CN103277739A - 一种光学透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学透镜，包括：透镜本体，在透镜本体底部形成有一个光线入射的中心向上凹陷的入光曲面，在所述透镜本体的顶部形成有中心向下凹陷的第一出光曲面，在所述透镜本体的侧部形成有第二出光曲面；所述第一出光曲面形成为光线经由所述透镜本体入光后，在与所述透镜本体的轴线夹角为42°角为临界角，在中心光束至42°以内的光束由所述第一出光曲面折射出，42°至85°的光速由所述第一出光曲面全反射后，由所述第二出光曲面折射出。本发明通过折反射方式将光束角扩散，提高了接收面上辉度均匀度。

Description

一种光学透镜
技术领域
本发明涉及一种光学透镜，尤其是一种应用于直下式背光系统的光学透镜，属半导体照明领域。 
背景技术
光学透镜作为LED的二次配光产品，被广泛的应用于照明领域。由于此种光学透镜多由光学级pmma（聚甲基丙烯酸甲酯）或pc（聚碳酸酯）材料构成，具有成本低、易于注塑成型、透光率高、体积小等优点，也逐渐被应用到LED背光源领域。 
如图1所示，应用在LED背光源的光学透镜，要求具有大的光束角，一般在155°至160°之间，上表面的出光曲面为自由曲面；下表面为平面，通常带有棱形、锥形等微结构或者进行磨砂处理，正对光源位置的入光曲面由非圆锥曲面构成。 
目前直下式背光透镜有待解决的技术问题如下： 
1）为降低成本，背光领域对光学透镜要求大角度扩散，来降低LED光源及透镜的使用颗数。在设计过程中，如果对自由曲面控制不当，容易造成透镜的出光效率降低，影响背光产品亮度。 
2）大角度透镜设计的自由曲面，由于生产加工过程中的影响，容易造成与原设计曲面偏差过大，影响产品的均匀性。 
3）不增加成本情况下，背光模组对低混光距离的要求，增加了设计难度。 
4）目前的大角度扩散透镜设计，利用光学曲面对光线的折射作用进行扩散角度设计，增加了设计难度。 
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种光学透镜，采用自由曲面对光线折射和反射的控光方式，降低了由单一折射方式扩散光束角的难度，同时也可以降低混光距离，减少LED使用颗数，降低成本。 
本发明的一种光学透镜包括：透镜本体，在透镜本体底部形成有一个光线入射的中心向上凹陷的入光曲面，在所述透镜本体的顶部形成有中心向下凹陷的第一出光曲面，在所述透镜本体的侧部形成有第二出光曲面；所述第一出光曲面形成为光线经由所述透镜本体入光后，在与所述透镜本体的轴线夹角为42°角为临界角，在中心光束至42°以内的光束由所述第一出光曲面折射出，42°至85°的光速由所述第一出光曲面全反射后，由所述第二出光曲面折射出。 
优选地，所述透镜本体的材质选择折射率为1.494的聚甲基丙烯酸甲酯pmma，或折射率为1.59的聚碳酸酯pc。 
优选地，所述第二出光曲面包括一圆柱面和一圆锥曲面。 
本发明具有如下优点： 
1）本发明形成为整体形状呈中心薄、边缘厚的形状，从而有利于设计大角度光束，本发明的光学透镜需配合底部反射片进行使用，这样的设计方式能够提高光学透镜的出光效率； 
2）本发明的发光形式为折射并配合反射形式，发光角度在270°以上，借助放置于透镜底部的反射片将180°以上的光束反射，应用在背光模组中，折射光线直接投射到上部的扩散板下表面。反射光线从透镜的侧边缘射出，经过底部反射片的二次反射，再次反射到扩散板下表面。 
3）本发明采用全反射原理，将大角度光反射后，经过反射片的二次反射，降低大角度透镜设计难度，将光束角扩散至165°至175°。 
4）本发明通过折反射方式将光束角扩散，提高了接收面上辉度均匀度。 
5）本发明在增加光束角、提高接收面辉度均匀度的同时，也降低了发光面值接收面的距离。可以应用与更薄型化产品背光源上。 
6）由于背光领域对光学透镜的大角度扩散、辉度均匀度、混光距离小 等特殊要求，给光学透镜的设计及加工带来了一定的难度。本发明通过透镜对光束的折射以及反射后再折射的特殊设计，降低了目前大角度扩散透镜的设计难度，并提高了亮度均匀度，降低背光产品的混光距离（背光源基板到背光膜材的距离）。 
附图说明
图1目前常规直下式透镜常采用的结构形式； 
图2本发明外形轮廓图； 
图3本发明结构示意简图； 
图4本发明结构示意图； 
图5本发明光路原理图； 
图6本发明光强分布图； 
图7为本发明所述透镜应用于电视背光示意图；56为背光用上扩散片，56为棱镜片，58为扩散板，60为反射片。 
图8为本发明应用于照明用面板灯。 
具体实施方式
如图2～4所示，本发明包括透镜本体1，在透镜本体1底部形成有一个光线入射的中心向上凹陷的入光曲面12、底部平面和定位柱40。在透镜本体1的顶部形成有中心向下凹陷的第一出光曲面15，在透镜本体1的侧部形成有第二出光曲面。第一出光曲面15形成为光线经由透镜本体1入光后，在与透镜本体的轴线夹角为42°角为临界角，在中心光束至42°以内的光束由第一出光曲面15折射出，42°至85°的光速由第一出光曲面15全反射后，由第二出光曲面折射出。第二出光曲面包括一圆柱面的出光曲面22和和一圆锥曲面出光曲面23。下面通过具体实施例来对本发明的光学透镜进一步详细地说明。 
实施例1 
将光学透镜应用于电视背光 
图3是此光学透镜应用于电视背光模组的截面图。 
图4为此光学透镜应用于电视背光模组的结构示意图。本发明的透镜本体1由一个入光曲面12和至少两个以上的出光曲面、底部平面和定位柱40构成。形成在底部的入光曲面12为一自由曲面，中心向上凹陷；形成在顶部的出光曲面15为自由曲面，中心向下凹陷，入光曲面12的中心向上凹陷部位和出光曲面的中心向下凹陷部位构成此光学透镜的最小厚度1mm，用于分散LED点光源的中心光强。形成在顶部和侧部交界处的出光曲面20为曲率为2.3的圆弧，形成在侧部的出光曲面22为一圆柱面，形成在侧部的出光曲面23为一圆锥曲面。本发明的材质为聚甲基丙烯酸甲酯pmma，折射率为1.494。当然，也可以选择折射率为1.59的聚碳酸酯pc，或是其它变折射率材料。 
经由入光曲面12入射到透镜本体的光，再次经过出光曲面出射到空气介质中时，光线由光密介质入射到光疏介质，如图5所示，光线42为入射角等于临界角的光束，根据全反射原理，此角度范围内的光束均可由出光曲面15折射出去，光线45为角度大于临界角的光束，此角度范围内的光束全反射回原介质，即入射角大于42°的光束在透镜内产生全反射。入射到出光曲面15上的光束，从中心光束至42°以内的光束由出光曲面15折射，对LED发出的光束进行扩束，由42°至85°范尽围内的光束，由出光曲面15对其进行反射，反射光束经由出光曲面22以及出光曲面23的折射后，入射到背光模组底部的反射片上，进行二次反射。 
将此款透镜18颗应用于32寸电视背光，每颗透镜匹配1w大功率LED。图7为此透镜应用于电视背光的结构图。图6为此光学透镜应用于背光模组后的光学效果图。 
实施例2 
将光学透镜应用于面板灯 
将25颗此光学透镜应用于30w600mm x600mm面板灯，5x5阵列，如图8所示。 
本发明具有如下优点： 
1）本发明形成为整体形状呈中心薄、边缘厚的形状，从而有利于设计大角度光束，本发明的光学透镜需配合底部反射片进行使用，这样的设计方式能够提高光学透镜的出光效率； 
2）本发明的发光形式为折射并配合反射形式，发光角度在270°以上，借助放置于透镜底部的反射片将180°以上的光束反射，应用在背光模组中，折射光线直接投射到上部的扩散板下表面。反射光线从透镜的侧边缘射出，经过底部反射片的二次反射，再次反射到扩散板下表面。 
3）本发明采用全反射原理，将大角度光反射后，经过反射片的二次反射，降低大角度透镜设计难度，将光束角扩散至165°至175°。 
4）本发明通过折反射方式将光束角扩散，提高了接收面上辉度均匀度。 
5）本发明在增加光束角、提高接收面辉度均匀度的同时，也降低了发光面值接收面的距离。可以应用与更薄型化产品背光源上。 
6）由于背光领域对光学透镜的大角度扩散、辉度均匀度、混光距离小等特殊要求，给光学透镜的设计及加工带来了一定的难度。本发明通过透镜对光束的折射以及反射后再折射的特殊设计，降低了目前大角度扩散透镜的设计难度，并提高了亮度均匀度，降低背光产品的混光距离（背光源基板到背光膜材的距离）。 

Claims (3)

1.一种光学透镜，其特征在于，包括：透镜本体，在透镜本体底部形成有一个光线入射的中心向上凹陷的入光曲面，在所述透镜本体的顶部形成有中心向下凹陷的第一出光曲面，在所述透镜本体的侧部形成有第二出光曲面；所述第一出光曲面形成为光线经由所述透镜本体入光后，在与所述透镜本体的轴线夹角为42°角为临界角，在中心光束至42°以内的光束由所述第一出光曲面折射出，42°至85°的光速由所述第一出光曲面全反射后，由所述第二出光曲面折射出。
2.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜本体的材质选择折射率为1.494的聚甲基丙烯酸甲酯pmma，或折射率为1.59的聚碳酸酯pc。
3.如权利要求1或2所述的光学透镜，其特征在于，所述第二出光曲面包括一圆柱面和一圆锥曲面。
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