一种led光源透镜及具有该透镜的led灯具的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种LED光源透镜及具有该透镜的LED灯具，包括位于底部的柱体和自柱体顶端向上凸起的曲面体，柱体底面设有用于容置LED光源元件的凹腔；柱体的侧表面与曲面体的凸出曲面平滑衔接，所述凸出曲面为光线出射面；所述凹腔的内表面为光线入射面；所述凸出曲面由第一和第二两个相对的侧曲面沿两者之间相互平滑衔接组成。本发明的改进有：改变了透镜局部设计，减小了透镜尺寸；提高了光学偏光的角度和光斑宽度，使其更加适用于宽路面照明。
【专利说明】一种LED光源透镜及具有该透镜的LED灯具
【技术领域】
[0001]本发明属于LED灯具及其光学透镜的【技术领域】，具体涉及一种LED光源透镜及具有该透镜的LED灯具。
【背景技术】
[0002]目前市场对LED照明的要求越来越高。灯具在满足很好的光色设计指标的情况下，还需要尽量减小透镜的体积从而降低成本和灯具重量。满足相同照明效果的情况下，更小的透镜还意味着能够安装在更小的散热器上，从而大大增加了灯具设计的自由度。
[0003]中国专利ZL201110147871.2(公布号为CN102221178B)公开了一种LED透镜的结构，其包括位于底部的柱体和自柱体顶端向上凸起的曲面体，曲面体由两个曲面平滑衔接而成，其中一侧的曲面为四分之一个旋转椭球面，而另一侧的曲面由两个对称的椭球面球冠曲面通过一内凹的连接曲面平滑衔接而成。
[0004]现有技术中，透镜的入射面为一个平整体的腔体面，LED安装的位置是整体放置于墙体中，LED光源的底部与透镜底平面在同一平面上。这种内腔设计是目前普遍采用的LED路灯透镜的入射面设计方案。这种方案的设计对于内腔模具较为简化，但存在的主要问题是，透镜的内腔为了容纳整个LED光源，入射面底部的孔径一定要大于LED光源的最大直径；而大多数情况下，LED的实际发光面仅仅占到光源整体面积的一部分，大多数情况下不到50% (对于目前市场典型的大功率LED集成封装光源而言，光源尺寸达到40mm*40mm以上，而发光面为22mm*22mm);加上LED光源与基板焊接的位置，要容纳整个光源的透镜入射面实际尺寸还要比LED光源最大直径更大。入射面完全容纳光源的时候，会大大增加透镜整体的尺寸。因为在原本的设计中，入射面的曲面可以设计为对放置到入射面以内很大的范围都其折射作用，但现有方案中只能对放置到入射面的一小部分尺度的光线其作用，这样无疑会造成透镜体积增加。透镜的尺寸过大，其制造成本、材料(塑胶、玻璃)成本势必较高，采用等比例缩小透镜尺寸的方法是行不通的，因为其要受到光源大小、灯具规格、透镜配光效果要求等的制约。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于为解决上述问题，提供一种适用于宽路面照明灯具的LED光源透镜及具有该透镜的LED灯具。
[0006]为实现本发明的目的所采用的技术方案:一种LED光源透镜，包括位于底部的柱体和自柱体顶端向上凸起的曲面体，柱体底面设有用于容置LED光源元件的凹腔；柱体的侧表面与曲面体的凸出曲面平滑衔接，所述凸出曲面为光线出射面；所述凹腔的内表面为光线入射面；所述凸出曲面由两个位于相对侧的第一和第二侧曲面沿两者之间平滑衔接组成；所述第一侧曲面的宽度小于第二侧曲面，所述凹腔的中心位于对应第二侧曲面的一侧；所述第一侧曲面由两个相互对称的平滑凸曲面通过一内凹的连接曲面平滑衔接而成，该连接曲面由底部至顶部均内凹；所述平滑凸曲面的侧向宽度小于纵向宽度；所述第二侧曲面由两个对称分开的旋转椭球冠曲面和位于两者之间的连接面平滑衔接而成，该连接面底部平直、底部至顶部逐渐内凹加深；所述旋转椭球冠曲面是由两个垂直于旋转椭球冠底面的正交平面截取该旋转椭球冠所得的曲面，其侧向宽度等于纵向宽度。
[0007]在现有设计中，透镜包括一旋转椭球面，其中间部分会比两边的部分更宽。本发明的LED光源透镜，从光路可以发现，相比椭圆曲面，如果配合椭圆型内腔，中间由一顶部内凹底部呈直线形式的连接面使得光源向该侧靠近中间发出的光线向另一侧(路边方向)汇聚，使得配光偏光程度更大，让光源更多的光线从第二侧曲面向第一侧曲面的路边方向折射，从而提高光能利用率并让路灯能够覆盖更宽的道路。同时，这种直线连接两个椭球冠的设计，在透镜宽度上较椭圆设计更小。
[0008]作为本发明的进一步改进，所述第一侧曲面的平滑凸曲面为椭球冠曲面，所述椭球冠曲面是由两个垂直于椭球冠底面的正交平面截取该椭球冠所得的曲面。
[0009]作为本发明的进一步改进，第一侧曲面的平滑凸曲面与第二侧曲面的圆球冠曲面或旋转椭球冠曲面的高度相同、纵向宽度相同；第一侧曲面和第二侧曲面沿两者间的纵向最高处平滑连接，其连接线呈马鞍形。
[0010]作为本发明的进一步改进，所述第一侧曲面的平滑凸曲面的底面与第二侧曲面的圆球冠曲面或旋转椭球冠曲面的底面平行或位于同一平面内，所述第一、第二侧曲面的衔接处的曲面法线方向垂直于两者的底面。
[0011]作为本发明的进一步改进，所述第二侧曲面的旋转椭球冠曲面为八分之一椭球，该椭球的中心位于第二侧曲面的底面上，该椭球位于第二侧曲面底面上的曲线为四分之一圆；该椭球高度与该圆半径比值为0.88至0.9。
[0012]作为本发明的进一步改进，所述第二侧曲面的圆球冠曲面为八分之一圆球，该圆球的中心位于第二侧曲面的底面上，该圆球位于第二侧曲面底面上的曲线为四分之一圆。
[0013]作为本发明的进一步改进，所述第一侧曲面的平滑凸曲面或椭球冠曲面的侧向宽度与第二侧曲面的圆球冠曲面或旋转椭球冠曲面侧向宽度的比值为0.85至I之间。
[0014]作为本发明的进一步改进，所述曲面体的最大纵向长度不大于100mm。
[0015]作为本发明的进一步改进，所述第一侧曲面的连接曲面与第二侧曲面的连接面，两者的纵向宽度相同并相互对应设置，两者对应的曲面体部分为透镜的腰部；透镜腰部的最小侧向宽度与曲面体的最大纵向长度比值为0.5至0.55之间,透镜腰部的最大侧向宽度与曲面体的最大纵向长度比值不大于0.6。
[0016]作为本发明的进一步改进，所述凹腔包括一内陷于柱体底面的沉台以及一内陷于该沉台的盲孔；所述盲孔的内壁为光滑过渡的椭球面或球面；所述盲孔的椭球面内壁与沉台平面连接处的边缘为圆形，其圆心至盲孔顶点的距离与该圆形半径的比值在1:0.9至1:1.1之间。
[0017]作为本发明的进一步改进，所述圆形的直径与曲面体腰部的最小侧向宽度的比值大于0.6，所述曲面体腰部为第一侧曲面的连接曲面和第二侧曲面的连接面对应曲面体的部分。
[0018]作为本发明的进一步改进，所述盲孔中心位于沉台所在平面上，且位于对应第二侧曲面的一侧；所述椭球中心至第二侧曲内侧和外侧的距离比为0.1至0.25之间。
[0019]作为本发明的进一步改进,所述柱体与曲面体的连接边缘至柱体底面的高度,沿第二侧曲面一侧至第一侧曲面一侧的方向逐渐增高。
[0020]作为本发明的进一步改进，沿所述柱体的底端外周边缘设有凸环，凸环呈体育场环形跑道形状。
[0021 ] 为实现本发明的目的所采用的另一个技术方案:一种LED，包括LED光源元件和透镜，所述透镜为权利要求1所述的LED光源透镜，所述LED光源元件容置于透镜的凹腔内；
[0022]或，所述透镜为权利要求9所述的LED光源透镜，所述LED光源元件容置于沉台结构内，LED光源元件的出光面对准或容置于盲孔内；
[0023]或，所述透镜为权利要求15所述的LED光源透镜，所述LED光源元件容置于透镜的凹腔内，还包括用于固定透镜的固定圈，固定圈通过固定凸环来固定透镜。
[0024]为实现本发明的目的所采用的另一个技术方案:一种LED，包括多个LED光源元件和透镜模组，所述透镜模组包括多个LED光源透镜，多个透镜之间通过设于柱体底端边缘向外周延伸的连接板相互连接一体成型，多个透镜之间呈矩阵排列。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明LED光源透镜透明网格结构的立体图
[0026]图2为本发明LED光源透镜透明网格结构的俯视图
[0027]图3为本发明LED光源透镜第一侧曲面方向的立体视图
[0028]图4为本发明LED光源透镜第二侧曲面方向的立体视图
[0029]图5为本发明LED光源透镜第二侧曲面一侧的剖视图
[0030]图6为本发明LED光源透镜第一侧曲面一侧的剖视图
[0031]图7为本发明LED光源透镜的实测配光效果图
[0032]图8为本发明LED光源透镜的模拟照度分布图
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明:
[0034]如图1至图6所示:一种LED光源透镜，包括位于底部的柱体I和自柱体I顶端向上凸起的曲面体2，曲面体2的最大纵向长度不大于100mm。柱体I底面设有用于容置LED光源元件的凹腔3;凹腔3包括一内陷于柱体底面的沉台30以及一内陷于该沉台的盲孔31。
[0035]如图2所示透镜的俯视图，本发明中，将图中的左右方向为侧向，上下方向为纵向。
[0036]柱体I的侧表面与曲面体2的凸出曲面平滑衔接，凸出曲面为光线出射面；盲孔31的内表面为光线入射面；凸出曲面由第一和第二两个相对的侧曲面沿两者之间相互平滑衔接组成。
[0037]第一侧曲面21由两个相互对称的椭球冠曲面210通过一内凹的连接曲面211平滑衔接而成，该连接曲面211由顶部至底部均内凹；椭球冠曲面是由两个垂直于椭球冠底面的正交平面截取该椭球冠所得的曲面，且其侧向宽度小于纵向宽度。
[0038]第二侧曲面22由两个对称分开的旋转椭球冠曲面220和位于两者之间的连接面221平滑衔接而成，该连接面221底部平直、底部至顶部逐渐内凹加深；旋转椭球冠曲面是由两个垂直于旋转椭球冠底面的正交平面截取该旋转椭球冠所得的曲面，其侧向宽度等于纵向览度。
[0039]第一侧曲面21的宽度小于第二侧曲面22。第一侧曲面21的椭球冠曲面的侧向宽度与第二侧曲面22的旋转椭球冠曲面侧向宽度的比值为0.85至I之间。
[0040]第二侧曲面22的旋转椭球冠曲面为八分之一椭球，该椭球的中心位于第二侧曲面22的底面上，该椭球位于第二侧22曲面底面上的曲线为四分之一圆；该椭球高度与该圆半径比值为0.88至0.9。
[0041]第一侧曲面21的椭球冠曲面与第二侧曲面22的旋转椭球冠曲面的高度相同、纵向宽度相同，第一侧曲面21与第二侧曲面22沿两者的纵向最高处平滑连接，其连接线呈马鞍形。第一侧曲面21的椭球冠曲面的底面与第二侧曲面22的旋转椭球冠曲面的底面位于同一平面内，第一、第二侧曲面的衔接处的曲面法线方向垂直于两者的底面。
[0042]第一侧曲面21的连接曲面211与第二侧曲面22的连接面221，两者的纵向宽度d相同并相互对应设置，两者对应的曲面体部分为透镜的腰部；透镜腰部的最小侧向宽度与曲面体的最大纵向长度比值为0.5至0.55之间,透镜腰部的最大侧向宽度与曲面体的最大纵向长度比值不大于0.6。
[0043]所述盲孔31的内壁为光滑过渡的椭球面，其椭球的中心位于沉台30所在平面上，且位于对应第二侧曲面22的一侧。盲孔31的椭球面内壁与沉台30平面连接处的边缘为圆形，其圆心至盲孔顶点的距离与该圆形半径的比值在1:0.9至1:1.1之间；其圆形的直径与曲面体腰部的最小侧向宽度的比值大于0.6。盲孔31的椭球中心至第二侧曲22内侧和外侧的距离比为0.1至0.25之间。第二侧曲22内侧指靠近第一侧曲面的一侧，外侧指背向第一侧曲面的一侧。
[0044]柱体I与曲面体2的连接边缘至柱体底面的高度，沿第二侧曲面22—侧至第一侧曲面21 —侧的方向逐渐增高。
[0045]所述柱体I的底端外周边缘设有凸环10，凸环10呈体育场环形跑道形状。
[0046]在现有设计中，透镜包括一旋转椭球面，其中间部分会比两边的部分更宽。本发明的LED光源透镜，从光路可以发现，相比椭圆曲面，如果配合椭圆型内腔，中间由一顶部内凹底部呈直线形式的连接面使得光源向该侧靠近中间发出的光线向另一侧(路边方向)汇聚，使得配光偏光程度更大，让光源更多的光线从第二侧曲面向第一侧曲面的路边方向折射，从而提高光能利用率并让路灯能够覆盖更宽的道路。同时，这种直线连接两个椭球冠的设计，在透镜宽度上较椭圆设计更小。
[0047]从图7和图8中可看出:1.本实施例的LED光源透镜的光束角接近150度，具有较为开阔的照射范围；2.本实施例LED光源透镜的偏光角度较大，其偏向于路面的偏光光照角度达到15度的左右，非常符合道路照射的光照分布。
[0048]下表为:现有技术中使用的同领域透镜光学效果与本实施例的光源透镜的光学效果实测对比表。
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[0050]从上表中可看出，本发明的LED透镜达到的均匀度效果优于现有技术。
[0051]作为本实施例的一种具体应用:一种LED灯具，由玻璃或塑胶一体制成，折射率为
1.45至1.59之间，其包括LED光源元件和透镜，所述透镜为上述实施例所述的LED光源透镜，所述LED光源元件容置于沉台结构内，LED光源元件的出光面对准或容置于盲孔内；还包括用于固定透镜的固定圈，固定圈通过固定凸环来固定透镜。
[0052]作为本实施例的另一种具体应用:一种LED灯具，由塑胶一体制成，折射率为1.45至1.59之间，包括多个LED光源元件和透镜模组，所述透镜模组包括多个LED光源透镜，各透镜外周的凸环改变，改成由各透镜之间通过设于柱体底端边缘向外周延伸的连接板相互连接一体成型，透镜之间呈矩阵排列。
[0053]根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的【具体实施方式】，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
【权利要求】
1.一种LED光源透镜，包括位于底部的柱体和自柱体顶端向上凸起的曲面体，柱体底面设有用于容置LED光源元件的凹腔；柱体的侧表面与曲面体的凸出曲面平滑衔接，所述凸出曲面为光线出射面；所述凹腔的内表面为光线入射面；其特征在于， 所述凸出曲面由两个位于相对侧的第一和第二侧曲面沿两者之间平滑衔接组成；所述第一侧曲面的宽度小于第二侧曲面，所述凹腔的中心位于对应第二侧曲面的一侧； 所述第一侧曲面由两个相互对称的平滑凸曲面通过一内凹的连接曲面平滑衔接而成，该连接曲面由底部至顶部均内凹；所述平滑凸曲面的侧向宽度小于纵向宽度； 所述第二侧曲面由两个对称分开的旋转椭球冠曲面和位于两者之间的连接面平滑衔接而成，该连接面底部平直、底部至顶部逐渐内凹加深；所述旋转椭球冠曲面是由两个垂直于旋转椭球冠底面的正交平面截取该旋转椭球冠所得的曲面，其侧向宽度等于纵向宽度。
2.根据权利要求1所述的LED光源透镜，其特征在于，所述第一侧曲面的平滑凸曲面与第二侧曲面的旋转椭球冠曲面的高度相同、纵向宽度相同；第一侧曲面和第二侧曲面沿两者间的纵向最高处平滑连接，其连接线呈马鞍形。
3.根据权利要求1所述的LED光源透镜，其特征在于，所述第一侧曲面的平滑凸曲面的底面与第二侧曲面的旋转椭球冠曲面的底面平行或位于同一平面内，所述第一、第二侧曲面的衔接处的曲面法线方向垂直于两者的底面。
4.根据权利要求1所述的LED光源透镜，其特征在于，所述第二侧曲面的旋转椭球冠曲面为八分之一椭球，该椭球的中心位于第二侧曲面的底面上，该椭球位于第二侧曲面底面上的曲线为四分之一圆；该椭球高度与该圆半径比值为0.88至0.9。
5.根据权利要求1所述的LED光源透镜，其特征在于，所述第一侧曲面的连接曲面与第二侧曲面的连接面，两者的纵向宽度相同并相互对应设置，两者对应的曲面体部分为透镜的腰部；透镜腰部的最小侧向宽度与曲面体的最大纵向长度比值为0.5至0.55之间，透镜腰部的最大侧向宽度与曲面体的最大纵向长度比值不大于0.6。
6.根据权利要求1所述的LED光源透镜，其特征在于，所述凹腔包括一内陷于柱体底面的沉台以及一内陷于该沉台的盲孔；所述盲孔的内壁为光滑过渡的椭球面或球面；所述盲孔的椭球面内壁与沉台平面连接处的边缘为圆形，其圆心至盲孔顶点的距离与该圆形半径的比值在1:0.9至1:1.1之间。
7.根据权利要求6所述的LED光源透镜，其特征在于，所述圆形的直径与曲面体腰部的最小侧向宽度的比值大于0.6，所述曲面体腰部为第一侧曲面的连接曲面和第二侧曲面的连接面对应曲面体的部分。
8.根据权利要求6所述的LED光源透镜，其特征在于，所述盲孔中心位于沉台所在平面上，且位于对应第二侧曲面的一侧；盲孔中心至第二侧曲面内侧和外侧的距离比为0.1至0.25之间。
9.根据权利要求1所述的LED光源透镜，其特征在于，沿所述柱体的底端外周边缘设有凸环，凸环呈体育场环形跑道形状。
10.一种LED灯具，包括LED光源元件和透镜，其特征在于: 所述透镜为权利要求1所述的LED光源透镜，所述LED光源元件容置于透镜的凹腔内； 或，所述透镜为权利要求5所述的LED光源透镜，所述LED光源元件容置于沉台结构内，LED光源元件的出光面对准或容置于盲孔内； 或，所述透镜为权利要求9所述的LED光源透镜，所述LED光源元件容置于透镜的凹腔内，还包括用于固定透镜的固定圈，固定圈通过固定凸环来固定透镜。
11.一种LED灯具，包括多个LED光源元件和透镜模组，其特征在于:所述透镜模组包括多个权利要求1所述的LED光源透镜，多个透镜之间通过设于柱体底端边缘向外周延伸的连接板相互连接一体成型，多个透镜之间呈矩阵排列。
【文档编号】F21Y101/02GK104132307SQ201410389549
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月9日 优先权日:2014年8月9日
【发明者】王钢, 罗滔, 周烨, 王樱雪 申请人:佛山市中山大学研究院