CN102072456B

CN102072456B - Led球面配光透镜

Info

Publication number: CN102072456B
Application number: CN2010105116415A
Authority: CN
Inventors: 王子能
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2030-10-19
Also published as: CN102072456A

Abstract

本发明涉及一种LED配光部件，具体是LED球面配光透镜。该透镜包括：呈柱状的透镜主体，该透镜主体底部设有安装底座，其顶部设有用于将来自该底部的光线反射出透镜主体的反射面，其中：所述反射面为呈锥状的多段式结构的凹面。与现有技术相比，本透镜的球面空间光强分布的范围更大，且光强分布的均匀性更好。

Description

LED球面配光透镜

技术领域

本发明涉及一种LED配光部件，具体是LED球面配光透镜。

背景技术

由于LED的发光效率>70Lm/W，远大于白炽灯的发光效率（15Lm/W）。LED替代白炽灯正成为全球节能照明的一个热点技术，但由于LED发光具有单向性的特点，不能满足白炽灯全方位发光的某些应用要求，使用二次光学系统使单向发光的LED光源转换成近似全方位发光的光源是当今市场需解决的技术。全方位发光表面的发光体为中心的空间上任一个测量面的光强分布都是近似一个中心圆的曲线.除灯头部分外，其余部分均应该近似一个以光源为中心的一个圆形曲线．该曲线越近似圆形表示光分布越均匀。

中国发明专利申请说明书CN101718414 A公开了一种用于LED光源的透镜。该透镜包括呈圆柱状的第一透镜体和呈圆弧体型的第二透镜体，第二透镜体设置在第一透镜体的顶部，且第二透镜体中设有顶部朝向第一透镜体底部的圆锥状反射面。其配光原理是：LED光第一透镜体底部进入第一透镜体，由于LED光具有单向性，大部分光线直接射向第二透镜体中的反射面而被反射至整个球面空间，而一部分光线则直接穿透第一透镜体，此外，也有部分光线在第一透镜体内壁面发生全反射，而最终射向反射面。

图6是上述透镜的配光曲线，该图中曲线61、62分别是C0平面和C90平面内的光强度分布曲线（配光曲线）。其中，C0平面是指通过第一透镜体1轴线的某一平面，C90平面为通过第一透镜体轴线并垂直于CO平面的平面。图6中的配光曲线61和曲线62的形状大致相同，这与该透镜整体呈轴对称结构是相吻合的。

但是从图6可以明显看出该透镜的存在以下问题：

（1）光强空间分布不够均匀

例如图6中，0°至20°范围的光强明显大于40°至90°空间的光强，而且20°至40°范围的光强分布出现明显递减，透镜整体的光强度分布不够合理。

（2）光分布角度过窄

例图6中，70°至90°范围的光强降低较快，且90°至180°范围为暗区。透镜整体的有效照明角度过窄。

综上所述，提供一种光强空间分布较为均匀且光分布角度较广的LED球面配光透镜是一个需要解决的技术问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种光强空间分布较为均匀且光分布角度较广的LED球面配光透镜。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种LED球面配光透镜，其包括呈柱状的透镜主体，该透镜主体底部设有安装底座，其顶部设有用于将来自该底部的光线反射出透镜主体的反射面，其中：所述反射面为呈锥状的多段式结构的凹面。所谓多段是指反射面由多反射面部分构成。本发明中，反射面为凹面或凸面是与等高等径的圆锥面相比较而言的。

作为改进之一：所述反射面为三段式结构，其包括依次连接：反射角度范围朝向透镜主体底部区域的第一反射面部分、反射角度范围朝向透镜主体中部区域的第二反射面部分，以及反射角度范围朝向透镜主体顶部区域的第三反射面部分。采用这种三段式结构的反射面的好处在于，当第一反射面部分和第三反射面部分的反射区域和光强分布基本确定以后，第二反射面部分的光强分布可以同时兼顾到其余两个反射面部分的光强度分布，即可以通过第二反射面部分来调节其与其余两者之间的光强分布的叠加范围。因此只需要改变第二反射面部分既可以调节整体的光强分布，方便设计人员针对不同的条件设计得到配光均匀的透镜。

作为改进之二：所述第一反射面部分为中心角较大的底部圆锥台面，所述第二反射面部分为中部圆弧面，所述第三反射面部分为中心角较小的顶部圆锥面。

作为改进之三：所述相邻反射面部分之间为平滑过渡。如果相邻反射面部分之间的过渡不平滑，在连接处的将会发生光反射的突变，反映在配光曲线上则是明显的拐点。配光曲线在拐点容易出现光圈现象，影响照明效果。

作为改进之四：所述透镜主体底部设有凹部。

作为改进之五：所述透镜主体与所述安装底座的结合处，和/或所述透镜主体与所述反射面的结合处设有过渡面曲面。与相邻反射面部分之间应该平滑过渡同样的道理，透镜主体与其他部件的连接处也应平滑过渡。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）光强度分布均匀

反射面射向透镜主体内壁得一部分光会发生折射，而另一部分光则会发生全反射，其中折射并不会减损光强，而全反射却会导致光强的减弱。由于LED光源、反射面和透镜主体内壁面三者之间特殊的位置关系，以及LED光源并非理想的点光源，使得反射面出射光线的光强因全反射减损的现象是普遍存在的。因此每一段圆锥面、凹面或凸面在其反射角度范围内的光强度分布都是不均匀的。而发明的反射面采用多段式结构，尽管各段反射面的光强分布仍然是不均匀的，但是各段反射面之间通过叠加组合可以得到分布更加均匀的光强度分布曲线。

（2）光分布角度较宽

由于是采用呈锥状的凹面的形式，因此光分布角度比采用圆锥面形式的反射面的反射角度范围更大。

附图说明

图1是本发明实施方式的透镜的立体图；

图2是本发明实施方式的透镜的剖视图；

图3是本发明实施方式的透镜的反射面结构的示意图；

图4是本发明实施方式的透镜的光路示意图；

图5是本发明实施方式的透镜的配光曲线图；

图6是CN101718414 A所公开透镜的的配光曲线图。

具体实施方式

如图1至3所示，本实施方式的LED球面配光透镜包括呈柱状的透镜主体11，该透镜主体1的底部11设有安装底座20，该透镜主体1的顶部12设有用于将来自该底部的光线反射出透镜主体1的反射面30。为了获得在球面空间中更加均匀的光强分布，则该反射面最好为回转面，该透镜主体最好为回转体。但是反射面和透镜主体略微修改成非标准的回转面或回转体，只要其配光曲线大致合理，且光强分布偏差在人们的视觉不可察觉的范围内，则该变形也是允许的。

在本实施方式中，该反射面为呈锥状的多段式结构的凹面。反射面的凹凸是相对与反射面等高等径的圆锥面来比较确定的。所谓的多段式，是指其母线由多段线组成，既可以全部采用直线段或曲线段，也可以采用直线段与曲线段的组合等形式。

如图3，该反射面包括依次连接的：反射角度范围朝向透镜主体底部区域的第一反射面部分31、反射角度范围朝向透镜主体中部区域的第二反射面部分32，以及反射角度范围朝向透镜主体顶部区域的第三反射面部分33。该第一反射面部分为中心角较大的底部圆锥台面31，该第二反射面部分为中部圆弧面32，该第三反射面部分为中心角较小的顶部圆锥面33。

虽然反射面整体为曲面时(例如反射面的母线为凹曲线)，光分布的角度也比现有的圆锥式反射面的角度要大，但是任意曲面的光分布的角度和强度不容易控制，要设计出发光角度合适（至少20°至120°范围内）和光强度分布均匀的透镜，难度相当大。而对于本实施方式的反射面，工程师可以先通过光路较容易控制的底部圆锥台面31和顶部圆锥面33控制两个区域的光强，然后再用中部圆弧面对整体的光强分布进行调节或补偿。即通过综合利用圆锥面的光分布角度较窄、光强度分布比较容易控制的特点，以及曲面光分布角度较广的特点，巧妙地解决了现有球面配光透镜光强度分布均匀性不佳和光分布角度不合理的难题。

此外，为进一步提高透镜的光强分布的均匀性，透镜主体1的底部还设有凹部13。现有球面配光透镜的底部为平面将会导致两方面的问题：一方面是，由于LED发光具有单向性，因此位于透镜底部LED发出的光大部分直接集中射向透镜顶部的圆锥状反射面，使得透镜顶部附近的空间光强过大（图6中0°-20°区域）。另一方面是，由于LED与透镜底部平面有一定的间隔，使得一部分部分LED光泄漏。而本透镜底部设置的凹部13可以将LED光进行一定程度的发散（与凹透镜原理类似），减少了直接射向反射面的光量，同时增加了直接穿透透镜主体1壁面（未发生全反射部分）射向斜上方（图5中20°-60°范围）有助于提高透镜整体配光的均匀性。

此外，为了消除透镜在使用时所产生的光圈，透镜主体1与安装底座的结合处，和/或透镜主体1与反射面的结合处设有过渡曲面，且相邻反射面部分之间设计成平滑过渡。如图5所示，CN101718414 A所公开的透镜的配光曲线在60°、40°和10°附近都有一个比较明显的凹部或凸部。在实际使用中，这些拐点处会出现较为明显的光圈。之所以造成其配光曲线出现明显拐点，主要因为该透镜的第一透镜体底部与安装座结合处、第二透镜体与第一透镜体结合处、圆锥反射面与第二透镜体壁面接触处存在明显的棱角，导致从这些地方出射或反射光线出现明显的集中或分散，直接导致光圈的产生。本实施方式将这些结合部位设置成过渡曲面，实现平滑过渡，可以消除光圈。

图4是本透镜在经过透镜轴线的某一截面中的光路示意图。该图中40为LED光源，41、42、43分别为LED光源40相对于第一至第三反射面部分右侧的相应母线的镜像。从图4中可以直观看出，第一至第三反射面的出射角度范围分别为透镜主体的底部区域、中部区域和顶部区域，透镜主体的凹部的出射角度范围为透镜主体的斜上方区域。

图5是本透镜的光强空间分布图。该图中曲线51、52分别是C0平面和C90平面内的光强度分布。其中，坐标中心为光源中心，C0平面是指通过透镜主体1轴线的某一平面，C90平面为通过第一透镜体轴线并垂直于CO平面的平面。从图5可以看出，本透镜的光强分布均匀度明显提高，而且配光曲线的凹凸部位过渡较为平滑，不会产生明显的光圈效果。且有效光分布范围扩大至0°至15°。

总体而言，在本实施方式的透镜的多段式反射面可以最大限度增加图5中60°至160°范围内的光强，透镜底部的凹部可以一定程度上减少反射面的出光量并加强图5中20°至60°的光强，从而使得本透镜的球面空间光强分布的范围扩大，光强分布的均匀性提高，而且也不会出现明显的光圈，具有突出的实质性特点和进步。

Claims

1.一种LED球面配光透镜，其包括呈柱状的透镜主体（1），该透镜主体底部（11）设有安装底座（20），该透镜主体（1）顶部（12）设有用于将来自该底部（11）的光线反射出透镜主体（1）的反射面（30），其特征在于：所述反射面（30）为呈锥状的多段式结构的凹面，所述反射面包括多个反射面部分，所述反射面为三段式结构，包括依次连接的：反射角度范围朝向透镜主体（1）底部区域的第一反射面部分（31）、反射角度范围朝向透镜主体（1）中部区域的第二反射面部分（32），以及反射角度范围朝向透镜主体（1）顶部区域的第三反射面部分（33）。

2.根据权利要求1所述的LED球面配光透镜，其特征在于：所述第一反射面部分（31）为中心角较大的底部圆锥台面，所述第二反射面部分（32）为中部圆弧面，所述第三反射面部分（33）为中心角较小的顶部圆锥面。

3.根据权利要求1或2所述的LED球面配光透镜，其特征在于：所述相邻反射面部分之间为平滑过渡。

4.根据权利要求1或2所述的LED球面配光透镜，其特征在于：所述透镜主体底部设有凹部（13）。

5.根据权利要求1或2所述的LED球面配光透镜，其特征在于：所述透镜主体与所述安装底座的结合处，和/或所述透镜主体与所述反射面的结合处设有过渡曲面。