CN204114838U - 一种光束角可调的二次光学透镜模组 - Google Patents
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Abstract
一种光束角可调的二次光学透镜模组，涉及一种LED照明(固态半导体照明)的二次光学技术。该二次光学透镜模组至少由一个或一个以上的透镜单元组成；所述的透镜单元其包括中间的聚光部分及外圈的全反射部分；所述透镜单元中间的聚光部分，其下表面为凸面；其上表面为附有微透镜阵列的凸面，其为出光面；所述的透镜单元外圈的全反射部分，其由圆锥形入射面、外侧的全反射面、以及上表面圆锥形的出光面组成；所述透镜单元中间的聚光部分及外圈的全反射部分，其具有相同的焦点。解决现有技术存在的投射出来的光斑会有中间色温高、边缘色温低的情况，即光斑存在黄圈；以及会导致其在调焦的时候两部分光斑不重合，光斑中间会产生不均匀的暗环或亮环。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种LED照明(固态半导体照明)的二次光学技术，特别涉及一种光束角可调的二次光学透镜模组。
背景技术
市场上现有的光束角可调焦的一些LED二次光学透镜为平凸透镜或双凸透镜，其没有全反射的设计，这种透镜虽然能产生比较均匀的形状像月亮一样的光斑，但其光学效率相对比较低，差不多只能收集凸透镜的数值孔径角以内的占LED所有发射光约一半左右的光能量。另外市场上还有一些可调焦的LED二次光学透镜为全反射透镜，其由中间的聚光部分及外圈的全反射部分组成，但由于透镜中间的聚光部分为上下两个面都是光滑的表面，由于凸透镜的成像效应，聚光的时候会投射出芯片形状的方形的影子，非常不美观；另外由于凸透镜的像差，当LED的荧光粉涂敷面比较大时，投射出来的光斑会有中间色温高、边缘色温低的情况，即光斑存在黄圈。另外有些透镜中间的聚光部分及外圈的全反射部分具有不同的焦距，导致其在调焦的时候两部分光斑不重合，光斑中间会产生不均匀的暗环或亮环。
发明内容
本实用新型提供一种光束角可调的二次光学透镜模组，本实用新型解决现有技术存在的以下问题：当LED的荧光粉涂敷面比较大时，投射出来的光斑会有中间色温高、边缘色温低的情况，即光斑存在黄圈；以及透镜中间的聚光部分及外圈的全反射部分具有不同的焦距，导致其在调焦的时候两部分光斑不重合，光斑中间会产生不均匀的暗环或亮环。
为解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案：一种光束角可调的二次光学透镜模组，该二次光学透镜模组至少由一个或一个以上的透镜单元组成；所述的透镜单元其包括中间的聚光部分及外圈的全反射部分；所述透镜单元中间的聚光部分，其下表面为凸面；其上表面为附有微透镜阵列的凸面，其为出光面，其可以消除由于凸透镜的成像效应所投射出来的LED芯片的方形影子，其将方形的光斑整形为圆形的光斑，其还可以起到小角度的混光作用，消除光斑中间及光斑边缘的色温差异，从而产生一个圆形、色温均匀的光斑；所述的透镜单元外圈的全反射部分，其由圆锥形入射面、外侧的全反射面、以及上表面圆锥形的出光面组成，其可以收集透镜单元中间聚光部分的数值孔径角之外的入射光，并进行聚光；所述透镜单元中间的聚光部分及外圈的全反射部分，其具有相同的焦点，以保证在调焦时两部分光斑可以一直重合，从而在调焦时产生一直比较均匀的光斑。
基于现有技术存在的问题，本实用新型提出了一种将透镜单元中间聚光部分的光滑上表面改为附有微透镜阵列的凸面，其可以消除由于凸透镜的成像效应所投射出来的LED芯片的方形影子，将方形的光斑整形为圆形的光斑，并且其还起到小角度的混光作用、消除光斑中间及光斑边缘的色温差异，从而产生一个圆形、色温均匀的光斑。另外，本实用新型所提出的透镜单元，其中间的聚光部分及外圈的全反射部分，具有相同的焦点，以保证在调焦时两部分光斑可以一直重合，从而在调焦时产生一直比较均匀的光斑。
附图说明
图1本实用新型所述的二次光学透镜单元的剖面图；
图2本实用新型所述的二次光学透镜单元的轴侧图；
图3本实用新型所涉及的二次光学透镜单元的设计原理；
图4透镜单元中间聚光部分上表面的微透镜阵列的混光原理；
图5本实用新型所涉及的二次光学透镜模组的轴侧图；
图6-1本实用新型的二次光学透镜模组在聚光时透镜位置图；
图6-2本实用新型的二次光学透镜模组在泛光时透镜位置图；
图7本实用新型所述的二次光学透镜模组的3维模型图；
图8-1本实用新型的二次光学透镜模组在聚光位置时光线追迹立体图；
图8-2本实用新型的二次光学透镜模组在聚光位置时光线追迹侧面图；
图9-1本实用新型的二次光学透镜模组在聚光位置时1米远屏幕上的照度等高线分布图；
图9-2本实用新型的二次光学透镜模组在聚光位置时1米远屏幕上的照度等高线X轴高斯曲线分布图；
图9-3本实用新型的二次光学透镜模组在聚光位置时1米远屏幕上的照度等高线Y轴高斯曲线分布图；
图9-4本实用新型的二次光学透镜模组在聚光位置时1米远屏幕上的照度等高线示意图。
具体实施方式
下面用最佳的实施例对本实用新型做详细的说明。
如图1-2所示，本实用新型所涉及的透镜模组，其至少由1个透镜单元组成，本实施方案优选为由3个透镜单元组成。所述的透镜单元，其剖面图和3维视图分别如图1及图2所示，其由中间的聚光部分1及外圈的全反射部分2组成。所述透镜单元中间的聚光部分，其下表面为凸面11，其上表面为附有微透镜阵列12a的凸面，其为出光面；所述的微透镜阵列12a，其附于基面12上。所述的透镜单元外圈的全反射部分2，其工作面由圆锥形入射面21、外 侧的全反射面22、以及上表面圆锥形的出光面23组成，其可以收集中间聚光部分的数值孔径角之外的入射光，并进行聚光。所述透镜单元中间的聚光部分及外圈的全反射部分，其具有相同的焦点，以保证在调焦时两部分光斑可以一直重合，从而在调焦时产生一直比较均匀的光斑。当所述的透镜单元对LED发射的光进行聚光时，其中间聚光部分的焦点及外圈全反射部分的焦点都位于LED芯片发光面中心O点的位置。
本实用新型所述的二次光学透镜单元的设计原理，如图3所示。当透镜单元对LED的发射光进行准直聚光时，透镜单元中间的聚光部分1及外圈全反射部分2的焦点都位于LED芯片发光面的中心O点处，从O点发出的光线，其在透镜单元中间聚光部分1的数值孔径角之内(数值孔径角在±45°以内，这里优选为数值孔径角为±40°)的一部分光束被聚光部分1进行准直。另外一部分从O点发出的、其在透镜单元中间聚光部分1的数值孔径角之外的光则被透镜单元外圈的全反射部分2进行准直，两部分光斑进行重合，从而可以产生一个亮度高、光效高的准直光斑。所述二次光学透镜单元的底部，其离开PCB板(电路板)的距离为H，这个距离为透镜单元的调焦距离，当透镜单元从高度为H的位置调到PCB板位置时，其出射的光束角从最小变到最大。
本实用新型所涉及的二次光学透镜单元的中间的聚光部分，其上表面的微透镜阵列的混光原理如图4所示。从LED的芯片发光面中心O点发出的光线OP，经过中间聚光部分的下表面P点折射后，入射到微透镜12a的中心点处，其折射光线Q以平行于光轴OZ的方向射出；而入射到微透镜12a的边缘的左右两条光线，其以±Dq角进行汇聚后再射出。所有的附在基面12上的微透镜，其混光角度都为±Dq角。叠加后会形成整体光束角为±Dq角范围的均匀的光分布，从而消除由于凸透镜的成像效应所投射出来的LED芯片的方形影子，将方形的光斑整形为圆形的光斑，其还可以消除光斑中间及光斑边缘的色温差异，从而产生一个圆形的、色温均匀的光斑。所述的混光角度±Dq角，其在±3°至±8°之间，本实用新型优选±Dq角为±4°。
如图3-5所示，本实用新型所涉及的二次光学透镜模组，其至少由1个或1个以上的透镜单元组成，本实用新型优选为由3个透镜单元组成。3个透镜单元按照120°等角度阵列排布，并通过一个圆形的平台31连接，平台的上下边或边缘可以设置有用来装配定位的卡脚34，其为非光学部件，可以为任何形状及任何位置。3个透镜单元的光斑叠加后形成一个均匀的圆形光斑。
如图6所示，本实用新型所涉及的二次光学透镜模组，其在聚光和泛光时透镜和LED之间的相对位置如图6所示。当透镜模组处于准直聚光位置时，透镜单元的焦点位于LED芯片 发光面的中心点O处，透镜模组的底部离PCB板的距离为H，H在3mm～10mm之间，这里优选H为4.56mm，这时系统的光束角最小，大约为±4°左右。当透镜模组往LED的方向调节，透镜模组的底部紧贴于PCB板时，这时透镜模组处于泛光的状态，系统的光束角最大，根据H的长短，其光束角全角可以达到30°～60°左右，本实施方案中泛光时系统可以达到的光束角约为45°。
以下为本实施方案所述的二次光学透镜模组在准直聚光位置时的计算机模拟及光度分析。透镜模组距离LED底部为4.56mm，即LED芯片发光面的中心O点在透镜单元的焦点位置，光束角全角为8度，这里假设LED为CREE XP-E，单颗LED的光通量为90流明。
如图7-9所示，图9本实用新型所述的二次光学透镜模组在聚光位置时，1米远处的屏幕上的照度等高线分布图
图7至图9分别为本实用新型所述的二次光学透镜模组的3维模型图、光线追迹图、以及1米远处的屏幕上的照度等高线分布图。可以看出光斑形状为圆形，彻底消除了由于凸透镜的成像效应所投射出来的LED芯片的方形影子，而且照度分布曲线基本上呈平顶的高斯曲线分布，均匀度较好。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。
Claims (1)
1.一种光束角可调的二次光学透镜模组，其特征在于，该二次光学透镜模组至少由一个或一个以上的透镜单元组成；所述的透镜单元其包括中间的聚光部分及外圈的全反射部分；所述透镜单元中间的聚光部分，其下表面为凸面；其上表面为附有微透镜阵列的凸面，其为出光面；所述的透镜单元外圈的全反射部分，其由圆锥形入射面、外侧的全反射面、以及上表面圆锥形的出光面组成；所述透镜单元中间的聚光部分及外圈的全反射部分，其具有相同的焦点。
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