CN103574501A - 透镜、透镜阵列以及照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种透镜、透镜阵列以及照明装置。该透镜包括：第一表面和第二表面，其中，第一表面包括：光入射面，光从光入射面进入透镜；以及全反射面，进入透镜的光中的一部分在全反射面上被全反射，第二表面包括光出射面，其中，光入射面包括对应于不同光源的多个三维表面，来自一个光源的光中的一部分从与一个光源对应的三维表面进入透镜，另一部分从与一个光源不对应的三维表面进入透镜。该透镜具有紧凑结构、能够均匀混色。

Description

透镜、透镜阵列以及照明装置

技术领域

本发明涉及一种透镜、透镜阵列以及包括该透镜或透镜阵列的照明装置，更具体地，涉及一种能够混色的紧凑型透镜、透镜阵列以及包括该透镜或透镜阵列的照明装置。

背景技术

近来，在需要照明的各种领域中，可变相关色温（CCT：correlated colortemperature）能力已成为一种附加需求，得到越来越多的应用。例如在LED照明装置中，通常通过集成具有不同相关色温的多个LED并且调节部分或全部LED的供应电流来调节整个LED照明装置的相关色温。

图1示出了一种具有可变相关色温的LED照明装置1。如图1所示，该LED照明装置1包括第一组LED 11、第二组LED 12以及透镜13，第一组LED 11和第二组LED 12具有不同相关色温，并且第一组LED 11和第二组LED 12作为整体对应于透镜13，从而，从第一组LED 11和第二组LED 12出射的光均通过透镜13出射。通过独立地调节供应至第一组LED 11和第二组LED 12的电流，可调节从透镜13出射的光的相关色温。

在图1所示的示例中，将全部LED作为整体来设计相应的透镜13，该设计大致遵循以下公式（1）：

$n_{\mathrm{in}}^2{\mathrm{Area}}_{\mathrm{in}}{\mathrm{Sin}}^2\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}\right)=n_{\mathrm{out}}^2{\mathrm{Area}}_{\mathrm{out}}{\mathrm{Sin}}^2\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{out}}\right)---\left(1\right)$

其中，下标in和out分别表示入射和出射，n为折射率，Area为有效发光面积，θ为光线分布半角。由公式（1）可见，在将全部LED作为整体（此时Area_in较大）来设计相应的透镜13的情况下，透镜13的直径和厚度都变得很大，这不利于照明装置的小型化。

图2A示出了另一种具有可变相关色温的LED照明装置2。如图2A所示，该LED照明装置2包括第一组LED 21、第二组LED 22以及透镜组23，第一组LED 21和第二组LED 22具有不同相关色温，例如，分别为6500K和2700K。第一组LED 21和第二组LED 22中的LED与透镜组23中的透镜一一对应，从而，从第一组LED 21和第二组LED 22中的每个LED出射的光从与其对应的一个透镜出射。通过独立地调节供应至第一组LED 21和第二组LED 22的电流，可调节从透镜组23出射的光的相关色温。图2A示出了一种发光情形，其中，第一组LED 21被关闭，第二组LED 22被开启，从而光线从与第二组LED 22相对应的那些透镜出射。

图2B示出了在图2A所示的发光情形下LED照明装置2的透镜组23的光出射面的平面图，其中，由虚线包围的多个区域DA表示对应于第一组LED 21的透镜的光出射面，而多个区域BR表示对应于第二组LED22的透镜的光出射面。如图2B所示，在此情形下，由于第一组LED 21被关闭，因此，对应于第一组LED 21的透镜的光出射面变暗，这会使得用户误以为LED照明装置2中的变暗的LED出现了故障。

并且，在LED照明装置2中，若第一组LED 21和第二组LED 22均被开启，则区域DA和区域BR之间会出现色差，这使得LED照明装置2出射的光线不均匀。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有紧凑结构、能够均匀混色的透镜、包括多个该透镜的透镜阵列以及包括该透镜或该透镜阵列的照明装置。

根据本发明的一实施方式，提供了一种透镜，其包括第一表面和第二表面。其中，第一表面包括：光入射面，光从光入射面进入透镜；以及全反射面，进入透镜的光中的一部分在全反射面上被全反射。第二表面包括光出射面。其中，光入射面包括对应于不同光源的多个三维表面，来自一个光源的光中的一部分可以从与一个光源对应的三维表面进入透镜，另一部分可以从与一个光源不对应的三维表面进入透镜。

在该实施方式中，光入射面被设置为包括对应于不同光源的多个三维表面，来自一个光源的光中的一部分从与一个光源对应的三维表面进入透镜，另一部分从与一个光源不对应的三维表面进入透镜。从而，相对于如图1所示的LED照明装置1，体积得以缩小。另外，即使一部分光源被关闭，从其他光源出射的光也能够从对应于被关闭的光源的三维表面入射至透镜，因此能够获得均匀出射的光，用户不会误以为被关闭的光源出现了故障。

进一步地，第一表面可以具有镜面对称结构，并且，第一表面可具有非轴对称结构。

进一步地，多个三维表面中的每一个三维表面是旋转对称面。从而，可以根据二维数据阵列拟合方法获得期望的三维表面，由此获得期望的出光分布。

进一步地，三维表面的旋转对称轴重合于与三维表面对应的光源的光轴。从而，可以进一步地均匀化从光源出射的光。

进一步地，光入射面包括2个、3个或4个三维表面。在此情形下，能够获得均匀混光并且透镜的结构更加紧凑，使得本发明的优势更加突出。

进一步地，光入射面还包括：多个部分圆柱面，每个部分圆柱面部分地围绕与其对应的一个三维表面；第一连接面，连接多个部分圆柱面；以及第二连接面，连接多个三维表面。

其中，部分圆柱面的旋转角可以为180度以上。

从而，从光源发射的光线可以更多地从圆柱面入射进透镜并且经由全反射面反射，因此，光提取效率得以提高。

其中，部分圆柱面的轴线可以与透镜的中轴形成一预定角度，并且，部分圆柱面的轴线在第二表面一侧比在第一表面一侧更靠近透镜的中轴。

该预定角度可以为5度以下。

在此情形下，在通过注塑成型来制造透镜的情形下，可以容易地脱模，提高了成品率。

进一步地，全反射面包括：多个部分圆锥面，每个部分圆锥面部分地围绕与其对应的一个三维表面。

部分圆锥面的旋转角为180度以上。

从而，从光源发射的光线可以更多地经由全反射面反射，因此，光提取效率得以提高。

进一步地，光入射面构成光源容纳室，全反射面构成透镜的侧面。从而，能够获得具有紧凑结构的照明装置。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种透镜阵列，其包括多个如上所述的透镜。

在此情形下，可以获得具有紧凑结构、能够均匀混色的透镜阵列。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种照明装置，包括如上所述的透镜或透镜阵列；以及多个光源，透镜的多个三维表面对应于不同光源。

在此情形下，可以获得具有紧凑结构、能够均匀混色的照明装置。

进一步地，多个光源中的至少一部分可被独立地控制亮度。

进一步地，多个光源包括具有不同色光的多个LED。

从而，可以获得具有紧凑结构、能够均匀混色并且具有可变相关色温能力的照明装置。

附图说明

图1示出了一种常规的具有可变相关色温的LED照明装置；

图2A和图2B示出了另一种常规的具有可变相关色温的LED照明装置，其中，图2A示出了该LED照明装置的发光实例，图2B示出了在该发光实例中透镜组的光出射面的平面图；

图3A至图3E示出了根据本发明实施方式的透镜，其中，图3A是该透镜的截面图，图3B是从光入射侧观察的该透镜的侧视图，图3C是从光入射侧观察的该透镜的平面图，图3D是沿图3C中的线A-A截取的截面图，以及图3E是该透镜的侧视图；

图4示出了三维表面设计的一个实例；

图5示出了根据本发明实施方式的透镜中的光路图；

图6A和图6B示出了根据本发明实施方式的透镜的光出射面的平面图，其中，图6A示出了两个LED均被开启的情形，图6B示出了仅一个LED被开启的情形，

图7示出了根据本发明实施方式的透镜阵列；以及

图8A和图8B示出了根据本发明实施方式的照明装置，其中，图8A是该照明装置的顶视图，图8B是该照明装置的透视图。

具体实施方式

以下参照附图详细描述本发明的实施方式。

图3A至图3E示出了根据本发明实施方式的透镜的实例。为便于理解，在图3A中还示出了第一LED 31和第二LED 32。如图3A和图3B所示，透镜3包括第一表面IS和第二表面ES。其中，第一表面IS包括光入射面和全反射面。光入射面包括表面B、表面C、表面D1以及表面D2，全反射面包括表面A。

在此实例中，表面A包括两个部分圆锥面，这两个部分圆锥面分别对应于第一LED 31和第二LED 32，并且分别部分地围绕与其对应的一个表面B。如图3C所示，每个部分圆锥面的旋转角可以为180度以上，例如在本实例中为214.21度。在此情形下，来自第一LED 31和第二LED 32的光可以更多地经由表面A反射，因此，光提取效率得以提高。

表面B可以包括多个具有凸透镜表面形状（向第一LED 31和第二LED 32一侧凸起）、凹透镜表面形状（向第二表面ES一侧凸起）、菲涅耳透镜表面形状等各种形状的三维表面，并且每个表面B对应于不同光源。在此实例中，表面B被设计为包括两个向第一LED 31和第二LED 32一侧凸起的凸透镜表面，并且这两个凸透镜表面分别对应于第一LED 31和第二LED 32。图4示出了表面B的一个设计实例，其中，首先利用样条曲线拟合二维数组，以获得二维曲线41，接下来，通过将二维曲线41绕X轴旋转360度来获得三维表面。也即，在此实例中，三维表面为旋转对称面。通过这种样条曲线旋转方式，可以方便地构造具有期望光学性质的表面B，以获得期望的出光分布。然而，本发明不限于此，根据设计需要，三维表面可以具有非旋转对称的形状。

在三维表面为旋转对称面的情况下，第一LED 31和第二LED 32可被设置为其光轴与三维表面的旋转对称轴重合，从而，可以进一步均匀化从第一LED 31和第二LED 32出射的光。

在此实例中，表面C包括两个部分圆柱面，这两个部分圆柱面分别对应于第一LED 31和第二LED 32，并且分别部分地围绕与其对应的一个表面B。如图3C所示，每个部分圆柱面的旋转角可以为180度以上，例如在本实例中为221.04度。在此情形下，来自第一LED 31和第二LED 32的光可以更多地经由表面C入射，因此，光提取效率得以提高。

表面D1连接多个部分圆柱面中的彼此相邻的两个部分圆柱面，表面D2连接多个三维表面中的彼此相邻的两个三维表面。表面D1和表面D2例如可以为平面，或者，也可以具有用于提高光入射率或者混光率的图案。

在表面C由多个部分圆柱面构成的情况下，多个部分圆柱面的轴线可以与透镜3的中轴形成一预定角度，该预定角度例如可以为5度以下。当然，根据设计需要，该角度也可被设定为大于5度。并且，部分圆柱面的轴线在第二表面ES一侧比在第一表面IS一侧更靠近透镜3的中轴。从而，表面C和表面D1在第一LED 31和第二LED 32一侧所形成的开口面积大于在表面B一侧所形成的开口面积。在此情形下，在通过注塑成型来制造透镜3的情形下，可以容易地脱模，提高了成品率。

另外，根据设计需要，表面C也可以被设计为部分圆锥面，或者具有其他期望形状的表面。

参照图3A和图3B，表面B、表面C、表面D1以及表面D2构成了用于容纳第一LED 31和第二LED 32的容纳室，表面A构成透镜3的侧面。从而，包括透镜3的照明装置能够具有紧凑结构。

第二表面ES包括光出射面，该光出射面例如可以是平面，也可以根据设计要求，设计为具有其他期望形状的表面。该光出射面例如还可以具有用于提高光入射率或者混光率的图案。

在本实例中，第二表面ES具有圆形形状。然而，本发明不限于此，第二表面ES例如也可以具有正方形、长方形、六边形等表面形状，在这种情况下，可以通过拼接多个透镜3来构成后述的透镜阵列。

图5示出了根据本发明的实施方式的透镜3中的光路图。如图5所示，来自第一LED 31和第二LED 32的光从表面B、表面C、表面D1以及表面D2入射进透镜3。具体地，从表面B和表面D2射入的光基本上直接从第二表面ES中的光出射面出射，从表面C和表面D1射入的光基本上入射至表面A，在表面A上全反射之后，从第二表面ES中的光出射面出射。

如图5所示，由于第一LED 31和第二LED 32与表面B之间具有预定距离，并且第一LED 31和第二LED 32均具有预定发光角度，因此，从第一LED 31发射的光中的一部分可以从与其自身对应的三维表面进入透镜，并且从第一LED 31发射的光中的另一部分可以从与第二LED 32对应的三维表面进入透镜。类似地，从第二LED 32发射的光中的一部分可以从与其自身对应的三维表面进入透镜，并且从第二LED 32发射的光中的另一部分可以从与第一LED 31对应的三维表面进入透镜。

图6A和图6B示出了根据本实施方式的透镜3的光出射面的平面图，其中，图6A示出了第一LED31和第二LED32均被开启的情形，图6B示出了仅第二LED32被开启的情形。如图6B所示，由于从第二LED32发射的光中的另一部分可以从与第一LED31对应的三维表面进入透镜，因此，光出射面中的与第一LED31相对应的部分不会变暗，依然保持明亮状态。也即，获得了基本上均匀的出光。在此情况下，用户不会误以为实际上被关闭的第一LED31出现了故障。

在本实施方式中，由于针对第一LED31和第二LED32分别设置相应的三维表面，因此，相对于如图1所示的LED照明装置1，由根据本实施方式的透镜3所构成的照明装置的体积能够得以缩小。

参照图3A，在本实施方式中，第一表面IS相对于X轴具有镜面对称结构，并且，第一表面具有非轴对称结构。类似地，在透镜3具有3个、4个或更多个三维表面的情况下，第一表面IS可以相对于X轴具有镜面对称结构，并且，第一表面可以具有非轴对称结构。

并且，在本实施方式中，第一表面IS相对于X轴具有180度的旋转对称结构。类似地，在透镜3具有3个、4个、……、N个（N为3以上的自然数）三维表面的情况下，第一表面IS相对于X轴可以分别具有120度、90度、……、360/N度的旋转对称结构。

优选地，根据本发明实施方式的透镜3仅包括2个、3个或4个三维表面。在此情形下，能够获得均匀混光并且透镜3的结构更加紧凑，使得本发明的优势更加突出。

图7示出了根据本发明另一实施方式的透镜阵列的实例。如图7所示，透镜阵列7包括3个前述透镜3，但本发明不限于此，透镜阵列7可以包括2个、4个或更多个前述透镜3。

透镜阵列7可以一体成型，也可以由多个透镜3组装而成。

图8A和图8B示出了根据本发明另一实施方式的照明装置的实例，其中，图8A是该照明装置的顶视图，图8B是该照明装置的透视图。如图8A和图8B所示，照明装置8包括透镜阵列7以及与各透镜阵列7对应的多个光源（未示出）。或者，照明装置8也可以包括多个独立的透镜3。

照明装置8中的光源例如可以是LED，多个LED可以具有不同的色温，可以出射不同颜色的光。并且，例如通过改变供应至每个LED的电流，多个LED中的一个或者多个可以被独立地控制亮度。从而，照明装置8可被构造为相关色温可变的照明装置。

由于设置有根据本发明实施方式的透镜3或者透镜阵列7，因此，与图1所示的照明装置1以及图2所示的照明装置2相比，照明装置8结构紧凑，并且能够均匀地出射光。

尽管在此示出并描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员应该理解的是，在不背离本发明的范围的前提下，各种可选和/或等同的实施方式可以代替所描述和示出的具体实施例。本申请旨在覆盖本文中所讨论的具体实施例的任何修改或变形。所以，本发明旨在仅由权利要求及其等同物限定。

附图参考标号

1、2、LED照明装置

11、12、21、22、31、32LED

13、3透镜

23透镜组

7透镜阵列

8照明装置

Claims (16)

1.一种透镜，包括第一表面和第二表面，

其中，所述第一表面包括：

光入射面，光从所述光入射面进入所述透镜；以及

全反射面，进入所述透镜的光中的一部分在所述全反射面上被全反射，

所述第二表面包括光出射面，

其中，所述光入射面包括对应于不同光源的多个三维表面，来自一个光源的光中的一部分从与所述一个光源对应的三维表面进入所述透镜，另一部分从与所述一个光源不对应的三维表面进入所述透镜。

2.根据权利要求1所述的透镜，其中，

所述第一表面具有镜面对称结构。

3.根据权利要求1所述的透镜，其中，

所述多个三维表面中的每一个三维表面是旋转对称面。

4.根据权利要求3所述的透镜，其中，

所述三维表面的旋转对称轴重合于与所述三维表面对应的光源的光轴。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的透镜，其中，

所述光入射面包括2个、3个或4个所述三维表面。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的透镜，其中，所述光入射面还包括：

多个部分圆柱面，每个部分圆柱面部分地围绕与其对应的一个所述三维表面；

第一连接面，连接所述多个部分圆柱面；以及

第二连接面，连接所述多个三维表面。

7.根据权利要求6所述的透镜，其中，

所述部分圆柱面的旋转角为180度以上。

8.根据权利要求6或7所述的透镜，其中，

所述部分圆柱面的轴线与所述透镜的中轴形成一预定角度，并且，所述部分圆柱面的轴线在所述第二表面一侧比在所述第一表面一侧更靠近所述透镜的中轴。

9.根据权利要求8所述的透镜，其中，

所述预定角度为5度以下。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的透镜，其中，所述全反射面包括：

多个部分圆锥面，每个部分圆锥面部分地围绕与其对应的一个所述三维表面。

11.根据权利要求10所述的透镜，其中，

所述部分圆锥面的旋转角为180度以上。

12.根据权利要求1至4中任一项所述的透镜，其中，

所述光入射面构成光源容纳室，所述全反射面构成所述透镜的侧面。

13.一种透镜阵列，包括多个根据权利要求1至12中任一项所述的透镜。

14.一种照明装置，包括：

根据权利要求1至12中任一项所述的透镜或根据权利要求13所述的透镜阵列；以及

多个光源，所述透镜的多个三维表面对应于不同光源。

15.根据权利要求14所述的照明装置，其中，

所述多个光源中的至少一部分可被独立地控制亮度。

16.根据权利要求14或15所述的照明装置，其中，

所述多个光源包括具有不同色光的多个LED。

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