CN101533112A - 自由曲面光学透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自由曲面光学透镜，包括入射面、出射面和两对主侧面：以光轴作为X轴，建立X－Y－Z坐标系；所述透镜的出射面采用两条在X轴上相互垂直的曲线扫描得到的自由曲面(S1)，所述透镜的入射面由一个基本柱面构成，所述透镜起全反射作用的其中一对主侧面采用以X轴为对称轴的非园柱面，另一对主侧面采用以光轴为对称轴的斜平面。本发明的透镜既保证了矩形光斑所需的长宽比形状和照度均匀性，又提高有效光能利用率，具有自由灵活性和广泛的适应性。

Description

自由曲面光学透镜

(一)技术领域

本发明涉及一种自由曲面光学透镜。

(二)背景技术

随着LED技术的迅速发展，LED照明的应用越来越广泛。特别是道路照明，由于LED具有高效、节能、环保、使用寿命长等特点，路灯的应用首当其冲。众所周知，一般道路的路面是成矩形状的，而一般灯具发出的光到达路面所形成的光斑是成圆形的。这意味着灯具所在位置横截面上的照度最亮、区域最广，两盏灯具间的横截面上照度最暗、区域最小。为达到道路照明要求，只能把路灯安排加密。这样，导致道路以外的区域被过多的照明，成为无效照明并将增加光污染，这不利于节能环保。为解决这一问题，我们发明一种能形成矩形光斑的光学透镜，以适应各种路面照明要求，达到节能降耗、环保的目的。

目前能形成矩形光斑的光学透镜有几种，如中国发明专利200710123944.8“二次光学透镜”所描述的透镜；中国发明专利200710073278.1“LED路灯极其透镜”所描述的透镜；中国发明专利200710118965.0“一种用于LED光源的透镜”所描述的透镜，等。

上述的LED透镜虽然都能形成矩形光斑，但所设计的入射面，出射面都套用一定的几何形状，这导致光线的折、反射受到这些几何形状的限制，部分光线跑到非设定区域，形成光能损失。因而有必要引入自由曲面概念，能精确计算曲面上每个点的折、反射光线，达到预定的要求。

(三)发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种既保证矩形光斑长宽比形状和照度均匀性，又能提高有效光能利用率，达到优化效果的自由曲面透镜。

所述的自由曲面光学透镜，包括入射面、出射面和两对主侧面：

以光轴作为X轴，建立X-Y-Z坐标系；

所述透镜的出射面采用两条在X轴上相互垂直的曲线扫描得到的自由曲面(S1)，该两条曲线的方程式分别表示为X＝A₂Z²+A₄Z⁴+A₀和X＝B₂Y²+B₄Y⁴+B₀，其中A₂＝-0.005～-0.003，A₄＝-0.0007～-0.0005，A₀＝7.0～9.5；B₂＝-0.01～0.04，B₄＝-0.00045～-0.0003，B₀＝7.0～9.5；

所述透镜的入射面由一个基本柱面(S3)构成，该基本柱面的方程式表示为X＝(R²-Y²)^1/2，R＝4.0～4.5；

所述透镜起全反射作用的其中一对主侧面采用以X轴为对称轴的非园柱面(S6)，其方程式表示为X＝G₂Z²+G₄Z⁴+G₆Z⁶+G₀，另一对主侧面采用以光轴为对称轴的斜平面(S7)，其方程式表示为Y＝H₁X+H₀；其中G₂＝0.130～0.135，G₄＝-0.0012～-0.0011，G₆＝0.000010～0.000011，₀-1.90～-1.80；H₁＝-2.0～-1.0，H₀＝-5.0～-4.0。

进一步，所述透镜的入射面还附加一个非园柱面(S4)，非园柱面由三段曲线组成，其方程式分别表示为X＝C₂Y²+C₀，(X-D₀)²+(Y-E₀)²＝F₀和(X-D₀)²+(Y+E₀)²＝F₀，C₂＝-0.70～-0.40，C₀＝5.00～5.30，D₀＝3.5～4.0，E₀＝0.90～1.0，F₀＝0.50～0.51。

进一步，上述方程式中：

A₂＝-0.004171429，A₄＝-0.00058069，A₀＝7.79；B₂＝0.016685716，B₄＝-0.000377448，B₀＝7.79；

R＝4.2；

G₂＝0.133485729，G₄＝-0.001172413，G₆＝0.000010435，G₀＝-1.83；H₁＝-1.880726465，H₀＝-4.490482577；

C₂＝-0.634724644，C₀＝5.27876652，D₀＝3.85，E₀＝0.97，F0＝0.5041。

进一步，上述方程式中：

A₂＝-0.004171429，A₄＝-0.00058069，A₀＝7.4914375；B₂＝0.037542861，B₄＝-0.000406483，B₀＝7.4914375；

R＝4.2；

G₂＝0.133485729，G₄＝-0.001172413，G₆＝0.000010435，G₀＝-1.83；H₁＝-1.880726465，H₀＝-4.490482577；

C₂＝-0.634724644，C₀＝5.27876652，D₀＝3.85，E₀＝0.97，F₀＝0.5041。

进一步，上述方程式中：

A₂＝-0.004171429，A₄＝-0.00058069，A₀＝9.3373277；B₂＝-0.008342858，B₄＝-0.000377448，B₀＝9.3373277；

R＝4.2；

G₂＝0.160182875，G₄＝-0.001172413，G₆＝0.000010435，G₀＝-1.83；H₁＝-1.07236871，H₀＝-4.19；

C₂＝-0.432577192，C₀＝5.04383504，D₀＝3.85，E₀＝0.97，F₀＝0.5041。

本发明通过合理设置所述透镜各入射面，四侧面及出射面的各自尺寸和相互位置尺寸，同时合理选择所述各面的表示方程式之项次及各项系数，通过光线追迹计算、软件仿真进行反复优化，就可做到既保证矩形光斑所需的长宽比形状和照度均匀性，又提高有效光能利用率。同时只需对上述各表示方程式的某一些参数进行适当调整，即可满足不同用户的要求，因而具有自由灵活性和广泛的适应性。

并且，这些由方程式表示的曲面可以作成3D图和点阵数据，很容易导入数控加工中心或多轴自由曲面加工设备以及计测仪器，进行精密或超精密的加工和检测，使误差严格控制在可容许范围内。

所述透镜的入射面需与LED封装件的相应外形尺寸精确定位，确保LED芯片的中心与所述透镜的光轴中心重合且两者保持符合设计要求的间距。

为便于加工，降低成本和减轻重量，所述透镜可采用光学塑料注塑成形，所用的光学塑料可以是PMMA，PC，ZEONEX等，根据所述透镜所需的精度，性价比，耐热性进行选用。

本发明的透镜既保证了矩形光斑所需的长宽比形状和照度均匀性，又提高有效光能利用率，具有自由灵活性和广泛的适应性。

(四)附图说明

图1是本发明实施例1自由曲面光学透镜的Z-X坐标二维结构图；

图2是本发明实施例1自由曲面光学透镜的X-Y坐标二维结构图；

图3是本发明实施例1自由曲面光学透镜的Z-Y坐标二维结构图；

图4是本发明实施例1的自由曲面光学透镜的前视图；

图5是本发明实施例1的自由曲面光学透镜的后视图；

图6是本发明实施例1的光强分布仿真图；

图7是本发明实施例1的远场照度分布仿真图；

图8是本发明实施例2的光强分布仿真图；

图9是本发明实施例2的远场照度分布仿真图；

图10是本发明实施例3的光强分布仿真图；

图11是本发明实施例3的远场照度分布仿真图。

(五)具体实施方式

下面通过实施例对本发明作优选地具体的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

参照图1～5，一种自由曲面光学透镜，包括入射面、出射面和两对主侧面：

以光轴作为X轴，建立X-Y-Z坐标系；

所述透镜的出射面采用两条在X轴上相互垂直的曲线扫描得到的自由曲面S1，该两条曲线的方程式分别表示为X＝A₂Z²+A₄Z⁴+A₀和X＝B₂Y²+B₄Y⁴+B₀，其中A₂＝-0.005～-0.003，A₄＝-0.0007～-0.0005，A₀＝7.0～9.5；B₂＝-0.01～0.04，B₄＝-0.00045～-0.0003，B₀＝7.0～9.5；

所述透镜的入射面由一个基本柱面S3构成，该基本柱面的方程式表示为X＝(R²-Y²)^1/2，R＝4.0～4.5；

所述透镜起全反射作用的其中一对主侧面采用以X轴为对称轴的非园柱面S6，其方程式表示为X＝G₂Z²+G₄Z⁴+G₆Z⁶+G₀，另一对主侧面采用以光轴为对称轴的斜平面S7，其方程式表示为Y＝H₁X+H₀；其中G₂＝0.130～0.135，G₄＝-0.0012～-0.0011，G₆＝0.000010～0.000011，G₀＝-1.90～-1.80；H₁＝-2.0～-1.0，H₀＝-5.0～-4.0。

所述透镜的入射面还附加一个非园柱面S4，非园柱面由三段曲线组成，其方程式分别表示为X＝C₂Y²+C₀，(X-D₀)²+(Y-E₀)²＝F₀和(X-D₀)²+(Y+E₀)²＝F₀，C₂＝-0.70～-0.40，C₀＝5.00～5.30，D₀＝3.5～4.0，E₀＝0.90～1.0，F₀＝0.50～0.51。

本实施例选定的项系数为：

A₂＝-0.004171429，A₄＝-0.00058069，A₀＝7.79；B₂＝0.016685716，B₄＝-0.000377448，B₀＝7.79；

R＝4.2；

G₂＝0.133485729，G₄＝-0.001172413，G₆＝0.000010435，G₀＝-1.83；H₁＝-1.880726465，H₀＝-4.490482577；

C₂＝-0.634724644，C₀＝5.27876652，D₀＝3.85，E₀＝0.97，F₀＝0.5041。

斜面S2方程采用：z＝2.747477419x-14.04194

斜面S5方程采用：z＝-0.052407779x+3.5

参见图6，作为LED路灯的一种配光方式，本透镜的纵向(车道)最大光强夹角为108度；参见图7，可获得近似3∶1的矩形光斑，也即灯高10m时可获得35m×12m的均匀光斑。

按上述方程式构成的自由曲面透镜可实现以下指标：

照度均匀性(10m远处35m×12m范围内)达到50％；

出光效率达到88.1％；

有效光能利用率(10m远处，45m×45m范围内)达到79.6％

实施例2

改变实施例1中方程的系数如下：

A₂＝-0.004171429，A₄＝-0.00058069，A₀＝7.4914375；B₂＝0.037542861，B₄＝-0.000406483，B₀＝7.4914375；

R＝4.2；

G₂＝0.133485729，G₄＝-0.001172413，G₆＝0.000010435，G₀＝-1.83；H₁＝-1.880726465，H₀＝-4.490482577；

C₂＝-0.634724644，C₀＝5.27876652，D₀＝3.85，E₀＝0.97，F₀＝0.5041。

斜面S2方程采用：z＝2.747477419x-14.04194

斜面S5方程采用：z＝-0.052407779x+3.5

作为LED路灯的另一种配光方式，本透镜的纵向最大光强夹角为120度，见图8；可获得近似4∶1的矩形光斑，也即灯高10m时可获得40m×10m的均匀光斑，见图9。

按上述方程式构成的自由曲面透镜可实现以下指标：

照度均匀性(10m远处40m×10m范围内)达到41.3％；

出光效率达到87.2％；

有效光能利用率(10m远处，50m×50m范围内)达到71.7％。

实施例3

改变实施例1中方程的系数如下：

A₂＝-0.004171429，A₄＝-0.00058069，A₀＝9.3373277；B₂＝-0.008342858，B₄＝-0.000377448，B₀＝9.3373277；

R＝4.2；

G₂＝0.160182875，G₄＝-0.001172413，G₆＝0.000010435，G₀＝-1.83；H₁＝1.07236871，H₀＝-4.19；

C₂＝-0.432577192，C₀＝5.04383504，D₀＝3.85，E₀＝0.97，F₀＝0.5041。

斜面S2方程采用：x＝8.15

斜面S5方程采用：z＝-0.052407779x+3.5

作为LED灯具的一种配光方式，本透镜的纵向最大光强夹角为74度，见图10；可获得近似2∶1的矩形光斑，也即灯高10m时可获得20m×10m的均匀光斑，见图11。

按上述方程式构成的自由曲面透镜可实现以下指标：

照度均匀性(10m远处40m×10m范围内)达到48％；

出光效率达到87.9％；

有效光能利用率(10m远处，45m×45m范围内)达到83％。

Claims (5)

1、一种自由曲面光学透镜，包括入射面、出射面和两对主侧面，其特征在于：

以光轴作为X轴，建立X-Y-Z坐标系；

所述透镜的出射面采用两条在X轴上相互垂直的曲线扫描得到的自由曲面(S1)，该两条曲线的方程式分别表示为X＝A₂Z²+A₄Z⁴+A₀和X＝B₂Y²+B₄Y⁴+B₀，其中A₂＝-0.005～-0.003，A₄＝-0.0007～-0.0005，A₀＝7.0～9.5；B₂＝-0.01～0.04，B₄＝-0.00045～-0.0003，B₀＝7.0～9.5；

所述透镜的入射面由一个基本柱面(S3)构成，该基本柱面的方程式表示为X＝(R²-Y²)^1/2，R＝4.0～4.5；

所述透镜起全反射作用的其中一对主侧面采用以X轴为对称轴的非园柱面(S6)，其方程式表示为X＝G₂Z²+G₄Z⁴+G₆Z⁶+G₀，另一对主侧面采用以光轴为对称轴的斜平面(S7)，其方程式表示为Y＝H₁X+H₀；其中G₂＝0.130～0.135，G₄＝-0.0012～-0.0011，G₆＝0.000010～0.000011，G₀＝-1.90～-1.80；H₁＝-2.0～-1.0，H₀＝-5.0～-4.0。

2、根据权利要求1所述自由曲面光学透镜，其特征在于：所述透镜的入射面还附加一个非园柱面(S4)，非园柱面由三段曲线组成，其方程式分别表示为X＝C₂Y²+C₀，(X-D₀)²+(Y-E₀)²＝F₀和(X-D₀)²+(Y+E₀)²＝F₀，C₂＝-0.70～-0.40，C₀＝5.00～5.30，D₀＝3.5～4.0，E₀＝0.90～1.0，F₀＝0.50～0.51。

3、根据权利要求2所述自由曲面光学透镜，其特征在于上述方程式中：

A₂＝-0.004171429，A₄＝-0.00058069，A₀＝7.79；B₂＝0.016685716，B₄＝-0.000377448，B₀＝7.79；

R＝4.2；

G₂＝0.133485729，G₄＝-0.001172413，G₆＝0.000010435，G₀＝-1.83；H₁＝-1.880726465，H₀＝-4.490482577；

C₂＝-0.634724644，C₀＝5.27876652，D₀＝3.85，E₀＝0.97，F₀＝0.5041。

4、根据权利要求2所述自由曲面光学透镜，其特征在于上述方程式中：

A₂＝-0.004171429，A₄＝-0.00058069，A₀＝7.4914375；B₂＝0.037542861，B₄＝-0.000406483，B₀＝7.4914375；

R＝4.2；

G₂＝0.133485729，G₄＝-0.001172413，G₆＝0.000010435，G₀＝-1.83；H₁＝-1.880726465，H₀＝-4.490482577；

C₂＝-0.634724644，C₀＝5.27876652，D₀＝3.85，E₀＝0.97，F₀＝0.5041。

5、根据权利要求2所述自由曲面光学透镜，其特征在于上述方程式中：

A₂＝-0.004171429，A₄＝-0.00058069，A₀＝9.3373277；B₂＝-0.008342858，B₄＝-0.000377448，B₀＝9.3373277；

R＝4.2；

G₂＝0.160182875，G₄＝-0.001172413，G₆＝0.000010435，G₀＝-1.83；H₁＝-1.07236871，H₀＝-4.19；

C₂＝-0.432577192，C₀＝5.04383504，D₀＝3.85，E₀＝0.97，F₀＝0.5041。

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