一种消除杂光的准直透镜的制作方法

1.本发明属于led配光透镜领域，具体涉及一种消除杂光的准直透镜。


背景技术：

2.在现有led光学方案中，为了匹配人眼舒适度的需求，透镜的防眩性能越来越受到重视。在各种防眩的技术路径中，以全反射(tir)透镜的技术最流行，因为这类技术可以最大程度利用光能量，实现更高的光学效率。全反射透镜技术可从专利us6547423b2得知，将光路分为两部分：一部分是从顶部入射后折射出射的光线；第二部分是从侧面进入透镜，经过侧面的杯面全反射后，从顶部靠近两侧的曲面出射。其中，从能量分配的角度，第二部分光路占更大部分。
3.然而，目前这类全反射透镜的防眩性能有较大问题，特别是小角度的情况下，透镜光束角在25度以内，意味着防眩角度很小，即是说在35-40度以外都不能看到爆亮的眩光点，目前市场上的全反射透镜技术方案都很难满足相关应用需求。本发明的技术提供了一种防止眩光的小角度准直全反射透镜。
4.全反射透镜能够最充分地利用光能量，但内腔曲面由两部分组成，会造成各种机制的眩光。通常情况下，眩光出现在30度到60度范围，光斑出射角度不同，眩光对应的范围也不同。对高端照明需求而言，角度越小，不能形成眩光的角度范围越大，对光学设计的挑战也越高。其中，准直光学系统(角度小于25度)的眩光点必须控制在30-35度以内，即35度以外就不能看到眩光点。然而，由于光学透镜表面有透射光和反射光两组光线，光学曲面只能针对绝大部分能量透射的光线去进行控制，而反射光就会失去控制从而形成杂光或眩光。这类眩光是光学设计中最难以消除的。落实到全反射(tir)透镜而言，会造成有两类典型杂光：一是如图1所示的光线，从侧面内腔13反射的菲涅尔损耗反射光，会穿透曲面另外一侧，进入到透镜本体，然后被透镜杯面全反射面14全反射后，从杯面上方的第二出射面15曲面透射出射，后面称为“第一类杂散光”；二是如图2所示的光线，从侧面内腔23反射的菲涅尔损耗反射光，向上穿透第一入射面21，再经过第一出射面22出射，后面称为“第二类杂散光”。这两类杂散光的光线都会偏离主光路形成的光斑，刚好分布在30～60度范围内，从而在洗墙的时候形成杂光且造成肉眼观察透镜表面时出现眩光。
5.杂散光的形成原因复杂多样，发明人经过研究提出“第三类杂散光”，现有全反射透镜绝大多数都有一顶部包边，即在全反射面和出射面外周边缘延展一个结构边，如图2所示的17，18和19三个直边所组成的结构。这个结构边的设置有几点作用：1，方便模具设计和出模；2、方便在边缘加支架和其他安装透镜的结构。然而，这种向外延展的结构边容易造成如图3所示的“第三类杂散光”。这种杂光是从透镜杯面漏过到边缘的。由于光源的扩展性，光源近端的光线很难被全反射杯面完全控制，会有一部分光线掠过tir杯面进入到结构边，如光线31所示。由于结构边上端是平面，该平面法线方向与进入到这里的掠射光线31夹角往往会大于透镜材料的全反射角，从而让光线31憋在透镜内部形成全反射；全反射的光线会在结构边形成光导现象，最终从透镜出光面位置出射形成第三类杂散光32。这部分杂光
很难遮挡，往往会直接射出灯具形成勾勾状杂光，如图3所示的大v状亮区。


技术实现要素：

6.针对相关技术中的问题，本发明设计一种消除杂光的准直透镜，以克服上述背景技术中所述的现有技术问题。
7.所采用的方案为：一种消除杂光的准直透镜,包括沿中心光轴旋转对称的透镜主体，主体下端设有开口朝向光源的凹腔，凹腔的顶部形成为第一入射面，凹腔的环形侧面形成为第二入射面；主体上端设有对应第一入射面的位于中部的第一出射面、对应第二入射面的位于第一出射面周侧的第二出射面，主体的周侧面形成为朝向第二出射面的全反射面；光源发出的小角度光从第一入射面射入透镜主体后，自第一出射面准直射出；光源发出的大角度光从第二入射面折射入透镜主体后被射至全反射面，全反射面再反射至第二出射面准直射出；
8.所述第二入射面与经过光轴的平面相交截取的入射曲线上各点的斜率为负，该入射曲线从底部向上延伸至顶部的过程中，其斜率的绝对值先逐渐减小至第一拐点，后逐渐增大。
9.优选的，所述入射曲线顶端与光源中心的连线，与光轴的夹角大于25度，小于45度；所述入射曲线底端与光源中心的连线，与光轴的夹角大于75度，小于90度；所述入射曲线底端起始点的斜率绝对值不小于6。
10.优选的，所述第一拐点与光源中心的连线，与光轴的夹角不小于50度，不大于65度。
11.优选的，所述第二出射面与经过光轴的平面相交截取的出射曲线，斜率均为正，且从内向外延伸至边缘的过程中，其斜率先逐渐增加至第二拐点，后逐渐减小。
12.优选的，所述第二出射面外周边缘的口径d，与所述第二出射面边缘与光源中心的高度差h的比值满足：0.45《h/d《0.65。
13.优选的，各出射曲线的第二拐点沿周向形成的圆的直径d，与所述第二出射面外周边缘的口径d的比值满足：0.65《d/d《0.85。
14.优选的，所述出射曲线从中间向边缘扩展，最靠近中间的起始点和边缘的终点的斜率均不大于2.7。
15.优选的，所述第一入射面为一朝向光源方向凸起的曲面；所述第一出射面为远离光源方向凸起的曲面，该凸起的曲面最高点与底部最低点的高度差dh，与第一出射面外周边缘的口径d1的比例关系满足：dh/d1《0.35。
16.优选的，所述第一入射面与经过光轴的平面相交截取的截线，其边缘点的斜率不小于0.2。
17.优选的，在透镜主体的外周连接全反射面和第二出射面的外侧边缘设有一延展部，所述延展部包括平面延伸的上端光学面、竖向的侧立面和下端光学面，所述下端光学面为一先向下延伸再向上拉起的曲面。
18.优选的，所述第二入射面顶端和全反射面顶端的连线，与所述下端光学面在连线交点处的切线形成的夹角满足以下条件：该夹角大于60
°
且小于120
°
。
19.优选的，所述第一入射面、第一出射面和第二出射面中的一个或多个曲面上设有
珠点状微结构；所述第二入射面和/或全反射面为鳞片状微结构面。
20.本发明的方案中，首先通过斜率渐变的内腔侧面克服了第一类杂光并控制的透镜的高度，此外还结合了向外凸起的第一入射面和第一出射面，抑制第二类杂光。第二类杂光不需要像第一类杂光一样要完全消除，本方案将第二类杂散光“驱赶”到大于60度以外即可，在制成灯具时，可方便灯壳轻松遮挡住这部分杂光，此外还发现并克服第三类杂光。
附图说明
21.图1为本发明所称第一类杂散光产生的原理示意图；
22.图2为本发明所称第二类杂散光产生的原理示意图；
23.图3为本发明所称第三类杂散光产生的原理示意图；
24.图4为第三类杂散光的光斑效果图；
25.图5为本发明准直透镜针对第一类杂散光作用的光路原理图；
26.图6为本发明准直透镜针对第二类杂散光作用的光路原理图；
27.图7为本发明准直透镜针对第二类杂散光作用的另一光路原理图；
28.图8为本发明实施例1的准直透镜的结构示意图；
29.图9为本发明实施例2的准直透镜的结构示意图；
30.图10为本发明实施例3的准直透镜的局部结构示意图；
31.图11为本发明实施例3的准直透镜的局部结构示意图；
32.图12为本发明实施例3的准直透镜的局部结构示意图；
33.图13为本发明实施例3的准直透镜的局部结构示意图；
34.说明书附图标记：
35.第一入射面11，21，51，61；
36.第二入射面13，23，33，43，53，63；
37.第一出射面12，22，35，42，52，62；
38.第二出射面15，55，65；
39.全反射面14，34，54，64；
40.上端光学面71,81，侧立面73,83，下端光学72,82。
具体实施方式
41.下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.如图5至图9所示，本实施例的准直透镜，包括沿中心光轴旋转对称的透镜主体，主体下端设有开口朝向光源的凹腔，凹腔的顶部形成为第一入射面，凹腔的环形侧面形成为第二入射面；主体上端设有对应第一入射面的位于中部的第一出射面、对应第二入射面的位于第一出射面周侧的第二出射面，主体的周侧面形成为朝向第二出射面的全反射面；光源发出的小角度光从第一入射面射入透镜主体后，自第一出射面准直射出；光源发出的大角度光从第二入射面折射入透镜主体后被射至全反射面，全反射面再反射至第二出射面准
直射出；所述第二入射面与经过光轴的平面相交截取的入射曲线上各点的斜率为负，该入射曲线从底部向上延伸至顶部的过程中，其斜率的绝对值先逐渐减小至第一拐点，后逐渐增大。
43.所述入射曲线顶端与光源中心的连线，与光轴的夹角大于25度，小于45度；所述入射曲线底端与光源中心的连线，与光轴的夹角大于75度，小于90度；所述入射曲线底端起始点的斜率绝对值不小于6。所述第一拐点与光源中心的连线，与光轴的夹角不小于50度，不大于65度。
44.所述第二出射面与经过光轴的平面相交截取的出射曲线，斜率均为正。所述第二出射面外周边缘的口径d，与所述第二出射面边缘与光源中心的高度差h的比值满足：0.45《h/d《0.65。
45.所述第一入射面与经过光轴的平面相交截取的截线，其边缘点的斜率不小于0.2。
46.所述第一入射面、第一出射面和第二出射面中的一个或多个曲面上设有珠点状微结构；所述第二入射面和/或全反射面为鳞片状微结构面。
47.本实施例是一种基于全反射准直透镜的技术方案，设计了一种斜率不断变化的第二入射面(内腔侧面)，如图5所示。该入射曲线的斜率绝对值从底部向上的变化规律为：先逐渐变小，再逐渐变大。
48.使用这种侧面内腔曲线消除杂散光的具体原理如下：
49.首先，底部斜率绝对值逐渐减少，有助于减少如图1所述的第一类杂散光。如图1所述的第一类杂散光，最大产生在与光轴夹角较大的光线，特别是在与光轴夹角60-65度附近的光线最容易出现如图1所述的第一类杂散光。因此，从底部到顶部逐渐减少的斜率绝对值，并在第一类杂散光产生最多位置，即与光轴夹角60-65度的附近时斜率绝对值达到最小值，从而最大程度减少第一类杂散光。如图5所示：第一类杂散光经过所述入射曲线的斜率绝对值逐渐减少的内腔侧面(第二入射面)33的反射后，大部分无法从内腔侧面另一侧重新进入透镜本体，如光线311和312；即使少量进入透镜本体的光线，如图光线313，入射到全反射面时与全反射面的对应点法线方向夹角都很小了，主要能量都从全反射面34折射出透镜，使得第一类杂散光得到抑制。
50.其次，从与光轴夹角60-65度附近开始，所述入射曲线的斜率绝对值不断增加，其好处在于可以让内腔侧面(第二入射面)尽量多地控制光线，从而最大程度降低透镜主体高度，同时也降低从杯面漏过到边缘的光能量，从而也有助于降低第三类杂光。假设内腔侧面曲线为直线的情况下，所述入射曲线的斜率绝对值越大则相同角度范围的杯面口径越小，高度也越小。然而，斜率绝对值越大的情况下，第一类杂散光也越严重。因此，本实施例让底部斜率绝对值逐渐减少，然后再逐渐加大，这样可以大大弥补底部斜率较小造成的高度和口径的消耗，使得整体的高度和其他技术路线相比差别不大。
51.本实施例除了通过所述入射曲线斜率渐变克服第一类杂散光并控制透镜高度以外，还结合了双面向外凸起的第一入射面和第一出射面，抑制第二类杂散光。第二类杂散光与第一类杂散光的消除方式不同，本实施例中设计将其“驱赶”到大于60度以外即可，可以由后期的灯具的灯壳遮挡住这部分杂散光。
52.如图6所示，通过分别上下凸起的两个曲面，可以将如图6所示的第二类杂散光尽量地偏转到更大地角度。
53.如图6所示，经过内腔侧面曲面(第二入射面)43上端反射的第二类杂散光，经过更下突的曲面411折射后的光线401，相对较平的曲面412折射后的光线402，光线401的偏折角更大，因此第一入射面(内腔顶面曲面)41采用向外突出的曲面。
54.如图6和图7所示，而经过第一出射面42折射的第二类杂散光，曲面421较曲面422更平，曲面421出射的光线403较曲面422出射的光线404的偏折角越大，如图7所示。因此实施例限制了第一出射面的凸起高度即：所述第一入射面为一朝向光源方向凸起的曲面；所述第一出射面为远离光源方向凸起的曲面，该凸起的曲面最高点与底部最低点的高度差dh，与第一出射面外周边缘的口径d1的比例关系满足：dh/d1《0.35。
55.通过第一入射面和第一出射面的上述设计，可将第二类杂散光光线偏折到65度以外，从而可以方便在灯具设计时，通过灯壳完全遮挡消除。
56.基于以上的基本结构的基础上，进一步设计延伸实施例1、实施例2、实施例3的一种更具体结的构如下：
57.延伸实施例1：
58.如图8所示，为延伸实施例1的结构。透镜主体高度和口径的比例，所述第二出射面外周边缘的口径d，与所述第二出射面边缘与光源中心的高度差h的比值满足：0.45《h/d《0.65。本实施例1中，h/d大约在0.5至0.55之间。
59.在本实施例1中，准直透镜的第二入射面53与经过光轴的平面相交截取的入射曲线为一条呈现s型的曲线，曲线顶端与光源原点的连线同光轴夹角501大于30度小于35度。入射曲线的斜率小于0，斜率绝对值从底部向上逐渐减少，到达第一拐点后逐渐加大。所述第一拐点与光源中心连线，同光轴的夹角502介于50度至65度之间；在第一拐点位置斜率绝对值不大于2。
60.本实施例1中，第一入射面51和第一出射面52为向外凸起的曲面，其中第一出射面52最高点和最低点的高度差dh，与第一出射面外周边缘的口径d1的比例dh/d1约为0.3，且d1与所述第二出射面55外周边缘口径d的比值d1/d大约在0.25左右。
61.本实施例1还有一个特征，第二出射面55经光轴平面所截取的出射曲线从中部向两侧，其斜率先逐渐增加至第二拐点后逐渐减小，各出射曲线的第二拐点沿周向形成的圆的直径d与所述第二出光面外周边缘口径d的比值满足：0.65《d/d《0.85，出射曲线起始点和边缘点的斜率绝对值都不大于2.7。这样的好处是可以限制透镜高度不会太高，又会刚好使得第一类杂散光更容易从透镜杯面穿透过去。
62.延伸实施例2：
63.如图9所示，为实施例2的结构图。与实施例一相比，本实施例的区别主要在于，一是第一入射面61和第一出射面62控制的角度范围更大一些，第二出射面63顶端与光源原点的连线同光轴夹角601大于40度小于45度。
64.与实施例1相比的另一个差异在于，该实施例2的第二出光面65为从中心到边缘斜率不断增大的曲线。通过不断增加的斜率，可以保证第一类杂散光更容易从透镜侧面穿透过去。
65.延伸实施例3：
66.如图10和图11所示，本实施例作为附加特征结构，可以在前述任一实施例基础上叠加形成新的实施例。图10和图11中仅展示了具有该附加特征结构的局部示意图，未展示
完整的透镜结构全图，因其可作为附加特征结构。该附加特征结构为：
67.在透镜主体的外周连接全反射面和第二出射面的外侧边缘处设有一延展部，所述延展部包括沿水平面延伸的上端光学面71、竖向的侧立面73和下端光学面72，所述下端光学面为一先向下延伸再向上拉起的曲面。
68.所述第二入射面顶端r和全反射面顶端t的连线rt，与所述下端光学面73在连线交点t处的切线tu形成的夹角满足以下条件：60
°
《∠rtu《120
°
。
69.从透镜内腔顶部进入透镜本体无法全反射出射的原本会形成杂光32的光线711，在经过上端光学面71和侧立面73全反射后，从曲面状的下端光学面72先向下延伸的位置穿出透镜，不会再从透镜顶部全反射出去，如光路712。
70.从图示的延展部结构可以看出，延展部连结于全反射面和第二出射面的外端处，具有一定厚度，在全反射面和第二出射面的末端上下方向做了一定的过渡，且第二出射面的末端在水平方向上向外覆盖了全反射面的末端，同时，作为透镜主体一体成型的部分，恰巧角度的杂光可在透镜本体内直射至延展部，延展部作为结构边具有结构边的其他常规用途。
71.延伸实施例4：
72.如图12和图13所示，本实施例作为附加特征结构，可以在前述任一实施例基础上叠加形成新的实施例。图12和图13中仅展示了具有该附加特征结构的局部示意图，未展示完整的透镜结构全图，因其可作为附加特征结构。该附加特征结构为：
73.在透镜主体的外周连接全反射面和第二出射面的外侧边缘处设有一延展部，所述延展部包括沿水平面延伸的上端光学面81、竖向的侧立面83和下端光学面82，所述下端光学面为一先向下延伸再向上拉起的曲面。
74.所述第二入射面顶端r和全反射面顶端t的连线rt，与所述下端光学面83在连线交点t处的切线tu形成的夹角满足以下条件：60
°
《∠rtu《120
°
。
75.从透镜内腔顶部进入透镜本体无法全反射出射的原本会形成杂光的光线811，在经过上端光学面81和侧立面83全反射后，从曲面状的下端光学面82先向下延伸的位置穿出透镜，不会再从透镜顶部全反射出去，如光路812。
76.从图示的延展部结构可以看出，延展部连结于全反射面和第二出射面的外端处，具有一定厚度，在全反射面和第二出射面的末端上下方向做了一定的过渡，且第二出射面的末端在水平方向上向外覆盖了全反射面的末端，同时，作为透镜主体一体成型的部分，恰巧角度的杂光可在透镜本体内直射至延展部，延展部作为结构边具有结构边的其他常规用途。
77.可见本实施例与实施例3的区别在于第二入射面不同，第二入射面为常规入射面。
78.本实施例的其他结构不以图示为限定，附加的延展部结构可应用于多种基础结构的组合，以及可以考虑单独设置。
79.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，并不对发明构成任何限制。