CN104566211A - 复合透镜及使用该复合透镜的光源装置 - Google Patents

Abstract

一种复合透镜，包括一第一透镜以及设置于第一透镜顶部的第一光萃取层和第二光萃取层，该第一透镜包括入光面以及与该入光面相对的出光面，该第一透镜的顶部具有一凹槽，该第一光萃取层和第二光萃取层依次形成于该凹槽内，该第二光萃取层位于该第一光萃取层上方，该第一光萃取层的折射率小于第一透镜的折射率，该第二光萃取层的折射率小于第一光萃取层的折射率。与现有技术比较，本发明中该凹槽内设置有第一、第二光萃取层，且第一、第二光萃取层的折射率大小依次递减，从而有效降低光线全反射，有效提升了透镜的光线取出效率，部分削弱了光场中心区域的光强同时有效增强了光场中心区域外侧的光强。本发明还涉及一种使用该复合透镜的光源装置。

Description

复合透镜及使用该复合透镜的光源装置

技术领域

本发明涉及一种复合透镜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，发光二极管光源通常会搭配扩散透镜使用，使发光二极管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，发光二极管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发光二极管光源的光轴附近，出射光场中心区域的能量过高、中心区域外侧的能量较弱，导致整个光场的能量分布不均匀。当将所述发光二极管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。

一种复合透镜，包括用于扩散一发光二极管光源发射光束的第一透镜以及位于第一透镜顶部的第一光萃取层和第二光萃取层，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，该第一透镜的顶部具有一凹槽，该凹槽位于第一透镜的出光面的中心区域并朝向该第一透镜的入光面凹陷，该第一光萃取层和第二光萃取层依次形成于该第一透镜的凹槽内，该第二光萃取层位于该第一光萃取层上方，该第一光萃取层的折射率小于第一透镜的折射率，该第二光萃取层的折射率小于第一光萃取层的折射率。

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复合透镜，该复合透镜包括用于扩散一发光二极管光源发射光束的第一透镜和设置于该第一透镜顶部的第一光萃取层和第二光萃取层，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，该第一透镜的顶部具有一凹槽，该凹槽位于第一透镜的出光面的中心区域并朝向该第一透镜的入光面凹陷，该第一光萃取层和第二光萃取层依次形成于该第一透镜的凹槽内，该第二光萃取层位于该第一光萃取层上方，该第一光萃取层的折射率小于第一透镜的折射率，该第二光萃取层的折射率小于第一光萃取层的折射率，该发光二极管光源面向该复合透镜的第一透镜的入光面设置。

与现有技术比较，本发明中该凹槽内设置有第一、第二光萃取层，且第一、第二光萃取层的折射率大小依次递减，从而有效降低光线全反射，有效提升了透镜的光线取出效率，部分削弱了光场中心区域的光强同时有效增强了光场中心区域外侧的光强，使得整个光源装置获得了均匀的出光。

附图说明

图1为本发明第一实施例的光源装置立体结构示意图。

图2为图1所示光源装置中第一透镜的倒置立体结构示意图。

图3为图1所示光源装置沿III-III线方向的剖面示意图。

图4为图1中所述光源装置未设置第一光萃取层和第二光萃取层时的光强分布曲线示意图。

图5为图1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。

主要元件符号说明

光源装置	1、1a
		第一透镜	2
第一光萃取层	3
		第二光萃取层	4
凹槽	5
		发光二极管光源	6
第三光萃取层	7
		安装面	21
第一辅助出光面	22
		第二主出光面	23
出光面	24
		入光面	25
收容空间	27
		顶面	32、42、72
荧光粉颗粒	43
		光发射面	60
顶部	231

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6、与该发光二极管光源6配合的第一透镜2以及位于该第一透镜2顶部的第一光萃取层3和第二光萃取层4。该第一透镜2的顶部具有一凹槽5。该第一光萃取层3和第二光萃取层4依次形成于该凹槽5内。该第二光萃取层4位于该第一光萃取层3的上方。该第一光萃取层3的折射率小于该第一透镜2的折射率。该第二光萃取层4的折射率小于该第一光萃取层3的折射率。

该第一透镜2包括一入光面25、与该入光面25相对设置的出光面24以及连接该入光面25和出光面24的环形安装面21。该入光面25位于该安装面21的中心区域，该入光面25自该环形安装面21的内周缘朝向该第一透镜2的出光面24凹陷。

该第一透镜2的出光面24包括自安装面21的外周缘垂直向上延伸的第一辅助出光面22以及由第一辅助出光面22顶部周缘向上并向内弯曲延伸的第二主出光面23。在本实施例中，该第一辅助出光面22为一圆柱面。该凹槽5位于该第一透镜2的第二主出光面23的中心区域。

该第一透镜2具有一贯穿该其入光面25和出光面24的光轴Z。该第一透镜2的入光面25和出光面24均相对于该光轴Z旋转对称。在本实施例中，该出光面24的第二主出光面23为一外凸的曲面，该入光面25为一内凹的曲面。具体地，该入光面25为椭球面的一部分，且该入光面25的长轴位于该光轴Z上。在其他实施例中，该入光面25为球面或者抛物面的一部分。

沿与该第一透镜2的光轴Z垂直的径向向外，该第一透镜2的出光面24和入光面25之间的间距先逐渐增加后逐渐减小。换句话说，沿与该第一透镜2的光轴Z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。

该第一透镜2的入光面25与安装面21共同围设出一收容空间27。该发光二极管光源6收容于该收容空间27之中。该发光二极管光源6的光发射面60面向该第一透镜2的入光面25设置。该发光二极管光源6远离光发射面60的底面与第一透镜2的安装面21平齐。该发光二极管光源6位于该第一透镜2的光轴Z上，以使得发光二极管光源6的光线尽可能多的耦合到该第一透镜2中。

该发光二极管光源6发出的光线，经由该第一透镜2的入光面25射入到第一透镜2的内部，其中大部分光线经由该第二主出光面23折射出第一透镜2，少部分光线经由该第一辅助出光面22折射出第一透镜2。

该凹槽5呈漏斗状。该凹槽5的横截面大致呈V形。沿第一透镜2的光轴Z朝向远离第一透镜2的入光面25的方向，该凹槽5的横截面宽度逐渐增大。该第一光萃取层3贴设于该凹槽5的底部，该第二光萃取层4覆盖于该第一光萃取层3上。该第二光萃取层4远离该第一透镜2的入光面25的顶面42与该第二主出光面23顶部231平齐。在其他实施例中，为了后续能够在凹槽5中继续形成光萃取层或者密封层，该第二光萃取层4的顶面42与该第二主出光面23顶部231不平齐，而是彼此间隔一段距离，即第一光萃取层3和第二光萃取层4并未填满该凹槽5。

在本实施例中，该第一光萃取层3的厚度不均匀。沿与该第一透镜2的光轴Z垂直的径向向外，该第一光萃取层3的厚度逐渐递减。在其他实施例中，该凹槽5的形状可为矩形或者柱形，该第一光萃取层3均匀填充于该矩形或者柱形凹槽5的底部，即该第一光萃取层3的厚度均匀。

该第一透镜2的材质可为PC塑料（聚碳酸酯）、PS塑料（聚苯乙烯）或MS 树脂（甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯），其折射率介于1.57~1.59。该第一光萃取层3、第二光萃取层4的材质为PMMA塑料（聚丙烯酸甲酯）或silicon塑料（有机硅塑料），其折射率介于1.24~1.49。

该第一光萃取层3或者第二光萃取层4的成型方式如下：首先将原料（颗粒状或粉末状的有机硅塑料，亦或是颗粒状或粉末状的聚丙烯酸甲酯塑料）填充于该第一透镜2的凹槽5内，接着压平原料顶部以有效提升原料的密合度、减少原料之间形成的空隙，最后再对压实的原料进行UV（紫外光）固化。

该发光二极管光源6发出并射入到第一透镜2内的光线中，大部分光线朝向该第二主出光面23传播，这些光线容易在第一透镜2与第一光萃取层3的界面上发生全反射而被限制在第一透镜2内。具体来说，在本实施例中该第一透镜2的折射率为1.57，该第一光萃取层3的折射率为1.49，该第一光萃取层3的折射率为1.24，则光线在第一透镜2与第一光萃取层3的界面上的全反射临界角为71.63度，这些光线在第一透镜2与空气的界面上的全反射临界角为39.57度。

类似地，由第一光萃取层3中射向该第二光萃取层4的光线在第一光萃取层3的顶面32上的全反射临界角为56.33度，这些光线在第一光萃取层3与空气的界面上的全反射临界角为42.16度。

与未在凹槽5中形成第一光萃取层3和第二光萃取层4相比较，该第一透镜2内朝向该第二主出光面23传播的光线中，在该第二主出光面23上入射角度在39.57度~71.63度之间的光线均能从第一透镜2折射进入第一光萃取层3中；而该第一光萃取层3中射向该第二光萃取层4的光线中，在该第一光萃取层3的顶面32上入射角度在42.16度~56.33度之间的光线均能从第一光萃取层3折射进入第二光萃取层4中，从而大大提升了整个光源装置1的光线取出效率（light extraction efficiency）。

请参阅图4，为第一透镜2的凹槽5内未设置第一光萃取层3和第二光萃取层4时，发光二极管光源6发出的光线经过第一透镜2折射后所形成的光场分布。从图4所示光强曲线分布可以看出，在光场中心区域（即第一透镜2的光轴Z附近）的光强比较强，形成了一个“尖峰”，而位于光场中心区域外侧（即第一透镜2的光轴Z外侧的环形区域）的部分光线由于受到全反射作用而限制在第一透镜2内部，导致光场中心区域外侧光强变弱，并形成了一个环绕“尖峰”的“肩部”，光强曲线不平滑，说明光强分布差异较大。

请参阅图5，为第一透镜2的凹槽5内设置第一光萃取层3和第二光萃取层4后，发光二极管光源6发出的光线经过第一透镜2、第一光萃取层3和第二光萃取层4的多次折射后所形成的光场分布。由于第一光萃取层3和第二光萃取层4能够将位于光场中心区域外侧（即第一透镜2的光轴Z外侧的环形区域）的光线更多的取出，大大提升了光源装置1的光取出效率，从而使得光场中心区域外侧光强得到增强；同时由于该第一透镜2光轴Z附近的部分光线被第一光萃取层3和第二光萃取层4所阻挡，会部分削弱光场中心区域的光强。从图5所示光强曲线分布可以看出，光强曲线比较平滑，说明整体光强分布比较均匀。

请参阅图6，与图1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，该凹槽5中于第二光萃取层4上形成一第三光萃取层7。该第三光萃取层7的顶面72与该第二主出光面23顶部231平齐。

该第三光萃取层7的顶面72为一粗糙面，从而有效散射射向该第三光萃取层7的光线。具体地，该第三光萃取层7的顶面72通过蚀刻或光刻的方式形成若干连续的微型凹槽。在其他实施例中，该第一光萃取层3的顶面32和第二光萃取层4的顶面42均为粗糙面。

该第二光萃取层4中掺杂有用于散射和转换该发光二极管光源6光线波长的荧光粉颗粒43。具体地，该发光二极管光源6发蓝光，该荧光粉颗粒43优选为黄色荧光粉用以将部分蓝光转换为黄光，转换后的黄光与未被该荧光粉颗粒43转换的剩余蓝光混合后产生白光。在其他实施例中，该第一光萃取层3和第三光萃取层7内可掺杂荧光粉，比如红色或者绿色荧光粉，从而有效提升白光的显色性（color rendering index）。

本案中，通过在第一透镜2的顶部的凹槽5中依次设置多个光萃取层，这些光萃取层的折射率大小依次递减，从而有效降低光线全反射，大大提升了光源装置1、1a的光线取出效率，同时增强了光场中心区域外侧的光强而部分削弱了光场中心区域的光强，获得了均匀的光场分布。

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 (11)

1.一种复合透镜，包括用于扩散一发光二极管光源发射光束的第一透镜，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，其特征在于：该复合透镜还包括位于第一透镜顶部的第一光萃取层和第二光萃取层，该第一透镜的顶部具有一凹槽，该凹槽位于第一透镜的出光面的中心区域并朝向该第一透镜的入光面凹陷，该第一光萃取层和第二光萃取层依次形成于该第一透镜的凹槽内，该第二光萃取层位于该第一光萃取层上方，该第一光萃取层的折射率小于第一透镜的折射率，该第二光萃取层的折射率小于第一光萃取层的折射率。

2.如权利要求1所述的透镜，其特征在于：该第一透镜具有一光轴，该光轴贯穿该第一透镜的入光面和出光面，该凹槽的横截面宽度沿第一透镜的光轴朝向远离第一透镜入光面的方向逐渐增大。

3.如权利要求2所述的透镜，其特征在于：该凹槽呈漏斗状，该凹槽的横截面为V形。

4.如权利要求2所述的透镜，其特征在于：该第一光萃取层贴置于该凹槽的底部，该第二光萃取层覆盖于该第一光萃取层上，该第二光萃取层远离该第一透镜的入光面的外表面与第一透镜的出光面的顶部平齐。

5.如权利要求2所述的透镜，其特征在于：该复合透镜还包括形成于该凹槽内并覆盖该第二光萃取层的第三光萃取层，该第三光萃取层的折射率小于该第二光萃取层的折射率。

6.如权利要求5所述的复合透镜，其特征在于：该第三光萃取层远离该第一透镜的入光面的顶面与第一透镜的出光面的顶部平齐。

7.如权利要求6所述的复合透镜，其特征在于：该第三光萃取层的顶面为粗糙面。

8.如权利要求5所述的复合透镜，其特征在于：该第二光萃取层中进一步掺杂有荧光粉颗粒。

9.如权利要求2所述的复合透镜，其特征在于：所述第一透镜还包括一环形安装面，该安装面连接该第一透镜的入光面与出光面，该第一透镜的入光面位于环形安装面的中心区域，该第一透镜的入光面自该安装面的内缘朝向该第一透镜的出光面凹陷。

10.如权利要求9所述的复合透镜，其特征在于：该第一透镜的出光面包括自该环形安装面外周缘垂直向上延伸的第一辅助出光面以及由第一辅助出光面顶部周缘向上并向内弯曲延伸的第二主出光面，该凹槽位于该第一透镜的第二主出光面的中心区域。

11.一种光源装置，包括一发光二极管光源及与该发光二极管光源配合的复合透镜，其特征在于：所述复合透镜为如权利要求1至10项中任一项所述的复合透镜，该发光二极管光源面向该复合透镜的第一透镜的入光面设置。