[實用新型]一種實現均勻圓形光斑的光學透鏡

有效

• 申請號: 201822117241.0
• 申請日: 2018-12-17
• 公開（公告）號: CN208997998U
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 陳仁;梁泳鈺;任漢宏;鄧婷婷;陳國杰;李斌;謝嘉寧;陳曉桐;梁斌豪;何浩軒;魏健森;許煥庭
• 申請（專利權）人: 佛山科學技術學院
• 主分類號: F21V5/04
• 分類號: F21V5/04
• 代理公司: 四川省成都市天策商標專利事務所 51213
• 代理人: 吳瑞芳

本實用新型公開了一種實現均勻圓形光斑的光學透鏡，包括透明鏡體和設置于透明鏡體底部的LED光源；所述透明鏡體包括透明鏡體主體底部的入光面、側部的TIR面、中心自由曲面出光面和頂部周圍自由曲面出光面；所述入光面為向透明鏡體外部方向凹陷的半球面；所述TIR面為一全內反射自由曲面；所述中心自由曲面出光面為自由曲面UV；所述頂部周圍自由曲面出光面為自由曲面WM。該透鏡超薄，質量小，減輕燈具裝載透鏡的負擔，減小透鏡在燈具里所占體積，使燈具結構更緊湊。

技術領域

本實用新型屬于光學技術領域，具體為一種實現均勻圓形光斑的光學透鏡。

背景技術

LED的光強分布近似于朗伯分布，其光強會隨著出射角的增大而迅速衰減，且由于其立體角大無法直接應用在現有的照明系統，無法滿足小型化的要求，必須對其進行配光設計，提高光的利用效率，增加它在照明區域的照度值，以相對較低的功率使照明區域達到需求的照度標準。

一般的透鏡設計都是大角度出射的，因為這樣的透鏡容易設計，且光效高，均勻性也非常高。窄角度的透鏡存在大部分光不可控的問題，導致照明區域的光利用率低，而且普通透鏡一般為平的或凸的，成本較高，透鏡較重。

發明內容

本實用新型目的在于提供一種實現均勻圓形光斑的光學透鏡，以解決現有技術形成均勻圓形光斑時效率低、重量高的缺陷。

為了實現上述目的，本實用新型的技術方案是：

一種實現均勻圓形光斑的光學透鏡，包括透明鏡體和設置于透明鏡體底部的LED光源；所述透明鏡體包括透明鏡體主體底部的入光面、側部的TIR面、中心自由曲面出光面和頂部周圍自由曲面出光面；所述入光面為向透明鏡體外部方向凹陷的半球面；所述TIR面為一全內反射自由曲面；所述中心自由曲面出光面為自由曲面UV；所述頂部周圍自由曲面出光面為自由曲面WM。

作為對上述技術方案的改進，所述入光面的半球面半徑為10mm。

作為對上述技術方案的改進，自由曲面UV的高度小于7mm。

作為對上述技術方案的改進，所述LED光源設置在入光面的球心。

作為對上述技術方案的改進，所述透明鏡體采用折射率為1.3-4.2的透明材料制成。

作為對上述技術方案的改進，所述透明鏡體為PMMA、PC或者玻璃材料制成。

作為對上述技術方案的改進，所述透明鏡體最大高度為38mm，寬度為66mm。

本實用新型的基理是：

透鏡主體底部的入光面為半球面，LED光源放置在球心，光線大致垂直入射到球面上。從光源發出的與中心軸夾角(范圍是0度到40度)的光線入射到以UV線段繞中心軸360度旋轉形成的自由曲面UV發生折射，并從自由曲面UV出射；其余光線(與中心軸所成出射角為41度到90度)經過所述的TIR面即全內反射面發生全反射后，入射到以WM線段繞中心軸360度旋轉形成的自由曲面WM發生折射，并從自由曲面WM出射。出射角為0度到40度時光線隨著出射角增大，從自由曲面UV出射得到的光斑半徑也越大并在出射角為40度時得到最大光斑半徑；隨著光線出射角的增大，出射角為41度到90度的光線通過自由曲面WM出射得到光斑半徑越小，當出射角為90度時，光線得到臨界光斑半徑，形成照度均勻的環形區域，與自由曲面UV對光源小出射角度的光折射形成的均勻圓形光斑互補成為一個大的均勻圓形光斑。

在減重處理中，對自由曲面UV進行等比例放縮，改變自由曲面UV的大小，而不改變自由曲面UV某個位置的曲率。對自由曲面UV進行對原點的等比例縮放，可得出一個更輕薄的透鏡，由圖2、圖3可見透鏡中間部分尺寸明顯的變小，圖2中下面的折線是超薄處理后的線，上方細圓弧線則是原始的自由曲面所求得的線。自由曲面UV在減重處理前的高度為15mm，減重處理后的高度小于7mm。