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全反射准直透镜

阅读：735发布：2020-05-12

专利汇可以提供全反射准直透镜专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型主要提供一全反射准直透镜，用于为一光源发出的光进行全反射准直，所述全反射准直透镜为旋转体，包括至少一中心准直曲面、一系列折射侧斜面以及一系列全反射曲面，其中所述中心准直曲面被设置于所述全反射准直透镜的中心部位，所述折射侧斜面被阶梯设置于所述中心准直曲面的四周，且所述全反射曲面被阶梯设置用于连接所述阶梯状的所述折射侧斜面，其中所述光源发出的光被分配直接照射至所属中心准直曲面和所属折射侧斜面。，下面是全反射准直透镜专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种全反射准直透镜，用于为一光源发出的光进行全反射准直，其特征在于，所述全反射准直透镜为旋转体，包括至少一中心准直曲面、一系列折射侧斜面以及一系列全反射曲面，其中所述中心准直曲面被设置于所述全反射准直透镜的中心部位，所述折射侧斜面被阶梯设置于所述中心准直曲面的四周，且所述全反射曲面被阶梯设置用于连接阶梯状的所述折射侧斜面，其中所述光源发出的光被分配直接照射至所述中心准直曲面和所述折射侧斜面。
2.根据权利要求1所述的全反射准直透镜，其中所述光源发出的光束包括一第一部分光和一第二部分光，其中所述第一部分光位于所述光束的中心位置，所述第二部分光位于所述第一部分光的四周，其中所述第一部分光从所述光源射出后经过所述中心准直曲面进行准直成平行光，所述第二部分光从所述光源射出后经过所述折射侧斜面的折射后再至所述全反射曲面进行全反射成平行光。
3.根据权利要求1所述的全反射准直透镜，其中所述光源发出的光经过所述中心准直曲面的部分被所述中心准直曲面折射准直成平行光或扩散光，光的角度范围为±30°。
4.根据权利要求2所述的全反射准直透镜，其中所述光源为LED，所述LED为白光、黄光、红光、蓝光、金黄光、红外线LED、紫外线LED或者多芯片LED。
5.根据权利要求4所述的全反射准直透镜，其中所述光源的焦点与所述全反射准直透镜的焦点重合。
6.根据权利要求5所述的全反射准直透镜，其中所述全反射准直透镜的焦点f的范围为
1mm≤f≤10mm。
7.根据权利要求6所述的全反射准直透镜，其中所述折射侧斜面和所述全反射曲面由不同高度的n圈全反射结构组成，其中n的范围为2-10。
8.根据权利要求7所述的全反射准直透镜，其中所述全反射准直透镜收集的立体包角α为172°。
9.根据权利要求8所述的全反射准直透镜，其中所述折射侧斜面的脱模斜度的范围为
0°-10°。
10.根据权利要求9所述的全反射准直透镜，其中所述全反射准直透镜的直径和高度之间的比值η≥2。
11.根据权利要求10所述的全反射准直透镜，其中所述全反射准直透镜为PMMA材料或PC透明材料。
12.根据权利要求11所述的全反射准直透镜，其中所述折射侧斜面的截面为直线或曲线。

说明书全文

全反射准直透镜

技术领域

[0001] 本实用新型属于交通工具领域，具体涉及一种结构简单并且发能够对光源发出的光进行有效准直的光学原件。

背景技术

[0002] 如图1所示，现有技术中的TIR全反射透镜10’为透明的光学材料，当光源 (通常为 LED灯)发出的立体角内的光经过TIR全反射透镜10’进行折射并通过全反射之后转成平行
光。但是现有技术中的TIR全反射透镜10’的材料通常都比较厚，光源射出的光线在材料的
路径上的耗损的能量就比较多，而且现有技术中的TIR全反射透镜10’容易收缩变形，从而
导致造成的光线平面不平整。本领域技术人员为了使光源通过所述TIR全反射透镜10’后的
出光面平面平整，在制造所述TIR全反射透镜10’的过程中需要采用慢速进料，这样不仅提
高了制造所述TIR全反射透镜10’的制造时间成本，并且在注塑过程中注塑压力大，材料重，
会提高注塑设备的制造成本。

[0003] 此外，如图2所示，为现有技术中的另一种菲涅尔透镜10”，所述菲涅尔透镜10”为透明光学材料制成，在光源射出的光线中，部分包角立体角内的光经过所述菲涅尔透镜10”
的折射后转成平行光，该菲涅尔透镜10”在制作过程中厚度均匀且整体厚度偏薄，因此光源
能量在所述菲涅尔透镜10”的材料的路径上的损耗相对比较少。但是这种菲涅尔透镜10”只
能将光源发出的部分包角立体角内α 1的光进行折射利用，而其余部分的光则被浪费掉，或
者增加其他的光学原件进行收集，因此也并不利于对光源的有效利用。

[0004] 因此，本领域技术人员急需实用新型一种能够对光源发出的光有效利用并且结构简单、易于制造的准直透镜，从而对光源发出的光进行有效准直。
实用新型内容

[0005] 本实用新型的一个目的在于提供一种全反射准直透镜，用于为一光源发出的光进行准直，所述全反射准直透镜为类菲涅尔全反射准直透镜，从而为所述光源发出的光进行
有效准直。

[0006] 本实用新型的一个目的在于提供一种全反射准直透镜，其中所述全反射准直透镜结构简单、易于制造，从而降低为所述光源准直的制造成本。

[0007] 本实用新型的一个目的在于提供一种全反射准直透镜，其中所述全反射准直透镜通过折射和全反射的方式将所述光源发出的点光源全部准直成平行面光源。

[0008] 本实用新型的一个目的在于提供一种全反射准直透镜，其中所述全反射准直透镜能够对任何类型的LED发出的光进行准直，从而提高所述全反射准直透镜的适用范围。

[0009] 本实用新型的一个目的在于提供一种全反射准直透镜，其中所述光源的焦点与所述全反射准直透镜的焦点重合，从而提高所述全反射准直透镜对所述光源发出的光的有效
利用率。

[0010] 本实用新型的一个目的在于提供一种全反射准直透镜，其中所述全反射准直透镜的直径与高度之间的比值比现有技术中的TIR透镜更大，也就是说，当本实用新型所述的全
反射准直透镜的高度与普通TIR透镜的高度相同时，本实用新型所述的全反射准直透镜的
直径比普通的TIR透镜更大，而当本实用新型所述的全反射准直透镜的直径与普通TIR透镜
的直径相同时，本实用新型所述的全反射准直透镜的高度比普通TIR透镜更低，因此本实用
新型所述的全反射准直透镜对于光源发出的光的准直效率也会得到相应的提高。

[0011] 本实用新型的一个目的在于提供一种全反射准直透镜，其中所述全反射准直透镜的直径与高度之间的比值是普通TIR透镜的2.2倍。

[0012] 本实用新型的一个目的在于提供一种全反射准直透镜，其中所述全反射准直透镜的焦点f较小，从而使所述全反射准直透镜的整体高H较小，因此光学结构更薄，从而使光源
发出的光在所述全反射准直透镜中的损耗减小。

[0013] 本实用新型的一个目的在于提供一种全反射准直透镜，其中所述全反射准直透镜的直径比普通TIR透镜的直径更大，因此在同面积和同高度的情况下，会放置更少的LED光
源数量，因此本实用新型所述的全反射准直透镜在使用时产品更经济。

[0014] 本实用新型的一个目的在于提供一种全反射准直透镜，其中所述全反射准直透镜中的折射斜侧面L1至L4和全反射曲面T1至T4由不同高度的四圈全反射结构组成，从而使所
述全反射准直透镜的光学结构厚度更均匀，所述光源发出的光通过所述全反射准直透镜的
光学材料的路径更短，因此光材料损耗更低。

[0015] 本实用新型的一个目的在于提供一种全反射准直透镜，其中所述全反射准直透镜的材料品种、颜色及透明度不受限制，从而提高所述全反射准直透镜在加工过程中对于材
料的选择范围。

[0016] 本实用新型的一个目的在于提供一种全反射准直透镜，其中所述全反射准直透镜使用PMMA材料、PC材料、玻璃材料、透明材料、半透明材料或者有颜色的透明材料等制成。

[0017] 本实用新型的一个目的在于提供一种全反射准直透镜，其中若将光源发出的光通过多个密集排列的所述全反射准直透镜，则光源发出的光在所述全反射准直透镜中的损耗
更小，并且出光面的光更均匀、无暗区。

[0018] 本实用新型的一个目的在于提供一种全反射准直透镜，其中所述全反射准直透镜的厚度均匀、产品缩水少，无需采用慢速进料保压注塑机，注塑工艺简单、产品重量更低，材
料更少更经济。

[0019] 本实用新型的一个目的在于提供一种全反射准直透镜，其中所述全反射准直透镜可以设计更薄的信号灯，灯具直接贴装车辆表面，无需车体专门设计安装灯具的槽，从而使
车辆的结构更简化，制造效率更高，成本更低。

[0020] 为达上述目的，本实用新型主要提供一全反射准直透镜，用于为一光源发出的光进行全反射准直，所述全反射准直透镜为旋转体，包括至少一中心准直曲面、一系列折射侧
斜面以及一系列全反射曲面，其中所述中心准直曲面被设置于所述全反射准直透镜的中心
部位，所述折射侧斜面被阶梯设置于所述中心准直曲面的四周，且所述全反射曲面被阶梯
设置用于连接所述阶梯状的所述折射侧斜面，其中所述光源发出的光被分配直接照射至所
述中心准直曲面和所述折射侧斜面。

[0021] 在其中一些实施例中，其中所述光源发出的光束包括一第一部分光和一第二部分光，其中所述第一部分光位于所述光束的中心位置，所述第二部分光位于所述第一部分光
的四周，其中所述第一部分光从所述光源射出后经过所述中心准直曲面进行准直成平行
光，所述第二部分光从所述光源射出后经过所述折射侧斜面的折射后再至所述全反射曲面
进行全反射成平行光。

[0022] 在其中一些实施例中，其中所述光源发出的光经过所述中心准直曲面的部分被所述中心准直曲面折射准直成平行光或扩散光，光的角度范围为±30°。

[0023] 在其中一些实施例中，其中所述光源为LED，所述LED为白光、黄光、红光、蓝光、金黄光、红外线LED、紫外线LED或者多芯片LED。

[0024] 在其中一些实施例中，其中所述光源的焦点与所述全反射准直透镜的焦点重合。

[0025] 在其中一些实施例中，其中所述全反射准直透镜的焦点f的范围为1mm≤f ≤10mm。

[0026] 在其中一些实施例中，其中所述折射侧斜面和所述全反射曲面由不同高度的n圈全反射结构组成，其中n的范围为2-10。

[0027] 在其中一些实施例中，其中所述全反射准直透镜收集的立体包角α为172°。

[0028] 在其中一些实施例中，其中所述折射侧斜面的脱模斜度的范围为0°-10°。

[0029] 在其中一些实施例中，其中所述全反射准直透镜的直径和高度之间的比值η＝3.45。

[0030] 在其中一些实施例中，其中所述全反射准直透镜有PMMA材料制成。

[0031] 在其中一些实施例中，其中所述折射侧斜面的截面为直线或曲线。附图说明

[0032] 图1为现有技术中的TIR全反射透镜光学结构示意图。

[0033] 图2为现有技术中的菲涅尔透镜光学结构示意图。

[0034] 图3为本实用新型所述的全反射准直透镜的第一实施例的结构示意图。

[0035] 图4为本实用新型所述的全反射准直透镜的第一实施例与普通的TIR透镜比较的结构示意图。

[0036] 图5为多个图3中所述的全反射准直透镜的截面结构示意图。

[0037] 图6为多个图3中所述的全反射准直透镜的水平陈列立体示意图。

[0038] 图7为多个图3中所述的全反射准直透镜3*3陈列时的立体结构示意图。

[0039] 图8为本实用新型所述的全反射准直透镜的第一实施例的光路示意图。

[0040] 图9为本实用新型所述的全反射准直透镜的光学仿真光斑图。

具体实施方式

[0041] 以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描
述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方
案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。

[0042] 本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上
述术语不能理解为对本实用新型的限制。

[0043] 可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

[0044] 如图3至图9所示，本实用新型主要提供一种全反射准直透镜10，用于为一光源发出的光线进行全反射准直，在本实用新型的第一实施例中，所述全反射准直透镜为类菲涅
尔透镜，所述类菲涅尔全反射准直透镜10为旋转体，其参数包括焦点F1、焦距f、中心准直曲
面C1、折射侧斜面L1至L4，全反射曲面T1至 T4、直径φD与高度H的比值η，其中所述中心准
直曲面C1被设置于所述类菲涅尔全反射准直透镜的中心部位，所述折射侧斜面L1至L4被阶
梯设置于所述中心准直曲面C1的四周，且所述全反射曲面T1至T4被阶梯设置用于连接于阶
梯状的所述折射侧斜面L1至L4，其中所述光源发出的光被分配直接照射至所述中心准直曲
面C1和所述折射侧斜面L1至L4。

[0045] 假设所述类菲涅尔全反射准直透镜10的焦点F1处有光线发出，其中一部分光线经过所述类菲涅尔全反射准直透镜10的所述准直曲面C1进行折射准直，另一部分光线经过所
述类菲涅尔全反射准直透镜10的所述折射侧斜面L1至L4 的折射后再至所述全反射曲面T1
至T4进行全反射准直，最终将发散立体角α内的所有光源由点光源转换成平行面光源。

[0046] 具体地，所述光源20为LED21，优选地，所述LED21为白光。

[0047] 作为选择，本领域技术人员也可以将所述LED21设置为其他颜色，比如黄光、红光、蓝光、金黄光、红外线LED、紫外线LED或者多芯片LED等，并且本实用新型不受所述LED21的
类型、波长、色温以及颜色等限制，也就是说，本领域技术人员只要在本实用新型上述揭露
的基础上，采用了与本实用新型相同或近似的技术方案，解决了与本实用新型相同或近似
的技术问题，并且达到了与本实用新型相同或近似的技术效果，都属于本实用新型的保护
范围之内，本实用新型的具体实施方式并不以此为限。

[0048] 如图8和图9所示，为所述LED21发出的光通过所述类菲涅尔全反射准直透镜10进行光学作用时的光学路径示意图。

[0049] 详细而言，当所述类菲涅尔全反射准直透镜10用于为一光源20发出的光进行全反射准直时，所述类菲涅尔全反射准直透镜10的所述焦点F1与所述光源 20的焦点重合。当所
述LED21的焦点与所述类菲涅尔全反射准直透镜10的焦点F1重合，所述LED21发出的光束
210包括一第一部分光2101和一第二部分光2102，其中所述第一部分光2101为位于所述光
束210的中心位置，所述第二部分光2102位于所述第一部分光的周围。其中所述第一部分光
2101经过所述中心准直曲面C1的准直后形成平行光2101，所述第二部分光2102经过所述折
射侧斜面L1至L4的折射后至所述全反射曲面T1至T4，再通过所述全反射曲面 T1至T4全反
射成平行光2102射出，因此，通过所述类菲涅尔全反射准直透镜 10能够将所述光源20发出
的光束210全部准直成平行光。

[0050] 作为本实施例的一种变形，所述光源20发出的光束210页可以通过本实用新型所述的所述类菲涅尔全反射准直透镜10而形成扩散光，扩散光的角度范围为±30°。

[0051] 更具体地，在本实用新型的第一实施例中，所述类菲涅尔全反射准直透镜10 的所述焦点f的范围为1mm≤f≤10mm，优选为f＝2.7mm，所述类菲涅尔全反射准直透镜10收集的
立体包角α范围为0°-180°，优选为α＝172°，所述类菲涅尔全反射准直透镜10的所述折射侧
斜面L1至L4的脱模斜度β的范围为0° -10°，优选为β＝2°，所述类菲涅尔全反射准直透镜10
的所述直径φD＝20.7mm 与所述高度H＝6mm的比值η＝3.45。

[0052] 本实用新型所述的类菲涅尔全反射准直透镜10的所述直径φD与所述高度 H的比值η比现有技术中普通的TIR透镜更大。换句话说，当本实用新型所述的所述类菲涅尔全反
射准直透镜10的高度H与普通的TIR透镜高度相同时，则所述类菲涅尔全反射准直透镜10的
直径φD比普通TIR透镜的直径要大，当所述类菲涅尔全反射准直透镜10的直径φD与普通
TIR透镜的直径相同时，则所述类菲涅尔全反射准直透镜10的高度H比普通TIR透镜的高度
要低，因此，本实用新型所述的类菲涅尔全反射准直透镜10的准直效果更高。

[0053] 优选地，本实用新型所述的类菲涅尔全反射准直透镜10的直径φD与所述高度H的比值η是普通TIR透镜的2.2倍，也就是说，当本实用新型所述的所述类菲涅尔全反射准直透
镜10的高度H与普通的TIR透镜高度相同时，则所述类菲涅尔全反射准直透镜10的直径φD
是普通TIR透镜的直径的2.2倍，当所述类菲涅尔全反射准直透镜10的直径φD与普通TIR透
镜的直径相同时，则所述普通TIR透镜的高度H是类菲涅尔全反射准直透镜10的高度的2.2
倍。

[0054] 此外，在本实用新型的第一实施例中，所述类菲涅尔全反射准直透镜10的焦点f较小，从而使所述类菲涅尔全反射准直透镜10的整体高度H也较小，因此所述类菲涅尔全反射
准直透镜10的光学结构更薄。同时由于所述类菲涅尔全反射准直透镜10的直径φD较大，因
此面积相同时只能放置更少数量的LED光源，从而使所述所述类菲涅尔全反射准直透镜10
的产品更经济。

[0055] 更进一步地，在本实用新型的第一实施例中，所述类菲涅尔全反射准直透镜 10的所述折射侧斜面L1至L4和所述全反射曲面T1至T4由不同高度的四圈全反射结构组成。如图
5所示，在本实用新型的第一实施例中，所述折射侧斜面 L1至L4的截面优选为为直线。作为
本实用新型的一种变形，本领域技术人员也可以选择将所述类菲涅尔全反射准直透镜10的
所述折射侧斜面L1至L4及所述全反射曲面T1至T4由其他数量的全反射结构组成，优选圈数
范围为2-10圈，也可以将所述折射侧斜面L1至L4的截面设置为曲面等其他形状，本实用新
型的具体保护范围并不以此为限。

[0056] 优选地，在本实用新型的第一实施例中，所述类菲涅尔全反射准直透镜10 为PMMA材料制成，其折射率为1.49，透过率92％，所述LED为白光2835SMT LED，其参数为流明＝
45Lm，光学仿真中心光强4280cd，2θ＝5°。

[0057] 作为选择，所述类菲涅尔全反射准直透镜10也可以由PC材料、玻璃材料、透明材料、半透明材料或有颜色的透明材料等制成，也就是说，本实用新型所述的类菲涅尔全反射
准直透镜10不受材料的品种、透明度及颜色等因素限制，本领域技术人员可以根据实际需
求进行具体选择，都属于本实用新型的保护范围之内。

[0058] 作为本实用新型的一种改变，本领域技术人员可以根据实际情况对所述光源20的类型、所述类菲涅尔全反射准直透镜10的所有参数以及所述类菲涅尔全反射准直透镜10的
材料进行相应的改变，只要在本实用新型上述揭露的基础上，采用了与本实用新型相同或
近似的技术方案，解决了与本实用新型相同或近似的技术问题，并且达到了与本实用新型
相同或近似的技术效果，都属于本实用新型的保护范围之内，本实用新型的具体实施方式
并不以此为限。

[0059] 作为本实用新型的一种进一步改进，如图7所示，将多个所述类菲涅尔全反射光学透镜10进行密集排列，光源20发出的光束210通过密集排列的多个所述类菲涅尔全反射光
学透镜10，则所述光源20发出的光束210在所述类菲涅尔全反射光学透镜10中的光损耗更
小，并且出光面的光源光更均匀、无暗区。

[0060] 需要强调的是，本实用新型所述的类菲涅尔全反射光学透镜10在制造过程中无需采用慢进料保压注塑机的方式进行生产，匀速进料即可，因此所述类菲涅尔全反射光学透
镜10的制造方法及注塑工艺简单，并且产品重量更低，因此使用的材料更少，从而使本实用
新型所述的类菲涅尔全反射光学透镜10的成本更低更经济。

[0061] 当本实用新型所述的类菲涅尔全反射光学透镜10用于为车辆中的信号灯提供全反射光线准直时，可以设计更薄的信号灯，从而将灯具直接贴装在车辆的表面而无需车辆
专门设计用于安装灯具的灯具槽，因此能够使车辆的结构更简化，制造效率更高，成本更
低。

[0062] 本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。本实用新型的目的已经完整并有效地实现。本实用新型的功
能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离该原理下，本实用新型的实施方式可
以有任何变形或修改。

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