本发明涉及一种光学透镜， 尤其涉及一种多面体的二次光学透镜。 背景技术

现有的发光二极管 （LED) 射灯透镜大部分为全反射透镜， 其形式为单 个的、 3合 1或者多合 1组合的。 其透镜单元基本上为中间有一个聚光用的 光滑非球面， 外侧有一个光滑的全反射面， 上表面的出光面为光滑的平面。 对于配光角度较大、 或者要求混光的射灯， 有的透镜的出光面则设计为蜂窝 状的微透镜阵列。 这些全反射透镜有一些缺点， 包括：

1、 透镜单元中间聚光用的光滑的非球面， 由于成像的作用， 经过它投 射出来的光斑会有 LED芯片的方形的影子， 非常的不美观；

2、透镜单元外侧光滑的全反射面， 虽然可以投射出圆形的光斑， 但由于 其属于下边小、 上边大的全反射棱镜， 基于棱镜的色散效应， 有时候投射出 来的光斑会有中间和边缘色温不一致的情况； 以及

3、至于那些出光面设置有蜂窝状微透镜阵列� �全反射透镜， 虽然混光可 以做得比较均匀，但由于出光面微透镜阵列的 菲涅尔损耗，效率相对比较差。

基于以上这些问题， 本发明提出了一种透镜单元出光面为平面、 中间折 射部分的底面附有许多微透镜、 以及外侧全反射面采用钻石形的多面体鳞片 设计的二次光学透镜。 其可以改善投射出 LED芯片的方形影子、 以及光斑 中间及光斑边缘色温不一致的问题。 发明内容

为了解决以上问题， 本发明提供了一种用于 LED射灯的二次光学透镜， 包括： 至少一个透镜单元； 位于所述至少一个透镜单元的中间位置的折射 部 分， 所述折射部分在底面上具有凸面， 其上附有多个微透镜； 位于所述至少 一个透镜单元的外圈上的全反射部分，所述全 反射部分包括一个稍带拔模斜 度的圆柱形入射面； 位于外侧的全反射面， 所述全反射面采用钻石形的多面 体鳞片设计； 以及具有光滑平面的顶面， 其作为出光面。 优选地， 所述多个微透镜是微透镜阵列， 除了起到聚光的作用之外， 还 可以将投射出来的方形的 LED芯片影子修正为圆形的光斑， 并且造成混光。

优选地， 所述全反射部分的外侧全反射面的钻石形多面 体鳞片造成混 光， 以消除光斑中心及边缘的色温差异。

优选地， 在所述至少一个透镜单元的底部还包括多个开 槽或者装配卡 脚。

优选地， 所述微透镜阵列在局部范围造成混光， 经过所述至少一个透镜 单元的折射部分输出后， 光束以光轴 OZ为中心线并以 ±9的光束角射出， 所述 Θ角在 5°~22.5°之间。

优选地， 所述微透镜阵列的单个微透镜具有这样的混光 条件， 包括： OP 经过微透镜中心点折射后，其折射光线沿着平 行于光轴 OZ的方向准直射出， 其出射光线为 QR; 而边缘光线 OP1及 OP2经过微透镜的边缘折射后， 先在 所述单个微透镜内部会聚一次， 然后再经过顶面折射出去， 其出射光线分别 为 Q1R1及 Q2R2,其中 Q1R1及 Q2R2与中心光线 QR的夹角分别为士 Θ角。

优选地， 所述全反射面具有这样的配光条件， 包括： 入射到其最底端 A 的光线， 经过全反射面反射再经过顶面输出后与光轴 OZ成 -Θ/2角； 入射到 其最顶端 B的光线，经过全反射面反射再经过顶面输出� �与光轴 OZ成 Θ角； 入射到全反射面的其他位置的光线， 其输出光线与光轴 OZ的夹角则根据比 例平均地分配在 -Θ/2 至 Θ角之间； 其中所有经过全反射面反射再经过顶面输 出的光线， 其与光轴 OZ的夹角都分布在士 Θ的范围之内。

优选地， 所述全反射面上的单个钻石形鳞片具有混光条 件， 包括： 其输 出的边缘光线 T1U1、 T2U2以中心光线 TU为轴心产生士 ΔΘ角的扩散， 其中 士 ΔΘ为扩散角， 其在 ±3°~±5°之间。

优选地，所述透镜可以是由至少一个透镜单元 组成的以下组中的任何一 个： 1个透镜、 2合 1透镜、 3合 1透镜、 4合 1透镜、 5合 1透镜、 7合 1 透镜以及数十合 1的组合透镜。

优选地， 将多个透镜单元连接在一起的平台的下表面为 非光学表面， 上 面可以作磨砂或装饰性的微结构处理。

优选地， 在将所述多个透镜单元连接在一起的平台的下 方， 应用卡脚将 透镜定位并固定于印刷电路板上。 附图说明

参照以上和以下的描述并与附图结合起来考虑 可以更好地理解本发明所 呈现的特征， 从而能更加快地明了这些特征， 其中：

图 1为根据本发明的透镜单元的剖面图；

图 2分别示出了图 1所示透镜单元的正视图、 等轴侧视图、 俯视图、 侧 视图和底视图；

图 3是示出了根据本发明的透镜单元的设计原理� �剖面图；

图 4是示出了底面单个微透镜的混光原理的剖面� �；

图 5是示出了外侧全反射面的钻石形鳞片的混光� �理的剖面图； 图 6分别示出了根据本发明的 3合 1透镜的正视图、 等轴侧视图、 俯视 图、 侧视图和底视图；

图 7 示出了根据本发明的 3合 1透镜在 A— A方向的剖面图； 图 8分别示出了根据本发明的 4合 1透镜的正视图、 等轴侧视图、 俯视 图、 侧视图和底视图；

图 9示出了根据本发明的 3合 1透镜的光线追迹；

图 10示出了根据本发明的 3合 1透镜在 1米远处的照度等高线分布图； 以及

图 11示出了根据本发明的 3合 1透镜的光强的远场角度分布 （配光曲

具体实施方式

本发明提供了一种用于 LED射灯的二次光学透镜，其透镜单元的剖面图 如图 1所示， 几个 3维透视图如图 2所示。透镜单元由中间的折射部分及外 圈全反射部分组成。折射部分的底部为一个附 有微透镜阵列的凸面 11， 除了 起到聚光的作用之外， 还可以将投射出来的方形的 LED芯片影子修正为圆 形的光斑， 同时还起到混光作用。 外圈全反射部分包括一个稍带拔模斜度的 圆柱形入射面 12、 以及外侧的全反射面 13组成，该外侧全反射面 13采用钻 石形的多面体鳞片设计， 其起到混光作用， 可以消除光斑中心及边缘的色温 差异； 该透镜单元的顶面 14为光滑的平面， 其为出光面。

透镜单元的底部可以根据 LED 的外形和结构特征设置一些开槽或者装 配卡脚。 譬如， 如果 LED是 Philips的 Luxeon A， 那么它的 LED基板上有 一小小的凸起， 要在装配期间避开这个凸起， 那么可以在透镜底部做一个很 小的开槽， 如图 1中的开槽 15， 但如果 LED是 Cree的 XPG, 因为其基板 上面没有小的凸起， 那么可以去掉透镜底部的开槽 15。

本发明所涉及的用于 LED射灯的二次光学透镜，其透镜单元的设计原 理 如图 3所示。 从 LED芯片发光面中心 0点射出的一部分靠近光轴 OZ的光 线直接入射到 LED上方的透镜单元中间折射部分的底面 11上， 经过其上面 的微透镜阵列进行一次混光之后， 再经过透镜单元顶部的顶面 14射出。 底 面 11 整体上为凸面， 其起到聚光作用， 由于其上面还附有许多微透镜， 因 而还可以进行局部范围的混光。 经过该透镜单元的折射部分输出后， 光束以 光轴 OZ为中心线并以 ± 9的光束角射出。

从 LED芯片发光面中心 0点射出的另外一部分光线与光轴 OZ有较大的 夹角。 所述光线入射到侧面的圆柱面 12上。 然后所述光线经过圆柱面 12折 射后再入射到透镜单元外侧的全反射面 13上。全反射面 13满足这样的配光 条件：

1 ) 入射到其最底端 A点的光线， 经过全反射面 13反射再经过平面 14 输出后与光轴 OZ成 -Θ/2角；

2) 入射到其最顶端 B点的光线， 经过全反射面 13反射再经过平面 14 输出后与光轴 OZ成 Θ角； 以及

3 ) 入射到全反射面 13的其他位置的光线， 其输出光线则根据比例平均 地分配在与光轴 OZ成 -Θ/2至 Θ角之间。

这样， 所有经过全反射面 13反射的一圈光线经过平面 14输出后都分布 在士 Θ的范围之内。

上述透镜单元的中间折射部分以及外圈全反射 部分这两部分的输出光线 叠加后可以产生士 Θ范围内的比较均匀的光斑分布。 Θ角在 5°~22.5°之间， 本 实施方案中优选 Θ为 10°, 即透镜单元的输出光束全角 2Θ为 20°。

透镜单元中间折射部分的底面的单个微透镜的 混光原理如图 4所示。 OP 为从 LED芯片发光面中心 0点射出的入射到单个微透镜 111中心的光线、 OP1为从 LED芯片发光面中心 0点射出的入射到单个微透镜 111左侧边缘 的光线、 OP2为从 LED芯片发光面中心 0点射出的入射到单个微透镜 111 右侧边缘的光线。 因为微透镜 111是附加于凸面 11上的， 它的中心点处的 切平面是倾斜的， 其混光满足以下条件： OP经过微透镜 111的中心 P点折 射后， 其折射光线沿着平行于光轴 OZ的方向准直射出， 其出射光线为 QR。 而边缘光线 OP1及 OP2经过微透镜 111的左右边缘折射后， 先在透镜内部 会聚一下， 然后再经过出射面 14输出， 其出射光线分别为 Q1R1及 Q2R2, Q1R1及 Q2R2与中心光线 QR的夹角分别为士 Θ角。

透镜单元外圈全反射部分的钻石形鳞片的混光 原理如图 5所示。图中 131 为外侧全反射面的一个钻石形鳞片， 其为一个小平面， 其几何中心点位于 S 点， S1点 及 S2点 分别位于该鳞片的上边缘及下边缘。 从 LED芯片发光 面中线点 0发出的光线，经过鳞片中心点 S反射的光线，其输出光线为 TU, TU与光轴 OZ的夹角根据图 3所述的设计原理进行配光。 从 LED芯片发光 面中线点 0发出的光线， 经过鳞片上边缘点 S1反射的光线， 其输出光线为 TlUl o 从 LED芯片发光面中线点 0发出的光线， 经过鳞片下边缘点 S2反 射的光线， 其输出光线为 T2U2。 由于钻石形鳞片 131为一个小平面， 其反 射后输出的边缘光线 T1U1及 T2U2会以中心光线 TU为轴心产生士 ΔΘ角的 扩散。 士 ΔΘ为小角度的扩散， 对于口径为 5mm 的透镜， 当鳞片的大小在 0.5mm~1.5mm之间时，其所产生的扩散角在 ± 3°~±5°之间。本实施方案中， 透镜单元外侧全反射面从底部到顶部其鳞片大 小是从 0.6mm左右至 1.3mm 左右渐变的。这可以产生以中心光线 TU为轴心的 ±4°~±5°的混光效果， 从 而可以产生柔和舒适并且色温均匀的光斑。

当输出的光通量要求比较高时， 有时候一颗 LED难以满足要求， 这时往 往需要用几个透镜单元拼成一体的组合透镜， 因此其可以是 2合 1、 3合 1 的透镜。 另外也可以是 4合 1、 5合 1、 6合 1、 7合 1的透镜， 用作户外投 光灯时， 还可以是数十个透镜单元组合在一起的透镜。 图 6为 3合 1透镜的 3维视图， 图 7为该透镜在 A— A方向的剖面图。 图中 32为用于定位、将透 镜固定于印刷电路板 （PCB ) 上的装配用的卡脚； 附图标记 31表示将 3个 透镜连接在一起的平台的下表面， 其为非光学表面， 上面可以作磨砂或装饰 性的微结构处理。

图 8为 4合 1透镜的 3维视图， 其将 4个透镜单元拼接在一起， 将 4个 透镜连接在一起的平台的下表面 41，其为非光学表面，上面可以作磨砂或装 饰性的微结构处理。 附图标记 42表示用于定位、 将透镜固定于 PCB板上的 装配用的卡脚。

多合 1 透镜的光斑形状以及配光曲线分布形状与单个 透镜单元完全一 样， 只是光强值及照度值根据透镜数量的多少为透 镜单元的整数倍。

图 9为 3合 1透镜的计算机模拟及光度分析。 所述 LED为 Phi l ips的 Luxeon A， 单颗 LED的光通量为 160流明， 工作电流为 700mA， 图 9_图 11 分别为 3合 1透镜的光线追迹、 1米远处的照度分布、 配光曲线。 理论计算 所得 3合 1透镜的坎德拉 /流明比为 6. 8625cd/lm， 峰值光强为 3036. 6cd， 1 米远处峰值照度为 3242. 0 lux, 不计算材料本身的损耗， 透镜的光学效率为 η=442. 491m (屏幕) /4601m (输出） =96. 19%。

本领域的普通技术人员应理解的是， 可以对在特定实施例中所显示的本 发明进行各种变化和 /或改变， 而不超出如宽泛地描述的本发明的范围或精 神。 因而本发明实施方式的所有方面应认为是示意 性而非限定性的。