CN103486537A - 一种菲涅尔透镜及其实现非点光源窄光输出的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种菲涅尔透镜，它包括透镜本体，其改进在于：所述透镜本体具有一容纳腔，所述容纳腔的底面为入射面，与所述入射面相对的透镜本体外表面为出射面，所述入射面设有一中心圆槽及多个同心的环状齿槽，所述中心圆槽的底面为球面，所述环状齿槽包括一垂直于入射面的第一表面及一与所述第一表面相交的第二表面，且所述第一表面与第二表面相交成锐角，所述出射面为球面。本发明还提供了一种基于菲涅尔透镜实现非点光源窄光输出装置，包括非点光源；菲涅尔透镜及反光杯。实现了小角度出光效果，确保射出的光束更窄。
Description
技术领域
本发明涉及基于非点光源的窄光输出的光学技术领域，特别涉及一种菲涅尔透镜及其实现非点光源窄光输出的装置。
背景技术
在目前的光学设计中，特别是小尺寸的单颗LED，可以将光源模型作为理想的光源，即“点光源近似”，当光源的尺寸远小于它到反射或折射界面的最小距离时，可以将光源理想化忽略它的尺寸。阵列LED也是通过对单颗LED进行点光源近似来设计。点光源通过透镜、反射罩或者两者结合，可以满足一定的小角度出光要求，实现需所需的配光特性，出光角度，光斑形状和照度要求等。
而COB光源等，由于集成光源COB的封装特性，面光源发光，尺寸较大，在进行光学设计时，与透镜或者反射罩的反射或者折射界面的距离不可忽略，不可能作为点光源近似处理，所以难以做到非常小的发光角度（尤其是10°以下），众多光学工程师目前正在寻找多种分案去解决上述问题。
发明内容
本发明的主要目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种菲涅尔透镜及其实现非点光源窄光输出的装置。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：一种菲涅尔透镜，它包括透镜本体，其改进在于：所述透镜本体具有一容纳腔，所述容纳腔的底面为入射面，与所述入射面相对的透镜本体外表面为出射面，所述入射面设有一中心圆槽及多个同心的环状齿槽，所述中心圆槽的底面为球面，所述环状齿槽包括一垂直于入射面的第一表面及一与所述第一表面相交的第二表面，且所述第一表面与第二表面相交成锐角，所述出射面为球面。
优选地，所述环状齿槽中，越靠近入射面中心的环形齿槽，其第一表面与第二表面形成的锐角越大。
优选地，所述透镜本体下部还设有一圈向四周凸出的凸沿。
优选地，所述锐角由大到小，依次为61°、55°、50°、43°、41°、39°、36°、33°。
优选地，所述出射面的曲率半径为10-15mm，所述中心圆槽底面的曲率半径为4-6.5mm，透镜本体的高度为10-13mm，所述容纳腔的直径为19-22mm。
本发明还提供了一种基于菲涅尔透镜实现非点光源窄光输出装置，它包括
非点光源；
菲涅尔透镜，安装于所述非点光源上，该菲涅尔透镜包含具有一容纳腔的透镜本体，所述容纳腔的底面为入射面，与所述入射面相对的透镜本体外表面为出射面，所述入射面设有一中心圆槽及多个同心的环状齿槽，所述中心圆槽的底面为球面，所述环状齿槽包括一垂直于入射面的第一表面及一与所述第一表面相交的第二表面，且所述第一表面与第二表面相交成锐角，所述出射面及为球面；
反光杯，具有一入光口、一出光口及一以弧形曲线作为母线旋转得到的反光内表面，该反光杯的入光口设于所述菲涅尔透镜上，以使经菲涅尔透镜上出射面射出的光线在所述反光内表面反射后从出光口射出。
优选地，所述环状齿槽中，越靠近入射面中心的环形齿槽，其第一表面与第二表面形成的锐角越大。
优选地，所述透镜本体下部还设有一圈向四周凸出的凸沿，所述凸沿与所述反光杯的入光口抵接。
优选地，所述锐角由大到小，依次为61°、55°、50°、43°、41°、39°、36°、33°。
优选地，所述出射面的曲率半径为10-15mm，所述中心圆槽底面的曲率半径为4-6.5mm，透镜本体的高度为10-13mm，所述容纳腔的直径为19-22mm。
本发明的有益效果是：本发明提供的菲涅尔透镜，在光线经入射面射入后，在各个不同的环形凹槽的第一表面及第二表面折射到出射面，而出射面为球面，所以，光线在该球面再次折射后形成准直的光线，如此，实现了小角度出光效果；本发明提供的基于菲涅尔透镜实现非点光源窄光输出装置，利用上述菲涅尔透镜的原理，在光线经过菲涅尔透镜的出射面（球面），二次折射后，半强度角以外的光线再通过反光杯的反光内表面反射，最终由出光口射出，由于反光内表面反射作用，使得该部分光线（半强度角以外的光线）经反射后向菲涅尔透镜的光轴靠拢，即使得大部分光线聚集于中心位置，以减小发光角度，确保射出的光束更窄。
附图说明
图1是本发明实施例一菲涅尔透镜的立体结构示意图；
图2是本发明实施例一菲涅尔透镜的剖视图；
图3是本发明实施例二基于菲涅尔透镜实现非点光源窄光输出装置的剖视图；
图4是本发明实施例二反光杯的配光曲线；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
以下将结合附图及具体实施例详细说明本发明的技术方案，以便更清楚、直观地理解本发明的发明实质。
参照图1至图2所示，本实施例提供了一种菲涅尔透镜10，它包括透镜本体，所述透镜本体具有一容纳腔，该容纳腔主要用以安装光源，所述容纳腔的底面为入射面102，与所述入射面102相对的透镜本体外表面为出射面101。当光源安装于容纳腔中时，光源发出的光束，由容纳腔底部的入射面102进入菲涅尔透镜10，并由出射面101射出。
入射面102设有一中心圆槽1024及多个同心的环状齿槽，所述中心圆槽1024的底面为球面1023，该球面1023向下凸出，位于菲涅尔透镜10的中心位置，光源发出垂直光线直接由该球面1023射入，在该球面1023的折射下，可将这部分垂直的聚集于透镜的光轴上，即该球面1023对光源中心发出的光线起到聚光作用；而环状齿槽包括一垂直于入射面102的第一表面1021及一与所述第一表面1021相交的第二表面1022，且所述第一表面1021与第二表面1022相交成锐角，第二表面1022靠近菲涅尔透镜10的光轴，而第一表面1021远离菲涅尔透镜10的光轴，入射的光线在第一表面1021及第二表面1022发生折射，折射后的光线向透镜的光轴靠拢。
出射面101为球面，该球面向上凸出，该球面的中心与透镜的光轴重合，经过入射面102上的第一表面1021及第二表面1022折射后的光线进入出射面101，而由于出射面101为球面，因此，该进入出射面101的光线，在出射面101上发生二次折射，形成准直的光线，该光线与透镜的光轴平行或呈一较小的夹角，如此，实现了小角度出光效果。
上述入射面102上每个环形齿槽的第一表面1021与第二表面1022所形成的锐角角度不相同，越靠近透镜光轴中心的环形齿槽，其第一表面1021与第二表面1022形成的锐角越大，可通过调整第一表面1021与第二表面1022之间锐角的角度，可实现对菲涅尔透镜10焦距的调整。
本实施例中，环形齿槽有8个，各个环形齿槽优选锐角由大到小，依次为61°、55°、50°、43°、41°、39°、36°、33°，出射面101的曲率半径为10-15mm，优选为12mm，所述中心圆槽1024底面的曲率半径为4-6.5mm，优选为5mm，透镜本体的高度为10-13mm，优选为11.8mm，所述容纳腔的直径为19-22mm，优选为20.11mm。
此外，为了便于菲涅尔透镜10在具体应用过程中的安装，于透镜本体下部还设有一圈向四周凸出的凸沿，该凸沿便于与光源之间的安装。
综上，由于本发明的菲涅尔透镜10，具有较好的聚光效果，而对于非点光源20而言，实现其较小角度出光较为困难，因此，本发明的菲涅尔透镜10可用于非点光源20（如COB光源）以实现较小角度出光。
参照图3所示，本实施例是利用上述菲涅尔透镜10解决较小角度出光的而提供了一种基于菲涅尔透镜10实现非点光源20窄光输出装置，该装置包括非点光源20，菲涅尔透镜10及反光杯30，非点光源20可以是COB光源等。
菲涅尔透镜10安装于所述非点光源20上，该菲涅尔透镜10的具体结构参见图1至图2，包含具有一容纳腔的透镜本体，所述容纳腔的底面为入射面102，与所述入射面102相对的透镜本体外表面为出射面101。当光源安装于容纳腔中时，光源发出的光束，由容纳腔底部的入射面102进入菲涅尔透镜10，并由出射面101射出。入射面102设有一中心圆槽1024及多个同心的环状齿槽，所述中心圆槽1024的底面为球面，该球面向下凸出，位于菲涅尔透镜10的中心位置，光源发出垂直光线直接由该球面射入，在该球面的折射下，可将这部分垂直的聚集于透镜的光轴上，即该球面对光源中心发出的光线起到聚光作用；而环状齿槽包括一垂直于入射面102的第一表面1021及一与所述第一表面1021相交的第二表面1022，且所述第一表面1021与第二表面1022相交成锐角，第二表面1022靠近菲涅尔透镜10的光轴，而第一表面1021远离菲涅尔透镜10的光轴，入射的光线在第一表面1021及第二表面1022发生折射，折射后的光线向透镜的光轴靠拢。出射面101为球面，该球面向上凸出，该球面的中心与透镜的光轴重合，经过入射面102上的第一表面1021及第二表面1022折射后的光线进入出射面101，而由于出射面101为球面，因此，该进入出射面101的光线，在出射面101上发生二次折射，形成准直的光线，该光线与透镜的光轴平行或呈一较小的夹角，其具体结构及原理与实施例一相同，在此不再详细描述。
上述入射面102上每个环形齿槽的第一表面1021与第二表面1022所形成的锐角角度不相同，越靠近透镜光轴中心的环形齿槽，其第一表面1021与第二表面1022形成的锐角越大，可通过调整第一表面1021与第二表面1022之间锐角的角度，可实现对菲涅尔透镜10焦距的调整。环形齿槽有8个，各个环形齿槽优选锐角由大到小，依次为61°、55°、50°、43°、41°、39°、36°、33°，出射面101的曲率半径为10-15mm，优选为12mm，所述中心圆槽1024底面的曲率半径为4-6.5mm，优选为5mm，透镜本体的高度为10-13mm，优选为11.8mm，所述容纳腔的直径为19-22mm，优选为20.11mm。此外，为了便于菲涅尔透镜10的安装，于透镜本体下部还设有一圈向四周凸出的凸沿，所述凸沿与所述反光杯30的入光口302抵接。
反光杯30具有一入光口302、一出光口301及一以弧形曲线作为母线旋转得到的反光内表面，入光口302大小与光源大小相适配，而出光口301相对较大，整个反光杯30由入光口302至出光口301方向的渐扩状，该反光杯30的入光口302设于所述菲涅尔透镜10上。在光线经过菲涅尔透镜10的出射面101（球面）二次折射后，半强度角以外的光线再通过反光杯30的反光内表面反射，最终由出光口301射出，由于反光内表面反射作用，使得该部分光线（半强度角以外的光线）经反射后向菲涅尔透镜10的光轴靠拢，即使得大部分光线聚集于中心位置，以减小发光角度，确保射出的光束更窄。
通过即调整反光内表面的弧形曲线的曲率可调整最终光束与光轴的夹角，如图4所示，为本实施例中反光杯30的配光曲线，在该配光曲线下，反光杯30的出光口301光线角度可缩小到10度之内。
综上，本实施例提供的基于菲涅尔透镜10实现非点光源20窄光输出装置，利用上述菲涅尔透镜10的原理，在光线经过菲涅尔透镜10的出射面101（球面），二次折射后，半强度角以外的光线再通过反光杯30的反光内表面反射，最终由出光口301射出，由于反光内表面反射作用，使得该部分光线（半强度角以外的光线）经反射后向菲涅尔透镜10的光轴靠拢，即使得大部分光线聚集于中心位置，以减小发光角度，确保射出的光束更窄。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制其专利范围，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，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 (10)
1.一种菲涅尔透镜，它包括透镜本体，其特征在于：所述透镜本体具有一容纳腔，所述容纳腔的底面为入射面，与所述入射面相对的透镜本体外表面为出射面，所述入射面设有一中心圆槽及多个同心的环状齿槽，所述中心圆槽的底面为球面，所述环状齿槽包括一垂直于入射面的第一表面及一与所述第一表面相交的第二表面，且所述第一表面与第二表面相交成锐角，所述出射面为球面。
2.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于：所述环状齿槽中，越靠近入射面中心的环形齿槽，所述第一表面与第二表面形成的锐角越大。
3.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于：所述透镜本体下部还设有一圈向四周凸出的凸沿。
4.根据权利要求2所述的菲涅尔透镜，其特征在于：所述锐角由大到小，依次为61°、55°、50°、43°、41°、39°、36°、33°。
5.根据权利要求1或4所述的菲涅尔透镜，其特征在于：所述出射面的曲率半径为10-15mm，所述中心圆槽底面的曲率半径为4-6.5mm，透镜本体的高度为10-13mm，所述容纳腔的直径为19-22mm。
6.一种基于菲涅尔透镜实现非点光源窄光输出装置，其特征在于：它包括
非点光源；
菲涅尔透镜，安装于所述非点光源上，该菲涅尔透镜包含具有一容纳腔的透镜本体，所述容纳腔的底面为入射面，与所述入射面相对的透镜本体外表面为出射面，所述入射面设有一中心圆槽及多个同心的环状齿槽，所述中心圆槽的底面为球面，所述环状齿槽包括一垂直于入射面的第一表面及一与所述第一表面相交的第二表面，且所述第一表面与第二表面相交成锐角，所述出射面为球面；
反光杯，具有一入光口、一出光口及一以弧形曲线作为母线旋转得到的反光内表面，该反光杯的入光口设于所述菲涅尔透镜上，以使经菲涅尔透镜上出射面射出的光线在所述反光内表面反射后从出光口射出。
7.根据权利要求6所述的基于菲涅尔透镜实现非点光源窄光输出装置，其特征在于：所述环状齿槽中，越靠近入射面中心的环形齿槽，其第一表面与第二表面形成的锐角越大。
8.根据权利要求6所述的基于菲涅尔透镜实现非点光源窄光输出装置，其特征在于：所述透镜本体下部还设有一圈向四周凸出的凸沿，所述凸沿与所述反光杯的入光口抵接。
9.根据权利要求7所述的基于菲涅尔透镜实现非点光源窄光输出装置，其特征在于：所述锐角由大到小，依次为61°、55°、50°、43°、41°、39°、36°、33°。
10.根据权利要求6或9所述的基于菲涅尔透镜实现非点光源窄光输出装置，其特征在于：所述出射面的曲率半径为10-15mm，所述中心圆槽底面的曲率半径为4-6.5mm，透镜本体的高度为10-13mm，所述容纳腔的直径为19-22mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Chen Baodong Inventor after: Jie Chaohui Inventor after: Tong Yuzhen Inventor before: Zhang Shu Inventor before: Zeng Guoyou |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: ZHANG SHU CENG GUOYOU TO: CHEN BAODONG JIE CHAOHUI TONG YUZHEN |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |