改进的光学系统和led灯具的制作方法
【专利摘要】在本发明中，位于反射透镜的两个相对端的第一折射凹槽和第二折射凹槽被设置在同一中心轴上。所述透镜采用半透明外壳，并具有喇叭型外观。喇叭型或锥型开口从第一折射凹槽指向第二折射凹槽。外表面被设计成具有多个反射节段。当LED光源位于第一折射凹槽中时，LED发出的光由第一折射凹槽折射后，在第二折射凹槽处从锥体开口发出。同时，通过半透明外壳的光由多节段反射表面折射后，也从锥体开口投射出去。本发明的反射表面透镜将多种功能结合一体，包括聚焦，折射以及反射，这使得在不需要任何反射涂层下有均匀的照明和其它所需的照明效果。这简化了LED照明系统的加工技术，减少了加工成本。
【专利说明】改进的光学系统和LED灯具
【技术领域】
[0001]本发明涉及新型的透镜，尤其地，涉及一种能大幅提升LED灯具的光效率的透镜。
【背景技术】
[0002]作为一种在21世纪的新型的竞争性的固体光源，LED灯具有以下优点:高效率，纯光色，低能耗，寿命长，可靠耐用，无污染，以及控制灵活。随着LED技术的不断改进，LED灯具的光通量和光效率将不断地提高。目前，单一白光LED的光通量已达到20001m以上。作为灯具的LEDs的照明系统的数量迅速增长。从LED芯片发出的光以朗伯(Lambertian)分布投射。在大多数情况下，如果在应用时未通过适当的光学系统处理，这样的光场分布用在灯具中时，不能够满足性能要求。因此，LED灯具的照明系统的二次光学设计是绝对必要的。
[0003]二次光学设计能在目标区形成具有均匀照明的光斑，从而照明系统能够实现均匀照明。照明系统一般分为反射型，折射型以及反射折射混合型。其中，该混合型主要采用TIR(全内反射)技术。一般来说，由于LED的出光范围广，反射型或折射型很难控制LED的所有出光。另一方面，TIR技术能充分发挥折射和全反射，并有效地聚集LED的大多数出光，以及控制光束分布，从而保证照明系统的结构紧凑。
[0004]现有的反射型的LED透镜具有低反射率，通过为80%。由于条件的限制，如透镜直径，折射型的LED透镜的透光率低至90%。现有的反射折射混合型的LED透镜一般具有单独的折射和反射部分，这些部分增加了技术成本和LED灯的加工程序。然而，现有反射部分的反射面要求反射涂层，比如铝涂层，这也增加了 LED灯的技术成本。
[0005]如图10所示，申请200910108644.1为LED聚光透镜。虽然这个聚光透镜具有两个折射凹槽，但是，透镜并没有反射面设计，因此，它没有良好的发光效果。
【发明内容】
[0006]根据本发明的第一个方面，根据权利要求1提供一种LED灯具的光学系统。因此，本发明提供一种光学系统，包括:
[0007](i)由透明或半透明材料制成的大致锥状体，所述锥状体具有第一窄端，第二宽端，以及外表面，所述外表面设计为基本上完全向所述锥状体的第二端反射光，所述锥状体具有从第一端延伸到第二端的主轴；
[0008](ii)位于所述锥状体的第一端的凹陷或凹槽，所述凹陷或凹槽适于容纳LED灯亘.N 9
[0009]其特征在于，所述锥状体的外表面包括多个反射面或反射表面。
[0010]这种类型的光学系统构造使LED灯具发出的光聚焦成一束光，相对于传统的光学系统，该束光所产生的炫目比较少，其中，所述光学系统构造优选地由整体材料形成，所述材料的折射率高于空气的折射率，从而产生全内反射。
[0011]优选地，所述反射面基本上覆盖所述锥状体的整个外表面。
[0012]优选地，位于所述锥状体的第一端的凹陷的底部或内表面是非平面的。与其它情况相比，这种情况导致了更多的光通过反射或折射直接导向到光学系统外表面的反射面上。
[0013]优选地，所述凹陷的内表面包括多个透镜表面，所述透镜表面适于发散任何落在凹陷底部表面的光。
[0014]优选地，所述多个透镜表面的形式为一系列凸形突起，更优选地，所述多个透镜表面的形式为多个凸形反射表面，所述凸形反射表面依次绕着锥体的外表面连接。能用在此上下文中的反射表面的其他形式非限制地包括弧面，平面，菱形面，金刚石表面或其他任何形状，这些形状能达到将来自LED灯具的光反射出锥状体的第二端的所需效果。
[0015]优选地，反射表面的半径从锥体的第一端到锥体的第二端逐渐增加。
[0016]优选地，该多个反射透镜表面围绕着所述锥体的主轴以层状排列，更优选地，依次连接的这些反射表面的半径从所述锥状体的第一端到第二端逐渐增加。在此术语“半径”具有广泛的含义，包括穿过反射面的距离，所述反射面一般不是圆形的。
[0017]优选地，所述光学系统还包括位于所述锥状体的第二端的凹陷或凹槽。所述第二凹陷引起更多的光反射或折射到所述锥状体的外反射表面上，否则，这些更多的光将被直接传送出所述光学系统。
[0018]优选地，所述光学系统还包括一个或多个LED灯具。
[0019]根据本发明的第二个方面，提供一种包含根据第一发明的二级光学系统的LED灯具。
[0020]本发明提出的反射表面将反射功能纳入普通的折射透镜中，这在不需要应用反射涂层的情况下，能达到良好的反射效果，并简化了 LED灯具的构造。此外，本发明的反射表面透镜能整体成型，与现有的折射反射混合透镜相比，其具有更简单的结构。已被分成多个节段的反射表面能更好更有效地利用从LED发出的光。
[0021]本发明采用如下的技术方案。在反射表面透镜中，分别位于所述反射透镜的两个相对端的第一折射凹槽或凹陷以及第二折射凹槽或凹陷设置在同一中心轴上。所述透镜采用半透明的外壳，并呈锥形外表。锥体的开口从第一折射凹槽指向第二折射凹槽。外表面设计成具有多个反射节段。
[0022]在这里描述的术语“锥体”具有更广泛的含义，并包括截头锥体或截头圆锥体，或任何一般角形结构。所述锥体的外表面一般为多面的。
[0023]当LED光源放置在第一折射凹槽时，LED发出的光通过所述第一折射凹槽折射，接着在第二折射凹槽处从锥体开口投射出去。同时，通过半透明透镜外壳的光由多节段反射表面折射，接着也从锥体开口处投射出去。本发明的反射表面透镜发出的LED能达到各种所需的照明效果，而这是不能通过传统的LED透镜达到的。
[0024]进一步地，上述多节段反射表面由多圈反射表面依次连接成锥形而形成。S卩，在从第一折射凹槽到第二折射凹槽的方向上，依次连接的反射表面的半径逐渐增加，以形成锥形。在一个更好的设计中，每圈反射表面由依次连接的多个反射单元形成。所述反射单元可以为各种形状，非限制地包括弧面，平面，菱形的面，金刚石面，或其它能达到所需效果的形状。特定的形状能根据折射和反射效果以及能量守恒定律来设计。
[0025]本发明的反射透镜一体成型，结构简单。其具有反射功能而不需要任何反射涂层；这有助于LED灯具的安装。半透明外壳的外表面上的多节段反射表面具有良好的聚集和反射效果，从而提供了 LED灯具的各种所需的照明效果。
[0026]总之，在本发明中，位于反射透镜的两个相对端的第一折射凹槽和第二折射凹槽，设置在同一中心轴上。所述透镜采用半透明外壳，其外观呈喇叭型。喇叭型或锥形开口从第一折射凹槽指向第二折射凹槽。将外表面设计成具有多个反射节段。当LED光源位于或在第一折射凹槽时，LED发出的光由第一折射凹槽折射后，在第二折射凹槽处从锥体开口发出。同时，通过半透明外壳的光由多节段反射表面折射后，也从锥体开口投射出。本发明的反射表面透镜将多种功能结合一体，包括聚焦，折射以及反射，使得在不需要任何反射涂层下有均匀的照明和其它所需的照明效果。这简化了 LED照明系统的加工技术，减少了加工成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1展示了 LED芯片的相对光强度的分布曲线；
[0028]图2展示了本发明的反射表面透镜的结构原理；
[0029]图3展示了本发明中入射光源在目标平面上的照明；
[0030]图4展示了本发明的多节段反射表面的设计原理；
[0031]图5为本发明实施例1的剖视图；
[0032]图6为执行本发明实施例1的透镜照明数据的模拟效果图；
[0033]图7为本发明实施例1中的透镜照明数据的模拟曲线图；
[0034]图8为本发明实施例2的结构的前透视图；
[0035]图9为本发明实施例2的外表面结构的示意图；
[0036]图10为现有技术LED聚光透镜结构的示意图；
[0037]图11为本发明的第二实施例的光学系统的截面示意图；
[0038]图12为图11的光学系统的俯视图；
[0039]图13为进一步实施例的光学系统的截面示意图；
[0040]图14为图13的光学系统的俯视图。
[0041]在图11和12中，数字分别表示:
[0042]11-截头锥体
[0043]12-圆柱体
[0044]13-圆柱形凹槽
[0045]14-球形表面
[0046]15-球形面
[0047]16-圆柱体。
[0048]在图13和图14中，数字分别表示:
[0049]11’ -截头锥体
[0050]12’ -圆环
[0051]13’ -圆柱形凹槽
[0052]14’ -球形表面
[0053]15’ -球形面。
[0054]在图8和9中，数字分别表示:1、第一折射凹槽；2、第二折射凹槽；3、多节段反射表面；4、透镜外壳；41、透镜外表面；42、相依边。
【具体实施方式】
[0055]以下的说明，结合附图和实施例仅用于举例，并非用于限制本发明的衍生例。
[0056]如图8和图9所示，第一折射凹槽I和第二折射凹槽2分别设置在所述反射透镜的两个末端上，它们位于同一中心轴上，并为圆柱形。透镜外壳4为半透明的,外表面41为锥形。锥体开口从所述第一折射凹槽I指向所述第二折射凹槽2。多节段反射表面3设置在外表面41上。
[0057]当LED位于第一折射凹槽I时，LED发出的光由所述第一折射凹槽I折射，投射穿过锥体开口，所述第二折射凹槽2位于所述锥体开口。穿过透镜外壳4的光由锥形的多节段反射表面3反射，还投射穿过锥体开口。所述半透明材料可以为硅胶，PMMA，PC，玻璃或其它半透明材料，比如半透光材料，但不限于上述的半透明材料。
[0058]在一个重要的实施例中，位于锥体第一端的凹陷或凹槽的底部或内表面是非平面的。与其它情况相比，这致使更多的光通过反射或折射而被反射或折射到光学系统的外表面上的反射面上。例如，所述凹槽可以为圆柱形凹陷，而所述凹陷的底部或内表面包括多个透镜表面，所述透镜表面用于发散任何落在所述凹陷底部表面上的光。在外型上，从所述光学系统的第一端观看时，像一系列排列在凹陷底部表面上的挖瘡。
[0059]此外或作可替代地，也可提供与位于锥状体第二端的与凹陷或凹槽连接的类似透镜表面。
[0060]在本实施例中，所述多节段反射表面3由多圈依次连接成锥形的反射表面形成，比如图8中所示的反射表面31，32和33。即，在从第一折射凹槽到第二折射凹槽的方向上，依次连接的反射表面的半径逐渐增大，以形成锥形。例如，反射表面33的半径小于反射表面32的半径,而反射表面32的半径小于反射表面31的半径。每圈反射表面由多个依次连接的反射单元形成。所述反射单元可以为各种形状，非限制地包括弧面，平面，菱形的面，金刚石面，或其他能达到所需效果的形状。例如，图8中的反射表面由弧形反射单元311, 312, 313 以及 314 形成。
[0061]每个反射单元的表面形状可以根据所需光的反射和折射效果以及能量守恒定律设计。反射单元表面形状的设计方法将在下面详细地描述。
[0062]LED芯片可视为朗伯(Lambertian)光源,所述光源发出的光呈余弦分布。如图1中LED芯片的相对光强度的分布曲线所示，横轴为光强度；而纵轴为辐射角度。如果LED芯片的郎伯光强度分布是已知的，则给定方向上的光强度应该如下:
[0063]
!'二 1.::;>:.、(、 (--
[0064]在公式中，I e为法线方向上灯光表面的光强度；Ici为与法线形成任何角度O的光角度。当LED芯片为郎伯光源，其在任何方向上的亮度为常数，SP:
T — Im10VOs(O) Ia 會
[0065]Ij9 -1A^m =^M = L {2)
[0066]在该公式中，dA为灯光表面的单元面积。L为常数，表示芯片亮度。孔径角O的三围角度范围内的光通量如下面公式所示:
[0067]
【权利要求】
1.一种用于LED灯具的光学系统，所述光学系统包括: (i)由透明或半透明材料构成的大致锥状体，所述锥状体具有窄的第一端、宽的第二端、以及外表面，所述外表面设计为将光基本完全地朝向所述锥体的第二端反射，所述锥状体具有从所述第一端延伸到所述第二端的主轴； (?)位于所述锥状体的所述第一端的凹陷或凹槽，所述凹陷或凹槽适于容纳LED灯亘.N 9 其特征在于，所述锥状体的所述外表面包括多个反射面或反射表面。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述反射面大致覆盖所述锥状体的整个外表面。
3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，位于所述锥状体的所述第一端上的所述凹陷的底部或内表面为非平面的。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述凹陷的内表面包括多个透镜表面，所述多个透镜表面适于使落在所述凹陷的底部表面上的任何光发散开来。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述多个透镜表面的形式为一系列凸形突起。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的光学系统,其特征在于,在所述锥状体的外表面上的所述多个反射面包括围绕所述锥体的外表面依次连接的多个反射表面。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述反射表面的半径从所述锥体的所述第一端到所述锥体的所述第二端是逐渐增大的。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述多个反射透镜表面围绕所述锥体的主轴排列为层状。
9.根据前述任一项权利要求所述的光学系统，其特征在于，所述透镜系统还包括位于所述锥体的所述第二端的凹陷或凹槽。
10.根据前述任一项权利要求所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括一个或多个LED灯具。
11.结合附图的任意组合、在此处描述的光学系统。
12.—种LED灯具，所述LED灯具包括一个或多个如权利要求1_11中任一项所述的光学系统。
【文档编号】F21V7/00GK104169776SQ201280071314
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2012年9月10日 优先权日:2012年1月10日
【发明者】张勇 申请人:奥罗拉有限公司