CN104834031B - 多焦点匀光透镜及光学*** - Google Patents

多焦点匀光透镜及光学*** Download PDF

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Abstract

一种多焦点匀光透镜，包括透射单元和用于从四周包围所述透射单元的全反射单元，所述透射单元包括口径为圆形且沿中心光束传播方向依次设置的第一准直入射面和第二准直透射面，所述第一准直入射面包括两种以上的不同曲面；所述第二准直透射面与所述第一准直入射面的曲面分布结构相同；所述全反射单元包括入射侧面、全反射侧面及出射侧面；所述入射侧面用于将所述第一准直入射面与所述全反射侧面连接，所述出射侧面用于将所述全反射侧面与所述第二准直透射面连接；所述全反射侧面包括两种以上的不同曲面，所述出射侧面与所述全反射侧面的曲面分布结构相同。还公开一种光学***。本发明可以避免颜色分离而出现的蓝边或者黄边现象，匀光效果好。

Description

多焦点匀光透镜及光学***
技术领域
本发明涉及光学领域，特别是涉及一种多焦点匀光透镜及光学***。
背景技术
平时我们看到的白光一般是通过在蓝光LED的表面涂覆黄色荧光粉而产生，即为蓝光和黄光的复合光。LED发出的光都是发散的，所以一般需要通过一个透镜进行聚光。
然而，每种颜色的光在同一介质中折射率的不同，导致不同颜色的光经过透镜时，蓝光被更多地往透镜的中心倾斜透射，而黄光更多地往透镜的边缘倾斜透射，从而表现出颜色分离，匀光效果差。
发明内容
基于此，有必要提供一种匀光效果好的多焦点匀光透镜。
此外，还提供一种光学***。
一种多焦点匀光透镜，包括透射单元和用于从四周包围所述透射单元的全反射单元，所述透射单元包括口径为圆形且沿中心光束传播方向依次设置的第一准直入射面和第二准直透射面，所述第一准直入射面包括两种以上的不同曲面；所述第二准直透射面与所述第一准直入射面的曲面分布结构相同；
所述全反射单元包括入射侧面、全反射侧面及出射侧面；所述入射侧面用于将所述第一准直入射面与所述全反射侧面连接，所述出射侧面用于将所述全反射侧面与所述第二准直透射面连接；所述全反射侧面包括两种以上的不同曲面，所述出射侧面与所述全反射侧面的曲面分布结构相同。
在其中一个实施例中，所述第一准直入射面包括位于中心的第一曲面和与所述第一曲面连接的第二曲面；所述第二准直透射面对应地包括位于中心的第三曲面和与所述第三曲面连接的第四曲面；所述第一曲面与第二曲面为不同曲面、所述第三曲面与第四曲面为不同曲面。
在其中一个实施例中，所述第一准直入射面的口径与所述第二准直透射面的口径大小相等。
在其中一个实施例中，所述入射侧面为曲面。
在其中一个实施例中，所述全反射侧面包括相互连接的第五曲面与第六曲面，所述出射侧面对应地包括相互连接的第七曲面与第八曲面；所述第五曲面与第六曲面为不同曲面、所述第七曲面与第八曲面为不同曲面。
在其中一个实施例中，所述透射单元的表面设有鳞片结构或复眼结构。
在其中一个实施例中，所述全反射单元的表面设有鳞片结构或复眼结构。
一种光学***，包括LED光源，还包括上述多焦点匀光透镜。
上述多焦点匀光透镜及光学***，所述第二准直透射面与所述第一准直入射面的曲面分布结构相同，通过对应地设置包括两种以上的不同曲面的第一准直入射面和第二准直透射面，设置包括两种以上的不同曲面的出射侧面和全反射侧面，使得透射出来的中心光束的光线因聚光焦点发生改变会往工作面的周围倾斜，从而使得中心光束的光线形成的光斑与中心光束以外的光线形成的光斑进行混合，同时，经过侧面全反射出来的大角度光束的光线形成的光斑中也混入了角度较小的光线光斑，避免颜色分离而出现的蓝边或者黄边现象，匀光效果好；另外光线的倾斜分离可以实现不同亮度的多束环形光斑、圆形光斑以及圆形光斑与环形光斑的结合，照明效果明暗交替，照射不同物体，展示不同的主次效果。
附图说明
图1为传统透镜的透射单元结构示意图；
图2为图1所示实施例中透镜所形成的光斑示意图；
图3为一实施例中多焦点匀光透镜的透射单元结构示意图；
图4为图3所示实施例中多焦点匀光透镜所形成的光斑示意图；
图5为图3所示实施例中多焦点匀光透镜的全反射单元结构示意图；
图6为另一实施例中多焦点匀光透镜结构示意图；
图7为图6所示实施例中多焦点匀光透镜形成的光斑示意图；
图8为一实施例的光学***。
具体实施方式
一种多焦点匀光透镜，包括透射单元和用于从四周包围所述透射单元的全反射单元，所述透射单元包括口径为圆形且沿中心光束传播方向依次设置的第一准直入射面和第二准直透射面，所述第一准直入射面包括两种以上的不同曲面；所述第二准直透射面与所述第一准直入射面的曲面分布结构相同；
所述全反射单元包括入射侧面、全反射侧面及出射侧面；所述入射侧面用于将所述第一准直入射面与所述全反射侧面连接，所述出射侧面用于将所述全反射侧面与所述第二准直透射面连接；所述全反射侧面包括两种以上的不同曲面，所述出射侧面与所述全反射侧面的曲面分布结构相同。
图1所示为传统透镜的透射单元结构示意图。
图1中，曲面102与曲面104为同一类型的曲面，曲面106与曲面108为同一类型的曲面。中心光束的光线206经过透镜曲面102和曲面106后为平行光线208，光线平行往工作面210传播，形成的光斑如图2所示的中心圆圈11包围的圆形区域。中心光束之外的光线202经过透镜曲面104和曲面108后为平行光线204，光线平行往工作面210传播，形成的光斑如图2所示的圆圈11和圆圈12之间的环形区域。
请参照图3，为一实施例中多焦点匀光透镜的透射单元结构示意图。
在本实施例中，所述第一准直入射面包括位于中心的第一曲面302和与第一曲面302连接的第二曲面304。所述第二准直透射面对应地包括位于中心的第三曲面306和与第三曲面306连接的第四曲面308。第一曲面302与第二曲面304为不同曲面，第三曲面306与第四曲面308为不同曲面，因此，第一曲面302与第二曲面304的聚光焦点不同，第三曲面306与第四曲面308的聚光焦点也不同。
中心光束之外的光线402依次经过第二曲面304、第四曲面308后为平行光线404，光线404往工作面410传播，形成的第一光斑如图4所示的圆圈21和圆圈22之间的环形区域。中心光束的光线406依次经过第一曲面302、第三曲面306后因聚光焦点发生改变，变为非平行光线408，光线408稍微的往工作面410的两侧倾斜，形成的第二光斑如图4所示的圆圈23所包围的圆形区域。第一光斑混合在第二光斑中，避免颜色分离或者某种颜色被吸收而出现的蓝边或者黄边现象。
由LED发射的光为朗伯分布可知，光线发散的角度越小，其亮度越高。相对比较，中心光束的光线406的光通量要比中心光束之外的光线402的大，使其光线倾斜交叉混合，同时又可以使得整体光斑的均匀性提高。
通过调节第一曲面302与第三曲面306的面型，改变其焦点，就可以改变圆形光斑的大小和能量分布。同样，通过调节第二曲面304与第四曲面308的面型，改变其焦点，可以改变环形光斑的大小和能量分布。
在本实施例中，所述第一准直入射面的口径与所述第二准直透射面的口径大小相等。可以理解，在其他实施例中，所述第一准直入射面的口径还可以小于所述第二准直透射面的口径。
请参照图5，为图3所示实施例中多焦点匀光透镜的全反射单元结构示意图。
在本实施例中，所述全反射单元包括入射侧面502、全反射侧面及出射侧面；入射侧面502用于将所述第一准直入射面与所述全反射侧面连接，所述出射侧面用于将所述全反射侧面与所述第二准直透射面连接。
具体地，所述全反射侧面包括相互连接的第五曲面504与第六曲面506，所述出射侧面对应地包括相互连接的第七曲面508与第八曲面510。第五曲面504与第六曲面506为不同曲面，第七曲面508与第八曲面510为不同曲面，因此，第五曲面504与第六曲面506的聚光焦点不同，第七曲面508与第八曲面510的聚光焦点也不同。
在本实施例中，不同曲面可以是曲面类型不同，也可以是曲面类型相同但曲面参数不同。
大角度光束的光线602经过入射侧面502折射后进入该多焦点匀光透镜，经第五曲面504发生全反射，然后通过第七曲面508透射后为光线604，光线604为非平行光，光线稍微的往工作面410的两侧倾斜，形成的第三光斑如图4所示的圆圈23和圆圈25之间的环形区域。角度小于光线602的光线606经过入射侧面502折射后进入该多焦点匀光透镜，经第六曲面506后发生全反射，然后通过第八曲面510透射后为光线608，光线608为非平行光，光线稍微的往工作面410的中心倾斜，形成的第四光斑如图4所示的圆圈24和圆圈25之间的环形区域。第四光斑混合在第三光斑中，避免颜色分离或者某种颜色被吸收而出现的蓝边或者黄边现象。
相对比较，光线606的光通量要比光线602的大，使其光线倾斜交叉混合，可以使得整体光斑的均匀性提高。
通过调节第五曲面504与第七曲面508的面型，改变其焦点，就可以改变第三光斑的大小和能量分布。同样，通过调节第六曲面506与第八曲面510的面型，改变其焦点，就可以改变第四光斑的大小和能量分布。
焦点的改变其实就是焦点的分离，是把光斑分成多束环形光斑和圆形光斑的多重区域匀光，有重叠交叉、混光匀光之效果。焦点分离可以实现不同亮度的多束环形光斑和圆形光斑，照射不同物体，展示不同的主次效果。另外，所有光线无论是经过透射单元还是全反射单元，都不会因为光线发射原因而损失。
在本实施例中，入射侧面502为曲面，上述所提到的曲面可以为球面或非球面。当曲面为变形非球面时，圆形光斑能变成椭圆光斑。其中，柱面、正余弦曲面、二次曲面、超二次曲面、Zernike多项式曲面属于非球面的一种特定形式。
可以理解，在其他实施例中，入射侧面502还可以为曲面。所述全反射侧面包括三种以上的不同曲面，所述出射侧面对应地包括三种以上的不同曲面，即所述出射侧面与所述全反射侧面的曲面分布结构相同。
进一步地，在其他实施例中，所述透射单元的表面还可以设有鳞片结构或复眼结构。所述全反射单元的表面也可以设有鳞片结构或复眼结构。
另外，光线倾斜交叉混合，使得整体光斑的均匀性大大提高。改善传统光斑中心能量高，周围能量低的现象，也避免黄圈了出现。光线倾斜分离，可以实现不同亮度的多束环形光斑和圆形光斑，照射不同物体，展示不同的主次效果。
具体地，如图6所示，为另一实施例中多焦点匀光透镜结构示意图。
中心光束之外的光线802经过第二曲面504、第四曲面508后为平行光线804。光线804平行往工作面610传播，形成的第五光斑如图7所示的圆圈30和圆圈31之间的环形区域。中心光束的光线806经过第一曲面502、第三曲面506后为光线808，光线808为非平行光，稍微的往工作面610的两侧倾斜，形成的第六光斑如图7所示的圆圈32所包围的圆形区域。第五光斑混合在第六光斑中，避免颜色分离或者某种颜色被吸收而出现的蓝边或者黄边现象。
由LED发射的光为朗伯分布可知，发给角度越小，其亮度越高。相对比较，中心光束的光线806的光通量要比中光光束之外的光线802的大，使其光线倾斜交叉混合，同时又可以使得整体光斑的均匀性提高。
LED光源小角度的光线经过透镜单元透射时，其光线没有发生透射到全反射单元，因而没有发射全反射而损失。
通过调节第一曲面502与第三曲面506的面型，改变其焦点，就可以改变圆形光斑的大小和能量分布。同样，通过调节第二曲面504与第四曲面508的面型，改变其焦点，可以改变环形光斑的大小和能量分布。
大角度光束的光线902经过入射侧面702后折射进入该多焦点匀光透镜，经第五曲面704发生全反射，然后通过第七曲面708透射后为光线904，光线904为非平行光，光线稍微的往工作面610的两侧倾斜，形成的第七光斑如图7所示的圆圈33和圆圈34之间的环形区域。角度小于大角度光线902的光线906经过入射侧面702折射后进入该多焦点匀光透镜，经第六曲面706后发生全反射，然后通过第八曲面710透射后为光线908，光线908为非平行光，光线稍微的往工作面610的两侧倾斜，形成的第八光斑如图7所示的圆圈35和圆圈36之间的环形区域。
第八光斑与第七光斑不重合，分布为两个环形光斑。相对比较，光线906的光通量要比光线902的大，但由于906形成的环形光斑的面积比902的要大，故其两个环形光斑对应的照度相差不会太大，表现为中心圆照射主体的照度是最大的，两个环形光斑照射的次主体的照度小一些。
LED光源大角度光束的光线经过全反射单元时，其光线没有发生透射到透射单元，因而没有发射全反射而损失。
通过调节第五曲面704与第七曲面708的面型，改变其焦点，就可以改变环形光斑的大小和能量分布。同样，通过调节第六曲面706与第八曲面710的面型，改变其焦点，从而改变环形光斑的大小和能量分布。
光线倾斜分离可以实现不同亮度的多束环形光斑、圆形光斑以及圆形光斑与环形光斑的结合，照明效果明暗交替，照射不同物体，展示不同的主次效果。既增加了空间层次感，又能营造不同以往的照明效果，可应用于吸顶灯、吊灯、壁灯、广告灯等。
请参照图8，为一实施例的光学***，包括LED光源100和积分棒200，还包括上述多焦点匀光透镜300。
上述多焦点匀光透镜及光学***，所述第二准直透射面与所述第一准直入射面的曲面分布结构相同，通过对应地设置包括两种以上的不同曲面的第一准直入射面和第二准直透射面，设置包括两种以上的不同曲面的出射侧面和全反射侧面，使得透射出来的中心光束的光线因聚光焦点发生改变会往工作面的周围倾斜，从而使得中心光束的光线形成的光斑与中心光束以外的光线形成的光斑进行混合，同时，经过侧面全反射出来的大角度光束的光线形成的光斑中也混入了角度较小的光线光斑，避免颜色分离而出现的蓝边或者黄边现象，匀光效果好；另外光线的倾斜分离可以实现不同亮度的多束环形光斑、圆形光斑以及圆形光斑与环形光斑的结合，照明效果明暗交替，照射不同物体，展示不同的主次效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种多焦点匀光透镜，包括透射单元和用于从四周包围所述透射单元的全反射单元，其特征在于，所述透射单元包括口径为圆形且沿中心光束传播方向依次设置的第一准直入射面和第二准直透射面，所述第一准直入射面包括两种以上的不同曲面；所述第二准直透射面与所述第一准直入射面的曲面分布结构相同，且对应设置；其中，所述第一准直入射面包括位于中心的第一曲面和与所述第一曲面连接的第二曲面；所述第二准直透射面对应地包括位于中心的第三曲面和与所述第三曲面连接的第四曲面；所述第一曲面与第二曲面为不同曲面、所述第三曲面与第四曲面为不同曲面；
所述全反射单元包括入射侧面、全反射侧面及出射侧面；所述入射侧面用于将所述第一准直入射面与所述全反射侧面连接，所述出射侧面用于将所述全反射侧面与所述第二准直透射面连接；所述全反射侧面包括两种以上的不同曲面，所述出射侧面与所述全反射侧面的曲面分布结构相同。
2.根据权利要求1所述的多焦点匀光透镜，其特征在于，所述第一准直入射面的口径与所述第二准直透射面的口径大小相等。
3.根据权利要求1所述的多焦点匀光透镜，其特征在于，所述入射侧面为曲面。
4.根据权利要求1所述的多焦点匀光透镜，其特征在于，所述全反射侧面包括相互连接的第五曲面与第六曲面，所述出射侧面对应地包括相互连接的第七曲面与第八曲面；所述第五曲面与第六曲面为不同曲面、所述第七曲面与第八曲面为不同曲面。
5.根据权利要求1所述的多焦点匀光透镜，其特征在于，所述透射单元的表面设有鳞片结构或复眼结构。
6.根据权利要求1所述的多焦点匀光透镜，其特征在于，所述全反射单元的表面设有鳞片结构或复眼结构。
7.一种光学***，包括LED光源，其特征在于，还包括权利要求1～6任一项所述的多焦点匀光透镜。
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