發光二極體透鏡和照明裝置的製作方法

2023-06-10 23:19:46 1

專利名稱：發光二極體透鏡和照明裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種發光二極體透鏡和照明裝置。
背景技術：
大功率發光二極體是一種定向發光的點光源，需要使用光學
透鏡來定向改變光強分布曲線，光學透鏡的設計會影響發光二極體的光源轉換 率，好的光學透鏡的設計不僅能調整發光二極體的發光亮度均勻性和色彩均勻 性，還能最大限度提高光源轉換率，並且減少光源眩光
發明內容
本發明的主要目的在於提供一種發光二極體透鏡和照明裝
置，使用光學透鏡來定向改變光強分布，改善發光二極體的發光亮度均勻性和 色彩均勻.性，最大限度提高光源轉換率，減少光源眩光。
本發明公開的一種發光二極體透鏡，所述透鏡的形狀為以平行於柱體的中 軸線的相交的平面截取的部分空心的柱體，所述平行於柱體的中軸線的相交的 平面構成透鏡的透鏡區與非透鏡區的分界面，所述部分空心的柱體在透鏡區與
非透鏡區的分界面上的截面形狀不對稱；所述部分空心的柱體的內表面為透鏡 的入光面，所迷部分空心的柱體的外表面為透4免的出光面。
所述部分空心的柱體的內表面和外表面是不同軸的圓柱面。 所述透鏡區與非透鏡區的分界面與透鏡之間是透鏡的物理髮光區，所迷物 理髮光區'中最大的平行於所述透鏡區與非透鏡區的分界面截面的中心為透鏡的 光源中心；從所述透鏡出光面指向光源中心、並和入光面相交之間的最短距離h 為透鏡基本厚度，所述透鏡出光面指向光源中心並且和入光面相交之間的最大 距離H為透鏡參考厚度；所述透鏡基本厚度h和透鏡參考厚度H的比例關係為 7.5h>H>h 。
過所述透鏡的光源中心並垂直於所述透鏡區與非透鏡區的分界面的直線為 光源中軸線，設光源中軸線上透鏡曲面點切線和光源中軸線的最小夾角b為透 鏡中心切線夾角，則透鏡中心切線夾角的角度為90° > b >48°
設透^:出光面曲面邊緣的任意一點指向光源中心的連接線和光源中軸線的夾角a為透鏡曲面夾角，則透鏡曲率面夾角的角度為a < 45° 。 所述透4竟的入光面和透4竟的出光面為4竟面。
本發.明還公開了 一種發光二極體照明裝置，包括分布於平面上的多個發光 二極體，和位置與所述多個發光二極體一一對應的、並且物理髮光區分別重合 於所述多個發光二極體的發光部分的如前述任意一個所述的發光二極體透鏡。
所述多個發光二極體和透鏡的分布方式是所述透鏡以所述柱體的中軸線 重合的方式串聯成多個列，所述多個列並行排列。
本發明公開的一種發光二極體透鏡，由於採用了特定的透鏡形狀，使得光 強在一個方向上的分布比另一個方向上的分布更均勻可調，同時該方向光源轉 換率更高，整體上提高了發光二極體的發光亮度均勻性和色彩均勻性，提高光 源轉換率.，減少光源眩光。本發明公開的一種發光二極體照明裝置，對多點發 光二極體陣列採用同型半透鏡的陣列組合，產品製成容易，多點組合成本低，可 大面積陣列組合。


圖1為本發明的一種半透鏡立體結構示意圖和剖面圖。
圖2為本發明的一種同型半透鏡的多點陣列組合結構示意圖。
圖3為本發明的一種採用同型半透鏡的多點陣列組合的面光源結構示意圖。
圖4為圖1所示半透鏡的光強分布圖。
圖5為透鏡基本厚度示意圖。
圖6為透鏡參考厚度示意圖。
圖7為透鏡曲率面夾角和透鏡中心切線夾角示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。
如圖1所示，為本發明的一個實施例的透鏡結構立體示意圖和剖面圖，透 鏡的形狀為在空心的柱體上以平行於柱體中軸線的方向截出的一部分，截面是在一個平面上的相互平行的兩個矩形，這個截面就是透鏡的透鏡區與非透鏡區
的分界面；透鏡中心的空心處就是物理髮光區，發光二極體即光源位於物理髮 光區。該空心的柱體的內表面為透鏡的入光面，外表面為透鏡的出光面。
如圖.l可見，前述截面的兩個矩形的長度相等，但是寬度不一致。因為前 述部分空心的柱體的內表面的柱體的中軸與外表面的不重合。所以在如圖1所 示的剖面圖上，形狀如兩個不同心的半圓。透鏡的一邊比較厚，另一邊比較薄， 而光源偏向透鏡比較薄的那一邊。
發光二極體的光源物理髮光區域的最大截面的中心點稱為光源中心點，從 出光面垂直指向透鏡區與非透鏡區的分界面並和光源中心點連接的直線稱為光 源中軸線。多點單陣列組合時光源中軸線構成中軸面，多點多陣列組合時有多中 軸面。
光學透鏡一般以光學級PMMA/PC材料，以注塑或擠出的方式製成，本發明 的透鏡入光面，根據需要可生成光滑鏡面、磨砂面、點面或齒形面。透鏡上光 線從透鏡出來的物理表面為出光面，圖1所示的部分空心的柱體的外表面是透 鏡的出光面，根據需要也可生成光滑鏡面，磨砂面，點面或齒形面。
當透鏡的入光面為鏡面時從光源中心點發出的入射光直接進入透鏡內；當 透鏡的入光面為非鏡面時入射光會在入光面部分發生無效反射。實際應用中， 光源LED的發光區可以是半球形、平圓或凹圓發光光源，本發明的技術方案可 以應用於這幾種光源。
當出光面為鏡面時，射出透鏡的光不改變方向進入空氣中；當出光面為非 鏡面時，射出透鏡的光會改變為不同的方向進入空氣中。
當透鏡入光面和光源物理出光面均勻緊密接近是為了儘可能減少光通量在 空氣介質中的距離傳導損失，光滑鏡面要求是在不改變原光源光線的路徑直接 進入透鏡中，實際應用中，可以根據設計需要，適當進行霧化處理，霧化處理提前 改變了光線路徑，但會有一定的光通量損失。
透鏡物理入光面在雙軸線上完全與光源物理出光面雙軸線均勻緊密接近的透鏡為半透鏡， 一般以精密擠出生成，其基本截面圖形決定透鏡模型及光強分 布，本發明的發光二極體透鏡是一種半透鏡，其入光面和光源出光面兩維定向 方法設計，半透鏡的優點是產品製成容易，多點組合成本低，可大面積陣列組合。
如圖2所示是多點同型半透鏡多陣列組合結構示意圖，四個半透鏡以柱體 中軸線相互平行的方向串聯成行，中間的兩個半透鏡位置相向，即這兩個透鏡 的光源區都偏向這個透鏡行的中心。外側的兩個透鏡的位置與其相鄰的透鏡相 同。圖2中的每一個透鏡的截面還可以代表多個相聯的一列透鏡，多列再在透 鏡區與非透鏡區分界面重合的面上一致排列，這樣成為一個透鏡的面陣列。
目前以LED為光源，其技術成熟度已經基本滿足照明應用領域的要求，將 逐步替代傳統該領域光源產品，現有的直射式LED光源產品，因LED自身定向 飽和發光的特性，難以實現亮度和色彩均勻性要求，必須進行二次光學透鏡設 計。傳統應用設計中，為消除產品的眩光和實現均勻性要求的問題，需要進行霧 化處理，這樣造成很大比例的光通量損失，實際產品的光源有效轉換率很低，同 樣為克服上述因素，彌補光通量損失，會額外增加^f艮多結構和光源成本，能源節 儉效果也不明顯，本發明所揭示的方案可以最低限度降低系統成本，滿足市場化 要求。
如圖3為本發明的一種釆用同型半透鏡的多點陣列組合的面光源結構示意 圖，根據需要也可以選擇異型半透鏡陣列組合來實現，即在透鏡陣列中包括結 構不一樣的透鏡。在多點發光二極體陣列上使用如圖2所示的同型半透鏡陣列 組合結構，形成平面光源。
如圖4所示為圖1所示半透鏡的光強分布圖，由圖可見，在沿著半透鏡的 柱體軸線的方向上，光強分布均勻對稱；在垂直於半透鏡的柱體軸線的方向上， 光強分布偏向透鏡厚度較大的一側。
可見，光源經透鏡後單方向光強分布實現均勻可調，多陣列組合時可整體上 實現均勻可調，系統光源轉換率也有所提高。
如圖5所示為透鏡基本厚度示意圖，透鏡出光面指向光源中心和入光面相交之間的最短距離h為透鏡基本厚度，其位置在光源中心線上或出光面邊緣線 上。透鏡基本厚度，是個基本設計數據，當透鏡圍繞光源中軸線為透鏡中軸線時， 其基本厚度位置在軸線上。
如圖所示為透鏡參考厚度示意圖，透鏡出光面指向光源中心和和入光面相 交之間的最大距離H為透鏡參考厚度，其位置在光源中心線以外區域。透鏡參考 厚度和基本厚度有一定的配比關係，曲面角度和中心切線角度設定一定的範圍， 目的是使所有光線均以一次折射出光；折射出去的光強分布角度控制是有效方 向的，否則容易出現無效分布，無法利用造成系統光通量損失。
圖7為透鏡曲率面夾角和透鏡中心切線夾角示意圖，透鏡出光曲面邊緣的 任意一點指向光源中心的連接線和光源中軸線的夾角a為透鏡曲面夾角。光源 中軸線上透^;曲面點切線和光源軸線的最小夾角b為透^;中心切線夾角。
在本發明的一個實施例中，二次透鏡的基本厚度h和透鏡參考厚度H的比 例關係如下
7. 5h>H>h 透鏡曲率面夾角 a《45°
透鏡中心切線夾角 90° > b >48°
本發明的透鏡出光面是由相同曲面或不同曲面組合而成，且不同曲面數n > 2;由於透鏡設計本身已經改變了進入透鏡面的光線路徑，所以要求透鏡出光 面為光滑鏡面，因為在達到設計光強分布的要求的情況下，鏡面處理最好，有時 很難達到分布要求或為進一步降低眩光影響，也可以進行全部或局部霧化處理。
霧化處理是改變透鏡光線路徑，光通量損失相對較小。
本發明公開的發光二極體二次透鏡，光源轉換率可達85%以上，產品亮度均 勻性和色彩均勻性可達80%以上，可以最低限度的降低光源的使用數量，從而最 大限度的節省功耗。由於透鏡是以精密擠出製成，所以產品陣列規格設計靈活， 產品實現容易。
8本方案設計上進行了光強均勻性調整，降低了眩光影響，因此不需要額外 輔助結構材料處理相關影響，透鏡本身既可以發揮透鏡功能，又可以兼外觀防
護件作用；同時因高效率轉換，相應的散熱成本也跟隨降低，產品結構成本最低。
權利要求
1.一種發光二極體透鏡，其特徵在於，所述透鏡的形狀為以平行於柱體的中軸線的相交的平面截取的部分空心的柱體，所述平行於柱體的中軸線的相交的平面構成透鏡的透鏡區與非透鏡區的分界面，所述部分空心的柱體在透鏡區與非透鏡區的分界面上的截面形狀不對稱；所述部分空心的柱體的內表面為透鏡的入光面，所述部分空心的柱體的外表面為透鏡的出光面。
2. 如權l所述的發光二極體透鏡，其特徵在於，所述部分空心的柱體的 內表面和夕卜表面是不同軸的圓柱面。
3. '如權2所述的發光二極體透鏡，其特徵在於，所述透鏡區與非透鏡區 的分界面與透鏡之間是透鏡的物理髮光區，所述物理髮光區中最大的平行於所 述透鏡區與非透鏡區的分界面截面的中心為透鏡的光源中心；從所述透鏡出光 面指向光源中心、並和入光面相交之間的最短距離h為透鏡基本厚度，所述透 鏡出光面指向光源中心並且和入光面相交之間的最大距離H為透鏡參考厚度； 所述透lfe^本厚度h和透鏡參考厚度H的比例關係為7. 5h>H>h 。
4. 如權2所述的發光二極體透鏡，其特徵在於，過所述透鏡的光源中心 並垂直於所述透鏡區與非透鏡區的分界面的直線為光源中軸線，設光源中軸線 上透鏡曲面點切線和光源中軸線的最小夾角b為透鏡中心切線夾角，則透鏡中 心切線夾角的角度為90° > b >48° 。
5. 如權2所述的發光二極體透鏡，其特徵在於，設透鏡出光面曲面邊緣 的任意一點指向光源中心的連接線和光源中軸線的夾角a為透鏡曲面夾角，則 透鏡曲率面夾角的角度為a < 45° 。
6. 如權3、 4或者5所述的發光二極體透鏡，其特徵在於，所述透鏡的 入光面和透4竟的出光面為4竟面。
7.,—種發光二極體照明裝置，其特徵在於，包括分布於平面上的多個發 光二極體，和位置與所述多個發光二極體——對應的、並且物理髮光區分別重 合於所述多個發光二極體的發光部分的如權利要求1至6中任意一個所述的發光二極體透鏡。
8.'如權7所述的發光二極體照明裝置，其特徵在於，所述多個發光二極體和透鏡的分布方式是所述透鏡以所述柱體的中軸線重合的方式串聯成多個列，所述多個列並行排列。
全文摘要
本發明涉及一種發光二極體透鏡和照明裝置，透鏡的形狀為以平行於柱體的中軸線的方向截取的部分空心的柱體，對應的所述部分空心的柱體的截面構成透鏡的透鏡區與非透鏡區的分界面；光源中心位於所述部分空心的柱體的截面的中心。照明裝置包括多個所述平行於柱體的中軸線相互平行的、且透鏡區與非透鏡區的分界面相互重合的、發光面在同一側透鏡組成的透鏡組。本發明使用光學透鏡來定向改變光強分布，提高發光二極體的發光亮度均勻性和色彩均勻性，最大限度提高光源轉換率，減少光源眩光。
文檔編號F21V5/00GK101639199SQ200910109498
公開日2010年2月3日 申請日期2009年8月24日 優先權日2009年8月24日
發明者呂志明, 宋恆柱, 波 肖 申請人:深圳市九拓光電有限公司