TWI609207B - Led光源模組及其透鏡 - Google Patents

Description

LED光源模組及其透鏡

本發明涉及一種光源模組及其聚光元件，特別涉及一種LED光源模組及其透鏡。

LED為高度指向性光源，因此由LED及封裝膠製成的LED封裝體出光角度小、光線集中分佈在LED封裝體中部，而LED封裝體周緣的光線強度較弱。

雖然大部分封裝完成的LED封裝體出光光場呈中間大兩頭小的趨勢，大部分光集中在法線方向，其強度分佈隨著與發光面法線的夾角的增大而遞減，但係出於法線方向的光線仍然有一定的大小角度，而對於不同的照明需求需要更集中的光場，例如，應用於小型中心切削工具機、雕刻機、縫紉機，拑工工作臺等，需要更集中特一性更強的光。所以提供一種集中度高聚光性強的光學元件實屬必要。

有鑑於此，有必要提供一種能更大限度聚焦光線的透鏡及使用該透鏡的LED光源模組。

一種透鏡，具有位於徑向中央的中心軸，所述透鏡底部位於中心軸上具有一用於放置光源的光源放置點，所述透鏡具有多個依次順序排布的光學區域A、B及C，所述光源放置點與所述光學區域B內任意一點的連線與透鏡的中心軸之間的夾角大於所述光源放置點與所述光學區域A內任意一點的連線與透鏡的中心軸之間的夾角，所述光源放置點與所述光學區域C內任意一點的連線與透鏡中心軸之間的夾角大於所述光源放置點與所述光學區域B內任意一點的連線與所述中心軸之間的夾角，且每個光學區域均將光線朝向靠攏中心軸的方向偏擺。

一種LED光源模組，包括透鏡及與透鏡配合的LED光源，所述透鏡具有多個光學區域A、B及C，所述光學區域A、B及C依次順序排布，所述光學區域A、B及C與中心軸的空間角不同，並且，每個光學區域均有相互配合的折射面及反射面，所述光學區域A、B及C的折射面及反射面不在同一平面，所述LED光源發出的光線經光學區域A、B及C的折射面折射後經反射面反射，最後自透鏡的頂部出射。

與習知技術相比，本發明提供的LED光源模組發出的光線經從透鏡的光學區域A、B、C不在同一平面的反射面反射並經折射面折射後自透鏡頂部出射，如此，原本集中在透鏡周緣的光線，彙聚至透鏡的頂部，從而減弱了透鏡周緣的出光光強，增強了透鏡頂部的出光光強，使得LED光源模組出光光場彙聚於頂部。

100‧‧‧透鏡

110‧‧‧主體部

120‧‧‧延伸部

150‧‧‧中心軸

130‧‧‧聚光部

200‧‧‧LED光源

201‧‧‧光源放置點

10‧‧‧第一腔體

20‧‧‧第二腔體

30‧‧‧第三腔體

131‧‧‧外曲面

32‧‧‧第四內壁面

22‧‧‧第二內壁面

31‧‧‧第三內壁面

121‧‧‧第二側面

11‧‧‧第一內壁面

111‧‧‧第一側面

112‧‧‧第一頂面

122‧‧‧第二頂面

34、12‧‧‧內側點

113‧‧‧外側點

202、203‧‧‧直線

圖1係本發明中LED光源模組及透鏡的立體圖。

圖2係圖1所示LED光源模組及透鏡的剖視圖。

圖3係圖2所示LED光源模組及透鏡的光路圖。

請參考圖1，本實施例所述LED光源模組包括LED光源200及與之配合的透鏡100。

同時參考圖2和圖3，所述透鏡100包括一主體部110、自主體部110一端凸伸的延伸部120及自延伸部120遠離主體部110的頂端中部向上延伸形成的一聚光部130。所述透鏡100具有貫穿主體部110、延伸部120及聚光部130的中心軸150。所述主體部110、延伸部120及聚光部130分別關於中心軸150對稱設置。

所述主體部110外輪廓為圓臺形。所述主體部110的頂端連接延伸部120，所述主體部110的底端與LED光源200配合。主體部110的直徑自底端向頂端逐漸增大。所述主體部110包括傾斜設置的第一側面111及位於頂端的連接第一側面111的第一頂面112。第一側面111為圓臺的側面。

所述延伸部120自所述主體部110的頂端中部向上延伸形成。所述延伸部120外輪廓為圓臺形。所述延伸部120的直徑自與主體部110相連的底端向遠離主體部110的頂端逐漸增大。延伸部120底端的直徑小於主體部110的頂端的直徑。所述延伸部120包括第二側面121及連接第二側面121的第二頂面122。所述第二側面121為圓臺的側面。所述第一頂面112與第二側面121相交處在縱截面上的點為外側點113。兩個外側點113關於中心軸150對稱。所述第 一頂面112平行於所述第二頂面122。所述第二頂面122的直徑小於第一頂面112的直徑。

所述聚光部130為自第二頂面122中部向上凸伸的曲面結構，其用於彙聚LED光源200發出的光線。聚光部130具有與第二頂面122連接的外曲面131。

所述主體部110內具有沿透鏡100的中心軸150自下向上依次排列且連通設置的一第一腔體10、一第二腔體20及自主體部110朝向延伸部120向上延伸設置的一第三腔體30。第三腔體30大部分位於延伸部120內，小部分位於主體部110內。所述第一腔體10、第二腔體20及第三腔體30都關於透鏡100的中心軸150呈對稱且連通設置。

第一腔體10為圓臺形，由光滑的第一內壁面11圍設形成，第一腔體10的縱截面為梯形。第一腔體10的孔徑自與第二腔體20靠近的頂端向遠離第二腔體20的底端逐漸減小。LED光源200收容於第一腔體10的底端中部。LED光源200位於中心軸150上。在本實施例中，透鏡100的中心軸150與透鏡100底部所在平面相交的點為一光源放置點201。

第二腔體20由光滑的第二內壁面22圍設而成。所述第二內壁面22自第一腔體10的第一內壁面11頂端朝向聚光部130延伸形成，其形狀為以光源放置點201為球心的球體的部分球面，所述第二腔體20的底端孔徑等於所述第一腔體10的頂端孔徑，所述第二腔體20的頂端孔徑小於其底端孔徑。所述第二內壁面22與第一內壁面11在縱截面上的相交處為內側點12。兩個內側點12沿中心軸150呈對稱設置。

第三腔體30由光滑的第三內壁面31和第四內壁面32圍設而成。所述第三內壁面31為圓臺的側面。第三內壁面31自第二腔體20的第二內壁面22頂端開始沿遠離中心軸150並朝向聚光部130方向延伸形成。所述第四內壁面32為自第三內壁面31頂端開始朝向第一腔體10方向且靠近中心軸150方向凸伸而構成的一弧形曲面。所述第三腔體30的底端孔徑等於所述第二腔體20的頂端孔徑，所述第三腔體30的頂端孔徑大於其底端口徑。所述第三內壁面31與第二內壁面22的相交處在縱截面上的交點為內側點23，兩個內側點23沿中心軸150呈對稱設置。所述第三內壁面31與第四內壁面32的相交處在縱截面上的交點為內側點34，兩個內側點34沿中心軸150呈對稱設置。

如圖2和圖3所示，在縱截面上，在透鏡100縱截面位於中心軸150一側，所述透鏡100的內側點34與光源放置點201的連線形成一假想直線202；所述透鏡100的外側點113、內側點12及光源放置點201處形成一假想直線203；所述直線202與繞透鏡100的中心軸150旋轉所形成的錐面內所夾的透鏡100的實體部分區域為光學區域A；所述的直線203繞透鏡100的中心軸150旋轉所形成的錐面和直線202繞透鏡100的中心軸150旋轉所形成的錐面之間所夾的透鏡100的實體部分為光學區域B；所述直線203繞透鏡100的中心軸150旋轉所形成的錐面同透鏡100底部所在平面所夾的透鏡100的實體部分區域為光學區域C。所述光源放置點201與所述光學區域B內任意一點的連線與透鏡 100的中心軸150之間的夾角大於所述光源放置點201與所述光學區域A內任意一點的連線與透鏡100的中心軸150之間的夾角，所述光源放置點201與所述光學區域C內任意一點的連線與透鏡100的中心軸150之間的夾角大於所述光源放置點201與所述光學區域B內任意一點的連線與所述中心軸150之間的夾角。

本發明中所述第三內壁面31與中心軸150的夾角大於第一內壁面11與中心軸150的夾角；所述第二側面121與中心軸150的夾角等於第一側面111與中心軸150的夾角，即第二側面121與第一側面111在縱截面上的截線平行；所述第一頂面112同第二頂面122相互平行；外曲面131與第四內壁面32相對設置，所述聚光部130的焦點位於光源放置點201處；第二內壁面22位於以光源放置點201為球心球面上；所述第三內壁面31、第一內壁面11、外曲面131、第四內壁面32為對LED光源200發出的光線進行不同程度的折射的折射面。第二側面121與第一側面111為反射面，用於對LED光源200發出的光線進行反射。所述第二內壁面22為球面狀，LED光源200發出的光線經過第二內壁面22時路徑不發生改變。

LED光源200發出的光線根據不同的出光角度進入所述的光學區域A、B及C後會發生不同的變化。進入光學區域A的光線首先經過第四內壁面32的折射，隨後經外曲面131或者部分第二頂面122的折射後從透鏡100的頂部出射；進入光學區域B的光線包括入射到第三內壁面31的光線和入射到第二內壁面22的光線，光學區域B中入射到第三內壁面31的光線先經過第三內壁面31折射至第二側面121，最後藉由第二側面121的反射後經由第二頂面122向上出射，光學區域B中入射到第二內壁面22的光線不發生偏折直接經過第二側面121的反射後經由第二頂面122向上出射；進入光學區域C的光線經過第一內壁面11折射至第一側面111，最後經過第一側面111的反射後經由第一頂面112向上出射。所有光線經過不同的光學區域後，都有不同程度的朝向靠攏中心軸150方向偏擺，使光線彙聚從透鏡100的頂部出射。應可理解，所謂“靠攏”係指原來與中心軸150夾角較大的光線經由光學區域的作用後，該光線以與中心軸150更小的夾角出射。

100‧‧‧透鏡

110‧‧‧主體部

120‧‧‧延伸部

150‧‧‧中心軸

130‧‧‧聚光部

200‧‧‧LED光源

201‧‧‧光源放置點

202、203‧‧‧直線

Claims (9)

1. 一種透鏡，具有位於徑向中央的中心軸，所述透鏡底部位於中心軸上具有一用於放置光源的光源放置點，所述透鏡具有多個依次順序排布的光學區域A、B及C，其改良在於：所述光源放置點與所述光學區域B內任意一點的連線與透鏡的中心軸之間的夾角大於所述光源放置點與所述光學區域A內任意一點的連線與透鏡的中心軸之間的夾角，所述光源放置點與所述光學區域C內任意一點的連線與透鏡的中心軸之間的夾角大於所述光源放置點與所述光學區域B內任意一點的連線與所述透鏡的中心軸之間的夾角，且每個光學區域均將光源發出的光線朝向靠攏中心軸的方向偏擺，所述透鏡包括主體部、自主體部頂端中部凸伸的延伸部及自延伸部頂端中部延伸的聚光部，所述主體部包含有第一內壁面、第二內壁面、第一側面和第一頂面，所述延伸部包含第二側面、第二頂面、第四內壁面，所述第一顶面和第二顶面平行，所述第一侧面和所述第二侧面在纵截面上的截线平行。
2. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡，其中：所述透鏡沿其中心軸方向自下向上依次開設有多個腔體，包括含有第一內壁面的第一腔體，含有第二內壁面的第二腔體，以及含有第三內壁面和第四內壁面的第三腔體，其中第一腔體和第二腔體位於主體部內，第三腔體位於主體部和延伸部內。
3. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡，其中：所述第一腔體、第二腔體、第三腔體自透鏡中心軸向自下向上連通且關於透鏡中心軸對稱分佈。
4. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡，其中：以光源放置點為頂點，以第四內壁面與第三內壁面的交線上任意一點與光源放置點的連線作為母線所形成的錐面所夾透鏡的實體部分為所述的光學區域A；以光源放置點為頂點，以第四內壁面與第三內壁面的交線上任意一點與光源放置點的連線作為母線、以及以第一內壁面與第二內壁面交線上任意一點與光源放置點的連線作為母線 所形成兩個錐形面所夾透鏡的實體部分為所述光學區域B；以光源放置點為頂點，以第一內壁面與第二內壁面的交線上任意一點同光源放置點的連線作為母線和透鏡底部所在平面所夾的透鏡的實體部分為所述光學區域C。
5. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡，其中：所述聚光部含有外曲面，所述第三內壁面自主體部朝向延伸部設置，所述光源發出的進入光學區域A光線先透過第四內壁面再由外曲面或第二頂面出射，所述光源發出的進入光學區域B的光線先透過第二、第三內壁面，然後經第二側面的反射，再由第二頂面出射，所述光源發出進入光學區域C的光線先透過第一內壁面，然後經第一側面的反射，再由第一頂面出射。
6. 如申請專利範圍第5項所述的透鏡，其中：所述第一內壁面、第三內壁面、第一側面和第二側面均為圓臺的側面，所述第二內壁面為部分球面，第四內壁面為朝向第一腔體凸出的曲面。
7. 如申請專利範圍第6項所述的透鏡，其中：第三內壁面與中心軸的夾角大於第一內壁面與中心軸的夾角，所述第一側面與中心軸的夾角等於第二側面與中心軸的夾角，所述第二內壁面所在球面的球心位於所述的光源放置點處。
8. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡，其中：所述聚光部的焦點位於所述光源放置點處。
9. 一種具有申請專利範圍第1-8項任意一項所述透鏡的LED光源模組，包括一與透鏡配合的LED光源，所述LED光源發出的光線經光學區域A、B及C中的不同面折射和反射後自透鏡的頂部出射。