CN104132305A - 一种聚光透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚光透镜，包括出光面、侧曲面和入光面，入光面位于透镜底部且凹设于透镜内，形成容纳发光源的内腔。所述内腔顶部设有一向发光源一侧凸起的台阶，内腔侧壁为第一入光面，台阶上的所有点需位于内腔顶部一端与发光源的相对一端相连接所形成的直线上方。被所述第一发光面反射回来的光线投射至所述台阶表面，被所述台阶表面散射或吸收。所述台阶结构的存在阻挡了反射光线从内腔另一侧进入透镜，使透镜投射出的光斑周围无杂环杂晕，大大提高了光斑的均匀性和视觉美感；同时使透镜产生的光线聚焦在中心光强处，增加了中心光强的强度和光斑亮度，且出光效率高。本发明的聚光透镜结构简单，可加工性强，易于生产。

Description

一种聚光透镜

技术领域

本发明属于LED光源照明领域，具体涉及一种聚光透镜。

背景技术

LED灯以其节能、环保、长寿命、可控性高等诸多优点逐渐取代了传统的灯具，被广泛使用。为了能够增加LED灯具的出光效率及光强度，现有技术中有人在LED光源上罩设光学透镜。通过透镜对LED光源发出的光线进行调整和布局，以满足不同的视觉需要，其已被广泛应用在舞台、酒吧、会议室等公共场合。但是该LED透镜产生的主光斑周围往往存在一个杂环，当光源的功率较大时，LED发光源发出的光线经透镜内腔侧壁进入透镜中，其中部分光线会被内腔壁反射回来，并从内腔另一侧进入透镜，最终导致在产生的光斑周围形成有异于主光斑的杂环杂晕，人眼能明显观察到该杂环或杂晕，对LED灯使用的视觉效果产生严重影响。

中国专利(CN103375767)公开了一种具挡余光结构之透镜及其模块，该透镜的第一入光面处设有一挡余光结构，用于阻挡光线经内腔侧壁反射的余光，使得被反射回内腔的部分光线不会从另一侧进入透镜。但其只考虑了余光的阻挡，却忽略了余光消除而引起出光效率和光斑中心光强的降低，而且由于内腔设置尖角结构会大大增加模具注塑的难度容易造成良率降低，此结构加工较难。对于LED灯具照明效果来说杂光的消除和中心光强的提高是同等重要的。故，消除主光斑周围杂环的同时提高中心光强强度和光斑均匀性是急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于为了解决以上的不足，设计了一种聚光透镜，发光源发出的光线通过该聚光透镜，最终形成的光斑周围无杂光产生，且中心光强较强，光线均匀。

我们知道，由于光线在任何一个表面进行折射的时候，实际有部分的光能发生了反射，这种反射通常被称为“菲涅尔损耗”，该反射能量与入射角度、发生折反射两边折射率有关，通常不超过入射光能量的5％。然而，在一些高聚光的设计需求中，这部分反射光能会进入另一侧出射，由于聚光光学系统的光斑很小，这种损耗光很容易形成与中心汇聚光线的分离而形成杂斑。

通过出射面加周期性的细微结构可以降低这种杂光，但降低杂光同时会大幅降低中心光强。如何最小的代价消除杂散光，是本发明的主要考量。

为了实现本发明目的所采用的技术方案是：一种聚光透镜，包括出光面、侧曲面和入光面，所述出光面位于所述透镜顶部，所述侧曲面一侧与所述出光面连接，侧曲面另一侧与所述入光面连接；所述入光面位于所述透镜底部且凹设于所述透镜内，形成容纳发光源的内腔；所述内腔侧壁为第一入光面；所述内腔顶部设有向发光源一侧凸起的台阶，所述台阶上的点均位于所述内腔顶部一端与所述发光源的相对一端相连接形成的直线上方；被所述第一发光面反射回来的光线投射至所述台阶侧表面，被所述台阶侧表面散射或吸收。

优选的，所述台阶为倒梯形结构，所述倒梯形结构的下表面为第二入光面，所述第二入光面位于所述发光源的正上方，所述倒梯形结构的侧壁为第三入光面；

被所述第一发光面反射回来的光线投射至所述第三入光面上，被第三入光面散射或吸收；投射至第二入光面上的光线经第二入光面折射进入透镜内。

优选的，所述第二入光面为平行于所述发光源的平面。

优选的，所述第二入光面为相对于透镜顶部凸起的凸面。

所述凸面与所述出光面相结合，将光源中心部分的光线汇聚出射而不会被打散或损耗，以获得更高的中心光强。

优选的，所述出光面为从上至下的阶梯状台阶结构，所述阶梯状台阶结构的底面位于所述内腔上方。

优选的，所述第二入光面为相对于透镜底面凸起的凸面，且所述阶梯状台阶结构的底面相对于透镜底面向上凸起，透镜底面凸起的曲率大于台阶结构底面的曲率。

所述凸面与所述阶梯状台阶结构的向上凸起的底面相结合，具有一定的聚光作用，即将光源中心部分的光线汇聚出射而不会被打散或损耗，以获得更高和更亮的中心光强。

优选的，所述第三入光面为磨砂结构。

优选的，所述台阶底面为磨砂结构。

优选的，所述侧曲面为由弧线围绕透镜中心对称轴做周向旋转而形成的曲面。

优选的，所述侧曲面内壁为全反射面。

所述反射面可将投射到其上的光线全部反射回去，降低了光的损失率。

优选的，所述发光源为LED发光芯片或LED发光元件。

优选的，所述透镜上表面设有安装件，所述安装件为设于所述透镜上表面边沿的翻边结构；或者，所述安装件为周向设置于所述透镜上边沿的安装孔；以方便聚光透镜在预定位置的安装。

本发明的有益效果在于：

1、本发明聚光透镜中容纳发光源的内腔顶部设有向发光源一侧凸起的台阶结构，台阶结构上的所有点均位于内腔顶部一端与发光源的相对一端相连接形成直线的上方。发光源发出的光线入射至内腔侧壁时，其中大部分光线折射出去，另一部分光线被内腔侧壁反射至台阶结构上，被台阶结构表面散射或吸收；台阶结构的存在使得反射光线无法从内腔另一侧壁进入透镜内，使透镜最终投射出的光斑周围无杂环杂晕，避免了杂光的产生，且提高了形成的光斑的均匀性和视觉美感。

2、本发明聚光透镜内腔的台阶结构为倒梯形结构，且倒梯形结构的下表面位于发光源的正上方，发光源发出的光线部分入射至内腔侧壁，位于发光源中心处的光线向上入射至倒梯形结构的下表面，经下表面的折射进入透镜内，使透镜最终投射出的光斑的中心强度和亮度大大增强，且提高了出光效率。

同时若倒梯形结构的下表面设计为凸起状，或者配合顶部出光面设置为凹曲面，还能具有一定的聚光效果，使出射光线能够聚焦在中心光强处，进一步增强了光斑的中心强度。

3、本发明聚光透镜内腔的台阶结构侧壁为磨砂结构，该磨砂结构使得被反射的光线投射至台阶结构上时，能被台阶结构更好的散射和吸收，进一步提高了最终形成的光斑的均匀性和视觉效果。

同时本发明聚光透镜的出光面呈阶梯状台阶结构，使得从不同角度入射至透镜内的光线所对应的出射光线更加集中，进一步提高了出射光线的均匀性和光斑亮度。

4、本发明聚光透镜不仅避免了杂光的产生，使得透镜最终形成的光斑周围无杂环杂晕，还避免中心光强的明显下降，提高了光线的均匀性和光斑亮度。而且本发明聚光透镜的结构简单，可加工性强，易于生产。

5、本发明中间倒梯形结构下表面使得透镜底部平滑，注塑更加方便；平坦的下表面结构增加了靠近顶部吸光面积的同时，尽量少的避免了光线遮挡。

附图说明

图1是本发明聚光透镜的侧面结构剖视图；

图2是本发明聚光透镜的光路图；

图3是本发明聚光透镜中内腔的台阶结构原理图一；

图4是本发明聚光透镜中内腔的台阶结构原理图二；

图5是传统的聚光透镜的光路图；

图6是本发明的第二种实施方式所对应的侧视剖图；

图7是本发明的第三种实施方式所对应的侧视剖图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：

实施例一：

参照附图1至附图4所示，一种聚光透镜，所述透镜为杯状结构，所述杯状结构从顶部到底部内径逐渐缩小。该透镜包括出光面1、侧曲面2和入光面，所述出光面1位于所述透镜顶部，所述侧曲面2一侧与所述出光面1连接，侧曲面2另一侧与所述入光面连接，所述侧曲面2的内壁为全反射面。所述入光面位于所述透镜底部且凹设于所述透镜内，形成容纳发光源的内腔3，所述内腔3罩设在发光源4上。所述杯状结构底部为圆形面，所述发光源为线型LED发光元件，且位于所述圆形面中心处。所述侧曲面2是由一弧线围绕垂直于所述圆形面的轴线做周向旋转而形成的。所述透镜以所述轴线为中心轴呈轴对称状态。所述出光面1为从上至下的阶梯状台阶结构，所述阶梯状台阶结构的最底面11位于所述内腔3上方。在所述出光面1的上边沿处设有翻边结构和周向间隔设置的安装孔，以方便将聚光透镜安装在预定的位置。

所述内腔3侧壁为第一入光面31，所述内腔3顶部设有一向发光源4的方向凸起的台阶结构5，所述台阶结构5为倒梯形结构。所述倒梯形结构的下表面51为第二入光面，所述第二入光面位于所述发光源4的正上方；所述倒梯形结构的侧壁52为第三入光面。所述台阶结构5上的所有点位于所述内腔3顶部一端3a与所述发光源4相对一端4a相连接所形成的直线的上方。即，以垂直于透镜圆形底面的中心轴为坐标纵轴y，所述中心轴与发光源4的交点为坐标原点(0,0)，透镜底面所在平面为坐标横轴x，所述内腔3侧边顶部最高端点3a的坐标为(a,h)。发光源4的横向长度为L，则发光源4第一端部4a的坐标为(-L/2，0)，发光源第二端部4b的坐标为(L/2，0)，那么内腔顶部端点3a(a,h)与发光源第一端部4a(-L/2，0)相连接形成的直线方程为：

$y=\frac{2h}{2a+l}\·x+\frac{\mathrm{hl}}{2a+l}$

所述台阶结构5上的所有点都需要位于所述直线的上方，发光源4发出的光线一部分入射至所述第一入光面31，一部分入射至所述第二入光面51。入射到第一入光面31上的光线中，大部分光线经所述第一入光面31折射而进入透镜内，然后被透镜侧曲面的内壁全反射至出光面1，从出光面1出射；另一部分光线经第一入光面31反射回来，反射回来的光线被位于反射光线路径上的台阶结构5挡住，反射光线被台阶结构5的第三入光面52散射和吸收。入射至第二入光面51上的光线，经第二入光面折射进入透镜内部，然后从具有阶梯状台阶结构的出光面1出射，最终形成无杂光的光斑。

解决了如图5所示的传统的聚光透镜中被内腔反射回来的光线从内腔另一侧进入透镜而导致最终形成的光斑周围出现杂环杂晕的现象。

所述台阶结构5的设置主要是考虑在挡住尽可能多的菲涅尔反射光线的同时，又不会阻挡到主光线的正常入射。即所述台阶结构的形状大小须满足如附图3和附图4所示的边界条件，经过大量实验证明，若台阶结构越过如附图3中的临界1时，就会开始阻隔到一部分投向侧面的主光线，从而对中心光强造成影响，所以为了阻隔更多的菲涅尔反射光线，台阶结构的边界应尽量逼近临界1。若台阶结构的边界大于临界1但在临界2内时，会有一部分主光线被阻隔，中心光强会有小幅度降低，但由于透镜为成像型，中心光强不会出现大幅度下降，仅为约3％。当凸面结构的边界超过临界2时，中心光强将大幅度降低。所以当台阶上的所有点均位于直线上方时，透镜形成的光斑周围无杂光出现，且不会导致中心光强降低。

中间倒梯形结构下表面使得透镜底部平滑，注塑更加方便；平坦的下表面结构增加了靠近顶部吸光面积的同时，尽量少的避免了光线遮挡。特别是，如果透镜厚度过大的情况下，可以在平台的下表面设置排气孔，从而使得注塑时胶体材料分布更加均匀，提高加工精度和良品率。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于：所述第二入光面为相对于透镜顶部凸起的凸面51a，即凸面向下凸起，参照附图6所示，所述出光面的底面11a为平面型，所述凸面51a与所述出光面的底面11a相结合，可将光源中心部分的光线汇聚出射而不会被打散或损耗，因而获得更高的中心光强。本实施例的聚光透镜可以达到同样的阻挡杂散光的效果。

其他技术特征与实施例一相同，并能达到相同的技术效果，在此不再详细描述。

实施例三：

本实施例与实施例一的区别在于：所述第二入光面为相对于透镜底面凸起的凸面51b，即凸面向上凸起，且所述出光面的底面11b相对于透镜底面向上凸起的曲面，参照附图7所示，投射至第二入光面上的光线经凸面51b折射进入透镜内，并从出光面的底面11b出射，所述凸面51b和出光面的底面11b相结合，达到一定的聚焦作用，可将光源中心部分的光线汇聚出射而不会被打散或损耗，因而获得更高更亮的中心光强。本实施例的聚光透镜可以达到同样的阻挡杂散光的效果。

其他技术特征与实施例一相同，并能达到相同的技术效果，在此不再详细描述。

实施例四：

本实施例与实施例一的区别在于：所述第三入光面为磨砂结构。

经第一入光面反射的光线投射至第三入光面表面，所述磨砂结构使得光线在第三入光面上能被更好的散射和吸收。避免了投射到第一入光面上的光线被反射后从内腔另一侧出射，导致透镜最终产生的光斑周边存在杂环。

其他技术特征与实施例一相同，并能达到相同的技术效果，在此不再详细描述。

实施例五：

本实施例与实施例二的区别在于：所述第三入光面为磨砂结构。

经第一入光面反射的光线投射至第三入光面表面，所述磨砂结构使得光线在第三入光面上能被更好的散射和吸收。避免了投射到第一入光面上的光线被反射后从内腔另一侧出射，导致透镜最终产生的光斑周边存在杂环。

其他技术特征与实施例二相同，并能达到相同的技术效果，在此不再详细描述。

实施例六：

本实施例与实施例三的区别在于：所述第三入光面为磨砂结构。

经第一入光面反射的光线投射至第三入光面表面，所述磨砂结构使得光线在第三入光面上能被更好的散射和吸收。避免了投射到第一入光面上的光线被反射后从内腔另一侧出射，导致透镜最终产生的光斑周边存在杂环。

其他技术特征与实施例三相同，并能达到相同的技术效果，在此不再详细描述。

实施例七：

本实施例与实施例一的区别在于：所述第二入光面为磨砂结构。

相比实施例一，中心出光会被挡掉无法出射但会获得更均匀的光斑效果；其他技术特征与实施例一相同，并能达到相同的技术效果，在此不再详细描述。

实施例八：

本实施例与实施例二的区别在于：所述第二入光面为磨砂结构。

相比实施例二，中心出光会被挡掉无法出射但会获得更均匀的光斑效果；其他技术特征与实施例二相同，并能达到相同的技术效果，在此不再详细描述。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种聚光透镜，包括出光面、侧曲面和入光面，所述出光面位于所述透镜顶部，所述侧曲面一侧与所述出光面连接，侧曲面另一侧与所述入光面连接；所述入光面位于所述透镜底部且凹设于所述透镜内，形成容纳发光源的内腔；

其特征在于，所述内腔侧壁为第一入光面；所述内腔顶部设有向发光源一侧凸起的台阶，所述台阶上的点均位于所述内腔顶部一端与所述发光源的相对一端相连接所形成的直线上方；

被所述第一发光面反射回来的光线投射至所述台阶侧表面，被所述台阶侧表面散射或吸收。

2.根据权利要求1所述的聚光透镜，其特征在于，所述台阶为倒梯形结构，所述倒梯形结构的下表面为第二入光面，所述第二入光面位于所述发光源的正上方；所述倒梯形结构的侧壁为第三入光面；

被所述第一发光面反射回来的光线投射至所述第三入光面上，被第三入光面散射或吸收；投射至第二入光面上的光线经第二入光面折射进入透镜内。

3.根据权利要求2所述的聚光透镜，其特征在于，所述第二入光面为平行于所述发光源的平面。

4.根据权利要求2所述的聚光透镜，其特征在于，所述第二入光面为相对于透镜顶部凸起的凸面。

5.根据权利要求1或2所述的聚光透镜，其特征在于，所述出光面为从上至下的阶梯状台阶结构，所述阶梯状台阶结构的底面位于所述内腔上方。

6.根据权利要求5所述的聚光透镜，其特征在于，所述第二入光面为相对于透镜底面凸起的凸面，且所述阶梯状台阶结构的底面相对于透镜底面向上凸起,透镜底面凸起的曲率大于台阶结构底面的曲率。

7.根据权利要求2所述的聚光透镜，其特征在于，所述第三入光面为磨砂结构。

8.根据权利要求1所述的聚光透镜，其特征在于，所述台阶底面为磨砂结构。

9.根据权利要求1所述的聚光透镜，其特征在于，所述侧曲面为由弧线围绕透镜中心对称轴做周向旋转而形成的曲面。

10.根据权利要求1所述的聚光透镜，其特征在于，所述侧曲面内壁为全反射面。