CN102889550B

CN102889550B - 一种透镜

Info

Publication number: CN102889550B
Application number: CN2012103705908A
Authority: CN
Inventors: 钱可元; 罗毅; 胡晓佳
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: HK1176106A1; CN102889550A

Abstract

本发明公开了一种透镜，包括竖直基准面，水平基准面，光线入射面，反射面和光线出射面，光线入射面垂直于竖直基准面开设，包括圆球面和位于水平基准面下方的半圆柱面或者半圆锥面；反射面为全反射面，位于水平基准面下方，为沿水平基准面设置的圆弧面；光线出射面包括自由曲面和圆环面，自由曲面垂直于竖直基准面开设，圆环面垂直于水平基准面开设，位于水平基准面下方，衔接自由曲面和反射面；光线从圆球面入射时，经圆球面直接透射至自由面后出射；光线从半圆柱面或半圆锥面入射时，透射至反射面后，由反射面反射至圆环面后出射。本发明的透镜，通过光线入射面，反射面和光线出射面的设计，应用于LED照明时，具有较高的距高比和照度均匀性。

Description

一种透镜

【技术领域】

本发明涉及一种透镜，特别是涉及一种应用于发光二极管中的透镜。

【背景技术】

发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）作为照明光源已经得到了广泛的应用。由于发光二极管特殊的发光原理，使其在达到同等亮度情况下所需消耗的能量远远低于普通白炽灯，而且其有着寿命长和无污染等优点，在照明和背光领域都有着诱人的前景。

LED是点光源，其实现照明时，通过需要在LED前面设置一个透镜，从而减少LED光线的发散角，使光线集中于光轴附近出射。LED照明时，距高比和照度均匀性是衡量照明效果的重要参数。距高比是指灯具照明所能达到的最远距离和灯具距离被照面的距离之比，比如在道路照明的应用场合，沿道路方向的相邻两个灯具之间的距离和灯具离路面的距离之比为纵向距高比，安装在道路两边的两个灯具之间的距离和灯具离路面的距离之比为横向距高比。LED照明应用时，既要求照射距离比较远，即距高比较高，又要求照度均匀性比较高。

目前的广照型LED的距高比约在1.0~1.5之间，特广照型LED的距高比约在1.5~5.0之间。为提高灯具的距高比，二次光学设计必不可少。而目前常用的提高距高比的二次光学系统有些虽然可以实现较高的距高比，但却有大量的光线无法照射到接收面上，造成灯具的光效低下。另一种实现较高距高比的方法是在LED光源上添加透镜，目前常见的透镜在长度方向上是对称的，并且LED光源的发光表面与接收面平行，此种方法由于受到透镜折射率的限制并无法在实现较高距高比的同时满足接收面照度均匀性的要求。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种透镜，其用于LED照明时，具有较高的距高比和照度均匀性。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种透镜，包括竖直基准面，水平基准面，光线入射面，反射面和光线出射面，所述光线入射面垂直于所述竖直基准面开设，包括一段圆球面和位于所述水平基准面下方的一段半圆柱面或者一段半圆锥面；所述反射面为全反射面，位于所述水平基准面下方，为沿所述水平基准面设置的一段圆弧面；所述光线出射面包括相邻接的自由曲面和圆环面，所述自由曲面垂直于所述竖直基准面开设，所述圆环面垂直于所述水平基准面开设，位于所述水平基准面下方，衔接所述自由曲面和所述反射面；光线从所述圆球面入射时，经所述圆球面直接透射至所述自由面后出射；光线从所述半圆柱面或半圆锥面入射时，透射至所述反射面后，由所述反射面反射至所述圆环面后出射。，

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的透镜，因光线入射面，反射面和光线出射面按照独特的设计方式设计：即光线入射面中包括圆球面和位于水平基准面下方的半圆柱面或半圆锥面，而光线出射面也由自由曲面和圆环面组成，通过圆球面，自由曲面，半圆柱面或半圆锥面，反射面和圆环面的设计，改变了入射到透镜的光线出射时的方向，使光线朝着预设的方向到达接收面，其中一部分光线可以到达接收面上距离光源较远的位置，并且在接收面上每等面积区域内的光通量基本相等，从而其应用于LED照明时，具有较高的距高比和照度均匀性。

【附图说明】

图1是本发明具体实施方式一中的透镜的立体结构图；

图2是本发明具体实施方式一中的透镜的xy平面投影示意图；

图3是本发明具体实施方式一中的透镜的xz平面仰视剖面图；

图4是本发明具体实施方式一中的透镜的xz平面俯视剖面图；

图5是本发明具体实施方式一中的透镜的yz平面投影示意图；

图6是本发明具体实施方式一中的透镜应用形成的LED光源系统的结构示意图；

图7是图6所示LED光源系统中光线经透镜的光路示意图；

图8是图6所示LED光源系统的照度分布图；

图9是本发明具体实施方式二中的透镜的立体结构图；

图10是本发明具体实施方式二中的透镜的xy平面投影示意图；

图11是本发明具体实施方式二中的透镜应用于LED光源系统中光线经透镜的光路示意图；

图12是本发明具体实施方式二中LED光源系统的照度分布图；

图13是本发明具体实施方式三中的透镜的立体结构图；

图14是本发明具体实施方式三中的透镜的xy平面投影示意图；

图15是本发明具体实施方式三中的透镜应用于LED光源系统中光线经透镜的光路示意图；

图16是本发明具体实施方式三中LED光源系统的照度分布图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

本发明中透镜是基于能量守恒的原理，将点光源的出光方向的能量和照度平面的能量先进行分割，将二者的能量以网格的形式一一对应，网格内再选取合适的离散点得到点对点的一一映射，根据这种对应关系，迭代求解出对应于两个能量对应关系之间的光学系统表面离散数据点的坐标和出光方向，从而确定了透镜表面的形状。

需要强调的是，在本发明提出的算法中，在照度区域可以根据近LED端和远LED端分别考虑不同的算法。在近LED端迭代计算透镜表面数据点时，仅考虑折射效应；在远LED端迭代计算透镜表面数据点时，需考虑全内反射和折射的共同作用，最终获得整个透镜表面的数据点。

具体实施方式一

如图1所示，为本具体实施方式中透镜的立体结构图。透镜包括竖直基准面1，水平基准面2，光线入射面，反射面4和光线出射面。图1中也示意出了透镜与LED光源安装使用时，LED光源的位置示意情形。图中标记0即为LED光源。

光线入射面垂直于竖直基准面1开设，为相邻接的一段圆球面31和一段半圆柱面32。反射面4为全反射面，位于水平基准面2的下方，为沿水平基准面设置的一段圆弧面。光线出射面包括相邻接的自由曲面51和圆环面52，自由曲面51垂直于竖直基准面1开设，圆环面52垂直于水平基准面2开设，位于水平基准面2下方，衔接自由曲面51和反射面4。

以圆球面31的圆心为坐标系原点o，透镜光轴为x轴，竖直方向为y轴，水平方向为z轴建立坐标系。

如图2所示，为透镜的xy平面投影示意图。从xy平面投影图中，可得到各面的xy平面内的投影形状，具体为：

竖直基准面1投影得到两条直线111和121，分别位于y轴的正半轴和负半轴。

光线入射面的投影为一端圆弧和一条直线，圆弧与直线的连接点和原点的连线与x轴的夹角为θ’。本具体实施方式中，即为一段圆弧311（对应圆球面31）和一条第二直线321（对应半圆柱面32），圆弧311与第二直线321的连接点m和原点o的连线与x轴的夹角θ’为θ₀，θ₀的取值范围是0＜θ₀≤30°。第二直线321与x轴平行。圆球面31这一球形结构能保证朗伯入射的LED光源经过内表面后光线仍为朗伯分布。半圆柱面32的作用是改变光线的方向，使其向下弯折，从而可以到达反射面4上。

反射面4的投影为第二曲线401，第二曲线401的表达式为： y0=s₁x³+s₂x²+s₃x+s₄，对应x的范围是(0，L·cos(2θ′))，也即 (0,L·cos(2θ₀))，其中s1的取值范围是(-0.002，-0.0005)，s2的取值范围是(0.02，0.04)，s3的取值范围是(-0.8，-0.6)，s4的取值范围是(-5，-4)。

光线出射面的投影为一段第一曲线511（对应自由曲面51）和一条第一直线521（对应圆环面52）。其中，第一曲线511可按与x轴的关系划分为位于x轴上部的曲线部分和位于x轴下部的曲线部分。

第一曲线511在x轴上部的曲线部分的表达式为：

y=p₁x⁵+p₂x⁴+p₃x³+p₄x²+p₅x+p₆,0≤x≤L

其中，L表示第一曲线511与x轴交点的横坐标。p1的取值范围是(-0.002，0.004)，p2的取值范围是(-0.1，0.1)，p3的取值范围是(-0.3，0.3)；p4的取值范围是(-5，1)，p5的取值范围是(-3，8)，p6的取值范围是(5，20)

第一曲线511在x轴下部的曲线部分的表达式为：

y′=q₁x⁴+q₂x³+q₃x²+q₄x+q₅

对应x范围是(L·cos(2θ′),L)；其中，q1的取值范围是(0.001，0.02)，q2的取值范围是(-0.5，-0.3)，q3的取值范围是(0.4，5)，q4的取值范围是(-22，-1)，q5的取值范围是(-2，35)；

第一直线521连接第一曲线511上y坐标最小的点和第二曲线401上x坐标最大的点。与第一曲线511，第二曲线401的变化范围关联，因此第一直线521与y轴的夹角也在一定的范围变化，这个角度随着设计目标的变化而变化，在1°到10°的范围内。

如图3所示，为光线出射面中自由曲面的xz平面仰视剖面图。如图4所示，为透镜的xz平面俯视剖面图。从xz平面仰视图中，可得到自由曲面为去掉x轴负半轴部分的椭圆形状。自由曲面51投影得到椭圆曲线512，椭圆512与z轴正半轴的交点r和椭圆中心的连线与x轴的夹角为α，α的取值范围是(3π/5，4π/5)；椭圆的长半轴A与短半轴B之比，即A：B的取值范围是(9:7，11:7)。图4中俯视剖面图中，示意出了图3中椭圆曲线512的部分曲线，图4中还示出了圆环面52，光线入射面中圆球面31的剖视图，半圆柱面32的剖视图。

如图5所示，为透镜的yz平面投影示意图，图中可得到透镜的竖直基准面1的下半部分12，光线入射面中圆球面31，半圆柱面32，反射面4中的部分表面，自由曲面51投影后的形状示意图。

上述透镜的各表面连接处衔接平滑，曲面可以通过改变透镜顶点的高度进行等比例变化。

该透镜应用LED照明时，所形成的LED光源系统的结构如图6所示。图6所示为两个LED光源系统相对安装时的情形，每一个LED光源系统包括LED光源61和透镜62。透镜62即为本具体实施方式中前述的透镜，LED光源61安装于透镜62的光线入射面的圆球面的圆心位置处，透镜62可采用粘接、超声焊接、加热固定或咬合的方式与LED光源61的封装底座固定在一起。LED光源61发出的光线经过透镜62，光线的方向经过透镜62得到有效的控制到达受光面63上。图中的受光面63是一个为了方便叙述而构造的平面，在实际应用中，受光面63可以是一块透明面板，也可以是散射膜和散射体，也可以不是任何实体。

如图7所示，为LED光源系统中光线经透镜的光路示意图。LED光源61使用普通透镜封装。从LED光源61中发出的光线经普通透镜折射一次后，入射到本具体实施方式的透镜62的光线入射面（圆球面31和半圆柱面32），以θ表示LED光源61发出的光线与透镜光轴的夹角，则

对于θ＞-θ₀的光线，从透镜62的光线入射面的圆球面31上入射，经光线出射面的自由曲面51出射，方向发生了改变，打到受光面63的相应位置。

对于θ＜-θ₀的光线，从透镜62的光线入射面的半圆柱面32上入射，经透镜62的反射表面4发生全反射，再从透镜62的光线出射面52出射，打到受光面63上的相应位置。LED光源61发出的θ＜-θ₀的这部分光线经过透镜内表面的半圆柱面32而发生方向偏转，到达全反射面4后发生全反射，从而使这些光线近似平行地射到光线出射面的圆环面52上，52是一个类似于半圆环的平面，光线经过圆环面52后方向经过一定的偏转到达受光面上较远的部分。

两部分光线，经透镜62后，最终的总效果是光线在受光面63上均匀分布且形成的面光源形状为一个长方形。由于光线入射面中包括圆球面31和位于水平基准面下方的半圆柱面32，而光线出射面也由自由曲面51和圆环面52组成，通过圆球面31，自由曲面51，半圆柱面32，反射面4和圆环面52的设计，改变了入射到透镜的光线出射时的方向，使光线朝着预设的方向到达接收面，其中一部分光线可以到达接收面上距离光源较远的位置，并且在接收面上每等面积区域内的光通量基本相等，从而本具体实施方式中的透镜应用于LED照明时具有较高的距高比和照度均匀性，其距高比可以达到5~10，接收面的照度均匀度可以达到80%以上。

如下也通过模拟仿真得到透镜的距高比和照度均匀性，取透镜中各参数的值如下：θ’=θ₀=12°；L=10cm，透镜顶点高度为7.5cm；p1=-0.00056，p2=0.01，p3=-0.07，p4=0.2，p5=-0.63，p6=8.8；q1= 0.013，q2=-0.36，q3=3.9，q4=-18.2，q5=27.5；s1=-0.001，s2=0.034，s3=-0.7，s4=-4.5；α=0.7π，A：B=9:7，将该具体参数取值下的透镜形成上述LED光源系统，得到LED光源系统的距高比为10：1，得到LED光源系统的照度分布图如图8所示。由于其距高比为10：1，所以具有较高的距高比，能满足应用需求。而从图8中可看出其照度分布的均匀度高于80%，所以具有较好的均匀性。

本具体实施方式中透镜可以由一系列方法来制作，包括模具注塑、灌注脱模、金刚石刀具加工等方法。透镜的制作材料是透明的，透射率要求较高。透镜的制作材料可以使但不限于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚醚酰亚胺（PEI）、环烯烃类共聚物（COC）等。

具体实施方式二

本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：本具体实施方式中，光线入射面为圆球面和半圆锥面，对应的反射面的系数的取值范围也不同，而具体实施方式一中光线入射面为圆球面和半圆柱面。

如图9所示，为本具体实施方式中透镜的立体结构图。透镜包括竖直基准面1，水平基准面2，光线入射面，反射面4和光线出射面。图9中也示意出了透镜与LED光源安装使用时，LED光源的位置示意情形。图中标记0即为LED光源。

光线入射面垂直于竖直基准面1开设，为相邻接的一段圆球面31和一段半圆锥面33。反射面4为全反射面，位于水平基准面2的下方，为沿水平基准面设置的一段圆弧面。光线出射面包括相邻接的自由曲面51和圆环面52，自由曲面51垂直于竖直基准面1开设，圆环面52垂直于水平基准面2开设，位于水平基准面2下方，衔接自由曲面51与反射面4。

如图10所示，为透镜的xy平面投影示意图。从xy平面投影图中，可得到各面的xy平面内的投影形状，具体为：

竖直基准面1与具体实施方式一相同，也是投影得到两条直线111和121，分别位于y轴的正半轴和负半轴。

光线入射面的投影为一端圆弧和一条直线，圆弧与直线的连接点和原点的连线与x轴的夹角为θ’。本具体实施方式中，即为一段圆弧311（对应圆球面31）和一条第三直线331（对应半圆锥面33），圆弧311与第三直线331的连接点n和原点o的连线与x轴的夹角θ’为θ₁，θ₁的取值范围是0＜θ₁≤30°。第三直线331相对x轴倾斜角度为γ,γ的取值范围是0≤γ≤45°。同样地，圆球面31这一球形结构能保证朗伯入射的LED光源经过内表面后光线仍为朗伯分布。半圆锥面33的作用是改变光线的方向，使其向下弯折，从而可以到达反射面4上。半圆锥面33与具体实施方式一中的半圆柱面32虽然结构有所不同，但都是对光线进行导向，结构不同会有不同的导向作用，会影响到全反射面4的形状，随着入射面的半圆锥面33倾斜角度的减小，全反射面4上每个点的斜率绝对值变大。

反射面4的投影为第二曲线401，第二曲线401的表达式为同具体实施方式一相同，即y0=s₁x³+s₂x²+s₃x+s₄，对应x的范围是(0,L·cos(2θ′))，也即(0,L·cos(2θ₁))。各系数的取值范围与具体实施方式一相同。

光线出射面的投影为一段第一曲线511（对应自由曲面51）和一条第一直线521（对应圆环面52）。其中，第一曲线511可按与x轴的关系划分为位于x轴上部的曲线部分和位于x轴下部的曲线部分。两部分的曲线表达式也同具体实施方式一相同，在此也不重复说明。

由于本具体实施方式中透镜的反射面和光线出射面，均与具体实施方式一相同，因此透镜的xz平面仰视剖面图，xz平面俯视剖面图也与具体实施方式一相同，在此也不重复示出。

透镜的各表面连接处衔接平滑，曲面可以通过改变透镜顶点的高度进行等比例变化。

本具体实施方式的透镜应用LED照明时，LED光源也安装于透镜的光线入射面的圆球面的圆心位置处，发光经过透镜，光线的方向经过透镜得到有效的控制到达受光面上。

如图11所示，为LED光源系统中光线经透镜的光路示意图。LED光源61使用普通透镜封装。从LED光源61中发出的光线经普通透镜折射一次后，入射到本具体实施方式的透镜的光线入射面（圆球面31和半圆锥面33），以θ表示LED光源61发出的光线与透镜光轴的夹角，则

对于θ＞-θ₁的光线，从透镜的光线入射面的圆球面31上入射，经光线出射面的自由曲面51出射，方向发生了改变，打到受光面63的相应位置。

对于θ＜-θ₁的光线，从透镜的光线入射面的半圆锥面33上入射，经透镜的反射表面4发生全反射，再从透镜的光线出射面52出射，打到受光面63上的相应位置。LED光源61发出的θ＜-θ₁的这部分光线经过透镜内表面的半圆锥面33而发生方向偏转，到达全反射面4后发生全反射，从而使这些光线近似平行地射到光线出射面的圆环面52上，52是一个类似于半圆环的平面，光线经过圆环面52后方向经过一定的偏转到达受光面上较远的部分。

两部分光线，经透镜后，最终的总效果是光线在受光面63上均匀分布且形成的面光源形状为一个长方形。由于光线入射面中包括圆球面31和位于水平基准面下方的半圆锥面33，而光线出射面也由自由曲面51和圆环面52组成，通过圆球面31，自由曲面51，半圆锥面33，反射面4和圆环面52的设计，改变了入射到透镜的光线出射时的方向，使光线朝着预设的方向到达接收面，其中一部分光线可以到达接收面上距离光源较远的位置，并且在接收面上每等面积区域内的光通量基本相等，从而本具体实施方式中的透镜应用于LED照明时具有较高的距高比和照度均匀性，其距高比可以达到5~10，接收面的照度均匀度可以达到80%以上。

本具体实施方式中，上述透镜中各参数具体取值如下：θ’=θ₁=12°，γ=17°；L=10cm，透镜顶点高度为7.5cm；p1=-0.00055，p2=0.01，p3=-0.07，p4=0.2，p5=-0.64，p6=8.8；q1= 0.014，q2=-0.36，q3=3.8，q4=-18，q5=27.5；s1=-0.0005，s2=0.025，s3=-0.67，s4=-4.6；α=0.71π，A：B=9.3:7，将该具体参数取值下的透镜形成上述LED光源系统，得到LED光源系统的距高比为10：1，得到LED光源系统的照度分布图如图12所示。由于其距高比为10：1，所以具有较高的距高比，能满足应用需求。而从图12中可看出其照度分布的均匀度高于80%，所以具有较好的均匀性。

具体实施方式三

本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：本具体实施方式中，光线入射面为圆球面和半圆锥面，而具体实施方式一中光线入射面为圆球面和半圆柱面。且与具体实施方式而不同的是，本具体实施方式中，半圆锥面投影的第四直线与圆球面的投影的圆弧的连接点s位于x轴上，第四直线相对x轴倾斜角度为γ1,γ1的取值范围是30°≤γ1≤60°，对应的反射面的系数的取值范围也不同，此时光线出射面在xy平面上的投影中，第二曲线仅包括位于x轴上部的部分；而具体实施方式二中是θ₁存在一个角度取值，圆弧与第三直线的连接点n位于x轴下方。

如图13所示，为本具体实施方式中透镜的立体结构图。透镜包括竖直基准面1，水平基准面2，光线入射面，反射面4和光线出射面。图13中也示意出了透镜与LED光源安装使用时，LED光源的位置示意情形。图中标记0即为LED光源。

光线入射面垂直于竖直基准面1开设，为相邻接的一段圆球面31’和一段半圆锥面33’。反射面4为全反射面，位于水平基准面2的下方，为沿水平基准面设置的一段圆弧面。光线出射面包括相邻接的自由曲面51’和圆环面52，自由曲面51’垂直于竖直基准面1开设，圆环面52垂直于水平基准面2开设，位于水平基准面2下方，衔接自由曲面51’与反射面4。

以圆球面31’的圆心为坐标系原点o，透镜光轴为x轴，竖直方向为y轴，水平方向为z轴建立坐标系。

如图14所示，为透镜的xy平面投影示意图。从xy平面投影图中，可得到各面的xy平面内的投影形状，具体为：

光线入射面的投影为一端圆弧和一条直线，圆弧与直线的连接点和原点的连线与x轴的夹角为θ’。本具体实施方式中，即为一段圆弧311’（对应圆球面31’）和一条第四直线331’（对应半圆锥面33’），夹角θ’为0，即圆弧311’与第四直线331’的连接点s位于x轴上。第四直线331’对x轴倾斜角度为γ1,γ1的取值范围是30°≤γ1≤60°。圆球面31’和半圆锥面33’的作用同具体实施方式一中圆球面和半圆柱面的作用相同，在此不重复说明。

反射面4的投影为第二曲线401，第二曲线401的表达式为同具体实施方式一相同，即y0=s₁x³+s₂x²+s₃x+s₄，对应x的范围是(0,L·cos(2θ′))，也即(0，L)；各系数的取值范围与具体实施方式一相同。

光线出射面的投影为一段第一曲线511’（对应自由曲面51’）和一条第一直线521（对应圆环面52）。其中，第一曲线511’仅包括位于x轴上部的曲线部分，位于x轴上部部分的曲线表达式也同具体实施方式一相同，在此也不重复说明。

如图15所示，为LED光源系统中光线经透镜的光路示意图。LED光源61使用普通透镜封装。从LED光源61中发出的光线经普通透镜折射一次后，入射到本具体实施方式的透镜的光线入射面（圆球面31’和半圆锥面33’），以θ表示LED光源61发出的光线与透镜光轴的夹角，则

对于θ＞0°的光线，从透镜的光线入射面的圆球面31’上入射，经光线出射面的自由曲面51’出射，方向发生了改变，打到受光面63的相应位置。

对于θ＜0°的光线，从透镜的光线入射面的半圆锥面33’上入射，经透镜的反射表面4发生全反射，再从透镜的光线出射面52出射，打到受光面63上的相应位置。LED光源61发出的θ＜0°的这部分光线经过透镜内表面的半圆锥面33’而发生方向偏转，到达全反射面4后发生全反射，从而使这些光线近似平行地射到光线出射面的圆环面52上，52是一个类似于半圆环的平面，光线经过圆环面52后方向经过一定的偏转到达受光面上较远的部分。

两部分光线，经透镜后，最终的总效果是光线在受光面63上均匀分布且形成的面光源形状为一个长方形。由于光线入射面中包括圆球面31’和位于水平基准面下方的半圆锥面33’，而光线出射面也由自由曲面51’和圆环面52组成，通过圆球面31’，自由曲面51’，半圆锥面33’，反射面4和圆环面52的设计，改变了入射到透镜的光线出射时的方向，使光线朝着预设的方向到达接收面，其中一部分光线可以到达接收面上距离光源较远的位置，并且在接收面上每等面积区域内的光通量基本相等，从而本具体实施方式中的透镜应用于LED照明时具有较高的距高比和照度均匀性，其距高比可以达到5~10，接收面的照度均匀度可以达到70%以上。

本具体实施方式中，上述透镜中各参数具体取值如下：θ’=0°，γ1=45°；L=10cm，透镜顶点高度为7.5cm；p1=-0.00056，p2=0.01，p3=-0.07，p4=0.2，p5=-0.65，p6=8.7；q1= 0.014，q2=-0.36，q3=3.7，q4=-19，q5=27.5；s1= -0.00013，s2= 0.013，s3= -0.52，s4=-4.7； α=0.7π，A：B=10:7，将该具体参数取值下的透镜形成上述LED光源系统，得到LED光源系统的距高比为10：1，得到LED光源系统的照度分布图如图16所示。由于其距高比为10：1，所以具有较高的距高比，能满足应用需求。而从图16中可看出其照度分布的均匀度大于70%，所以具有较好的均匀性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种透镜，其特征在于：包括竖直基准面，水平基准面，光线入射面，反射面和光线出射面，所述光线入射面垂直于所述竖直基准面开设，包括一段圆球面和位于所述水平基准面下方的一段半圆柱面或者一段半圆锥面；所述反射面为全反射面，位于所述水平基准面下方，为沿所述水平基准面设置的一段圆弧面；所述光线出射面包括相邻接的自由曲面和圆环面，所述自由曲面垂直于所述竖直基准面开设，所述圆环面垂直于所述水平基准面开设，位于所述水平基准面下方，衔接所述自由曲面和所述反射面；光线从所述圆球面入射时，经所述圆球面直接透射至所述自由曲面后出射；光线从所述半圆柱面或半圆锥面入射时，透射至所述反射面后，由所述反射面反射至所述圆环面后出射。

2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：以所述圆球面的圆心为坐标系原点，所述透镜光轴为x轴，竖直方向为y轴，水平方向为z轴，则，

所述光线入射面在xy平面上的投影为一段圆弧和一条直线，所述圆弧与所述直线的连接点和所述原点的连线与x轴的夹角为θ’；

所述光线出射面在xy平面上的投影为一段第一曲线和一条第一直线：

所述第一曲线在x轴上部的表达式为：

y=p₁x⁵+p₂x⁴+p₃x³+p₄x²+p₅x+p₆,0≤x≤L

其中，L表示第一曲线与x轴交点的横坐标；p₁的取值范围是(-0.002，0.004)，p₂的取值范围是(-0.1，0.1)，p₃的取值范围是(-0.3，0.3)；p₄的取值范围是(-5，1)，p₅的取值范围是(-3，8)，p₆的取值范围是(5，20)；

所述第一曲线在x轴下部的表达式为：

y'=q₁x⁴+q₂x³+q₃x²+q₄x+q₅

对应x范围是(L·cos(2θ'),L)；其中，q₁的取值范围是(0.001，0.02)，q₂的取值范围是(-0.5，-0.3)，q₃的取值范围是(0.4，5)，q₄的取值范围是(-22，-1)，q₅的取值范围是(-2，35)；

所述第一直线连接所述第一曲线上y坐标最小的点和所述反射面在xy平面上的投影得到的曲线上x坐标最大的点；

所述光线出射面中自由曲面在xz平面的仰视剖面图为去掉x轴负半轴部分的椭圆形状，椭圆与z轴正半轴的交点和椭圆中心的连线与x轴的夹角为α，α的取值范围是

椭圆的长半轴与短半轴之比的取值范围是

3.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于：所述反射面在xy平面上的投影为第二曲线，所述第二曲线的表达式为：

y0=s₁x³+s₂x²+s₃x+s₄

对应x的范围是(0，L·cos(2θ'))，其中s₁的取值范围是(-0.002，-0.0005)，s₂的取值范围是(0.02，0.04)，s₃的取值范围是(-0.8，-0.6)，s₄的取值范围是(-5，-4)。

4.根据权利要求2或3所述的透镜，其特征在于：所述光线入射面为圆球面和半圆柱面时，所述光线入射面在xy平面上的投影为一段圆弧和一条第二直线，所述夹角θ’为θ₀，θ₀的取值范围是0＜θ₀≤30°；所述第二直线与x轴平行。

5.根据权利要求2或3所述的透镜，其特征在于：所述光线入射面为圆球面和半圆锥面时，所述光线入射面在xy平面上的投影为一段圆弧和一条第三直线，所述夹角θ’为θ₁，θ₁的取值范围是0＜θ₁≤30°；所述第三直线相对x轴倾斜角度为γ，γ的取值范围是0≤γ≤45°。

6.根据权利要求2或3所述的透镜，其特征在于：所述光线入射面为圆球面和半圆锥面时，所述光线入射面在xy平面上的投影为一段圆弧和一条第四直线，所述夹角θ’为0，即所述圆弧与所述第四直线的连接点（s）位于x轴上；所述第四直线相对x轴倾斜角度为γ1，γ1的取值范围是30°≤γ1≤60°；所述光线出射面在xy平面上的投影中，所述第一曲线仅包括位于x轴上部的部分。

7.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述透镜的材料的折射率在1.3～3.5之间。

8.根据权利要求7所述的透镜，其特征在于：所述透镜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺或环烯烃类共聚物。

9.一种LED光源系统，包括LED光源和透镜；其特征在于：所述透镜为如权利要求1-8任一所述的透镜，所述LED光源安装于所述透镜的光线入射面的圆球面的圆心位置处，LED光源发光表面与所述透镜光轴垂直。