申请/专利权人：广州市焦汇光电科技有限公司

申请日：2019-07-30

公开（公告）日：2021-01-08

公开（公告）号：CN110375269B

主分类号：F21V5/04(20060101)

分类号：F21V5/04(20060101);F21Y115/10(20160101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.01.08#授权;2019.11.19#实质审查的生效;2019.10.25#公开

摘要：本申请涉及一种矩形光斑透镜。上述矩形光斑透镜包括一体成型的入光机构、全反射机构以及出光机构。所述入光机构具有进光孔。所述出光机构具有矩形出光面。所述入光机构的设置一方面可以用于放置光源，一方面用于发散光源近光轴部分的光线，使得该部分的光线不至于太集中。将光源放置所述入光机构的进光孔位置，光源发出的光线经所述入光机构进入所述矩形光斑透镜内部，并经各个全反射机构反射后，由矩形出光面射出。射出的光线可以叠加形成矩形光斑。所述矩形光斑透镜的出光面为矩形，设计简单，降低了设计成本。

主权项：1.一种矩形光斑透镜，其特征在于，包括：入光机构110，具有进光孔111，光源经所述进光孔111进入所述入光机构110，并经所述入光机构110折射出去，形成折射光线，所述折射光线包括第一折射光线和第二折射光线；全反射机构130，与所述入光机构110固定连接，用于对所述第一折射光线进行全反射，形成全反射光线；以及出光机构120，与所述全反射机构130固定连接；所述出光机构120具有矩形出光面121，用于对所述第二折射光线和所述全反射光线进行透射，以形成矩形光斑；所述入光机构110包括第一进光面112，所述第一进光面112形成的四角相对于中间部位翘起，并弯向光源侧。

全文数据：矩形光斑透镜技术领域本申请涉及照明技术领域，特别是涉及一种矩形光斑透镜。背景技术随着LED光源在商用照明领域的广泛应用，透镜已经被广泛地应用在各个不同的照明领域。传统的透镜系统，设置一颗LED灯珠或多颗LED灯珠作为光源，透镜的形状设置为圆形或方形。由于透镜的表面都设置有圆形的菲涅尔纹路，使得最终会得到一个圆形的光斑。但是，投影机或摄像头的拍摄视场为矩形，圆形的光斑会导致光能利用率较低，能源浪费较大。对于像投影机或摄像头这类拍摄视场为矩形的器件，需要一种可以产生矩形光斑的透镜，但传统的能产生矩形光斑的透镜机构设计过于复杂，增加了设计成本。发明内容基于此，有必要针对传统的能产生矩形光斑的透镜机构设计过于复杂，增加了设计成本的问题，提供一种矩形光斑透镜。一种矩形光斑透镜，包括：入光机构，具有进光孔，光源经所述进光孔进入所述入光机构，并经所述入光机构折射出去，形成折射光线，所述折射光线包括第一折射光线和第二折射光线；全反射机构，与所述入光机构固定连接，用于对所述第一折射光线进行全反射，形成全反射光线；以及出光机构，与所述全反射机构固定连接；所述出光机构具有矩形出光面，用于对所述第二折射光线和所述全反射光线进行透射，以形成矩形光斑。在其中一个实施例中，所述入光机构包括：第一进光面，与所述矩形出光面平行间隔设置，并且所述第一进光面为矩形进光面。在其中一个实施例中，所述第一进光面的曲率由所述第一进光面的中心点向外边缘逐渐增大，经所述第一进光面折射出去的光直接到达所述矩形出光面。在其中一个实施例中，所述入光机构还包括：多个第二进光面，与所述第一进光面固定连接，且多个所述第二进光面之间固定连接，以在所述全反射机构中形成凹陷结构。在其中一个实施例中，还包括：多个第一凹反射聚光面，分别与相邻的两个所述第二进光面呈第一角度设置。在其中一个实施例中，所述全反射机构具有多个全反射面，所述全反射面的个数与所述第二进光面的个数相同，每一个所述全反射面用于接收经所述第二进光面折射的光线。在其中一个实施例中，还包括：第二凹反射聚光面，分别与相邻的两个所述全反射面呈第二角度设置。在其中一个实施例中，还包括：端盖，设置于所述矩形出光面，并且，所述端盖与所述矩形出光面的中心重合，并且所述端盖完全覆盖所述矩形出光面。在其中一个实施例中，所述进光孔为矩形进光孔或梯形进光孔中的一种。在其中一个实施例中，所述矩形光斑透镜的制作材料为透明光学玻璃或透明光学塑料。一种矩形光斑透镜灯光系统，包括：如上述实施例中任一项所述的矩形光斑透镜；以及光源，设置于所述入光机构的中心位置。上述矩形光斑透镜包括一体成型的入光机构、全反射机构以及出光机构。所述入光机构具有进光孔。所述出光机构具有矩形出光面。所述入光机构的设置一方面可以用于放置光源，另一方面用于发散光源近光轴部分的光线，使得该部分的光线不至于太集中。将光源放置所述入光机构的进光孔位置，光源发出的光线经所述入光机构进入所述矩形光斑透镜内部，并经各个全反射机构反射后，由矩形出光面射出。射出的光线可以叠加形成矩形光斑。所述矩形光斑透镜的出光面为矩形，设计简单，降低了设计成本。附图说明图1为本申请一个实施例提供的一种矩形光斑透镜结构图；图2为本申请一个实施例提供的一种第一进光面结构图；图3为本申请一个实施例提供的一种部分光线是垂直地从矩形出光面射出图；图4为本申请一个实施例提供的一种部分光线是非垂直地从矩形出光面射出图；图5为本申请一个实施例提供的一种部分光线经第一进光面从矩形出光面射出图；图6为本申请一个实施例提供的一种具有尖角的光斑图；图7为本申请一个实施例提供的一种矩形光斑透镜灯光系统图；图8为本申请一个实施例提供的一种当光源为6mm×6mm时得到的光形图；图9为本申请一个实施例提供的一种当光源为5mm×5mm时得到的光形图；图10为本申请一个实施例提供的一种当光源为4mm×4mm时得到的光形图；图11为本申请一个实施例提供的一种当光源为3mm×3mm时得到的光形图；图12为本申请一个实施例提供的一种当光源为2mm×2mm时得到的光形图；图13为本申请一个实施例提供的一种当光源为1mm×1mm时得到的光形图。主要元件附图标号说明矩形光斑透镜10入光机构110进光孔111第一进光面112第二进光面113第一凹反射聚光面114出光机构120矩形出光面121全反射机构130第二凹反射聚光面131全反射面132端盖140光源20矩形光斑透镜灯光系统30具体实施方式为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。请参见图1，本申请一个实施例一种矩形光斑透镜。所述矩形光斑透镜包括入光机构110、出光机构120以及全反射机构130。所述入光机构110具有进光孔111。光源经所述进光孔111进入所述入光机构110，并经所述入光机构110折射出去，形成折射光线。所述折射光线包括第一折射光线和第二折射光线。所述全反射机构130与所述入光机构110固定连接，用于对所述第一折射光线进行全反射，形成全反射光线。所述出光机构120与所述全反射机构130固定连接。所述出光机构120具有矩形出光面121，用于对所述第二折射光线和所述全反射光线进行透射，以形成矩形光斑。所述入光机构110、所述出光机构120以及所述全反射机构130一体成型。在其中一个实施例中，所述矩形光斑透镜10的制作材料为透明光学玻璃或透明光学塑料。即，可以采用折射率为1.3至1.57的石英玻璃材料，将所述入光机构110、所述出光机构120以及所述全反射机构130制成透镜实体。所述矩形出光面121可以是平面也可以是曲面，只要保证所述矩形出光面121的外轮廓为矩形即可。所述进光孔111的具体形状不做限定。在一个可选的实施例中，所述进光孔111为矩形进光孔或梯形进光孔中的一种。当所述进光孔111为矩形时，所述全反射机构130可以包括四个全反射面132。矩形的入光孔的四个入射面与四个全反射面132一一对应，来调整光线的分配。即经由反射区投射出去的光线被划分为四部分，那么这四部分光线被均等地分别从入光孔的四个入射面分配到相应的四个全反射面132上，再经由四个全反射面132反射出去，这样光线更加均等地分配，投射出去的光斑的各个区域的强度更加均匀，光斑的轮廓更加清晰。上述矩形光斑透镜10包括一体成型的入光机构110、全反射机构130以及出光机构120。所述入光机构110具有进光孔111。所述出光机构120具有矩形出光面121。所述入光机构110的设置一方面可以用于放置光源，一方面用于发散光源近光轴部分的光线，使得该部分的光线能够均匀射出。将光源放置所述入光机构110的进光孔111位置，光源发出的光线经所述入光机构110进入所述矩形光斑透镜10内部，并经各个全反射机构130反射后，由矩形出光面121射出。射出的光线可以叠加形成矩形光斑。所述矩形光斑透镜的出光面121为矩形，设计简单，降低了设计成本。请参见图2，在其中一个实施例中，所述入光机构110包括第一进光面112和多个第二进光面113。所述第一进光面112与所述矩形出光面121平行间隔设置。并且，所述第一进光面112为矩形进光面。在其中一个实施例中，所述第一进光面121的外轮廓与所述出光面的外轮廓成比例。所述多个第二进光面113与所述第一进光面112固定连接。且多个所述第二进光面113之间固定连接，以在所述全反射机构130中形成凹陷结构。所述全反射面132的个数与所述第二进光面113的个数相同。每一个所述全反射面132用于接收经所述第二进光面113折射的光线。所述第二进光面113和与其对应的所述全反射面132之间的角度与所述全反射面132的折射率有关，只要满足到达所述全反射面132的光被全反射即可。在一个可选的实施例中，所述第一进光面112的曲率由所述第一进光面112的中心点向外边缘逐渐增大，经所述第一进光面112折射出去的光直接到达所述矩形出光面121。即所述第一进光面112形成四角相对于中间部位翘起的状态，由于曲率半径越小，光线的偏转角度就越大，那么光线透过该折射面后的所形成的光斑的形态就越趋近于折射面的外轮廓。请参见图3-图5，光线射入到矩形进光孔111内的侧面即第二进光面113上后，进入到透镜体中发生折射，折射光线发生偏转后投射到透镜体的外侧面全反射面131上，分光线在透镜体的外侧面的反射下射出到矩形出光面121上，然后再照射出去，且照射出去的光线与矩形出光面之间的角度有两种情况：一部分光线是垂直地从矩形出光面射出的如图3所示。另一部分光线是非垂直地从矩形出光面121射出如图4所示。其余三个外侧面全反射面131光线的传播路径也是如此。那么由于理想状态下的光源发出的光线是均匀分布的，那么以如图3和图4来分析：垂直地从矩形出光面射出的部分光线投射到投射面上后形成一条光线。非垂直地从矩形出光面射出的部分光线投射到投射面上后同样也形成一条光线。这两条光线叠加合并形成一条光线。那么多个截面前面的分析是以其中一个截面来分析的叠加成矩形光斑包括了从互相垂直的两个方向上的叠加。如图5所示，如果光线经进光孔111的顶面即第一进光面112，光线相应地也会叠加成一个矩形光斑，而且这个矩形光斑会叠加在前面的由侧面反射出去而形成的矩形光斑中间部位上。通过实验发现，由于光源是有尺寸的，并不是所有的光线发源点都在中心轴上，而且相邻的两个透镜体的外侧面的结合处即两个全反射面132的结合线条是可以透光出去的，也就是说光线可以从该结合线条处折射出去，那么相应地光源的外形也可以从这个结合线条处沿着对角线向外投射出去，也就是产生了四个尖角光斑区域如图6所示。为了使所述矩形光斑更加美观，在其中一个实施例中，所述矩形光斑透镜10还包括多个第一凹反射聚光面114和第二凹反射聚光面131。多个第一凹反射聚光面114分别与相邻的两个所述第二进光面113呈第一角度设置。所述第一角度的范围为0°至60°。所述第二凹反射聚光面131分别与相邻的两个所述全反射面132呈第二角度设置。所述第二角度的范围也可以为0°至60°。在透镜体上沿着结合线条形成有内凹反射聚光面，光线就会被反射到矩形光斑内，不会从结合线条处向外射出。因为经所述矩形光斑透镜10形成的光斑为具有圆角的矩形光斑，更加美观。在其中一个实施例中，所述矩形光斑透镜10的底端开设有矩形进光孔111，所述矩形光斑透镜10的顶端的形状设置成与矩形进光孔111呈等比例即数学教科书中提到的“相似”的矩形出光面121，且矩形出光面121与矩形进光孔111的轮廓相平行。且所述矩形光斑透镜10的周面是由四个侧面全反射面132组成，以其中一个侧面为例来说，该侧面是由矩形出光面的一边向矩形进光孔上与之平行的那一边延展拟合形成的。使得所述矩形光斑透镜10形成几何学中的“四棱台”体状。我们在设计这个透镜时，可以先定义这些点：o点为矩形进光孔111的中心点。oy为o点沿Y轴方向垂直延伸到边线上的距离。ox为o点沿X轴方向垂直延伸到边线上的距离。oc为o点延伸到X向边线和Y向边线交点上的距离。同理，o1点为矩形出光面121的中心点，o1y1、o1x1、o1c1的解释与上述同理，不再赘述。那么相应地，根据上段所述的结构关系，o1y1oy＝o1x1ox＝o1c1oc＝某一定值。那么我们在建立所述矩形光斑透镜10模型时，只需要定义三个面：第一个面C面：o、o1、c1、c这四点组成的面，第二个面Y面：o、o1、y1、y这四点组成的面，第三个面X面：o、o1、x1、x这四点组成的面。这三个面组成了镜体的四分之一框架，相应地通过镜像来构建出整个镜体的框架，最后再拟合成一个实体就可以得到所述矩形光斑透镜10。在其中一个实施例中，所述矩形光斑透镜10还包括端盖140。所述端盖140设置于所述矩形出光面121，并且，所述端盖140与所述矩形出光面121的中心重合，并且所述端盖140完全覆盖所述矩形出光面121。所述端盖140的面积可以大于矩形出光面的面积，这样可以形成有凸沿。所述矩形光斑透镜10在安装时，可以通过凸沿卡接在灯具体上。请参见图7，本申请一个实施例提供一种矩形光斑透镜灯光系统30。所述矩形光斑透镜灯光系统30包括如上述实施例所述的矩形光斑透镜10和光源20。所述光源20设置于所述入光机构110的中心位置。所述光源20可以为LED光源。通过矩形光斑透镜灯光系统30可以在投影屏上投射出矩形光斑。请参见图8-图13，为本申请提供的矩形光斑透镜10的进光孔为5mm×5mm的方形时，光源由6mmX6mm尺寸到1mm×1mm所投射出的光斑的形状。图13对应1mm×1mm的光源形成的光斑。经对比，图13所投射出的光斑轮廓最清晰。经比较，当进光孔为5mm×5mm的方形时，比较适合光源尺寸在1mm×1mm以下时使用。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

权利要求：1.一种矩形光斑透镜，其特征在于，包括：入光机构110，具有进光孔111，光源经所述进光孔111进入所述入光机构110，并经所述入光机构110折射出去，形成折射光线，所述折射光线包括第一折射光线和第二折射光线；全反射机构130，与所述入光机构110固定连接，用于对所述第一折射光线进行全反射，形成全反射光线；以及出光机构120，与所述全反射机构130固定连接；所述出光机构120具有矩形出光面121，用于对所述第二折射光线和所述全反射光线进行透射，以形成矩形光斑。2.根据权利要求1所述的矩形光斑透镜，其特征在于，所述入光机构110包括：第一进光面112，与所述矩形出光面121平行间隔设置，并且所述第一进光面112为矩形进光面。3.根据权利要求2所述的矩形光斑透镜，其特征在于，所述第一进光面112的曲率由所述第一进光面112的中心点向外边缘逐渐增大，经所述第一进光面112折射出去的光直接到达所述矩形出光面121。4.根据权利要求3所述的矩形光斑透镜，其特征在于，所述入光机构110还包括：多个第二进光面113，与所述第一进光面112固定连接，且多个所述第二进光面113之间固定连接，以在所述全反射机构130中形成凹陷结构。5.根据权利要求4所述的矩形光斑透镜，其特征在于，还包括：多个第一凹反射聚光面114，分别与相邻的两个所述第二进光面113呈第一角度设置。6.根据权利要求5所述的矩形光斑透镜，其特征在于，所述全反射机构130具有多个全反射面132，所述全反射面132的个数与所述第二进光面113的个数相同，每一个所述全反射面132用于接收经所述第二进光面113折射的光线。7.根据权利要求6所述的矩形光斑透镜，其特征在于，还包括：第二凹反射聚光面131，分别与相邻的两个所述全反射面132呈第二角度设置。8.根据权利要求1所述的矩形光斑透镜，其特征在于，还包括：端盖140，设置于所述矩形出光面121，并且，所述端盖140与所述矩形出光面121的中心重合，并且所述端盖140完全覆盖所述矩形出光面121。9.根据权利要求1所述的矩形光斑透镜，其特征在于，所述进光孔111为矩形进光孔或梯形进光孔中的一种。10.根据权利要求1所述的矩形光斑透镜，其特征在于，所述矩形光斑透镜10的制作材料为透明光学玻璃或透明光学塑料。

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