专利名称：透镜及其应用的发光二极管模组的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学元件及其发光模组，特别涉及一种透镜及应用该透镜的发光
二极管模组。
背景技术：
作为一种新兴的光源，发光二极管凭借其发光效率高、体积小、重量轻、环保等优 点，已被广泛地应用到当前的各个领域当中，大有取代传统光源的趋势。目前应用发光二极管的灯具的设计难点在于二次光学设计。目前常见的使用聚光 透镜的聚光型照明灯具，其照射图案的亮度不均，出现明暗相间的现象。这种亮度不均的光 照多有使人不适，容易引起人的视觉疲劳。如何使发光二极管灯具提供视觉舒适的照明效 果，直接关系到其在各照明场合的适用程度，是其应用推广的很重要的因素，因此，业者对 此问题多有关注。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种具有良好光照效果的发光二极管模组及其透镜。一种透镜，用于导控发光二极管发出的光线，该透镜包括一内凹并供发光二极管 置入的入射面、与入射面背向的出射面及连接入射面和出射面的全反射面，该透镜由入射 面的一端向出射面的一端外围尺寸逐渐增大，出射面上设有一位于中部的平滑凸曲面及周 围的平坦面，所述入射面包括与出射面的凸曲面背向的平滑凸曲面。一种发光二极管模组，包括发光二极管及与之搭配的透镜，该透镜包括一内凹并 供发光二极管置入的入射面、与入射面背向的出射面及连接入射面和出射面的全反射面， 该透镜由入射面的一端向出射面的一端外围尺寸逐渐增大，出射面上设有一位于中部的平 滑凸曲面及周围的平坦面，所述入射面包括与出射面的凸曲面背向的平滑凸曲面。与现有技术相比，本发明发光二极管模组中的透镜通过入射面、出射面及全反射 面的相互配合，可使发光二极管的大角度光线偏向光轴方向，使发光二极管的光线收拢，易 于调控其指向性出旋光性能，产生使人舒适的光照效果。下面参照附图，结合具体实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明一实施例的发光二极管模组中的透镜的立体示意图。图2为图1中的透镜的另一视角的立体示意图。图3为本发明一实施例的发光二极管模组的剖示示意图。图4为本发明一实施例中的透镜的第一入射面的曲率变化图。图5为本发明一实施例中的透镜的第一出射面的曲率变化图。主要元件符号说明发光二极管10基座101发光二极管芯片102封装体103电路板12透镜20凸透镜部分22第一入射面221第一出射面224底端222,225顶端223,226环形槽23导光部分24第二入射面241全反射面242第二出射面243容置空间25固定脚26固定槽2具体实施例方式请参阅图1-3，本发明一实施例中的发光二极管模组包括一发光二极管10及罩设 在发光二极管10上的一透镜20。发光二极管10具有一光轴I。透镜20包括位于底侧呈 内凹并供发光二极管10置入的入射面、与入射面背向的出射面，及位于透镜20外侧并连接 入射面和出射面的全反射面M2。出射面上具有一位于中部的平滑凸曲面及周围的平坦面。 入射面包括与出射面的凸曲面背向平滑凸出的另一凸曲面。发光二极管10可通过表面安装等方式固定在电路板12上。基于不同的光照需求，
4可采用不同功率的发光二极管10。发光二极管10包括基座101、固定于基座101上的发光 二极管芯片102及罩置所述发光二极管芯片102的透明封装体103。透镜20由光学性能佳的透明材料一体成型，如PMMA或PC等塑料，使整个发光二 极管模组的出光效率达到90%以上。透镜20包括正对发光二极管10的凸透镜部分22及形成于凸透镜部分22的外周 的导光部分24。本实施例中，凸透镜部分22位于透镜20的中央位置，但不排除凸透镜部分 22在其他实施例中实施在透镜20的非中央位置。透镜20的凸透镜部分22和导光部分M 均为旋转对称体，并具有重合的对称轴。优选地，将透镜20罩设在发光二极管10上时，可 使发光二极管10的光轴I与凸透镜部分22、导光部分M的对称轴重合。凸透镜部分22的底面即为入射面的上述另一凸曲面，其作为透镜20的第一入射 面221。优选地，第一入射面221为一非球面。请同时参考图4，图中的曲线示出了一些实 施例中的第一入射面221从其底端222，也即中央，到顶端223，也即周缘的曲率变化。其 中，横坐标表示第一入射面221在图3中的截线上从底端222到顶端223的各个位置，底端 222的横坐标为0，顶端223的横坐标为1，纵坐标表示曲率值。可以看出，沿着从底端222 到顶端223的方向，第一入射面221的曲率先减小再增大，然后又减小再增大，形成一个大 致呈W型的变化趋势，并在底端222与顶端223之间的大致中点处具有最大曲率。优选地， 第一入射面221的底端222的曲率为0. 0242mm S顶端223的曲率为0. 0382mm S最大曲率 为0. 0648mm S最小曲率为0. 0057mm S最小曲率出现在底端222与中点处之间，并在第一入 射面221的截线的总长度的大致五分之一处。凸透镜部分22的顶面即为出射面的上述凸出面，其作为透镜20的第一出射面 224。优选地，第一出射面2M为一非球面。请同时参考图5，图中的曲线示出了一些实施例 中的第一出射面2M从其顶端226，也即中央，到底端225，也即周缘的曲率变化。其中，横 坐标表示第一出射面2 在图3中的截线上从顶端226到底端225的各个位置，顶端2 的横坐标为0，底端225的横坐标为1，纵坐标表示曲率值。可以看出，沿着从顶端2 到底 端225的方向，第一出射面224的曲率先逐渐增大然后逐渐减小，再逐渐增大，形成一个大 致呈N型的变化趋势。顶端2 处的曲率最小，优选为0. 0087mm S底端225处的曲率最大， 优选为 0. 1959mm-1 ο第一入射面221在水平面上的投影的直径小于第一出射面2M在水平面上的投影 的直径。第一出射面224的底端225所在的水平面位于第一入射面221的底端222与顶端 223所在的水平面之间。导光部分M的外形整体大致呈一倒置的圆台状，即圆台的大端朝上，小端朝下。 导光部分M中空并设凸透镜部分22于其内。导光部分M的底部、凸透镜部分22的下方 形成一容置发光二极管10的容置空间25。导光部分M底部的内侧面优选地为一内圆柱 面，其为供发光二极管10发出的光线入射的第二入射面Ml。第二入射面241及第一入射 面221共同构成透镜20的入射面。第二入射面241与第一入射面221相连，容置空间25 即由第二入射面241与第一入射面221共同围设而成。导光部分M的外侧面即为全反射面M2，该全反射面242为一锥面。导光部分M 的顶部即为前述出射面的平坦面，呈圆环状，其作为透镜20的第二出射面M3。该第二出射 面243环绕第一出射面224，第一出射面2M的顶端2 高于第二出射面M3。第一、第二出射面224、243及第一入射面221的相互位置关系如此设置，可使透镜20的结构更为紧凑， 减小透镜20的体积。第二出射面243与第一出射面2 共同构成透镜20的出射面。第一 出射面2 与第二出射面243之间设有一环形槽23。另外，在导光部分24的顶部内侧还有 一将第二出射面243与第一出射面2M相连的竖直的圆柱面(未标号)。由于仅有少部分 光线经过凸透镜部分22的第一出射面2M后再进入导光部分M的该圆柱面，因此该圆柱 面对整体发光二极管模组的出光效果影响小。发光二极管10发出的光线穿设透镜20后，95%的光线集中在偏离光轴I的22. 5 度范围内，即光线经过透镜20后的出光角大致为45度。光线的偏离角度在大约15-20度 时，其光强开始急剧下降。自发光二极管10以小角度(小于或等于40度)出射的光线(如 图3中的光线a)经第一入射面221和第一出射面2 两次折射后，以更加偏向光轴I的角 度射出。将第一入射面221及第一出射面2M设置成具有上述变化趋势的曲率的曲面，可 将比较大的出光角(例如40度)的光线更有效地偏向光轴I导此，借此提高出光均勻度。 自发光二极管10以大角度(大于40度)出射的光线(如图3中的光线b)先经第二入射 面241折射，然后经全反射面242反射，再经第二出射面243折射，也以更加偏向光轴I的 角度射出。经过计算机软件测试后，上述发光二极管模组形成的照射区域内其照度分布从中 心到外围逐渐减小，均勻变化，其均勻度得到有效的提升。与传统的发光二极管模组形成的 照射区域相比，该照射区域不存在明暗相间的光照，因而产生了更适合照明的光照效果。本发明上述实施例中的大角度及小角度是以40度为界限进行划分的，应当指出， 该40度不应理解为是对大角度及小角度的范围所作出的限定，其仅是一个具体的实施方 式。实际上，在20 45度范围内的任何角度都可作为划分大角度及小角度的界限。另，本文所称曲率均是指以图3的截面为基础进行测算的，即是说，上述各曲率均 是指图3的截面内的曲率。可以理解地，各曲率数值均可以为导光效果而做出合理性调整。上述实施例中的发光二极管模组其透镜20可根据电路板12上的发光二极管10 的数量和排布方式作不同变更，例如，可以排列成矩阵、圆形、线性等不同状态。为方便定位 及固定透镜20，可于导光部分M的底部凸设一对固定脚沈，该固定脚沈可卡设于发光二 极管10的外围。此外，还可于导光部分M的顶部外侧缘环设一固定槽27，用于将压板等元 件设置在透镜20的顶部。
权利要求
1.一种透镜，用于导控发光二极管发出的光线，其特征在于该透镜包括一内凹并供 发光二极管置入的入射面、与入射面背向的出射面及连接入射面和出射面的全反射面，该 透镜由入射面的一端向出射面的一端外围尺寸逐渐增大，出射面上设有一位于中部的平滑 凸曲面及周围的平坦面，所述入射面包括与出射面的凸曲面背向的平滑凸曲面。
2.如权利要求1所述的透镜，其特征在于出射面的凸曲面与平坦面之间设有一环形槽。
3.如权利要求1所述的透镜，其特征在于入射面的凸曲面曲率由中央向周缘先减小 再增大，然后又减小再增大，并在中央与周缘之间的中点处具有最大曲率。
4.如权利要求3所述的透镜，其特征在于入射面的凸曲面中央的曲率为0.0242，周缘 的曲率为0. 0382，最大曲率为0. 0648，最小曲率为0. 0057，最小曲率出现在中央与中点处 之间。
5.如权利要求3所述的透镜，其特征在于出射面的凸曲面为非球面，出射面的凸曲面 曲率由其中央向周缘先增大后减小，然后再增大，并且出射面的凸曲面中央曲率最小，周缘 曲率最大。
6.如权利要求5所述的透镜，其特征在于出射面的凸曲面最大曲率为0.1959，最小曲 率为 0. 0087。
7.如权利要求1所述的透镜，其特征在于入射面还包括一内圆柱面，所述内圆柱面和 入射面的凸曲面相连并共同围设形成一容置空间。
8.如权利要求1所述的透镜，其特征在于还包括环设在透镜顶部外侧缘的固定槽，及 凸设于透镜底部的固定脚。
9.如权利要求1所述的透镜，其特征在于出射面的凸曲面的中央高于所述平坦面，出 射面的凸曲面的周缘所在的水平面位于入射面的凸曲面的中央及周缘所在的水平面之间。
10.一种发光二极管模组，包括发光二极管及与之搭配的透镜，其特征在于该透镜为 权利要求1-9中任一项所述的透镜。
全文摘要
一种发光二极管模组，包括发光二极管及与之搭配的透镜，该透镜包括一内凹并供发光二极管置入的入射面、与入射面背向的出射面及连接入射面和出射面的全反射面，该透镜由入射面的一端向出射面的一端外围尺寸逐渐增大，出射面上设有一位于中部的平滑凸曲面及周围的平坦面，所述入射面包括与出射面的凸曲面背向的平滑凸曲面。本发明发光二极管模组中的透镜通过入射面、出射面及全反射面的相互配合，可使发光二极管的大角度光线偏向光轴方向，使发光二极管的光线收拢，易于调控其指向性出旋光性能，产生使人舒适的光照效果。
文档编号F21Y101/02GK102102850SQ200910311648
公开日2011年6月22日 申请日期2009年12月16日 优先权日2009年12月16日
发明者宋时宇, 陈庆仲 申请人:富准精密工业(深圳)有限公司, 鸿准精密工业股份有限公司