CN106594674A - 一种基于点光源的准直透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于点光源的准直透镜，所述准直透镜为旋转对称结构，所述点光源设置在透镜旋转对称轴上，该准直透镜包括第一入射面、第二入射面、反射面和出射面；所述光源发出的光线分成两个部分，第一部分光线从空气进入到所述第一入射面，经所述第一入射面折射后，再经所述出射面折射出射；第二部分光线从空气进入到所述第二入射面，经所述第二入射面折射后再经所述出射面的全反射后入射到所述反射面，然后经所述反射面的反射后再经所述出射面折射出射。该准直透镜在保持光学性能的同时，降低了透镜的体积和重量，减少了制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及透镜技术领域，具体涉及一种基于点光源的准直透镜。
背景技术
在LED汇聚光学系统的紧凑化趋势背景下，由于LED光源亮度仍然比一些气体放电光源低，因此光源和光学系统都有集成和薄型化的需求。为了获得较高的中心光强，COB光源将逐渐替代分离式LED成为高功率LED照明灯具的主要应用光源。然而，由于COB LED的热量较分立式LED更为集中，模组或灯具需要更大的散热空间，更小的高度口径比的光学系统显然更适应这种应用的需要。
目前LED汇聚光学系统中，RIXR形式（光源发出的光线经折射-全反射-反射-折射四个光学过程）的透镜是能够实现理想汇聚比的高度口径比最低的光学系统之一。这种类型的透镜最早是由Minano等人用于太阳能聚光器，Munoz设计了带挖空内腔的RIX（光源发出的光线经折射-全反射-反射三个光学过程）透镜使其适用于LED。通过在侧面使用V字形凹槽避免了下反射面镀膜的工艺，设计了无反射面的带挖空内腔的RIX透镜并同时实现了均匀的色空间分布。迄今为止，尚没有双曲面同时设计（SMS）方法以外的其他设计方法能够实现这种高紧致型透镜的设计。然而，这种设计方法过程复杂，设计可行性对初始条件设置非常敏感，设计自由度低。且透镜高度与孔径成正比，随着孔径增大，高度也同比例的提高，导致透镜体积与重量很大，增加了其在大孔径小角度应用中的成本。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于点光源的准直透镜，该准直透镜可以解决现有技术中其体积与重量很大的缺陷，降低了透镜的制造成本。且该透镜便于设计和加工。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于点光源的准直透镜，所述准直透镜为旋转对称结构，所述点光源设置在透镜旋转对称轴上，该准直透镜包括第一入射面、第二入射面、反射面和出射面，其特征在于：
所述第一入射面位于透镜背部中心，所述第二入射面围绕所述第一入射面设置；所述光源发出的光线分成两个部分，第一部分光线从空气进入到所述第一入射面，经所述第一入射面折射后，再经所述出射面折射出射；第二部分光线从空气进入到所述第二入射面，经所述第二入射面折射后再经所述出射面的全反射后入射到所述反射面，然后经所述反射面的反射后再经所述出射面折射出射。
作为优选，所述第一入射面为自由曲面。本申请所述自由曲面，指表面形状不能被连续加工的，具有传统加工成型的任意性特点的曲面。该类曲面不能由画法几何与机械制图表达清楚，而由复杂方式自由变化的曲线曲面即所谓的自由曲线曲面组成。
作为优选，所述第二入射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线为一由初等函数表达的曲线，曲线方程为h=f(x),其中h为纵坐标即高度方向坐标，x为横坐标即横向扩展方向的坐标。
作为优选，所述曲线方程h=f(x)为多项式函数。
作为优选，所述第二入射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线的斜率从靠近光轴到远离光轴逐渐减少。
作为优选，所述反射面的斜率从靠近光轴到远离光轴逐渐增加。
作为优选，所述出射面包括第一出射面和第二出射面，所述第一出射面位于透镜正面中心，所述第二出射面围绕所述第一出射面设置；其中，第一部分光线从空气进入到所述第一入射面，经所述第一入射面折射后，再经所述第一出射面折射出射；第二部分光线从空气进入到所述第二入射面，经所述第二入射面折射后再经所述第二出射面的全反射后入射到所述反射面，然后经所述反射面的反射后再经所述第二出射面折射出射。
作为优选，所述透镜的总高度与出射面的直径的比值不大于0.25，其中透镜的总高度为所述出射面的顶部到透镜底部的距离。
作为优选，所述第二入射面距离光轴最近的起始点与光轴有一定距离，所述起始点与透镜底部中心的连线与光轴的夹角为5-25度。
作为优选，所述第一出射面为平面，所述第二出射面也为平面；或者，所述第一出射面为平面，所述第二出射面为锥面。
相对于现有技术，本发明取得了有益的技术效果：提供一种基于点光源的超薄紧致性准直透镜，在保持光学性能的同时，降低了透镜的体积和重量，减少了制造成本。具体地，通过第一部分的光线与光轴夹角较小，故而让其直接出射形成小角度光线；第二部分的光线是与将那些与光轴夹角较大的光线通过全反射曲面准直出射，这样的设计能够充分利用各个角度的光线形成准直出射，保持较高光学效率的同时能够有效控制光线的传输效率。该透镜可通过点光源设计方法，即基于几何光学原理找到需要设计的曲面上的各点切向矢量，进而计算出反射面或折射面各点，最后通过旋转对称的方法生成三维透镜，设计方法简单可行，加工便利。
附图说明
图1为本发明第一实施例的准直透镜示意图。
图2为本发明第二实施例的准直透镜示意图。
图3为第二实施例使用Cree XP-G LED光源的光路模拟图。
图4为第二实施例的准直透镜在5米接受屏的照度分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
实施例1
参见图1，本发明公开了一种基于点光源的准直透镜，所述准直透镜为旋转对称结构，所述点光源设置在透镜旋转对称轴上，该准直透镜包括第一入射面1、第二入射面2、反射面3和出射面4，所述第一入射面1位于透镜背部中心，所述第二入射面2围绕所述第一入射面1设置；所述光源发出的光线分成两个部分，第一部分光线从空气进入到所述第一入射面1，经所述第一入射面1折射后，再经所述出射面4折射出射；第二部分光线从空气进入到所述第二入射面2，经所述第二入射面2折射后再经所述出射面4的全反射后入射到所述反射面3，然后经所述反射面3的反射后再经所述出射面4折射出射。其中，所述第一入射面1为自由曲面。
所述第二入射面2被经过旋转对称轴的平面所截形成曲线的曲线方程h=f(x)为多项式函数,其中h为纵坐标即高度方向坐标，x为横坐标即横向扩展方向的坐标。上述曲线的斜率从靠近光轴到远离光轴逐渐减少。所述反射面3的斜率从靠近光轴到远离光轴逐渐增加。
优选地，所述出射面4包括第一出射面41和第二出射面42，所述第一出射面41位于透镜正面中心，所述第二出射面42围绕所述第一出射面41设置；其中，第一部分光线从空气进入到所述第一入射面1，经所述第一入射面1折射后，再经所述第一出射面41折射出射；第二部分光线从空气进入到所述第二入射面2，经所述第二入射面2折射后再经所述第二出射面42的全反射后入射到所述反射面3，然后经所述反射面3的反射后再经所述第二出射面42折射出射。
优选地，所述第一出射面41为平面，所述第二出射面为锥面42。
实施例2
参见图2，本实施例公开的透镜由旋转对称的光滑曲面组成，其折射率介于1.4-1.6之间。其中，第二入射面2被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线为一个七次多项式，距离光轴最近的起始点21和光源中心O的连线与光轴的夹角为12度。反射面3进行镀反射膜处理。该透镜不能利用的阈值θ（i）为84.85deg，大于该角度的曲面为自然延展。
所述反射面3被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线为斜率不断缓慢增大的曲线，该曲线起始点31距离光轴的距离为6.67mm，该曲线起始点31与光源位于同一水平高度。该曲线起始点31的斜率为0.33，整个曲线缓慢增长，该曲线终止点32的斜率为0.66。所述出射面4被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线为一直线，该直线从光轴为起点向外不断升高，该直线与水平面的夹角为0.1度。所述出射面4末端高度约为该位置距离光轴距离的0.181。该透镜的总高度与出射面4的直径的比值不大于0.25。
图3为使用Cree XP-G LED光源的该透镜模拟图，该模拟中同时考虑了透镜的菲涅尔损耗。从该图可以看出，大多数光线都能够准直出射。图4为该透镜在5米接受屏的照度分布图，照度接受面距离光源5米，宽度为1m×1m。在x=0轴线上，按照中心照度值的10%的位置定义光斑大小，两种透镜的光斑大小模拟值均为大约0.4m。透镜的光学效率88.47%，在接受面上的光学效率为84.12%；接受面最大照度为1410lx。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种基于点光源的准直透镜，所述准直透镜为旋转对称结构，所述点光源设置在透镜旋转对称轴上，该准直透镜包括第一入射面、第二入射面、反射面和出射面，其特征在于：
所述第一入射面位于透镜背部中心，所述第二入射面围绕所述第一入射面设置；所述光源发出的光线分成两个部分，第一部分光线从空气进入到所述第一入射面，经所述第一入射面折射后，再经所述出射面折射出射；第二部分光线从空气进入到所述第二入射面，经所述第二入射面折射后再经所述出射面的全反射后入射到所述反射面，然后经所述反射面的反射后再经所述出射面折射出射。
2.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于：所述第一入射面为自由曲面。
3.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于：所述第二入射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线为一由初等函数表达的曲线，曲线方程为h＝f(x),其中h为纵坐标即高度方向坐标，x为横坐标即横向扩展方向的坐标。
4.根据权利要求3所述的准直透镜，其特征在于：所述曲线方程h＝f(x)为多项式函数。
5.根据权利要求3所述的准直透镜，其特征在于：所述第二入射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线的斜率从靠近光轴到远离光轴逐渐减少。
6.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述反射面的斜率从靠近光轴到远离光轴逐渐增加。
7.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述出射面包括第一出射面和第二出射面，所述第一出射面位于透镜正面中心，所述第二出射面围绕所述第一出射面设置；其中，第一部分光线从空气进入到所述第一入射面，经所述第一入射面折射后，再经所述第一出射面折射出射；第二部分光线从空气进入到所述第二入射面，经所述第二入射面折射后再经所述第二出射面的全反射后入射到所述反射面，然后经所述反射面的反射后再经所述第二出射面折射出射。
8.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述透镜的总高度与出射面的直径的比值不大于0.25，其中透镜的总高度为所述出射面的顶部到透镜底部的距离。
9.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述第二入射面距离光轴最近的起始点与光轴有一定距离，所述起始点与透镜底部中心的连线与光轴的夹角为5-25度。
10.根据权利要求7所述的准直透镜，其特征在于，所述第一出射面为平面，所述第二出射面也为平面；或者，所述第一出射面为平面，所述第二出射面为锥面。
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