CN103307548A - 透镜和具有该透镜的照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于照明装置(100)的透镜，其具有基板(1)和从基板(1)上凸起的区域，以限定出容纳照明装置(100)的光源(5)的容纳腔，凸起的区域的远离光源(5)的一侧设计为出射面(2)并且靠近光源(5)的一侧设计为入射面(4)，其中出射面(2)和入射面(4)相对于经过光源(5)的光轴(A)的第一对称面(V1)镜像对称并且相对于经过光轴(A)并垂直于第一对称面(V1)的第二对称面(V2)非镜像对称，其中，出射面(2)和入射面(4)的曲线如此设计，使得从光源(5)出射的光线以各个角度通过出射面(2)出射并经待照射物的被照射面(S)的各个位置反射之后产生均匀的光亮度(L)。本发明还涉及一种具有上述类型的透镜的照明装置(100)。

Description

透镜和具有该透镜的照明装置

技术领域

本发明涉及一种用于照明装置的透镜。此外，本发明还涉及一种具有上述类型的透镜的照明装置。

背景技术

LED发光组件被广泛的应用在街道照明中。但是，LED发光组件的光分布性能不能满足街道照明的要求，因此必须在LED发光组件的顶部加装一个二次透镜。几乎所有现有的透镜都是基于光照度均匀度理论设计的。通过这种类型的透镜能够使路灯获得非常均匀的光照度。但是，观察者的眼睛接收来自路面的光亮度，而光亮度本身取决于光照度和路面的反射系数，在观察者相对于路灯处于不同位置时，路面的反射系数也会有不同的变化，但是通过根据现有技术的透镜获得的光照度是均匀的，也就是说，路灯发射的光线在不同的位置的光照度是相同的，那么观察者在处于不同的位置所接收到的光亮度是不同的，这导致一个问题，即采用现有技术中的透镜的照明装置发射的光线的光照度是均匀的，但是路面反射出的光线的光亮度不够。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于照明装置，尤其是路灯的透镜，该透镜基于光亮度均匀度理论设计，通过根据本发明的透镜出射的光线通过路面反射后具有均匀的光亮度。此外，本发明还涉及一种具有上述类型的透镜的照明装置。

本发明的第一个目的通过一种用于照明装置的透镜由此实现，即该透镜具有基板和从基板上凸起的区域，以限定出容纳照明装置的光源的容纳腔，凸起的区域的远离光源的一侧设计为出射面并且靠近光源的一侧设计为入射面，其中出射面和入射面相对于经过光源的光轴的第一对称面镜像对称并且相对于经过光轴并垂直于第一对称面的第二对称面非镜像对称，其中，出射面和入射面的曲线如此设计，使得从光源出射的光线以各个角度通过入射面和出射面并经待照射物的被照射面的各个位置反射之后产生均匀的光亮度。根据本发明的透镜基于光亮度均匀度理论设计，也就是说，首先设定经过被照射面的的各个位置反射后的光线的光亮度为均匀的，从而反向推算出入射面和出射面的曲线轮廓。

根据本发明的一个优选的设计方案提出，出射面和入射面的曲线如此设计，使得从出射面出射的光线具有在远离垂直测光轴的方向上递减的光照度，光照度与被照射面的不同位置的反射系数相匹配，以获得均匀的光亮度。根据光照度与光亮度的关系可知，光亮度不仅取决于光照度，而且还取决于被照射面的不同位置的反射系数。在确定了光亮度的前提下，可推算出从出射面出射的光线的光照度在远离垂直测光轴的方向上递减。

根据本发明进一步提出，出射面和入射面的曲线如此设计，使得从出射面出射的光线获得预定的垂直测光角γ和光强I，以获得在远离垂直测光轴的方向上递减的光照度，其中垂直测光角为从出射面出射的光线与垂直测光轴的夹角。优选的是，光照度通过以下公式计算获得：

其中，H为光源距离被照射面的垂直高度。在本发明的设计方案中，光照度实质上取决于从出射面出射的光线的垂直测光角和光强。在设计根据本发明的透镜时，由于被照射面的各个位置反射给观察者的光亮度是均匀的，那么可以获得从透镜出射的各条光线的垂直测光角和光强，由此可以通过专用的光学模型获知由各条光线与入射面和出射面相交的点在三维空间中的坐标，从而确定入射面和出射面的曲线轮廓。

根据本发明的一个优选的设计方案提出，根据垂直测光角和偏移角计算出反射系数，其中偏移角为垂直测光轴与被照射面的第一交点至从出射面出射的光线与被照射面的第二交点之间的第一连线与观察者在被照射面上所处的位置与第二交点的第二连线的反向延长线之间的夹角。在本发明的设计方案中，垂直测光角的角度范围在0度至90度之间并且偏移角的角度范围在0度至180度之间。

优选的是，出射面包括由基板的上表面截取的第一曲线、由第一对称面截取的第二曲线和由第二对称面截取的第三曲线，并且入射面包括由基板的下表面截取的第四曲线、由第一对称面截取的第五曲线和由第二对称面截取的第六曲线。出射面与入射面的各条曲线相互配合从而产生具有预定的垂直测光角和光强的出射的光线。

有利的是，第一曲线在基板的上表面中的以光源为原点的xy坐标系中根据以下公式获得：R(θ)＝Rc+dr(θ)，dr(θ)＜0.2×Rc，其中，θ的范围在0至360度之间，R(θ)为第一曲线上的各个点至光源的距离，Rc为常量，Dl为光源的直径，dr(θ)为随角度θ变化的变量。在本发明的设计方案中，光源为LED光源，其中单颗LED光源的直径一般在1至5mm之间。

有利的是，第二曲线在第一对称面中的以所述光源为原点的xy坐标系中根据以下公式：f″(x)＜0，-Rc＜x＜Rc，f′(0)＝0，

进一步有利的是，第三曲线在所述第二对称面中的以所述光源为原点的xy坐标系中根据以下公式获得：f″(x)＜0，-Rc＜x＜Rc，f′(0)＝0，

$\mathrm{Rc}>\left(\frac{1}{2}\right)\×\mathrm{Dl}.$

有利的是，第四曲线在基板的下表面中的以光源为原点的xy坐标系中根据以下公式获得：

其中，a为椭圆的长半轴，b为椭圆的短半轴，并且a的值在0.7倍Rc至0.9倍Rc之间，b的值在0.35倍Rc至0.55倍Rc之间，Rc为常量，Dl为光源的直径。

有利的是，第五曲线在第一对称面中的以光源为原点的xy坐标系根据以下公式获得：f″(x)＜0，-a＜x＜a；f′(x₀)＝0，x₀＜0，f(a)＝f(-a)＝0。

进一步有利的是，第六曲线在第二对称面中的以光源为原点的xy坐标系中根据以下公式获得：f″(x)＜0，-b＜x＜b，f′(0)＝0，f(b)＝f(-b)＝0。

本发明的另一目的通过一种具有上述类型的照明装置实现。该照明装置发射的光线通过被照射面的各个位置反射之后具有均匀的光亮度。

附图说明

附图构成本说明书的一部分，用于帮助进一步理解本发明。这些附图图解了本发明的实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。在附图中相同的部件用相同的标号表示。图中示出：

图1是根据本发明的照明装置在实际应用中的示意性光路图；

图2是根据本发明的照明装置在平面上看的光路图；

图3是根据本发明的照明装置的立体光路图；

图4是被照射面的各个位置的反射系数图表

图5是根据本发明的透镜的透视图；

图6是根据本发明的透镜的俯视图；

图7是根据本发明的透镜的仰视图；

图8a是根据本发明的透镜的第一曲线的示意图；

图8b是根据本发明的透镜的第二曲线的示意图；

图8c是根据本发明的透镜的第三曲线的示意图；

图8d是根据本发明的透镜的第四曲线的示意图；

图8e是根据本发明的透镜的第五曲线的示意图

图8f是根据本发明的透镜的第六曲线的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的照明装置100在实际应用中的示意性光路图。从图中可见，作为被照射面S的路面接收从根据本发明的照明装置100的透镜的出射面2出射的光线的光照度E，而人的眼睛在观察该被照亮的街道时，接收由该被照亮的路面反射的光亮度L。根据本发明的透镜根据光亮度均匀度理论设计，也就是说，街道的各个位置反射到观察者眼中的光亮度L都是均匀的。而光亮度L取决于光照度E和街道的各个位置的反射系数r，也就是说L＝E×r。在确定街道的各个位置的反射系数r之后，可以推算出从出射面2出射的各条光线的光照度E，并由此可以计算出出射面2和入射面4的曲线轮廓。

图2示出了根据本发明的照明装置100在平面上看的光路图。从图2中可以更加清晰明了的看到光亮度L与光照度E之间的关系。在图2中，由透镜的出射面2出射的光线投射到被照射面S的某一区域S’的各个位置P1，P2，P3上。如果根据现有技术的光照度均匀度理论来设计透镜，那么由出射面2出射的光线的光照度E可满足以下公式，即EP1＝EP2＝EP3，其中，EP1、EP2和EP3分别为发射到P1，P2，P3的光线的光照度。那么基于在图1中的描述，观察者观察的各个位置的反射系数是不同的，那么反射给观察者的光亮度L就会出现变化，也就是说，LP1＞LP2＞LP3，其中LP1、LP2、LP3分别为从P1、P2和P3反射的光线的光亮度，这导致观察者观察的各个位置的光亮度是不均匀的。

而本发明的透镜是根据光亮度均匀度理论来设计的，那么由被照射面S反射的光线的光路是均匀的，即LP1＝LP2＝LP3。但是，由于观察者观察的各个位置的反射系数是不同的，那么就需要调整由出射面2出射的光线的光照度E，由此可以推算出，该光照度E在远离垂直测光轴UQT的方向上递减，从而可以各条光线的不同的光照度E计算出出射面2和入射面4的曲线轮廓。

图3示出了根据本发明的照明装置100的立体光路图。从该光路图中可知，观察者的眼睛观察到路面的被照射面S的某一区域S’，其中，在图2中示出的三个观察位置P1，P2和P3分别处于该区域S’中。在本附图中，仅仅以其中的一个位置P1来举例说明。

根据本发明的设计方案，通过使光照度E与被照射面S的不同位置的反射系数r相匹配来获得均匀的光亮度L。而通过被照射面S的各个位置反射的各条光线的光亮度恒定的前提下，可获得从透镜出射的每条光线的光照度E，可以计算出决定该光照度E的垂直测光角γ和光强I，其中垂直测光角γ为从出射面2出射的光线与垂直测光轴UQT的夹角。其中，光照度E通过以下公式计算获得：

其中，H为光源5距离被照射面S的垂直高度。

此外，根据所述垂直测光角γ和偏移角β计算出与光亮度L相关的反射系数r，其中偏移角β为垂直测光轴UQT与被照射面S的第一交点T至从出射面出射的光线与被照射面S的第二交点P之间的第一连线TP与观察者在所述被照射面S上所处的位置O与第二交点P的第二连线OP的反向延长线之间的夹角。通过图4示出的被照射面的各个位置的反射系数图表可以求出反射系数的值。

图5示出了根据本发明的透镜的透视图。图中示出的透镜通过第一对称面V1进行了截取，为了能够清楚地观察到透镜的内部结构，图1仅仅示出了第一对称面V1的一侧的透镜结构。从图中可见，根据本发明的透镜具有基板1和从基板1上凸起的区域，以限定出容纳所述照明装置100的光源5的容纳腔3，凸起的区域的远离光源5的一侧形成为出射面2并且靠近光源5的一侧形成为入射面4。

图6示出了根据在本发明的透镜的俯视图，图7示出了根据本发明的透镜的仰视图。从图6和图7中分别可见，出射面2和入射面4相对于所述光源5的光轴A的第一对称面V1镜像对称，并且相对于经过光轴A并垂直于第一对称面V1的第二对称面V2非镜像对称。

此外，从图6和图7中进一步可见，出射面2包括由基板1的上表面截取的第一曲线2a、由第一对称面V1截取的第二曲线2b和由第二对称面V2截取的第三曲线2c，并且入射面4包括由基板1的下表面截取的第四曲线4a、由第一对称面V1截取的第五曲线4b和由第二对称面V2截取的第六曲线4c。

图8a示出了根据本发明的透镜的第一曲线2a的示意图。从图中可见该曲线近似于一个圆。该第一曲线2a在基板1的上表面中的以光源5为原点的xy坐标系中根据以下公式获得：R(θ)＝Rc+dr(θ)，

dr(θ)＜0.2×Rc，其中，θ的范围在0至360度之间，R(θ)为第一曲线2a上的各个点至光源5的距离，Rc为常量，Dl为光源5的直径，dr(θ)为随角度θ变化的变量。

图8b示出了根据本发明的透镜的第二曲线2b的示意图。该第二曲线2b在第一对称面V1中的以光源5为原点的xy坐标系中根据以下公式：f″(x)＜0，-Rc＜x＜Rc，f′(0)＝0，

根据本发明提出，该第二曲线2b相对于第二对称面V2是非镜像对称的，并且该第二曲线2b在基板1限定的平面上的投影的延伸方向垂直于被照射面S的纵向延伸方向，在本发明的设计方案中，被照射面S为街道的延伸方向。

图8c示出了根据本发明的透镜的第三曲线2c的示意图。该第三曲线2c在第二对称面V2中的以光源5为原点的xy坐标系中根据以下公式获得：f″(x)＜0，-Rc＜x＜Rc，f′(0)＝0，

根据本发明提出，该第三曲线2c相对于第一对称面V1是镜像对称的，并且该第三曲线2c在基板1限定的平面上的投影的延伸方向平行于被照射面S也就是街道的纵向延伸方向。

图8d示出了根据本发明的透镜的第四曲线4a的示意图。该第四曲线4a在基板的下表面上形成为椭圆形的曲线，其中该第四曲线4a在基板1的下表面中的以光源5为原点的xy坐标系中根据以下公式获得：

其中，a为椭圆的长半轴，b为椭圆的短半轴，并且a的值在0.7倍Rc至0.9倍Rc之间，b的值在0.35倍Rc至0.55倍Rc之间。根据本发明提出，第四曲线4a的长半轴a垂直于被照射面S，也就是街道的纵向延伸方向，并且短半轴b平行于街道的纵向延伸方向。

图8e示出了根据本发明的透镜的第五曲线4b的示意图。该第五曲线4b在第一对称面V1中的以光源5为原点的xy坐标系中根据以下公式：f″(x)＜0，-a＜x＜a；f′(x₀)＝0，x₀＜0，f(a)＝f(-a)＝0。根据本发明，该第五曲线4b相对于第二对称面V2是非镜像对称的，并且该第五曲线4b在基板限定的平面上的投影的延伸方向垂直于被照射面S，也就是街道的纵向延伸方向。

图8f示出了根据本发明的透镜的第六曲线4c的示意图。该第六曲线4c在第二对称面V2中的以光源5为原点的xy坐标系中根据以下公式获得：f″(x)＜0，-b＜x＜b，f′(0)＝0，f(b)＝f(-b)＝0。根据本发明，该第六曲线4c相对于第一对称面V1是镜像对称的，并且该第六曲线4c在基板1限定的平面上的投影的延伸方向平行于被照射面S也就是街道的纵向延伸方向。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

参考标号

100  照明装置

1    基板

2    出射面

2a   第一曲线

2b   第二曲线

2c   第三曲线

3    容纳腔

4    入射面

4a   第四曲线

4b   第五曲线

4c   第六曲线

5    光源

V1   第一对称面

V2   第二对称面

L    光亮度

E    光照度

r    反射系数

S    被照射面

S’  被照射面的某一区域

I    光强

γ   垂直测光角

β   偏移角

UQT  垂直测光轴

H    光源5距离所述被照射面S的垂直高度

T    垂直测光轴UQT与被照射面S的第一交点

TP   第一连线

O    观察者在被照射面S上所处的位置

OP   第二连线

P1，P2，P3 被照射面S的某一区域S’的被观察位置

Claims (14)

1.一种用于照明装置(100)的透镜，所述透镜具有基板(1)和从所述基板(1)上凸起的区域，以限定出容纳所述照明装置(100)的光源(5)的容纳腔(3)，所述凸起的区域的远离所述光源(5)的一侧形成为出射面(2)并且靠近所述光源(5)的一侧形成为入射面(4)，其特征在于，所述出射面(2)和所述入射面(4)相对于经过所述光源(5)的光轴(A)的第一对称面(V1)镜像对称，并且相对于经过所述光轴(A)并垂直于所述第一对称面(V1)的第二对称面(V2)非镜像对称，其中，所述出射面(2)和所述入射面(4)的曲线如此设计，使得从所述光源(5)出射的光线以各个角度通过所述出射面(2)出射并经待照射物的被照射面(S)的各个位置反射之后产生均匀的光亮度(L)。

2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述出射面(2)和所述入射面(4)的曲线如此设计，使得从所述出射面(2)出射的光线具有在远离垂直测光轴(UQT)的方向上递减的所述光照度(E)，所述光照度(E)与所述被照射面(S)的不同位置的反射系数(r)相匹配，以获得所述均匀的光亮度(L)。

3.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于，所述出射面(2)和所述入射面(4)的曲线如此设计，使得从所述出射面(2)出射的光线获得预定的垂直测光角(γ)和光强(I)，以获得在远离所述垂直测光轴(UQT)的方向上递减的所述光照度(E)，其中所述垂直测光角(γ)为通过所述出射面(2)出射的光线与所述垂直测光轴(UQT)的夹角。

4.根据权利要求3所述的透镜，其特征在于，所述光照度(E)通过以下公式计算获得：

其中，H为所述光源(5)距离所述被照射面(S)的垂直高度。

5.根据权利要求3所述的透镜，其特征在于，根据所述垂直测光角(γ)和偏移角(β)计算出所述反射系数(r)，其中所述偏移角(β)为所述垂直测光轴(UQT)与所述被照射面(S)的第一交点(T)至通过所述出射面(2)出射的光线与所述被照射面(S)的第二交点(P)之间的第一连线(TP)与观察者在所述被照射面(S)上所处的位置(O)与所述第二交点(P)的第二连线(OP)的反向延长线之间的夹角。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的透镜，其特征在于，所述出射面(2)包括由所述基板(1)的上表面截取的第一曲线(2a)、由所述第一对称面(V1)截取的第二曲线(2b)和由所述第二对称面(V2)截取的第三曲线(2c)，并且所述入射面(4)包括由所述基板(1)的下表面截取的第四曲线(4a)、由所述第一对称面(V1)截取的第五曲线(4b)和由所述第二对称面(V2)截取的第六曲线(4c)。

7.根据权利要求6所述的透镜，其特征在于，所述第一曲线(2a)在所述上表面中的以所述光源(5)为原点的xy坐标系中根据以下公式获得：R(θ)＝Rc+dr(θ)，

dr(θ)＜0.2×Rc，其中，θ的范围在0至360度之间，R(θ)为所述第一曲线(2a)上的各个点至所述光源(5)的距离，Rc为常量，Dl为所述光源(5)的直径，dr(θ)为随角度θ变化的变量。

8.根据权利要求7所述的透镜，其特征在于，所述第二曲线(2b)在所述第一对称面(V1)中的以所述光源(5)为原点的xy坐标系中根据以下公式获得：f″(x)＜0，-Rc＜x＜Rc，f′(0)＝0，

9.根据权利要求8所述的透镜，其特征在于，所述第三曲线(2c)在所述第二对称面(V2)中的以所述光源(5)为原点的xy坐标系中根据以下公式获得：f″(x)＜0，-Rc＜x＜Rc，f′(0)＝0，

10.根据权利要求6所述的透镜，其特征在于，所述第四曲线(4a)在所述下表面中的以所述光源(5)为原点的xy坐标系中根据以下公式获得：

其中，a为椭圆的长半轴，b为椭圆的短半轴，并且a的值在0.7倍Rc至0.9倍Rc之间，b的值在0.35倍Rc至0.55倍Rc之间，Rc为常量，Dl为所述光源(5)的直径。

11.根据权利要求10所述的透镜，其特征在于，所述第五曲线(4b)在所述第一对称面(V1)中的以所述光源(5)为原点的xy坐标系中根据以下公式获得：f″(x)＜0，-a＜x＜a；f′(x₀)＝0，x₀＜0，f(a)＝f(-a)＝0。

12.根据权利要求11所述的透镜，其特征在于，所述第六曲线(4c)在所述第二对称面(V2)中的以所述光源(5)为原点的xy坐标系中根据以下公式获得：f″(x)＜0，-b＜x＜b，f′(0)＝0，f(b)＝f(-b)＝0。

13.一种照明装置(100)，包括光源，其特征在于，所述照明装置(100)还包括根据权利要求1至12中任一项所述的透镜。

14.根据权利要求13所述的照明装置(100)，其特征在于，所述光源设计为LED光源。

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