專利名稱：用于大功率led光源的菲涅爾透鏡的制作方法
技術領域：
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域。
背景技術：
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(即環紋菲涅爾面)。菲涅爾透鏡在投影顯示、聚光聚能、照明光學等領域得到廣泛應用。例如傳統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，容易將結構件表面的黑漆烤化后蒸發，蒸發后的化學物質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，傳統大功率投光燈的光衰十分嚴重，壽命也比較短。目前，由于功率型LED光源的技術已經比較成熟，并且在很多領域有了廣泛的應用，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°的范圍內發光，其光強的遠場角度分布(即配光曲線)為郎伯型，峰值光強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。在現有技術中，用于燈具的菲涅爾透鏡的結構都比較相似，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置的圓環凹槽分割而成的環紋菲涅爾面，該環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，當這種菲涅爾透鏡用于大功率LED投光燈，并且當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黃圈。因此，菲涅爾透鏡的結構限制了其在大功率LED燈具領域的應用。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題在于提供一種改進的菲涅爾透鏡。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。為了達到上述的目的，本實用新型采用下述的技術方案—種菲涅爾透鏡，包括環紋菲涅爾面，所述環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。較優地，所述蠅眼透鏡單元以所述基面的光軸為中心，呈環形分布在所述基面上。[0009]較優地，各所述蠅眼透鏡單元具有相同的混光角度。較優地，所述混光角度在2° 5°之間。較優地,所述基面為平面、圓弧面、非球面中的任意一種。較優地，所述基面為內凹的圓弧面。較優地，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紋菲涅爾面和蠅眼透鏡陣列面的結合，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。當光源從透鏡的焦平面位置一直調至靠近透鏡下表面時，輸出光束的光束角從小連續變到大，輸出光斑可以從聚光連續變到泛光，一直保持比較均勻的變化，無明顯的亮環和暗斑。
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所示結構的剖面圖；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
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型的具體內容作進一步的詳細說明。結合圖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紋菲涅爾面I和基面2，環紋菲涅爾面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、呈環形排列成陣列。在該菲涅爾透鏡中，基面2為光線入射面，環紋菲涅爾面I為光線射出面。從多顆LED組成的LED光源陣列5的光源中心發出的光線，經過基面2折射后，入射到環紋菲涅爾面I上。其中，蠅眼透鏡陣列面3對光線起小角度混光的作用，環紋菲涅爾面I對光線起折射會聚的作用。基面2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。與平面結構相比，內凹的圓弧面具有更大的數值孔徑角，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行折射，達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值孔徑角的數值決定。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的光源中心發出的光線，經過內凹圓弧形的基面2折射后，入射到上表面的環紋菲涅爾面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行說明。從LED光源陣列5的光源中心O點發出的光線0P，入射到一個蠅眼透鏡單元的中心點P上，其折射光線PQ入射到環紋菲涅爾面I的一個斜面上，經過環紋菲涅爾面I的斜面折射后，其出射光線QR沿著與光軸OZ平行的方向準直射出。從LED光源陣列5的光源中心O點發出、入射到該蠅眼透鏡單元邊緣的光線OPl及0P2，經折射后的光線PlQl及P2Q2再經過環紋菲涅爾面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加工條件來確定。蠅眼透鏡單元的曲率半徑，可以根據蠅眼透鏡單元的數 值孔徑來確定。每個蠅眼透鏡單元的數值孔徑滿足N.A. =nsin(A Θ)，公式中，N.A.為蠅眼透鏡單元的數值孔徑，η為介質折射率，對于空氣，其數值為1，Λ Θ為混光角度。根據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，通過環紋菲涅爾面和蠅眼透鏡陣列面的結合，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。如果使用傳統的菲涅爾透鏡，當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黃圈。而使用本實用新型所提供的菲涅爾透鏡，當菲涅爾透鏡相對于大功率LED光源移動時，可以有效地消除環狀光圈以及由于色差引起的光斑邊緣的黃圈。當LED光源陣列從透鏡的焦平面位置一直調至靠近透鏡下表面時，可以實現光束角從小到大、光斑從聚光到泛光的連續變化，而且一直保持比較均勻的變化，無明顯的亮環和暗斑。上面對本實用新型所提供的菲涅爾透鏡進行了詳細的說明。對本領域的一般技術人員而言，在不背離本實用新型實質精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都將構成對本實用新型專利權的侵犯，將承擔相應的法律責任。
權利要求1.一種菲涅爾透鏡，包括環紋菲涅爾面，所述環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，呈環形分布在所述基面上。
3.如權利要求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.如權利要求1所述的菲涅爾透鏡，其特征在于所述基面為內凹的圓弧面。
8.如權利要求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，包括環紋菲涅爾面，該環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，通過環紋菲涅爾面和蠅眼透鏡陣列面的結合，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 優先權日2012年10月31日
發明者甄何平, 蔣金波 申請人:北京星光影視設備科技股份有限公司