透鏡、led模組及使用該led模組的照明系統的製作方法
2023-05-24 07:30:21 2
透鏡、led模組及使用該led模組的照明系統的製作方法
【專利摘要】透鏡、LED模組及使用該LED模組的照明系統。一種照明系統，其包括LED模組與被照射面。該LED模組包括透鏡和LED。所述透鏡包括光軸，光源設置處，第一出光面，以及一個設置在與該第一出光面同側的第二出光面。所述第一、第二出光面在沿透鏡的光軸並與該第一、第二出光面的交線垂直的截面輪廓線包括至少一個與所述光軸在出光方向上成銳角的切線。雖然第一出光面射出光由於射向離LED模組較遠處有更大的衰減，但是由於第一出光面與第二出光面相比，其出射光沒有被分散或者是其出光強度或出光量較大，從而彌補了該第一出光面的射出光由於到達離LED模組較遠處而導致的更多的衰減，進而可以使離LED模組較近處的被照射面與離LED模組較遠處的被照射面有基本相同的照度。
【專利說明】透鏡、LED模組及使用該LED模組的照明系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種照明系統，特別是一種可以提供均勻照明的透鏡、LED模組及使用該LED模組的照明系統。
【背景技術】
[0002]在一般的日常生活中，隨處都可見到各種照明設備，例如，日光燈、路燈、檯燈、藝術燈等。在上述的照明設備中，傳統上大部分是以鎢絲燈泡做為發光光源。近年來，由於科技日新月異，已利用發光二極體(LED)作為發光來源。甚者，除照明設備外，對於一般交通號誌、廣告牌、車燈等，亦都改為使用發光二極體做為發光光源。如前所述，使用發光二極體作為發光光源，其好處在於省電，且亮度更大，故於使用上已逐漸普通化。
[0003]如圖1所示，為一種現有技術中使用LED作為光源的照明系統的光路示意圖。該照明系統包括一個被照射面1，一個設置在該被照射面I 一側的LED光源2。該LED光源2包括一個出光面3，該出光面3射出無數燈光線4並照射在被照射面I上。可以想到的是，無論所述LED光源2放置在被照射面I的哪個位置，出光面3射出的光線4中的一部分一定會射向被照射面I的近端，而另一部分則一定會射向被照射面I的遠端。正是由於以上不可避免的光線照射結構，射向被照射面I近端的光線相對於射向被照射面I遠端的光線衰減將較小，而無論是射向遠端的光線還是射向近端的光線，其初始亮度值是相等的，因此會導致由於被照射面I相對於LED光源2的遠近不同，其明亮度也不同，即被照射面I各處的照度不同。
[0004]這種不均勻的光照效果對於一些場合，如展覽廳、展示會，又或是一些商場中的照明場合，由於光照效果不均勻，即照度不均勻將會降低被展示的物品給參觀者或購買者視覺效果，從而降低展示物品給人視覺上的品質感。
【發明內容】
[0005]有鑑於此，有必要提供一種可以提供光照效果均勻的透鏡、LED模組及使用該LED模組的照明系統，以克服上述不足。
[0006]一種透鏡，其包括一個光軸，一個用於設置光源的光源設置處，一個設置在所述光源設置處對面的第一出光面，以及一個設置在與該第一出光面同側並與該第一出光面相交的第二出光面。所述第一、第二出光面之間具有一條交線且該交線與光軸間隔設置。所述第一、第二出光面在沿透鏡的光軸並與該第一、第二出光面的交線垂直的截面的輪廓線上分別包括至少一條與所述光軸在出光方向上成銳角的切線。
[0007]一種LED模組，其包括一個透鏡，和一個與該透鏡搭配使用的LED。所述透鏡包括一個光軸，一個用於設置光源的光源設置處，一個設置在所述光源設置處對面的第一出光面，以及一個設置在與該第一出光面同側並與該第一出光面相交的第二出光面。所述第一、第二出光面之間具有一條交線且該交線與光軸間隔設置。所述第一、第二出光面在沿透鏡的光軸並與該第一、第二出光面的交線垂直的截面輪廓線上包括至少一個與所述光軸在出光方向上成銳角的切線。
[0008]一種照明系統，其包括至少一個LED模組，以及至少一個與相應的LED模組對應的被照射面。該LED模組包括一個透鏡，和一個與該透鏡搭配使用的LED。所述透鏡包括一個光軸，一個用於設置光源的光源設置處，一個設置在所述光源設置處對面的第一出光面，以及一個設置在與該第一出光面同側並與該第一出光面相交的第二出光面。所述第一、第二出光面之間具有一條交線且該交線與光軸間隔設置。所述第一、第二出光面在沿透鏡的光軸並與該第一、第二出光面的交線垂直的截面輪廓線上包括至少一個與所述光軸在出光方向上成銳角的切線。
[0009]與現有技術相比，雖然第一出光面射出光由於射向離LED模組較遠處的被照射面會比射向離LED模組較近處的被照射面的第二出光面的射出光有更大的衰減，但是由於第一出光面與第二出光面相比，其出射光沒有被分散或者是其出光強度或出光量較大，從而彌補了該第一出光面的射出光由於到達離LED模組較遠處而導致的更多的衰減，進而可以使離LED模組較近處的被照射面與離LED模組較遠處的被照射面有基本相同的照度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]以下結合附圖描述本發明的實施例，其中:
[0011]圖1為現有技術的照明系統的光路結構示意圖。
[0012]圖2為本發明第一實施例提供的一種照明系統的光路示意圖。
[0013]圖3為圖2的照明系統中的透鏡的立體結構示意圖。
[0014]圖4A-圖4B為LED設置在圖3的透鏡的不同位置以及透鏡沿A-A線的結構示意圖。
[0015]圖5A-圖為四個具有不同出光面結構的透鏡的結構示意圖。
[0016]圖6為圖3的透鏡的俯視圖。
[0017]圖7A-圖7B分別為圖4A在B處以及圖6在C處的局部放大圖
[0018]圖8為具有圖5A透鏡的照明系統的光路示意圖。
[0019]圖9為具有圖5B透鏡的照明系統的光路不意圖。
[0020]圖10為本發明第二實施例提供的一種透鏡的結構示意圖。
[0021]圖1lA-圖1lC為圖10的透鏡的第三出光面相對於透鏡的光軸具有不同曲率的結構示意圖
【具體實施方式】
[0022]以下基於附圖對本發明的具體實施例進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅作為實施例，並不用於限定本發明的保護範圍。
[0023]請參閱圖2，為本發明第一實施例提供的一種照明系統的結構示意圖。該照明系統100包括至少一個LED模組10，以及至少一個與每一個LED模組10分別對應的被照射面20。在實際應用中，所述LED模組10可能會包括多個，這可以根據被照射面20的大小或多少來確定。在本實施例中，僅為了詳細說明本發明，故僅示出一個LED模組10和一個與該LED模組10相對應的被照射面20。可以想到的是，該照明系統100還包括其他元器件，如櫃體、用於設置LED模組10的燈架，燈罩等組件，以及用於給LED模組10供電的電源等等，因為諸如此類的組件不為本發明的重點，在此不再贅述。
[0024]所述LED模組10包括一個透鏡11，和一個與該透鏡11搭配使用的LED12。
[0025]請參閱圖3，所述透鏡11包括一個光軸111，一個用於設置光源的光源設置處112，一個設置在所述光源設置處112對面的第一出光面113，一個設置在與該第一出光面113同側並與該第一出光面113相交的第二出光面114，一個設置在所述第一、第二出光面113、114與光源設置處112之間的全反射面115，一個設置在該全反射面115的周緣與第一、第二出光面113、114的周緣之間具有一個過渡面116，以及一個設置在光源設置處112側的沉孔 117。
[0026]可以理解的是，與所有透鏡一致，每一個透鏡都包括一根光軸。在本實施例中，所述透鏡11包括一個光軸111。該光軸用於設置光源，即LED12，同時光軸也是光路設計的導向。
[0027]所述光源設置處112用於設置光源，如LED12，或者是其他的光源，如螢光燈。在本實施例中，所述光源為LED12。可以想到的是，當其他光源如螢光燈與透鏡11的尺寸比例和LED12與透鏡11的尺寸比例相當時，則也可以使用螢光燈來作為光源，同樣可以達到本發明所要達到的技術效果。在該光源設置處11，如圖4A、圖4B所示，所述LED12可以設置在該沉孔117的裡面，也可以設置在該沉孔117的外面，即沉孔117的裡面或外面皆可以作為光源的光源設置處112。當LED12設置在沉孔117中時，為了使透鏡11的利用最大化的同時，便於組裝該透鏡11與LED12，該LED12的出光面的相反側與所述沉孔117的開口端齊平。當LED12設置在沉孔117的外面時，為了使LED12所有光全部能進入透鏡11中，優選的是，該LED12的出光面與所述沉孔117的開口端齊平。在本實施例中，所述LED12的出光面與所述沉孔117的開口端齊平。
[0028]所述第一出光面113與光源設置處112相對,用於將來自LED12的一部分光源從其折射而出，並照射到被照射面20離LED模組10較遠的一側。為了控制第一出光面113的出射光束的射束寬度(beam width)，以在被照射面20形成可控大小的光斑，在該第一出光面113上設置有多個相互連接的六角形微球面透鏡1131，如圖6所示。請一併參閱圖7A、圖7B，圖7A為圖4A在B處的局部放大圖。圖7B為圖6在C處的六角形微球面透鏡116的俯視圖。圖7A示出了每一個球面透鏡的球面半徑，即曲率R，以及該球面弧形的拱高h，圖7B示出了每一個六角形的對邊距離L。通過改變R、h、以及L即可以改變每一個六角形微球面透鏡116的射束寬度。例如，當R = 3.0mm, h = 0.lmm, L=L 33mm時,所得到的六角形微球面透鏡116的射束寬度將是一個12度到17度的射束寬度。當R = 2.0mm,h = 0.2mm,L=1.51mm時，所得到的六角形微球面透鏡116的射束寬度將是一個20度至24度的射束寬度。當R = 3.0mm, h = 0.5mm, L = 3.0mm時,所得到的六角形微球面透鏡116的射束寬度將是一個25度至30度的射束寬度。
[0029]所述第二出光面114與該第一出光面113同側設置,並與該第一出光面113形成一條交線1141。需要特別說明的是，由於製造精度的原因，該交線1141在實際中並不能體現在透鏡11中，而是一個具有一定曲率的弧面代替。該第二出光面114用於將LED12的另一部分光源從其折射而出，並照射到被照射面20較近的一側。所述第二出光面114與第一出光面113相同，其出光面上也設置有多個相互連接的六角形微球面透鏡。該六角形微球面透鏡與第一出光面113的微球面透鏡118—樣，在此不再贅述。當然可以理解的是，在一些情況下，如被照射面較廣，該第一、二出光面113、114上也可以不設置這些六角形微球面透鏡。所述交線1141與光軸111間隔設置，以使第一出光面113與第二出光面114的出光強度或出光量不同。
[0030]如圖4A、圖4B所示，為所述第一、第二出光面113、114在沿透鏡的光軸111並與該第一、第二出光面113、114的交線1141垂直的截面結構不意圖。所述第一、第二出光面113、114的截面的輪廓線上分別包括至少一條與所述光軸111在出光方向上成銳角的切線。根據該要求，至少可以得出如圖4及圖5所示的三種結構，在圖4A及圖4B中，第一出光面113為一平面，則僅包括一條與所述光軸111在出光方向上成銳角的切線，而第二出光面114為一弧面，該弧面包括多條與所述光軸111在出光方向上成銳角的切線以及多條與所述光軸111在出光方向上成鈍角的切線。同理，可以理解的是，在圖5A-圖中，每一個第一、第二出光面113、114都分別包括至少一條與所述光軸111在出光方向上成銳角的切線，因此會產生很多種變形，如圖5C中，第一、第二出光面113、114皆為凹面。在本實施例中，第一出光面113為一平面,第二出光面114為一弧面。
[0031]所述全反射面115用於將接收到的光都反射出去，其設置在光滑設置處111與第一、第二出光面113、114之間，以使所述透鏡11形成一個錐臺狀結構。
[0032]所述過渡面116設置在該全反射面115的周緣與第一、第二出光面113、114的周緣之間，該過渡面116既不接收來自光源LED12的光，也不會反射或折射任何光，其作用僅在於形成所述第一、第二出光面113、114。
[0033]請再參閱圖4，所述沉孔117的軸向中心穿過所述透鏡11的光軸111。通過該沉孔117將來自LED12的光分散或準直，從而進入透鏡11的第一、第二出光面113、114，以及全反射面115上。
[0034]所述LED(Light Emitting Diode) 12是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光能。該LED12的中心設置在透鏡11的光軸111。
[0035]所述被照射面20為所述LED模組10照射的位置，其可以為平面，也可以為曲面。在本實施例中，僅為了舉例說明本發明，該被照射面20為平面。該被照射面20可以為博物館中所要照亮的畫等物品，也可以是在超級市場中冰櫃中的販賣品。如圖2所示，當安裝所述LED模組10時，應當將光沒有被分散或出光強度、出光量大的那一個出光面的出射光射向離LED模組10較遠的被照射面20上，如當第一出光面113為平面時，可以使該第一出光面113射出的光射向被照射面20相對於LED模組10較遠的一側,而使第二出光面114射出的光射向被照射面20相對於LED模組10較近的一側。
[0036]現舉例說明該照明系統的工作原理，對於圖4A中的透鏡，在工作時，其照明系統100的光路圖如圖2所示。在該透鏡11中，所述第一出光面113為一平面，其出射光射向離LED模組10較遠的一側，第二出光面114為一弧面，其出射光射向離LED模組10較近的一偵U。同時，因為所述第二出光面114的輪廓線包括多條與所述光軸111在出光方向上成銳角的切線和多條與所述光軸111在出光方向上成鈍角的切線，因此，輪廓線與光軸111成銳角的那部分弧面的出射光將射向離LED模組10最近的一側的被照射面20，而輪廓線與光軸111成鈍角的那部分弧面的出射光相對於輪廓線與光軸111成銳角的那部分弧面的出射光將射向離LED模組10較遠的一側。因此，雖然第一出光面113射出光由於射向離LED模組10較遠處會比射向離LED模組10較近處的第二出光面114的射出光有更大的衰減，但是由於第二出光面114的出射光被其弧面進行了分散，從而使得第一出光面112相對於第二出光面114接收了更多的光，進而彌補了第一出光面112的射出光由於到達離LED模組10較遠處而導致的更多的衰減。所以，該照明系統100可以使離LED模組10較近處與離LED模組10較遠處有基本相同的照度。在這裡，需要說明「基本相同」的意思，該基本相同是指雖然用照度儀器測量離LED模組10較遠或較近的被照射面20的兩側，其照度值可能不完全一樣，但是對於人們肉眼觀察則難以察覺這種不同，從而達到對於人們的視覺來說，被照射面20的光照效果是一致的。
[0037]對於圖5A圖中的透鏡11，在工作時，其照明系統100的光路圖如圖8所示。在該透鏡11中，所述第一、第二出光面113、114皆為平面。由於該第一、第二出光面113、114的交線1141與光軸間隔設置，使得第一出光面113與第二出光面114的出光強度或出光量不同。在本實施例中，由於交線114偏向第二出光面1141，使得第一出光面113的出光強度或出光量大於第二出光面114。因此當該第一出光面113的出射光射向離LED模組10較遠的一側，而第二出光面114的出射光射向離LED模組10較近的一側時，雖然第一出光面113的出射光射向路程較遠的一側，光衰減較大，但是其出光強度或出光量較大，從而可以彌補該光衰減或損失，進而達到與第二出光面114射向離LED模組10較近的一側的基本相同的照度。
[0038]對於圖5B圖中的透鏡11，在工作時，其照明系統100的光路圖如圖9所示。在該透鏡11中，所述第一、第二出光面113、114皆為弧面，其工作原理是該弧面不僅對出射光進行了分散，而且由於交線1141與光軸111間隔設置，使得第一出光面113與第二出光面114的出光強度與出光量不同。如同圖5的(b)的透鏡，由於第一出光面113與第二出光面114的出光強度與出光量不同，可以使得被照射面離LED模組遠近側的照度基本相同。
[0039]可以理解的是，圖5C、圖的透鏡11的工作原理與圖5A或圖5B也大體相同。
[0040]綜上所述，與現有技術相比，雖然第一出光面113射出光由於射向離LED模組10較遠處會比射向離LED模組10較近處的第二出光面114的射出光有更大的衰減，但是由於第一出光面113與第二出光面114相比,其出射光沒有被分散或者是其出光強度或出光量較大，從而彌補了該第一出光面113的射出光由於到達離LED模組10較遠處而導致的更多的衰減，進而可以使離LED模組10較近處與離LED模組10較遠處有基本相同的照度。
[0041]如圖10所示，其為第二實施例所提供的透鏡的結構示意圖。所述第二實施例與第一實施例相比，僅在於透鏡的不同。所述第二實施例所提供的透鏡21包括一個光軸211，一個用於設置光源的光源設置處212，一個設置在所述光源設置處212對面的第一出光面213, —個設置在與該第一出光面213同側並與該第一出光面213相交的第二出光面214, —個設置在所述第一、第二出光面213、214與光源設置處212之間的全反射面215，一個設置在該全反射面215的周緣與第一、第二出光面213、214的周緣之間具有一個過渡面216，一個設置在光源設置處212側的沉孔(未標示)，以及一個設置在所述光源設置處212與第二出光面214之間一側的第三出光面217。
[0042]所述光軸211、光源設置處212、第一、第二出光面213、214、全反射面215、過渡面216、沉孔與第一實施例的透鏡11的各部分基本相同，在這裡不再贅述。下面僅對第三出光面217進行說明。
[0043]所述第三出光面217設置在離被照射面較近一側，並且該第三出光面218從光源設置處212 —側朝第一、第二出光面213、214延伸。另外，根據出射光的需要，該第三出光面217可以為平面，也可以是弧面。當該第三出光面218為弧面時，相對於透鏡21的光軸211，可以為正曲率，也可以為負曲率。如圖11A、圖11B、以及圖1lC分別示出了該三種曲面的樣式。在本實施例中，所述第二出光面218為一具有正曲率的弧面。但是，無論是哪一種曲面，其弧線頂點處的切線應該與第一、第二出光面213、214的交線平行，以保證該第三出光面218的出射光能最大限度地照射在被照射面上。該第三出光面218的沿透鏡21的光軸211的截面輪廓線可以與透鏡21的光軸211平行，也可以使該輪廓線的延長線透鏡21的光軸211相交。同時，為了控制從該第三出光面218的出光量，該第三出光面217可以與所述沉孔間隔設置，也可以直接穿過該沉孔。
[0044]由於該第三出光面217的存在，可以照亮該第三出光面217側的被照射面，使得該被照射面有更大的被照射區域。
[0045]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則的內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍的內。
【權利要求】
1.一種透鏡，其包括一個光軸，一個用於設置光源的光源設置處，其特徵在於:所述透鏡還包括一個設置在所述光源設置處對面的第一出光面，一個設置在與該第一出光面同側並與該第一出光面相交的第二出光面，所述第一、第二出光面之間具有一條交線，該交線與所述光軸間隔設置，所述第一、第二出光面在沿透鏡的光軸並與該第一、第二出光面的交線垂直的截面的輪廓線上分別包括至少一條與所述光軸在出光方向上成銳角的切線。
2.如權利要求1所述的透鏡，其特徵在於:所述第一出光面為平面或具有至少一個凹面。
3.如權利要求1所述的透鏡，其特徵在於:所述第二出光面為平面或弧面。
4.如權利要求1所述的透鏡，其特徵在於:所述第一、第二出光面上還設置有多個相互連接的六角形微球面透鏡，該六角形微球面透鏡的曲率、拱高以及對邊距離根據預定的光線射束寬度設置。
5.如權利要求1所述的透鏡，其特徵在於:所述透鏡還包括一個設置在所述第一、第二出光面與光源設置處之間的全反射面，該全反射面的周緣與第一、第二出光面的周緣之間具有一個過渡面。
6.一種LED模組，其包括一個透鏡，和一個與該透鏡搭配使用的LED，所述透鏡包括一個光軸，一個用於設置光源的光源設置處，其特徵在於:所述透鏡還包括一個設置在所述光源設置處對面的第一出光面，一個設置在與該第一出光面同側並與該第一出光面相交的第二出光面，所述第一、第二出光面之間具有一條交線，該交線與所述光軸間隔設置，所述第一、第二出光面在沿透鏡的光軸並與該第一、第二出光面的交線垂直的截面的輪廓線上分別包括至少一條與所述光軸在出光方向上成銳角的切線。
7.如權利要求6所述的LED模組，其特徵在於:所述透鏡還包括一個沉孔，該沉孔的軸向中心線穿過所述透鏡的光軸，同時LED收容在該沉孔中或該LED的出光面與該沉孔的開口端齊平，且該LED的中心設置在該光軸上。
8.一種照明系統，其包括至少一個LED模組，以及至少一個與相應的LED模組對應的被照射面，該LED模組包括一個透鏡，和一個與該透鏡搭配使用的LED，所述透鏡包括一個光軸，一個用於設置光源的光源設置處，其特徵在於:所述透鏡還包括一個設置在所述光源設置處對面的第一出光面，一個設置在與該第一出光面同側並與該第一出光面相交的第二出光面，所述第一、第二出光面之間具有一條交線，該交線與所述光軸間隔設置，所述第一、第二出光面在沿透鏡的光軸並與該第一、第二出光面的交線垂直的截面的輪廓線上分別包括至少一條與所述光軸在出光方向上成銳角的切線。
9.如權利要求8所述的照明系統，其特徵在於:所述第一出光面射出的光射向被照射面相對於LED模組較遠的一側，所述第二出光面射出的光射向被照射面相對於LED模組較近的一側。
10.如權利要求8所述的透鏡，其特徵在於:所述透鏡還包括一個設置在所述光源設置處與第一、第二出光面之間且離被照射面較近一側的第三出光面，該第三出光面從光源設置處一側朝第一、第二出光面延伸，該第三出光面的頂點處的切線與第一、第二出光面的交線平行。
11.如權利要求10所述的透鏡，其特徵在於:所述透鏡還包括一個沉孔，該沉孔的軸向中心線穿過所述透鏡的光軸，所述第三出光面與該沉孔間隔設置或穿過該沉孔。
【文檔編號】F21V5/04GK103672728SQ201210359368
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月13日 優先權日:2012年9月13日
【發明者】張發偉, 鄭兆勇, 季豐, 葉霖, 徐樂, 林萬炯 申請人:林萬炯