一種led二次光學(xué)透鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)透鏡技術(shù)，特別是一種LED 二次光學(xué)透鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著節(jié)能環(huán)保的理念深入人心，LED (Light Emitting D1de,發(fā)光二極管)以其節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)三大優(yōu)勢(shì)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。LED作為光源理論上可實(shí)現(xiàn)只消耗白熾燈10%的能耗，比熒光燈節(jié)能50%。
[0003]由于LED光源的光強(qiáng)分布滿足類(lèi)朗伯體且方向性極強(qiáng)，在實(shí)際使用過(guò)程中需要為其設(shè)計(jì)一個(gè)二次光學(xué)透鏡以滿足均勻照明或其他照明分布方式。同時(shí)，工業(yè)上為了節(jié)省成本和使用安全，二次光學(xué)透鏡生產(chǎn)多采用注塑生成，而在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中也需要考慮注塑拔模的可行性。傳統(tǒng)的光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)方式大都采用內(nèi)曲面為半球面，而計(jì)算得到的外曲面在光線90°的附近出現(xiàn)內(nèi)凹，在模具設(shè)計(jì)時(shí)需要采用對(duì)稱式設(shè)計(jì)才便于注塑拔模，但對(duì)稱式設(shè)計(jì)會(huì)影響注塑產(chǎn)品在模具拼接縫的實(shí)體形狀。同時(shí)，為了便于透鏡安裝，還需要設(shè)計(jì)一定高度的安裝邊，這樣的設(shè)計(jì)導(dǎo)致在光源90°附近的光線不能被有效利用，影響實(shí)際的出光效率產(chǎn)生能源浪費(fèi)。
[0004]因此，有必要設(shè)計(jì)一種光源利用率高和利于模具設(shè)計(jì)的改良LED 二次光學(xué)透鏡?！緦?shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的在于:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種光源利用率高并且便于模具設(shè)計(jì)的LED 二次光學(xué)透鏡。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種LED 二次光學(xué)透鏡，包括透鏡本體，所述透鏡本體中部設(shè)置有凸起的透鏡外曲面、凹入透鏡內(nèi)的透鏡內(nèi)曲面，所述透鏡外曲面的凸起起始端連接有圓餅形的透鏡安裝環(huán)，所述透鏡安裝環(huán)與透鏡外曲面相交的面為安裝面，與安裝面相對(duì)的面為基面，所述凸起的透鏡外曲面由外曲面曲線和與外曲面曲線平滑連接的外曲面直線繞透鏡中心軸旋轉(zhuǎn)而成，所述外曲面直線與安裝面相交，所述外曲面曲線與透鏡中心軸相交。
[0008]由于本透鏡的外曲面上與安裝面相交的部分為外曲面直線繞中心軸旋轉(zhuǎn)而成，該透鏡外曲面上與光源90°出射光線對(duì)應(yīng)部分不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)凹，便于透鏡在注塑過(guò)程中取模，不會(huì)影響注塑產(chǎn)品在模具拼接縫的實(shí)體形狀；透鏡外曲面上與安裝面相交的外曲面直線，通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)外曲面直線與安裝面相交點(diǎn)的位置，可將原本處于基準(zhǔn)面和安裝面之間的光線充分利用，有效利用光源90°出射光線附近的光線，發(fā)射的光線光斑均勻、無(wú)陰影、無(wú)黑點(diǎn)、無(wú)散光，光斑的周?chē)膊粫?huì)出現(xiàn)黃色的光圈。
[0009]作為本實(shí)用新型的優(yōu)選方案，所述透鏡內(nèi)曲面由內(nèi)曲面圓弧和與內(nèi)曲面圓弧平滑連接的內(nèi)曲面曲線繞透鏡中心軸旋轉(zhuǎn)而成，所述內(nèi)曲面圓弧與透鏡中心軸相交，所述內(nèi)曲面曲線與所述基面相交，所述內(nèi)曲面曲線與外曲面直線相對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)。與外曲面直線對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)的內(nèi)曲面曲線，使得光源90°出射光線經(jīng)過(guò)透鏡后從外曲面直線部分射出，進(jìn)而使所有光源出射光線經(jīng)過(guò)透鏡后都從透鏡外曲面射出，避免因光線射到安裝環(huán)上造成光線未被利用，提高出光效率。
[0010]作為本實(shí)用新型的優(yōu)選方案，所述外曲面直線與外曲面曲線相切，外曲面直線在安裝面上的位置由安裝面相對(duì)于基面的高度確定。外曲面直線與外曲面曲線平滑過(guò)渡、相切連接，使光線經(jīng)過(guò)本透鏡出射后光線分布均勻，發(fā)射的光線光斑均勻、無(wú)陰影、無(wú)黑點(diǎn)、無(wú)散光。
[0011]作為本實(shí)用新型的優(yōu)選方案，所述外曲面直線滿足條件:以透鏡豎直中心線為豎軸0°，與中心線相垂直的基面線為橫軸90° ;根據(jù)安裝面的高度，找到安裝面與光源90°出射光線的交點(diǎn)，若該交點(diǎn)的橫軸值小于透鏡外曲面最大橫軸值，則透鏡的外曲面直線部分取其橫軸值最大點(diǎn)及該點(diǎn)的切線與安裝面的交點(diǎn)連線；若該交點(diǎn)的橫軸值大于透鏡外曲面最大橫軸值，找到透鏡外曲面上的某一點(diǎn)使該點(diǎn)切線和光源90°出射光線與安裝面的交點(diǎn)相同，外曲面直線部分取該點(diǎn)與該點(diǎn)切線與安裝面的交點(diǎn)連線；記該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光線出射角度為Θ 2 ；
[0012]所述外曲面曲線滿足條件:根據(jù)照度分布和能量守恒定律計(jì)算得到的透鏡外曲面形狀，透鏡外曲面上去掉外曲面直線部分剩下的即為外曲面曲線；
[0013]所述內(nèi)曲面曲線滿足條件:對(duì)應(yīng)于外曲面直線，根據(jù)光線在透鏡中的傳播路線直接求得光源90°出射角光線所對(duì)應(yīng)的透鏡內(nèi)曲面橫坐標(biāo)值，再根據(jù)差分法、入射光線角度、光線在材料中的傳播路徑和材料折射率，依次90° — Θ 2方向求得透鏡外曲面直線區(qū)域內(nèi)光線所對(duì)應(yīng)的透鏡內(nèi)曲面坐標(biāo)，得出內(nèi)曲面曲線形狀；
[0014]所述內(nèi)曲面圓弧滿足條件:以內(nèi)曲面曲線的最后一點(diǎn)坐標(biāo)的模長(zhǎng)為半徑，以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心做一段0°?0 2角度內(nèi)的圓弧。
[0015]為了使該LED 二次光學(xué)透鏡充分利用光源，其設(shè)計(jì)步驟為:
[0016](I)確定照明高度、照明區(qū)域及透鏡中心高度；
[0017](2)假定LED光源強(qiáng)度分布為朗伯體，同時(shí)設(shè)為點(diǎn)光源，所述透鏡內(nèi)曲面為半球形，光源處于球心，根據(jù)照度分布和能量守恒定律計(jì)算得到透鏡的出射曲線；能量劃分方法為公知技術(shù)，得到該透鏡的外曲面初始曲線。
[0018](3)假定透鏡豎直中心線為豎軸0°，與中心線相垂直的基面線為橫軸90° ;根據(jù)安裝面的高度，找到安裝面與光源90°出射光線的交點(diǎn)，若該交點(diǎn)的橫軸值小于透鏡外曲面最大橫軸值，則透鏡外曲面直線部分取其橫軸值最大點(diǎn)及該點(diǎn)的切線與安裝面的交點(diǎn)連線；若該交點(diǎn)的橫軸值大于透鏡外曲面最大橫軸值，找到透鏡外曲面上切線斜率同光源90°出射光線與安裝面交點(diǎn)的連線直線斜率值相同的點(diǎn)，透鏡外曲面直線部分取該點(diǎn)的切線與安裝面的交點(diǎn)連線，并記錄兩種情況下的透鏡外曲線上該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光源出射角度為Θ2；
[0019](4)根據(jù)第(3)步得到的直線，計(jì)算得到該直線對(duì)應(yīng)區(qū)域光線與直線的交點(diǎn)，同時(shí)，根據(jù)光學(xué)材料的折射率和Snell定理，得到光線在材料中的傳播路徑。
[0020](5)根據(jù)第(3)步和第(4)步的求解，直接求得光源90°出射角光線所對(duì)應(yīng)的透鏡內(nèi)曲面橫坐標(biāo)，根據(jù)差分法、入射光線角度、光線在材料中的傳播路徑和材料折射率，依次(90° — Θ2方向)求得透鏡外曲面的直線區(qū)域內(nèi)光線所對(duì)應(yīng)的透鏡內(nèi)曲面坐標(biāo)，繪制內(nèi)曲面曲線形狀；再以內(nèi)曲面曲線的最后一點(diǎn)坐標(biāo)的模長(zhǎng)為半徑做一段圓弧(0°?Θ2角度內(nèi))，即為透鏡內(nèi)曲面圓??；
[0021](6)根據(jù)基面、安裝面、外曲面直線、外曲面曲線、內(nèi)曲面曲線和內(nèi)曲面圓弧所限定的區(qū)域，通過(guò)3D建模軟件可得到該條件下的實(shí)體模型。
[0022]通過(guò)本LED 二次光學(xué)透鏡制造方法設(shè)計(jì)的透鏡，首先根據(jù)光源90°出射光線與透鏡安裝面的交點(diǎn)位置，確定透鏡的外曲面直線，確保了光源90°出射光線經(jīng)過(guò)透鏡后的出射光點(diǎn)在透鏡的外曲面上，避免能源浪費(fèi)；確定了透鏡的外曲面直線后，根據(jù)光線在透鏡中的傳播路線，依次求得外曲面直線區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)的透鏡內(nèi)曲面坐標(biāo)，繪制出內(nèi)曲面曲線的形狀；再以內(nèi)曲面曲線的最后一點(diǎn)坐標(biāo)的模長(zhǎng)為半徑，以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心做一段0°?Θ2角度內(nèi)的圓弧，即得到透鏡內(nèi)曲面圓弧。本設(shè)計(jì)方法符合光學(xué)材料的折射率和Snell定理，使光源出射光線經(jīng)過(guò)透鏡后都從透鏡外曲面上出射，不會(huì)造成光源的浪費(fèi)、利用率高，光線從透鏡出射后光線光斑均勻、無(wú)散光；由于透鏡外曲面與安裝面接觸部位為外曲面直線部分，使得該透鏡外表面不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)凹，便于透鏡在注塑過(guò)程中取模。
[0023]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型的有益效果是:
[0024]由于本透鏡的外曲面上與安裝面相交的部分為外曲面直線繞中心軸旋轉(zhuǎn)而成，該透鏡外曲面上與光源90°出射光線對(duì)應(yīng)部分不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)凹，便于透鏡在注塑過(guò)程中取模，不會(huì)影響注塑產(chǎn)品在模具拼接縫的實(shí)體形狀；透鏡外曲面上與安裝面相交的外曲面直線，通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)外曲面直線與安裝面相交點(diǎn)的位置，可將原本處于基準(zhǔn)面和安裝面之間的光線充分利用，有效利用光源90°出射光線附近的光線，發(fā)射的光線光斑均勻、無(wú)散光，光斑的周?chē)膊粫?huì)出現(xiàn)黃色的光圈。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是本實(shí)用新型LED 二次光學(xué)透鏡整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2為傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的LED 二次配光透鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖3為該LED 二次光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖4為該LED 二次配光透鏡的繞中心軸旋轉(zhuǎn)為透鏡本體的曲線示意圖。
[0029]圖5為實(shí)例一所設(shè)計(jì)的LED 二次配光透鏡中心剖視圖。
[0030]圖6為實(shí)例二所設(shè)計(jì)的LED 二次配光透鏡中心剖視圖。
[0031 ] 圖7實(shí)例二所設(shè)計(jì)的LED 二次配光透鏡的極坐標(biāo)配光曲線圖。
[0032]圖8是本實(shí)用新型LED 二次光學(xué)透鏡的內(nèi)外表面設(shè)計(jì)流程圖。
[0033]圖中標(biāo)記:1-透鏡本體，2-透鏡外曲面，3-透鏡內(nèi)曲面，4-基面，5-安裝面，21-外曲面曲線，22-外曲面直線，31-內(nèi)曲面圓弧，32-內(nèi)曲面曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)的說(shuō)明。
[0035]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0036]實(shí)施例1
[0037]如圖1到圖5所示，一種LED 二次光學(xué)透鏡，包括透鏡本體I，所述透鏡本體I中部設(shè)置有凸起的透鏡外曲面2、凹入透鏡內(nèi)的透鏡內(nèi)曲面3，所述透鏡外曲面2的凸起起始端連接有圓餅形的透鏡安裝環(huán)，所述透鏡安裝環(huán)與透鏡外曲面相交的面為安裝面5，與安裝面相對(duì)的面為基面4，所述凸起的透鏡外曲面2由外曲面曲線21和與外曲面曲線平滑連接的外曲面直線22繞透鏡中心軸旋轉(zhuǎn)而成，所述外曲面直線22與安裝面5相交，所述外曲面曲線21與透鏡中心軸相交。
[0038]由于本透鏡的外曲面上與安裝面相交的部分為外曲面直線繞中心軸旋轉(zhuǎn)而成，該透鏡外曲面上與光源90°出射光線對(duì)應(yīng)部分不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)凹，便于透鏡在注塑過(guò)程中取模，不會(huì)影響注塑產(chǎn)品在模具拼接縫的實(shí)體形狀；透鏡外曲面上與安裝面相交的外曲面直線，通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)外曲面直線與安裝面相交點(diǎn)的位置，可將原本處于基準(zhǔn)面和安裝面之間的光線充分利用，有效利用光源90°出射光線附近的光線，發(fā)射的光線光斑均勻、無(wú)