CN105020677A - 一种用于近场均匀照明的广角透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于近场均匀照明的广角透镜，包含内凹面、外凸面、底面和定位支架；所述内凹面为光源入射面，该内凹面为阶段性非连续曲面，对入射光线进行发散；所述外凸面为出光面，该外凸面由出射光强分布确定，该出射光强可根据能量守恒公式求得，外凸面对出射光线方向进行控制；所述底面为反射面。该种透镜可以有效增大发光二极管的出光角度，提高目标面边缘照度。使得采用该种透镜不仅可以减少发光二极管的使用数量和目标面的距离，从一定程度上减少生产成本，还可以保证目标面的照度均匀性。

Description

一种用于近场均匀照明的广角透镜

技术领域

本发明属光学透镜领域，具体涉及一种近场均匀照明的广角透镜。

背景技术

近年来，发光二极管具有高效率、光色性能好和能耗低等优点，被广泛应用于室内外照明和背光源，其中以平面发光形式的面板灯、广告灯箱和显示器的应用十分普遍。

从结构上区分，平面发光应用分为侧入式和直下式两种照明方式。侧入式照明需要采用导光板将发光二极管的入射光线反射出去。侧入式照明体积较小，导光板技术较为成熟，。但发光二极管与导光板之间存在着耦合效率低、成本高和出光面尺寸受限制，较适合用于小面积出光，如手机、电脑显示屏、平板电脑等。传统直下式照明将发光二极管直接布置于目标面底部，由于发光二极管近似朗伯型发光体，照度会随着距离的增加而迅速衰减，造成边缘照度的叠加效果并不理想，因此直下式照明需要高密度排布发光二极管才能在目标面形成均匀出光的效果，但是容易增加成本和厚度。

因此，有效减少直下式照明发光二极管的使用数量，同时降低平面发光形式的厚度，实现超薄化和出光面照度均匀，并且从一定程度上降低生产成本，成为目前行业内亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中在直下式背光源中所存在的缺陷，本发明提供一种用于近场均匀照明的广角透镜，可以有效解决以上问题，且可应用于具有较大面积的发光二极管。

为了达到上述目的，本发明提供的一种用于近场均匀照明的广角透镜，包含内凹面、外凸面、底面和定位支架；所述内凹面为光源入射面，该内凹面为阶段性非连续曲面，对入射光线进行发散；所述外凸面为出光面，该外凸面由出射光强分布确定，该出射光强可根据能量守恒公式求得，外凸面对出射光线方向进行控制；所述底面为反射面。

在一较佳实施例中：所述透镜的内凹面和外凸面分别关于中心轴旋转对称。

在一较佳实施例中：所述内凹面为阶段性非连续曲面，该阶段性非连续曲面通过确定目标面高度，由非成像理论的能量守恒公式计算得到。

在一较佳实施例中：所述阶段性非连续曲面由多片自由曲面组成。

在一较佳实施例中：所述能量守恒公式可以表示为:

$2\mathrm{\π}\underset{{\mathrm{\θ}}_i}{\overset{{\mathrm{\θ}}_{i+1}}{\∫}}I\left(\mathrm{\θ}\right)sin\mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\φ}}{N}$

其中I(θ)为出射光强分布,θ为光线出射角度,φ为光源总光通量，N为等分个数。

在一较佳实施例中：所述出射光强分布I(θ)可表示为

I(θ)＝a₀+a₁θ²+a₂θ⁴+a₃θ⁶+a₄θ⁸

其中a0、a2、a4、a6为函数未知变量。

在一较佳实施例中：出射光强分布I(θ)与照明区域照度E(θ)关系为

$E\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{I\left(\mathrm{\θ}\right)cos\mathrm{\θ}}{r^2}$

其中r为沿出射光线从光源到目标面的距离。

在一较佳实施例中：所述照明区域照度E(θ)可根据均方根误差与测试点平均值的最小值求出，根据均方根误差与测试点平均值的最小值表示为：

$Min=\frac{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{E{\left(\mathrm{\θ}\right)}^2}{N}}}{E\left(\mathrm{\θ}\right)}N$

在一较佳实施例中:所述底面带有微结构。

在一较佳实施例中：所述微结构为倒金字塔或磨砂或多段台阶或半球或不规则波纹。

本发明提供的一种近场均匀照明的广角透镜，采取上述方案后的有益效果在于：

该种透镜可以有效增大发光二极管的出光角度，提高目标面边缘照度。使得采用该种透镜不仅可以减少发光二极管的使用数量和目标面的距离，从一定程度上减少生产成本，还可以保证目标面的照度均匀性。

附图说明

图1本发明近场均匀照明的广角透镜的结构示意图；

图2本发明近场均匀照明的广角透镜的剖面示意图；

图3实施方式中底面含微结构的透镜剖面图；

图4实施方式中目标面照明区域上的照度分布图；

图5实施方式中目标面照明区域上的光强分布图；

图中：

1-发光二极管                        2-内凹面

3-外凸面                            4-底面

5-定位支架                          6-目标面

7-微结构。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图进行详细阐述。

图1和图2所示透镜为本发明一种近场均匀照明的广角光学透镜，采用折射率为1.45-1.6的透明材料，通过注塑工艺制造而成。材料不限于聚碳酸酯(PC)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

如图2所示，本例中，广角透镜绕着Z轴旋转对称。所述的光学透镜，包含内凹面2、外凸面3、底面4、定位支架5和微结构7。所述的发光二极管1置于透镜底部中心轴正下方，光源发光面与底面齐平。所述内凹面2为光源入射面，该内凹面2为阶段性非连续曲面，对入射光线进行发散；所述外凸面3为出光面，该外凸面3由出射光强分布确定，该出射光强可根据能量守恒公式求得，外凸面对出射光线方向进行控制；所述底面为反射面。

目标面置于光源发光表面正上方30mm处。发光二极管发出的光强分布近似朗伯型，出射光束通过内凹面2均匀散射后再通过外凸面3进行折射，外凸面3将大部分入射光线以大角度再次折射至目标面，小部分入射光线则反射到底面4，底面4与外凸面和内凹面相连，底面4含有微结构，将反射光线再次反射至目标面6。

所述能量守恒公式可以表示为:

$2\mathrm{\π}\underset{{\mathrm{\θ}}_i}{\overset{{\mathrm{\θ}}_{i+1}}{\∫}}I\left(\mathrm{\θ}\right)sin\mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\φ}}{N}$

其中I(θ)为出射光强分布,θ为光线出射角度,φ为光源总光通量，N为等分个数。

所述出射光强分布I(θ)可表示为

I(θ)＝a₀+a₁θ²+a₂θ⁴+a₃θ⁶+a₄θ⁸

其中a0、a2、a4、a6为函数未知变量。

在一较佳实施例中：出射光强分布I(θ)与照明区域照度E(θ)关系为

$E\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{I\left(\mathrm{\θ}\right)cos\mathrm{\θ}}{r^2}$

其中r为沿出射光线从光源到目标面的距离。

所述照明区域照度E(θ)可根据均方根误差与测试点平均值的最小值求出，根据均方根误差与测试点平均值的最小值表示为：

$Min=\frac{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{E{\left(\mathrm{\θ}\right)}^2}{N}}}{E\left(\mathrm{\θ}\right)}N$

本发明内凹曲面2为多片非连续曲面拼接而成，内凹面的半径由上往下不断扩大，呈阶梯式下降，且每个曲面的曲率不同，主要将光源的出射光线均匀的进行大角度散射，曲面数据由非成像理论能量守恒公式计算得到。

本实例优选地，由5片非连续曲面拼接而成，最大内凹面曲面直径为5.84mm，内凹面高度为3.2mm,适用于大面积光源，不限于贴片光源3030,3528。

本发明外凸面3为自由曲面，外凸面3主要由光源面积大小和目标面距离有关，将由内凹面2的出射光线折射至目标面6指定位置，再次增大出光角度，曲面数据由非成像理论能量守恒公式计算得到。本实例优选地，由贴片光源3030计算得到，外凸面最高点为4mm。

本发明采用微结构7设于底面4上，使外凸面3的全反射光线反射至底面4时进行漫反射，减少中心轴的照度，减少光的散逸和多次反射吸收，提高目标面的照度均匀性和出光效率。本实例微结构7采用倒金字塔，优选的边长为0.5mm，高度为0.3mm。

本发明采用定位支架5，定位支架设于朝向发光二极管底部，定位支架设于透镜外凸面最大直径外围，起到一个定位光源中心和限制底面4与光源表面距离的作用，以此保证广角透镜的光学性能。本实例优选地，直径1.5mm，高度3mm的圆柱。

本发明广角透镜的出光角度达到160°，有效增大发光二极管的出光角度，且透镜最大半径为8.75mm，透镜体积小。该种透镜可以提高目标面边缘照度，使得采用该种透镜不仅可以减少发光二极管的使用数量和目标面的距离，从一定程度上减少生产成本，还可以保证目标面的照度均匀性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于近场均匀照明的广角透镜，其特征在于：包含内凹面、外凸面、底面和定位支架；所述内凹面为光源入射面，该内凹面为阶段性非连续曲面，对入射光线进行发散；所述外凸面为出光面，该外凸面由出射光强分布确定，该出射光强可根据能量守恒公式求得，外凸面对出射光线方向进行控制；所述底面为反射面。

2.如权利要求1所述的一种用于近场均匀照明的广角透镜，其特征在于：所述透镜的内凹面和外凸面分别关于中心轴旋转对称。

3.如权利要求1所述的一种用于近场均匀照明的广角透镜，其特征在于所述内凹面为阶段性非连续曲面，该阶段性非连续曲面通过确定目标面高度，由非成像理论的能量守恒公式计算得到。

4.如权利要求3所述的一种用于近场均匀照明的广角透镜，其特征在于：所述阶段性非连续曲面由多片自由曲面组成。

5.如权利要求1所述的一种用于近场均匀照明的广角透镜，其特征在于：所述能量守恒公式可以表示为:

$2\mathrm{\π}\underset{{\mathrm{\θ}}_i}{\overset{{\mathrm{\θ}}_{i+1}}{\∫}}I\left(\mathrm{\θ}\right)sin\mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\φ}}{N}$

其中I(θ)为出射光强分布,θ为光线出射角度,φ为光源总光通量，N为等分个数。

6.如权利要求5所述的一种用于近场均匀照明的广角透镜，其特征在于：所述出射光强分布I(θ)可表示为

I(θ)＝a₀+a₁θ²+a₂θ⁴+a₃θ⁶+a₄θ⁸

其中a0、a2、a4、a6为函数未知变量。

7.如权利要求6所述的一种用于近场均匀照明的广角透镜，其特征在于：出射光强分布I(θ)与照明区域照度E(θ)关系为

$E\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{I\left(\mathrm{\θ}\right)cos\mathrm{\θ}}{r^2}$

其中r为沿出射光线从光源到目标面的距离。

8.如权利要求7所述的一种用于近场均匀照明的广角透镜，其特征在于：所述照明区域照度E(θ)可根据均方根误差与测试点平均值的最小值求出，根据均方根误差与测试点平均值的最小值表示为：

$Min=\frac{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{E{\left(\mathrm{\θ}\right)}^2}{N}}}{E\left(\mathrm{\θ}\right)}N$

9.如权利要求1所述的一种用于近场均匀照明的广角透镜，其特征在于:所述底面带有微结构。

10.如权利要求9所述的一种用于近场均匀照明的广角透镜，其特征在于:所述微结构为倒金字塔或磨砂或多段台阶或半球或不规则波纹。