专利名称：聚光透镜及使用该聚光透镜的灯具的制作方法
聚光透镜及使用该聚光透镜的灯具
技术领域：
本发明涉及一种透镜，尤其涉及一种适用于LED光源的聚光透镜及使用该聚光透 镜的灯具。
背景技术：
随着制造科技和半导体技术的发展，LED光源以其耗电少、亮度强日益成为传统光 源的替代品。但是，LED光源受本身特性所限，辐射角度很大，容易扩散。在使用LED光源时需 要对其进行聚光。目前，对LED光源的聚光方式一般采用抛物面的反光杯，但是这种方式要实现发 光角非常小(如发光角小于5度)需要将反光杯尺寸做得比较大，否则LED光源发光角较 小的光线无法被利用，导致LED光源最终的发光角较大，同时浪费大量的制造材料。也有采 用凸透镜对LED光源进行聚光的，但这种方式LED发光角较大的光线无法被利用，对LED光 源光通量的利用率比较低，最终导致灯具的光效利用率太低。
发明内容有鉴于此，有必要提供一种充分利用LED光源光线，发光角小于5度的聚光透镜以 及使用该聚光透镜的灯具。一种聚光透镜，所述聚光透镜为以透镜光轴对称的圆台型透镜，直径较小的第一 端面中部向内凹陷形成一用于适配容置LED光源的光源容置腔，所述光源容置腔底面向外 凸出形成凸球面；所述聚光透镜直径较大的第二端面为平面；所述聚光透镜的侧壁为全反 射面，所述圆台型透镜的母线为折线，所述母线由多段线段依次连接形成，所述多段线段与
所述透镜光轴所成角度为
其中，n为
聚光透镜折射率。优选的，所述凸球面半径为R，且R满足1/R = l/[2(n-l)L],其中，L为凸球面的球面顶点到LED光源中心的距离。优选的，所述折射率η为1. 59，所述凸球面的球面顶点到LED光源中心的距离L为 3mm,凸球面半径R为3. 54mm。优选的，所述母线由十三段线段依次连接形成，由所述聚光透镜的第一端面至第 二端面分别为第一线段、第二线段、第三线段、第四线段、第五线段、第六线段、第七线段、 第八线段、第九线段、第十线段、第十一线段、第十二线段以及第十三线段。优选的，第一线段，与透镜光轴所成角度满足 第二线段，与透镜光轴所成角度满足 第三线段，与透镜光轴所成角度满足 第四线段，与透镜光轴所成角度满足 第五线段，与透镜光轴所成角度满足 第六线段，与透镜光轴所成角度满足 第七线段，与透镜光轴所成角度满足 第八线段，与透镜光轴所成角度满足 第九线段，与透镜光轴所成角度满足 第十线段，与透镜光轴所成角度满 第十一线段，与透镜光轴所成角度满足 第十二线段，与透镜光轴所成角度满足 第十三线段，与透镜光轴所成角度满足 优选的，第一线段与透镜光轴所成角度为44. 21°；
第二线段与透镜光轴所成角度为42. 65°；
第三线段与透镜光轴所成角度为41. 09°；
第四线段与透镜光轴所成角度为39. 55°
第五线段与透镜光轴所成角度为38. 04°
第六线段与透镜光轴所成角度为36. 56°
第七线段与透镜光轴所成角度为35. 12°
第八线段与透镜光轴所成角度为33. 74°
第九线段与透镜光轴所成角度为32. 43°
第十线段与透镜光轴所成角度为31. 19°
第十一线段与透镜光轴所成角度为30. 03° ；
第十二线段与透镜光轴所成角度为28. 98° ；
第十三线段与透镜光轴所成角度为28. 05°。
优选的，所述光源容置腔的侧面为圆柱面。
优选的，所述光源容置腔直径为3mm。优选的，所述聚光透镜的材质为聚碳酸酯或者聚甲基丙烯酸甲酯。
一种包括上述所述聚光透镜的灯具。
上述聚光透镜及使用该聚光透镜的灯具，第一端面中部向内凹陷形成光源容置 腔，光源容置腔底面向外凸出形成凸球面，第二端面为平面，侧壁为全反射面，该圆台型透 镜的透镜母线为折线，母线由多段线段依次连接形成，多段线段与透镜光轴所成角度为
，对 LED 光源任意角度的光线进行聚
光，充分利用LED光源光线，并使聚光透镜出射光线发光角小于5度，极大的提高了聚光效果。
图1是--个实施例中聚光透镜结构剖面图2是--个实施例中聚光透镜结构俯视图3是--个实施例中聚光透镜结构侧视图4是--个实施例中聚光透镜原理图5是--个实施例中聚光透镜出射光线配光曲线示意图
图6是--个实施例中灯具结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式
进行详细描述。该聚光透镜为以透镜光轴对称的圆台型透镜，直径较小的第一端面中部向内凹陷 形成一个用于适配容置LED光源的光源容置腔，光源容置腔底面向外凸出形成凸球面，直 径较大的第二端面为平面。聚光透镜的侧壁为全反射面，圆台型透镜的母线为折线，母线 由多段线段依次连接形成，该母线绕透镜光轴旋转360度形成聚光透镜的侧壁；多段线段
与透镜光轴所成角度为
，其中，η为聚
光透镜折射率，Arcsin(χ)表示χ的反正弦函数，其定义域为[_1，1]，函数值域为[_90°， 90° ]。图1是一个实施例中聚光透镜结构剖面图。图2是一个实施例中聚光透镜结构俯 视图。图3是一个实施例中聚光透镜结构侧视图。结合图1和图3，该聚光透镜为圆台型透 镜，包括第一端面100、第二端面200以及连接第一端面100和第二端面200的侧壁300。第一端面100中部向内凹陷形成光源容置腔110，光源容置腔110底面向外凸出 形成凸球面120，光源容置腔110的侧面111为圆柱面。LED光源光线经侧面111和凸球面 120入射进聚光透镜。该实施例中，光源容置腔110直径为D，大小根据LED光源的具体尺 寸确定。放置LED光源时，LED光源中心与聚光透镜的透镜光轴400重合。该实施例中，凸球面120半径为R。设凸球面120的球面顶点(即凸球面120与透 镜光轴400的交点)到LED光源中心的距离为L，聚光透镜的折射率为n，则R满足以下公 式1/R = l/[2(n-l)L]侧壁300为全反射面，对LED光源入射的光线进行全反射，使得光线经全反射后与
透镜光轴400接近平行出射。侧壁300由圆台型透镜的母线500绕透镜光轴400旋转360
度形成。母线500为折线，由依次连接的多段线段组成。该实施例中，母线500由依次连接的十三段线段组成，由第一端面100 第一线段501，与透镜光轴至第二端面200分别为 400所成角度满足α5()1二 45°—■^rcsin(sin2.5° Ι )；
第二线段502，与透镜光轴400所成角度满足■·α502=45°-Arc sin(sin 7.5° / )；
第三线段503，与透镜光轴400所成角度满足■·α503=45°-^■jrcsin(sinl2.5° / )；
第四线段504，与透镜光轴400所成角度满足■·α504=45°-|v4n:sin(sinl7.5° / )；
第五线段505，与透镜光轴400所成角度满足·α505=45°-Arc sin(sin 22.5° / η)；
第六线段506，与透镜光轴400所成角度满足■·α506=45°-^ Arc sin(sin 27.5° / )；
第七线段507，与透镜光轴400所成角度满足:仅507=45°- Arc sin(sin 32.5° / η)；
第八线段508，与透镜光轴400所成角度满足·α508=45°-i Wrcsin(sin37.5° /η)；
第九线段509，与透镜光轴400所成角度满足■·α509=45°—Arc sin(sin 42.5° / η);
第十线段510，与透镜光轴400所成角度满足·α510=45°-Arc sin(sin 47.5° / n)；第十一线段511，与透镜光轴400所成角度满足^11 = 45° --^csin(sin52.5°/ )；第十二线段512，与透镜光轴400所成角度满足α512 = 45° -|v4rcsin(sin57.5°/ )；第十三线段513，与透镜光轴400所成角度满足α513 = 45° -|jrcsin(sin62.5。/n)。在优选实施方式中，该聚光透镜折射率η = 1. 59，凸球面120的球面顶点到LED光 源中心的距离L = 3_，半径R = 3. 54mm，光源容置腔110的直径D = 3mm，则第一线段501与透镜光轴400所成角度为44. 21°第二线段502与透镜光轴400所成角度为42. 65°第三线段503与透镜光轴400所成角度为41. 09°第四线段504与透镜光轴400所成角度为39. 55°第五线段505与透镜光轴400所成角度为38. 04°第六线段506与透镜光轴400所成角度为36. 56° 第七线段507与透镜光轴400所成角度为35. 12° 第八线段508与透镜光轴400所成角度为33. 74° 第九线段509与透镜光轴400所成角度为32. 43° 第十线段510与透镜光轴400所成角度为31. 19° 第十一线段511与透镜光轴400所成角度为30. 03'第十二线段512与透镜光轴400所成角度为28. 98'第十三线段513与透镜光轴400所成角度为28. 05
图4是一个实施例中聚光透镜原理图。图5是一个实施例中聚光透镜出射光线配 光曲线示意图。结合图1至图5，LED光源设置在光源容置腔110中。LED光源发出的角度 较小的光线，经过凸球面120的折射后，出射光线与透镜光轴400接近平行。LED光源发出 角度较大的光线，经侧面111的折射到达侧壁300，侧壁300对光线进行全发射，经全发射的 光线与透镜光轴400接近平行，最后由第二端面200出射。经测定，该聚光透镜出射光线发 光角小于5度，聚光效果良好。同时，第二端面200为平面，有效的降低了光衰。该实施例中，该聚光透镜采用透明材料，便于注塑成型，优选采用聚碳酸酯(PC) 或者聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质。此外，本发明还提供一种包括上述聚光透镜的灯具。根据需要，该灯具可以包括两 个以上同一水平分布规则设置的上述聚光透镜，如图6所示，该灯具包括3个上述的聚光透 镜，3个聚光透镜呈同一水平分布规则设置，且每个聚光透镜对应一个LED光源。经测定，该 灯具出射光线配光曲线与单个聚光透镜出射光线配光曲线一致，聚光效果良好，同时该灯 具光通量得到极大提高，光照度得到极大提升。上述聚光透镜以及使用该聚光透镜的灯具，第一端面中部向内凹陷形成光源 容置腔，光源容置腔底面向外凸出形成凸球面，第二端面为平面，侧壁为全反射面，圆台 型透镜的母线为折线，母线由多段线段依次连接形成，多段线段与透镜光轴所成角度为
对 LED 光源任意角度的光线进行聚 2 2
光，充分利用LED光源光线，并使聚光透镜出射光线发光角小于5度，极大的提高了聚光效果ο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
一种聚光透镜，其特征在于，所述聚光透镜为以透镜光轴对称的圆台型透镜，直径较小的第一端面中部向内凹陷形成一用于适配容置LED光源的光源容置腔，所述光源容置腔底面向外凸出形成凸球面；所述聚光透镜直径较大的第二端面为平面；所述聚光透镜的侧壁为全反射面，所述圆台型透镜的母线为折线，所述母线由多段线段依次连接形成，所述多段线段与所述透镜光轴所成角度为至其中，n为聚光透镜折射率。FSA00000212571600011.tif,FSA00000212571600012.tif
2.根据权利要求1所述的聚光透镜，其特征在于，所述凸球面半径为R，且R满足 1 其中，L为凸球面的球面顶点到LED光源中心的距离。
3.根据权利要求2所述的聚光透镜，其特征在于，所述折射率η为1.59，所述凸球面的 球面顶点到LED光源中心的距离L为3mm，凸球面半径R为3. 54mm。
4.根据权利要求1或3所述的聚光透镜，其特征在于，所述母线由十三段线段依次连 接形成，由所述聚光透镜的第一端面至所述聚光透镜的第二端面分别为第一线段、第二线 段、第三线段、第四线段、第五线段、第六线段、第七线段、第八线段、第九线段、第十线段、第 十一线段、第十二线段以及第十三线段。
5.根据权利要求4所述的聚光透镜，其特征在于， 第一线段，与透镜光轴所成角度满足 第二线段，与透镜光轴所成角度满足 第三线段，与透镜光轴所成角度满足 第四线段，与透镜光轴所成角度满足 第五线段，与透镜光轴所成角度满足 第六线段，与透镜光轴所成角度满足 第七线段，与透镜光轴所成角度满足 第八线段，与透镜光轴所成角度满足 第九线段，与透镜光轴所成角度满足 第十线段，与透镜光轴所成角度满足 第十一线段，与透镜光轴所成角度满足 第十二线段，与透镜光轴所成角度满足 第十三线段，与透镜光轴所成角度满足45°-1/2Arcsin(Sin62.5°/n)。
6.根据权利要求5所述的聚光透镜，其特征在于，第一线段与透镜光轴所成角度为44.21° ；第二线段与透镜光轴所成角度为42.65° ；第三线段与透镜光轴所成角度为41.09° ；第四线段与透镜光轴所成角度为39.55° ；第五线段与透镜光轴所成角度为38.04° ；第六线段与透镜光轴所成角度为36.56° ；第七线段与透镜光轴所成角度为35.12° ；第八线段与透镜光轴所成角度为33.74° ；第九线段与透镜光轴所成角度为32.43° ；第十线段与透镜光轴所成角度为31.19° ；第十一线段与透镜光轴所成角度为30. 03° ； 第十二线段与透镜光轴所成角度为28. 98° ； 第十三线段与透镜光轴所成角度为28. 05°。
7.根据权利要求1所述的聚光透镜，其特征在于，所述光源容置腔的侧面为圆柱面。
8.根据权利要求1或7所述的聚光透镜，其特征在于，所述光源容置腔直径为3mm。
9.根据权利要求1所述的聚光透镜，其特征在于，所述聚光透镜的材质为聚碳酸酯或 者聚甲基丙烯酸甲酯。
10.一种包括权利要求1至9任一所述的聚光透镜的灯具。
全文摘要
本发明涉及一种聚光透镜以及使用该聚光透镜的灯具，该聚光透镜为以透镜光轴对称的圆台型透镜，直径较小的第一端面中部向内凹陷形成一用于适配容置LED光源的光源容置腔，所述光源容置腔底面向外凸出形成凸球面；所述聚光透镜直径较大的第二端面为平面；所述聚光透镜的侧壁为全反射面，该圆台型透镜的母线为折线，所述母线由多段线段依次连接形成，所述多段线段与所述透镜光轴所成角度为至其中，n为聚光透镜折射率。本发明对LED光源任意角度的光线进行聚光，充分利用LED光源光线，并使聚光透镜出射光线发光角小于5度，极大提高了聚光效果。
文档编号F21V5/04GK101900292SQ201010241839
公开日2010年12月1日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者周明杰, 罗英达 申请人:海洋王照明科技股份有限公司;深圳市海洋王照明工程有限公司