CN101251611A - Led的聚焦透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种LED的聚焦透镜，用以集中LED所发射的光使之平行对准一光轴，其包含有一透明本体，形成于所述透明本体内的第一透镜部；及掩盖第一透镜的第二透镜部。其中第一透镜包含：第一及第二以不同尺寸凸出的非球面透镜表面，且形成于互相对称的平面上。而其中第二透镜包含：一入射面从第二非球面透镜表面外周突出，LED是插入于入射面，所述入射面的形状可让LED发射的光入射与折射；有一反射面成凸出的曲面，从入射面向第二非球面透镜表面延伸并以倾斜状扩张，反射面成能让LED发射的光完全反射的形状；及一发射面有凹入曲面从反射面向第二非球面透镜表面延伸且倾斜，发射面具有能让LED所发射的光折射，且发射成为与光轴平行的光的形状。

Description

LED的聚焦透镜
技术领域
本发明涉及LED的聚焦透镜，更具体而言，涉及一种LED的聚焦透镜，用以控制LED的辐射角度，来照明远方的局部区域。
背景技术
通常，LED所辐射低照明光，亦即LED辐射光的角度很大，是因LED的特性使然。因此，LED只能用来照射广大区域，或做近距离照明。
由于LED的特性上其辐射角度很大，假如用以照射远距离的局部区域，即发生扩散而不能有效利用所发射的光。
为了减少上揭问题，已有如图1所示的聚焦透镜的开发，用以聚焦LED所发射的光。
如图1所示，安置一传统聚焦透镜10于LED所发射光的位置。
聚焦透镜10的整个本体11是由实体材料组成，例如透明玻璃。聚焦透镜10的顶部表面是形成一非球面透镜表面12为向上隆起的曲面。
非球面透镜的聚焦透镜10可让LED 2的180°辐射光透过聚焦透镜10的平整底表面而集中于聚焦透镜10的顶部非球面透镜表面，其辐射角度约小于150°
上揭传统聚焦透镜10因非球面透镜12的存在而多多少少改进了集中光线于光轴4周围的效率。但是，光线集中效率只是区域性的完成于光轴4周围。沿聚焦透镜10的边缘远离光轴4的部分，光线被折射而向外方向扩散而远离光轴4。因此，对从远距离照明局部的区域而言，传统聚焦透镜10的功能有其限度。
发明内容
因此，本发明的目的在提供一种LED的聚焦透镜，其可集中所有LED发射的光以便得到与光轴平行方向的光，由是减少LED所发射光的损失，而有效的照明位于远距离的局部区域。
依照一个实施例，本发明提供的LED的聚焦透镜，其可集中LED所发射的光于平行光轴的方向，包含一透明本体，其具有第一透镜部与掩盖第一透镜部的第二透镜部，其中第一透镜部包含：第一与第二非球面透镜表面，形成于互相对称的面上，所述透镜表面是凸出而尺寸互相不同；第二透镜部包含：一入镜面从第二球面透镜表面外周突出，LED插入的入射面，形成可让LED发射的光线入射及折射；一反射面具有凸出的曲面，而是从入射面向第二非球面透镜表面延伸并倾斜成逐渐扩张状，反射面成可让LED的光线完全反射的形状；及一发射面成凹形曲面从反射面向第二非球面透镜表面延伸且倾斜，发射面成可让LED的完全反射光折射为平行于光轴的光而发射的形状。
反射面可成符合完全内反射的条件，而入射面可形成倾斜状，从第一非球面透镜表面向入射面终端逐渐扩大。
当LED具有辐射角0°至32°时，第一非球面透镜表面可具有发射角0°至21°，而第二非球面透镜表面具有发射角0°至3.5°；当LED具有辐射角40°至80°时，入射面可具有发射角57°至82°，反射面可具有发射角2°至6°，而发射面具有发射角0.3°至0.65°。
附图说明
请参阅以下有关本发明一较佳实施例的详细说明及其附图，将可进一步了解本发明的技术内容及其目的功效；有关所述实施例的附图为：
图1为传统LED的聚焦透镜的说明图；
图2为本发明一实施例中LED的聚焦透镜的说明图；及
图3为本发明实施例中的LED的聚焦透镜全内反射情形的说明图。
附图标记说明：2LED；10聚焦透镜；11本体；12非球面透镜表面；100聚焦透镜；110透明本体；200第一透镜部；300第二透镜部；210、220第一及第二非球面透镜表面；310入射面；320反射面；330发射面；4光轴。
具体实施方式
下文中参照所附图面详细说明本发明的实施例。
图2及图3为本发明的LED 2的聚焦透镜100的说明图。
参照图2，聚焦透镜100是用以集中发射自LED的光线，使其具有方向性。聚焦透镜100包含有一透明本体110。本体110包含第一透镜部200及第二透镜部300。第一透镜部200是由位于本体110中间部位的凸出状非球面透镜所形成。第二非透镜部300掩盖第一透镜部200的边缘部。
第一透镜部200包含第一及第二非球面透镜表面210与220。第一及第二非球面透镜表面210与220成不同尺寸的凸出形状，位于互相对称的面上，亦即上面与下面。
第二透镜部300包含：入射面310、反射面320，及发射面330。入射面310是从第二非球面透镜表面220的外周突出，LED 2是插入于入射面310，而发射自LED 2的光线入射于入射面310而从此折射。反射面320成卵形曲面形状，且从入射面310向第二非球面透镜表面220延伸并倾斜而逐渐扩张。LED 2的光线完全从反射面320反射。发射面330具有凹状曲面并从反射面320向第二非球面透镜平面220延伸且倾斜。LED 2的完全反射光折射成平行于光轴4的光线而从发射面330发射。
反射面320是成符合完全内反射的条件。反射面320防止透过入射面310的来自LED 2的光线透射损失，以便减少光损失，而利用LED 2的发射光至最大程度。
入射面310从第一非球面透镜表面210向入射面310的一终端倾斜逐渐向外扩张。入射面310的倾斜度可约为4°。
如插入于第二透镜部300的入射面310的LED2辐射角，基于离轴35°时在0°～35°的范围内时，在辐射角0°至35°的光线入射于第一透镜部200的第一非球面透镜表面210而发射至第二非球面透镜表面220。辐射角为35°或更大的光线入射于第二透镜部300的入射面310时，自反射面320反射，然后照射于发射面330。
于此，由于LED2是被第一非球面透镜表面210及入射面310所掩盖，以180°发射自LED2的光线则最大程度经由第一非球面透镜表面210及入射面310透射，而不至于损失。
由是，当辐射角为LED2离轴的0°至32°范围内时，第一非球面透镜表面210具有发射角0°至21°，而第二非球面透镜表面220具有发射角0°至3.5°。当LED2离轴的辐射角为40°～80°的范围内时，入射面310具有发射角57°至82°，反射面320发射角为2°至6°，发射面330的发射角为0.3°至0.65°。
下文中说明本发明的LED聚焦透镜的动作。
如图2所示，当LED 2被插入于第一非球面透镜表面210及聚焦透镜100的入射面310上的开口时，LED 2在180°所发射光线的大部分就入射于第一非球面透镜表面210及入射面310。
然后，发射自LED 2的35°以下光线即入射于第一透镜部200的第一非球面透镜表面210。折射且向光轴4透射，而发射成平行光线，折射成近乎平行于光轴4，经由第二非球面透镜表面220，于是光的方向性得以改进。
以35°发射自LED 2的光线，或更大角度的光线入射于第二透镜部300的入射面310的倾斜面上，并向反射面320折射。折射光全部藉卵形反射面320向发射面330反射。全部反射光乃发射为平行光，而经凹状发射面330几乎平行于光轴4，于是光的方向得以改进。
因此，当照明装置利用可使发射自LED2的光线成为具有改进方向性的平行光的聚焦透镜100时，即可有效的照明位于远处的局部区域。
上揭LED的聚焦透镜动作将以下列实施例说明如下文。
在此实施例中，所利用的光源LED 2为朗伯特型(Lambertian type)。至于聚焦透镜100，则使用了上揭非球面透镜来校正所有光线自由折射方向。
亦即聚焦透镜100包含：第一透镜部(非球面双凸透镜)200，其包含第一与第二非球面透镜表面210与220；及第二球面透镜部(非球面平凸透镜)300，其中包含一倾斜的入射面310来集中周围光线，一向外卵形反射面320，及凹状发射面330。
以扩散方式发射自LED 2的光线为聚焦透镜100所集中，以致辐射角度变小。亦即在发射自LED 2的光线中，约35°以下的光(中央光)经由第一透镜部(非球面双凸透镜)发射成平行于光轴4，而35°或更大角度的光(周围光)经由第二透镜部(非球面平凸透镜)300，发射成平行于光轴4的光。
原则上，像差在光可折射于所希望的方向时，藉不变更表面光轴周围曲率而变更入射点的曲率来校正。亦即应用非球面时，所有从不同点入射的光线的折射方向可藉控制入射角来调整。虽然光的折射方向在球面中不能控制，但在非球面内可以校正任何其他象差(光行差)。
在矩形坐标系统(X，Y，Z)中，X轴为光轴，回转对称面可用下列展开式表示；
X＝α1P2+α2P4+α3P2+......
P2＝Y2+Z2
在球状中，当找到α1时，α2及以下值可自动找到。无论如何，在非球面中，α2及以下值可任意定的。
当使用非球面时，组合数减少了，但在球面上的未知数可以求得了。
在特别的情形下，非球面像(光行)差可完全如光速那样除去。平行于光轴的光速球面像差为零，但它会随光逐渐从光轴射出而增加。像差校正的完整性乃属于非球面的主要特性。
取代区域性像差校正，非球面内的自由度可考虑用于校正更多的光路像差，须要绝对除去的像差，及不能藉典型的方法除去的像差。
一般而言，当设计使用非球面光系统时，只包含一球面的光系统首先被设计及评估。然后，当发生像差而不能以典型方法解决时，应用非球面的过程可以除去像差。例如，以除去发生于球面透镜的像差来做试验，镜片可以更换，单一透镜可更换的结合镜片或分割，可加一新组件，或动力的分配及联合可以变更。非球面的应用可考虑为一种校正或除去像差的方法。
本发的LED的聚焦透镜使用或应用非球面透镜的优点，来自由控制发自LED的扩散光，及应用于设计者所希望的系统。
下面的表一代表本发明实施例的透镜表面数据及非球面系数。
【表一】(单位：mm)
Figure A20071009115900071
【表二】(单位：mm)
Figure A20071009115900081
荧光幕的曲率半径，并未表示于表二的透镜表面数据，乃为无限，亦即为一平坦的面。从荧光幕至第一透镜部的第二非球面透镜的光轴距离同样是无限。此意指目的物位于距离透镜表面无限远处。
从目的物表面至第一透镜部的第二非球面透镜表面的折射指数为1.0(空气中)。第一透镜部的第二非球面透镜表面的曲率半径为5.05，此处的表面距离(中央部厚度)为8.0，而此处的折射指数为1.49。同理，至顶面的曲率半径，表面距离及折射指数依序指出。
本实施例的非球面系数表示于图二。非球面系数意指一系数，其导出方法如下，当表面形状由公式(1)代表时：
X＝CY2/{1+(1-KC2Y2)1/2}+A4Y4+A6Y6+A8Y8+A10Y10+...  (1)
其中
X：从透镜的定点向光轴方向的距离
Y：从光轴向垂直方向至非球面定点的切线距离
C：透镜的定点的曲率半径倒数
K：锥形常数
A4，A6，A8及A10：第4，6，8及10非球面系数
因此，当各系数K，A4，A6，A8及A10为已知时，透镜表面高度，即表面形状，即依据公式(1)决定。
现在，表一及表二所代表的数据内容将可依上述情形获得了解。特别是表一所代表表面距离中，第一透镜部的第二非球面透镜表面的表面距离意指第一透镜部与第二透镜部的距离，因此，当第二非球面透镜表面的表面距离值为-4.9mm时，两透镜位置重叠。此可在塑料非球面透镜实现的方法，意指两透镜连合成另一非球面形状。
第二透镜部(非球面平凸透镜)的反射面完成全内反射。
于此，全内反射是100％反射率的光反射，亦即所有光线是在目的物边界表面反射。
就是说，当光线从一高密度介质入射于低密度介质，而入射角大于一特别角(临界角)时，所有光线在边界表面反射，而没有折射光线的存在。此一现象称为全内反射。全内反射可发生的入射角最小值称为临界角。
因此，当光线从具有较高折射指数的介质入射于具有较低折射指数的介质时，折射角变成大于入射角。然后，折射角随着入射角的增加而增加。于此，临界角意指折射角为90°时的入射角。
由是，全内反射仅在光线从密度较大的物质入射于密度较稀的物质时，其入射角大于临界角时发生。
如图3所示，当光以较高折射指数入射于材料1，以较低折射指数入射于材料2时，折射角γ就大于入射角i。随折射角γ增加，入射角i亦增加。然而当折射角γ为90°时，所有入射角i大于90°的光被反射。
上揭现象称为全内反射，当折射角γ为90°时，入射角ic称为全内反射的临界角。以临界角入射的光为Sin ic/sin9°n12，或sin ic＝n12(n12＜1)。
如果材料1的折射指数为n，而材料2为空气，sin ic＝n2/n1＝1/n，或ic＝sin-1(1/n)。
依照上述解释，将可说明如何藉聚焦透镜，以扩散方式耐将发射自LED的光集中的过程，而减少轴射角。
以下的表三代表，依照实施例，在藉聚焦透镜集中发射自LED的过程中，藉辐射线的追踪辐射角的变化情形。
【表三】(单位：度)
Figure A20071009115900101
从上揭表三可知，当发射自LED的光于离轴0°至80°的范围内通过聚焦透镜的各非球面透镜时，光线最后发射成发射面上的平行光，其角度最大不超过约3.5°。
各光线均为聚焦透镜所控制，其设定非球面及全反射的条件如上。由是，发射面上的角度最后以最大程度减小，以减少光损失。此外，辐射角成为很小，以便使用者可从远距离照射所要的集中区域。
【发明的效果】
依照本发明的LED的聚焦透镜，发射自LED的所有光线均成方向性良好的平行光，平行于光轴，是藉非球面及全内反射特性的聚焦透镜所造成。结果发射自LED的光线的光损失得以减低而发射角减小至最大程度，得以有效照射远距离的集中区域。
本发明是以最佳的实施例加以说明。但所须明了本发明的范围并非限定于上揭实施例而已。反的，本发明的范围应包含本领域技术人员利用目前知悉或将来的技术或其同等技术所能完成的各种修饰与变更。因此本发明的专利范围，应涵盖上述修饰与同等变更。

Claims (5)

1. 一种LED的聚焦透镜，用以集中发射自LED的光线，以便获得平行于光轴方向的光，其特征在于，包含：
一透明本体；
一形成于所述透明本体内的第一透镜部；及
掩盖所述第一透镜部的第二透镜部；
其中所述第一透镜部包含：
第一及第二非球面透镜表面，以不同尺寸凸出而形成于互相对称的面上；
其中所述第二透镜部包含：
一入射面，从所述第二非球面透镜表面的外周突出，所述LED插入于所述入射面，而所述入射面成能让发射自LED的光入射与折射的形状；
一反射面，具有一卵形曲面，从所述入射面向所述第二非球面透镜表面延伸并倾斜而逐渐扩张，所述反射面成能让发射自LED的光全反射的形状；及
一发射面，具有凹状曲面，从所述反射面向所述第二非球面透镜表面延伸并倾斜，所述发射面成能让发射自LED的光折射并发射为平行于所述光轴的光的形状。
2. 如权利要求1所述的LED的聚焦透镜，其特征在于：所述反射面备有全内反射的条件。
3. 如权利要求1所述的LED的聚焦透镜，其特征在于：所述入射面成倾斜状，从所述第一非球面透镜表面向所述入射面的一终端逐渐向外扩张。
4. 如权利要求1、2或3所述的LED的聚焦透镜，其特征在于：当所述LED的离轴的辐射角为0°至32°时，所述第一非球面透镜表面具有发射角0°至21°，而所述第二非球面透镜表面具有发射角0°至3.5°。
5. 如权利要求1、2或3所述的LED的聚焦透镜，其特征在于：当所述LED的离轴的辐射角为40°至80°时，所述入射面具有发射角57°至82°，所述反射面具有发射角2°至6°，而所述发射面具有发射角0.3°至0.65°。
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