CN104566209A - 透镜组合及使用该透镜组合的光源装置 - Google Patents

透镜组合及使用该透镜组合的光源装置 Download PDF

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    • F21—LIGHTING
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    • F21Y2101/00—Point-like light sources

Abstract

一种透镜组合，包括第一透镜以及第二透镜，该第一透镜包括入光面以及与入光面相对的出光面，该第二透镜包括若干呈同心圆排布于该第一透镜出光面中心区域的环状微透镜单元，每一微透镜单元包括一内壁面以及外壁面，该第二透镜的多个微透镜单元的内壁面与外壁面之间构成的夹角大小沿微透镜单元的径向自第一透镜出光面中心朝向出光面周缘逐渐增加。本发明中该第一透镜的出光面上设置了第二透镜，由该第一透镜的出光面的中心区域出射的光线经由该第二透镜的多个微透镜单元的外壁面折射后朝向第一透镜的出光面周缘发散，从而降低了光场中心区域的能量，消除了光场中央的亮点，并形成了均匀的光场分布。本发明还涉及一种使用该透镜组合的光源装置。

Description

透镜组合及使用该透镜组合的光源装置
技术领域
本发明涉及一种透镜组合及使用该透镜组合的光源装置。
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，LED光源发出的光线经过透镜的扩散之后，由于出射光线仍然集中在LED光源的光轴附近，出射光场中心区域的能量过高，光场分布不均匀。当将所述LED光源及透镜应用于背光照明中时，会影响整体出光效果。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种能获得均匀出光效果的透镜组合及使用该透镜组合的光源装置。
一种透镜组合，包括一第一透镜以及位于该第一透镜顶部的第二透镜，该第一透镜包括一入光面以及与该入光面相对的一出光面，该入光面用于接收一发光二极管光源的发射光束，该出光面用于将射入至该第一透镜内的光线射出，该第二透镜用于发散该第一透镜的出射光，该第二透镜包括若干呈同心圆排布于该第一透镜出光面中心区域的环状微透镜单元，每一微透镜单元包括一内壁面以及与内壁面连接、且用于发散光线的外壁面，该第二透镜的多个微透镜单元的内壁面与外壁面之间构成的夹角大小沿微透镜单元的径向自第一透镜出光面的中心朝向第一透镜出光面的周缘逐渐增加。
一种光源装置，包括一发光二极管光源及与该发光二极管光源配合的透镜组合，该透镜组合包括一第一透镜以及位于该第一透镜顶部的第二透镜，该第一透镜包括一入光面以及与该入光面相对的一出光面，该入光面用于接收一发光二极管光源的发射光束，该出光面用于将射入至该第一透镜内的光线射出，该第二透镜用于发散该第一透镜的出射光，该第二透镜包括若干呈同心圆排布于该第一透镜出光面中心区域的环状微透镜单元，每一微透镜单元包括一内壁面以及与内壁面连接、且用于发散光线的外壁面，该第二透镜的多个微透镜单元的内壁面与外壁面之间构成的夹角大小沿微透镜单元的径向自第一透镜出光面的中心朝向第一透镜出光面的周缘逐渐增加，该发光二极管光源面向该透镜组合的第一透镜的入光面设置，发光二极管光源出射的光线由该第一透镜的入光面射入至第一透镜内，其中经由第一透镜的出光面的中心区域出射的光线并被位于第一透镜顶部的第二透镜朝向第一透镜的出光面周缘发散。
与现有技术相比，本发明中该第一透镜的出光面上设置了第二透镜，由该第一透镜的出光面的中心区域出射的光线经由该第二透镜的多个微透镜单元的外壁面折射后朝向第一透镜的出光面周缘发散，从而降低了光场中心区域的能量，消除了光场中央的亮点，并形成了均匀的光场分布。
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所示光源装置中透镜组合的倒置立体结构示意图。
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为图3中IV部分的放大示意图。
图5为图1所示的光源模组不包括第二透镜时的光强分布。
图6为图1中所示光源装置的光强分布。
图7为本发明第二实施例的光源装置中透镜组合的部分剖面示意图。
主要元件符号说明
光源装置 1
第一透镜 2
第二透镜 3、3a
发光二极管光源 4
透镜组合 10
出光面 20
第一辅助出光面 21
第二主出光面 22
安装面 23
入光面 24
容置空间 25
微透镜单元 31、31a
水平面 221
内壁面 311
外壁面 312、312a
凹槽 313
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包括一发光二极管光源4以及与该发光二极管光源4配合使用的透镜组合10。该透镜组合10包括一第一透镜2以及位于该第一透镜2顶部的第二透镜3。该第二透镜3包括多个环状微透镜单元31。这些环状微透镜单元31由内至外逐圈排布于该第一透镜2的顶部。
该第一透镜2包括一入光面24以及与该入光面24相对设置的出光面20。该第一透镜2具有一贯穿其出光面20和入光面24的光轴X。该第一透镜2的入光面24和出光面20均关于该第一透镜2的光轴X旋转对称。该发光二极管光源4的发射光束由该第一透镜2的入光面24射入至该第一透镜2内，并经由该第一透镜2的出光面20射出。该第二透镜3用于发散该第一透镜2的出射光束。
该第一透镜2还包括连接该第一透镜2的入光面24与出光面20的一环形的安装面23。该第一透镜2的入光面24位于该安装面23的中心。该入光面24自该环形的安装面23的内缘朝向该第一透镜2内部凹陷。该第一透镜2的入光面24与安装面23共同围设出一容置空间25用于收容该发光二极管光源4。该发光二极管光源4收容于该容置空间25内并正对该透镜组合10的第一透镜2的入光面24设置。该发光二极管光源4的光轴（未标示）与该第一透镜2的光轴X重合。
该第一透镜2的入光面24为一内凹的曲面。在本实施例中，该第一透镜2的入光面24为椭球面的一部分，该入光面24的长轴位于该第一透镜2的光轴X上。在其他实施例中，该第一透镜2的入光面24为球面或抛物面的一部分。
该第一透镜2的出光面20为一外凸的曲面。该出光面20包括自该环形的安装面23的外周缘垂直向上延伸的第一辅助出光面21以及自该第一辅助出光面21的顶缘向上并向内弯曲延伸的第二主出光面22。该第一透镜2的第二主出光面22正对入光面24的中心区域为一大致平坦的水平面221。该多个环形微透镜单元31紧密排布于该第一透镜2的第二主出光面22的水平面221上。该发光二极管光源4发出并射入到该第一透镜2内部的光线中，大部分光线经由该第一透镜2的第二主出光面22射出第一透镜2之外，少部分光线经由该第一辅助出光面21射出第一透镜2之外。该第一辅助出光面21为一圆柱面，该第二主出光面22自该圆柱面的顶端缘向上并向内弯曲形成。
沿该第一透镜2的出光面20中心朝向该出光面20外周缘的方向上，该第一透镜2的出光面20与入光面24之间的距离先逐渐增加后逐渐减小，即沿与该第一透镜2的光轴X垂直的径向向外，该第一透镜2的厚度先逐渐增加后逐渐减小。
请同时参阅图1和图4，每一环状微透镜单元31包括内壁面311以及与该内壁面311连接、且用于发散光线的外壁面312。每一微透镜单元31均环绕该第一透镜2的光轴X设置。
该第二透镜3的多个环状微透镜单元31呈同心圆排列于该第一透镜2的第二主出光面22的水平面221上。该多个环状微透镜单元31的圆心位于该第一透镜2的光轴X上。在本实施例中，该第二透镜3共包括十个环绕该第一透镜2的光轴X设置的环状微透镜单元31。
每一微透镜单元31的外壁面312相对该光轴X平行设置。每一微透镜单元31的内壁面311相对该光轴X倾斜设置。在本实施例中，每一微透镜单元31的外壁面312均为圆柱面，每一微透镜单元31的内壁面311均为凹弧面。在其他实施例中，该内壁面311可为相对该光轴X倾斜的斜面，该外壁面312可为相对该光轴X平行的柱面。
沿第一透镜2的光轴X向远离第一透镜2的方向，每一微透镜单元31的内径逐渐增加。该第二透镜3的多个微透镜单元31紧密排列在一起，即任意两个相邻微透镜单元31中，位于内圈的微透镜单元31的外壁面312与位于外圈的微透镜单元31的内壁面311相连接并围设出一环形的凹槽313。沿该第一透镜2的光轴X朝向远离第一透镜2的方向，该环形凹槽313的宽度逐渐增加。该环形凹槽313的横截面大致呈V形。
每一微透镜单元31的横截面均为三角形，进一步来说，每一微透镜单元31的横截面均为直角三角形。每一环状微透镜单元31的内壁面311和外壁面312之间构成一夹角θ。沿与该第一透镜2的光轴X垂直的径向向外，该第二透镜3的微透镜单元31的内壁面311与外壁面312构成的夹角θ逐渐增大。
相邻两微透镜单元31的外壁面312之间的距离D均相等，沿与该第一透镜2光轴X垂直的径向向外，该第二透镜3的多个微透镜单元31的外壁面312的高度逐渐递减。在本实施例中，相邻两微透镜单元31的外壁面312之间的距离D为0.3mm，位于最内圈的微透镜单元31的外壁面312的高度为0.19mm，位于最外圈的微透镜单元31的外壁面312的高度为0.02mm 。
请参阅图5，当该第一透镜2的出光面20上未设置第二透镜3时，该发光二极管光源4的光线经过由第一透镜2的入光面24进入到第一透镜2内。而由该第一透镜2出光面20出射的光线并未被其它光学元件发散，光场中心区域的能量过高，并在光场中央形成了亮点（hot spot），整个光场的能量分布不均匀。
请参阅图6，当该第一透镜2的出光面20上设置了该第二透镜3时，该发光二极管光源4的光线经过由第一透镜2的入光面24进入到第一透镜2内，其中由第一透镜2的第二主出光面22的中心区域出射的光线被位于第一透镜2顶部的第二透镜3的微透镜单元31的外壁面312朝向第一透镜2的周缘方向发散，最终降低了光场中心区域的能量，消除了光场中央的亮点（hot spot），并形成了均匀的光场能量分布。
具体地，由于内圈的微透镜单元31的外壁面312的高度大于外圈的微透镜单元31的外壁面312的高度，故第一透镜2内部集中于光轴X附近的光线能够更多地射向内圈微透镜单元31的外壁面312上，同时由于该微透镜单元31的外壁面312均为相对该第一透镜2的光轴X平行的圆柱面，该第一透镜2内部集中于光轴X附近并射向内圈的微透镜单元31的外壁面312上的光线在外壁面312上的入射角较大，这些光线最终被内圈的微透镜单元31的外壁面312朝向第一透镜2的周缘大角度折射；外圈的微透镜单元31的外壁面312的高度小于内圈的微透镜单元31的外壁面312的高度，这是因为第一透镜2内部光轴X外侧的光线密度相对光轴X附近的光线密度小很多，即射向外圈的微透镜单元31的外壁面312上的光线密度较小，而该第一透镜2内位于光轴X外侧并射向外圈的微透镜单元31的外壁面312上的光线在外壁面312上的入射角较小，这些光线最终外圈的微透镜单元31的外壁面312朝向第一透镜2的周缘小角度折射。
请参阅图7，与图3所示的光源装置1不同的是，本发明第二实施例的光源装置（未标示）中，该第二透镜3a的多个微透镜单元31a的外壁面312a的高度均相等。沿与该第一透镜2的光轴X垂直的径向向外，相邻两微透镜单元31a的外壁面312a之间的距离D逐渐增加。
可以理解的是，该第二透镜3、3a可以与该第一透镜2一体成型。较佳地，该第二透镜3、3a和该第一透镜2的材质为PMAA塑料（聚丙烯酸甲酯）、PC塑料（聚碳酸酯）或玻璃中的一种，该第二透镜3、3a和该第一透镜2通过注塑的方式一体成型。
还可以理解的是，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)

1.一种透镜组合，包括第一透镜以及设置于该第一透镜顶部的第二透镜，该第一透镜包括入光面以及与该入光面相对设置的出光面，该入光面用于接收一发光二极管光源的发射光线，该第二透镜用于发散由该第一透镜的出光面所出射的光线，其特征在于：该第二透镜包括若干呈同心圆排布于该第一透镜出光面中心区域的环状微透镜单元，每一微透镜单元包括内壁面以及与内壁面连接的外壁面，该第二透镜的多个微透镜单元的内壁面与外壁面之间构成的夹角大小沿微透镜单元的径向自第一透镜出光面的中心朝向第一透镜出光面的周缘逐渐增加。
2.如权利要求1所述的透镜组合，其特征在于：所述第一透镜具有一光轴，每一微透镜单元均环绕该第一透镜的光轴设置，每一微透镜单元的外壁面相对该光轴平行设置，每一微透镜单元的内壁面相对该光轴倾斜设置。
3.如权利要求2所述的透镜组合，其特征在于：每一微透镜单元的内壁面为凹弧面，每一微透镜单元的外壁面为柱面。
4.如权利要求2所述的透镜组合，其特征在于：每一微透镜单元的内径沿光轴向远离第一透镜出光面的方向逐渐增加。
5.如权利要求4所述的透镜组合，其特征在于：每一微透镜单元的横截面均为三角形。
6.如权利要求2所述的透镜组合，其特征在于：任意两个相邻微透镜单元中，位于内圈的微透镜单元的外壁面与位于外圈的微透镜单元的内壁面相连接。
7.如权利要求6所述的透镜组合，其特征在于：相邻两微透镜单元的外壁面之间的距离均相等，沿与该第一透镜光轴垂直的径向向外，该第二透镜的多个微透镜单元的外壁面的高度逐渐递减。
8.如权利要求6所述的透镜组合，其特征在于：该第二透镜的多个微透镜单元的外壁面的高度相等，沿与该第一透镜光轴垂直的径向向外，相邻两微透镜单元的外壁面之间的距离逐渐增加。
9.如权利要求2所述的透镜组合，其特征在于：该第一透镜还包括连接其入光面与出光面的环形安装面，该第一透镜的入光面位于该环形安装面的中心并自该环形安装面的内缘朝向第一透镜内部凹陷，该第一透镜的入光面和出光面均关于该第一透镜的光轴旋转对称，该第一透镜的出光面包括自该环形的安装面的外缘垂直向上延伸的第一辅助出光面和自该第一辅助出光面的顶缘向上并向内弯曲延伸的第二主出光面，该第二透镜位于该第二主出光面的中心区域并与第一透镜一体成型。
10.一种光源装置，包括一发光二极管光源及与该发光二极管光源配合的透镜组合，其特征在于：所述透镜组合为如权利要求1至9项中任一项所述的透镜组合，该发光二极管光源面向该透镜组合的第一透镜的入光面设置，发光二极管光源出射的光线由该第一透镜的入光面射入至第一透镜内，其中经由第一透镜的出光面的中心区域出射的光线并被位于第一透镜顶部的第二透镜朝向第一透镜的出光面周缘发散。
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