CN102414505B - 具备可控光折射的透镜 - Google Patents

Abstract

一种分配来自发射器的光的透镜，光发射器具有轴并且界定出发射器平面，外表面包括输出区域，每一个输出区域都被设置用于折射来自对应的一个内部区域的光以使来自每一个内部区域的光在外表面被折射而基本不会与来自其他内部区域的光重叠，并且包括发射器附近的底座端，形成有开向围绕发射器的内腔的开口。内腔表面，包括：轴附近的第一内部区域，折射发射器的光远离轴；第二内部区域，与第一内部区域间隔开并且将发射器的光向轴折射；以及中间内部区域，连接第一和第二内部区域并且基本上截面渐近至第一和第二内部区域。中间内部区域相对于发射器被设置为通过在逐渐接近至第二内部区域的位置逐渐减量的方式来折射光远离轴。

Description

具备可控光折射的透镜

技术领域

本发明涉及照明灯具，并且更具体地涉及被设计用于期望的LED光分布的光学器件。本发明还涉及LED光学器件领域。

背景技术

近年来，用于各种常见照明用途的发光二极管(LED)的使用不断增多，并且这种趋势正随着在LED和经常被称为“LED模块”的LED阵列承接设备中取得的进步而加速。实际上，主要由使用高强度放电(HID)灯、卤素灯、节能灯(CFL)以及其他光源的灯具满足的照明需求现在已经开始越来越多地由LED来满足。创造性的工作在LED研发领域内持续进行，并且也在尽可能多地有效利用由LED发出的光的领域内持续进行。

已经对研发小透镜进行了一些尝试，小透镜用于引导由小型LED封装发出的光，并且使用透镜是为了重新定向一定量的发射光以形成期望的照明模式。但是，由于经常会损失一部分LED的发射光，因此这样的透镜在最为需要的性能方面可能有所不足。

通常，LED的发射光线的一部分是以先前会导致照明不合需要的区域并由此形成低于全效的照明模式的角度取向。现有的透镜通常被设置为或者是避免这些不合需要的光线离开透镜，或者就是在这样的光线离开透镜之后立刻加以阻挡。尽管这些步骤被认为是要实现期望的照明模式和避免所谓的照明“侵扰”所必需的，但是它们会导致光损失并降低LED照明装置的效率。非常希望能够提高由LED发出的光的输出效率。

典型的LED照明装置以很宽的角度范围发光，使得光线以不同的角度到达透镜输出面的相同区域。这就使得非常难以控制这些光的折射。因此，只有一部分被折射的光是以期望方向被折射的，而其余部分则在几乎没有控制的情况下离开透镜。希望能够对离开透镜的光的方向提供更好的控制。

侵扰的照明不仅可以通过射向不合需要的方向的光量来评估，而且还可以考量这样的光线的方向与期望方向偏离多远。提供一种通过将最大的光量射向想要照亮的区域而形成期望照明模式的照明装置将会是非常有利的。

发明目的

本发明的一个目的是提供改进的LED光学器件(透镜)以克服现有技术中包括以上提及内容在内的部分问题和缺点。

本发明的另一个目的是提供一种LED透镜，具有提高的光输出效率。

本发明的另一个目的是提供一种LED透镜，具有改进的离开光学器件的光的方向控制。

根据以下的说明内容和附图，如何实现这些以及其他的目的就将是清楚的。

发明内容

本发明是一种透镜，具有提高的来自光发射器的光的输出效率，光发射器具有发射器轴并且界定出发射器平面。优选的是光发射器是一种没有围绕反射面的LED封装。这种对来自光发射器的光输出效率的提高是通过本发明的透镜实现的，该透镜位于发射器上方并且专门被设计用于控制透镜输出面处的可控光折射。本发明的透镜提供了包括以先前会导致这样的光损失的角度发射的光在内的几乎全部发射光的有效输出。

本发明的透镜包括发射器附近的底座端，形成有开向围绕发射器的内腔的开口。内腔表面优选地包括轴附近的第一内部区域，与第一内部区域间隔开的第二内部区域，以及连接第一和第二区域的中间内部区域。轴附近的第一内部区域被设置用于将发射器的光线折射远离轴。第二内部区域被设置用于将发射器的光线向轴折射。中间内部区域基本上截面渐近至轴附近的区域和底座附近的区域。优选的是中间内部区域相对于发射器被设置为通过在逐渐接近至底座附近的内部区域的多个位置处以逐渐减少的量来折射光远离轴。

透镜进一步具有包括输出区域的外表面，每一个输出区域都被设置用于折射来自相应的其中一个内部区域的光线以使来自每一个内部区域的光线在外表面基本都被折射而不会与来自其他内部区域的光线重叠。

在优选的实施例中，外表面的输出区域包括轴附近的第一输出区域，与第一输出区域间隔开的第二输出区域，以及连接第一和第二输出区域的中间输出区域。轴附近的第一输出区域被设置用于接收来自轴附近的第一内部区域的发射器光线并优选地将其折射远离轴。第二输出区域被设置用于接收来自第二内部区域的发射器光线并优选地基本上将其折射远离轴。中间输出区域被设置用于接收来自中间内部区域的发射器光线并优选地基本上将其折射远离轴。

优选的是外表面进一步包括底座附近的外表面区域，该区域从第二输出区域延伸并且基本上不会接收任何发射器光线。底座附近的外表面区域优选地基本垂直于发射器平面。

在某些优选的实施例中，第二内部区域在触及发射器平面之前终止。在这样的实施例中，内腔表面进一步优选地包括从第二内部区域延伸的底座附近的内部区域。底座附近的内部区域优选地基本垂直于发射器平面。在第二内部区域和发射器平面之间发出的光线优选基本无折射地通过底座附近的内部区域。

在刚刚介绍的实施例中，透镜优选地进一步包括周边的内表面，接收来自底座附近的内部区域的光线。高度优选的是周边的内表面被设置用于将这样的光线向发射器轴全内反射(TIR)。周边的内表面优选地由从底座端延伸的周边空腔构成。优选的是周边的内表面被设置用于在光线进入周边空腔之前就将其全内反射。

在本发明的优选实施例中，轴附近的第一内部区域是基本上截面内凹的，而第二内部区域是基本上截面外凸的。进一步优选的是中间内部区域是基本上截面线性的。换句话说，中间内部区域优选地是基本为截锥体的形状。

内腔表面可以是基本旋转对称的。外表面也可以基本旋转对称以使透镜具有制成为基本平行于发射器平面的基本为环形的截面。

附图说明

图1是本发明透镜的放大的透视截面图。

图2是图1中透镜高倍放大的局部截面侧视图，示出了由内部空腔的表面区域和周边的内部空腔表面折射的发射器光线。

图3是图1中透镜放大的局部截面侧视图，示出了在发射器轴附近由发射器发出的光的折射并且包括了主透镜。

图4是图1中透镜放大的局部截面侧视图，示出了在发射器轴处发出的光的折射。

图5是放大的局部截面侧视图，示出了如图3中发出的光的无折射的光的方向。

图6是图1中透镜放大的局部截面图，示出了从发射器轴的一侧发出的光的折射。

图7是图1中透镜放大的局部截面图，示出了从发射器轴的另一侧发出的光的折射。

具体实施方式

图1-7示出的透镜10是本发明的一个优选实施例。透镜10用于引导来自光发射器1的光线，光发射器1具有发射器轴2并且界定出发射器平面3。透镜10包括发射器附近的底座端12，形成有开向围绕发射器1的内腔14的开口。内腔14界定出发射器1和内腔表面20之间的空间以使发射器光穿过空气以在内腔表面20处进入透镜材料。因为空气与可以是聚丙烯类材料或其他合适材料的透镜材料具有不同的折射率，结果导致光线在内腔表面20处弯折。

图2清楚地示出了内腔表面20的结构，内腔表面20包括轴附近的第一内部区域21，与第一内部区域21间隔开的第二内部区域22，以及连接第一区域21和第二区域22并且基本上渐近至第一内部区域21和第二内部区域22的中间内部区域23。

图1和图3清楚地示出了透镜10进一步具有外表面30，外表面30包括轴附近的第一输出区域31，与轴附近的第一输出区域31间隔开的第二输出区域32，以及连接第一输出区域31和第二输出区域32的中间输出区域33。每一个输出区域31、32和33都被设置用于折射来自对应的一个内部区域21、22和23的光线。因此，来自每一个内部区域21、22或23的光线在外表面30基本都被折射而不会与来自其他内部区域的光线交叠。

在图3中还可以看出，外表面30进一步包括底座附近的外表面区域34，该区域从第二输出区域32延伸并且基本上不会接收任何发射器光线。底座附近的外表面区域34基本垂直于发射器平面3。应该意识到，由于底座附近的外表面基本上不参与发射器光的分配，因此它可以具有由透镜的定位和安装或者例如材料或空间节约等其他因素决定的任意结构。

图2清楚地示出了轴附近的第一内部区域21被设置用于折射经过轴附近的第一内部区域21的发射器光线210远离轴2。这样就为轴周围发出的光提供了更广的分布并允许加大第一输出区域31的尺寸以实现将光线210更好地折射到透镜10以外。由轴附近的第一内部区域21接收的光线210具有最高的强度。这是因为发射器光的最高光照强度通常都集中在轴2周围。通过折射光线210远离轴2，轴附近的内部区域21就允许将这样的光线210分配到更大的面积上。这就改善了光照强度的均匀度并且明显降低了光照强度分布曲线图中所谓的“热点”效应。图2进一步示出了轴附近的第一内部区域21是基本上截面内凹的。

在图2中进一步可以看出，第二内部区域22被设置用于将发射器的光线向轴折射。可以看出在图2中第二内部区域22是基本上截面外凸的。第二内部区域转移光线220远离底座附近的外表面区域34，光线220主要包括在与发射器平面3成约30度角的范围内发射的光线。正如图1中能够看到的那样，底座附近的外表面区域34被结构件50围绕，结构件50可以用于将透镜10相对于发射器1进行固定或者可以是阻挡发射器光沿不合需要的方向行进的挡板。因此，本应抵达底座附近区域34的任何光线都会被该结构件50阻挡并最终损失。在现有的透镜中，因为损失了部分光，所以为了满足期望的极坐标坎德拉曲线的目标，外表面就必须被设计为将部分轴附近的光线向侧面偏斜以提供所需的照明。通过将光线220向发射器轴2折射，该光即可在输出区域32处由外表面30接收，这不仅可以输送光220离开透镜10，而且还可以进一步沿期望方向，也就是如图3中所示的远离发射器轴2的方向折射光220。故此，因为光220在期望照明模式的侧面提供了期望的照明，所以就不需要再为此而偏斜轴附近的光210。

在现有的透镜中，发射器和透镜内表面之间的空间被填有光学凝胶，以使发射器光线无折射地经过其中并以与发射时相同的角度抵达外表面。在这样的现有透镜中，外表面是用于光折射的唯一手段。在与这种现有透镜相比较时，透镜10的外表面30的结构令人意外地明显比那些现有的透镜更加简单。在现有的透镜中，光线以很宽的角度范围到达外表面。因此，在形成该现有的外表面以用于沿期望方向折射光线时，基本上所有这些角度都必须要加以考虑。在透镜10中，绝大部分发射器光的方向最初基本上由内表面20控制，并且来自其中一个内部区域的光基本上仅由外表面30中对应的一个输出区域接收。结果，外表面30的每一个输出区域都接收了基本上以很窄的角度范围抵达的光。这一点与消除了为侧面照明而折射轴附近的光的需求而提高的效率相结合，就简化了外表面30中用于沿期望方向折射这些光的输出区域的结构，并因此降低了在光输出方向上有不规则冲击的可能性。

在图2中能够看出中间内部区域23相对于发射器1被设置为通过在逐渐接近至底座附近的内部区域的多个位置处以逐渐减少的量来折射光远离轴2。在某些情况下，中间区域23可以被设置和定位成允许发射器光基本无折射地从中经过。正如图2中清楚示出的那样，中间内部区域23基本上是截面直线型的。换句话说，中间内部区域23具有基本上截锥体的形状。

正如图3中清楚看到的那样，轴附近的第一输出区域31被设置用于接收来自轴附近的第一内部区域21的发射器光线210并进一步将其折射远离轴2。第二输出区域32被设置用于接收来自第二内部区域22的发射器光线220并将其基本上折射远离轴22。中间输出区域33被设置用于接收来自中间内部区域23的发射器光线230并将其基本上折射远离轴2。

应该理解外表面30的图示结构仅仅是一种示范性的结构。外表面30可以具有由期望照明模式决定的其他结构。

在附图中可以进一步看出，第二内部区域22在到达发射器平面3之前终止。内腔表面20进一步包括从第二内部区域22延伸的底座附近的内部区域24。底座附近的内部区域24基本上垂直于发射器平面3并且被定向用于使第二内部区域22和发射器平面3之间发出的光240基本无折射地通过。

透镜10进一步包括周边的内表面40，其接收来自底座附近的内部区域24的光240。周边的内表面40被设置用于将光240向发射器轴2全内反射(TIR)。由此，得自透镜10的光240即可用于有效照明而不会损失。周边的内表面40由从底座端12延伸的周边空腔41构成。正如图2中清楚看到的那样，周边的内表面41被设置用于在光线240进入周边的空腔41之前就将其全内反射。

图1示出了内腔表面20基本上是旋转对称的。周边的空腔41和周边的内表面40也基本上是旋转对称的。图1中所示实施例进一步将外表面30示出为基本上旋转对称的，以使得透镜10在基本平行于发射器平面3的平面内具有基本为环形的截面。可选地，内表面和外表面可以具有在基本平行于发射器平面的平面内制成的、得到基本上为椭圆形或卵形的截面。换句话说，这些表面可以具有不同于旋转对称的对称性。进一步应该理解的是，根据期望的照明模式，本发明的透镜可以被成形为没有对称性而是具有不对称的表面。

尽管已经结合具体实施例图示和介绍了本发明的原理，但是应该理解这些实施例只是作为示例而并不是为了加以限制。

Claims (16)

1.一种用于分配来自光发射器的光的透镜，所述光发射器具有发射器轴并且界定出发射器平面，所述透镜包括：

●发射器附近的底座端，形成有开向被配置为围绕所述发射器的内腔的开口；以及

●内腔表面，包括：(a)大体上截面内凹的轴附近的第一内部区域，被设置用于将发射器光线折射远离所述轴，(b)大体上截面外凸的第二内部区域，与所述第一内部区域间隔开并且被设置用于将发射器光线向所述轴折射，以及(c)大体上截面直线型的中间内部区域，连接所述第一和第二内部区域并且基本上截面渐近至所述第一和第二内部区域，所述中间内部区域被设置为在逐渐接近至所述第二内部区域的多个位置处以逐渐减少的量来折射发射器的光远离所述轴；以及

●外表面，被配置为将来自每一种内部区域的光大体上折射远离所述发射器轴。

2.如权利要求1所述的透镜，其中所述外表面具有输出区域，每一个输出区域都被设置用于折射来自相应的其中一个内部区域的光，以使得在所述外表面处来自每一个内部区域的光被折射而基本不会与来自其他内部区域的光重叠。

3.如权利要求2所述的透镜，其中所述外表面的输出区域包括：

●轴附近的第一输出区域，被设置用于接收来自轴附近的第一内部区域的发射器光线并将其折射远离所述轴；

●第二输出区域，与所述第一输出区域间隔开并且被设置用于接收来自所述第二内部区域的发射器光线并基本上将其折射远离所述轴；以及

●中间输出区域，连接所述第一和第二输出区域并且被设置用于接收来自所述中间内部区域的发射器光线并基本上将其折射远离所述轴。

4.如权利要求3所述的透镜，其中所述外表面进一步包括底座附近的外表面区域，该底座附近的外表面区域从所述第二输出区域延伸并且基本上不会接收到任何发射器光。

5.如权利要求4所述的透镜，其中所述底座附近的外表面区域基本上垂直于所述发射器平面。

6.如权利要求4所述的透镜，其中所述内腔表面进一步包括从所述第二内部区域延伸的底座附近的内部区域，并且被设置为使得所述第二内部区域和所述发射器平面之间发出的光线基本上无折射地通过所述底座附近的内部区域。

7.如权利要求6所述的透镜，进一步包括周边的内表面，其接收来自所述底座附近的内部区域的光，所述周边的内表面被设置用于将这样的光向所述输出区域全内反射TIR。

8.如权利要求7所述的透镜，其中所述周边的内表面由从所述底座端延伸的周边空腔构成，所述周边的内表面被设置用于在光线进入所述周边空腔之前就将其全内反射。

9.如权利要求2所述的透镜，其中所述内腔表面是基本上旋转对称的。

10.如权利要求9所述的透镜，其中所述外表面是基本上旋转对称的，以使得所述透镜在基本上平行于所述发射器平面的平面内具有基本为圆形的截面。

11.如权利要求1所述的透镜，其中所述内腔表面大体上是旋转对称的。

12.如权利要求1所述的透镜，其中所述第二内部区域在到达所述发射器平面之前终止。

13.如权利要求12所述的透镜，其中所述内腔表面进一步包括从所述第二内部区域延伸的底座附近的内部区域，所述底座附近的内部区域被设置为使得所述第二内部区域和所述发射器平面之间发出的光线基本无折射地通过所述底座附近的内部区域。

14.如权利要求13所述的透镜，进一步包括周边的内表面，其接收来自所述底座附近的内部区域的光，所述周边的内表面被设置用于将这样的光向所述发射器轴全内反射TIR。

15.如权利要求12所述的透镜，进一步包括周边的内表面，其接收在所述底座附近的内表面和所述发射器平面之间发出的光，所述周边的内表面被设置用于将这样的光向所述发射器轴全内反射TIR。

16.如权利要求15所述的透镜，其中所述周边的内表面由从底座端延伸的周边空腔构成，所述周边的内表面被设置用于在光线进入所述周边空腔之前就将其全内反射。