TW201336120A - 一種多面體的二次光學透鏡 - Google Patents

Abstract

本發明涉及LED（固態半導體照明）的二次光學技術，特別涉及一種用於LED射燈的二次光學透鏡。該射燈透鏡包括至少一個或一個以上的透鏡單元，所述透鏡單元的特徵為：該透鏡單元由中間的折射部分及外圈的全反射部分組成，其中間折射部分的底面為凸面，其上附有許多微透鏡，該附有微透鏡陣列的底面除了起到聚光的作用之外，還可以將投射出來的方形的LED晶片影子修正為圓形的光斑，同時還起到混光作用；該透鏡單元外圈的全反射部分包括一個稍帶拔模斜度的圓柱形入射面、以及外側的全反射面，該外側全反射面採用鑽石形的多面體鱗片設計，其起到混光作用，可以消除光斑中心及邊緣的色溫差異；該透鏡單元的頂面為光滑的平面，其為出光面。

Description

一種多面體的二次光學透鏡

本發明涉及一種光學透鏡，尤其涉及一種多面體的二次光學透鏡。

現有的發光二極體（LED）射燈透鏡大部分為全反射透鏡，其形式為單個的、3合1或者多合1組合的。其透鏡單元基本上為中間有一個聚光用的光滑非球面，外側有一個光滑的全反射面，上表面的出光面為光滑的平面。對於配光角度較大、或者要求混光的射燈，有的透鏡的出光面則設計為蜂窩狀的微透鏡陣列。這些全反射透鏡有一些缺點，包括：

1、透鏡單元中間聚光用的光滑的非球面，由於成像的作用，經過它投射出來的光斑會有LED晶片的方形的影子，非常的不美觀；

2、透鏡單元外側光滑的全反射面，雖然可以投射出圓形的光斑，但由於其屬於下邊小、上邊大的全反射棱鏡，基於棱鏡的色散效應，有時候投射出來的光斑會有中間和邊緣色溫不一致的情況；以及

3、至於那些出光面設置有蜂窩狀微透鏡陣列的全反射透鏡，雖然混光可以做得比較均勻，但由於出光面微透鏡陣列的菲涅爾損耗，效率相對比較差。

基於以上這些問題，本發明提出了一種透鏡單元出光面為平面、中間折射部分的底面附有許多微透鏡、以及外側全反射面採用鑽石形的多面體鱗片設計的二次光學透鏡。其可以改善投射出LED晶片的方形影子、以及光斑中間及光斑邊緣色溫不一致的問題。

為了解決以上問題，本發明提供了一種用於LED射燈的二次光學透鏡，包括：至少一個透鏡單元；位於所述至少一個透鏡單元的中間位置的折射部分，所述折射部分在底面上具有凸面，其上附有多個微透鏡；位於所述至少一個透鏡單元的外圈上的全反射部分，所述全反射部分包括一個稍帶拔模斜度的圓柱形入射面；位於外側的全反射面，所述全反射面採用鑽石形的多面體鱗片設計；以及具有光滑平面的頂面，其作為出光面。

優選地，所述多個微透鏡是微透鏡陣列，除了起到聚光的作用之外，還可以將投射出來的方形的LED晶片影子修正為圓形的光斑，並且造成混光。

優選地，所述全反射部分的外側全反射面的鑽石形多面體鱗片造成混光，以消除光斑中心及邊緣的色溫差異。

優選地，在所述至少一個透鏡單元的底部還包括多個開槽或者裝配卡腳。

優選地，所述微透鏡陣列在局部範圍造成混光，經過所述至少一個透鏡單元的折射部分輸出後，光束以光軸OZ為中心線並以±θ的光束角射出，所述θ角在5°~22.5°之間。

優選地，所述微透鏡陣列的單個微透鏡具有這樣的混光條件，包括：OP經過微透鏡中心點折射後，其折射光線沿著平行於光軸OZ的方向准直射出，其出射光線為QR；而邊緣光線OP1及OP2經過微透鏡的邊緣折射後，先在所述單個微透鏡內部會聚一次，然後再經過頂面折射出去，其出射光線分別為Q1R1及Q2R2，其中Q1R1及Q2R2與中心光線QR的夾角分別為±θ角。

優選地，所述全反射面具有這樣的配光條件，包括：入射到其最底端A的光線，經過全反射面反射再經過頂面輸出後與光軸OZ成-θ/2角；入射到其最頂端B的光線，經過全反射面反射再經過頂面輸出後與光軸OZ成θ角；入射到全反射面的其他位置的光線，其輸出光線與光軸OZ的夾角則根據比例平均地分配在-θ/2至θ角之間；其中所有經過全反射面反射再經過頂面輸出的光線，其與光軸OZ的夾角都分佈在±θ的範圍之內。

優選地，所述全反射面上的單個鑽石形鱗片具有混光條件，包括：其輸出的邊緣光線T1U1、T2U2以中心光線TU為軸心產生±Δθ角的擴散，其中±Δθ為擴散角，其在±3°~±5°之間。

優選地，所述透鏡可以是由至少一個透鏡單元組成的以下組中的任何一個：1個透鏡、2合1透鏡、3合1透鏡、4合1透鏡、5合1透鏡、7合1透鏡以及數十合1的組合透鏡。

優選地，將多個透鏡單元連接在一起的平臺的下表面為非光學表面，上面可以作磨砂或裝飾性的微結構處理。

優選地，在將所述多個透鏡單元連接在一起的平臺的下方，應用卡腳將透鏡定位並固定於印刷電路板上。

參照以上和以下的描述並與附圖結合起來考慮可以更好地理解本發明所呈現的特徵，從而能更加快地明瞭這些特徵，其中：
圖1為根據本發明的透鏡單元的剖面圖；
圖2分別示出了圖1所示透鏡單元的正視圖、等軸側視圖、俯視圖、側視圖和底視圖；
圖3是示出了根據本發明的透鏡單元的設計原理的剖面圖；
圖4是示出了底面單個微透鏡的混光原理的剖面圖；
圖5是示出了外側全反射面的鑽石形鱗片的混光原理的剖面圖；
圖6分別示出了根據本發明的3合1透鏡的正視圖、等軸側視圖、俯視圖、側視圖和底視圖；
圖7 示出了根據本發明的3合1透鏡在A—A方向的剖面圖；
圖8分別示出了根據本發明的4合1透鏡的正視圖、等軸側視圖、俯視圖、側視圖和底視圖；
圖9示出了根據本發明的3合1透鏡的光線追跡；
圖10示出了根據本發明的3合1透鏡在1米遠處的照度等高線分佈圖；以及
圖11示出了根據本發明的3合1透鏡的光強的遠場角度分佈

本發明提供了一種用於LED射燈的二次光學透鏡，其透鏡單元的剖面圖如圖1所示，幾個3維透視圖如圖2所示。透鏡單元由中間的折射部分及外圈全反射部分組成。折射部分的底部為一個附有微透鏡陣列的凸面11，除了起到聚光的作用之外，還可以將投射出來的方形的LED晶片影子修正為圓形的光斑，同時還起到混光作用。外圈全反射部分包括一個稍帶拔模斜度的圓柱形入射面12、以及外側的全反射面13組成，該外側全反射面13採用鑽石形的多面體鱗片設計，其起到混光作用，可以消除光斑中心及邊緣的色溫差異；該透鏡單元的頂面14為光滑的平面，其為出光面。

透鏡單元的底部可以根據LED的外形和結構特徵設置一些開槽或者裝配卡腳。譬如，如果LED是Philips的Luxeon A，那麼它的LED基板上有一小小的凸起，要在裝配期間避開這個凸起，那麼可以在透鏡底部做一個很小的開槽，如圖1中的開槽15，但如果LED是Cree的XPG，因為其基板上面沒有小的凸起，那麼可以去掉透鏡底部的開槽15。

本發明所涉及的用於LED射燈的二次光學透鏡，其透鏡單元的設計原理如圖3所示。從LED晶片發光面中心O點射出的一部分靠近光軸OZ的光線直接入射到LED上方的透鏡單元中間折射部分的底面11上，經過其上面的微透鏡陣列進行一次混光之後，再經過透鏡單元頂部的頂面14射出。底面11整體上為凸面，其起到聚光作用，由於其上面還附有許多微透鏡，因而還可以進行局部範圍的混光。經過該透鏡單元的折射部分輸出後，光束以光軸OZ為中心線並以±θ的光束角射出。

從LED晶片發光面中心O點射出的另外一部分光線與光軸OZ有較大的夾角。所述光線入射到側面的圓柱面12上。然後所述光線經過圓柱面12折射後再入射到透鏡單元外側的全反射面13上。全反射面13滿足這樣的配光條件：

1）入射到其最底端A點的光線，經過全反射面13反射再經過平面14輸出後與光軸OZ成-θ/2角；

2）入射到其最頂端B點的光線，經過全反射面13反射再經過平面14輸出後與光軸OZ成θ角；以及

3）入射到全反射面13的其他位置的光線，其輸出光線則根據比例平均地分配在與光軸OZ成-θ/2至θ角之間。

這樣，所有經過全反射面13反射的一圈光線經過平面14輸出後都分佈在±θ的範圍之內。

上述透鏡單元的中間折射部分以及外圈全反射部分這兩部分的輸出光線疊加後可以產生±θ範圍內的比較均勻的光斑分佈。θ角在5°~22.5°之間，本實施方案中優選θ為10°，即透鏡單元的輸出光束全形2θ為20°。

透鏡單元中間折射部分的底面的單個微透鏡的混光原理如圖4所示。OP為從LED晶片發光面中心O點射出的入射到單個微透鏡111中心的光線、OP1為從LED晶片發光面中心O點射出的入射到單個微透鏡111左側邊緣的光線、OP2為從LED晶片發光面中心O點射出的入射到單個微透鏡111右側邊緣的光線。因為微透鏡111是附加於凸面11上的，它的中心點處的切平面是傾斜的，其混光滿足以下條件：OP經過微透鏡111的中心P點折射後，其折射光線沿著平行於光軸OZ的方向准直射出，其出射光線為QR。而邊緣光線OP1及OP2經過微透鏡111的左右邊緣折射後，先在透鏡內部會聚一下，然後再經過出射面14輸出，其出射光線分別為Q1R1及Q2R2，Q1R1及Q2R2與中心光線QR的夾角分別為±θ角。

透鏡單元外圈全反射部分的鑽石形鱗片的混光原理如圖5所示。圖中131為外側全反射面的一個鑽石形鱗片，其為一個小平面，其幾何中心點位於S點，S1點 及S2點 分別位於該鱗片的上邊緣及下邊緣。從LED晶片發光面中線點O發出的光線，經過鱗片中心點S反射的光線，其輸出光線為TU，TU與光軸OZ的夾角根據圖3所述的設計原理進行配光。從LED晶片發光面中線點O發出的光線，經過鱗片上邊緣點S1反射的光線，其輸出光線為T1U1。從LED晶片發光面中線點O發出的光線，經過鱗片下邊緣點S2反射的光線，其輸出光線為T2U2。由於鑽石形鱗片131為一個小平面，其反射後輸出的邊緣光線T1U1及T2U2會以中心光線TU為軸心產生±Δθ角的擴散。±Δθ為小角度的擴散，對於口徑為φ15mm的透鏡，當鱗片的大小在0.5mm~1.5mm之間時，其所產生的擴散角在 ±3°~±5°之間。本實施方案中，透鏡單元外側全反射面從底部到頂部其鱗片大小是從0.6mm左右至1.3mm左右漸變的。這可以產生以中心光線TU為軸心的±4°~±5°的混光效果，從而可以產生柔和舒適並且色溫均勻的光斑。

當輸出的光通量要求比較高時，有時候一顆LED難以滿足要求，這時往往需要用幾個透鏡單元拼成一體的組合透鏡，因此其可以是2合1、3合1的透鏡。另外也可以是4合1、5合1、6合1、7合1的透鏡，用作戶外投光燈時，還可以是數十個透鏡單元組合在一起的透鏡。圖6為3合1透鏡的3維視圖，圖7為該透鏡在A—A方向的剖面圖。圖中32為用於定位、將透鏡固定於印刷電路板（PCB）上的裝配用的卡腳；附圖標記31表示將3個透鏡連接在一起的平臺的下表面，其為非光學表面，上面可以作磨砂或裝飾性的微結構處理。

圖8為4合1透鏡的3維視圖，其將4個透鏡單元拼接在一起，將4個透鏡連接在一起的平臺的下表面41，其為非光學表面，上面可以作磨砂或裝飾性的微結構處理。附圖標記42表示用於定位、將透鏡固定於PCB板上的裝配用的卡腳。

多合1透鏡的光斑形狀以及配光曲線分佈形狀與單個透鏡單元完全一樣，只是光強值及照度值根據透鏡數量的多少為透鏡單元的整數倍。

圖9為3合1透鏡的電腦類比及光度分析。所述LED為Philips的Luxeon A，單顆LED的光通量為160流明，工作電流為700mA，圖9-圖11分別為3合1透鏡的光線追跡、1米遠處的照度分佈、配光曲線。理論計算所得3合1透鏡的坎德拉/流明比為6.8625cd/lm，峰值光強為3036.6cd，1米遠處峰值照度為3242.0 lux，不計算材料本身的損耗，透鏡的光學效率為η=442.49lm（螢幕）/460lm（輸出）=96.19%。

本領域的普通技術人員應理解的是，可以對在特定實施例中所顯示的本發明進行各種變化和/或改變，而不超出如寬泛地描述的本發明的範圍或精神。因而本發明實施方式的所有方面應認為是示意性而非限定性的。

5．．．透鏡單元

11．．．凸面

12．．．圓柱形入射面

13．．．全反射面

14．．．頂面

15．．．開槽

31．．．標記

32．．．卡腳

41．．．下表面

42．．．卡腳

111．．．微透鏡

131．．．鑽石形鱗片

5．．．透鏡單元

11．．．凸面

12．．．圓柱形入射面

13．．．全反射面

14．．．頂面

15．．．開槽

Claims (11)

1. 一種用於LED射燈的二次光學透鏡，包括：
   至少一個透鏡單元（5）；
   位於所述至少一個透鏡單元（5）的中間位置的折射部分，所述折射部分在底面上具有凸面（11），其上附有多個微透鏡；
   位於所述至少一個透鏡單元（5）的外圈上的全反射部分，所述全反射部分包括一個稍帶拔模斜度的圓柱形入射面（12）；
   位於外側的全反射面（13），所述全反射面採用鑽石形的多面體鱗片設計；以及
   具有光滑平面的頂面（14），其作為出光面。
2. 如申請專利範圍第1項所述的二次光學透鏡，其中，所述多個微透鏡是微透鏡陣列，除了起到聚光的作用之外，還可以將投射出來的方形的LED晶片影子修正為圓形的光斑，並且造成混光。
3. 如申請專利範圍第1項所述的二次光學透鏡，其中，所述全反射面的鑽石形多面體鱗片造成混光，以消除光斑中心及邊緣的色溫差異。
4. 如申請專利範圍第1項所述的二次光學透鏡，其中，在所述至少一個透鏡單元（5）的底部還包括多個開槽（15）或者裝配卡腳。
5. 如申請專利範圍第2項所述的二次光學透鏡，其中，所述微透鏡陣列在局部範圍造成混光，經過所述至少一個透鏡單元（5）的折射部分輸出後，光束以光軸（OZ）為中心線並以±θ的光束角射出，所述θ角在5°~22.5°之間。
6. 如申請專利範圍第2項所述的二次光學透鏡，其中，所述微透鏡陣列的單個微透鏡（111）具有這樣的混光條件，包括：OP經過微透鏡（111）的中心點（P）折射後，其折射光線沿著平行於光軸（OZ）的方向准直射出，其出射光線為QR；而邊緣光線OP1及OP2經過微透鏡（111）的邊緣折射後，先在所述單個微透鏡（111）內部會聚一次，然後再經過頂面（14）折射出去，其出射光線分別為Q1R1及Q2R2，其中Q1R1及Q2R2與中心光線QR的夾角分別為±θ角。
7. 如申請專利範圍第3項所述的二次光學透鏡，其中，所述全反射面（13）具有這樣的配光條件，包括：入射到其最底端（A）的光線，經過全反射面（13）反射再經過頂面（14）輸出後與光軸（OZ）成-θ/2角；入射到其最頂端（B）的光線，經過全反射面（13）反射再經過頂面（14）輸出後與光軸（OZ）成θ角；入射到全反射面（13）的其他位置的光線，其輸出光線與光軸（OZ）的夾角則根據比例平均地分配在-θ/2至θ角之間；其中所有經過全反射面（13）反射再經過頂面（14）輸出的光線，其與光軸（OZ）的夾角都分佈在±θ的範圍之內。
8. 如申請專利範圍第3項所述的二次光學透鏡，其中，所述全反射面（13）上的單個鑽石形鱗片具有混光條件，包括：其輸出的邊緣光線（T1U1，T2U2）以中心光線（TU）為軸心產生±Δθ角的擴散，其中±Δθ為擴散角，其在±3°~±5°之間。
9. 如申請專利範圍第1項所述的二次光學透鏡，其中，所述透鏡可以是由至少一個所述透鏡單元（5）組成的以下組中的任何一個：1個透鏡、2合1透鏡、3合1透鏡、4合1透鏡、5合1透鏡、7合1透鏡以及數十合1的組合透鏡。
10. 如申請專利範圍第1項所述的二次光學透鏡，其中，將所述多個透鏡單元（5）連接在一起的平臺的下表面（41）為非光學表面，上面可以作磨砂或裝飾性的微結構處理。
11. 如申請專利範圍第10項所述的二次光學透鏡，其中，在將所述多個透鏡單元（5）連接在一起的平臺的下方，應用卡腳（42）將透鏡定位並固定於印刷電路板上。