專利名稱：：Led的聚焦透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及LED的聚焦透鏡，更具體而言，涉及一種LED的聚焦透鏡，用以控制LED的輻射角度，來照明遠(yuǎn)方的局部區(qū)域。
背景技術(shù)：
：通常，LED所輻射低照明光，亦即LED輻射光的角度很大，是因LED的特性使然。因此，LED只能用來照射廣大區(qū)域，或做近距離照明。由于LED的特性上其輻射角度很大，假如用以照射遠(yuǎn)距離的局部區(qū)域，即發(fā)生擴(kuò)散而不能有效利用所發(fā)射的光。為了減少上揭問題，已有如圖1所示的聚焦透鏡的開發(fā)，用以聚焦LED所發(fā)射的光。如圖l所示，安置一傳統(tǒng)聚焦透鏡IO于LED所發(fā)射光的位置。聚焦透鏡10的整個本體11是由實(shí)體材料組成，例如透明玻璃。聚焦透鏡IO的頂部表面是形成一非球面透鏡表面12為向上隆起的曲面。非球面透鏡的聚焦透鏡10可讓LED2的180。輻射光透過聚焦透鏡10的平整底表面而集中于聚焦透鏡IO的頂部非球面透鏡表面，其輻射角度約小于150°。上揭傳統(tǒng)聚焦透鏡10因非球面透鏡12的存在而多多少少改進(jìn)了集中光線于光軸4周圍的效率。但是，光線集中效率只是區(qū)域性的完成于光軸4周圍。沿聚焦透鏡10的邊緣遠(yuǎn)離光軸4的部分，光線被折射而向外方向擴(kuò)散而遠(yuǎn)離光軸4。因此，對從遠(yuǎn)距離照明局部的區(qū)域而言，傳統(tǒng)聚焦透鏡IO的功能有其限度。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的在提供一種LED的聚焦透鏡，其可集中所有LED發(fā)射的光以便得到與光軸平行方向的光，由是減少LED所發(fā)射光的損失，而有效的照明位于遠(yuǎn)距離的局部區(qū)域。依照一個實(shí)施例，本發(fā)明提供的LED的聚焦透鏡，其可集中LED所發(fā)射的光于平行光軸的方向，包含一透明本體，其具有第一透鏡部與掩蓋第一透鏡部的第二透鏡部，其中第一透鏡部包含第一與第二非球面透鏡表面，形成于互相對稱的面上，所述透鏡表面是凸出而尺寸互相不同；第二透鏡部包含一入鏡面從第二球面透鏡表面外周突出，LED插入的入射面，形成可讓LED發(fā)射的光線入射及折射；一反射面具有凸出的曲面，而是從入射面向第二非球面透鏡表面延伸并傾斜成逐漸擴(kuò)張狀，反射面成可讓LED的光線完全反射的形狀；及一發(fā)射面成凹形曲面從反射面向第二非球面透鏡表面延伸且傾斜，發(fā)射面成可讓LED的完全反射光折射為平行于光軸的光而發(fā)射的形狀。反射面可成符合完全內(nèi)反射的條件，而入射面可形成傾斜狀，從第一非球面透鏡表面向入射面終端逐漸擴(kuò)大。當(dāng)LED具有輻射角0°至32°時，第一非球面透鏡表面可具有發(fā)射角0°至21°，而第二非球面透鏡表面具有發(fā)射角0°至3.5°;當(dāng)LED具有輻射角40°至80°時，入射面可具有發(fā)射角57°至82°，反射面可具有發(fā)射角2°至6°，而發(fā)射面具有發(fā)射角0.3。至0.65°。請參閱以下有關(guān)本發(fā)明一較佳實(shí)施例的詳細(xì)說明及其附圖，將可進(jìn)一步了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容及其目的功效；有關(guān)所述實(shí)施例的附圖為圖1為傳統(tǒng)LED的聚焦透鏡的說明圖；圖2為本發(fā)明一實(shí)施例中LED的聚焦透鏡的說明圖；及圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的LED的聚焦透鏡全內(nèi)反射情形的說明圖。附圖標(biāo)記說明2LED;10聚焦透鏡；ll本體；12非球面透鏡表面；100聚焦透鏡；110透明本體；200第一透鏡部；300第二透鏡部；210、220第一及第二非球面透鏡表面；310入射面；320反射面；330發(fā)射面；4光軸。具體實(shí)施方式下文中參照所附圖面詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例。圖2及圖3為本發(fā)明的LED2的聚焦透鏡100的說明圖。參照圖2，聚焦透鏡IOO是用以集中發(fā)射自LED的光線，使其具有方向性。聚焦透鏡100包含有一透明本體110。本體110包含第一透鏡部200及第二透鏡部300。第一透鏡部200是由位于本體110中間部位的凸出狀非球面透鏡所形成。第二非透鏡部300掩蓋第一透鏡部200的邊緣部。第一透鏡部200包含第一及第二非球面透鏡表面210與220。第一及第二非球面透鏡表面210與220成不同尺寸的凸出形狀，位于互相對稱的面上，亦即上面與下面。第二透鏡部300包含入射面310、反射面320，及發(fā)射面330。入射面310是從第二非球面透鏡表面220的外周突出，LED2是插入于入射面310，而發(fā)射自LED2的光線入射于入射面310而從此折射。反射面320成卵形曲面形狀，且從入射面310向第二非球面透鏡表面220延伸并傾斜而逐漸擴(kuò)張。LED2的光線完全從反射面320反射。發(fā)射面330具有凹狀曲面并從反射面320向第二非球面透鏡平面220延伸且傾斜。LED2的完全反射光折射成平行于光軸4的光線而從發(fā)射面330發(fā)射。反射面320是成符合完全內(nèi)反射的條件。反射面320防止透過入射面310的來自LED2的光線透射損失，以便減少光損失，而利用LED2的發(fā)射光至最大程度。入射面310從第一非球面透鏡表面210向入射面310的一終端傾斜逐漸向外擴(kuò)張。入射面310的傾斜度可約為4。。如插入于第二透鏡部300的入射面310的LED2輻射角，基于離軸35°時在0。35。的范圍內(nèi)時，在輻射角0。至35。的光線入射于第一透鏡部200的第一非球面透鏡表面210而發(fā)射至第二非球面透鏡表面220。輻射角為35。或更大的光線入射于第二透鏡部300的入射面310時，自反射面320反射，然后照射于發(fā)射面330。于此，由于LED2是被第一非球面透鏡表面210及入射面310所掩蓋，以180°發(fā)射自LED2的光線則最大程度經(jīng)由第一非球面透鏡表面210及入射面310透射，而不至于損失。由是，當(dāng)輻射角為LED2離軸的0。至32。范圍內(nèi)時，第一非球面透鏡表面210具有發(fā)射角0°至21°，而第二非球面透鏡表面220具有發(fā)射角0°至3.5°。當(dāng)LED2離軸的輻射角為40。80。的范圍內(nèi)時，入射面310具有發(fā)射角57°至82°，反射面320發(fā)射角為2°至6°，發(fā)射面330的發(fā)射角為0.3°至0.65°。下文中說明本發(fā)明的LED聚焦透鏡的動作。如圖2所示，當(dāng)LED2被插入于第一非球面透鏡表面210及聚焦透鏡100的入射面310上的開口時，LED2在180。所發(fā)射光線的大部分就入射于第一非球面透鏡表面210及入射面310。然后，發(fā)射自LED2的35。以下光線即入射于第一透鏡部200的第一非球面透鏡表面210。折射且向光軸4透射，而發(fā)射成平行光線，折射成近乎平行于光軸4，經(jīng)由第二非球面透鏡表面220，于是光的方向性得以改進(jìn)。以35°發(fā)射自LED2的光線，或更大角度的光線入射于第二透鏡部300的入射面310的傾斜面上，并向反射面320折射。折射光全部藉卵形反射面320向發(fā)射面330反射。全部反射光乃發(fā)射為平行光，而經(jīng)凹狀發(fā)射面330幾乎平行于光軸4，于是光的方向得以改進(jìn)。因此，當(dāng)照明裝置利用可使發(fā)射自LED2的光線成為具有改進(jìn)方向性的平行光的聚焦透鏡100時，即可有效的照明位于遠(yuǎn)處的局部區(qū)域。上揭LED的聚焦透鏡動作將以下列實(shí)施例說明如下文。在此實(shí)施例中，所利用的光源LED2為朗伯特型(Lambertiantype)。至于聚焦透鏡100，則使用了上揭非球面透鏡來校正所有光線自由折射方向。亦即聚焦透鏡100包含第一透鏡部(非球面雙凸透鏡)200，其包含第一與第二非球面透鏡表面210與220;及第二球面透鏡部(非球面平凸透鏡)300，其中包含一傾斜的入射面310來集中周圍光線，一向外卵形反射面320，及凹狀發(fā)射面330。以擴(kuò)散方式發(fā)射自LED2的光線為聚焦透鏡IOO所集中，以致輻射角度變小。亦即在發(fā)射自LED2的光線中，約35。以下的光(中央光)經(jīng)由第一透鏡部(非球面雙凸透鏡)發(fā)射成平行于光軸4，而35?；蚋蠼嵌鹊墓?周圍光)經(jīng)由第二透鏡部(非球面平凸透鏡)300，發(fā)射成平行于光軸4的光。原則上，像差在光可折射于所希望的方向時，藉不變更表面光軸周圍曲率而變更入射點(diǎn)的曲率來校正。亦即應(yīng)用非球面時，所有從不同點(diǎn)入射的光線的折射方向可藉控制入射角來調(diào)整。雖然光的折射方向在球面中不能控制，但在非球面內(nèi)可以校正任何其他象差(光行差)。在矩形坐標(biāo)系統(tǒng)(X，Y，Z)中，X軸為光軸，回轉(zhuǎn)對稱面可用下列展開式表示；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>在球狀中，當(dāng)找到a,時，"2及以下值可自動找到。無論如何，在非球面中，"2及以下值可任意定的。當(dāng)使用非球面時，組合數(shù)減少了，但在球面上的未知數(shù)可以求得了。在特別的情形下，非球面像(光行)差可完全如光速那樣除去。平行于光軸的光速球面像差為零，但它會隨光逐漸從光軸射出而增加。像差校正的完整性乃屬于非球面的主要特性。取代區(qū)域性像差校正，非球面內(nèi)的自由度可考慮用于校正更多的光路像差，須要絕對除去的像差，及不能藉典型的方法除去的像差。一般而言，當(dāng)設(shè)計(jì)使用非球面光系統(tǒng)時，只包含一球面的光系統(tǒng)首先被設(shè)計(jì)及評估。然后，當(dāng)發(fā)生像差而不能以典型方法解決時，應(yīng)用非球面的過程可以除去像差。例如，以除去發(fā)生于球面透鏡的像差來做試驗(yàn)，鏡片可以更換，單一透鏡可更換的結(jié)合鏡片或分割，可加一新組件，或動力的分配及聯(lián)合可以變更。非球面的應(yīng)用可考慮為一種校正或除去像差的方法。本發(fā)的LED的聚焦透鏡使用或應(yīng)用非球面透鏡的優(yōu)點(diǎn)，來自由控制發(fā)自LED的擴(kuò)散光，及應(yīng)用于設(shè)計(jì)者所希望的系統(tǒng)。下面的表一代表本發(fā)明實(shí)施例的透鏡表面數(shù)據(jù)及非球面系數(shù)。表一(單位mm)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表二(單位mm)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>熒光幕的曲率半徑，并未表示于表二的透鏡表面數(shù)據(jù)，乃為無限，亦即為一平坦的面。從熒光幕至第一透鏡部的第二非球面透鏡的光軸距離同樣是無限。此意指目的物位于距離透鏡表面無限遠(yuǎn)處。從目的物表面至第一透鏡部的第二非球面透鏡表面的折射指數(shù)為i.o(空氣中)。第--透鏡部的第二非球面透鏡表面的曲率半徑為5.05，此處的表面距離(中央部厚度)為8.0，而此處的折射指數(shù)為1.49。同理，至頂面的曲率半徑，表面距離及折射指數(shù)依序指出。本實(shí)施例的非球面系數(shù)表示于圖二。非球面系數(shù)意指一系數(shù)，其導(dǎo)出方法如下，當(dāng)表面形狀由公式(1)代表時X=CY2/{1+(1-KC2Y2)1/2}+A4Y4+A6Y6+A8Y8+A1QY10+...(1)其中X:從透鏡的定點(diǎn)向光軸方向的距離Y:從光軸向垂直方向至非球面定點(diǎn)的切線距離C:透鏡的定點(diǎn)的曲率半徑倒數(shù)K:錐形常數(shù)A4，A6,A8及A1第4,6,8及10非球面系數(shù)因此，當(dāng)各系數(shù)K，A氣A氣AS及A"為已知時，透鏡表面高度，即表面形狀，即依據(jù)公式(1)決定?，F(xiàn)在，表一及表二所代表的數(shù)據(jù)內(nèi)容將可依上述情形獲得了解。特別是表一所代表表面距離中，第一透鏡部的第二非球面透鏡表面的表面距離意指第一透鏡部與第二透鏡部的距離，因此，當(dāng)?shù)诙乔蛎嫱哥R表面的表面距離值為-4.9mm時，兩透鏡位置重疊。此可在塑料非球面透鏡實(shí)現(xiàn)的方法，意指兩透鏡連合成另一非球面形狀。第二透鏡部(非球面平凸透鏡)的反射面完成全內(nèi)反射。于此，全內(nèi)反射是100%反射率的光反射，亦即所有光線是在目的物邊界表面反射。就是說，當(dāng)光線從一高密度介質(zhì)入射于低密度介質(zhì)，而入射角大于一特別角(臨界角)時，所有光線在邊界表面反射，而沒有折射光線的存在。此一現(xiàn)象稱為全內(nèi)反射。全內(nèi)反射可發(fā)生的入射角最小值稱為臨界角。因此，當(dāng)光線從具有較高折射指數(shù)的介質(zhì)入射于具有較低折射指數(shù)的介質(zhì)時，折射角變成大于入射角。然后，折射角隨著入射角的增加而增加。于此，臨界角意指折射角為90。時的入射角。由是，全內(nèi)反射僅在光線從密度較大的物質(zhì)入射于密度較稀的物質(zhì)時，其入射角大于臨界角時發(fā)生。如圖3所示，當(dāng)光以較高折射指數(shù)入射于材料1，以較低折射指數(shù)入射于材料2時，折射角7就大于入射角i。隨折射角7增加，入射角i亦增加。然而當(dāng)折射角7為90。時，所有入射角i大于90。的光被反射。上揭現(xiàn)象稱為全內(nèi)反射，當(dāng)折射角7為90°時，入射角ic稱為全內(nèi)反射的臨界角。以臨界角入射的光為Sinic/sin9°n12，或sinie=n12(n12<l)。如果材料1的折射指數(shù)為n，而材料2為空氣，sinie=n2/ni=l/n，或i^sin—1(1/11)。依照上述解釋，將可說明如何藉聚焦透鏡，以擴(kuò)散方式耐將發(fā)射自LED的光集中的過程，而減少軸射角。以下的表三代表，依照實(shí)施例，在藉聚焦透鏡集中發(fā)射自LED的過程中，藉輻射線的追蹤輻射角的變化情形。表三(單位度)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從上揭表三可知，當(dāng)發(fā)射自LED的光于離軸0。至80。的范圍內(nèi)通過聚焦透鏡的各非球面透鏡時，光線最后發(fā)射成發(fā)射面上的平行光，其角度最大不超過約3.5。。各光線均為聚焦透鏡所控制，其設(shè)定非球面及全反射的條件如上。由是，發(fā)射面上的角度最后以最大程度減小，以減少光損失。此外，輻射角成為很小，以便使用者可從遠(yuǎn)距離照射所要的集中區(qū)域。發(fā)明的效果依照本發(fā)明的LED的聚焦透鏡，發(fā)射自LED的所有光線均成方向性良好的平行光，平行于光軸，是藉非球面及全內(nèi)反射特性的聚焦透鏡所造成。結(jié)果發(fā)射自LED的光線的光損失得以減低而發(fā)射角減小至最大程度，得以有效照射遠(yuǎn)距離的集中區(qū)域。本發(fā)明是以最佳的實(shí)施例加以說明。但所須明了本發(fā)明的范圍并非限定于上揭實(shí)施例而已。反的，本發(fā)明的范圍應(yīng)包含本領(lǐng)域技術(shù)人員利用目前知悉或?qū)淼募夹g(shù)或其同等技術(shù)所能完成的各種修飾與變更。因此本發(fā)明的專利范圍，應(yīng)涵蓋上述修飾與同等變更。權(quán)利要求1.一種LED的聚焦透鏡，用以集中發(fā)射自LED的光線，以便獲得平行于光軸方向的光，其特征在于，包含一透明本體；一形成于所述透明本體內(nèi)的第一透鏡部；及掩蓋所述第一透鏡部的第二透鏡部；其中所述第一透鏡部包含第一及第二非球面透鏡表面，以不同尺寸凸出而形成于互相對稱的面上；其中所述第二透鏡部包含一入射面，從所述第二非球面透鏡表面的外周突出，所述LED插入于所述入射面，而所述入射面成能讓發(fā)射自LED的光入射與折射的形狀；一反射面，具有一卵形曲面，從所述入射面向所述第二非球面透鏡表面延伸并傾斜而逐漸擴(kuò)張，所述反射面成能讓發(fā)射自LED的光全反射的形狀；及一發(fā)射面，具有凹狀曲面，從所述反射面向所述第二非球面透鏡表面延伸并傾斜，所述發(fā)射面成能讓發(fā)射自LED的光折射并發(fā)射為平行于所述光軸的光的形狀。2、如權(quán)利要求1所述的LED的聚焦透鏡，其特征在于所述反射面?zhèn)溆腥珒?nèi)反射的條件。3、如權(quán)利要求1所述的LED的聚焦透鏡，其特征在于所述入射面成傾斜狀，從所述第一非球面透鏡表面向所述入射面的一終端逐漸向外擴(kuò)張。4、如權(quán)利要求1、2或3所述的LED的聚焦透鏡，其特征在于當(dāng)所述LED的離軸的輻射角為0°至32°時，所述第一非球面透鏡表面具有發(fā)射角0°至21°，而所述第二非球面透鏡表面具有發(fā)射角0°至3.5°。5、如權(quán)利要求l、2或3所述的LED的聚焦透鏡，其特征在于當(dāng)所述LED的離軸的輻射角為40°至80°時，所述入射面具有發(fā)射角57°至82°，所述反射面具有發(fā)射角2°至6°，而所述發(fā)射面具有發(fā)射角0.3°至0.65°。全文摘要本發(fā)明提供一種LED的聚焦透鏡，用以集中LED所發(fā)射的光使之平行對準(zhǔn)一光軸，其包含有一透明本體，形成于所述透明本體內(nèi)的第一透鏡部；及掩蓋第一透鏡的第二透鏡部。其中第一透鏡包含第一及第二以不同尺寸凸出的非球面透鏡表面，且形成于互相對稱的平面上。而其中第二透鏡包含一入射面從第二非球面透鏡表面外周突出，LED是插入于入射面，所述入射面的形狀可讓LED發(fā)射的光入射與折射；有一反射面成凸出的曲面，從入射面向第二非球面透鏡表面延伸并以傾斜狀擴(kuò)張，反射面成能讓LED發(fā)射的光完全反射的形狀；及一發(fā)射面有凹入曲面從反射面向第二非球面透鏡表面延伸且傾斜，發(fā)射面具有能讓LED所發(fā)射的光折射，且發(fā)射成為與光軸平行的光的形狀。文檔編號G02B3/00GK101251611SQ200710091159公開日2008年8月27日申請日期2007年4月10日優(yōu)先權(quán)日2007年2月20日發(fā)明者李希俊,金井賀,黃尚富申請人:賽克尼克斯股份有限公司