可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的led光學(xué)結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)可實(shí)現(xiàn)圓形光斑的第一透鏡（1），第一透鏡（1）上連接有可拆卸的第二透鏡（3），第二透鏡（3）與第一透鏡（1）同軸安裝；且第一透鏡（1）和第二透鏡（3）的疊加效果可實(shí)現(xiàn)方形光斑，通過拆卸或安裝第二透鏡（3）實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑的變換。本實(shí)用新型可以適應(yīng)不同場合對光斑形狀的不同要求，而且光斑照度均勻，即使是在出射光線小角度發(fā)散的聚光情況下，也能實(shí)現(xiàn)均勻配光的效果，還可有效用于LED光源尺寸較大的情況。
【專利說明】
可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)，屬于照明設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]由于發(fā)光二極管(lightemitting d1de,簡稱LED)具備壽命長、能耗低、小巧、輕便、高效等諸多優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如景觀照明、道路照明、投影機(jī)以及室內(nèi)照明等。但是，由于LED光源制造商通常僅生產(chǎn)90度、120度、170度等有限幾種配光的LED，發(fā)散角度比較大，并且LED光源的發(fā)光形狀為近似郎伯分布，光能量在中心處(O度)最強(qiáng)，角度越大光強(qiáng)越弱，當(dāng)裸光源直接用于照明時(shí)，會(huì)產(chǎn)生被照面中心照度高、周圍照度低的問題。為了有效控制LED光束，改善光照的均勻度，提高被照面的光通量，配之以輔助光學(xué)器件進(jìn)行二次配光設(shè)計(jì)就顯得尤為必要。
[0003]此外，隨著LED芯片和封裝技術(shù)的提高，LED的發(fā)光效率得到了迅速的提升，其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域正在急劇延伸。這除了對均勻度、眩光控制等光照品質(zhì)提出更高的要求以外，必然還對光斑覆蓋的范圍和形狀提出多樣化的要求，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)獍咝螤畹牟煌蟆?br>[0004]目前，LED光源的光分布一般具有中心對稱的特點(diǎn)，所投下的光斑大多為圓形。以此為基礎(chǔ)，市面上常見的二次配光元件如透鏡、反光杯等的配光結(jié)果一般可分為兩類:一類是以準(zhǔn)直透鏡為代表，出射角度一般小于90度，廣泛應(yīng)用于泛光燈、投光燈照明中。這類透鏡一般僅改變光的出射角度和均勻度，而光斑仍保持原來的圓形形狀。另一類以花生米透鏡為代表，一般在某一方向的出射角度大于90度，不僅改變光線的出射角度和均勻度，還將光斑由圓形轉(zhuǎn)換為矩形，這類透鏡廣泛應(yīng)用于隧道、道路照明中。但是，在出射角度小于90度的第一類透鏡中，鮮有出射光斑為方形的照度均勻的透鏡。
[0005]而在某些應(yīng)用領(lǐng)域，方形光斑比圓形光斑具有更大的優(yōu)勢。比如在廣告照明中，常常碰到需要方形光斑照明的情況。再比如在影視舞臺(tái)照明、閃光燈、投影儀當(dāng)中，燈具布光對象主要是人物和舞臺(tái)，記錄設(shè)備的取景器和我們看到的畫面都是方的。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，為了產(chǎn)生方形光斑，通常采用裁截的方式，即使用方形的光柵，將光源發(fā)出的光裁剪成方形。這種方式必然以損失一部分光能為代價(jià)，因此浪費(fèi)了能源。此外，在一些使用場合中，比如室內(nèi)照明中的地面、工作面，通常不希望使用太多的燈具，但又希望照度能夠均勻。如果采用被照面為圓形、橢圓形等光斑形狀時(shí)，在不增加燈具數(shù)量的情況下，在相鄰燈具的銜接處，勢必會(huì)出現(xiàn)暗區(qū)和照射盲點(diǎn)，而難以保證被照面的照度均勻性，從而很難達(dá)到客戶的使用要求，而采用正方形的照射光斑則可以得到良好的結(jié)果。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中，專利CN102287754A中公開了一種正方形均勻光斑透鏡的設(shè)計(jì)方法，但這種透鏡出射角度較大，并不適合用在出射角度較小的投光燈、泛光燈照明中；專利CN102679266 A公開了一種呈矩形光斑均勻分布的LED二次配光透鏡的實(shí)現(xiàn)方法，但這種方法是針對點(diǎn)光源的，而實(shí)際大功率LED光源都是具有一定形狀尺寸的。當(dāng)光源尺寸較大時(shí)，目標(biāo)面的光斑會(huì)出現(xiàn)較大的惡化，因此，其應(yīng)用受到一定的限制。
[0007]在燈具的制造和生產(chǎn)過程中，人們總是希望通過光學(xué)結(jié)構(gòu)上的最少改動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)不同的照明目標(biāo)。由于圓形光斑和方形光斑是照明應(yīng)用中最為廣泛的兩種形狀，而矩形光斑則可以通過方形光斑的疊加來實(shí)現(xiàn)。因此，實(shí)現(xiàn)光斑在圓形和方形之間的轉(zhuǎn)換，對于燈具的制造和生產(chǎn)具有十分重要的意義。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]本實(shí)用新型的目的在于，提供一種可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型可以適應(yīng)不同場合對光斑形狀的不同要求，而且光斑照度均勻，即使是在出射光線小角度發(fā)散的聚光情況下，也能實(shí)現(xiàn)均勻配光的效果，還可有效用于LED光源尺寸較大的情況。
[0009]本實(shí)用新型的技術(shù)方案:一種可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是:包括一個(gè)可實(shí)現(xiàn)圓形光斑的第一透鏡，第一透鏡上連接有可拆卸的第二透鏡，第二透鏡與第一透鏡同軸安裝;且第一透鏡和第二透鏡的疊加效果可實(shí)現(xiàn)方形光斑，通過拆卸或安裝第二透鏡實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑的變換。
[0010]上述的可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)中，所述第一透鏡安裝在底部支架內(nèi)，第二透鏡安裝在上部支架內(nèi)，上部支架與底部支架之間設(shè)有可拆卸的連接結(jié)構(gòu)。
[0011]前述的可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)中，所述第一透鏡包括第一入射面和第一出射面，第一入射面和第一出射面之間的側(cè)面為全反射面;所述第一出射面為平面;全反射面為由樣條曲線旋轉(zhuǎn)而成的非球面結(jié)構(gòu)，且其橫截面直徑沿著第一入射面至第一出射面的方向逐漸增大;所述第一入射面為內(nèi)凹的球面。
[0012]前述的可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)中，所述第二透鏡包括第二入射面和第二出射面;所述第二入射面為平面，與第一入射面平行，所述第二出射面為軸對稱非球面，所述軸對稱非球面由8個(gè)相同的曲面單元呈圓形結(jié)構(gòu)拼接而成，每個(gè)曲面單元均是由第一邊緣曲線和第二邊緣曲線圓滑過渡而成的曲面;其中第一邊緣曲線的高度從中心線向第二出射面的邊緣逐漸降低然后逐漸升高;第二邊緣曲線的高度從中心線向第二出射面的邊緣逐漸降低然后逐漸升高，最后再逐漸降低;第一邊緣曲線的最低點(diǎn)離中心線的距離大于第二邊緣曲線的最低點(diǎn)離中心線的距離。
[0013]前述的可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)中，所述第二入射面和第二出射面之間的側(cè)面為圓柱面或圓錐面。
[0014]前述的可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)中，所述底部支架靠近上部支架一端的外緣設(shè)有多個(gè)卡槽，上部支架上設(shè)有與卡槽相配合的卡扣，上部支架和底部支架通過卡槽及卡扣連接在一起。
[0015]作為優(yōu)選，前述的可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)中，所述的材料為光學(xué)玻璃、石英玻璃、亞克力、PMMA塑料樹脂或PC樹脂。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型通過光學(xué)結(jié)構(gòu)上的較少改動(dòng)，可輕易地實(shí)現(xiàn)LED光源的圓形光斑和方形光斑之間的變換。同時(shí)，即使是在出射光線小角度發(fā)散的聚光情況下，也能實(shí)現(xiàn)均勻配光的效果。本實(shí)用新型不僅可應(yīng)用于點(diǎn)光源，在應(yīng)用于具有一定形狀尺寸的LED光時(shí)，仍然能夠避免光斑惡化，使其應(yīng)用范圍大大增加。
【附圖說明】
[0017]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0018]圖2是第一透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3是第二透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4是本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)方形光斑時(shí)的配光曲線；
[0021 ]圖5是第二出射面的正投影圖；
[0022]圖6是第一邊緣曲線和第二邊緣曲線的示意圖。
[0023]附圖中的標(biāo)記為:1-第一透鏡，2-底部支架，3-第二透鏡，4-上部支架，11-第一入射面，12-全反射面，13-第一出射面，14-LED光源槽，21-卡槽，31-第二入射面，33-第二出射面，41-卡扣。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明，但并不作為對本實(shí)用新型限制的依據(jù)。
[0025]實(shí)施例?？蓪?shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)，如圖1所示:包括一個(gè)可實(shí)現(xiàn)圓形光斑的第一透鏡I，第一透鏡I上連接有可拆卸的第二透鏡3，第二透鏡3與第一透鏡I同軸安裝;且第一透鏡I和第二透鏡3的疊加效果可實(shí)現(xiàn)方形光斑，通過拆卸或安裝第二透鏡3實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑的變換。所述第一透鏡I安裝在底部支架2內(nèi)，第二透鏡3安裝在上部支架4內(nèi)，上部支架4與底部支架2之間設(shè)有可拆卸的連接結(jié)構(gòu)。所述底部支架2靠近上部支架4 一端的外緣設(shè)有多個(gè)卡槽21(優(yōu)選3個(gè)，等間距設(shè)置)，上部支架4上設(shè)有與卡槽21相配合的卡扣41，上部支架4和底部支架2通過卡槽21及卡扣41連接在一起。所述的材料為光學(xué)玻璃、石英玻璃、亞克力、PMMA塑料樹脂或PC樹脂，但不僅限于這些材料。
[0026]所述第一透鏡I的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括第一入射面11和第一出射面13，第一入射面11和第一出射面13之間的側(cè)面為全反射面12;所述第一出射面13為平面;全反射面12為由樣條曲線旋轉(zhuǎn)而成的非球面結(jié)構(gòu)，且其橫截面直徑沿著第一入射面11至第一出射面13的方向逐漸增大;所述第一入射面11為內(nèi)凹的球面。為減少反射損耗，本實(shí)施例中第一入射面11為球面。為實(shí)現(xiàn)對光線出射角度的控制，其他形式的曲面，比如圓錐面、非球面曲面或它們的組合也是可以采用的。所述全反射面12的底部設(shè)有LED光源槽14，所述LED光源槽14用于放置LED光源。所述第一入射面11與LED光源的外形尺寸精確定位，確保所述第一透鏡I的光軸中心位置與LED光源芯片中心位置重合且兩者保持符合設(shè)計(jì)要求的間距。
[0027]所述第二透鏡3的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括第二入射面31和第二出射面33;所述第二入射面31為平面，所述第二出射面33為軸對稱非球面。所述軸對稱非球面如圖5和6所示，由8個(gè)相同的曲面單元呈圓形結(jié)構(gòu)拼接而成，每個(gè)曲面單元均是由第一邊緣曲線B和第二邊緣曲線A圓滑過渡而成的曲面;其中第一邊緣曲線B的高度從中心線向第二出射面33的邊緣逐漸降低然后逐漸升高;第二邊緣曲線A的高度從中心線向第二出射面33的邊緣逐漸降低然后逐漸升高，最后再逐漸降低;第一邊緣曲線B的最低點(diǎn)a離中心線的距離大于第二邊緣曲線A的最低點(diǎn)b離中心線的距離。第二出射面的正投影中部呈現(xiàn)一個(gè)方形，而且第二邊緣曲線A的最高點(diǎn)h離中心線的距離=入2第一邊緣曲線B的最低點(diǎn)b離中心線的距離。所述第二入射面31和第二出射面33之間的側(cè)面為圓柱面或圓錐面中的一種。
[0028]本實(shí)用新型的工作原理:
[0029]當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)出射光線小角度發(fā)散、投射光斑為圓形的照明時(shí)，通電使LED光源處于工作狀態(tài)。LED發(fā)出的光線靠近光軸的一部分經(jīng)第一入射面11折射后直接到達(dá)出射面13，而遠(yuǎn)離光軸的那部分光線經(jīng)第一入射面11折射后到達(dá)全發(fā)射面12。由于在這里光線是從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)且入射角大于臨界角，因此光線發(fā)生全反射，重新回到第一透鏡I中并從第一出射面13射出，形成圓形光斑。
[0030]當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)出射光線小角度發(fā)散、投射光斑為方形的照明時(shí)，首先將容納第二透鏡3的上部支架4的卡扣41嵌入底部支架2的卡槽21中，然后通電使LED光源處于工作狀態(tài)。LED發(fā)出的光線在第一透鏡I中的傳播和光斑為圓形時(shí)相同。從第一透鏡I的第一出射面13出射的光線通過第二透鏡3的第二入射面31進(jìn)入到第二透鏡3中。由于第二透鏡3的第二入射面31和第一透鏡I的第一出射面13同軸且平行，光線在進(jìn)入第二透鏡3前后傳播方向幾乎不發(fā)生改變。利用第二透鏡3的第二出射面33的優(yōu)化的軸對稱非球面結(jié)構(gòu)，調(diào)整和改變光線的傳播方向和能量分布，然后在照明面上相互“疊加”，以光斑“疊加”的方式來達(dá)到均勻和方形光斑的目的。其配光曲線如圖4所示。可以看出，盡管光學(xué)結(jié)構(gòu)的整體保持圓形的軸對稱結(jié)構(gòu)，但按本實(shí)用新型仍能得到接近標(biāo)準(zhǔn)的方形光斑，且光照度在方形區(qū)域內(nèi)均勻分布。
[0031]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本實(shí)用新型的部分實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本實(shí)用新型范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)、變形等，均包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括一個(gè)可實(shí)現(xiàn)圓形光斑的第一透鏡(I)，第一透鏡(I)上連接有可拆卸的第二透鏡(3)，第二透鏡(3)與第一透鏡(I)同軸安裝;且第一透鏡(I)和第二透鏡(3)的疊加效果可實(shí)現(xiàn)方形光斑，通過拆卸或安裝第二透鏡(3)實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑的變換。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第一透鏡(I)安裝在底部支架(2)內(nèi)，第二透鏡(3)安裝在上部支架(4)內(nèi)，上部支架(4)與底部支架(2)之間設(shè)有可拆卸的連接結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第一透鏡(I)包括第一入射面(I I)和第一出射面(13)，第一入射面(I I)和第一出射面(13)之間的側(cè)面為全反射面(12);所述第一出射面(13)為平面;全反射面(12)為由樣條曲線旋轉(zhuǎn)而成的非球面結(jié)構(gòu)，且其橫截面直徑沿著第一入射面(11)至第一出射面(13)的方向逐漸增大;所述第一入射面(11)為內(nèi)凹的球面。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第二透鏡(3)包括第二入射面(31)和第二出射面(33);所述第二入射面(31)為平面，所述第二出射面(33)為軸對稱非球面，所述軸對稱非球面由8個(gè)相同的曲面單元呈圓形結(jié)構(gòu)拼接而成，每個(gè)曲面單元均是由第一邊緣曲線(B)和第二邊緣曲線(A)圓滑過渡而成的曲面;其中第一邊緣曲線(B)的高度從中心線向第二出射面(33)的邊緣逐漸降低然后逐漸升高；第二邊緣曲線(A)的高度從中心線向第二出射面(33)的邊緣逐漸降低然后逐漸升高，最后再逐漸降低;第一邊緣曲線(B)的最低點(diǎn)(a)離中心線的距離大于第二邊緣曲線(A)的最低點(diǎn)(b)離中心線的距離。5.根據(jù)權(quán)利要求根據(jù)權(quán)利要求4所述的可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第二入射面(31)和第二出射面(33)之間的側(cè)面為圓柱面和圓錐面中的一種。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可實(shí)現(xiàn)圓形光斑和方形光斑變換的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述底部支架(2)靠近上部支架(4) 一端的外緣設(shè)有多個(gè)卡槽(21)，上部支架(4)上設(shè)有與卡槽(21)相配合的卡扣(41)，上部支架(4)和底部支架(2)通過卡槽(21)及卡扣(41)連接在一起。
【文檔編號(hào)】F21K9/69GK205480346SQ201620034728
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月14日
【發(fā)明人】楊志偉, 葉少軍, 馬佳南, 湯燕軍
【申請人】浙江晶日照明科技有限公司