CN207514831U - 一种形成均匀方形光斑的led透镜 - Google Patents
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Abstract
一种形成均匀方形光斑的LED透镜，该LED透镜由双自由曲面准直透镜和单自由曲面透镜组成，所述双自由曲面准直透镜的入射面和出射面均为自由曲面，所述单自由曲面透镜的入射面为平面，出射面为自由曲面，所述单自由曲面透镜位于双自由曲面准直透镜与LED光源之间，LED光源发出的光线从单自由曲面透镜的入射面进入并经单自由曲面透镜和双自由曲面准直透镜共同组成的折射光路的多次折射后从双自由曲面准直透镜的出射面射出。本实用新型通过采用多次折射光路，其光线可控，聚光效果好，且光源经透镜后在照射面形成照度均匀的方形光斑，光斑边界清晰可见，发散角小，具有节约光能的效果，能量利用率更高，从而可以有效提高光的利用率，达到节能的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种适应LED光源的二次光学元件，具体是涉及一种能够形成均匀方形光斑的LED透镜。
背景技术
半导体照明（LED照明）是继白炽灯、荧光灯之后的第三次光源革命。由于具有高效、节能、环保、长寿命、近似点光源等显著特点，是近年来全球最具发展前景的高技术领域之一，获得了世界主要国家和地区的大力支持，目前全球LED产业已经进入快速发展期，广泛应用于各种室内和室外照明领域，包括平面显示、数字家电、汽车电子和特种照明灯等，全球LED照明渗透率正在快速提升。
由于LED光源发出的光近似朗伯型，即光强呈余弦分布，不能直接用于照明，二次光学设计具有改变LED的光线输出，根据应用场合重新分配光线尽量减少光损失，提高光利用效率，降低成本等优势，使得其对提高***性能，满足不同的应用需求，以及对拓宽LED光源的应用范围显得尤为重要。目前，LED照明光学设计主要是通过自由曲面来重新配光以实现所需照明，一种是经验法（试错法），另一种是算法设计，其理论基础主要是基于点光源单波长的设计。
目前，在大部分通用照明场合，比如室内照明、马路等通常希望照度面能够均匀，且是方型光斑，这样的处理，使得照明场所，在能量利用率上，及整体光斑均匀性上会得到很大提升。然而，现在市场普遍是圆形光斑，采用被照面为圆形光斑形状时，在相邻灯具的衔接处，势必会出现暗区和照射盲点，而使被照面的照度不均匀。当前，产生方型光斑的设计方法，已形成多种解决发案，如：1）路灯透镜花生米结构，通过自由曲面调控，产生方型光斑，但其发散角过大，均匀性主要由单个光源模块决定，光源阵列对均匀性控制较弱；2）通过方型光源的成像原理，利用菲涅耳透镜与平凸透镜等二次光学元件，形成准直均匀方型光斑，但光源整体能量利用率还不到50%，因其无法利用到光源高角度所发出的光；3）复合抛物面反射器,可实现近场的方型光斑，但其发散角过大，无法进行LED光源小角度部分调控。
发明内容
本实用新型的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种采用多次折射光路，光线可控，聚光效果好，在照射面形成照度均匀的方形光斑，光斑边界清晰可见，发散角小，节约光能效果好，能量利用率更高，可有效提高光的利用率的LED透镜。
本实用新型的技术方案是这样实现的：
本实用新型所述的形成均匀方形光斑的LED透镜，包括设置在LED光源前方的透镜本体，其特点是：所述透镜本体由双自由曲面准直透镜和单自由曲面透镜组成，其中所述双自由曲面准直透镜的入射面和出射面均为自由曲面，所述单自由曲面透镜的入射面为平面，出射面为自由曲面，所述单自由曲面透镜位于双自由曲面准直透镜与LED光源之间，LED光源发出的光线从单自由曲面透镜的入射面进入并经单自由曲面透镜和双自由曲面准直透镜共同组成的折射光路的多次折射后从双自由曲面准直透镜的出射面射出而形成均匀方形光斑。
其中，所述双自由曲面准直透镜采用聚碳酸酯（Pc）或聚甲基丙烯酸甲酯（Pmma）或玻璃（SiO2）制成。
所述单自由曲面透镜采用聚碳酸酯（Pc）或聚甲基丙烯酸甲酯（Pmma）或玻璃（SiO2）制成。
所述LED光源为单个出光面为方型的朗伯型光源，或为多个LED光源集成的出光面为方型的朗伯型光源。
为了进一步提高光的利用率，所述透镜本体设置有多个，且多个所述透镜本体按照一定的坐标及旋转角度进行排列而形成为LED透镜阵列结构。
本实用新型与现有技术相比，具有以下显著优点：
1）本实用新型由于采用了将一个单自由曲面透镜与一个双自由曲面准直透镜巧妙地结合在一起形成LED透镜的结构，通过采用多次折射光路，其光线可控，聚光效果好，且光源经透镜后在照射面形成照度均匀的方形光斑，光斑边界清晰可见，发散角小，并克服了单独采用菲涅耳透镜或平凸透镜等方式无法利用光源高角度部分的不足，因此本实用新型具有节约光能的效果，能量利用率更高，从而可以有效提高光的利用率，达到节能的目的；
2）相比以往方型光斑，本实用新型获得的方型光斑，a）均匀度大于90%，发散角小于5º，光斑边界清晰可见，以及依此组成的光源阵列整体均匀度大于95%；b）传统菲涅耳透镜及平凸透镜也能实现均匀方型光斑，但其无法在LED光源全角度实现光斑均匀性，只能在小角度实现光斑均匀性，因而本实用新型在能量收集率上有了显著的提高；c）本实用新型光斑边界清晰可见，其阵列依据单模块光强及光谱调控可在远场进行简单图案设计。
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
附图说明
图 1 为本实用新型的结构示意图。
图 2为本实用新型所述双自由曲面准直透镜的结构示意图。
图 3为本实用新型所述单自由曲面透镜的结构示意图。
图 4 为本实用新型实施例透镜阵列结构示意图。
图 5为本实用新型透镜仿真照度结果示意图。
图 6为本实用新型透镜阵列均匀性调控仿真照度结果示意图。
图 7为本实用新型边界清晰验证仿真照度结果示意图。
具体实施方式
如图1-图3所示，本实用新型所述的形成均匀方形光斑的LED透镜，包括设置在LED光源2前方的透镜本体1，所述透镜本体1由双自由曲面准直透镜11和单自由曲面透镜12组成，所述双自由曲面准直透镜11的入射面111和出射面112均为自由曲面，所述单自由曲面透镜12的入射面121为平面，出射面122为自由曲面，所述单自由曲面透镜12位于双自由曲面准直透镜11与LED光源2之间，LED光源2发出的光线从单自由曲面透镜12的入射面121进入并经单自由曲面透镜12和双自由曲面准直透镜11共同组成的折射光路的多次折射后从双自由曲面准直透镜11的出射面112射出而形成均匀方形光斑。其中，所述双自由曲面准直透镜11采用聚碳酸酯（Pc）或聚甲基丙烯酸甲酯（Pmma）或玻璃（SiO2）制成。所述单自由曲面透镜12采用聚碳酸酯（Pc）或聚甲基丙烯酸甲酯（Pmma）或玻璃（SiO2）制成。所述LED光源2为单个出光面为方型的朗伯型光源，或为多个LED光源集成的出光面为方型的朗伯型光源，且LED光源的出光面尺寸相比LED透镜的尺寸不是越小越好，而是存在一个最佳值。
为了进一步提高光的利用率，如图4所示，所述透镜本体1设置有多个，且多个所述透镜本体1按照一定的坐标及旋转角度进行排列而形成为LED透镜阵列结构3。具体地，是将光源和透镜结合成单元模块，并按照一定坐标及旋转角度进行排列，且单个光源强度可以单独控制。在本优选实施中：①先将多个单元模块按间距25mm排成一列，并确定中心位置，位于两边的各单元模块可通过绕该列中心轴旋转5.72º消除接触边缘不均匀性，实现该列光斑整体均匀；②在该列单元模块的两边分别复制该列，然后位于两边的阵列整体绕中心阵列所在直线旋转5.72º消除接触边缘不均匀性，实现阵列的列光斑整体均匀；③将中心单元模块中的光源光强调控至其余模块光强的95%，进一步优化光斑均匀性。
为了验证透镜光学效果，在距离单光源模块四米处放置一个方形检测屏，获得的照度结果如图5所示，方型光斑，均匀度大于90%，发散角约5º。
为了验证透镜阵列光斑均匀性调控是否可行，按照上述调控原则依次进行光学测试，获得的照度结果如图6所示。方型光斑，均匀度大于95%，发散角约10º。
为了验证透镜边界清晰度，在阵列验证时，关闭其中光源光线进行光学测试，获得的照度结果如图7所示。边界清晰可见，能实现简单图案。
本实用新型是通过实施例来描述的，但并不对本实用新型构成限制，参照本实用新型的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本实用新型权利要求限定的范围之内。
Claims (5)
1.一种形成均匀方形光斑的LED透镜，包括设置在LED光源（2）前方的透镜本体（1），其特征在于：所述透镜本体（1）由双自由曲面准直透镜（11）和单自由曲面透镜（12）组成，其中所述双自由曲面准直透镜（11）的入射面（111）和出射面（112）均为自由曲面，所述单自由曲面透镜（12）的入射面（121）为平面，出射面（122）为自由曲面，所述单自由曲面透镜（12）位于双自由曲面准直透镜（11）与LED光源（2）之间，LED光源（2）发出的光线从单自由曲面透镜（12）的入射面（121）进入并经单自由曲面透镜（12）和双自由曲面准直透镜（11）共同组成的折射光路的多次折射后从双自由曲面准直透镜（11）的出射面（112）射出而形成均匀方形光斑。
2.根据权利要求1所述的形成均匀方形光斑的LED透镜，其特征在于：所述双自由曲面准直透镜（11）采用聚碳酸酯（Pc）或聚甲基丙烯酸甲酯（Pmma）或玻璃（SiO2）制成。
3.根据权利要求1所述的形成均匀方形光斑的LED透镜，其特征在于：所述单自由曲面透镜（12）采用聚碳酸酯（Pc）或聚甲基丙烯酸甲酯（Pmma）或玻璃（SiO2）制成。
4.根据权利要求1所述的形成均匀方形光斑的LED透镜，其特征在于：所述LED光源（2）为单个出光面为方型的朗伯型光源，或为多个LED光源集成的出光面为方型的朗伯型光源。
5.根据权利要求1所述的形成均匀方形光斑的LED透镜，其特征在于：所述透镜本体（1）设置有多个，且多个所述透镜本体（1）按照一定的坐标及旋转角度进行排列而形成为LED透镜阵列结构（3）。
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| CN114877291A (zh) * | 2022-06-13 | 2022-08-09 | 成都派斯光学有限公司 | 一种组合透镜及其控制方法 |
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2017
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