透鏡部件和使用該透鏡部件的光學單元的製作方法

2023-05-27 11:19:11

專利名稱：透鏡部件和使用該透鏡部件的光學單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種透鏡部件和包括該透鏡部件的例如用於發光二極體(LED)照明設備等中的一種光學單元。
背景技術：
使用LED作為光源的LED光學產品(諸如照明設備、投影儀、閃光燈、汽車的頭燈和尾燈等)或諸如窄指向性LED的基本光學裝置等通常使用透鏡來聚合或校準從LED發射的光。儘管凸折射透鏡通常用於這類透鏡，但同樣提出採用菲涅耳透鏡以達到減小高度和薄化的目的。常規地，提出一種用於燈配件的透鏡，其具有在光軸附近的內表面的中心部分中形成的柵格形折射稜鏡，並且還具有在該柵格形折射稜鏡的外周部分中形成的柵格形反射稜鏡(例如，參考JP57-55002A)。此外，提出了一種菲涅耳透鏡，在該透鏡中，起到入射面作用的菲涅耳透鏡表面的稜鏡的一部分被形成為使得一部分入射光線在非透鏡表面處被全內反射後從出射面射出(例如，參考JP59-119340A)。而且，提出了一種光學器件，其由折射透鏡部分和反射體部分構成，折射透鏡部分具有設置在光軸中心部分處的透鏡體，反射體部分允許光線從內表面部分入射並在拋物面形反射面處全內反射光線，因此將光線轉化為平行光束(例如，參考JP05-281402A)。但是，上述常規技術留下了如下問題。也就是說，在常規的菲涅耳透鏡中，在稜鏡的邊緣被由稜鏡的入射面和稜鏡的光反射表面形成的入射銳角構成的情況下，在對菲涅耳透鏡進行樹脂成型期間，當金屬模具充滿樹脂時，由於稜鏡的邊緣窄或薄，因此阻礙了樹脂達稜鏡的邊緣。這使得稜鏡邊緣在其成型狀態中呈圓形。因此，存在不能在稜鏡的圓形邊緣處進行高精度的光入射和光反射的問題，這導致了發光性能在透鏡部件的中心軸AX方向上的劣化等。此外，在JP05-281402中公開的透鏡體具有以下缺點它的反射面必須很高以反射從圓形的入射面入射的所有光，因此造成透鏡厚度增加。而且，JP57-55002A、JP59-119340A和JP05-281402A中公開的透鏡具有以下缺點 由於部分入射光沒有到達反射表面而產生了損失，使得難以將光的使用效率最大化。例如， 在JP05-281402A中，在入射面與折射透鏡部分之間存在入射光沒有到達反射表面的部分， 導致損失了通過該部分的光。此外，當LED用作光源時，輻射光具有發射角度越大則光強越小的光分布；因此， 如圖3中所示，當使用常規的TIRCTotal Internal Reflection 全內反射)透鏡1時，從 TIR透鏡1的被設置為面對光源2的內凹透鏡部分3的入射面入射的光在外凸透鏡部分4 的反射表面處被全內反射；但是，這導致了在中心部分附近具有較強光強的光L2在凹狀透鏡部分4的外周側的反射表面處被反射。因此，在該IlR透鏡1中，中心附近的亮度高，但在中間附近變低，並且在外側再次升高。結果，即便使該IlR透鏡1變成菲涅耳透鏡，但如果使用常規方法這樣做的話，在出射光中產生了以光軸為中心的環形光斑，這破壞了外觀。而且，在JP05-281402A中公開的透鏡中，反射透鏡部分的入射面和出射面都被形成為非球面，因此存在加工困難和費用提高這兩個問題。

發明內容
根據本發明的實施方案的一種透鏡部件，該透鏡部件包括入射側，其包含中心軸和以所述中心軸為中心的凹面形狀；出射側，其與所述入射側相對；多個環形稜鏡，它們設置在所述入射側上，並且與所述入射側的所述中心軸同心，所述多個環形稜鏡各包括內環形面和位於所述內環形面外側的外環形面以形成各個所述環形稜鏡；以及包括折射面的至少一個環形稜鏡，所述折射面位於所述至少一個環形稜鏡的所述內環形面與所述外環形面之間的邊緣處。所述折射面可以是從所述環形稜鏡的所述內環形面向所述外環形面向上傾斜的環形斜面。所述包括折射面的至少一個環形稜鏡可以是具有折射面的多個環形稜鏡，並且可以設置在圍繞所述入射側的所述中心軸的中心部分處。所述環形稜鏡的所述內環形面和所述外環形面形成為菲涅耳透鏡表面的形狀。在本發明的另一個實施方式中，所述透鏡部件可以包括突出部分，其在以所述入射側的所述中心軸為中心的所述中心部分處突出；和與所述中心軸同心並可以設置在所述突出部分的斜面上的具有折射面的多個環形稜鏡。所述突出部分可以是圓錐形，並且所述具有折射面的多個環形稜鏡可以圍繞所述中心軸設置在所述圓錐形的斜面上。所述突出部分的突出端可以具有垂直於所述中心軸的平坦表面，或者所述突出端可以具有非球面。所述環形稜鏡的所述內環形面可以由IlR透鏡的入射表面的分割部分形成，所述環形稜鏡的所述外環形面可以由所述IlR透鏡的光反射表面的分割部分形成，其中所述入射表面包括設置在所述IlR透鏡的下部的凹面形狀，並且所述光反射表面包括設置在所述入射表面的外側的凸面形狀。在所述TIR透鏡的所述光反射表面的分割部分中，原本遠離所述TIR透鏡的中心軸設置的所述分割部分被重新布置在與所述入射側的所述中心軸相鄰的所述環形稜鏡的所述外環形面，並且在各個所述環形稜鏡中，所述外環形面可以是反射透過各個所述環形稜鏡的所述內環形面的光的全內反射表面。所述環形稜鏡的所述內環形面和所述外環形面可以形成為由所述TIR透鏡菲涅耳化而成的菲涅耳透鏡表面的形狀， 其中原本遠離所述IlR透鏡的所述中心軸設置的所述分割部分被重新布置為鄰近所述入射側的所述中心軸。而且，在根據本發明的另一個實施方式的透鏡部件中，多個微小的不規則體可以被布置在所述出射側上，並且構造為對透過所述出射表面的光的指向性進行控制。所述不規則體可以是光的散射部分。而且，一種光學單元，該光學單元包括根據本發明實施方式的透鏡部件；和光源，其包括至少一個發光二極體元件以及以光軸為中心的發光面，所述光源的光軸被設置為與所述透鏡部件的所述入射側的所述中心軸同軸。所述至少一個發光二極體元件可以是多個發光二極體元件，並且可以包括RGB發光二極體元件。


圖1是本發明一實施方式中的透鏡部件的平面圖。圖2是沿圖1中示出的透鏡部件的線II-II得到的橫截面圖。圖3是示出常規TIR透鏡的原理的示意圖。圖4是示出包括由IlR透鏡菲涅耳化而成的菲涅耳表面的透鏡部件的原理的示意圖，其中原本遠離IlR透鏡的中心軸設置的分割部分被重新布置為鄰近透鏡部件的入射側的中心軸。圖5是示出根據本發明的實施方式的透鏡部件中的中心部分和圍繞中心部分的外周部分的部分橫截面圖的入射側的示意圖，該中心部分設置了具有折射面的環形稜鏡， 該外周部分設置了不具有折射面的環形稜鏡。圖6是示出在根據本發明實施方式的透鏡部件中設置在透鏡部件的環形稜鏡的內環形面和外環形面之間的邊緣處的折射面的形狀的放大橫截面圖。圖7A是示出當環形稜鏡的邊緣具有理想的尖形時光路的簡化示意圖。圖7B是示出當環形稜鏡的邊緣是圓形時光路的簡化示意圖。圖7C是示出當折射面被設置在環形稜鏡的內環形面和外環形面之間的邊緣處時光路的簡化示意圖。圖8A是示出當環形稜鏡的邊緣具有理想的尖形時光路的簡化示意圖。圖8B是示出當環形稜鏡的邊緣是圓形時光路的簡化示意圖。圖8C是示出當折射面被設置在環形稜鏡的內環形面和外環形面之間的邊緣處時光路的簡化示意圖。圖9是包括第一實施方式中的透鏡部件和面對該透鏡部件的入射側的光源的光學單元的橫截面圖。圖10是圖9中示出的光學單元的立體圖。圖11是示出由於對環形稜鏡邊緣的形狀的不同情況進行仿真而得到的透鏡亮度分布的圖。圖12是本發明的第二實施方式中的透鏡部件的橫截面圖。
具體實施例方式現在將參考附圖更加詳細地描述本發明，在附圖中示出了本發明的實施方式。然而，本發明可以通過很多不同的方式來實現，不應將本方面視為受到本文中提出的特定實施方式的限制。相反，提供這些實施方式以向本領域技術人員表達本發明的範圍。在附圖中，為了清楚起見，可能誇大了層和區域的尺寸和相對尺寸。圖1和圖2示出了根據本發明一實施方案的透鏡部件10。更詳細地，透鏡部件10 包括入射側12，入射側12包括中心軸AX和以該中心軸為中心的凹面形狀；與入射側12 相對的出射側15 ；以及多個環形稜鏡13，它們設置在入射側12上並與入射側12的中心軸 AX同心。多個環形稜鏡13中的每一個都包括內環形面13a和位於內環形面13a外側的外環形面13b，以形成每一個環形稜鏡13。入射側12的中心軸AX與透鏡部件10的中心軸AX 重合。
如圖6中所示，至少一個環形稜鏡13包括介於至少一個環形稜鏡13的內環形面 13a和外環形面1 之間的折射面(facet) 13c。這裡，在多個環形稜鏡13的內環形面13a 與外環形面1 之間設置有多個折射面13c，並且折射面13c被構造為接收從光源2射出的光並將光直接向出射側15折射。折射面13c可以是從環形稜鏡13的內環形面13a向外環形面13b向上傾斜的環形平坦斜面。而且，關於環形稜鏡13的內環形面13a與折射面13c之間的角度，與第二環形稜鏡相比，更加靠近中心軸AX布置的第一環形稜鏡在第一環形稜鏡的內環形面13a與折射面 13c之間具有更大的角度。換句話說，儘管更靠近中心軸AX布置的第一環形稜鏡的寬度小於或窄於第二環形稜鏡的寬度，但是第一環形稜鏡的內環形面13a和折射面13c之間的角度大於第二環形稜鏡的內環形面13a和折射面13c之間的角度。關於折射面13c的環形斜面，位於第一環形稜鏡外側的第二環形稜鏡的斜面變得更陡。環形稜鏡的斜面隨著與中心軸AX的距離增加而變得更陡。因此，在本實施方式中，帶有折射面13c的環形稜鏡13被設置在以中心軸AX為中心的中心部分內，而不具有折射面的環形稜鏡被設置在環繞中心部分的外周部分中。這是由於，即使在外周部分內的環形稜鏡的邊緣處設置折射面，在內環形面13a和折射面13c之間的角度也變得太小，並且折射面13c的斜面也變得太陡而不能適當地接收來自光源2的光並將光適當地折射向出射側15。圖7A是示出當環形稜鏡的邊緣具有理想的尖形時光路的簡化示意圖，該尖形是由其中在環形稜鏡的邊緣處理想地充分填充了樹脂的模具形成的。圖7B是示出當環形稜鏡的邊緣是圓形的且邊緣是由其中在環形稜鏡的邊緣部分處未完全填充樹脂的模具形成時光路的簡化示意圖。在圖7B的這種情況中，在圓形邊緣處向著出射側15的期望的光折射沒有發生，因此在沿中心軸AX方向的發光性能由於在環形稜鏡的圓形邊緣部分處不可控制的光損失而劣化。與之相反，在本發明的實施方式中，如圖7C中所示，由於在環形稜鏡13的內環形面13a與外環形面1 之間的邊緣處設置了折射面13c，對透鏡部件10進行成型變得更加容易，不需要在透鏡部件10的中心部分內的微小或狹窄的環形稜鏡處形成尖銳的邊緣。結果，折射面13c接收光，光的入射角度使其將被向著出射側15折射。 而且，與圖8A中示出的理想形狀的情況相比，在圖8B中示出的前面提及的 JP05-281402中公開的技術的情況中，邊緣是圓形的且更容易成型。但是，與圖8C中示出的帶有折射面13c的環形稜鏡13相比，圖8B的帶有圓形邊緣的環形稜鏡13的高度由於外環形面1 而需要更高，這導致了透鏡變得更厚，使得透鏡薄化變得困難。因此，如圖8C中所示，折射面13c可以是除了內環形面13a以外的光接收表面，並且通過成型來形成帶有折射面的環形稜鏡比通過成型來形成帶有尖形邊緣的環形稜鏡更加容易。下面，圖11示出了在上面圖7A至7C和圖8A至8C中的提及的情況的透鏡亮度分布；具有「理想的尖形」邊緣的環形稜鏡、在邊緣處「設置有折射面13c」的環形稜鏡和在出射側的中心部分處設置有折射面的環形稜鏡、以及由於未充分填充樹脂的成型而在出射側的中心部分處帶有「圓形」邊緣的環形稜鏡。而且，各種情況下沿透鏡部件10的中心軸AX的方向上的亮度性能和亮度性能比值如下面的表1所示，假定帶有「理想的尖形」邊緣的環形稜鏡的情況下的亮度性能被設定為 100%。
[表 1]
權利要求
1.一種透鏡部件，該透鏡部件包括入射側，其包括中心軸和以所述中心軸為中心的凹面形狀；出射側，其與所述入射側相對；多個環形稜鏡，它們被設置在所述入射側並且與所述入射側的所述中心軸同心，所述多個環形稜鏡各包括內環形面和位於所述內環形面外側的外環形面以形成各個所述環形稜鏡；以及包括折射面的至少一個環形稜鏡，所述折射面位於所述至少一個環形稜鏡的所述內環形面與所述外環形面之間的邊緣處。
2.根據權利要求1所述的透鏡部件，其中，所述包括折射面的至少一個環形稜鏡包含具有折射面的多個同心的環形稜鏡，並且所述具有折射面的多個同心的環形稜鏡設置在圍繞所述入射側的所述中心軸的中心部分處。
3.根據權利要求2所述的透鏡部件，該透鏡部件還包括突出部分，其在以所述入射側的所述中心軸為中心的所述中心部分處突出；和與所述中心軸同心並且被設置在所述突出部分的斜面上的具有折射面的多個環形稜^Mi ο
4.根據權利要求3所述的透鏡部件，其中，所述突出部分為圓錐形，其中所述具有折射面的多個環形稜鏡圍繞所述中心軸設置在所述圓錐形的斜面上。
5.根據權利要求1所述的透鏡部件，其中，所述折射面是從所述至少一個環形稜鏡的所述內環形面向所述外環形面向上傾斜的環形斜面。
6.根據權利要求2所述的透鏡部件，其中，所述多個環形稜鏡的所述折射面是分別從各個環形稜鏡的所述內環形面向所述外環形面向上傾斜的環形斜面。
7.根據權利要求2所述的透鏡部件，其中，所述突出部分的突出端具有垂直於所述中心軸的平坦表面。
8.根據權利要求2所述的透鏡部件，其中，所述突出部的突出端具有非球面。
9.根據權利要求1所述的透鏡部件，其中，所述環形稜鏡的所述內環形面和所述外環形面形成為菲涅耳透鏡表面的形狀。
10.根據權利要求1所述的透鏡部件，該透鏡部件還包括多個微小的不規則體，它們被設置在所述出射側並且被構造為對透過所述出射側的光的指向性進行控制。
11.根據權利要求10所述的透鏡部件，其中，所述多個微小的不規則體被構造為散射透過所述出射側的光。
12.根據權利要求1所述的透鏡部件，其中，各個所述內環形面包括平坦表面，並且各個同心的所述外環形面包括平坦表面。
13.根據權利要求1所述的透鏡部件，其中，各個所述內環形面包括平坦表面，並且各個同心的所述外環形面包括二次曲面。
14.根據權利要求1所述的透鏡部件，其中，所述環形稜鏡的所述內環形面由IlR透鏡的入射表面的分割部分形成，所述環形稜鏡的所述外環形面由所述IlR透鏡的光反射表面的分割部分形成，其中，所述入射表面具有設置在所述HR透鏡的下部的凹面形狀，所述光反射表面包括設置在所述入射表面的外側的凸面形狀，並且其中，在所述IlR透鏡的所述光反射表面的所述分割部分中，原本遠離所述IlR透鏡的中心軸設置的所述分割部分被重新布置到與所述入射側的所述中心軸相鄰的所述環形稜鏡的所述外環形面處，並且在各個所述環形稜鏡中，所述外環形面是全內反射表面，其反射透過各個所述環形稜鏡的所述內環形面和所述折射面的光。
15.根據權利要求13所述的透鏡部件，其中，所述環形稜鏡的所述內環形面和所述外環形面形成為由所述IlR透鏡菲涅耳化而成的菲涅耳透鏡表面的形狀，其中原本遠離所述 IlR透鏡的所述中心軸設置的所述分割部分被重新布置為鄰近所述入射側的所述中心軸。
16.一種光學單元，該光學單元包括根據權利要求1所述的透鏡部件；和光源，其包括至少一個發光二極體元件和以光軸為中心的發光表面，所述光源的所述光軸與所述入射側的所述中心軸同軸地布置。
17.根據權利要求16所述的光學單元，其中，所述至少一個發光二極體元件是包括RGB 色發光二極體元件的多個發光二極體元件。
全文摘要
本發明涉及一種透鏡部件和使用該透鏡部件的光學單元。一種透鏡部件，該透鏡部件包括至少一個環形稜鏡，該環形稜鏡包括介於該至少一個環形稜鏡的內環形面與外環形面之間的邊緣處的折射面。具有折射面的稜鏡可以設置在該透鏡部件的中心部分處，並且折射面被構造為向著該透鏡部件的出射側折射光。
文檔編號F21Y101/02GK102242904SQ20111014466
公開日2011年11月16日 申請日期2011年4月26日 優先權日2010年4月27日
發明者萱沼安昭 申請人:西鐵城控股株式會社, 西鐵城電子株式會社