透鏡和照明設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于包括固態(tài)照明元件的照明設(shè)備的透鏡。
[0002]本發(fā)明進(jìn)一步涉及包括這種透鏡的照明設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著人口的持續(xù)增加，越來(lái)越難以既滿足世界的能量需求又控制碳排放，以限制被認(rèn)為造成了全球變暖現(xiàn)象的溫室氣體排放。這些憂慮引發(fā)了驅(qū)使向更高效的用電，以試圖減少能量消耗。
[0004]所關(guān)注的一個(gè)這種領(lǐng)域是在家用環(huán)境下或者在商業(yè)環(huán)境下的照明應(yīng)用。明顯趨向于使用能量效率更高的代替品替換臭名昭著的能量效率低的常規(guī)白熾燈泡。事實(shí)上，在很多轄區(qū)內(nèi)，生產(chǎn)和零售白熾燈泡是不合法的，因此迫使消費(fèi)者例如當(dāng)替換白熾燈泡時(shí)，購(gòu)買節(jié)能備選物。
[0005]特別有希望的備選物由固態(tài)照明(SSL)設(shè)備提供，其可以以白熾燈泡的一部分能量成本產(chǎn)生單位光輸出。這種SSL元件的示例是發(fā)光二極管。
[0006]基于SSL元件的照明設(shè)備的缺點(diǎn)是單獨(dú)SSL元件具有比例如白熾、鹵鎢或者熒光燈泡低得多的光輸出，使得有必要在諸如燈泡之類的單個(gè)照明設(shè)備中包括多個(gè)SSL元件以獲得所需的光輸出水平。然而，這通常被認(rèn)為對(duì)照明設(shè)備的外觀產(chǎn)生負(fù)面影響，妨礙了這種照明設(shè)備的市場(chǎng)滲透，雖然近期所謂的板上芯片(COB) SSL元件(例如COB LED)的出現(xiàn)已經(jīng)在很大程度上解決了這一問題，在該元件中，多個(gè)SSL芯片被封裝在一起作為一個(gè)照明模塊，使得在使用中，照明設(shè)備的發(fā)光表面給出單個(gè)照明面板的外觀。
[0007]妨礙這種照明設(shè)備的消費(fèi)者市場(chǎng)滲透的另一問題是，至少以節(jié)約成本的方式控制這種設(shè)備的光輸出的形狀，并非易事。當(dāng)需要高方向性的光輸出時(shí)，例如具有小的光束角(例如小于30°的光束角)的燈泡，這是特別的問題。通過(guò)將諸如菲涅耳(Fresnel)透鏡和準(zhǔn)直器之類的光學(xué)元件包括到照明設(shè)備中，可以控制光束角。例如，公開號(hào)為JP2011-192494A的日本專利申請(qǐng)公開了用于照明系統(tǒng)的菲涅耳透鏡，該菲涅耳透鏡具有折射透鏡部分和反射透鏡部分。該菲涅耳透鏡進(jìn)一步包括用于將透鏡放置在照明設(shè)備的基板上的框架。
[0008]然而，光束角和實(shí)現(xiàn)期望的光束角所需要的光學(xué)元件的尺寸之間存在負(fù)相關(guān)。這意味著，對(duì)于小的光束角，例如25°或者15°的光束角，需要大尺寸的光束成形元件。在諸如緊湊型燈泡之類的很多小的照明設(shè)備中，沒有足夠的空間容納諸如上面提到的現(xiàn)有技術(shù)的菲涅耳透鏡之類的光學(xué)元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明力求提供可以用于在緊湊型照明設(shè)備中生成高方向性的光輸出的透鏡。
[0010]本發(fā)明進(jìn)一步力求提供包括這種透鏡的照明設(shè)備。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的方面，提供了用于包括固態(tài)照明元件的照明設(shè)備的透鏡，該透鏡包括:光出射表面；中心透鏡部分，與所述光出射表面相對(duì)；內(nèi)環(huán)形反射元件，與所述光出射表面相對(duì)并且從所述光出射表面延伸離開第一距離，所述內(nèi)環(huán)形反射元件界定所述中心透鏡部分；以及側(cè)表面，由外環(huán)形反射元件限定，外環(huán)形反射元件與所述光出射表面相對(duì)并且從所述光出射表面延伸離開第二距離，該第二距離大于第一距離使得外環(huán)形反射元件延伸超過(guò)內(nèi)環(huán)形反射元件。
[0012]本發(fā)明的至少一些實(shí)施例是基于洞悉了具有兩個(gè)這種環(huán)形元件(即界定諸如折射透鏡部分之類的中心透鏡部分的內(nèi)環(huán)形反射元件、和直接鄰近內(nèi)環(huán)形元件的外環(huán)形元件)的透鏡的外環(huán)形反射元件可以用作透鏡的支撐部。因此，當(dāng)透鏡被放置在承載一個(gè)或者多個(gè)SSL的表面上時(shí)，外環(huán)形反射元件不僅支撐透鏡，而且封閉由一個(gè)或者多個(gè)SSL元件限定的發(fā)光表面。由于透鏡不需要分立的支撐結(jié)構(gòu)，透鏡可以以緊湊方式制成，使得其可以被適配在諸如方向性燈泡之類的緊湊型照明設(shè)備中。
[0013]而且，因?yàn)橥猸h(huán)形反射元件被設(shè)計(jì)為與照明設(shè)備的支撐部緊密配合，在淺角下從SSL元件發(fā)射的光仍然可以被收集和準(zhǔn)直。要注意的是，JP 2011-192494A中的菲涅耳透鏡不享有這一優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@一透鏡的外反射部分在其面對(duì)照明設(shè)備的表面的末端和這一表面之間具有間隙，這是由于以下事實(shí)，即這一透鏡的支撐構(gòu)件延伸向這一表面到超過(guò)外反射部分的程度，即與這一表面緊密配合的是支撐構(gòu)件。因此，以淺角發(fā)射的光不可以被外反射部分捕獲，而是代之可以被不能準(zhǔn)直該光的支撐構(gòu)件捕獲。因此，根據(jù)本發(fā)明的至少一些實(shí)施例的透鏡實(shí)現(xiàn)了比這一現(xiàn)有技術(shù)透鏡更高程度的準(zhǔn)直。
[0014]在實(shí)施例中，中心透鏡部分具有凸形表面。該凸形表面實(shí)現(xiàn)朝向透鏡的中心軸的入射光準(zhǔn)直，從而實(shí)現(xiàn)更加聚焦的外觀。
[0015]中心透鏡部分可以包括菲涅耳折射表面。
[0016]在實(shí)施例中，內(nèi)環(huán)形反射元件和外環(huán)形反射元件中的至少一個(gè)包括由多個(gè)小面環(huán)限定的漸窄外表面，以改進(jìn)透鏡的顏色混合。此外，這種小面環(huán)可以用于以增加直徑為代價(jià)減少透鏡的總高度。
[0017]光出射表面可以包括階梯式輪廓以減少透鏡的總高度，從而使其更適合集成在緊湊型照明設(shè)備中。
[0018]光出射表面可以被紋理化，和/或透鏡可以包括在所述光出射表面上的微透鏡陣列，以減少透鏡的顏色隨角度(C0A)變化。
[0019]透鏡可以由諸如(光學(xué)級(jí))聚碳酸酯或者聚甲基丙烯酸甲酯之類的聚合物材料制成，使得透鏡可以通過(guò)諸如注射成型之類的低成本技術(shù)制造。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了包括至少一個(gè)固態(tài)照明元件和根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的透鏡的照明設(shè)備，該透鏡被放置在至少一個(gè)固態(tài)照明元件之上，使得外環(huán)形反射元件與照明設(shè)備的表面接觸，其中固態(tài)照明元件的發(fā)光表面區(qū)域被外環(huán)形反射元件包圍。
[0021]這提供了具有高效率準(zhǔn)直特性的緊湊型照明設(shè)備，該緊湊型照明設(shè)備能夠生成小于20°的窄光束，諸如15°或者更小。
[0022]在實(shí)施例中，發(fā)光表面區(qū)域延伸超過(guò)中心透鏡部分。因?yàn)橥猸h(huán)形反射元件和燈泡的表面之間的物理接觸，這是可行的，使得形成了其中透射光輸出的氣密密封腔體。因此，所有發(fā)射的光被透鏡收集，從而產(chǎn)生了具有高光通量結(jié)合上面提及的窄光束角的照明設(shè)備。
[0023]照明設(shè)備可以包括在所述至少一個(gè)固態(tài)照明元件之上的腔體，所述腔體容納所述透鏡。
[0024]至少一個(gè)SSL元件可以是發(fā)光二極管(LED)。諸如COB LED之類的板上芯片(C0B)SSL元件是特別優(yōu)選的，因?yàn)檫@種SSL元件產(chǎn)生外觀均勻的高光輸出，這從美學(xué)角度是令人愉悅的。
【附圖說(shuō)明】
[0025]更詳細(xì)地并且通過(guò)參照附圖的非限制性示例的方式描述了本發(fā)明的實(shí)施例，其中:
[0026]圖1示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的透鏡；
[0027]圖2示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的透鏡；
[0028]圖3示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的透鏡；
[0029]圖4示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的透鏡的第一透視圖；
[0030]圖5示意性地描繪了圖4中的透鏡的第二透視圖；并且
[0031]圖6示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的照明設(shè)備。
【具體實(shí)施方式】
[0032]應(yīng)該理解的是，附圖僅是示意性的并且未按比例繪制。還應(yīng)該理解的是，相同的附圖標(biāo)記貫穿附圖用于指示相同或者相似的部分。
[0033]圖1示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的透鏡100。透鏡100包括由中心透鏡部分120限定的光進(jìn)入表面、內(nèi)環(huán)形反射元件130、以及限定透鏡100的側(cè)表面的外環(huán)形反射元件140。透鏡100進(jìn)一步包括與光進(jìn)入表面相對(duì)的光出射表面110。在使用中，透鏡100的光進(jìn)入表面通常面對(duì)光源，諸如包括諸如發(fā)光二極管之類的一個(gè)或者多個(gè)固態(tài)照明(SSL)元件20的表面。在實(shí)施例中，內(nèi)環(huán)形反射元件130和外環(huán)形反射元件140直接鄰近彼此，即透鏡100包括不多于兩個(gè)的這種環(huán)形元件。
[0034]內(nèi)環(huán)形反射元件130和外環(huán)形反射元件140每個(gè)都朝向承載(多個(gè))SSL元件20的表面延伸離開光出射表面110。內(nèi)環(huán)形反射元件130從光出射表面110的一部分延伸離開距離dl，而外環(huán)形反射元件140從這一部分延伸離開距離d2，其中d2大于dl。換句話說(shuō)，外環(huán)形反射元件140比內(nèi)環(huán)形反射元件130延伸超過(guò)中心透鏡部分120的平面125更大的量或者距離。因此，在使用中，外環(huán)形反射元件140可以接觸承載(多個(gè))SSL元件20的表面，而內(nèi)環(huán)形反射元件130和這一表面之間保留間隙。
[0035]內(nèi)環(huán)形反射元件130具有內(nèi)表面132和外表面134。外環(huán)形反射元件140具有內(nèi)表面142和外表面144。內(nèi)環(huán)形反射元件130和外環(huán)形反射元件140的相應(yīng)內(nèi)表面132和142是有角度的，使得來(lái)自(多個(gè))SSL元件20的入射光以小于反射臨界角的角度入射，使得大部分的入射光將分別行進(jìn)進(jìn)入內(nèi)環(huán)形反射元件130和外環(huán)形反射元件140。技術(shù)人員將容易理解的是，少量的反射可能是難以避免的。
[0036]內(nèi)環(huán)形反射元件130和外環(huán)形反射元件140的相應(yīng)外表面134和144是有角度的，使得來(lái)自(多個(gè))SSL元件20的分別通過(guò)內(nèi)環(huán)形反射元件130和外環(huán)形反射元件140行進(jìn)的入射光以大于反射臨界角的角度與這些表面相遇，從而如圖1中的箭頭所示的那樣將光反射向光出射表面110。換句話說(shuō)，內(nèi)環(huán)形反射元件130和外環(huán)形反射元件140的相應(yīng)外表面134和144是全內(nèi)反射表面。因此，內(nèi)環(huán)形反射元件130和外環(huán)形反射元件140分別充當(dāng)用于(多個(gè))SSL元件20所發(fā)射的光的內(nèi)準(zhǔn)直器和外準(zhǔn)直器。
[0037]內(nèi)環(huán)形反射元件130和外環(huán)形反射元件140的相應(yīng)外表面134和144可以是光滑表面，或者可以是多小面表面，其中該表面由每個(gè)都包括多個(gè)小面的多個(gè)弧形段構(gòu)建。這改進(jìn)了透鏡100的顏色混合和光束成形。
[0038]在實(shí)施例中，內(nèi)環(huán)形反射元件130和外環(huán)形反射元件140的相應(yīng)外表面134和144被成形為使得被這些表面改向的光豎直離開光出射表面110，即垂直于光出射表面110的平面離開這一表面。
[0039]在實(shí)施例中，中心透鏡部分120可以具有凸形形狀，使得由中心透鏡部分120折射的入射光豎直地離開光出射表面110，即垂直于光出射表