CN102230600B - 用于形成方形光场的光学透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对光源发出的光线进行调整以形成方形光场的光学透镜，其包括一个具有两个相对端部的方形主体。该主体具有一个位于两个端部中一者上的第一表面以及一个位于另一个端部上的第二表面。该第一表面上设置有一圆锥形凹槽，该圆锥形凹槽的侧面作为该光学透镜的入光面以使光源射出的光线经由该圆锥形凹槽的侧面射入该主体。该第二表面为一非对称的马鞍形非球面，该第二表面作为该光学透镜的出光面。该圆锥形凹槽的侧面及该第二表面用以对光源发出的光线进行调整。

Description

用于形成方形光场的光学透镜
技术领域
本发明涉及光学系统，尤其涉及一种用于对光源的光场形状进行调整的光学透镜。
背景技术
随着半导体照明技术的发展，发光二极管(Light emitting diode，LED)的光效不断提高，现正逐步取代传统光源。针对LED光源，如何有效地分配LED发出的光能是该LED光源中光学系统设计要解决的关键问题。目前的LED光源所形成的照明区域大多为圆形，有时为了更节能且实现更大区域的照明，例如路灯，需要将照明区域调整为方形。所以，有必要提供一种用于形成方形光场的光学透镜。
发明内容
下面将以实施例说明一种用于形成方形光场的光学透镜。
一种用于对光源发出的光线进行调整以形成方形光场的光学透镜，其包括一个具有两个相对端部的方形主体，该主体具有一个位于两个端部其中一者上的第一表面以及一个位于另一个端部上的第二表面。该第一表面上设置有一圆锥形凹槽，该圆锥形凹槽的侧面作为该光学透镜的入光面以使光源射出的光线经由该圆锥形凹槽的侧面射入该主体。该第二表面为一非对称的马鞍形非球面，该第二表面作为该光学透镜的出光面。该圆锥形凹槽的侧面及该第二表面用以对光源发出的光线进行调整。
相较于现有技术，该光学透镜中圆锥形凹槽的侧面与该马鞍形第二表面对设置在该圆锥形凹槽中的光源射出的光线具有校正作用，即该光源射出的光线进入该光学透镜的主体后，由于该圆锥形凹槽的侧面的面形特征可使进入的光线射向该第二表面上的预定位置，并且由于该第二表面的面形特征可使射至其上的光线按预定光路射出，从而形成方形光场，以适应实际需要。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的光学透镜的结构示意图。
图2是图1所示光学透镜沿II-II的剖面图。
图3是图1所示光学透镜的III-III的剖面图。
图4是经由图1所示光学透镜所形成的光场的光强分布图。
图5是经由图1所示光学透镜所形成的光场的照度模拟图。
具体实施方式
下面将结合附图，以对本发明实施例作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明第一实施例提供的一种光学透镜10，其具有一个具有方形轮廓的主体100，该主体100包括第一端部11及与第一端部11相对的第二端部12。该主体100具有分别在第一端部11及第二端部12上的第一表面110及第二表面120。光学透镜10用于对一个光源101发出的光线进行调整以形成方形光场。光源101依据本发明实施例是发光二极管之固态电子元件光源，然而对于本领域的技术人员来说，该光源101可为任意光源。
请参阅图2至图3，第一表面110上设置有一圆锥形凹槽111。光源101通常设置在圆锥形凹槽111中，光源101发出的光线经由圆锥形凹槽111的侧面1112射入主体100。所以，该圆锥形凹槽111的侧面1112即作为光学透镜的入光面。
圆锥形凹槽111的侧面1112符合下列表达式(1)：
z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 - - - ( 1 )
r是指相对于圆锥形凹槽111的侧面1112的光轴O1的半径坐标；
z是指圆锥形凹槽111的侧面1112以r为自变量的SAG值(Sagitta Value)，即沿圆锥形凹槽111的侧面1112光轴O1的面坐标；
c与k分别为圆锥形凹槽111的侧面1112的曲率系数及圆锥系数，在此，圆锥形凹槽111的侧面1112的原点A位于圆锥形凹槽111的侧面1112的中心顶点，即圆锥形凹槽111的底部中心。
圆锥形凹槽111的侧面1112作为圆锥形曲面，其焦距F符合下列表达式(2)：
F = 1 ( N - 1 ) c - - - ( 2 )
N是指光学透镜10的主体100的折射率；
c为圆锥形凹槽111的侧面1112的曲率系数。
由表达式(2)可知，圆锥形凹槽111的侧面1112的焦距F与其曲率系数c及光学透镜10本身的折射率有关，通常，-50＜F＜-0.5。在本实施例中，光学透镜10的材质为折射率等于1.49的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。当然，光学透镜10还可应用其他材料，例如聚碳酸脂(PC)或硅胶(Silicone)等。
第二表面120为一非对称的马鞍形非球面，进入光学透镜10的主体100中的光线经由第二表面120射出，即第二表面120为光学透镜10的出光面。
第二表面120符合下列表达式(3)：
z＝γ1x2+γ2x4+γ3x6+γ4x8+γ5y2+γ6y4+γ7y6+γ8x8(3)
γ1，...γ8是指第二表面120的非球面系数。在此，γ1、γ2、γ5与γ6为第二表面120的关键系数，即γ1、γ2、γ5与γ6为决定第二表面120面形的大体轮廓，而其他非球面系数为第二表面120面形的校正系数。在此，第二表面120的原点(曲面中心点)B位于该圆锥形凹槽111的侧面1112光轴O1上。参见图2所示，在经过原点B的XZ平面上，光轴O1两侧的第二表面120对称分布。γ1与γ5可以取相同的范围，γ2与γ6可以取相同的范围。在本实施例中，-0.1＜γ1＜0.1，-0.1＜γ5＜0.1，-0.01＜γ2＜0.01，-0.01＜γ6＜0.01。参见图3所示，在经过原点B的YZ平面上，光轴O1两侧的第二表面120非对称分布，即第二表面120的经过原点B的切平面S1与经过原点B且垂直于光轴O1的平面S2之间具有一夹角θ。优选地，夹角0度＜θ≤10度。
圆锥形凹槽111的侧面1112的原点A与第二表面120的原点B在Z轴方向上的垂直距离d定义为光学透镜10的厚度，d可根据工业实际需要进行设定。在本实施例中，d＝4mm。
光学透镜10中圆锥形凹槽111的侧面1112与第二表面120分别符合表达式(1)，(3)，其对设置在圆锥形凹槽111中的光源101射出的光线具有校正作用，即光源101射出的光线进入光学透镜10的主体100后，由于圆锥形凹槽111的侧面1112的面形特征可使进入的光线射向第二表面120上的预定位置，并且由于第二表面120的面形特征可使射至其上的光线按预定光路射出，从而形成方形光场，以适应实际需要。在本实施例中，圆锥形凹槽111的侧面1112与第二表面120的参数可参见表1。
表1 单位/mm
  参数   设定值(Operational Value)
  1/c   -1.472524
  k   -3.886628
  γ1   1.8422E-03(1.8422×10-3)
  γ2   3.4516E-04(3.4516×10-4)
  γ3   4.2832E-07(4.2832×10-7)
  γ4   1.3530E-09(1.3530×10-9)
  γ5   -6.7515E-02(-6.7515×10-2)
  γ6   5.7794E-04(5.7794×10-4)
  γ7   -1.3900E-05(-1.3900×10-5)
  γ8   -4.9534E-08(-4.9534×10-8)
光学透镜10采用表1中所示参数，形成的光强分布图(坎德拉图)及照度图请分别参见图4与图5，图4中内圈曲线表示XY平面上Y方向(垂直角度，Vertical angle)的光强分布情况，外圈曲线表示XY平面上X方向(平行角度，Horizontal angle)的光强分布情况。由图4与图5可知，光学透镜10可对光源101发出的光线进行校正，以形成方形光场。
另外，透过光学透镜10在XY平面上X方向可形成大于±60度的辐射角度以在XY平面上形成有效地光强分布，对此可参见图4。同时，透过光学透镜10在XY平面上形成的光强分布较为均匀，即光强从光场中心向四周均匀递减，对此可参见图5。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种对应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于对光源发出的光线进行调整以形成方形光场的光学透镜，其包括：
一个具有两个相对端部的方形主体，该主体具有一个位于两个端部其中一者上的第一表面以及一个位于另一个端部上的第二表面，该第一表面上设置有一圆锥形凹槽，该圆锥形凹槽的侧面作为该光学透镜的入光面以使光源射出的光线经由该圆锥形凹槽的侧面射入该主体，该第二表面为一非对称的马鞍形非球面，该第二表面作为该光学透镜的出光面，该圆锥形凹槽的侧面及该第二表面用以对光源发出的光线进行调整，该第一表面符合下列表达式：
z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2
r是指相对于该圆锥形凹槽的侧面的光轴的半径坐标，z是指该圆锥形凹槽的侧面以r为自变量的SAG值，c与k分别为该圆锥形凹槽的侧面的曲率系数及圆锥系数，该第二表面由下列等式进行定义：
z=γ1x2+γ2x4+γ3x6+γ4x8+γ5y2+γ6y4+γ7y6+γ8x8
γ1～γ8是指第二表面的非球面系数。
2.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该圆锥形凹槽的侧面的原点位于该圆锥形凹槽的侧面光轴上的中心顶点，该圆锥形凹槽的侧面的焦距F符合下列表达式：
F = 1 ( N - 1 ) c
N是指该光学透镜的主体的折射率，c为该圆锥形凹槽的侧面的曲率系数，且-50<F<-0.5。
3.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，1/c等于-1.472524，k等于-3.886628。
4.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，γ1与γ5的范围相同，γ2与γ6的范围相同。
5.如权利要求4所述的光学透镜，其特征在于，-0.1<γ1<0.1，-0.01<γ2<0.01。
6.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该圆锥形凹槽的侧面的原点位于该圆锥形凹槽的侧面光轴上的中心顶点，该第二表面的原点位于该圆锥形凹槽的侧面光轴上，该第二表面的经过第二表面原点的切平面与经过第二表面原点且垂直于该圆锥形凹槽的侧面光轴的平面之间具有一夹角θ。
7.如权利要求6所述的光学透镜，其特征在于，θ大于0度且小于等于10度。
8.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，γ1等于1.8422E-03，γ2等于3.4516E-04，γ3等于4.2832E-07，γ4等于1.3530E-09，γ5等于-6.7515E-02，γ6等于5.7794E-04，γ7等于-1.3900E-05，γ8等于-4.9534E-08。
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