次级光学透镜

PAGEPAGE3公司案号说明书摘要 公司案号发明了一种用于LED洗墙灯中的次级光学透镜。次级光学透镜包括凹陷本体，其具有从基面延伸到顶面的外表面，所谓的外表面包括钻石纹理的薄片反射图案。此外，次级光学透镜包括从凹陷本体的基面向上延伸的光入射表面，所谓的光入射表面包括圆柱形入射面和在圆柱形入射面之上的非球面入射面。在凹陷本体的顶面有发光表面，其具有正弦波形的条纹纹理。权利要求书 公司案号1．一种用于LED洗墙灯中的次级光学透镜，包括：凹陷的本体，其包括从基面延伸到顶面的外表面，所述外表面具有钻石纹理的薄片反射图案；从所述凹陷本体的所述基面向上延伸的光入射表面，光入射表面具有圆柱形入射面和在所述圆柱形入射面之上的非球面入射面；和在所述凹陷本体的顶面的发光表面，其具有正弦波形的条纹纹理。2．如权利要求1所述的次级光学透镜，还包括与所述发光表面相邻且具有至少一个定位销的凸缘。3．如权利要求1所述的次级光学透镜，其中所述圆柱形入射面相对于所述次级光学透镜的光轴具有范围在1°和7°之间的拔模角。4．如权利要求3所述的次级光学透镜，其中所述圆柱形入射面构形成收集从位于非球面入射面下面的LED以相对于所述次级光学透镜的光轴在30°到90°之间的角度射出的光束，并且进一步构形成将所述光束折射到所述外表面。5．如权利要求4所述的次级光学透镜，其中所述钻石纹理的薄片反射图案完全反射所述光束并且构形成以±3°-±5°的小角度范围混合所述光束。6．如权利要求1所述的次级光学透镜，其中所述非球面入射面构形成收集从位于非球面入射面下面的LED以相对于所述次级光学透镜的光轴在0°到30°之间的角度射出的光束，并且进一步构形成会聚所述光束，和其中所述会聚的光束作为入射光束照射到所述发光表面上。7．如权利要求6所述的次级光学透镜，其中所述发光表面的正弦波形条纹纹理使所述光束垂直于所述条纹地散射和分布，和其中输出光束以大于45°至75°的范围散布。8．如权利要求1所述的次级光学透镜，其中具有钻石纹理的薄片反射图案的所述外表面从所述基面到所述顶面为0.5mm至5mm之间，和其中每个薄片面的尺寸在更接近所述顶面的位置增大。9．如权利要求1所述的次级光学透镜，其中从位于所述非球面入射面下面的LED的中心点射出的光束在通过所述圆柱形入射面之后作为入射光束照射在所述钻石纹理薄片反射图案的薄片的中心点位置上，和其中反射之后的出射光被准直并且沿着平行于所述次级光学透镜的光轴的方向射出。10．如权利要求9所述的次级光学透镜，其中由所述圆柱形入射面折射的另外的光束分别作为另外的入射光束照射在所述钻石纹理薄片反射图案的薄片的上部和下部边缘点上，和其中在反射之后的出射光束具有大约3°和5°之间的散射角。11．如权利要求1所述的次级光学透镜，其中所述非球面入射面构形成使从位于所述非球面入射面下面的LED射出的光束分布在0°到45°的范围内。12．如权利要求1所述的次级光学透镜，其中所述非球面入射面包括光滑表面、磨砂表面、或具有光束混合效果的微透镜阵列表面之一。13．如权利要求1所述的次级光学透镜，其中所述非球面入射面包括满足下列条件的入射角θ1和对应的出射角δi：。14．如权利要求1所述的次级光学透镜，其中所述发光表面的条纹纹理具有一种光分布原理，其中对于正弦波的第一个八分之一周期内的第i个入射光束，对应的第i个输出光束的出射角ψi满足下列分布条件：。15．如权利要求1所述的次级光学透镜，其中所述发光表面的条纹纹理具有一种光分布原理，其中对于正弦波的第二个八分之一周期内的第i个入射光束，对应的第i个输出光束的出射角ψi满足下列分布条件：。16．如权利要求14或权利要求15所述的次级光学透镜，其中所述出射角ψi处于452max75的范围内。17．如权利要求2所述的次级光学透镜，其中所述凸缘是正方形的、六边形的或圆形的。18．如权利要求1所述的次级光学透镜，其中所述发光表面相对于所述顶面倾斜。19．如权利要求1所述的次级光学透镜，其中所述发光表面相对于所述顶面是凹陷的。20．如权利要求1所述的次级光学透镜，其中所述发光表面相对于所述顶面是凸起的。说明书 公司案号次级光学透镜相关申请的引用本申请要求2012年9月5日申请的申请号为13/604203的美国申请的优先权。技术领域本发明总体上涉及洗墙灯的LED透镜，更具体地，涉及设计用于在小角度内均匀混合光束以在墙面上产生均匀照明和一致色温的次级光学透镜。背景技术洗墙灯一般是指用于照明大面积墙面的灯具。其主要用于外部建筑墙体的照明、景观照明、广告牌照明、文化设施照明等等。此外，其还广泛用于场所例如旅馆大厅、舞厅和酒吧的氛围照明。近年来，LED洗墙灯已经广泛应用于各种场所，并且涉及的范围也变得越来越广，例如从室内到室外和从局部照明到整体照明。此外，洗墙灯的应用水平处于连续强化和发展中。如果这些最近的趋势持续，LED洗墙灯将很可能发展成照明工程不可或缺的部分。预期LED洗墙灯将发展成为小型、精致和体积轻便的，并且将主要基于大功率LED光源。通常，用长棒（即，灯条）实施LED洗墙灯，长棒有线性地安装在塑料外壳或类似装置中的多个LED。对于某些洗墙照明应用，需要为LED提供次级光学透镜以根据某些所需的特性分布光束。次级光学透镜的设计原理通常如下：全反射的准直透镜首先用来将从LED射出的光束会聚成非常小的光束角，然后通过透镜顶部的线形光分布曲面将光束以宽角度向墙面散射，而在垂直于墙面的方向上，非常小的光束角度没有改变。因此，大多数的光束可以聚集在墙面上。然而，传统的次级光学透镜的一个缺点是因为外表面的全反射曲面是光滑的，所以当LED芯片的荧光粉没有均匀涂覆时，由于棱镜色散效应，透镜可能在墙面上的不同高度处产生不同的色温。例如，在与LED光源相邻的墙面上的较低高度处的颜色倾向于有点蓝，而在较高墙体高度处的颜色倾向于有点黄。因而，需要一种LED洗墙灯透镜，其可以在小角度内均匀混合光束以在墙面上产生均匀照明和一致色温。发明内容根据在此公开的一个方面，次级光学透镜被提供用于LED洗墙灯中。次级光学透镜包括凹陷的本体，其具有从基面延伸到顶面的外表面，并且具有带有钻石纹理的薄片反射图案的外表面。此外，次级光学透镜包括从凹陷本体的基面向上延伸的光入射表面和在凹陷本体的顶面的发光表面，光入射表面具有圆柱形入射面和在圆柱形入射面之上的非球面入射面，发光表面具有正弦波形的条纹纹理。在另一个方面中，次级光学透镜进一步包括与发光表面相邻且具有至少一个定位销的凸缘。在另一个方面中，圆柱形入射面相对于次级光学透镜的光轴具有范围在1°和7°之间的拔模角。在另一个方面中，圆柱形入射面构形成收集从位于非球面入射面下面的LED以相对于次级光学透镜的光轴在30°到90°之间的角度射出的光束，并且进一步构形成将光束折射到外表面。在另一个方面中，钻石纹理的薄片反射图案完全反射光束并且构形成以±3°-±5°的小角度范围混合光束。在另一个方面中，非球面入射面构形成收集从位于非球面入射面下面的LED以相对于次级光学透镜的光轴在0°到30°之间的角度射出的光束，并且进一步构形成会聚光束，和其中会聚的光束作为入射光束照射到发光表面上。在另一个方面中，发光表面的正弦波形条纹纹理使光束垂直于条纹地散射和分布，和其中输出光束以大于45°至75°的范围散布。在另一个方面中，具有钻石纹理的薄片反射图案的外表面从基面到顶面为0.5mm至5mm之间，和其中每个薄片面的尺寸在更接近顶面的位置增大。在另一个方面中，从位于非球面入射面下面的LED的中心点射出的光束在通过圆柱形入射面之后作为入射光束照射在钻石纹理薄片反射图案的薄片的中心点位置上，和其中反射之后的出射光被准直并且沿着平行于次级光学透镜的光轴的方向射出。在另一个方面中，由圆柱形入射面折射的另外的光束分别作为另外的入射光束照射在钻石纹理薄片反射图案的薄片的上部和下部边缘点上，和其中在反射之后的出射光束具有大约3°和5°之间的散射角。在另一个方面中，非球面入射面构形成使从位于非球面入射面下面的LED射出的光束分布在0°到45°的范围内。在另一个方面中，非球面入射面包括光滑表面、磨砂表面、或具有光束混合效果的微透镜阵列表面之一。在另一个方面中，非球面入射面包括满足下列条件的入射角θ1和对应的出射角δi：在另一个方面中，发光表面的条纹纹理具有一种光分布原理，其中对于正弦波的第一个八分之一周期内的第i个入射光束，对应的第i个输出光束的出射角ψi满足下列分布条件：在另一个方面中，发光表面的条纹纹理具有一种光分布原理，其中对于正弦波的第二个八分之一周期内的第i个入射光束，对应的第i个输出光束的出射角ψi满足下列分布条件：在另一个方面中，出射角ψi处于452max75的范围内。在另一个方面中，次级光学透镜进一步包括正方形的、六边形的或圆形的凸缘。在另一个方面中，次级光学透镜的发光表面相对于顶面倾斜。在另一个方面中，次级光学透镜的发光表面相对于顶面是凹陷的。在另一个方面中，次级光学透镜的发光表面相对于顶面是凸起的。附图说明附图仅仅是为了说明的目的而不必按比例绘制，然而，可以结合附图参考下面的详细说明最好地理解发明本身，其中：图1A表示根据示例性实施例的次级光学透镜的三维透视图；图1B表示根据示例性实施例的指向上方的次级光学透镜的侧视图；图1C表示根据示例性实施例的次级光学透镜的发光表面的正弦波形条纹纹理的俯视图；图1D表示根据示例性实施例的指向右方的次级光学透镜的侧视图；图1E表示根据示例性实施例的次级光学透镜的底视图；图1F表示根据示例性实施例的次级光学透镜的底视透视图；图2A和2B表示根据示例性实施例的次级光学透镜的横截面侧视图；图3表示根据示例性实施例的次级光学透镜的反射准直的小角度光束混合效果；图4表示根据示例性实施例的发光表面的单个钻石纹理薄片的光束混合效果；图5表示根据示例性实施例的光入射表面的非球面入射面的设计原理；图6表示根据示例性实施例的非球面入射面的入射角和对应出射角的光分布原理；图7表示根据示例性实施例的发光表面的正弦波形条纹纹理的光分布原理；图8表示根据示例性实施例的发光表面的曲面的正弦曲线的区间的光分布原理；图9表示由根据示例性实施例的次级光学透镜沿Y方向射出的光束的光线跟踪的计算机模拟；图10表示由根据示例性实施例的次级光学透镜沿X方向射出的光束的光线跟踪的计算机模拟；图11A和11B表示根据示例性实施例的由具有多个次级光学透镜的灯条射出的光斑形状；图12表示根据示例性实施例的次级光学透镜的示例性光强远场角分布；图13表示在根据示例性实施例的次级光学透镜的侧面在平行于X方向的屏幕上的光斑形状；图14A-14E表示次级光学透镜的备选实施例的各种透视图；图15A-15E表示具有倾斜发光表面的次级光学透镜的备选实施例的各种透视图；图16A-16E表示具有凹陷发光表面的次级光学透镜的备选实施例的各种透视图；图17A-17E表示具有凸起发光表面的次级光学透镜的备选实施例的各种透视图。具体实施方式图1A至1F表示根据示例性实施例的次级光学透镜100的多个视图。具体地说，图1A表示次级光学透镜100的三维透视图，其包括发光表面110，发光表面110具有凸缘112和从凸缘112的下侧伸出的定位销114。如本领域技术人员知晓的，定位销114在安装过程中，例如在安装到灯条安装结构的过程中，引导次级光学透镜100。在示例性实施例中，可以被看作透镜表面顶部的水平面的发光表面110包括正弦波形条纹纹理。更特别地，图1C表示次级光学透镜100的发光表面110的正弦波形条纹纹理的俯视图。次级光学透镜100被关于X和Y方向示出。可以设想，X方向平行于被照明的墙面，Y方向垂直于被照明的墙面。例如，具有次级光学透镜100的照明设备可以安装到墙面以使得发光表面110面向上。在示例性实施例中，发光表面110的正弦波形条纹纹理构形成使光束沿着垂直于条纹的方向（即，平行于墙面的X方向）散射和分布。此外，输出光束优选地沿着垂直于条纹的方向以大于45°至75°的范围散布（即，相对于Z方向的夹角的范围大于大约22.5°至大约37.5°的范围）。在示例性实施例的进一步改进中，总的散射角是75°（即，发散半角是±37.5°）。图1B表示次级光学透镜100的侧视图，其中发光表面110指向上方，图1D表示次级光学透镜100的侧视图，其中发光表面110指向右方。如这两个图中所示，次级光学透镜100包括圆锥形的反射表面116，反射表面116具有钻石纹理的薄片图案，该图案构形成沿Z方向反射光，如下面结合图3详细讨论的。图1E表示次级光学透镜100的底视图，其示出了发光表面110的下侧。如上面提及的，次级光学透镜100包括凸缘112上的定位销114。如图1E中所示，提供了四个定位销114以在安装过程中引导次级光学透镜100。应该懂得，次级光学透镜100可以具有任意数量的定位销或根本没有定位销。图1F表示根据示例性实施例的次级光学透镜100的底视透视图。如将在下面更详细地讨论的，内部的光入射表面120作为圆柱形表面从底部或基面向上延伸并且位于次级光学透镜100的中心。在这点上，LED可以位于光入射表面120内并且向光入射表面120射出光。图2A和2B分别表示根据示例性实施例的沿着Y和X方向的次级光学透镜100的横截面侧视图。如上面提及的，次级光学透镜100包括发光表面110和凸缘112。此外，如所示，次级光学透镜100包括内部的光入射表面120，其包括限定了圆柱形入射面222的圆柱形表面和在圆柱形表面顶部的非球面入射面224，圆柱形入射面222沿Z方向延伸。在示例性实施例中，光入射表面120的圆柱形入射面222优选地沿Z方向以1°和7°之间的拔模角延伸，使得圆柱形入射面222能收集相对于光轴，即Z方向，以30°至90°的角度从LED射出的光束，并将光束折射到外反射表面116。此外，具有钻石纹理薄片图案的外反射表面116构形成将由圆柱形入射面222折射的光束完全反射到发光表面110。该光反射模式在下面结合图3详细说明。此外，外反射表面116优选地构形成在大约3°至5°的小角度范围内混合光束。光入射表面120的非球面入射面224优选地构形成收集相对于光轴，即Z方向，以0°至30°的角度从LED射出的光束，并会聚光束。在示例性实施例中，会聚的光束也作为入射光束照射在次级光学透镜100顶部的发光表面110上。该光反射模式在下面结合图5详细说明。图3表示根据示例性实施例的次级光学透镜100的反射准直和小角度光束混合效果。如所示，相对于光轴以30°至90°的角度从LED130的发光表面的中心点O射出的光束从光入射表面120的圆柱形入射面222折射到外反射表面116。如所示，外反射表面116的钻石纹理薄片图案构形成沿Z方向完全反射入射光束并使其沿Z方向准直。此外，外反射表面116构形成以±∆θ的角度范围执行小角度光束混合，基于不同的薄片尺寸，该角度在±3°至±5°的范围内。如所示，反射的光束作为入射光束照射在透镜顶部的发光表面110上，然后其沿垂直于条纹的方向散射和分布，如上面讨论的。图4表示根据示例性实施例的发光表面110的单个钻石纹理薄片的光束混合效果。如所示，Q1-Q-Q2被描绘为单个钻石纹理薄片平面沿Y方向的示例性截面轮廓线。从LED130的中心点O射出的光束OP在由光入射表面120的圆柱形入射面222折射之后作为入射光束照射在薄片的中心点Q位置。此外，其在反射之后的出射光TR被沿Z方向（即，平行于光轴OZ）准直和射出。光束OP1和OP2在被圆柱形入射面222折射之后分别作为入射光束照射在外反射表面116的薄片的上部和下部边缘点Q1和Q2上。此外，因为薄片Q1-Q-Q2是外反射表面116的刻面，具有作为中心的点Q，所以在来自其边缘位置Q1和Q2的反射光束通过发光表面110射出之后，出射边缘光束T1R1和T2R2将有效地具有小的散射角±∆θ。在示例性实施例中，在次级光学透镜具有0.5mm至5mm之间的高度的情况下，薄片平面越靠近透镜的底部就越小，随着它们靠近透镜的顶部，就会越大。在示例性实施例中，接近透镜底部的薄片平面的尺寸是大约0.7mm，接近透镜顶部的薄片平面的尺寸是大约2mm。因此，出射光束能产生±3°至±5°的范围内的混合光。重申一下，光学次级透镜和薄片平面的尺寸是为了示例性的目的而提供，而绝不是用来限制在此公开的内容。图5表示根据示例性实施例的光入射表面120的非球面入射面224的设计原理。预期光入射表面120可以是光滑表面、磨砂表面或具有光束混合效果的微透镜阵列表面。如所示，相对于光轴以从0°至30°的角度从LED的点O射出的光束作为入射光束照射在非球面入射面224上。此外，在示例性实施例中，非球面入射面224构形成以0至δ°的范围内的角度分配输出光束，其是优于现有技术设计的有利设计。特别地，具有非球面平面的现有技术设计在射出光束具有较小光束角度的情况下应用准直，该现有技术设计引起接近灯具的墙面下部处的光斑阴影（即，喇叭形阴影）和喇叭形斑点外侧的暗区，导致不完美的洗墙效果。相反，通过将非球面入射面224定位在次级光学透镜100底部的中心部以如图5中所示地分布光，非球面入射面224使输出光束以0至δ°的范围内的角度散布，这有效地消除了接近灯具的墙面下部位置处的喇叭形光斑，并且同时能补偿喇叭形斑点外侧的相对暗的区域，以便获得相对均匀的洗墙效果。在示例性实施例中，δ角度在20°至45°之间，优选地是30°。图6表示根据示例性实施例的光入射表面120的非球面入射面224的入射角和对应出射角的光分布原理。入射角θ1是指图5中在从LED中心点O射出的光束和光轴OZ之间的夹角，其相对于光轴在0°至30°角之间，所述光束作为入射光束照射在非球面入射面224上。如所示，θbeam是在通过外反射表面116准直之后沿着Y方向射出的光束角度。在示例性实施例中，θbeam是范围在6°至15°之间的角度，优选地为8°。如图6中进一步所示，Q'是等效发光点，三角形∆O'UV是等效光分布三角形。这样，UV是假定长度为1的等效墙面照明目标，其到点O'的张角大小是δ（即，δ是通过发光表面110的出射边缘光束的最大出射角）。在示例性实施例中，照明目标UV优选地在三角形∆O'UV内均匀划分，同时，0-30°入射角被均匀划分，且两者彼此匹配。因此，相等划分点Ui关于点O'的张角δi是第i个光束的出射角，其对应的入射光束是从LED130的中心点O射出的第i个光束。假设Ui是照明目标上的第i个划分点，UUi的长度是θ1/30°。基于等效分布三角形∆O'UV的三角函数关系，对于非球形入射面224的入射角θ1及其输出光束的出射角δi可以容易地获得光分布条件。QUOTE(公式1)基于公式1的光分布条件，某人可以应用数值计算结合折射原理针对非球形入射面224的轮廓线计算（X，Y）坐标值。图7表示根据示例性实施例的发光表面110的正弦波形条纹纹理的光分布原理。如所示，发光表面110使入射光束垂直于表面的条纹散射和分布，并且输出光束相对于光轴OZ散布在±ψmax角度范围内（即，总角度是2ψmax）。在示例性实施例中，范围是45°≤2ψmax≤75°。如所示，发光表面110的曲面是正弦波形光分布曲面。为了说明的目的，正弦波的四分之一周期被标识为A-B-C区间。当光束照射在正弦曲线的四分之一区间的最低点（即，点D）或最高点（即，点F）时，出射光束DG和FK平行于光轴OZ，即沿Z方向，射出。当光束照射在横断正弦曲线的中点（即，点E）时—这是正弦曲线的八分之一周期位置—出射光束EH具有最大发散角ψmax。此外，如所示，对于在A-B和B-C区间的入射光束，在其出射光束和光轴OZ之间的夹角基于对应比例在0-ψmax的范围内均匀散布。图8表示示例性实施例中发光表面110的曲面的A-B区间的光分布原理。注意，这里所指的A-B区间在图7中示出并在上面讨论了。如图8中所示，三角形∆QGH是等效分布三角形，其中QG对应于图7中的输出光束DG，QH对应于图7中的输出光束EH，点Q是输出光束DG和EH的等效公共发光点。此外，GH是照明目标，并且为了讨论的目的，作下列假设：照明距离被标准化为QG=1，照明目标GH=tan（ψmax）。应该懂得，在图7中所示的发光表面110的光分布的局部放大图中，区间A-B的入射光束被划分成n个部分。同样，照明目标GH如图8中所示被划分成n个部分，该n个部分对应于图7中所示的n个部分。关于区间A-B内的第i个入射光束，其对应的第i个输出光束QI的出射角ψi满足下列条件：QUOTE(公式2)此外，除了输出光束分布角的顺序与A-B区间的顺序相反，以及照明目标的和B-C区间的入射光束分别被划分成n个部分之外，发光表面110的B-C区间的光分布原理优选地具有与图8中所示的相同的分布原理。第i个光束的出射角满足下列条件：QUOTE(公式3)基于公式2和公式3的光分布条件，可以通过数值计算确定发光表面110的光分布的轮廓线，它是正弦波形。应该懂得，如果正弦曲线的振幅和周期之间的比例是固定的，则正弦曲线的周期大小不影响输出光束的角度。此外，如果将聚甲基丙烯酸甲酯（“PMMA”）用作示例性实施例中的次级光学透镜100的材料，则八分之一周期的输出边缘光束EH的最大出射角是ψmax=37.5°，且可以算出正弦波振幅/周期比例为0.284。优选地，在示例性实施例中，正弦曲线的两个相邻波峰（或波谷）的优选周期是0.75mm。应该懂得，这里公开的内容绝不是对这些尺寸的限制。图9和10表示根据示例性实施例的次级光学透镜100的计算机模拟。为了这些模拟，假设提供由Cree有限公司制造的XLampXP-ELED作为次级光学透镜100的LED光源，且光通量是90流明。特别地，图9表示次级光学透镜100沿Y方向射出的光束的光线跟踪的计算机模拟，图10表示次级光学透镜100沿X方向射出的光束的光线跟踪的计算机模拟。如图9中所示，沿Y方向（即，垂直于墙面的方向）的出射光束基本上被准直和射出，而沿X方向（即，平行于墙面的方向）的出射光束具有相当大的光束角。因而，采用多个线性排列且具有小倾角的次级光学透镜100的灯条能将所有光束散发到墙面上以在具有非常大的照明面积和非常长的照明距离的情况下形成均匀的光斑。为了示例性的目的，图11表示由具有多个次级光学透镜100的灯条在3米距离射出的光斑形状。如所示，光斑分布是均匀分布的线。图12表示次级光学透镜100的示例性光强远场角分布。如所示，关于0度方位角的光分布曲线，光束角比较大，曲线形状看起来有点象蝙蝠翅膀。此外，在其最高光强的一半位置处的光束角的宽度是大约±37.5°，并且它使光沿垂直于透镜条纹的方向（即，X方向）分布。关于90度方位角的光分布曲线，光束角非常小，曲线呈高斯分布，在其最高光强的一半位置处的光束角的宽度仅仅是大约±3°，并且它使光沿平行于透镜条纹的方向（即，Y方向）分布。图13表示在次级光学透镜100的侧面在平行