CN208382041U - 一种准直透镜 - Google Patents

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    • F21V5/046—Refractors for light sources of lens shape the lens having a rotationally symmetrical shape about an axis for transmitting light in a direction mainly perpendicular to this axis, e.g. ring or annular lens with light source disposed inside the ring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Abstract

本实用新型公开了一种准直透镜，包括一围绕中心轴旋转对称的本体，本体底面的中心处设有一光腔，光腔的内壁面形成为光的入射面；本体的侧面自底面向上呈向外扩张的形状，形成为光的第二反射面；所述侧面上设有多个呈放射状均匀排列的齿，且所述侧面被经过中心轴的平面所截取的任一截线为直线；所述入射面被经过中心轴的平面所截取的曲线为驼峰状曲线，所述出射面被经过中心轴的平面所截取的曲线为马鞍形曲线。本实用新型设计了一种新的超薄型准直透镜，在满足准直效果要求以及超薄设计的前提下，将透镜的侧面采用直线齿状结构，使得在加工侧面时，降低侧面所需求的加工自由度，降低加工的复杂性，更有利于保证加工精度和加工成本。

Description

一种准直透镜
技术领域
本实用新型属于LED光学系统配件的技术领域，具体涉及一种准直透镜。
背景技术
LED照明芯片已经是较为广泛应用的照明技术，LED芯片经过初步的封装后已经完成了初次配光，由封装组件完成，初次配光后具有一定的随机设计的发光角度，在应用于照明灯具上时，往往还需要再次配光，即二次配光，以根据具体照明场景的应用需求完成配光设计，比如室内照明、路灯照明、舞台照明、景观照明等。
随着需求的不断提高，在关注准直光学透镜的准直性能的情况下，对于透镜的尺寸和混色性能都提出了更高的要求。在紧凑型准直光学透镜解决方案中，基于双曲面同时设计的折射-全反射-反射-折射(RIXR)透镜是目前应用较为广泛的解决方案，但需要在透镜底部镀膜，存在镀膜效率不高、镀膜均匀性难以控制等问题，特别是塑胶材料经过高温镀膜工艺后，往往造成光学材料黄变等问题，影响透光率和可靠性，也大大增加了成本和工艺难度，也限制了该技术的应用。一种现有技术通过将反射面设置为齿状结构，将原本依靠镀膜的反射面改为两次全反射，省去了镀膜工艺的情况下还能实现混光(齿状结构参考图2所示)。
然而，该技术中齿状结构，为了不改变光路的准直性能，齿状面必须沿着曲线轮廓线各点正交的平面方向延伸，为了形成准直效果，该全反射面(镀膜面)原本是弧形面，即其沿径向方向的切面线是弧线，为了省去镀膜而将该面改为齿状，同时依然需要保持在径向方向的弧线形状，这种立体结构面的加工变得非常复杂，传统的加工设备几乎不能做到如此多自由度的精加工，即使采用最先进的加工设备，能够多自由度地实现加工，但是精度依然无法保证，极大地增加了加工难度和成本。
实用新型内容
本实用新型的目的在于为解决上述问题，设计一种易加工的薄型准直透镜。
为实现本实用新型目的所采用的技术方案为：一种准直透镜，包括一围绕中心轴旋转对称的本体，本体底面的中心处设有一光腔，光腔朝向本体内部凹陷成型，光腔的内壁面形成为光的入射面；
本体的侧面自底面向上呈向外扩张的形状，形成为光的第二反射面；
本体的顶面形成为光的第一反射面和出射面，在本体内从入射面射至顶面的光被反射，而从第二反射面射至顶面的光被射出本体外；
所述侧面被经过中心轴的平面所截取的任一截线为直线，即侧面直线；
所述入射面被经过中心轴的平面所截取的曲线为驼峰状曲线，具体为，该曲线沿径向向外延伸的过程中，其曲线变化如下：
上升段，上升段的起始点斜率大于零，然后其斜率逐渐减小到零，
下降段，下降段的起点斜率等于零，与上升段末端平滑连接，然后其斜率逐渐变为负数值并在负数值范围内变化直至其曲线终点；
所述出射面被经过中心轴的平面所截取的曲线为马鞍形曲线，具体为，该曲线沿径向向外延伸的过程中，其曲线变化如下：
提升段，提升段的起始点斜率大于零，然后其斜率逐渐减小到零，
回落段，回落段的起点斜率等于零，与提升段末端平滑连接，然后其斜率减小为负数并在负数范围内继续减小直至其曲线终点；
马鞍形曲线覆盖于驼峰状曲线和侧面直线的上方，马鞍形曲线的最高点在径向距离上大于驼峰状曲线的最高点。
优选的，所述驼峰状曲线的下降段斜率变化，具体为，下降段的斜率在负值范围内先逐渐变小然后再逐渐变大直至曲线终点；
驼峰状曲线的起始点斜率为0.4至0.6；
中心轴与底面的交点为原点，驼峰状曲线最高点与原点的连线与中心轴的夹角大于20度，驼峰状曲线的最小斜率为-5.5至-6，斜率最小位置与原点的连线与光轴的夹角为55度至60度；
所有驼峰状曲线终点构成的圆形的直径与透镜本体高度的比值大于0.5。
优选的，所述驼峰状曲线起始点与终点的连线与中心轴的夹角大于5度。
优选的，所述马鞍形曲线的起始点的径向坐标与驼峰状曲线起始点相同；
马鞍形曲线起始点的斜率为0.4至0.5，之后其斜率单调递减，且递减速度越来越慢；
马鞍形曲线斜率大于0部分的长度小于斜率小于0部分的长度；
马鞍形曲线最高点与底面的垂直高度比马鞍形曲线最低点与底面的垂直高度大10％-20％；
马鞍形曲线终点的斜率为-0.15到-0.2；
透镜本体高度与出光面外径比值为0.15到0.25。
优选的，所述侧面直线与底面的夹角为20度至35度；
侧面直线起始点与中心轴的径向距离与透镜本体的高度的比值大于1；
侧面直线终点与中心轴的径向距离与透镜本体的高度的比值大于4；
侧面直线终点与马鞍形曲线终点的垂直距离大于0.1mm。
优选的，所述侧面上设有多个呈放射状均匀排列的齿。
优选的，所述侧面上的齿通过以下方法设计而成：
(1)选一条侧面直线作为基线，选定基线的中点；
(2)在基线和中心轴所在的平面内，做基线中点的法向矢量和切向矢量；
(3)将法向矢量围绕切向矢量旋转角度α和-α，形成两条射线；
(4)将基线分别沿两条射线移动，其移动轨迹构成一个V形槽；
(5)将V形槽围绕中心轴旋转角度β和-β，生成交叉的3个V形槽结构；
(6)去掉中间V形槽与另外2个V形槽交叉的部分，再去掉另外2个V形槽，留下的部分即为所述齿的结构。
优选的，所述齿的个数为m＝360°/β，且m为整数，β不大于6度；
α为40度到50度之间。
优选的，所述驼峰状曲线和马鞍形曲线起始点均不在中心轴上，驼峰状曲线的终点和侧面直线的起始点均在底面上。
优选的，本体底面上设有安装构件；
本体外侧边缘上设有防护凸圈。
优选的，所述本体上被所有马鞍形曲线起始点构成的圆形范围内，设有弧形凸起或贯穿本体上下的孔。
本实用新型的有益效果为：首先设计了一种全新光路原理的超薄型准直透镜，在满足准直效果要求以及超薄设计的前提下，采用了入射面为曲线、侧面为直线、顶面为曲线的设计组合；其次考虑到加工复杂性和增加混光效果的问题，进一步将透镜的侧面(第二反射面)采用齿状结构，使得在加工侧面时，降低侧面所需求的加工自由度，降低加工的复杂性，更有利于保证加工精度和加工成本。
附图说明
图1为本实用新型实施例准直透镜的立体结构示意图
图2为本实用新型实施例准直透镜的背面方向的立体结构示意图
图3为本实用新型实施例准直透镜的侧视图
图4为本实用新型实施例准直透镜的剖面图
图5为本实用新型实施例准直透镜的光学面的母线图
图6为本实用新型实施例准直透镜的光学面母线的坐标图
图7为本实用新型实施例准直透镜的准直光路原理图
图8为本实用新型实施例齿的设计方法的步骤(1)示意图
图9为本实用新型实施例齿的设计方法的步骤(2)之法向矢量的示意图
图10为本实用新型实施例齿的设计方法的步骤(2)之切向矢量的示意图
图11为本实用新型实施例齿的设计方法的步骤(3)示意图
图12为本实用新型实施例齿的设计方法的步骤(4)示意图
图13为本实用新型实施例齿的设计方法的步骤(5)示意图
图14为本实用新型实施例齿的设计方法的步骤(6)示意图
图15为本实用新型另一实施例准直透镜的结构及其准直光路原理图
图16为本实用新型又一实施例准直透镜的结构及其准直光路原理图
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。
如图1至图7所示，本实施例一种准直透镜，包括一围绕中心轴旋转对称的本体，本体底面4的中心处设有一光腔5，光腔5朝向本体内部凹陷成型，光腔的内壁面形成为光的入射面1。
如图5所示，以中心轴作为z轴，以底面直线作为x轴，建立方便说明的直角坐标系。
如图6所示，驼峰状曲线DF，起始点为D，E为最高点，F为终点，位于底面上；侧面直线MN，起始点为M，终点为N；马鞍形曲线AC，起始点为A，B为最高点，F为终点。根据各点距离底面的高度大小排序，为：Hb＞Hc＞Ha＞Hn＞He＞Hd。
本体的侧面3自底面向上呈向外扩张的形状，形成为光的第二反射面。本体的顶面2形成为光的第一反射面和出射面，在本体内从入射面1射至顶面2的光被反射，而从第二反射面3射至顶面2的光被射出本体外。
所述侧面3上设有多个呈放射状均匀排列的齿，且所述侧面被经过中心轴的平面所截取的任一截线为直线，即侧面直线。
所述入射面1被经过中心轴z的平面所截取的曲线为驼峰状曲线，具体为，该曲线沿径向向外延伸的过程中，其曲线变化如下：上升段，上升段的起始点斜率大于零，然后其斜率逐渐减小到零，下降段，下降段的起点斜率等于零，与上升段末端平滑连接，然后其斜率逐渐变为负数值并在负数值范围内变化直至其曲线终点。
更具体的，所述驼峰状曲线的下降段斜率变化，下降段的斜率在负值范围内先逐渐变小然后再逐渐变大直至曲线终点。
更具体的，驼峰状曲线起始点与终点的连线与中心轴的夹角大于15度小于35度；驼峰状曲线的起始点斜率为0.4至0.6；中心轴与底面的交点为原点，驼峰状曲线最高点与原点的连线与中心轴的夹角为24度至26度，驼峰状曲线的最小斜率为-5.5至-6，在终点位置的斜率为-1.64，斜率最小位置与原点的连线与光轴的夹角为55度至60度；所有驼峰状曲线终点构成的圆形的直径与透镜本体高度的比值大于0.5。驼峰状曲线终点位置与原点连线同中心轴夹角为79～81度。
所述出射面被经过中心轴z的平面所截取的曲线为马鞍形曲线，具体为，该曲线沿径向向外延伸的过程中，其曲线变化如下：提升段，提升段的起始点斜率大于零，然后其斜率逐渐减小到零，回落段，回落段的起点斜率等于零，与提升段末端平滑连接，然后其斜率减小为负数并在负数范围内继续减小直至其曲线终点。
更具体的，所述马鞍形曲线的起始点的径向坐标与驼峰状曲线起始点相同；马鞍形曲线起始点的斜率为0.4至0.5，之后其斜率单调递减，且递减速度越来越慢，斜率递减速度越来越慢即曲线坐标y对x的二次倒数小于0；马鞍形曲线斜率大于0部分的长度小于斜率小于0部分的长度；马鞍形曲线最高点与底面的垂直高度比马鞍形曲线最低点与底面的垂直高度大10％-20％；马鞍形曲线终点的斜率为-0.15到-0.2；透镜本体高度与出光面外径比值为0.15到0.25。
马鞍形曲线覆盖于驼峰状曲线和侧面直线的上方，马鞍形曲线的最高点在径向距离上大于驼峰状曲线的最高点。驼峰状曲线的终点和侧面直线的起始点均在底面上。
图7是本实用新型实施例的光路原理图，从图中可以看到详细的光路走向情况，光线经LED光源发出后，先经过入射面1折射入透镜本体内，射至顶面2，然后被顶面2全反射至侧面3，侧面3因为是齿状结构，其实际光路会在齿槽内产生一定的全反射偏移，这个偏移是水平方向的，但其在竖向方向上是几乎不变的，故参考图7，可见光线再次被侧面3全反射至顶面2，经顶面2折射出去。
另外，所述侧面直线与底面的夹角为20度至30度；侧面直线起始点与中心轴的径向距离与透镜本体的高度的比值大于1；侧面直线终点与中心轴的径向距离与透镜本体的高度的比值为3到6；侧面直线终点与马鞍形曲线终点的垂直距离大于0.1mm而小于0.5mm。
并且，所述侧面上的齿通过以下方法设计而成：
(1)选一条侧面直线作为基线，选定基线的中点；如图8所示；
(2)在基线和中心轴所在的平面内，做基线中点的法向矢量(如图9所示)和切向矢量(如图10所示)；
(3)将法向矢量围绕切向矢量旋转角度α和-α，形成两条射线；如图11所示；
(4)将基线分别沿两条射线移动，其移动轨迹构成一个V形槽；如图12所示，图12的界面为设计界面，分别从直角坐标系的xy、zx、zy三个平面方向，以及一个轴侧方向(xyz)观察的四窗口界面显示图。
(5)将V形槽围绕中心轴旋转角度β和-β，生成交叉的3个V形槽结构；如图13所示；
(6)去掉中间V形槽与另外2个V形槽交叉的部分，再去掉另外2个V形槽，留下的部分即为所述齿的结构。如图14所示，图14的界面为设计界面，分别从直角坐标系的xy、zx、zy三个平面方向，以及一个轴侧方向(xyz)观察的四窗口软件界面显示图。
本设计方法所用到的设计方法采用当前普通的绘图软件工具都可以实现，例如CAD等等。
其中，所述齿的个数为m＝360°/β，且m为整数，β不大于6度；α为40度到50度之间。
作为透镜本体的一些掩盖应用，比如，在本体底面4上设有安装构件8，使用时用于将透镜安装在特定结构上，起到安装固定的作用，因其设于透镜本体外而会掩盖透镜本体的内部结构，这种掩盖不构成对本实用新型核心技术方案的改变，仍然落入本实用新型设计理念的范畴内；又如，本体外侧边缘上设有防护凸圈6，其主要起到防护等附加作用，亦在本实用新型的同一实用新型构思范畴内。再如，所述本体上被所有马鞍形曲线起始点构成的圆形范围内，设有贯穿本体上下的孔7，亦在本实用新型的同一实用新型构思范畴内。
再如图15所示，所述本体上被所有马鞍形曲线起始点构成的圆形范围内，设有弧形凸起9，为另一种实施例，其亦在本实用新型的同一实用新型构思范畴内。
作为另一个实施例，如图16所示，以顶面2的马鞍形曲线作为母线，沿曲线方向做波形抖动，例如在母线的上下方依次错开取点，这些点的拟合曲线仍为母系，连接所有点形成在母线基础上具有波动的新曲线，将该新曲线取代母线，可得到更好的混光效果。其亦在本实用新型的同一实用新型构思范畴内。
本实施例的有益效果为：首先设计了一种全新光路原理的超薄型准直透镜，在满足准直效果要求以及超薄设计的前提下，采用了入射面为曲线、侧面为直线、顶面为曲线的设计组合；其次考虑到加工复杂性和增加混光效果的问题，进一步将透镜的侧面(第二反射面)采用齿状结构，使得在加工侧面时，降低侧面所需求的加工自由度，降低加工的复杂性，更有利于保证加工精度和加工成本。
图15和图16的实施例中，其中的驼峰状曲线也是本实用新型的范畴内，其起点并未像图7实施例的驼峰状曲线那么明显，因为其中部具有设有弧形凸起9，其属于汇聚透镜的原理进一步充分利用了中部的光线。
根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种准直透镜，包括一围绕中心轴旋转对称的本体，本体底面的中心处设有一光腔，光腔朝向本体内部凹陷成型，光腔的内壁面形成为光的入射面；
本体的侧面自底面向上呈向外扩张的形状，形成为光的第二反射面；
本体的顶面形成为光的第一反射面和出射面，在本体内从入射面射至顶面的光被反射，而从第二反射面射至顶面的光被射出本体外；
其特征在于，
所述侧面被经过中心轴的平面所截取的任一截线为直线，即侧面直线；
所述入射面被经过中心轴的平面所截取的曲线为驼峰状曲线，具体为，该曲线沿径向向外延伸的过程中，其曲线变化如下：
上升段，上升段的起始点斜率大于零，然后其斜率逐渐减小到零，
下降段，下降段的起点斜率等于零，与上升段末端平滑连接，然后其斜率逐渐变为负数值并在负数值范围内变化直至其曲线终点；
所述出射面被经过中心轴的平面所截取的曲线为马鞍形曲线，具体为，该曲线沿径向向外延伸的过程中，其曲线变化如下：
提升段，提升段的起始点斜率大于零，然后其斜率逐渐减小到零，
回落段，回落段的起点斜率等于零，与提升段末端平滑连接，然后其斜率减小为负数并在负数范围内继续减小直至其曲线终点；
马鞍形曲线覆盖于驼峰状曲线和侧面直线的上方，马鞍形曲线的最高点在径向距离上大于驼峰状曲线的最高点。
2.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述驼峰状曲线的下降段斜率变化，具体为，下降段的斜率在负值范围内先逐渐变小然后再逐渐变大直至曲线终点；
驼峰状曲线的起始点斜率为0.4至0.6；
中心轴与底面的交点为原点，驼峰状曲线最高点与原点的连线与中心轴的夹角大于20度，驼峰状曲线的最小斜率为-5.5至-6，斜率最小位置与原点的连线与光轴的夹角为55度至60度；
所有驼峰状曲线终点构成的圆形的直径与透镜本体高度的比值大于0.5。
3.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述马鞍形曲线的起始点的径向坐标与驼峰状曲线起始点相同；
马鞍形曲线起始点的斜率为0.4至0.5，之后其斜率单调递减，且递减速度越来越慢；
马鞍形曲线斜率大于0部分的长度小于斜率小于0部分的长度；
马鞍形曲线最高点与底面的垂直高度比马鞍形曲线最低点与底面的垂直高度大10％-20％；
马鞍形曲线终点的斜率为-0.15到-0.2；
透镜本体高度与出光面外径比值为0.15到0.25。
4.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述侧面直线与底面的夹角为20度至35度；
侧面直线起始点与中心轴的径向距离与透镜本体的高度的比值大于1；
侧面直线终点与中心轴的径向距离与透镜本体的高度的比值为大于4；
侧面直线终点与马鞍形曲线终点的垂直距离大于0.1mm。
5.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述侧面上设有多个呈放射状均匀排列的齿。
6.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述驼峰状曲线和马鞍形曲线起始点均不在中心轴上，驼峰状曲线的终点和侧面直线的起始点均在底面上。
7.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，
本体底面上设有安装构件；
本体外侧边缘上设有防护凸圈。
8.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述本体上被所有马鞍形曲线起始点构成的圆形范围内，设有弧形凸起或贯穿本体上下的孔。
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