用于近場均勻照明的廣角透鏡的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬光學透鏡領域，具體設及一種近場均勻照明的廣角透鏡。
【背景技術】
[0002] 近年來，發光二極管具有高效率、光色性能好和能耗低等優點，被廣泛應用于室內 外照明和背光源，其中W平面發光形式的面板燈、廣告燈箱和顯示器的應用十分普遍。
[0003] 從結構上區分，平面發光應用分為側入式和直下式兩種照明方式。側入式照明需 要采用導光板將發光二極管的入射光線反射出去。側入式照明體積較小，導光板技術較為 成熟，。但發光二極管與導光板之間存在著禪合效率低、成本高和出光面尺寸受限制，較適 合用于小面積出光，如手機、電腦顯示屏、平板電腦等。傳統直下式照明將發光二極管直接 布置于目標面底部，由于發光二極管近似朗伯型發光體，照度會隨著距離的增加而迅速衰 減，造成邊緣照度的疊加效果并不理想，因此直下式照明需要高密度排布發光二極管才能 在目標面形成均勻出光的效果，但是容易增加成本和厚度。
[0004] 因此，有效減少直下式照明發光二極管的使用數量，同時降低平面發光形式的厚 度，實現超薄化和出光面照度均勻，并且從一定程度上降低生產成本，成為目前行業內亟需 解決的問題。 【實用新型內容】 陽〇化]針對現有技術中在直下式背光源中所存在的缺陷，本實用新型提供一種用于近場 均勻照明的廣角透鏡，可W有效解決W上問題，且可應用于具有較大面積的發光二極管。
[0006] 為了達到上述目的，本實用新型提供的一種用于近場均勻照明的廣角透鏡，包含 內凹面、外凸面、底面和定位支架；所述內凹面為光源入射面，該內凹面為階段性非連續曲 面，對入射光線進行發散；所述外凸面為出光面，該外凸面由出射光強分布確定，該出射光 強可根據能量守恒公式求得，外凸面對出射光線方向進行控制；所述底面為反射面。
[0007] 在一較佳實施例中：所述透鏡的內凹面和外凸面分別關于中屯、軸旋轉對稱。
[0008] 在一較佳實施例中：所述內凹面為階段性非連續曲面，該階段性非連續曲面通過 確定目標面高度，由非成像理論的能量守恒公式計算得到。
[0009] 在一較佳實施例中：所述階段性非連續曲面由多片自由曲面組成。
[0010] 在一較佳實施例中：所述能量守恒公式可W表示為：
[0012] 其中I( 0 )為出射光強分布，0為光線出射角度，4為光源總光通量，N為等分 個數。
[0013] 在一較佳實施例中：所述出射光強分布I( 0 )可表示為
[001 4]I(目）=曰〇+曰1目2+曰2目4+曰3目6+曰4白8
[0015] 其中a0、a2、a4、a6為函數未知變量。
[0016] 在一較佳實施例中：出射光強分布I( 0 )與照明區域照度E( 0 )關系為
[001引其中r為沿出射光線從光源到目標面的距離。
[0019]在一較佳實施例中：所述照明區域照度E( 0 )可根據均方根誤差與測試點平均值 的最小值求出，根據均方根誤差與測試點平均值的最小值表示為：
[0021] 在一較佳實施例中：所述底面帶有微結構。
[0022] 在一較佳實施例中：所述微結構為倒金字塔或磨砂或多段臺階或半球或不規則波 紋。
[0023] 本實用新型提供的一種近場均勻照明的廣角透鏡，采取上述方案后的有益效果在 于：
[0024] 該種透鏡可W有效增大發光二極管的出光角度，提高目標面邊緣照度。使得采用 該種透鏡不僅可W減少發光二極管的使用數量和目標面的距離，從一定程度上減少生產成 本，還可W保證目標面的照度均勻性。
【附圖說明】
[00巧]圖1本實用新型近場均勻照明的廣角透鏡的結構示意圖；
[00%] 圖2本實用新型近場均勻照明的廣角透鏡的剖面示意圖；
[0027] 圖3實施方式中底面含微結構的透鏡剖面圖；
[0028] 圖4實施方式中目標面照明區域上的照度分布圖；
[0029] 圖5實施方式中目標面照明區域上的光強分布圖；
[0030] 圖中：
[0031] 1-發光二極管 2-內凹面 陽0巧 3-外凸面 4-底面
[0033] 5-定位支架 6-目標面
[0034] 7-微結構。
【具體實施方式】
[0035] 為了進一步解釋本實用新型的技術方案，下面結合附圖進行詳細闡述。
[0036] 圖1和圖2所示透鏡為本實用新型一種近場均勻照明的廣角光學透鏡，采用折射 率為1.45-1.6的透明材料，通過注塑工藝制造而成。材料不限于聚碳酸醋（PC)，聚甲基丙 締酸甲醋（PMM)。
[0037] 如圖2所示，本例中，廣角透鏡繞著Z軸旋轉對稱。所述的光學透鏡，包含內凹面 2、外凸面3、底面4、定位支架5和微結構7。所述的發光二極管1置于透鏡底部中屯、軸正 下方，光源發光面與底面齊平。所述內凹面2為光源入射面，該內凹面2為階段性非連續曲 面，對入射光線進行發散；所述外凸面3為出光面，該外凸面3由出射光強分布確定，該出射 光強可根據能量守恒公式求得，外凸面對出射光線方向進行控制；所述底面為反射面。
[0038] 目標面置于光源發光表面正上方30mm處。發光二極管發出的光強分布近似朗伯 型，出射光束通過內凹面2均勻散射后再通過外凸面3進行折射，外凸面3將大部分入射光 線W大角度再次折射至目標面，小部分入射光線則反射到底面4,底面4與外凸面和內凹面 相連，底面4含有微結構，將反射光線再次反射至目標面6。
[0039] 所述能量守恒公式可W表示為： V, 擊
[0040] 2n:II例、in化媒二一 4 A
[0041]其中I( 0 )為出射光強分布，0為光線出射角度，4為光源總光通量，N為等分 個數。
[0042] 所述出射光強分布I( 0 )可表示為
[0043] I(目）=曰〇+曰1目2+曰2目4+曰3目6+曰4白8
[0044] 其中a0、a2、a4、a6為函數未知變量。
[0045] 在一較佳實施例中：出射光強分布I( 0 )與照明區域照度E( 0 )關系為
[0047] 其中r為沿出射光線從光源到目標面的距離。
[0048] 所述照明區域照度E( 0 )可根據均方根誤差與測試點平均值的最小值求出，根據 均方根誤差與測試點平均值的最小值表示為：
[0050] 本實用新型內凹曲面2為多片非連續曲面拼接而成，內凹面的半徑由上往下不斷 擴大，呈階梯式下降，且每個曲面的曲率不同，主要將光源的出射光線均勻的進行大角度散 射，曲面數據由非成像理論能量守恒公式計算得到。
[0051] 本實例優選地，由5片非連續曲面拼接而成，最大內凹面曲面直徑為5. 84mm，內凹 面高度為3. 2mm,適用于大面積光源，不限于貼片光源3030, 3528。
[0052] 本實用新型外凸面3為自由曲面，外凸面3主要由光源面積大小和目標面距離有 關，將由內凹面2的出射光線折射至目標面6指定位置，再次增大出光角度，曲面數據由非 成像理論能量守恒公式計算得到。本實例優選地，由貼片光源3030計算得到，外凸面最高 點為4mm。
[0053] 本實用新型采用微結構7設于底面4上，使外凸面3的全反射光線反射至底面4 時進行漫反射，減少中屯、軸的照度，減少光的散逸和多次反射吸收，提高目標面的照度均勻 性和出光效率。本實例微結構7采用倒金字塔，優選的邊長為0. 5mm，高度為0. 3mm。
[0054] 本實用新型采用定位支架5,定位支架設于朝向發光二極管底部，定位支架設于透 鏡外凸面最大直徑外圍，起到一個定位光源中屯、和限制底面4與光源表面距離的作用，W 此保證廣角透鏡的光學性能。本實例優選地，直徑1. 5mm，高度3mm的圓柱。 陽化5] 本實用新型廣角透鏡的出光角度達到160°，有效增大發光二極管的出光角度，且 透鏡最大半徑為8. 75mm，透鏡體積小。該種透鏡可W提高目標面邊緣照度，使得采用該種透 鏡不僅可W減少發光二極管的使用數量和目標面的距離，從一定程度上減少生產成本，還 可W保證目標面的照度均勻性。
[0056]W上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型掲露的技術范圍內，可輕易想到 的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應該 W權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1. 一種用于近場均勻照明的廣角透鏡，其特征在于：包含內凹面、外凸面、底面和定位 支架；所述內凹面為光源入射面，該內凹面為階段性非連續曲面，對入射光線進行發散；所 述外凸面為出光面，該外凸面由出射光強分布確定，該出射光強可根據能量守恒公式求得， 外凸面對出射光線方向進行控制；所述底面為反射面。2. 如權利要求1所述的一種用于近場均勻照明的廣角透鏡，其特征在于：所述透鏡的 內凹面和外凸面分別關于中心軸旋轉對稱。3. 如權利要求1所述的一種用于近場均勻照明的廣角透鏡，其特征在于所述內凹面為 階段性非連續曲面，該階段性非連續曲面通過確定目標面高度，由非成像理論的能量守恒 公式計算得到。4. 如權利要求3所述的一種用于近場均勻照明的廣角透鏡，其特征在于：所述階段性 非連續曲面由多片自由曲面組成。5. 如權利要求1所述的一種用于近場均勻照明的廣角透鏡，其特征在于：所述底面帶 有微結構。6. 如權利要求5所述的一種用于近場均勻照明的廣角透鏡，其特征在于：所述微結構 為倒金字塔或磨砂或多段臺階或半球或不規則波紋。
【專利摘要】本實用新型提供了一種用于近場均勻照明的廣角透鏡，包含內凹面、外凸面、底面和定位支架；所述內凹面為光源入射面，該內凹面為階段性非連續曲面，對入射光線進行發散；所述外凸面為出光面，該外凸面由出射光強分布確定，該出射光強可根據能量守恒公式求得，外凸面對出射光線方向進行控制；所述底面為反射面。該種透鏡可以有效增大發光二極管的出光角度，提高目標面邊緣照度。使得采用該種透鏡不僅可以減少發光二極管的使用數量和目標面的距離，從一定程度上減少生產成本，還可以保證目標面的照度均勻性。
【IPC分類】F21V5/04
【公開號】CN204922845
【申請號】CN201520571349
【發明人】郭震寧, 連宗山, 顏穩萍, 潘詩發
【申請人】華僑大學, 廈門海萊照明有限公司
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年7月31日