专利名称：一种透镜及具有该透镜的发光组件的制作方法
技术领域：
本实用新型属于照明领域，具体地说，涉及一种透镜及具有该透镜的发光组件。
背景技术：
发光二极管作为一种高效的发光源，具有环保、省电、寿命长等诸多特点已经被广 泛的运用于各种领域。其二次光学设计就尤为重要，但是其中遇到的最大的难题就是LED 是面光源，区别于传统光源，其光学设计也就相比传统光源困难的多。匝道照明与常规道路照明不同，一般而言，匝道都要比主路狭窄些，多为单车道且 多为弯道，车辆在匝道上为单向行驶。匝道灯安装高度低，距高比约为LED路灯的两倍，因 此就要求匝道灯的照射范围更广而且不能产生眩光等影响驾驶员的诱导因素。所以提出新 的LED 二次光学设计方式是亟待解决的问题。
发明内容有鉴于此，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种光线分布均勻的且区域较 大的发光组件及构成该发光组件的透镜，可产生较为合理的光形及均勻的照度。为了解决上述技术问题，本实用新型公开了一种透镜，具有一供光源的光线入射 的内凹的入光面及一供该光线出射的出光面，该入光面包括至少两个二次曲面，所述曲面 并排排列，所述曲面的曲率沿所述曲面的排列方向单调变化；该出光面为一自由曲面，其具 有一分界线将该自由曲面分为大小两侧，面积较大一侧曲面的曲率变化缓于面积较小一侧 曲面；以此使光线经所述透镜向该入光面上曲率最小的曲面侧及该出光面上面积最大的 曲面侧偏转；其中，该入光面的中心轴穿过该光源位置；所述分界线为一平行于该入光面 上二次曲面排列方向并且包含所述中心轴的平面在该出光面上的投影；该出光面上自由曲 面的曲率变化的趋势方向在水平面上的投影与该入光面上二次曲面的排列方向存在一夹 角。进一步地，所述透镜罩设于所述光源上使所述入光面的中心轴与所述光源的光轴 重合，并所述夹角为90度。为了解决上述技术问题，本实用新型还公开了一种透镜，具有一供光源的光线入 射的内凹的入光面及一供该光线出射的出光面，该出光面为一自由曲面，其具有一分界线 将该自由曲面分为大小两侧，面积较大一侧曲面的曲率变化缓于面积较小一侧曲面；该入 光面包括至少一个形如所述出光面的自由曲面，如为多个所述自由曲面，所述自由曲面并 排排列，沿所述自由曲面的排列方向各个自由曲面的曲率变化的趋势一致；以此使光线经 所述透镜向该入光面上各自由曲面的曲率变化平缓的一侧及该出光面上面积最大的曲面 侧偏转；其中，该入光面的中心轴穿过该光源位置；所述分界线为一平行于该入光面上自 由曲面的曲率变化的趋势方向并且包含所述中心轴的平面在该出光面上的投影；该出光面 上自由曲面的曲率变化的趋势方向在水平面上的投影与该入光面上自由曲面的曲率变化 的趋势方向存在一夹角。[0008]进一步地，所述透镜罩设于所述光源上使所述入光面的中心轴与所述光源的光轴 重合，并所述X轴与Y轴存在一 90度的夹角。为了解决上述技术问题，本实用新型还公开了一种发光组件，包括光源和罩设在 所述光源上的透镜，所述透镜具有一供光源的光线入射的内凹的入光面及一供该光线出射 的出光面，该入光面包括至少两个二次曲面，所述曲面并排排列，所述曲面的曲率沿所述曲 面的排列方向单调变化；该出光面为一自由曲面，其具有一分界线将该自由曲面分为大小 两侧，面积较大一侧曲面的曲率变化缓于面积较小一侧曲面；以此使光线经所述透镜向该 入光面上曲率最小的曲面侧及该出光面上面积最大的曲面侧偏转；其中，该入光面的中心 轴穿过该光源位置；所述分界线为一平行于该入光面上二次曲面的排列方向并且包含所述 中心轴的平面在该出光面上的投影；该出光面上自由曲面的曲率变化的趋势方向在水平 面上的投影与该入光面上二次曲面的排列方向存在一夹角。进一步地，所述透镜罩设于所述光源上使所述入光面的中心轴与所述光源的光轴 重合，并所述夹角为90度。进一步地，还包括反射器，置于所述透镜的出光面上曲率变化大的曲面一侧，将 该曲面出射的光线反射至另一侧；所述透镜留有卡位，所述反射器放置在所述卡位中；或 者所述反射器与透镜一起固定在发光组件的铝基板或散热器上。进一步地，所述反射器的反射面为二次曲面或自由曲面，电镀高反射率材料以获 得镜面反射效果或漫反射效果。进一步地，所述反射器的外表面作蚀纹或磨砂处理以打散其他发光组件照射到该 外表面的光线。为了解决上述技术问题，本实用新型还公开了一种发光组件，包括光源和罩设在 所述光源上的透镜，所述透镜具有一供光源的光线入射的内凹的入光面及一供该光线出射 的出光面，该出光面为一自由曲面，其具有一分界线将该自由曲面分为大小两侧，面积较大 一侧曲面的曲率变化缓于面积较小一侧曲面；该入光面包括至少一个形如所述出光面的自 由曲面，如为多个所述自由曲面，所述自由曲面并排排列，沿所述自由曲面的排列方向各个 自由曲面的曲率变化的趋势一致；以此使光线经所述透镜向该入光面上各自由曲面的曲率 变化平缓的一侧及该出光面上面积最大的曲面侧偏转；其中，该入光面的中心轴穿过该光 源位置；所述分界线为一平行于该入光面上自由曲面的曲率变化的趋势方向并且包含所述 中心轴的平面在该出光面上的投影；该出光面上自由曲面的曲率变化的趋势方向在水平面 上的投影与该入光面上自由曲面的曲率变化的趋势方向存在一夹角。进一步地，所述透镜罩设于所述光源上使所述入光面的中心轴与所述光源的光轴 重合，并所述夹角为90度。进一步地，还包括反射器，置于所述透镜的出光面上曲率变化大的曲面一侧，将 该曲面出射的光线反射至另一侧。进一步地，所述反射器的反射面为二次曲面或自由曲面，电镀高反射率材料以获 得镜面反射效果或漫反射效果。进一步地，所述反射器的外表面作蚀纹或磨砂处理以打散其他发光组件照射到该 外表面的光线。与现有的方案相比，本实用新型所获得的技术效果[0020]可将光线定向发射并聚拢，极大地提高光能的利用效率，在实际应用中沿道路方 向，灯具出射的光线应尽量沿着行车方向照射，照射的距离接近两灯的间距；且重要的是可 避免光线反向射出，以防照射到驾驶员的眼睛，产生眩光等不利因素；另外，在垂直道路方 向，灯具出射的光线可以尽可能多的照向路面，此方向照射的距离接近道路的宽度，提供了 较佳的出射光路，增加路面的光能利用率和路面的纵向和横向光照均勻度。
图1为本实用新型的透镜整体效果图。图2为本实用新型的发光组件装配示意图。图3为本实用新型的透镜的各侧面的示意图。图4为本实用新型的光线经过透镜的光路图。图5为本实用新型的透镜排布示意图。图6为本实用新型的反射器装配结构图。图7为本实用新型的加上反射器后的光路图。图8为本实用新型的安装在道路两侧的成对透镜的示意图。图9为本实用新型的另一种透镜结构示意图。图10为本实用新型的灯具照射范围示意图。
具体实施方式
以下将配合图式及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，藉此对本实用新型 如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。本实用新型的核心构思在于为了提供较佳的出射光路，增加路面的光能利用率 和路面的纵向和横向光照均勻度，所述透镜具有一供光源入射的内凹的入光面及一供该光 线出射的出光面，通过设计出光面和入光面的不同轴向结构，使通过所述两个面的光向指 定的空间方向偏转。具体可由以下形式实现第一方案-该入光面包括至少两个二次曲面，所述曲面并排排列，所述曲面的曲 率沿所述曲面的排列方向单调变化；该出光面为一自由曲面，其具有一分界线将该自由曲 面分为大小两侧，面积较大一侧曲面的曲率变化缓于面积较小一侧曲面；以此使光线经所 述透镜向该入光面上曲率最小的曲面侧及该出光面上面积最大的曲面侧偏转；其中，所述透镜罩住光源时应尽量保证所述入光面的中心轴(即相当于下面的实 施例中Z轴)穿过所述光源位置(即相当于下面的实施例中0点)；所述分界线，为一平行 于入光面上二次曲面的排列方向(排列方向在下面的实施例中即相当于X轴方向，当为多 个二次曲面时，其排列也为在X轴方向上排列延伸)并包含入光面的中心轴的平面在所述 出光面上的投影；在透镜一体成型时可根据所期望的出射光线的偏折方向，使出光面上自 由曲面的曲率变化的趋势方向在水平面上的投影(即相当于下面的实施例中Y轴方向)与 入光面上二次曲面的排列方向存在一对应夹角。第二方案-该出光面为一自由曲面，其具有一分界线将该自由曲面分为大小两 侧，面积较大一侧曲面的曲率变化缓于面积较小一侧曲面；该入光面包括至少一个形如所 述出光面的自由曲面，如为多个所述自由曲面，所述自由曲面并排排列，沿所述自由曲面的 排列方向各个自由曲面的曲率变化的趋势一致(即每个自由曲面在排列方向上都是同一方向侧的曲面的面积较大且曲率变化平缓，另一方向侧的曲面的面积较小且曲率变化急 促)；以此使光线经所述透镜向该入光面上各自由曲面的曲率变化平缓的一侧及该出光面 上面积最大的曲面侧偏转；其中，所述透镜罩住光源时应尽量保证所述入光面的中心轴(即相当于下面的实 施例中Z轴)穿过所述光源位置(即相当于下面的实施例中0点)；所述分界线，为一平行 于入光面上自由曲面的曲率变化的趋势方向(当为多个自由曲面时也就是曲面排列方向， 在下面的实施例中即相当于X轴方向)并包含入光面的中心轴的平面在所述出光面上的投 影；在透镜一体成型时可根据所期望的出射光线的偏折方向，使出光面上自由曲面的曲率 变化的趋势方向在水平面上的投影(即相当于下面的实施例中Y轴方向)与入光面上自由 曲面的曲率变化的趋势方向存在一对应夹角。因为上述两种主要的实现方式原理相同，因此以下仅以第一方案中内凹入光面包 括两个二次曲面为例进行描述，其他实现方式，如内凹入光面包含多个二次曲面或至少一 个自由曲面的结构，就不再一一赘述。另外，上述夹角根据需要设置，在本方案的实施例中，为了描述方便，仅以X轴与Y 轴呈90度角进行描述，但是本方案并不限于此。本实用新型设计的发光组件，如图2所示，包括一发光二极管10，一与发光二极管 10搭配的透镜20以及置于该透镜20之侧的反射器30。发光二极管的结构形状并不限制。 透镜留有卡位，反射器放置在所述卡位中，或者将反射器与透镜用螺丝一起固定在铝基板 或散热器上。以下以一实施例对透镜进行说明。该透镜由光学性能优越的透明材料一体成型，如PMMA或PC塑料。反射器由白色 PC或ABS等一体成型。为方便后续描述，此处引入一立体直角坐标系，如图1和2所示，其 中X轴对应于透镜20的宽度方向(即左右方向)，Y轴对应于透镜20的长度方向(即前后 方向)，Z轴对应于透镜20的高度方向(即上下方向)，同时，Z轴也是发光二极管10的光 轴。以发光二极管10的光轴(Ζ轴)为基准，透镜20罩设于发光二极管10上且透镜20的 内凹入光面的中心轴与发光二极管的光轴重合，即使得透镜20的内凹入光面的中心轴也 为Z轴。可以改变除透镜入光面与出光面以外的外围结构以便固定反射器。图3为对应图1的该二次透镜20的不同侧面的视图，参照图3c，其中1为出光面， 但该出光面1并不像传统的透镜出光面一样是一整块球形曲面，也不是由多块曲面平滑连 接而成，此曲面是由多个离散点拟合为曲线(一般称为母线)再转换成曲面的，实际上它是 自由曲面。参照图3a、!3b和3c，该出光面1关于Y轴对称。以原点为中心，选取X轴和Z轴 构成的平面与出光面1的相交线为分界线，该出光面被所述分界线分成大小两部分，Y轴的 正方向曲面面积较大且曲率变化较为缓慢，Y轴负方向的曲面面积较小且曲率变化较快，这 样做的目的是让光线尽量偏向Y轴的正半轴，即射向行车方向(参见图10)。如图4b所示，Y方向的截面，任一角度的光线入射到透镜的入光面后，进入透镜的 光线的角度小于入射光线，即此入光面对光线起到朝Y轴的正方向侧略微发散的作用。对于出光面，光线行进至出光面时由于光线是由介质传向空气，因而出射角大于 入射角(此入射角为入光面的出射角)，位于中心轴左侧(Y轴正方向侧)的曲率变化缓慢 的曲面的面积较大，所以绝大部分光线都是经过曲率变化缓慢的曲面折射向Y轴的正方向侧偏转，并略微发散。注意，要保证内凹入光面的中心轴(点划线)与发光二极管的光轴(点划线)重
I=I O图3中入光面是由两个曲率大小不同的二次曲面加、213沿X轴的方向平滑连接而 成，参照图3d和!Be，该入光面关于X轴对称，处于X轴正方向的曲面2b曲率小于处于X轴 负方向的曲面加，这样做的目的是让光线尽量偏向X轴的负半轴，即光线向下偏，射向路面 (参见图10)。如图如所示，X方向的截面，当任一角度的光线入射到透镜的入光面时，由于光线 是由空气传向介质，出射角小于入射角。入光面上，曲率较小的曲面位于X轴正方向侧，二 次曲面上有更大部分的曲面(图如中圈出的部分)其上任意一点的法线方向指向左上方 (X轴正方向侧)，从而绝大部分光线将向X轴的负方向侧偏折。对于出光面，由于光线是由介质传向空气，出射角大于入射角(此入射角为入光 面的出射角)，此时中心轴左侧的绝大部分出射光线更多向X轴负方向侧偏转，中心轴右侧 的绝大部分出射光线更多向X轴正方向侧偏转，中心轴右侧的出射光线偏转较中心轴左侧 的出射光线更多；整体来说，对经过透镜的出射光线起到向中心轴微微聚拢的效果。由于此灯具更多应用于匝道，而匝道路宽一般在7-14米，所以灯具在安装时一般 处于0. 5-0. 75米的高度，因而透镜的设计应根据需求使出射光线的偏转角度不应过大，否 则可能无法照射到整个匝道路面。基于以上特点，所述透镜通过折射、全反射的方式对由发光二极管发出的光线进 行整合，重新分配出射光线的光路。使绝大部分光线沿行车方向出射，同时，在垂直道路方 向光线须向下偏转，以利于将更多的光投射到路面(参见图10)。在安装时，上述透镜置于铝基板之上规则排布，根据实际需要可以将透镜旋转适 当的角度，一般在水平方向透镜与铝基板有一 5-10度的夹角a，如图5所示，此夹角根据灯 具的安装距离来调节。以下以又一实施例对反射器进行说明。如图6所示，所述反射器置于透镜之上且位于所述透镜出光面的Y轴负方向侧的 曲面一侧，反射器的卡位与透镜的卡槽紧密配合方便产品组装。为了减少眩光和光污染，反射器的内表面(反射面)为二次曲面或自由曲面，可电 镀高反射率材料以获得镜面反射效果或漫反射效果，若使用反射率较高的白色塑料则其内 表面可不作处理。其作用是将负Y轴方向(透镜出光面较小曲面)的光线反射至正Y轴方 向，此部分光线将沿行车方向出射，不仅减少了眩光还极大地提高了光能的利用效率，参考 图7。针对图5的多个发光组件的排列方式，该外表面可能会对排列在其后面的发光组 件出射的光线造成反射，从而造成眩光等不利因素。为了减少或弱化此种不利因素，所述 反射器的外表面必须做蚀纹或磨砂等处理以打散来自后一发光组件照射到该外表面的光 线，但是该外表面并无固定外形。当然，如果灯具的发光组件间距足够大也可不做蚀纹或磨 砂处理。所述发光组件在一般情况下成对使用，即分为安装在道路左侧和右侧。参考图8 所示，相对安装的两种发光组件除透镜的入光面不同外(入光面的形状相对)，其余部分均
8相同，装配与固定方式也相同。为了方便装配，还可以对透镜本体进行修改，如图9所示，该结构只需将透镜卡在 铝基板上，操作方便，大大提高组装效率。为了适应不同匝道的要求，该发光组件应用在实际灯具中，一般都按一定的间距 规则排布，但不限制该发光组件使用的个数。另外，参见图10a，沿道路方向的俯视图，灯具出射的光线尽量沿着行车方向照射， 照射的距离接近两灯的间距；且重要的是可避免光线反向射出，以防照射到驾驶员的眼睛， 产生眩光等不利因素；另外，参见图10b，在垂直道路方向，灯具出射的光线可以尽可能多 的照向路面，此方向照射的距离接近道路的宽度。上述说明示出并描述了本实用新型的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本 实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种 其他组合、修改和环境，并能够在本文所述实用新型构想范围内，通过上述教导或相关领域 的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范 围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。
权利要求1.一种透镜，其特征在于，具有一供光源的光线入射的内凹的入光面及一供该光线出 射的出光面，该入光面包括至少两个二次曲面，所述曲面并排排列，所述曲面的曲率沿所述 曲面的排列方向单调变化，该出光面为一自由曲面，其具有一分界线将该自由曲面分为大 小两侧，面积较大一侧曲面的曲率变化缓于面积较小一侧曲面，以此使光线经所述透镜向 该入光面上曲率最小的曲面侧及该出光面上面积最大的曲面侧偏转；其中，该入光面的中 心轴穿过该光源位置；所述分界线为一平行于该入光面上二次曲面排列方向并且包含所述 中心轴的平面在该出光面上的投影；该出光面上自由曲面的曲率变化的趋势方向在水平面 上的投影与该入光面上二次曲面的排列方向存在一夹角。
2.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜罩设于所述光源上使所述入光面 的中心轴与所述光源的光轴重合，并所述夹角为90度。
3.—种透镜，其特征在于，具有一供光源的光线入射的内凹的入光面及一供该光线出 射的出光面，该出光面为一自由曲面，其具有一分界线将该自由曲面分为大小两侧，面积较 大一侧曲面的曲率变化缓于面积较小一侧曲面，该入光面包括至少一个形如所述出光面的 自由曲面，如为多个所述自由曲面，所述自由曲面并排排列，沿所述自由曲面的排列方向各 个自由曲面的曲率变化的趋势一致，以此使光线经所述透镜向该入光面上各自由曲面的曲 率变化平缓的一侧及该出光面上面积最大的曲面侧偏转；其中，该入光面的中心轴穿过该 光源位置；所述分界线为一平行于该入光面上自由曲面的曲率变化的趋势方向并且包含所 述中心轴的平面在该出光面上的投影；该出光面上自由曲面的曲率变化的趋势方向在水平 面上的投影与该入光面上自由曲面的曲率变化的趋势方向存在一夹角。
4.如权利要求3所述的透镜，其特征在于，所述透镜罩设于所述光源上使所述入光面 的中心轴与所述光源的光轴重合，并所述X轴与Y轴存在一 90度的夹角。
5.一种发光组件，其特征在于，包括光源和罩设在所述光源上的透镜，所述透镜具有一 供光源的光线入射的内凹的入光面及一供该光线出射的出光面，该入光面包括至少两个二 次曲面，所述曲面并排排列，所述曲面的曲率沿所述曲面的排列方向单调变化，该出光面为 一自由曲面，其具有一分界线将该自由曲面分为大小两侧，面积较大一侧曲面的曲率变化 缓于面积较小一侧曲面，以此使光线经所述透镜向该入光面上曲率最小的曲面侧及该出光 面上面积最大的曲面侧偏转；其中，该入光面的中心轴穿过该光源位置；所述分界线为一 平行于该入光面上二次曲面的排列方向并且包含所述中心轴的平面在该出光面上的投影； 该出光面上自由曲面的曲率变化的趋势方向在水平面上的投影与该入光面上二次曲面的 排列方向存在一夹角。
6.如权利要求5所述的发光组件，其特征在于，所述透镜罩设于所述光源上使所述入 光面的中心轴与所述光源的光轴重合，并所述夹角为90度。
7.如权利要求5所述的发光组件，其特征在于，还包括反射器，置于所述透镜的出光 面上曲率变化大的曲面一侧，将该曲面出射的光线反射至另一侧；所述透镜留有卡位，所述 反射器放置在所述卡位中；或者所述反射器与透镜一起固定在发光组件的铝基板或散热器 上。
8.如权利要求5所述的发光组件，其特征在于，所述反射器的反射面为二次曲面或自 由曲面，电镀高反射率材料以获得镜面反射效果或漫反射效果。
9.如权利要求5所述的发光组件，其特征在于，所述反射器的外表面作蚀纹或磨砂处理以打散其他发光组件照射到该外表面的光线。
10.一种发光组件，其特征在于，包括光源和罩设在所述光源上的透镜，所述透镜具有 一供光源的光线入射的内凹的入光面及一供该光线出射的出光面，该出光面为一自由曲 面，其具有一分界线将该自由曲面分为大小两侧，面积较大一侧曲面的曲率变化缓于面积 较小一侧曲面，该入光面包括至少一个形如所述出光面的自由曲面，如为多个所述自由曲 面，所述自由曲面并排排列，沿所述自由曲面的排列方向各个自由曲面的曲率变化的趋势 一致，以此使光线经所述透镜向该入光面上各自由曲面的曲率变化平缓的一侧及该出光面 上面积最大的曲面侧偏转；其中，该入光面的中心轴穿过该光源位置；所述分界线为一平 行于该入光面上自由曲面的曲率变化的趋势方向并且包含所述中心轴的平面在该出光面 上的投影；该出光面上自由曲面的曲率变化的趋势方向在水平面上的投影与该入光面上自 由曲面的曲率变化的趋势方向存在一夹角。
11.如权利要求10所述的发光组件，其特征在于，所述透镜罩设于所述光源上使所述 入光面的中心轴与所述光源的光轴重合，并所述夹角为90度。
12.如权利要求10所述的发光组件，其特征在于，还包括反射器，置于所述透镜的出 光面上曲率变化大的曲面一侧，将该曲面出射的光线反射至另一侧。
13.如权利要求10所述的发光组件，其特征在于，所述反射器的反射面为二次曲面或 自由曲面，电镀高反射率材料以获得镜面反射效果或漫反射效果。
14.如权利要求10所述的发光组件，其特征在于，所述反射器的外表面作蚀纹或磨砂 处理以打散其他发光组件照射到该外表面的光线。
专利摘要本实用新型公开了一种透镜及具有该透镜的发光组件，其中透镜具有一内凹入光面及一出光面，入光面包括至少两个二次曲面，曲面并排排列，曲面的曲率沿曲面的排列方向单调变化；出光面为一自由曲面，其具有一分界线将自由曲面分为大小两侧，面积较大一侧曲面的曲率变化缓于面积较小一侧曲面；以此使光线经透镜向入光面上曲率最小的曲面侧及出光面上面积最大的曲面侧偏转；其中，入光面的中心轴穿过光源位置；分界线为一平行于入光面上二次曲面排列方向且包含中心轴的平面在出光面上的投影；出光面上自由曲面的曲率变化的趋势方向在水平面上的投影与入光面上二次曲面的排列方向存在一夹角。本方案可将光线定向发射并聚拢，极大地提高光能的利用效率。
文档编号F21S8/00GK201892149SQ201020278220
公开日2011年7月6日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者梁毅 申请人:北京朗波尔光电股份有限公司