CN102242904A - 透镜部件和使用该透镜部件的光学单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透镜部件和使用该透镜部件的光学单元。一种透镜部件，该透镜部件包括至少一个环形棱镜，该环形棱镜包括介于该至少一个环形棱镜的内环形面与外环形面之间的边缘处的折射面。具有折射面的棱镜可以设置在该透镜部件的中心部分处，并且折射面被构造为向着该透镜部件的出射侧折射光。

Description

透镜部件和使用该透镜部件的光学单元

技术领域

本发明涉及一种透镜部件和包括该透镜部件的例如用于发光二极管(LED)照明设备等中的一种光学单元。

背景技术

使用LED作为光源的LED光学产品(诸如照明设备、投影仪、闪光灯、汽车的头灯和尾灯等)或诸如窄指向性LED的基本光学装置等通常使用透镜来聚合或校准从LED发射的光。尽管凸折射透镜通常用于这类透镜，但同样提出采用菲涅耳透镜以达到减小高度和薄化的目的。

常规地，提出一种用于灯配件的透镜，其具有在光轴附近的内表面的中心部分中形成的栅格形折射棱镜，并且还具有在该栅格形折射棱镜的外周部分中形成的栅格形反射棱镜(例如，参考JP57-55002A)。此外，提出了一种菲涅耳透镜，在该透镜中，起到入射面作用的菲涅耳透镜表面的棱镜的一部分被形成为使得一部分入射光线在非透镜表面处被全内反射后从出射面射出(例如，参考JP59-119340A)。而且，提出了一种光学器件，其由折射透镜部分和反射体部分构成，折射透镜部分具有设置在光轴中心部分处的透镜体，反射体部分允许光线从内表面部分入射并在抛物面形反射面处全内反射光线，因此将光线转化为平行光束(例如，参考JP05-281402A)。

但是，上述常规技术留下了如下问题。也就是说，在常规的菲涅耳透镜中，在棱镜的边缘被由棱镜的入射面和棱镜的光反射表面形成的入射锐角构成的情况下，在对菲涅耳透镜进行树脂成型期间，当金属模具充满树脂时，由于棱镜的边缘窄或薄，因此阻碍了树脂达棱镜的边缘。这使得棱镜边缘在其成型状态中呈圆形。因此，存在不能在棱镜的圆形边缘处进行高精度的光入射和光反射的问题，这导致了发光性能在透镜部件的中心轴AX方向上的劣化等。

此外，在JP05-281402中公开的透镜体具有以下缺点：它的反射面必须很高以反射从圆形的入射面入射的所有光，因此造成透镜厚度增加。

而且，JP57-55002A、JP59-119340A和JP05-281402A中公开的透镜具有以下缺点：由于部分入射光没有到达反射表面而产生了损失，使得难以将光的使用效率最大化。例如，在JP05-281402A中，在入射面与折射透镜部分之间存在入射光没有到达反射表面的部分，导致损失了通过该部分的光。

此外，当LED用作光源时，辐射光具有发射角度越大则光强越小的光分布；因此，如图3中所示，当使用常规的TIR(Total Internal Reflection：全内反射)透镜1时，从TIR透镜1的被设置为面对光源2的内凹透镜部分3的入射面入射的光在外凸透镜部分4的反射表面处被全内反射；但是，这导致了在中心部分附近具有较强光强的光L2在凹状透镜部分4的外周侧的反射表面处被反射。

因此，在该TIR透镜1中，中心附近的亮度高，但在中间附近变低，并且在外侧再次升高。结果，即便使该TIR透镜1变成菲涅耳透镜，但如果使用常规方法这样做的话，在出射光中产生了以光轴为中心的环形光斑，这破坏了外观。

而且，在JP05-281402A中公开的透镜中，反射透镜部分的入射面和出射面都被形成为非球面，因此存在加工困难和费用提高这两个问题。

发明内容

根据本发明的实施方案的一种透镜部件，该透镜部件包括：入射侧，其包含中心轴和以所述中心轴为中心的凹面形状；出射侧，其与所述入射侧相对；多个环形棱镜，它们设置在所述入射侧上，并且与所述入射侧的所述中心轴同心，所述多个环形棱镜各包括内环形面和位于所述内环形面外侧的外环形面以形成各个所述环形棱镜；以及包括折射面的至少一个环形棱镜，所述折射面位于所述至少一个环形棱镜的所述内环形面与所述外环形面之间的边缘处。

所述折射面可以是从所述环形棱镜的所述内环形面向所述外环形面向上倾斜的环形斜面。

所述包括折射面的至少一个环形棱镜可以是具有折射面的多个环形棱镜，并且可以设置在围绕所述入射侧的所述中心轴的中心部分处。

所述环形棱镜的所述内环形面和所述外环形面形成为菲涅耳透镜表面的形状。

在本发明的另一个实施方式中，所述透镜部件可以包括：突出部分，其在以所述入射侧的所述中心轴为中心的所述中心部分处突出；和与所述中心轴同心并可以设置在所述突出部分的斜面上的具有折射面的多个环形棱镜。所述突出部分可以是圆锥形，并且所述具有折射面的多个环形棱镜可以围绕所述中心轴设置在所述圆锥形的斜面上。

所述突出部分的突出端可以具有垂直于所述中心轴的平坦表面，或者所述突出端可以具有非球面。

所述环形棱镜的所述内环形面可以由TIR透镜的入射表面的分割部分形成，所述环形棱镜的所述外环形面可以由所述TIR透镜的光反射表面的分割部分形成，其中所述入射表面包括设置在所述TIR透镜的下部的凹面形状，并且所述光反射表面包括设置在所述入射表面的外侧的凸面形状。在所述TIR透镜的所述光反射表面的分割部分中，原本远离所述TIR透镜的中心轴设置的所述分割部分被重新布置在与所述入射侧的所述中心轴相邻的所述环形棱镜的所述外环形面，并且在各个所述环形棱镜中，所述外环形面可以是反射透过各个所述环形棱镜的所述内环形面的光的全内反射表面。所述环形棱镜的所述内环形面和所述外环形面可以形成为由所述TIR透镜菲涅耳化而成的菲涅耳透镜表面的形状，其中原本远离所述TIR透镜的所述中心轴设置的所述分割部分被重新布置为邻近所述入射侧的所述中心轴。

而且，在根据本发明的另一个实施方式的透镜部件中，多个微小的不规则体可以被布置在所述出射侧上，并且构造为对透过所述出射表面的光的指向性进行控制。所述不规则体可以是光的散射部分。

而且，一种光学单元，该光学单元包括：根据本发明实施方式的透镜部件；和光源，其包括至少一个发光二极管元件以及以光轴为中心的发光面，所述光源的光轴被设置为与所述透镜部件的所述入射侧的所述中心轴同轴。所述至少一个发光二极管元件可以是多个发光二极管元件，并且可以包括RGB发光二极管元件。

附图说明

图1是本发明一实施方式中的透镜部件的平面图。

图2是沿图1中示出的透镜部件的线II-II得到的横截面图。

图3是示出常规TIR透镜的原理的示意图。

图4是示出包括由TIR透镜菲涅耳化而成的菲涅耳表面的透镜部件的原理的示意图，其中原本远离TIR透镜的中心轴设置的分割部分被重新布置为邻近透镜部件的入射侧的中心轴。

图5是示出根据本发明的实施方式的透镜部件中的中心部分和围绕中心部分的外周部分的部分横截面图的入射侧的示意图，该中心部分设置了具有折射面的环形棱镜，该外周部分设置了不具有折射面的环形棱镜。

图6是示出在根据本发明实施方式的透镜部件中设置在透镜部件的环形棱镜的内环形面和外环形面之间的边缘处的折射面的形状的放大横截面图。

图7A是示出当环形棱镜的边缘具有理想的尖形时光路的简化示意图。

图7B是示出当环形棱镜的边缘是圆形时光路的简化示意图。

图7C是示出当折射面被设置在环形棱镜的内环形面和外环形面之间的边缘处时光路的简化示意图。

图8A是示出当环形棱镜的边缘具有理想的尖形时光路的简化示意图。

图8B是示出当环形棱镜的边缘是圆形时光路的简化示意图。

图8C是示出当折射面被设置在环形棱镜的内环形面和外环形面之间的边缘处时光路的简化示意图。

图9是包括第一实施方式中的透镜部件和面对该透镜部件的入射侧的光源的光学单元的横截面图。

图10是图9中示出的光学单元的立体图。

图11是示出由于对环形棱镜边缘的形状的不同情况进行仿真而得到的透镜亮度分布的图。

图12是本发明的第二实施方式中的透镜部件的横截面图。

具体实施方式

现在将参考附图更加详细地描述本发明，在附图中示出了本发明的实施方式。然而，本发明可以通过很多不同的方式来实现，不应将本方面视为受到本文中提出的特定实施方式的限制。相反，提供这些实施方式以向本领域技术人员表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见，可能夸大了层和区域的尺寸和相对尺寸。

图1和图2示出了根据本发明一实施方案的透镜部件10。更详细地，透镜部件10包括：入射侧12，入射侧12包括中心轴AX和以该中心轴为中心的凹面形状；与入射侧12相对的出射侧15；以及多个环形棱镜13，它们设置在入射侧12上并与入射侧12的中心轴AX同心。多个环形棱镜13中的每一个都包括内环形面13a和位于内环形面13a外侧的外环形面13b，以形成每一个环形棱镜13。入射侧12的中心轴AX与透镜部件10的中心轴AX重合。

如图6中所示，至少一个环形棱镜13包括介于至少一个环形棱镜13的内环形面13a和外环形面13b之间的折射面(facet)13c。这里，在多个环形棱镜13的内环形面13a与外环形面13b之间设置有多个折射面13c，并且折射面13c被构造为接收从光源2射出的光并将光直接向出射侧15折射。折射面13c可以是从环形棱镜13的内环形面13a向外环形面13b向上倾斜的环形平坦斜面。

而且，关于环形棱镜13的内环形面13a与折射面13c之间的角度，与第二环形棱镜相比，更加靠近中心轴AX布置的第一环形棱镜在第一环形棱镜的内环形面13a与折射面13c之间具有更大的角度。换句话说，尽管更靠近中心轴AX布置的第一环形棱镜的宽度小于或窄于第二环形棱镜的宽度，但是第一环形棱镜的内环形面13a和折射面13c之间的角度大于第二环形棱镜的内环形面13a和折射面13c之间的角度。关于折射面13c的环形斜面，位于第一环形棱镜外侧的第二环形棱镜的斜面变得更陡。环形棱镜的斜面随着与中心轴AX的距离增加而变得更陡。因此，在本实施方式中，带有折射面13c的环形棱镜13被设置在以中心轴AX为中心的中心部分内，而不具有折射面的环形棱镜被设置在环绕中心部分的外周部分中。这是由于，即使在外周部分内的环形棱镜的边缘处设置折射面，在内环形面13a和折射面13c之间的角度也变得太小，并且折射面13c的斜面也变得太陡而不能适当地接收来自光源2的光并将光适当地折射向出射侧15。

图7A是示出当环形棱镜的边缘具有理想的尖形时光路的简化示意图，该尖形是由其中在环形棱镜的边缘处理想地充分填充了树脂的模具形成的。图7B是示出当环形棱镜的边缘是圆形的且边缘是由其中在环形棱镜的边缘部分处未完全填充树脂的模具形成时光路的简化示意图。在图7B的这种情况中，在圆形边缘处向着出射侧15的期望的光折射没有发生，因此在沿中心轴AX方向的发光性能由于在环形棱镜的圆形边缘部分处不可控制的光损失而劣化。

与之相反，在本发明的实施方式中，如图7C中所示，由于在环形棱镜13的内环形面13a与外环形面13b之间的边缘处设置了折射面13c，对透镜部件10进行成型变得更加容易，不需要在透镜部件10的中心部分内的微小或狭窄的环形棱镜处形成尖锐的边缘。结果，折射面13c接收光，光的入射角度使其将被向着出射侧15折射。

而且，与图8A中示出的理想形状的情况相比，在图8B中示出的前面提及的JP05-281402中公开的技术的情况中，边缘是圆形的且更容易成型。但是，与图8C中示出的带有折射面13c的环形棱镜13相比，图8B的带有圆形边缘的环形棱镜13的高度由于外环形面13b而需要更高，这导致了透镜变得更厚，使得透镜薄化变得困难。因此，如图8C中所示，折射面13c可以是除了内环形面13a以外的光接收表面，并且通过成型来形成带有折射面的环形棱镜比通过成型来形成带有尖形边缘的环形棱镜更加容易。

下面，图11示出了在上面图7A至7C和图8A至8C中的提及的情况的透镜亮度分布；具有“理想的尖形”边缘的环形棱镜、在边缘处“设置有折射面13c”的环形棱镜和在出射侧的中心部分处设置有折射面的环形棱镜、以及由于未充分填充树脂的成型而在出射侧的中心部分处带有“圆形”边缘的环形棱镜。

而且，各种情况下沿透镜部件10的中心轴AX的方向上的亮度性能和亮度性能比值如下面的表1所示，假定带有“理想的尖形”边缘的环形棱镜的情况下的亮度性能被设定为100％。

[表1]

	亮度性能	比值
			理想的尖形	1425.9	100％
圆形	1237.4	87％
			设置有折射面	1315.5	92％

上面的表1示出，入射侧的中心部分处的具有折射面的环形棱镜具有92％的亮度性能，远优于入射侧的中心部分处的具有圆形边缘的环形棱镜的87％的亮度性能。具有折射面的环形棱镜的亮度性能可以被提高到更接近于具有理想的尖形的环形棱镜的亮度性能，而且能够形成比上述其它情况的环形棱镜更薄的具有折射面的环形棱镜。

此外，如图3和图4中所示，内环形面13a和外环形面13b是以菲涅耳透镜表面的形状形成的。

图1、图2和图5示出了透镜部件10，透镜部件10包括在以入射侧12的中心轴AX为中心的中心部分处突出的突出部分16，并且具有折射面13c的多个环形棱镜13被设置在围绕中心轴AX的中心部分处的突出部分16的斜面上，而不具有折射面的环形棱镜13被设置在围绕突出部分的外周部分中。此外，突出部分16可以包括总体上的圆锥形，并且具有折射面13c的多个环形棱镜可以被设置在环绕中心轴AX的圆锥形的斜面上。突出部分16的突出端17或顶点可以包括垂直于中心轴AX的平坦表面，或者可以包括非球面。

如图3和图4中所示，环形棱镜13的内环形面13a可以由TIR透镜1的入射面3的分割部分3a、3b和3c形成，并且环形棱镜13的外环形面13b可以由TIR透镜1的光反射表面4的分割部分4a、4b和4c形成，其中入射面3包括设置在TIR透镜1的下部的凹面形状，光反射表面4包括位于TIR透镜1的入射面3的外侧的凸面形状。在TIR透镜1的光反射表面4的分割部分4a、4b和4c中，原本远离TIR透镜1的中心轴AX设置的分割部分4a被重新布置到与入射侧的中心轴AX相邻地设置的环形棱镜的外环形面，外环形面13b是反射透过每个环形棱镜13的内环形面13a的光的全内反射表面。环形棱镜13的内环形面13a和外环形面13b通过由TIR透镜菲涅耳化或进行分割而形成为菲涅耳透镜表面的形状，其中原本远离TIR透镜的中心轴AX设置的分割部分被重新布置为邻近入射侧的中心轴。因此，本实施方式中的透镜部件10可以是板形透镜，其具有作为在入射侧12处的多个环形棱镜13的菲涅耳透镜表面14。环形棱镜13A至13C具有彼此不同的光折射角度。TIR透镜1被布置为面向包括至少一个发光二极管元件(LED元件)的光源2，其中TIR透镜1的中心轴AX与光源2的中心轴AX彼此重合。注意，该透镜部件10由透光树脂一体地形成。

因此，每个环形棱镜13都具有根据相对于透镜部件10的中心轴AX的位置而变化的顶角，这里，顶角是介于环形棱镜13的内环形面13a与外环形面13b之间的角度。

在加工处理中，内环形面优选地包括平坦的表面，并且外环形面优选地包括平坦的表面，但可以包括诸如抛物面、双曲面或椭圆面的二次曲面。

内环形面13a包括向着光轴AX的斜面，以面对光源2的发光表面。注意，在本实施方式中，出射侧15可以是平坦表面。

下面，一种光学单元，该光学单元包括根据本发明的上述透镜部件10、光源2以及支承透镜部件10和光源2的外壳121。

外壳121包括半球部分122和将半球部122封闭起来的圆形表面，并且光源2安装在该圆形表面的中心内，外壳121还包括透镜支承框123，该透镜支承框围绕光源2布置在该圆形表面处以支承光源2上方的透镜部件10，透镜部件10被布置成面对光源2，其中透镜部件10的中心轴AX和光源2的中心轴AX彼此重合。

而且，本实施方式的菲涅耳透镜表面14被构造为使得常规光反射表面4的被分割成棱镜13的多个外环形面13b的分割部分4a至4c被更向外地设置。TIR透镜的光反射表面4的分割部分4a与TIR透镜的中心轴AX相距最远，该分割部分4a被重新布置到与透镜部件10的中心轴AX相邻的环形棱镜的外环形面，而TIR透镜的光反射面4的分割部分4c最靠近TIR透镜的中心轴AX，该分割部分4c被重新布置到外周部分的环形棱镜的外环形面，从而与透镜部件10的中心轴AX相距最远。结果，中心部分中具有强的光强的光从中心部分内的棱镜13A的棱镜入射表面13a入射菲涅耳透镜单元14，并且在该棱镜13A的棱镜光反射表面13b处被全内反射。

因此，与常规TIR透镜相比，透镜部件10能够在透镜部件10的中心部分处接收相对强烈的光。能够提高透镜部件10的中心部分处的亮度(光强从透镜部件10的中心向外周部分渐变)。

而且，由于每一个环形棱镜都包括内环形面13a和外环形面13b，并且环形棱镜与中心轴AX一直相邻地布置到透镜部件10的入射侧的外周部分，通过内环形面13a入射并到达外环形面13b的光在每个环形棱镜13中被沿着中心轴AX向着出射表面全内反射，因此可以有效地改善亮度性能。

因此，在包括这样的透镜部件10(该透镜部件10能够沿着透镜部件10的中心轴AX的方向获得高亮度性能)等的光学单元120中，从LED构成的光源2射出的光的使用效率很高，可以获得具有不错的外观的LED光学产品(诸如照明设备、投影仪、闪光灯、汽车的头灯和尾灯)等。

下面，参照附图12来描述根据本发明的透镜部件和光学单元的另一个实施方式。注意，在下面对本实施方式的描述中，相同的标记被指派给与在上述实施方式中描述的要素相同的结构要素，并且略去了对那些相同要素定的详细描述。

第二实施方式与第一实施方式的不同之处在于：在第一实施方式中，位于入射侧12的相对侧上的出射侧15是平坦的表面，而在如图12中所示的第二实施方式的透镜部件20中，出射侧15是被构造为散射透过出射侧的光的多个微小的不规则体21。这些微小的不规则体可以散射透过出射侧的光以减小透过出射侧出射的光的变化。

注意，由于中心部分处的光强比外周部分处的光强更强，因此透镜部件20的出射侧15的中心部分上的不规则体21可以被构造为具有比外周侧上的不规则体更高的散射。

注意，本发明不限于上述的每一个实施方式，并且应该理解，在不背离本发明的范围和精神的情况下，可以对实施方式做出多种改变。

例如，用于控制透射光的散射和指向中的至少一个方面的光学片可以安装在出射面上。

也就是说，除了具有直接形成于其上的不规则体以外，出射侧也可以安装用于均匀地散射透射光的光学片(如散射片)和用于在特定方向上散射或折射大量透射光的各向异性散射片或棱镜片，因此允许按照需要来设置光的大量散射和指向性特征。注意，优选地采用在折射率方面与透镜部件的主体材料具有小差异的材料作为光学片。

通过以这种方式在出射面上安装用于控制出射光的扩散和指向中的至少一个方面的光学片，由于出射侧上的光学片导致的折射和散射，被菲涅耳透镜单元在很大程度上聚光(light-harvested)的光变得容易以期望的散射和方向出射。

相关申请的交叉参考

本申请基于并要求2010年4月27日提交的日本专利申请No.2010-102095的优先权，这里以引用的方式并入其公开的全部内容。

Claims (17)

1.一种透镜部件，该透镜部件包括：

入射侧，其包括中心轴和以所述中心轴为中心的凹面形状；

出射侧，其与所述入射侧相对；

多个环形棱镜，它们被设置在所述入射侧并且与所述入射侧的所述中心轴同心，所述多个环形棱镜各包括内环形面和位于所述内环形面外侧的外环形面以形成各个所述环形棱镜；以及

包括折射面的至少一个环形棱镜，所述折射面位于所述至少一个环形棱镜的所述内环形面与所述外环形面之间的边缘处。

2.根据权利要求1所述的透镜部件，其中，所述包括折射面的至少一个环形棱镜包含具有折射面的多个同心的环形棱镜，并且所述具有折射面的多个同心的环形棱镜设置在围绕所述入射侧的所述中心轴的中心部分处。

3.根据权利要求2所述的透镜部件，该透镜部件还包括：

突出部分，其在以所述入射侧的所述中心轴为中心的所述中心部分处突出；和

与所述中心轴同心并且被设置在所述突出部分的斜面上的具有折射面的多个环形棱镜。

4.根据权利要求3所述的透镜部件，其中，所述突出部分为圆锥形，其中所述具有折射面的多个环形棱镜围绕所述中心轴设置在所述圆锥形的斜面上。

5.根据权利要求1所述的透镜部件，其中，所述折射面是从所述至少一个环形棱镜的所述内环形面向所述外环形面向上倾斜的环形斜面。

6.根据权利要求2所述的透镜部件，其中，所述多个环形棱镜的所述折射面是分别从各个环形棱镜的所述内环形面向所述外环形面向上倾斜的环形斜面。

7.根据权利要求2所述的透镜部件，其中，所述突出部分的突出端具有垂直于所述中心轴的平坦表面。

8.根据权利要求2所述的透镜部件，其中，所述突出部的突出端具有非球面。

9.根据权利要求1所述的透镜部件，其中，所述环形棱镜的所述内环形面和所述外环形面形成为菲涅耳透镜表面的形状。

10.根据权利要求1所述的透镜部件，该透镜部件还包括：

多个微小的不规则体，它们被设置在所述出射侧并且被构造为对透过所述出射侧的光的指向性进行控制。

11.根据权利要求10所述的透镜部件，其中，所述多个微小的不规则体被构造为散射透过所述出射侧的光。

12.根据权利要求1所述的透镜部件，其中，各个所述内环形面包括平坦表面，并且各个同心的所述外环形面包括平坦表面。

13.根据权利要求1所述的透镜部件，其中，各个所述内环形面包括平坦表面，并且各个同心的所述外环形面包括二次曲面。

14.根据权利要求1所述的透镜部件，其中，所述环形棱镜的所述内环形面由TIR透镜的入射表面的分割部分形成，所述环形棱镜的所述外环形面由所述TIR透镜的光反射表面的分割部分形成，其中，所述入射表面具有设置在所述TIR透镜的下部的凹面形状，所述光反射表面包括设置在所述入射表面的外侧的凸面形状，并且

其中，在所述TIR透镜的所述光反射表面的所述分割部分中，原本远离所述TIR透镜的中心轴设置的所述分割部分被重新布置到与所述入射侧的所述中心轴相邻的所述环形棱镜的所述外环形面处，并且在各个所述环形棱镜中，所述外环形面是全内反射表面，其反射透过各个所述环形棱镜的所述内环形面和所述折射面的光。

15.根据权利要求13所述的透镜部件，其中，所述环形棱镜的所述内环形面和所述外环形面形成为由所述TIR透镜菲涅耳化而成的菲涅耳透镜表面的形状，其中原本远离所述TIR透镜的所述中心轴设置的所述分割部分被重新布置为邻近所述入射侧的所述中心轴。

16.一种光学单元，该光学单元包括：

根据权利要求1所述的透镜部件；和

光源，其包括至少一个发光二极管元件和以光轴为中心的发光表面，所述光源的所述光轴与所述入射侧的所述中心轴同轴地布置。

17.根据权利要求16所述的光学单元，其中，所述至少一个发光二极管元件是包括RGB色发光二极管元件的多个发光二极管元件。

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