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CN102901045A - 用于大功率led光源的菲涅尔透镜 - Google Patents

用于大功率led光源的菲涅尔透镜 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于大功率LED光源的菲涅尔透镜，包括环纹菲涅尔面，该环纹菲涅尔面的背面是基面，其中，基面是由多个蝇眼透镜单元排列而成的蝇眼透镜阵列面。该菲涅尔透镜适用于大功率LED光源或者光源阵列，通过环纹菲涅尔面和蝇眼透镜阵列面的结合，可以将菲涅尔透镜的聚光作用和蝇眼透镜阵列的混光作用结合起来，在几乎不改变菲涅尔透镜的光束角的情况下，对输出光束进行小角度范围的混光，从而将出射光斑修正为圆形的均匀光斑。

Description

用于大功率LED光源的菲涅尔透镜
技术领域
本发明涉及一种菲涅尔透镜，尤其涉及一种用于大功率LED光源或者光源阵列的菲涅尔透镜，属于影视照明灯具领域。
背景技术
菲涅尔透镜也称螺纹透镜，其特点是镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆（即环纹菲涅尔面）。菲涅尔透镜在投影显示、聚光聚能、照明光学等领域得到广泛应用。例如传统的大功率投光灯一般由HID光源（高密度气体放电灯）及具有较大尺寸的菲涅尔透镜组成。由于HID光源是360°发光，其中只有一小部分的光可以通过前方的菲涅尔透镜实现会聚，光能的利用率比较低。因此，为了增加光能的利用率，需要在HID光源的后面放置一个球形的反射镜。然而，HID光源的温度非常高，容易将结构件表面的黑漆烤化后蒸发，蒸发后的化学物质会玷污反射镜以及菲涅尔透镜，从而降低反射镜的反射率及菲涅尔透镜的透过率。因此，传统大功率投光灯的光衰十分严重，寿命也比较短。
目前，由于功率型LED光源的技术已经比较成熟，并且在很多领域有了广泛的应用，越来越多的大功率投光灯开始改用多芯片集成的大功率LED光源或者是多颗LED组成的光源阵列。此类光源仅在前方180°的范围内发光，其光强的远场角度分布（即配光曲线）为郎伯型，峰值光强一半位置处的光束全角宽度大约为120°，因此不需要在光源后再放置一个球形的反光杯，而只用一个菲涅尔透镜就可以收集大部分的光线。
在现有技术中，用于灯具的菲涅尔透镜的结构都比较相似，均包括入射面和与入射面相对的折射凹面。其中，入射面是光滑的面，折射凹面是由多个同心设置的圆环凹槽分割而成的环纹菲涅尔面，该环纹菲涅尔面对入射光线有会聚的作用。例如公开号为CN102537832A的中国发明申请中公开的菲涅尔透镜，即是其中的一个例子。由于菲涅尔透镜对多芯片集成的大功率LED光源或者是多颗LED组成的光源阵列仅具有光线会聚的作用，当这种菲涅尔透镜用于大功率LED投光灯，并且当光源位于菲涅尔透镜的焦平面位置时，菲涅尔透镜会投射出整齐排列的一颗颗LED芯片或者一颗颗LED的像，而不是圆形的均匀光斑。虽然通过离焦可以改善光斑的形状，但离焦后光束角就会变得比较大，而且由于色差的存在，有时光斑边缘还会出现黄圈。因此，菲涅尔透镜的结构限制了其在大功率LED灯具领域的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种改进的菲涅尔透镜。该菲涅尔透镜尤其适合在大功率LED光源或者光源阵列中使用。
为了达到上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：
一种菲涅尔透镜，包括环纹菲涅尔面，所述环纹菲涅尔面的背面是基面，其中，所述基面是由多个蝇眼透镜单元排列而成的蝇眼透镜阵列面。
较优地，所述蝇眼透镜单元以所述基面的光轴为中心，呈环形分布在所述基面上。
较优地，各所述蝇眼透镜单元具有相同的混光角度。
较优地，所述混光角度在2°～5°之间。
较优地，所述基面为平面、圆弧面、非球面中的任意一种。
较优地，所述基面为内凹的圆弧面。
较优地，所述蝇眼透镜阵列面与所述基面一体成型。
本发明提供的菲涅尔透镜光源阵列通过环纹菲涅尔面和蝇眼透镜阵列面的结合，可以将菲涅尔透镜的聚光作用和蝇眼透镜阵列面的混光作用结合起来，在几乎不改变菲涅尔透镜的光束角的情况下，对输出光束进行小角度范围的混光，从而将出射光斑修正为圆形的均匀光斑。当光源从透镜的焦平面位置一直调至靠近透镜下表面时，输出光束的光束角从小连续变到大，输出光斑可以从聚光连续变到泛光，一直保持比较均匀的变化，无明显的亮环和暗斑。
附图说明
图1为本发明提供的菲涅尔透镜的俯视图；
图2为本发明提供的菲涅尔透镜的仰视图；
图3为本发明提供的菲涅尔透镜的主视图；
图4为图3所示结构的剖面图；
图5为图4中A部的局部放大图；
图6为本发明提供的菲涅尔透镜的混光原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步的详细说明。
结合图1至图4可知，本发明提供的菲涅尔透镜包括圆形的环纹菲涅尔面1和基面2，环纹菲涅尔面1的背面是基面2。其中，基面2是由多个蝇眼透镜单元密集排列而成的蝇眼透镜阵列面3。因为在基面2上，多个蝇眼透镜单元以阵列的形式密集排列，类似于蝇眼，故将其称为蝇眼透镜阵列面3。在本发明的一个实施例中，多个蝇眼透镜单元在基面2上，以光轴为中心、呈环形排列成阵列。在该菲涅尔透镜中，基面2为光线入射面，环纹菲涅尔面1为光线射出面。从多颗LED组成的LED光源阵列5的光源中心发出的光线，经过基面2折射后，入射到环纹菲涅尔面1上。其中，蝇眼透镜阵列面3对光线起小角度混光的作用，环纹菲涅尔面1对光线起折射会聚的作用。
基面2的形状可以是平面、圆弧面、非球面中的任意一种。该蝇眼透镜阵列面3与基面2一体成型。在本发明的一个实施例中，基面2是内凹的圆弧面（参见图4所示的剖面图和图5所示的A部放大图），环纹菲涅尔面1是向外凸出的圆弧面。其中，基面2是入射面。与平面结构相比，内凹的圆弧面具有更大的数值孔径角，可以收集更多的光能量。
在该蝇眼透镜阵列面3上排列的多个蝇眼透镜单元用于对入射的光线进行折射，达到小角度混光的目的。该蝇眼透镜阵列面3中的所有蝇眼透镜单元具有相同的混光角度，该混光角度由蝇眼透镜单元的数值孔径角的数值决定。在该菲涅尔透镜中，混光角度Δθ以介于2°～5°之间为宜。较佳地，可以采用3°作为蝇眼透镜阵列的混光角度。
如图4和图6所示，将LED光源阵列5安装在该菲涅尔透镜的焦平面上，从该LED光源阵列5的光源中心发出的光线，经过内凹圆弧形的基面2折射后，入射到上表面的环纹菲涅尔面1上，其中，蝇眼透镜阵列面3对LED光源阵列5发射的光线有小角度混光的作用。下面，以图6所示的单个蝇眼透镜单元的混光原理为例进行说明。
从LED光源阵列5的光源中心O点发出的光线OP，入射到一个蝇眼透镜单元的中心点P上，其折射光线PQ入射到环纹菲涅尔面1的一个斜面上，经过环纹菲涅尔面1的斜面折射后，其出射光线QR沿着与光轴OZ平行的方向准直射出。从LED光源阵列5的光源中心O点发出、入射到该蝇眼透镜单元边缘的光线OP1及OP2，经折射后的光线P1Q1及P2Q2再经过环纹菲涅尔面1的斜面折射后，其出射光线Q1R1与Q2R2先交叉到一点，然后与出射光线QR成±Δθ角射出。其中±Δθ等于蝇眼透镜单元的混光角度。所有的蝇眼透镜单元具有相同的混光角度，这样可以保证射出光束获得比较均匀的混光。该蝇眼透镜单元的尺寸可以依据加工条件来确定。蝇眼透镜单元的曲率半径，可以根据蝇眼透镜单元的数值孔径来确定。每个蝇眼透镜单元的数值孔径满足：N.A.＝nsin(Δθ)，公式中，N.A.为蝇眼透镜单元的数值孔径，n为介质折射率，对于空气，其数值为1，Δθ为混光角度。根据该公式以及蝇眼透镜单元的直径，可以计算出每一个蝇眼透镜单元的曲率半径。
综上可知，本发明提供的菲涅尔透镜，通过环纹菲涅尔面和蝇眼透镜阵列面的结合，可以将菲涅尔透镜的聚光作用和蝇眼透镜阵列的混光作用结合起来，在几乎不改变菲涅尔透镜的光束角的情况下，对输出光束进行小角度范围的混光，消除投射光斑中整齐排列的一颗颗LED的像，并将出射光斑修正为圆形的均匀光斑，适用于多颗LED组成的光源阵列。同时，该菲涅尔透镜还适用于由多芯片集成的大功率LED光源，其中，蝇眼透镜阵列面对该大功率LED光源具有相同的小角度混光作用，可以消除出射光斑中整齐排列的一颗颗LED芯片的像，并将其出射光斑修正为圆形的均匀光斑。
如果使用传统的菲涅尔透镜，当光源位于焦平面位置时，投射的光斑中存在LED芯片或LED的影子，虽然通过离焦可以改善光斑的形状，但离焦后光束角就会变得比较大，而且由于色差的存在，有时光斑边缘还会出现黄圈。而使用本发明所提供的菲涅尔透镜，当菲涅尔透镜相对于大功率LED光源移动时，可以有效地消除环状光圈以及由于色差引起的光斑边缘的黄圈。当LED光源阵列从透镜的焦平面位置一直调至靠近透镜下表面时，可以实现光束角从小到大、光斑从聚光到泛光的连续变化，而且一直保持比较均匀的变化，无明显的亮环和暗斑。
上面对本发明所提供的菲涅尔透镜进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (8)

1.一种菲涅尔透镜，包括环纹菲涅尔面，所述环纹菲涅尔面的背面是基面，其特征在于：
所述基面是由多个蝇眼透镜单元排列而成的蝇眼透镜阵列面。
2.如权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于：
所述蝇眼透镜单元以所述基面的光轴为中心，呈环形分布在所述基面上。
3.如权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于：
所述蝇眼透镜单元具有相同的混光角度。
4.如权利要求3所述的菲涅尔透镜，其特征在于：
所述混光角度在2°～5°之间。
5.如权利要求4所述的菲涅尔透镜，其特征在于：
所述混光角度为3°。
6.如权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于：
所述基面为平面、圆弧面、非球面中的任意一种。
7.如权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于：
所述基面为内凹的圆弧面。
8.如权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于：
所述蝇眼透镜阵列面与所述基面一体成型。
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