一种实现均匀圆形光斑的光学透镜的制作方法

本实用新型属于光学技术领域，具体为一种实现均匀圆形光斑的光学透镜。

背景技术：

LED的光强分布近似于朗伯分布，其光强会随着出射角的增大而迅速衰减，且由于其立体角大无法直接应用在现有的照明系统，无法满足小型化的要求，必须对其进行配光设计，提高光的利用效率，增加它在照明区域的照度值，以相对较低的功率使照明区域达到需求的照度标准。

一般的透镜设计都是大角度出射的，因为这样的透镜容易设计，且光效高，均匀性也非常高。窄角度的透镜存在大部分光不可控的问题，导致照明区域的光利用率低，而且普通透镜一般为平的或凸的，成本较高，透镜较重。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种实现均匀圆形光斑的光学透镜，以解决现有技术形成均匀圆形光斑时效率低、重量高的缺陷。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种实现均匀圆形光斑的光学透镜，包括透明镜体和设置于透明镜体底部的LED光源；所述透明镜体包括透明镜体主体底部的入光面、侧部的TIR面、中心自由曲面出光面和顶部周围自由曲面出光面；所述入光面为向透明镜体外部方向凹陷的半球面；所述TIR面为一全内反射自由曲面；所述中心自由曲面出光面为自由曲面UV；所述顶部周围自由曲面出光面为自由曲面WM。

作为对上述技术方案的改进，所述入光面的半球面半径为10mm。

作为对上述技术方案的改进，自由曲面UV的高度小于7mm。

作为对上述技术方案的改进，所述LED光源设置在入光面的球心。

作为对上述技术方案的改进，所述透明镜体采用折射率为1.3-4.2的透明材料制成。

作为对上述技术方案的改进，所述透明镜体为PMMA、PC或者玻璃材料制成。

作为对上述技术方案的改进，所述透明镜体最大高度为38mm，宽度为66mm。

本实用新型的基理是：

透镜主体底部的入光面为半球面，LED光源放置在球心，光线大致垂直入射到球面上。从光源发出的与中心轴夹角(范围是0度到40度)的光线入射到以UV线段绕中心轴360度旋转形成的自由曲面UV发生折射，并从自由曲面UV出射；其余光线(与中心轴所成出射角为41度到90度)经过所述的TIR面即全内反射面发生全反射后，入射到以WM线段绕中心轴360度旋转形成的自由曲面WM发生折射，并从自由曲面WM出射。出射角为0度到40度时光线随着出射角增大，从自由曲面UV出射得到的光斑半径也越大并在出射角为40度时得到最大光斑半径；随着光线出射角的增大，出射角为41度到90度的光线通过自由曲面WM出射得到光斑半径越小，当出射角为90度时，光线得到临界光斑半径，形成照度均匀的环形区域，与自由曲面UV对光源小出射角度的光折射形成的均匀圆形光斑互补成为一个大的均匀圆形光斑。

在减重处理中，对自由曲面UV进行等比例放缩，改变自由曲面UV的大小，而不改变自由曲面UV某个位置的曲率。对自由曲面UV进行对原点的等比例缩放，可得出一个更轻薄的透镜，由图2、图3可见透镜中间部分尺寸明显的变小，图2中下面的折线是超薄处理后的线，上方细圆弧线则是原始的自由曲面所求得的线。自由曲面UV在减重处理前的高度为15mm，减重处理后的高度小于7mm。

结合TIR透镜和双自由曲面混合设计的超薄均匀圆形光斑LED射灯透镜，采用折射率为1.3-4.2的透明材料，出光角度是15度，光能利用率大于90％，照明区域照度均匀度大于85％，采用曲面分段放缩的方式对透镜进行减重处理，使透镜向内部凹陷，透镜最大高度为38mm，宽度为66mm，节省透镜材料。

与现有技术相比，本实用新型具有的优点和积极效果是：

国内同类技术中没有采用TIR透镜和双自由曲面混合设计的超薄均匀圆形光斑LED射灯透镜，该透镜比一般的射灯透镜高度小，最大高度为38mm，宽度为66mm；经计算该透镜在270mm半径范围内的光能利用率(光通量/发射光通量)大于90％，远高于一般透镜的40％；该透镜的截光性能相当好，在大于15度时，光强迅速下降，应用于照明灯具可实现良好的眩光控制效果。

本实用新型的实现均匀圆形光斑的光学透镜。透镜的照明配光角度为15度，照度均匀度大于80％，光利用率大于90％。适用于家居、商业照明和展览馆等照明领域，光能大部分投射到被照物上，既突出了被照物体的优点，又避免了光能的损耗，以更小的功率达到更高的照度；该透镜的截光性能相当好，光能利用率高，在大于15度时，光强迅速下降，无杂光、眩光，属于健康照明；该透镜的灵活性高，用户可根据实际照度需求选择不同功率的光源搭配；该透镜超薄，质量小，减轻灯具装载透镜的负担，减小透镜在灯具里所占体积，使灯具结构更紧凑。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为透明镜体减重处理前的母线图；

图2为透明镜体减重处理前后的母线对比图；

图3为透明镜体减重处理后的正视图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

请参阅图1至3所示，本实用新型实现均匀圆形光斑的光学透镜，包括透明镜体和设置于透明镜体底部的LED光源；所述透明镜体包括透明镜体主体底部的入光面、侧部的TIR面、中心自由曲面出光面和顶部周围自由曲面出光面；所述入光面为向透明镜体外部方向凹陷的半球面；所述TIR面为一全内反射自由曲面；所述中心自由曲面出光面为自由曲面UV；所述顶部周围自由曲面出光面为自由曲面WM。

所述入光面的半球面半径为10mm。自由曲面UV的高度小于7mm。所述透明镜体采用折射率为1.3-4.2的透明材料制成。作为对上述技术方案的改进，所述透明镜体为PMMA、PC或者玻璃材料制成。所述透明镜体最大高度为38mm，宽度为66mm。

本实用新型的基理是：

透镜主体底部的入光面为半球面，LED光源放置在球心，光线大致垂直入射到球面上。从光源发出的与中心轴夹角(范围是0度到40度)的光线入射到以UV线段绕中心轴360度旋转形成的自由曲面UV发生折射，并从自由曲面UV出射；其余光线(与中心轴所成出射角为41度到90度)经过所述的TIR面即全内反射面发生全反射后，入射到以WM线段绕中心轴360度旋转形成的自由曲面WM发生折射，并从自由曲面WM出射。出射角为0度到40度时光线随着出射角增大，从自由曲面UV出射得到的光斑半径也越大并在出射角为40度时得到最大光斑半径；随着光线出射角的增大，出射角为41度到90度的光线通过自由曲面WM出射得到光斑半径越小，当出射角为90度时，光线得到临界光斑半径，形成照度均匀的环形区域，与自由曲面UV对光源小出射角度的光折射形成的均匀圆形光斑互补成为一个大的均匀圆形光斑。

在减重处理中，对自由曲面UV进行等比例放缩，改变自由曲面UV的大小，而不改变自由曲面UV某个位置的曲率。对自由曲面UV进行对原点的等比例缩放，可得出一个更轻薄的透镜，由图2、图3可见透镜中间部分尺寸明显的变小，图2中下面的折线是超薄处理后的线，上方细圆弧线则是原始的自由曲面所求得的线。自由曲面UV在减重处理前的高度为15mm，减重处理后的高度小于7mm。

结合TIR透镜和双自由曲面混合设计的超薄均匀圆形光斑LED射灯透镜，采用折射率为1.3-4.2的透明材料，出光角度是15度，光能利用率大于90％，照明区域照度均匀度大于85％，采用曲面分段放缩的方式对透镜进行减重处理，使透镜向内部凹陷，透镜最大高度为38mm，宽度为66mm，节省透镜材料。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。