CN102401319A - 一种led二次光学透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED二次光学透镜，结构简单、照度均匀，包括入射面、全反射面和出射面，出射面为十字形曲面，十字形曲面由在水平方向和垂直方向结构相同圆滑过渡的凹面及处于水平方向和垂直方向的凹面之间的圆滑过渡的凸面构成；出射面设置于全反射面的正上方，全反射面呈椎体结构，覆盖整个入射面；本发明结构设计合理，聚光效果好，在照射面形成一个的方形光斑，照度均匀，有效的遏制眩光，光照更为均匀，可以有效提高光的利用率。

Description

一种LED二次光学透镜
技术领域
本发明涉及LED灯二次光学透镜，特别涉及一种呈方形光斑的LED二次光学透镜。
背景技术
随着LED制造技术的不断进步，与传统光源比，LED体积小，在许多应用场合甚至可以将其当做电光源来处理，这给灯具的光学设计带来了很大的便利，同时，使用大尺寸传统光源灯具中出现的光源遮挡与吸收作用也不存在了。目前大功率白光LED的光效已达到100lm/w，稳定的产品的光效也有90lm/w以上。这一光效使得LED进入普通照明成为可能，特别是在道路照明等属于定向照明的领域已经逐步获得应用，但是，由于目前LED的价格比传统光源高得多，LED用于普通照明的推广必须以提高LED照明系统的整体光效为前提，而这依靠提高LED灯的有效光利用率。
但就目前的LED路灯、LED隧道灯而言，LED工作时所产生的光束是前射方向性的，还存在光照范围不大，光照强度在路面上分布不均匀的缺陷，从而在一定程度上限制了LED路灯、LED隧道灯的推广应用。目前，一般使用LED一次配光光罩进行聚光和导光，根据LED光源出射角度设计LED一次配光光罩的配光曲线，以增加光学反射，提升LED光源的出光效果。但是，现有的LED一次配光光罩配光设计一般为光的分布中心对称形，所投下的光斑的形状为圆形。当LED灯成组使用时，LED布阵排列一般为四方连续形，圆形光斑相互之间接合在一起时，光照均匀度差，同时还有刺眼的眩光。
为了有效控制LED光束改善光罩的均匀度，提高光通量，这就要配之以辅助光学器件进行二次配光。目前在LED二次配光方面大多采用光杯、反光盘之类结构，以此改善LED光照均匀度，然而现有此类技术方案使得光束多次交叉反射或折射，光通量受到相当程度的衰减，影响LED的光照性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种LED二次光学透镜，其结构简单、设计合理，聚光效果好，在照射面形成一个照度均匀的方形光斑，可以有效提高光的利用率，从而达到节能的目的。
为达上述目的，本发明提供的一种LED二次光学透镜，采用以下的技术方案：本发明包括入射面、全反射面和出射面，所述出射面为十字形曲面，所述十字形曲面由在水平方向和垂直方向结构相同圆滑过渡的凹面及处于水平方向和垂直方向的凹面之间的圆滑过渡的凸面构成；所述出射面设置于所述全反射面的正上方，所述全反射面呈椎体结构，覆盖整个入射面。
进一步地，所述凹面（31）符合如下非球面方程光学公式， 
Figure 445141DEST_PATH_IMAGE001
Z=非球面方程；
C代表：曲率半径，C=1/R，R=20～120mm,其中R代表半径；
K代表：圆锥系数，k=-e2；
C2n代表：非球面系数，其中C4=-1.0X10-5~-7.0X10-5，其余非球面系数C2n的值均为零；
r2=x2+y2，其中x、y为坐标。
进一步地，所述凸面（32）符合如下非球面方程光学公式， 
Figure 197196DEST_PATH_IMAGE001
Z=非球面方程；
C代表：曲率半径，C=1/R，R=20～120mm,其中R代表半径；
K代表：圆锥系数，k=-e2；
C2n代表：非球面系数，其中C4=-1.0X10-6~-7.0X10-6，C6=-1.0X10-7~-7.0X10-7，其余非球面系数C2n的值均为零；
r2=x2+y2，其中x、y为坐标。
进一步地，所述十字形曲面的中心部位为凹槽曲面，所述凸面从十字形曲面中心部位向外部方向逐渐凸起。
进一步地，所述入射面呈球面或平面。
进一步地，所述二次光学透镜的光轴中心位置与LED光源芯片中心位置重合。
进一步地，所述全反射面底部设有LED光源槽。
进一步地，所述入射面与LED光源的外形尺寸精确定位。
进一步地，所述二次光学透镜采用光学塑料一体注塑成型。
本发明的有益效果是：本发明所述二次光学透镜每个为一个配光单元，该配光单元输出的光线在照射面形成一个照度均匀的方形光斑。可以采用多个二次光学透镜以增加LED灯的输出总光通量，不改变在照射面的照度分布，照度是简单的相加。
本发明所形成的方形光斑的边缘之间达到很好的接合，均匀性高，光照更为均匀，又可以实现很好的截光的作用，有效的遏制眩光，且具有较高有效光能利用率，是提高LED灯光照均匀度在二次透镜设计上的突破性改进。
附图说明
图1所示为本发明整体结构示意图。
图2所示为本发明图1所示的A-A剖面图。
图3所示为本发明图1所示的B-B剖面图。
图4所示为本发明所述的入射面为球面时的图1中的A-A剖面图。
图5所示为本发明所述的出射面的凹面上的光路图。
图6所示为本发明所述的出射面的凸面上的光路图。
图7所示为本发明多个二次光学透镜组合后的结构示意图。
图8所示为本发明LED光源经过二次光学透镜后的光线所形成的光斑。
图9所示为现有LED光源经过二次光学透镜后的光线所形成的光斑。
以下是本发明零部件符号标记说明：
入射面1、全反射面2、出射面3、凹面31、凸面32、LED光源4、LED光源槽5。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，解析本发明的优点与精神，藉由以下结合附图与具体实施方式对本发明的详述得到进一步的了解。
如说明书附图所示，本发明包括入射面1、全反射面2和出射面3，所述全反射面2底部设有LED光源槽5，所述LED光源槽5用于置放LED光源4。所述出射面3为十字形曲面，所述十字形曲面由在水平方向和垂直方向结构相同圆滑过渡的凹面31及处于水平方向和垂直方向的凹面31之间的圆滑过渡的凸面32构成；所述出射面3设置于所述全反射面2的正上方，所述全反射面2呈椎体结构，覆盖整个入射面1。
如说明书附图2和图4所示，本发明所述入射面1呈球面或平面，所述入射面1与LED光源4的外形尺寸精确定位，确保所述二次光学透镜的光轴中心位置与LED光源4芯片中心位置重合且二者保持符合设计要求的间距。
如说明书附图5和图6所示，所述十字形曲面的中心部位为凹槽曲面，LED光源4所发出的光线在所述凹槽曲面的发散角度较小；所述凸面32从十字形曲面中心部位向外部方向逐渐凸起，圆滑过渡，LED光源4所发出的光线在所述凸面32上发散角度大。
所述二次光学透镜选用高纯度塑胶材质制作，一体注塑成型。重量轻，便于加工且成本低。
所述凹面（31）的非球面方程光学公式如下： 
Figure 19659DEST_PATH_IMAGE001
Z=非球面方程；
C代表：曲率半径，C=1/R，R=20～120mm,其中R代表半径；
K代表：圆锥系数，k=-e2；
C2n代表：非球面系数，其中C4=-1.0X10-5~-7.0X10-5，其余非球面系数C2n的值均为零；
r2=x2+y2，其中x、y为坐标。
所述凸面（32）非球面方程光学公式如下： 
Figure 975108DEST_PATH_IMAGE001
Z=非球面方程；
C代表：曲率半径，C=1/R，R=20～120mm,其中R代表半径；
K代表：圆锥系数，k=-e2；
C2n代表：非球面系数，其中C4=-1.0X10-6~-7.0X10-6，C6=-1.0X10-7~-7.0X10-7，其余非球面系数C2n的值均为零；
r2=x2+y2，其中x、y为坐标。
当LED光源4工作时，将LED光源4置放入LED光源槽5，二次光学透镜覆盖于LED光源4上，其光束沿所述出射面3向外发散，且发散角度从处于所述十字曲面中心的小发散角连续过渡到大发散角，从而形成方形光斑，且该方形光斑中各点的照度均匀性好。每个LED光源4对应一个二次光学透镜，形成一个配光单元，该配光单元输出的光线在照射目标面形成一个照度均匀的方形光斑，当LED光源4成组使用时，在多个二次光学透镜的光学作用下，形成方形光斑的衔接，从而大大提高LED光源4的光照均匀度和光通量，并改善LED眩光的视觉效果。且具有较高有效光能利用率的特性。
综上所述，本发明结构设计合理，所述二次光学透镜输出的光线在照射面形成一个照度均匀的方形光斑，光照均匀性高，有效的遏制眩光，且具有较高有效光能利用率，是提高LED光源4光照均匀度在二次透镜设计上的突破性改进。
以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种LED二次光学透镜，包括入射面（1）、全反射面（2）和出射面（3），其特征在于：所述出射面（3）为十字形曲面，所述十字形曲面由在水平方向和垂直方向结构相同圆滑过渡的凹面（31）及处于水平方向和垂直方向的凹面（31）之间的圆滑过渡的凸面（32）构成；所述出射面（3）设置于所述全反射面（2）的正上方，所述全反射面（2）呈椎体结构，覆盖整个入射面（1）。
2.根据权利要求1所述的一种LED二次光学透镜，其特征在于：所述凹面（31）符合如下非球面方程光学公式， 
Figure 2011103798151100001DEST_PATH_IMAGE001
Z=非球面方程；
C代表：曲率半径，C=1/R，R=20～120mm,其中R代表半径；
K代表：圆锥系数，k=-e2；
C2n代表：非球面系数，其中C4=-1.0X10-5~-7.0X10-5，其余非球面系数C2n的值均为零；
r2=x2+y2，其中x、y为坐标。
3.根据权利要求1所述的一种LED二次光学透镜，其特征在于：所述凸面（32）符合如下非球面方程光学公式， 
Figure 368222DEST_PATH_IMAGE001
Z=非球面方程；
C代表：曲率半径，C=1/R，R=20～120mm,其中R代表半径；
K代表：圆锥系数，k=-e2；
C2n代表：非球面系数，其中C4=-1.0X10-6~-7.0X10-6，C6=-1.0X10-7~-7.0X10-7，其余非球面系数C2n的值均为零；
r2=x2+y2，其中x、y为坐标。
4.根据权利要求1所述的一种LED二次光学透镜，其特征在于：所述十字形曲面的中心部位为凹槽曲面，所述凸面（32）从十字形曲面中心部位向外部方向逐渐凸起。
5.根据权利要求1所述的一种LED二次光学透镜，其特征在于：所述入射面（1）呈球面或平面。
6.根据权利要求1所述的一种LED二次光学透镜，其特征在于：所述二次光学透镜的光轴中心位置与LED光源（4）芯片中心位置重合。
7.根据权利要求1所述的一种LED二次光学透镜，其特征在于：所述全反射面（2）底部设有LED光源槽（5）。
8.根据权利要求1所述的一种LED二次光学透镜，其特征在于：所述入射面（1）与LED光源（4）的外形尺寸精确定位。
9.根据权利要求1所述的一种LED二次光学透镜，其特征在于：所述二次光学透镜采用光学塑料一体注塑成型。
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