Led偏射燈及其配光透鏡的制作方法
【專利摘要】一種配光透鏡，包括底面及頂面。其中，底面的中心向內凹陷，形成凹槽。凹槽為旋轉對稱結構，凹槽的側壁為入射面，凹槽的深度與寬度比大于2。LED芯片發(fā)出的光線可從入射面入射。根據折射原理，光線經過入射面后會向兩側偏折。而且，由于凹槽的深度與寬度比大于2，從而使得入射面較“陡”。因此，光線經入射面后，偏折角度較大。光線經過入射面后，從頂面出射。由于光線從光密介質射向光疏介質時，出射角會大于入射角，從而使得光線進一步向兩側偏折。通過兩次偏折后，LED芯片發(fā)出的光線則會達到預設的偏折角度。此外，本發(fā)明還提供一種LED偏射燈。
【專利說明】LED偏射燈及其配光透鏡

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及照明技術，特別是涉及一種LED偏射燈及其配光透鏡。

【背景技術】
[0002]LED光源具有節(jié)能、環(huán)保、安全、顯色指數(shù)高、壽命長、體積小、光效高、能耗小等顯著特點。隨著LED芯片和封裝工藝的成熟，LED光源的亮度足以滿足各個照明領域的需求，LED照明已經成為趨
[0003]在一些應用領域中，如機場跑道燈、接地區(qū)燈，均要求燈具具有一定偏射角度。因此，LED光源應用于上述領域時需要進行二次光學設計。目前的二次配光一般都采用反光杯、反射罩等裝置以反射形式對光線進行配光。然而，LED光源與白熾燈、金屬鹵素燈等全方向的傳統(tǒng)光源不同，LED光源由其芯片封裝的結構決定了發(fā)光的多樣性，僅通過反射難以達到預設的配光效果。因此，通過傳統(tǒng)的二次光學設計難以使LED光源發(fā)出的光線發(fā)生偏折。


【發(fā)明內容】

[0004]基于此，有必要提供一種可使光線偏折預設角度的LED偏射燈及其配光透鏡。
[0005]一種配光透鏡，為旋轉對稱結構，所述配光透鏡包括底面及頂面，所述頂面為自由曲面，所述底面為圓形平面，所述底面的邊緣與所述頂面的邊緣固定連接，所述配光透鏡的光軸穿過所述底面及所述頂面的中心，所述底面的中心向內凹陷，形成凹槽，所述凹槽為旋轉對稱結構，所述凹槽的側壁為入射面，所述凹槽的深度與寬度比大于2 ；
[0006]所述頂面及所述入射面的形狀由下式得到:

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[0008]N=Nxi+Nyj+Nzk;
[0009]A=Axi+Ayj+Azk;A/ =Bxi+Byj+Bzk;
[0010]其中，A為入射光線矢量，A’為出射光線矢量，N為法線矢量。將自由曲面劃分為多個網格節(jié)點，根據入射光線和出射光線斯涅耳定律，通過迭代的方式求出自由曲面網格節(jié)點法線矢量坐標，通過所述法線矢量坐標便可構建出自由曲面的形狀。
[0011]在其中一個實施例中，所述底面為磨砂面，光線在所述底面可發(fā)生漫反射。
[0012]在其中一個實施例中，所述配光透鏡由聚甲基丙烯酸甲酯制成。
[0013]在其中一個實施例中，所述底面為由線段A繞光軸旋轉形成的平面，所述頂面為由自由曲線B繞光軸旋轉形成的自由曲面，所述入射面為由自由曲線C繞光軸旋轉形成的自由曲面，在以底面的中心為原點、光軸為X軸以及形成所述底面的線段所在的直線為Y軸的坐標系中，線段A兩個端點的坐標分別為al (0，27.64)及a2 (O，-27.64);自由曲線B 的端點為 al (O，27.64)及 a2 (O，-27.64)，且還經過點 bl (9.26，23.24)、b2 (13.25，15.04), b3 (14.29,7.35), b4 (14.32,0), b5 (14.29, -7.35), b6 (13.25，-15.04)及 b7(9.26，-23.24);自由曲線C兩個端點的坐標分別為cl (0,3.2), c2 (O, -3.2)，且自由曲線 C 還經過點 c3 (4.65,2.54), c4 (8.52,1.68), c5 (13.15,0), c6 (8.52, -1.68)及 c7(4.65，-2.54)。
[0014]在其中一個實施例中，所述底面的直徑為27.6毫米，所述凹槽的寬度為3.2毫米，所述凹槽的深度為6.62毫米，所述配光透鏡的高度為7.21毫米。
[0015]一種LED偏射燈，包括:
[0016]如上述優(yōu)選實施例中任一項所述的配光透鏡；及
[0017]LED芯片，固定于所述凹槽的邊緣，且其發(fā)光部位于所述凹槽內，所述LED芯片的中心與所述底面的中心重合。
[0018]上述配光透鏡及包含該配光透鏡的LED偏射燈，LED芯片發(fā)出的光線從入射面入射。根據折射原理，光線經過入射面后會向兩側偏折。而且，由于凹槽的深度與寬度比大于2，從而使得入射面較“陡”。因此，光線經入射面后，偏折角度較大。光線經過入射面后，從頂面出射。由于光線從光密介質射向光疏介質時，出射角會大于入射角，從而使得光線進一步向兩側偏折。通過兩次偏折后，LED芯片發(fā)出的光線則會達到預設的偏折角度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明較佳實施例中LED偏射燈的結構示意圖；
[0020]圖2為圖1所示LED偏射燈中配光透鏡的結構示意圖；
[0021]圖3為平面直角坐標系中配光透鏡的坐標示意圖；
[0022]圖4為圖2所示配光透鏡的尺寸示意圖；
[0023]圖5為圖1所不LED偏射燈的光強部分圖。

【具體實施方式】
[0024]為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內容的理解更加透徹全面。
[0025]需要說明的是，當元件被稱為“固定于”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是“連接”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。
[0026]除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發(fā)明的【技術領域】的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術語“及/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。
[0027]請參閱圖1，本發(fā)明較佳實施例中的LED偏射燈10包括配光透鏡100及LED芯片101。
[0028]請一并參閱圖2，配光透鏡100為旋轉對稱結構。配光透鏡100包括底面110及頂面120。頂面120為自由曲面，底面110為圓形平面，底面110的邊緣與頂面120的邊緣固定連接。配光透鏡100的光軸穿過底面110及頂面120的中心。
[0029]底面110的中心向內凹陷，形成凹槽130。凹槽130為旋轉對稱結構，凹槽130的側壁為入射面131。具體的，LED芯片101固定于凹槽130的邊緣，且其發(fā)光部位于凹槽130內。LED芯片101的中心與底面110的中心重合。
[0030]LED芯片101發(fā)出的光線從入射面131入射。根據折射原理，光線將會向配光透鏡100的兩側發(fā)生偏折。其中，凹槽130的深度與寬度比大于2。因此，使得入射面131較“陡”。光線經入射面131后，偏折角度較大。光線經過入射面131后，從頂面120出射。由于光線從光密介質射向光疏介質時，出射角會大于入射角，從而使得光線進一步向兩側偏折。通過兩次偏折后，LED芯片101發(fā)出的光線則會達到預設的偏折角度。
[0031]配光透鏡100中頂面120及入射面131的自由曲面的形狀根據入射光線、出射光線的關系以及斯涅耳定律求得，具體方式如下:

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[0033]N=Nxi+Nyj+Nzk;
[0034]A=Axi+Ayj+Azk;A/ =Bxi+Byj+Bzk;
[0035]其中，A為入射光線矢量，A’為出射光線矢量，N為法線矢量。將自由曲面劃分為多個網格節(jié)點，根據入射光線、出射光線及斯涅耳定律，通過迭代的方式求出自由曲面網格節(jié)點法線矢量坐標，通過求出的坐標點便可構建出自由曲面的形狀。
[0036]具體的，需先求得頂面120的自由曲面的形狀，在根據頂面120的形狀得出入射面131的形狀。在求頂面120的形狀時，根據對LED偏射燈10偏折角度的需求得到出射光線的矢量表示，再根據光線可逆原理，得到入射光線的矢量表示，代入上式便可求得頂面120的形狀。
[0037]在求入射面131的形狀時，根據LED芯片101的發(fā)光特性可得到入射光線在空間直角坐標系中的矢量表示。而在求頂面120的形狀時的入射光線，則是從入射面131出射的光線。因此，代入上式便可得到入射面131的形狀。
[0038]請一并參閱圖3，在本實施例中，底面110為由線段A繞光軸旋轉形成的平面，頂面120為由自由曲線B繞光軸旋轉形成的自由曲面，入射面131為由自由曲線C繞光軸旋轉形成的自由曲面。
[0039]在以底面110的中心為原點、光軸為X軸以及形成底面110的線段所在的直線為Y軸的坐標系中，線段A兩個端點的坐標分別為al (0，27.64)及a2 (0，-27.64)。自由曲線 B 的端點為 al (O，27.64)及 a2 (O，-27.64)，且還經過點 bl (9.26，23.24)、b2 (13.25，15.04), b3 (14.29,7.35), b4 (14.32,0), b5 (14.29, -7.35), b6 (13.25，-15.04)及 b7(9.26，-23.24)。自由曲線C兩個端點的坐標分別為cl (0，3.2)、c2 (0，-3.2)，且自由曲線 C 還經過點 c3 (4.65,2.54), c4 (8.52,1.68), c5 (13.15,0), c6 (8.52, -1.68)及 c7(4.65，-2.54)。
[0040]進一步的，請一并參閱圖4，在本實施例中，底面110的直徑為27.6毫米，凹槽130的寬度為3.2毫米，凹槽130的深度為6.62毫米，配光透鏡100的高度為7.21毫米。
[0041]當配光透鏡100滿足上述參數(shù)時，LED偏射燈10的光照分布如圖5所示。其中，光強分布圖用極坐標(P，Θ)表不，其中P值(20、40…..140)表不光強值，Θ值(0、10...180)表不出光角。
[0042]依據圖5可知，光照主要分布在70?90間的20度空間范圍內，在O?70度這個區(qū)域內基本沒有光照分布，在85度左右光強值達到最強的130坎德拉。因此，配光透鏡100能使光線發(fā)射預設角度的偏折，從而使LED偏射燈10具有較好的側射效果。
[0043]需要指出的是，上述參數(shù)僅是本發(fā)明一個較佳實施例，按照相同的比例對配光透鏡100進行縮放不會影響配光透鏡100的配光效果。此外，本領域技術人員根據本領域內的公知常識，對上述參數(shù)在誤差允許范圍內進行修改也不會影響配光透鏡100的配光效果。
[0044]在本實施例中，底面110為磨砂面，光線射向底面110可發(fā)生漫反射。由于在入射面131及頂面120處光線可能發(fā)生反射，而反射的光線則會射向底面110。而由于底面110為磨砂面。因此，光線在底面110發(fā)生全反射，使得反射回來的光線再次向頂面120射出，從而提聞了光的利用率。
[0045]在本實施例中，配光透鏡100由聚甲基丙烯酸甲酯制成。聚甲基丙烯酸甲酯的折射率比空氣大，而且聚甲基丙烯酸甲酯屬于聚酯材料，具有強度高、質量輕等優(yōu)點。因此，采用聚甲基丙烯酸甲酯制成的配光透鏡100結實耐用。需要指出的是，在其他實施例中，配光透鏡100還可采用其他透明且折射率大于空氣的材料制成。
[0046]配光透鏡100及包含該配光透鏡100的LED偏射燈10，LED芯片101發(fā)出的光線從入射面131入射。根據折射原理，光線經過入射面131后會向兩側偏折。而且，由于凹槽130的深度與寬度比大于2，從而使得入射面131較“陡”。因此，光線經入射面131后，偏折角度較大。光線經過入射面131后，從頂面120出射。由于光線從光密介質射向光疏介質時，出射角會大于入射角，從而使得光線進一步向兩側偏折。通過兩次偏折后，LED芯片發(fā)出的光線則會達到預設的偏折角度。
[0047]以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種配光透鏡，為旋轉對稱結構，所述配光透鏡包括底面及頂面，所述頂面為自由曲面，所述底面為圓形平面，所述底面的邊緣與所述頂面的邊緣固定連接，所述配光透鏡的光軸穿過所述底面及所述頂面的中心，其特征在于，所述底面的中心向內凹陷，形成凹槽，所述凹槽為旋轉對稱結構，所述凹槽的側壁為入射面，所述入射面為自由曲面，所述凹槽的深度與覽度比大于2 ； 所述頂面及所述入射面的形狀由下式得到:
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N=Nxi+Nyj+Azk;
A=Axi+Ayj+Azk;A/ =Bxi+Byj+Bzk; 其中，A為入射光線矢量，A’為出射光線矢量，N為自由曲面的法線矢量。將自由曲面劃分為多個網格節(jié)點，根據入射光線、出射光線及斯涅耳定律，通過迭代的方式求出自由曲面網格節(jié)點法線矢量坐標，通過所述法線矢量坐標便可構建出自由曲面的形狀。
2.根據權利要求1所述的配光透鏡，其特征在于，所述底面為磨砂面，光線在所述底面可發(fā)生漫反射。
3.根據權利要求1所述的配光透鏡，其特征在于，所述配光透鏡由聚甲基丙烯酸甲酯制成。
4.根據權利要求3所述的配光透鏡，其特征在于，所述底面為由線段A繞光軸旋轉形成的平面，所述頂面為由自由曲線B繞光軸旋轉形成的自由曲面，所述入射面為由自由曲線C繞光軸旋轉形成的自由曲面，在以底面的中心為原點、光軸為X軸以及形成所述底面的線段所在的直線為Y軸的坐標系中，線段A兩個端點的坐標分別為al (0，27.64)及&2(O，-27.64);自由曲線 B 的端點為 al (0，27.64)及&2 (O，-27.64)，且還經過點 bl (9.26,23.24)、b2 (13.25，15.04)、b3 (14.29,7.35)、b4 (14.32,0), b5 (14.29，-7.35)、b6(13.25，-15.04)及b7 (9.26, _23.24);自由曲線C兩個端點的坐標分別為cl (0,3.2),c2 (0，-3.2)，且自由曲線 C 還經過點 c3 (4.65，2.54)、c4 (8.52，L 68)、c5 (13.15，0)、c6(8.52，-1.68)及 c7 (4.65，_2.54)。
5.根據權利要求3所述的配光透鏡，其特征在于，所述底面的直徑為27.6毫米，所述凹槽的寬度為3.2毫米，所述凹槽的深度為6.62毫米，所述配光透鏡的高度為7.21毫米。
6.—種LED偏射燈,其特征在于,包括: 如上述權利要求1?5任一項所述的配光透鏡；及 LED芯片，固定于所述凹槽的邊緣，且其發(fā)光部位于所述凹槽內，所述LED芯片的中心與所述底面的中心重合。
【文檔編號】F21V19/00GK104214594SQ201310211586
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年5月30日 優(yōu)先權日:2013年5月30日
【發(fā)明者】周明杰, 乃業(yè)利 申請人:海洋王（東莞）照明科技有限公司, 海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術有限公司