CN102865549A

CN102865549A - 一种光束角可调的二次光学透镜

Info

Publication number: CN102865549A
Application number: CN2012103378889A
Authority: CN
Inventors: 甄何平; 蒋金波
Original assignee: Beijing Xingguang Film and TV Equipment Technologies Co Ltd
Current assignee: Beijing Xingguang Film and TV Equipment Technologies Co Ltd
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2013-01-09

Abstract

本发明提供了一种光束角可调的二次光学透镜，可以使多芯片LED照射出均匀的光斑。该二次光学透镜包括位于透镜中心区域的聚光部分和位于聚光部分外缘的全反射部分。其中，聚光部分的上表面是由多颗微透镜组成的微透镜阵列，全反射部分的外侧反射面是由多个多面体鳞片组成的鳞片面。通过聚光部分上表面的微透镜阵列和全反射部分外侧反射面的多面体鳞片面对多芯片LED的混光作用，该二次光学透镜可以在改变光束角的同时，获得圆形、色温均匀的光斑。

Description

一种光束角可调的二次光学透镜

技术领域

本发明涉及一种二次光学透镜，尤其涉及一种用于多芯片LED、光束角可调的二次光学透镜，属于光学技术领域。

背景技术

传统的二次光学透镜多为结构简单的平凸或双凸的聚光透镜，没有全反射的设计。这种透镜只能用于调整单芯片LED的出光角，使之在某些位置照射出均匀的光斑。当该二次光学透镜用于多芯片LED时，由于凸透镜的成像效应，光斑会呈现出多个规则排列的方格影子，而当用于由红、绿、蓝芯片组成的三基色LED时，则会投射出含有不种颜色色块的光斑，非常不美观。为此，需要通过一种光束角可调的二次光学透镜来完成光束角的调整，使多芯片LED可以照射出均匀的光斑。

现有技术中也有一些可调焦的二次光学透镜，使用了全反射的结构，如公告号为CN201637870U的中国实用新型中公开的一种光束角可调的全反射透镜，包括中间聚光的凸透镜、侧面全反射的棱镜、以及位于透镜上边缘的法兰。其中，凸透镜的上表面为非球面表面，下表面为环纹的菲涅尔面，棱镜的内凹的入射面为圆锥面，棱镜的外侧面为曲面，棱镜的上表面为二次曲面。该光束角可调的全反射透镜通过中间聚光的凸透镜和侧面全反射棱镜的的特殊形状，使得光束角连续可调。

但是，在此类二次光学透镜中，中间的聚光部分及外缘的全反射部分都是由光滑的曲面组成。当用于多色LED芯片时，由于凸透镜的成像效应，依然会折射出多个方格影子或者不同颜色的色块，无法达到均匀光斑的理想效果。此外，由于凸透镜的像差，该类二次光学透镜用于白光LED时，投射出来的光斑会有中间色温高、边缘色温低的情况，在光斑边缘存在黄圈。因此，此类二次光学透镜仍然无法使多芯片LED的出射光斑达到均匀的效果，需要继续改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可以使多芯片LED照射出均匀光斑的二次光学透镜。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种光束角可调的二次光学透镜，包括位于透镜中心区域的聚光部分和位于聚光部分外缘的全反射部分，其中，所述聚光部分的上表面是由多颗微透镜组成的微透镜阵列，所述全反射部分的外侧反射面是由多个多面体鳞片组成的鳞片面。

进一步地，所述聚光部分的光轴位置排列一颗微透镜，所述微透镜阵列以光轴为中心依次向外逐层排列，同一层排列的多颗微透镜等角度排列成圆形。

较优地，每层排列的微透镜数目N与从中心至外的排列层数n之间满足下列公式：N＝6n。

进一步地，所述鳞片面是由多个多面体鳞片沿着所述全反射部分的外表面从上到下逐层排列而成，同一层鳞片中的多个多面体鳞片等角度排列。

进一步地，所述微透镜具有相同的发散角，所述多面体鳞片具有相同的发散角；而且，所述微透镜的发散角与所述多面体鳞片的发散角相同。

较优地，所述发散角的角度值为±Δθ，其中Δθ在3°～5°之间取值。

较优地，所述多面体鳞片的形状为钻石纹形。

进一步地，所述聚光部分和所述全反射部分具有相同的焦点和焦距。

较优地，所述全反射部分和所述聚光部分一体成型。

本发明提供了一种光束角可调的二次光学透镜，包括位于透镜中心区域的聚光部分和位于聚光部分外缘的全反射部分。其中，全反射部分的外侧反射面是由多个多面体鳞片组成的鳞片面，聚光部分的上表面是由多颗微透镜组成的微透镜阵列。通过聚光部分上表面的微透镜阵列和全反射部分外侧反射面的多面体鳞片面的小角度混光作用，该二次光学透镜可以在改变光束角的同时，使得多芯片LED照射出圆形的、色温比较均匀的光斑。此外，该二次光学透镜中，聚光部分和全反射部分具有相同焦点和焦距，使得在改变光束角的过程中调焦一致，由聚光部分和全反射部分产生的光斑大小相同，在任何可调节的光束角范围内，都叠加成均匀的光斑。

附图说明

图1为本发明所提供的光束角可调的二次光学透镜的结构示意图；

图2为图1所示光束角可调的二次光学透镜的正视图；

图3为图1所示光束角可调的二次光学透镜的俯视图；

图4为图1所示光束角可调的二次光学透镜的剖面示意图；

图5为图1所示二次光学透镜中全反射部分的混光原理示意图；

图6为图1所示二次光学透镜中聚光部分的混光原理示意图；

图7为图1所示二次光学透镜光束角最大示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明内容进行详细说明。

如图1所示，一种光束角可调的二次光学透镜，包括位于透镜中心区域的聚光部分1和围设于聚光部分1外缘的全反射部分2。其中，当多芯片LED的发光面中心O点位于二次光学透镜的焦点位置时，从多芯片LED的发光面中心O点发出的光，其与光轴OZ的夹角较小的光线，被中间的聚光部分1所收集，并进行会聚以及在发散角±Δθ的范围内进行混光；其与光轴OZ的夹角较大的光线，被外缘的全反射部分2收集，也进行会聚以及在发散角±Δθ的范围内进行混光。

其中，聚光部分1呈圆形，包括上表面3和下表面10（见图4）。聚光部分1的上表面3呈球面或圆弧形，聚光部分1的下表面10为球面、圆弧形或者环形的菲涅尔面。全反射部分2包括内侧入光面9、外侧反射面4和上侧出光面8（见图4），全反射部分2的内侧入光面9为圆锥面或者柱面，外侧反射面4为圆弧形的全反射面，上侧出光面8为圆弧状的出光面。从而，在该二次光学透镜的底部形成一个由聚光部分1的下表面10和全反射部分2的内侧入光面9组成的统一入光面，在该二次光学透镜的顶部形成一个由聚光部分1的上表面3和全反射部分2的上侧出光面8组成的统一出光面。

结合图2可知，全反射部分2的外侧反射面4是由多个多面体鳞片5组成的鳞片面。其中，多个多面体鳞片5的发散角±Δθ1相同，每个多面体鳞片5可以在±Δθ1的范围内混光，即多面体鳞片5可以在全角为2Δθ1的范围内混光。将多个多面体鳞片5依次排列，可以使得所有经过全反射部分2全反射的光线分别在2Δθ1的范围内发生混光。在该二次光学透镜中，鳞片面由多个多面体鳞片5沿着全反射部分2的外表面从上到下逐层排列而成，同一层鳞片中的多个多面体鳞片5等角度排列。该多面体鳞片5的形状可以为菱形、六边形、八边形等，其中优选为钻石纹形。较优地，Δθ可以在3°～5°之间取值，其中优选为Δθ＝4°。全反射部分2的外侧反射面4由10×36份的多面体鳞片5组成，多面体鳞片5为钻石纹形状的小平面。

如图3所示，聚光部分1的上表面3是由多颗微透镜组成的微透镜阵列，多颗微透镜具有相同的发散角±Δθ2，该发散角±Δθ2与多面体鳞片5的发散角±Δθ1相同，该微透镜阵列可以使得所有经过聚光部分1折射的光线分别在2Δθ2的范围内发生混光。微透镜阵列的排列方式如下：在聚光部分1的上表面3的光轴位置排列一颗中心微透镜7，剩余微透镜以光轴OZ为中心依次向外逐层排列，同一层排列的多颗微透镜等角度排列成圆形。在该实施例中，每层排列的透镜数N与从中心往外的排列层数n之间满足下列公式：N＝6n，其中N、n均为正整数。具体来说，其以光轴OZ为中心，按照圆形阵列进行排列，其中心处有一颗微透镜7，从位于光轴位置的中心微透镜7开始，微透镜向外依次每层以6的倍数排列。中心处有一颗中心微透镜7；从中心往外第一圈为6颗微透镜，微透镜按照相同的角度60°进行等间隔阵列；第二圈为12颗微透镜，微透镜按照相同的角度30°进行等间隔阵列；第三圈为18颗微透镜，微透镜按照相同的角度20°进行等间隔阵列；第n圈分别为6n颗微透镜，微透镜按照相同的角度(360/6n)°进行阵列；依次类推。

在该二次光学透镜中，通过多面体鳞片面和微透镜阵列将光斑整形为圆形，并通过多面体鳞片面和微透镜阵列对多芯片LED的小角度混光作用，获得了均匀的光斑。同时，聚光部分1和全反射部分2采用相同的材质一体成型，该二次光学透镜具有相同的折射率。聚光部分1和全反射部分2具有相同的焦点，并具有相同的焦距。当多芯片LED 6在光轴OZ上移动时，聚光部分1和全反射部分2对多芯片LED6有相同的会聚作用，形成同样大小的光斑，可以保证在任何可调节的光束角范围内，叠加成均匀的光斑，不会形成明显的亮环和暗环。

如图4所示，多芯片LED 6安装于该二次光学透镜的下方，多芯片LED 6的基座底部a可以在二次光学透镜底部b至底部b下方H处之间调节，H的高度等于二次光学透镜的焦距F和多芯片LED 6的基座厚度之和。当多芯片LED 6的基座a离开二次光学透镜的底部b为H高度时，其输出光束有最小的光束角，其光斑大小最小；当该二次光学透镜往LED方向移动（或LED往二次光学透镜的方向移动）的过程中，光斑大小由小到大逐渐变化；直至二次光学透镜的底部b与多芯片LED 6的基座底部a处于同一平面时，其输出光束有最大的光束角。在多芯片LED 6与二次光学透镜的相对移动过程中，光束角发生变化，光斑的大小得到调整。通过聚光部分1上表面3的微透镜阵列和全反射部分2的外侧反射面4的多面体鳞片面，该二次光学透镜可以对多芯片LED 6进行混光。下文将结合图5和图6对该二次光学透镜的混光原理进行说明。

图5所示为全反射部分2的混光原理。当多芯片LED 6位于全反射部分2的焦点位置时，假设有一根光线OS从多芯片LED 6的发光中心O点发出，入射到全反射部分2的内侧入光面9上，经过全反射部分2折射后入射到外侧反射面4的多面体鳞片5上的鳞片T1—T—T2的中心T点位置，T点位置反射的光线经过上侧出光面8折射后，其出射光线UV以平行于光轴OZ的方向射出。而入射到鳞片T1—T—T2边缘位置的光线S1T1及S2T2，其反射光线T1U1及T2U2经过上侧出光面8折射后，其出射光线U1V1及U2V2与中心出射光线UV分别成Δθ的发散角，从而该鳞片使得光线在2Δθ的范围内发生了混光。将外侧反射面4按照相同的2Δθ的角度分成许多鳞片5，许许多多发散角为±Δθ的微小鳞片的出射光束叠加后，会形成在±Δθ（即全角为2Δθ）范围内的比较均匀的光分布和色彩分布。

图6所示为聚光部分1的混光原理。每颗微透镜具有相同的数值孔径角NA，NA＝nsin(Δθ)，n是传播介质的折射率。当多芯片LED 6位于聚光部分1的焦点位置时，假设有一根光线OP经过下表面10折射后入射到上表面3的微透镜阵列上，入射到单颗微透镜中心的光线PQ，其出射光线QR与光轴OZ平行，而入射到微透镜边缘的光线P1Q1及P2Q2，其出射光线Q 1R1及Q2R2按照数值孔径角NA＝nsin(Δθ)的角度进行会聚，然后再以±Δθ的发散角进行散开。上表面3上的所有微透镜都按照相同的发散角±Δθ进行混光，因此光斑叠加后会形成在±Δθ（即全角为2Δθ）范围内的比较均匀的光分布和色彩分布。

聚光部分1和全反射部分2的发散角为±Δθ，其中Δθ可以在3°~5°之间取值，优选为Δθ＝4°。由于聚光部分1和全反射部分2的发散角相同，二次光学透镜的位于透镜中心区域的聚光部分以及边缘全反射部分，具有相同范围的混光，因此这两部分的输出光束叠加后，也会在±Δθ（即全角为2Δθ）范围内形成比较均匀的混光。

由于在本发明所提供的二次光学透镜中，聚光部分1和全反射部分2具有相同的焦点和焦距，因此当多芯片LED 6的基座底部a从远离二次光学底部b的位置向二次光学透镜的底部b移动时，其输出光束的光束角可以从小到大变化，而其光斑一直都可以保持均匀。如图7所示，当多芯片LED 6的基座底部a调至与二次光学透镜的底部b处于同一平面时，其输出光束有最大的光束角。

综上所述，本发明提供了一种光束角可调的二次光学透镜，由位于透镜中心区域的聚光部分和位于聚光部分外缘的全反射部分组成。该聚光部分包括上表面和下表面，该全反射部分包括内侧入光面、外侧反射面和上侧出光面，其中，聚光部分的上表面是由多颗微透镜组成的微透镜阵列，全反射部分的外侧反射面是由多个多面体鳞片组成的鳞片面。该二次光学透镜，通过聚光部分上表面的微透镜阵列和全反射部分外侧反射面的多面体鳞片面，可以将多芯片LED发出的光斑整形为均匀的圆形光斑，同时通过微透镜阵列和多面体鳞片面对多芯片LED发出的光线的小角度混光作用，可以消除光斑中由多芯片LED造成的方格影子和多色色块，即获得色温均匀的光斑。此外，由于采用具有相同焦点和焦距的聚光部分和全反射部分，该二次光学透镜在改变光束角的过程中调焦一致，保证了由聚光部分和全反射部分产生的光斑在任何可调节的光束角范围内大小相同，都可以叠加成均匀的光斑，消除了光斑中间及光斑边缘的色温差异，不会产生不均匀的亮环和暗环。

上面对本发明所提供的光束角可调的二次光学透镜进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims

1.一种光束角可调的二次光学透镜，包括位于透镜中心区域的聚光部分和位于所述聚光部分外缘的全反射部分，其特征在于：

所述聚光部分的上表面是由多颗微透镜组成的微透镜阵列，所述全反射部分的外侧反射面是由多个多面体鳞片组成的鳞片面。

2.如权利要求1所述的二次光学透镜，其特征在于：

所述聚光部分的光轴位置排列一颗微透镜，所述微透镜阵列以光轴为中心依次向外逐层排列，同一层排列的多颗微透镜等角度排列成圆形。

3.如权利要求2所述的二次光学透镜，其特征在于：

每层排列的微透镜数目N与从中心往外的排列层数n之间满足下列公式：N＝6n，其中N、n为正整数。

4.如权利要求1所述的二次光学透镜，其特征在于：

所述鳞片面是由多个多面体鳞片沿着所述全反射部分的外表面从上到下逐层排列而成，同一层鳞片中的多个多面体鳞片等角度排列。

5.如权利要求1所述的二次光学透镜，其特征在于：

所述微透镜具有相同的发散角，所述多面体鳞片具有相同的发散角；而且，所述微透镜的发散角与所述多面体鳞片的发散角相同。

6.如权利要求5所述的二次光学透镜，其特征在于：

所述发散角为±Δθ，其中Δθ在3°～5°之间取值。

7.如权利要求6所述的二次光学透镜，其特征在于：

所述Δθ为4°。

8.如权利要求1所述的二次光学透镜，其特征在于：

所述多面体鳞片的形状为钻石纹形。

9.如权利要求1所述的二次光学透镜，其特征在于：

所述聚光部分和所述全反射部分具有相同的焦点和焦距。

10.如权利要求1所述的二次光学透镜，其特征在于：

所述全反射部分和所述聚光部分一体成型。