CN113803693A - 一种基于全反射原理和透射原理的平面透镜 - Google Patents

一种基于全反射原理和透射原理的平面透镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于全反射原理和透射原理的平面透镜，所述平面透镜包括透明镜体，所述透明镜体具有安装面、密封槽、定位柱、单体透镜和出射面，所述单体透镜包括底面和全反射面，所述入射面包括大角度入射面和小角度入射面，所述全反射面包括纵向全反射面和横向全反射面，所述纵向全反射面与横向全反射面之间为过渡面。该平面透镜具有表面平整、便于清洁、透光率高及LED光源光利用率高等优点。

Description

一种基于全反射原理和透射原理的平面透镜
技术领域
本发明涉及一种光学设计构件，尤其是涉及一种基于全反射和透射原理的平面透镜。
背景技术
目前，LED芯片的光度分布为郎伯型，照射在路面上的光斑呈圆形，有近一半光线照射在道路以外，使得整个LED芯片光利用率低，且光斑中心亮、周围暗，容易在道路上形成斑马纹，产生光污染和眩光等问题。因此，在路灯、隧道灯等LED照明灯具的结构组成上均采用二次光学处理的配光透镜，由于光度分布的需要，现有灯具透镜表面结构一般采用近似“W”型的自由曲面。该结构透镜外表面凹凸不平，长时间使用会在外表面沉积灰尘及汽车尾气的油污等且难以清理，从而导致透镜的透光率降低。同时，由于透镜外表面凹凸不平，容易造成透镜出光表面挤压磨损，从而影响透镜的配光质量。有些灯具在结构上设计了钢化玻璃，将玻璃安装在透镜外侧来解决平面清洁问题，但玻璃会使灯具光损7%。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于全反射和透射原理的平面透镜，整个透镜光学设计基于全反射原理和透射原理，解决了LED芯片光利用率低，且透镜出光表面采用整体平面设计，解决了透镜出射面的凹凸不平，难以清洁，极易磨损等问题。
本发明实施例提供了一种基于全反射原理和透射原理的平面透镜，包括透明镜体，所述透明镜体所述透明镜体具有安装面、密封槽、定位柱、单体透镜和出射面。
作为上述技术方案的改进，所述单体透镜包括透镜底面和全反射面。
作为上述技术方案的进一步改进，所述透镜底面向着单体透镜内部方向设置有入射凹槽，所述入射凹槽的壁面为入射面。
作为上述技术方案的进一步改进，所述入射面包括大角度入射面和小角度入射面。
作为上述技术方案的进一步改进，所述全反射面包括纵向全反射面和横向全反射面，所述纵向全反射面与横向全反射面之间为过渡面。
作为上述技术方案的进一步改进，所述安装底面、透镜底面和出射面为平面，所述全反射面、入射面及过渡面为自由曲面。
作为上述技术方案的进一步改进，所述入射面与单体透镜纵向中心截面相交形成的自由曲线为对称设置。所述入射面与单体透镜横向中心截面相交形成的自由曲线为对称设置。
作为上述技术方案的进一步改进，所述入射面与单体透镜横向中心截面相交形成的自由曲线可为非对称设置。
作为上述技术方案的进一步改进，所述透明镜体的材料为聚碳酸酯、玻璃。
本发明的有益效果是：一种基于全反射和透射原理的平面透镜，所述平面透镜的出射面为平面，可以有效的避免现有近似“W”型结构的透镜表面，不容易在透镜外表面沉积灰尘，便于清理，同于可以减少透镜表面的磨损。同时所述平面透镜结构设计中有小角度入射面和大角度入射面，并基于全反射原理设有纵向全反射面及横向全反射面，所述纵向全反射面与横向全反射面之间为过渡面的结构设置，可以有效的提高光的利用率。该平面透镜解决了LED芯片光利用率低以及现有透镜出射面的凹凸不平，难以清洁，极易磨损等问题。
本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述的附图是本发明的一种实施方式。
图1为本发明实施例中光源光度分布曲线极坐标图。
图2为本发明实施例中平面透镜背面轴侧图。
图3为本发明实施例中平面透镜正面轴侧图。
图4为本发明实施例中单体透镜横向剖面图。
图5为本发明实施例中单体透镜纵向剖面图。
图6为本发明实施例中单体透镜横向截面二维坐标图。
图7为本发明实施例中单体透镜纵向截面的二维坐标图。
图8为本发明实施例中单体透镜纵向轮廓曲线DE的光路图。
图9为本发明实施例中单体透镜纵向轮廓曲线AB、EF的光路图。
图10为本发明实施例中单体透镜横向截面光线方向示意图。
图11为本发明实施例中单体透镜纵向截面光线方向示意图。
图12为本发明实施例中平面透镜配光曲线极坐标图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一种实施例，而不是全部的实施例。
目前，LED芯片的光度分布为郎伯型，参照图1，LED芯片光度分布曲线110横向和纵向相同，半光强光束角的全宽度为120°，照射在路面上的光斑呈圆形。由于120°以外光强小，因此光斑中心亮，周围暗，易在道路上形成斑马纹，且120°以外的光容易产生光污染和眩光。本发明基于全反射原理对二次光学处理的配光透镜进行结构设计，使得透镜实现截光设计，完成光的高效利用。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种平面透镜进行详细介绍，参照图2和图3所示，平面透镜200中包括单体透镜210、安装面220、密封槽230、定位柱240和出射面250。
参照图4和图5所示，作为上述技术方案的改进，所述单体透镜210包括透镜底面211和全反射面212。
作为上述技术方案的进一步改进，所述透镜底面向着单体透镜内部方向设置有入射凹槽，所述入射凹槽的壁面为入射面213。
作为上述技术方案的进一步改进，所述入射面包括大角度入射面和小角度入射面。
在应用时，光源发出的光线经小角度入射面后先折射，然后通过出射面折射出透镜，光源发出的光线经大角度入射面后先折射到全反射面，再经全反射面反射到出射面，后经出射面折射出透镜。
作为上述技术方案的进一步改进，所述全反射面包括纵向全反射面和横向全反射面，所述纵向全反射面与横向全反射面之间为过渡面。
由于LED芯片的光度分布为郎伯型分布，为了高效的利用光源发出的光线，部分光源光线经大角度入射面后先折射到过渡面，再经过渡面反射到出射面，后经出射面折射出透镜。
作为上述技术方案的进一步改进，所述安装底面、透镜底面和出射面为平面，所述全反射面、入射面及过渡面为自由曲面。
作为上述技术方案的进一步改进，所述入射面与单体透镜纵向中心截面相交形成的自由曲线为对称设置。
参照图7，所述平面透镜纵向截面线段包括小角度入射面轮廓曲线DE，大角度入射面轮廓曲线EF，底面轮廓曲线AF，全反射轮廓曲线AB，出射面轮廓曲线BC，其中，曲线AF和BC为直线段，曲线DE，EF，AB为自由曲线。
通过Z轴旋转，曲线DE和BC构成二维透镜，将光源所发出的光能从0度到任一角度δ进行空间网格划分。实施例中所采用的光源为面光源，如图8所示，光源在纵向截面为线光源，点U为DE曲线上选取的入射点，则由光源发出的光线OU入射至曲线DE上的U点，在该点进行折射后入射至曲线BC的V点，再次折射后射出透镜至目标照射面。由于出射面为平面，因此BC为直线段。
通过Z轴旋转，曲线AB、EF及BC构成二维透镜，将光源所发出的光能从0度到任一角度γ进行空间网格划分。实施例中所采用的光源为面光源，如图9所示，光源在纵向截面为线光源，点S为EF曲线上选取的入射点，点T为AB曲线上选取的入射点，则由光源发出的光线RS入射至曲线EF上的S点，在该点进行折射后入射至曲线AB上的T点，当光线ST与T点法线之间的夹角大于临界角时，本实施例平面透镜使用的材料为聚碳酸酯，其折射率为1.58，临界角为39.2°，即光线在该点的入射角大于临界角39.2°时，光线在T点进行全反射后入射到曲线BC的H点，再次折射后射出透镜至照射目标照射面。
作为上述技术方案的进一步改进，所述入射面与单体透镜横向中心截面相交形成的自由曲线为对称设置。
如图6所示，横向截面的轮廓的线段包含小角度入射面轮廓曲线DE，大角度入射面轮廓曲线AE，全反射面轮廓曲线AB，出射面轮廓曲线BC，其中，曲线AB、AE和DE为自由曲线，曲线BC为Z直线段。
由于采用对称设计，光路与上述纵向截面轮廓的光路基本相同。光源所发出的光线经过小角度入射面折射到达出射面，然后再经过折射，从出射面射出；光源发出的光线，经过大角度入射面折射到达全反射面，经过全反射到达出射面，然后再经过折射，从出射面射出，最终在照射水平面内形成光斑。
作为上述技术方案的进一步改进，所述入射面与单体透镜横向中心截面相交形成的自由曲线可为非对称设置。
当横向上截面轮廓为非对称时，则各个轮廓曲线的光路需分别进行设计，过程与上述纵向截面轮廓的光路基本相同。光源所发出的光线经过小角度入射面折射到达出射面，然后再经过折射，从出射面射出；光源发出的光线，经过大角度入射面折射到达全反射面，经过全反射到达出射面，然后再经过折射，从出射面，最终在照射水平面内形成一定形状的加强光斑。
图10和图11分别是本发明实施例中单体透镜横向截面光线方向示意图和纵向截面光线方向示意图。
平面透镜各个曲面轮廓的构造，以光源中心为坐标原点O，建立空间直角坐标系，在透镜上设计一初设点Q0，光源发出的光线沿着Z轴穿过初始点Q0后照射在目标照明面上一点W0，目标照明面上点W0可测得。在已知坐标原点O，初始点Q0以及目标照明面上点W0的坐标，则可确定初始入射光线向量
Figure 175701DEST_PATH_IMAGE001
和初始出射光线向量
Figure 889579DEST_PATH_IMAGE002
。通过公式（1）折射定律表达式，可计算出初始点出的法向量
Figure 75841DEST_PATH_IMAGE003
。
Figure 205471DEST_PATH_IMAGE004
（1）。
式中
Figure 551002DEST_PATH_IMAGE005
为第二介质对第一介质的相对折射率，
Figure 478857DEST_PATH_IMAGE006
为入射光线的单位向量，
Figure 11469DEST_PATH_IMAGE007
为出射光线的单位向量，
Figure 335003DEST_PATH_IMAGE008
为自由曲面在某一点上的单位法向量。
因为平面法向量与平面上任一向量点乘的为零。
Figure 957877DEST_PATH_IMAGE009
（2）。
那么根据公式（2）可求的初设点Q0所相邻的点Q1的坐标值。得到Q1的坐标值后，可根据照明面上光线所对应投射点的坐标和LED原点坐标求出入射光线矢量
Figure 357765DEST_PATH_IMAGE010
和初始出射光线矢量
Figure 846515DEST_PATH_IMAGE011
，代入到折射定律表达式中，可计算出的Q1点法向量
Figure 114686DEST_PATH_IMAGE012
。依此方法一直循环迭代则可求得整个透镜的轮廓数据点，将数据点输入到三维建模软件中进行三维实体模型的建模。
图12为本发明实施例平面透镜在极坐标下的配光曲线，横向配光曲线310和纵向配光曲线320均中心对称，整个透镜光束全宽度角度在120°以内，实现了透镜的截光设计，使 LED芯片的光利用率有效提高。
显然，所描述的实施例是本发明其中之一实施例，而不是全部的实施例。一种基于全反射和透射原理的平面透镜，所述平面透镜包括一个或多个单体透镜。本发明实施例中，所述平面透镜中有16个单体透镜，按照矩阵的方式进行排列。当平面透镜中包含多个单体透镜时，单体透镜可以是任意方式的排列组合。

Claims (9)

1.一种平面透镜，其特征在于：包括透明镜体，所述透明镜体具有安装面、密封槽、定位柱、单体透镜和出射面。
2.根据权利要求1所述的一种平面透镜，其特征在于：所述单体透镜包括透镜底面和全反射面。
3.根据权利要求2所述的一种平面透镜，其特征在于：所述透镜底面向着单体透镜内部方向设置有入射凹槽，所述入射凹槽的壁面为入射面。
4.根据权利要求3所述的一种平面透镜，其特征在于：所述入射面包括大角度入射面和小角度入射面。
5.根据权利要求2所述的一种平面透镜，其特征在于：所述全反射面包括纵向全反射面和横向全反射面，所述纵向全反射面与横向全反射面之间为过渡面。
6.根据权利要求5所述的一种平面透镜，其特征在于：所述安装底面、透镜底面和出射面为平面，所述全反射面、入射面及过渡面为自由曲面。
7.根据权利要求6所述的一种平面透镜，其特征在于：所述入射面与单体透镜纵向中心截面相交形成的自由曲线为对称设置，所述入射面与单体透镜横向中心截面相交形成的自由曲线为对称设置。
8.根据权利要求6所述的一种平面透镜，其特征在于：所述入射面与单体透镜横向中心截面相交形成的自由曲线可为非对称设置。
9.根据权利要求1所述的一种平面透镜，其特征在于：所述透明镜体的材料为聚碳酸酯、玻璃等透光材料。
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