一種光學(xué)透鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，具體涉及一種光學(xué)透鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]LED發(fā)出的光源是朗伯光源，通常情況下發(fā)光角度為120°，朗伯光源的特性是接近中心部分光線密集，而遠(yuǎn)離中心部分光線稀少，因此在實(shí)際應(yīng)用中，LED光源形成的光斑的照度非常不均勻，因此在半導(dǎo)體照明技術(shù)中，常常需要對(duì)LED光源進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)出現(xiàn)了對(duì)LED光源進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)而使LED光源最終形成矩形光斑的技術(shù)，這些技術(shù)主要側(cè)重在LED路燈應(yīng)用中，使得LED路燈產(chǎn)生矩形光斑，如申請(qǐng)?zhí)枮?01110064474.9和201220108475.9的中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)的那樣，兩份專(zhuān)利文獻(xiàn)所公開(kāi)的技術(shù)方案都能使LED光源最終形成矩形光斑，但是，由于結(jié)構(gòu)的限制，它們并不能產(chǎn)生正方形光斑，而在諸如LED電視背光源等近距離應(yīng)用中，正方形光斑比矩形光斑更優(yōu)?，F(xiàn)有技術(shù)中，也存在能使LED光源形成正方形光斑的透鏡，如申請(qǐng)?zhí)枮?01410540343.7的中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)一種LED多面發(fā)光平面光源，其中的光學(xué)透鏡能使LED光源產(chǎn)生正方形光斑，但由于光學(xué)透鏡的凹透鏡與折射和反射面之間、折射和反射面之間都形成對(duì)接臺(tái)階，而光線在對(duì)接臺(tái)階處是不連續(xù)的，產(chǎn)生了比較嚴(yán)重的損耗，導(dǎo)致光斑均勻性不好，光的轉(zhuǎn)換效率不高。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種能使LED光源形成均勻的正方形光斑、光線轉(zhuǎn)換效率高的正方形光學(xué)透鏡，采用的技術(shù)方案如下:
[0004]一種光學(xué)透鏡，包括入光面、出光面、四個(gè)轉(zhuǎn)角面和四個(gè)側(cè)面，所述入光面呈凸形形狀，所述四個(gè)側(cè)面呈正方形排布在出光面的四側(cè)，所述四個(gè)轉(zhuǎn)角面分別位于所述正方形的四個(gè)轉(zhuǎn)角，用于對(duì)光線進(jìn)行折射或反射，所述入光面和出光面位于所述正方形的中心，所述出光面、四個(gè)轉(zhuǎn)角面和四個(gè)側(cè)面之間平滑連接，形成罩子形的連續(xù)平滑曲面。
[0005]使用時(shí)，將LED光源放置于凸形入光面的正下方，LED光源發(fā)出的光線通過(guò)入光面入射到透鏡中并產(chǎn)生最大的折射角，再?gòu)某龉饷嫒肷涞娇諝庵?，形成正方形光斑。四個(gè)轉(zhuǎn)角以及側(cè)面對(duì)光線進(jìn)行折射或全反射，使光斑均勻且提高光線利用率。傳統(tǒng)技術(shù)中，由于出光面、轉(zhuǎn)角面和側(cè)面之間存在對(duì)接臺(tái)階，光線在對(duì)接臺(tái)階處是不連續(xù)的，導(dǎo)致發(fā)生了光損耗，降低了光線的轉(zhuǎn)換率。而本實(shí)用新型中，所述出光面、轉(zhuǎn)角面和側(cè)面之間平滑連接形成連續(xù)平滑曲面，不存在對(duì)接界面，因此不存在光損耗，光斑的均勻性更好，光學(xué)透鏡的光線轉(zhuǎn)換效率達(dá)到98%以上。
[0006]作為優(yōu)選，所述罩子形連續(xù)平滑曲面由中心向外側(cè)至少劃分為第一部分、第二部分和第三部分，光線通過(guò)所述第一部分和第二部分入射到空氣中的入射角h滿足^=15° ~22°，通過(guò)所述第三部分入射到空氣中的入射角k2滿足k2=12° ~17°。
[0007]出光面的光通量Φν(λ)與入光面的光通量Φ?(λ)滿足能量守恒定律，即Φν(λ)= Φ?( λ)，且本實(shí)用新型設(shè)計(jì)當(dāng)光線通過(guò)第一部分和第二部分入射到空氣中時(shí)，光線的入射角為15° -22°，當(dāng)通過(guò)第三部分入射到空氣中時(shí)，光線入射角為12° -17°，如此，不僅使得正方形光斑內(nèi)的點(diǎn)與LED光源入射角是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，通過(guò)對(duì)光線入射到空氣的入射角的設(shè)計(jì)，還使得LED光源發(fā)出的光線從光學(xué)透鏡中射出形成正方形光斑時(shí)，光線在水平方向與光學(xué)透鏡中軸所成的角度γ=62.57~73.3°，在光斑對(duì)角線方向與光學(xué)透鏡中軸所成的角度ε=70.53~78.02°，發(fā)光角度大，可以照明的區(qū)域更廣。
[0008]作為優(yōu)選，所述罩子形的連續(xù)平滑曲面整體呈外凸形或內(nèi)凹形。
[0009]作為優(yōu)選，所述透鏡使LED發(fā)出的光線形成正方形光斑。
[0010]作為優(yōu)選，所述入光面是由拋物線繞光學(xué)透鏡的中軸線旋轉(zhuǎn)形成的。
[0011 ] 作為優(yōu)選，所述入光面是由折線繞光學(xué)透鏡的中軸線旋轉(zhuǎn)形成的。
[0012]作為優(yōu)選，所述折線由三條線段相連而成。
[0013]作為優(yōu)選，用于折射的轉(zhuǎn)角面與所述正方形的夾角d的取值范圍為30° < d< 90° ο
[0014]當(dāng)轉(zhuǎn)角面與所述正方形的夾角，為30° < d< 90°時(shí)，轉(zhuǎn)角面可以將集中在中間部分的光能分散到目標(biāo)照明區(qū)域，使光斑各點(diǎn)照度均勻，提高光的轉(zhuǎn)換效率。
[0015]作為優(yōu)選，用于反射的轉(zhuǎn)角面與所述正方形的夾角d的取值范圍為d> 120°。
[0016]當(dāng)轉(zhuǎn)角面與所述正方形的夾角，為30° < d<90°時(shí)，轉(zhuǎn)角對(duì)光線進(jìn)行全反射，將照射到該轉(zhuǎn)角的光全部反射回透鏡，從而提高光的利用率。
[0017]本實(shí)用新型的另一個(gè)目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種實(shí)現(xiàn)照度均勻的正方形光斑的實(shí)現(xiàn)方法，采用的技術(shù)方案如下:
[0018]正方形光斑的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟:
[0019]S1、確定正方形目標(biāo)照明區(qū)域的邊長(zhǎng)及LED光源離照明區(qū)域的距離；
[0020]S2、確定形成所需光斑的光線在水平方向和對(duì)角線方向與透鏡中軸所成的角度，分別為γ和ε ;
[0021]S3、確定透鏡材料，并根據(jù)透鏡材料確定透鏡的折射率ng.’
[0022]S4、根據(jù)公式 δ =( θ ι2 - θ η)+( θ ι4 - θ i3).、nasin θ η = ngsin U口 ngsin θ ι3=確定光線經(jīng)過(guò)透鏡的最終折射角度其中，Up 分別為光線入射到透鏡時(shí)產(chǎn)生的入射角和折射角，〃,_5^口 〃#分別為光線從透鏡入射空氣中時(shí)產(chǎn)生的入射角和折射角，A是空氣的光線折射率；
[0023]S5、沿透鏡中心向外側(cè)的方向，將罩子形連續(xù)曲面分為至少三部分，在滿足k1=15° -22°和1^=12° -17°條件下，確定光線通過(guò)每一部分入射空氣時(shí)的入射角大小；
[0024]S6、根據(jù)需要確定轉(zhuǎn)角面的面積以及其與側(cè)面圍成的正方形所成角度。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果:本實(shí)用新型的一種光學(xué)透鏡能使LED光源產(chǎn)生正方形光斑，光線轉(zhuǎn)換效率高，光斑區(qū)域內(nèi)的各點(diǎn)與光線入射空氣的角度一一對(duì)應(yīng)，正方形光斑的各點(diǎn)照度均勻，并且發(fā)光角度也更大，通過(guò)轉(zhuǎn)角對(duì)光線進(jìn)行折射或全反射，提高了光斑均勻度和光線利用率。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是本實(shí)用新型的光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2是本實(shí)用新型的光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例1的光學(xué)透鏡示意圖；
[0029]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例1的光學(xué)透鏡入光面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖5是本實(shí)用新型的實(shí)施例1的光學(xué)透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖6是本實(shí)用新型的光學(xué)透鏡產(chǎn)生的光斑的示意圖；
[0032]圖7是本實(shí)用新型的光學(xué)透鏡產(chǎn)生的光斑的示意圖；
[0033]圖8是本實(shí)用新型的實(shí)施例2的光學(xué)透鏡示意圖；
[0034]圖9是本實(shí)用新型的實(shí)施例2的光學(xué)光學(xué)透鏡入光面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖10是本實(shí)用新型的實(shí)施例2的光學(xué)透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0037]實(shí)施例1:
[0038]如圖1和圖2所示，一種光學(xué)透鏡，包括呈凸形形狀的入光面201、出光面202、四個(gè)轉(zhuǎn)角面204和四個(gè)側(cè)面203，所述四個(gè)側(cè)面203呈正方形排布在出光面202的四側(cè)，所述四個(gè)轉(zhuǎn)角面204分別位于所述正方形的四個(gè)轉(zhuǎn)角，用于對(duì)光線進(jìn)行折射或反射，所述入光面和出光面位于所述正方形的中心，所述出光面202、四個(gè)轉(zhuǎn)角面204和四個(gè)側(cè)面203之間平滑連接，形成罩子形的連續(xù)平滑曲面。
[0039]所述罩子形連續(xù)平滑曲面由中心向外側(cè)劃分為第一部分0A、第二部