一种准直透镜及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种薄型准直透镜及其设计方法。所述准直透镜为旋转对称结构，光源中心设置在旋转对称轴上，该透镜包括入射面、第一反射面、第二反射面和出射面。所述第一反射面位于入射面和第二反射面之间，所述光源发出的光线经过三个部分，第一部分光线不经过任何光学介质从透镜顶部出射面出射；第二部分光线经过所述入射面折射后再经出射面的全反射后入射到所述第二反射面，然后经所述第二反射面的反射后从出射面出射；第三部分光线经过所述入射面折射后进入第一发射面，通过所述第一发射面的全反射从出射面出射。上述透镜可解决现有技术中透镜体积与重量很大的缺陷，降低了透镜的制造成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及透镜
，具体涉及一种准直透镜及其设计方法。
技术介绍
汇聚光学透镜在LED照明中有广泛的应用，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提供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和一个出射折射面，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、全反射面和出射面。具体的曲面结构已经演化出众多形式，演化的结构如CN200910108644.1、CN200910261795、CN201110101048.8和US7401948等，但其主要的特点是包含了全反射曲面组，一定有一部分光线通过全反射出射。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，但其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，高度也同比例的提高，导致透镜体积与重量很大，增加了其在大孔径小角度应用中的成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种薄型准直透镜及其设计方法，该准直透镜可以解决现有技术中其体积与重量很大的缺陷，降低了透镜的制造成本。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种准直透镜，所述准直透镜为旋转对称结构，光源中心设置在透镜旋转对称轴上，该透镜包括入射面、第一反射面、第二反射面和出射面，其特征在于：所述第一反射面位于入射面和第二反射面之间，所述光源发出的光线经过三个部分，第一部分光线不经过任何光学介质从透镜顶部出射面出射；第二部分光线经过所述入射面折射后再经出射面的全反射后入射到所述第二反射面，然后经所述第二反射面的反射后从出射面出射；第三部分光线经过所述入射面折射后进入第一发射面，通过所述第一发射面的全反射从出射面出射。进一步地，所述入射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线为一由初等函数表达的曲线，曲线方程为h＝f(x),其中h为纵坐标即高度方向坐标，x为横坐标即横向扩展方向的坐标。进一步地，所述入射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线为一直线。进一步地，所述入射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线的斜率从靠近光轴到远离光轴逐渐减小。进一步地，所述的第一反射面和第二反射面的斜率均从透镜的底部向上逐渐增加。进一步地，所述的第一反射面为光滑曲面，所述反射面最高点(xP0，yP0)在一直线下方，直线方程为：其中，H0是所述出射面在光轴上的截距，h0是所述入射面起始点距离透镜底部的距离；x0是所述入射面的起点横坐标，xQ0是第二反射面的起点横坐标，yQ0是第二反射面起点纵坐标。进一步地，所述直线与水平面的夹角为0-25度。进一步地，所述透镜的总高度与出射面的直径的比值不大于0.25，其中透镜的总高度为所述出射面的顶部到透镜底部的距离。进一步地，所述第二反射面是由多个侧向延伸的齿状曲面拼接而成的曲面；所述第二反射面被经过所述旋转对称轴的任意平面所截形成的曲线都是一条从底部向上逐渐延展的曲线，该曲线的斜率从底部向上逐渐增大；任意曲线的底部起始点高度和其终止点高度分别相等。进一步地，所述第二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形成的曲线是一条从底部向上逐渐延展的曲线，该曲线的斜率从底部向上逐渐增大。进一步地，所述入射面的起始点与光轴有一定距离，所述起始点与透镜底部中心的连线与光轴的夹角为5-15度。进一步地，所述第二反射面的起始点的高度大于所述第一反射面的起始点的高度。为便于本领域技术人员更好理解本方案，本专利技术还提供了一种准直透镜的设计方法：一种准直透镜的设计方法，所述准直透镜为旋转对称结构，光源设置在透镜底部与旋转对称轴相交的位置上，该透镜包括入射面、第一反射面、第二反射面和出射面，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：一、计算所述第二反射面截线步骤1：设定光轴的中心点O，并设定第二反射面生产的初始条件：开始控制的光线与光轴中心点连线与光轴的夹角α；出射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的截面线的起点高度H0，出射面截面线与水平面的夹角β；入射面的起点横坐标X0；第二反射面的起点的高度H1；入射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线的函数h＝f(x)；出射面最大口径R0；基于上述初始条件，计算初始条件点I0，Wr0，Q0和W0，计算过程如下：①根据入射面截线函数h＝f(x)，计算出入射面初始点I0的法线方向和切线方向；从O点出发，根据I0点的法线方向计算出OI0经过入射面折射的光线方向I0Wr0；②计算出射面截线与折射光线I0Wr0的交点Wr0,并按照反射原理计算出I0Wr0经过出射面全反射光线方向Wr0Q0,根据第二反射面的起点高度H1，计算出Q0的坐标；③根据出射面截线方程，计算出经第二反射面反射的光线方向U，并计算出经第二反射面反射的光线Q0W0，以及W0的坐标；④根据Q0点坐标以及Wr0Q0、反射方向U，计算出第二反射面第一点Q0的切线方向TQ0；步骤2：计算所述第二反射面的第二个点①给定步进角度计算出光源中心O发出的与OI0偏移的光线与入射面截线函数h＝f(x)相交于I1点的坐标；②根据入射面截线函数h＝f(x)和I1坐标，求出I1点的法线方向，从而计算出经过I1的光线I1Wr1的方程；③计算出I1Wr1与出射面截线的交点Wr1，并根据出射面截线方程计算出被出射面全反射的光线方向Wr1Q1；④根据Q0的切线方向和Wr1Q1的方向相交，计算出Q1点的坐标；⑤通过Q1点的坐标和反射方向，确定经过Q1的切线方向TQ1；步骤3：针对给定步进角度不断重复步骤2，依次计算出第二反射面的曲线各点Q2，Q3，…,当Qi的横坐标大于给定的出射面截线最大值R0时，第二反射面截线截止于Qi-1，对应的入射光线角度为二、计算第一反射面截线步骤4：设定第一反射面的初始点P0，对于入射角度大于的光线，经过入射面折射后经第一反射面全反射出射；第一反射面初始点P0为与光轴夹角为的入射光线OIi，经过入射面折射光线IiWri上的一点，该点选择的原则是，其横坐标小于IiWri与Wr0Q0的交点，以确保从光源中心O发出的入射到第二反射面的所有光线不会被第一反射面阻挡；步骤5：根据经过第一反射面初始点P0全反射的光线方向U，计算出第一反射面的斜率TP0；步骤6：计算第一反射面的第二点P1①给定步进角度计算与OIi相邻的光线OIi+1与入射面截线的交点Ii+1,并通过入射面截线函数h＝f(x)计算Ii+1的法线方向，计算出经过Ii+1折射光线方向Ii+1P1；②由直线Ii+1P1和经过P0的第一反射面切线方向TP1的直线相交于P1点；③根据P1和全反射光线方向U计算出经过P1点的切线方向TP1；步骤7：针对给定步进角度不断重复步骤6，直到OIi+1与光轴的夹角达到90度。由于采用了上述技术方案，本专利技术取得了有益的技术效果：提供一种薄型准直透镜，在保持光学性能的同时，降低了透镜的体积和重量，减少了制造成本。具体地，通过第一部分的光线与光轴夹角较小，故而让其直接出射形成小角度光线；第二部分的光线是与将那些与光轴夹角很大的光线通过全反射曲面准直出射；而第三部分的光线是通过折叠式光路进行出射，这样的设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种准直透镜，所述准直透镜为旋转对称结构，光源中心设置在透镜旋转对称轴上，该透镜包括入射面、第一反射面、第二反射面和出射面，其特征在于：所述第一反射面位于入射面和第二反射面之间，所述光源发出的光线经过三个部分，第一部分光线不经过任何光学介质从透镜顶部出射面出射；第二部分光线经过所述入射面折射后再经出射面的全反射后入射到所述第二反射面，然后经所述第二反射面的反射后从出射面出射；第三部分光线经过所述入射面折射后进入第一发射面，通过所述第一发射面的全反射从出射面出射。

【技术特征摘要】
2015.12.31 CN 20151103372091.一种准直透镜，所述准直透镜为旋转对称结构，光源中心设置在透镜旋转对称轴上，该透镜包括入射面、第一反射面、第二反射面和出射面，其特征在于：所述第一反射面位于入射面和第二反射面之间，所述光源发出的光线经过三个部分，第一部分光线不经过任何光学介质从透镜顶部出射面出射；第二部分光线经过所述入射面折射后再经出射面的全反射后入射到所述第二反射面，然后经所述第二反射面的反射后从出射面出射；第三部分光线经过所述入射面折射后进入第一发射面，通过所述第一发射面的全反射从出射面出射。2.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述入射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线为一由初等函数表达的曲线，曲线方程为h＝f(x),其中h为纵坐标即高度方向坐标，x为横坐标即横向扩展方向的坐标。3.根据权利要求2所述的准直透镜，其特征在于，所述入射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线为一直线。4.根据权利要求2所述的准直透镜，其特征在于，所述入射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线的斜率从靠近光轴到远离光轴逐渐减小。5.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述的第一反射面和第二反射面的斜率均从透镜的底部向上逐渐增加。6.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述的第一反射面为光滑曲面，所述反射面最高点(xP0，yP0)在一直线下方，直线方程为：y=2H0-h0-yQ0x0-xQ0(x-xQ0)+yQ0,]]>其中，H0是所述出射面在光轴上的截距，h0是所述入射面起始点距离透镜底部的距离；x0是所述入射面的起点横坐标，xQ0是第二反射面的起点横坐标，yQ0是第二反射面起点纵坐标。7.根据权利要求3所述的准直透镜，其特征在于，所述直线与光轴的夹角为0-25度。8.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述透镜的总高度与出射面的直径的比值不大于0.25，其中透镜的总高度为所述出射面的顶部到透镜底部的距离。9.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述第二反射面是由多个侧向延伸的齿状曲面拼接而成的曲面；所述第二反射面被经过所述旋转对称轴的任意平面所截形成的曲线都是一条从底部向上逐渐延展的曲线，该曲线的斜率从底部向上逐渐增大；任意曲线的底部起始点高度和其终止点高度分别相等。10.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述第二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形成的曲线是一条从底部向上逐渐延展的曲线，该曲线的斜率从底部向上逐渐增大。11.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述入射面的起始点与光轴有一定距离，所述起始点与透镜底部中心的连线与光轴的夹角为5-15度。12.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述第二反射面的起始点的高度大于所述第一反射面的起始点的高度。13.一种准直透镜的设计方法，所述准直透镜为旋转对称结构，光源设置在透镜底部与旋转对称轴相交的位置上...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗滔，周烨，王钢，
申请(专利权)人：佛山市中山大学研究院，中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44