CN105546476A - 光学透镜及其光学透镜模组 - Google Patents

Abstract

一种光学透镜模组，所述光学透镜模组包括一主体，若干设于所述主体中央的反射杯，以及若干嵌在所述反射杯底部的光学透镜，所述光学透镜包括一顶面和一底面，所述顶面包括一出光面和环绕所述出光面的一第一连接面，所述底面包括一入光面和环绕所述入光面的一第二连接面，所述入光面的中心轴线和所述出光面的中心轴线分设于所述光学透镜的中心轴线的两侧，入射至所述入光面的光线经入光面和出光面的自由曲面配合被偏移至所述光学透镜的中心轴线的一侧。

Description

光学透镜及其光学透镜模组

技术领域

本发明涉及一种光学透镜，尤其涉及一种使用该光学透镜的透镜模组。

背景技术

现有技术中，特别是在公路、隧道照明的技术中，通常采用反射板和光源偏角来改善发光二极管灯源装置的二次光学处理，以期得到理想形状的光场。但是这种二次光学处理方案使得发光二极管灯源装置的光型分布不是很合理，难以得到预定形状的光场，灯具炫光控制困难，且整个灯具的结构复杂，组装难度大。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种可形成矩形均匀光场的光学透镜及其光学透镜模组。

一种光学透镜，包括一顶面和一底面，所述顶面包括一出光面和环绕所述出光面的一第一连接面，所述底面包括一入光面和环绕所述入光面的一第二连接面，所述入光面的中心轴线和所述出光面的中心轴线分设于所述光学透镜的中心轴线的两侧，入射至所述入光面的光线经入光面和出光面的自由曲面配合被偏移至所述光学透镜的中心轴线的一侧。

一种光学透镜模组，所述光学透镜模组包括一主体，若干设于所述主体中央的反射杯，以及若干嵌在所述反射杯底部的光学透镜，所述光学透镜包括一顶面和一底面，所述顶面包括一出光面和环绕所述出光面的一第一连接面，所述底面包括一入光面和环绕所述入光面的一第二连接面，所述入光面的中心轴线和所述出光面的中心轴线分设于所述光学透镜的中心轴线的两侧，入射至所述入光面的光线经入光面和出光面的自由曲面配合被偏移至所述光学透镜的中心轴线的一侧。

相比于现有技术，本发明通过在发光二极管光源上方设置所述光学透镜，所述光学透镜使用多个曲面对光线进行合理有效的分配，将入射至所述入光面的光线经入光面和出光面的自由曲面配合被偏移至所述路灯一侧，同时通过入光面和出光面的配合得到大角度的配光曲线，使得光型更为广阔，光场分布更加均匀。

附图说明

图1为本发明的中所示光学透镜的立体图。

图2为使用图1中光学透镜的发光单元的位置关系图。

图3为图2中所示发光单另一角度的位置关系图。

图4为图2所示发光单元应用于路灯时的光照示意图。

图5为使用图1中所示光学透镜的光学透镜模组的立体图。

图6为使用图5中所示光学透镜模组的另一实施例。

主要元件符号说明

发光单元	10
		发光二极管光源	20
基板	21
		发光二极管芯片	22
封装层	23
		光学透镜	30
顶面	31
		出光面	311
第一连接面	312
		底面	32
入光面	321
		第二连接面	322
侧面	33
		收容槽	34
光学透镜模组	40、40a
		主体	41
反射杯	42
		固定孔	43
连接垫	44
		第一连杆	45
第二连杆	46

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

请参见图1和图2，所述发光单元10包括一发光二极管光源20和一设置于发光二极管光源20上方的上述光学透镜30。在本实施例中，所述发光二极管光源20可为一发光二极管封装结构，其包括一具有电路结构（图未示）的基板21，装设于基板21上并与其电性连接的发光二极管芯片22，以及密封所述发光二极管芯片22的一封装层23。可以理解的，在其它实施例中，所述发光二极管光源20也可具备其它结构。所述光学透镜30设于所述发光二极管光源20上方，并将所述发光二极管光源20收容于其内，用以改变发光二极管光源20的出光路径。所述光学透镜30的中心轴线与所述发光二极管芯片22的中心轴线重合。

所述光学透镜30采用光学性能优越的透明材料一体成型，如PMMA或PC塑料。在本实施例中，所述光学透镜30采用PC塑料通过注塑成型方式制成。所述光学透镜30包括一顶面31、一位于所述顶面31下方的底面32、一连接所述顶面31和底面32的侧面33。所述顶面31包括一出光面311和环绕所述出光面311的一第一连接面312。所述底面32包括一入光面321和环绕所述入光面321的一第二连接面322。所述侧面33连接所述第一连接面312和第二连接面322。

请同时参见图1-3，在本实施例中，所述光学透镜30为非轴对称结构，为方便说明，在此定义三维轴X-Y-Z。X、Y、Z三轴相互垂直且其交点定义为O点。轴线OY的正向朝上。轴线OY为所述发光二极管光源20的中心轴线，并同时为所述光学透镜30的中心轴线。O点为所述发光二极管光源20的发光二极管芯片22的发光中心。同时分别定义一O₁Y₁和O₂Y₂轴，轴线O₁Y₁和O₂Y₂与轴线OY同向且相互平行。轴线O₁Y₁为所述顶面31的出光面311的中心轴，轴线O₂Y₂为所述底面32的入光面321的中心轴。

请参见图2和图3，图2为本发明的所述发光单元10在第一截面的剖视图，图3为本发明的所述发光单元10在第二截面的剖视图。在本实施例中，该第一截面和第二截面相互垂直，该第一截面与二维平面X-Y重合，该第二截面与二维平面Z-Y重合。

所述顶面31的出光面311位于所述顶面31的中心部分并朝远离底面32的方向凸伸，即，朝向轴线OY的正向凸伸。所述出光面311为一自由曲面，经过光学仿真软件精确设计，由若干曲率半径不同的弧面组成。在本实施例中，该自由曲面上各点与轴线OY之间的距离沿OY轴正向逐渐递减。所述第一连接面312设于所述出光面311的四周并水平设置，即，位于二维平面X-Z内。在本实施例中，所述第一连接面312的***为一方形，且其中心位置即为O点所在。

所述底面32的入光面321位于所述底面32的中心部分并朝向所述顶面31突起以形成一收容槽34。所述收容槽34用以容置所述发光二极管光源20。在本实施例中，所述发光二极管光源20完全收容于所述收容槽34内。所述发光二极管光源20的基板21的底面与所述底面32的第二连接面322共面。所述入光面321为一自由曲面，经过光学仿真软件精确设计，由若干曲率半径不同的弧面组成。在本实施例中，该自由曲面上各点与轴线OY之间的距离沿OY轴的正向逐渐递减。所述第二连接面322设于所述入光面321的四周并水平设置，即所述第二连接面322所在平面与二维平面X-Z平行。在本实施例中，所述第二连接面322的***的形状与尺寸与所述第一连接面312的***相同，且其中心位置位于轴线OY上。

所述顶面31的出光面311在二维平面X-Z内的投影完全覆盖所述底面32的入光面321在二维平面X-Z内的投影，且出光面311的投影面积大于入光面321的投影面积。在本实施例中，所述侧面33垂直连接于所述顶面31的第一连接面312和底面32的第二连接面322以形成一方形框体，该框体以轴线OY中心对称。

请再次参见图2，在第一截面上：所述顶面31和底面32均关于轴线OY对称，即所述出光面311的中心轴线O₁Y₁和所述入光面321的中心轴线O₂Y₂均与轴线OY重合。所述顶面31的出光面311上各自由曲面的曲率半径沿轴线O₁Y₁的正向逐渐递增。所述底面32的入光面321上各自由曲面的曲率半径沿轴线O₂Y₂的正向逐渐递减。

请参见图3，在第二截面上：所述顶面31并非关于轴线OY对称。所述出光面311的中心轴线O₁Y₁偏向于轴线OY一侧，即OZ轴正向，所述入光面321的中心轴线O₂Y₂偏向于轴线OY的另一侧，即OZ轴负向。在本实施例中，所述出光面311的中心轴线O₁Y₁偏离光学透镜30的中心轴线OY的距离大于所述入光面321的中心轴线O₂Y₂偏离光学透镜30的中心轴线OY的距离。所述顶面31的出光面311上各自由曲面的曲率半径沿轴线O₁Y₁的正向逐渐递减。所述底面32的入光面321上各自由曲面的曲率半径沿轴线OZ的负向逐渐递减。

可以理解的，所述第一截面还可以是横截所述光学透镜30的任意一与二维平面X-Y相平行的平面；所述第二截面也可以是横截所述光学透镜30的任意一与二维平面Z-Y相平行的平面。

本发明的发光单元10可用于路灯照明，工作时，发光二极管光源20发出的光线经过光学透镜30的入光面321折射后入射至光学透镜30的内部再经由出光面311折射后照射公路。

请参见图2，在第一截面或平行于第一截面的其它平面上，因所述顶面31和底面32均关于轴线OY对称，故发光二极管光源20发出的的光线的出射路径也关于轴线OY对称。因所述入光面321的曲率半径沿轴线O2Y2的正向逐渐递减，所述出光面311上各自由曲面的曲率半径沿轴线O1Y1的正向逐渐递增，发光二极管光源20发出的的光线可分为两种情况（以轴线OX正向的光线为例）：

发光二极管光源20发出与轴线OY形成的的较小出光角度（如，0°至X°，0<X<90°）的光线，即，偏向轴线OY的正向光线，如光线A，经所述入光面321折射后从轴线OX上方且稍微偏向轴线OX的方向进入光学透镜30内部，然后入射至所述出光面311，经所述出光面311折射后进一步朝向轴线OX的正向偏离。如此经所述入光面321和出光面311的自由曲面配合，使得发光二极管光源20发出的具有较小出光角度的光线偏向所述发光单元10的侧边的角度增大，从而使得该发光单元10具有较强光强的正向光线朝向轴线OX偏移，减弱正向出光强度，是整体光线均匀化，同时增大发光单元10的光照角度。

发光二极管光源20发出的与轴线OY形成的的较大出光角度（如，X°至90°，0<X<90°）的光线，即，偏向轴线OX的侧向光线，如光线B，经所述入光面321折射后稍微偏向轴线OY的正向，然后进入光学透镜30内部后入射至所述出光面311，经所述出光面311折射后再从轴线OX上方且稍微偏向轴线OX出射。如此经所述入光面321和出光面311的自由曲面配合，使得发光二极管光源20发出的具有较大出光角度的光线偏向轴线OX的角度减小。从而增大发光单元10具有较弱光强的侧向光线朝向轴线OY偏移，减小侧向光线的出射角度，使整个发光单元10的照度更均匀。

请参见图3，在第二截面或平行于第二截面的其它平面上，因所述出光面311的中心轴线O1Y1偏向于轴线OY一侧，即OZ轴正向，所述入光面321的中心轴线O2Y2偏向于轴线OY的另一侧，即OZ轴负向，故发光二极管光源20发出的光线的出射路径不关于轴线OY对称。如此发光二极管光源20发出的绝大部分光线从轴线OZ上方且偏向轴线OZ正向的方向出射；极少部分的光线从偏向轴线OZ负向的方向出射。

另外，因所述顶面31的出光面311上各自由曲面的曲率半径沿轴线O1Y1的正向逐渐递减；所述底面32的入光面321上各自由曲面的曲率半径沿轴线OZ的负向逐渐递减。

故发光二极管光源20发出的偏向OZ轴正向的光线可分为两种情况：发光二极管光源20发出与轴线OY形成的的较小出光角度（如，0°至X°，0<X<90°）的光线，即，偏向轴线OY的正向光线，如光线C；发光二极管光源20发出的与轴线OY形成的的较大出光角度（如，X°至90°，0<X<90°）的光线，即，偏向轴线OZ正向的侧向光线，如光线D。光线C和光线D的大致走向分别与第一截面上的光线A和光线B相同。

光线C经所述入光面321折射后从轴线OZ上方且稍微偏向轴线OZ正向的方向进入光学透镜30内部，然后入射至所述出光面311，经所述出光面311折射后进一步朝向轴线OZ的正向偏离。如此经所述入光面321和出光面311的自由曲面配合，使得发光二极管光源20发出的具有较小出光角度的光线偏向所述发光单元10的侧边的角度增大，从而使得该发光单元10具有较强光强的正向光线朝向轴线OZ正向偏移，减弱正向出光强度，是整体光线均匀化，同时增大发光单元10的轴线OZ的正向的光照角度。

光线D经所述入光面321折射后稍微偏向轴线OY的正向，然后进入光学透镜30内部后入射至所述出光面311，经所述出光面311折射后再从轴线OZ上方且稍微偏向轴线OZ正向向出射。如此经所述入光面321和出光面311的自由曲面配合，使得发光二极管光源20发出的具有较大出光角度的光线偏向轴线OZ的角度减小。从而增大发光单元10具有较弱光强的侧向光线朝向轴线OY偏移，减小侧向光线的出射角度，使整个发光单元10的照度更均匀。

同样的，发光二极管光源20发出的偏向OZ轴负向的光线也可分为两种情况：发光二极管光源20发出与轴线OY形成的的较小出光角度（如，0°至X°，0<X<90°）的光线，即，偏向轴线OY的正向光线，如光线E；发光二极管光源20发出的与轴线OY形成的的较大出光角度（如，X°至90°，0<X<90°）的光线，即，偏向轴线OZ负向的侧向光线，如光线F。

光线E经所述入光面321折射后从轴线OZ上方且稍微偏向轴线OY正向的方向进入光学透镜30内部，然后入射至所述出光面311，经所述出光面311折射后进一步朝向轴线OY的正向偏离。光线F经所述入光面321折射后稍微偏向轴线OY的正向，然后进入光学透镜30内部后入射至所述出光面311，经所述出光面311折射后再从轴线OZ上方且稍微偏向轴线OZ正向出射。

如此使得在第二截面上，发光二极管光源20发出的的光线极大程度的偏向了发光单元10的一侧，即轴线OZ的正向一侧，同时增大了该侧光线的光照角度。

将本发明的发光单元10应用于路灯时，将第二截面的轴线OZ负向的透镜部分朝向灯柱，将该平面上的轴线OZ正向的透镜部分朝向公路，此时，第一截面上轴线OY两侧的透镜部分分别朝向公路纵向两端，如此使得发光单元10的光线在公路上具有一近似矩形的光照范围，且该矩形的长度a与宽度b之比约为3:1，如图4所示。

相比于现有技术，本发明的发光单元10通过在发光二极管光源20上方设置所述光学透镜30，利用所述光学透镜30的入光面321和出光面311的结构和自由曲面的配合，在第二截面上，将发光单元10一侧的光线导向朝向其另一侧，同时在第一截面上扩大发光单元10的光线照射角度。如此，对发光二极管光源20发出的光线进行合理有效的分配，从而得到大角度的配光曲线，使得光型更为广阔，光场分布更加均匀，从而使得发光单元10的照射范围增大，照度更均匀。

请参见图5，本发明的光学透镜30可以排列成任意的光学透镜模组40，具有极大的灵活性。所述光学透镜模组40采用光学性能优越的透明材料一体成型，如PMMA或PC塑料。所述光学透镜模组40包括一主体41，若干阵列设于所述主体41中的反射杯42，以及若干嵌在所述反射杯42底部的上述光学透镜30。

在本实施例中，所述主体41为一纵长的矩形板体。若干所述反射杯42设于所述主体41的中央且纵向的排列为并列的两列。所述反射杯42呈一倒扣的梯台空腔，其中心轴线与上述光学透镜30的轴线OY重合。所述反射杯42的底部呈方形。每一反射杯42的底部嵌入一上述光学透镜30。所述光学透镜30的顶面31朝向所述反射杯42的空腔，所述光学透镜30的底面32背向所述反射杯42。可以理解的，在其它实施例中，所述光学透镜模组40也可具备其它形状，其所包含的光学透镜30也可按照其它方式排列组合。

所述光学透镜模组40还包括若干贯穿所述主体41表面的固定孔43，围设于固定孔43的连接垫44和设于二相邻连接垫44之间的第一连杆45。所述固定孔43纵向的排列为两列且分别设于所述反射杯42阵列的两侧用以将所述光学透镜模组40固定于照明装置的其它部件上。所述第一连杆45和所述连接垫44共面。所述第一连杆45设于每列固定孔43的相邻二连接垫44之间。当所述光学透镜模组40被固定时，将固定装置通过所述固定孔43锁合并锁紧于所述连接垫44上。因二连接垫44之间设有所述第一连杆45，此时该固定装置对所述固定孔43施加的压力可以由连接垫44承担，并通过该第一连杆45传递和转移，从而使得固定孔43在固定时可以承受更强的力。

进一步的，所述反射杯42之间还可以设有第二连杆46，如图6所示光学透镜模组40a。所述第二连杆46与所述第一连杆45共面。相邻二第二连杆46之间无缝连接。此时该固定装置对所述固定孔43施加的压力经由连接垫44并通过该第一连杆45传递和转移至第二连杆46，进而分布至整个主体，从而使得固定孔43在固定时可以承受更强的力。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学透镜，包括一顶面和一底面，其特征在于：所述顶面包括一出光面和环绕所述出光面的一第一连接面，所述底面包括一入光面和环绕所述入光面的一第二连接面，所述入光面的中心轴线和所述出光面的中心轴线共面且分设于所述光学透镜的中心轴线的两侧，入射至所述入光面的光线经入光面和出光面的自由曲面配合被偏移至所述光学透镜的出光面中心轴线所在的一侧。

2.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于：所述出光面位于所述顶面的中心部分并朝远离底面的方向凸伸，所述出光面由无数个曲率半径不同的弧面组成，所述出光面上各点与所述光学透镜的中心轴线之间的距离沿该轴线正向逐渐递减。

3.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于：所述入光面位于所述底面的中心部分并朝向所述顶面突起以形成一收容槽，所述收容槽用以容置发光光源。

4.如权利要求3所述的光学透镜，其特征在于：所述入光面由无数个曲率半径不同的弧面组成，所述入光面上各点与所述光学透镜的中心轴线之间的距离沿该轴线正向逐渐递减。

5.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于：沿垂直所述底面的任意平面横截所述光学透镜得到一第一截面和一第二截面，所述顶面和底面在第一截面上分别关于所述光学透镜的中心轴线对称，所述顶面和底面在第二截面上均不关于所述光学透镜的中心轴线对称。

6.如权利要求5所述的光学透镜，其特征在于：所述第一截面与所述第二截面相互垂直。

7.如权利要求5所述的光学透镜，其特征在于：在第一截面上，所述顶面的出光面的曲率半径沿出光面的中心轴线的正向逐渐递增；所述底面的入光面的曲率半径沿入光面的中心轴线的正向逐渐递减，入射至所述入光面的光线经入光面和出光面折射后对称性的向所述光学透镜的中心轴线两侧散射。

8.如权利要求5所述的光学透镜，其特征在于：在第二截面上，所述顶面的出光面的曲率半径沿出光面的中心轴线的的正向逐渐递减；所述底面的入光面的曲率半径自该入光面一侧向另一侧逐渐递减。

9.一种光学透镜模组，其特征在于：所述光学透镜模组包括一主体，若干设于所述主体中央的反射杯，以及若干嵌在所述反射杯底部的、如权利要求1至8任意一项所述的光学透镜。

10.如权利要求9所述的光学透镜模组，其特征在于：所述光学透镜模组还包括若干固定孔和设于相邻二固定孔之间的连杆，所述连杆用以传递和转移施加于所述固定孔上的压力。