一种透镜

摘要

一种用于LED光源的透镜。包括一个入光面与一个第一出光面，该入光面与该透镜的光轴垂直，该第一出光面为一个凸曲面且与该入光面相对，该透镜进一步包括一个第二出光面，该第二出光面与该入光面相对且设置在该第一出光面的一侧，该第二出光面与该入光面之间的靠近该透镜光轴部分的厚度大于该第二出光面与该入光面之间的远离该透镜光轴部分的厚度，该透镜进一步包括一个第三出光面，该第三出光面位于该第一出光面与该第二出光面之间，该第三出光面沿该透镜的光轴方向延伸。通过这种透镜的设计，在远场区域与近场区域都形成了一个照明区域，以实现同时照明两个区域的功能。

权利要求

1.一种透镜，包括一个入光面与一个第一出光面，该入光面与该透镜的光轴垂直，该第一出光面为一个凸曲面且与该入光面相对，其特征在于：该透镜进一步包括一个第二出光面，该第二出光面与该入光面相对且设置在该第一出光面的一侧，该第二出光面与该入光面之间的靠近该透镜光轴部分的厚度大于该第二出光面与该入光面之间的远离该透镜光轴部分的厚度，该透镜进一步包括一个第三出光面，该第三出光面位于该第一出光面与该第二出光面之间，该第三出光面沿该透镜的光轴方向延伸。

2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述第一出光面在XZ平面，即水平面上的投影是圆弧、椭圆弧、抛物线或者曲线方程为二次以上的高次曲线，其在YZ平面，即竖直方向上的投影是被截掉一端的圆弧、被截掉一端的椭圆弧、被截掉一端的抛物线或者被截掉一端的曲线方程为二次以上的高次曲线，其中，Z轴为透镜光轴方向；Y轴为垂直于水平面方向；X轴垂直于Y轴与Z轴所形成的平面。

3.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于：所述第一出光面在X轴方向的焦距要大于Y轴方向的焦距，Y轴方向的焦距范围为3mm～25mm，X轴方向的焦距为Y轴方向焦距的

1.0～1.3倍。

4.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于：该第二出光面在Y轴方向的宽度d的范围为：0＜d≤Φ/2，Φ为透镜在Y轴方向的总的宽度，其中Y轴为垂直于水平面的方向。

5.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：该第二出光面为一平面，其与入光面的夹角为15度～45度。

6.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：该第二出光面为曲率半径大于50mm的球面，该球面在YZ平面上投影的弦与入光面的夹角为15度～45度，其中，Z轴为透镜光轴方向；Y轴为垂直于水平面方向。

7.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：该第三出光面为一平面，其与该透镜光轴之间的夹角为0度～10度。

8.根据权利要求1或7所述的透镜，其特征在于：所述第三出光面上设置有一层金属反射膜。

9.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述透镜的制作材料是聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、硅胶、树脂、光学玻璃或其他光学透镜材料。

说明书

一种透镜

技术领域

[0001] 本发明涉及一种透镜，特别是一种应用于发光二极管光源的透镜。

背景技术

[0002] 现在，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)已被广泛应用到很多领域，尤其是广泛应用于照明。在此，一种新型发光二极管可参见Daniel A.Steigerwald等人在文献IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics，Vol.8，No.2，March/April2002中的Illumination With Solid State Lighting Technology一文。

[0003] LED近似于一个点光源，其光线的发散角较大，若要实现远距离照明，一般需要在LED光源前面设置一个聚焦透镜，减少LED光线的发散角，使其集中于光轴附近出射。如图1所示，一般的凸透镜10可以作为LED光源11的聚焦透镜，光源11设置在凸透镜10的焦点附近，其发出的光线110经过透镜后平行出射。

[0004] 参见图2，中国发明专利200710091159.9公开了一种改进型的聚焦透镜，其包括一个透明本体20，形成于透明本体内的第一透镜部200，及掩盖第一透镜200的第二透镜部210。第一透镜200包含第一非球面透镜表面23及第二非球面透镜表面24，第二透镜包含入射面25、反射面26及出射面27。入射面25围绕着LED光源12，反射面26呈凸出的曲面形状，其从入射面25向第二非球面透镜表面24延伸并以倾斜状扩张，发射面27具有凹入表面，其从反射面26向第二非球面透镜24延伸并且倾斜。采用这种透镜的设计，LED光源
12在较大角度发出的光线120也可以在透镜的反射面的作用下，以全反射的形式形成沿透镜光轴的出射光。

[0005] 无论LED光源采用传统的聚焦透镜还是改进型的聚焦透镜，其所形成的都是一个连续的照明区域。但在某些使用场合下，如采用LED光源的手电筒或者自行车灯时，既希望光源能够实现远处区域的照明，又希望实现近处地面区域的照明，上述的聚焦透镜设计将不能满足要求。

发明内容

[0006] 因此，有必要提供一种透镜，使到采用这种透镜的LED光源既能实现远处区域的照明，也能实现近处地面的照明。

[0007] 以下将以实施例说明一种应用于LED光源的透镜。

[0008] 一种透镜，包括一个入光面与一个第一出光面，该入光面与该透镜的光轴垂直，该第一出光面为一个凸曲面且与该入光面相对，该透镜进一步包括一个第二出光面，该第二出光面与该入光面相对且设置在该第一出光面的一侧，该第二出光面该入光面与该入光面之间的靠近该透镜光轴部分的厚度大于该第二出光面与该该入光面之间的远离该透镜光轴部分的厚度，该透镜进一步包括一个第三出光面，该第三出光面位于该第一出光面与该第二出光面之间，该第三出光面沿该透镜的光轴方向延伸。

[0009] 与现有技术相比，所述透镜的第一出光面为凸曲面，入光面与第二出光面之间的靠近该透镜光轴部分的厚度大于入光面与第二出光面之间的远离该透镜光轴部分的厚度，使得光源所发出的光分成角度不同的两部分，一部分用于远处区域的照明，另一部分用于近处地面的照明，从而实现对不同区域进行照明的目的。

附图说明

[0010] 图1是采用凸透镜作为LED光源的聚焦透镜的光路分布图。

[0011] 图2是一种改进型的聚焦透镜结构图。

[0012] 图3是本发明第一实施例提供的透镜的结构示意图。

[0013] 图4是本发明第一实施例提供的透镜的光路分布图。

[0014] 图5是一个光源所发出的光线经由图3中所示透镜出射后的远场照度分布图。

[0015] 图6是一个光源所发出的光线经由图3中所示透镜出射后的近场照度分布图。

[0016] 图7是本发明第二实施例提供的透镜的光路分布图。

[0017] 图8是一个光源所发出的光线经由本发明第二实施例提供的透镜出射后的远场照度分布图。

[0018] 图9是一个光源所发出的光线经由本发明第二实施例提供的透镜出射后的近场照度分布图。

[0019] 图10是本发明第三实施例提供的透镜的光路分布图。

[0020] 图11是一个光源所发出的光线经由本发明第三实施例提供的透镜出射后的远场照度分布图。

[0021] 图12是一个光源所发出的光线经由本发明第三实施例提供的透镜出射后的近场照度分布图。

[0022] 图13是本发明第四实施例提供的透镜的光路分布图。

[0023] 图14是一个光源所发出的光线经由本发明第四实施例提供的透镜出射后的远场照度分布图。

[0024] 图15是一个光源所发出的光线经由本发明第四实施例提供的透镜出射后的近场照度分布图。

具体实施方式

[0025] 下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。

[0026] 参见图3与图4，Z轴为透镜30的光轴OO’方向；Y轴为垂直于地面的方向，其与Z轴方向垂直；X轴垂直于Y轴与Z轴所形成的平面。本发明第一实施例所提供的一种透镜30，其包括一个入光面301、一个第一出光面311、一个第二出光面312及一个第三出光面313。入光面301与透镜30的光轴OO’垂直，第一出光面为一个凸曲面且设置于透镜30上部，即远离地面的部分；第二出光面312设置于透镜30的下部，即靠近地面的部分。

[0027] 入光面301为一个平面，其设置于靠近LED光源13的一端。在使用时，LED光源13设置于透镜30的光轴OO’位置上，其发出的光线130经过入光面301进入透镜30的内部。

[0028] 第一出光面311是一个凸曲面，该凸曲面用于对将LED光源13所发出的光线130进行汇聚。在本实施例中，该第一出光面311在XZ平面，即水平面上的投影为圆弧、椭圆弧、抛物线或者曲线方程为二次以上的高次曲线，其在YZ平面，即竖直面上的投影可以是圆弧、椭圆弧、抛物线或者曲线方程为二次以上的高次曲线。

[0029] 根据所需照明区域的照度分布的不同，第一出光面311可以是轴对称曲面，也可以是非轴对称曲面，只要满足其Y轴焦距范围为3mm～25mm，X轴的焦距为Y轴的焦距的1.0～1.3倍即可。在本实施例中，透镜30的第一出光面311符合等式1所述的关系式：

[0030] 等式1：

[0031] 在此，将透镜30的第一出光面311与光轴OO’的交点定义为原点。

[0032] cx、cy、kx、ky为常数，在本实施例中，cx等于-0.156366、cy等于-0.181305、kx等于-0.83540528、ky等于-0.7169062。

[0033] cx、cy、kx、ky也可以根据不同的照度分布取不同的数值，只要满足其y轴的焦距范围为3mm～25mm，X轴的焦距为Y轴的焦距的1.0～1.3倍即可。

[0034] 第二出光面312与入光面301之间的靠近该透镜30光轴OO’部分的厚度大于该第二出光面312与该入光面301之间的远离该透镜30光轴OO’部分的厚度。

[0035] 第二出光面312可以是平面，其与入光面301之间的夹角为15度～45度。在本实施例中，第二出光面为平面，其与入光面301之间的夹角为20度。

[0036] 另外，根据形成照明区域的不同，第二出光面312也可以是一个曲率半径大于50mm的球面。

[0037] 第二出光面312在Y轴方向的宽度d的范围为：0＜d≤Φ/2，其中，Φ为透镜30在Y轴方向的总的宽度。

[0038] 第三出光面313为一平面，其位于第一出光面311与第二出光面312之间，第三出光面313可以与透镜30的光轴OO’平行，也可以与透镜30的光轴OO’成一定的角度，角度范围为0度～10度。在本实施例中，第三出光面313与透镜30光轴OO’平行。

[0039] 另外，为了增强其反射功能，也可以在第三出光面313上涂敷一层金属反射膜。

[0040] 可以理解的是，第一出光面311可以为弧度较大的凸曲面，其与第二出光面312直接相邻接，从而形成不同的照明区域。

[0041] 透镜30的制作材料可选用聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、硅胶、树脂、光学玻璃或其他光学透镜材料。在本实施例中，透镜30的制作材料为聚碳酸酯。

[0042] LED光源13发出的光线130进入透镜30时，在入光面301产生折射，并分别入射至第一出光面311，第二出光面312，以及第三出光面313。由于第一出光面311为凸曲面，经由第一出光面311出射的光线会向透镜30的光轴OO’会聚，以形成远处光场，实现远处区域的照明。由于第二出光面312与入光面301之间的靠近透镜30光轴OO’部分的厚度大于第二出光面312与入光面301之间的远离透镜30光轴OO’部分的厚度，经由第二出光面312出射的光线130会向向远离光轴OO’的方向偏折，以形成近处光场，实现对地面100的照明。由于第三出光面313与透镜30的光轴OO’平行或几乎平行，入射至第三出光面313的光线130中，其中少部分直接经由第三出光面313折射出透镜30外部，而大部分光线会发生全反射并再经由第一出光面311出射，这样有利于形成远处光场。

[0043] 在本实施例中，透镜30的厚度D1为9.5mm，其所指的是第一出光面311离入光面301的最远距离；LED光源13离透镜30的入光面301的距离D2为4mm；第三出光面313与光轴OO’的距离D3为5.4mm；接收屏与透镜30之间的距离(图未示)为10米；透镜30的光轴OO’与地面300的距离为1米。如图5所示，LED光源13所发出的光线经由图3中所示透镜出射后的远处光场近似一矩形。如图6所示，LED光源13所发出的光线130在经过第一实施例的透镜30后，在地面100上也形成了一个较明亮的近处光场。

[0044] 参见图7，本发明第二实施例提供的一种透镜40与第一实施例所提供的透镜30基本相同，透镜40包括一个入光面401、一个第一出光面411、一个第二出光面412及一个第三出光面413。入光面401为一个平面，该入光面401垂直于透镜40的光轴OO’。第一出光面411为一个凸曲面，该凸曲面用于将LED光源14所发出的光汇聚在透镜40的光轴OO’附近。第二出光面412与入光面401之间的靠近透镜40光轴OO’部分的距离大于该第二出光面412与入光面401之间的远离透镜40光轴OO’部分的距离。第二实施例所提供的透镜40与第一实施例所提供的透镜30不同之处在于，第二出光面412为一个曲率半径为50mm的球面，该球面在YZ平面上投影的弦与入光面401之间的夹角可为15度～45度。在本实施例中，该球面在YZ平面上投影的弦与入光面401之间的夹角为20度，经由第一出光面411出射的光线130形成远处光场，经由第二出光面412出射的光线130在地面140处形成近处光场，远场照度分布图与近场照度分布图分别参见图8和图9。

[0045] 参见图10，本发明第三实施例提供的一种透镜50与第二实施例所提供的透镜40基本相同，透镜50包括一个入光面501、一个第一出光面511、一个第二出光面512及一个第三出光面513。入光面501为一个平面，该入光面501垂直于透镜50的光轴OO’。第一出光面511为一个凸曲面，该凸曲面用于将LED光源15所发出的光汇聚在透镜50的光轴OO’附近。第二出光面512为一个曲率半径为50mm的球面，该第二出光面512与入光面501之间的靠近透镜50光轴OO’部分的距离大于该第二出光面512与入光面501之间的远离透镜50光轴OO’部分的距离。第三实施例所提供的透镜50与第二实施例所提供的透镜40不同之处在于，该球面在YZ平面上投影的弦与入光面501之间的夹角为15度。在本实施例中，经由第一出光面511出射的光线140形成远处光场，经由第二出光面512出射的光线140在地面150处形成近处光场，远场照度分布图与近场照度分布图分别参见图11和图
12。

[0046] 参见图13，本发明第四实施例提供的一种透镜60与第二实施例所提供的透镜40基本相同，透镜60包括一个入光面601、一个第一出光面611、一个第二出光面612及一个第三出光面613。入光面601为一个平面，该入光面601垂直于透镜60的光轴OO’。第一出光面611为一个凸曲面，该凸曲面用于将LED光源16所发出的光汇聚在透镜60的光轴OO’附近。第二出光面612为一个曲率半径为50mm的球面，该第二出光面612与入光面601之间的靠近透镜60光轴OO’部分的距离大于该第二出光面612与入光面601之间的远离透镜60光轴OO’部分的距离。第四实施例所提供的透镜60与第二实施例所提供的透镜60不同之处在于，该球面在YZ平面上投影的弦与入光面601之间的夹角为45度。在本实施例中，经由第一出光面611出射的光线160形成远处光场，经由第二出光面612出射的光线150在地面100处形成近处光场，远场照度分布图与近场照度分布图分别参见图14和图
15。