CN116299799A - 一种菲涅尔透镜及包含其的灯具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种菲涅尔透镜，包括透镜本体，透镜本体沿第一方向相对地设置有入光面和出光面，在与第一方向垂直的第二方向，出光面上相邻地布设有若干个凸齿，凸齿由有效面和无效面形成，无效面相对于第一方向以锐角倾斜设置；对于出光面上相邻的第一凸齿和第二凸齿，第一凸齿包括第一有效面和第一无效面，第二凸齿包括第二有效面和第二无效面，第一无效面和第二有效面相交形成第一谷点，对于从光源出射经入光面到达第一谷点的第一光线，第一无效面倾斜设置于第一光线和第一光线经第一谷点的出射光线之间所形成的夹角范围之内。本发明使穿过透镜本体的光线尽可能地到达有效面，从而减少了杂光，增强了光效。

Description

一种菲涅尔透镜及包含其的灯具

技术领域

本发明涉及灯具领域，尤其涉及一种菲涅尔透镜以及包含其的灯具。

背景技术

菲涅尔透镜是在平凸透镜(或非球面透镜)基础上演变而来，其实质上就是将原透镜中对透镜曲率变化无影响的部分挖除，只保留那些能够有效折射作用的部分。

将普通菲涅尔透镜直接应用在LED照明配光中，菲涅尔微单元透镜之间会有部分光线进入到相邻的单元中，导致这部分光线角度比较大，比较容易形成杂光。如图1所示，常见的菲涅尔透镜中不能起到有效折射作用的那些面(即无效面)与光轴平行，光线受到无效面边缘折射影响，在相邻的有效折射面以大角度散射出，影响了出光的均匀性。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型的菲涅尔透镜及相关的灯具，减少杂光，使灯具出光更均匀。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是现有菲涅尔透镜的杂光问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种菲涅尔透镜，包括透镜本体，以光轴方向为第一方向，透镜本体沿第一方向相对地设置有入光面和出光面，从光源出射的光线经过入光面折射穿入透镜本体后，再经过出光面折射至外部，其中，在与第一方向垂直的第二方向，出光面上相邻地布设有若干个凸齿，凸齿由有效面和无效面形成，有效面适于将光线折射至透镜本体之外，无效面与第一方向以锐角倾斜设置；

对于出光面上相邻的第一凸齿和第二凸齿，第一凸齿包括第一有效面和第一无效面，第二凸齿包括第二有效面和第二无效面，第一无效面和第二有效面相交形成第一谷点；

对于从光源出射经入光面到达第一谷点的第一光线(L1)，第一光线(L1)相对第一方向形成第一夹角(α)，第一无效面相对第一方向形成第三夹角(θ)，第一光线(L1)经第一谷点的出射光线(L1’)相对第一方向形成第四夹角(γ)，则第三夹角(θ)的大小设置于第一夹角(α)和第四夹角(γ)之间。

进一步地，对于上述菲涅尔透镜，定义以下参数，

第二有效面相对第二方向形成第二夹角(β)，

透镜本体的折射率为n，且n>1，

第一无效面相对第一方向形成第三夹角(θ)，则第三夹角(θ)满足以下关系：

当α≥β时，

α≤θ≤β+arcsin[nsin(α-β)]；或者

当α<β时，

β+arcsin[nsin(α-β)]≤θ≤α。

可选地，第三夹角(θ)满足以下关系：

θ＝β+arcsin[nsin(α-β)]。

在本发明的另一个实施例中，第三夹角(θ)与第一夹角(α)的大小相等。

进一步地，沿着远离光轴的方向，出光面的各个凸齿的有效面相对第二方向的夹角依次渐变。同时更进一步地，沿着远离光轴的方向，出光面的各个凸齿的无效面相对第一方向的夹角依次渐变。

在本发明的一个实施方案中，沿着远离光轴的方向，出光面的各个凸齿的有效面相对第二方向的夹角依次渐变增大。同时更进一步地，沿着远离光轴的方向，出光面的各个凸齿的无效面相对第一方向的夹角依次渐变增大。

优选地，出光面上的各个凸齿相对于光轴对称设置。

优选地，入光面为平面，且入光面垂直光轴设置。

此外，本发明还提供了一种应用上述菲涅尔透镜的灯具，包括：

菲涅尔透镜；

光源，位于光轴上，且设置于菲涅尔透镜的靠近入光面的一侧。

更进一步地，上述灯具为长条形，光源沿第三方向线性分布，第三方向垂直于第一方向和第二方向，菲涅尔透镜沿第三方向拉伸。

技术效果：

本发明的菲涅尔透镜通过设置凸齿的无效面的倾斜角，使其避开大部分光线穿过，使穿过透镜本体的光线尽可能地到达有效面，从而减少了杂光，增强了光效。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有技术中常见的菲涅尔透镜的光路示意图。

图2是本发明的菲涅尔透镜的结构示意图及H处局部放大图。

图3是本发明的菲涅尔透镜的一个实施例中无效面的结构示意图。

图4是根据图3的光路关系示意图。

图5是根据图3的菲涅尔透镜结构与现有技术的结构对比图。

图6是本发明的菲涅尔透镜的另一个实施例中无效面的结构示意图。

图7是本发明的菲涅尔透镜的另一个实施例中无效面的结构示意图。

图8是本发明的菲涅尔透镜与现有技术的菲涅尔透镜光路对比图，其中(a)为现有技术中的菲涅尔透镜，(b)为本发明的菲涅尔透镜。

其中：

100透镜本体，1入光面，2出光面，21凸齿，211有效面，212无效面，22第一凸齿，221第一有效面，222第一无效面，P第一峰点，O第一谷点，23第二凸齿，231第二有效面，232第二无效面，3光源，D0光轴，D1第一方向，D2第二方向，D3第三方向，L1第一光线，L2第二光线，L3第三光线，L4第四光线，L1'第一出射光线，L2'第二出射光线，L3'第三出射光线，α第一夹角，β第二夹角，θ第三夹角，γ第四夹角。

具体实施方式

如图2所示为本发明提供的一种菲涅尔透镜，其包括透镜本体100，图2中所示为透镜本体100的纵向截面示意，该截面中包含透镜本体100的光轴D0，定义以光轴D0所在方向为第一方向D1，透镜本体100沿第一方向D1相对地设置有入光面1和出光面2，光源3相对靠近入光面1的一侧，从光源3出射的光线经过入光面1折射穿入透镜本体100后，再经过出光面2折射至外部。

在与第一方向D1垂直的第二方向D2，出光面2上相邻地布设有若干个凸齿21，凸齿21由有效面211和无效面212形成，有效面211即菲涅尔透镜中能够起有效折射作用的部分，有效面211适于将光线折射至透镜本体100之外，无效面212过渡连接在各个有效面211之间，有效面211和无效面212交替构成出光面2。

现有技术中，各无效面212通常与第一方向D1平行。而在本发明的实施例中，无效面212与第一方向D1以锐角形成夹角。

对于出光面2上相邻的第一凸齿22和第二凸齿23，第一凸齿22包括第一有效面221和第一无效面222，第二凸齿23包括第二有效面231和第二无效面232，第一有效面221和第一无效面222相交形成第一峰点P，第一无效面222和第二有效面231相交形成第一谷点O。

对于上述结构，在本发明的技术方案中，第一无效面222与第一方向D1形成锐角，且倾斜设置于第一光线L1和第一光线L1经第一谷点O的出射光线之间所形成的夹角范围之内。

本发明的设计方案，如图3，对于从光源3出射经入光面1到达第一谷点O的第一光线L1，第一光线L1相对第一方向D1形成第一夹角α，第一无效面222相对第一方向D1形成第三夹角θ，第一光线L1经第一谷点O的第一出射光线L1’相对第一方向D1形成第四夹角γ，则第三夹角θ的大小设置于第一夹角α和第四夹角γ之间。

本实施例中，第一无效面222的位置取决于第一光线在透镜本体100中经过第一谷点O的角度以及在第一谷点O折射时折射面的角度，结合图3来说明第一无效面222的设置情况。

在如图3所示的一个实施例中，第一光线L1在第一谷点O经第二有效面231折射后成为第一出射光线L1’，第一无效面222设置为与第一出射光线L1’共面，也就是说，第一无效面222相对第一方向D1形成的第三夹角θ与第一出射光线L1’相对于第一方向D1的夹角相同。

下面进一步阐述第一无效面的减少杂光的实现过程。

在菲涅尔透镜中，对于一个给定位置的光源3，该光源3射出的光线将扫过一个角度范围，例如图4所示，从光源3出射经入光面1折射后，设有相邻的第一光线L1、第二光线L2和第三光线L3到达出光面2。其中，第一光线L1到达第一谷点O；第二光线L2与第一方向D1的夹角小于第一光线L1与第一方向D1的第一夹角α，因此第二光线L2较第一光线L1更近于光轴D0，到达与第一谷点O相邻的第二凸齿23；第三光线L3与第一方向D1的夹角大于第一光线L1与第一方向D1的第一夹角α，因此第三光线L3较第一光线L1更远于光轴D0，到达与第一谷点O相邻的第一凸齿22。

第一无效面222相对第一方向D1形成的第三夹角θ与第一出射光线L1’相对于第一方向D1的夹角相同，第一出射光线L1’沿第一无效面222穿出；第二光线L2在第一光线L1的近光轴D0侧，在沿第二有效面231折射后，所形成的第二出射光线L2’位于第一出射光线L1’的近光轴D0侧，因而不经过第一无效面222；第三光线L3在第一光线的远离光轴D0侧，如与第一光线L1较近则会到达第一无效面222，第一无效面222对到达其的第三光线L3主要产生全反射作用，经过全反射后的光线在第一有效面221折射后以第三出射光线L3’穿出，在该情况下，第三出射光线L3’的出射角度受第一无效面222和第一有效面221调节后，一方面到达第一无效面222的光线减少，另一方面第三出射光线L3’的出射角得到缓解，从而减少了杂光。

根据上述实施例，通过以下参数来限定第一无效面：

如图4，第一光线L1穿入透镜本体100后相对第一方向D1的夹角为第一夹角α，第二有效面231相对第二方向D2的夹角为第二夹角β，第一无效面222从第一谷点O起按照与第一方向D1成第三夹角θ延伸至与第一有效面221相交，交点为第一峰点P；

在透镜本体100内，第二有效面231的法线为M1，第一光线L1相对法线M1的入射角为A1，根据几何关系，有：A1＝α–β；

可以根据图4得到，当α>β时第一光线L1在法线M1的下侧，即接近光轴D0的一侧；

第一光线L1经过第二有效面231折射的折射角为B1，透镜本体100的折射率为n，且对透镜外介质为空气而言，n>1，因此根据折射关系式：

n sinA1＝sinB1；可以据此推得折射角B1大小；

折射后的第一出射光线L1’与第一方向D1的夹角为第四夹角γ，根据几何关系可以得到：

γ＝β+B1；

则根据计算，第四夹角γ满足以下关系：

γ＝β+arcsin[nsin(α-β)]；

因此，第一无效面222相对第一方向D1形成的夹角，即第三夹角θ，其与第四夹角γ相等时，可以显著减少杂光的产生。

此时第三夹角θ的大小限定为：

θ＝β+arcsin[nsin(α-β)]。

特别地，当第一夹角α和第二夹角β相等时，第三夹角θ设置为θ＝α＝β。

如图5所示是将本发明的菲涅尔透镜与现有技术中的菲涅尔透镜的结构进行了对比，来说明本发明的菲涅尔透镜的结构对于减少杂光的效果。

如图5，现有技术中的菲涅尔透镜一般是将原透镜中对透镜曲率变化无影响的部分挖除，只保留那些能够有效折射作用的部分，因此其各无效面按与光轴D0平行的方向即第一方向D1设置，如图5中所示的OR段，三角形OPR是现有技术的菲涅尔透镜相比于本发明的菲涅尔透镜多出的部分。第一光线L1经过第一谷点O和第一峰点P，设有第二光线L2经过第二有效面231折射到达R点，且设有第四光线L4与第一光线L1平行且穿过透镜本体100到达第一峰点P，对比可发现，在将第一无效面222倾斜的方向设置成与第一光线L1经第一谷点O后的出射方向相等时，第一无效面222仅容许处于第一光线L1和第四光线L4之间范围内的光线穿过第一无效面222；与现有技术的菲涅尔透镜相比而言，减少了经过OS段的光线在原无效面造成的杂光，且减小了光线与无效面之间的夹角，对产生的杂光的出射角也具有缓和作用。

如图6所示，给出了本发明的菲涅尔透镜的另一种设置的实施例。

与图4所示的实施例不同的是，第一无效面222自第一谷点O倾斜，相对第一方向D1形成的第三夹角θ与第一光线L1的第一夹角α相等，即θ＝α。第一光线L1穿过透镜本体100在第一有效面221折射穿出。

根据本实施例的设置，对于第一光线L1和与其相邻的第二光线L2和第三光线L3：第三光线L3与第一方向D1的夹角大于第一光线L1与第一方向D1的第一夹角α，因此第三光线L3较第一光线L1更远于光轴D0，第一光线L1和第三光线L3均在透镜本体100中以直线穿过到达第一有效面221折射穿出；第二光线L2与第一方向D1的夹角小于第一光线L1与第一方向D1的第一夹角α，因此第二光线L2较第一光线L1更近于光轴D0，到达与第一谷点O相邻的第二凸齿23，在第二有效面231折射穿出，当第二光线L2与第一光线L1接近时，会经第一无效面222折射穿过第一凸齿22后折射出去。

因此根据本实施例的设置，因为第一无效面222的倾斜设置，在第一谷点O附近的光线与第一无效面222形成较小的夹角，穿过第一无效面222的光线范围被大大地减小了，从而减少了杂光的产生。

进一步地，结合图4和图6的实施例，第一无效面222相对第一方向D1形成的第三夹角θ设置在第一出射光线的第四夹角γ和第一光线L1与第一方向D1的第一夹角α之间，即

α≤θ≤β+arcsin[nsin(α-β)]；

基于上述设置，如第一无效面222相对第一方向D1形成的第三夹角θ设置过大，则使透镜本体100内部有更多光线在第一无效面222全反射，如第三夹角θ设置过小，则会使更多光线在透过第二有效面231后穿过第一无效面222再在透镜内部进行全反射，以上都会造成杂光的增多。

根据上述设置的菲涅尔透镜，对于从光源出射的光线，通过将各无效面相对第一方向D1设置成倾斜，使各无效面接收到光线的范围减小，可显著降低杂光的影响。

如图7所示给出了本发明的菲涅尔透镜的另一种设置的实施例。与图4所示的实施例不同的是凸齿的形状，此时第一夹角α<第二夹角β，据此设置的第一无效面222也有所变化。

透镜本体100中的第一光线L1相对法线M1的入射角A1＝β-α，折射后的第一出射光线L1’的折射角为B1，第一出射光线L1’与第一方向D1的夹角为第四夹角γ＝β–B1；同样地：

γ＝β+arcsin[nsin(α-β)]。

第一光线L1和与其相邻的第二光线L2和第三光线L3：第一光线L1到达第一谷点O后以第一出射光线L1’折射出；第二光线L2与第一方向D1的夹角小于第一光线L1与第一方向D1的第一夹角α，因此第二光线L2较第一光线L1更近于光轴D0，到达与第一谷点O相邻的第二凸齿23，在第二有效面231折射后穿出，第二出射光线L2’更近于光轴D0；第三光线L3与第一方向D1的夹角大于第一光线L1与第一方向D1的第一夹角α，因此第三光线L3较第一光线L1更远于光轴D0，到达与第一谷点O相邻的第一凸齿22，第三光线L3在透镜本体100中以直线穿过到达第一有效面221折射后穿出。

因此，将第一无效面222自第一谷点O倾斜，并且第一无效面222设置在第一出射光线L1’和直线穿过透镜本体100的第三光线L3之间，这样，就避免了各光线通过第一无效面222，因而大大地减少了杂光的产生。

因此作为优选地，第一无效面222相对第一方向D1形成的第三夹角θ设置在第一出射光线L1’的第四夹角γ和第一光线L1与第一方向D1的第一夹角α之间，即

β+arcsin[nsin(α-β)]≤θ≤α。

因此，对于本发明提供的菲涅尔透镜中任意相邻的第一凸齿22和第二凸齿23，其第一凸齿22的第一无效面222根据上述的第一夹角α和第二夹角β设置，第一无效面222相对第一方向D1形成的第三夹角θ设置介于α和β+arcsin[nsin(α-β)]之间。

在本发明的另一个可选实施方案中，第三夹角θ按照以下关系设置θ＝β+arcsin[nsin(α-β)]。

在本发明的另一个可选实施方案中，第三夹角θ与第一夹角α的大小相等，即对于沿第二方向D2分布的各个凸齿21，每个凸齿21的无效面212与第一方向D1的第三夹角θ，按照光线到达该凸齿21谷点的角度进行渐变设置。

进一步地，沿着远离光轴D0的方向，出光面2的各个凸齿21的有效面相对第二方向D2的夹角渐变增大；随之，沿着远离光轴D0的方向，出光面2的各个凸齿21的无效面212相对第一方向D1的夹角渐变增大。这样设置，可以使来自光轴D0上的光源3的光线能够尽可能多地分配在出光面2上，同时减少穿过无效面212的光线。

在本发明的另一个实施方案中，菲涅尔透镜呈对称结构，出光面2上的各个凸齿21相对于光轴D0对称设置。且优选地，入光面1为平面，且入光面1垂直光轴D0设置。

图8给出了本发明的菲涅尔透镜与现有技术的菲涅尔透镜光路对比图，其中图8(a)为现有技术中的菲涅尔透镜，图8(b)为本发明的菲涅尔透镜，经过对比可以看出，本发明的菲涅尔透镜能够减少向透镜上下侧折射的杂光。

基于上述菲涅尔透镜的结构特点，本发明还提供了一种应用上述菲涅尔透镜的灯具，包括：

菲涅尔透镜，包括透镜本体100，透镜本体100沿第一方向D1相对地设置有入光面1和出光面2，以及光源3，位于光轴D0上，且设置于菲涅尔透镜的靠近入光面1的一侧。

从光源3出射的光线经过入光面1折射穿入透镜本体100后，再经过出光面2折射至外部，出光面2上沿第二方向D2相邻地布设有若干个凸齿21，凸齿21由有效面211和无效面212形成；各凸齿21的无效面212与第一方向D1形成夹角，所述夹角根据其相邻有效面211相对第二方向D2的夹角、以及经过相邻谷点光线相对第一方向D1的夹角而进行设置。

作为本发明的应用上述菲涅尔透镜的灯具的一个实施例，所述灯具为长条形，光源沿第三方向D3线性分布，第三方向D3垂直于第一方向D1和第二方向D2，菲涅尔透镜沿第三方向D3拉伸。据此设置的灯具，与第三方向D3垂直的菲涅尔透镜的任一截面中，其透镜的出光面2设置都能够使来自光轴D0上的光源3的光线能够尽可能多地分配在出光面2上，同时减少穿过无效面212的光线，达到更佳的使用效果。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (11)

1.一种菲涅尔透镜，包括透镜本体(100)，以所述透镜本体(100)的光轴(D0)所在方向为第一方向(D1)，所述透镜本体(100)沿第一方向(D1)相对地设置有入光面(1)和出光面(2)，其特征在于，在与所述第一方向(D1)垂直的第二方向(D2)上，所述出光面(2)相邻地依次布设有若干个凸齿(21)，所述凸齿(21)由有效面(211)和无效面(212)形成，其中所述无效面(212)相对于所述第一方向(D1)以锐角倾斜设置；

对于所述出光面(2)上相邻的第一凸齿(22)和第二凸齿(23)，所述第一凸齿(22)包括第一有效面(221)和第一无效面(222)，所述第二凸齿(23)包括第二有效面(231)和第二无效面(232)，所述第一无效面(222)和所述第二有效面(231)相交形成第一谷点(O)；

对于从光源(3)出射经所述入光面(1)到达所述第一谷点(O)的第一光线(L1)，所述第一光线(L1)相对所述第一方向(D1)形成第一夹角(α)，所述第一无效面(222)相对所述第一方向(D1)形成第三夹角(θ)，所述第一光线(L1)经第一谷点(O)的出射光线(L1’)相对所述第一方向(D1)形成第四夹角(γ)，则所述第三夹角(θ)的大小设置于所述第一夹角(α)和所述第四夹角(γ)之间。

2.如权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，定义：

所述第二有效面(231)相对所述第二方向(D2)形成第二夹角(β)，

所述透镜本体(100)的折射率为n，且n>1，

则所述第三夹角(θ)满足以下关系：

当α≥β时，

α≤θ≤β+arcsin[nsin(α-β)]；或者

当α<β时，

β+arcsin[nsin(α-β)]≤θ≤α。

3.如权利要求2所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述第三夹角(θ)满足以下关系：

θ＝β+arcsin[nsin(α-β)]。

4.如权利要求2所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述第三夹角(θ)与第一夹角(α)的大小相等。

5.如权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，沿着远离光轴(D0)的方向，所述出光面(2)的各个凸齿(21)的有效面(211)相对所述第二方向(D2)的夹角依次渐变。

6.如权利要求5所述的菲涅尔透镜，其特征在于，沿着远离光轴(D0)的方向，所述出光面(2)的各个凸齿(21)的无效面(212)相对所述第一方向(D1)的夹角依次渐变。

7.如权利要求6所述的菲涅尔透镜，其特征在于，沿着远离光轴(D0)的方向，所述出光面(2)的各个凸齿(21)的有效面(211)相对所述第二方向(D2)的夹角依次渐变增大，所述出光面(2)的各个凸齿(21)的无效面(212)相对所述第一方向(D1)的夹角依次渐变增大。

8.如权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述出光面(2)上的各个凸齿(21)相对于光轴(D0)对称设置。

9.如权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述入光面(1)为平面，且所述入光面(1)垂直光轴(D0)设置。

10.一种灯具，其特征在于，包括：

如上述权利要求1-9中任一项所述的菲涅尔透镜；

光源(3)，位于光轴(D0)上，且设置于所述菲涅尔透镜的靠近所述入光面(1)的一侧。

11.如权利要求10所述的灯具，其特征在于，所述灯具为长条形，所述光源(3)沿第三方向(D3)线性分布，所述第三方向(D3)垂直于第一方向(D1)和第二方向(D2)，所述菲涅尔透镜沿所述第三方向(D3)拉伸。

Images