一種聚光透鏡的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種聚光透鏡，包括出光面、側曲面和入光面，入光面位于透鏡底部且凹設于透鏡內，形成容納發光源的內腔。所述內腔頂部設有一向發光源一側凸起的臺階，內腔側壁為第一入光面，臺階上的所有點需位于內腔頂部一端與發光源的相對一端相連接所形成的直線上方。被所述第一發光面反射回來的光線投射至所述臺階表面，被所述臺階表面散射或吸收。所述臺階結構的存在阻擋了反射光線從內腔另一側進入透鏡，使透鏡投射出的光斑周圍無雜環雜暈，大大提高了光斑的均勻性和視覺美感；同時使透鏡產生的光線聚焦在中心光強處，增加了中心光強的強度和光斑亮度，且出光效率高。本發明的聚光透鏡結構簡單，可加工性強，易于生產。
【專利說明】一種聚光透鏡
【技術領域】
[0001]本發明屬于LED光源照明領域，具體涉及一種聚光透鏡。
【背景技術】
[0002]LED燈以其節能、環保、長壽命、可控性高等諸多優點逐漸取代了傳統的燈具，被廣泛使用。為了能夠增加LED燈具的出光效率及光強度，現有技術中有人在LED光源上罩設光學透鏡。通過透鏡對LED光源發出的光線進行調整和布局，以滿足不同的視覺需要，其已被廣泛應用在舞臺、酒吧、會議室等公共場合。但是該LED透鏡產生的主光斑周圍往往存在一個雜環，當光源的功率較大時，LED發光源發出的光線經透鏡內腔側壁進入透鏡中，其中部分光線會被內腔壁反射回來，并從內腔另一側進入透鏡，最終導致在產生的光斑周圍形成有異于主光斑的雜環雜暈，人眼能明顯觀察到該雜環或雜暈，對LED燈使用的視覺效果產生嚴重影響。
[0003]中國專利(CN103375767)公開了一種具擋余光結構之透鏡及其模塊，該透鏡的第一入光面處設有一擋余光結構，用于阻擋光線經內腔側壁反射的余光，使得被反射回內腔的部分光線不會從另一側進入透鏡。但其只考慮了余光的阻擋，卻忽略了余光消除而引起出光效率和光斑中心光強的降低，而且由于內腔設置尖角結構會大大增加模具注塑的難度容易造成良率降低，此結構加工較難。對于LED燈具照明效果來說雜光的消除和中心光強的提高是同等重要的。故，消除主光斑周圍雜環的同時提高中心光強強度和光斑均勻性是急需解決的問題。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于為了解決以上的不足，設計了一種聚光透鏡，發光源發出的光線通過該聚光透鏡，最終形成的光斑周圍無雜光產生，且中心光強較強，光線均勻。
[0005]我們知道，由于光線在任何一個表面進行折射的時候，實際有部分的光能發生了反射，這種反射通常被稱為“菲涅爾損耗”，該反射能量與入射角度、發生折反射兩邊折射率有關，通常不超過入射光能量的5%。然而，在一些高聚光的設計需求中，這部分反射光能會進入另一側出射，由于聚光光學系統的光斑很小，這種損耗光很容易形成與中心匯聚光線的分離而形成雜斑。
[0006]通過出射面加周期性的細微結構可以降低這種雜光，但降低雜光同時會大幅降低中心光強。如何最小的代價消除雜散光，是本發明的主要考量。
[0007]為了實現本發明目的所采用的技術方案是:一種聚光透鏡，包括出光面、側曲面和入光面，所述出光面位于所述透鏡頂部，所述側曲面一側與所述出光面連接，側曲面另一側與所述入光面連接；所述入光面位于所述透鏡底部且凹設于所述透鏡內，形成容納發光源的內腔；所述內腔側壁為第一入光面；所述內腔頂部設有向發光源一側凸起的臺階，所述臺階上的點均位于所述內腔頂部一端與所述發光源的相對一端相連接形成的直線上方；被所述第一發光面反射回來的光線投射至所述臺階側表面，被所述臺階側表面散射或吸收。
[0008]優選的，所述臺階為倒梯形結構，所述倒梯形結構的下表面為第二入光面，所述第二入光面位于所述發光源的正上方，所述倒梯形結構的側壁為第三入光面；
[0009]被所述第一發光面反射回來的光線投射至所述第三入光面上，被第三入光面散射或吸收；投射至第二入光面上的光線經第二入光面折射進入透鏡內。
[0010]優選的，所述第二入光面為平行于所述發光源的平面。
[0011]優選的，所述第二入光面為相對于透鏡頂部凸起的凸面。
[0012]所述凸面與所述出光面相結合，將光源中心部分的光線匯聚出射而不會被打散或損耗，以獲得更高的中心光強。
[0013]優選的，所述出光面為從上至下的階梯狀臺階結構，所述階梯狀臺階結構的底面位于所述內腔上方。
[0014]優選的，所述第二入光面為相對于透鏡底面凸起的凸面，且所述階梯狀臺階結構的底面相對于透鏡底面向上凸起，透鏡底面凸起的曲率大于臺階結構底面的曲率。
[0015]所述凸面與所述階梯狀臺階結構的向上凸起的底面相結合，具有一定的聚光作用，即將光源中心部分的光線匯聚出射而不會被打散或損耗，以獲得更高和更亮的中心光強。
[0016]優選的，所述第三入光面為磨砂結構。
[0017]優選的，所述臺階底面為磨砂結構。
[0018]優選的，所述側曲面為由弧線圍繞透鏡中心對稱軸做周向旋轉而形成的曲面。
[0019]優選的，所述側曲面內壁為全反射面。
[0020]所述反射面可將投射到其上的光線全部反射回去，降低了光的損失率。
[0021]優選的，所述發光源為LED發光芯片或LED發光元件。
[0022]優選的，所述透鏡上表面設有安裝件，所述安裝件為設于所述透鏡上表面邊沿的翻邊結構；或者，所述安裝件為周向設置于所述透鏡上邊沿的安裝孔；以方便聚光透鏡在預定位置的安裝。
[0023]本發明的有益效果在于:
[0024]1、本發明聚光透鏡中容納發光源的內腔頂部設有向發光源一側凸起的臺階結構，臺階結構上的所有點均位于內腔頂部一端與發光源的相對一端相連接形成直線的上方。發光源發出的光線入射至內腔側壁時，其中大部分光線折射出去，另一部分光線被內腔側壁反射至臺階結構上，被臺階結構表面散射或吸收；臺階結構的存在使得反射光線無法從內腔另一側壁進入透鏡內，使透鏡最終投射出的光斑周圍無雜環雜暈，避免了雜光的產生，且提高了形成的光斑的均勻性和視覺美感。
[0025]2、本發明聚光透鏡內腔的臺階結構為倒梯形結構，且倒梯形結構的下表面位于發光源的正上方，發光源發出的光線部分入射至內腔側壁，位于發光源中心處的光線向上入射至倒梯形結構的下表面，經下表面的折射進入透鏡內，使透鏡最終投射出的光斑的中心強度和亮度大大增強，且提高了出光效率。
[0026]同時若倒梯形結構的下表面設計為凸起狀，或者配合頂部出光面設置為凹曲面，還能具有一定的聚光效果，使出射光線能夠聚焦在中心光強處，進一步增強了光斑的中心強度。
[0027]3、本發明聚光透鏡內腔的臺階結構側壁為磨砂結構，該磨砂結構使得被反射的光線投射至臺階結構上時，能被臺階結構更好的散射和吸收，進一步提高了最終形成的光斑的均勻性和視覺效果。
[0028]同時本發明聚光透鏡的出光面呈階梯狀臺階結構，使得從不同角度入射至透鏡內的光線所對應的出射光線更加集中，進一步提高了出射光線的均勻性和光斑亮度。
[0029]4、本發明聚光透鏡不僅避免了雜光的產生，使得透鏡最終形成的光斑周圍無雜環雜暈，還避免中心光強的明顯下降，提高了光線的均勻性和光斑亮度。而且本發明聚光透鏡的結構簡單，可加工性強，易于生產。
[0030]5、本發明中間倒梯形結構下表面使得透鏡底部平滑，注塑更加方便；平坦的下表面結構增加了靠近頂部吸光面積的同時，盡量少的避免了光線遮擋。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1是本發明聚光透鏡的側面結構剖視圖；
[0032]圖2是本發明聚光透鏡的光路圖；
[0033]圖3是本發明聚光透鏡中內腔的臺階結構原理圖一；
[0034]圖4是本發明聚光透鏡中內腔的臺階結構原理圖二 ；
[0035]圖5是傳統的聚光透鏡的光路圖；
[0036]圖6是本發明的第二種實施方式所對應的側視剖圖；
[0037]圖7是本發明的第三種實施方式所對應的側視剖圖。
【具體實施方式】
[0038]以下結合附圖對本發明的【具體實施方式】做進一步說明:
[0039]實施例一:
[0040]參照附圖1至附圖4所示，一種聚光透鏡，所述透鏡為杯狀結構，所述杯狀結構從頂部到底部內徑逐漸縮小。該透鏡包括出光面1、側曲面2和入光面，所述出光面I位于所述透鏡頂部，所述側曲面2 —側與所述出光面I連接，側曲面2另一側與所述入光面連接，所述側曲面2的內壁為全反射面。所述入光面位于所述透鏡底部且凹設于所述透鏡內，形成容納發光源的內腔3，所述內腔3罩設在發光源4上。所述杯狀結構底部為圓形面，所述發光源為線型LED發光元件，且位于所述圓形面中心處。所述側曲面2是由一弧線圍繞垂直于所述圓形面的軸線做周向旋轉而形成的。所述透鏡以所述軸線為中心軸呈軸對稱狀態。所述出光面I為從上至下的階梯狀臺階結構，所述階梯狀臺階結構的最底面11位于所述內腔3上方。在所述出光面I的上邊沿處設有翻邊結構和周向間隔設置的安裝孔，以方便將聚光透鏡安裝在預定的位置。
[0041]所述內腔3側壁為第一入光面31，所述內腔3頂部設有一向發光源4的方向凸起的臺階結構5，所述臺階結構5為倒梯形結構。所述倒梯形結構的下表面51為第二入光面，所述第二入光面位于所述發光源4的正上方；所述倒梯形結構的側壁52為第三入光面。所述臺階結構5上的所有點位于所述內腔3頂部一端3a與所述發光源4相對一端4a相連接所形成的直線的上方。即，以垂直于透鏡圓形底面的中心軸為坐標縱軸y，所述中心軸與發光源4的交點為坐標原點(0，O)，透鏡底面所在平面為坐標橫軸X，所述內腔3側邊頂部最高端點3a的坐標為(a, h)。發光源4的橫向長度為L,則發光源4第一端部4a的坐標為(_L/2，0)，發光源第二端部4b的坐標為(L/2，0)，那么內腔頂部端點3a(a，h)與發光源第一端部4a(-L/2，0)相連接形成的直線方程為:
Γ ? 2// hi
[0042]V =--Λ: H--
2α +1 2α+/
[0043]所述臺階結構5上的所有點都需要位于所述直線的上方，發光源4發出的光線一部分入射至所述第一入光面31，一部分入射至所述第二入光面51。入射到第一入光面31上的光線中，大部分光線經所述第一入光面31折射而進入透鏡內，然后被透鏡側曲面的內壁全反射至出光面1，從出光面I出射；另一部分光線經第一入光面31反射回來，反射回來的光線被位于反射光線路徑上的臺階結構5擋住，反射光線被臺階結構5的第三入光面52散射和吸收。入射至第二入光面51上的光線，經第二入光面折射進入透鏡內部，然后從具有階梯狀臺階結構的出光面I出射，最終形成無雜光的光斑。
[0044]解決了如圖5所示的傳統的聚光透鏡中被內腔反射回來的光線從內腔另一側進入透鏡而導致最終形成的光斑周圍出現雜環雜暈的現象。
[0045]所述臺階結構5的設置主要是考慮在擋住盡可能多的菲涅爾反射光線的同時，又不會阻擋到主光線的正常入射。即所述臺階結構的形狀大小須滿足如附圖3和附圖4所示的邊界條件，經過大量實驗證明，若臺階結構越過如附圖3中的臨界I時，就會開始阻隔到一部分投向側面的主光線，從而對中心光強造成影響，所以為了阻隔更多的菲涅爾反射光線，臺階結構的邊界應盡量逼近臨界I。若臺階結構的邊界大于臨界I但在臨界2內時，會有一部分主光線被阻隔，中心光強會有小幅度降低，但由于透鏡為成像型，中心光強不會出現大幅度下降，僅為約3%。當凸面結構的邊界超過臨界2時，中心光強將大幅度降低。所
2h hi
以當臺階上的所有點均位于直線= ^~:.χ+-~7上方時，透鏡形成的光斑周圍無雜光
2α+ I 2α+ I
出現，且不會導致中心光強降低。
[0046]中間倒梯形結構下表面使得透鏡底部平滑，注塑更加方便；平坦的下表面結構增加了靠近頂部吸光面積的同時，盡量少的避免了光線遮擋。特別是，如果透鏡厚度過大的情況下，可以在平臺的下表面設置排氣孔，從而使得注塑時膠體材料分布更加均勻，提高加工精度和良品率。
[0047]實施例二:
[0048]本實施例與實施例一的區別在于:所述第二入光面為相對于透鏡頂部凸起的凸面51a，即凸面向下凸起，參照附圖6所示，所述出光面的底面Ila為平面型，所述凸面51a與所述出光面的底面Ila相結合，可將光源中心部分的光線匯聚出射而不會被打散或損耗，因而獲得更高的中心光強。本實施例的聚光透鏡可以達到同樣的阻擋雜散光的效果。
[0049]其他技術特征與實施例一相同，并能達到相同的技術效果，在此不再詳細描述。
[0050]實施例三:
[0051]本實施例與實施例一的區別在于:所述第二入光面為相對于透鏡底面凸起的凸面51b，即凸面向上凸起，且所述出光面的底面Ilb相對于透鏡底面向上凸起的曲面，參照附圖7所示，投射至第二入光面上的光線經凸面51b折射進入透鏡內，并從出光面的底面Ilb出射，所述凸面51b和出光面的底面Ilb相結合,達到一定的聚焦作用,可將光源中心部分的光線匯聚出射而不會被打散或損耗，因而獲得更高更亮的中心光強。本實施例的聚光透鏡可以達到同樣的阻擋雜散光的效果。
[0052]其他技術特征與實施例一相同，并能達到相同的技術效果，在此不再詳細描述。
[0053]實施例四:
[0054]本實施例與實施例一的區別在于:所述第三入光面為磨砂結構。
[0055]經第一入光面反射的光線投射至第三入光面表面，所述磨砂結構使得光線在第三入光面上能被更好的散射和吸收。避免了投射到第一入光面上的光線被反射后從內腔另一側出射，導致透鏡最終產生的光斑周邊存在雜環。
[0056]其他技術特征與實施例一相同，并能達到相同的技術效果，在此不再詳細描述。
[0057]實施例五:
[0058]本實施例與實施例二的區別在于:所述第三入光面為磨砂結構。
[0059]經第一入光面反射的光線投射至第三入光面表面，所述磨砂結構使得光線在第三入光面上能被更好的散射和吸收。避免了投射到第一入光面上的光線被反射后從內腔另一側出射，導致透鏡最終產生的光斑周邊存在雜環。
[0060]其他技術特征與實施例二相同，并能達到相同的技術效果，在此不再詳細描述。
[0061]實施例六:
[0062]本實施例與實施例三的區別在于:所述第三入光面為磨砂結構。
[0063]經第一入光面反射的光線投射至第三入光面表面，所述磨砂結構使得光線在第三入光面上能被更好的散射和吸收。避免了投射到第一入光面上的光線被反射后從內腔另一側出射，導致透鏡最終產生的光斑周邊存在雜環。
[0064]其他技術特征與實施例三相同，并能達到相同的技術效果，在此不再詳細描述。
[0065]實施例七:
[0066]本實施例與實施例一的區別在于:所述第二入光面為磨砂結構。
[0067]相比實施例一，中心出光會被擋掉無法出射但會獲得更均勻的光斑效果；其他技術特征與實施例一相同，并能達到相同的技術效果，在此不再詳細描述。
[0068]實施例八:
[0069]本實施例與實施例二的區別在于:所述第二入光面為磨砂結構。
[0070]相比實施例二，中心出光會被擋掉無法出射但會獲得更均勻的光斑效果；其他技術特征與實施例二相同，并能達到相同的技術效果，在此不再詳細描述。
[0071]根據上述說明書的揭示和教導，本發明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行變更和修改。因此，本發明并不局限于上面揭示和描述的【具體實施方式】，對本發明的一些修改和變更也應當落入本發明的權利要求的保護范圍內。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本發明構成任何限制。
【權利要求】
1.一種聚光透鏡，包括出光面、側曲面和入光面，所述出光面位于所述透鏡頂部，所述側曲面一側與所述出光面連接，側曲面另一側與所述入光面連接；所述入光面位于所述透鏡底部且凹設于所述透鏡內，形成容納發光源的內腔； 其特征在于，所述內腔側壁為第一入光面；所述內腔頂部設有向發光源一側凸起的臺階，所述臺階上的點均位于所述內腔頂部一端與所述發光源的相對一端相連接所形成的直線上方； 被所述第一發光面反射回來的光線投射至所述臺階側表面，被所述臺階側表面散射或吸收。
2.根據權利要求1所述的聚光透鏡，其特征在于，所述臺階為倒梯形結構，所述倒梯形結構的下表面為第二入光面，所述第二入光面位于所述發光源的正上方；所述倒梯形結構的側壁為第三入光面； 被所述第一發光面反射回來的光線投射至所述第三入光面上，被第三入光面散射或吸收；投射至第二入光面上的光線經第二入光面折射進入透鏡內。
3.根據權利要求2所述的聚光透鏡，其特征在于，所述第二入光面為平行于所述發光源的平面。
4.根據權利要求2所述的聚光透鏡，其特征在于，所述第二入光面為相對于透鏡頂部凸起的凸面。
5.根據權利要求1或2所述的聚光透鏡，其特征在于，所述出光面為從上至下的階梯狀臺階結構，所述階梯狀臺階結構的底面位于所述內腔上方。
6.根據權利要求5所述的聚光透鏡，其特征在于，所述第二入光面為相對于透鏡底面凸起的凸面，且所述階梯狀臺階結構的底面相對于透鏡底面向上凸起，透鏡底面凸起的曲率大于臺階結構底面的曲率。
7.根據權利要求2所述的聚光透鏡，其特征在于，所述第三入光面為磨砂結構。
8.根據權利要求1所述的聚光透鏡，其特征在于，所述臺階底面為磨砂結構。
9.根據權利要求1所述的聚光透鏡，其特征在于，所述側曲面為由弧線圍繞透鏡中心對稱軸做周向旋轉而形成的曲面。
10.根據權利要求1所述的聚光透鏡，其特征在于，所述側曲面內壁為全反射面。
【文檔編號】F21V5/04GK104132305SQ201410318637
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月4日 優先權日:2014年7月4日
【發明者】王鋼, 朱道勇, 羅滔, 王櫻雪 申請人:佛山市中山大學研究院, 廣州市熠芯節能服務有限公司