CN102012001B - 一种用于led的透镜设计方法 - Google Patents

Abstract

一种用于LED的透镜设计方法，经该透镜折射后光斑呈环形分布，其方法为：将光源发光角和光斑与截面的交线按照一定规律分别划分成一一对应的小角和小段，以光源与被照点之间的连线方向作为经过透镜后的各折射光线方向，根据折射定律，确定各被照点所对应的透镜第一面上的各特征点的位置，继而再求得第二面上各特征点的位置，然后将各特征点依次用直线或平滑曲线连接起来，得到第一面上的一条连续曲线和第二面上的一条连续曲线，将该两条连续曲线绕光轴旋转，即可得到环形光斑的透镜表面。该方法可根据任意需要的环形光斑的照度要求和光环的宽窄变化来对透镜进行设计，得到照度可均匀，也可沿环形半径方向呈一定规律变化的光斑。

Description

一种用于LED的透镜设计方法

技术领域

本发明涉及一种光学元件的设计方法，更具体地说，涉及一种光斑呈中心对称的环形分布的透镜设计方法。

背景技术

随着LED光源的优点日益被人们所发现，其在照明领域已得到普遍应用。人们在追求高效的照明同时，也希望用LED光源达到所需要的景观照明效果。比如奥运五环、日环食等呈环形分布的光斑形状。

要得到上述光斑形状，如果不采用光学透镜，用光源直接照射，则需要多个LED分工负责环形照射区域的不同部分，这样不但会使灯具的结构复杂，成本增加，而且很难达到被照区域的照度均匀的要求。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种用于LED的透镜设计方法，该方法得到的光斑呈中心对称的环形分布，且照度可均匀，也可沿中心半径方向呈一定规律的变化。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于LED的透镜设计方法，经该透镜折射后光斑呈中心对称的环形分布，其特征在于：

a)、在任一过光源光轴的平面上，将光轴一侧的发光角按照发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，使得各个小角内的光通量相等；

b)、将被照面上的环形光斑与所述入射面的交线段划分成多个小段，所述小段与所述小角一一对应，调整各小段的长度使其与光源到该小段上被照点的距离的平方成反比，并且与照度随被照点离开光斑中心距离而变化的函数成正比；

c)、以所述小段中边缘小段作为起始被照小段，以边缘点为起始被照点，这就对应了所述的一个小角，根据透镜第一面离开光源的距离要求，在与起始被照点对应的入射光线上取一点作为透镜第一面上的起始特征点，在该点处，平行于光源与起始被照点连线的直线同入射光线形成一夹角，为透镜的起始光线偏折角，根据预定的比例，将所述偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，角分线作为入射光线经过透镜第一面后的折射线，通过折射定律以及所述的对应小角，求出与起始特征点相邻的第二特征点，该第二特征点对应与起始被照点相邻的第二被照点；d)、同上一步骤，依次求出各个被照点所对应的第一面上的各特征点的位置；

e)、在经过所述第一面上的起始特征点后的折射线上，根据透镜厚度要求取一点，作为透镜第二面上的起始特征点，根据第二偏折角，采用与得到第一面上的特征点类似的方法，求出第二面上的各特征点的位置；

f)、将所述的第一面和第二面上的各特征点依次连接，分别形成两条连续曲线；g)、将所述两条曲线绕光源光轴旋转，形成透镜的表面。

进一步，所述照度随被照点离开光斑中心距离而变化的函数为常数，此时可得到照度沿半径方向均匀分布的光斑。

进一步，所述照度随被照点离开光斑中心距离而变化的函数为高斯型、直线型，抛物线型或洛仑兹型。

进一步，所述各特征点依次用直线或平滑曲线连接起来。

进一步，所述透镜采用折射率为1.3～4.2之间的透明材料。

本技术方案中通过调整被照各小段的长度使其与光源到该小段上被照点的距离的平方成反比，并且与照度随被照点离开光斑中心距离而变化的函数成正比，使得被照面上照度呈均匀(当所述函数为常数时)或一定规律的变化(由于透镜的尺寸相对于被照区域来说几乎可以忽略不计，故光源到被照点的距离和方向就相当于经过透镜后的折射光线到被照点的距离和方向。)当所述各特征点依次用直线或平滑曲线连接时，得到不同形状的透镜。

光线经过透镜第一面的偏折角和第二面的偏折角的比例大小，可以根据所需的透镜形状、光环半径大小、被照面与光源的距离远近以及光源的发光角大小来确定。

附图说明

图1是在入射面上划分小角的方法示意图；

图2是在入射面与被照环形光斑的交线段上划分小段的方法示意图；

图3是确定透镜表面上各特征点的方法示意图；

图4是将图3各特征点连接的方法一示意图；

图5是将图3各特征点连接的方法二示意图；

图6是在图4和图5基础上得到的透镜实施例一剖视图；

图7是图6所示透镜的光斑图；

图8a是本发明实施例二的剖视图；

图8b是确定图8a透镜表面上各特征点的方法示意图；

图8c是图8a所示透镜的光斑图；

图9a是本发明实施例三的剖视图；

图9b是确定图9a透镜表面上各特征点的方法示意图；

图9c是图9a所示透镜的光斑图。

具体实施方式

以下通过附图对本发明透镜设计方法做进一步详细的描述。

图1所示，以过LED光源3的光轴L的平面为光线入射面，在该入射面上，将光轴一侧的光源发光角按照发光强度随发光角度的分布规律划分成等光通量的多个小角。为使图形清晰，本实施例仅分为4个小角，分别为α1，α2，α3，α4。图2所示，将入射面在该侧与被照环形光斑的交线段也分成4个小段ab，bc，cd，de，分别与α1，α2，α3，α4一一对应。调整各小段的长度，使其与光源3到该小段上被照点的距离r的平方成反比，并且与该被照点的照度E随被照点离开光斑中心O的距离h而变化的函数f(E，h)成正比。

图3所示，以ab段作为起始被照小段，以a点为起始被照点，则该ab段对应的小角为α1。根据透镜第一面离开光源3的距离要求，在与a点对应的入射光线上取一点1a，作为透镜第一面上的起始特征点，在该特征点处，平行于光源3与被照点a的连线的直线同入射光线形成一夹角β1，该夹角即为透镜的起始光线偏折角。根据预先设定的比例，，将该偏折角β1分成两个部分，第一偏折角β11和第二偏折角β12，本实施例取β11∶β12＝1∶1，角分线作为入射光线经过第一面的起始特征点1a后的折射线，通过折射定律，确定1a点的法线n1，垂直于法线n1的直线与所述的光线入射面形成一交线，该交线与小角α1的角边的交点分别为1a和1b，1b点即作为第二特征点。在第二被照小段bc上，取b点为第二被照点，则b点对应了该第二特征点1b。依照所述的确定第二特征点1b的方法，依次求得被照点c、d、e所对应的第一面上的特征点1c、1d、1e。

根据透镜厚度的要求，在经过第一面上的起始特征点1a后的折射线上取一点2a作为第二面上的起始特征点，以该折射线作为透镜第二面的入射线，以在该2a点平行于被照点a与光源的连线的直线为透镜第二面的折射线，该入射线和折射线方向即为图示的第二偏折角β12的两个角边方向，采用与确定第一面的特征点完全相同的方法，依次求得第二面上的特征点2b、2c、2d、2e的位置。

图4和图5分别是将第一面1和第二面2上的各特征点依次用直线或平滑曲线进行连接，得到两条连续曲线。当图4中的特征点取得足够多时，也近似为平滑的曲线，将该曲线绕光源3的光轴L旋转，得到图6所示的透镜形状。经该透镜折射后得到如图7所示的光斑。

图8a是采用本发明方法得到的第二实施例透镜的剖视图，图8b是确定第一面1和第二面2上各特征点的连续曲线的方法示意图，图8c是该透镜的光斑图。

图9a是采用本发明方法得到的第三实施例透镜的剖视图，图9b是确定第一面1和第二面2上各特征点的连续曲线的方法示意图，图9c是该透镜的光斑图。由于该环形光斑的光环相对较窄，比如小于环半径的1/50时，可将各被照点与光源的连线方向视为一致，即光线通过透镜折射后，各折射线方向相互平行，这样在确定各特征点时可以使程序简化。

前述实施例均是取边缘点a为起始被照点，逐次确定各特征点的位置。当然，也可以另一边缘点e为起始被照点，该e所对应的入射光线即为沿光轴方向的光线，则从对应的起始特征点1e开始，逐次确定各特征点位置。

当照度E随各被照点离开光斑中心O的距离而变化的函数取常数时，光斑在沿半径方向上的照度呈均匀分布。当然，当该函数为高斯型、直线型，抛物线型或洛仑兹型时，也可得到照度呈一定规律变化的光斑。

Claims (5)

1.一种用于LED的透镜设计方法，经该透镜折射后光斑呈中心对称的环形分布，其特征在于：

a)、在任一过光源光轴的平面上，将光轴一侧的发光角按照发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，使得各个小角内的光通量相等；并以所述平面作为入射面；

b)、将被照面上的环形光斑与所述入射面的交线段划分成多个小段，所述小段与所述小角一一对应，调整各小段的长度使其与光源到该小段上被照点的距离的平方成反比，并且与照度随被照点离开光斑中心距离而变化的函数成正比；

c)、以所述小段中边缘小段作为起始被照小段，以边缘点为起始被照点，即对应了一个所述小角，根据透镜第一面离开光源的距离要求，在与起始被照点对应的入射光线上取一点作为透镜第一面上的起始特征点，在该点处，平行于光源与起始被照点连线的直线同入射光线形成一夹角，为透镜的起始光线偏折角，根据预定的比例，将所述偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，角分线作为入射光线经过透镜第一面后的折射线，通过折射定律，确定起始特征点的法线，垂直于法线的直线与所述入射面形成一交线，该交线与所述对应边缘小段的小角的角边的交点分别为起始特征点和与该起始特征点相邻的第二特征点，该第二特征点对应与起始被照点相邻的第二被照点；

d)、同上一步骤，依次求出各个被照点所对应的第一面上的各特征点的位置；

e)、在经过所述第一面上的起始特征点后的折射线上，根据透镜厚度要求取一点，作为透镜第二面上的起始特征点，采用与得到第一面上的特征点类似的方法，求出第二面上的各特征点的位置；

f)、将所述的第一面和第二面上的各特征点依次连接，分别形成两条连续曲线；

g)、将所述两条曲线绕光源光轴旋转，形成透镜的表面。

2.根据权利要求1所述的用于LED的透镜设计方法，其特征在于：所述照度随被照点离开光斑中心距离而变化的函数为常数，此时可得到照度沿半径方向均匀分布的环形光斑。

3.根据权利要求1所述的用于LED的透镜设计方法，其特征在于：所述照度随被照点离开光斑中心距离而变化的函数为高斯型、直线型，抛物线型或洛仑兹型。

4.根据权利要求1所述的用于LED的透镜设计方法，其特征在于：所述各特征点依次用直线或平滑曲线连接起来。

5.根据权利要求1所述的用于LED的透镜设计方法，其特征在于：所述透镜采用折射率为1.3～4.2之间的透明材料。

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