CN103528018A - 一种产生方形光斑的led透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生方形光斑的透镜和光学系统，用在LED点光源芯片的前方，该透镜具有前表面，后表面以及侧面，所述前表面是一个呈一定曲率的部分球面，所述侧面为圆柱面，所述后表面为内凹的非球面形状。本发明结构设计合理，聚光效果好，便于加工，可节省加工成本，可在照射面形成一个的方形光斑，使光照更为均匀，可以有效提高光的利用率。

Description

一种产生方形光斑的LED透镜

技术领域

本发明属于LED技术领域，尤其涉及一种产生方形光斑的LED透镜。

背景技术

LED制造技术不断进步，与传统光源比，LED体积小，发光效率高，光的单色性好，耗电量少，使用寿命长，安全可靠，发热量低，因而得到越来越广泛的应用，在许多应用场合甚至可以将其当作电光源来处理，这给灯具的光学设计带来了很大的便利，同时，避免了大尺寸传统光源灯具中出现的光源遮挡与吸收作用。目前大功率白光LED的光效已达到1001m/w，稳定的产品的光效也有901m/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，而这要依靠提高LED灯的有效光利用率。但是就目前的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，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。其中申请公布号为CN102401319A的中国发明专利公开了一种LED二次光学透镜，该透镜使用了反射加折射两种光路配合使用来形成方形光斑，光路复杂，并且折射光路部分采用了非球面透镜，这种透镜一般是树脂透镜或玻璃透镜，如果要实现批量加工，无论采用树脂透镜或玻璃透镜，都需要采用模具进行加工，且针对不同的透镜大小和透镜曲率条件要制作不同的模具，模具数量较多，模具成本昂贵；本专利公开的透镜两侧为球面和柱面，可采用磨制工艺制作，透镜形状精度和表面粗糙度都优于开模制作，透镜光学性能更好，加工成本低廉，小规模和大规模生产均适用。同时在紫外方形光斑应用中，需要采用石英玻璃，石英玻璃熔点高，不能采用模具热压工艺制作，本专利采用磨制方式可避免上述困难。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种产生方形光斑的LED透镜，用在LED光源的前方，该LED透镜只采用折射光路，其光路及结构简单、聚光效果好，在照射面形成照度均匀的方形光斑，光斑呈带圆角的方形，方形光斑去除了圆形光斑周围的无用部分，并且是采用汇聚光线的方式，而不是采用遮挡或者裁截的方式，因此它具有节约光能的效果，能量利用率更高，从而可以有效提高光的利用率，达到节能的目的。本专利申请中设计的透镜，其前面是磨制的球面，后面是磨制的两个相互垂直的内凹的部分柱面，球面和柱面都是透镜加工中最基础的，制作工艺简单，是一般的光学镜片加工的公司都能加工的，具有较低的应用门槛，因此本专利申请中设计的透镜便于加工，降低成本，并且可以应用到紫外和红外范围(即选用玻璃镜片作为材料时也可以批量加工)。除此之外，LED光源用于工程照明时，往往根据不同的使用场合或客户要求进行配光。在一些使用场合，比如舞台探照灯，美术展览投光灯，博物馆展览投光灯的打光效果，对于方形光斑有特殊要求，紫外固化中紫外光线对一些方形工件的边缘照射等，本发明都能起到形成方形光斑的配光作用。

为达上述目的，本发明提供的LED透镜采用了如下的技术方案：

一种产生方形光斑的LED透镜，用在LED芯片的前方，该透镜具有前表面，后表面以及侧面，所述前表面是一个呈一定曲率的部分球面，所述后表面为内凹的非球面形状；

优选地，所述内凹的非球面形状由两个内凹的部分圆柱面垂直相交形成，其中两个内凹的部分圆柱面是相同的或不同的；

优选地，LED点光源芯片包括但不限于可见光、红外光、紫外光，同时包括但不限于单色光、复合光；

优选地，所述LED透镜的材料包括但不限于光学玻璃、石英玻璃(包括红外石英玻璃和紫外石英玻璃)、PMMA塑料树脂或PC塑料树脂；

优选地，所述的部分球面的曲率根据具体光源和光路以及透镜材质的不同而不同；

优选地，所述垂直相交的部分圆柱面的曲率根据具体光源和光路以及透镜材质的不同而不同；

优选地，根据LED的封装和发光角度不同，所述LED透镜或单独使用，或与其它光学组件组合使用，所述其它光学组件起到汇聚光线的作用，所述LED透镜起到形成方形光斑作用；

优选地，所述部分球面和/或所述两个内凹的部分圆柱面包括磨制形成的面；

优选地，所述其它光学组件为半球状光学透镜、凸透镜。

一种光学系统，包括LED光源，被照射面，和上述的LED透镜。

附图说明

图1为本发明的产生方形光斑的LED透镜的侧面视图。

图2为本发明的产生方形光斑的LED透镜的后表面加工过程视图。

图3为本发明的产生方形光斑的LED透镜的后表面视图。

图4为使用本发明的产生方形光斑的LED透镜的光学系统侧视图。

图5为本发明的产生方形光斑的LED透镜提供的方形光斑。

图6为本发明的产生方形光斑的LED透镜提供的方形光斑。

符号说明

1、LED透镜后表面；2、LED透镜前表面；3、水平方向的内凹的部分圆柱面；4、垂直方向的内凹的部分圆柱面。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

在图4中，选取封装宽度为w的LED点光源芯片，在芯片前端L1处放置半径为r的半球状光学透镜，在透镜前端L2的位置处放置本发明透镜，其后表面为沿两个相互垂直方向的半径R11的内凹的部分圆柱面3、4(见图3)，其前表面是曲率为R12的部分球面2(见图1)，透镜总厚度为T1，在本发明LED透镜前端L3处放置被照射面，如光屏，接收到的光斑如图5所示，光斑为边长约X的方形光斑。

将图4中本发明的透镜做变更，其后表面为沿两个相互垂直方向的半径R21的内凹的部分圆柱面3、4(见图3)，其前表面是曲率为R22的部分球面2(见图1)，透镜总厚度为T2，同样在本发明透镜前端L3处放置被照射面，如光屏，接收到的光斑如图6所示，光斑为边长约Y的方形光斑。

其中，LED透镜后表面的制作过程如图2所示，通过普通透镜磨制的方式，将后表面磨成一个一定半径的内凹的部分圆柱面(图2中圆形轮廓内部的LED透镜部分会被磨掉)，然后再在相垂直的方向上磨出另一个相同的内凹的部分圆柱面，这样会形成如图3所示的透镜后表面。

在此说明书中，本发明已参照如上两种其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (10)

1.一种产生方形光斑的LED透镜，用在LED芯片的前方，该透镜具有前表面，后表面以及侧面，所述前表面是一个呈一定曲率的部分球面，所述后表面为内凹的非球面形状。

2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述内凹的非球面形状由两个内凹的部分圆柱面垂直相交形成，其中所述两个内凹的部分圆柱面是相同的或不同的。

3.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于：LED芯片包括但不限于可见光、红外光、紫外光，同时包括但不限于单色光、复合光。

4.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于：所述LED透镜的材料包括但不限于光学玻璃、石英玻璃(包括红外石英玻璃和紫外石英玻璃)、PMMA塑料树脂或PC塑料树脂。

5.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于：所述的部分球面的曲率根据具体光源和光路以及透镜材质的不同而不同。

6.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于：所述内凹的部分圆柱面的曲率根据具体光源和光路以及透镜材质的不同而不同。

7.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于：根据LED的封装和发光角度不同，所述LED透镜或单独使用，或与其它光学组件组合使用，所述其它光学组件起到汇聚光线的作用，所述LED透镜起到形成方形光斑作用。

8.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于：所述部分球面和/或所述两个内凹的部分圆柱面包括磨制形成的面。

9.根据权利要求7所述的透镜，其特征在于：所述其它光学组件为半球状光学透镜、凸透镜。

10.一种光学系统，包括LED光源，被照射物，和如权利要求1～9中任意一项所述的LED透镜。

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