CN104964247B - 一种光学透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光学透镜，包括入光面、出光面、四个转角面和四个侧面，所述入光面呈凸型形状，所述四个侧面呈正方形排布在出光面的四侧，所述四个转角面分别位于所述正方形的四个转角，用于对光线进行折射或反射，所述凹透镜位于所述正方形的中心，所述出光面、四个转角面和四个侧面之间平滑连接，形成罩子形的连续平滑曲面。本发明的一种光学透镜能使LED光源产生正方形光斑，光斑发光角度大，光线转换效率高。

Description

一种光学透镜
技术领域
本发明涉及半导体照明领域，具体涉及一种光学透镜。
背景技术
LED发出的光源是朗伯光源，通常情况下发光角度为120°，朗伯光源的特性是接近中心部分光线密集，而远离中心部分光线稀少，因此在实际应用中，LED光源形成的光斑的照度非常不均匀，因此在半导体照明技术中，常常需要对LED光源进行二次光学设计。现有技术中，已经出现了对LED光源进行二次光学设计而使LED光源最终形成矩形光斑的技术，这些技术主要侧重在LED路灯应用中，使得LED路灯产生矩形光斑，如申请号为201110064474.9和201220108475.9的中国发明专利文献公开的那样，两份专利文献所公开的技术方案都能使LED光源最终形成矩形光斑，但是，由于结构的限制，它们并不能产生正方形光斑，而在诸如LED电视背光源等近距离应用中，正方形光斑比矩形光斑更优。现有技术中，也存在能使LED光源形成正方形光斑的透镜，如申请号为201410540343.7的中国发明专利文献公开一种LED 多面发光平面光源，其中的光学透镜能使LED光源产生正方形光斑，但由于光学透镜的凹透镜与折射和反射面之间、折射和反射面之间都形成对接台阶，而光线在对接台阶处是不连续的，产生了比较严重的损耗，导致光斑均匀性不好，光的转换效率不高。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种能使LED光源形成均匀的正方形光斑、光线转换效率高的正方形光学透镜，采用的技术方案如下：
一种光学透镜，包括入光面、出光面、四个转角面和四个侧面，所述入光面呈凸形形状，所述四个侧面呈正方形排布在出光面的四侧，所述四个转角面分别位于所述正方形的四个转角，用于对光线进行折射或反射，所述凹透镜位于所述正方形的中心，所述出光面、四个转角面和四个侧面之间平滑连接，形成罩子形的连续平滑曲面。
使用时，将LED光源放置于凸形入光面的正下方，LED光源发出的光线通过入光面入射到透镜中并产生最大的折射角，再从出光面入射到空气中，形成正方形光斑。四个转角以及侧面对光线进行折射或全反射，使光斑均匀且提高光线利用率。传统技术中，由于出光面、转角面和侧面之间存在对接台阶，光线在对接台阶处是不连续的，导致发生了光损耗，降低了光线的转换率。而本发明中，所述出光面、转角面和侧面之间平滑连接形成连续平滑曲面，不存在对接界面，因此不存在光损耗，光斑的均匀性更好，光学透镜的光线转换效率达到98%以上。
作为优选，所述罩子形连续平滑曲面由中心向外侧至少划分为第一部分、第二部分和第三部分，光线通过所述第一部分和第二部分入射到空气中的入射角k1满足k1=15°~22°，通过所述第三部分入射到空气中的入射角k2满足k2=12°~17°。
出光面的光通量Φv(λ)与入光面的光通量Φw(λ)满足能量守恒定律，即Φv(λ)=Φw(λ)，且本发明设计当光线通过第一部分和第二部分入射到空气中时，光线的入射角为15°~22°，当通过第三部分入射到空气中时，光线入射角为12°~17°，如此，不仅使得正方形光斑内的点与LED光源入射角是一一对应的关系，通过对光线入射到空气的入射角的设计，还使得LED光源发出的光线从光学透镜中射出形成正方形光斑时，光线在水平方向与光学透镜中轴所成的角度γ=62.57~73.3°，在光斑对角线方向与光学透镜中轴所成的角度ε=70.53~78.02°，发光角度大，可以照明的区域更广。
作为优选，所述罩子形的连续平滑曲面整体呈外凸形或内凹形。
作为优选，所述透镜使LED发出的光线形成正方形光斑。
作为优选，所述入光面是由抛物线绕光学透镜的中轴线旋转形成的。
作为优选，所述入光面是由折线绕光学透镜的中轴线旋转形成的。
作为优选，所述折线由三条线段相连而成。
作为优选，用于折射的转角面与所述正方形的夹角ϭd的取值范围为30°＜ϭd＜90°。
当转角面与所述正方形的夹角ϭd为30°＜ϭd＜90°时，转角面可以将集中在中间部分的光能分散到目标照明区域，使光斑各点照度均匀，提高光的转换效率。
作为优选，用于反射的转角面与所述正方形的夹角ϭd的取值范围为ϭd＞120°。
当转角面与所述正方形的夹角ϭd为30°＜ϭd＜90°时，转角对光线进行全反射，将照射到该转角的光全部反射回透镜，从而提高光的利用率。
本发明的另一个目的是解决现有技术的缺陷，提供一种实现照度均匀的正方形光斑的实现方法，采用的技术方案如下：
正方形光斑的实现方法，包括以下步骤：
S1、确定正方形目标照明区域的边长及LED光源离照明区域的距离；
S2、确定形成所需光斑的光线在水平方向和对角线方向与透镜中轴所成的角度，分别为γ和ε；
S3、确定透镜材料，并根据透镜材料确定透镜的折射率n g ；
S4、根据公式δ =（θ i2 - θ i1 ）+（θ i4 - θ i3 ）、n a sinθ i1 = n g sinθ i2 和n g sinθ i3 = n a sinθ i4 ，确定光线经过透镜的最终折射角度δ，其中，θ i1 和θ i2 分别为光线入射到透镜时产生的入射角和折射角，θ i3 和θ i4 分别为光线从透镜入射空气中时产生的入射角和折射角，n a 是空气的光线折射率；
S5、沿透镜中心向外侧的方向，将罩子形连续曲面分为至少三部分，在满足k1=15°~22°和k2=12°~17°条件下，确定光线通过每一部分入射空气时的入射角大小；
S6、根据需要确定转角面的面积以及其与侧面围成的正方形所成角度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明的一种光学透镜能使LED光源产生正方形光斑，光线转换效率高，光斑区域内的各点与光线入射空气的角度一一对应，正方形光斑的各点照度均匀，并且发光角度也更大，通过转角对光线进行折射或全反射，提高了光斑均匀度和光线利用率。
附图说明
图1是本发明的光学透镜结构示意图；
图2是本发明的光学透镜结构示意图；
图3是本发明实施例1的光学透镜示意图；
图4是本发明实施例1的光学透镜入光面结构示意图；
图5是本发明的实施例1的光学透镜的结构示意图；
图6是本发明的光学透镜产生的光斑的示意图；
图7是本发明的光学透镜产生的光斑的示意图；
图8是本发明的实施例2的光学透镜示意图；
图9是本发明的实施例2的光学光学透镜入光面结构示意图；
图10是本发明的实施例2的光学透镜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图1和图2所示，一种光学透镜，包括呈凸形形状的入光面201、出光面202、四个转角面204和四个侧面203，所述四个侧面203呈正方形排布在出光面202的四侧，所述四个转角面204分别位于所述正方形的四个转角，用于对光线进行折射或反射，所述凹透镜位于所述正方形的中心，所述出光面202、四个转角面204和四个侧面203之间平滑连接，形成罩子形的连续平滑曲面。
所述罩子形连续平滑曲面由中心向外侧划分为第一部分OA、第二部分AB和第三部分BC，光线通过所述第一部分OA和第二部分AB入射到空气中的入射角k1满足k1=15°~22°，通过所述第三部分BC入射到空气中的入射角k2满足k2=12°~17°。
如图3所示，所述罩子形的连续平滑曲面整体呈内凹形。所述透镜使LED发出的光线形成正方形光斑。以该内凹形的连续平滑曲面的四分之一结构为例，图中标号为301、302、303、304、305和309的小区域都属于出光面202，标号为306的小区域属于转角面204，标号为307和308小区域属于侧面203。对于每个小区域，它可以是内凹的，也可以是外凸的，但所有小区域形成的连续平滑曲面整体上是呈内凹形的。
如图4所示，所述入光面1是由抛物线A-3-A-1-A-2绕光学透镜的中轴线旋转形成的。
如图5所示，本实施例中，转角面204对光线进行折射射出，转角面204与所述正方形的夹角ϭd的取值范围为30°＜ϭd＜90°。
如图6所示，LED光源101发出的光线经过本实施例的光学透镜后形成的光斑发光角度大，光线在X轴方向与光学透镜中轴所成的角度γ满足γ=62.57~73.3°，在正方形对角线方向与光学透镜中轴所成的角度ε满足ε=70.53~78.02°。
如图7所示，LED光源101发出的光线经过本实施例的透镜后形成的正方形光斑各点照度均匀。
本实施例的正方形光斑的实现方法包括以下步骤：
S1、确定正方形目标照明区域的边长W及LED光源离照明区域的距离；
S2、确定形成所需光斑的光线在水平方向和对角线方向与透镜中轴所成的角度,分别为γ和ε；
S3、选择透镜材料为玻璃，并确定透镜的折射率n g ；
S4、根据公式δ =（θ i2 - θ i1 ）+（θ i4 - θ i3 ）、n a sinθ i1 = n g sinθ i2 和n g sinθ i3 = n a sinθ i4 ，确定光线经过透镜的最终折射角度δ，其中，θ i1 和θ i2 分别为光线入射到透镜时产生的入射角和折射角，θ i3 和θ i4 分别为光线从透镜入射空气中时产生的入射角和折射角，n a 是空气的光线折射率；
S5、沿透镜中心向外侧的方向，将罩子形连续曲面分为第一部分OA、第二部分AB和第三部分BC，在满足k1=15°~22°和k2=12°~17°条件下，确定光线通过每一部分入射空气时的入射角大小；
S6、根据需要确定转角面204的面积以及其与侧面围成的正方形所成角度ϭd。
实施例2：
如图1和图2所示，一种光学透镜，包括呈凸形形状的入光面201、出光面202、四个转角面204和四个侧面203，所述四个侧面203呈正方形排布在出光面202的四侧，所述四个转角面204分别位于所述正方形的四个转角，用于对光线进行折射或反射，所述凹透镜位于所述正方形的中心，所述出光面202、四个转角面204和四个侧面203之间平滑连接，形成罩子形的连续平滑曲面。
所述罩子形连续平滑曲面由中心向外侧划分为第一部分OA、第二部分AB和第三部分BC，光线通过所述第一部分OA和第二部分AB入射到空气中的入射角k1满足k1=15°~22°，通过所述第三部分BC入射到空气中的入射角k2满足k2=12°~17°。
如图8所示，所述罩子形的连续平滑曲面整体呈外凸形。所述透镜使LED光线形成正方形光斑。以该外凸形的连续平滑曲面的四分之一结构为例，图中标号为801、802、803、804、805和809的小区域都属于出光面202，标号为807的小区域属于转角面204，标号为808和810的小区域属于侧面203。对于每个小区域，它可以是外凸的，也可以是内凹的，但是由每个小区域形成的连续平滑曲面整体呈外凸形。
如图9所示，所述入光面1是由三段相连的线段B-1-B-2、B-2-B-3及B-3-B-4组成的折线绕光学透镜的中轴线旋转形成的。
如图10所示，本实施例中，转角面204对光线进行全反射，转角面204与所述正方形的夹角ϭd的取值范围为ϭd＞120°。
本实施例中，透镜采用树脂材料制成。
本实施例的正方形光斑的实现方法包括以下步骤：
S1、确定正方形目标照明区域的边长W及LED光源离照明区域的距离；
S2、确定形成所需光斑的光线在水平方向和对角线方向与透镜中轴所成的角度,分别为γ和ε；
S3、确定透镜材料为树脂，并根据透镜材料确定透镜的折射率n g ；
S4、根据公式δ =（θ i2 - θ i1 ）+（θ i4 - θ i3 ）、n a sinθ i1 = n g sinθ i2 和n g sinθ i3 = n a sinθ i4 ，确定光线经过透镜的最终折射角度δ，其中，θ i1 和θ i2 分别为光线入射到透镜时产生的入射角和折射角，θ i3 和θ i4 分别为光线从透镜入射空气中时产生的入射角和折射角，n a 是空气的光线折射率；
S5、沿透镜中心向外侧的方向，将罩子形连续曲面划分为第一部分OA、第二部分AB和第三部分BC，在满足k1=15°~22°和k2=12°~17°条件下，确定光线通过每一部分入射空气时的入射角大小；
S6、根据需要确定转角面的面积以及其与侧面围成的正方形所成角度ϭd。

Claims (9)

1.一种光学透镜，包括入光面、出光面、四个转角面和四个侧面，所述入光面为凸形形状，其特征在于，所述四个侧面呈正方形排布在出光面的四侧，所述四个转角面分别位于所述正方形的四个转角，用于对光线进行折射或反射，所述正方形的中心设置有凹透镜，所述出光面、四个转角面和四个侧面之间平滑连接，形成罩子形的连续平滑曲面，所述罩子形连续平滑曲面由中心向外侧至少划分为第一部分、第二部分和第三部分，光线通过所述第一部分和第二部分入射到空气中的入射角k1满足k1＝15°～22°，通过所述第三部分入射到空气中的入射角k2满足k2＝12°～17°。
2.根据权利要求1所述的一种光学透镜，其特征在于，所述罩子形的连续平滑曲面整体呈外凸形或内凹形。
3.根据权利要求2所述的一种光学透镜，其特征在于，所述透镜使LED发出的光线形成正方形光斑。
4.根据权利要求3所述的一种光学透镜，其特征在于，所述入光面是由抛物线绕光学透镜的中轴线旋转形成的。
5.根据权利要求3所述的一种光学透镜，其特征在于，所述入光面是由折线绕光学透镜的中轴线旋转形成的。
6.根据权利要求5所述的一种光学透镜，其特征在于，所述折线由三条线段相连而成。
7.根据权利要求3所述的一种光学透镜，其特征在于，用于折射的转角面与所述正方形的夹角的取值范围为
8.根据权利要求3所述的一种光学透镜，其特征在于，用于反射的转角面与所述正方形的夹角的取值范围为
9.一种根据权利要求3至8任意一项所述的光学透镜形成正方形光斑的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定正方形目标照明区域的边长及LED光源离照明区域的距离；
S2、确定形成所需光斑的光线在水平方向和对角线方向与透镜中轴所成的角度，分别为γ和ε；
S3、确定透镜材料，并根据透镜材料确定透镜的折射率ng；
S4、根据公式δ＝(θi2-θi1)+(θi4-θi3)、nasinθi1＝ngsinθi2和ngsinθi3＝nasinθi4确定光线经过透镜的最终折射角度δ，其中，θi1和θi2分别为光线入射到透镜时产生的入射角和折射角，θi3和θi4分别为光线从透镜入射空气中时产生的入射角和折射角，na是空气的光线折射率；
S5、沿透镜中心向外侧的方向，将罩子形连续曲面分为至少三部分，在满足k1＝15°～22°和k2＝12°～17°条件下，确定光线通过每一部分入射空气时的入射角大小；
S6、根据需要确定转角面的面积以及其与侧面围成的正方形所成角度。
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