一種led二次光學透鏡及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學透鏡技術(shù)，特別涉及一種LED 二次光學透鏡及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著節(jié)能環(huán)保的理念深入人心，LED (Light Emitting D1de,發(fā)光二極管)以其節(jié)能、環(huán)保、壽命長三大優(yōu)勢，得到了越來越廣泛的應用。LED作為光源理論上可實現(xiàn)只消耗白熾燈10%的能耗，比熒光燈節(jié)能50%。
[0003]由于LED光源的光強分布滿足類朗伯體且方向性極強，在實際使用過程中需要為其設(shè)計一個二次光學透鏡以滿足均勻照明或其他照明分布方式。同時，工業(yè)上為了節(jié)省成本和使用安全，二次光學透鏡生產(chǎn)多采用注塑生成，而在模具設(shè)計過程中也需要考慮注塑拔模的可行性。傳統(tǒng)的光學透鏡設(shè)計方式大都采用內(nèi)曲面為半球面，而計算得到的外曲面在光線90°的附近出現(xiàn)內(nèi)凹，在模具設(shè)計時需要采用對稱式設(shè)計才便于注塑拔模，但對稱式設(shè)計會影響注塑產(chǎn)品在模具拼接縫的實體形狀。同時，為了便于透鏡安裝，還需要設(shè)計一定高度的安裝邊，這樣的設(shè)計導致在光源90°附近的光線不能被有效利用，影響實際的出光效率產(chǎn)生能源浪費。
[0004]因此，有必要設(shè)計一種光源利用率高和利于模具設(shè)計的改良LED 二次光學透鏡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，提供一種光源利用率高并且便于模具設(shè)計的LED 二次光學透鏡及其制造方法。
[0006]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案:
一種LED 二次光學透鏡，包括透鏡本體，所述透鏡本體中部設(shè)置有凸起的透鏡外曲面、凹入透鏡內(nèi)的透鏡內(nèi)曲面，所述透鏡外曲面的凸起起始端連接有圓餅形的透鏡安裝環(huán)，所述透鏡安裝環(huán)與透鏡外曲面相交的面為安裝面，與安裝面相對的面為基面，所述凸起的透鏡外曲面由外曲面曲線和與外曲面曲線平滑連接的外曲面直線繞透鏡中心軸旋轉(zhuǎn)而成，所述外曲面直線與安裝面相交，所述外曲面曲線與透鏡中心軸相交。
[0007]由于本透鏡的外曲面上與安裝面相交的部分為外曲面直線繞中心軸旋轉(zhuǎn)而成，該透鏡外曲面上與光源90°出射光線對應部分不會出現(xiàn)內(nèi)凹，便于透鏡在注塑過程中取模，不會影響注塑產(chǎn)品在模具拼接縫的實體形狀；透鏡外曲面上與安裝面相交的外曲面直線，通過計算設(shè)計外曲面直線與安裝面相交點的位置，可將原本處于基準面和安裝面之間的光線充分利用，有效利用光源90°出射光線附近的光線，發(fā)射的光線光斑均勻、無陰影、無黑點、無散光，光斑的周圍也不會出現(xiàn)黃色的光圈。
[0008]作為優(yōu)選，所述透鏡內(nèi)曲面由內(nèi)曲面圓弧和與內(nèi)曲面圓弧平滑連接的內(nèi)曲面曲線繞透鏡中心軸旋轉(zhuǎn)而成，所述內(nèi)曲面圓弧與透鏡中心軸相交，所述內(nèi)曲面曲線與所述基面相交，所述內(nèi)曲面曲線與外曲面直線相對應設(shè)計。與外曲面直線對應設(shè)計的內(nèi)曲面曲線，使得光源90°出射光線經(jīng)過透鏡后從外曲面直線部分射出，進而使所有光源出射光線經(jīng)過透鏡后都從透鏡外曲面射出，避免因光線射到安裝環(huán)上造成光線未被利用，提高出光效率。
[0009]作為優(yōu)選，所述外曲面直線與外曲面曲線相切，外曲面直線在安裝面上的位置由安裝面相對于基面的高度確定。外曲面直線與外曲面曲線平滑過渡、相切連接，使光線經(jīng)過本透鏡出射后光線分布均勻，發(fā)射的光線光斑均勻、無陰影、無黑點、無散光。
[0010]作為優(yōu)選，所述外曲面直線滿足條件:以透鏡豎直中心線為豎軸0°，與中心線相垂直的基面線為橫軸90° ;根據(jù)安裝面的高度，找到安裝面與光源90°出射光線的交點，若該交點的橫軸值小于透鏡外曲面最大橫軸值，則透鏡的外曲面直線部分取其橫軸值最大點及該點的切線與安裝面的交點連線；若該交點的橫軸值大于透鏡外曲面最大橫軸值，找到透鏡外曲面上的某一點使該點切線和光源90°出射光線與安裝面的交點相同，外曲面直線部分取該點與該點切線與安裝面的交點連線；記該點所對應的光線出射角度為Θ 2 ；
所述外曲面曲線滿足條件:根據(jù)照度分布和能量守恒定律計算得到的透鏡外曲面形狀，透鏡外曲面上去掉外曲面直線部分剩下的即為外曲面曲線；
所述內(nèi)曲面曲線滿足條件:對應于外曲面直線，根據(jù)光線在透鏡中的傳播路線直接求得光源90°出射角光線所對應的透鏡內(nèi)曲面橫坐標值，再根據(jù)差分法、入射光線角度、光線在材料中的傳播路徑和材料折射率，依次90° — Θ 2方向求得透鏡外曲面直線區(qū)域內(nèi)光線所對應的透鏡內(nèi)曲面坐標，得出內(nèi)曲面曲線形狀；
所述內(nèi)曲面圓弧滿足條件:以內(nèi)曲面曲線的最后一點坐標的模長為半徑，以坐標原點為中心做一段0°?Θ 2角度內(nèi)的圓弧。
[0011]一種LED 二次光學透鏡制造方法，包括以下步驟:
(1)確定照明高度、照明區(qū)域及透鏡中心高度；
(2)假定LED光源強度分布為朗伯體，同時設(shè)為點光源，所述透鏡內(nèi)曲面為半球形，光源處于球心，根據(jù)照度分布和能量守恒定律計算得到透鏡的出射曲線；能量劃分方法為公知技術(shù)，得到該透鏡的外曲面初始曲線。
[0012](3)假定透鏡豎直中心線為豎軸0°，與中心線相垂直的基面線為橫軸90° ;根據(jù)安裝面的高度，找到安裝面與光源90°出射光線的交點，若該交點的橫軸值小于透鏡外曲面最大橫軸值，則透鏡外曲面直線部分取其橫軸值最大點及該點的切線與安裝面的交點連線；若該交點的橫軸值大于透鏡外曲面最大橫軸值，找到透鏡外曲面上切線斜率同光源90°出射光線與安裝面交點的連線直線斜率值相同的點，透鏡外曲面直線部分取該點與該點的切線與安裝面的交點連線，并記錄兩種情況下的透鏡外曲線上該點所對應的光源出射角度為Θ2 ;
(4)根據(jù)第(3)步得到的直線，計算得到該直線對應區(qū)域光線與直線的交點，同時，根據(jù)光學材料的折射率和Snell定理，得到光線在材料中的傳播路徑。
[0013](5)根據(jù)第(3)步和第(4)步的求解，直接求得光源90°出射角光線所對應的透鏡內(nèi)曲面橫坐標，根據(jù)差分法、入射光線角度、光線在材料中的傳播路徑和材料折射率，依次(90° — Θ2方向)求得透鏡外曲面的直線區(qū)域內(nèi)光線所對應的透鏡內(nèi)曲面坐標，繪制內(nèi)曲面曲線形狀；再以內(nèi)曲面曲線的最后一點坐標的模長為半徑做一段圓弧(0°?Θ2角度內(nèi))，即為透鏡內(nèi)曲面圓弧；
(6)根據(jù)基面、安裝面、外曲面直線、外曲面曲線、內(nèi)曲面曲線和內(nèi)曲面圓弧所限定的區(qū)域，通過3D建模軟件可得到該條件下的實體模型。
[0014]通過本LED 二次光學透鏡制造方法制造的透鏡，首先根據(jù)光源90°出射光線與透鏡安裝面的交點位置，確定透鏡的外曲面直線，確保了光源90°出射光線經(jīng)過透鏡后的出射光點在透鏡的外曲面上，避免能源浪費；確定了透鏡的外曲面直線后，根據(jù)光線在透鏡中的傳播路線，依次求得外曲面直線區(qū)域內(nèi)對應的透鏡內(nèi)曲面坐標，繪制出內(nèi)曲面曲線的形狀；再以內(nèi)曲面曲線的最后一點坐標的模長為半徑，以坐標原點為中心做一段0°?Θ2角度內(nèi)的圓弧，即得到透鏡內(nèi)曲面圓弧。本制造方法符合光學材料的折射率和Snell定理，使光源出射光線經(jīng)過透鏡后都從透鏡外曲面上出射，不會造成光源的浪費、利用率高，光線從透鏡出射后光線光斑均勻、無散光；由于透鏡外曲面與安裝面接觸部位為外曲面直線部分，使得該透鏡外表面不會出現(xiàn)內(nèi)凹，便于透鏡在注塑過程中取模。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
1、由于本透鏡的外曲面上與安裝面相交的部分為外曲面直線繞中心軸旋轉(zhuǎn)而成，該透鏡外曲面上與光源90°出射光線對應部分不會出現(xiàn)內(nèi)凹，便于透鏡在注塑過程中取模，不會影響注