CN110469822B - 一种小角度tir透镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小角度TIR透镜系统，包括TIR透镜和线光源，所述TIR透镜为具有碗状结构的旋转对称体，其底部向上凹陷，形成圆台形的凹坑，所述线光源位于凹坑底部；在所述凹坑的顶部设置为凸透镜，所述凹坑的侧面为透镜的折射面，所述TIR透镜的侧壁面为透镜的全反射面，所述TIR透镜的顶部平面为出光面。该透镜系统的线光源两个端点的光线以和TIR透镜的旋转对称轴相同的夹角出射，光线范围更集中，优化了配光角度；而且线光源的端点光线在光斑的投影范围一致，可相互混色，提高色度的空间均匀度。

Description

一种小角度TIR透镜系统

技术领域

本发明涉及LED照明的技术领域，尤其是涉及一种小角度TIR透镜系统。

背景技术

TIR（Total Internal Reflection）透镜指利用内部全反射原理设计的透镜系统，因其高效聚光的特性得到广泛应用。

现有的小角度TIR透镜的设计中为了实现小角度的技术效果，不顾及光斑效果，这样会出现一个主光斑和一个明显的副光斑，而且色度空间不够均匀，一般光斑外围有明显黄斑，无法做到均匀混光。如果将光斑和混光效果做好，角度将变大，K值降低，中心光强变小。

而且现有的TIR透镜系统中，光源设计为点光源，但在实际应用中光源的具有一定的尺寸，当光源尺寸较大时，产生的误差较大，出来的配光角度也会偏大，中心光强和K值也会偏低。

为此，有必要设计出一种TIR透镜，使其配合光源形成系统，在实现小角度照明的同时也能实现整个光斑的均匀过渡，中心光强高。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种小角度TIR透镜系统，其包括小角度TIR透镜和线光源，线光源两个端点的光线以和TIR透镜的旋转对称轴相同的夹角出射，光线范围更集中，优化了配光角度；而且线光源的端点光线在光斑的投影范围一致，可相互混色，提高色度的空间均匀度。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种小角度TIR透镜系统，包括TIR透镜和线光源，所述TIR透镜为具有碗状结构的旋转对称体，其底部向上凹陷，形成圆台形的凹坑，所述线光源位于凹坑底部；在所述凹坑的顶部设置为凸透镜，所述凹坑的侧面为透镜的折射面，所述TIR透镜的侧壁面为透镜的全反射面，所述TIR透镜的顶部平面为出光面。

作为本发明的技术方案的进一步描述，所述线光源的光线一部分经由凹坑的侧面、TIR透镜的侧壁面和顶部平面出射；一部分经由凸透镜和顶部平面出射。

作为本发明的技术方案的进一步描述，所述线光源的光源端点的入射光线经过凹坑的侧面折射后，在TIR透镜的侧壁面交汇，之后全反射从顶部平面出射。线光源的两个端点的光线以与TIR透镜的旋转对称轴相同的夹角出射，根据边缘光线原理，光源其他范围内的光也位于该夹角范围内，因而光线范围更集中，配光角度可以做得更好。通过对光源边缘光线的控制，进而控制整个光斑的色度空间，避免光斑边缘出现黄斑的情况。

另外，线光源两个端点的光是与垂直轴相同的角度出射的，所以两个端点的光在光斑上的直径相同，避免两个端点的光投射到光斑上形成不同的两个光斑，这样可以提高照明均匀度，同时提高中心光强。

由于光源端点上的光线在光斑上的投影范围和直径一致，两个端点的光可相互重叠，进而可以相互混色，提高色度均匀度。

作为本发明的技术方案的进一步描述，所述凸透镜在面向凹坑的那一面为圆弧结构。在一定范围内，凸透镜圆弧结构的直径越小，光斑也越小；反之，圆弧的直径越大，光斑也越大。

作为本发明的技术方案的进一步描述，所述凹坑的截面为类梯形结构。

基于上述的技术方案，本发明取得的技术效果为：

（1）本发明提供的小角度TIR透镜系统，对线光源的端点进行优化设计，通过控制线光源的端点通过TIR透镜的出射路线，在实现小角度照明的同时，使光斑过渡均匀，形成一个主光斑，照度均匀度和中心光强高。

（2）本发明的小角度TIR透镜系统，线光源的光线分别经由凸透镜和凹坑侧面，最后在出光面出射。端点上的光可相互重叠，进而可以相互混色，使色度空间均匀度高，提高照明舒适度。

附图说明

图1为本发明的小角度TIR透镜系统的截面图。

图2为本发明的小角度TIR透镜系统的光路示意图。

图3为本发明的全反射面曲线离散点坐标和斜率的计算流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合附图和具体的实施例对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1

图1给出了本实施例的小角度TIR透镜系统的截面图，如图1所示，一种小角度TIR透镜系统，包括TIR透镜1和线光源2，其中，该TIR透镜具有碗状结构的旋转对称体，其中心轴为旋转对称轴Z。TIR透镜包括底部向上凹陷形成圆台形的凹坑11，设置在凹坑11顶部的凸透镜12，位于外周的侧壁面13以及顶部平面14。

在本实施例中，光源为线光源2，其位于凹坑11的底部，与TIR透镜的底部相平行。在光学设计设计上，线光源2的光线一部分经由凹坑的侧面111、TIR透镜的侧壁面13和顶部平面14出射；一部分经由凸透镜12和顶部平面14出射。在前者的光线走向中，凹坑的侧面111为折射面， TIR透镜的侧壁面13为透镜的全反射面，而顶部平面14为出光面；在后者的光线走向中，凸透镜12为折射面，顶部平面14为出光面。

图2给出了本实施例的小角度TIR透镜系统的光路示意图，如图2所示，线光源的端点a发出的入射光线经过凹坑的侧面111交于c点，在经过侧面111折射后，经过TIR透镜的侧壁面13交于e点；相近地，线光源的端点b发出的入射光线经过凹坑的侧面111交于d点，在经过侧面111折射后，经过TIR透镜的侧壁面13也交于e点，即两个端点的入射光线在全反射面上实现了交汇。直线pe为两条光线ce和de的角平分线，以pe为入射光线，以平行于旋转对称轴Z的直线em为全反射出射光线。而根据光线pe和em，则可以求解点e处的切线3的斜率k。

（1）已知入射光线ac的单位矢量为iac，折射光线ce的单位矢量为ice，侧面111与c点和d点相交的线为一固定直线，其单位法向矢量为in111；已知空气折射率为ni，TIR透镜的折射率为no，由折射定律可列出如下等式：

根据以上等式，可以列出两个方程式，从而求解出c的坐标点。

（2）同理，已知入射光线bd的单位矢量为ibd，折射光线de的单位矢量为ide，由折射定律可列出如下等式：

根据以上等式，可以列出两个方程式，从而求解出d的坐标点。

（3）由上述求出的c和d的坐标点，可以求出折射光线ce和de的单位矢量ice和ide，则有以下等式：

（4）因出射光线em为垂直线，其单位矢量iem为已知，则切线3的单位矢量i3为以下等式，进而求解出斜率k。

图3给出了本实施例的全反射面曲线离散点坐标和斜率的计算流程图，如图3所示，为了计算侧壁面13（全反射面）中e点的坐标和对应的斜率，先需要计算出c点和e点的坐标，然后计算出单位矢量ice和ide，进而计算出中位线pe的单位矢量ipe，最后得出点e处的斜率。根据点e及该处的斜率，再进行计算下一个曲线离散点的坐标。

在本实施例中，线光源2的两个端点a和b的光线以与TIR透镜的旋转对称轴相同的夹角出射，根据边缘光线原理，光源其他范围内的光也位于该夹角范围内，因而光线范围更集中，配光角度可以做得更好。

另外，线光源两个端点的光是与垂直轴相同的角度出射的，所以两个端点的光在光斑上的直径相同，避免两个端点的光投射到光斑上形成不同的两个光斑，这样可以提高照明均匀度，同时提高中心光强和K值。

由于光源端点上的光线在光斑上的投影范围和直径一致，两个端点的光可相互重叠，进而可以相互混色，提高色度均匀度，在本实施例中，色度的空间均匀度提高了45%。

回到图1，TIR透镜中的凸透镜在面向凹坑的那一面为圆弧结构，凹坑的截面则为类梯形结构。在一定范围内，凸透镜圆弧结构的直径越小，光斑也越小；反之，圆弧的直径越大，光斑也越大。在本实施例中，可以通过调整凸透镜的圆弧直径，进而对光斑的大小进行调整。

本实施例提供的小角度TIR透镜系统，对线光源的端点进行优化设计，通过控制线光源的端点通过TIR透镜的出射路线，在实现小角度照明的同时，使光斑过渡均匀，形成一个主光斑，照度均匀度和中心光强高；另外端点上的光可相互重叠，进而可以相互混色，使色度空间均匀度高，提高照明舒适度。

以上内容仅仅为本发明的结构所作的举例和说明，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种小角度TIR透镜系统，其特征在于，包括TIR透镜（1）和线光源（2），所述TIR透镜为具有碗状结构的旋转对称体，其底部向上凹陷，形成圆台形的凹坑（11），所述线光源（2）位于凹坑（11）底部；在所述凹坑（11）的顶部设置为凸透镜（12），所述凹坑的侧面（111）为透镜的折射面，所述TIR透镜的侧壁面（13）为透镜的全反射面，所述TIR透镜的顶部平面（14）为出光面；

所述线光源（2）的光源端点的入射光线经过凹坑的侧面（111）折射后，在TIR透镜的侧壁面（13）交汇，之后全反射从顶部平面（14）出射；

所述线光源（2）的两个端点a和b的光线以与TIR透镜的旋转对称轴相同的夹角出射。

2.根据权利要求1所述的小角度TIR透镜系统，其特征在于，所述线光源（2）的光线一部分经由凹坑的侧面、TIR透镜的侧壁面和顶部平面出射；一部分经由凸透镜和顶部平面出射。

3.根据权利要求1所述的小角度TIR透镜系统，其特征在于，所述凸透镜（12）在面向凹坑（11）的那一面为圆弧结构。

4.根据权利要求1所述的小角度TIR透镜系统，其特征在于，所述凹坑的截面为类梯形结构。