CN104421834A - 复合透镜及其制造方法以及使用该复合透镜的光源装置 - Google Patents

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CN104421834A CN201310379850.2A CN201310379850A CN104421834A CN 104421834 A CN104421834 A CN 104421834A CN 201310379850 A CN201310379850 A CN 201310379850A CN 104421834 A CN104421834 A CN 104421834A
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    • F21V5/046—Refractors for light sources of lens shape the lens having a rotationally symmetrical shape about an axis for transmitting light in a direction mainly perpendicular to this axis, e.g. ring or annular lens with light source disposed inside the ring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
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Abstract

一种复合透镜的制造方法，包括步骤：提供未完全固化的透镜，该透镜具有相对的入光面和出光面，该透镜的出光面的中心朝向该透镜的入光面凹陷形成凹槽；向该透镜的凹槽中注入光扩散材料形成光扩散层，该光扩散层的折射率小于该透镜的折射率；固化该透镜和光扩散层。本发明还涉及一种由该复合透镜的制造方法所制成的复合透镜以及使用该复合透镜的制造方法所制成的复合透镜的光源装置。本发明中复合透镜的制造方法中，该透镜的凹槽中形成了该光扩散层，光线经过该复合透镜折射后，围绕光场中心的环形区域的光强明显增强，同时光场中心的光强部分削弱，从而形成光强均匀分布的光场，有效消除光场中心形成的亮点及光场边缘的黄晕。

Description

复合透镜及其制造方法以及使用该复合透镜的光源装置
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种复合透镜及其制造方法以及使用该复合透镜的光源装置。
背景技术
发光二极管（light emitting diode，LED）作为一种高效的发光源，具有环保、省电、寿命长等诸多特点已经被广泛的运用于各种领域，特别是背光照明领域。在背光照明领域，为了均匀光线，LED光源通常会搭配一中心凹、两侧凸的扩散透镜使用，使LED光源的光线能以较大角度出射，从而达到大面积照明的效果。
然而，在实际使用中，由于光线在LED光源的光轴附近比较集中，LED光源发出的光线经过透镜的扩散之后，有时并不能完全消除光场中心的亮点以及光场边缘黄晕的现象，光场光强不均匀。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种能够使得LED光源获得均匀出光分布的复合透镜及其制造方法以及使用该复合透镜的光源装置。
一种复合透镜的制造方法，包括步骤：提供一未完全固化的透镜，该透镜具有入光面以及与该入光面相对的出光面，该透镜的出光面的中心朝向该透镜的入光面凹陷形成一凹槽；向该透镜的凹槽中注入光扩散材料形成光扩散层，该光扩散层的折射率小于该透镜的折射率；以及固化该透镜和光扩散层。
本发明还涉及一种由该复合透镜的制造方法所制成的复合透镜以及使用该复合透镜的制造方法所制成的复合透镜的光源装置。
与现有技术相比，本发明中复合透镜的制造方法中该透镜的凹槽中形成了该光扩散层，当光线经过该复合透镜后，围绕光场中心的环形区域的光强明显增强，同时光场中心的光强部分削弱，从而形成光强均匀分布的光场，有效消除光场中心形成的亮点及光场边缘的黄晕。
同时，该复合透镜的制造方法中该未完全固化的透镜和填充于该透镜的凹槽中的光扩散材料经过固化步骤后紧密结合在一起，从而消除了该光扩散层与该透镜接触面之间的间隙，减少了光线在透镜与光扩散层界面上的损失，提升了复合透镜的光线取出效率（light extraction efficiency）。
附图说明
图1为本发明第一实施例的光源装置的立体结构示意图。
图2为图1所示光源装置的倒置立体结构示意图，其中LED光源被隐藏。
图3为图1所示光源装置沿III-III线方向的剖视示意图。
图4为现有技术中一光源装置的光强分布曲线示意图。
图5为图3中所示光源装置的光强分布曲线示意图。
图6为本发明第二实施例的光源装置的剖面示意图。
图7为图1中光源装置的制造方法流程图。
图8为图7所示光源装置的制造方法流程图中步骤S101所得的元件示意图。
图9为图7所示光源装置的制造方法流程图中步骤S102、S103所得的元件示意图。
图10为图7所示光源装置的制造方法流程图中步骤S104所得的元件示意图。
图11为图7所示光源装置的制造方法流程图中步骤S105所得的元件示意图。
图12为图6中光源装置的制造方法流程图。
图13为图12所示光源装置的制造方法流程图中步骤S203所得的元件示意图。
图14为图12所示光源装置的制造方法流程图中步骤S204所得的元件示意图。
主要元件符号说明
光源装置 1、1a
透镜 2
光扩散层 3
包覆层 4
复合透镜 5
LED光源 6
旋转器 7
针头 8
安装面 21
柱面 22
出光曲面 23
出光面 24、33、42、60
入光面 25、32、41
凹槽 26
容置空间 27
荧光粉颗粒 31
圆周面 43
旋转轴 71
支撑板 72
平面 231
内壁面 232
上表面 721
下表面 722
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1至图3，本发明第一实施例的光源装置1包括LED光源6以及与该LED光源6对应设置的复合透镜5。该复合透镜5包括透镜2、位于该透镜2上的光扩散层3以及覆盖于该光扩散层3上的包覆层4。
该透镜2包括一入光面25以及与该入光面25相对设置的出光面24。该透镜2具有一凹槽26。该凹槽26位于该透镜2的出光面24的中心。该光扩散层3和包覆层4均位于该透镜2的凹槽26内。
该透镜2还包括连接该入光面25与出光面24的安装面21。该透镜2的安装面21呈环形平面。该入光面25由该安装面21的内周缘朝向该透镜2的出光面24方向凹陷。该入光面25与该安装面21共同围设出一容置空间27。
该透镜2具有对称中心轴Z。该透镜2的入光面25环绕该透镜2的中心轴Z设置且相对该透镜2的中心轴Z对称。该透镜2的出光面24环绕该透镜2的中心轴Z设置且相对该透镜2的中心轴Z对称。
在本实施例中，该透镜2的入光面25为一椭球面，该入光面25的长轴位于该透镜2的中心轴Z上。在其他实施例中，该透镜2的入光面25可以是球面或者抛物面。
该透镜2的出光面24包括自该安装面21的外周缘垂直向上延伸的柱面22及由该柱面22顶部周缘向内弯曲延伸的出光曲面23。该透镜2的出光曲面23包括一平面231，该平面231为一平行于安装面21的水平面，该平面231位于该出光曲面23的中部。该凹槽26位于该出光曲面23的平面231的中心，即该凹槽26由该平面231的相对该入光面25的位置处朝向该透镜2的入光面25凹陷。
该透镜2的出光面24与透镜2的入光面25之间的距离自透镜2的出光面24的外周缘朝向该出光面24的中心先逐渐增加后逐渐减小，即该透镜2的厚度自该出光面24的柱面22朝向出光面24的出光曲面23中心先增加后减小。
该光扩散层3的形状与该透镜2的凹槽26的形状相匹配。该光扩散层3的形状大致呈倒锥形。该光扩散层3具有入光面32和出光面33。该光扩散层3的入光面32贴设于该透镜2对应该凹槽26处的内壁面232上。
在本实施例中，该光扩散层3的出光面33的高度小于该透镜2的出光曲面23的平面231的高度。该光扩散层3的厚度沿该透镜2的中心轴Z朝向该透镜2出光面24的外周缘（即柱面22）逐渐递减，即该光扩散层3的厚度沿垂直于该透镜2的中心轴Z的径向向外逐渐递减。
该复合透镜5的光扩散层3中还掺杂有转换和散射光线的荧光粉颗粒31，在本实施例中该LED光源6辐射蓝光，该荧光粉颗粒31为黄色荧光粉颗粒，该荧光粉颗粒31用于将该LED光源6辐射的部分蓝光转换为黄光，然后黄光再与剩余蓝光混合形成白光。
该包覆层4覆盖于该光扩散层3的出光面33上，这样能使该光扩散层3与外部空气和水汽有效隔绝。该包覆层4大致呈圆盘状，该包覆层4的圆周面43贴设于该透镜2对应该凹槽26处的内壁面232上。该包覆层4的出光面42与该透镜2的出光曲面23的平面231平齐。该包覆层4的厚度小于该光扩散层3的最大厚度；优选地，该包覆层4的厚度小于该光扩散层3的最大厚度的一半。
该透镜2的材质可为PC塑料（聚碳酸酯）或MS 树脂（甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯），其折射率为1.57~1.59。该光扩散层3的材质PMMA塑料（聚丙烯酸甲酯），其折射率为1.41~1.49。
在本实施例中，该包覆层4的材质与该透镜2的材质相同，即该包覆的材质可为PC塑料（聚碳酸酯）或MS 树脂（甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯），其折射率为1.57~1.59。在其他实施例中，该包覆层4的折射率小于该透镜2的折射率并与该光扩散层3的折射率接近，比如该包覆层4的材质为硅胶，其折射率为1.41。
该LED光源6收容于该容置空间27内。该LED光源6的光轴与该复合透镜5的透镜2的中心轴Z相重合。
该LED光源6发出的光线经过该透镜2的入光面25折射进入透镜2，其中射入该透镜2内的大部分光线经由透镜2的出光曲面23折射出透镜2后，光线由光扩散层3的入光面32折射进入射到该复合透镜5的光扩散层3中，最后光线依次穿透该光扩散层3和包覆层4后进入到空气中；而射入该透镜2内的一部分光线经由该透镜2的柱面22折射后直接进入到空气中。
当该LED光源6发出的光线折射进入该复合透镜5的透镜2并朝向该复合透镜5的光扩散层3传播时，由于该透镜2的折射率较该光扩散层3的折射率大，光线m容易在透镜2与光扩散层3的界面上发生全反射而被限制在透镜2内。具体来说，在本实施例中该透镜2的折射率为1.57，该光扩散层3的折射率为1.49，则光线m在透镜2与光扩散层3的界面上的全反射临界角θ0=71.63度；而当光线m在透镜2与空气的界面上的全反射临界角θ1=39.57度。
由于该光扩散层3的形状为倒圆锥，LED光源6发出的光线m在透镜2与光扩散层3的界面上的入射角度θ随着光线m与中心轴Z的夹角的增加而逐渐增加，即该光线m在透镜2与光扩散层3的界面上的入射角度θ沿垂直于该LED光源6的光轴（该透镜2的中心轴Z）的径向向外逐渐增加。该光扩散层3的出光面33的周缘与LED光源6的光轴（该透镜2的中心轴Z）连线的夹角大于LED光源6发出的光线m在透镜2与空气的界面上的全反射临界角度θ1（即39.57度）。
当透镜2的凹槽26中未设置该光扩散层3和包覆层4时，透镜2内射向该出光曲面23的光线中入射角大于θ1（即39.57度）的光线在透镜2与空气的界面上发生全反射而被限制在透镜2内部，这会降低该透镜2的中心轴Z两侧的光线取出效率（light extraction efficiency）。
当透镜2的凹槽26中设置了该光扩散层3和包覆层4后，光线m在透镜2与光扩散层3的界面上的全反射临界角θ0为71.63度。与透镜2的凹槽26中未设置光扩散层3和包覆层4时相比，该透镜2的凹槽26中设置光扩散层3和包覆层4后，该透镜2内射向该出光曲面23且入射角位于θ1<θ<θ0范围内的光线经由该出光曲面23折射出透镜2后进入到该复合透镜5的光扩散层3中，这部分光线更容易穿透过厚度较小的包覆层4折射进入空气中，从而提高了该复合透镜5的光线取出效率（light extraction efficiency）。
同时，与透镜2的凹槽26中未设置光扩散层3和包覆层4时相比，该透镜2的凹槽26中设置光扩散层3和包覆层4后，该光扩散层3和包覆层4会吸收LED光源6的部分光线，该LED光源6的光线透过该复合透镜后，其光场中心的光强会被部分削弱。在本实施例中，该光扩散层3的光透射率为82%。
请参阅图4，图4为未设置该光扩散层3和包覆层4时，LED光源6的光线经过透镜2所形成的光场强度分布曲线示意图。图4中的横坐标代表在一个平行于该LED光源6的出光面60且位于该复合透镜5上方的一个观察面内任一测量点与LED光源6光轴（即透镜2的中心轴Z）之间的距离，其中横坐标上的0mm代表该LED光源6的光轴（即透镜2的中心轴Z）与该观察面的交点；纵坐标代表测量点所对应的光强值。曲线X代表在观察面内沿第一方向上的光强分布，曲线Y代表在观察面内沿与第一方向垂直的第二方向上的光强分布。
从图4中可以看出，在透镜2的凹槽26未设置该光扩散层3和包覆层4时，LED光源6发出的光线经过透镜2折射后形成的光场分布中，光场中心（中心轴Z附近区域）的光强较强，而位于光场中心两侧的光强较弱。
请参阅图5，图5为LED光源6的光线经过该复合透镜5后所形成的光场强度分布曲线示意图。从图5中可以看出，该透镜2的凹槽26中设置了该光扩散层3和包覆层4后，LED光源6发出的光线经过复合透镜5折射后，围绕光场中心的环形区域的光强明显增强，同时光场中心的光强部分削弱，从而形成光强均匀分布的光场，有效消除光场中心形成的亮点及光场边缘的黄晕。
请参阅图6，与图3所述的光源装置1不同的是，本发明第二实施例的光源装置1a中，该复合透镜5仅包括透镜2以及位于该位于该透镜2的出光面24上的光扩散层3。该光扩散层3的折射率小于该透镜2的折射率。该光扩散层3的入光面32贴设于该透镜2的对应该凹槽26的内壁面232上。该光扩散层3的出光面33与该透镜2的出光曲面23的平面231平齐。
图7为图1中复合透镜5的制造方法的流程图。该复合透镜5的制造方法包括如下步骤：
步骤S101，请一并参阅图8，提供一未完全固化的透镜2，该透镜2具有一入光面25和与入光面25相对的出光面24，该透镜2具有一凹槽26，该凹槽26位于该透镜2的出光面24中部。
在本实施例中，该未完全固化的透镜2通过热压的方式形成。由于该透镜2未完全固化，该未完全固化的透镜2与凝胶（colloidal gel）类似，在外力的挤压下该透镜2 会发生弹性形变，同时该透镜2的入光面25和出光面24的粘着力较强。在其他实施例中，该未完全固化的透镜2通过注塑的方式形成。
该透镜2还包括连接该入光面25与出光面24的安装面21。该透镜2的安装面21呈环形，该透镜2的入光面25由该安装面21的内周缘朝向该透镜2的出光面24方向凹陷。
该透镜2具有对称中心轴Z。该透镜2的入光面25环绕该透镜2的中心轴Z设置且相对该透镜2的中心轴Z对称。该透镜2的出光面24环绕该透镜2的中心轴Z设置且相对该透镜2的中心轴Z对称。
该透镜2的出光面24包括自该安装面21的外周缘垂直向上延伸的柱面22及由该柱面22顶部周缘向内弯曲延伸的出光曲面23。该透镜2的出光曲面23包括一平面231，该平面231位于该出光曲面23的中心。该凹槽26由该透镜2的出光曲面23的平面231朝向该透镜2的入光面25凹陷。
步骤S102和S103，请一并参阅图9，将该未完全固化的透镜2放置于旋转中的旋转器7上，然后向该透镜2的凹槽26中注入光扩散材料形成光扩散层3。该光扩散层3的折射率小于该透镜2的折射率。
该旋转器7包括一旋转轴71以及位于该旋转轴71顶端的支撑板72。该支撑板72具有相对设置的下表面722和上表面721。该未完全固化的透镜2放置于该旋转器7的支撑板72的上表面721上。该未固化的透镜2在旋转器7的旋转轴71的驱动下跟随该支撑板72旋转。
在本实施例中，该光扩散材料为掺杂有荧光粉颗粒31的胶体。该光扩散材料具有一定的粘度。该光扩散材料通过点胶机的针头8注入到该透镜2的凹槽26中。
注入该透镜2的凹槽26中的该光扩散材料在离心力作用下沿垂直于该透镜2中心轴Z的径向向外流动直至注入该凹槽26中的光扩散材料在凹槽26中形成薄层状的光扩散层3（请参阅图10）。
该旋转器7的旋转速度可调节，从而可以通过调节该旋转器7的旋转速度来控制该光扩散材料在凹槽26中形成光扩散层3时的厚度。当该旋转器7的旋转速度越大，该光扩散材料在凹槽26中形成的光扩散层3的厚度越薄；当该旋转器7的旋转速度越小，该光扩散材料在凹槽26中形成的光扩散层3的厚度越厚。
该凹槽26的形状为倒圆锥。注入该透镜2的凹槽26中的该光扩散材料未填满该透镜2的凹槽26。
可以理解地，该复合透镜5的制造方法中步骤S102和S103可以调换，即可以先向该透镜2的凹槽26中注入预定量的光扩散材料之后，再将透镜2放置于旋转中的旋转器7上。
步骤S104，请一并参阅图10，在该透镜2的凹槽26中注入包覆材料以形成覆盖该光扩散层3的包覆层4。
在本实施例中，该包覆材料与该透镜2的材质相同，即该包覆材料为PC塑料（聚碳酸酯）或MS 树脂（甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯），其折射率介于1.57~1.59。在其他实施例中，该包覆材料的折射率可以小于该光扩散层3的折射率，比如该包覆材料为液体硅胶，其折射率为1.41。
在本实施例中，该包覆材料为胶体，该包覆材料的粘度小于该光扩散材料。该包覆材料通过点胶机的针头8注入该透镜2的凹槽26中形成包覆层4以覆盖该光扩散层3，这样能使该光扩散层3与外部空气和水汽有效隔绝。
步骤S105，请一并参阅图11，固化该透镜2、光扩散层3和包覆层4。该透镜2、光扩散层3以及包覆层4通过加热或紫外光照射的方式来进行固化。在本实施例中，该透镜2、光扩散层3以及包覆层4直接暴露于紫外线光下进行固化。
图12为图6中复合透镜5的制造方法的流程图。请一并参阅图13至图14，该复合透镜5的制造方法包括如下步骤：
步骤S201，提供一未完全固化的透镜2，该透镜2具有入光面25和与入光面25相对的出光面24，该透镜2具有凹槽26，该凹槽26位于该透镜2的出光面24的中部。
步骤S202和S203，请一并参阅图13，将该未完全固化的透镜2放置于旋转中的旋转器7上，然后向该透镜2的凹槽26中注入该光扩散材料直至该光扩散材料注满该凹槽26形成光扩散层3。该光扩散层3的折射率小于该透镜2的折射率。
步骤S204，请一并参阅图14，固化该透镜2和光扩散层3。该透镜2和光扩散层3是通过加热或紫外光照射的方式来进行固化的。在本实施例中，该透镜2和光扩散层3直接暴露于紫外线光下进行固化。
在本发明第一实施例的复合透镜5的制造方法中，该未完全固化的透镜2与填充于该透镜2的凹槽26中的光扩散层3以及覆盖于该光扩散层3上的包覆层4经过固化步骤后紧密结合在一起，从而消除了该光扩散层3与该透镜2接触面之间的间隙，当LED光源6辐射的光线通过该复合透镜5时，减少了光线在透镜2与光扩散层3的界面、透镜2与包覆层4的界面以及光扩散层3与包覆层4的界面上的损失，有效提升了光线的取出效率（light extraction efficiency）。
在本发明第二实施例的复合透镜5的制造方法中，该未完全固化的透镜2和填充于该透镜2的凹槽26中的光扩散层3经过固化步骤后紧密结合在一起，从而消除了该光扩散层3与该透镜2接触面之间的间隙，当LED光源6辐射的光线通过该复合透镜5时，减少了光线在透镜2与光扩散层3的界面、以及光扩散层3与包覆层4的界面上的损失，亦提升了光线的取出效率（light extraction efficiency）。
在本发明第一和第二实施例中，该透镜2的凹槽26中形成了该光扩散层3，LED光源6发出的光线经过复合透镜5折射后，围绕光场中心的环形区域的光强明显增强，同时光场中心的光强部分削弱，从而形成光强均匀分布的光场，有效消除光场中心形成的亮点及光场边缘的黄晕。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种像应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合透镜的制造方法，包括步骤：
提供一未完全固化的透镜，该透镜具有入光面以及与该入光面相对的出光面，该透镜的出光面的中心朝向该透镜的入光面凹陷形成一凹槽；
向该透镜的凹槽中注入光扩散材料形成光扩散层，该光扩散层的折射率小于该透镜的折射率；以及
固化该透镜和光扩散层。
2.如权利要求1所述的复合透镜的制造方法，其特征在于：在向该透镜的凹槽中注入光扩散材料之前还包括将该未完全固化的透镜放置于旋转中的旋转器上的步骤。
3.如权利要求1所述的复合透镜的制造方法，其特征在于：在向该透镜的凹槽中注入光扩散材料之后还包括将透镜放置于旋转中的旋转器上的步骤。
4.如权利要求1所述的复合透镜的制造方法，其特征在于：该光扩散材料中掺杂荧光粉颗粒。
5.如权利要求1所述的复合透镜的制造方法，其特征在于：在向该透镜的凹槽中注入光扩散材料形成光扩散层的步骤中，该光扩散材料填满该透镜的凹槽。
6.如权利要求1所述的复合透镜的制造方法，其特征在于：在向该透镜的凹槽中注入光扩散材料形成光扩散层的步骤中，该光扩散材料未填满该透镜的凹槽，在固化步骤之前还包括向该透镜的凹槽中注入包覆材料以形成覆盖光扩散层的包覆层的步骤。
7.如权利要求6所述的复合透镜的制造方法，其特征在于：该光扩散材料和包覆材料均为胶体，该包覆材料的粘度小于该光扩散材料的粘度。
8.如权利要求6所述的复合透镜的制造方法，其特征在于：该包覆层的折射率小于该光扩散层的折射率。
9.一种复合透镜，该复合透镜由权利要求1至8项中任一项所述的复合透镜的制造方法制成，该复合透镜包括一透镜、位于该透镜上的光扩散层，该透镜具有一入光面及与该入光面相对的出光面，该出光面向该入光面方向凹陷形成一凹槽，该光扩散层位于该凹槽内，该光扩散层的折射率小于该透镜的折射率。
10.一种光源装置，包括发光二极管光源，其特征在于：该光源装置还包括一如权利要求9所述的复合透镜，该发光二极管光源位于该复合透镜的透镜的入光面一侧并面向该复合透镜设置。
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