光学透镜以及使用该光学透镜的照明设备

1.一种光学透镜(100)，包括杯形透镜本体(101)，所述杯形透镜本体(101)的底部设有用于容纳发光源的内凹部(102)，所述发光源发出的一部分光经由所述内凹部(102)中与所述发光源相对的内顶面(103)入射并经由所述杯形透镜本体(101)的外顶面(104)出射，另一部分光通过所述杯形透镜本体(101)的外侧面(105)全反射并经由所述杯形透镜本体(101)的外顶面(104)出射，其特征在于，所述杯形透镜本体的外侧面(105)由多个上宽下窄的楔形面(1051)环绕拼接而成且该外侧面(105)从所述杯形透镜本体(101)的顶部向底部渐收。
2.根据权利要求1所述的光学透镜(100)，其特征在于，所述内顶面(103)由微透镜阵列构成。
3.根据权利要求1所述的光学透镜(100)，其特征在于，所述内顶面(103)为磨砂面。
4.根据权利要求1所述的光学透镜(100)，其特征在于，所述外顶面(104)为磨砂面或由微透镜阵列构成。
5.根据权利要求1所述的光学透镜(100)，其特征在于，所述发光源为发光二极管光源，其中所述发光二极管光源包括可发出至少两种颜色光的多个芯片。
6.根据权利要求1所述的光学透镜(100)，其特征在于，所述楔形面(1051)由多个横向分割的小碎面(10511)拼接而成，其中每个小碎面(10511)的大小和曲率不同。
7.根据权利要求1所述的光学透镜(100)，其特征在于，所述外侧面(105)的曲率设置得使得所述发光源发出的多种颜色的光呈现圆形或近似圆形对称分布。
8.根据权利要求1所述的光学透镜(100)，其特征在于，所述楔形面(1051)的楔角大小由所述发光源的类型和所述外侧面(105)的曲率确定，其中较佳的所述楔角值为在所述发光源发出的多种颜色的光在角度和空间分布上趋于一致时所对应的楔角大小。
9.一种照明设备(10)，其特征在于，包括发光源(200)和如权利要求1至8中任一项所述的光学透镜(100)。
10.根据权利要求9所述的照明设备(10)，其特征在于，所述发光源(200)为发光二极管光源，其中所述发光二极管光源包括可发出至少两种颜色光的多个芯片。

光学透镜以及使用该光学透镜的照明设备
技术领域
[0001] 本实用新型涉及照明领域，尤其涉及LED光学透镜以及使用该LED光学透镜的LED照明设备。
背景技术
[0002] 由于发光二极管(light emitting diode，LED)发出的光为大光角发散光，因此，许多LED灯具产品都包括一个光学聚光器件，例如，LED聚光镜。通过使用LED聚光镜可改变发光二极管的光场分布，提高发光二极管的出光利用效率，从而使得以LED为发光光源的产品产生一个较为理想的照明光斑。现有的LED透镜包括全内反射式(total internalreflection，TIR)杯形LED透镜，其适用于较小角度的聚光设计，例如，适用于45度以下的聚光角度，以及透明LED透镜，其适用于较大角度的聚光设计，例如，适用于50度以上的聚光角度，等等。
[0003] 图1示出了现有技术的全内反射式杯形LED透镜300的立体示意图。如图1所示，全内反射式杯形LED透镜包括杯形透镜本体301，该杯形透镜本体301的底部设有一个内凹部302，该内凹部302用于容纳发光二极管。该发光二极管发出的一部分光(称为“小角度中心光”)经由内凹部302中与该发光二极管相对的内顶面303入射并经由杯形透镜本体301的外顶面304出射，另一部分光(称为“大角度侧光”)通过杯形透镜本体301的外侧面305全反射后经由该杯形透镜本体301的外顶面304出射。经由杯形透镜本体301的外顶面304出射的两部分光重叠后形成一个聚光角度较小的光斑。
实用新型内容
[0004] 为了能够获得每瓦特更高的流明以及获得更高的显色指数(colorrendering index，CRI)，多个发出不同颜色光的芯片被封装在一起制作成 一个LED光源，例如，红光芯片和涂覆黄色荧光粉的蓝光芯片被封装在一起制作成能够发出暖白光的LED光源。其中，涂覆黄色荧光粉的蓝光芯片发出蓝光激发黄色荧光粉产生黄光，该黄光与透过黄色荧光粉而没有被吸收的蓝光混合而产生冷白光。红光芯片发出的红光与涂覆黄色荧光粉的蓝光芯片发出的冷白光进行混光后产生暖白光。
[0005] 在多芯片的发光二极管中，由于生产工艺水平的制约或者成本等因素的考虑，多个发出不同颜色光的芯片通常很难以对称的方式被设置。例如，在以两个红光芯片和两个涂覆黄色荧光粉的蓝光芯片制作的发出暖白光的LED光源中，如图2所示，最左边设置有面积相对较大的涂覆黄色荧光粉的第一蓝光芯片，中间位置以上下的方式设置有面积相对较小的两个红光芯片，最右边设置有面积相对较大的涂覆黄色荧光粉的第二蓝光芯片。由于两个红光芯片和两个涂覆黄色荧光粉的蓝光芯片以非对称的方式被设置，因此，红光芯片发出的红光和涂覆黄色荧光粉的蓝光芯片发出的冷白光分别呈现出椭圆形非对称的光分布，这两种颜色的光通过现有的全内反射式杯形LED透镜聚光后得到的光斑的混色效果较差。
[0006] 尽管通过对全内反射式杯形LED透镜的外侧面进行表面优化可分别得到圆形对称的红光和冷白光，但是，红光和冷白光在空间和角度上的分布仍然存在不一致性，这使得通过LED透镜聚光后得到的光斑的混色效果在径向上呈现出不一致性。
[0007] 基于此，本实用新型在一个实施例中提出了一种光学透镜，包括杯形透镜本体，该杯形透镜本体的底部设有用于容纳发光源的内凹部，发光源发出的一部分光经由内凹部中与发光源相对的内顶面入射并经由杯形透镜本体的外顶面出射，另一部分光通过杯形透镜本体的外侧面全反射并经由该杯形透镜本体的外顶面出射，其中，该杯形透镜本体的外侧面由多个上宽下窄的楔形面环绕拼接而成且该外侧面从杯形透镜本体的顶部向底部渐收。 [0008] 由于杯形透镜本体的外侧面由多个楔形面环绕拼接构成，因此，可以有效地改善发光源发出的不同颜色的光在角度和空间分布上的一致 性，从而使得通过光学透镜聚光后得到的光斑达到较优的混色效果。
[0009] 可选的，楔形面由多个横向分割的小碎面拼接而成，其中每个小碎面的大小和曲率不同。
[0010] 通过调节这些小碎面的大小和斜率，可以改变不同颜色的光的出射角度，从而改善发光源发出的不同颜色的光在角度和空间分布上的一致性，以达到更好的混光效果。 [0011] 可选的，杯形透镜本体的内顶面由微透镜阵列构成。
[0012] 杯形透镜本体内顶面的微透镜阵列结构能够改善发光源发出的中心光的混色效果，从而使得通过光学透镜聚光后得到的光斑在整体上达到更佳的混色效果。 [0013] 可选的，杯形透镜本体的外顶面是磨砂面。
[0014] 杯形透镜本体外顶面的磨砂结构能够进一步改善整体混色效果。 [0015] 可选的，发光源为发光二极管光源，其中该发光二极管光源包括可发出至少两种颜色光的多个芯片。
[0016] 本实用新型在另一个实施例中提出了一种照明设备，包括发光源和上述任一实施例中的光学透镜。
附图说明
[0017] 通过阅读以下结合附图对非限定性实施例的描述，本实用新型的其它目的、特征和优点将变得更为明显和突出。
[0018] 图1示出了根据现有技术的全内反射式杯形LED透镜的立体示意图； [0019] 图2示出了根据本实用新型的一个实施例的多芯片LED中两个红光芯片和两个涂覆黄色荧光粉的蓝光芯片的配置方式的示意图；
[0020] 图3示出了根据本实用新型的一个实施例的光学透镜100的立体示意图； [0021] 图4示出了使用了图3所示光学透镜100的照明设备10的一个实施例的剖视图； [0022] 图5为图3中示出的杯形透镜本体101的外侧面105中的一个楔形 面1051的示意图；
[0023] 图6a-6d示出了具有不同楔角大小的多个光学透镜100的立体示意图；以及 [0024] 图7示出了根据本实用新型的另一个实施例的光学透镜100的立体示意图； [0025] 图8示出了根据本实用新型的又一个实施例的光学透镜100的立体示意图。 [0026] 其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的步骤特征/装置(模块)。 具体实施方式
[0027] 本实用新型中的光学透镜是指全内反射式杯形LED透镜。该全内反射式杯形LED透镜与LED光源以及其他元器件组合构成LED照明设备，例如，LED射灯。 [0028] 以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。
[0029] 图3示出了根据本实用新型的一个实施例的光学透镜100的立体示意图。 [0030] 图4示出了使用了图3所示光学透镜100的照明设备10的一个实施例的剖视图。
在该实施例中，照明设备10包括光学透镜100和发光源200。
[0031] 在一个实施例中，光学透镜100的材料是PMMA(Polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)。在另一个实施例中，光学透镜100的材料是PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)。 [0032] 当 然，在 不 考 虑 成 本 的 情 形下，光 学 透 镜100的 材 料 也 可 以 是COC(Cyclicolefincopolymer，环烯烃共聚物)，COP(CyclicOlefinPolymer，环烯烃聚合物)等。
[0033] 在一个实施例中，发光源200是包括可发出至少两种颜色光的多个芯片的发光二极管。
[0034] 下文中，仅为示例性的目的，以发光源200是包括可发出第一种颜 色的光的第一组芯片和可发出第二种颜色的光的第二组芯片的发光二极管为示例对本实用新型的各个实施例进行描述。
[0035] 如图3和图4所示，光学透镜100包括杯形透镜本体101。杯形透镜本体101的底部设有用于容纳发光源200的内凹部102。
[0036] 发光源200发出的一部分光(由图4中的实线表示，称为“中心光”)经由内凹部
102中与该发光源200相对的内顶面103入射并经由杯形透镜本体101的外顶面104出射，另一部分光(由图4中的虚线表示，称为“侧光”)通过杯形透镜本体101的外侧面105全反射后经由该杯形透镜本体101的外顶面104出射。经由杯形透镜本体101的外顶面104出射的两部分光重叠后形成一个聚光角度较小的光斑。
[0037] 在本实施例中，如图3中示出的，杯形透镜本体101的外侧面105由多个上宽下窄的楔形面1051环绕拼接而成，并且该外侧面105从该杯形透镜本体101的顶部向底部渐收。
[0038] 图5为图3中示出的杯形透镜本体101的外侧面105中的一个楔形面1051的示意图。
[0039] 如图5所示，楔形面1051的楔角α的大小取决于发光源200的类型和杯形透镜本体101外侧面105的曲率。
[0040] 在特定的发光源类型下，首先确定一个外侧面曲率以使得发光源200中第一组芯片发出的第一种颜色的光和第二组芯片发出的第二种颜色的光呈现圆形或近似圆形对称分布。当确定外侧面105的曲率后，通过调整外侧面105中楔形面1051的楔角α的大小，可调节发光源200中第一组芯片发出的第一种颜色的光以及第二组芯片发出的第二种颜色的光的照明光斑，使得第一种颜色的光和第二种颜色的光在角度和空间分布上趋于一致。 [0041] 在调整楔形面1051的楔角α的大小的同时，可以对外侧面105的曲率进行不断的修正，以使得第一种颜色的光和第二种颜色的光在角度和空间分布上趋于一致，从而获得较优的混色效果。达到该较优混色效果时所对应的楔角大小即为较佳楔角值。 [0042] 在一个实施例中，发光源200为如图2所示的包括两个红光芯片和两个涂覆黄色荧光粉的蓝光芯片的发光二极管，在该实施例中，外侧面 105中楔形面1051的楔角α为
10°至20°，优选的，较佳楔角值α＝15°。
[0043] 楔形面1051的楔角α的大小决定了外侧面105中楔形面1051的个数。例如，当楔形面1051的楔角α＝10°，外侧面105中的楔形面1051个数N＝360°/10°＝36；
当楔形面1051的楔角α＝15°，外侧面105中的楔形面1051个数N＝360°/15°＝24；
当楔形面1051的楔角α＝18°，外侧面105中的楔形面1051个数N＝360°/18°＝20；
当楔形面1051的楔角α＝20°，外侧面105中的楔形面1051个数N＝360°/20°＝18。
当外侧面105中楔形面1051的楔角分别为以上各个角度时，光学透镜100的立体示意图参照图6所示。
[0044] 需要说明的是，以上例举的外侧面105中楔形面1051的较佳楔角值仅是基于使用图2所示的发光源以及特定曲率的外侧面而得到的角度值，当发光源200和/或外侧面105曲率发生变化时，达到较优混色效果所对应的较佳楔角值也将相应发生变化。 [0045] 通过使用上述实施例中示出的具有由多个楔形面环绕拼接构成的外侧面的光学透镜100，可以改善发光源200发出的第一种颜色的光和第二种颜色的光在角度和空间分布上的一致性，从而获得较优的混色效果。
[0046] 为了进一步改善发光源200发出的中心光的混色效果，使得通过光学透镜100聚光后得到的光斑在整体上达到更好的混色效果，图7示出了根据本实用新型的另一个实施例的光学透镜100的立体示意图。
[0047] 如图7所示，光学透镜100包括杯形透镜本体101。杯形透镜本体101的底部设有用于容纳发光源的内凹部102。
[0048] 发光源发出的一部分光(称为“小角度中心光”)经由内凹部102中与该发光源相对的内顶面103入射并经由杯形透镜本体101的外顶面104出射，另一部分光(称为“大角度侧光”)通过杯形透镜本体101的外侧面105全反射后经由该杯形透镜本体101的外顶面104出射。经由杯形透镜本体101的外顶面104出射的两部分光重叠后形成一个聚光角度较小的光斑。
[0049] 在本实施例中，如图7中示出的，杯形透镜本体101的外侧面105由多个上宽下窄的楔形面1051环绕拼接而成，并且该外侧面105从该 杯形透镜本体101的顶部向底部渐收。
[0050] 另外，该杯形透镜本体101的内顶面103由微透镜阵列构成。可选的，内顶面103也可以是一个磨砂面。
[0051] 在本实施例中，楔形面1051的较佳楔角值可通过上述实施例中描述的方式确定，为简明起见，在此不作赘述。
[0052] 由多个楔形面环绕拼接而成的外侧面可以改善发光源发出的第一种颜色的光和第二种颜色的光在角度和空间分布上的一致性，从而获得较优的混色效果。另外，内顶面的微透镜阵列结构可以改善发光源发出的中心光的混色效果，从而使得通过光学透镜100聚光后得到的光斑在整体上达到更好的混色效果。
[0053] 图8示出了根据本实用新型的又一个实施例的光学透镜100的立体示意图。 [0054] 如图8所示，光学透镜100包括杯形透镜本体101。杯形透镜本体101的底部设有用于容纳发光源的内凹部102。
[0055] 发光源发出的一部分光(称为“小角度中心光”)经由内凹部102中与该发光源相对的内顶面103入射并经由杯形透镜本体101的外顶面104出射，另一部分光(称为“大角度侧光”)通过杯形透镜本体101的外侧面105全反射后经由该杯形透镜本体101的外顶面104出射。经由杯形透镜本体101的外顶面104出射的两部分光重叠后形成一个聚光角度较小的光斑。
[0056] 在本实施例中，如图8中示出的，杯形透镜本体101的外侧面105由多个上宽下窄的楔形面1051环绕拼接而成，并且该外侧面105从该杯形透镜本体101的顶部向底部渐收。其中，楔形面1051由多个横向分割的小碎面10511拼接而成，且每个小碎面10511的大小和曲率不相同。
[0057] 另外，该杯形透镜本体101的内顶面103由微透镜阵列构成。可选的，内顶面103也可以是一个磨砂面。
[0058] 楔形面1051的楔角α的大小取决于发光源的类型和外侧面105中楔形面1051的每个小碎面10511的曲率。
[0059] 在特定的发光源类型下，首先确定楔形面1051中每个小碎面10511 的曲率以使得发光源200中第一组芯片发出的第一种颜色的光和第二组芯片发出的第二种颜色的光呈现圆形或近似圆形对称分布。当确定每个小碎面10511的曲率后，通过调整外侧面105中楔形面1051的楔角α的大小，可调节发光源200中第一组芯片发出的第一种颜色的光以及第二组芯片发出的第二种颜色的光的照明光斑，使得第一种颜色的光和第二种颜色的光在角度和空间分布上趋于一致。
[0060] 在调整楔形面1051的楔角α的大小的同时，可以对每个小碎面10511的曲率和大小进行不断的修正，以使得第一种颜色的光和第二种颜色的光在角度和空间分布上趋于一致，从而获得较优的混色效果。达到该较优混色效果时所对应的楔角大小即为较佳楔角值。
[0061] 由多个楔形面环绕拼接而成且每个楔形面由多个横向分割的小碎面拼接而成的外侧面结构可以改变不同颜色的光的出射角度，从而改善发光源发出的第一种颜色的光和第二种颜色的光在角度和空间分布上的一致性，以获得更优的混色效果。另外，内顶面的微透镜阵列结构可以改善发光源发出的中心光的混色效果，从而使得通过光学透镜100聚光后得到的光斑在整体上达到更好的混色效果。
[0062] 为了进一步地改善整体混色效果，在一个实施例中，外顶面104是一个磨砂面。在另一个实施例中，外顶面104由微透镜阵列构成。
[0063] 需要说明的是，通过调整外顶面104的形状，例如，将外顶面104做成凹面，或者凸面，或者横纹面等，可获得不同的光斑效果，从而满足不同场合的照明需求。 [0064] 尽管在附图和前述的描述中详细阐明和描述了本实用新型，应认为该阐明和描述是说明性的和示例性的，而不是限制性的；本实用新型不限于上述实施方式。 [0065] 那些本技术领域的一般技术人员可以通过研究说明书、公开的内容及附图和所附的权利要求书，理解和实施对披露的实施方式的其他改变。在权利要求中，措词“包括”不排除其他的元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。在本实用新型的实际应用中，一个零件可能执行权利要求中所引用的多个技术特征的功能。权利要求中的任何附图标记不应理解为对范围的限制。