透镜和具有该透镜的照明装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于照明装置的透镜(100)，其具有底面（1）和在所述底面（1）上隆起的出射面（2），底面（1）包括凹进区域（3），凹进区域（3）形成入射面（4），其中，出射面和入射面如此设计，使得顺序经过入射面和出射面出射的光线在由照明装置的光源（5）的光轴（A）和垂直于光轴的第一直线限定的第一截面（V1）的两侧形成镜像对称的光斑，并且在由光轴（A）和垂直于第一直线的第二直线限定的第二截面（V2）的两侧形成非镜像对称的光斑，其中，从出射面（2）出射的光线经被照射面（S）的各个位置反射之后产生均匀的亮度（L）。本发明还涉及一种具有上述类型的透镜（100）的照明装置。
【专利说明】透镜和具有该透镜的照明装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于照明装置的透镜。此外，本发明还涉及一种具有上述类型的透镜的照明装置，尤其是一种隧道灯。
【背景技术】
[0002]LED发光组件被广泛的应用在隧道照明中。但是，LED发光组件的光分布性能不能满足隧道照明的要求，因此必须在LED发光组件的顶部加装一个二次透镜。几乎所有现有的透镜都是基于光照度均匀度理论设计的。通过这种类型的透镜能够使隧道灯获得非常均匀的光照度。但是，观察者的眼睛接收来自路面的亮度，而亮度本身取决于光照度和路面的反射系数，在观察者相对于隧道灯处于不同位置时，路面的反射系数也会有不同的变化，但是通过根据现有技术的透镜获得的光照度是均匀的，也就是说，隧道灯发射的光线在不同的位置的光照度是相同的，那么观察者在处于不同的位置所接收到的亮度是不同的，这导致一个问题，即采用现有技术中的透镜的照明装置发射的光线的光照度是均匀的，但是隧道中的路面反射出的光线的亮度不够。
【发明内容】
[0003]为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于照明装置，尤其是隧道灯的透镜，该透镜基于亮度均匀度理论设计，通过根据本发明的透镜出射的光线通过隧道中的路面反射后具有均匀的亮度。此外，本发明还涉及一种具有上述类型的透镜的照明装置，尤其是一种隧道灯。
[0004]本发明的第一个目的通过一种用于照明装置，尤其是隧道灯的透镜由此实现，SP该透镜具有底面和在底面上隆起的出射面，底面包括凹进区域，凹进区域形成入射面，其中，出射面和入射面如此设计，使得入射到入射面并经出射面出射的光线在由照明装置的光源的光轴和垂直于光轴的第一直线限定的第一截面的两侧形成镜像对称的光斑，并且在由光轴和垂直于第一直线的第二直线限定的第二截面的两侧形成非镜像对称的光斑，其中，从出射面出射的光线经被照射面的各个位置反射之后产生均匀的亮度。根据本发明的透镜基于亮度均匀度理论设计，也就是说，首先设定经过被照射面的的各个位置反射后的光线的亮度为相同的，从而反向推算出入射面和出射面的曲线轮廓。
[0005]根据本发明的一个优选的设计方案提出，出射面和入射面如此设计，使得从出射面出射的光线具有在远离垂直于被照射面的垂直轴线的方向上递减的光照度，光照度与被照射面的不同位置的反射系数相匹配。根据光照度与亮度的关系可知，亮度不仅取决于光照度，而且还取决于被照射面的不同位置的反射系数。在确定了亮度的前提下，可推算出从出射面出射的光线的光照度在远离垂直轴线的方向上递减。
[0006]根据本发明进一步提出，出射面和入射面如此设计，使得从出射面出射的光线获得预定的出射角Y和光强I，以获得在远离垂直轴线的方向上递减的光照度，其中出射角为从出射面出射的光线与垂直轴线的夹角。优选的是，光照度通过以下公式计算获得:/:.= /x(cosy)3，其中，η为光源距离被照射面的垂直高度。在本发明的设计方案中，光照度
实质上取决于从出射面出射的光线的出射角和光强。在设计根据本发明的透镜时，由于被照射面的各个位置反射给观察者的亮度是相同的，那么可以获得从透镜出射的各条光线的出射角和光强，由此可以通过专用的光学模型获知由各条光线与入射面和出射面相交的点在三维空间中的坐标，从而确定入射面和出射面的曲线轮廓。
[0007]根据本发明的一个优选的设计方案提出，根据出射角和偏移角计算出反射系数，其中偏移角为垂直轴线与被照射面的第一交点至从出射面出射的光线与被照射面的第二交点之间的第一连线与观察者在被照射面上所处的位置与第二交点的第二连线的反向延长线之间的夹角。在本发明的设计方案中，出射角的角度范围在O度至90度之间并且偏移角的角度范围在O度至180度之间。
[0008]优选的是，出射面包括由底面截取的第一曲线、由第一截面截取的第二曲线和由第二截面截取的第三曲线，并且入射面包括由底面截取的第四曲线、由第一截面截取的第五曲线和由第二截面截取的第六曲线。出射面与入射面的各条曲线相互配合从而产生具有预定的出射角和光强的出射的光线。
[0009]有利的是，第一曲线在底面中的以光源为原点的xy坐标系中包括处于xy坐标系的第一象限和第二象限中的第一上部曲线和处于第三象限和第四象限中的第一下部曲线，
其中第一上部曲线根据以下公式获得:f(a)=0f(-a)=0f(0)=b ;/(χ)>!χ(α2-x2f5>0，第
一下部曲线根据以下公式获得:f (a) =Of (_a) =Of (0)=-c,/(XK — x(iT' - χ2)05 < O，其中，a
为第一曲线在χ轴的正半轴上距离原点的距离，_a为第一曲线在χ轴的负半轴上距离原点的距离，b为第一曲线在y轴的正半轴上距离原点的距离，-C为第一曲线在y轴的负半轴上距离原点的距离,其中b〈c。
[0010]有利的是，第二曲线在第一截面中的以光源为原点的xy坐标系中根据以下公式:f" (x)〈0，f，(O) >0, f (O) =hf (-c) =Of (b) =0, f'(叉0)=0，其中，0〈叉0〈13，其中，11为第二曲线在y轴的正半轴上的交点至原点的距离，χ0为第二曲线的顶点至χ轴的垂直距离。
[0011]进一步有利的是，第三曲线在所述第二截面中的以所述光源为原点的xy坐标系中根据以下公式获得:f" (χ)〈O, f’ (O) =0, f (O) =hf (-a) =Of (a) =0?
[0012]有利的是，第四曲线在底面中的以光源为原点的xy坐标系中根据以下公式获得:
Φ:+(^ = 1，g>e，其中，g为第四曲线在y轴上的交点至原点的距离，e为第四曲线在χ轴^ K
上的交点至所述原点的距离。
[0013]有利的是，第五曲线在第一截面中的以光源为原点的xy坐标系根据以下公式获得:f"(x)〈0,f’ (O) >0, f (O) =if (-j) =Of (j) =0, f (叉1)=0,0〈叉1〈」，其中，」为第五曲线在 χ 轴上的交点至原点的距离，i为第五曲线在y轴上的交点至原点的距离，xl为第五曲线的顶点至χ轴的垂直距离。
[0014]进一步有利的是，第六曲线在第二截面中的以光源为原点的xy坐标系中根据以下公式获得:f"(x)〈0, f (0)=0, f (0)=if (-e)=0, f (e)=0o
[0015]本发明的另一目的通过一种具有上述类型的照明装置实现。该照明装置发射的光线通过被照射面的各个位置反射之后具有均匀的亮度。
[0016]优选的是，根据本发明的照明装置设计为隧道灯。
[0017]有利的是，光源设计为LED光源。LED光源具有发光效率高、寿命长和绿色环保的优点。
[0018]应该理解的是，如果没有其它特别注明，这里描述的不同的示例性实施例的特征可以彼此结合。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]附图构成本说明书的一部分，用于帮助进一步理解本发明。这些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:
[0020]图1是根据本发明的照明装置在平面上看的光路图；
[0021]图2是根据本发明的照明装置的立体光路图；
[0022]图3是被照射面的各个位置的反射系数图表；
[0023]图4是根据本发明的透镜的透视图；
[0024]图5是根据本发明的透镜的俯视图；
[0025]图6是根据本发明的透镜的仰视图；
[0026]图7是根据本发明的照明装置在隧道中的光路图；
[0027]图8a是根据本发明的透镜的第一曲线的示意图；
[0028]图8b是根据本发明的透镜的第二曲线的示意图；
[0029]图Sc是根据本发明的透镜的第三曲线的示意图；
[0030]图8d是根据本发明的透镜的第四曲线的示意图；
[0031]图Se是根据本发明的透镜的第五曲线的示意图
[0032]图8f是根据本发明的透镜的第六曲线的示意图。。
【具体实施方式】
[0033]在下面详细描述中，参考形成本说明书的一部分的附图，其中，以例证的方式示出了可以实施本发明的具体实施例。关于图，诸如“顶”、“底”、“上”、“下”等方向性术语参考所描述的附图的方向使用。由于本发明实施例的组件可以在许多不同方向上放置，所以方向术语仅用于说明，而没有任何限制的意思。应该理解的是，可以使用其它实施例，并且在不背离本发明的范围的前提下可以进行结构或逻辑改变。所以，下面详细描述不应被理解为限制性的意思，并且本发明由所附的权利要求限定。
[0034]在根据本发明的照明装置200中，作为被照射面S的路面接收从根据本发明的照明装置200的透镜100的出射面2出射的光线的光照度E，而人的眼睛在隧道中观察该被照亮的路面时，接收由该被照亮的路面反射的亮度L。根据本发明的透镜100根据光亮度均匀度理论设计，也就是说，路面的各个位置反射到观察者眼中的亮度L都是相同的。而亮度L取决于光照度E和路面的各个位置的反射系数r，也就是说L=EXr。在确定路面的各个位置的反射系数r之后，可以推算出从出射面2出射的各条光线的光照度E，并由此可以计算出出射面2和入射面4的曲线轮廓。〕的立体光路图。从该光路图中可知，观察:’，其中，在图1中示出的三个观察位置？1，:仅以其中的一个位置来举例说明。:2与被照射面3的不同位置的反射系数的各个位置反射的各条光线的亮度恒定的2，可以计算出决定该光照度2的出射角V.线与垂直轴线的夹角。其中，光照度2
为光源5距离被照射面3的垂直高度。
计算出与亮度I相关的反射系数I'，其中偏:点I至从出射面出射的光线与被照射面3击被照射面3上所处的位置0与第二交点？图3示出的被照射面的各个位置的反射系
0。图中示出的透镜通过第一截面VI进行[0042]此外，从图5和图6中进一步可见，出射面2包括由底面I截取的第一曲线21、由第一截面Vl截取的第二曲线22和由第二截面V2截取的第三曲线23，并且入射面4包括由底面I截取的第四曲线41、由第一截面Vl截取的第五曲线42和由第二截面V2截取的第六曲线43。
[0043]图7中示出了根据本发明的透镜应用于隧道灯时，在隧道中的光路图。从图中可见，根据本发明的隧道灯被安装在隧道的顶部两侧。在垂直于隧道的延伸方向的截面上中看，仅能看到彼此相对的两个作为根据本发明的照明装置200的隧道灯。从图7的上方视图中仅仅示出了左侧的隧道灯的照明范围。相对于垂直于隧道的路面的光轴看，照明装置200朝向所示隧道右侧的发射的光线相对于左侧具有更大的出射角，也就是说在路面上产生了不对称的光斑。而在图7的下方示出的视图中则示出了平行于隧道的纵向延伸方向截取的截面。从图中可见多个隧道灯，并且在垂直于隧道的路面的光轴的两侧的光线的出射角是相同的，也就是说在路面上产生了对称的光斑。
[0044]图8a示出了根据本发明的透镜的第一曲线21的示意图。从图中可见，该第一曲线21在底面I中的以光源5为原点的xy坐标系中包括处于xy坐标系的第一象限和第二象限中的第一上部曲线211和处于第三象限和第四象限中的第一下部曲线212，其中，第一上
部曲线 211 根据以下公式获得:f (a) =Of (-a) =Of (0)=b ；f(x)> — x(a2 -x2)0'3 >0，其中，第一
a
下部曲线 212 根据以下公式获得:f (a) =Of (-a) =Of (O) =-c,/(-^)< — χ(α*.- χ2)05 <0其中，a
为第一曲线21在χ轴的正半轴上距离原点的距离，_a为第一曲线21在χ轴的负半轴上距离原点的距离，b为第一曲线21在y轴的正半轴上距离所述原点的距离，-C为第一曲线21在y轴的负半轴上距离原点的距离，其中b〈c。在实际的应用中，透镜100在隧道中如此布置，使得第一上部曲线211朝向隧道的中央布置，使得透镜100出射的光线在第二截面V2形成非镜像对称的光斑，也就是说，使得透镜100在第二截面V2的面向隧道中央的一侧具有更大的光出射角。
[0045]图8b示出了根据本发明的透镜的第二曲线22的示意图。该第二曲线22在第一截面Vl中的以光源5为原点的xy坐标系中根据以下公式:f" (xXO, f’(0)>0，f (O) =hf (-c) =Of (b) =0，f ’ (x0) =0，其中，0〈x0〈b，其中h为第二曲线22在y轴的正半轴上的交点至原点的距离，xO为第二曲线22的顶点至χ轴的垂直距离。根据本发明提出，该第二曲线22相对于第二截面V2是非镜像对称的，并且该第二曲线22在底面I限定的平面上的投影的延伸方向垂直于被照射面S的纵向延伸方向，在本发明的设计方案中，被照射面S的纵向延伸方向为隧道的延伸方向。
[0046]图Sc示出了根据本发明的透镜100的第三曲线23的示意图。该第三曲线23在第二截面V2中的以光源5为原点的xy坐标系中根据以下公式获得:f" (xXO, f’ (0)=0,f (O) =hf (-a) =Of (a) =0。根据本发明提出，该第三曲线23相对于第一截面Vl是镜像对称的，并且该第三曲线23在底面I限定的平面上的投影的延伸方向平行于被照射面S也就是隧道的纵向延伸方向。
[0047]图8d示出了根据本发明的透镜100的第四曲线41的示意图。该第四曲线41在底面I上形成为椭圆形的曲线，其中该第四曲线41在底面I的下表面中的以光源5为原点的xy坐标系中根据以下公式获得
【权利要求】
1.一种用于照明装置的透镜(100)，具有底面(I)和在所述底面(I)上隆起的出射面(2)，所述底面(I)包括凹进区域(3)，所述凹进区域(3)形成入射面(4)， 其特征在于，所述出射面(2)和所述入射面(4)如此设计，使得入射到所述入射面(4)并经所述出射面(2)出射的光线在由所述照明装置的光源(5)的光轴(A)和垂直于所述光轴(A)的第一直线限定的第一截面(Vl)的两侧形成镜像对称的光斑，并且在由所述光轴(A)和垂直于所述第一直线的第二直线限定的第二截面(V2)的两侧形成非镜像对称的光斑，其中，从所述出射面(2)出射的光线通过被照射面(S)的各个位置反射之后产生均匀的亮度(L)。
2.根据权利要求1所述的透镜(100)，其特征在于，所述出射面(2)和所述入射面(4)如此设计，使得从所述出射面(2)出射的光线具有在远离垂直于所述被照射面(S)的垂直轴线(UQT)的方向上递减的光照度(E)，所述光照度(E)与所述被照射面(S)的不同位置的反射系数(r)相匹配。
3.根据权利要求2所述的透镜(100)，其特征在于，所述出射面(2)和所述入射面(4)如此设计，使得从所述出射面(2)出射的光线获得预定的出射角(Y )和光强(I)，以获得在远离所述垂直轴线(UQT)的方向上递减的所述光照度(E)，其中所述出射角(Y )为通过所述出射面(2)出射的光线与所述垂直轴线(UQT)的夹角。
4.根据权利要求3所述的透镜(100)，其特征在于，所述光照度(E)通过以下公式计算获得:
5.根据权利要求3所述的透镜(100)，其特征在于，根据所述出射角(Y)和偏移角(β )计算出所述反射系数(r)，其中所述偏移角(β )为所述垂直轴线(UQT)与所述被照射面(S)的第一交点(T)至通过所述出射面(2)出射的光线与所述被照射面(S)的第二交点(P)之间的第一连线(TP)与观察者在所述被照射面(S)上所处的位置(O)与所述第二交点(P)的第二连线(OP)的反向延长线之间的夹角。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的透镜(100)，其特征在于，所述出射面(2)包括由所述底面(I)截取的第一曲线(21)、由所述第一截面(Vl)截取的第二曲线(22)和由所述第二截面(V2)截取的第三曲线(23)，并且所述入射面(4)包括由所述底面(I)截取的第四曲线(41)、由所述第一截面(Vl)截取的第五曲线(42)和由所述第二截面(V2)截取的第六曲线(43)。
7.根据权利要求6所述的透镜(100)，其特征在于，所述第一曲线(21)在所述底面(I)中的以所述光源(5)为原点的xy坐标系中包括处于所述xy坐标系的第一象限和第二象限中的第一上部曲线(211)和处于第三象限和第四象限中的第一下部曲线(212)， 其中，所述第一上部曲线(211)根据以下公式获得:f (a) = Of (-a) =Of (0)=b ；
8.根据权利要求7所述的透镜(100)，其特征在于，所述第二曲线(22)在所述第一截面(Vl)中的以所述光源(5)为原点的xy坐标系中根据以下公式获得:
f " (X)〈O，f (O) >0, f (O) = h f (-C) =Of (b) =0，f，(x0) =0，其中，0〈x0〈b， 其中h为所述第二曲线(22)在y轴的正半轴上的交点至所述 原点的距离，x0为所述第二曲线(22)的顶点至X轴的垂直距离。
9.根据权利要求8所述的透镜(100)，其特征在于，所述第三曲线(23)在所述第二截面(V2)中的以所述光源(5)为原点的xy坐标系中根据以下公式获得:
?" (χ) <0, f' (O) =0, f (O) = h f (_a) =Of (a) =0。
10.根据权利要求6所述的透镜(100)，其特征在于，所述第四曲线(41)在所述底面(O中的以所述光源(5)为原点的xy坐标系中根据以下公式获得:
11.根据权利要求10所述的透镜(100)，其特征在于，所述第五曲线(42)在所述第一截面(Vl)中的以所述光源(5)为原点的xy坐标系中根据以下公式获得:
f" (χ)〈O, f’(O) >0, f(0) = i f (-j) = Of (j) = 0, f’(xl) =0,0〈xl〈j, 其中，j为所述第五曲线(42)在χ轴上的交点至所述原点的距离，i为所述第五曲线(42)在y轴上的交点至所述原点的距离，xl为所述第五曲线(42)的顶点至χ轴的垂直距离。
12.根据权利要求11所述的透镜(100)，其特征在于，所述第六曲线(43)在所述第二截面(V2)中的以所述光源(5)为原点的xy坐标系中根据以下公式获得:
f" (χ)〈O, f，(O) =0, f (O) = i f (_e) =0, f (e) =0。
13.一种照明装置(200)，包括光源(5)，其特征在于，所述照明装置(200)还包括根据权利要求1至12中任一项所述的透镜(100)。
14.根据权利要求13所述的照明装置(200)，其特征在于，所述照明装置(200)设计为隧道灯
15.根据权利要求13所述的照明装置(100)，其特征在于，所述光源(5)设计为LED光源。
【文档编号】F21Y101/02GK103836534SQ201210491813
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月27日 优先权日:2012年11月27日
【发明者】明玉生, 余弦, 林爱民, 杨江辉 申请人:欧司朗有限公司