CN101975370B - 用于led光源的二次配光透镜的设计方法 - Google Patents

用于led光源的二次配光透镜的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于LED光源的二次配光透镜的设计方法，包括：确定LED光源的光分布函数；确定被照明的矩形区域以及所述LED光源离该矩形区域的距离；确定透镜的折射率；将所述矩形区域划分成若干过所述矩形区域的中心的线段；基于能量守恒定律，建立所述线段上的每一点与光源出射角的一一对应关系；基于折射定律和所述对应关系，求解所述透镜的配光曲面，以使经所述透镜配光后的光斑呈光均匀分布的矩形。根据本发明的方法所设计的二次配光透镜至少可以使LED光源形成均匀分布的矩形光斑。此外，本发明还具有设计简单、易于操作等优点。

Description

用于LED光源的二次配光透镜的设计方法
技术领域
本发明涉及应用光学领域，尤其涉及一种新颖的用于LED光源的二次配光透镜的设计方法。
背景技术
随着低碳节能、绿色环保的发展趋势，LED(发光二极管)以其低能耗、高发光效率和寿命长等诸多优点，得到了越来越广泛的关注。LED作为一种新型的光源，被越来越多地应用在各类照明系统中。然而，LED灯离普通照明还存在急需解决的问题。由于LED灯的体积小，使其发光面积小，方向性强，因此照射面积有限，需要对其进行二次配光，以满足实际的需要。
目前，应用于配光的方法有两种：反射式配光和折射式配光。反射式配光利用全反射原理，使配光透镜侧面成为全反射面，将照射到该侧面的光全部反射回透镜，从而减小侧面光能量的损失，提高光能利用率。然而，LED灯的方向性单一，主要光能集中在中间部分，只对侧面进行设计，不能使集中在中间部分的绝大部分光能均匀分布到目标照明区域，从而不能满足均匀性的要求。折射式配光则采用透镜折射原理，可以有效地将集中在中间部分的光能分散到目标照明区域。目前折射式配光的设计方法主要有两种：二维设计和三维设计。二维设计是将二次配光透镜的前表面和后表面在正交的两个方向分开设计，然后进行叠加，这样的方法虽然容易实现，但只针对了两条正交线来设计，其他绝大部分位置误差较大，整个透镜的均匀性较差；传统三维设计则需要建立整个折射曲面与目标照明区域的一一对应关系，进行逐点设计，通过该方法得到的透镜均匀性较好，但设计过程比较复杂，不易实现。
鉴于以上缺陷，本发明提出了一种新型的LED二次配光透镜的三维设计方法。
发明内容
针对现有技术的上述缺点，本发明旨在克服现有的二维设计的不足和三维设计的复杂性。
本发明提供了一种用于LED光源的二次配光透镜的设计方法，包括：确定LED光源的光分布函数；确定被照明的矩形区域以及所述LED光源离该矩形区域的距离；确定透镜的折射率；将所述矩形区域划分成若干过所述矩形区域的中心的线段；基于能量守恒定律，建立所述线段上的每一点与光源出射角的一一对应关系；基于折射定律和所述对应关系，求解所述透镜的配光曲面，以使经所述透镜配光后的光斑呈光均匀分布的矩形。
根据较佳实施例，在上述设计方法中，所述线段长度满足关系式：
Figure BDA0000030467790000021
Figure BDA0000030467790000022
其中，a是矩形区域的长，b是矩形区域的宽，为过矩形区域的中心的线段与矩形区域的场边所成的角。
根据较佳实施例，在上述设计方法中，在所述建立对应关系的步骤中，对应关系为：
∫I(θ)dθ＝∫Adρ
其中，I(θ)为所述光分布函数，ρ为点(ρ，
Figure BDA0000030467790000024
)与矩形中心的距离，A为矩形区域的平均照度值。
根据较佳实施例，在上述设计方法中，所述透镜的靠近LED光源的表面为球面。
根据较佳实施例，在上述设计方法中，所述透镜的远离LED光源的表面满足关系：
nsin(β+θin)＝sin(β+θout)
其中tanβ为
Figure BDA0000030467790000025
方向上的曲线在
Figure BDA0000030467790000026
方向的斜率，θout为所述远离LED光源的表面的出射光线在
Figure BDA0000030467790000031
方向的出射角，θin为所述远离LED光源的表面的入射光线在
Figure BDA0000030467790000032
方向的入射角，n为所述透镜材料的折射率。
根据较佳实施例，在上述设计方法中，所述光分布函数是旋转对称的。
综上，根据本发明的设计方法所设计的二次配光透镜可以帮助呈现均匀分布的矩形光斑。具体地，本发明的方法将透镜曲面的三维设计分解成若干个二维设计，实现了LED灯的二次配光，光斑呈矩形，且整个矩形区域的光分布均匀。
具体地，本发明与现有技术相比的优点至少在于：
(1)本发明采用折射式配光透镜设计方法，利用能量守恒定律建立了目标照明矩形区域内的点与LED光源出射角的一一对应关系，从而使照明区域内的光强分布具有很好的均匀性。
(2)本发明客服了目前的二维设计中误差较大的缺点，使只有两个正交方向的二维设计变成了对整个透镜曲面的多方向的二维设计，解决了正交二维设计中的设计误差。
(3)本发明与传统三维配光设计相比，将三维曲面分解成了多条二维曲线，大大降低了设计难度，同时能获得与传统三维配光设计相同的均匀性。
应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。
附图说明
包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。
附图中：
图1为根据本发明的LED二次配光透镜的结构图。
图2为前表面的正视图。
图3为后表面的正视图。
图4示意性地示出了加二次配光透镜前LED光源的圆形光斑。
图5示意性地示出了加二次配光透镜后得到的矩形光斑。
图6示出了根据本发明的设计方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。本发明的主要构思在于：将三维自由曲面沿
Figure BDA0000030467790000041
向分解成多个二维自由曲线设计，然后将所设计的二维曲线组合成三维曲面，从而得到合适的配光面形。
首先，结合图6简要描述本发明的用于LED光源的二次配光透镜的设计方法。
本发明的方法依次包括确定LED光源的光分布函数(步骤601)；确定被照明的矩形区域以及LED光源离该矩形区域的距离(步骤602)；确定透镜的折射率(步骤603)；将矩形区域划分成若干过矩形区域的中心的线段(步骤604)；基于能量守恒定律，建立线段上的每一点与光源出射角的一一对应关系(步骤605)；基于折射定律和上述对应关系，求解透镜的配光曲面，以使经透镜配光后的光斑呈光均匀分布的矩形(步骤606)。
较佳地，步骤601中的光分布函数是旋转对称的。
根据一个实施例，在步骤604中，线段长度优选满足关系式：
Figure BDA0000030467790000042
Figure BDA0000030467790000043
其中，a是矩形区域的长，b是矩形区域的宽，
Figure BDA0000030467790000044
为过矩形区域的中心的线段与矩形区域的场边所成的角。
根据一个实施例，在步骤605中，一一对应关系优选表示为：
∫I(θ)dθ＝∫Adρ                                         (2)
其中，I(θ)为所述光分布函数，ρ为点(ρ，
Figure BDA0000030467790000045
)与矩形中心的距离，A为矩形区域的平均照度值。
透镜的靠近LED光源的表面一般为球面，参见图1和图2。这样的设计可以保证光线正入射入透镜，减少该表面的反射损耗。另一方面，透镜的远离LED光源的表面优选满足以下关系式(3)，透镜的配光由这个面实现。
nsin(β+θin)＝sin(β+θout)                                    (3)
其中tanβ为
Figure BDA0000030467790000051
方向上的曲线在
Figure BDA0000030467790000052
方向的斜率，θout为所述远离LED光源的表面的出射光线在
Figure BDA0000030467790000053
方向的出射角，θin为所述远离LED光源的表面的入射光线在
Figure BDA0000030467790000054
方向的入射角，n为所述透镜材料的折射率，参见图1和图3。
以下，结合一实施例的实际数据简要说明一下本发明的设计方法。在该实施例中，在步骤601，根据预先提供的LED光源的参数，确定LED光源的光分布函数满足关系：I(θ)＝80*cos2θ。
接着，在步骤602，确定需要被照明的矩形区域的长a＝30m，宽b＝16m，光源离照明区域的距离h＝10m。
在步骤603，选定透镜材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，从而确定该材料的折射率n＝1.49。
在步骤604，将矩形区域划分成若干过矩形区域的中心的线段，线段长度满足上述公式(1)，其中
在步骤605，按上述公式(2)建立线段L
Figure BDA0000030467790000056
上的每一点(ρ，)与LED光源出射角(θ，
Figure BDA0000030467790000058
)的一一对应关系；
最后，在步骤606，将步骤605获得的关系代入公式(3)，求解出配光曲面在不同
Figure BDA0000030467790000059
方向的斜率tanβ，从而得出起配光作用的整个透镜后表面的数据，从而能生成透镜实体。
根据上述实施例的方法所获得的透镜如图1所示，其中标号1表示透镜的远离LED光源的表面，该表面的实体另请参见图3；标号2表示透镜的靠近LED光源的表面，该表面优选为球面，另请参见图2。在装配时，将LED光源设置于表面2的圆心3处，使得光线在表面2正入射进入透镜，减少反射损耗。
通过将根据本发明的设计方法制成的透镜与LED光源进行组装，实际得到光斑形状如图5所示，而没加透镜前裸灯的光斑形状为圆形(如图4所示)。可见，按本发明设计的LED二次配光透镜可以得到矩形光斑，且光照度在矩形区域内均匀分布。
本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。此外，本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。

Claims (2)

1.一种用于LED光源的二次配光透镜的设计方法，包括：
步骤a：确定LED光源的光分布函数；
步骤b：确定被照明的矩形区域以及所述LED光源离该矩形区域的距离；
步骤c：确定透镜的折射率，所述透镜的靠近LED光源的表面为球面；
步骤d：将所述矩形区域划分成若干过所述矩形区域的中心的线段，其中所述线段长度满足关系式：
Figure FDA0000135396700000011
其中，a是矩形区域的长，b是矩形区域的宽，
Figure FDA0000135396700000013
为过矩形区域的中心的线段与矩形区域的场边所成的角；
步骤e：基于能量守恒定律，建立所述线段上的每一点
Figure FDA0000135396700000014
与光源出射角θ的一一对应关系，所述对应关系为：
∫I(θ)dθ＝∫Adρ                  (2)
其中，I(θ)为所述光分布函数，ρ为点
Figure FDA0000135396700000015
与矩形中心的距离，A为矩形区域的平均照度值；
步骤f：将所述对应关系(2)代入所述透镜的远离LED光源的表面满足关系的公式(3)以求解所述透镜的配光曲面在不同
Figure FDA0000135396700000016
方向的斜率tanβ，从而得出起配光作用的整个透镜后表面的数据，从而能生成透镜实体，以使经所述透镜配光后的光斑呈光均匀分布的矩形，其中所述透镜的远离LED光源的表面满足关系的公式为：
nsin(β+θin)＝sin(β+θout)                 (3)
其中tanβ为方向上的曲线在
Figure FDA0000135396700000018
方向的斜率，β为所述远离LED光源的表面沿
Figure FDA0000135396700000019
方向的倾斜角，θout为所述远离LED光源的表面的出射光线在
Figure FDA00001353967000000110
方向的出射角，θin为所述远离LED光源的表面的入射光线在
Figure FDA00001353967000000111
方向的入射角，n为所述透镜的折射率。
2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述光分布函数是旋转对称的。
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