一种光学透镜及采用该透镜的灯具

技术领域

本发明涉及一种透镜和灯具，尤其是一种光学透镜及采用该透镜的灯具。

背景技术

植物的生长依赖于光照，为了促进植物生长，越来越多的企业采用灯光来提高植物的光照时间，LED凭借效率高、寿命长、体积小、光谱可控以及可近距离照射等优点成为植物照明的首选光源。

目前，大部分企业都是直接采用LED灯照射植物，然而，LED灯是一种无机固态半导体器件，具有明显的发光指向性，其光分布近似朗伯分布，表现为中心光强强于两侧，辐照度不均匀，不仅影响植物的品质，光利用率也相对较低。

有鉴于此，本发明人对上述问题进行了深入的研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有助于提高植物品质且光利用率相对较高的光学透镜及采用该透镜的灯具。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种光学透镜，该光学透镜具有光轴、环状的底表面以及位于所述底表面同一侧的入光自由曲面和出光自由曲面，所述底表面的内周缘与所述入光自由曲面的外周缘一体连接，所述底表面的外周缘与所述出光自由曲面的外周缘直接或间接连接，所述入光自由曲面所围成的空间形成用于设置光源的容置空间；

所述入光自由曲面为旋转曲面，所述旋转曲面的旋转轴与所述光轴同轴布置；

所述出光自由曲面具有相互垂直布置的第一对称面和第二对称面，所述第一对称面和所述第二对称面之间的交线位于所述光轴上，所述出光自由曲面在所述第一对称面位置的截面形成两个以所述第二对称面为中心对称布置的第一曲线，所述第一曲线包括从位于所述第二对称面上的一端向另一端方向依次连接的第一线段、第二线段、第三线段和第四线段，所述第一线段的曲率从所述第一线段远离所述第二线段的一端向另一端方向逐渐减小，所述第二线段的曲率从所述第二线段与所述第一线段连接的一端向另一端方向逐渐增大，所述第三线段的曲率从所述第三线段与所述第二线段连接的一端向另一端方向逐渐增大，所述第四线段的曲率从所述第四线段与所述第三线段连接的一端向另一端方向逐渐减小，所述出光自由曲面在所述第二对称面位置的截面形成以所述第一对称面为中心对称布置的第二曲线，所述第二曲线的曲率从其中部位置向两端方向先逐渐增大再逐渐减小。

作为本发明的一种改进，所述旋转曲面的母线为从与所述底表面连接的一端向另一端方向逐渐靠近所述光轴的曲线，且所述旋转曲面的母线的曲率从相对靠近所述光轴的一端向另一端方向逐渐减小。

作为本发明的一种改进，所述入光自由曲面的外周缘所在的平面与所述出光自由曲面的外周缘所在的平面相互平行布置。

作为本发明的一种改进，在同一方向上，所述第三线段的曲率变化速度大于所述第二线段的曲率变化速度。

作为本发明的一种改进，所述入光自由曲面上匀布有多个弧形凸起。

作为本发明的一种改进，所述弧形凸起为球面凸起或非球面凸起。

一种灯具，包括LED灯和上述光学透镜，所述LED灯位于所述光学透镜的容置空间内。

作为本发明的一种改进，所述LED灯位于所述光轴上。

作为本发明的一种改进，所述LED灯有多个，各所述LED灯以所述光轴为中心匀布。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、通过设置特定形状的入光自由曲面和出光自由曲面，可以改变光分布，提高种植区域的光照均匀性，保证植物均匀生产，有助于提高植物品质，同时避免了光浪费，光利用率相对较高。

2、通过设置弧形凸起，有助于提高混合光谱一致性和均匀性，保证植物不同波段比例吸收的一致性，有利于植物友好生长，进一步提升种植品质。

3、本发明提供的透镜及灯具制造成本低，有利于提升产品的竞争优势。

附图说明

图1为实施例中灯具的结构示意图；

图2为实施例中光学透镜的结构示意图；

图3为实施例中光学透镜的透视结构示意图；

图4为实施例中光学透镜的剖切结构示意图，图中虚线为虚拟的线，主要用于区分不同的线段；

图5为实施例中入光自由曲面的局部放大示意图；

图6为实施例中旋转曲面的母线的曲率变化趋势示意图；

图7为实施例中两个相互对称布置的第一曲线的曲率变化趋势示意图；

图8为实施例中第二曲线的曲率变化趋势示意图；

图9为实施例中灯具的使用状态示意图。

图中标示对应如下：

10-LED灯； 20-光学透镜；

21-底表面； 22-入光自由曲面；

23-出光自由曲面； 24-弧形凸起；

25-第一曲线； 26-第二曲线；

31-第一线段； 32-第二线段；

33-第三线段； 34-第四线段。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本实施例提供一种灯具，包括LED灯10和光学透镜20，其中LED灯10为常规的LED灯珠，可以直接从市场上直接购买获得。此外，本实施例提供的光学透镜20也可以与其他光源配合形成灯具，即，本实施例实质上还提供了一种光学透镜。

如图2-图4所示，光学透镜20具有光轴、环状的底表面21以及位于底表面21同一侧的入光自由曲面22和出光自由曲面23，其中，光轴的定义与常规的光学系统中的定义相同，当光束绕光学透镜的光轴转动时，不存在任何光学特性的变化。环状的底表面21为一中间具有圆孔的表面，其外周缘呈方形，底表面21的内周缘与入光自由曲面22的外周缘一体连接，底表面21的外周缘与出光自由曲面23的外周缘直接或间接连接。需要说明的是，入光自由曲面22的外周缘和出光自由曲面23的外周缘可以都位于底表面21上，在本实施例中，入光自由曲面22的外周缘所在的平面与出光自由曲面23的外周缘所在的平面相互平行布置，即两者不在同一平面上，出光自由曲面23与底表面21间接连接。

具体的，光学透镜20采用环氧树脂、硅胶或玻璃等透明的材质一体注塑成型，其包括长方体状的基板和一体连接在基板的侧面上的主体，基板远离主体的一侧开设有延伸至主体上的凹槽，其中，基板远离主体的一侧的侧面形成上述底表面21，凹槽的内表面形成上述入光自由曲面22凹槽的中心轴形成上述光轴，主体的外表面形成上述出光自由曲面23，此外，入光自由曲面所围成的空间(即上述凹槽)形成用于设置光源的容置空间。

LED灯10作为光源位于光学透镜20的容置空间内，当然，为了固定LED灯10，可以在底表面21上贴设一个覆盖凹槽口部的支撑板，LED灯10的背光面固定连接在该支撑板上。LED灯10的数量可以根据实际需要设置，当LED灯10只有一个时，该LED灯10位于光轴所在的直线上，在本实施例中，LED灯10有多个，各LED灯10以光轴为中心匀布，即各LED灯环绕光轴布置，以保证光源的均匀性。

入光自由曲面22为旋转曲面，该旋转曲面的旋转轴与光轴同轴布置，该旋转曲面的母线为从与底表面21连接的一端向另一端方向逐渐靠近光轴的曲线，且该旋转曲面的母线的曲率从相对靠近所述光轴的一端向另一端方向逐渐减小，具体的，在旋转曲面的径向截面上所呈现的截面曲线，相当于两条相互对称差布置的母线所形成的曲线，该截面曲线的曲率从其中部位置向两端方向逐渐减小，以上述截面曲线的一端为原点建立直角坐标系，该直角坐标系的x轴位于底表面21上，在该直角坐标系上绘制截面曲线的曲率变化趋势如图6所示，则上述截面曲线的曲率变化趋势函数为：K1＝abs(0.15936*x^2-1.116*x+1.0708)/(1+(0.05312*x^3-0.558*x^2+1.0708*x+0.8071)^2)^1.5。

优选的，如图5所示并参考图3所示，入光自由曲面22上匀布有多个向光源(即LED灯10)方向凸起的弧形凸起24，形成微积分鳞甲结构，弧形凸起24的具体的分布结构为，各弧形凸起24被分为多个鳞甲组，每个鳞甲组包括多个以入光自由曲面22的旋转轴为中心均布的弧形凸起24，各鳞甲组从入光自由曲面22的旋转轴向入光自由曲面22的外边缘方向依次布置，相邻两个鳞甲组紧密贴合，相邻两个弧形凸起24也紧密贴合。弧形凸起24为球面凸起或非球面凸起，在本实施例中，将LED灯10发出的光线按角度分为N等份,每一等份对应的光线通过等间距划分的微积分鳞甲结构的一个弧形凸起24，弧形凸起24的宽度为D，将N定义为60，弧形凸起24的弧面半径R为0.05-1mm，弧形凸起24的宽度D的范围为0.05-0.4mm当然，弧形凸起24的宽度从相对靠近光轴的一侧向另一侧方向逐渐增加。这样，当光线穿过微积分鳞甲结构后，不同颜色的光可以很好的混合，最终能得到柔和的出光，达到一致的混合光谱，可以提高光谱均匀性，能够适用植物的近距离照射，保证植物不同波段比例吸收的一致性，有利于植物友好生长，提升种植品质。

仍如图2-图4所示，出光自由曲面23具有相互垂直布置的第一对称面和第二对称面，第一对称面和第二对称面都为虚拟的面，并不是出光自由曲面23的一部分。第一对称面和第二对称面之间的交线位于光轴上，出光自由曲面23在第一对称面位置的截面形成两个以第二对称面为中心对称布置的第一曲线25，即这两个第一曲线25分别位于第二对称面的两侧，以第二对称面为中心对称布置且相互连接。该第一曲线25包括从位于第二对称面上的一端向另一端方向依次连接的第一线段31、第二线段32、第三线段33和第四线段34，其中，第一线段31的曲率从第一线段31远离第二线段32的一端向另一端方向逐渐减小，第二线段32的曲率从第二线段32与第一线段31连接的一端向另一端方向逐渐增大，第三线段33的曲率从第三线段33与第二线段32连接的一端向另一端方向逐渐增大，第四线段34的曲率从第四线段34与第三线段33连接的一端向另一端方向逐渐减小，在同一方向上，第三线段33的曲率变化速度大于第二线段32的曲率变化速度，具体的，以出光自由曲面23在第一对称面位置的截面形成的截面曲线的一端为原点建立直角坐标系，该直角坐标系的x轴与底表面21平行布置，在该直角坐标系上绘制上述截面曲线的曲率变化趋势如图7所示，在图7中，方框所围的部分为第一曲线25中的线段对应的曲率，图7从右到左的四个方框所围的部分依次为第一线段31、第二线段32、第三线段33和第四线段34对应的曲率，第一曲线25的曲率变化趋势函数为：K2＝abs(0.0000067984*x^6-0.000407778*x^5+0.009651*x^4-0.11422*x^3+0.70884*x^2-2.208*x+2.822)/(0.0000009712*x^7-0.000067963*x^6+0.0019302*x^5-0.028555*x^4+0.23628*x^3-1.104*x^2+2.822*x-3.348)^2+1)^1.5。

出光自由曲面23在第二对称面位置的截面形成以第一对称面为中心对称布置的第二曲线26，第二曲线26的曲率从其中部位置(即与第一对称面对应的位置处)向两端方向先逐渐增大再逐渐减小，具体的，以第二曲线26的一端为原点建立直角坐标系，该直角坐标系的x轴与底表面21平行布置，在该直角坐标系上绘制第二曲线26的曲率变化趋势如图8所示，其曲率变化趋势函数为：K3＝abs(0.013452*x^2-0.19806*x+0.7894)/(1+(0.004484*x^3-0.09903*x^2+0.7894*x-2.234)^2)^1.5。

LED灯10具有明显的发光指向性，其光分布为朗伯分布，其表现为中心光强，强于两侧，光束角约为120°，辐照度表现为中心强，边缘弱，照度不均匀，通过将LED灯10至于光学透镜20的容置空间内，可以利用光学透镜20控制光线走向，减小中心光强，控制折射大角度光线，将超出种植区域的光回收到种植区域，并且补充了种植区域边缘的光照度，避免了光浪费，提高了种植区域的光照均匀性，有利于植物均匀生长。使用时，可以将多个本实施例提供的灯具呈直线依次布置，也可以如图9所示，将多个本实施例提供的灯具呈阵列布置在植物的上方。

上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，这些都属于本发明的保护范围。