Led偏射灯及其配光透镜的制作方法
【专利摘要】一种配光透镜，包括底面及顶面。其中，底面的中心向内凹陷，形成凹槽。凹槽为旋转对称结构，凹槽的侧壁为入射面，凹槽的深度与宽度比大于2。LED芯片发出的光线可从入射面入射。根据折射原理，光线经过入射面后会向两侧偏折。而且，由于凹槽的深度与宽度比大于2，从而使得入射面较“陡”。因此，光线经入射面后，偏折角度较大。光线经过入射面后，从顶面出射。由于光线从光密介质射向光疏介质时，出射角会大于入射角，从而使得光线进一步向两侧偏折。通过两次偏折后，LED芯片发出的光线则会达到预设的偏折角度。此外，本发明还提供一种LED偏射灯。
【专利说明】LED偏射灯及其配光透镜
【技术领域】
[0001]本发明涉及照明技术，特别是涉及一种LED偏射灯及其配光透镜。
【背景技术】
[0002]LED光源具有节能、环保、安全、显色指数高、寿命长、体积小、光效高、能耗小等显著特点。随着LED芯片和封装工艺的成熟，LED光源的亮度足以满足各个照明领域的需求，LED照明已经成为趋
[0003]在一些应用领域中，如机场跑道灯、接地区灯，均要求灯具具有一定偏射角度。因此，LED光源应用于上述领域时需要进行二次光学设计。目前的二次配光一般都采用反光杯、反射罩等装置以反射形式对光线进行配光。然而，LED光源与白炽灯、金属卤素灯等全方向的传统光源不同，LED光源由其芯片封装的结构决定了发光的多样性，仅通过反射难以达到预设的配光效果。因此，通过传统的二次光学设计难以使LED光源发出的光线发生偏折。
【发明内容】
[0004]基于此，有必要提供一种可使光线偏折预设角度的LED偏射灯及其配光透镜。
[0005]一种配光透镜，为旋转对称结构，所述配光透镜包括底面及顶面，所述顶面为自由曲面，所述底面为圆形平面，所述底面的边缘与所述顶面的边缘固定连接，所述配光透镜的光轴穿过所述底面及所述顶面的中心，所述底面的中心向内凹陷，形成凹槽，所述凹槽为旋转对称结构，所述凹槽的侧壁为入射面，所述凹槽的深度与宽度比大于2 ；
[0006]所述顶面及所述入射面的形状由下式得到:
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[0008]N=Nxi+Nyj+Nzk;
[0009]A=Axi+Ayj+Azk;A/ =Bxi+Byj+Bzk;
[0010]其中，A为入射光线矢量，A’为出射光线矢量，N为法线矢量。将自由曲面划分为多个网格节点，根据入射光线和出射光线斯涅耳定律，通过迭代的方式求出自由曲面网格节点法线矢量坐标，通过所述法线矢量坐标便可构建出自由曲面的形状。
[0011]在其中一个实施例中，所述底面为磨砂面，光线在所述底面可发生漫反射。
[0012]在其中一个实施例中，所述配光透镜由聚甲基丙烯酸甲酯制成。
[0013]在其中一个实施例中，所述底面为由线段A绕光轴旋转形成的平面，所述顶面为由自由曲线B绕光轴旋转形成的自由曲面，所述入射面为由自由曲线C绕光轴旋转形成的自由曲面，在以底面的中心为原点、光轴为X轴以及形成所述底面的线段所在的直线为Y轴的坐标系中，线段A两个端点的坐标分别为al (0，27.64)及a2 (O，-27.64);自由曲线B 的端点为 al (O，27.64)及 a2 (O，-27.64)，且还经过点 bl (9.26，23.24)、b2 (13.25，15.04), b3 (14.29,7.35), b4 (14.32,0), b5 (14.29, -7.35), b6 (13.25，-15.04)及 b7(9.26，-23.24);自由曲线C两个端点的坐标分别为cl (0,3.2), c2 (O, -3.2)，且自由曲线 C 还经过点 c3 (4.65,2.54), c4 (8.52,1.68), c5 (13.15,0), c6 (8.52, -1.68)及 c7(4.65，-2.54)。
[0014]在其中一个实施例中，所述底面的直径为27.6毫米，所述凹槽的宽度为3.2毫米，所述凹槽的深度为6.62毫米，所述配光透镜的高度为7.21毫米。
[0015]一种LED偏射灯，包括:
[0016]如上述优选实施例中任一项所述的配光透镜；及
[0017]LED芯片，固定于所述凹槽的边缘，且其发光部位于所述凹槽内，所述LED芯片的中心与所述底面的中心重合。
[0018]上述配光透镜及包含该配光透镜的LED偏射灯，LED芯片发出的光线从入射面入射。根据折射原理，光线经过入射面后会向两侧偏折。而且，由于凹槽的深度与宽度比大于2，从而使得入射面较“陡”。因此，光线经入射面后，偏折角度较大。光线经过入射面后，从顶面出射。由于光线从光密介质射向光疏介质时，出射角会大于入射角，从而使得光线进一步向两侧偏折。通过两次偏折后，LED芯片发出的光线则会达到预设的偏折角度。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明较佳实施例中LED偏射灯的结构示意图；
[0020]图2为图1所示LED偏射灯中配光透镜的结构示意图；
[0021]图3为平面直角坐标系中配光透镜的坐标示意图；
[0022]图4为图2所示配光透镜的尺寸示意图；
[0023]图5为图1所不LED偏射灯的光强部分图。
【具体实施方式】
[0024]为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0025]需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
[0026]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的【技术领域】的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0027]请参阅图1，本发明较佳实施例中的LED偏射灯10包括配光透镜100及LED芯片101。
[0028]请一并参阅图2，配光透镜100为旋转对称结构。配光透镜100包括底面110及顶面120。顶面120为自由曲面，底面110为圆形平面，底面110的边缘与顶面120的边缘固定连接。配光透镜100的光轴穿过底面110及顶面120的中心。
[0029]底面110的中心向内凹陷，形成凹槽130。凹槽130为旋转对称结构，凹槽130的侧壁为入射面131。具体的，LED芯片101固定于凹槽130的边缘，且其发光部位于凹槽130内。LED芯片101的中心与底面110的中心重合。
[0030]LED芯片101发出的光线从入射面131入射。根据折射原理，光线将会向配光透镜100的两侧发生偏折。其中，凹槽130的深度与宽度比大于2。因此，使得入射面131较“陡”。光线经入射面131后，偏折角度较大。光线经过入射面131后，从顶面120出射。由于光线从光密介质射向光疏介质时，出射角会大于入射角，从而使得光线进一步向两侧偏折。通过两次偏折后，LED芯片101发出的光线则会达到预设的偏折角度。
[0031]配光透镜100中顶面120及入射面131的自由曲面的形状根据入射光线、出射光线的关系以及斯涅耳定律求得，具体方式如下:
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[0033]N=Nxi+Nyj+Nzk;
[0034]A=Axi+Ayj+Azk;A/ =Bxi+Byj+Bzk;
[0035]其中，A为入射光线矢量，A’为出射光线矢量，N为法线矢量。将自由曲面划分为多个网格节点，根据入射光线、出射光线及斯涅耳定律，通过迭代的方式求出自由曲面网格节点法线矢量坐标，通过求出的坐标点便可构建出自由曲面的形状。
[0036]具体的，需先求得顶面120的自由曲面的形状，在根据顶面120的形状得出入射面131的形状。在求顶面120的形状时，根据对LED偏射灯10偏折角度的需求得到出射光线的矢量表示，再根据光线可逆原理，得到入射光线的矢量表示，代入上式便可求得顶面120的形状。
[0037]在求入射面131的形状时，根据LED芯片101的发光特性可得到入射光线在空间直角坐标系中的矢量表示。而在求顶面120的形状时的入射光线，则是从入射面131出射的光线。因此，代入上式便可得到入射面131的形状。
[0038]请一并参阅图3，在本实施例中，底面110为由线段A绕光轴旋转形成的平面，顶面120为由自由曲线B绕光轴旋转形成的自由曲面，入射面131为由自由曲线C绕光轴旋转形成的自由曲面。
[0039]在以底面110的中心为原点、光轴为X轴以及形成底面110的线段所在的直线为Y轴的坐标系中，线段A两个端点的坐标分别为al (0，27.64)及a2 (0，-27.64)。自由曲线 B 的端点为 al (O，27.64)及 a2 (O，-27.64)，且还经过点 bl (9.26，23.24)、b2 (13.25，15.04), b3 (14.29,7.35), b4 (14.32,0), b5 (14.29, -7.35), b6 (13.25，-15.04)及 b7(9.26，-23.24)。自由曲线C两个端点的坐标分别为cl (0，3.2)、c2 (0，-3.2)，且自由曲线 C 还经过点 c3 (4.65,2.54), c4 (8.52,1.68), c5 (13.15,0), c6 (8.52, -1.68)及 c7(4.65，-2.54)。
[0040]进一步的，请一并参阅图4，在本实施例中，底面110的直径为27.6毫米，凹槽130的宽度为3.2毫米，凹槽130的深度为6.62毫米，配光透镜100的高度为7.21毫米。
[0041]当配光透镜100满足上述参数时，LED偏射灯10的光照分布如图5所示。其中，光强分布图用极坐标(P，Θ)表不，其中P值(20、40…..140)表不光强值，Θ值(0、10...180)表不出光角。
[0042]依据图5可知，光照主要分布在70?90间的20度空间范围内，在O?70度这个区域内基本没有光照分布，在85度左右光强值达到最强的130坎德拉。因此，配光透镜100能使光线发射预设角度的偏折，从而使LED偏射灯10具有较好的侧射效果。
[0043]需要指出的是，上述参数仅是本发明一个较佳实施例，按照相同的比例对配光透镜100进行缩放不会影响配光透镜100的配光效果。此外，本领域技术人员根据本领域内的公知常识，对上述参数在误差允许范围内进行修改也不会影响配光透镜100的配光效果。
[0044]在本实施例中，底面110为磨砂面，光线射向底面110可发生漫反射。由于在入射面131及顶面120处光线可能发生反射，而反射的光线则会射向底面110。而由于底面110为磨砂面。因此，光线在底面110发生全反射，使得反射回来的光线再次向顶面120射出，从而提闻了光的利用率。
[0045]在本实施例中，配光透镜100由聚甲基丙烯酸甲酯制成。聚甲基丙烯酸甲酯的折射率比空气大，而且聚甲基丙烯酸甲酯属于聚酯材料，具有强度高、质量轻等优点。因此，采用聚甲基丙烯酸甲酯制成的配光透镜100结实耐用。需要指出的是，在其他实施例中，配光透镜100还可采用其他透明且折射率大于空气的材料制成。
[0046]配光透镜100及包含该配光透镜100的LED偏射灯10，LED芯片101发出的光线从入射面131入射。根据折射原理，光线经过入射面131后会向两侧偏折。而且，由于凹槽130的深度与宽度比大于2，从而使得入射面131较“陡”。因此，光线经入射面131后，偏折角度较大。光线经过入射面131后，从顶面120出射。由于光线从光密介质射向光疏介质时，出射角会大于入射角，从而使得光线进一步向两侧偏折。通过两次偏折后，LED芯片发出的光线则会达到预设的偏折角度。
[0047]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种配光透镜，为旋转对称结构，所述配光透镜包括底面及顶面，所述顶面为自由曲面，所述底面为圆形平面，所述底面的边缘与所述顶面的边缘固定连接，所述配光透镜的光轴穿过所述底面及所述顶面的中心，其特征在于，所述底面的中心向内凹陷，形成凹槽，所述凹槽为旋转对称结构，所述凹槽的侧壁为入射面，所述入射面为自由曲面，所述凹槽的深度与览度比大于2 ； 所述顶面及所述入射面的形状由下式得到:
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N=Nxi+Nyj+Azk;
A=Axi+Ayj+Azk;A/ =Bxi+Byj+Bzk; 其中，A为入射光线矢量，A’为出射光线矢量，N为自由曲面的法线矢量。将自由曲面划分为多个网格节点，根据入射光线、出射光线及斯涅耳定律，通过迭代的方式求出自由曲面网格节点法线矢量坐标，通过所述法线矢量坐标便可构建出自由曲面的形状。
2.根据权利要求1所述的配光透镜，其特征在于，所述底面为磨砂面，光线在所述底面可发生漫反射。
3.根据权利要求1所述的配光透镜，其特征在于，所述配光透镜由聚甲基丙烯酸甲酯制成。
4.根据权利要求3所述的配光透镜，其特征在于，所述底面为由线段A绕光轴旋转形成的平面，所述顶面为由自由曲线B绕光轴旋转形成的自由曲面，所述入射面为由自由曲线C绕光轴旋转形成的自由曲面，在以底面的中心为原点、光轴为X轴以及形成所述底面的线段所在的直线为Y轴的坐标系中，线段A两个端点的坐标分别为al (0，27.64)及&2(O，-27.64);自由曲线 B 的端点为 al (0，27.64)及&2 (O，-27.64)，且还经过点 bl (9.26,23.24)、b2 (13.25，15.04)、b3 (14.29,7.35)、b4 (14.32,0), b5 (14.29，-7.35)、b6(13.25，-15.04)及b7 (9.26, _23.24);自由曲线C两个端点的坐标分别为cl (0,3.2),c2 (0，-3.2)，且自由曲线 C 还经过点 c3 (4.65，2.54)、c4 (8.52，L 68)、c5 (13.15，0)、c6(8.52，-1.68)及 c7 (4.65，_2.54)。
5.根据权利要求3所述的配光透镜，其特征在于，所述底面的直径为27.6毫米，所述凹槽的宽度为3.2毫米，所述凹槽的深度为6.62毫米，所述配光透镜的高度为7.21毫米。
6.—种LED偏射灯,其特征在于,包括: 如上述权利要求1?5任一项所述的配光透镜；及 LED芯片，固定于所述凹槽的边缘，且其发光部位于所述凹槽内，所述LED芯片的中心与所述底面的中心重合。
【文档编号】F21V19/00GK104214594SQ201310211586
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年5月30日 优先权日:2013年5月30日
【发明者】周明杰, 乃业利 申请人:海洋王（东莞）照明科技有限公司, 海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技术有限公司