,從而對(duì)LED光源任意角度的光線進(jìn)行聚光,控制投光透鏡出射光線發(fā)光角小于正負(fù)20度,充分利用LED光源光線。同時(shí),兩次折射形成的光束與全反射出來(lái)的光束相互疊加滿足均勻的照度要求,從而獲得理想的配光效果,提高了對(duì)LED光源光線的利用率,適合中光束角度配光的投光燈使用。
[0051]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式,其描述較為具體和詳細(xì),但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是,對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下,還可以做出若干變形和改進(jìn),這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此,本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種全反射型投光透鏡,其特征在于,所述投光透鏡為以透鏡光軸對(duì)稱的圓臺(tái)型透鏡,所述投光透鏡直徑較小的第一端面中部向內(nèi)凹陷形成一用于適配容置LED光源的光源容置腔,所述光源容置腔底面向外凸出形成第一球面,所述光源容置腔的側(cè)面為折射面,所述光源容置腔的軸線垂直于所述第一端面;所述投光透鏡直徑較大的第二端面中部向內(nèi)凹陷形成一用于光出射的光線出射腔,所述光線出射腔底面向外凸出形成第二球面;環(huán)繞所述光線出射腔形成環(huán)狀凹槽,所述環(huán)狀凹槽的內(nèi)環(huán)邊高于所述環(huán)狀凹槽的外環(huán)邊;所述投光透鏡的側(cè)壁為全反射面,所述圓臺(tái)型透鏡的母線為拋物線; 所述第一球面和第二球面形成用于傳輸LED光源發(fā)射40°以內(nèi)光線的第一光線傳輸通路;所述光源容置腔的側(cè)面、所述投光透鏡的側(cè)壁及所述環(huán)狀凹槽形成用于傳輸LED光源發(fā)射40° -90°光線的第二光線傳輸通路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全反射型投光透鏡,其特征在于,所述第一球面、側(cè)壁上坐標(biāo)點(diǎn)(X1, Yi)滿足以下公式:
I rir , I Pi =玉 b + 5Ciy1
tan P1 =OX1 , 其中,坐標(biāo)點(diǎn)(Xpy1)為在過(guò)所述透鏡光軸的剖面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為過(guò)坐標(biāo)點(diǎn)(X1,yi)在所述側(cè)壁上的切線與平行于X軸的直線夾角Ji1為經(jīng)所述側(cè)面折射的折射角;δ為在所述側(cè)壁上過(guò)坐標(biāo)點(diǎn)(Xl,Y1)全反射的光線與平行于Y軸的直線夾角; 所述第二球面、環(huán)狀凹槽上坐標(biāo)點(diǎn)(x2,y2)滿足以下公式:
n sin ( θ ' 2+ β 2) = sin ( α + β 2),
dv-, tanB^ = ^- Ρ2 ds.其中,坐標(biāo)點(diǎn)(χ2,y2)為在過(guò)所述透鏡光軸的剖面坐標(biāo)系中的坐標(biāo);β2為所述第二球面、環(huán)狀凹槽的法線與平行于Y軸的直線夾角;θ ' 2為經(jīng)所述第一球面折射的折射角;α為所述第二球面、環(huán)狀凹槽過(guò)坐標(biāo)點(diǎn)(X2,y2)出射的光線與平行于Y軸的直線夾角。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全反射型投光透鏡,其特征在于,所述光源容置腔的側(cè)面折射的光線逆向照射匯聚成一點(diǎn)O’,所述點(diǎn)O’與所述LED光源中心重合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全反射型投光透鏡,其特征在于,所述第一球面半徑大于所述第二球面半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全反射型投光透鏡,其特征在于,所述第二球面的投影直徑大于2倍的所述環(huán)狀凹槽的投影寬度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全反射型投光透鏡,其特征在于,所述第二球面的投影面積大于所述第一端面的投影面積。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全反射型投光透鏡,其特征在于,所述光線出射腔的側(cè)面為圓柱面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的全反射型投光透鏡,其特征在于,所述光源容置腔的高度小于等于所述光線出射腔的高度。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全反射型投光透鏡,其特征在于,所述投光透鏡的材質(zhì)為聚碳酸酯或者聚甲基丙烯酸甲酯。
10.一種包括權(quán)利要求1至9任一所述的全反射型投光透鏡的燈具。
【文檔編號(hào)】F21V5/04GK104180298SQ201310203070
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2013年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月27日
【發(fā)明者】周明杰, 乃業(yè)利 申請(qǐng)人:海洋王(東莞)照明科技有限公司, 海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術(shù)有限公司