透镜和照明设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于包括固态照明元件的照明设备的透镜。
[0002]本发明进一步涉及包括这种透镜的照明设备。
【背景技术】
[0003]随着人口的持续增加，越来越难以既满足世界的能量需求又控制碳排放，以限制被认为造成了全球变暖现象的温室气体排放。这些忧虑引发了驱使向更高效的用电，以试图减少能量消耗。
[0004]所关注的一个这种领域是在家用环境下或者在商业环境下的照明应用。明显趋向于使用能量效率更高的代替品替换臭名昭着的能量效率低的常规白炽灯泡。事实上，在很多辖区内，生产和零售白炽灯泡是不合法的，因此迫使消费者例如当替换白炽灯泡时，购买节能备选物。
[0005]特别有希望的备选物由固态照明(SSL)设备提供，其可以以白炽灯泡的一部分能量成本产生单位光输出。这种SSL元件的示例是发光二极管。
[0006]基于SSL元件的照明设备的缺点是单独SSL元件具有比例如白炽、卤钨或者荧光灯泡低得多的光输出，使得有必要在诸如灯泡之类的单个照明设备中包括多个SSL元件以获得所需的光输出水平。然而，这通常被认为对照明设备的外观产生负面影响，妨碍了这种照明设备的市场渗透，虽然近期所谓的板上芯片(COB) SSL元件(例如COB LED)的出现已经在很大程度上解决了这一问题，在该元件中，多个SSL芯片被封装在一起作为一个照明模块，使得在使用中，照明设备的发光表面给出单个照明面板的外观。
[0007]妨碍这种照明设备的消费者市场渗透的另一问题是，至少以节约成本的方式控制这种设备的光输出的形状，并非易事。当需要高方向性的光输出时，例如具有小的光束角(例如小于30°的光束角)的灯泡，这是特别的问题。通过将诸如菲涅耳(Fresnel)透镜和准直器之类的光学元件包括到照明设备中，可以控制光束角。例如，公开号为JP2011-192494A的日本专利申请公开了用于照明系统的菲涅耳透镜，该菲涅耳透镜具有折射透镜部分和反射透镜部分。该菲涅耳透镜进一步包括用于将透镜放置在照明设备的基板上的框架。
[0008]然而，光束角和实现期望的光束角所需要的光学元件的尺寸之间存在负相关。这意味着，对于小的光束角，例如25°或者15°的光束角，需要大尺寸的光束成形元件。在诸如紧凑型灯泡之类的很多小的照明设备中，没有足够的空间容纳诸如上面提到的现有技术的菲涅耳透镜之类的光学元件。
【发明内容】
[0009]本发明力求提供可以用于在紧凑型照明设备中生成高方向性的光输出的透镜。
[0010]本发明进一步力求提供包括这种透镜的照明设备。
[0011]根据本发明的方面，提供了用于包括固态照明元件的照明设备的透镜，该透镜包括:光出射表面；中心透镜部分，与所述光出射表面相对；内环形反射元件，与所述光出射表面相对并且从所述光出射表面延伸离开第一距离，所述内环形反射元件界定所述中心透镜部分；以及侧表面，由外环形反射元件限定，外环形反射元件与所述光出射表面相对并且从所述光出射表面延伸离开第二距离，该第二距离大于第一距离使得外环形反射元件延伸超过内环形反射元件。
[0012]本发明的至少一些实施例是基于洞悉了具有两个这种环形元件(即界定诸如折射透镜部分之类的中心透镜部分的内环形反射元件、和直接邻近内环形元件的外环形元件)的透镜的外环形反射元件可以用作透镜的支撑部。因此，当透镜被放置在承载一个或者多个SSL的表面上时，外环形反射元件不仅支撑透镜，而且封闭由一个或者多个SSL元件限定的发光表面。由于透镜不需要分立的支撑结构，透镜可以以紧凑方式制成，使得其可以被适配在诸如方向性灯泡之类的紧凑型照明设备中。
[0013]而且，因为外环形反射元件被设计为与照明设备的支撑部紧密配合，在浅角下从SSL元件发射的光仍然可以被收集和准直。要注意的是，JP 2011-192494A中的菲涅耳透镜不享有这一优势，因为这一透镜的外反射部分在其面对照明设备的表面的末端和这一表面之间具有间隙，这是由于以下事实，即这一透镜的支撑构件延伸向这一表面到超过外反射部分的程度，即与这一表面紧密配合的是支撑构件。因此，以浅角发射的光不可以被外反射部分捕获，而是代之可以被不能准直该光的支撑构件捕获。因此，根据本发明的至少一些实施例的透镜实现了比这一现有技术透镜更高程度的准直。
[0014]在实施例中，中心透镜部分具有凸形表面。该凸形表面实现朝向透镜的中心轴的入射光准直，从而实现更加聚焦的外观。
[0015]中心透镜部分可以包括菲涅耳折射表面。
[0016]在实施例中，内环形反射元件和外环形反射元件中的至少一个包括由多个小面环限定的渐窄外表面，以改进透镜的颜色混合。此外，这种小面环可以用于以增加直径为代价减少透镜的总高度。
[0017]光出射表面可以包括阶梯式轮廓以减少透镜的总高度，从而使其更适合集成在紧凑型照明设备中。
[0018]光出射表面可以被纹理化，和/或透镜可以包括在所述光出射表面上的微透镜阵列，以减少透镜的颜色随角度(C0A)变化。
[0019]透镜可以由诸如(光学级)聚碳酸酯或者聚甲基丙烯酸甲酯之类的聚合物材料制成，使得透镜可以通过诸如注射成型之类的低成本技术制造。
[0020]根据本发明的另一方面，提供了包括至少一个固态照明元件和根据本发明的实施例的透镜的照明设备，该透镜被放置在至少一个固态照明元件之上，使得外环形反射元件与照明设备的表面接触，其中固态照明元件的发光表面区域被外环形反射元件包围。
[0021]这提供了具有高效率准直特性的紧凑型照明设备，该紧凑型照明设备能够生成小于20°的窄光束，诸如15°或者更小。
[0022]在实施例中，发光表面区域延伸超过中心透镜部分。因为外环形反射元件和灯泡的表面之间的物理接触，这是可行的，使得形成了其中透射光输出的气密密封腔体。因此，所有发射的光被透镜收集，从而产生了具有高光通量结合上面提及的窄光束角的照明设备。
[0023]照明设备可以包括在所述至少一个固态照明元件之上的腔体，所述腔体容纳所述透镜。
[0024]至少一个SSL元件可以是发光二极管(LED)。诸如COB LED之类的板上芯片(C0B)SSL元件是特别优选的，因为这种SSL元件产生外观均匀的高光输出，这从美学角度是令人愉悦的。
【附图说明】
[0025]更详细地并且通过参照附图的非限制性示例的方式描述了本发明的实施例，其中:
[0026]图1示意性地描绘了根据本发明的实施例的透镜；
[0027]图2示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的透镜；
[0028]图3示意性地描绘了根据本发明的又一实施例的透镜；
[0029]图4示意性地描绘了根据本发明的实施例的透镜的第一透视图；
[0030]图5示意性地描绘了图4中的透镜的第二透视图；并且
[0031]图6示意性地描绘了根据本发明的实施例的照明设备。
【具体实施方式】
[0032]应该理解的是，附图仅是示意性的并且未按比例绘制。还应该理解的是，相同的附图标记贯穿附图用于指示相同或者相似的部分。
[0033]图1示意性地描绘了根据本发明的实施例的透镜100。透镜100包括由中心透镜部分120限定的光进入表面、内环形反射元件130、以及限定透镜100的侧表面的外环形反射元件140。透镜100进一步包括与光进入表面相对的光出射表面110。在使用中，透镜100的光进入表面通常面对光源，诸如包括诸如发光二极管之类的一个或者多个固态照明(SSL)元件20的表面。在实施例中，内环形反射元件130和外环形反射元件140直接邻近彼此，即透镜100包括不多于两个的这种环形元件。
[0034]内环形反射元件130和外环形反射元件140每个都朝向承载(多个)SSL元件20的表面延伸离开光出射表面110。内环形反射元件130从光出射表面110的一部分延伸离开距离dl，而外环形反射元件140从这一部分延伸离开距离d2，其中d2大于dl。换句话说，外环形反射元件140比内环形反射元件130延伸超过中心透镜部分120的平面125更大的量或者距离。因此，在使用中，外环形反射元件140可以接触承载(多个)SSL元件20的表面，而内环形反射元件130和这一表面之间保留间隙。
[0035]内环形反射元件130具有内表面132和外表面134。外环形反射元件140具有内表面142和外表面144。内环形反射元件130和外环形反射元件140的相应内表面132和142是有角度的，使得来自(多个)SSL元件20的入射光以小于反射临界角的角度入射，使得大部分的入射光将分别行进进入内环形反射元件130和外环形反射元件140。技术人员将容易理解的是，少量的反射可能是难以避免的。
[0036]内环形反射元件130和外环形反射元件140的相应外表面134和144是有角度的，使得来自(多个)SSL元件20的分别通过内环形反射元件130和外环形反射元件140行进的入射光以大于反射临界角的角度与这些表面相遇，从而如图1中的箭头所示的那样将光反射向光出射表面110。换句话说，内环形反射元件130和外环形反射元件140的相应外表面134和144是全内反射表面。因此，内环形反射元件130和外环形反射元件140分别充当用于(多个)SSL元件20所发射的光的内准直器和外准直器。
[0037]内环形反射元件130和外环形反射元件140的相应外表面134和144可以是光滑表面，或者可以是多小面表面，其中该表面由每个都包括多个小面的多个弧形段构建。这改进了透镜100的颜色混合和光束成形。
[0038]在实施例中，内环形反射元件130和外环形反射元件140的相应外表面134和144被成形为使得被这些表面改向的光竖直离开光出射表面110，即垂直于光出射表面110的平面离开这一表面。
[0039]在实施例中，中心透镜部分120可以具有凸形形状，使得由中心透镜部分120折射的入射光竖直地离开光出射表面110，即垂直于光出射表