CN108253381B - 一种透镜及包括该透镜的发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光学技术领域，提供了一种透镜，包括片状的透镜本体、设于透镜本体的第一面的出光面、设于透镜本体的第二面的入光面及用于进行二次反射的反射面，反射面环绕入光面设置；第二面开设有多阶凹槽，入光面形成于多阶凹槽的内表面；入光面包括由内向外依次环接且同中心轴的第一入光面、第二入光面以及第三入光面，第二入光面由第一入光面的外侧边背向出光面倾斜延伸，第三入光面由第二入光面的外侧边背向出光面倾斜延伸，第三入光面相对中心轴的夹角大于第二入光面相对中心轴的夹角，第三入光面的外侧边和反射面连接。通过上述第一、第二、第三入光面的设计，可以使得该透镜在输出强度均匀且角度可控的情况下实现透镜厚度减薄。

Description

一种透镜及包括该透镜的发光装置

技术领域

本发明属于光学技术领域，特别涉及一种透镜及包括该透镜的发光装置。

背景技术

透镜，是各种灯具的重要器件，通常用于对光源发出的光束进行调整，以输出满足要求的光束，例如发光角度、光斑形状及光斑均匀性等。比较常见的LED照明装置常采用透镜进行配光，传统的配光透镜要将光线调整到预定角度要求，需要对透镜的入射面和出射面的形状进行设计，并且要求光线在透镜中具有一定的行程才能达到该配光效果，为了保证实现理想的配光效果，透镜的厚度通常较大，这使得一些要求小型化的装置难以进一步压缩体积，限制了透镜的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种透镜，旨在解决传统透镜难以同时满足配光要求及减小厚度的技术问题。

本发明是这样实现的，一种透镜，包括片状的透镜本体、设于所述透镜本体的第一面的出光面、设于所述透镜本体的第二面的入光面以及设于所述透镜本体的第二面的用于对出光面反射的光进行二次反射的反射面，所述反射面环绕所述入光面设置；所述透镜本体的第二面开设有多阶凹槽，所述入光面形成于所述多阶凹槽的内表面；所述入光面包括由内向外依次环接且同中心轴的第一入光面、第二入光面以及第三入光面，所述第二入光面由所述第一入光面的外侧边背向所述出光面倾斜延伸，所述第三入光面由所述第二入光面的外侧边背向所述出光面倾斜延伸，所述第三入光面相对所述中心轴的夹角大于所述第二入光面相对所述中心轴的夹角，所述第三入光面的外侧边和所述反射面连接。

进一步地，所述第一入光面在所述出光面上的投影为圆形，所述第二入光面、所述第三入光面和所述反射面在所述出光面上的投影均为圆环形。

进一步地，所述第一入光面和第二入光面的连接处形成指向所述出光面的“V”形槽，所述“V”形槽的夹角为30゜-90゜。

进一步地，所述反射面的纵截面为背向所述出光面凸起的弧形。

进一步地，所述第一入光面的纵截面为背向所述出光面凸起的弧形。

进一步地，所述第一入光面包括设置于中央的平滑面和设置于所述平滑面周围的第一齿面，所述平滑面和第一齿面同中心轴；所述第一齿面包括至少两个背向所述出光面延伸的用于对光线进行折反射的第一齿尖。

进一步地，所述第三入光面包括第三齿面，所述第三齿面包括至少两个背向所述出光面延伸的用于对光线进行折反射的第三齿尖。

进一步地，所述第三入光面和所述反射面之间设有平顶环带，所述平顶环带与所述出光面平行，光源设置于所述多阶凹槽的槽口中心，且所述光源的发光点与所述平顶环带处于同一平面。

进一步地，所述出光面为平面。

本发明的另一目的在于提供一种发光装置，包括上述任一项所述的透镜以及设置于所述多阶凹槽的槽口中心的光源。

本发明提供的透镜具有如下有益效果：

在多阶凹槽的槽口部位设置光源，光源发出的光线经过第一入光面、第二入光面和第三入光面射入透镜本体，其中，经第一入光面射入的光线经过第一入光面和出光面的折射，保证中心光强的强度和均匀度；经第二入光面射入透镜本体的光线中，大部分经过出光面进行一次反射至反射面，并经过反射面二次反射后通过出光面射出；经第三入光面射入的光线，大部分经过了第三入光面和出光面的折射，控制周围光线的强度和均匀度以及光束发射角。这种二次反射结合上述第一入光面、第二入光面和第三入光面的折反射，可以使得该透镜在输出强度均匀且角度可控的情况下实现透镜厚度减薄。

附图说明

图1是本发明实施例提供的透镜的立体结构示意图；

图2是本发明的一种实施例提供的透镜的立体结构示意图；

图3是本发明的一种实施例提供的透镜的剖视图；

图4是本发明的一种实施例提供的透镜的光路图；

图5是本发明的另一种实施例提供的透镜的立体结构示意图；

图6是本发明的另一种实施例提供的透镜的俯视图；

图7是本发明的另一种实施例提供的透镜的剖视图；

图8是本发明的另一种实施例提供的透镜的光路图；

图9是本发明实施例提供的距离光源1米处光斑效果图；

图10是本发明实施例提供的距离光源1米处光斑照度分布图；

图11是本发明实施例提供的距离光源0.5米处光斑效果图；

图12是本发明实施例提供的距离光源0.5米处光斑照度分布图；

图13是本发明实施例提供的人距离光源0.25米处看到的透镜发光效果图；

图14是本发明实施例提供的透镜聚光角度为14.1度且泛光角度为30度时的光斑效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了说明本发明所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。

请参阅图1至图4，本发明实施例提供一种透镜，用于对光源发出的光线进行调整，使出射的光线强度均匀且符合相应的角度要求，并且，相比于传统的透镜厚度更小。该透镜包括片状的透镜本体10、设于透镜本体10的第一面的出光面20、设于透镜本体10的第二面的入光面30以及设于透镜本体10的第二面的用于对出光面20反射的光进行二次反射的反射面40，反射面40环绕入光面30设置。透镜本体10为一透光材料制作的实体结构，第一面和第二面为相对的两个面，可以理解，在第一面和第二面的外边缘之间可以设有侧面50，在另一实施例中，第一面和第二面的外边缘也可以直接相连接。透镜本体10的第二面开设有多阶凹槽，多阶凹槽是指该凹槽的内壁为多个不同角度的环状斜面沿着透镜本体10中心轴的方向依次成角度连接形成的纵截面为折线形的内壁，而不是直线形内壁或者弧线形内壁。上述入光面30即形成于该多阶凹槽的内表面，即入光面30为多阶入光面30。具体地，该入光面30包括由内向外依次环接且同中心轴L的第一入光面31、第二入光面32以及第三入光面33，其中，第二入光面32由第一入光面31的外侧边背向出光面20倾斜延伸，第三入光面33由第二入光面32的外侧边背向出光面20倾斜延伸，第三入光面33和中心轴L的夹角大于第二入光面32和中心轴L的夹角，第三入光面33的外侧边和反射面40连接，反射面40的外边缘可以和侧面50连接或者和出光面20连接。在一种实施例中，上述第一入光面31、第二入光面32、第三入光面33和出光面20可以直接基于透镜本体10的表面形成，即透镜本体10的表面直接加工成预定的结构，即获得了上述第一入光面31、第二入光面32、第三入光面33和出光面20，在另一种实施例中，还可以在透镜本体10的表面加工成预定形状后设置相应的增透膜或者增反膜等形成上述第一入光面31、第二入光面32、第三入光面33和出光面20。反射面40则通过在透镜本体10的第二面的多阶凹槽的周围部分设置反射膜形成。

在该透镜中，在多阶凹槽的槽口部位设置光源60，光源60发出的光线经过入光面30射入透镜本体10，即，光源60发出的光线可以经过第一入光面31、第二入光面32和第三入光面33射入透镜本体10。其中，经第二入光面32射入透镜本体10的光线中，一部分经过出光面20进行一次反射至反射面40，并经过反射面40二次反射后通过出光面20射出，这种二次反射结合上述第一入光面31、第二入光面32和第三入光面33的折反射可以使得该透镜能够输出均匀的光线并使透镜的厚度得以减薄。

该透镜的工作原理如下：参考图3和图4，光源60放置于多阶凹槽的槽口中心处，光源60发出的光线中，靠近入光面30中心轴L的第一光束L1经过第一入光面31射入透镜本体10，这部分入射角较小，大部分直接经过出光面20折射出去；较第一光束L1入射角稍大的第二光束L2经过第二入光面32射入透镜本体10，其中的一部分光线L21以较小的入射角射向出光面20，由出光面20折射出去，另一部分光线L22以较大的入射角度射向出光面20，在出光面20处进行全反射并反射至反射面40，经过反射面40反射后再经过出光面20折射出去。角度最大的第三光束L3经过第三入光面33射入透镜本体10，大部分经过第三入光面33的折射后由出光面20射出，当然，也可能有部分光线经过反射面40的反射后再由出光面20射出。通过第一入光面31、第二入光面32和第三入光面33的折射，以及反射面40的二次反射，使光束的聚光角度和泛光角度得到有效控制，并使光斑更加均匀。

重要的是，该透镜能够实现充分的二次反射，这种二次反射使得光线角度和均匀度得到充分的调整，使得出射光线在一定光束角内强度均匀，在相同厚度的情况下，采用多阶凹槽形成入光面30和采用传统的普通凹槽形成入光面30相比，该多阶凹槽型的透镜配光效果更好，进而，在实现相同配光效果的情况下，该透镜的厚度可以更薄。

根据检测，制作直径为20mm、出射光角度为10゜的透镜，其透镜高度(厚度)可控制在3～4mm，而普通透镜的厚度则需要7～9mm。

参见图9至图14所示的配光效果图，其中，图9和图10示意了距离光源1m处的光斑效果图和照度分布图；图11和图12示意了距离光源0.5m处的光斑效果图和照度分布图；可见光斑形状规则，照度均匀。图13示意了人距离光源250mm处看到的透镜发光效果，可见该透镜的目视效果较佳，人眼感知亮度均匀，无炫目。图14示意了一种透镜的效果图，该透镜最大透光率为81％，透镜聚光角度(半光强全角)为14.1度，泛光角度(1/10光强全角)为30度，中心光强值为3762cd/600lm，可见该透镜光斑亮度均匀性好，且光斑周边强度截至性好，光能利用率高。

在本实施例中，该第一入光面31、第二入光面32、第三入光面33和反射面40是由内向外依次环接的，优选地，第一入光面31在出光面20上的投影为圆形，第二入光面32、第三入光面33和反射面40在所述出光面20上的投影均为圆环形。入光面30的中心轴L垂直于第一入光面31的中心。

进一步地参考图3，第一入光面31、第二入光面32和第三入光面33的倾斜角度各不相同，形成折线形连接结构，其中，第一入光面31和第二入光面32的相交之处形成“V”形槽结构，“V”形槽结构的夹角为30゜-90゜。这种入光面30结构通过折反射及二次反射等过程将中心光强均匀化并增强周边暗区的强度，使光斑均匀，同时使光束角度约束在一定范围内。

进一步地参考图3，第三入光面33和反射面40之间设有平顶环带70，平顶环带70与出光面20平行，光源60设置于多阶凹槽的槽口中心且发光点与该平顶环带70处于同一平面。设置该平顶环带70，一方面有利于光源60的定位，另一方面有利于透镜在灯具中的装配。

进一步优选地，反射面40的纵截面为背向出光面20凸起的弧形，第一入光面31的纵截面为背向出光面20凸起的弧形，出光面20为平面形，用于将光线扩展同时限制在预定的角度内，使光斑亮度均匀且大小达到要求，同时便于制造。

作为本实施例的一种改进方案，第一入光面31由两部分结构组成，参考图5至图8，即，该第一入光面31包括位于中央区域的平滑面311和位于平滑面311周围的第一齿面312，该平滑面311和第一齿面312具有共同中心轴L，平滑面311优选为背向出光面20凸起的弧形面，第一齿面312则包括至少两个背向出光面20延伸的用于对光线进行折反射的第一齿尖3121，即，第一齿面312是由两个或多个内外环接的圆环形的凸脊结构构成的。如图7和图8，通过设置第一齿尖3121，可以将光线更加均匀地并且角度更加可控地投射出去，增加中心光强的均匀性。

优选地，第一齿尖3121的指向偏向中心轴L的方向，有利于实现中心光强的调节。

作为本实施例的进一步改进方案，第三入光面33包括第三齿面331，该第三齿面331包括至少两个背向出光面20延伸的用于对光线进行折射或折反射的第三齿尖3311。同样地，第三齿面331是由两个或多个内外环接的圆环形的凸脊结构构成的。如图7和图8，由第三入光面33射入透镜本体10的光线，经过第三齿尖3311的折射进入透镜本体10，其中一部分经过出光面20射出透镜，还有一部分光线经过其他第三齿尖3311的反射后再经过出光面20射出透镜，这种折反射使得大角度光线得以被聚拢，进而控制出射光的光束角度和均匀性。当然，经过第三齿尖3311进入透镜本体10的光线中，不排除有部分光线可以投向反射面40，再由反射面40反射至出光面20，经过反射面40的反射仍可控制出射光的角度，使光线集中在预定的角度内。

优选地，第三齿尖3311的指向偏向中心轴L的方向，有利于实现周边光强的调节和光束角度的控制。

进一步优选地，第一齿尖3121的数量为二至四个，第三齿尖3311的数量为三至五个，能够满足光线调配的要求且便于制造。

上述透镜可用于各种需要透镜配光的发光装置中，例如LED灯具，该发光装置也在本发明的保护范围内。该发光装置包括光源60，设置于多阶凹槽的槽口中心。进一步地，该光源60的发光中心位于槽口所在平面的中心，以便于和入光面30结构配合保证更好的配光效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种透镜，其特征在于，包括片状的透镜本体、设于所述透镜本体的第一面的出光面、设于所述透镜本体的第二面的入光面以及设于所述透镜本体的第二面的用于对出光面反射的光进行二次反射的反射面，所述反射面环绕所述入光面设置；所述透镜本体的第二面开设有多阶凹槽，多阶凹槽是指该凹槽的内壁为多个不同角度的环状斜面沿着透镜本体中心轴的方向依次成角度连接形成的纵截面为折线形的内壁，所述入光面形成于所述多阶凹槽的内表面；所述入光面包括由内向外依次环接且同中心轴的第一入光面、第二入光面以及第三入光面，所述第二入光面由所述第一入光面的外侧边背向所述出光面倾斜延伸，所述第三入光面由所述第二入光面的外侧边背向所述出光面倾斜延伸，所述第三入光面相对所述中心轴的夹角大于所述第二入光面相对所述中心轴的夹角，所述第三入光面的外侧边和所述反射面连接。

2.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述第一入光面在所述出光面上的投影为圆形，所述第二入光面、所述第三入光面和所述反射面在所述出光面上的投影均为圆环形。

3.如权利要求1或2所述的透镜，其特征在于，所述第一入光面和第二入光面的连接处形成指向所述出光面的“V”形槽，所述“V”形槽的夹角为30゜-90゜。

4.如权利要求1或2所述的透镜，其特征在于，所述反射面的纵截面为背向所述出光面凸起的弧形。

5.如权利要求1或2所述的透镜，其特征在于，所述第一入光面的纵截面为背向所述出光面凸起的弧形。

6.如权利要求1或2所述的透镜，其特征在于，所述第一入光面包括设置于中央的平滑面和设置于所述平滑面周围的第一齿面，所述平滑面和第一齿面同中心轴；所述第一齿面包括至少两个背向所述出光面延伸的用于对光线进行折反射的第一齿尖。

7.如权利要求6所述的透镜，其特征在于，所述第三入光面包括第三齿面，所述第三齿面包括至少两个背向所述出光面延伸的用于对光线进行折反射的第三齿尖。

8.如权利要求1或2所述的透镜，其特征在于，所述第三入光面和所述反射面之间设有平顶环带，所述平顶环带与所述出光面平行，光源设置于所述多阶凹槽的槽口中心，且所述光源的发光点与所述平顶环带处于同一平面。

9.如权利要求1或2所述的透镜，其特征在于，所述出光面为平面。

10.一种发光装置，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的透镜以及设置于所述多阶凹槽的槽口中心的光源。