專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)均勻矩形光斑透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)均勻矩形光斑的LED透鏡，光源可以為點(diǎn)光源，也可以是擴(kuò)展光源，特別是COB擴(kuò)展光源。
背景技術(shù)：
目前大部分封裝工藝的LED出射光都為非均勻的圓形或者矩形光斑，這樣的光斑肯定無法滿足在道路照明、隧道照明、背光源、投影儀、汽車前燈等需要均勻矩形光斑的照明應(yīng)用領(lǐng)域的需求，因此，對(duì)LED進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)是非常有必要的。
然而目前行業(yè)中的大部分成矩形光斑的二次光學(xué)透鏡都是針對(duì)路燈照明等遠(yuǎn)場照明應(yīng)用來設(shè)計(jì)的，在遠(yuǎn)場照明中，光源面積相對(duì)于照射距離來說非常小，可以當(dāng)作點(diǎn)光源來對(duì)待，從而進(jìn)行透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)。如專利申請(qǐng)?zhí)?01010215196.8，名稱為《LED透鏡》的專利文獻(xiàn)中所述的一款LED透鏡所示，該發(fā)明專利的LED透鏡為塑膠材料一體成型制成，該透鏡包含一透光材質(zhì)的本體、一出光部及入光凹部，但是在近場照明中，這種透鏡結(jié)構(gòu)就不適合了，近場照明中，目標(biāo)面與光源的距離在
IiKfS (A為光源的發(fā)光面積)的范圍內(nèi)，光源不可以再當(dāng)作點(diǎn)光源來對(duì)待了，必須考慮到
它的發(fā)光面積的影響。專利申請(qǐng)?zhí)?00680010199. X，名稱為《有利于背后照明的LED廣角發(fā)射透鏡》的專利文獻(xiàn)公開了一款用于近場照明的LED發(fā)射透鏡，該款透鏡就是用在直下式LED背光照明應(yīng)用領(lǐng)域中，但是該透鏡形成的是圓形光斑，在LED背光照明應(yīng)用中的混光效果不如矩形光斑的效果好，且有效擴(kuò)展角度也不大，這即意味著在應(yīng)用中不得不使用更多數(shù)量的光源來彌補(bǔ)其有效擴(kuò)展角度不足的缺陷。綜上所述，設(shè)計(jì)一款應(yīng)用在近場照明領(lǐng)域的成廣角的均勻矩形光斑的透鏡非常有必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種擴(kuò)展角度大、矩形光斑中各點(diǎn)照度的均勻性好的應(yīng)用于近場照明的均勻光斑透鏡。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
一種實(shí)現(xiàn)均勻矩形光斑透鏡，所述透鏡具有一底面，所述底面中央設(shè)有一凹面，為透鏡的光線入射面；透鏡具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的光線出射面，負(fù)責(zé)出射不同角度的光線；透鏡具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的光線反射面，用來控制光線在透鏡內(nèi)部的方向；透鏡的主體部分由透鏡的底面、光線入射面、光線反射面及光線出射面共同包圍的空間定義。進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述光線入射面為球面或自由曲面或圓柱面或球面和圓柱面的組合曲面或自由曲面和圓柱面的組合曲面。進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述透鏡的光線出射面由自由曲面拼接而成，負(fù)責(zé)不同角度光線的出射，通過調(diào)節(jié)其曲率參數(shù)可以控制光線的折射出射方向。進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述透鏡的光線反射面由自由曲面拼接而成，負(fù)責(zé)控制水平角在范圍內(nèi)光線在透鏡內(nèi)部的方向，所述α的取值范圍為30° < α
<45°。進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述透鏡各個(gè)面之間連接部位為連續(xù)過渡或者非連續(xù)過渡的自由曲面拼接而成。進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述透鏡的應(yīng)用光源為點(diǎn)光源或者擴(kuò)展面光源。進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述透鏡底部設(shè)有定位引腳，所述定位引腳設(shè)有定位孔或定位栓。進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述透鏡由PC或PMMA或PP或ABS或PVC或玻璃材料制成。
進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述透鏡為單顆或陣列形式，透鏡和光源對(duì)應(yīng)關(guān)系
為一對(duì)一或一對(duì)多或多對(duì)一關(guān)系。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明透鏡改變了傳統(tǒng)的LED透鏡光線入射面的設(shè)計(jì)，通過在光線入射面上不同部位的不同曲率來控制入射光線的折射方向，提高了出光效率；進(jìn)一步，光線出射面上包括直接折射透鏡內(nèi)光線的第一出射面和折射透鏡內(nèi)經(jīng)全反射的光線的第二出射面，通過調(diào)節(jié)第一出射面和第二出射面的曲率參數(shù)，可形成均勻的矩形光斑，且有效擴(kuò)展角度可達(dá)到12(Γ160度，從而能以較少的光源和透鏡數(shù)量達(dá)到更好的混光照明效果O


圖I是本發(fā)明透鏡的結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明透鏡的主向示意 圖3是本發(fā)明透鏡的側(cè)面示意 圖4是本發(fā)明透鏡的仰視示意 圖5是本發(fā)明透鏡的光線分布示意 圖6是本發(fā)明透鏡不同角度光線的出射示意 圖7是本發(fā)明透鏡的立體結(jié)構(gòu)示意 圖8是本發(fā)明實(shí)施例中透鏡的照度分布效果示意 圖9是本發(fā)明實(shí)施例中改變光線入射面形狀的透鏡結(jié)構(gòu)示意 圖10是本發(fā)明另一實(shí)施例中改變光線入射面形狀的透鏡結(jié)構(gòu)示意 圖11是改變本發(fā)明透鏡第三反射面形狀的透鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明
一種實(shí)現(xiàn)均勻矩形光斑透鏡，該透鏡具有一底面，所述底面中央設(shè)有一接收LED光線的光線入射面1，與底面相貫通的透鏡的外表面為光線出射面，所述光線入射面I為利用曲率調(diào)節(jié)不同角度入射光線的折射方向的球面或者自由曲面，所述光線出射面包括多個(gè)利用其表面不同曲率來控制入射后的光線在透鏡內(nèi)部的反射方向及光線出射方向從而使輸出光斑接近矩形的自由曲面。參照?qǐng)D1，本實(shí)施例中，光線入射面I為位于透鏡底部中央的內(nèi)凹的球面，LED光線在入射面不同點(diǎn)上的折射方向不同，通過控制光線入射面I不同點(diǎn)處的曲率參數(shù)調(diào)整了LED光線以合適的角度折射射入透鏡內(nèi)部，從而增大了 LED光線進(jìn)入光線入射面I后的出光角度，避免了光線的損耗及光效率的降低，有利于通過調(diào)整透鏡各部位的相關(guān)參數(shù)對(duì)光斑面積進(jìn)行控制。所述光線出射面包括用于折射透鏡內(nèi)水平角在0° α (30° < α < 45° )范圍內(nèi)的光線的第一出射面2，所述第一出射面2通過一作為連續(xù)過渡面的第一反射面3連接有第二出射面4，所述第二出射面4在透鏡的外周頂部邊沿連接有內(nèi)凹的第二反射面5及第三反射面6，所述第三反射面6位于與光線入射面I相對(duì)的中央位置，控制透鏡內(nèi)部水平角
(70° < β <90° )范圍內(nèi)光線的反射分布，所述第二反射面5用于連接第二出射面4與所述第三反射面6，并將水平角α β (30° < α <45°，70° < β <90° )的光線反射至第二出射面4。在應(yīng)用中，第一出射面2、第二出射面4、第一反射面3、第二反射面5及第三反射面6皆為自由曲面。通過控制第一出射面2的曲率參數(shù)使得透鏡內(nèi)水平角度在0° α (30° < α <45° )范圍內(nèi)的光線以合適的角度折射出透鏡(參照?qǐng)D6中的光線1)，讓其射往要求的光斑邊緣，從而對(duì)光斑邊緣的光照強(qiáng)度進(jìn)行了有效的補(bǔ)充提高，提升了光斑的均勻性；通過調(diào)節(jié)第三反射面6的曲率參數(shù)，將透鏡內(nèi)部水平角β、0° (70°
<β <90° )范圍的光線進(jìn)行全反射，進(jìn)而經(jīng)第二出射面4折射出射(參照?qǐng)D6中的光線3)，從而使其遠(yuǎn)離光斑中心及其周圍附近部位，避免了出現(xiàn)光斑中央光照強(qiáng)度過高的情況，也增大了光斑其他部位的光照強(qiáng)度，從而提高了光斑的均勻性；通過微調(diào)第二反射面5、第三反射面6及第二出射面4的曲率參數(shù)，可以對(duì)光源中心和邊緣之間的那一部分光源發(fā)出的出射光線進(jìn)行分散控制(參照?qǐng)D6中的光線2)，提高光斑邊緣和光斑中心之間區(qū)域的均勻度。圖2是本發(fā)明透鏡的主向示意圖，圖3是本發(fā)明透鏡的側(cè)面示意圖，圖4是本發(fā)明透鏡的仰視示意圖，本發(fā)明透鏡的立體結(jié)構(gòu)示意圖參照?qǐng)D7，圖5是本發(fā)明透鏡的光線分布示意圖。通過透鏡結(jié)構(gòu)，對(duì)水平角α、0° (30° < α <45° )特別是中央部分水平角β、0° (70° < β <90° )的光線進(jìn)行全反射后再由出光面對(duì)其進(jìn)行折射處理，從而有效降低了光斑中心及其周圍的光照強(qiáng)度，提高了光斑邊緣及其它部分的光照強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上通過調(diào)節(jié)透鏡各個(gè)部位自由曲面的曲率參數(shù)，進(jìn)一步提高了光斑的均勻度。本發(fā)明透鏡的照度分布效果示意圖如圖8所示，本發(fā)明透鏡可以在近場照明中，特別是在直下式背光模組照明中，形成有效擴(kuò)展角度達(dá)到120-160°高均勻度高光線利用率的規(guī)則矩形光斑。優(yōu)選地，本發(fā)明透鏡由PC、PMMA、PP、ABS、PVC或者玻璃等透光材料制成。參照?qǐng)D1，透鏡底部設(shè)有定位引腳7，定位引腳7上設(shè)有定位孔8及定位栓9。通過調(diào)節(jié)定位引腳7的高度，就可以控制光源發(fā)光面與透鏡底面之間的距離，進(jìn)而控制光斑的面積及其均勻度。在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明透鏡的光線入射面I的形狀可以改變，例如采用圖9所示的平頂?shù)膱A柱形，或者采用圖10所示的圓頂?shù)膱A柱形或者其他對(duì)入射光線進(jìn)入透鏡的折射方向可控的形狀均可。參照?qǐng)D11，通過改變透鏡的第三反射面6的最低點(diǎn)的形狀或者將第二反射面5和第三反射面6合并為一個(gè)反射面來控制光線的出射方向，即采用兩個(gè)光線反射面亦可以實(shí)現(xiàn)透鏡中心部位的光線遠(yuǎn)離光斑中心及其周圍附近部位，避免了出現(xiàn)光斑中央光照強(qiáng)度過高的情況，也增大了光斑其他部位的光照強(qiáng)度，從而提高了光斑的均勻性。另外，亦可將第一反射面3取消，直接由第二出射面4與第一出射面2相貫接后調(diào)節(jié)透鏡相關(guān)部位的參數(shù)，也能達(dá)到同樣的效果。在具體應(yīng)用中，本發(fā) 明透鏡為單顆或陣列形式，透鏡和光源對(duì)應(yīng)關(guān)系為一對(duì)一或一對(duì)多或多對(duì)一關(guān)系。以上是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施進(jìn)行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可以作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請(qǐng)權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi) 。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)均勻矩形光斑透鏡，其特征在于所述透鏡具有一底面，所述底面中央設(shè)有一凹面，為透鏡的光線入射面；透鏡具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的光線出射面，負(fù)責(zé)出射不同角度的光線；透鏡具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的光線反射面，用來控制光線在透鏡內(nèi)部的方向；透鏡的主體部分由透鏡的底面、光線入射面、光線反射面及光線出射面共同包圍的空間定義。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實(shí)現(xiàn)均勻矩形光斑透鏡，其特征在于所述光線入射面為球面或自由曲面或圓柱面或球面和圓柱面的組合曲面或自由曲面和圓柱面的組合曲面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實(shí)現(xiàn)均勻矩形光斑透鏡，其特征在于所述透鏡的光線出射面由自由曲面拼接而成，負(fù)責(zé)不同角度光線的出射，通過調(diào)節(jié)其曲率參數(shù)可以控制光線的折射出射方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實(shí)現(xiàn)均勻矩形光斑透鏡，其特征在于所述透鏡的光線反射面由自由曲面拼接而成，負(fù)責(zé)控制水平角在a、0°范圍內(nèi)光線在透鏡內(nèi)部的方向，所述a的取值范圍為30° < a < 45°。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實(shí)現(xiàn)均勻矩形光斑透鏡，其特征在于所述透鏡各個(gè)面之間連接部位為連續(xù)過渡或者非連續(xù)過渡的自由曲面拼接而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實(shí)現(xiàn)均勻矩形光斑透鏡，其特征在于所述透鏡的應(yīng)用光源為點(diǎn)光源或者擴(kuò)展面光源。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實(shí)現(xiàn)均勻矩形光斑透鏡，其特征在于所述透鏡底部設(shè)有定位引腳，所述定位引腳設(shè)有定位孔或定位栓。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實(shí)現(xiàn)均勻矩形光斑透鏡，其特征在于所述透鏡由PC或PMMA或PP或ABS或PVC或玻璃材料制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實(shí)現(xiàn)均勻矩形光斑透鏡，其特征在于所述透鏡為單顆或陣列形式，透鏡和光源對(duì)應(yīng)關(guān)系為一對(duì)一或一對(duì)多或多對(duì)一關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實(shí)現(xiàn)均勻矩形光斑透鏡，該透鏡具有一底面，底面中央設(shè)有一接收LED光線的光線入射面，與底面相貫通的透鏡的外表面為光線出射面，光線出射面包括多個(gè)利用其表面不同曲率來控制入射后的光線在透鏡內(nèi)部的反射方向及光線出射方向從而使輸出光斑接近矩形的自由曲面。本發(fā)明透鏡通過對(duì)水平角α~90°(30°＜α＜45°)，特別是中央部分水平角β~90°(70°＜β＜90°)的光線進(jìn)行全反射后再由出光面對(duì)其進(jìn)行折射處理，從而有效降低了光斑中心及其周圍的光照強(qiáng)度，提高了光斑邊緣部分的光照強(qiáng)度，可形成均勻的矩形光斑，從而能以較少的光源和透鏡數(shù)量達(dá)到更好的混光照明效果。
文檔編號(hào)F21V5/04GK102705776SQ201210152649
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月16日
發(fā)明者余舒適, 向?qū)氂? 吳乾, 周鎮(zhèn), 李國平, 熊威, 王躍飛, 石超 申請(qǐng)人:廣州市鴻利光電股份有限公司