一种TIR透镜的制作方法

本实用新型属于非成像照明
技术领域：
，涉及一种TIR透镜。
背景技术：
：发光二极管(LED)光源具有发光效率高、耐用、可靠等特点，被认为是未来最有潜力的光源。LED的空间辐射强度具有朗伯型分布，且发散角较大，需要对其空间光强进行重新分配，即二次配光。目前市场上主要存在的配光透镜有“花生壳”和TIR透镜。如果透镜尺寸较大，会影响透镜的散热效果，进而影响透镜的使用寿命，提高透镜的使用成本。因为“花生壳”透镜的尺寸较大，为了提高它的散热效果，戴艺丹等人提出在“花生壳”透镜上，通过设置曲面的不同高度进行叠加得到一个渐变菲涅尔面，使得该透镜的厚度明显变薄，使散热效率提高。但是由于该自由曲面的菲涅尔面是通过机械建模软件进行构造的，光学照明效果一般，透镜的照度均匀性为68％，适用性不广泛。对于目前应用比较普遍的TIR透镜来说，也同样存在散热不佳的问题。TIR透镜的结构仅按透镜出射面的自由曲面个数可分为单自由曲面和双自由曲面TIR透镜，这里面包含反射面为二次曲面或自由曲面的单/双自由曲面TIR透镜。对于单/双自由曲面TIR透镜而言，由于出射面自由曲面面形的曲率较大，会在透镜表面形成较高的突起，使得透镜厚度增加。技术实现要素：本实用新型的目的是：在不降低光照均匀性的同时提高TIR透镜散热能力和使用寿命。为达到上述发明目的，本发明的技术方案是：一种TIR透镜，所述TIR透镜为旋转对称结构，包括入射面，出射面，圆柱面，全反射面和环形出射面；其中入射面和圆柱面围成TIR透镜空腔结构，全反射面的底部为平面，空腔结构位于全反射面的底部中心，入射面位于空腔结构底部，环形出射面位于出射面的四周，且环形出射面与全反射面顶部相交；出射面为自由曲面塌陷而成的菲涅耳面；以全反射面的底部中心为坐标原点，入射至入射面的光束发生折射进入TIR透镜内部，经由菲涅耳面折射出TIR透镜；入射至圆柱面的光束折射进入TIR透镜的内部后入射至全反射面上，经过全反射面反射后，入射至环形出射面，经由环形出射面折射出TIR透镜。上述方案的工作原理是：以LED光源为例，将光源放置在全反射面的底部中心，LED的小角度锥形光束首先入射到TIR透镜底部的入射面，发生折射后进入TIR透镜内部，到达TIR透镜的菲涅耳面上，再发生折射到目标面；角度大的光线经过TIR透镜底部的圆柱面，发生折射后进入TIR透镜的内部，入射到全反射面上，在经过全反射后，入射到TIR透镜边缘的环形出射面上，再次发生折射到目标面。LED光源位于与TIR透镜底部齐平的TIR透镜的旋转轴上(光轴)；所述的从LED光源发出的小角度锥形光束经过所述的圆形入射面，进入TIR透镜内部，再从自由曲面菲涅耳面折射出TIR透镜，光束按照明设计要求向目标面发射；所述的其余角度较大的光束经过所述的圆柱面，发生折射后进入TIR透镜的内部，在全反射面上反射，反射光线与光轴的夹角相比入射前有了较大的缩小，再入射到环形出射面上，最终折射出TIR透镜，按照照明设计要求向目标面发射。该技术方案实现了：相比于一般自由曲面TIR透镜更小的厚度和体积，有利于提高透镜的散热能力，延长透镜的使用寿命，降低使用成本；保持了原有自由曲面TIR透镜的远场照度均匀性，较好地满足了使用要求。上述自由曲面菲涅耳面的TIR透镜，其全反射面能很好的偏折光线，达到聚拢和准直光线的目的。使用菲涅耳面达到了缩减高度的明显效果，但同时保持了原有的远场照度均匀性。综上，本技术方案中对自由曲面菲涅耳面的TIR透镜的描述，其光路分为两部分，一部分入射光直接从入射面透射入TIR透镜从出射面的菲涅耳面透射出；另一部分由圆柱面透射入TIR透镜，经由全反射面反射后从环形出射面出。由于出射面为由自由曲面塌陷而成的菲涅耳面，有效地减少TIR透镜的厚度和体积，减少了LED光线在透镜中的光程，提高了散热效果，间接地延长了透镜的使用寿命。附图说明图1：自由曲面塌陷菲涅耳面的TIR透镜的截面图；图2：自由曲面TIR透镜的截面图；图3：自由曲面TIR透镜的照度分布图；图4：自由曲面塌陷菲涅耳面的TIR透镜的照度分布图；其中：1为入射面；2为出射面；3为圆柱面；4为全反射面；5为环形出射面。具体实施方式一种带自由曲面菲涅耳面的TIR透镜，如图1所示，所述TIR透镜为旋转对称结构，包括入射面1，出射面2，圆柱面3，全反射面4和环形出射面5；其中入射面1和圆柱面3围成TIR透镜空腔结构，全反射面的底部为平面，空腔结构位于全反射面的底部中心，入射面1位于空腔结构底部，环形出射面5位于出射面2的四周，且环形出射面与全反射面4顶部相交；出射面2为自由曲面塌陷而成的菲涅耳面；以全反射面的底部中心为坐标原点，入射至入射面1的光束发生折射进入TIR透镜内部，经由菲涅耳面折射出TIR透镜；入射至圆柱面3的光束折射进入TIR透镜的内部后入射至全反射面4上，经过全反射面反射后，入射至环形出射面5，经由环形出射面折射出TIR透镜。为了便于加工，入射面和环形出射面可以为平面。为了进一步提高光效和照度均匀性，增加优化变量，入射面、环形出射面和全反射面可以为非球面或自由曲面，全反射面的面形为非球面或自由曲面。选用CREE公司XLampXR-E系列光源，其光通量为100lm，发散角度为170度，主要设计参数如表1所示。入射面1和环形出射面5皆为平面，出射面2的边缘点高度与环形出射面5平齐。出射面2的自由曲面未菲涅尔化之前的截面图如图2所示。表1菲涅尔TIR透镜的主要设计参数光源尺寸/mm2*2透镜半口径/mm24目标面半径/m2.5目标面到光源距离/m10透镜材料PMMA自由曲面分段段数N22菲涅尔化前后TIR透镜在目标面的照度分布图如图3和图4所示。根据照度图，由如下的均匀性公式(1)，计算两种透镜所达到的照度均匀性，连同软件给出的各自的光效值列于表2中，并将其对应的体积和质量制成表3。表2透镜照度和均匀性照度均匀性/％自由曲面TIR透镜78自由曲面菲涅耳面TIR透镜78表3透镜尺寸对比体积/mm3质量/g自由曲面TIR透镜27437.2727.44自由曲面菲涅耳面TIR透镜21940.0621.94从图4、表2和表3可知，两种TIR透镜的远场照度均匀性为78％，说明保持了原有的照明水平。从透镜的外形、体积和质量看，加了菲涅耳面的TIR透镜比没加时高度明显下降，体积和质量也减小了约20％，这说明对TIR透镜出射面进行自由曲面的菲涅尔化，可明显地缩小透镜的外形、体积和质量，缩短LED光线在透镜内部的追迹光程，有效提高透镜的散热效率和使用寿命，且在光照均匀性未降低的情况下，保持了原有的照度均匀性，较好地满足了使用要求。当前第1页1 2 3