专利名称：一种实现均匀矩形光斑透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种实现均匀矩形光斑的LED透镜，光源可以为点光源，也可以是扩展光源，特别是COB扩展光源。
背景技术：
目前大部分封装工艺的LED出射光都为非均匀的圆形或者矩形光斑，这样的光斑肯定无法满足在道路照明、隧道照明、背光源、投影仪、汽车前灯等需要均匀矩形光斑的照明应用领域的需求，因此，对LED进行二次光学设计是非常有必要的。
然而目前行业中的大部分成矩形光斑的二次光学透镜都是针对路灯照明等远场照明应用来设计的，在远场照明中，光源面积相对于照射距离来说非常小，可以当作点光源来对待，从而进行透镜的光学设计。如专利申请号201010215196.8，名称为《LED透镜》的专利文献中所述的一款LED透镜所示，该发明专利的LED透镜为塑胶材料一体成型制成，该透镜包含一透光材质的本体、一出光部及入光凹部，但是在近场照明中，这种透镜结构就不适合了，近场照明中，目标面与光源的距离在
IiKfS (A为光源的发光面积)的范围内，光源不可以再当作点光源来对待了，必须考虑到
它的发光面积的影响。专利申请号200680010199. X，名称为《有利于背后照明的LED广角发射透镜》的专利文献公开了一款用于近场照明的LED发射透镜，该款透镜就是用在直下式LED背光照明应用领域中，但是该透镜形成的是圆形光斑，在LED背光照明应用中的混光效果不如矩形光斑的效果好，且有效扩展角度也不大，这即意味着在应用中不得不使用更多数量的光源来弥补其有效扩展角度不足的缺陷。综上所述，设计一款应用在近场照明领域的成广角的均匀矩形光斑的透镜非常有必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种扩展角度大、矩形光斑中各点照度的均匀性好的应用于近场照明的均匀光斑透镜。为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是
一种实现均匀矩形光斑透镜，所述透镜具有一底面，所述底面中央设有一凹面，为透镜的光线入射面；透镜具有两个或两个以上的光线出射面，负责出射不同角度的光线；透镜具有两个或两个以上的光线反射面，用来控制光线在透镜内部的方向；透镜的主体部分由透镜的底面、光线入射面、光线反射面及光线出射面共同包围的空间定义。进一步作为优选的实施方式，所述光线入射面为球面或自由曲面或圆柱面或球面和圆柱面的组合曲面或自由曲面和圆柱面的组合曲面。进一步作为优选的实施方式，所述透镜的光线出射面由自由曲面拼接而成，负责不同角度光线的出射，通过调节其曲率参数可以控制光线的折射出射方向。进一步作为优选的实施方式，所述透镜的光线反射面由自由曲面拼接而成，负责控制水平角在范围内光线在透镜内部的方向，所述α的取值范围为30° < α
<45°。进一步作为优选的实施方式，所述透镜各个面之间连接部位为连续过渡或者非连续过渡的自由曲面拼接而成。进一步作为优选的实施方式，所述透镜的应用光源为点光源或者扩展面光源。进一步作为优选的实施方式，所述透镜底部设有定位引脚，所述定位引脚设有定位孔或定位栓。进一步作为优选的实施方式，所述透镜由PC或PMMA或PP或ABS或PVC或玻璃材料制成。
进一步作为优选的实施方式，所述透镜为单颗或阵列形式，透镜和光源对应关系
为一对一或一对多或多对一关系。本发明的有益效果是本发明透镜改变了传统的LED透镜光线入射面的设计，通过在光线入射面上不同部位的不同曲率来控制入射光线的折射方向，提高了出光效率；进一步，光线出射面上包括直接折射透镜内光线的第一出射面和折射透镜内经全反射的光线的第二出射面，通过调节第一出射面和第二出射面的曲率参数，可形成均匀的矩形光斑，且有效扩展角度可达到12(Γ160度，从而能以较少的光源和透镜数量达到更好的混光照明效果O
图I是本发明透镜的结构示意 图2是本发明透镜的主向示意 图3是本发明透镜的侧面示意 图4是本发明透镜的仰视示意 图5是本发明透镜的光线分布示意 图6是本发明透镜不同角度光线的出射示意 图7是本发明透镜的立体结构示意 图8是本发明实施例中透镜的照度分布效果示意 图9是本发明实施例中改变光线入射面形状的透镜结构示意 图10是本发明另一实施例中改变光线入射面形状的透镜结构示意 图11是改变本发明透镜第三反射面形状的透镜结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步说明
一种实现均匀矩形光斑透镜，该透镜具有一底面，所述底面中央设有一接收LED光线的光线入射面1，与底面相贯通的透镜的外表面为光线出射面，所述光线入射面I为利用曲率调节不同角度入射光线的折射方向的球面或者自由曲面，所述光线出射面包括多个利用其表面不同曲率来控制入射后的光线在透镜内部的反射方向及光线出射方向从而使输出光斑接近矩形的自由曲面。参照图1，本实施例中，光线入射面I为位于透镜底部中央的内凹的球面，LED光线在入射面不同点上的折射方向不同，通过控制光线入射面I不同点处的曲率参数调整了LED光线以合适的角度折射射入透镜内部，从而增大了 LED光线进入光线入射面I后的出光角度，避免了光线的损耗及光效率的降低，有利于通过调整透镜各部位的相关参数对光斑面积进行控制。所述光线出射面包括用于折射透镜内水平角在0° α (30° < α < 45° )范围内的光线的第一出射面2，所述第一出射面2通过一作为连续过渡面的第一反射面3连接有第二出射面4，所述第二出射面4在透镜的外周顶部边沿连接有内凹的第二反射面5及第三反射面6，所述第三反射面6位于与光线入射面I相对的中央位置，控制透镜内部水平角
(70° < β <90° )范围内光线的反射分布，所述第二反射面5用于连接第二出射面4与所述第三反射面6，并将水平角α β (30° < α <45°，70° < β <90° )的光线反射至第二出射面4。在应用中，第一出射面2、第二出射面4、第一反射面3、第二反射面5及第三反射面6皆为自由曲面。通过控制第一出射面2的曲率参数使得透镜内水平角度在0° α (30° < α <45° )范围内的光线以合适的角度折射出透镜(参照图6中的光线1)，让其射往要求的光斑边缘，从而对光斑边缘的光照强度进行了有效的补充提高，提升了光斑的均匀性；通过调节第三反射面6的曲率参数，将透镜内部水平角β、0° (70°
<β <90° )范围的光线进行全反射，进而经第二出射面4折射出射(参照图6中的光线3)，从而使其远离光斑中心及其周围附近部位，避免了出现光斑中央光照强度过高的情况，也增大了光斑其他部位的光照强度，从而提高了光斑的均匀性；通过微调第二反射面5、第三反射面6及第二出射面4的曲率参数，可以对光源中心和边缘之间的那一部分光源发出的出射光线进行分散控制(参照图6中的光线2)，提高光斑边缘和光斑中心之间区域的均匀度。图2是本发明透镜的主向示意图，图3是本发明透镜的侧面示意图，图4是本发明透镜的仰视示意图，本发明透镜的立体结构示意图参照图7，图5是本发明透镜的光线分布示意图。通过透镜结构，对水平角α、0° (30° < α <45° )特别是中央部分水平角β、0° (70° < β <90° )的光线进行全反射后再由出光面对其进行折射处理，从而有效降低了光斑中心及其周围的光照强度，提高了光斑边缘及其它部分的光照强度，在此基础上通过调节透镜各个部位自由曲面的曲率参数，进一步提高了光斑的均匀度。本发明透镜的照度分布效果示意图如图8所示，本发明透镜可以在近场照明中，特别是在直下式背光模组照明中，形成有效扩展角度达到120-160°高均匀度高光线利用率的规则矩形光斑。优选地，本发明透镜由PC、PMMA、PP、ABS、PVC或者玻璃等透光材料制成。参照图1，透镜底部设有定位引脚7，定位引脚7上设有定位孔8及定位栓9。通过调节定位引脚7的高度，就可以控制光源发光面与透镜底面之间的距离，进而控制光斑的面积及其均匀度。在优选实施例中，本发明透镜的光线入射面I的形状可以改变，例如采用图9所示的平顶的圆柱形，或者采用图10所示的圆顶的圆柱形或者其他对入射光线进入透镜的折射方向可控的形状均可。参照图11，通过改变透镜的第三反射面6的最低点的形状或者将第二反射面5和第三反射面6合并为一个反射面来控制光线的出射方向，即采用两个光线反射面亦可以实现透镜中心部位的光线远离光斑中心及其周围附近部位，避免了出现光斑中央光照强度过高的情况，也增大了光斑其他部位的光照强度，从而提高了光斑的均匀性。另外，亦可将第一反射面3取消，直接由第二出射面4与第一出射面2相贯接后调节透镜相关部位的参数，也能达到同样的效果。在具体应用中，本发 明透镜为单颗或阵列形式，透镜和光源对应关系为一对一或一对多或多对一关系。以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内 。
权利要求
1.一种实现均匀矩形光斑透镜，其特征在于所述透镜具有一底面，所述底面中央设有一凹面，为透镜的光线入射面；透镜具有两个或两个以上的光线出射面，负责出射不同角度的光线；透镜具有两个或两个以上的光线反射面，用来控制光线在透镜内部的方向；透镜的主体部分由透镜的底面、光线入射面、光线反射面及光线出射面共同包围的空间定义。
2.根据权利要求I所述的一种实现均匀矩形光斑透镜，其特征在于所述光线入射面为球面或自由曲面或圆柱面或球面和圆柱面的组合曲面或自由曲面和圆柱面的组合曲面。
3.根据权利要求I所述的一种实现均匀矩形光斑透镜，其特征在于所述透镜的光线出射面由自由曲面拼接而成，负责不同角度光线的出射，通过调节其曲率参数可以控制光线的折射出射方向。
4.根据权利要求I所述的一种实现均匀矩形光斑透镜，其特征在于所述透镜的光线反射面由自由曲面拼接而成，负责控制水平角在a、0°范围内光线在透镜内部的方向，所述a的取值范围为30° < a < 45°。
5.根据权利要求I所述的一种实现均匀矩形光斑透镜，其特征在于所述透镜各个面之间连接部位为连续过渡或者非连续过渡的自由曲面拼接而成。
6.根据权利要求I所述的一种实现均匀矩形光斑透镜，其特征在于所述透镜的应用光源为点光源或者扩展面光源。
7.根据权利要求I所述的一种实现均匀矩形光斑透镜，其特征在于所述透镜底部设有定位引脚，所述定位引脚设有定位孔或定位栓。
8.根据权利要求I所述的一种实现均匀矩形光斑透镜，其特征在于所述透镜由PC或PMMA或PP或ABS或PVC或玻璃材料制成。
9.根据权利要求I所述的一种实现均匀矩形光斑透镜，其特征在于所述透镜为单颗或阵列形式，透镜和光源对应关系为一对一或一对多或多对一关系。
全文摘要
本发明公开了一种实现均匀矩形光斑透镜，该透镜具有一底面，底面中央设有一接收LED光线的光线入射面，与底面相贯通的透镜的外表面为光线出射面，光线出射面包括多个利用其表面不同曲率来控制入射后的光线在透镜内部的反射方向及光线出射方向从而使输出光斑接近矩形的自由曲面。本发明透镜通过对水平角α~90°(30°＜α＜45°)，特别是中央部分水平角β~90°(70°＜β＜90°)的光线进行全反射后再由出光面对其进行折射处理，从而有效降低了光斑中心及其周围的光照强度，提高了光斑边缘部分的光照强度，可形成均匀的矩形光斑，从而能以较少的光源和透镜数量达到更好的混光照明效果。
文档编号F21V5/04GK102705776SQ201210152649
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月16日 优先权日2012年5月16日
发明者余舒适, 向宝玉, 吴乾, 周镇, 李国平, 熊威, 王跃飞, 石超 申请人:广州市鸿利光电股份有限公司