專利名稱：二次光學(xué)透鏡模組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED照明技術(shù)，尤其涉及一種LED窄視角內(nèi)強(qiáng)度均勻分布的二次光學(xué)透鏡模組。
背景技術(shù)：
從照明效果、提高能量利用率和保護(hù)人眼健康出發(fā)，很多場(chǎng)合都需要利用燈具進(jìn)行均勻照明，如空間強(qiáng)度均勻分布，即在一個(gè)給定的視角內(nèi)，形成一個(gè)均勻的光強(qiáng)分布效果，且盡可能減小視角外無(wú)效照明能量損失。LED光源光分布為近似朗伯型，中心光強(qiáng)大，越靠近邊緣光強(qiáng)越小，無(wú)法直接應(yīng)用到均勻照明領(lǐng)域，須進(jìn)行二次配光處理來(lái)提高受照區(qū)域照度均勻性或空間光強(qiáng)均勻性，避免欠照明，減少無(wú)效照明和過(guò)照明損失，從而提高LED光能利用率。現(xiàn)有技術(shù)的處理方式存在一定的不足，如1)規(guī)定視角外無(wú)效照明損失嚴(yán)重；2) LED發(fā)光能量分布在整個(gè)半空間，二次光學(xué)元件不能收集全部能量，而造成一定的能量損失；3) 二次光學(xué)透鏡尺寸過(guò)大；4)均勻性不高等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服LED光源近似朗伯型光分布應(yīng)用于均勻照明領(lǐng)域的局限性，而提供一種出光效率高、照度均勻性高、易于加工和安裝的二次光學(xué)透鏡模組，該二次光學(xué)透鏡模組尺寸小，可收集LED發(fā)出的整個(gè)半空間的光能，且規(guī)定視角內(nèi)均勻度大于 0. 8。本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)二次光學(xué)透鏡模組，其特征在于由實(shí)體透鏡100和中空全反射透鏡200兩部分構(gòu)成，實(shí)體透鏡100和中空全反射透鏡200均為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，實(shí)體透鏡100、中空全反射透鏡200兩部分旋轉(zhuǎn)對(duì)稱中心線重合上下接觸放置；中空全反射透鏡200具有一個(gè)水平平面和一個(gè)豎直圓柱面作為定位基面；中空全反射透鏡200中空部分放置一單顆LED，入光面是實(shí)體透鏡100底部平面和中空全反射透鏡200中空?qǐng)A錐形側(cè)壁；出光面由實(shí)體透鏡100的上部自由曲面、中空全反射透鏡200的上部平面組成；中空全反射透鏡200外側(cè)曲面為全反射面；基面、入光面、全反射面、出光面共同界定出二次光學(xué)透鏡模組的本體。二次光學(xué)透鏡模組，其特征在于，所述的實(shí)體透鏡100上表面輪廓為自由曲面造型。二次光學(xué)透鏡模組，其特征在于，所述的中空全反射透鏡200中空結(jié)構(gòu)為圓錐體。二次光學(xué)透鏡模組，其特征在于，二次光學(xué)透鏡是PC或PMMA材料經(jīng)注塑而成，或石英材料機(jī)加工而成，且入光面及出光面表面均具有一拋光層。
本發(fā)明涉及的二次光學(xué)透鏡模組，基面、入光面、全反射面、出光面共同界定出二次光學(xué)透鏡的本體；入光面由實(shí)體透鏡100底部平面和中空全反射透鏡200中空的圓錐側(cè)壁構(gòu)成，具有放置單顆LED300的充足空間。本發(fā)明涉及的二次光學(xué)透鏡是針對(duì)單顆LED，LED照明設(shè)備設(shè)置了多少顆LED，就要設(shè)置多少個(gè)二次光學(xué)透鏡模組，因此設(shè)計(jì)照明設(shè)備時(shí)可以對(duì)每個(gè)二次光學(xué)透鏡出光分別控制，與每臺(tái)照明設(shè)備只有一個(gè)二次透鏡的現(xiàn)有技術(shù)相比，照明設(shè)備的出光更容易控制。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)應(yīng)用此LED二次光學(xué)透鏡模組，克服了 LED朗伯型光源分布應(yīng)用到一定窄視角內(nèi)均勻照明領(lǐng)域的障礙，減少無(wú)效照明和過(guò)照明損失，從而大大提高了受照區(qū)域的照度均勻性和LED光能利用率。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于二次光學(xué)透鏡模組針對(duì)單顆LED設(shè)計(jì)，可以根據(jù)使用需要，設(shè)計(jì)LED顆數(shù)，或照明設(shè)備模塊化使用，具有很強(qiáng)的靈活性。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于二次光學(xué)透鏡模組整體尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械尺寸穩(wěn)定性高，加工方便，且可推廣到多種視角的均勻照明領(lǐng)域。


圖Ia是本發(fā)明LED 二次光學(xué)透鏡模組的第一個(gè)實(shí)施例示意圖；圖Ib為圖Ia所示結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖加為圖Ib所示結(jié)構(gòu)的實(shí)體透鏡100剖視圖；圖2b為圖Ib所示結(jié)構(gòu)的中空全反射透鏡200剖視圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)二次光學(xué)透鏡模組的光線傳播路線圖；圖4是LED安裝本發(fā)明二次光學(xué)透鏡模組后的光束效果圖；圖5是現(xiàn)有技術(shù)二次光學(xué)透鏡模組的相對(duì)光強(qiáng)分布直角坐標(biāo)曲線圖；圖6是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖7是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的剖視圖；圖8是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的模擬光斑。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的闡述。參考圖1和圖2，本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例是一組二次光學(xué)透鏡實(shí)體透鏡1和中空全反射透鏡2，兩透鏡配合使用，其中表面101與209重合，表面102與210重合，用膠水粘合構(gòu)成二次光學(xué)透鏡模組。具有基準(zhǔn)面203和204，并且203是平面，204是圓柱側(cè)面；入光面由101和208組成，并且101是平面，208為圓錐側(cè)面；300為L(zhǎng)ED，放置在入光面旋轉(zhuǎn)對(duì)稱中心處，與平面101保持一定的距離；出光面由104和207組成，其中104是自由曲面，207 是平面；全反射表面202為自由曲面。本實(shí)施例中，二次光學(xué)透鏡100和200均為PC材料經(jīng)注塑而成，入光面、全反射面和出光面均具有一拋光層，高效率地實(shí)現(xiàn)窄視角40°內(nèi)強(qiáng)度均勻分布。參考圖3，朗伯型發(fā)光LED的能量分布在整個(gè)半空間180°內(nèi)，出射角度較大，本發(fā)明中為每顆LED添加獨(dú)立的二次光學(xué)透鏡模組，將半空間180°內(nèi)的光能量匯聚，并使窄視角40°內(nèi)強(qiáng)度均勻分布。邊緣光線所示LED出射的大角度光線依次經(jīng)過(guò)表面208、202和 207射出，中心光線所示LED出射的小角度光線依次經(jīng)過(guò)表面101和104射出。光束效果如圖4所示。從而形成圖5所示40°視角內(nèi)強(qiáng)度均勻分布曲線圖，均勻度大于0.8。本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例是一種LED窄視角均勻照明燈，是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的應(yīng)用。參考圖6和圖7，LED窄視角均勻照明燈包括機(jī)械結(jié)構(gòu)400，電路部分500和300，光學(xué)部分100、200和600。機(jī)械結(jié)構(gòu)400由底座401、中殼402、壓蓋403和壓圈404構(gòu)成，401 有與散熱器和驅(qū)動(dòng)電路連接的接口 ；電路部分包括PCB板500和LED 300 ；光學(xué)部分包括二次光學(xué)透鏡模組100和200，以及平板石英玻璃600。本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例是二次光學(xué)透鏡組的設(shè)計(jì)及光學(xué)驗(yàn)證實(shí)例，設(shè)定對(duì)透鏡的出光要求如圖5之配光曲線圖所示，圖5是配光曲線的直角坐標(biāo)形式，橫坐標(biāo)0°為二次光學(xué)透鏡模組的發(fā)光面的中心，每一縱坐標(biāo)表示一個(gè)相對(duì)光強(qiáng)值，越往上光強(qiáng)越大；圖中的每個(gè)角度值是這個(gè)剖面上與旋轉(zhuǎn)對(duì)稱中心軸的角度，與旋轉(zhuǎn)對(duì)稱中心軸重合被定義為0°。 根據(jù)折射原理可知二次光學(xué)透鏡的形狀就是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例之二次光學(xué)透鏡的形狀。 用本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的透鏡進(jìn)行仿真驗(yàn)證，遠(yuǎn)距離處放置接收面，形成光斑如圖8所示， 實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明二次光學(xué)透鏡模組的設(shè)計(jì)目的。本發(fā)明的二次光學(xué)透鏡模組解決了 LED照明的光學(xué)問(wèn)題，使LED點(diǎn)光源的照射按照需求光強(qiáng)均勻分布，提高利用效率，減少光能浪費(fèi)和環(huán)境的光污染。以上所揭露的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來(lái)限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明申請(qǐng)權(quán)利范圍所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
權(quán)利要求
1.一種二次光學(xué)透鏡模組，它由實(shí)體透鏡(100)和中空全反射透鏡(200)兩部分構(gòu)成，其特征在于實(shí)體透鏡(100)和中空全反射透鏡(200)均為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，實(shí)體透鏡 (100)、中空全反射透鏡(200)兩部分旋轉(zhuǎn)對(duì)稱中心線重合上下接觸放置；中空全反射透鏡 (200)具有一個(gè)水平平面和一個(gè)豎直圓柱面作為定位基面；中空全反射透鏡O00)中空部分放置一單顆LED (300)，入光面是實(shí)體透鏡(100)底部平面和中空全反射透鏡O00)中空?qǐng)A錐形側(cè)壁；出光面由實(shí)體透鏡(100)的上部自由曲面、中空全反射透鏡(200)的上部平面組成；中空全反射透鏡(200)外側(cè)曲面為全反射面；基面、入光面、全反射面、出光面共同界定出二次光學(xué)透鏡模組的本體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二次光學(xué)透鏡模組，其特征在于所述的實(shí)體透鏡(100) 上表面為自由曲面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二次光學(xué)透鏡模組，其特征在于所述的中空全反射透鏡O00)的中空結(jié)構(gòu)為圓錐體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二次光學(xué)透鏡模組，其特征在于所述的二次光學(xué)透鏡模組中的透鏡是PC或PMMA材料經(jīng)注塑而成，或石英材料機(jī)加工而成，且入光面及出光面表面均具有一拋光層。
全文摘要
本發(fā)明公開了了一種二次光學(xué)透鏡模組。它由具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的實(shí)體透鏡和全反射透鏡兩部分組成，全反射透鏡具有一個(gè)水平平面基面和一個(gè)豎直圓柱面基面；其中空部分放置一單顆LED，入光面是實(shí)體透鏡底部平面和全反射透鏡中空?qǐng)A錐形側(cè)壁；出光面由實(shí)體透鏡的上部自由曲面、全反射透鏡的上部平面組成；全反射透鏡的外側(cè)曲面為全反射面；基面、全反射面、入光面、出光面共同界定出二次光學(xué)透鏡的本體。本發(fā)明高效實(shí)現(xiàn)LED朗伯型光源窄視角內(nèi)光強(qiáng)均勻分布照明。
文檔編號(hào)F21V5/04GK102537843SQ20121001934
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者劉石神, 呂銀環(huán), 張濤, 張路飛, 段東, 童廣輝, 袁士東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所, 常州光電技術(shù)研究所