CN103363443A - 一种全反射透镜及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全反射透镜，其包括有平面透镜部，所述平面透镜部的下端部向下延伸而形成有平凸透镜部和反射镜部，所述平凸透镜部位于反射镜部之内且二者之间设有一空气隔离层，所述平凸透镜部的下端部开设有凹陷部，所述凹陷部位于反射镜部的焦点处，该反射镜部的反射面形状与平凸透镜部的全反射面形状相同。该全反射透镜通过对平凸透镜部和反射镜部结构的合理设置，提高了LED光源的全反射效率、漫反射效率和发光均匀度，以及减少了光损耗。

Description

一种全反射透镜及其成型方法

技术领域

本发明涉及一种透镜及其成型方法，尤其涉及一种全反射透镜及其成型方法。

背景技术

随着LED照明技术的快速发展，LED灯具因其具有节能、环保、寿命长、工作电压低且造型多样化等方面的优势，引起了科技界和工业界的广泛关注，成为传统灯具无法比拟的新型照明光源。目前，LED灯具的发光效率己高于白炽灯，甚至超过荧光灯，其节能效果十分显著，基于这些优势，LED照明技术正以更快的速度拓展到各应用领域，比如，主要应用于大尺寸液晶电视背光源、汽车、商业和工业用照明。

现有的照明灯具中，大多采用LED光源，并且将LED光源与二次配光技术结合后，形成各类产品，这种LED光源包括LED、基板等，LED光源产品中有一个重要的性能要求，就是对光源的出光效率及发光均匀度要求很高，且此类问题是目前LED光源产品的瓶颈之一。例如，通过透镜对LED光源进行二次配光的过程中，大多是将透镜制成半球状，LED光源固定安装于透镜的底部，当LED光源发出的光线射入透镜之内时，其中的平行光直接由透镜的端面出射，其他方向的散射光在透镜的临界曲面形成全反射，之后得到平行光或者趋向于平行的光线，其中，受透镜的制造工艺、材料及曲面形状的影响，部分光线在透镜的曲面处直接出射或者泄漏，从而造成光损失，使得出光效率降低，导致LED灯具的发光效率较差，为了提高发光效率，市场上出现了COB封装的LED光源，即在LED光源内封装多个LED芯片，由于LED芯片排布密集，相邻LED芯片的光线容易形成重影，所以依然会造成光损耗并且发光均匀度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种全反射透镜及其成型方法，采用该成型方法生产的全反射透镜，通过对平凸透镜部和反射镜部结构的合理设置，提高了LED光源的全反射效率、漫反射效率和发光均匀度，以及减少了光损耗。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种全反射透镜，其包括有平面透镜部，所述平面透镜部的下端部向下延伸而形成有平凸透镜部和反射镜部，所述平凸透镜部位于反射镜部之内且二者之间设有一空气隔离层，所述平凸透镜部的下端部开设有凹陷部，所述凹陷部位于反射镜部的焦点处，该反射镜部的反射面形状与平凸透镜部的全反射面形状相同。

优选地，所述平面透镜部呈条形设置，所述平凸透镜部和反射镜部沿平面透镜部的长度方向延伸。

优选地，所述凹陷部呈狭槽状设置。

优选地，所述凹陷部的数量是多个，多个凹陷部沿平凸透镜部的长度方向以预设间距依次设置。

优选地，所述平面透镜部呈圆盘状设置，所述平凸透镜部呈半球状设置，所述反射镜部环绕于该平凸透镜部。

优选地，所述平面透镜部、平凸透镜部和反射镜部一体成型。

优选地，所述平面透镜部与平凸透镜部一体成型，所述平面透镜部与反射镜部固定连接。

一种全反射透镜成型方法，该方法包括如下步骤：

步骤一，构建平凸透镜部的全反射面结构，以平凸透镜部的中心对称轴方向为Y轴方向，以垂直于该Y轴的方向为X轴方向，建立直角坐标系，该平凸透镜部的全反射面由如下公式确定：

$Y_{n+1}=\tan \left[\mathrm{arcisn}\left(\frac{\cos a}{m}\right)\right](X_{n+1}-r)+\mathrm{rocta}$

上式中，m为平凸透镜部的折射率，LED光源在凹陷部的侧壁的投影为A点，r为LED光源至A点的距离，a为入射光与Y轴的夹角；

步骤二，将上述公式联立，得到该全反射面的曲线方程离散解：

步骤三，根据LED光源的固定位置和LED光源的大小，确定曲线的初始点，之后根据龙格-库塔法进行微分求解，得到平凸透镜部的全反射面的形状及各点坐标；

步骤四，构建反射镜部的反射面结构，并根据步骤一至步骤三得到反射镜部的反射面形状及各点坐标；

步骤五，构建凹陷部的底部曲面结构，对经过该底部曲面而射入平凸透镜部的光线进行准直，该底部曲面的曲线方程由如下公式确定：

y₁=cota·x

y₂=k₂·(x-Xn)+Yn

上式中，

k1为光源至Pn+1点的直线的斜率，k2为Pn点的切线方程的斜率，该Pn+1和Pn是该底部曲面上无限接近的两点，将上式联立后，得到：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1=k_1\·x\\ y_2=F\left(k_1\right)\·(x-r)+r\cot a\end{array}\right.$

根据LED光源所发出光线的角度阈值，确定临界光线与该底部曲面的交点，得到该底部曲面的初始点，之后根据龙格-库塔法进行微分求解，得到凹陷部的底部曲面形状及各点坐标；

步骤六，通过计算机对上述平凸透镜部的全反射面的形状、反射镜部的反射面形状和凹陷部的底部曲面形状进行仿真和修订，得到全反射透镜模型；

步骤七，将全反射透镜模型导入挤出机挤出成型。

优选地，所述全反射透镜的制作材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。

本发明公开的全反射透镜，LED光源射入平凸透镜部的散射光通过全反射面而反射为平行光，再通过反射镜部将0°至180°角度内未利用的光线反射回平凸透镜部之内并形成平行光。由于反射镜部的反射面形状与平凸透镜部的全反射面形状相同，使得平凸透镜部的全反射面所泄漏的光线经反射镜部而能够反射回平凸透镜部之内，并且二者之间设有空气隔离层，通过该空气隔离层能够避免对平凸透镜部的全反射能力造成不良影响。本发明相比现有技术而言，其有益效果在于：利用平凸透镜部实现了较大部分的光准直，再由反射镜部将平凸透镜部泄露的部分光线反射为平行光之后，返回至平凸透镜部之内，从而提高了LED光源的全反射效率、漫反射效率和发光均匀度，以及减少了光损耗。

附图说明

图1为本发明提出的全反射透镜的整体结构示意图。

图2为本发明提出的全反射透镜的侧视图。

图3为图2中所示沿A-A线的剖视图。

图4为平凸透镜部的全反射面的局部曲线图。

图5为凹陷部的底部曲面的局部曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种全反射透镜，结合图1至图3所示，所述全反射透镜包括有平面透镜部1，所述平面透镜部1的下端部向下延伸而形成有平凸透镜部2和反射镜部3，所述平凸透镜部2位于反射镜部3之内且二者之间设有一空气隔离层4，所述平凸透镜部2的下端部开设有凹陷部5，所述凹陷部5位于反射镜部3的焦点处，该反射镜部3的反射面形状与平凸透镜部2的全反射面形状相同。该全反射透镜中，LED光源设置于凹陷部5之内，由该LED光源射入平凸透镜部2的散射光通过全反射面而反射为平行光，并且将0°至180°角度内未利用的光线经反射镜部3的反射而重新回到平凸透镜部2之内并形成平行光，上述未利用的光线包括未能在平凸透镜部2的全反射面发生反射而泄漏至反射镜部3的光线，由于反射镜部3的反射面形状与平凸透镜部2的全反射面形状相同，使得空气隔离层4具有均匀的厚度，并且平凸透镜部2的全反射层不被破坏，从而取得更好的全发射效果。

关于该全反射透镜的具体结构，本发明提出如下实施例：

实施例1：

本实施例中，所述平面透镜部1呈条形设置，所述平凸透镜部2和反射镜部3沿平面透镜部1的长度方向延伸，基于条形设置的平凸透镜部2，所述凹陷部5呈狭槽状设置，该狭槽状设置的凹陷部5可用于放置LED灯条，或者依次排布的LED点光源。但是在本发明的其他实施例中，所述凹陷部5的数量是多个，多个凹陷部5沿平凸透镜部2的长度方向以预设间距依次分布，每个凹陷部5之内可分别放置LED点光源。本实施例的优点在于，呈条形设置的平面透镜部内可集成多个LED光源，并且适用于灯管等具有一定长度的照明产品。

实施例2：

本实施例相比实施例1而言的不同之处在于，所述平面透镜部1呈圆盘状设置，所述平凸透镜部2呈半球状设置，所述反射镜部3环绕于该平凸透镜部2。该结构的全反射透镜适用于单颗LED光源的应用场合，且其体积较小、应用灵活性好。

实施例3：

本实施例中，平面透镜部1、平凸透镜部2和反射镜部3一体成型，该结构的全反射透镜可通过挤出设备一同加工成型，有助于缩减生产步骤。

实施例4：

本实施例相比较实施例3的不同之处在于，平面透镜部1与平凸透镜部2一体成型，所述平面透镜部1与反射镜部3固定连接，该平面透镜部1与平凸透镜部2由光学树脂材料制成，该反射镜部3由PC材料制成，该PC材料即聚碳酸酯。其中，平凸透镜部2与反射镜部3可以分别加工，之后再进行拼接操作，该结构的全反射透镜具有易于生产、加工的优势。

为了更好地实现本发明的技术方案，针对上述全反射透镜的结构特点，实施本发明的全反射透镜的成型方法包括如下步骤：

步骤一，构建平凸透镜部2的全反射面结构，由于平凸透镜部2的旋转对称性，只需确定其旋转曲线即可完成设计，结合图3和图4所示，以LED光源的发光中心点为原点，以平凸透镜部2的中心对称轴方向为Y轴方向，以垂直于该Y轴的方向为X轴方向，建立直角坐标系，该坐标系中的箭头方向为光线方向，由于平凸透镜部2的作用在于对光线进行准直，所以，经平凸透镜部2出射的光线应当平行于Y轴，其中，y=fx曲线为全反射面的旋转母线，Pn为旋转母线上的一点，A（r，0）为凹陷部5的开口处A点，a为入射光线与Y轴的夹角，B点为该光线与凹陷部5的交点，b和c分别为光线在凹陷部5处的入射角和出射角，光线与平凸透镜部2的全反射面相交于Pn+1点，该点的反射角为d，Pn和Pn+1为上述曲线上无限接近的两点，则两点间的连接线为平凸透镜部2的全反射面的切线方向，根据折射定律：

msinc=sinb=cosa

得到全反射面方程：

同时，根据B点和Pn+1点的关系，得到：

$Y_{n+1}=\tan \left[\mathrm{arcisn}\left(\frac{\cos a}{m}\right)\right](X_{n+1}-r)+\mathrm{rocta}$

上式中，m为平凸透镜部2的折射率，LED光源在凹陷部5的侧壁的投影为A点，r为LED光源至A点的距离，a为入射光与Y轴的夹角；

步骤二，将上述公式联立，得到该全反射面的曲线方程离散解：

步骤三，根据LED光源的固定位置和LED光源的大小，确定曲线的初始点，之后根据龙格-库塔法进行微分求解，得到平凸透镜部2全反射面的形状及各点坐标；

步骤四，构建反射镜部3的反射面结构，并根据步骤一至步骤三得到反射镜部3的反射面形状及各点坐标；

步骤五，构建凹陷部5的底部曲面结构，对经过该底部曲面而射入平凸透镜部2的光线进行准直，该底部曲面的曲线方程由如下公式确定：

y₁=cota·x

y₂=k₂·(x-Xn)+Yn

上式中，

k1为光源至Pn+1点的直线的斜率，k2为Pn点的切线方程的斜率，该Pn+1和Pn是该底部曲面上无限接近的两点，将上式联立后，得到：

根据LED光源所发出光线的角度阈值，确定临界光线与该底部曲面的交点，得到该底部曲面的初始点，之后根据龙格-库塔法进行微分求解，得到凹陷部5的底部曲面形状及各点坐标；

步骤六，通过计算机对上述平凸透镜部2全反射面的形状、反射镜部3的反射面形状和凹陷部5的底部曲面形状进行仿真和修订，得到全反射透镜模型；

步骤七，将全反射透镜模型导入挤出机挤出成型，在实际应用中，可通过双色挤出机实现挤出成型，并参考双色注塑工艺使得生产过程更加完善。在产品的材料选择方面，作为一种优选方案，所述全反射透镜的制作材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。

参照上述对平凸透镜部2的全反射面、反射镜部3的反射面和凹陷部5的底部曲面求解，可以得到该全反射透镜的2维截面图纸，从而完成对平凸透镜部的初始设计，之后利用计算机进一步仿真和修正，若该全反射透镜制成长条形，则将上述全反射透镜模型拉伸即能获得。对于反射镜部3而言，该反射镜部3由最高反射率达97%的聚碳酸酯制成，并按照平凸透镜部2全反射面的形状，确定该反射镜部3的漫反射面形状，当光线入射到该漫反射面后被高效反射而出，并返回到平凸透镜部之中，再由平面透镜部1出射，由于平凸透镜部2已承担了约90%的光准直，所以，漫反射光的能量占总能量的比重较低，最终在光能利用率上提高照明效果，并且对配光曲线的影响较小。

本发明公开的全反射透镜，LED光源射入平凸透镜部2的散射光通过全反射面而反射为平行光，再通过反射镜部3将0°至180°角度内未利用的光线反射回平凸透镜部2之内并形成平行光。由于反射镜部3的反射面形状与平凸透镜部2的全反射面形状相同，使得平凸透镜部2的全反射面所泄漏的光线经反射镜部3而能够反射回平凸透镜部2之内，并且二者之间设有空气隔离层4，通过该空气隔离层4能够避免对平凸透镜部2的全反射能力造成不良影响。本发明相比现有技术而言，利用平凸透镜部2实现了较大部分的光准直，再由反射镜部3将平凸透镜部2泄露的部分光线反射为平行光之后，返回至平凸透镜部2之内，从而提高了LED光源的全反射效率、漫反射效率和发光均匀度，以及减少了光损耗。在此基础之上，本发明提出的全反射透镜还可以设置为长条型、单颗型等多种形式的结构，从而满足市场对透镜的不同要求。作为该全反射透镜的成型方法，可通过计算机对该全反射透镜的模型进行仿真，并得到生产过程中所需的各项参数，从而配合挤出机等制造设备加工成型，使得成型后的产品具有一定的准确性和可靠性。结合以上几点可以看出，本发明在LED灯具的光学透镜方面取得了较大的进步，适合在本领域内推广应用，并具有较好的市场前景。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种全反射透镜，其特征在于，所述全反射透镜包括有平面透镜部（1），所述平面透镜部（1）的下端部向下延伸而形成有平凸透镜部（2）和反射镜部（3），所述平凸透镜部（2）位于反射镜部（3）之内且二者之间设有一空气隔离层（4），所述平凸透镜部（2）的下端部开设有凹陷部（5），所述凹陷部（5）位于反射镜部（3）的焦点处，该反射镜部（3）的反射面形状与平凸透镜部（2）的全反射面形状相同。

2.如权利要求1所述的全反射透镜，其特征在于，所述平面透镜部（1）呈条形设置，所述平凸透镜部（2）和反射镜部（3）沿平面透镜部（1）的长度方向延伸。

3.如权利要求2所述的全反射透镜，其特征在于，所述凹陷部（5）呈狭槽状设置。

4.如权利要求2所述的全反射透镜，其特征在于，所述凹陷部（5）的数量是多个，多个凹陷部（5）沿平凸透镜部（2）的长度方向以预设间距依次分布。

5.如权利要求1所述的全反射透镜，其特征在于，所述平面透镜部（1）呈圆盘状设置，所述平凸透镜部（2）呈半球状设置，所述反射镜部（3）环绕于该平凸透镜部（2）。

6.如权利要求1所述的全反射透镜，其特征在于，所述平面透镜部（1）、平凸透镜部（2）和反射镜部（3）一体成型。

7.如权利要求1所述的全反射透镜，其特征在于，所述平面透镜部（1）与平凸透镜部（2）一体成型，所述平面透镜部（1）与反射镜部（3）固定连接。

8.一种全反射透镜成型方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一，构建平凸透镜部（2）的全反射面结构，以平凸透镜部（2）的中心对称轴方向为Y轴方向，以垂直于该Y轴的方向为X轴方向，建立直角坐标系，该平凸透镜部（2）的全反射面由如下公式确定：

$Y_{n+1}=\tan \left[\mathrm{arcisn}\left(\frac{\cos a}{m}\right)\right](x_{n+1}-r)+r\cot a$

上式中，m为平凸透镜部（2）的折射率，LED光源在凹陷部（5）的侧壁的投影为A点，r为LED光源至A点的距离，a为入射光与Y轴的夹角；

步骤二，将上述公式联立，得到该全反射面的曲线方程离散解：

步骤三，根据LED光源的固定位置和LED光源的大小，确定曲线的初始点，之后根据龙格-库塔法进行微分求解，得到平凸透镜部（2）的全反射面的形状及各点坐标；

步骤四，构建反射镜部（3）的反射面结构，并根据步骤一至步骤三得到反射镜部（3）的反射面形状及各点坐标；

步骤五，构建凹陷部（5）的底部曲面结构，对经过该底部曲面而射入平凸透镜部（2）的光线进行准直，该底部曲面的曲线方程由如下公式确定：

y₁=cota·x

y₂=k₂·(x-Xn)+Yn

上式中，

k1为光源至Pn+1点的直线的斜率，k2为Pn点的切线方程的斜率，该Pn+1和Pn是该底部曲面上无限接近的两点，将上式联立后，得到：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1=k_1\·x\\ y_2=F\left(k_1\right)\·(x-r)+r\cot a\end{array}\right.$

根据LED光源所发出光线的角度阈值，确定临界光线与该底部曲面的交点，得到该底部曲面的初始点，之后根据龙格-库塔法进行微分求解，得到凹陷部（5）的底部曲面形状及各点坐标；

步骤六，通过计算机对上述平凸透镜部（2）的全反射面的形状、反射镜部（3）的反射面形状和凹陷部（5）的底部曲面形状进行仿真和修订，得到全反射透镜模型；

步骤七，将全反射透镜模型导入挤出机挤出成型。

9.如权利要求8所述的全反射透镜成型方法，其特征在于，所述全反射透镜的制作材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。

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