CN114623398A - 光学系统、光学系统设计方法及灯具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学系统、光学系统设计方法及灯具，该光学系统包括光源；透镜组件，包括第一透镜和与第一透镜相连的第二透镜，第一透镜的中心位置处设有接收孔、形成于接收孔内壁面上的第一入射面、第一反射面以及第一出光面；第二透镜部分突伸入接收孔内，包括收容在接收孔内第二入射面、第二反射面以及第二出光面；以及二级反射器，二级反射器与第一透镜相连，二级反射器上形成有第三反射面，第三反射面与第二出光面相对设置，以便光源发出的一部分光线自第一入射面进入第一透镜，并经第一反射面反射至第一出光面进行出射，另一部分光线自第二入射面进入第二透镜，并经第二反射面反射至第二出光面出射到二级反射器的第三反射面上进行出射。

Description

光学系统、光学系统设计方法及灯具

技术领域

本发明涉及一种光学系统、光学系统设计方法及灯具，属于照明技术领域。

背景技术

现有光学系统中的二级反射器基本起不到光学控光的作用，只能起到增大遮光角的效果。光源经过透镜折射出来的光，特别是中间部分的光，因为出光面积比较小，所以亮度特别高，从而导致眩光特别严重，无法做到自视透镜。

有鉴于此，确有必要提出一种光学系统及其设计方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学系统，以使整个光学系统出光柔和。

为实现上述目的，本发明提供了一种光学系统，该光学系统包括：光源；透镜组件，包括第一透镜和与所述第一透镜相连的第二透镜，所述第一透镜包括设置在其中心位置处并且供接收光源发出的光线的接收孔、形成于接收孔内壁面上的第一入射面、第一反射面以及第一出光面；所述第二透镜部分突伸入所述接收孔内，所述第二透镜包括收容在所述接收孔内并与所述第一入射面相连的第二入射面、与第二入射面相对设置的第二反射面以及第二出光面；以及二级反射器，所述二级反射器在所述第一透镜的第一出光面一侧与所述第一透镜相连，所述二级反射器上形成有第三反射面，所述第三反射面与所述第二出光面相对设置，以便光源发出的一部分光线自所述第一入射面进入所述第一透镜，并经所述第一反射面反射至第一出光面进行出射，另一部分光线自所述第二入射面进入所述第二透镜，并经所述第二反射面反射至第二出光面出射到二级反射器的第三反射面上进行出射。

作为本发明的进一步改进，所述接收孔上下贯穿所述第一透镜，所述第一出光面环绕在所述接收孔的外周，所述第二透镜自所述第一出光面一侧插入所述接收孔，使得所述第二入射面位于所述接收孔内。

作为本发明的进一步改进，所述第一出光面与所述第一入射面之间形成有安装面，所述第二透镜的第二入射面与第二出光面之间形成有配合面，所述第二透镜插入所述接收孔后，所述配合面与所述安装面相互接触。

作为本发明的进一步改进，所述第一透镜为上宽下窄的碗状结构，所述第一出光面位于所述第一透镜的顶部并自第一透镜的外边沿朝向接收孔逐渐收缩，所述第一入射面位于所述第一透镜的底部，所述第一反射面环绕所述第一入射面设置，光源位于接收孔的下方中心位置处。

作为本发明的进一步改进，所述第二透镜呈圆柱状设置，所述第二入射面为形成于所述第二透镜底部的锥形面，所述第二反射面为自所述第二透镜的顶部向下凹陷形成的锥面，所述第二出光面环绕所述第二反射面设置。

作为本发明的进一步改进，所述第一透镜上还设有固定部，所述固定部上形成有固定面，所述二级反射器固定在所述固定部上并与所述固定面接触。

作为本发明的进一步改进，所述二级反射器为自顶部朝向底部逐渐收缩的喇叭状结构，所述二级反射器的底部与所述固定面接触并固定，所述第三反射面为所述二级反射器的内壁面。

作为本发明的进一步改进，所述第二反射面和所述第二出光面均高于所述第一出光面，且所述第二反射面的最低端高于所述固定面或与所述固定面平齐。

本发明的目的还在于提供一种光学系统设计方法，以更好地得到上述光学系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种光学系统设计方法，应用于上述的光学系统，所述光学系统设计方法主要包括：

步骤1，在平面直角坐标系中，定义光源的坐标点为(0,0)，根据线性代数表示出光源发出的入射光线；定义该入射光线的入射角度为θ，根据曲线方程计算得出该入射光线的入射向量为

步骤2，确定第二入射面上的法向量：选定从第二入射面折射出来的出射光线的方向向量为

采用欧拉公式并根据折射定律

其中n为折射率，计算求出第二入射面在当前入射光线上的法向量

并根据该法向量

计算获得对应的坐标点；

步骤3，改变当前入射光线下从第二入射面折射出来的出射光线的方向向量，并循环进入步骤2，直至在第二入射面上形成多个坐标点；

步骤4，根据步骤3中获得的多个坐标点计算出第二入射面的曲率，根据该第二入射面的曲率对第二透镜进行切割，以得到一个连续变化的自由曲面，即为第二入射面；

步骤5，按照步骤2～4，分别计算出第二反射面和第三反射面的曲率，并根据第二反射面和第三反射面的曲率分别对第二透镜和二级反射器进行切割，以得到两个连续变化的自由曲面，即为第二反射面和第三反射面。

本发明的目的还在于提供一种灯具，以更好地应用上述的光学系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种灯具，该灯具包括上述的光学系统。

本发明的有益效果是：本发明通过对组合透镜的设计，利用不同的透镜来控制不同的光路，第一透镜控制侧边的光路能量，第二透镜控制中间部分的光路能量，可以有效的控制光线出射的角度；即通过第二透镜改变中间的光线，使其打到二级反射器上，通过二级反射器的曲率变化，控制副光斑的大小，能够显著降低灯具表面的最大亮度，从而实现高光通量、低亮度的目标，可以达到人眼直视的效果。

附图说明

图1是符合本发明优选实施例的光学系统的结构示意图。

图2是图1的分解图。

图3是图1中第一透镜的结构示意图。

图4是图1中第二透镜的结构示意图。

图5是图1中二级反射器的结构示意图。

图6是图1的剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

如图1和图2所示，本发明揭示了一种光学系统100，该光学系统100能够应用在各种灯具中(比如筒灯、吸顶灯等)，用于降低灯具表面的最大亮度，从而实现灯具的高光通量、低亮度的目标，可以达到人眼直视的效果。

该光学系统100包括光源40、透镜组件以及二级反射器30。透镜组件包括第一透镜10和与所述第一透镜10相连的第二透镜20。第一透镜10包括设置在其中心位置处并且供接收光源40发出的光线的接收孔14、形成于接收孔14内壁面上的第一入射面11、第一反射面12以及第一出光面13；第二透镜20部分突伸入接收孔14内，其包括收容在接收孔14内并与第一入射面11相连的第二入射面21、与第二入射面21相对设置的第二反射面22以及第二出光面23。二级反射器30在第一透镜10的第一出光面13一侧与第一透镜10相连，二级反射器30上形成有第三反射面31。该第三反射面31与第二出光面23相对设置。上述第一反射面12、第二反射面22以及第三反射面31均为全反射面。

如此设置，使光源40发出的一部分光线能够自第一入射面11进入第一透镜10，并经第一反射面12反射至第一出光面13进行出射，另一部分光线能够自第二入射面21进入第二透镜20，并经第二反射面22反射至第二出光面23，再出射到二级反射器30上的第三反射面31上进行出射。

结合图2和图3，接收孔14上下贯穿第一透镜10，即第一透镜10呈中空状设置。第一出光面13环绕接收孔14的外周，第二透镜20自第一出光面13一侧插入接收孔14，使得第二入射面21位于接收孔14内。具体地，第一出光面13与第一入射面11之间形成有安装面15，第二透镜20的第二入射面21与第二出光面23之间形成有配合面24，第二透镜20插入接收孔14后，配合面24与安装面15相互接触。此时，插入接收孔14的第二透镜20和第一透镜10为同轴设置，即透镜组件(第一透镜10和第二透镜20)关于轴线L对称。如此设置，第二透镜20插入并封闭了接收孔14，光源40发出的一部分光线(靠近轴线L且位于接收孔14中央的光线)就能够自第二入射面21进入第二透镜20内。

进一步地，上述安装面15和配合面24结构相同，均自顶部朝向底部逐渐收缩以形成上宽下窄的柱状曲面。如此设置，当第二透镜20插入接收孔14时，可以有效减小第一透镜10与第二透镜20的挤压力，避免第一透镜10和第二透镜20由于挤压产生的损坏。

优选地，第一透镜10为上宽下窄的碗状结构，第一出光面13位于第一透镜10的顶部并自第一透镜10的外边沿朝向接收孔14逐渐收缩；第一入射面11位于第一透镜10的底部，第一反射面12环绕第一入射面11设置，光源40位于接收孔14的下方中心位置处。也就是说，第一透镜10上的第一入射面11为接收孔14底部的内壁面，且与位于上方的第二入射面21连接，以使整个透镜组件能够组合形成大致为矩形的入射腔，光源40位于入射腔的下方中心位置处，该中心位置在轴线L上。

如此设置，可以使光源40发出的光线关于轴线L对称，最大程度上保证了光源40发出的光线能够经入射腔分别打到第一入射面11和第二入射面21上。当光线经第一入射面11折射进入第一透镜10内时，此时光线在第一透镜10内较为发散，再经第一反射面12反射后从第一出光面13出射，此时从第一出光面13出射出去的光线较为靠近轴线L，从而减小了光斑的产生，使得灯具的中央出光较为柔和。

结合图2和图4，第二透镜20呈圆柱状设置，第二入射面21为形成于第二透镜20底部的锥形面，第二反射面22为自第二透镜20的顶部向下凹陷形成的锥面，第二出光面23环绕第二反射面22设置。当光源40发出的光线从第二入射面21折射进入第二透镜20内后，进入第二透镜20的光线基本与轴线L平行并位于轴线L周围，这些光线经第二反射面22反射后从第二出光面23出射，且远离轴线L折射出去，最后，从第二出光面23折射出去的光线会打到二级反射器30上，经二级反射器30上的第三反射面31反射出去。如此设置，不但可以改变光源40发出的靠近轴线L的光线，使灯具的最大亮度降低，而且二级反射器30不仅增大了遮光角，还可以通过改变二级反射器30的曲率，控制副光斑的大小。同时，又因二级反射器30上的第三反射面31的面积大，所以能够实现灯具的高光通量、低亮度的目标，以达到人眼直视的效果。

结合图3、图5以及图6，进一步地，第一透镜10上还设有固定部，该固定部上形成有固定面16，二级反射器30固定在固定部上并与固定面16接触。具体地，二级反射器30为自顶部朝向底部逐渐收缩的喇叭状结构，二级反射器30的底部与固定面16接触并固定。本发明中，第一透镜10与第二透镜20通过配合面24与安装面15的相互接触和抵接实现了固定，二级反射器30与第一透镜10通过焊接的方式实现了固定，但是，在其他实施例中，也可以对第一透镜10与第二透镜20之间的固定方式以及第一透镜10与二级反射器30之间的固定方式做出调整，比如：第一透镜10与第二透镜20之间也可以通过焊接、卡扣、粘贴的方式进行固定，二级反射器30与第一透镜10之间也可以采用卡扣或粘贴的方式进行固定，此处不作限制。

上述的第三反射面31即为二级反射器30的内壁面。此外，第二透镜20上的第二反射面22和第二出光面23均高于第一出光面13，且第二反射面22的最低端(锥面的顶点)要高于固定面16或与固定面16平齐，这样设置，才能够保证进入第二透镜20的光线从第二出光面23出射后全部打到第三反射面31上，以保证灯具的高光通量。

为了能够实现上述光学系统100，下面将对上述光学系统100的设计方法进行详细的描述。该光学系统100的设计方法主要包括：

步骤1，在平面直角坐标系中，定义光源40的坐标点为(0,0)，根据线性代数表示出光源40发出的入射光线；定义该入射光线的入射角度为θ，根据曲线方程计算得出该入射光线的入射向量为

步骤2，确定第二入射面21上的法向量：选定从第二入射面21折射出来的出射光线的方向向量为

采用欧拉公式并根据折射定律

其中n为折射率，计算求出第二入射面21在当前入射光线上的法向量

并根据该法向量

计算获得对应的坐标点；

步骤3，改变当前入射光线下从第二入射面21折射出来的出射光线的方向向量，并循环进入步骤2，直至在第二入射面21上形成多个坐标点；

步骤4，根据步骤3中获得的多个坐标点计算出第二入射面21的曲率，根据该第二入射面21的曲率对第二透镜20进行切割，以得到一个连续变化的自由曲面，即为第二入射面21；

步骤5，按照步骤2～4，分别计算出第二反射面22和第三反射面31的曲率，并根据第二反射面22和第三反射面31的曲率分别对第二透镜20和二级反射器30进行切割，以得到两个连续变化的自由曲面，即为第二反射面22和第三反射面31。

上述设计方法中，步骤3的意思是说：保持步骤2中的入射光线不变，即

固定，通过改变出射光线的方向向量

来计算下一个法向量

即可获得对应的坐标点。

如图6所示，上述设计方法主要是将第二入射面21、第二反射面22以及第三反射面31的曲率计算出来，然后根据各自的曲率对透镜组件进行切割，以得到第二入射面21、第二反射面22以及第三反射面31。具体地，在步骤1中，为了方便计算第二入射面21、第二反射面22以及第三反射面31的曲率，将整个光学系统100放入平面直角坐标系中，定义光源40的坐标点为(0,0)，该光源40发出的入射光线的入射角度为θ，那么光源40的出射光线(即入射光线)就可以利用线性代数：y＝tan(θ)x表述出来，再根据曲线方程进一步得出入射光线的向量为

另外，为了能够方便计算步骤2和步骤3中的坐标点，本发明是利用excel表格计算获得的。当然，坐标点的计算也可以利用其它的数据处理工具来计算获得，在此就不作限制。

综上所述，本发明通过对组合透镜的设计，利用不同的透镜来控制不同的光路，第一透镜10控制侧边的光路能量，第二透镜20控制中间部分的光路能量，可以有效的控制出射光线的角度；即通过第二透镜20改变中间的光线，使其打到二级反射器30上，通过二级反射器30的曲率变化，控制副光斑的大小，能够显著降低灯具表面的最大亮度，从而实现灯具的高光通量、低亮度的目标，可以达到人眼直视的效果。

而在该光学系统100的设计方法中，通过指定初始点的坐标，即光源40的坐标，并采用欧拉公式，联立各种计算公式，运用excel工具，得出各个自由曲面(第二入射面21、第二反射面22以及第三反射面31)的坐标点，然后导入到cad中，采用自由曲线命令，连接各坐标点，得出上述的各个自由曲面，通过不同目标出射光线的方向向量的设定，能够得出不同的角度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：

光源(40)；

透镜组件，包括第一透镜(10)和与所述第一透镜(10)相连的第二透镜(20)，所述第一透镜(10)包括设置在其中心位置处并且供接收光源(40)发出的光线的接收孔(14)、形成于接收孔(14)内壁面上的第一入射面(11)、第一反射面(12)以及第一出光面(13)；所述第二透镜(20)部分突伸入所述接收孔(14)内，所述第二透镜(20)包括收容在所述接收孔(14)内并与所述第一入射面(11)相连的第二入射面(21)、与第二入射面(21)相对设置的第二反射面(22)以及第二出光面(23)；以及

二级反射器(30)，所述二级反射器(30)在所述第一透镜(10)的第一出光面(13)一侧与所述第一透镜(10)相连，所述二级反射器(30)上形成有第三反射面(31)，所述第三反射面(31)与所述第二出光面(23)相对设置，以便光源(40)发出的一部分光线自所述第一入射面(11)进入所述第一透镜(10)，并经所述第一反射面(12)反射至第一出光面(13)进行出射，另一部分光线自所述第二入射面(21)进入所述第二透镜(20)，并经所述第二反射面(22)反射至第二出光面(23)出射到二级反射器(30)的第三反射面(31)上进行出射。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述接收孔(14)上下贯穿所述第一透镜(10)，所述第一出光面(13)环绕在所述接收孔(14)的外周，所述第二透镜(20)自所述第一出光面(13)一侧插入所述接收孔(14)，使得所述第二入射面(21)位于所述接收孔(14)内。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于：所述第一出光面(13)与所述第一入射面(11)之间形成有安装面(15)，所述第二透镜(20)的第二入射面(21)与第二出光面(23)之间形成有配合面(24)，所述第二透镜(20)插入所述接收孔(14)后，所述配合面(24)与所述安装面(15)相互接触。

4.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于：所述第一透镜(10)为上宽下窄的碗状结构，所述第一出光面(13)位于所述第一透镜(10)的顶部并自第一透镜(10)的外边沿朝向接收孔(14)逐渐收缩，所述第一入射面(11)位于所述第一透镜(10)的底部，所述第一反射面(12)环绕所述第一入射面(11)设置，光源(40)位于接收孔(14)的下方中心位置处。

5.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于：所述第二透镜(20)呈圆柱状设置，所述第二入射面(21)为形成于所述第二透镜(20)底部的锥形面，所述第二反射面(22)为自所述第二透镜(20)的顶部向下凹陷形成的锥面，所述第二出光面(23)环绕所述第二反射面(22)设置。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述第一透镜(10)上还设有固定部，所述固定部上形成有固定面(16)，所述二级反射器(30)固定在所述固定部上并与所述固定面(16)接触。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于：所述二级反射器(30)为自顶部朝向底部逐渐收缩的喇叭状结构，所述二级反射器(30)的底部与所述固定面(16)接触并固定，所述第三反射面(31)为所述二级反射器(30)的内壁面。

8.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于：所述第二反射面(22)和所述第二出光面(23)均高于所述第一出光面(13)，且所述第二反射面(22)的最低端高于所述固定面(16)或与所述固定面(16)平齐。

9.一种光学系统设计方法，其特征在于：应用于权利要求1-8中任一项所述的光学系统，所述光学系统设计方法主要包括：

步骤1，在平面直角坐标系中，定义光源(40)的坐标点为(0,0)，根据线性代数表示出光源(40)发出的入射光线；定义该入射光线的入射角度为θ，根据曲线方程计算得出该入射光线的入射向量为

步骤2，确定第二入射面(21)上的法向量：选定从第二入射面(21)折射出来的出射光线的方向向量为

采用欧拉公式并根据折射定律

其中n为折射率，计算求出第二入射面(21)在当前入射光线上的法向量

并根据该法向量

计算获得对应的坐标点；

步骤3，改变当前入射光线下从第二入射面(21)折射出来的出射光线的方向向量，并循环进入步骤2，直至在第二入射面(21)上形成多个坐标点；

步骤4，根据步骤3中获得的多个坐标点计算出第二入射面(21)的曲率，根据该第二入射面(21)的曲率对第二透镜(20)进行切割，以得到一个连续变化的自由曲面，即为第二入射面(21)；

步骤5，按照步骤2～4，分别计算出第二反射面(22)和第三反射面(31)的曲率，并根据第二反射面(22)和第三反射面(31)的曲率分别对第二透镜(20)和二级反射器(30)进行切割，以得到两个连续变化的自由曲面，即为第二反射面(22)和第三反射面(31)。

10.一种灯具，其特征在于：包括权利要求1-8中任一项所述的光学系统。

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