本實(shí)用新型涉及透鏡技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶齒狀結(jié)構(gòu)的匯聚光學(xué)透鏡。

背景技術(shù)：

匯聚光學(xué)透鏡在LED照明應(yīng)用中有廣泛的應(yīng)用。常用的LED匯聚光學(xué)透鏡采用的是基于全內(nèi)反射的技術(shù)。專(zhuān)利CN01805486.2提出了一種基于全內(nèi)反射的形式進(jìn)行匯聚的光學(xué)透鏡。此類(lèi)光學(xué)透鏡的結(jié)構(gòu)大致可以分為兩大部分：折射曲面組和全反射曲面組，如圖1所示。折射曲面組包括一個(gè)入射折射面1和一個(gè)出射折射面2，光線(xiàn)在經(jīng)過(guò)兩次折射后出射；全反射曲面組包括側(cè)面入射面3、全反射面4和出射面5。具體的曲面1-5的結(jié)構(gòu)已經(jīng)演化出眾多結(jié)構(gòu)，演化的結(jié)構(gòu)如CN200910108644.1、CN200910261795、CN201110101048.8、US7401948，但其主要的特點(diǎn)是包含了全反射面組(3-5)，一定有一部分光線(xiàn)通過(guò)曲面4全形成全反射出射。

這類(lèi)設(shè)計(jì)具有光線(xiàn)控制全面、設(shè)計(jì)自由度高、模具設(shè)計(jì)方便等優(yōu)勢(shì)，但缺點(diǎn)在于透鏡高度與孔徑成正比且大致相當(dāng)。隨著孔徑增大，高度也同比例得提高，透鏡體積與重量很高，增加了大孔徑小角度應(yīng)用中的成本和光學(xué)性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種匯聚光學(xué)透鏡，特別是提供一種帶齒狀結(jié)構(gòu)的匯聚光學(xué)透鏡。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下；一種帶齒狀結(jié)構(gòu)的匯聚光學(xué)透鏡，由兩組曲面組成，一組為雙折射面，另一組為三個(gè)曲面組成；其特征在于：另一組的三個(gè)曲面分別是入射面、全反射面和反射面，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)入射面經(jīng)過(guò)全反射面反射到反射面后，再由全反射面扮演出射面的作用，從透鏡中出射；所述入射面和全反射面是圍繞一旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的光滑曲面，其中所述全反射面截面為一條直線(xiàn)，所述入射面和反射面的截面為自由曲線(xiàn)。

進(jìn)一步地，所述全反射面為一條有斜率的直線(xiàn)，該直線(xiàn)從中間向外延展逐漸升高，與水平面的夾角為0度到15度。

進(jìn)一步地，所述入射面為一條自由曲線(xiàn)，該自由曲線(xiàn)的斜率從上端起始點(diǎn)緩慢增大后再逐漸減小。

進(jìn)一步地，所述入射面的起始點(diǎn)與光軸有一定距離，所述起始點(diǎn)到透鏡底部中心連線(xiàn)與光軸的夾角為5-25度。

進(jìn)一步地，所述入射面的起始點(diǎn)到透鏡底部的距離與到旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸的距離的比值在2至4之間。

進(jìn)一步地，所述的入射面斜率從增大到減小變化的位置到透鏡底部中心點(diǎn)的連線(xiàn)，與水平面的夾角為30度到45度之間。

進(jìn)一步地，所述的入射面是一條自由曲線(xiàn)，該自由曲線(xiàn)從上端起始點(diǎn)到底部斜率不斷減小。

進(jìn)一步地，所述的反射面，是圍繞所述旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的光滑曲面，其被經(jīng)過(guò)所述旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸的平面所截曲線(xiàn)是一條從底部向上逐漸延展的曲線(xiàn)，從底部向上的曲線(xiàn)斜率逐漸增大。

進(jìn)一步地，所述的反射面，是由多個(gè)側(cè)向延伸的齒狀曲面拼接而成的曲面；被經(jīng)過(guò)所述旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸的任意平面所截曲線(xiàn)都是一條從底部向上逐漸延展的曲線(xiàn)，從底部向上的曲線(xiàn)斜率逐漸增大。

進(jìn)一步地，所述的反射面鍍有高反射率的反射膜。

進(jìn)一步地，透鏡的全反射面的頂部到透鏡底部的距離與全反射面的直徑的比值不大于0.25。

進(jìn)一步地，反射面的起始位置與入射面的末端位置的高度差不超過(guò)透鏡總厚度的1/5。

進(jìn)一步地，發(fā)光二極管放置于透鏡中，發(fā)光二極管的出光面與入射面底部的高度位置相同。

進(jìn)一步地，所述的雙折射面，也可以沒(méi)有任何光學(xué)曲面，為一掏空的部分。

進(jìn)一步地，所述反射面起始位置到光軸的距離，不大于反射面終止點(diǎn)到光軸距離的0.5倍。

相比基于全反射(TIR)的匯聚光學(xué)器件，本實(shí)用新型的有益效果：

1)超緊致光學(xué)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)LED匯聚光學(xué)器件中，TIR結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件占到80％以上的份額，是絕對(duì)的主流技術(shù)。然而，TIR結(jié)構(gòu)在小角度的設(shè)計(jì)中，透鏡高度和重量非常大，嚴(yán)重限制了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)，增加了燈體重量；更為重要的是，加工難度、透鏡成本(包括材料成本和加工成本)大大增加。

與TIR結(jié)構(gòu)不同，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的透鏡高度和重量?jī)H為T(mén)IR的1/5，成型時(shí)間則更是只有1/8左右，注塑精度保證難度大大降低，給后續(xù)應(yīng)用留下了遠(yuǎn)多于TIR的設(shè)計(jì)空間；特別是在舞臺(tái)領(lǐng)域，直接可以提升舞臺(tái)燈的反應(yīng)速度和設(shè)計(jì)自由度。

2)超強(qiáng)性能水平。本實(shí)用新型由于注塑難度大大降低，在模具精度有保證的情況下，注塑端曲面飽和度的難度大大降低；而通過(guò)本實(shí)用新型結(jié)合反射面加齒的結(jié)構(gòu)可以同時(shí)起到混光的作用，而且隨著齒數(shù)量的增加，混光水平和中心光強(qiáng)會(huì)同時(shí)提升；相比而言，基于全反射的光學(xué)設(shè)計(jì)透鏡，其混光水平的提升一定是通過(guò)降低光強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此本實(shí)用新型在這方面具有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3)低廉的量產(chǎn)成本。本實(shí)用新型由于輕薄，材料成本和加工成本遠(yuǎn)低于TIR，不過(guò)尚需要額外的鍍膜工藝增加額外的成本；而帶齒的設(shè)計(jì)除了繼承了結(jié)構(gòu)輕薄的材料成本優(yōu)勢(shì)外，省去鍍反射膜這道工序，在量產(chǎn)特別是大批量生產(chǎn)過(guò)程中，量產(chǎn)成本優(yōu)勢(shì)極其明顯。粗略估計(jì)，與直徑100mm的匯聚光學(xué)透鏡相比，本實(shí)用新型大批量生產(chǎn)成本可僅為T(mén)IR的1/8-1/5。

4)豐富的設(shè)計(jì)自由度。

本實(shí)用新型采用出光面為直線(xiàn)的方式，通過(guò)調(diào)節(jié)直線(xiàn)的斜率可以實(shí)現(xiàn)多款不同形狀和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，每款設(shè)計(jì)大體相同但厚度和具體形狀都有所區(qū)別，可以針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的示意圖；

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例1的立體示意圖；

圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例2的立體示意圖；

圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例2的立體示意圖；

圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是本實(shí)用新型實(shí)施例1配合某LED的光線(xiàn)出光效果圖；

圖10是本實(shí)用新型實(shí)施例3配合某LED的配光曲線(xiàn)圖；

圖11是本實(shí)用新型實(shí)施例3配合某LED的光斑分布圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明：

參見(jiàn)圖1至圖11。

應(yīng)用實(shí)施例1：

本實(shí)施例的透鏡是由旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的光滑曲面組成，如圖2所示。透鏡的折射率介于1.4-1.6之間。曲面1為入射面，曲線(xiàn)的斜率在起始點(diǎn)位置緩慢增加，最大的斜率位置與透鏡底部中心的夾角大于30度；然后，斜率逐漸降低。入射面1終止點(diǎn)到光軸的距離與入射面1起始點(diǎn)到光軸距離的比值約大于3。反射面2被過(guò)光軸平面的截線(xiàn)均為斜率不斷緩慢增大的曲線(xiàn)。曲線(xiàn)起始點(diǎn)的斜率最小，整個(gè)曲線(xiàn)斜率緩慢增長(zhǎng)，終止點(diǎn)的斜率為大于0.8。在此實(shí)施例中，反射面2起始點(diǎn)距離光軸的距離同反射面2終止點(diǎn)與光軸距離的比值大于0.2。透鏡反射面起始點(diǎn)較入射面結(jié)束點(diǎn)高。下設(shè)一臺(tái)階面，用于連接反射面2和入射面1。

全反射面3為一固定斜率的直線(xiàn)，從光軸為起點(diǎn)向外不斷升高。本實(shí)施例中，直線(xiàn)的末端到底部的距離約為該位置距離光軸距離小于0.25。

反射面鍍反射膜后，實(shí)現(xiàn)了如圖7的光路：光線(xiàn)從入射面1入射，經(jīng)過(guò)全反射面3的全反射后，再經(jīng)過(guò)反射面2的反射；經(jīng)反射面2反射后的光線(xiàn)，再次經(jīng)過(guò)直線(xiàn)的全反射面3的折射后出射?？梢?jiàn)，全反射面3對(duì)同一根光線(xiàn)同時(shí)充當(dāng)了全反射曲面和折射面的作用。

應(yīng)用實(shí)施例2：

如圖4-6所示，與實(shí)施例1不同的是，本實(shí)施例的反射面由鍍反射膜的光滑曲面改為了齒狀放射分布的微棱鏡結(jié)構(gòu)面。該周期性的齒狀結(jié)構(gòu)共有60個(gè)，齒狀的棱鏡結(jié)構(gòu)被過(guò)光軸的平面所截取的曲線(xiàn)，最靠近光軸的為曲線(xiàn)51，最遠(yuǎn)離光軸的為曲線(xiàn)52，均為從底部向外斜率逐漸增大的曲線(xiàn)。且最靠外的曲線(xiàn)與最靠里的曲線(xiàn)底部起始點(diǎn)高度以及入射面終止點(diǎn)的高度一致。

應(yīng)用實(shí)施例3：

本實(shí)施例設(shè)置了LED光源和透鏡，LED光源的發(fā)光面直徑約為6mm，其出光面的位置與透鏡入射面1的終止點(diǎn)在同一高度，高于透鏡底部及反射面起始點(diǎn)0.5mm。如圖7所示。

應(yīng)用實(shí)施例4：

本實(shí)施例形狀與實(shí)施例1相似，最大不同是全反射面為水平面，斜率為0，如圖8所示。曲面1為入射面，曲線(xiàn)的斜率在起始點(diǎn)最大，隨后單調(diào)減小到0.9以下。

反射面2被過(guò)光軸平面的截線(xiàn)均為斜率不斷緩慢增大的曲線(xiàn)。曲線(xiàn)起始點(diǎn)的斜率小于0.4，整個(gè)曲線(xiàn)緩慢增長(zhǎng)，終止點(diǎn)的斜率大于0.6。在此實(shí)施例中，反射面起始點(diǎn)距離光軸的距離同反射面終止點(diǎn)與光軸距離的比值約小于0.5。透鏡反射面起始點(diǎn)較入射面結(jié)束點(diǎn)略高，下設(shè)一臺(tái)階面，用于連接反射面和入射面。

本實(shí)施例中，直線(xiàn)的末端到底部的距離約為僅為該位置距離光軸距離的0.2以下。

根據(jù)上述說(shuō)明書(shū)的揭示和教導(dǎo)，本實(shí)用新型所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行變更和修改。因此，本實(shí)用新型并不局限于上面揭示和描述的具體實(shí)施方式，對(duì)實(shí)用新型的一些修改和變更也應(yīng)當(dāng)落入本實(shí)用新型的權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。此外，盡管本說(shuō)明書(shū)中使用了一些特定的術(shù)語(yǔ)，但這些術(shù)語(yǔ)只是為了方便說(shuō)明，并不對(duì)本實(shí)用新型構(gòu)成任何限制。