用于led照明装置的透镜及led照明装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于LED照明装置的透镜及LED照明装置。透镜具有底面（203）和从底面（203）上隆起的出射面（201），底面（203）具有相对于基准平面凹进的凹进区域（204），凹进区域的表面形成入射面（202），透镜具有限定出基准平面的第一轴线（X）和垂直于第一轴线（X）的第二轴线（Y）、以及垂直于基准平面的第三轴线（Z）。出射面（201）形成为相对于第三轴线（Z）的旋转对称曲面，入射面（202）形成为相对于第三轴线（Z）的非旋转对称曲面，使得光源发出的光通过透镜形成偏轴椭圆形光分布。本发明的透镜在实现偏轴椭圆光分布的同时可以实现高照明强度，并可以与其它灯具的透镜保持一致的外观，使设计和制造的困难降低且可以允许较大容差。
【专利说明】用于LED照明装置的透镜及LED照明装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于LED照明装置的透镜及LED照明装置。
【背景技术】
[0002]LED作为一种新光源，由于其具有效率高、光色纯、能耗低、寿命长、可靠耐用、污染少、控制灵活等优点，因而得到了广泛应用。
[0003]LED所发出的光为朗伯(Lambertian)分布,这样的光分布如果不经过合适的光学元件处理而直接应用的话，将在大多数应用情况下都难以满足照明需求。因此，对以LED为光源的照明系统进行二次光学设计以改善其光分布是十分必要的。特别地，LED发光组件的光学兀件设计对LED灯的光分布及光学输出效率至关重要。
[0004]在一些应用场合中，需要偏轴的光分布。例如，在街道灯等应用场合，特别期望形成这样的照明效果，即，仅照亮所期望照亮的路面，而对于这些路面之外的区域(例如，邻街的居民住宅等)期望能够实现无照明，以避免照明影响这些区域(例如，邻街的影响居民的夜晚休息等)。例如，期望用于道路照明的LED路灯发出的所有光刚刚可以覆盖住道路，而道路之外的光污染几乎为零。即，希望从LED灯发出的所有光朝向特定的方向(例如，朝向道路)偏离，这称为“偏轴分布(off-axis light distribution,偏光分布)”。在已知偏轴的光分布中，偏轴椭圆光分布由于其比较容易实现而被人们通常采用。
[0005]为了实现偏轴的椭圆形光分布，已知的方案通常采用图1至6中所示的透镜100。该透镜100具有从底面凹入而形成的入射面102、以及出射面101。在该种透镜中，出射面101和入射面102均为非旋转对称形状。
[0006]这种透镜至少具有以下缺点:
[0007]1、由于出射面101和入射面102均为非旋转对称形状，所以在进行为了实现偏轴的椭圆形光分布的设计时需要调整数量较多的参数，使得透镜的设计和制造都非常困难，而且其尺寸将导致许多大的容差。
[0008]2、由于出射面101和入射面102均为非旋转对称形状，所以透镜的制造过程(例如注塑过程)中对模具等要求复杂且严格，使得制造过程难度大；并且难以精确地确保所形成的形状精度。
[0009]3、这种透镜由于出射面具有非旋转对称形状，因而外形形成得与其它常用的灯的透镜外形不同，使得灯具系统在整体上难以保持一致的外观。例如，在加油站等应用场合中，照明系统中具有多种形式的光分布的灯具，例如，位于照明系统中央部位中的用于形成蝴蝶形光分布的灯具以及位于照明系统边缘部位中的用于形成偏轴椭圆光分布的灯具。但是已知的用于形成蝴蝶形光分布的灯具的透镜的出射面具有旋转对称的形状，但用于形成偏轴椭圆光分布的透镜却形成为图1-6的形状，从而这种光分布的透镜的外形差异巨大，使得整个照明系统的外观不一致，进而对安装及使用带来不便。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，从而提供一种透镜及具有该透镜的LED照明装置，从而实现偏轴光分布并且同时能够保持与其它常用灯的透镜一致的外观。
[0011]根据本发明的一个方面，提供一种用于LED照明装置的透镜，具有底面和从底面上隆起的出射面，底面具有相对于基准平面凹进的凹进区域，凹进区域的表面形成入射面，透镜具有限定出基准平面的第一轴线和垂直于第一轴线的第二轴线、以及垂直于基准平面的第三轴线，出射面形成为相对于第三轴线的旋转对称曲面，入射面形成为相对于第三轴线的非旋转对称曲面。
[0012]进一步地，所述透镜设置成使得位于凹进区域中的光源所发出的光通过透镜形成偏轴椭圆形光分布。
[0013]进一步地，入射面在通过第二轴线和第三轴线的竖直平面上的投影形成第一曲线，第一曲线相对于第三轴线为对称的弧形线。
[0014]进一步地，第一曲线具有通过以下公式所表达的形状:
[0015]z=0.0024y4-lE_14y3-0.215y2+2E_13y+2.55
[0016]进一步地，入射面在底面所在的平面上的投影形成第二曲线，第二曲线具有关于第一轴线的轴对称形状。
[0017]进一步地，第二曲线相对于第二轴线非对称。
[0018]进一步地，第二曲线形成为沿第一轴线朝向光线偏离的方向渐缩的封闭曲线。
[0019]进一步地，第二曲线具有通过以下公式所表达的形状:
[0020]y=-0.0001χ6+0.0002χ5+0.0022χ4+0.0006χ3_0.085x2+0.257x+3.7517
[0021]进一步地，入射面在第一轴线和第三轴线限定的竖直平面上的投影形成第三曲线，第三曲线相对于第三轴线为非对称的弧形线。
[0022]进一步地，第三曲线形成为使得弧形线的最高点相对于第三轴线位于与光线偏离的方向相反的一侧。
[0023]进一步地，第三曲线相对于最高点具有朝向光线偏离的方向的第一段和背离光线偏离的方向的第二段，第一段的倾斜度小于第二段的倾斜度。
[0024]进一步地，第三曲线可具有通过以下公式所表达的形状:
[0025]z=-0.0003χ5-0.0017χ4_0.0003χ3_0.0158χ2+0.4902χ+2.55
[0026]进一步地，出射面在通过第二轴线和第三轴线的竖直平面上的投影形成第四曲线，第四曲线相对于第三轴线为对称的弧形线。
[0027]进一步地，第四曲线可具有通过以下公式所表达的形状:
[0028]ζ=-0.0005y6+0.0086y5-0.0534y4+0.135y3-0.1493y2+0.0404y+5.4
[0029]根据本发明的另一方面，提供一种LED照明装置，该照明装置具有前述的任一种透镜。
[0030]通过本发明的各种实施例，至少可以实现以下效果中的一种或多种:
[0031]1.通过出射面的旋转对称曲面以及入射面的非旋转对称曲面而以简单的方式实现了偏轴椭圆光分布。
[0032]2.由于出射面设置为旋转对称曲面，所以在进行为了对透镜进行设计以实现偏轴的椭圆形光分布时仅需要调整数量较少的参数，使得透镜的设计和制造变得容易；
[0033]3.由于出射面具有旋转对称形状，而这种旋转对称的形状使得透镜的外形形成得与其它常用的灯的透镜外形相同，从而在具有多种形式的光分布的灯具的照明系统中，可以使得根据本发明实施例的透镜在整体上保持一致的外观；
[0034]4.根据本发明实施例的透镜由于仅具有一个自由形状的表面(即，入射面)，因而当用于各种不同的应用场合时，保持外表面的形状不变而仅改变入射面的形状即可，因而设计和制造的困难降低、成本减少，并且可以允许较大容差；
[0035]5.本发明实施例的透镜可以实现高照明强度。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]附图构成本说明书的一部分，用于帮助进一步理解本发明。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:
[0037]图1示出了根据已知技术的用于实现偏轴椭圆光分布的透镜的从上部观看的立体图；
[0038]图2示出了根据已知技术的用于实现偏轴椭圆光分布的透镜的从下部观看的立体图；
[0039]图3示出了根据已知技术的用于实现偏轴椭圆光分布的透镜的立体图，其中切除了透镜的一部分以示出其内部的凹进区域；
[0040]图4示出了根据已知技术的用于实现偏轴椭圆光分布的透镜的另一立体图，其中切除了透镜的一部分以示出其内部的凹进区域；
[0041]图5示出了根据已知技术的用于实现偏轴椭圆光分布的透镜的剖视图，其中示出了透镜内部的凹进区域；
[0042]图6示出了根据已知技术的用于实现偏轴椭圆光分布的透镜的另一剖视图，其中示出了透镜内部的凹进区域；
[0043]图7示出了根据本发明实施例的用于实现偏轴椭圆光分布的透镜的立体图，其中切除了透镜的一部分以示出其内部的凹进区域；
[0044]图8示出了根据本发明实施例的用于实现偏轴椭圆光分布的透镜的另一立体图，其中切除了透镜的一部分以示出其内部的凹进区域；
[0045]图9示出了根据本发明实施例的用于实现偏轴椭圆光分布的透镜的在Y-Z平面上的投影，其中入射面的投影为虚线所示出的第一曲线S 1，并且出射面的投影为实线所示出的第四曲线S4;
[0046]图10示出了根据本发明实施例的用于实现偏轴椭圆光分布的透镜的在X-Y平面上的投影，其中入射面的投影为虚线所示出的第二曲线；
[0047]图11示出了根据本发明实施例的用于实现偏轴椭圆光分布的透镜的在X-Z平面上的投影，其中入射面的投影为虚线所示出的第三曲线；
[0048]图12示出了根据本发明实施例的用于实现偏轴椭圆光分布的透镜的仰视图；
[0049]图13示出了根据本发明实施例的用于实现偏轴椭圆光分布的透镜的立体图，其中，为了切除了透镜的四分之三以示出其内部的凹进区域；
[0050]图14示出了根据本发明实施例的用于实现偏轴椭圆光分布的透镜的另一立体图，其中，为了切除了透镜的四分之三以示出其内部的凹进区域；；[0051]图15示出了根据本发明实施例的透镜所实现的偏轴椭圆光分布；
[0052]图16示出了根据本发明实施例的透镜所实现的偏轴椭圆光分布沿图15中的X轴方向的光强图；
[0053]图17示出了根据本发明实施例的透镜所实现的偏轴椭圆光分布沿图15中的Y轴方向的光强图；
[0054]图18示出了根据本发明实施例的透镜所实现的偏轴椭圆光分布图。
【具体实施方式】
[0055]以下将参照示出了本发明示例性实施例的附图对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以多种不同形式来实施，而不应该仅限于这里所阐述的示例性实施例来构造。当然，提供这些示例性实施例是为了使本公布更全面和完整，并能够向本领域技术人员充分传达本发明的范围。
[0056]下面，将参照附图详细解释本发明。
[0057]参照图7-14，其中示出了根据本发明实施例的一种用于LED照明装置的透镜200。透镜200具有底面203和从底面203上隆起的出射面201，底面203具有相对于基准平面X-Y凹进的凹进区域204，凹进区域的表面形成入射面202，透镜具有限定出基准平面X-Y的第一轴线X和垂直于第一轴线X的第二轴线Y、以及垂直于基准平面X-Y的第三轴线Z。
[0058]特别地，根据本发明实施例的用于LED照明装置的透镜200的出射面201形成为相对于第三轴线Z的旋转对称曲面，入射面202形成为相对于第三轴线Z的非旋转对称曲面，从而使得位于凹进区域中的光源所发出的光通过透镜形成偏轴椭圆形光分布。
[0059]根据本发明实施例的这种设置，通过出射面201的旋转对称曲面以及入射面202的非旋转对称曲面而以简单的方式实现了偏轴椭圆光分布。特别地，，根据本发明实施例的用于LED照明装置的透镜200由于出射面101设置为旋转对称曲面，所以在进行为了对透镜进行设计以实现偏轴的椭圆形光分布时仅需要调整数量较少的参数，使得透镜的设计变得容易。另外，由于出射面保持了旋转对称形状，从而在透镜的制造过程中降低了对模具的要求，使得透镜的制造相对容易。更特别地，根据本发明实施例的用于LED照明装置的透镜200由于出射面具有旋转对称形状，而这种旋转对称的形状使得透镜的外形形成得与其它常用的灯的透镜外形相同，从而在具有多种形式的光分布的灯具的照明系统中，可以使得根据本发明实施例的透镜在整体上保持一致的外观。例如，在【背景技术】部分中所描述的用于加油站等应用场合时，可以使得整个照明系统的外观一致，进而便于安装及使用。
[0060]下面分别参照图9-11来描述形成透镜200的主要的曲面特点。
[0061]首先，照图9-11来说明入射面202的特点。
[0062]请参照图9，入射面202在通过第二轴线Y和第三轴线Z的竖直平面Y_Z上的投影形成第一曲线SI，第一曲线SI相对于第三轴线Z可形成为对称的弧形线。通过使入射面在Y-Z面的投影形成为轴对称形状，一方面有助于最终形成轴对称形状的椭圆形光分布，另外可以使得入射面202在设计中需要调整的参数减少，简化透镜的设计与制造(例如，相应地简化了用于制造透镜的模具的形状)。
[0063]优选地，第一曲线SI可以具有通过以下公式所表达的形状:
[0064]ζ=0.0024y4-lE_14y3-0.215y2+2E_13y+2.55[0065]请参照图10，入射面202在底面所在的平面X-Y上的投影形成第二曲线S2，第二曲线可具有关于第一轴线X的轴对称形状。同样地，通过使入射面在X-Y面的投影形成为轴对称形状，一方面有助于最终形成轴对称形状的椭圆形光分布，另外可以使得入射面202在设计中需要调整的参数减少，简化透镜的设计与制造(例如，相应地简化了用于制造透镜的模具的形状)。
[0066]更进一步地，如图10所示，第二曲线S2相对于第二轴线Y可形成为非对称形状。更具体地，第二曲线S2可形成为沿第一轴线X朝向光线偏离的方向渐缩的封闭曲线。通过使入射面202在X-Y面的投影形成为关于Y轴的非对称形状，可使得透镜200形成为偏轴光分布，而渐缩的封闭曲线形状可用于椭圆光分布的形成。
[0067]优选地，第二曲线S2可具有通过以下公式所表达的形状:
[0068]y=-0.0001χ6+0.0002χ5+0.0022χ4+0.0006χ3_0.085x2+0.257x+3.7517
[0069]请参照图11，入射面202在第一轴线X和第三轴线Z限定的竖直平面X_Z上的投影形成第三曲线S3，第三曲线相对于第三轴线Z为非对称的弧形线。优选地，第三曲线S3可形成为使得弧形线的最高点相对于第三轴线Z位于与光线偏离的方向相反的一侧。更优选地，第三曲线S3相对于最高点具有朝向光线偏离的方向的第一段S31和背离光线偏离的方向的第二段S32，第一段的倾斜度小于第二段的倾斜度。通过使入射面202在X-Z面的投影形成为关于Z轴的非对称形状，可使得透镜200形成为偏轴光分布。
[0070]优选地，第三曲线S3可具有通过以下公式所表达的形状:
[0071]z=-0.0003χ5-0.0017χ4_0.0003χ3_0.0158χ2+0.4902χ+2.55
[0072]再返回参照图9，来说明出射面201的特点。如前所述，出射面201形成为旋转对称形状。特别地，如图9所示，出射面201在通过第二轴线Y和第三轴线的竖直平面Y-Z上的投影形成第四曲线S4，第四曲线相对于第三轴线Z为对称的弧形线。
[0073]优选地，第四曲线S4可具有通过以下公式所表达的形状:
[0074]ζ=-0.0005y6+0.0086y5-0.0534y4+0.135y3-0.1493y2+0.0404y+5.4
[0075]但是，出射面201的曲面不限于此，其旋转对称形状可以根据应用场合中所使用的其它灯具的透镜的出射面的旋转对称形状来进行调整，从而使得根据本发明实施例的透镜与照明系统中的其它灯具的透镜的外观保持统一。例如，第四曲线S4的形状也可以根据需要设置成半圆形。
[0076]根据本发明实施例，其提供了一种具有偏轴椭圆光分布的透镜，其出射面设置成旋转对称的，从而可以与照明系统中的其它灯具的透镜相似，因而可以保持一致的外观。根据本发明实施例的透镜200由于仅具有一个自由形状的表面(即，入射面202)，因而当用于各种不同的应用场合时，保持外表面的形状不变而仅改变入射面的形状即可，因而设计和制造的困难降低、成本减少，并且可以允许较大容差。
[0077]参照图15-18所示，可以发现根据本发明实施例的透镜200可以形成良好的偏轴椭圆光分布，可以实现高照明强度。
[0078]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。
【权利要求】
1.一种用于LED照明装置的透镜，具有底面(203)和从所述底面(203)上隆起的出射面(201)，所述底面(203)具有相对于基准平面(X-Y)凹进的凹进区域(204)，所述凹进区域的表面形成入射面(202)，所述透镜具有限定出所述基准平面(X-Y)的第一轴线(X)和垂直于所述第一轴线(X)的第二轴线(Y)、以及垂直于所述基准平面(X-Y)的第三轴线(Z)，其特征在于，所述出射面(201)形成为相对于所述第三轴线(Z)的旋转对称曲面，所述入射面(202)形成为相对于所述第三轴线(Z)的非旋转对称曲面。
2.根据权利要求1的用于LED照明装置的透镜，其特征在于，所述透镜设置成使得位于所述凹进区域中的光源所发出的光通过所述透镜形成偏轴椭圆形光分布。
3.根据权利要求1的用于LED照明装置的透镜，其特征在于，所述入射面(202)在通过所述第二轴线(Y)和所述第三轴线(Z)的竖直平面(Y-Z)上的投影形成第一曲线(SI )，所述第一曲线相对于所述第三轴线(Z)为对称的弧形线。
4.根据权利要求3的用于LED照明装置的透镜，其特征在于，所述第一曲线(SI)具有通过以下公式所表达的形状:
z=0.0024y4-lE_14y3-0.215y2+2E_13y+2.55
5.根据权利要求1的用于LED照明装置的透镜，其特征在于，所述入射面(202)在所述底面所在的平面(X-Y)上的投影形成第二曲线(S2)，所述第二曲线具有关于所述第一轴线(X)的轴对称形状。
6.根据权利要求3的用于LED照明装置的透镜，其特征在于，所述入射面(202)在所述底面所在的平面(X-Y)上的投影 形成第二曲线(S2)，所述第二曲线具有关于所述第一轴线(X)的轴对称形状。
7.根据权利要求5或6的用于LED照明装置的透镜，其特征在于，所述第二曲线(S2)相对于所述第二轴线(Y)非对称。
8.根据权利要求7的用于LED照明装置的透镜，其特征在于，所述第二曲线(S2)形成为沿所述第一轴线(X)朝向光线偏离的方向渐缩的封闭曲线。
9.根据权利要求8的用于LED照明装置的透镜，其特征在于，所述第二曲线(S2)具有通过以下公式所表达的形状:
y=-0.0001x6+0.0002x5+0.0022x4+0.0006x3-0.085x2+0.257x+3.7517
10.根据权利要求1的用于LED照明装置的透镜，其特征在于，所述入射面(202)在所述第一轴线(X)和所述第三轴线(Z)限定的竖直平面(X-Z)上的投影形成第三曲线(S3)，所述第三曲线相对于所述第三轴线(Z)为非对称的弧形线。
11.根据权利要求6的用于LED照明装置的透镜，其特征在于，所述入射面(202)在所述第一轴线(X)和所述第三轴线(Z)限定的竖直平面(X-Z)上的投影形成第三曲线(S3)，所述第三曲线相对于所述第三轴线(Z)为非对称的弧形线。
12.根据权利要求10或11的用于LED照明装置的透镜，其特征在于，所述第三曲线(S3)形成为使得所述弧形线的最高点相对于所述第三轴线(Z)位于与光线偏离的方向相反的一侧。
13.根据权利要求12的用于LED照明装置的透镜，其特征在于，所述第三曲线(S3)相对于所述最高点具有朝向光线偏离的方向的第一段(S31)和背离所述光线偏离的方向的第二段(S32)，所述第一段的倾斜度小于所述第二段的倾斜度。
14.根据权利要求13的用于LED照明装置的透镜，其特征在于，所述第三曲线(S3)可具有通过以下公式所表达的形状:
z=-0.0003χ5-0.0017χ4-0.0003χ3_0.0158χ2+0.4902χ+2.55
15.根据权利要求1所述的用于LED照明装置的透镜，其特征在于，所述出射面(201)在通过所述第二轴线(Y)和所述第三轴线(Z)的竖直平面(Y-Z)上的投影形成第四曲线(S4)，所述第四曲线相对于所述第三轴线(Z)为对称的弧形线。
16.根据权利要求11所述的用于LED照明装置的透镜，其特征在于，所述出射面(201)在通过所述第二轴线(Y)和所述第三轴线(Z)的竖直平面(Y-Z)上的投影形成第四曲线(S4)，所述第四曲线相对于所述第三轴线(Z)为对称的弧形线。
17.根据权利要求15或16所述的用于LED照明装置的透镜，其特征在于，所述第四曲线(S4)可具有通过以下公式所表达的形状:
z=-0.0005y6+0.0086y5-0.0534y4+0.135y3-0.1493y2+0.0404y+5.4
18.—种LED照明装置，其特征在于，所述LED照明装置具有根据权利要求1至17中任一项所述的透镜。`
【文档编号】F21Y101/02GK103727489SQ201210393630
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年10月16日 优先权日:2012年10月16日
【发明者】明玉生, 林爱民, 杨江辉, 程彦刚 申请人:欧司朗股份有限公司