技术领域

本发明涉及光学器件技术领域， 尤其涉及一种光学透镜及一种矿帽灯。

背景技术

现有 LED矿帽灯的聚光元件大部分是采用抛物面形状 的反射镜， 或者采 用全反射二次光学透镜对 LED发出的光进行会聚。

对于采用全反射二次光学透镜的 LED矿帽灯， 如图 1所示， 现有的口径 为 20mm~30mm的透镜在搭配功率为 1~3瓦、 芯片尺寸大小为 lmmxlmm左 右的 LED时， 一般只能实现最小光束角约 8。~10。， 该光束角无法实现在 1到 3米的距离产生 4000~6000Lux(勒克司）的照度。 若要达到该照度要求， 往往 需要至少三四颗的 LED, 而这对于长期作业来说， 电池电量很快就会被耗尽； 对于单颗的 LED, 如果要达到该照度要求， 其光束角必须控制在 5。以下， 然 而， 要产生 5。以下的光束角， 必须将透镜的口径增加到 50mm~60mm以上， 如果采用图 1所示的全反射透镜结构， 则需要大大地增加透镜的厚度， 这样透 镜注塑时的收缩量会 4艮大， 导致注塑成型非常困难， 而且， 随着透镜厚度的增 加， 透镜的重量也会大大地增加。

因此， 现在亟需另一种光学透镜能实现光束的窄角度 输出。

发明内容

本发明实施例提供一种光学透镜及一种矿帽灯 ，能够实现光束的窄角度输 出。

为了解决上述技术问题， 本发明实施例的技术方案如下：

一种光学透镜， 包括反射面和出光面， 其中， 以所述反射面的中心位置为 圓心， 沿所述反射面的半径方向至少设置有配光曲面 和反射曲面； 以所述出光 面的中心位置为圓心，沿所述出光面的半径方 向至少设置有菲涅尔环纹面和平 面；

所述配光曲面，用于将入射到所述反射面上的 光线折射至所述菲涅尔环纹 面以及所述平面；

所述反射曲面， 用于将入射到所述反射曲面上的光线准直反射 至所述平 面；

所述菲涅尔环纹面，用于将经所述配光曲面后 入射到所述菲涅尔环纹面上 的光线准直投射出所述出光面；

所述平面， 用于将经所述配光曲面后入射的光线全反射至 所述反射曲面， 进一步，在所述反射面的中心位置设置有第一 凸面，在所述出光面的中心 位置设置有第二凸面； 所述第一凸面与所述第二凸面满足柯勒照明条 件。

进一步，所述配光曲面对入射到所述配光曲面 的光线的配光满足以下正切 条件：

^2 = tan ^_1 (— · tan ^)

90

其中， Θ1 为入射到所述配光曲面的光线与所述光学透镜 的中心光轴间的 夹角， Θ2 为所述入射到所述配光曲面的光线经所述配光 曲面折射后的光线与 所述光学透镜的中心光轴间的夹角， Θ是所述平面的外周边缘到所述光学透镜 反射面的中心位置与所述光学透镜的中心光轴 之间的夹角。

进一步， 所述 Θ为 65° 。

进一步， 所述反射曲面上设置有屋脊棱镜阵列， 所述屋脊棱镜以所述反射 面的中心位置为圓心， 以 360。旋转排列； 所述屋脊棱镜阵列用于将入射到所 述反射曲面上的光线准直反射至所述平面。

进一步， 所述屋脊棱镜的形状为直角 V-槽结构， 入射至所述屋脊棱镜上 面； 所述直角 V-槽结构的横截面为直角三角形， 直角顶点位于所述反射曲面， 两直角边分别位于所述直角 V-槽结构的两个侧面。

进一步， 相邻两个屋脊棱镜的角度间距为 0.5°~10°。

优选地， 相邻两个屋脊棱镜的角度间距为 1。 。

一种矿帽灯， 包括前述任一项中的光学透镜和光源部件。 进一步， 所述光源部件为单颗 LED灯。

本发明实施例中的光学透镜通过上述设置，可 以将光源部件发出的光线准 直射出，形成聚焦光斑，实现了光束的窄角度 输出，而且该光学透镜的口径大、 厚度薄、 重量轻。

附图说明 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中 的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作筒单 地介绍，显而易见地， 下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1是现有技术中 LED矿帽灯的结构示意图；

图 2是本发明实施例一种光学透镜的剖面图；

图 3a是本发明实施例一种光学透镜的剖面图；

图 3b是图 3a所示实施例中光学透镜的底视图；

图 3c是图 3a所示实施例中光学透镜的俯视图；

图 3d是图 3a所示实施例中光学透镜的等轴侧视图；

图 4是图 3a所示实施例中第一凸面、 第二凸面的光路图；

图 5是图 3a所示实施例中配光曲面的配光示意图；

图 6是图 3a所示实施例中配光曲面的 Θ2与 Θ1的关系示意图；

图 7是图 3a所示实施例中光线经过菲涅尔环纹面和平面� ��光路示意图； 图 8a~8b是图 3a所示实施例中光线在屋脊棱镜内的全反射示� ��图； 图 9是装配有本发明实施例的光学透镜的矿帽灯� � 1米远处的光斑图像； 图 10是本发明实施例中的光学透镜的光线追迹示� ��图；

图 11是本发明实施例中的光学透镜在 1米远处的照度分布图；

图 12是本发明实施例的光学透镜的光强远场角度� ��布图；

图 13是装配有本发明实施例的光学透镜的矿帽灯� ��实测配光曲线图。

具体实施方式 为了使本领域技术人员能进一步了解本发明的 特征及技术内容，请参阅以 下有关本发明的详细说明与附图， 附图仅提供参考与说明， 并非用来限制本发 明。 下面结合附图和实施例， 对本发明的技术方案进行描述。

参见图 2, 为本发明实施例一种光学透镜的剖面图。

该光学透镜包括反射面 21和出光面 22, 其中， 以反射面 21的中心位置 为圓心， 沿反射面 21的半径方向至少设置有配光曲面 211和反射曲面 212; 以出光面 22的中心位置为圓心，沿出光面 22的半径方向至少设置有菲涅尔环 纹面 221和平面 222。

配光曲面 211用于将入射到反射面 21上的光线折射至菲涅尔环纹面 221 以及平面 222; 反射曲面 212用于将入射到该反射曲面 212上的光线准直反射 至平面 222。 菲涅尔环纹面 221用于将入射到该菲涅尔环纹面 221上的光线准 直射出出光面 22; 平面 222用于将经配光曲面 221后入射的光线全反射至反 光线在透镜中经过了两次折叠全反射（平面 222及反射曲面 212 ), 其可以在 较薄的厚度内实现比较长的焦距， 因此投射出的光斑可以实现窄角度输出。

光源部件发出的光线首先经过该光学透镜反射 面 21 的配光曲面 211 , 经 过配光曲面 211折射后入射至菲涅尔环纹面 221和平面 222, 入射至菲涅尔环 纹面 221的光线准直射出出光面 22, 入射至平面 222的光线， 达到平面 222 的全反射条件， 被全反射至反射曲面 212, 反射曲面 212将入射光线准直反射 后， 经平面 222投射出出光面 22。

本发明实施例中的光学透镜通过上述设置，让 光线在透镜内部经过两次折 叠反射， 其将很长的光程折叠在较薄的厚度内， 可以将光源部件发出的光线准 直射出， 形成聚焦光斑。 由于本发明实施例中光学透镜的焦距较图 1所示的现 有技术的透镜（只有一次全反射）的焦距更长 ， 根据该光学透镜满足的光束角

(全角 2Θ ) 的大小为 ^：?. ^!!- ¹ ^^ 的规律， 其实现了光束的窄角度输出，

2/ J 而且该光学透镜的口径大、 厚度薄、 重量轻。 公式中 D为芯片发光面对角线 的长度， f为透镜的焦距。 假设 LED芯片发光面对角线长度为 mm, 当焦距 f大于 16.2mm时， 其输出光束的角度小于 5°。 参见图 3a, 为本发明实施例一种光学透镜的剖面图； 图 3b为该光学透镜 的底视图； 图 3c为该光学透镜的俯视图； 图 3d为该光学透镜的等轴侧视图。 本实施例中， 该光学透镜为圓形的透镜， 包括反射面 31和出光面 32, 如 图 3a、 3b所示， 反射面包括第一凸面 311 , 配光曲面 312, 过渡曲面 313和反 射曲面 314; 如图 3a、 3c、 3d所示， 出光面包括第二凸面 321 , 菲涅尔环纹面 322和平面 323。 反射面和出光面的外周还可以设置法兰 33 , 用于与其它装置 固定等， 其对光学没有影响， 可以是任意形状。

第一凸面 311位于光学透镜的反射面 31的中心位置，用于收集 LED芯片 发出的光线， 并将光线汇聚于第二凸面 321的顶点处； 配光曲面 312为一以反 射面 31的中心位置为圓心， 环绕第一凸面 311设置的回转弧面， 用于将 LED 芯片发出的光线均匀分配于菲涅尔环纹面 322和平面 323处； 过渡曲面 313 为非光学表面， 是环绕配光曲面 312设置的回转弧面或其他类型的曲面或锥 面； 反射曲面 314为以反射面 31的中心位置为圓心， 环绕过渡曲面 314设置 第二凸面 321位于出光面 32的中心位置， 且与第一凸面 311正对， 用于 将汇聚于该第二凸面 321顶点处的光线投射出去；菲涅尔环纹面 322以出光面 32的中心位置为圓心， 环绕第二凸面 321设置， 用于将配光曲面 312分配的 入射光线准直投射出去； 平面 323以出光面 32的中心位置为圓心， 环绕菲涅 尔环纹面 322设置， 用于对配光曲面 312分配的入射光线全反射至反射曲面 314处。

其中， 第一凸面 311位于反射面的正中间， 该第一凸面 311与出光面上的 第二凸面 321的焦平面位置重合，第一凸面 311及第二凸面 321满足柯勒照明 条件， 即第一凸面 311将 LED芯片发光面的像， 成像于第二凸面 321的顶点 H位置， 而第一凸面 311的光瞳的形状则通过第二凸面 321投射到远处。 如图 4所示， 从 LED芯片发光面中心 0点位置发出的、 与该光学透镜的光轴 OZ 的夹角比较小的这一部分光线（本发明优选这 部分光线与光轴 OZ的最大夹角 为 ±15。），被第一凸面 311收集，经折射后聚焦到第二凸面 321的顶点 H位置， 并投射出去。通过第二凸面 321投射出去的光斑形状为第一凸面 311的孔径的 形状， 其为圓形， 该第一凸面 311和第二凸面 321的设置避免了由于芯片的形 状而投射出来的方形光斑。该第二凸面 321投射的光斑， 其光束半角的正切值 等于凸面 11的孔径的一半与凸面 321的焦距的比值， 其在 ±10。~±20。之间， 这 里优选这部分的光束角为 ±15。。该第一凸面 311和第二凸面 321投射的这部分 光束， 是作为环境光使用的。

配光曲面 312对从 LED芯片发光面中心 0点位置发出的、 与光轴 OZ的 夹角比较大的这一部分光线（本发明优选这部 分光线与光轴 OZ的最大夹角为

±15。~±90。之间）进行配光， 配光后光束入射到该光学透镜顶部的菲涅尔环 纹 面 322以及平面 323上。如图 5所示， 为了便于对配光曲面 312的配光原理进 行解释，假设配光曲面 312—直延伸到 OZ轴处，也即忽略中间的第一凸面 311 , 从 LED射出的光线与光轴 OZ的夹角为 Θ1 , 经过配光曲面 312配光后， 折射 光线与光轴 OZ的夹角为 Θ2 (配光角）， 那么当 Θ1从 0°至 90°变化时， Θ2的配 光满足以下正切条件：

^2 = tan ^_1 (— - tan ^)

90

其中， Θ是平面 323的外周边缘到 LED芯片发光面中心 0点 （或反射面 的中心位置） 与 OZ轴之间的夹角。 满足该正切条件， 其主要目的是将从 LED射出的 0~90。的光束比较均匀 地分布在平面 323所占的口径中。

本实施例中， 若平面 323的外周边缘到 LED芯片发光面中心 0点 （或反 射面的中心位置）与 OZ轴之间的夹角大概是 65。左右， 则 Θ2的配光满足以下 正切条件：

^2 = tan ^_1 (—— tan 65。）

90° 如图 6所示， 当 LED的出射光线从 0°至 90°变化时， 经配光曲面 312后 的折射光线按照以上的正切条件将全部分布在 0。~65。之间。

经配光曲面 312 配光后， 光束入射到该光学透镜出光面的菲涅尔环纹面 322以及平面 323上。 其中， 菲涅尔环纹面 322将其中入射角比较小的光线直 接准直射出， 如图 7所示。

另外一部分光束入射角比较大， 达到全反射条件的光线被平面 323 全反 射， 反射后入射到该光学透镜底部的反射曲面 314 上， 然后被反射曲面 314 反射后经平面 323射出， 如图 7所示。 在另一实施例中， 该平面 323上也可以 设置反射膜， 用于将入射的光线反射至反射曲面 314处。

其中， 入射到反射曲面 314的光线， 由于入射角比较小， 未能达到全反射 条件， 所以需要对该反射曲面 314进行一定的工艺处理， 以将光线反射至平面 323„

在具体实现时， 可以将该反射曲面 314上镀反射膜， 以将这部分光线再次 反射并由平面 323准直射出， 但是， 增加镀膜工艺不仅增加了制作成本， 而且 反射膜在矿区的强酸强碱的恶劣环境下容易脱 落。

当然也还可以通过其它工艺实现反射曲面 314对入射光线的全反射， 例 如， 在本实施例中， 在反射曲面 314上设置了微小的屋脊棱镜（Roof Prisms ) 阵列， 结构相同的微小屋脊棱镜以 LED芯片发光面的中心 0点（或以反射面 31的中心位置） 为圓心， 按照 360°做旋转阵列。 该屋脊棱镜阵列用于将入射 到反射曲面 314上的光线准直反射至平面 323。 每个微小屋脊棱镜的形状都为 相同的直角 V-槽结构， 入射至屋脊棱镜上的光线依次在直角 V-槽结构的两个 侧面进行全反射后准直入射至平面 323 , 并经平面 323准直射出。

光线在微小屋脊棱镜内的全反射原理如图 8a~8b所示，以一个屋脊棱镜为 例， 该直角 V-槽结构的横截面为直角三角形， 直角顶点位于反射曲面 314, 两 直角边分别位于直角 V-槽结构的两个侧面， 垂直于 V-槽结构的剖面轮廓线 Q1P1R1为一个直角三角形， 其底部夹角 ZQ1P1R1为 90°的直角。 因此， 入射 到反射曲面 314的光线 BC1 , 其可以在直角 V-槽结构的屋脊棱镜内做两次全 反射， 首先是被屋脊棱镜的第一侧面 P1Q1Q2P2全反射， 反射光线为 C1C2, 然后被屋脊棱镜的第二侧面 P1R1R2P2全反射，反射光线为 C2D,该反射光线 最后通过平面 323准直射出。

该屋脊棱镜（Roof Prisms ) 阵列， 理论上可以做到 100%的全反射， 没有 光能的损耗。 相邻两个微棱镜的角度间距可以为 0.5。~10。， 角度距离即微小屋 脊棱镜围绕光轴 OZ为中心轴作回转阵列， 相邻两个棱镜的脊线围绕光轴 OZ 所形成的夹角。 本发明优选相邻两个微棱镜的角度间距为 1°。

如图 9所示，为装配有本发明实施例的光学透镜的� �帽灯在 1米远处的光 斑的照片， 可以看出光斑非常干净、 过渡柔和， 没有任何杂散光。 光斑由中间 一个非常亮的圓形亮斑， 以及外圏稍暗的一个圓形光斑组成， 其中， 中间非常 亮的圓形亮斑， 由设置了微小的屋脊棱镜（Roof Prisms )阵列的反射曲面 314 所产生， 另外位于亮斑外圏稍暗的一个圓形光斑， 其由光线透镜的第一凸面 311、 第二凸面 321以及菲涅尔环纹面 322所产生。

以下为本发明实施例中的光学透镜的计算机模 拟， 假设 LED 为飞利浦

( philips ) 的 Luxeon Rebel DS56 LED, 单颗 LED的光通量为 90流明。 图 10 为本发明实施例中的光学透镜的光线追迹， 图 11为 1米远处的照度分布， 可 以看出光斑的形状为圓形， 光斑大小约 φΙΟΟιηιη左右， 屏幕上最大的照度值为 16100.2187 Lux, 屏幕上收集的光通量为 77.2796469135825820 流明， 即透镜 的光学效率约为：

η=77.2796469135825820/90·100%=85.8662743484250911111111111 11111% 图 12为本发明实施例的光学透镜的光强远场角度� ��布， 即配光曲线， 峰 值光强一半位置处的光束角宽度约为 ± 1.7。。 图 13 为装配有本发明实施例的 光学透镜的矿帽灯的实测配光曲线， 所用的稳压电流为 105mA, 测得光斑在 峰值光强一半位置处的光束角全角约为 3.3。。

本发明实施例中的光学透镜通过上述结构实现 了光束的窄角度输出，而且 透镜的口径大、 厚度薄、 重量轻。 只需一颗 LED灯即可达到照度要求， 而且 可实现长时间作业。该光学透镜无需设置反射 膜，避免了反射膜在强酸及强碱 等恶劣的环境下， 容易出现的脱落， 或生锈、 腐蚀情况。

本发明实施例还提供了一种矿帽灯，包括光源 部件及固定在该光源部件外 部的光学透镜， 该光源部件可以是 LED等， 该光学透镜可以是上述实施例中 所述的光学透镜， 具体细节请参见前述实施例的描述， 此处不再赘述。

以上所述的本发明实施方式， 并不构成对本发明保护范围的限定。任何在 本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替 换和改进等， 均应包含在本发明 的权利要求保护范围之内。