一种准直透镜及其设计方法.pdf

本发明公开了一种薄型准直透镜及其设计方法。所述准直透镜为旋转对称结构，光源中心设置在旋转对称轴上，该透镜包括入射面、第一反射面、第二反射面和出射面。所述第一反射面位于入射面和第二反射面之间，所述光源发出的光线经过三个部分，第一部分光线不经过任何光学介质从透镜顶部出射面出射；第二部分光线经过所述入射面折射后再经出射面的全反射后入射到所述第二反射面，然后经所述第二反射面的反射后从出射面出射；第三部分光线经过所述入射面折射后进入第一发射面，通过所述第一发射面的全反射从出射面出射。上述透镜可解决现有技术中透镜体积与重量很大的缺陷，降低了透镜的制造成本。

1.一种准直透镜，所述准直透镜为旋转对称结构，光源中心设置在透镜旋转对称轴上，
该透镜包括入射面、第一反射面、第二反射面和出射面，其特征在于：
所述第一反射面位于入射面和第二反射面之间，所述光源发出的光线经过三个部分，
第一部分光线不经过任何光学介质从透镜顶部出射面出射；第二部分光线经过所述入射面
折射后再经出射面的全反射后入射到所述第二反射面，然后经所述第二反射面的反射后从
出射面出射；第三部分光线经过所述入射面折射后进入第一发射面，通过所述第一发射面
的全反射从出射面出射。
2.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述入射面被经过旋转对称轴的平面
所截形成的曲线为一由初等函数表达的曲线，曲线方程为h＝f(x),其中h为纵坐标即高度
方向坐标，x为横坐标即横向扩展方向的坐标。
3.根据权利要求2所述的准直透镜，其特征在于，所述入射面被经过旋转对称轴的平面
所截形成的曲线为一直线。
4.根据权利要求2所述的准直透镜，其特征在于，所述入射面被经过旋转对称轴的平面
所截形成的曲线的斜率从靠近光轴到远离光轴逐渐减小。
5.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述的第一反射面和第二反射面的斜
率均从透镜的底部向上逐渐增加。
6.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述的第一反射面为光滑曲面，所述
反射面最高点(x_P0，y_P0)在一直线下方，直线方程为：
$y=\frac{2H_0-h_0-y_{Q0}}{x_0-x_{Q0}}(x-x_{Q0})+y_{Q0},$
其中，H₀是所述出射面在光轴上的截距，h₀是所述入射面起始点距离透镜底部的距离；
x₀是所述入射面的起点横坐标，x_Q0是第二反射面的起点横坐标，y_Q0是第二反射面起点纵坐
标。
7.根据权利要求3所述的准直透镜，其特征在于，所述直线与光轴的夹角为0-25度。
8.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述透镜的总高度与出射面的直径的
比值不大于0.25，其中透镜的总高度为所述出射面的顶部到透镜底部的距离。
9.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述第二反射面是由多个侧向延伸的
齿状曲面拼接而成的曲面；所述第二反射面被经过所述旋转对称轴的任意平面所截形成的
曲线都是一条从底部向上逐渐延展的曲线，该曲线的斜率从底部向上逐渐增大；任意曲线
的底部起始点高度和其终止点高度分别相等。
10.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述第二反射面是围绕所述旋转对
称轴旋转对称的光滑曲面，其被经过所述旋转对称轴的平面所截形成的曲线是一条从底部
向上逐渐延展的曲线，该曲线的斜率从底部向上逐渐增大。
11.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述入射面的起始点与光轴有一定
距离，所述起始点与透镜底部中心的连线与光轴的夹角为5-15度。
12.根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述第二反射面的起始点的高度大
于所述第一反射面的起始点的高度。
13.一种准直透镜的设计方法，所述准直透镜为旋转对称结构，光源设置在透镜底部与
旋转对称轴相交的位置上，该透镜包括入射面、第一反射面、第二反射面和出射面，其特征
在于，所述设计方法包括如下步骤：
一、计算所述第二反射面截线
步骤1：设定光轴的中心点O，并设定第二反射面生产的初始条件：开始控制的光线与光
轴中心点连线与光轴的夹角α；出射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的截面线的起点
高度H₀，出射面截面线与水平面的夹角β；入射面的起点横坐标X₀；第二反射面的起点的高度
H₁；入射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线的函数h＝f(x)；出射面最大口径R₀；基
于上述初始条件，计算初始条件点I₀，W_r0，Q₀和W₀，计算过程如下：
①根据入射面截线函数h＝f(x)，计算出入射面初始点I₀的法线方向和切线方向；从O点
出发，根据I₀点的法线方向计算出OI₀经过入射面折射的光线方向I₀W_r0；
②计算出射面截线与折射光线I₀W_r0的交点W_r0,并按照反射原理计算出I₀W_r0经过出射面
全反射光线方向W_r0Q₀,根据第二反射面的起点高度H₁，计算出Q₀的坐标；
③根据出射面截线方程，计算出经第二反射面反射的光线方向U，并计算出经第二反射
面反射的光线Q₀W₀，以及W₀的坐标；
④根据Q₀点坐标以及W_r0Q₀、反射方向U，计算出第二反射面第一点Q₀的切线方向TQ₀；
步骤2：计算所述第二反射面的第二个点
①给定步进角度计算出光源中心O发出的与OI₀偏移的光线与入射面截线函数h
＝f(x)相交于I₁点的坐标；
②根据入射面截线函数h＝f(x)和I₁坐标，求出I₁点的法线方向，从而计算出经过I₁的
光线I₁W_r1的方程；
③计算出I₁W_r1与出射面截线的交点W_r1，并根据出射面截线方程计算出被出射面全反射
的光线方向W_r1Q₁；
④根据Q₀的切线方向和W_r1Q₁的方向相交，计算出Q₁点的坐标；
⑤通过Q₁点的坐标和反射方向，确定经过Q₁的切线方向TQ₁；
步骤3：针对给定步进角度不断重复步骤2，依次计算出第二反射面的曲线各点Q₂，
Q₃，…,当Q_i的横坐标大于给定的出射面截线最大值R₀时，第二反射面截线截止于Q_i-1，对应
的入射光线角度为
二、计算第一反射面截线
步骤4：设定第一反射面的初始点P₀，对于入射角度大于的光线，经过入
射面折射后经第一反射面全反射出射；第一反射面初始点P₀为与光轴夹角为的入
射光线OI_i，经过入射面折射光线I_iW_ri上的一点，该点选择的原则是，其横坐标小于I_iW_ri与
W_r0Q₀的交点，以确保从光源中心O发出的入射到第二反射面的所有光线不会被第一反射面
阻挡；
步骤5：根据经过第一反射面初始点P₀全反射的光线方向U，计算出第一反射面的斜率
TP₀；
步骤6：计算第一反射面的第二点P₁
①给定步进角度计算与OI_i相邻的光线OI_i+1与入射面截线的交点I_i+1,并通过入
射面截线函数h＝f(x)计算I_i+1的法线方向，计算出经过I_i+1折射光线方向I_i+1P₁；
②由直线I_i+1P₁和经过P₀的第一反射面切线方向TP₁的直线相交于P₁点；
③根据P₁和全反射光线方向U计算出经过P₁点的切线方向TP₁；
步骤7：针对给定步进角度不断重复步骤6，直到OI_i+1与光轴的夹角达到90度。

一种准直透镜及其设计方法

技术领域

本发明涉及透镜技术领域，具体涉及一种准直透镜及其设计方法。

背景技术

汇聚光学透镜在LED照明中有广泛的应用，常用的LED汇聚光学透镜采用的是基于
全内反射的技术。专利CN01805486.2提供了一种基于全内反射的形式进行汇聚的光学透
镜，此类光学透镜的结构大致可以分为两大部分：折射曲面组和全反射曲面组，如图1所示。
折射曲面组包括一个入射折射面和一个出射折射面，光线在经过两次折射后出射；全反射
曲面组包括侧面入射面、全反射面和出射面。具体的曲面结构已经演化出众多形式，演化的
结构如CN200910108644.1、CN200910261795、CN201110101048.8和US7401948等，但其主要
的特点是包含了全反射曲面组，一定有一部分光线通过全反射出射。

这类设计具有光线控制全面、设计自由度高、模具设计方便等优势，但其缺点在于
透镜高度与孔径成正比且大致相当。随着孔径增大，高度也同比例的提高，导致透镜体积与
重量很大，增加了其在大孔径小角度应用中的成本。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种薄型准直透镜及其设计方
法，该准直透镜可以解决现有技术中其体积与重量很大的缺陷，降低了透镜的制造成本。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种准直透镜，所述准直透镜为旋转对称结构，光源中心设置在透镜旋转对称轴
上，该透镜包括入射面、第一反射面、第二反射面和出射面，其特征在于：

所述第一反射面位于入射面和第二反射面之间，所述光源发出的光线经过三个部
分，第一部分光线不经过任何光学介质从透镜顶部出射面出射；第二部分光线经过所述入
射面折射后再经出射面的全反射后入射到所述第二反射面，然后经所述第二反射面的反射
后从出射面出射；第三部分光线经过所述入射面折射后进入第一发射面，通过所述第一发
射面的全反射从出射面出射。

进一步地，所述入射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线为一由初等函数
表达的曲线，曲线方程为h＝f(x),其中h为纵坐标即高度方向坐标，x为横坐标即横向扩展
方向的坐标。

进一步地，所述入射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线为一直线。

进一步地，所述入射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线的斜率从靠近光
轴到远离光轴逐渐减小。

进一步地，所述的第一反射面和第二反射面的斜率均从透镜的底部向上逐渐增
加。

进一步地，所述的第一反射面为光滑曲面，所述反射面最高点(x_P0，y_P0)在一直线
下方，直线方程为：

其中，H₀是所述出射面在光轴上的截距，h₀是所述入射面起始点距离透镜底部的距
离；x₀是所述入射面的起点横坐标，x_Q0是第二反射面的起点横坐标，y_Q0是第二反射面起点纵
坐标。

进一步地，所述直线与水平面的夹角为0-25度。

进一步地，所述透镜的总高度与出射面的直径的比值不大于0.25，其中透镜的总
高度为所述出射面的顶部到透镜底部的距离。

进一步地，所述第二反射面是由多个侧向延伸的齿状曲面拼接而成的曲面；所述
第二反射面被经过所述旋转对称轴的任意平面所截形成的曲线都是一条从底部向上逐渐
延展的曲线，该曲线的斜率从底部向上逐渐增大；任意曲线的底部起始点高度和其终止点
高度分别相等。

进一步地，所述第二反射面是围绕所述旋转对称轴旋转对称的光滑曲面，其被经
过所述旋转对称轴的平面所截形成的曲线是一条从底部向上逐渐延展的曲线，该曲线的斜
率从底部向上逐渐增大。

进一步地，所述入射面的起始点与光轴有一定距离，所述起始点与透镜底部中心
的连线与光轴的夹角为5-15度。

进一步地，所述第二反射面的起始点的高度大于所述第一反射面的起始点的高
度。

为便于本领域技术人员更好理解本方案，本发明还提供了一种准直透镜的设计方
法：

一种准直透镜的设计方法，所述准直透镜为旋转对称结构，光源设置在透镜底部
与旋转对称轴相交的位置上，该透镜包括入射面、第一反射面、第二反射面和出射面，其特
征在于，所述设计方法包括如下步骤：

一、计算所述第二反射面截线

步骤1：设定光轴的中心点O，并设定第二反射面生产的初始条件：开始控制的光线
与光轴中心点连线与光轴的夹角α；出射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的截面线的
起点高度H₀，出射面截面线与水平面的夹角β；入射面的起点横坐标X₀；第二反射面的起点的
高度H₁；入射面被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线的函数h＝f(x)；出射面最大口径
R₀；基于上述初始条件，计算初始条件点I₀，W_r0，Q₀和W₀，计算过程如下：

①根据入射面截线函数h＝f(x)，计算出入射面初始点I₀的法线方向和切线方向；
从O点出发，根据I₀点的法线方向计算出OI₀经过入射面折射的光线方向I₀W_r0；

②计算出射面截线与折射光线I₀W_r0的交点W_r0,并按照反射原理计算出I₀W_r0经过出
射面全反射光线方向W_r0Q₀,根据第二反射面的起点高度H₁，计算出Q₀的坐标；

③根据出射面截线方程，计算出经第二反射面反射的光线方向U，并计算出经第二
反射面反射的光线Q₀W₀，以及W₀的坐标；

④根据Q₀点坐标以及W_r0Q₀、反射方向U，计算出第二反射面第一点Q₀的切线方向
TQ₀；

步骤2：计算所述第二反射面的第二个点

①给定步进角度计算出光源中心O发出的与OI₀偏移的光线与入射面截线
函数h＝f(x)相交于I₁点的坐标；

②根据入射面截线函数h＝f(x)和I₁坐标，求出I₁点的法线方向，从而计算出经过
I₁的光线I₁W_r1的方程；

③计算出I₁W_r1与出射面截线的交点W_r1，并根据出射面截线方程计算出被出射面全
反射的光线方向W_r1Q₁；

④根据Q₀的切线方向和W_r1Q₁的方向相交，计算出Q₁点的坐标；

⑤通过Q₁点的坐标和反射方向，确定经过Q₁的切线方向TQ₁；

步骤3：针对给定步进角度不断重复步骤2，依次计算出第二反射面的曲线各
点Q₂，Q₃，…,当Q_i的横坐标大于给定的出射面截线最大值R₀时，第二反射面截线截止于Q_i-1，
对应的入射光线角度为

二、计算第一反射面截线

步骤4：设定第一反射面的初始点P₀，对于入射角度大于的光线，经
过入射面折射后经第一反射面全反射出射；第一反射面初始点P₀为与光轴夹角为
的入射光线OI_i，经过入射面折射光线I_iW_ri上的一点，该点选择的原则是，其横坐标小于
I_iW_ri与W_r0Q₀的交点，以确保从光源中心O发出的入射到第二反射面的所有光线不会被第一
反射面阻挡；

步骤5：根据经过第一反射面初始点P₀全反射的光线方向U，计算出第一反射面的
斜率TP₀；

步骤6：计算第一反射面的第二点P₁

①给定步进角度计算与OI_i相邻的光线OI_i+1与入射面截线的交点I_i+1,并通
过入射面截线函数h＝f(x)计算I_i+1的法线方向，计算出经过I_i+1折射光线方向I_i+1P₁；

②由直线I_i+1P₁和经过P₀的第一反射面切线方向TP₁的直线相交于P₁点；

③根据P₁和全反射光线方向U计算出经过P₁点的切线方向TP₁；

步骤7：针对给定步进角度不断重复步骤6，直到OI_i+1与光轴的夹角达到90度。

由于采用了上述技术方案，本发明取得了有益的技术效果：提供一种薄型准直透
镜，在保持光学性能的同时，降低了透镜的体积和重量，减少了制造成本。具体地，通过第一
部分的光线与光轴夹角较小，故而让其直接出射形成小角度光线；第二部分的光线是与将
那些与光轴夹角很大的光线通过全反射曲面准直出射；而第三部分的光线是通过折叠式光
路进行出射，这样的设计能够充分利用各个角度的光线形成准直出射，保持较高光学效率
的同时能够有效控制光线的传输效率。

附图说明

图1是本发明所公开的准直透镜的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明
进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。

图1为本发明公开的准直透镜的结构示意图，该透镜由旋转对称的光滑曲面组成，
其折射率介于1.4-1.6之间。其中，O为光源中心，曲面1为入射面1，2为第一反射面，3为第二
反射面，4为出射面。上述入射面1被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线为直线L，上述
直线L与光轴的夹角为18度。入射面1起点5到光源中心O的直线与光轴的夹角为12度。上述
反射面进行镀反射膜处理。

所述第一反射面2被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线为斜率不断缓慢增大
的曲线，该曲线起始点21距离光轴距离为9.21mm，曲线起始点21高度与光源发光面相同，该
曲线起始点21沿曲线的切线方向与水平面的夹角为48.5度；该曲线终点22距离光轴的距离
为12.89mm，该曲线终点22沿曲线的切线方向与水平面的夹角为54.9度。

所述第二反射面3被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线为斜率不断缓慢增大
的曲线，该曲线起始点31距离光轴的距离为13.39mm，该曲线起始点31距离光源高度为1mm。
该曲线起始点31的斜率为0.39，整个曲线缓慢增长，该曲线终止点32的斜率为0.71。在此实
施例中，该曲面起始点31距离光轴的距离与该曲线的终止点32与光轴距离的比值约为
0.36。

所述出射面4被经过旋转对称轴的平面所截形成的曲线为一直线，该直线从光轴
为起点向外不断升高。本实施例中，该直线与水平面的夹角为0.1度。所述出射面4末端高度
约为该位置距离光轴距离的0.178。

从光源发出的光线经过三个部分，第一部分即顶部部分光线不经过任何光学介质
从顶部出射面4的空洞中直接出射，第二部分光线从入射面1入射，经过出射面4的全反射后
入射到第二反射面3进行反射，最后从出射面4出射；第三部分光线从入射面1入射后，经过
第一反射面2进行全反射，最后从出射面4出射。

特别注意的是，曲面2的顶点22，必须在一条直线以下，该直线的方程按照以下方
程定义：

满足上述表达式的其原因是，第二部分的光线形成的光束角比较大，而第三部分
的光线形成的光束角比较小，因此要保证从光源中心发出的光线中所有第三部分，不会被
第二部分的曲面2挡住。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方
式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一
些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了
一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。