CN103851538A - 透镜、具有透镜的全向照明装置和改型灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于全向照明装置的透镜（100），其中，透镜（100）为相对于中心轴线（X）旋转对称的并且包括分别旋转对称地设计的入射面（1）、反射面（2）、和出射面（3），其中，光源的第一部分光线（A）经所述入射面（1）入射、经反射面（2）反射并经出射面（3）出射后形成第一出射光（A′），光源的第二部分光线（B）经入射面（1）入射并经出射面（3）出射后形成第二出射光（B′），光源的第三部分光线（C）经入射面（1）入射并经出射面（3）出射后形成第三出射光（C′），其中，第一出射光（A′）、第二出射光（B′）以及第三出射光（C′）共同构成全向照明。本发明还涉及具有该透镜的一种全向照明装置和改型灯。

Description

透镜、具有透镜的全向照明装置和改型灯

技术领域

本发明涉及一种用于全向照明装置的透镜。此外，本发明还涉及一种具有上述类型的透镜的全向照明装置，以及一种改型灯。 

背景技术

由于LED光源具有寿命长、节能、环保、抗震动等优点，因此，LED光源可以在广泛的领域内得到应用。随着制造技术的不断发展，LED的成本越来越低并且光效也得到了增加。固态发光（SSL）来取代传统的发光装置已经成为一种趋势。 

美国的Energy Star标准对于全向SSL替代灯提出了一定的要求。在0-135度的区域内，在任意角度的光强与在0-135度的区域内的平均的光强之间的差值不高于20%。在135-180度的区域内的光通量应当占总的光通量至少5%。在与起始平面呈45度和90度的垂直平面内的测量结果应当是相同的。大部分的LED光强度分布是朗伯型的而非均匀一致的，因此，二次光学设计是必不可少的。对于SSL替代灯，为了满足这些要求，通常需要设计光学组件实现光的再分配。 

现有技术中，存在多种获得LED灯的光源再分配的方案。第一种方案是优化LED阵列；第二种方案是利用反射器对于光进行分配。 

在照明装置领域，全向照明装置可以实现大面积的照明效果，因此具有较大的应用前景。在现有的全向照明装置中，一类照明装置具有直接设 置在泡壳中央的立体光源、例如LED芯片阵列，这种以柱形或盘形阵列排布的光源可以在360度的周向方向上进行照明。光源发出的光直接穿过泡壳射出，由此实现简单的全向照明效果。这种全向照明装置例如由EP2180234A1和WO 2009/091562 A2所公开。但是当上述光源阵列中的一个或多个光源损坏时，便无法再实现全向照明效果。在这种照明装置中需要安装多个光源，并且分别将这些光源和电路板电连接。因此这种照明装置需要消耗大量的电能，并且相应地产生过多的热量。为了加强对柱状光源阵列的散热效果，例如可以在柱状光源阵列的周向外表面上设置散热体、例如多个散热肋，这例如在WO 2010/058325A1中所公开。但是对于上述照明装置而言，无论是在制造或装配过程中，还是在使用过程、维护过程中，都要花费较多的成本。另一种全向照明装置是应用反射原理来实现全向照明的效果。WO 2009/059125A1公开了一种照明装置，其中唯一的光源被布置在盆形反射体的底部区域中，由此可以借助于反射体的反射面将光线朝向尽可能大的区域进行反射，但同时必须保证反射体具有足够大的反射面。因此这种照明装置的体积较大。 

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于全向照明装置的透镜，通过使用该透镜可以采用唯一的光源实现全向照明，并且根据本发明的透镜的制造成本低、制造工艺简单、光分布均匀。此外，本发明还提出了一种具有上述类型的透镜的全向照明装置，以及一种改型灯。 

本发明的第一个目的通过一种用于全向照明装置的透镜由此实现，即透镜为相对于中心轴线旋转对称的并且包括分别旋转对称地设计的入射面、反射面、和出射面，其中，光源的第一部分光线经入射面入射、经反射面反射并经出射面出射后形成第一出射光，光源的第二部分光线经入射面入射并经出射面出射后形成第二出射光，光源的第三部分光线经入射面入射并经出射面出射后形成第三出射光，其中，第一出射光、第二出射光 以及第三出射光共同构成全向照明。在本发明的设计方案中，全向照明装置的光源被设定为点光源，该光源产生的光线在光线发射方向的半球区域中，在光轴的一侧被分为三个发射区域，通过根据本发明的透镜，这三个发射区域的光线被分别折射至三个与之对应的被照射的目标区域，这三个目标区域共同构成一个被照亮的区域，因此在总体上看通过透镜出射的光线在三维空间上实现了全向照明。 

根据本发明提出，出射面包括第一出射面、第二出射面和第三出射面，其中，第一出射光经第一出射面折射后形成，第二出射光经第二出射面折射后形成，第三出射光经第三出射面折射后形成。在本发明的设计方案中，出射面对光线的角度分配起到非常重要的作用，通过调整出射面可以对出射光进行调整，以照亮预期的区域。 

优选的是，至少第一出射光对照明区域的后半球的部分区域进行照明，至少第二出射光对照明区域的前半球和后半球的部分区域进行照明，并且至少第三出射光对照明区域的前半球的部分区域进行照明。所谓的全向照明是一种在三维的360°空间中的照明，为此将该三维空间分割成两个180°半球。光源处于两个半球的球心，而对应于光源的光出射方向的180°的半球被设定为前半球，而与之相反的处于光源的后方的半球则被设定为后半球。在本发明的设计方案中，第一、第二以及第三出射光分别对上后半球的不同区域进行照明甚至彼此部分地重叠，从而实现了在三维空间中的全向照明。 

有利的是，透镜包括底面、顶面以及连接顶面和底面的侧面，顶面由反射面构成，底面包括处于底面中心的入射面和处于入射面四周的支承面。侧面由第一出射面、第二出射面和第三出射面构成。 

根据本发明进一步提出，第一出射面、第二出射面和第三出射面在从顶面至底面的方向上顺序连接。第一出射面从顶面的边缘开始朝向底面在靠近中心轴线的方向上延伸，该第一出射面与反射面配合，从而使得从第 一出射面的出射的光线能够朝向后半球的区域照明。第二出射面从第一出射面开始在远离于中心轴线的方向上延伸。在此应该注意的是，在设计第一出射面和第二出射面的尺寸和轮廓时应该注意，从第一出射面出射的光线应该不能被第二出射面阻挡，以免影响全向照明的效果。另外，第三出射面从第二出射面延伸至底面。 

根据本发明提出，反射面形成朝向底面凹进的区域，并且反射面在横截面上的曲线在远离于底面的方向上弯曲。在整体上看，反射面形成了一种漏斗的形状，只是漏斗的周壁并不是直线的，而是在远离与底面的方向上弯曲，这种弯曲的反射面确保了入射的光线在经过其反射并经第一出射面出射后能够朝向后半球的方向照明。 

优选的是，反射面、第二出射面和第三出射面在横截面上由样条曲线限定。反射面、第二出射面和第三出射面由样条曲线旋转而成，根据配光要求，现有计算机生成仿真反射面、第二出射面和第三出射面，然后截取仿真面上的多个点，用平滑的曲线将这些点连接起来形成样条曲线。 

进一步优选的是，入射面设计为半球面，其中半球面的球心设置为全向照明装置的光源的安装点。由此确保从光源出射的每一条光线都能够在入射到入射面上之后不会改变方向地在透镜的内部传播。 

有利的是，第一出射面在横截面上由直线限定。在本发明的其他设计方案中，第一出射面在横截面上也可以由曲线限定。然而，无论是曲线还是直线都需确保第一出射面与反射面配合使用，以确保产生对后半球进行照明的第一出射光。 

有利的，支承面在横截面上由直线限定。根据本发明的透镜通常制成在电路板上，电路板的表面通常是平整的，因此这样设计的支承面有利于在电路板上的固定。在本发明的其他实施例中，也可以在支承面上设置卡锁结构，以卡入到电路板上相应地配置的卡槽或卡口中。 

优选的是，反射面设计为全内反射面。全内反射面最大程度地降低了光损失，并且很大程度上降低了透镜的制造成本。当然，可选的是，反射面通过在顶面上涂覆镜面反射材料形成。 

根据本发明的第二个方面提出一种全向照明装置，包括泡壳、光源、散热器和灯头，以及具有上述特征的透镜，从而利用透镜将来自光源的光在全向方向上进行了分配。 

优选地，散热器包括主体和从主体上延伸出的多个散热片，该主体的一端承载光源，透镜覆盖光源。主体例如设计为空心柱形，其中可以容纳其他组件。散热片可以以一体的方式或者作为附加部件设置在主体上。散热片也可以在周向上形成用于透镜和光源的支撑和/或限位结构。 

优选地，泡壳和散热器固定连接，共同限定出容纳光源和透镜的腔体。 

优选地，主体的另一端连接灯头。由此可以为光源提供电流。 

此外，本发明还涉及一种改型灯，其特征在于，包括上面提到的全向照明装置，其中全向照明装置的光源为LED芯片。根据本发明的改型灯具有制造成本低、制造工艺简单、光分布均匀、同时实现全向方位照明的优点。 

应该理解，以上的一般性描述和以下的详细描述都是列举和说明性质的，目的是为了对要求保护的本发明提供进一步的说明。 

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示出了根据本发明的透镜的截面图； 

图2示出了光源发射的光线的空间分布图； 

图3示出了通过根据本发明的透镜出射的光线在被照射的目标区域的空间分布图； 

图4示出了根据本发明的透镜在第一方向上观看的示意图； 

图5示出了根据本发明的透镜在第二方向上观看的示意图； 

图6示出了通过根据本发明的透镜的出射的第一出射光的光路图； 

图7示出了通过根据本发明的透镜的出射的第二出射光的光路图； 

图8示出了通过根据本发明的透镜的出射的第三出射光的光路图； 

图9示出了在根据本发明的透镜的一侧的出射的光线的光路图； 

图10示出了通过根据本发明的透镜出射的光线的总体的光路图； 

图11示出了通过根据本发明的透镜出射的光线的光强分布图； 

图12示出了根据本发明的照明装置的截面图。 

具体实施方式

在下面详细描述中，参考形成本说明书的一部分的附图，其中，以例证的方式示出了可以实施本发明的具体实施例。关于图，诸如“顶”、“底”、“上”、“下”、“左”、“右”等方向性术语参考所描述的附图的方向使用。由于本发明实施例的组件可以在许多不同方向上放置，所以方向术语仅用于说明，而没有任何限制的意思。应该理解的是，可以使用其它实施例， 并且在不背离本发明的范围的前提下可以进行结构或逻辑改变。所以，下面详细描述不应被理解为限制性的意思，并且本发明由所附的权利要求限定。 

图1示出了根据本发明的透镜100的截面图，从图中可见，该透镜100为相对于中心轴线X旋转对称的并且包括分别旋转对称地设计的入射面1、反射面2、出射面3。从图中进一步可见，出射面3包括第一出射面31、第二出射面32和第三出射面33。 

如图所示，透镜100可以包括底面、顶面以及连接顶面和底面的侧面，顶面由反射面2构成。底面包括处于底面中心的入射面1和处于入射面1四周的支承面11。侧面由第一出射面31、第二出射面32和第三出射面33构成，并且第一出射面31、第二出射面32和第三出射面33在从顶面至底面的方向上顺序连接，其中，第一出射面31从顶面的边缘开始朝向底面在靠近中心轴线X的方向上延伸，并且第二出射面32从第一出射面31开始在远离于中心轴线X的方向上延伸，并且第三出射面33从第二出射面32延伸至底面。 

此外，从图1中可见，反射面2、第二出射面32和第三出射面33在横截面上由样条曲线限定。入射面1设计为半球面，其中半球面的球心设置为光源的安装点，并且第一出射面31和支承面11在横截面上由直线限定。在本实施例中，反射面2设计为全内反射面，当然在本发明的其他实施例中，反射面2通过在所述顶面上涂覆镜面反射材料形成。 

另外，在图1中示出透镜100的中心轴线X右侧，透镜100被分隔成三个区域，这三个区域分别对应于图2中示出的光源的光轴右侧的三个区域的光线。在此需要强调的是，在此仅仅对中心轴线X的右侧的区域进行了说明，但是根据本发明的透镜100设计成旋转对称的，因此在透镜100的左侧的区域与右侧的区域是相同的，因此不再进一步说明。 

结合图2中示出的光源发射的光线的空间分布图和图3中示出的通过根据本发明的透镜100出射的光线在被照射的目标区域的空间分布图，光源的第一部分光线A经入射面1入射、经反射面2反射并经出射面3出射后形成第一出射光A′。光源的第二部分光线B经入射面1入射并经出射面3出射后形成第二出射光B′，光源的第三部分光线C经入射面1入射并经出射面3出射后形成第三出射光C′，其中，第一出射光A′、第二出射光B′以及第三出射光C′共同构成全向照明。 

图4示出了根据本发明的透镜100在第一方向上观看的示意图，在图中所示出的角度中无法观察到透镜的入射面1。从图中可见，透镜100在外观上由两部组成，即位于下方的基本圆柱形轮廓的下部透镜区域和位于上方的截锥形的上部透镜区域。其中该截锥形的上部透镜区域（也就是面积较小的顶面）倒扣在下部透镜区域的一个端面上。结合图1中的视图可见，透镜100的顶面形成了反射面2，该反射面2形成朝向底面凹进的区域，并且反射面2在横截面上的曲线在远离于底面的方向上弯曲。在整体上看，反射面2形成了一种漏斗的形状，只是漏斗的周壁并不是直线的，而是在远离于底面的方向上弯曲，这种弯曲的反射面2确保了入射的光线在经过其反射并经第一出射面31出射后能够朝向透镜的侧下方照明。 

图5示出了根据本发明的透镜100在第二方向上观看的示意图。在该视图中可以观察到透镜100的入射面1，但是观察不到透镜100的反射面2和第二出射面32。在该视图中，下部透镜区域更加类似于一种空心圆柱体，但实质上仅仅是在下部透镜区域中形成了半球形的空腔。另外，从图中还可以看到在半球形的空腔的周向上形成的支承面11，在实际的装配中，该支承面11抵靠在电路板上或者其他的平整的安装表面上。 

在本实施例中，第一出射光A′经所述第一出射面31折射后形成。参见图6示出的通过根据本发明的透镜100的出射的第一出射光A′的光路图，第一出射光A′对后半球的部分区域进行照明。第二出射光B′经第二 出射面32折射后形成。参见图7示出的通过根据本发明的透镜100的出射的第二出射光B′的光路图，第二出射光B′对前半球和后半球的部分区域进行照明。另外，第三出射光C′经第三出射面33折射后形成。参见图8示出的通过根据本发明的透镜100的出射的第三出射光C′的光路图，第三出射光C′对前半球的部分区域进行照明。在此需要说明的是，所谓的全向照明是一种在三维的360°空间中的照明，为此将该三维空间分割成两个180°半球。光源处于两个半球的球心，而对应于光源的光出射方向的180°的半球被设定为前半球，而与之相反的处于光源的后方的半球则被设定为后半球。在本发明的设计方案中，第一、第二以及第三出射光分别对上后半球的不同区域进行照明甚至彼此部分地重叠，从而实现了在三维空间中的全向照明。 

图9示出了在根据本发明的透镜100的一侧的出射的光线的光路图，从图中可见，第一出射光A′、第二出射光B′和第三出射光C′已经覆盖了中心轴线X的右侧的较大范围。 

图10示出了通过根据本发明的透镜100出射的光线的总体的光路图，从图中可见，在透镜100的中心轴线X的两侧的大部分区域都已经被出射光所覆盖。图11示出了通过根据本发明的透镜100出射的光线的光强分布图，从图中可见，根据本发明的透镜100基本上覆盖了280度的空间区域，这已经达到了传统意义上的全向照明的要求。另外，从图中可见，在光线所覆盖的区域中的光强基本一致，只是在-80°至-110°的区域以及80°至110°的两个区域中的光强稍强，但是该光强也没有超过其余区域光强的20%，其符合相关标准。 

图12示出了根据本发明的全向照明装置200的截面图。该全向照明装置200尤其设计为改型灯。从图中可见，全向照明装置200包括泡壳4、光源5、散热器6和灯头7以及前述类型的透镜100。从图中进一步可见，散热器6包括主体61和从主体61上延伸出的多个散热片62，主体61的 一端承载光源5并且主体61的另一端连接灯头7，透镜100覆盖光源5。在根据本发明的改型灯中，光源5尤其设计为单一的大功率LED芯片。 

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 

1        入射面 

11       支承面 

2        反射面 

3        出射面 

31       第一出射面 

32       第二出射面 

33       第三出射面 

4        泡壳 

5        光源，LED芯片 

6        散热器 

61       主体 

62       散热片 

7        灯头 

A        第一部分光线 

A′      第一出射光 

B        第二部分光线 

B′      第二出射光 

C        第三部分光线 

C′      第三出射光 

100      透镜 

200      全向照明装置，改型灯。 

Claims (21)

1.一种用于全向照明装置的透镜（100），其特征在于，所述透镜（100）为相对于中心轴线（X）旋转对称的并且包括分别旋转对称地设计的入射面（1）、反射面（2）、和出射面（3），其中，所述全向照明装置的光源的第一部分光线（A）经所述入射面（1）入射、经所述反射面（2）反射并经所述出射面（3）出射后形成第一出射光（A′），所述光源的第二部分光线（B）经所述入射面（1）入射并经所述出射面（3）出射后形成第二出射光（B′），所述光源的第三部分光线（C）经所述入射面（1）入射并经所述出射面（3）出射后形成第三出射光（C′），其中，所述第一出射光（A′）、所述第二出射光（B′）以及所述第三出射光（C′）共同构成全向照明。

2.根据权利要求1所述的透镜（100），其特征在于，所述出射面（3）包括第一出射面（31）、第二出射面（32）和第三出射面（33），其中，所述第一出射光（A′）经所述第一出射面（31）折射后形成，所述第二出射光（B′）经所述第二出射面（32）折射后形成，所述第三出射光（C′）经所述第三出射面（33）折射后形成。

3.根据权利要求2所述的透镜（100），其特征在于，至少所述第一出射光（A′）对照明空间的后半球的部分区域进行照明，至少所述第二出射光（B′）对照明空间的前半球和后半球的部分区域进行照明，并且至少所述第三出射光（C′）对照明空间的前半球的部分区域进行照明。

4.根据权利要求2所述的透镜（100），其特征在于，所述透镜（100）包括底面、顶面以及连接所述顶面和所述底面的侧面，所述顶面由所述反射面（2）构成。

5.根据权利要求4所述的透镜（100），其特征在于，所述底面包括处于所述底面中心的所述入射面（1）和处于所述入射面（1）四周的支承面（11）。

6.根据权利要求4所述的透镜（100），其特征在于，所述侧面由所述第一出射面（31）、所述第二出射面（32）和所述第三出射面（33）构成。

7.根据权利要求6所述的透镜（100），其特征在于，所述第一出射面（31）、所述第二出射面（32）和所述第三出射面（33）在从所述顶面至所述底面的方向上顺序连接。

8.根据权利要求7所述的透镜（100），其特征在于，所述第一出射面（31）从所述顶面的边缘开始朝向所述底面在靠近所述中心轴线（X）的方向上延伸，并且所述第二出射面（32）从所述第一出射面（31）开始在远离于所述中心轴线（X）的方向上延伸，并且所述第三出射面（33）从所述第二出射面（32）延伸至所述底面。

9.根据权利要求7所述的透镜（100），其特征在于，所述反射面（2）形成朝向所述底面凹进的区域。

10.根据权利要求9所述的透镜（100），其特征在于，所述反射面（2）在横截面上的曲线在远离于所述底面的方向上弯曲。

11.根据权利要求2至10中任一项所述的透镜（100），其特征在于，所述反射面（2）、所述第二出射面（32）和所述第三出射面（33）在横截面上由样条曲线限定。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的透镜（100），其特征在于，所述入射面（1）设计为半球面，其中所述半球面的球心设置为所述全向照明装置的光源的安装点。

13.根据权利要求2至9中任一项所述的透镜（100），其特征在于，所述第一出射面（31）在横截面上由直线限定。

14.根据权利要求5所述的透镜（100），其特征在于，所述支承面（11）在横截面上由直线限定。

15.根据权利要求1至9中任一项所述的透镜（100），其特征在于，所述反射面（2）设计为全内反射面。

16.根据权利要求4至9中任一项所述的透镜（100），其特征在于，所述反射面（2）通过在所述顶面上涂覆镜面反射材料形成。

17.一种全向照明装置（200），包括泡壳（4）、光源（5）、散热器（6）和灯头（7），其特征在于，还包括根据权利要求1至16中任一项所述的透镜（100）。

18.根据权利要求17所述的全向照明装置（200），其特征在于，所述散热器（6）包括主体（61）和从所述主体（61）上延伸出的多个散热片（62），所述主体（61）的一端承载所述光源（5），所述透镜（100）覆盖所述光源（5）。

19.根据权利要求18所述的全向照明装置（200），其特征在于，所述泡壳（4）和所述散热器（6）固定连接，共同限定出容纳所述光源（5）和所述透镜（100）的腔体。

20.根据权利要求18所述的全向照明装置（20），其特征在于，所述主体（61）的另一端连接所述灯头（7）。

21.一种改型灯，其特征在于，包括权利要求17至20中任一项所述的全向照明装置（200），其中所述全向照明装置（200）的所述光源（5）为LED芯片。

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