一種實現均勻矩形光斑透鏡的製作方法
2023-05-25 08:08:56
專利名稱：一種實現均勻矩形光斑透鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種實現均勻矩形光斑的LED透鏡，光源可以為點光源，也可以是擴展光源，特別是COB擴展光源。
背景技術：
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用領域的需求，因此，對LED進行二次光學設計是非常有必要的。
然而目前行業中的大部分成矩形光斑的二次光學透鏡都是針對路燈照明等遠場照明應用來設計的，在遠場照明中，光源面積相對於照射距離來說非常小，可以當作點光源來對待，從而進行透鏡的光學設計。如專利申請號201010215196.8，名稱為《LED透鏡》的專利文獻中所述的一款LED透鏡所示，該發明專利的LED透鏡為塑膠材料一體成型製成，該透鏡包含一透光材質的本體、一出光部及入光凹部，但是在近場照明中，這種透鏡結構就不適合了，近場照明中，目標面與光源的距離在
IiKfS (A為光源的發光面積)的範圍內，光源不可以再當作點光源來對待了，必須考慮到
它的發光面積的影響。專利申請號200680010199. X，名稱為《有利於背後照明的LED廣角發射透鏡》的專利文獻公開了一款用於近場照明的LED發射透鏡，該款透鏡就是用在直下式LED背光照明應用領域中，但是該透鏡形成的是圓形光斑，在LED背光照明應用中的混光效果不如矩形光斑的效果好，且有效擴展角度也不大，這即意味著在應用中不得不使用更多數量的光源來彌補其有效擴展角度不足的缺陷。綜上所述，設計一款應用在近場照明領域的成廣角的均勻矩形光斑的透鏡非常有必要。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種擴展角度大、矩形光斑中各點照度的均勻性好的應用於近場照明的均勻光斑透鏡。為了解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是
一種實現均勻矩形光斑透鏡，所述透鏡具有一底面，所述底面中央設有一凹面，為透鏡的光線入射面；透鏡具有兩個或兩個以上的光線出射面，負責出射不同角度的光線；透鏡具有兩個或兩個以上的光線反射面，用來控制光線在透鏡內部的方向；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。進一步作為優選的實施方式，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。進一步作為優選的實施方式，所述透鏡的光線出射面由自由曲面拼接而成，負責不同角度光線的出射，通過調節其曲率參數可以控制光線的折射出射方向。進一步作為優選的實施方式，所述透鏡的光線反射面由自由曲面拼接而成，負責控制水平角在範圍內光線在透鏡內部的方向，所述α的取值範圍為30° < α
<45°。進一步作為優選的實施方式，所述透鏡各個面之間連接部位為連續過渡或者非連續過渡的自由曲面拼接而成。進一步作為優選的實施方式，所述透鏡的應用光源為點光源或者擴展面光源。進一步作為優選的實施方式，所述透鏡底部設有定位引腳，所述定位引腳設有定位孔或定位栓。進一步作為優選的實施方式，所述透鏡由PC或PMMA或PP或ABS或PVC或玻璃材料製成。
進一步作為優選的實施方式，所述透鏡為單顆或陣列形式，透鏡和光源對應關係
為一對一或一對多或多對一關係。本發明的有益效果是本發明透鏡改變了傳統的LED透鏡光線入射面的設計，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；進一步，光線出射面上包括直接折射透鏡內光線的第一出射面和折射透鏡內經全反射的光線的第二出射面，通過調節第一出射面和第二出射面的曲率參數，可形成均勻的矩形光斑，且有效擴展角度可達到12(Γ160度，從而能以較少的光源和透鏡數量達到更好的混光照明效果O
圖I是本發明透鏡的結構示意 圖2是本發明透鏡的主向示意 圖3是本發明透鏡的側面示意 圖4是本發明透鏡的仰視示意 圖5是本發明透鏡的光線分布示意 圖6是本發明透鏡不同角度光線的出射示意 圖7是本發明透鏡的立體結構示意 圖8是本發明實施例中透鏡的照度分布效果示意 圖9是本發明實施例中改變光線入射面形狀的透鏡結構示意 圖10是本發明另一實施例中改變光線入射面形狀的透鏡結構示意 圖11是改變本發明透鏡第三反射面形狀的透鏡結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步說明
一種實現均勻矩形光斑透鏡，該透鏡具有一底面，所述底面中央設有一接收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為利用曲率調節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利用其表面不同曲率來控制入射後的光線在透鏡內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。參照圖1，本實施例中，光線入射面I為位於透鏡底部中央的內凹的球面，LED光線在入射面不同點上的折射方向不同，通過控制光線入射面I不同點處的曲率參數調整了LED光線以合適的角度折射射入透鏡內部，從而增大了 LED光線進入光線入射面I後的出光角度，避免了光線的損耗及光效率的降低，有利於通過調整透鏡各部位的相關參數對光斑面積進行控制。所述光線出射面包括用於折射透鏡內水平角在0° α (30° < α < 45° )範圍內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凹的第二反射面5及第三反射面6，所述第三反射面6位於與光線入射面I相對的中央位置，控制透鏡內部水平角
(70° < β <90° )範圍內光線的反射分布，所述第二反射面5用於連接第二出射面4與所述第三反射面6，並將水平角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的曲率參數使得透鏡內水平角度在0° α (30° < α <45° )範圍內的光線以合適的角度折射出透鏡(參照圖6中的光線1)，讓其射往要求的光斑邊緣，從而對光斑邊緣的光照強度進行了有效的補充提高，提升了光斑的均勻性；通過調節第三反射面6的曲率參數，將透鏡內部水平角β、0° (70°
<β <90° )範圍的光線進行全反射，進而經第二出射面4折射出射(參照圖6中的光線3)，從而使其遠離光斑中心及其周圍附近部位，避免了出現光斑中央光照強度過高的情況，也增大了光斑其他部位的光照強度，從而提高了光斑的均勻性；通過微調第二反射面5、第三反射面6及第二出射面4的曲率參數，可以對光源中心和邊緣之間的那一部分光源發出的出射光線進行分散控制(參照圖6中的光線2)，提高光斑邊緣和光斑中心之間區域的均勻度。圖2是本發明透鏡的主向示意圖，圖3是本發明透鏡的側面示意圖，圖4是本發明透鏡的仰視示意圖，本發明透鏡的立體結構示意圖參照圖7，圖5是本發明透鏡的光線分布示意圖。通過透鏡結構，對水平角α、0° (30° < α <45° )特別是中央部分水平角β、0° (70° < β <90° )的光線進行全反射後再由出光面對其進行折射處理，從而有效降低了光斑中心及其周圍的光照強度，提高了光斑邊緣及其它部分的光照強度，在此基礎上通過調節透鏡各個部位自由曲面的曲率參數，進一步提高了光斑的均勻度。本發明透鏡的照度分布效果示意圖如圖8所示，本發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，形成有效擴展角度達到120-160°高均勻度高光線利用率的規則矩形光斑。優選地，本發明透鏡由PC、PMMA、PP、ABS、PVC或者玻璃等透光材料製成。參照圖1，透鏡底部設有定位引腳7，定位引腳7上設有定位孔8及定位栓9。通過調節定位引腳7的高度，就可以控制光源發光面與透鏡底面之間的距離，進而控制光斑的面積及其均勻度。在優選實施例中，本發明透鏡的光線入射面I的形狀可以改變，例如採用圖9所示的平頂的圓柱形，或者採用圖10所示的圓頂的圓柱形或者其他對入射光線進入透鏡的折射方向可控的形狀均可。參照圖11，通過改變透鏡的第三反射面6的最低點的形狀或者將第二反射面5和第三反射面6合併為一個反射面來控制光線的出射方向，即採用兩個光線反射面亦可以實現透鏡中心部位的光線遠離光斑中心及其周圍附近部位，避免了出現光斑中央光照強度過高的情況，也增大了光斑其他部位的光照強度，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相貫接後調節透鏡相關部位的參數，也能達到同樣的效果。在具體應用中，本發 明透鏡為單顆或陣列形式，透鏡和光源對應關係為一對一或一對多或多對一關係。以上是對本發明的較佳實施進行了具體說明，但本發明創造並不限於所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發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權利要求所限定的範圍內 。
權利要求
1.一種實現均勻矩形光斑透鏡，其特徵在於所述透鏡具有一底面，所述底面中央設有一凹面，為透鏡的光線入射面；透鏡具有兩個或兩個以上的光線出射面，負責出射不同角度的光線；透鏡具有兩個或兩個以上的光線反射面，用來控制光線在透鏡內部的方向；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.根據權利要求I所述的一種實現均勻矩形光斑透鏡，其特徵在於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.根據權利要求I所述的一種實現均勻矩形光斑透鏡，其特徵在於所述透鏡的光線出射面由自由曲面拼接而成，負責不同角度光線的出射，通過調節其曲率參數可以控制光線的折射出射方向。
4.根據權利要求I所述的一種實現均勻矩形光斑透鏡，其特徵在於所述透鏡的光線反射面由自由曲面拼接而成，負責控制水平角在a、0°範圍內光線在透鏡內部的方向，所述a的取值範圍為30° < a < 45°。
5.根據權利要求I所述的一種實現均勻矩形光斑透鏡，其特徵在於所述透鏡各個面之間連接部位為連續過渡或者非連續過渡的自由曲面拼接而成。
6.根據權利要求I所述的一種實現均勻矩形光斑透鏡，其特徵在於所述透鏡的應用光源為點光源或者擴展面光源。
7.根據權利要求I所述的一種實現均勻矩形光斑透鏡，其特徵在於所述透鏡底部設有定位引腳，所述定位引腳設有定位孔或定位栓。
8.根據權利要求I所述的一種實現均勻矩形光斑透鏡，其特徵在於所述透鏡由PC或PMMA或PP或ABS或PVC或玻璃材料製成。
9.根據權利要求I所述的一種實現均勻矩形光斑透鏡，其特徵在於所述透鏡為單顆或陣列形式，透鏡和光源對應關係為一對一或一對多或多對一關係。
全文摘要
本發明公開了一種實現均勻矩形光斑透鏡，該透鏡具有一底面，底面中央設有一接收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利用其表面不同曲率來控制入射後的光線在透鏡內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。本發明透鏡通過對水平角α~90°(30°＜α＜45°)，特別是中央部分水平角β~90°(70°＜β＜90°)的光線進行全反射後再由出光面對其進行折射處理，從而有效降低了光斑中心及其周圍的光照強度，提高了光斑邊緣部分的光照強度，可形成均勻的矩形光斑，從而能以較少的光源和透鏡數量達到更好的混光照明效果。
文檔編號F21V5/04GK102705776SQ201210152649
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月16日 優先權日2012年5月16日
發明者餘舒適, 向寶玉, 吳乾, 周鎮, 李國平, 熊威, 王躍飛, 石超 申請人:廣州市鴻利光電股份有限公司