一种多面体的二次光学透镜

1.一种用于LED射灯的二次光学透镜，包括至少一个透镜单元(5)，所述透镜单元(5)包括：
中间部分，所述中间部分在底面上具有凸面(11)，其上附有多个微透镜；以及外圈部分，所述外圈部分包括：稍带拔模斜度的圆柱形入射面(12)；位于外侧的全反射面(13)，所述全反射面采用钻石形的多面体鳞片设计；以及具有光滑平面的顶面(14)，其作为出光面；
其中，所述透镜单元(5)满足：中间部分微透镜的出射光束，以及外圈部分全反射面(13)所产生的输出光束具有相同的角度±θ；
所述中间部分的微透镜阵列在局部范围造成混光，经过所述至少一个透镜单元(5)的折射部分输出后，光束以光轴(OZ)为中心线并以±θ的光束角射出，所述θ角在5°～
22.5°之间；
所述全反射面(13)具有这样的配光条件，包括：入射到其最底端(A)的光线，经过全反射面(13)反射再经过顶面(14)输出后与光轴(OZ)成-θ/2角；入射到其最顶端(B)的光线，经过全反射面(13)反射再经过顶面(14)输出后与光轴(OZ)成θ角；入射到全反射面(13)的其他位置的光线，其输出光线与光轴(OZ)的夹角则根据比例平均地分配在-θ/2至θ角之间；其中所有经过全反射面(13)反射再经过顶面(14)输出的光线，其与光轴(OZ)的夹角都分布在±θ的范围之内。
2.根据权利要求1所述的二次光学透镜，其中，所述多个微透镜是微透镜阵列，除了起到聚光的作用之外，还能够将投射出来的方形的LED芯片影子修正为圆形的光斑，并且造成混光。
3.根据权利要求1所述的二次光学透镜，其中，所述全反射面的钻石形多面体鳞片造成混光，以消除光斑中心及边缘的色温差异。
4.根据权利要求1所述的二次光学透镜，其中，在所述至少一个透镜单元(5)的底部还包括多个开槽(15)或者装配卡脚。
5.根据权利要求2所述的二次光学透镜，其中，所述微透镜阵列的单个微透镜(111)具有这样的混光条件，包括：OP经过微透镜(111)的中心点(P)折射后，其折射光线沿着平行于光轴(OZ)的方向准直射出，其出射光线为QR；而边缘光线OP1及OP2经过微透镜(111)的边缘折射后，先在所述单个微透镜(111)内部会聚一次，然后再经过顶面(14)折射出去，其出射光线分别为Q1R1及Q2R2，其中Q1R1及Q2R2与中心光线QR的夹角分别为±θ角。
6.根据权利要求3所述的二次光学透镜，其中，所述全反射面(13)上的单个钻石形鳞片具有混光条件，包括：其输出的边缘光线(T1U1，T2U2)以中心光线(TU)为轴心产生±Δθ角的扩散，其中±Δθ为扩散角，其在±3°～±5°之间。
7.根据权利要求1所述的二次光学透镜，其中，所述透镜是由至少一个透镜单元(5)组成的以下组中的任何一个：1个透镜、2合1透镜、3合1透镜、4合1透镜、5合1透镜、7合
1透镜以及数十合1的组合透镜。
8.根据权利要求1所述的二次光学透镜，其中，将多个透镜单元(5)连接在一起的平台的下表面(41)为非光学表面，上面作磨砂或装饰性的微结构处理。
9.根据权利要求8所述的二次光学透镜，其中，在将所述多个透镜单元(5)连接在一起的平台的下方，应用卡脚(42)将透镜定位并固定于印刷电路板上。

一种多面体的二次光学透镜
技术领域
[0001] 本发明涉及一种光学透镜，尤其涉及一种多面体的二次光学透镜。
背景技术
[0002] 现有的发光二极管(LED)射灯透镜大部分为全反射透镜，其形式为单个的、3合1或者多合1组合的。其透镜单元基本上为中间有一个聚光用的光滑非球面，外侧有一个光滑的全反射面，上表面的出光面为光滑的平面。对于配光角度较大、或者要求混光的射灯，有的透镜的出光面则设计为蜂窝状的微透镜阵列。这些全反射透镜有一些缺点，包括：
[0003] 1、透镜单元中间聚光用的光滑的非球面，由于成像的作用，经过它投射出来的光斑会有LED芯片的方形的影子，非常的不美观；
[0004] 2、透镜单元外侧光滑的全反射面，虽然可以投射出圆形的光斑，但由于其属于下边小、上边大的全反射棱镜，基于棱镜的色散效应，有时候投射出来的光斑会有中间和边缘色温不一致的情况；以及
[0005] 3、至于那些出光面设置有蜂窝状微透镜阵列的全反射透镜，虽然混光可以做得比较均匀，但由于出光面微透镜阵列的菲涅尔损耗，效率相对比较差。
[0006] 基于以上这些问题，本发明提出了一种透镜单元出光面为平面、中间折射部分的底面附有许多微透镜、以及外侧全反射面采用钻石形的多面体鳞片设计的二次光学透镜。
其可以改善投射出LED芯片的方形影子、以及光斑中间及光斑边缘色温不一致的问题。
发明内容
[0007] 为了解决以上问题，本发明提供了一种用于LED射灯的二次光学透镜，包括：至少一个透镜单元；位于所述至少一个透镜单元的中间位置的折射部分，所述折射部分在底面上具有凸面，其上附有多个微透镜；位于所述至少一个透镜单元的外圈上的全反射部分，所述全反射部分包括一个稍带拔模斜度的圆柱形入射面；位于外侧的全反射面，所述全反射面采用钻石形的多面体鳞片设计；以及具有光滑平面的顶面，其作为出光面。
[0008] 优选地，所述多个微透镜是微透镜阵列，除了起到聚光的作用之外，还可以将投射出来的方形的LED芯片影子修正为圆形的光斑，并且造成混光。
[0009] 优选地，所述全反射部分的外侧全反射面的钻石形多面体鳞片造成混光，以消除光斑中心及边缘的色温差异。
[0010] 优选地，在所述至少一个透镜单元的底部还包括多个开槽或者装配卡脚。
[0011] 优选地，所述微透镜阵列在局部范围造成混光，经过所述至少一个透镜单元的折射部分输出后，光束以光轴OZ为中心线并以±θ的光束角射出，所述θ角在5°～22.5°之间。
[0012] 优选地，所述微透镜阵列的单个微透镜具有这样的混光条件，包括：OP经过微透镜中心点折射后，其折射光线沿着平行于光轴OZ的方向准直射出，其出射光线为QR；而边缘光线OP1及OP2经过微透镜的边缘折射后，先在所述单个微透镜内部会聚一次，然后再经过顶面折射出去，其出射光线分别为Q1R1及Q2R2，其中Q1R1及Q2R2与中心光线QR的夹角分别为±θ角。
[0013] 优选地，所述全反射面具有这样的配光条件，包括：入射到其最底端A的光线，经过全反射面反射再经过顶面输出后与光轴OZ成-θ/2角；入射到其最顶端B的光线，经过全反射面反射再经过顶面输出后与光轴OZ成θ角；入射到全反射面的其他位置的光线，其输出光线与光轴OZ的夹角则根据比例平均地分配在-θ/2至θ角之间；其中所有经过全反射面反射再经过顶面输出的光线，其与光轴OZ的夹角都分布在±θ的范围之内。
[0014] 优选地，所述全反射面上的单个钻石形鳞片具有混光条件，包括：其输出的边缘光线T1U1、T2U2以中心光线TU为轴心产生±Δθ角的扩散，其中±Δθ为扩散角，其在±3°～±5°之间。
[0015] 优选地，所述透镜可以是由至少一个透镜单元组成的以下组中的任何一个：1个透镜、2合1透镜、3合1透镜、4合1透镜、5合1透镜、7合1透镜以及数十合1的组合透镜。
[0016] 优选地，将多个透镜单元连接在一起的平台的下表面为非光学表面，上面可以作磨砂或装饰性的微结构处理。
[0017] 优选地，在将所述多个透镜单元连接在一起的平台的下方，应用卡脚将透镜定位并固定于印刷电路板上。
附图说明
[0018] 参照以上和以下的描述并与附图结合起来考虑可以更好地理解本发明所呈现的特征，从而能更加快地明了这些特征，其中：
[0019] 图1为根据本发明的透镜单元的剖面图；
[0020] 图2分别示出了图1所示透镜单元的正视图、等轴侧视图、俯视图、侧视图和底视图；
[0021] 图3是示出了根据本发明的透镜单元的设计原理的剖面图；
[0022] 图4是示出了底面单个微透镜的混光原理的剖面图；
[0023] 图5是示出了外侧全反射面的钻石形鳞片的混光原理的剖面图；
[0024] 图6分别示出了根据本发明的3合1透镜的正视图、等轴侧视图、俯视图、侧视图和底视图；
[0025] 图7示出了根据本发明的3合1透镜在A-A方向的剖面图；
[0026] 图8分别示出了根据本发明的4合1透镜的正视图、等轴侧视图、俯视图、侧视图和底视图；
[0027] 图9示出了根据本发明的3合1透镜的光线追迹；
[0028] 图10示出了根据本发明的3合1透镜在1米远处的照度等高线分布图；以及[0029] 图11示出了根据本发明的3合1透镜的光强的远场角度分布(配光曲线)。
具体实施方式
[0030] 本发明提供了一种用于LED射灯的二次光学透镜，其透镜单元的剖面图如图1所示，几个3维透视图如图2所示。透镜单元由中间的折射部分及外圈全反射部分组成。折射部分的底部为一个附有微透镜阵列的凸面11，除了起到聚光的作用之外，还可以将投射出来的方形的LED芯片影子修正为圆形的光斑，同时还起到混光作用。外圈全反射部分包括一个稍带拔模斜度的圆柱形入射面12、以及外侧的全反射面13组成，该外侧全反射面13采用钻石形的多面体鳞片设计，其起到混光作用，可以消除光斑中心及边缘的色温差异；该透镜单元的顶面14为光滑的平面，其为出光面。
[0031] 透镜单元的底部可以根据LED的外形和结构特征设置一些开槽或者装配卡脚。譬如，如果LED是Philips的Luxeon A，那么它的LED基板上有一小小的凸起，要在装配期间避开这个凸起，那么可以在透镜底部做一个很小的开槽，如图1中的开槽15，但如果LED是Cree的XPG，因为其基板上面没有小的凸起，那么可以去掉透镜底部的开槽15。
[0032] 本发明所涉及的用于LED射灯的二次光学透镜，其透镜单元的设计原理如图3所示。从LED芯片发光面中心O点射出的一部分靠近光轴OZ的光线直接入射到LED上方的透镜单元中间折射部分的底面11上，经过其上面的微透镜阵列进行一次混光之后，再经过透镜单元顶部的顶面14射出。底面11整体上为凸面，其起到聚光作用，由于其上面还附有许多微透镜，因而还可以进行局部范围的混光。经过该透镜单元的折射部分输出后，光束以光轴OZ为中心线并以±θ的光束角射出。
[0033] 从LED芯片发光面中心O点射出的另外一部分光线与光轴OZ有较大的夹角。所述光线入射到侧面的圆柱面12上。然后所述光线经过圆柱面12折射后再入射到透镜单元外侧的全反射面13上。全反射面13满足这样的配光条件：
[0034] 1)入射到其最底端A点的光线，经过全反射面13反射再经过平面14输出后与光轴OZ成-θ/2角；
[0035] 2)入射到其最顶端B点的光线，经过全反射面13反射再经过平面14输出后与光轴OZ成θ角；以及
[0036] 3)入射到全反射面13的其他位置的光线，其输出光线则根据比例平均地分配在与光轴OZ成-θ/2至θ角之间。
[0037] 这样，所有经过全反射面13反射的一圈光线经过平面14输出后都分布在±θ的范围之内。
[0038] 上述透镜单元的中间折射部分以及外圈全反射部分这两部分的输出光线叠加后可以产生±θ范围内的比较均匀的光斑分布。θ角在5°～22.5°之间，本实施方案中优选θ为10°，即透镜单元的输出光束全角2θ为20°。
[0039] 透镜单元中间折射部分的底面的单个微透镜的混光原理如图4所示。OP为从LED芯片发光面中心O点射出的入射到单个微透镜111中心的光线、OP1为从LED芯片发光面中心O点射出的入射到单个微透镜111左侧边缘的光线、OP2为从LED芯片发光面中心O点射出的入射到单个微透镜111右侧边缘的光线。因为微透镜111是附加于凸面11上的，它的中心点处的切平面是倾斜的，其混光满足以下条件：OP经过微透镜111的中心P点折射后，其折射光线沿着平行于光轴OZ的方向准直射出，其出射光线为QR。而边缘光线OP1及OP2经过微透镜111的左右边缘折射后，先在透镜内部会聚一下，然后再经过出射面14输出，其出射光线分别为Q1R1及Q2R2，Q1R1及Q2R2与中心光线QR的夹角分别为±θ角。
[0040] 透镜单元外圈全反射部分的钻石形鳞片的混光原理如图5所示。图中131为外侧全反射面的一个钻石形鳞片，其为一个小平面，其几何中心点位于S点，S1点及S2点分别位于该鳞片的上边缘及下边缘。从LED芯片发光面中线点O发出的光线，经过鳞片中心点S反射的光线，其输出光线为TU，TU与光轴OZ的夹角根据图3所述的设计原理进行配光。
从LED芯片发光面中线点O发出的光线，经过鳞片上边缘点S1反射的光线，其输出光线为T1U1。从LED芯片发光面中线点O发出的光线，经过鳞片下边缘点S2反射的光线，其输出光线为T2U2。由于钻石形鳞片131为一个小平面，其反射后输出的边缘光线T1U1及T2U2会以中心光线TU为轴心产生±Δθ角的扩散。±Δθ为小角度的扩散，对于口径为φ15mm的透镜，当鳞片的大小在0.5mm～1.5mm之间时，其所产生的扩散角在±3°～±5°之间。
本实施方案中，透镜单元外侧全反射面从底部到顶部其鳞片大小是从0.6mm左右至1.3mm左右渐变的。这可以产生以中心光线TU为轴心的±4°～±5°的混光效果，从而可以产生柔和舒适并且色温均匀的光斑。
[0041] 当输出的光通量要求比较高时，有时候一颗LED难以满足要求，这时往往需要用几个透镜单元拼成一体的组合透镜，因此其可以是2合1、3合1的透镜。另外也可以是4合1、5合1、6合1、7合1的透镜，用作户外投光灯时，还可以是数十个透镜单元组合在一起的透镜。图6为3合1透镜的3维视图，图7为该透镜在A-A方向的剖面图。图中32为用于定位、将透镜固定于印刷电路板(PCB)上的装配用的卡脚；附图标记31表示将3个透镜连接在一起的平台的下表面，其为非光学表面，上面可以作磨砂或装饰性的微结构处理。
[0042] 图8为4合1透镜的3维视图，其将4个透镜单元拼接在一起，将4个透镜连接在一起的平台的下表面41，其为非光学表面，上面可以作磨砂或装饰性的微结构处理。附图标记42表示用于定位、将透镜固定于PCB板上的装配用的卡脚。
[0043] 多合1透镜的光斑形状以及配光曲线分布形状与单个透镜单元完全一样，只是光强值及照度值根据透镜数量的多少为透镜单元的整数倍。
[0044] 图9为3合1透镜的计算机模拟及光度分析。所述LED为Philips的Luxeon A，单颗LED的光通量为160流明，工作电流为700mA，图9-图11分别为3合1透镜的光线追迹、
1米远处的照度分布、配光曲线。理论计算所得3合1透镜的坎德拉/流明比为6.8625cd/lm，峰值光强为3036.6cd，1米远处峰值照度为3242.0lux，不计算材料本身的损耗，透镜的光学效率为η＝442.49lm(屏幕)/460lm(输出)＝96.19％。
[0045] 本领域的普通技术人员应理解的是，可以对在特定实施例中所显示的本发明进行各种变化和/或改变，而不超出如宽泛地描述的本发明的范围或精神。因而本发明实施方式的所有方面应认为是示意性而非限定性的。