一种防止眩光的透镜的制作方法

本实用新型属于led光学系统配件的技术领域，具体涉及一种防止眩光的透镜。

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，形成作为一个有一定宽度的封装件，该封装件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。

随着人们对光学要求的提升，除了被照面的均匀性以外，开始逐渐关注眩光的控制，特别是控制从透镜发光面发出的大角度光线。通过反射型透镜的方式对led光源进行二次配光，可以实现准直照射的照明效果功能，例如舞台射灯，准直照明的出射角度越小越好，但为了做到更小的角度出射，透镜的高度往往会被做的很高，且从光源中部发出的很多光线无法利用，大大限制了反射器的应用范围。如何设计紧凑且如何控制眩光的光学透镜是当前热门的开发领域。

当前一种现有的技术，可以实现紧凑薄型的透镜设计，即利用基于“折射-全反射-反射-折射”光路的光学透镜结构。然而，这种结构的第一个折射面(入光面)会产生菲涅尔损耗的杂光，如图1所示，图1入射面菲涅尔损耗的光线进入对面的入射面，这种杂光的光通量占比很小(通常小于4％)，但无法消除，从透镜出射的时候会集中在透镜局部位置以比较大的角度出射，集中在较为集中的角度范围，如图2所示，这种光线会影响正常出射的光线的效率，同时，这种光线的光路会与主光斑的光路偏离很大，属于典型的杂光，会产生严重的眩光。

为了解决上述问题，有另一种现有技术，是利用在内腔插入消光柱的方式，用以遮挡该部分菲涅尔损耗的光线，使其不会反射至对面的入射面。但这种技术手段会阻挡正面出射的光；以及从光源发光面边缘部分侧向进入入射面的光线，降低了光效；更大问题在于，如果用于大功率的光源，该消光柱的吸光结构会吸收很多的光能，从而造成材料性能快速退化甚至融化，存在一定的安全隐患。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，设计一种新型的防止眩光的透镜。

为实现本实用新型目的所采用的方案为：

一种防止眩光的透镜，包括一个轴对称的镜体，沿对称轴的上下方向对向设置有出光面和入射光腔，入射光腔向内凹入镜体，出光面的直径大于入射光腔；镜体以对称轴为中心沿径向向外扩展，形成镜体的侧面，镜体的侧面在入射光腔一端与出光面一端之间过渡，所述透镜侧面为反射面，所述入射光腔的内壁为入射面；

所述入射光腔的内壁下设有水平居中的led光源，有led光源的第一部分光线自上端入射面射入镜体内，然后射至出光面，被出光面全反射后射至反射面的上端部分，再由反射面的上端部分反射至出光面，自出光面准直射出；另有led光源的第二部分光线自下端入射面射入镜体内，然后被折射直接射至反射面的下端部分，再由反射面的下端部分反射至出光面，自出光面准直射出；

所述led光源与对称轴的交叉点为原点，从原点发出的光线射至入射面时，未射入镜体内的损耗光线，被入射面直接反射至光腔下方之外。

优选的，所述损耗光线被首次反射后，不会与入射面再次相交。

优选的，所述入射面为一个圆弧面，其圆心和所述原点的距离与镜体直径的比值介于0.25和0.45之间，圆心与原点的连线与水平面的夹角介于45度和60度之间。

优选的，所述出光面为一个斜面，斜面从透镜中部向边缘逐渐抬高，斜面与水平面的夹角为1度至15度之间。

优选的，所述反射面为镀膜反射面或全反射面。

优选的，所述反射面为一自由曲面，自下向上朝四周向外延展，下端的斜率最小，上端的斜率最大；下端起点位置切线方向与水平面夹角不大于30度，上端终点的切线方向与水平面的夹角不大于45度。

优选的，所述镜体为旋转对称体，所述反射面、出光面和入射面，均由各自的经过对称轴的平面所截取的曲线段围绕对称轴旋转形成；

所述反射面为一自由曲面，用于反射第一部分光线的上端部分为第二反射面，用于反射第二部分光线的下端部分为第一反射面，反射面由第一反射面和第二反射面组成，沿镜体入射光腔一端至出光面一端，依次为第一反射面和第二反射面。

优选的，反射面的曲线段的设计方法为：

一、计算所述第二反射面的曲线段：

步骤1：计算所述第二反射面曲线段的第一个点：

设定所述led光源与对称轴交叉的原点为为坐标原点o，对称轴亦称光轴，设定第二反射面生成的初始条件：自o点发出的光线与光轴的夹角为α，出光面的曲线段的起点高度为h0，出光面曲线段与水平的夹角为β，入射面曲线段的起点横坐标为x0，第二反射面曲线段的起点的高度为h1，入射面曲线段的函数为h＝f(x)，出光面最大半径为r0；基于上述初始条件，计算初始条件点i0，wr0，q0和w0，计算过程如下：

①根据入射面截线函数h＝f(x)，计算出入射面初始点i0的法线方向和切线方向；从o点出发，根据i0点的法线方向计算出光线oi0经过入射面折射的光线方向i0wr0；

②计算出光面曲线段与折射光线i0wr0的交点wr0,并按照反射原理计算出i0wr0经过出光面全反射光线方向wr0q0,根据第二反射面的起点高度h1，计算出点的坐标，q0为第二反射面的起点；

③根据出光面截曲线段方程，计算出经第二反射面反射的光线方向u，并计算出经第二反射面反射的光线q0w0，以及w0的坐标，w0为光线q0w0与出光面的交点；

④根据q0点坐标以及wr0q0、反射方向u，计算出第二反射面第一点q0的切线方向tq0；

步骤2：计算所述第二反射面曲线段的第二个点，计算过程如下：

①给定步进角度计算光线oi0偏移后的光线与入射面曲线段函数h＝f(x)相交于i1点的坐标；

②根据入射面曲线段函数h＝f(x)和i1坐标，求出i1点的法线方向，从而计算出经过i1的折射光线i1wr1的方程；

③计算出i1wr1与出光面的交点wr1，并根据出光面曲线段方程计算出被出光面全反射的光线方向wr1q1；

④根据q0的切线方向和wr1q1的方向相交，计算出q1点的坐标；

⑤通过q1点的坐标和反射方向，确定经过q1的切线方向tq1；

步骤3：针对给定步进角度不断重复步骤2，依次计算出第二反射面曲线段各点q2，q3，…，qi的坐标,当qi的横坐标大于r0时，第二反射面的曲线段截止于qi-1，对应该点的入射光线角度为对应第一部分光线；

二、计算第一反射面的曲线段：

步骤4：设定第一反射面的初始点p0，对于入射角度大于的入射光线，对应第二部分光线，经过入射面折射后经第一反射面全反射至出光面出射；第一反射面初始点p0，为与光轴夹角为的入射光线oii，经过入射面折射光线iiwri上的一点，该点选择的原则是，其横坐标小于iiwri与wr0q0的交点，以确保从光源中心o发出的入射到第二反射面的所有光线不会被第一反射面阻挡；

步骤5：根据经过第一反射面初始点p0全反射的光线方向，计算出第一反射面的斜率tp0；

步骤6：计算第一反射面的第二点p1：

①给定步进角度计算与oii相邻的光线oii+1与入射面的交点ii+1,并通过入射面曲线段函数h＝f(x)计算ii+1的法线方向，计算出经过ii+1折射后的光线方向ii+1p1；

②由直线ii+1p1和经过p0的第一反射面切线方向tp1的直线相交于p1点；

③根据p1和全反射光线方向计算出经过p1点的切线方向tp1；

步骤7：针对给定步进角度不断重复步骤6，直到入射光线与光轴的夹角达到90度。

本实用新型的有益效果：本实用新型的防止眩光的透镜，设计了一种光路方案，特别是在入射光腔的内壁上做出了较大的改进，通过把光源中心以及中心周围的大部分核心光线对应的菲涅尔损耗光线采用反射引导的方式，使其没有机会进入透镜内部，从很大程度上地降低了刺眼的眩光。但因为光源通常为一个面光源，仍然有少部分位于光源边缘处的光的菲涅尔损耗光线仍有可能会进入透镜内部，造成小程度的眩光，此时通过本实用新型的反射面、出光面和入射面的曲线段的设计方法，能进一步减弱眩光的影响。

附图说明

图1为现有技术中入射面菲涅尔损耗的光线进入对面的入射面的示意图

图2为现有技术中菲涅尔损耗光线进入透镜后形成眩光的示意图

图3为本实用新型实施例透镜的结构示意图

图4为本实用新型实施例透镜的防眩光路示意图

图5为现有技术的透镜从45度角度看透镜表面的光斑亮度分布图

图6为本实用新型的透镜从45度角度看透镜表面的光斑亮度分布图

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3和图4所示，本实施例一种防止眩光的透镜，包括一个轴对称的镜体，沿对称轴的上下方向对向设置有出光面和入射光腔，入射光腔向内凹入镜体，出光面的直径大于入射光腔；镜体以对称轴为中心沿径向向外扩展，形成镜体的侧面，镜体的侧面在入射光腔一端与出光面一端之间过渡，

所述透镜侧面为反射面，所述入射光腔的内壁为入射面；

所述入射光腔的内壁下设有水平居中的led光源，有led光源的第一部分光线自上端入射面射入镜体内，然后射至出光面，被出光面全反射后射至反射面的上端部分，再由反射面的上端部分反射至出光面，自出光面准直射出；另有led光源的第二部分光线自下端入射面射入镜体内，然后被折射直接射至反射面的下端部分，再由反射面的下端部分反射至出光面，自出光面准直射出；

所述led光源与对称轴的交叉点为原点，从原点发出的光线射至入射面时，未射入镜体内的损耗光线，被入射面直接反射至光腔下方之外。

所述损耗光线被首次反射后，不会与入射面再次相交。

所述入射面为一个圆弧面，其圆心和所述原点的距离与镜体直径的比值介于0.25和0.45之间，圆心与原点的连线与水平面的夹角介于45度和60度之间。

所述出光面为一个斜面，斜面从透镜中部向边缘逐渐抬高，斜面与水平面的夹角为1度至15度之间。

所述反射面为全反射面。

所述反射面为一自由曲面，自下向上朝四周向外延展，下端的斜率最小，上端的斜率最大；下端起点位置切线方向与水平面夹角不大于30度，上端终点的切线方向与水平面的夹角不大于45度。

所述镜体为旋转对称体，所述反射面、出光面和入射面，均由各自的经过对称轴的平面所截取的曲线段围绕对称轴旋转形成；

所述反射面为一自由曲面，用于反射第一部分光线的上端部分为第二反射面，用于反射第二部分光线的下端部分为第一反射面，反射面由第一反射面和第二反射面组成，沿镜体入射光腔一端至出光面一端，依次为第一反射面和第二反射面。

反射面的曲线段的设计方法为：

一、计算所述第二反射面的曲线段：

步骤1：计算所述第二反射面曲线段的第一个点：

设定所述led光源与对称轴交叉的原点为为坐标原点o，对称轴亦称光轴，设定第二反射面生成的初始条件：自o点发出的光线与光轴的夹角为α，出光面的曲线段的起点高度为h0，出光面曲线段与水平的夹角为β，入射面曲线段的起点横坐标为x0，第二反射面曲线段的起点的高度为h1，入射面曲线段的函数为h＝f(x)，出光面最大半径为r0；基于上述初始条件，计算初始条件点i0，wr0，q0和w0，计算过程如下：

①根据入射面截线函数h＝f(x)，计算出入射面初始点i0的法线方向和切线方向；从o点出发，根据i0点的法线方向计算出光线oi0经过入射面折射的光线方向i0wr0；

②计算出光面曲线段与折射光线i0wr0的交点wr0,并按照反射原理计算出i0wr0经过出光面全反射光线方向wr0q0,根据第二反射面的起点高度h1，计算出点的坐标，q0为第二反射面的起点；

③根据出光面截曲线段方程，计算出经第二反射面反射的光线方向u，并计算出经第二反射面反射的光线q0w0，以及w0的坐标，w0为光线q0w0与出光面的交点；

④根据q0点坐标以及wr0q0、反射方向u，计算出第二反射面第一点q0的切线方向tq0；

步骤2：计算所述第二反射面曲线段的第二个点，计算过程如下：

①给定步进角度计算光线oi0偏移后的光线与入射面曲线段函数h＝f(x)相交于i1点的坐标；

②根据入射面曲线段函数h＝f(x)和i1坐标，求出i1点的法线方向，从而计算出经过i1的折射光线i1wr1的方程；

③计算出i1wr1与出光面的交点wr1，并根据出光面曲线段方程计算出被出光面全反射的光线方向wr1q1；

④根据q0的切线方向和wr1q1的方向相交，计算出q1点的坐标；

⑤通过q1点的坐标和反射方向，确定经过q1的切线方向tq1；

步骤3：针对给定步进角度不断重复步骤2，依次计算出第二反射面曲线段各点q2，q3，…，qi的坐标,当qi的横坐标大于r0时，第二反射面的曲线段截止于qi-1，对应该点的入射光线角度为对应第一部分光线；

二、计算第一反射面的曲线段：

步骤4：设定第一反射面的初始点p0，对于入射角度大于的入射光线，对应第二部分光线，经过入射面折射后经第一反射面全反射至出光面出射；第一反射面初始点p0，为与光轴夹角为的入射光线oii，经过入射面折射光线iiwri上的一点，该点选择的原则是，其横坐标小于iiwri与wr0q0的交点，以确保从光源中心o发出的入射到第二反射面的所有光线不会被第一反射面阻挡；

步骤5：根据经过第一反射面初始点p0全反射的光线方向，计算出第一反射面的斜率tp0；

步骤6：计算第一反射面的第二点p1：

①给定步进角度计算与oii相邻的光线oii+1与入射面的交点ii+1,并通过入射面曲线段函数h＝f(x)计算ii+1的法线方向，计算出经过ii+1折射后的光线方向ii+1p1；

②由直线ii+1p1和经过p0的第一反射面切线方向tp1的直线相交于p1点；

③根据p1和全反射光线方向计算出经过p1点的切线方向tp1；

步骤7：针对给定步进角度不断重复步骤6，直到入射光线与光轴的夹角达到90度。

如图3所示，为根据上述设计方法设计的一个透镜案例，其入射面为一圆弧面，圆心位于第一象限，半径介于20-25之间，在本实施例中，横坐标取由0.5至8.8之间部分；其顶部的曲面为一锥面，经过垂直于水平面的平面相截取的曲面的曲线为一直线，倾斜角度-10°，从中间向两边逐渐增高，取由(0,12)至(36,18.4)部分的直线区间；反射面曲线为一自由曲面的样条曲线，横坐标由12至36，起点倾角介于20度至25度之间，终点倾角介于35度和40度之间。

实际效果：图5为现有技术的内腔设置形成的45度角度看透镜表面的光斑亮度分布，图6为本实施例的内腔形成的45度角度看透镜表面的光斑亮度分布；从图中来看，本实施例透镜眩光大大减少至几乎没有。

本实施例的防止眩光的透镜，设计了一种光路方案，特别是在入射光腔的内壁上做出了较大的改进，通过把光源中心以及中心周围的大部分核心光线对应的菲涅尔损耗光线采用反射引导的方式，使其没有机会进入透镜内部，从很大程度上地降低了刺眼的眩光。

但因为光源通常为一个面光源，仍然有少部分位于光源边缘处的光的菲涅尔损耗光线仍有可能会进入透镜内部，造成小程度的眩光，此时通过本实用新型的反射面、出光面和入射面的曲线段的设计方法，能进一步减弱眩光的影响。