平行光束透鏡及燈具的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種平行光束透鏡及燈具，該平行光束透鏡包括第一圓臺和設(shè)置在第一圓臺上方的第二圓臺，第一圓臺和第二圓臺的截面均為倒梯形，第一圓臺的底部設(shè)有第一凹槽，第二圓臺的上部設(shè)有第二凹槽，第二凹槽上設(shè)有球形凸起，第一、二凹槽的四周壁面均為弧形面，第一凹槽的底部為平面，第一、二凹槽、第一、二圓臺和球形凸起均以系統(tǒng)光軸為對稱軸，第一凹槽的底部放置光源，光源的光線經(jīng)球形凸起的曲面射出至空氣后形成多根平行于系統(tǒng)光軸的平行光線。該燈具，包括光源和上述的透鏡，光源的頂點位于系統(tǒng)光軸上，并與第一圓臺的底面位于同一直線上，光源以系統(tǒng)光軸為對稱軸。本實用新型實現(xiàn)了平行光束透鏡的小型化，也減小了燈具的尺寸。
【專利說明】平行光束透鏡及燈具

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及燈具照明領(lǐng)域，具體涉及一種平行光束透鏡及燈具。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，平行光束燈具被照明設(shè)計師越來越多的應(yīng)用于建筑照明設(shè)計中，其特點 是極小功率的燈具就可以在墻面上洗出10多米高的極窄光束。一般采用的方法是利用旋 轉(zhuǎn)拋物面原理，將光源置于拋物線的焦點上，這樣配出來的光線為平行光。
[0003] 當(dāng)前平行光束燈具的配光器件一般采用旋轉(zhuǎn)拋物面實現(xiàn)，將光源放置在旋轉(zhuǎn)拋物 面的焦點實現(xiàn)平行光。由于旋轉(zhuǎn)拋物面本身的局限性，當(dāng)光源尺寸與拋物面尺寸接近時，部 分光束經(jīng)過反射器后就不能保證平行出射。而且會有很多雜散光影響燈具效果。這就使得 采用傳統(tǒng)做法實現(xiàn)的平行光束燈具體積較大。燈具的材料成本也難以降低。而體積較大的 平行光束燈具在建筑上安裝也破壞了建筑的整體美觀。 實用新型內(nèi)容
[0004] 在下文中給出關(guān)于本實用新型的簡要概述，以便提供關(guān)于本實用新型的某些方面 的基本理解。應(yīng)當(dāng)理解，這個概述并不是關(guān)于本實用新型的窮舉性概述。它并不是意圖確 定本實用新型的關(guān)鍵或重要部分，也不是意圖限定本實用新型的范圍。其目的僅僅是以簡 化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。
[0005] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本實用新型提供一種能夠減小燈具尺寸的平行光束透 鏡。
[0006] 本發(fā)明還提供一種燈具。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取的技術(shù)方案是：
[0008] -種平行光束透鏡，包括第一圓臺和設(shè)置在第一圓臺上方的第二圓臺，所述第一 圓臺和第二圓臺的截面均為倒梯形，所述第一圓臺的底部設(shè)有第一凹槽，所述第二圓臺的 上部設(shè)有第二凹槽，所述第二凹槽上設(shè)有球形凸起，所述第一凹槽和第二凹槽的四周壁面 均為弧形面，所述第一凹槽和第二凹槽的底部均為平面，所述第一凹槽、第一圓臺、第二圓 臺、第二凹槽和球形凸起均以系統(tǒng)光軸為對稱軸，所述第一凹槽的底部用于放置光源，所述 光源的光線經(jīng)所述球形凸起的曲面射出至空氣后形成多根平行于系統(tǒng)光軸的平行光線。
[0009] 本實用新型還提供了一種燈具，包括光源和上述的透鏡，所述光源的頂點位于系 統(tǒng)光軸上，并與所述第一圓臺的底面位于同一直線上，所述光源以所述系統(tǒng)光軸為對稱軸。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：
[0011] 1、本實用新型采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯）材料制備而成的自由曲面透鏡實現(xiàn) 了平行光束透鏡的小型化。
[0012] 2、采用本實用新型的透鏡可以輕易實現(xiàn)大功率LED平行光束燈具的制作，在同等 功率下，采用單顆LED顆粒實現(xiàn)的平行光束燈具可極大的保證LED顆粒的壽命，減少光衰， 減小燈具尺寸。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例 或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅 是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前 提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0014] 圖1為本實用新型提供的平行光束透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖2為本實用新型提供的平行光速透鏡對光束的整形過程的示意圖；
[0016] 圖3為本實用新型提供的平行光束透鏡的截面尺寸標(biāo)注示意圖；
[0017] 圖4為本實用新型提供的平行光束透鏡的配光曲線圖；
[0018] 圖5為普通平行光束燈具配光曲線圖；
[0019] 圖6為本實用新型提供的8米外照度分布圖；
[0020] 圖7為圖6的截面圖。
[0021] 附圖標(biāo)記：
[0022] 1-第一圓臺；2-第二圓臺；3-第一凹槽，30-第一圓形面；4-第二凹槽，40-第二 圓形面；5-球形凸起；6-系統(tǒng)光軸；7-光源；8-光線。

【具體實施方式】
[0023] 為使本實用新型實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本實用新 型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描 述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。在本實用新型的一個附圖 或一種實施方式中描述的元素和特征可以與一個或更多個其它附圖或?qū)嵤┓绞街惺境龅?元素和特征相結(jié)合。應(yīng)當(dāng)注意，為了清楚的目的，附圖和說明中省略了與本實用新型無關(guān) 的、本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的部件和處理的表示和描述?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用 新型保護(hù)的范圍。
[0024] 參見圖1，一種平行光束透鏡，包括第一圓臺1和設(shè)置在第一圓臺1上方的第二圓 臺2,第一圓臺1和第二圓臺2的截面均為倒梯形，第一圓臺1的底部設(shè)有第一凹槽3,第二 圓臺2的上部設(shè)有第二凹槽4,第二凹槽4上設(shè)有球形凸起5,第一凹槽3和第二凹槽4的 四周壁面均為弧形面，第一凹槽3和第二凹槽4的底部均為平面，第一凹槽3、第一圓臺1、 第二圓臺2、第二凹槽4和球形凸起5均以系統(tǒng)光軸6為對稱軸，第一凹槽3的底部用于放 置光源7,光源7的光線經(jīng)球形凸起5的曲面射出至空氣后形成多根平行于系統(tǒng)光軸6的平 行光線。
[0025] 采用本實用新型的自由曲面透鏡結(jié)構(gòu)，在得到平行光線的同時，實現(xiàn)了平行光束 透鏡的小型化。
[0026] 本實施例中，為了更好的得到平行光線，并縮小透鏡本身的尺寸，第一凹槽3、第一 圓臺1、第二圓臺2、第二凹槽4和球形凸起5為一體結(jié)構(gòu)。
[0027] 本實施例中，為了達(dá)到更好的透光率，第一圓臺1、第二圓臺2和球形凸起5的材質(zhì) 均為聚甲基丙烯酸甲酯。即本實用新型選用聚甲基丙烯酸甲酯來一次成型制備。
[0028] 本實施例中，為了更好的得到平行光線，并縮小透鏡本身的尺寸，第一凹槽3的底 面為第一圓形平面30,第二凹槽4的底面為第二圓形平面40,第二圓形平面40為球形凸起 5的底面。
[0029] 本實施例中，為了更好的得到平行光線，并縮小透鏡本身的尺寸，球形凸起5的頂 點到第一圓形平面30的距離、第二圓形平面40的直徑與所述第一圓形平面30的直徑的比 例為（2L 97±0· 2) : (2L 18±0· 2) : (5. 12±0· 2)。
[0030] 優(yōu)選的，球形凸起5的頂點到第一圓形平面30的距離、第二圓形平面40的直徑與 第一圓形平面30的直徑的比例為21. 97:21. 18:5. 12。
[0031] 本實用新型優(yōu)選的尺寸為：第一凹槽3的高度為2. 67±0. 2mm，第一圓形平 面30的直徑為5. 12±0· 2mm，第一凹槽3的開口的直徑為11. 03±0· 2mm，第一圓臺1 的高度為10. 36±0· 2mm，第二圓臺2的高度為8. 59±0· 2mm，第二圓形平面40的直徑 為21. 18±0· 2mm，第二凹槽4的開口的直徑為31. 47±0· 2mm，第二凹槽4的高度為 2. 66±0· 2臟，球形凸起5的高度為8. 35±0· 2臟。
[0032] 本實用新型更優(yōu)選的尺寸為：第一凹槽3的高度為2. 67mm，第一圓形平面30的 直徑為5. 12mm，第一凹槽3的開口的直徑為11. 03mm，第一圓臺1的高度為10. 36mm，第二 圓臺2的高度為8. 59mm，第二圓形平面40的直徑為21. 18mm，第二凹槽4的開口的直徑為 31. 47mm，第二凹槽4的高度為2. 66mm，球形凸起5的高度為8. 35mm。
[0033] 本實施中，第一凹槽3、第一圓臺1、第二圓臺2、第二凹槽4和球形凸起5同時縮 小或擴(kuò)大原來尺寸的3-5倍，原來尺寸為本實用新型的優(yōu)選尺寸，可以是如圖2中標(biāo)注的尺 寸，同樣可以得到平行光線，其尺寸也小于現(xiàn)有技術(shù)中的尺寸。
[0034] 本實用新型還提供一種燈具，包括光源和上述的透鏡，所述光源的頂點位于系統(tǒng) 光軸上，并與所述第一圓臺的底面位于同一直線上，所述光源以所述系統(tǒng)光軸為對稱軸。
[0035] 通過本實用新型透鏡的應(yīng)用，可以極大的縮小平行光束燈具的本身尺寸。本實用 新型透鏡的設(shè)計是針對大功率單顆1W/3WLED芯片的平行光束配光制作的，使用該透鏡組 成的LED芯片陣列由于每顆都是同樣的平行出光，所以整個陣列的配光也為一平行光束。 因此采用本實用新型透鏡制作平行光束燈具只需將透鏡加在每顆LED芯片上即可。具有使 用容易，燈具尺寸小的優(yōu)點。如果不采用本實用新型的透鏡設(shè)計大功率平行光束燈具，當(dāng)采 用陣列封裝的LED集成芯片時，由于要保證反射鏡和芯片陣列一定的尺寸比例，就會大大 增加燈具本身的尺寸。
[0036] 本實用新型的設(shè)計原理：
[0037] 本實用新型透鏡是LED燈具實現(xiàn)配光的重要組成部分。傳統(tǒng)LED透鏡的設(shè)計方法 采用成像光學(xué)作為設(shè)計原理。一般是將問題看作設(shè)計一個NA (數(shù)值孔徑），非常大的成像光 學(xué)系統(tǒng)，例如小的孔徑比或者F數(shù)。數(shù)值孔徑與其他技術(shù)參數(shù)有著密切的關(guān)系，它幾乎決定 和影響著其他各項技術(shù)參數(shù)。它與分辨率成正比，與放大率成正比，與焦深成反比，NA值增 大，視場寬度與工作距離都會相應(yīng)地變小。
[0038] 在成像光學(xué)設(shè)計中，光學(xué)系統(tǒng)作為成像工具，基本上都用幾何光線的概念來研究 其規(guī)律，對能量傳遞的研究較少。從物理學(xué)觀點看，光線攜帶著輻射能，光線的方向也就是 輻射能的傳播方向。因此，從能量的角度考慮，光學(xué)系統(tǒng)也是傳遞輻射能量的工具，是能量 傳播的過程。在照明領(lǐng)域中，往往需要得到的是能量的最終分布方式，而不是對物體成一個 清晰的像。故采用非成像光學(xué)方法設(shè)計的自由曲面透鏡可以很好的解決能量的傳遞問題。
[0039] 平行光束燈具就是將LED顆粒發(fā)出的光進(jìn)行二次整形后，以近似平行光線的角度 出射，參見圖2,從圖中可以看到，光源發(fā)出的光線7經(jīng)過第一圓形平面30和球形凸起5的 曲面后均發(fā)生了折射，而折射的角度決定了從曲面出射的光線是否能形成平行光。
[0040] 根據(jù)幾何光學(xué)原理可知，光線在介質(zhì)中的折射遵循折射定律，由圖2可以看出，從 光源發(fā)出的光線在A點經(jīng)過一次折射后，從空氣進(jìn)入到透鏡中，再經(jīng)過B點，從透鏡出射至 空氣形成一根平行于系統(tǒng)光軸的平行光線。兩次折射均需遵循折射定律，見下式1。
[0041] ri! X sin α =η2 X sin β (式 1)
[0042] 式1*ηι為入射光線所在介質(zhì)的折射率，η2為出射光線所在介質(zhì)的折射率。α為 光線的入射角，β為光線的出射角。以系統(tǒng)光軸和光源交點為光學(xué)系統(tǒng)原點，根據(jù)LED顆 粒出射光線的一次光學(xué)分布曲線以及已知的介質(zhì)折射率^和％，代入公式1中，可以得到A 點折射后的光線坐標(biāo)。其中第一圓形平面30在光線出射方向的坐標(biāo)為一固定值。
[0043] 當(dāng)光線從A點出射的坐標(biāo)通過計算得到后，假設(shè)球形凸起5的曲面與光線的交點 B坐標(biāo)為（y，z)，其中，沿光線出射方向坐標(biāo)為z，與系統(tǒng)光軸垂直方向為y。從圖中可以看 至 1J，交點B的坐標(biāo)為最終所求坐標(biāo)。假設(shè)B點為一在球形凸起5的自由曲面上的動點，通過 不同的入射光線坐標(biāo)就可求得動點B的坐標(biāo)點集。
[0044] 因為B點坐標(biāo)為兩個未知參數(shù)，故還需要一個方程才能解出。考慮從光源發(fā)出的 光線，全部從球形凸起5的曲面出射，在最終照明平面上形成一個能量分布。根據(jù)能量守恒 的原理得到下式2。
[0045]

【權(quán)利要求】
1. 一種平行光束透鏡，其特征在于，包括第一圓臺和設(shè)置在第一圓臺上方的第二圓臺， 所述第一圓臺和第二圓臺的截面均為倒梯形，所述第一圓臺的底部設(shè)有第一凹槽，所述第 二圓臺的上部設(shè)有第二凹槽，所述第二凹槽上設(shè)有球形凸起，所述第一凹槽和第二凹槽的 四周壁面均為弧形面，所述第一凹槽的底部為平面，所述第一凹槽、第一圓臺、第二圓臺、第 二凹槽和球形凸起均以系統(tǒng)光軸為對稱軸，所述第一凹槽的底部用于放置光源，所述光源 的光線經(jīng)所述球形凸起的曲面射出至空氣后形成多根平行于系統(tǒng)光軸的平行光線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平行光束透鏡，其特征在于，所述第一凹槽、第一圓臺、第二 圓臺、第二凹槽和球形凸起為一體結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平行光束透鏡，其特征在于，所述第一圓臺、第二圓臺和球形 凸起的材質(zhì)均為聚甲基丙烯酸甲酯。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的平行光束透鏡，其特征在于，所述第一凹槽的底面 為第一圓形平面，所述第二凹槽的底面為第二圓形平面，所述第二圓形平面為所述球形凸 起的底面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的平行光束透鏡，其特征在于，所述球形凸起的頂點到所述第 一圓形平面的距離、所述第二圓形平面的直徑與所述第一圓形平面的直徑的比例為（21. 97 ±0. 2) : (2L 18±0· 2) : (5. 12±0· 2)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的平行光束透鏡，其特征在于，所述球形凸起的頂點到所述 第一圓形平面的距離、所述第二圓形平面的直徑與所述第一圓形平面的直徑的比例為 21. 97:21. 18:5. 12。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的平行光束透鏡，其特征在于，所述第一凹槽的高度 為2. 67±0· 2mm，所述第一圓形平面的直徑為5. 12±0· 2mm，所述第一凹槽的開口的 直徑為11. 03±0· 2mm，所述第一圓臺的高度為10. 36±0· 2mm，所述第二圓臺的高度 為8. 59±0. 2mm，所述第二圓形平面的直徑為21. 18±0. 2mm，所述第二凹槽的開口的 直徑為31. 47±0· 2mm，所述第二凹槽的高度為2. 66±0· 2mm，所述球形凸起的高度為 8. 35 ±0. 2mm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的平行光束透鏡，其特征在于，所述第一凹槽的高度為2. 67mm， 所述第一圓形平面的直徑為5. 12mm，所述第一凹槽的開口的直徑為11. 03mm，所述第一 圓臺的高度為10. 36mm，所述第二圓臺的高度為8. 59mm，所述第二圓形平面的直徑為 21. 18mm，所述第二凹槽的開口的直徑為31. 47mm，所述第二凹槽的高度為2. 66mm，所述球 形凸起的高度為8. 35mm。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的平行光束透鏡，其特征在于，所述第一凹槽、第一圓臺、第二 圓臺、第二凹槽和球形凸起同時縮小或擴(kuò)大原來尺寸的3-5倍。
10. -種燈具，其特征在于，包括光源和權(quán)利要求1-9任一項所述的平行光束透鏡，所 述光源的頂點位于系統(tǒng)光軸上，并與所述第一圓臺的底面位于同一直線上，所述光源以所 述系統(tǒng)光軸為對稱軸。
【文檔編號】F21V23/00GK203836852SQ201420246327
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月14日
【發(fā)明者】李澄 申請人:北京新時空照明技術(shù)有限公司