专利名称：一种光学透镜及一种矿帽灯的利记博彩app
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I所示，现有的口径为20mm 30mm的透镜在搭配功率为I 3瓦、芯片尺寸大小为l_xImm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I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I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很大，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—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圆心，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圆心，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，并将经所述反射曲面后准直入射的光线准直投射出所述出光面。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92 = tan 1 (― tan 6)
90其中，0 I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，02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，e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0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圆心，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的光线依次在所述直角V-槽结构的两个侧面进行全反射后准直入射至所述平面；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，包括如权利要求I至8中任意一项所述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。
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简单地介绍，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I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0 2与0 I的关系示意图；图7是图3a所不实施例中光线经过菲捏尔环纹面和平面的光路不意图；图8a飞是图3a所示实施例中光线在屋脊棱镜内的全反射示意图；图9是装配有本发明实施例的光学透镜的矿帽灯在I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意图；图11是本发明实施例中的光学透镜在I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分布图；图13是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图。
具体实施例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的中心位置为圆心，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的中心位置为圆心，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射曲面212，并将经反射曲面212后准直入射的光线准直射出出光面22。由于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I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20 )的大小为
20 2 GiT1 的规律，其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。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，该光学透镜为圆形的透镜，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的中心位置为圆心，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的中心位置为圆心，环绕过渡曲面314设置的回转弧面，用于将入射至反射曲面314上的光线准直反射至平面323处。
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的中心位置为圆心，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的中心位置为圆心，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的最大夹角为土 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，其为圆形，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0 1，经过配光曲面312配光后，折射光线与光轴OZ的夹角为0 2 (配光角)，那么当0 1从0°致90°变化时，9 2的配光满足以下正切条件62 = tan 丨(― tan 0)
90 '其中，0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(T90°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0 2的配光满足以下正切条件
.(91
62 = tan 1 (--tan 65。)
90°如图6所示，当LED的出射光线从0°致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
/Jn o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)为圆心，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飞所示，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QlPlRl为一个直角三角形，其底部夹角Z QlPlRl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矿帽灯在I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圆形亮斑，以及外圈稍暗的一个圆形光斑组成，其中，中间非常亮的圆形亮斑，由设置了微小的屋脊棱镜(Roof Prisms)阵列的反射曲面314所产生,另外位于亮斑外圈稍暗的一个圆形光斑，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 DS56LED，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I米远处的照度分布，可以看出光斑的形状为圆形，光斑大小约(MOOmm左右，屏幕上最大的照度值为16100. 2187Lux，屏幕上收集的光通量为77. 2796469135825820流明，即透镜的光学效率约为11=77. 2796469135825820/90 100%=85. 866274348425091111111111111111%图12为本发明实施例的光学透镜的光强远场角度分布，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。
权利要求
1.一种光学透镜，其特征在于，包括反射面和出光面，其中，以所述反射面的中心位置为圆心，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圆心，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，并将经所述反射曲面后准直入射的光线准直投射出所述出光面。
2.根据权利要求I所述的光学透镜，其特征在于，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。
3.根据权利要求I所述的光学透镜，其特征在于，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 其中，0 1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，0 2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，e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。
4.根据权利要求3所述的光学透镜，其特征在于，所述0为65°。
5.根据权利要求I所述的光学透镜，其特征在于，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圆心，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。
6.根据权利要求5所述的光学透镜，其特征在于，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的光线依次在所述直角V-槽结构的两个侧面进行全反射后准直入射至所述平面；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。
7.根据权利要求5所述的光学透镜，其特征在于，相邻两个屋脊棱镜的角度间距为0.5。 10°。
8.根据权利要求7所述的光学透镜，其特征在于，相邻两个屋脊棱镜的角度间距为1° O
9.一种矿帽灯，其特征在于，包括如权利要求I至8中任意一项所述的光学透镜和光源部件。
10.根据权利要求9所述的矿帽灯，其特征在于，所述光源部件为单颗LED灯。
全文摘要
本发明实施例提供一种光学透镜及一种矿帽灯。一种光学透镜，包括反射面和出光面，以所述反射面的中心位置为圆心，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圆心，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，并将经所述反射曲面后准直入射的光线准直投射出所述出光面。
文档编号F21Y101/02GK102748712SQ20121024382
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者江文达, 蒋金波 申请人:惠州元晖光电股份有限公司