一种带齿状结构的汇聚光学透镜的制作方法

本发明涉及透镜技术领域，具体涉及一种带齿状结构的汇聚光学透镜。

背景技术：

汇聚光学透镜在LED照明应用中有广泛的应用。常用的LED汇聚光学透镜采用的是基于全内反射的技术。专利CN01805486.2提出了一种基于全内反射的形式进行汇聚的光学透镜。此类光学透镜的结构大致可以分为两大部分：折射曲面组和全反射曲面组，如图1所示。折射曲面组包括一个入射折射面1和一个出射折射面2，光线在经过两次折射后出射；全反射曲面组包括侧面入射面3、全反射面4和出射面5。具体的曲面1-5的结构已经演化出众多结构，演化的结构如CN200910108644.1、CN200910261795、CN201110101048.8、US7401948，但其主要的特点是包含了全反射面组(3-5)，一定有一部分光线通过曲面4全形成全反射出射。

这类设计具有光线控制全面、设计自由度高、模具设计方便等优势，但缺点在于透镜高度与孔径成正比且大致相当。随着孔径增大，高度也同比例得提高，透镜体积与重量很高，增加了大孔径小角度应用中的成本和光学性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种汇聚光学透镜，特别是提供一种带齿状结构的汇聚光学透镜。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下；一种带齿状结构的汇聚光学透镜，由两组曲面组成，一组为双折射面，另一组为三个曲面组成；其特征在于：另一组的三个曲面分别是入射面、全反射面和反射面，光线经过入射面经过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，从透镜中出射；所述入射面和全反射面是围绕一旋转对称轴旋转对称的光滑曲面，其中所述全反射面截面为一条直线，所述入射面和反射面的截面为自由曲线。

进一步地，所述全反射面为一条有斜率的直线，该直线从中间向外延展逐渐升高，与水平面的夹角为0度到15度。

进一步地，所述入射面为一条自由曲线，该自由曲线的斜率从上端起始点缓慢增大后再逐渐减小。

进一步地，所述入射面的起始点与光轴有一定距离，所述起始点到透镜底部中心连线与光轴的夹角为5-25度。

进一步地，所述入射面的起始点到透镜底部的距离与到旋转对称轴的距离的比值在2至4之间。

进一步地，所述的入射面斜率从增大到减小变化的位置到透镜底部中心点的连线，与水平面的夹角为30度到45度之间。

进一步地，所述的入射面是一条自由曲线，该自由曲线从上端起始点到底部斜率不断减小。

进一步地，所述的反射面，是围绕所述旋转对称轴旋转对称的光滑曲面，其被经过所述旋转对称轴的平面所截曲线是一条从底部向上逐渐延展的曲线，从底部向上的曲线斜率逐渐增大。

进一步地，所述的反射面，是由多个侧向延伸的齿状曲面拼接而成的曲面；被经过所述旋转对称轴的任意平面所截曲线都是一条从底部向上逐渐延展的曲线，从底部向上的曲线斜率逐渐增大。

进一步地，所述的反射面镀有高反射率的反射膜。

进一步地，透镜的全反射面的顶部到透镜底部的距离与全反射面的直径的比值不大于0.25。

进一步地，反射面的起始位置与入射面的末端位置的高度差不超过透镜总厚度的1/5。

进一步地，发光二极管放置于透镜中，发光二极管的出光面与入射面底部的高度位置相同。

进一步地，所述的双折射面，也可以没有任何光学曲面，为一掏空的部分。

进一步地，所述反射面起始位置到光轴的距离，不大于反射面终止点到光轴距离的0.5倍。

相比基于全反射(TIR)的汇聚光学器件，本发明的有益效果：

1)超紧致光学结构。传统LED汇聚光学器件中，TIR结构的光学器件占到80％以上的份额，是绝对的主流技术。然而，TIR结构在小角度的设计中，透镜高度和重量非常大，严重限制了结构设计、散热设计，增加了灯体重量；更为重要的是，加工难度、透镜成本(包括材料成本和加工成本)大大增加。

与TIR结构不同，本发明设计的透镜高度和重量仅为TIR的1/5，成型时间则更是只有1/8左右，注塑精度保证难度大大降低，给后续应用留下了远多于TIR的设计空间；特别是在舞台领域，直接可以提升舞台灯的反应速度和设计自由度。

2)超强性能水平。本发明由于注塑难度大大降低，在模具精度有保证的情况下，注塑端曲面饱和度的难度大大降低；而通过本发明结合反射面加齿的结构可以同时起到混光的作用，而且随着齿数量的增加，混光水平和中心光强会同时提升；相比而言，基于全反射的光学设计透镜，其混光水平的提升一定是通过降低光强来实现的，因此本发明在这方面具有非常明显的技术优势。

3)低廉的量产成本。本发明由于轻薄，材料成本和加工成本远低于TIR，不过尚需要额外的镀膜工艺增加额外的成本；而带齿的设计除了继承了结构轻薄的材料成本优势外，省去镀反射膜这道工序，在量产特别是大批量生产过程中，量产成本优势极其明显。粗略估计，与直径100mm的汇聚光学透镜相比，本发明大批量生产成本可仅为TIR的1/8-1/5。

4)丰富的设计自由度。

本发明采用出光面为直线的方式，通过调节直线的斜率可以实现多款不同形状和结构的设计，每款设计大体相同但厚度和具体形状都有所区别，可以针对不同应用场合进行应用。

附图说明

图1是现有技术的示意图；

图2是本发明实施例1的结构示意图；

图3是本发明实施例1的立体示意图；

图4是本发明实施例2的结构示意图；

图5是本发明实施例2的立体示意图；

图6是本发明实施例2的立体示意图；

图7是本发明实施例3的结构示意图；

图8是本发明实施例4的结构示意图；

图9是本发明实施例1配合某LED的光线出光效果图；

图10是本发明实施例3配合某LED的配光曲线图；

图11是本发明实施例3配合某LED的光斑分布图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

参见图1至图11。

应用实施例1：

本实施例的透镜是由旋转对称的光滑曲面组成，如图2所示。透镜的折射率介于1.4-1.6之间。曲面1为入射面，曲线的斜率在起始点位置缓慢增加，最大的斜率位置与透镜底部中心的夹角大于30度；然后，斜率逐渐降低。入射面1终止点到光轴的距离与入射面1起始点到光轴距离的比值约大于3。反射面2被过光轴平面的截线均为斜率不断缓慢增大的曲线。曲线起始点的斜率最小，整个曲线斜率缓慢增长，终止点的斜率为大于0.8。在此实施例中，反射面2起始点距离光轴的距离同反射面2终止点与光轴距离的比值大于0.2。透镜反射面起始点较入射面结束点高。下设一台阶面，用于连接反射面2和入射面1。

全反射面3为一固定斜率的直线，从光轴为起点向外不断升高。本实施例中，直线的末端到底部的距离约为该位置距离光轴距离小于0.25。

反射面镀反射膜后，实现了如图7的光路：光线从入射面1入射，经过全反射面3的全反射后，再经过反射面2的反射；经反射面2反射后的光线，再次经过直线的全反射面3的折射后出射。可见，全反射面3对同一根光线同时充当了全反射曲面和折射面的作用。

应用实施例2：

如图4-6所示，与实施例1不同的是，本实施例的反射面由镀反射膜的光滑曲面改为了齿状放射分布的微棱镜结构面。该周期性的齿状结构共有60个，齿状的棱镜结构被过光轴的平面所截取的曲线，最靠近光轴的为曲线51，最远离光轴的为曲线52，均为从底部向外斜率逐渐增大的曲线。且最靠外的曲线与最靠里的曲线底部起始点高度以及入射面终止点的高度一致。

应用实施例3：

本实施例设置了LED光源和透镜，LED光源的发光面直径约为6mm，其出光面的位置与透镜入射面1的终止点在同一高度，高于透镜底部及反射面起始点0.5mm。如图7所示。

应用实施例4：

本实施例形状与实施例1相似，最大不同是全反射面为水平面，斜率为0，如图8所示。曲面1为入射面，曲线的斜率在起始点最大，随后单调减小到0.9以下。

反射面2被过光轴平面的截线均为斜率不断缓慢增大的曲线。曲线起始点的斜率小于0.4，整个曲线缓慢增长，终止点的斜率大于0.6。在此实施例中，反射面起始点距离光轴的距离同反射面终止点与光轴距离的比值约小于0.5。透镜反射面起始点较入射面结束点略高，下设一台阶面，用于连接反射面和入射面。

本实施例中，直线的末端到底部的距离约为仅为该位置距离光轴距离的0.2以下。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。