專利名稱：用于大功率led光源的菲涅爾透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種菲涅爾透鏡，尤其涉及一種用于大功率LED光源或者光源陣列的菲涅爾透鏡，屬于影視照明燈具領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
菲涅爾透鏡也稱螺紋透鏡，其特點是鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓(即環(huán)紋菲涅爾面)。菲涅爾透鏡在投影顯示、聚光聚能、照明光學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如傳統(tǒng)的大功率投光燈一般由HID光源(高密度氣體放電燈)及具有較大尺寸的菲涅爾透鏡組成。由于HID光源是360°發(fā)光，其中只有一小部分的光可以通過前方的菲涅爾透鏡實現(xiàn)會聚，光能的利用率比較低。因此，為了增加光能的利用率，需要在HID光源的后面放置一個球形的反射鏡。然而，HID光源的溫度非常高，容易將結(jié)構(gòu)件表面的黑漆烤化后蒸發(fā)，蒸發(fā)后的化學(xué)物質(zhì)會玷污反射鏡以及菲涅爾透鏡，從而降低反射鏡的反射率及菲涅爾透鏡的透過率。因此，傳統(tǒng)大功率投光燈的光衰十分嚴(yán)重，壽命也比較短。目前，由于功率型LED光源的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并且在很多領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，越來越多的大功率投光燈開始改用多芯片集成的大功率LED光源或者是多顆LED組成的光源陣列。此類光源僅在前方180°的范圍內(nèi)發(fā)光，其光強(qiáng)的遠(yuǎn)場角度分布(即配光曲線)為郎伯型，峰值光強(qiáng)一半位置處的光束全角寬度大約為120°，因此不需要在光源后再放置一個球形的反光杯，而只用一個菲涅爾透鏡就可以收集大部分的光線。在現(xiàn)有技術(shù)中，用于燈具的菲涅爾透鏡的結(jié)構(gòu)都比較相似，均包括入射面和與入射面相對的折射凹面。其中，入射面是光滑的面，折射凹面是由多個同心設(shè)置的圓環(huán)凹槽分割而成的環(huán)紋菲涅爾面，該環(huán)紋菲涅爾面對入射光線有會聚的作用。例如公開號為CN102537832A的中國發(fā)明申請中公開的菲涅爾透鏡，即是其中的一個例子。由于菲涅爾透鏡對多芯片集成的大功率LED光源或者是多顆LED組成的光源陣列僅具有光線會聚的作用，當(dāng)這種菲涅爾透鏡用于大功率LED投光燈，并且當(dāng)光源位于菲涅爾透鏡的焦平面位置時，菲涅爾透鏡會投射出整齊排列的一顆顆LED芯片或者一顆顆LED的像，而不是圓形的均勻光斑。雖然通過離焦可以改善光斑的形狀，但離焦后光束角就會變得比較大，而且由于色差的存在，有時光斑邊緣還會出現(xiàn)黃圈。因此，菲涅爾透鏡的結(jié)構(gòu)限制了其在大功率LED燈具領(lǐng)域的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種改進(jìn)的菲涅爾透鏡。該菲涅爾透鏡尤其適合在大功率LED光源或者光源陣列中使用。為了達(dá)到上述的目的，本實用新型采用下述的技術(shù)方案—種菲涅爾透鏡，包括環(huán)紋菲涅爾面，所述環(huán)紋菲涅爾面的背面是基面，其中，所述基面是由多個蠅眼透鏡單元排列而成的蠅眼透鏡陣列面。較優(yōu)地，所述蠅眼透鏡單元以所述基面的光軸為中心，呈環(huán)形分布在所述基面上。[0009]較優(yōu)地，各所述蠅眼透鏡單元具有相同的混光角度。較優(yōu)地，所述混光角度在2° 5°之間。較優(yōu)地,所述基面為平面、圓弧面、非球面中的任意一種。較優(yōu)地，所述基面為內(nèi)凹的圓弧面。較優(yōu)地，所述蠅眼透鏡陣列面與所述基面一體成型。本實用新型提供的菲涅爾透鏡光源陣列通過環(huán)紋菲涅爾面和蠅眼透鏡陣列面的結(jié)合，可以將菲涅爾透鏡的聚光作用和蠅眼透鏡陣列面的混光作用結(jié)合起來，在幾乎不改變菲涅爾透鏡的光束角的情況下，對輸出光束進(jìn)行小角度范圍的混光，從而將出射光斑修正為圓形的均勻光斑。當(dāng)光源從透鏡的焦平面位置一直調(diào)至靠近透鏡下表面時，輸出光束的光束角從小連續(xù)變到大，輸出光斑可以從聚光連續(xù)變到泛光，一直保持比較均勻的變化，無明顯的亮環(huán)和暗斑。

圖1為本實用新型提供的菲涅爾透鏡的俯視圖；圖2為本實用新型提供的菲涅爾透鏡的仰視圖；圖3為本實用新型提供的菲涅爾透鏡的主視圖；圖4為圖3所示結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖5為圖4中A部的局部放大圖；圖6為本實用新型提供的菲涅爾透鏡的混光原理圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型的具體內(nèi)容作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。結(jié)合圖1至圖4可知，本實用新型提供的菲涅爾透鏡包括圓形的環(huán)紋菲涅爾面I和基面2，環(huán)紋菲涅爾面I的背面是基面2。其中，基面2是由多個蠅眼透鏡單元密集排列而成的蠅眼透鏡陣列面3。因為在基面2上，多個蠅眼透鏡單元以陣列的形式密集排列，類似于蠅眼，故將其稱為蠅眼透鏡陣列面3。在本實用新型的一個實施例中，多個蠅眼透鏡單元在基面2上，以光軸為中心、呈環(huán)形排列成陣列。在該菲涅爾透鏡中，基面2為光線入射面，環(huán)紋菲涅爾面I為光線射出面。從多顆LED組成的LED光源陣列5的光源中心發(fā)出的光線，經(jīng)過基面2折射后，入射到環(huán)紋菲涅爾面I上。其中，蠅眼透鏡陣列面3對光線起小角度混光的作用，環(huán)紋菲涅爾面I對光線起折射會聚的作用?；?的形狀可以是平面、圓弧面、非球面中的任意一種。該蠅眼透鏡陣列面3與基面2—體成型。在本實用新型的一個實施例中，基面2是內(nèi)凹的圓弧面(參見圖4所示的剖面圖和圖5所示的A部放大圖)，環(huán)紋菲涅爾面I是向外凸出的圓弧面。其中，基面2是入射面。與平面結(jié)構(gòu)相比，內(nèi)凹的圓弧面具有更大的數(shù)值孔徑角，可以收集更多的光能量。在該蠅眼透鏡陣列面3上排列的多個蠅眼透鏡單元用于對入射的光線進(jìn)行折射，達(dá)到小角度混光的目的。該蠅眼透鏡陣列面3中的所有蠅眼透鏡單元具有相同的混光角度，該混光角度由蠅眼透鏡單元的數(shù)值孔徑角的數(shù)值決定。在該菲涅爾透鏡中，混光角度Δ Θ以介于2° 5°之間為宜。較佳地，可以采用3°作為蠅眼透鏡陣列的混光角度。如圖4和圖6所示，將LED光源陣列5安裝在該菲涅爾透鏡的焦平面上，從該LED光源陣列5的光源中心發(fā)出的光線，經(jīng)過內(nèi)凹圓弧形的基面2折射后，入射到上表面的環(huán)紋菲涅爾面I上，其中，蠅眼透鏡陣列面3對LED光源陣列5發(fā)射的光線有小角度混光的作用。下面，以圖6所示的單個蠅眼透鏡單元的混光原理為例進(jìn)行說明。從LED光源陣列5的光源中心O點發(fā)出的光線0P，入射到一個蠅眼透鏡單元的中心點P上，其折射光線PQ入射到環(huán)紋菲涅爾面I的一個斜面上，經(jīng)過環(huán)紋菲涅爾面I的斜面折射后，其出射光線QR沿著與光軸OZ平行的方向準(zhǔn)直射出。從LED光源陣列5的光源中心O點發(fā)出、入射到該蠅眼透鏡單元邊緣的光線OPl及0P2，經(jīng)折射后的光線PlQl及P2Q2再經(jīng)過環(huán)紋菲涅爾面I的斜面折射后，其出射光線QlRl與Q2R2先交叉到一點，然后與出射光線QR成土 Λ Θ角射出。其中土 Λ Θ等于蠅眼透鏡單元的混光角度。所有的蠅眼透鏡單元具有相同的混光角度，這樣可以保證射出光束獲得比較均勻的混光。該蠅眼透鏡單元的尺寸可以依據(jù)加工條件來確定。蠅眼透鏡單元的曲率半徑，可以根據(jù)蠅眼透鏡單元的數(shù) 值孔徑來確定。每個蠅眼透鏡單元的數(shù)值孔徑滿足N.A. =nsin(A Θ)，公式中，N.A.為蠅眼透鏡單元的數(shù)值孔徑，η為介質(zhì)折射率，對于空氣，其數(shù)值為1，Λ Θ為混光角度。根據(jù)該公式以及蠅眼透鏡單元的直徑，可以計算出每一個蠅眼透鏡單元的曲率半徑。綜上可知，本實用新型提供的菲涅爾透鏡，通過環(huán)紋菲涅爾面和蠅眼透鏡陣列面的結(jié)合，可以將菲涅爾透鏡的聚光作用和蠅眼透鏡陣列的混光作用結(jié)合起來，在幾乎不改變菲涅爾透鏡的光束角的情況下，對輸出光束進(jìn)行小角度范圍的混光，消除投射光斑中整齊排列的一顆顆LED的像，并將出射光斑修正為圓形的均勻光斑，適用于多顆LED組成的光源陣列。同時，該菲涅爾透鏡還適用于由多芯片集成的大功率LED光源，其中，蠅眼透鏡陣列面對該大功率LED光源具有相同的小角度混光作用，可以消除出射光斑中整齊排列的一顆顆LED芯片的像，并將其出射光斑修正為圓形的均勻光斑。如果使用傳統(tǒng)的菲涅爾透鏡，當(dāng)光源位于焦平面位置時，投射的光斑中存在LED芯片或LED的影子，雖然通過離焦可以改善光斑的形狀，但離焦后光束角就會變得比較大，而且由于色差的存在，有時光斑邊緣還會出現(xiàn)黃圈。而使用本實用新型所提供的菲涅爾透鏡，當(dāng)菲涅爾透鏡相對于大功率LED光源移動時，可以有效地消除環(huán)狀光圈以及由于色差引起的光斑邊緣的黃圈。當(dāng)LED光源陣列從透鏡的焦平面位置一直調(diào)至靠近透鏡下表面時，可以實現(xiàn)光束角從小到大、光斑從聚光到泛光的連續(xù)變化，而且一直保持比較均勻的變化，無明顯的亮環(huán)和暗斑。上面對本實用新型所提供的菲涅爾透鏡進(jìn)行了詳細(xì)的說明。對本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員而言，在不背離本實用新型實質(zhì)精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都將構(gòu)成對本實用新型專利權(quán)的侵犯，將承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。
權(quán)利要求1.一種菲涅爾透鏡，包括環(huán)紋菲涅爾面，所述環(huán)紋菲涅爾面的背面是基面，其特征在于:所述基面是由多個蠅眼透鏡單元排列而成的蠅眼透鏡陣列面。
2.如權(quán)利要求1所述的菲涅爾透鏡，其特征在于所述蠅眼透鏡單元以所述基面的光軸為中心，呈環(huán)形分布在所述基面上。
3.如權(quán)利要求1所述的菲涅爾透鏡，其特征在于所述蠅眼透鏡單元具有相同的混光角度。
4.如權(quán)利要求3所述的菲涅爾透鏡，其特征在于所述混光角度在2° 5°之間。
5.如權(quán)利要求4所述的菲涅爾透鏡，其特征在于所述混光角度為3°。
6.如權(quán)利要求1所述的菲涅爾透鏡，其特征在于所述基面為平面、圓弧面、非球面中的任意一種。
7.如權(quán)利要求1所述的菲涅爾透鏡，其特征在于所述基面為內(nèi)凹的圓弧面。
8.如權(quán)利要求1所述的菲涅爾透鏡，其特征在于所述蠅眼透鏡陣列面與所述基面一體成型。
專利摘要本實用新型提供了一種用于大功率LED光源的菲涅爾透鏡，包括環(huán)紋菲涅爾面，該環(huán)紋菲涅爾面的背面是基面，其中，基面是由多個蠅眼透鏡單元排列而成的蠅眼透鏡陣列面。該菲涅爾透鏡適用于大功率LED光源或者光源陣列，通過環(huán)紋菲涅爾面和蠅眼透鏡陣列面的結(jié)合，可以將菲涅爾透鏡的聚光作用和蠅眼透鏡陣列的混光作用結(jié)合起來，在幾乎不改變菲涅爾透鏡的光束角的情況下，對輸出光束進(jìn)行小角度范圍的混光，從而將出射光斑修正為圓形的均勻光斑。
文檔編號F21V5/04GK202835182SQ20122056872
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者甄何平, 蔣金波 申請人:北京星光影視設(shè)備科技股份有限公司