投光灯透镜、发光模块及投光灯的制作方法

1.本发明涉及照明技术领域，尤其涉及一种投光灯透镜、发光模块及投光灯。


背景技术：

2.投光灯是指定被照面上的照度高于周围环境的灯具，又称聚光灯；
3.在实际使用中，其广泛用于大面积作业场矿、建筑物轮廓、体育场、立交桥、纪念碑、公园和花坛等场景，即，室外使用的大面积照明灯具均可被看作投光灯，但现今投光灯的投射结果大多为圆形光斑，且无法实现明暗渐变，装饰效果差。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种能够投射出渐变的矩形光斑的投光灯透镜。
5.为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
6.一种投光灯透镜，所述投光灯透镜为半旋转体(即，几何图形仅旋转半周所形成的立体结构)，将其靠近旋转轴的一侧作为底部；
7.所述投光灯透镜包括沿着旋转轴依次设置的透镜本体和反射体；
8.所述透镜本体的底面向远离所述旋转轴的方向凹陷，形成入射曲面，所述入射曲面合围形成用于放置光源的光源腔；
9.所述透镜本体远离旋转轴的一侧设有第一出射面，所述第一出射面包括相接的第一折射曲面和第二折射曲面；
10.所述光源所产生的光线通过所述第一折射曲面折射至预设的接收面，形成第一矩形光斑，还通过所述第二折射曲面折射至所述接收面，形成第二矩形光斑；
11.所述反射体靠近所述透镜本体的一侧，向靠近所述透镜本体的方向外凸，形成反射曲面，所述光源产生的光线通过所述透镜本体射向所述反射曲面，被所述反射曲面反射至所述接收面，形成第三矩形光斑；
12.所述第一矩形光斑、所述第二矩形光斑和所述第三矩形光斑在所述接收面上叠加形成第四矩形光斑。
13.作为一种可实施方式：所述透镜本体远离所述反射体的一侧设有第二出射面，所述第二出射面一侧与所述透镜本体的底面相接，另一侧与所述第一折射曲面相接；
14.所述第二出射面为垂直于所述旋转轴半圆形平面，其圆心与所述旋转轴相重合。
15.作为一种可实施方式：
16.所述第一折射曲面由第一曲线绕所述旋转轴旋转半周形成，所述第一曲线包括第一端点和第二端点，第一端点与第二出射面相交，第一端点与第二折射曲面相交；
17.所述第一曲线外凸于所述第一端点与所述第二端点的连线。
18.作为一种可实施方式：
19.所述第二折射曲面由第二曲线绕所述旋转轴旋转半周形成，所述第二曲线包括第
二端点和第三端点；
20.所述第二曲线外凸于所述第二端点与所述第三端点的连线。
21.作为一种可实施方式：
22.所述光源腔为半球体，所述光源所发出的光线垂直入射至所述入射曲面。
23.作为一种可实施方式：
24.所述第二出射面的圆周上的点与光源腔的球心相连时，所得连线与旋转轴形成的夹角呈25
°
～35
°
；
25.第一端点和第二端点分别与所述球心相连时，所形成的夹角呈55
°
～65
°
；
26.所述第二端点与所述球心相连时，所得连线与旋转轴垂直；
27.所述第二端点和第三端点分别与所述球心相连时，所形成的夹角呈25
°
～35
°
。
28.作为一种可实施方式：
29.反射曲面由反射曲线绕旋转轴旋转半周形成，所述反射曲线包括定端点和动端点，所述定端点为所述反射曲面的最高点，所述动端点为所述反射曲面的最低点；
30.所述反射曲线为，所述定端点和所述动端点的连线向远离透镜本体的方向凹陷所形成的曲线。
31.作为一种可实施方式：
32.还包括安装板；
33.透镜本体和反射体的底部安装在所述安装板上。
34.本发明还提出一种发光模块，包括上述任一项所述的投光灯透镜。
35.本发明还提出一种投光灯，包括至少一个所述的发光模块。
36.本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
37.本发明通过透镜本体和反射体的设计，使光源所产生的光线一部分通过第一出射面折射至接收面、一部分通过第二折射面折射至接收面、一部分通过反射曲面反射至接收面，在接收面上叠加产生渐变效果，给人以视觉上的舒适感，且在实际使用中，用户可根据需要利用过投光的明暗突出展示内容。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1是本发明一种投光灯透镜的立体示意图；
40.图2是本发明一种投光灯透镜的侧视示意图；
41.图3是第一几何图形和第二几何图形的示意图；
42.图4是图1所示投光灯透镜的光线出射示意图；
43.图5是图1所示投光灯透镜的墙面照度图；
44.图6是图1所示投光灯透镜的配光曲线(极坐标)；
45.图中：
46.100为透镜本体、110为入射曲面、120为第一出射面(图中未示出)、121为第一折射
曲面、122为第二折射曲面、130为第二出射面、140为出光层140、200为反射体、210为反射曲面、300为安装板、b点为第一端点、a点为第二端点、c点为第三端点。
具体实施方式
47.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
48.实施例1、投光灯透镜，如图1至图6所示，其为半旋转体，本实施例中将靠近旋转轴的一侧作为底部，旋转轴如图3中y轴所示。
49.所述投光灯透镜包括沿着旋转轴依次设置的透镜本体100和反射体200，透镜本体100由第一几何图形绕旋转轴旋转半周(180
°
)构成，反射体200由第二几何图形绕旋转轴半周构成(180
°
)，本领域技术人员可自行设置透镜本体100和反射体200之间的间隔，该间隔大于0即可；
50.如图1所示，所述透镜本体100的底面向远离所述旋转轴的方向凹陷，形成入射曲面110，所述入射曲面110合围形成用于放置光源的光源腔；本领域技术人员可根据实际需要自行选用合适的led光源；
51.所述反射体200靠近所述透镜本体100的一侧，向靠近所述透镜本体100的方向外凸，形成反射曲面210，所述反射曲面210为自由曲面，光线在所述反射曲面210上发生全反射。
52.在实际使用时，所述投光灯透镜竖直放置，旋转轴与预设的接收面相平行，反射体200位于所述透镜本体100下方，光源所产生的部分光线通过所述透镜本体100折射至所述接收面，部分光线射向反射体200的反射曲面210，通过对所述反射曲面210向靠近所述透镜本体100的方向外凸的设计，使光线经所述反射曲面210反射至所述接收面上，避免此部分光线未被投射到接收面所产生的损失，有效利用光效。
53.现有投光灯为充分利用光效，往往需要对其投射角度进行调节，以使向下发散的光线能够投射至接收面，但调节角度时往往会导致所投射的光斑变形，矩形光斑易变形为梯形光斑，无法完全覆盖需照亮的区域，且装饰性差，本实施例通过对透镜本体100和反射体200的设计，在实际使用时，无需对投射角度进行调节即可充分利用光效。
54.参照图1，上述透镜本体100在远离旋转轴的一侧设有第一出射面120，所述第一出射面120包括相接的第一折射曲面121和第二折射曲面122，第一折射曲面121和第二折射曲面122均为自由曲面；
55.参照图4，所述光源所产生的光线通过所述第一折射曲面121折射至预设的接收面，形成第一矩形光斑，还通过所述第二折射曲面122折射至所述接收面，形成第二矩形光斑；
56.且所述光源产生的光线还通过所述透镜本体100射向所述反射曲面210，被所述反射曲面210反射至所述接收面，形成第三矩形光斑；
57.所述第一矩形光斑、所述第二矩形光斑和所述第三矩形光斑在所述接收面上叠加形成第四矩形光斑，所述第四矩形光斑为亮度均匀递减的光斑。
58.本实施例通过透镜本体100和反射体200的设计，使光源所产生的光线一部分通过第一出射面120折射至接收面、一部分通过第二折射面折射至接收面、一部分通过反射曲面
210反射至接收面，在接收面上叠加产生渐变效果，给人以视觉上的舒适感，且在实际使用中，用户可根据需要利用过投光的明暗突出展示内容。
59.如现今商家利用投光灯向店外地面投射宣传信息，吸引路过的行人，但其投射的光斑往往为圆形，且与其门店具有一定距离，宣传效果不佳，如利用本实施例所提供的投光灯透镜所构成的投光灯，其将从路面到店门口形成亮度递增的光斑，能有效吸引行人关注店面，宣传效果更佳。
60.进一步地：
61.所述光源腔为半球体，所述光源所发出的光线垂直入射至所述入射曲面110。
62.光线垂直入射时，其方向将不会发生改变。
63.本实施例中通过对入射曲面110的设计，避免光线经过入射曲面110时出现折射或反射，提高光线的利用率，还能降低对第一出射面120和反射曲面210配光的复杂性。
64.进一步地：
65.所述透镜本体100远离所述反射体200的一侧设有第二出射面130，所述第二出射面130一侧与所述透镜本体100的底面相接，另一侧与所述第一折射曲面121相接；
66.所述第二出射面130为垂直于所述旋转轴半圆形平面，其圆心与所述旋转轴相重合。
67.本实施例将第二出射面130设计为平面，以避免射向第二出射面130的光线在第二出射面130处产生全反射，影响投光效果。
68.进一步地：
69.参照图3，所述第二出射面130的圆周上的点(点b)与光源腔的球心(原点)相连时，所得连线与旋转轴形成的夹角(角α)呈25
°
～35
°
；
70.当角α过大时，将会出现较多光线损失，当角α过小时，将会发生全反射，故本实施例中该夹角呈30
°
；
71.本实施例中将所述光源腔的球心作为原点、将所述光源的光轴作为x轴，并将所述原点指向接收面的方向作为x轴正方向、将旋转轴作为y轴，并将所述原点指向反射体200方向作为y轴负方向；
72.从所述原点射向第二出射面130圆心的光线的角度为90
°
，从所述原点射向第二出射面130圆周上任意一点的光线角度为60
°
；
73.进一步地：
74.参照图3所述第一折射曲面121由第一曲线绕所述旋转轴旋转半周形成，所述第一曲线包括第一端点(点b)和第二端点(点a)，第一端点与第二出射面130相交，第一端点与第二折射曲面122相交；
75.所述第一曲线外凸于所述第一端点与所述第二端点的连线。
76.第一曲线可基于裁剪法计算获得。
77.进一步地：
78.所述第二端点与所述球心相连时，所得连线与旋转轴垂直；
79.即，所述第二端点位于光源的光轴上，通过第二端点的光线的角度为0
°
，本领域技术人员可根据所需投光灯透镜的尺寸以及所采用光源的尺寸自行设定其到光源的距离，本实施例中光源宽度为3.5mm，第二端点到光源的距离为8cm。
80.第一端点和第二端点分别与所述球心相连时，所形成的夹角(角β)呈55
°
～65
°
，本实施例该夹角呈60
°
；
81.由上可知，通过第一折射曲面121和第二出射面130的光线的角度范围0
°
到90
°
。
82.进一步地：
83.参照图3，所述第二折射曲面122由第二曲线绕所述旋转轴旋转半周形成，所述第二曲线包括第二端点(点a)和第三端点(点c)；
84.所述第二曲线外凸于所述第二端点与所述第三端点的连线。
85.上述第二曲线可通过裁剪法计算获得。
86.进一步地：
87.所述第二端点和第三端点分别与所述球心相连时，所形成的夹角(角γ)呈25
°
～35
°
，当超出该范围时，将影响第二矩形光斑和第三矩形光斑的效果；
88.本实施例中该夹角呈30
°
。
89.通过第二折射曲面122的光线和射向反射曲面210的光线的角度范围为0
°
到
‑
90
°
，本实施例中通过第二折射曲面122的光线的角度范围为0
°
到
‑
30
°
，如图3中角γ所示，向反射曲面210的光线的角度范围
‑
30
°
到
‑
90
°
，如图3中角δ所示；
90.如通过第三端点的光线角度为
‑
40
°
时，角度为
‑
35
°
～
‑
40
°
的光线通过第二折射曲面122时易因发散角度过大发生全反射，导致光线无法折射出去或分色。
91.注：一束白光是由不同波长的各种光组成，而不同波长的光折射率不同，因而当入射光线与透镜法线方向夹角偏大时容易导致某些波长的光发生折射，而某些波长的光在内部发生全发射，这样出射光便会损失某些颜色的光导致分色。
92.进一步地：
93.反射曲面210由反射曲线绕旋转轴旋转半周形成，所述反射曲线包括定端点和动端点，所述定端点为所述反射曲面210的最高点，所述动端点为所述反射曲面210的最低点；
94.所述反射曲线为，所述定端点和所述动端点的连线向远离透镜本体100的方向凹陷所形成的曲线。
95.上述反射曲线可通过裁剪法计算获得；
96.射向反射曲面210的光线的发散角度越小(如光线为
‑
20
°
，其发散角度为20
°
)，定端点和动端点在x方向上的距离越长，故本实施例中仅对发散角度大于等于30
°
的光线进行反射。
97.进一步地，所述透镜本体100靠近反射体200的一侧设有出光口，所述光源所发出的光线通过所述出光口射向反射曲面210。
98.本实施例通过对所述出光口的设计，避免射向反射体200的光线在经过透镜本体100时发生折射或内反射，有效利用光源所产生的光线的同时避免光线分色。
99.进一步地，所述出光口处设有出光层140，所述出光层140包括内层和外层，如图4所示，所述光源所发出的光线垂直入射至内层，且经过内层的光线垂直入射至外层，通过所述外层射向所述反射曲面210。
100.本实施例通过出光层140和透镜本体100共同保护放置在光源腔中的光源；
101.注：进入所述内层和所述外层的光线均为垂直入射，故对应光线的方向不会发生改变。
102.进一步地，所述出光层140与透镜本体100为一体成型结构。
103.本实施例中透镜本体100和出光层140采用pmma结构，其折射率为1.49。
104.所述光源所发出的部分光线垂直入射至所述透镜本体100，其余光线垂直入射至出光层140。
105.进一步地：
106.参照图2，还包括安装板300；
107.透镜本体100和反射体200的底部安装在所述安装板300上。
108.本领域技术人员可以通过胶粘等方式将透镜本体100和反射体200固定在所述安装板300，还可在透镜本体100和反射体200的底面设置安装块，于安装板300上设置于所述安装块一一对应的安装槽，通过将所述安装块和所述安装槽配合工作，将透镜本体100和反射体200固定在安装板300上；
109.由上可知，本领域将透镜本体100和反射体200安装在安装板300上的方案有多种，故本实施例不对其做具体限定。
110.进一步地：
111.所述安装板300上设有第一定位条和第二定位条；
112.所述第一定位条用于指示所述透镜本体100的安装位置；
113.所述第一定位条用于指示所述反射体200的安装位置。
114.基于裁剪法计算第一曲线、第二曲线和第三曲线的步骤如下：
115.s100、计算第一曲线：
116.预先设定第一端点和第二端点分别与所述球心相连时所形成的夹角值，本实施例中该夹角值为60
°
；
117.参照图4，由于每一束进入第一曲线的入射光线均与第一曲线相交，通过计算各入射光线所对应的交点，即可通过交点生成相应的曲线。
118.s110、确定对应曲线入射光线的角度：
119.将经过第一曲线的光线按角度均分为n份，确定第i份光线的角度为θ
i
(0≤i≤n)：
[0120][0121]
s120、计算每一束入射光线的单位向量计算公式为：
[0122][0123]
s130、计算所述入射光线一一对应的出射光线的单位向量计算公式为：
[0124][0125]
其中，d表示接收面距离透镜的距离，其为预设值，本实施例中d＝1000mm；h(i)表示第i条出射光线的高度。
[0126]
以h＝0的点为初始出射光线对应的点。
[0127]
设接收面上的接收的高度为0～h，h为预设值，本实施例中h为500mm，h(i)的计算公式为：
[0128][0129]
s140、基于折射定律计算第一曲线：
[0130]
入射光线与出射光线满足折射定律：
[0131][0132]
其中，n1为出射光线对应的折射率，n2为入射光线对应的折射率，本实施例中n1＝1.49，n2＝1，为切线方向单位向量，基于上述等式可计算获得
[0133]
第一曲线上第i个点的计算方式为：
[0134]
获取第i
‑
1条入射光线与第一曲线的交点，获得参考点；
[0135]
获取参考点对应的切线方向单位向量，获得参照向量；
[0136]
基于参照点和参照向量构建参照切线；
[0137]
计算所述参照切线和第i条入射光线的交点，将所得交点作为第一曲线上第i个点。
[0138]
基于上述方法依次计算获得第一曲线中各点的坐标后，即可根据第n个点的坐标确定第二出射面130的圆心和半径。
[0139]
注：第一曲线上的初始点(i＝o)为预设点，本领域技术人员根据实际情况自行设定，本实施例中该点为(8，0)。
[0140]
基于若干个点坐标生成相应曲线的技术为现有技术，故不在本实施例中进行详细介绍。
[0141]
s200、计算第二曲线：
[0142]
预先设定第二端点和第三端点分别与所述球心相连时所形成的夹角值，本实施例中该夹角值为30
°
；
[0143]
同上，通过计算第二曲线与相应的入射光线的交点，即可通过交点生成相应的曲线。
[0144]
s210、确定对应曲线入射光线的角度：
[0145]
将经过第二曲线的光线按角度均分为m份，确定第j份光线的角度为θ
j
(0≤j≤m)：
[0146][0147]
s220、计算每一束入射光线的单位向量计算公式为：
[0148][0149]
s230、计算所述入射光线一一对应的出射光线的单位向量计算公式为：
[0150][0151]
其中，h(j)表示第j条出射光线的高度。
[0152]
以h＝0的点为初始出射光线对应的点，h(j)的计算公式为：
[0153][0154]
s240、基于折射定律计算第二曲线：
[0155]
按照上述步骤s130的计算第一曲线的方式计算第二曲线，第二曲线的初始点和第一曲线的初始点相同。
[0156]
本领域技术人员通过自行设定光源腔对应的半径以及出光层140的厚度，结合计算获得的第一曲线和第二曲线，即可生成构成透镜本体100的第一几何图形。
[0157]
s300、计算反射曲线：
[0158]
第三端点与所述球心相连，预先设定所得连线与y轴所形成的夹角值，本实施例中该夹角值为60
°
；
[0159]
同上，通过计算反射曲线与相应的入射光线的交点，即可通过交点生成相应的曲线。
[0160]
s310、确定对应曲线入射光线的角度：
[0161]
将经过反射曲线的光线按角度均分为l份，确定第k份光线的角度为θ
k
(0≤k≤l)：
[0162][0163]
s320、计算每一束入射光线的单位向量计算公式为：
[0164][0165]
s330、计算所述入射光线一一对应的出射光线的单位向量计算公式为：
[0166][0167]
其中，h(k)表示第k条出射光线的高度。
[0168]
以h＝0的点为初始出射光线对应的点，h(k)的计算公式为：
[0169][0170]
s340、基于反射定律计算反射曲线：
[0171]
入射光线与出射光线满足反射定律：
[0172][0173]
按照上述步骤s130中基于入射光线和切线方向单位向量计算第一曲线的方式计算反射曲线，反射曲线的初始点为定端点，本实施例中设为(0，
‑
5)。
[0174]
本领域技术人员基于预先设定的反射体200的厚度，结合计算所得的反射曲线，即可生成第二几何图形，本领域技术人员可根据实际需要自行设定定端点的坐标，使所生成的第二几何图形与第一几何图形无交叠即可。
[0175]
将所得第一几何图形与第二几何图形绕y轴旋转正负90
°
，即可获得透镜本体100及与其对应的反射体200。
[0176]
基于光线追迹软件tracepro对本案例所得透镜进行验证，具体步骤为：
[0177]
设置一半径为2000mm的接收板作为实际墙面的模型，在距离墙面1000mm的地方放置透镜，并采用xpe
‑
2的光源进行仿真，结果如图5和图6所示。
[0178]
由图5所示为墙面照度图可知，中心水平线即数值0所标的位置为地面，y轴正方向为墙面的高度方向，从图中可以看到光线经该透镜后的实际光斑呈一个长方形形状，高度约为500mm且亮度从中心向左右两边递减，从地面向高处递减，呈现一个渐变矩形光斑。
[0179]
由于实际光源并不等于点光源，因此由实际光源模拟出来的光线照度与理论值有少许的差别，从该照度图可看出，实际得到的光斑约为3000mm*700mm的渐变矩形光斑。
[0180]
实施例2、一种发光模块，包括实施例1所述的投光灯透镜。
[0181]
实施例3、一种投光灯，包括至少一个实施例2所述的发光模块。
[0182]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
[0183]
需要说明的是：
[0184]
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
[0185]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0186]
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。