CN102062348B - Led用侧光全景透镜设计方法 - Google Patents

Abstract

LED用侧光全景透镜设计方法，包括：将光源光轴单侧的发光角按照等光通量划分为若干小角，再将该若干小角分成A、B两个角区，令从透镜出来的出射光线均为平行光，在B角区内，根据入射光线与平行的出射光线，通过折射定律求得透镜第一、第二折射面的截面；在A角区内，给定两条边缘入射光线的出射方向，将该两条出射光线的夹角等分成与A角区内的小角一一对应的角，角分线作为折射光线或者反射光线的方向，依次求得透镜第三折射面、第四反射面以及第五折射面的截面，最后将该五个面组成的透镜截面绕光轴旋转，得到立体侧光全景LED用透镜形状。该方法简单直观，能够实现侧面出光且全景照射的效果，且适用性强、光线利用率高。

Description

LED用侧光全景透镜设计方法

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，涉及一种光线从侧面出射且能够360度全景照射的透镜设计方法。 

背景技术

在灯具的一些特殊使用场合，比如障碍物灯、草坪灯等，这类应用场合通常希望光线能够对障碍物或草坪达到360度全角度照射的效果。目前这类灯具，通常是采用传统光源外加特殊灯罩做成，其光线利用效率很低，更重要的是体积庞大，重量很重，不论从使用方便程度还是制作成本上均非常不理想。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。所以，用LED光源代替传统障碍物灯或草坪灯是大势所趋。 

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种LED用侧光全景透镜的设计方法，该方法通过简单和直观的计算，得到侧面出光且360度全景照射的透镜，光线利用率很高，适用于各种类型的LED光源。 

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下： 

LED用侧光全景透镜设计方法，其设计步骤如下： 

a)、以任一过光源光轴的平面为入射面，在该入射面上，将位于光轴单侧90度范围内的发光角划分成多个小角，将该范围内的小角按一定比例分成A、B两个角区； 

b)、在上述入射面上，根据被照区域的大小确定出光源通过透镜后的出射光线方向，且令出射光线平行；在所述A角区，根据透镜尺寸要求，在边缘入射光线上取一点得到透镜第一折射面上的第一特征点，在该点处，入射光线与所述平行出射光线形成一夹角，为透镜的起始光线偏折角，根据预定的权重，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折射面后的折射光线方向，也即射向透镜第二折射面的入射光线方向，通过折射定律以及所述的小角，求出与第一特征点相邻的第二特征点；同前述步骤，依次求出透镜第一折射面上的各特征点的位置； 

c)、在经过所述第一折射面上的第一特征点后的折射光线上，根据透镜尺寸要求取一点，作为透镜第二折射面上的第一特征点，根据b)步骤中得到的该点射向透镜第二折射面的入射光线方向和平行出射光线，通过折射定律求出第二折射面上与第一特征点相邻的第二特征点，按照同样方法依次求出第二折射面上的各特征点的位置； 

d)、分别将所述的第一折射面和第二折射面上的各特征点依次连接，形成两条连续曲线即为透镜第一折射面和第二折射面在所述入射面上的截面； 

e)、在所述B角区，给定两条边缘入射光线经过透镜第三折射面后的折射光线方向，将该两条折射光线的夹角等分成多个与所述B角区内的小角一一对应的角，角边作为入射光线经过透镜第三折射面后的折射光线方向，也即射向透镜第四反射面的入射光线方向，根据折射定律以及所述的小角，求出透镜第三折射面上的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，形成一条连续曲线即为透镜第三折射面在所述入射面上的截面； 

f)、根据透镜形状要求在光轴上取一点作为第四反射面上的第一特征点，令该第一特征点的入射光线经透镜第四反射面后的反射光线经过第二折射面上的一个边缘特征点，该边缘特征点远离过光源与光轴垂直的轴线，且该入射光线和反射光线之间的夹角α≥2arcsin(1/n)，其中n是透镜的折射率；再给定经透镜第四反射面反射后的另一条边缘反射光线方向，将该两条反射光线的夹角等分成多个与所述B角区内的小角一一对应的角，角边作为光线经过透镜第四反射面后的反射光线方向，也即射向透镜第五折射面的入射光线方向，根据所述反射光线与射向透镜第四反射面的入射光线，通过反射定律求出透镜第四反射面上的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，形成一条连续曲线即为透镜第四反射面在所述入射面上的截面； 

g)、根据射向透镜第五折射面的入射光线以及平行出射光线，以步骤f)中确定的第二折射面上的边缘特征点作为第五折射面上的第一特征点，通过折射定律求出透镜第五折射面上的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，形成一条连续曲线即为透镜第五折射面在所述入射面上的截面； 

h)、将上述求得的透镜第一、二、三、四、五面在所述入射面上的截面绕光源光轴旋转，即可得到该立体侧光全景透镜。 

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，在所述入射面上，所述透镜第一折射面、第二折射面和第五折射面的两个边缘特征点中，最靠近垂直于光轴的轴线的特征点离光轴的距离比该面上的其他点大，最远离垂直于光轴的轴线的特征点离光轴的距离比该面上的其他点小； 

进一步，所述b)步骤中的权重为50％，所述第一偏折角和第二偏折角相等。 

进一步，所述a)步骤中将位于光轴单侧90度范围内的发光角等分成多个小角。 

进一步，所述透镜采用折射率为1.3～4.2之间的透明材料。 

本发明技术方案，采用折射面和全反射面结合，实现光线的侧面出光照射效果。根据具体的使用场合对被照区域的大小要求，给定光源通过透镜后的平行出射光线方向，即，要求的被照区域小，平行出射光线与水平方向夹角大，反之，则小。然后通过简单的折射定律和反射定律，求得透镜各个面的形状。使用该设计方法得到的透镜可以做成标准模具进行批量生产，对LED光源没有任何要求，适用于任何型号或品牌的LED光源，均不会造成光线的浪费，在180度范围内进行设计，任一光源发出的所有光线均被包含在内，光线利用率非常高，可以达到90％以上。而将各特征点依次用直线或平滑曲线连接时，可以得到不同形状的透镜。在透镜制作过程中，为了拔膜方便，透镜第一折射面、第二折射面和第五折射面的两个边缘特征点中，最靠近垂直于光轴的轴线的特征点离光轴的距离比该面上的其他点大，最远离垂直于光轴的轴线的特征点离光轴的距离比该面上的其他点小。 

附图说明

图1是在入射面上划分小角的方法示意图； 

图2是确定透镜第一折射面和第二折射面上各特征点的方法示意图； 

图3是将图2各特征点连接的方法示意图； 

图4是确定透镜第三折射面上各特征点的方法示意图； 

图5是将图4各特征点连接的方法示意图； 

图6是确定透镜第四反射面上各特征点的方法示意图； 

图7是将图6各特征点连接的方法示意图； 

图8是确定透镜第五折射面上各特征点的方法示意图； 

图9是将图8各特征点连接的方法示意图； 

图10是透镜在入射面上的截面图； 

图11是图10所示透镜绕光轴旋转后的立体图； 

图12是图11所示透镜的剖面图； 

图13是图11所示透镜的光强分布图。 

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O的光轴L的任一平面为光线入射面，以下所详细描述的本发明设计方法均是在该入射面上进行。在该入射面上，将光轴L单侧90度范围内的发光角分成多个小角，为使设计简单和使图形清晰起见，本实施例将该发光角进行了等分，且仅划分为7个小角，分别为α1，α2，α3，α4，α5，α6，α7，并将该7个小角按照3∶4的比例划分成A、B两个角区，其中B角区包含三个小角α1，α2，α3，而A角区包含四个小角α3，α4，α5，α6。 

在上述入射面上，根据被照区域的大小确定出光源通过透镜后的出射光线方向，且令出射光线平行。本实施例为设计简单起见，令光源O发出的光线经过透镜以后的出射光线均为与水平平行的出射光线。在图2所示的A角区内，根据透镜第一折射面1离开光源O的距离要求，在边缘入射光线上取一点作为透镜第一折射面1上的第一特征点1a，在该第一特征点1a处，入射光线与水平平行出射光线之间形成一夹角β1，该夹角β1即为透镜的起始光线偏折角，根据预定的权重，将所述偏折角β1分成第一偏折角β11和第二偏折角β12，为计算方便，本实施例中权重取50％，即β11∶β12＝1∶1，角分线作为入射光线经过透镜第一折射面后的折射光线方向，也即射向透镜第二折射面的入射光线方向，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α4的角边的交点分别为1a和1b，1b点即作为第二特征点。在第二特征点1b处，入射光线与水平平行出射光线形成一夹角，按照与前述同样的方法，求出第三特征点1c、第四特征点1d以及第五特征点1e的位置。 

根据透镜厚度的要求，在经过第一折射面1上的起始特征点1a后的折射光线上取一点2a作为第二折射面2上的第一特征点，以该折射光线作为透镜第二折射面2的入射光线，以水平平行出射光线作为光线经过透镜第二折射面2以后的折射光线，该入射光线和折射光线方向即为图2所示的第二偏折角β12的两个角边方向，采用与确定第一折射面1的特征点完全相同的方法，依次求得第二折射面2上的特征点2b、2c、2d、2e的位置。 

图3是将第一折射面1和第二折射面2上的各特征点依次用平滑曲线进行连接，得到两条连续曲线，即为透镜第一折射面1和第二折射面2在入射面上的截面。当图3中的特征点取得足够多时，也近似为平滑的曲线。 

图4所示，在B角区内，两条边缘入射光线，即沿光轴L方向和沿O1a方向的光线，令入射光线O1a经透镜第三折射面3以后的折射光线沿1a4d方向射出，沿光轴L方向的入射光线不改变方向的射出，将该两条折射光线的夹角等分成三份，角分线即为光线经过透镜第三折射面3后的折射光线方向，也即射向透镜第四反射面4的入射光线方向。特征点1a既为透镜第一折射面的第一特征点，也为透镜第三折射面的第一特征点。在该第一特征点1a处，根据入射光线O1a和折射光线1a4d，通过折射定律，确定1a点的法线n2，垂直于法线n2的直线与所述的光线入射面形成一交线，该交线与小角α3的角边的交点分别为1a和3b，3b点即作为第三折射面3的第二特征点。在第二特征点3b处，O3b为入射光线，经过点3b平行于上述对应的角分线的直线3b4b为折射光线，也即射向透镜第四反射面4的入射光线方向，根据折射定律，按照与前述同样的方法，求出第三特征点3c。在第二特征点3c处，O3c为入射光线，经过点3c平行于上述对应的角分线的直线3c4c为折射光线，也即射向透镜第四反射面4的入射光线方向，根据折射定律，按照与前述同样的方法，求出第四特征点3d的位置。 

图5是将第三折射面3上的各特征点依次用平滑曲线进行连接，得到一条连续曲线，即为透镜第三折射面3在所述入射面上的截面。当图5中的特征点取得足够多时，也近似为平滑的曲线。 

图6所示，经过透镜第四反射面4的两条边缘入射光线分别为沿光轴L的3d4a和1a4d，点4a为根据透镜形状要求在光轴上所取的作为第四反射面4的第一特征点，令在该第一特征点4a的入射光线3d4a经透镜第四反射面4后的反射 光线经过第二折射面2上的边缘特征点2a，为满足全反射要求，该入射光线3d4a和反射光线4a2a之间的夹角α≥2arcsin(1/n)，其中n是透镜的折射率。再给定经第四反射面后的另一条边缘反射光线方向为4dX方向，将该两条边缘入射光线的反射光线4a2a和4dX形成的夹角等分成三份，角分线即为光线经过透镜第四反射面4后的反射光线方向，也即射向透镜第五折射面5的入射光线方向。根据入射光线3d4a和反射光线4a2a，通过反射定律，确定4a点的法线n3，垂直于法线n3的直线与所述的光线入射面形成一交线，该交线与上述的入射光线3c4b的交点为4b，4b点即作为第四反射面4的第二特征点。在第二特征点4b处，3c4b为入射光线，经过点4b平行于上述对应的角分线的直线4b5b为反射光线，根据反射定律，按照与前述同样的方法，求出第三特征点4c位置。在第三特征点4c处，3b4c为入射光线，经过点4c平行于上述对应的角分线的直线4c5c为反射光线，根据反射定律，按照与前述同样的方法，求出第四特征点4d位置。 

图7是将第四反射面4上的各特征点依次用平滑曲线进行连接，得到一条连续曲线，即为透镜第四反射面4在入射面上的截面。当图7中的特征点取得足够多时，也近似为平滑的曲线。 

图8所示，以透镜第二折射面2上的第一特征点2a作为透镜第五折射面5上的第一特征点，在该特征点2a处，以4a2a为入射光线，过点2a的水平平行出射光线为折射光线，根据折射定律，确定2a点的法线n4，垂直于法线n4的直线与所述的光线入射面形成一交线，该交线与上述的入射光线4b5b的交点为5b，5b点即作为第五折射面5上的第二特征点。在第二特征点5b处，4b5b为入射光线，经过点5b的水平平行出射光线为折射光线，根据折射定律，按照与前述同样的方法，求出第三特征点5c的位置。在第三特征点5c处，4c5c为入射光线，经过点5c的水平平行出射光线为折射光线，根据折射定律，按照与前述同样的方法，求出第四特征点5d的位置。 

图9是将第五折射面5上的各特征点依次用平滑曲线进行连接，得到一条连续曲线，即为透镜第五折射面5在入射面上的截面。当图9中的特征点取得足够多时，也近似为平滑的曲线。 

本实施例均是取边缘入射光线上的点为第一特征点，逐次确定各特征点的位 置。当然，也可以选任一入射光线上的点为第一特征点，确定各特征点的位置。 

图10所示是在该入射面上透镜第一折射面1、第二折射面2、第三折射面3、第四反射面4以及第五折射面5组成的透镜截面形状。将该截面绕光源光轴L旋转，即可得到图11所示的由本发明设计方法得到的侧光全景LED用透镜的立体形状。从图12所示的透镜的剖面图可以很直观的看到该透镜的结构。图13是本发明设计方法得到的透镜光强分布图，横坐标表示角度，纵坐标表示相对光强。从该图看出，90度附近的光强分布最强，表示光线几乎分布在左右90度的附近，实现了使用该透镜能够达到的侧光全景照射的效果。 

Claims (6)

1.LED用侧光全景透镜设计方法，设计步骤如下：

a)、以任一过光源光轴的平面为入射面，在该入射面上，将位于光轴单侧90度范围内的发光角划分成多个小角，将该范围内的小角按一定比例分成A、B两个角区；

b)、在上述入射面上，根据被照区域的大小确定出光源通过透镜后的出射光线方向，且令出射光线平行；在所述A角区，根据透镜尺寸要求，在边缘入射光线上取一点即为透镜第一折射面上的第一特征点，在该点处，入射光线与平行出射光线形成一夹角，为透镜的起始光线偏折角，根据预定的权重，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折射面后的折射光线方向以及射向透镜第二折射面的入射光线方向，通过折射定律以及所述的小角，求出与第一特征点相邻的第二特征点；同前述步骤，依次求出透镜第一折射面上的各特征点的位置；

c)、在经过所述第一折射面上的第一特征点后的折射光线上，根据透镜尺寸要求取一点，作为透镜第二折射面上的第一特征点，根据b)步骤中得到的该点射向透镜第二折射面的入射光线方向和平行出射光线，通过折射定律求出第二折射面上与第一特征点相邻的第二特征点，按照同样方法依次求出第二折射面上的各特征点的位置；

d)、分别将所述的第一折射面和第二折射面上的各特征点依次连接，形成两条连续曲线即为透镜第一折射面和第二折射面在所述入射面上的截面；

e)、在所述B角区，给定两条边缘入射光线经过透镜第三折射面后的折射光线方向，将该两条折射光线的夹角等分成多个与所述B角区内的小角一一对应的角，角边作为入射光线经过透镜第三折射面后的折射光线方向，也即射向透镜第四反射面的入射光线方向，根据折射定律以及所述的小角，求出透镜第三折射面上的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，形成一条连续曲线即为透镜第三折射面在所述入射面上的截面；

f)、根据透镜形状要求在光轴上取一点作为第四反射面上的第一特征点，令该第一特征点的入射光线经透镜第四反射面后的反射光线经过第二折射面上的一个边缘特征点，该边缘特征点远离过光源与光轴垂直的轴线，且该第四反射面上的第一特征点的入射光线和其经透镜第四反射面后的反射光线之间的夹角α≥2arcsin(1/n)，其中n是透镜的折射率；再给定经透镜第四反射面反射后的另一条边缘反射光线方向，将该两条反射光线的夹角等分成多个与所述B角区内的小角一一对应的角，角边作为光线经过透镜第四反射面后的反射光线方向，也即射向透镜第五折射面的入射光线方向，根据所述反射光线与e)步骤中确定的射向透镜第四反射面的入射光线，通过反射定律求出透镜第四反射面上的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，形成一条连续曲线即为透镜第四反射面在所述入射面上的截面；

g)、根据所述射向透镜第五折射面的入射光线以及所述的平行出射光线，以f)步骤中确定的第二折射面上的边缘特征点作为第五折射面上的第一特征点，通过折射定律求出透镜第五折射面上的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，形成一条连续曲线即为透镜第五折射面在所述入射面上的截面；

h)、将上述求得的透镜第一、二、三、四、五面在所述入射面上的截面绕光源光轴旋转，即可得到该立体的侧光全景透镜。

2.根据权利要求1所述的LED用侧光全景透镜设计方法，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。

3.根据权利要求1所述的LED用侧光全景透镜设计方法，其特征在于：在所述入射面上，所述透镜第一折射面、第二折射面和第五折射面的两个边缘特征点中，最靠近过光源垂直于光轴的轴线的特征点离光轴的距离比该特征点所在的该折射面上的其他点大，最远离垂直于光轴的轴线的特征点离光轴的距离比该特征点所在的该折射面上的其他点小。

4.根据权利要求1所述的LED用侧光全景透镜设计方法，其特征在于：所述b)步骤中的权重为50％，所述第一偏折角和第二偏折角相等。

5.根据权利要求1所述的LED用侧光全景透镜设计方法，其特征在于：所述a)步骤中将位于光轴单侧90度范围内的发光角等分成多个小角。

6.根据权利要求1所述的LED用侧光全景透镜设计方法，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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