CN101900293B - 聚光透镜以及使用该聚光透镜的灯具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚光透镜以及使用该聚光透镜的灯具，该聚光透镜为以透镜光轴对称的圆台型透镜，直径较小的第一端面中部向内凹陷形成一用于适配容置LED光源的光源容置腔，光源容置腔底面向外凸出形成第一球面；聚光透镜直径较大的第二端面中部向外凸出形成第二球面；聚光透镜的侧壁为全反射面，该圆台型透镜的母线为折线，母线由多段线段依次连接形成，多段线段与透镜光轴所成角度为至其中，n为聚光透镜折射率。本发明对LED光源任意角度的光线进行聚光，充分利用LED光源光线，并使聚光透镜出射光线发光角小于5度，极大提高了聚光效果。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种透镜，尤其涉及一种适用于LED光源的聚光透镜以及使用该聚光透镜的灯具。
【背景技术】
随着制造科技和半导体技术的发展，LED光源以其耗电少、亮度强日益成为传统光源的替代品。
但是，LED光源受本身特性所限，辐射角度很大，容易扩散。在使用LED光源时需要对其进行聚光。
目前，对LED光源的聚光方式一般采用抛物面的反光杯，但是这种方式要实现发光角非常小(如发光角小于5度)需要将反光杯尺寸做得比较大，否则LED光源发光角较小的光线无法被利用，导致LED光源最终的发光角较大，同时浪费大量的制造材料。也有采用凸透镜对LED光源进行聚光的，但这种方式LED发光角较大的光线无法被利用，对LED光源光通量的利用率比较低，最终导致灯具的光效利用率太低。
【发明内容】
有鉴于此，有必要提供一种充分利用LED光源光线，发光角小于5度的聚光透镜以及聚光透镜组。
一种聚光透镜，所述聚光透镜为以透镜光轴对称的圆台型透镜，直径较小的第一端面中部向内凹陷形成一用于适配容置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；所述聚光透镜直径较大的第二端面中部向外凸出形成第二球面；所述聚光透镜的侧壁为全反射面，所述圆台型透镜的母线为折线，所述母线由多段线段依次连接形成，所述多段线段与透镜光轴所成角度为至其中，n为聚光透镜折射率。
优选的，所述第一球面半径为R1，所述第二球面半径为R2，R1和R2满足：
1/R1-1/R2＝1/[2(n-1)L]，
其中，L为第一球面的球面顶点到LED光源中心的距离。
优选的，所述折射率n为1.59，所述第一球面的球面顶点到LED光源中心的距离L为4mm，第一球面半径R1为10mm，所述第二球面半径R2为9mm。
优选的，所述母线由八段线段依次连接形成，由所述聚光透镜的第一端面至所述聚光透镜的第二端面分别为：第一线段、第二线段、第三线段、第四线段、第五线段、第六线段、第七线段以及第八线段。
优选的，
第一线段，与透镜光轴所成角度满足：
第二线段，与透镜光轴所成角度满足：
第三线段，与透镜光轴所成角度满足：
第四线段，与透镜光轴所成角度满足：
第五线段，与透镜光轴所成角度满足：
第六线段，与透镜光轴所成角度满足：
第七线段，与透镜光轴所成角度满足：
第八线段，与透镜光轴所成角度满足：
优选的，所述第一线段与透镜光轴所成角度为43.43°；
所述第二线段与透镜光轴所成角度为41.86°；
所述第三线段与透镜光轴所成角度为40.32°；
所述第四线段与透镜光轴所成角度为38.79°；
所述第五线段与透镜光轴所成角度为37.29°；
所述第六线段与透镜光轴所成角度为35.84°；
所述第七线段与透镜光轴所成角度为34.43°；
所述第八线段与透镜光轴所成角度为33.08°。
优选的，所述光源容置腔的侧面为圆柱面。
优选的，所述光源容置腔直径为8mm。
优选的，所述聚光透镜的材质为聚碳酸酯或者聚甲基丙烯酸甲酯。
一种包括上述所述聚光透镜的灯具。
上述聚光透镜以及使用该聚光透镜的灯具，第一端面中部向内凹陷形成光源容置腔，光源容置腔底面向外凸出形成第一球面，第二端面中部向外凸出形成第二球面，侧壁为全反射面，该圆台型透镜的母线为折线，母线由多段线段依次连接形成，多段线段与透镜光轴所成角度为至从而实现对LED光源任意角度的光线进行聚光，有效充分的利用LED光源光线，并使聚光透镜出射光线发光角小于5度，极大的提高了聚光效果。
【附图说明】
图1是一个实施例中聚光透镜结构剖面图；
图2是一个实施例中聚光透镜结构俯视图；
图3是一个实施例中聚光透镜结构侧视图；
图4是一个实施例中聚光透镜原理图；
图5是一个实施例中聚光透镜出射光线配光曲线示意图；
图6是一个实施例中灯具结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。
该聚光透镜为以透镜光轴对称的圆台型透镜，直径较小的第一端面中部向内凹陷形成一个用于适配容置LED光源的光源容置腔，光源容置腔底面向外凸出形成第一球面，直径较大的第二端面中部向外凸出形成第二球面。聚光透镜的侧壁为全反射面，圆台型透镜的母线为折线，母线由多段线段依次连接形成，该圆台型透镜的母线绕透镜光轴旋转360度形成聚光透镜的侧壁；多段线段与透镜光轴所成角度为至其中，n为聚光透镜折射率，Arcsin(x)表示x的反正弦函数，其定义域为[-1，1]，函数值域为[-90°，90°]。
图1是一个实施例中聚光透镜结构剖面图。图2是一个实施例中聚光透镜结构俯视图。图3是一个实施例中聚光透镜结构侧视图。结合图1和图3，该聚光透镜为圆台型透镜，包括第一端面100、第二端面200以及连接第一端面100和第二端面200的侧壁300。
第一端面100中部向内凹陷形成光源容置腔110，光源容置腔110底面向外凸出形成第一球面120，光源容置腔110的侧面111为圆柱面。LED光源光线经侧面111和第一球面120入射进聚光透镜。该实施例中，光源容置腔110直径为D，大小根据LED光源的具体尺寸确定。放置LED光源时，LED光源中心与聚光透镜的透镜光轴400重合。
第二端面200为出射面，其中部向外凸出形成第二球面210。
该实施例中，第一球面120与第二球面210相对设置，在聚光透镜中部形成双凸透镜，分别对入射的光线进行折射。第一球面120半径为R1，第二球面210半径为R2。设第一球面120的球面顶点(即第一球面120与透镜光轴400的交点)到LED光源中心的距离为L，聚光透镜的折射率为n，则R1、R2满足以下公式：
1/R1-1/R2＝1/[2(n-1)L]
侧壁300为全反射面，对LED光源入射的光线进行全反射，使得光线经全反射后与透镜光轴400接***行出射。侧壁300由母线310绕透镜光轴400旋转360度形成。圆台型聚光透镜的母线310为折线，由依次连接的多段线段组成。该实施例中，母线310由依次连接的八段线段组成，由第一端面100至第二端面200分别为：
第一线段311，与透镜光轴400所成角度满足：
第二线段312，与透镜光轴400所成角度满足：
第三线段313，与透镜光轴400所成角度满足：
第四线段314，与透镜光轴400所成角度满足：
第五线段315，与透镜光轴400所成角度满足：
第六线段316，与透镜光轴400所成角度满足：
第七线段317，与透镜光轴400所成角度满足：
第八线段318，与透镜光轴400所成角度满足：
在优选实施方式中，该聚光透镜折射率n＝1.59，第一球面120的球面顶点到LED光源中心的距离L＝4mm，半径R1＝10mm，第二球面210半径R2＝9mm，光源容置腔110的直径D＝8mm，则：
第一线段311与透镜光轴400所成角度为43.43°；
第二线段312与透镜光轴400所成角度为41.86°；
第三线段313与透镜光轴400所成角度为40.32°；
第四线段314与透镜光轴400所成角度为38.79°；
第五线段315与透镜光轴400所成角度为37.29°；
第六线段316与透镜光轴400所成角度为35.84°；
第七线段317与透镜光轴400所成角度为34.43°；
第八线段318与透镜光轴400所成角度为33.08°。
图4是一个实施例中聚光透镜原理图。图5是一个实施例中聚光透镜出射光线配光曲线示意图。结合图1至图5，LED光源设置在光源容置腔110中。LED光源发出的角度较小的光线，经过第一球面120和第二球面210的折射后，出射光线与透镜光轴400接***行。LED光源发出角度较大的光线，经侧面111的折射到达侧壁300，侧壁300对光线进行全发射，经全发射的光线与透镜光轴400接***行，最后由第二端面200的第二球面210中间以外部分出射。经测定，该聚光透镜出射光线发光角小于5度，聚光效果良好。同时，第二端面200第二球面210以外部分为平面，有效的降低了光衰。
该实施例中，该聚光透镜采用透明材料，便于注塑成型，优选采用聚碳酸酯(PC)或者聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质。
此外，本发明还提供一种灯具，该灯具包括上述所述聚光透镜，根据需要可以包括两个以上同一水平分布规则设置的上述聚光透镜。如图6所示，该灯具包括5个上述的聚光透镜，5个聚光透镜呈同一水平分布规则设置，且每个聚光透镜对应一个LED光源。经测定，该灯具出射光线配光曲线与单个聚光透镜出射光线配光曲线一致，聚光效果良好，同时该灯具光通量得到极大提高，光照度得到极大提升。
上述聚光透镜以及使用该聚光透镜的灯具，第一端面中部向内凹陷形成光源容置腔，光源容置腔底面向外凸出形成第一球面，第二端面中部向外凸出形成第二球面，侧壁为全反射面，圆台型透镜的母线为折线，母线由多段线段依次连接形成，多段线段与透镜光轴所成角度为至从而实现对LED光源任意角度的光线进行聚光，有效充分的利用LED光源光线，并使聚光透镜出射光线发光角小于5度，极大的提高了聚光效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种聚光透镜，其特征在于，所述聚光透镜为以透镜光轴对称的圆台型透镜，直径较小的第一端面中部向内凹陷形成一用于适配容置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；所述聚光透镜直径较大的第二端面中部向外凸出形成第二球面；所述聚光透镜的侧壁为全反射面，所述圆台型透镜的母线为折线，所述母线由多段线段依次连接形成，所述多段线段与透镜光轴所成角度为至其中，n为聚光透镜折射率；
所述第一球面与第二球面相对设置，在所述聚光透镜中部形成双凸透镜；
所述母线由八段线段依次连接形成，由所述聚光透镜的第一端面至所述聚光透镜的第二端面依次分别为：第一线段、第二线段、第三线段、第四线段、第五线段、第六线段、第七线段以及第八线段；
所述折射率n为1.59，所述第一球面的球面顶点到LED光源中心的距离L为4mm，第一球面半径R1为10mm，所述第二球面半径R2为9mm；
第一线段，与透镜光轴所成角度满足：
第二线段，与透镜光轴所成角度满足：
第三线段，与透镜光轴所成角度满足：
第四线段，与透镜光轴所成角度满足：
第五线段，与透镜光轴所成角度满足：
第六线段，与透镜光轴所成角度满足：
第七线段，与透镜光轴所成角度满足：
第八线段，与透镜光轴所成角度满足：
所述光源容置腔直径为8mm。
2.根据权利要求1所述的聚光透镜，其特征在于，所述光源容置腔的侧面为圆柱面。
3.根据权利要求1所述的聚光透镜，其特征在于，所述聚光透镜的材质为聚碳酸酯或者聚甲基丙烯酸甲酯。
4.一种包括如权利要求1至3任一项所述聚光透镜的灯具。
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