一种LED用超薄透镜的设计方法技术

一种ＬＥＤ用超薄透镜的设计方法，涉及光学领域，解决将原始透镜由厚变薄的技术问题。该方法是在原始透镜的一个过光轴的截面上，以ＬＥＤ光源所在点为中心，将入射面按其对光源的张角划分成多条小段曲线；分别将上述各小段曲线上的所有点沿其对应的入射光线方向移动，移动过程中原入射线的长度以预定的比例产生放大的效果；将放大后的相邻小段曲线的首尾用沿光线方向的直线段相连接，形成一锯齿形截面；将该锯齿形截面绕其光轴旋转或沿截面的法线方向拉伸，形成螺纹形或锯齿形的片状超薄透镜。该方法不仅能够获得任意厚度的超薄透镜，而且不影响光学效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光学元件的设计方法，更具体地说，涉及一种将 LED用的光学透镜由厚变薄的设计方法。
技术介绍
光学元件是很精密的元件，制作成本也较高，但常见的光学透镜 由于设计方法的局限，其厚度一般都不会做得很薄。这样不但使用的 光学材料多，成本高，同时由于较大的厚度，使透镜对光线的吸收增 大，降低了光线利用率。因此，将光学透镜做薄做轻成了透镜设计者 追求的目标之一。菲涅尔透镜是一种薄形透镜，它一直以其轻、薄且价格低廉而得 到广泛应用。但常见的菲涅尔透镜多为等差半径的同心圆结构，其制 作也缺乏事先精确的光学设计过程，因此成像质量不是很高，有的甚 至只是简单的波纹结构，其光学质量更差。菲涅尔透镜的工作原理是将原始透镜的出射面由一平滑的曲面 变成锯齿状面，该锯齿是通过原始透镜的多条小段曲线在同一方向上 平移得到。该菲涅尔透镜虽然从厚度上看变薄了，但由于锯齿间是通 过同一方向的线段连接起来，该多条线段形成的面是光学上"无效的 部分"，也是造成杂散光的原因所在，从而也增大了光损失。同时因为上述简单的平移，也使得变薄后的透镜与原始透镜比较，其光学效 果发生了变化，从而影响透镜的使用。
技术实现思路
本专利技术为解决上述技术问题，提供了一种LED用超薄透镜的设 计方法。该方法在不影响光学效果的前提下，不仅可以在透镜强度允 许的范围内任意做薄，而且有效地减少了杂散光，提高了光线利用率。 本专利技术又提供了一种LED用超薄透镜的设计方法，该方法不仅能实 现理想厚度的透镜，而且其强度不受到影响，其杂散光更少，光线利 用率更高。为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下 一种LED用超薄透镜的设计方法，是在原始透镜的基础上得到 超薄透镜，其特征在于a、 在原始透镜的一个过光轴的截面上，以LED光源所在点为中心，将入射面按其对光源的张角划分成多条小段曲线；或在所述的 截面上，以LED光源对于入射面的虚拟像点为中心，将出射面 按其对虚拟像点的张角划分成多条小段曲线；b、 分别将上述各小段曲线上的所有点沿其对应的入射光线方向移 动，移动过程中原入射线的长度以预定的比例产生縮放的效果， 所述预定比例在所述同一小段曲线上相同，在所述不同小段曲 线上不同；c、 将縮放后的相邻小段曲线的首尾用沿光线方向的直线段相连接，形成一锯齿形截面； d、将该锯齿形截面绕其光轴旋转或沿截面的法线方向拉伸，形成 螺纹形或锯齿形的片状超薄透镜。由于本专利技术技术方案中，所述的多条小段曲线不是按照现有技术 中的薄形菲涅尔透镜那样均在同一方向上平移，而是将其沿对应的入 射光线方向移动，移动过程中原入射线的长度以预定的比例产生缩放 的效果。根据线性光学原理，移动前后的小段曲线所造成的光线折射 的方向完全相同，而且由于LED光源很小，透镜也相应较小，因此， 移动后的光线位置变化也很小，可见移动不会对整个透镜的光学效果 产生影响。并且，由于将移动后的相邻小段曲线的首尾用沿光线方向 的直线段相连接，而非按照现有技术中的薄形菲涅尔透镜那样用同一 方向的线段连接，使光线在透镜中传播时不会打到此"无效部分"去， 而有效部分仍然起到合理折射光线的作用。这样就使得杂散光减少， 透镜的光学效率也就提高了。进一步分析，对LED光源来说，由于其发光范围很小，因此可 以把它当作点光源，因此它发出的经过上述曲线上某一点的光线只有 一条。这样在用本专利技术的设计方法时，曲线移动时的方向就是唯一的。 这也正是移动后形成的透镜光学性能与移动前没有变化的原因。而且 由于连接小段曲线首尾的直线段是沿着该唯一的入射光线光线，从而 不会照射到该直线段形成的无效面上，这也在理论上实现了采用本发 明的设计方法能够做到比现有方法更有效去除杂散光的效果。所述多条小段曲线是按等张角划分的。所述多条小段曲线是按不等张角划分的。所述的预定比例是通过移动后各小段曲线的上端点或下端点位 置来确定。进一步，所述移动后各小段曲线的上端点或下端点位置位于一个 平面上。所述移动后的各小段曲线的上端点或下端点位置位于一个曲面上。上述通过事先对张角大小和对移动后各小段曲线的上端点或下 端点位置的确定，可以得到不同形状的超薄透镜，满足实际使用中对 透镜形状的特殊需求。采用上述的设计方法(称为分角度法)，当张角越小时，透镜可 以做得越薄。但这时需要考虑透镜强度的承受能力。为此，本专利技术又提供了一种LED用超薄透镜的设计方法，该方 法不仅能实现理想厚度的透镜，而且其强度不受到影响，其杂散光更少，光线利用率更高。采用的技术方案如下一种LED用超薄透镜的设计方法，是在原始透镜的基础上得到超薄透镜，其特征在于a、在原始透镜的一个过光轴的截面上，以LED光源所在点为中心， 将入射面的拱高进行等份划分，以此将入射面划分成多条小段 曲线；或在所述的截面上，以LED光源对于入射面的虚拟像点 为中心，将出射面的拱高进行等份划分，以此将出射面划分成 多条小段曲线；b、 分别将上述各小段曲线上的所有点沿其对应的入射光线方向移 动，移动过程中原入射线的长度以预定的比例产生縮放的效果， 所述预定比例在所述同一小段曲线上相同，在所述不同小段曲线上不同；c、 将縮放后的相邻小段曲线的首尾用沿光线方向的直线段相连接，形成一锯齿形截面；d、 将该锯齿形截面绕其光轴旋转或沿截面的法线方向拉伸，形成 螺纹形或锯齿形的片状超薄透镜。这种方法(称为等厚度法)与上述的分角度法相比，形成的透镜 所有锯齿的深度均相同，从而增加了透镜的强度。另外，与分角度法 相比，可以在锯齿数相同时减少透镜的厚度，或在透镜厚度相同时减 少锯齿数。由下面的分析可以知道这一结果还可以使得透镜的杂散光 减少，从而提高光利用率。由于实际加工中，锯齿的齿尖和齿尾不可能做成理想的尖，而是 有一定的圆角的，这个圆角将会影响光线使之不能达到应该达到的地 方，造成杂散光。杂散光的多少与加工的精度有关。假定锯齿的宽度 为d，齿点的圆角半径为r，并粗略认为在r范围内的光损失掉了， 则由于加工精度而引起的光损失的比例为r/d%。可见薄形锯齿透镜 的优点是以一定的光损失为代价的。但相对于其他方法设计的菲涅尔 透镜而言，本专利技术中的上述等厚度法可以相对减少这种光损失。因为 透镜在相同厚度的条件下可以有较少的锯齿数目，从而d较大，使得 r/d相对更小，光损失更少。进一步分析知道，由于光源一般是在中间部分的光强分布较大，边缘部分较小，而上述的等厚度法得到的锯 齿恰恰是在中间部分比在边缘部分有更大的锯齿，因此总体上可以有 更少的光损失和更高的光利用率。附图说明图1是原始透镜经过光轴的一个截面图2是现有技术对图1原始透镜的截面进行设计的方法示意图； 图3是按照本专利技术等分角度法对图1原始透镜的截面进行设计的 方法示意图4是应用图3的设计方法得到的透镜第一实施例示意图； 图5是应用图3的设计方法得到的透镜第二实施例示意图； 图6是按照本专利技术等厚度法对图1原始透镜的截面进行设计的方 法示意图7是应用图6的设计方法得到的透镜实施例示意图。 具体实施例方式以下通过附图对本专利技术LED用超薄透镜的设计方法进行更加详 细的描述。如图l，先根据具体的光学要求设计出原始透镜1。在本实施例 中，假定透镜的入射面ll为平面，并假定出射面12为理想的曲面。 至于如何本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＬＥＤ用超薄透镜的设计方法，是在原始透镜的基础上得到超薄透镜，其特征在于：　ａ、在原始透镜的一个过光轴的截面上，以ＬＥＤ光源所在点为中心，将入射面按其对光源的张角划分成多条小段曲线；或在所述的截面上，以ＬＥＤ光源对于入射面的虚拟像 点为中心，将出射面按其对虚拟像点的张角划分成多条小段曲线；　ｂ、分别将上述各小段曲线上的所有点沿其对应的入射光线方向移动，移动过程中原入射线的长度以预定的比例产生缩放的效果，所述预定比例在所述同一小段曲线上相同，在所述不同小段曲线上不 同；　ｃ、将缩放后的相邻小段曲线的首尾用沿光线方向的直线段相连接，形成一锯齿形截面；　ｄ、将该锯齿形截面绕其光轴旋转或沿截面的法线方向拉伸，形成螺纹形或锯齿形的片状超薄透镜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈必寿，周士康，陈鸣，
申请(专利权)人：上海三思电子工程有限公司，上海三思科技发展有限公司，嘉善晶辉光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]