CN111928203B - 一种光学透镜及发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光学透镜及发光装置，包括：光入射面，所述光入射面形成具有开口的凹穴，所述凹穴包括第一区域和第二区域，所述第二区域位于所述第一区域上；所述第一区域用于放置光源，所述光源发射的光线从所述第二区域入射；光出射面，包括一凹陷部，所述凹陷部位于所述凹穴上，所述凹穴与所述凹陷部的中心线与所述光学透镜的中心线重合；底表面，所述底表面连接所述光入射面和所述光出射面；其中，所述底表面包括至少一曲面，所述底表面包括至少一凹形区；部分所述光线从所述光出射面反射后朝向所述凹形区，进行折射，形成折射光线。本发明提出的光学透镜可以提高光斑的均匀性。

Description

一种光学透镜及发光装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种光学透镜及发光装置。

背景技术

随着半导体照明技术的发展，发光二极管(Light emitting diode，LED)的光效不断提高，现正逐步取代传统光源。针对LED光源，如何有效地分配LED发出的光能是采用该LED光源的光学系统设计要解决的关键问题。目前的LED光源的出光均匀性不佳，为了实现更加均匀地照明，需要将LED光源发出的光进行调整。所以，有必要提供一种能提高光源的出光均匀性的光学透镜。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提出一种光学透镜及发光装置，以提高光源利用率和提高出光均匀性。

为实现上述目的，本发明提出一种光学透镜，包括：

光入射面，所述光入射面形成具有开口的凹穴，所述凹穴包括第一区域和第二区域，所述第二区域位于所述第一区域上；所述第一区域用于放置光源，所述光源发射的光线从所述第二区域入射；

光出射面，包括一凹陷部，所述凹陷部位于所述凹穴上，所述凹穴与所述凹陷部的中心线与所述光学透镜的中心线重合；

底表面，所述底表面连接所述光入射面和所述光出射面；

其中，所述底表面包括至少一曲面，所述底表面包括至少一凹形区；部分所述光线从所述光出射面反射后朝向所述凹形区，进行折射，形成折射光线。

进一步地，所述光学透镜位于表面涂有反射材料的基板上，所述折射光线通过所述反射材料反射后朝向所述凹形区。

进一步地，当所述底表面为一曲面时，所述底表面的曲率半径小于(R²+d²)/8d，其中，R表示所述底表面的半宽，d表示所述反射材料至所述第一区域上表面的高度。

进一步地，当所述底表面包括N个曲面时，所述N个曲面相互连接，且具有相同的形状；所述曲面的曲率半径的最大值

且r×N≤R≤r×(N+1)；

其中，N≥2，R表示所述底表面的半宽，d表示所述反射材料至所述第一区域上表面的高度。

进一步地，当所述底表面包括N个曲面时，所述N个曲面具有相同的形状，且所述N个曲面之间通过平面间隔，所述曲面的曲率半径的最大值

其中，N≥2，R表示所述底表面的半宽，d表示所述反射材料至所述第一区域上表面的高度，m表示所述平面的宽度。

进一步地，当所述底表面包括N个曲面时，所述N个曲面具有不同的形状，且所述N个曲面之间通过平面间隔，所述曲面的曲率半径的最大值

其中，N≥2，R表示所述底表面的半宽，d表示所述反射材料至所述第一区域上表面的高度，m表示所述平面的宽度，α表示N个曲面中最小的曲面对应的圆心角，β表示N个曲面中最大的曲面对应的圆心角，r₁表示N个曲面中最小的曲面的半径。

进一步地，所述凹穴的高度与所述第二端至所述凹陷的中心点的距离的比值在3-6之间。

进一步地，所述光出射面还包括凸出部和垂直部，所述凸出部连接在所述凹陷部的外周。

进一步地，所述凸出部的最高点至所述凹陷部的中心点的距离在0.5-0.8mm之间。

进一步地，所述垂直部平行于所述光学透镜的中心线，所述垂直部连接于所述凸出部的外周，所述凸出部通过所述垂直部与所述底表面连接。

进一步地，所述第一区域的高度小于所述第二区域的高度。

进一步地，所述垂直部的高度小于所述凹穴的高度。

进一步地，本发明还提出一种发光装置，包括：

基板；

光源，设置在所述基板上；

光学透镜，位于所述光源上；

其中，所述光学透镜包括：

光入射面，所述光入射面形成具有开口的凹穴，所述凹穴包括第一区域和第二区域，所述第二区域位于所述第一区域上；所述第一区域用于放置光源，所述光源发射的光线从所述第二区域入射；

光出射面，包括一凹陷部，所述凹陷部位于所述凹穴上，所述凹穴与所述凹陷部的中心线与所述光学透镜的中心线重合；

底表面，所述底表面连接所述光入射面和所述光出射面；

其中，所述底表面包括至少一曲面，所述底表面包括至少一凹形区；部分所述光线从所述光出射面反射后朝向所述凹形区，进行折射，形成折射光线。

综上所述，本发明提出一种光学透镜及发光装置，通过在底表面设计成包括至少一个曲面，因此在底表面至少形成一个凹形区。当光源发射的光线经过光发射面反射后再次通过凹形区进行折射，形成折射光线，折射光线经过反射材料反射后再次通过凹形区，因此该凹形区可以对光线起到发散的作用，也就是对光线起到调控作用。因此，该光学透镜可以提高在目标平面上形成的光斑的均匀性，从而也可以提高光源的利用率。

附图说明

图1：本实施例提出的光学透镜的整体图。

图2：图1的局部图。

图3：图1的剖面图。

图4：光源和第一区域的位置示意图。

图5：光线从光出射面射出的图。

图6：光线从光出射面反射的图。

图7：底表面对光线调控的示意图。

图8：底面是平面和弧面的光斑亮度曲线对比图。

图9：阵列光源的简要示意图。

图10：阵列光源的仿真对比图。

图11：本实施例提出的光学透镜的剖面图。

图12：本实施例提出的光学透镜的另一剖面图。

图13：本实施例提出的光学透镜的另一剖面图。

图14：本实施例提出的发光装置的简要示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1-图2所示，本实施例提出一种光学透镜100，该光学透镜100包括光入射面101，光出射面102和底表面103。该光学透镜100为旋转对称结构，具有一个对称轴。该光入射面101形成一个具有开口的凹穴，因此可以将光源放置在凹穴内。光源发射的光线可以从光入射面101射入，然后从光出射面102出射。

如图1-图2所示，图2显示为光学透镜的局部三维图，在本实施例中，光出射面102位于光入射面101上，底表面103自光出射面102延伸出并与光入射面101连接。在本实施例中，该底表面103为曲面，该底表面103向光出射面102的方向凹进，也就是说底表面103向光学透镜100的内部凹进，因此该底表面103可以形成凹形区。

如图1-图3所示，图3显示为图1的剖面图。在本实施例中，该光学透镜100包括一中心线100a，该中心线100a也可以作为该光学透镜100的旋转轴。该光入射面101包括第一面101a和第二面101b，第二面101b位于第一面101a上。第一面101a为竖直面，第二面101b为曲面，第二面101b可以为自由曲面。经过中心线100a旋转之后，第一面101a形成第一区域11，第二面101b形成第二区域12，第二区域12位于第一区域11上，本实施例将第一区域11和第二区域12定义为凹穴10。在本实施例中，由于第一面101a为竖直面，因此第一区域11为圆柱状，因此第一区域11的内径保持不变。由于第二面101b为曲面，因此第二区域12的内径是变化的。第二区域12的内径从第一端向第二端逐渐变小，第二区域12与第一区域11接触的一端可以定义为第一端，第二区域12远离第一区域11的一端定义为第二端；同时第二端也可以定义为第二区域12的最高点。在本实施例中，第一区域11的内径小于3.6mm，例如为3.18mm，因此第二区域12的最大内径为3.18mm，也就是第一端的内径，第二区域12的最小内径为0，也就是第二端；也就是说第二区域12的内径从3.18mm逐渐减小至0。

如图3图4所示，在本实施例中，光源105放置在第一区域11内，因此第一区域11的高度D也可以定义为光源105的厚度，也就是说光源105排列在第一区域11与第二区域12的连接面上。从图1中可以看出，第一区域11和第二区域12之间是联通的，因此可以将第二区域12的第一端定义为第一区域11和第二区域12的连接面。当光源105放置在第一区域11内时，光源105发射的光线L从连接面发射，从第二区域12入射。

如图3所示，在本实施例中，光出射面102为对称于中心线100a的非球面。光出射面102包括一凹陷部1021，凸出部1022和垂直部1023。凹陷部1021位于光出射面102的中央，也就是位于光学透镜100的中央，凹陷部1021位于凹穴10的正上方，也就是说凹陷部1021和凹穴10的中心连线与中心线100a重合。在本实施例中，凹陷部1021的高度为A，也就是凸出部1022的最高点至凹陷部1021的中心点的距离为A。在本实施例中，凹陷部1021的高度可以在0.5-0.8mm之间，例如为0.64mm。

如图3所示，在本实施例中，凸出部1022位于凹陷部1021的外周，该凸出部1022同样关于中心线100a对称。凸出部1022与凹陷部1021接触的点可以定义为光学透镜100的最高点，也就是自光出射面102任一点沿着中心线100a方向至光入射面101或底表面103具有最大距离的对应位置。同时该位置至中心线100a的距离可以定义为凹陷部1021的最大直径Rmax，凹陷部1021的最大直径Rmax可以大于凹陷部1021的高度A。

如图3所示，在本实施例中，垂直部1023位于凸出部1022的外周，垂直部1023连接底表面103和凸出部1022。垂直部1023平行或基本平行于中线100a，垂直部1023的高度小于凹穴10的高度。

如图3所示，在本实施例中，底表面103为一个曲面，具体地，该底表面103向光出射面102凹进，也就是说底表面103向光学透镜100的内部凹进，底表面103围绕中心线100a旋转，形成凹形区；凹形区的一端连接光出射面102，凹形区的另一端连接光入射面101。从图中可以看出，凹穴10位于底表面103的中心位置上，也就是位于凹形区的中心位置上，因此也可以说凹形区的一端连接垂直部1023，凹形区的另一端连接凹穴10。该底表面103可以为自由曲面，也可以为曲率半径为定值的曲面。

如图3所示，在本实施例中，由于第二面101b为弧面，因此第二区域12是开口朝向第一区域11的抛物面，因此第二区域12具有最高点。本实施例中，将第二区域12的最高点至凹陷部1021中心点的距离定义为距离B。凹穴10的高度等于第一区域11的高度与第二区域12的高度之和。第一区域11的高度等于D，第二区域12的高度等于C，因此凹穴10的高度等于(C+D)。在本实施例中，凹穴10的高度与第二区域12的最高点至凹陷部1021中心点的距离的比值在3-6之间，例如为4或5，也就是说(C+D)/B在3-6之间。在本实施例中，(C+D)/B的比值可以为4.5，也就是凹穴10的高度为4.5mm，将第二区域12的最高点至凹陷部1021中心点的距离定义为1mm。

如图3所示，在本实施例中，由于该底表面103为曲面，底表面103的曲率半径与第一区域11上表面到基板106的高度d和底表面103的半宽R有关，因此经过计算得知，底表面103的曲率半径的最大值等于(R²+d²)/8d，因此底表面103的曲率半径大于0，且小于(R²+d²)/8d。需要说明的是，该光学透镜100是安装在基板106上，基板106表面涂有反射材料。在本实施例中，第一区域11的上表面至基板106的高度为d，也就是说基板106至光源的发光面的距离，也可以说反射材料至光源发光面的高度为d。

如图3所示，在本实施例中，底表面103的外周轮廓线104接触基板106，因此底表面103相对于PCB基板向光学透镜100的方向凹进。需要说明的是，在本实施例中，外周轮廓线104还设置有引脚(未显示)，因此可以接触基板106。

如图5所示，首先将光源105设置在基板106上，基板106表面涂有反光材料。然后将光学透镜100设置在光源105上，即光源105位于凹穴10内。当光源105发射光线L时，部分光线L通过光入射面101射入，然后从光出射面102射出，在目标平面107上形成光斑。需要说明的是，图5中仅画出一条光线L进行说明。

如图5-图6所示，在本实施例中，部分光线L通过光出射面102射出，部分光线L由于光出射面102的全反射未能到达目标平面107上，而是通过底表面103射出至基板106上。

如图7所示，当光线L到达基板106上，由于基板106上具有反射材料，因此对光线L进行反射，由于底表面103为曲面，因此底表面103对光线L起到发散的作用，因此当光线L经过光出射面102射出时，光线L到达目标平面107上相当于被打散了，因此在目标平面107上形成的光斑变得更加均匀。

如图8所示，图8显示为本发明的光学透镜和现有的光学透镜的光斑对比图。其中，曲线1显示为底面为平面的光学透镜形成的光斑亮度分布图，曲线2显示为本发明的光学透镜形成的光斑照度分布图。从图中可以得知，对于底面是平面的光学透镜，当全反射光线到底基板106时，基板106上的反射材料将光线反射进入光学透镜后向中心汇聚，造成中心区域亮度偏高。当光学透镜的底面是曲面时，基板106反射的光线经过该曲面时将光线进行了发散，从而降低中心区域的亮度，提高了光斑的均匀性。

如图9所示，在本实施例中，将四个光源105按照矩阵方式排列，例如选择2×2矩阵，所述光源105可以为发光二极管。在X方向上光源105之间的间距例如为145mm，在Y方向上光源105之间的间距例如为140mm。光源105的发射角度可以在0-180°之间，例如为80°。需要说明的是，光源105可以按照其他矩阵排列，例如3×5矩阵或5×8矩阵。

如图10所示，图10(a)是底面为平面的光学透镜的阵列仿真照度图，图10(b)是本发明的底面为曲面的光学透镜的阵列仿真照度图。图10(a)和图10(b)均采用2×2矩阵的光源。从图10(a)可以看出，由于光学透镜的底面是平面，全反射光线通过基板106上的反射材料反射达到光学透镜的底面平面时，光学透镜的底面平面将光线向中心汇聚，导致4个LED中心区域亮度过高(中心区域亮度为6170nit)，而4个LED之间交叠区域的亮度明显低于LED中心区域的亮度(交叠区域亮度为4050nit)，均匀性较差。从图10(b)可以看出，采用底面是弧面的光学透镜后，全反射光线通过基板106上的反射材料反射进行底面弧面时，底面弧面将光线向边缘区域发散，可以有效弥补4个LED之间交叠区域的亮度(交叠区域亮度为4530nit)，进而降低LED中心区域的亮度(中心区域亮度为5670nit)，缩小了中心区域和交叠区域的亮度差，提高了均匀性。需要说明的是，图10(b)中使用的光学透镜的底表面为曲面，且底表面的曲率半径可以为15.30。

如图11所示，本实施例还提出另一种光学透镜，该光学透镜的底表面103由N个曲面103a组成，N个曲面103a相互连接，且N个曲面103a的形状相同。N个曲面103a的切线为虚线108。在这种情况下，曲面103a的曲率半径的最大值为

并且，r×N≤R≤r×(N+1)。需要说明的是，R表示底表面103的半宽，d表示基板106至第一区域上表面的高度，也就是反射材料至第一区域上表面的高度。需要说明的是，N可以大于或等于2。

如图12所示，本实施例还提出另一种光学透镜，该光学透镜的底表面103包括N个曲面103a和M个平面109组成，N个曲面103a和M个平面109间隔分布。平面109的宽度为m，也就是曲面103a之间的间距为m。在这种情况下，曲面103a的曲率半径的最大值为

其中，R表示底表面103的半宽，d表示反射材料至第一区域上表面的高度。需要说明的是，N可以大于或等于2。在本实施例中，曲面和平面的数量的差值为1，也就是说曲面的数量可以比平面的数量多一个，或者曲面的数量可以比平面的数量少一个。

如图13所示，本实施例还提出另一种光学透镜，该光学透镜的底表面103由第一曲面103b，第二曲面103c和平面109组成。第一曲面103b和第二曲面103c之间通过平面109间隔。第一曲面103b的圆弧小于第二曲面103c的圆弧，也就是第一曲面103b的曲率半径小于第二曲面103c的曲率半径。在这种情况下，第二曲面103c的曲率半径的最大值为

其中，R表示底表面103的半宽，d表示基板106至第一区域上表面的高度，也就是反射材料至第一区域上表面的高度，m表示平面109的宽度，α表示第一曲面103b对应的圆心角，β表示第二曲面103c对应的圆心角，r₁表示第一曲面103b的半径。需要说明的是，N可以大于或等于2。α也可以表示所有的曲面中最小的曲面对应的圆心角，β也可以表示所有的曲面中最大的曲面对应的圆心角。

如图14所示，本实施例还提出一种发光装置200，该发光装置200包括基板106，光源105，光学透镜100。

如图14所示，在本实施例中，光源105封装在基板106上，基板106上设置有反射材料。基板106可以为PCB基板，光源105可以为LED。在本实施例中，光源105可以按照M×N矩阵的方式设置在基板106上，其中，M可以等于N，也可以不等于N。

如图14所示，在本实施例中，光学透镜100设置在光源105上，光学透镜100的具体形状可以参阅图1，在此不再阐述光学透镜100的形状。

如图14所示，在本实施例中，在光学透镜100上还设置有扩散膜202和第一增亮膜203和第二增亮膜204。第一增亮膜203位于扩散膜202上，第二增亮膜204位于第一增亮膜203上。扩散膜202和第一增亮膜203和第二增亮膜204均可以对光斑起到调控作用。

如图14所示，在本实施例中，由于光学透镜100可以对光线起到调控作用，因此可以缩小发光装置200的厚度。该发光装置200可以用于多个电子设备中，例如用于显示设备中。

综上所述，本发明提出一种光学透镜及发光装置，通过在底表面设计成包括至少一个曲面，因此在底表面至少形成一个凹形区。当光源发射的光线经过光发射面反射后再次通过凹形区进行折射，形成折射光线，折射光线经过反射材料反射后再次通过凹形区，因此该凹形区可以对光线起到发散的作用，也就是对光线起到调控作用。因此，该光学透镜可以提高在目标平面上形成的光斑的均匀性，从而也可以提高光源的利用率。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (8)

1.一种光学透镜，其特征在于，包括：

光入射面，所述光入射面形成具有开口的凹穴，所述凹穴包括第一区域和第二区域，所述第二区域位于所述第一区域上；所述第一区域用于放置光源，所述光源发射的光线从所述第二区域入射；

光出射面，包括一凹陷部，所述凹陷部位于所述凹穴上，所述凹穴与所述凹陷部的中心线与所述光学透镜的中心线重合；

底表面，所述底表面连接所述光入射面和所述光出射面；

其中，所述底表面包括至少一曲面，所述底表面包括至少一凹形区；部分所述光线从所述光出射面反射后朝向所述凹形区，进行折射，形成折射光线，所述光学透镜位于反射材料上，所述折射光线通过所述反射材料反射后朝向所述凹形区，所述凹形区对经过所述反射材料反射后朝向所述凹形区的所述折射光线进行发散。

2.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，当所述底表面为一曲面时，所述底表面的曲率半径小于(R²+d²)/8，其中，R表示所述底表面的半宽，d表示所述反射材料至所述第一区域上表面的高度。

3.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，当所述底表面包括N个曲面时，所述N个曲面具有相同的形状，且所述N个曲面之间通过平面间隔，所述曲面的曲率半径的最大值

其中，N≥2，R表示所述底表面的半宽，d表示所述反射材料至所述第一区域上表面的高度，m表示所述平面的宽度。

4.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，当所述底表面包括N个曲面时，所述N个曲面具有不同的形状，且所述N个曲面之间通过平面间隔，所述曲面的曲率半径的最大值

其中，N≥2，R表示所述底表面的半宽，d表示所述反射材料至所述第一区域上表面的高度，m表示所述平面的宽度，α表示N个曲面中最小的曲面对应的圆心角，β表示N个曲面中最大的曲面对应的圆心角，r1表示N个曲面中最小的曲面的半径。

5.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述凹穴的高度与所述第二区域至所述凹陷部的中心点的距离的比值在3-6之间。

6.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述光出射面还包括凸出部和垂直部，所述凸出部连接在所述凹陷部的外周；所述垂直部平行于所述光学透镜的中心线，所述垂直部连接于所述凸出部的外周，所述凸出部通过所述垂直部与所述底表面连接。

7.根据权利要求6所述的光学透镜，其特征在于，所述凸出部的最高点至所述凹陷部的中心点的距离在0.5-0.8mm。

8.一种发光装置，其特征在于，包括：

基板；光源，设置在所述基板上；

光学透镜，位于所述光源上；

其中，所述光学透镜包括：

光入射面，所述光入射面形成具有开口的凹穴，所述凹穴包括第一区域和第二区域，所述第二区域位于所述第一区域上；所述第一区域用于放置光源，所述光源发射的光线从所述第二区域入射；

光出射面，包括一凹陷部，所述凹陷部位于所述凹穴上，所述凹穴与所述凹陷部的中心线与所述光学透镜的中心线重合；

底表面，所述底表面连接所述光入射面和所述光出射面；

其中，所述底表面包括至少一曲面，所述底表面包括至少一凹形区；部分所述光线从所述光出射面反射后朝向所述凹形区，进行折射，形成折射光线，所述光学透镜位于反射材料上，所述折射光线通过所述反射材料反射后朝向所述凹形区，所述凹形区对经过所述反射材料反射后朝向所述凹形区的所述折射光线进行发散。

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