CN104534406B - 一种led二次光学透镜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学透镜技术领域，本发明的一种LED二次光学透镜，包括透镜本体，所述透镜本体设置有凸起的透镜外曲面、凹入透镜内的透镜内曲面，所述透镜外曲面的凸起起始端连接有圆饼形的透镜安装环，所述透镜安装环与透镜外曲面相交的面为安装面，与安装面相对的面为基面，所述凸起的透镜外曲面由外曲面曲线和与外曲面曲线连接的外曲面直线绕透镜中心轴旋转而成，所述外曲面直线与安装面相交，所述外曲面曲线与透镜中心轴相交。该透镜外曲面上不会出现内凹，便于透镜在注塑过程中取模；通过计算设计外曲面直线与安装面相交点的位置，将原本处于基准面和安装面之间的光线充分利用，有效利用光源90°出射光线附近的光线，发射的光线光斑均匀。

Description

一种LED二次光学透镜及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光学透镜技术，特别涉及一种LED二次光学透镜及其制造方法。

背景技术

随着节能环保的理念深入人心，LED（Light Emitting Diode，发光二极管）以其节能、环保、寿命长三大优势，得到了越来越广泛的应用。LED作为光源理论上可实现只消耗白炽灯10%的能耗，比荧光灯节能50%。

由于LED光源的光强分布满足类朗伯体且方向性极强，在实际使用过程中需要为其设计一个二次光学透镜以满足均匀照明或其他照明分布方式。同时，工业上为了节省成本和使用安全，二次光学透镜生产多采用注塑生成，而在模具设计过程中也需要考虑注塑拔模的可行性。传统的光学透镜设计方式大都采用内曲面为半球面，而计算得到的外曲面在光线90°的附近出现内凹，在模具设计时需要采用对称式设计才便于注塑拔模，但对称式设计会影响注塑产品在模具拼接缝的实体形状。同时，为了便于透镜安装，还需要设计一定高度的安装边，这样的设计导致在光源90°附近的光线不能被有效利用，影响实际的出光效率产生能源浪费。

因此，有必要设计一种光源利用率高和利于模具设计的改良LED二次光学透镜。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种光源利用率高并且便于模具设计的LED二次光学透镜及其制造方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种LED二次光学透镜，包括透镜本体，所述透镜本体中部设置有凸起的透镜外曲面、凹入透镜内的透镜内曲面，所述透镜外曲面的凸起起始端连接有圆饼形的透镜安装环，所述透镜安装环与透镜外曲面相交的面为安装面，与安装面相对的面为基面，所述凸起的透镜外曲面由外曲面曲线和与外曲面曲线平滑连接的外曲面直线绕透镜中心轴旋转而成，所述外曲面直线与安装面相交，所述外曲面曲线与透镜中心轴相交。

由于本透镜的外曲面上与安装面相交的部分为外曲面直线绕中心轴旋转而成，该透镜外曲面上与光源90°出射光线对应部分不会出现内凹，便于透镜在注塑过程中取模，不会影响注塑产品在模具拼接缝的实体形状；透镜外曲面上与安装面相交的外曲面直线，通过计算设计外曲面直线与安装面相交点的位置，可将原本处于基准面和安装面之间的光线充分利用，有效利用光源90°出射光线附近的光线，发射的光线光斑均匀、无阴影、无黑点、无散光，光斑的周围也不会出现黄色的光圈。

作为优选，所述透镜内曲面由内曲面圆弧和与内曲面圆弧平滑连接的内曲面曲线绕透镜中心轴旋转而成，所述内曲面圆弧与透镜中心轴相交，所述内曲面曲线与所述基面相交，所述内曲面曲线与外曲面直线相对应设计。与外曲面直线对应设计的内曲面曲线，使得光源90°出射光线经过透镜后从外曲面直线部分射出，进而使所有光源出射光线经过透镜后都从透镜外曲面射出，避免因光线射到安装环上造成光线未被利用，提高出光效率。

作为优选，所述外曲面直线与外曲面曲线相切，外曲面直线在安装面上的位置由安装面相对于基面的高度确定。外曲面直线与外曲面曲线平滑过渡、相切连接，使光线经过本透镜出射后光线分布均匀，发射的光线光斑均匀、无阴影、无黑点、无散光。

作为优选，所述外曲面直线满足条件：设透镜内曲面为半球形、光源处于球心，以透镜竖直中心线为竖轴0°，与中心线相垂直的基面线为横轴90°；根据安装面的高度，找到安装面与光源90°出射光线的交点，若安装面与光源90°出射光线的交点的横轴值小于透镜外曲面最大横轴值，则透镜的外曲面直线部分取其横轴值最大点及该横轴值最大点的切线与安装面的交点连线；若安装面与光源90°出射光线的交点的横轴值大于透镜外曲面最大横轴值，找到透镜外曲面上的某一点使该点切线与安装面的交点和光源90°出射光线与安装面的交点相同，外曲面直线部分取该外曲面上的某一点的切线与安装面的交点连线；记外曲面直线与外曲面曲线交点所对应的光线出射角度为θ2；

所述外曲面曲线满足条件：根据照度分布和能量守恒定律计算得到的透镜外曲面形状，透镜外曲面上去掉外曲面直线部分剩下的即为外曲面曲线；

所述内曲面曲线满足条件：对应于外曲面直线，根据光线在透镜中的传播路线直接求得光源90°出射角光线所对应的透镜内曲面横坐标值，再根据差分法、入射光线角度、光线在材料中的传播路径和材料折射率，依次90°→θ2方向求得透镜外曲面直线区域内光线所对应的透镜内曲面坐标，得出内曲面曲线形状；

所述内曲面圆弧满足条件：以内曲面曲线的最后一点坐标的模长为半径，以坐标原点为中心做一段0°～θ2角度内的圆弧。

一种LED二次光学透镜制造方法，包括以下步骤：

(1)确定照明高度、照明区域及透镜中心高度；

(2)假定LED光源强度分布为朗伯体，同时设为点光源，所述透镜内曲面为半球形，光源处于球心，根据照度分布和能量守恒定律计算得到透镜的出射曲线；能量划分方法为公知技术，得到该透镜的外曲面初始曲线。

(3) 沿透镜竖直中心面将透镜剖开，假定透镜竖直中心线为竖轴0°，与中心线相垂直的基面线为横轴90°；根据安装面的高度，找到安装面与光源90°出射光线的交点，若安装面与光源90°出射光线的交点的横轴值小于透镜外曲面最大横轴值，则透镜的外曲面直线部分取其横轴值最大点及该横轴值最大点的切线与安装面的交点连线；若安装面与光源90°出射光线的交点的横轴值大于透镜外曲面最大横轴值，找到透镜外曲面上的某一点使该点切线与安装面的交点和光源90°出射光线与安装面的交点相同，透镜外曲面直线部分取该外曲面上的某一点的切线与安装面的交点连线；并记录两种情况下的透镜外曲线上该点所对应的光线角度为θ2；

(4)根据第(3)步得到的直线，计算得到该直线对应区域光线与直线的交点，同时，根据光学材料的折射率和Snell定理，得到光线在材料中的传播路径。

(5)根据第(3)步和第(4)步的求解，直接求得光源90°出射角光线所对应的透镜内曲面横坐标，根据差分法、入射光线角度、光线在材料中的传播路径和材料折射率，依次（90°→θ2方向）求得透镜外曲面的直线区域内光线所对应的透镜内曲面坐标，绘制内曲面曲线形状；再以内曲面曲线的最后一点坐标的模长为半径做一段圆弧（0°～θ2角度内），即为透镜内曲面圆弧；

(6)根据基面、安装面、外曲面直线、外曲面曲线、内曲面曲线和内曲面圆弧所限定的区域，通过3D建模软件可得到该条件下的实体模型。

通过本LED二次光学透镜制造方法制造的透镜，首先根据光源90°出射光线与透镜安装面的交点位置，确定透镜的外曲面直线，确保了光源90°出射光线经过透镜后的出射光点在透镜的外曲面上，避免能源浪费；确定了透镜的外曲面直线后，根据光线在透镜中的传播路线，依次求得外曲面直线区域内对应的透镜内曲面坐标，绘制出内曲面曲线的形状；再以内曲面曲线的最后一点坐标的模长为半径，以坐标原点为中心做一段0°～θ2角度内的圆弧，即得到透镜内曲面圆弧。本制造方法符合光学材料的折射率和Snell定理，使光源出射光线经过透镜后都从透镜外曲面上出射，不会造成光源的浪费、利用率高，光线从透镜出射后光线光斑均匀、无散光；由于透镜外曲面与安装面接触部位为外曲面直线部分，使得该透镜外表面不会出现内凹，便于透镜在注塑过程中取模。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、由于本透镜的外曲面上与安装面相交的部分为外曲面直线绕中心轴旋转而成，该透镜外曲面上与光源90°出射光线对应部分不会出现内凹，便于透镜在注塑过程中取模，不会影响注塑产品在模具拼接缝的实体形状；透镜外曲面上与安装面相交的外曲面直线，通过计算设计外曲面直线与安装面相交点的位置，可将原本处于基准面和安装面之间的光线充分利用，有效利用光源90°出射光线附近的光线，发射的光线光斑均匀、无散光，光斑的周围也不会出现黄色的光圈；

2、本制造方法符合光学材料的折射率和Snell定理，计算准确，使光源出射光线经过透镜后都从透镜外曲面上出射，不会造成光源的浪费、利用率高，光线从透镜出射后光线光斑均匀、无散光；由于透镜外曲面与安装面接触部位为外曲面直线部分，使得该透镜外表面不会出现内凹，便于透镜在注塑过程中取模。

附图说明：

图1为本发明LED二次光学透镜整体结构示意图。

图2为传统方法设计的LED二次配光透镜结构示意图。

图3为该LED二次光学透镜结构示意图。

图4为该LED二次配光透镜的绕中心轴旋转为透镜本体的曲线示意图。

图5为实例一所设计的LED二次配光透镜中心剖视图。

图6为实例二所设计的LED二次配光透镜中心剖视图。

图7实例二所设计的LED二次配光透镜的极坐标配光曲线图。

图8是本发明 LED二次光学透镜的内外表面设计流程图。

图中标记：1-透镜本体，2-透镜外曲面，3-透镜内曲面，4-基面，5-安装面，21-外曲面曲线，22-外曲面直线，31-内曲面圆弧，32-内曲面曲线。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1到图5所示，一种LED二次光学透镜，包括透镜本体1，所述透镜本体1中部设置有凸起的透镜外曲面2、凹入透镜内的透镜内曲面3，所述透镜外曲面2的凸起起始端连接有圆饼形的透镜安装环，所述透镜安装环与透镜外曲面相交的面为安装面5，与安装面相对的面为基面4，所述凸起的透镜外曲面2由外曲面曲线21和与外曲面曲线平滑连接的外曲面直线22绕透镜中心轴旋转而成，所述外曲面直线22与安装面5相交，所述外曲面曲线21与透镜中心轴相交。

由于本透镜的外曲面上与安装面相交的部分为外曲面直线绕中心轴旋转而成，该透镜外曲面上与光源90°出射光线对应部分不会出现内凹，便于透镜在注塑过程中取模，不会影响注塑产品在模具拼接缝的实体形状；透镜外曲面上与安装面相交的外曲面直线，通过计算设计外曲面直线与安装面相交点的位置，可将原本处于基准面和安装面之间的光线充分利用，有效利用光源90°出射光线附近的光线，发射的光线光斑均匀、无阴影、无黑点、无散光，光斑的周围也不会出现黄色的光圈。

本实施例中，所述透镜内曲面3由内曲面圆弧31和与内曲面圆弧平滑连接的内曲面曲线32绕透镜中心轴旋转而成，所述内曲面圆弧31与透镜中心轴相交，所述内曲面曲线32与所述基面4相交，所述内曲面曲线32与外曲面直线22相对应设计。与外曲面直线对应设计的内曲面曲线，使得光源90°出射光线经过透镜后从外曲面直线部分射出，进而使所有光源出射光线经过透镜后都从透镜外曲面射出，避免因光线射到安装环上造成光线未被利用，提高出光效率。

本实施例中，所述外曲面直线22与外曲面曲线21相切，外曲面直线22在安装面5上的位置由安装面5相对于基面4的高度确定。外曲面直线与外曲面曲线平滑过渡、相切连接，使光线经过本透镜出射后光线分布均匀，发射的光线光斑均匀、无阴影、无黑点、无散光；根据安装面的高度确定外曲面直线与安装面的相交位置，可使光源出射光线经过透镜后全部从透镜外曲面上射出，减少因光源从安装面上出射造成浪费。

如图8所示，该LED二次光学透镜制造方法，包括以下步骤：

(1)确定照明高度、照明区域及透镜中心高度；

(2)假定LED光源强度分布为朗伯体，同时设为点光源，所述透镜内曲面为半球形，光源处于球心，根据照度分布和能量守恒定律计算得到透镜的出射曲线；能量划分方法为公知技术，得到该透镜的外曲面初始曲线。

(3)假定透镜竖直中心线为竖轴0°，与中心线相垂直的基面线为横轴90°；根据安装面的高度，找到安装面与光源90°出射光线的交点，本实施例中，该交点的横轴值大于透镜外曲面最大横轴值，如图4所示，找到透镜外曲面上的某一点使该点切线和光源90°出射光线与安装边的交点相同，透镜外曲面直线部分取该点与该点的切线与安装面的交点连线；记录透镜外曲线上该点所对应的光源出射角度为θ2；

(4)根据第(3)步得到的直线，计算得到该直线对应区域光线与直线的交点，同时，根据光学材料的折射率和Snell定理，得到光线在材料中的传播路径。

(5)根据第(3)步和第(4)步的求解，直接求得光源90°出射角光线所对应的透镜内曲面横坐标，根据差分法、入射光线角度、光线在材料中的传播路径和材料折射率，依次（90°→θ2方向）求得透镜外曲面的直线区域内光线所对应的透镜内曲面坐标，绘制内曲面曲线形状；再以内曲面曲线的最后一点坐标的模长为半径做一段圆弧（0°～θ2角度内），即为透镜内曲面圆弧；

(6)根据基面、安装面、外曲面直线、外曲面曲线、内曲面曲线和内曲面圆弧所限定的区域，通过3D建模软件可得到该条件下的实体模型。

实施例2

如图1到图7所示，一种LED二次光学透镜，包括透镜本体1，所述透镜本体1中部设置有凸起的透镜外曲面2、凹入透镜内的透镜内曲面3，所述透镜外曲面2的凸起起始端连接有圆饼形的透镜安装环，所述透镜安装环与透镜外曲面相交的面为安装面5，与安装面相对的面为基面4，所述凸起的透镜外曲面2由外曲面曲线21和与外曲面曲线平滑连接的外曲面直线22绕透镜中心轴旋转而成，所述外曲面直线22与安装面5相交，所述外曲面曲线21与透镜中心轴相交。

由于本透镜的外曲面上与安装面相交的部分为外曲面直线绕中心轴旋转而成，该透镜外曲面上与光源90°出射光线对应部分不会出现内凹，便于透镜在注塑过程中取模，不会影响注塑产品在模具拼接缝的实体形状；透镜外曲面上与安装面相交的外曲面直线，通过计算设计外曲面直线与安装面相交点的位置，可将原本处于基准面和安装面之间的光线充分利用，有效利用光源90°出射光线附近的光线，发射的光线光斑均匀、无阴影、无黑点、无散光，光斑的周围也不会出现黄色的光圈。

本实施例中，所述透镜内曲面3由内曲面圆弧31和与内曲面圆弧平滑连接的内曲面曲线32绕透镜中心轴旋转而成，所述内曲面圆弧31与透镜中心轴相交，所述内曲面曲线32与所述基面4相交，所述内曲面曲线32与外曲面直线22相对应设计。与外曲面直线对应设计的内曲面曲线，使得光源90°出射光线经过透镜后从外曲面直线部分射出，进而使所有光源出射光线经过透镜后都从透镜外曲面射出，避免因光线射到安装环上造成光线未被利用，提高出光效率。

本实施例中，所述外曲面直线22与外曲面曲线21相切，外曲面直线22在安装面5上的位置由安装面5相对于基面4的高度确定。外曲面直线与外曲面曲线平滑过渡、相切连接，使光线经过本透镜出射后光线分布均匀，发射的光线光斑均匀、无阴影、无黑点、无散光；根据安装面的高度确定外曲面直线与安装面的相交位置，可使光源出射光线经过透镜后全部从透镜外曲面上射出，减少因光源从安装面上出射造成浪费。

如图8所示，该LED二次光学透镜制造方法，包括以下步骤：

(1)确定照明高度、照明区域及透镜中心高度；

(2)假定LED光源强度分布为朗伯体，同时设为点光源，所述透镜内曲面为半球形，光源处于球心，根据照度分布和能量守恒定律计算得到透镜的出射曲线；能量划分方法为公知技术，得到该透镜的外曲面初始曲线。

(3)假定透镜竖直中心线为竖轴0°，与中心线相垂直的基面线为横轴90°；根据安装面的高度，找到安装面与光源90°出射光线的交点，本实施例中，该交点的横轴值小于透镜外曲面最大横轴值，如图4和图6所示，透镜的外曲面直线部分取其横轴值最大点及该点的切线与安装面的交点连线；记录透镜外曲线上该点所对应的光源出射角度为θ2；

(4)根据第(3)步得到的直线，计算得到该直线对应区域光线与直线的交点，同时，根据光学材料的折射率和Snell定理，得到光线在材料中的传播路径。

(5)根据第(3)步和第(4)步的求解，直接求得光源90°出射角光线所对应的透镜内曲面横坐标，根据差分法、入射光线角度、光线在材料中的传播路径和材料折射率，依次（90°→θ2方向）求得透镜外曲面的直线区域内光线所对应的透镜内曲面坐标，绘制内曲面曲线形状；再以内曲面曲线的最后一点坐标的模长为半径做一段圆弧（0°～θ2角度内），即为透镜内曲面圆弧；

(6)根据基面、安装面、外曲面直线、外曲面曲线、内曲面曲线和内曲面圆弧所限定的区域，通过3D建模软件可得到该条件下的实体模型。,

如图7所示，本方法设计的LED二次配光透镜的极坐标配光曲线图，由图中可以看出，该透镜光强分布均匀，满足要求。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (4)

1.一种LED二次光学透镜，包括透镜本体，所述透镜本体设置有凸起的透镜外曲面、凹入透镜内的透镜内曲面，所述透镜外曲面的凸起起始端连接有圆饼形的透镜安装环，所述透镜安装环与透镜外曲面相交的面为安装面，与安装面相对的面为基面，其特征在于，所述凸起的透镜外曲面由外曲面曲线和与外曲面曲线连接的外曲面直线绕透镜中心轴旋转而成，所述外曲面直线与安装面相交，所述外曲面曲线与透镜中心轴相交，所述外曲面直线满足条件：设透镜内曲面为半球形、光源处于球心，以透镜竖直中心线为竖轴0°，与中心线相垂直的基面线为横轴90°；根据安装面的高度，找到安装面与光源90°出射光线的交点，若安装面与光源90°出射光线的交点的横轴值小于透镜外曲面最大横轴值，则透镜的外曲面直线部分取其横轴值最大点及该横轴值最大点的切线与安装面的交点连线；若安装面与光源90°出射光线的交点的横轴值大于透镜外曲面最大横轴值，找到透镜外曲面上的某一点使该点切线与安装面的交点和光源90°出射光线与安装面的交点相同，外曲面直线部分取外曲面上的某一点的切线与安装面的交点连线；记外曲面直线与外曲面曲线交点所对应的光线出射角度为θ2；所述内曲面曲线与外曲面直线相对应设计，使得光线经过透镜后的所有出射光线均高于外曲面直线与安装面相交处，所述透镜内曲面由内曲面圆弧和与内曲面圆弧平滑连接的内曲面曲线绕透镜中心轴旋转而成，所述内曲面曲线满足条件：对应于外曲面直线，根据光线在透镜中的传播路线直接求得光源90°出射角光线所对应的透镜内曲面横坐标值，再根据差分法、入射光线角度、光线在材料中的传播路径和材料折射率，依次90°→θ2方向求得透镜外曲面直线区域内光线所对应的透镜内曲面坐标，得出内曲面曲线形状，所述外曲面直线与外曲面曲线相切，外曲面直线在安装面上的位置由安装面相对于基面的高度确定。

2.根据权利要求1所述的LED二次光学透镜，其特征在于，所述内曲面圆弧与透镜中心轴相交，所述内曲面曲线与所述基面相交。

3.根据权利要求1或2所述的LED二次光学透镜，其特征在于， 所述外曲面曲线满足条件：根据照度分布和能量守恒定律计算得到的透镜外曲面形状，透镜外曲面上去掉外曲面直线部分剩下的即为外曲面曲线；

所述内曲面圆弧满足条件：以内曲面曲线的最后一点坐标的模长为半径，以坐标原点为中心做一段0°～θ2角度内的圆弧。

4.根据权利要求1所述的LED二次光学透镜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定照明高度、照明区域及透镜中心高度；

(2)假定LED光源强度分布为朗伯体，同时设为点光源，所述透镜内曲面为半球形，光源处于球心，根据照度分布和能量守恒定律计算得到透镜外曲面；

(3)沿透镜竖直中心面将透镜剖开，假定透镜竖直中心线为竖轴0°，与中心线相垂直的基面线为横轴90°；根据安装面的高度，找到安装面与光源90°出射光线的交点，若安装面与光源90°出射光线的交点的横轴值小于透镜外曲面最大横轴值，则透镜的外曲面直线部分取其横轴值最大点及该横轴值最大点的切线与安装面的交点连线；若安装面与光源90°出射光线的交点的横轴值大于透镜外曲面最大横轴值，找到透镜外曲面上的某一点使该点切线与安装面的交点和光源90°出射光线与安装面的交点相同，透镜外曲面直线部分取该外曲面上的某一点的切线与安装面的交点连线；并记录两种情况下的透镜外曲线上该点所对应的光线角度为θ2；

(4)根据第(3)步得到的直线，计算得到该外曲面直线对应区域光线与所述外曲面直线的交点，同时，根据光学材料的折射率和Snell定理，得到光线在材料中的传播路径，即光线在透镜中的传播路线；

(5)根据第(3)步和第(4)步的求解，直接求得光源90°出射角光线所对应的透镜内曲面横坐标值，再根据差分法、入射光线角度、光线在材料中的传播路径和材料折射率，依次90°→θ2方向求得透镜外曲面直线区域内光线所对应的透镜内曲面坐标，绘制出内曲面曲线形状；再以内曲面曲线的最后一点坐标的模长为半径，以坐标原点为中心做一段0°～θ2角度内的圆弧，即为透镜内曲面圆弧；

(6)根据基面、安装面、外曲面直线、外曲面曲线、内曲面曲线和内曲面圆弧所限定的区域，通过3D建模软件得到实体模型。