CN102287763B - 定向出光透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定向出光透镜,包括反射杯、凸透镜,所述凸透镜设置在反射杯的杯底与反射杯相连接,所述凸透镜的外壁面朝向反射杯的杯口,所述凸透镜的内壁面与反射杯的杯底围成用于放置光源的光源孔,所述反射杯的形状为喇叭状,其侧面设有缺口,所述缺口正对着光线投射的目的区域。本发明提出的定向出光透镜,利用凸透镜的折射作用,将大部分的光线投射到单侧面上,且通过反射杯的外壁面的反射作用,将部分偏离单侧面的光源光线投射单侧面上,从而改善光源光线的利用率,提高光源的照度和照明均匀度。

Description

定向出光透镜
技术领域
[0001] 本发明涉及一种透镜,尤其是指一种利用反射杯和凸透镜的组合来完成对单侧面投光的定向出光透镜。
背景技术
[0002] 凸透镜和凹面镜是光学仪器中常用的基本元件,凸透镜是由两面磨成球面的透明镜体组成,凹面镜是由一面是凹面而另一面为不透明的镜体组成;凸透镜主要对光线起折射作用,凹面镜主要对光线起反射作用。
[0003] 为综合利用凹面镜和凸透镜的优点解决现实生活中的问题,人们往往将凹面镜和凸透镜结合起来,形成组合透镜。传统的组合透镜为旋转面结构,其主要是利用光的全反 射原理将光线反射出去,其反射方式主要有以下两种:一种是将光线呈一定角度会聚,如图I所示的全反射面会聚透镜,另一种是将光线呈一定角度发散,如图2所示的全反射面发散透镜。当其应用于单侧面投光时,如车灯,投光灯等场所,此种组合透镜无论是会聚光线还是发散光线,都必将造成只有一半的光线投射与目的屏,而另一半的光线将会偏离目的屏。通常的做法是将透镜与目的屏成一定角度放置,这样虽然可以提高光的利用率,但是却造成了目的屏照射不均匀的问题。
[0004] 中国实用新型专利号为:“ZL201020154480. 4”,专利名称为:“组合式多镜面聚光装置”的专利文件中公开了一种组合式多镜面聚光装置,其特征在于:所述的聚光装置包括 光源、位于光源正前方的凸透镜、位于光源外周的凹面镜、位于聚光装置前方的灯罩、凸透镜连接部件和凹面镜连接部件,光源位于能将光源发出的光线折射为平行光的凸透镜的一个焦点上;凸透镜通过凸透镜连接部件与灯罩相连;能将光源发出的光线反射为平行光的凹面镜位于光源的外周,并围绕光源分布;凹面镜通过凸面镜连接部件与灯罩相连;灯罩、凸透镜连接部件和凹面镜连接部件由透光材料制成。该专利文件中的组合式多镜面聚光装置是通过侧面凹面镜的反射和中间凸透镜的折射形成平行光线,虽然能够提高前侧光线的利用率,增加照明亮度,但当其应用于单侧面投射时,势必会降低光源光线的利用率,若改变其与单侧面的投射角度,势必会影响投射光线的均匀度。
发明内容
[0005] 本发明解决的主要技术问题是提供一种定向出光透镜,利用反射杯和凸透镜的组合,将光源发出的散射光线通过凸透镜的折射和反射杯外壁面的反射形成平行光线,使反射光线和折射光线同时照射到目的屏,改善光源光线的利用率,提高光源的照度和照明均匀度。
[0006] 为解决上述技术问题,本发明采用的一个技术方案是:提供一种定向出光透镜,包括反射杯、凸透镜,所述凸透镜设置在反射杯的杯底与反射杯相连接,所述凸透镜的外壁面朝向反射杯的杯口,所述凸透镜的内壁面与反射杯的杯底围成用于放置光源的光源孔,所述反射杯的形状为喇叭状,其侧面设有缺口,所述缺口正对着光线投射的目的区域,入射到反射杯外壁面内侧的光线发生全反射。
[0007] 其中,所述反射杯的材质和其外壁面的弧度满足光线发生全反射的条件。
[0008] 其中,所述反射杯的外壁面镀有一层反光材料。
[0009] 其中,所为缺口为以反射杯的杯口的中心轴为中心,径向向外切开的部分,所述缺口在横截面上投影的圆弧角度为60°〜300°。
[0010] 其中,所述凸透镜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。
[0011] 其中,所述反射杯的材料为PC和亚克力材料。
[0012] 其中,所述反射杯杯口外延设有定位板,所述定位板与反射杯杯底平行。 [0013] 其中,所述定位板上设有定位孔,所述定位孔为通孔。
[0014] 本发明的有益技术效果在于针对现有技术的组合透镜在进行光线投射时,只有一半的光线投射于单侧面,而另一半的光线偏离单侧面,造成光线的利用率不高的情况,或者是将组合透镜与单侧面呈一定角度放置,用于对单侧面的投光,这样虽然提高了光线的利用率,却引起了单侧面光线照射均匀度不足的问题。本发明提供的一种定向出光透镜,位于反射杯缺口处的凸透镜通过其对光线的折射作用,将大部分光线投到单侧面上;正对着单侧面的反射杯的外壁面通过其表面的反射作用,使部分偏离单侧面的光线投射到单侧面上。本发明通过反射杯的外壁面的反射作用和凸透镜的折射作用,增加了光源的利用率和提高了光源的照明均匀度。另外,本发明定向出光透镜结构精简,生产成本较低,非常适合规模化的生产。
附图说明
[0015] 图I是现有技术全反射面会聚透镜光线投射图;
[0016] 图2是现有技术全反射面发散透镜光线投射图;
[0017] 图3是本发明定向出光透镜一实施例的纵向剖面图;
[0018] 图4是本发明定向出光透镜一实施例的立体结构图;
[0019] 图5是本发明定向出光透镜一实施例的俯视图;
[0020] 图6是本发明定向出光透镜一实施例的横截面图;
[0021] 图7是本发明定向出光透镜一实施例的光路原理图;
[0022] 图8是本发明定向出光透镜一实施例的全反射界面图。
[0023] 标号说明:
[0024] I、反射杯,2、凸透镜,3、光源孔,4、定位板,5、第一定位孔,6、第二定位孔,7、目的
屏,8、入射光线,9、全反射光线。
具体实施方式
[0025] 为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果,以下结合实施方式并配合附图详予说明。
[0026] 请参阅图3和图4,本发明涉及一种定向出光透镜,包括反射杯I、凸透镜2,所述凸透镜2设置在反射杯I的杯底与反射杯I相连接,所述凸透镜2外壁面朝向反射杯I的杯口,所述凸透镜2的内壁面与反射杯I的杯底围成用于放置光源的光源孔3,所述反射杯I的形状为喇叭状,其侧面设有缺口,所述缺口正对着光线投射的目的区域。[0027] 现有技术的组合透镜在进行光线投射时,只有一半的光线投射于单侧面,而另一半的光线偏离单侧面,造成光线的利用率不高的情况,或者是将组合透镜与单侧面呈一定角度放置,用于对单侧面的投光,这样虽然提高了光线的利用率,却引起了单侧面光线照射均匀度不足的问题。本发明提供的一种定向出光透镜,位于反射杯的缺口处的凸透镜通过其对光线的折射作用,将大部分光线投到单侧面上;正对着单侧面的反射杯的外壁面通过其表面的反射作用,使部分偏离单侧面的光线投射到单侧面上。本发明通过反射杯外壁面的反射作用和凸透镜的折射作用,增加了光源的利用率和提高了光源的照明均匀度。另外,本发明定向出光透镜结构精简,生产成本较低,非常适合规模化的生产。
[0028] 所述缺口是指以反射杯的杯口的中心轴为中心,径向旋转向外切开的部分。
[0029] 所述单侧面是指与反射杯的缺口处正对的面。
[0030] 参照图5和图6,在一实施例中,在反射杯I的横截面中,反射杯I的缺口弧度为a,a是光线的折射区域的角度,反射杯I的剩下部分的角度为b,b是反射区域的角度,反射 杯I所述反射区域的弧度和折射区域的弧度的关系满足:
[0031] b+a=360°,
[0032] 其中,a为折射区域的弧度,b为反射区域的弧度,a和b均为非零正数。反射区域的弧度b和折射区域的弧度a可以根据需求来自由分配,其中较理想的配比为:
[0033] b:a=l:N,其中N为I〜5的正数。
[0034] 考虑到具体情况下的投光时,大部分的光源光线都会通过凸透镜2的折射作用投射到单侧面上,故折射部分的配比应该大于反射部分。当需求的折射光线少而反射光线多的情况下,折射部分的配比会小于反射部分,因此根据实际的照明需要,也不排除折射区域的配比小于反射部分的情况。所述凸透镜2为透明的出光材料,所述出光材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)或环氧树脂等,反射杯I的材料为PC或亚克力材料或者玻璃等。光源光线应该尽量靠近凸透镜2的焦点位置,光线通过凸透镜2的焦点后会平行的照射在单侧面上,凸透镜2能使部分的光源光线通过其折射作用平行地投射到单侧面上,另一部分光线投射到反射杯I的外壁面时会发生反射和折射,这时经过折射作用后的光线会达不到辐射到单侧面的要求,应该尽量避免,这时通过利用光线的全反射或者在反射杯I的外壁面涂上一些反光材料来减少折射作用,增大反光的效率。
[0035] 参照图5和图6,在一实施例中,所述反射杯I杯口外延设有定位板4,该定位板4与所述反射杯I的杯底平行,定位板4 一方面为所述透镜提供安装的界面,另一方面起着固定和支撑透镜体的作用,定位板4的外缘部分可以根据需要来确定,例如定位板4的外边缘可以是圆弧状或为圆角的折线状等。所述定位板4上设有两个的定位孔,包括第一定位孔5和第二定位孔6,所述定位孔为贯通的圆孔或正方形孔等,定位板4上设置的定位孔主要起着与使用本透镜体的外部结构固定的作用,所述第一定位孔与第二定位孔对称分布,既美观又实用。所述反射杯I的缺口正对着光线投射的目的区域,即单侧面,采用这种设置能使折射出来的大部分光线直射到单侧面上,可以进一步增加光源的照度。
[0036] 参见图7,下面以一优选的实施例来说明本发明的工作原理:
[0037] 光线从光源孔以散射的方式辐射到反射杯的外壁面上和凸透镜内。当光线辐射在凸透镜的内凹面上时,光线第一次发生折射,其折射应满足:sin Θ I: sin Θ 2=n2:nl,其中θ I是内凹面上光线的入射角,Θ 2是内凹面上光线的折射角,η2是凸透镜的折射率,nl是空气的折射率。
[0038] 经过折射后的一部分光线会辐射到凸透镜的外壁面。外壁面是光密介质和光疏介质的分界面,光从光密介质进入光疏介质会发生折射作用,这样第一次发生折射的光线会经历第二次折射,折射也应满足折射定律,经过两次折射后的光线会辐射到目的屏7 (目的屏为一简化的单侧面)上。若不能辐射到目的屏7上,则可以通过改变凸透镜外壁面的曲率和折射率来完成目的;
[0039] 经过折射后的另一部分光线辐射到反射杯的外壁面。外壁面同样也是光密介质和光疏介质的分界面,光线从光密介质进入光疏介质且满足入射角(入射角是入射光线与反射杯杯壁切面法线的夹角)大于或等于临界角(临界角是指使折射角达到90°时的光线入射角的角度),如图8所示,光线的入射角增大到某一个数值时,会使折射角逐渐增大,当折射角增大到90°时,入射角处于临界角状态,这时入射光线8在分界面上就会满足全反射定律,反射杯的外壁面满足使光源光线发生全反射的条件,入射到反射杯外壁面的光线发就会生全反射作用,形成全反射光线9,在反射杯的杯底经过全反射作用后的光线不会辐射 到凸透镜内,从反射杯与凸透镜之间的区域折射到目的屏上。
[0040] 也可以是,另一部分经过折射后的光线辐射到反射杯的外壁面。外壁面同样也是光密介质和光疏介质的分界面,光线从光密介质进入光疏介质会发生折射作用。由于反射杯的外壁面涂有一些反光的材料,镀有的反光材料能够增加外壁面反射光线的能力,减少因光线照射到反射杯的外壁面产生折射作用,有利于偏离光线的反射作用,可以进一步提高光线的利用率。故能使光线呈一定角度反射出去,一部分反射光线可以直接射入目的屏上,另一部分的光线会反射到凸透镜,经过凸透镜的外壁面发生折射作用后射入目的屏上。
[0041] 以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1. 一种定向出光透镜,其特征在于,包括反射杯、凸透镜,所述凸透镜设置在反射杯的杯底与反射杯相连接,所述凸透镜的外壁面朝向反射杯的杯口,所述凸透镜的内壁面与反射杯的杯底围成用于放置光源的光源孔,所述反射杯的形状为喇叭状,其侧面设有缺口,所述缺口正对着光线投射的目的区域,入射到反射杯外壁面内侧的光线发生全反射。
2.根据权利要求I所述的定向出光透镜,其特征在于,所述反射杯的材质和其外壁面的弧度满足光线发生全反射的条件。
3.根据权利要求I所述的定向出光透镜,其特征在于,所述反射杯的外壁面镀有一层反光材料。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的定向出光透镜,其特征在于,所述缺口为以反射杯的杯口的中心轴为中心,径向旋转向外切开的部分,所述缺口在横截面上投影的圆弧角度为60°〜300°。
5.根据权利要求4所述的定向出光透镜,其特征在于,所述凸透镜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。
6.根据权利要求5所述的定向出光透镜,其特征在于,所述反射杯的的材料为PC或亚克力。
7.根据权利要求6所述的定向出光透镜,其特征在于,所述反射杯杯口外延设有定位板,所述定位板与反射杯杯底平行。
8.根据权利要求7所述的定向出光透镜,其特征在于,所述定位板上设有定位孔,所述定位孔为通孔。
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