CN102168838A - 一种led一次封装自由曲面透镜及其设计方法 - Google Patents

一种led一次封装自由曲面透镜及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学透镜领域，具体涉及一种LED一次封装自由曲面透镜及其设计方法。该透镜由平面和自由曲面组成，平面对应于内表面，自由曲面对应于外表面，自由曲面用来实现均与照度和矩形配光。当LED芯片发光面发出光束，经过内表面的折射，入射到一次透镜，再经过自由曲面出射到路面上。自由曲面的形状根据能量守恒定律和照度均匀性要求，通过数值求解得到。由于一次封装透镜含有自由曲面，可以把LED出射光全部照射到路面上，提高了光线的利用率，避免了“斑马条纹效应”。在使用时，只需要将多颗该封装的LED组合就可实现均匀照明，省去了二次光学设计这一环节，节省了大量时间。本LED一次配光透镜使用广泛，适用于所有的需要照度均匀的领域。具有巨大的社会效益和经济效益。

Description

一种LED一次封装自由曲面透镜及其设计方法
技术领域
本发明属于光学透镜领域，具体涉及一种LED一次封装自由曲面透镜及其设计方法。
背景技术
近年来，随着半导体照明技术的发展，LED的应用到了多个照明领域，LED路灯就是其应用之一。LED以其体积小、可靠性高、寿命长和亮度可调性好等优势正在获得广泛应用。但是现在LED路灯照明还没有相应的标准，市场上的LED路灯质量也参差不齐，主要体现在路面照度不均匀，被照路面出现斑马现象。目前LED路灯主要采用在一次光学设计的基础上进行二次光学设计，这样导致多余的光能损耗，造成了能源损耗，而且配光效果也不甚理想。
在道路照明中，需要LED灯具有较大的功率。但是由于多颗LED在灯具设计中和使用上有诸多不便，需要大量串联和并联使用，光源的稳定性差，使得LED灯具结构和设计受到很大的限制，另外光效也受到限制，使得大部分的灯具达不到《城市道路照明》所要求的照度要求和照度均匀度要求。为了方便LED路灯灯具设计，需要设计出矩形配光、均匀照度的一次封装透镜，提高光线利用率。
发明内容
本发明的目的是设计出一种矩形配光、照度均匀的LED一次封装自由曲面透镜及其设计方法，以改善路面照度均匀度，矩形配光可以提高光线利用率。
本发明提出的一种LED一次自由曲面透镜，该透镜由透镜内表面1和透镜外表面2组成，其中：透镜内表面1为平面，透镜外表面2为自由曲面，自由曲面用来实现均与照度和矩形配光，当LED芯片发光面发出光束，经过内表面1的折射，入射到该透镜，再经过自由表面出射到路面上；所述透镜外表面2满足照度均匀公式(1)、矩形配光坐标转换公式（2）、（3）和初始条件，其表面坐标通过数值计算得到：
照度均匀公式：
　　　　　　　　　（1）
矩形配光坐标转换公式（2）、（3）：
Figure 247715DEST_PATH_IMAGE002
　　　　　　　　　　（2）
Figure 2011100610193100002DEST_PATH_IMAGE003
　　　　　　（3）
其中和
Figure 169403DEST_PATH_IMAGE006
为被照路面的长和宽，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为LED与路面的距离。
Figure 965190DEST_PATH_IMAGE008
和为第一象限内LED的出光方位角；
初始条件为：透镜第一平面距离与原点距离为
Figure 450267DEST_PATH_IMAGE010
，自由曲面与原点的距离为
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，即为。
本发明提出的LED一次封闭自由曲面透镜的设计方法，具体步骤如下：
(1)确定透镜的边界条件，所述边界条件包括透镜中心厚度、被照面形状与几何尺寸；
(2)根据确定的被照面几何形状，建立一个坐标转换模型，写出坐标转换函数，将LED芯片出射光线均匀分布到被照面上；
透镜的四个角底部包含四个封装的固定脚，透镜的折射率为
Figure 2011100610193100002DEST_PATH_IMAGE013
，对于LED芯片出光表面上方位角为的光线
Figure 2011100610193100002DEST_PATH_IMAGE015
，经过第一平面的折射，折射光线的方位角为，这里
Figure 358344DEST_PATH_IMAGE018
可以根据折射定律求得，而
Figure 98898DEST_PATH_IMAGE009
保持不变。折射光线经过自由曲面折射，照射到路面上，该出射光线为。这里出射光线的方向和坐标可以通过折射定律求出。求解过程中使用了照度均匀的条件。
首先根据Snell定律有
Figure 444353DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为空气折射率，
Figure 943336DEST_PATH_IMAGE013
为透镜的折射率。用矢量表示，入射光线
Figure 803976DEST_PATH_IMAGE015
的单位矢量为
Figure 487636DEST_PATH_IMAGE022
，
计算得到折射光线的单位矢量为
。
折射光线经过自由曲面上的
Figure 911202DEST_PATH_IMAGE024
点，在球坐标中其坐标表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE025
那么
Figure 641130DEST_PATH_IMAGE024
点所在的自由曲面可以表示为
Figure 808937DEST_PATH_IMAGE026
。
为了方面，下面推导的过程中将简写为
Figure 915302DEST_PATH_IMAGE028
。
那么曲面的两个切线向量为
Figure DEST_PATH_IMAGE029
Figure 45807DEST_PATH_IMAGE030
那么自由曲面在
Figure 510418DEST_PATH_IMAGE024
点处的法向量就是
Figure 991952DEST_PATH_IMAGE032
，结果如下
Figure DEST_PATH_IMAGE033
归一化，得到法线单位向量就是
Figure 574112DEST_PATH_IMAGE034
对于自由曲面界面上，假设入射波和折射波的单位矢量分别为和
Figure 998271DEST_PATH_IMAGE036
，空气折射率和透镜折射率分别为
Figure 460214DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 602614DEST_PATH_IMAGE013
。根据折射定律，有
Figure DEST_PATH_IMAGE037
化简得
Figure 113099DEST_PATH_IMAGE038
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，下面根据能量守恒定律和照度均匀性要求推导
Figure 765666DEST_PATH_IMAGE024
点坐标。
假设LED的光线全部照射到长为宽为
Figure 965889DEST_PATH_IMAGE006
的路面上，由能量守恒原理得到
Figure 76802DEST_PATH_IMAGE001
对于LED光源近似有
Figure 662504DEST_PATH_IMAGE040
，代入上式，可以得到
可以得到路面照度为
Figure 279299DEST_PATH_IMAGE042
。
对于特定的,也有
Figure 193029DEST_PATH_IMAGE044
即为
其中
Figure 107633DEST_PATH_IMAGE046
和
Figure DEST_PATH_IMAGE047
分别表示对应第一象限的矩形顶点坐标，而且满足。
化简得到
也就是说，对于不同的
Figure 313727DEST_PATH_IMAGE008
，有不同的矩形范围。假设在第一象限，
Figure 205590DEST_PATH_IMAGE008
值对应的矩形边上有点
Figure DEST_PATH_IMAGE051
，显然有
当时，，
Figure 731059DEST_PATH_IMAGE054
；
当时，
Figure 196544DEST_PATH_IMAGE056
，。
综合上面所述，对于第一象限内LED出光面上方位角为的出射光线，照射到路面上点
Figure 867752DEST_PATH_IMAGE024
的坐标为
Figure 559819DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 167387DEST_PATH_IMAGE003
(3)根据建立的模型，写出自由曲面的函数关系，利用数值方法进行求解，所得外表面满足均匀照度要求和矩形配光要求。
本发明的LED路灯一次封装透镜，具有以下明显优点：
1）由于一次透镜的外表面采用自由曲面，其坐标通过数值计算得到，使得封装后LED实现蝙蝠翼配光，降低路灯中间的光强，实现均匀照度照明；使用本一次封装透镜，消除了LED路灯的“斑马线”现象，路面不会出现明暗相间的亮度条纹。
2）由于采用设计一次透镜的时候采用了拓扑变换，使用本透镜的LED实现了矩形配光，使得照射到道路外面的光线降低到最低，光线近似为全部照射到路面上，提高了光线利用率；
3）另外，本设计的一次透镜采用了自由曲面，LED路灯不再需要二次透镜设计，消除了二次光学设计的环节，提高了灯具设计效率；消除了二次光学透镜对光线的吸收，提高了光线的利用率。
附图说明
图1是本发明的LED一次封装截面图。
图2是本发明的一次透镜的截面图及其光路。
图3是本发明的实施例中一次透镜数学模型图。
图4 是本发明的实施例中LED芯片光强测试图。
图5是本发明的实施例中一次透镜的自由曲面立体图。
图中标号：1为透镜内表面，2为透镜外表面，3为导电金线，4为焊接引脚，5为衬底，6为黏胶,7为LED芯片，8为旋转轴，9为接收器。
具体实施方式
以下结合附图和实例，对本发明作进一步的说明。
实施例1：如图1所示，该透镜由透镜内表面1和透镜外表面2组成，透镜内表面1为平面，透镜外表面2为自由曲面，透镜位于衬底5上方，透镜内表面1通过黏胶6固定于衬底5上方，焊接引脚4伸入透镜底部，焊接引脚4通过导电金线3连接透镜内表面1。
以道路照明为例，一般都采用大功率LED芯片，在LED芯片7封装之前，首先使用光通球和照度计测量LED芯片的光强度分布，旋转轴8位于其y轴的反向沿长线上，接收器9位于x轴上，并对测量数据进行拟合，得到球坐标下LED芯片7的光强度分布为,其中和
Figure 662325DEST_PATH_IMAGE009
分别是方位角和旋转角，测量仪器和符号标注如图4所示。
然后确定被照面的几何尺寸，在道路照明中，假设道路宽度为
Figure 948950DEST_PATH_IMAGE046
，被照区域长度为
Figure 151392DEST_PATH_IMAGE047
。对于封装透镜的结构，参见图2，依照本发明的技术方案，一次透镜包括一个透镜内表面1和一个透镜外表面2，所述透镜内表面1为平面；所述透镜外表面2 为自由曲面。其中，LED芯片7位于坐标原点，光轴与Z轴重合，LED芯片7发出的光线
Figure 747327DEST_PATH_IMAGE015
通过透镜内表面1和透镜外表面2的折射，照射到路面上。假设光线的入射角为
Figure 222171DEST_PATH_IMAGE008
；经过内表面
Figure DEST_PATH_IMAGE059
点折射角为
Figure 171541DEST_PATH_IMAGE018
；在自由曲面上，光线入射角为
Figure 228490DEST_PATH_IMAGE060
，经过点出射光线与自由曲面法线夹角为
Figure DEST_PATH_IMAGE061
。
对于大功率LED芯片封装，透镜材料可以选取PMMA，可以防止紫外线对材料的老化，延长LED使用寿命，计算的过程中折射率取1.49。参考图3，自由曲面在
Figure 772845DEST_PATH_IMAGE059
点处的单位法向量是
Figure 684300DEST_PATH_IMAGE034
对于自由曲面界面上，假设入射波和折射波的单位矢量分别为和
Figure 133791DEST_PATH_IMAGE036
，空气折射率和透镜折射率分别为
Figure 51062DEST_PATH_IMAGE021
和。根据Snell折射定律，有，其中
Figure 862395DEST_PATH_IMAGE039
，再根据能量守恒定律和照度均匀性要求，
Figure 409789DEST_PATH_IMAGE024
点坐标为
Figure 326110DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 733826DEST_PATH_IMAGE003
根据
Figure 55217DEST_PATH_IMAGE024
点的坐标公式，
Figure 248301DEST_PATH_IMAGE059
点的坐标公式，以及上述折射公式，利用数值计算方法，可以确定透镜的外形，实例中，我们取透镜的中心与芯片的距离为3mm，计算出来的外表面的外形如图5所示。
本发明使用自由曲面一次透镜设计，实现了均匀照度要求和矩形配光要求，提高了光线的利用率。

Claims (2)

1.一种LED一次封装自由曲面透镜，其特征在于该透镜由透镜内表面(1)和透镜外表面(2)组成，其中：透镜内表面(1)为平面，透镜外表面(2)为自由曲面，自由曲面用来实现均与照度和矩形配光，当LED芯片发光面发出光束，经过内表面(1)的折射，入射到该透镜，再经过自由表面出射到路面上；所述透镜外表面(2)满足照度均匀公式①、矩形配光坐标转换公式②、③和初始条件，其表面坐标通过数值计算得到：
照度均匀公式：
Figure 724899DEST_PATH_IMAGE001
　　　　　　　　　①
矩形配光坐标转换公式（2）、（3）：
Figure 167250DEST_PATH_IMAGE002
　　　　　　　　　　②
Figure 368424DEST_PATH_IMAGE003
　　　　　　③
其中和
Figure 388519DEST_PATH_IMAGE006
为被照路面的长和宽，
Figure 249159DEST_PATH_IMAGE007
为LED与路面的距离；
Figure 932819DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 613330DEST_PATH_IMAGE009
为第一象限内LED的出光方位角；
初始条件为：透镜第一平面距离与原点距离为
Figure 40638DEST_PATH_IMAGE010
，自由曲面与原点的距离为
Figure 755784DEST_PATH_IMAGE011
，即为。
2.一种如权利要求1所述的LED一次封装自由曲面透镜的设计方法，其特征在于具体步骤如下： 
(1)确定透镜的边界条件，所述边界条件包括透镜中心厚度、被照面形状与几何尺寸；
(2)根据确定的被照面几何形状，建立坐标转换模型，写出坐标转换函数，将LED芯片出射光线均匀分布到被照面上；
透镜的四个角底部包含四个封装的固定脚，透镜的折射率为
Figure 230682DEST_PATH_IMAGE013
，对于LED芯片出光表面上方位角为的光线
Figure 969017DEST_PATH_IMAGE015
，经过第一平面的折射，折射光线的方位角为， 
Figure 44792DEST_PATH_IMAGE018
根据折射定律求得，而
Figure 921482DEST_PATH_IMAGE009
保持不变；折射光线经过自由曲面折射，照射到路面上，该出射光线为
Figure 197928DEST_PATH_IMAGE019
；出射光线的方向和坐标通过折射定律求出；求解过程中使用照度均匀的条件；
首先根据Snell定律有
                             
其中，
Figure 3390DEST_PATH_IMAGE021
为空气折射率，
Figure 144276DEST_PATH_IMAGE013
为透镜的折射率；用矢量表示，入射光线的单位矢量为
Figure 838879DEST_PATH_IMAGE022
，
计算得到折射光线的单位矢量为
Figure 775797DEST_PATH_IMAGE023
；
折射光线经过自由曲面上的
Figure 807393DEST_PATH_IMAGE024
点，在球坐标中其坐标表示为
Figure 496869DEST_PATH_IMAGE025
那么点所在的自由曲面表示为
Figure 810225DEST_PATH_IMAGE026
；
下面推导的过程中将简写为
Figure 324700DEST_PATH_IMAGE028
；
曲面的两个切线向量为
Figure 407931DEST_PATH_IMAGE029
Figure 233936DEST_PATH_IMAGE030
自由曲面在点处的法向量就是
Figure 660741DEST_PATH_IMAGE032
，结果如下
Figure 160992DEST_PATH_IMAGE033
归一化，得到法线单位向量就是
Figure 158773DEST_PATH_IMAGE034
对于自由曲面界面上，假设入射波和折射波的单位矢量分别为和
Figure 416896DEST_PATH_IMAGE036
，空气折射率和透镜折射率分别为
Figure 653711DEST_PATH_IMAGE021
和；根据折射定律，有
化简得
Figure 142779DEST_PATH_IMAGE038
其中
Figure 535452DEST_PATH_IMAGE039
，下面根据能量守恒定律和照度均匀性要求推导
Figure 823345DEST_PATH_IMAGE024
点坐标；
假设LED的光线全部照射到长为宽为
Figure 219877DEST_PATH_IMAGE006
的路面上，由能量守恒原理得到
Figure 49030DEST_PATH_IMAGE001
对于LED光源近似有
Figure 558640DEST_PATH_IMAGE041
，代入上式，得到
可以得到路面照度为
Figure 498652DEST_PATH_IMAGE042
；
对于特定的,也有
Figure 364157DEST_PATH_IMAGE044
即为
其中
Figure 672647DEST_PATH_IMAGE046
和
Figure 104766DEST_PATH_IMAGE047
分别表示对应第一象限的矩形顶点坐标，而且满足
Figure 572525DEST_PATH_IMAGE048
；
化简得到
也就是说，对于不同的
Figure 197913DEST_PATH_IMAGE008
，有不同的矩形范围；假设在第一象限，
Figure 83961DEST_PATH_IMAGE008
值对应的矩形边上有点，显然有
当时，，
Figure 246813DEST_PATH_IMAGE054
；
当时，，；
对于第一象限内LED出光面上方位角为的出射光线，照射到路面上点
Figure 386283DEST_PATH_IMAGE024
的坐标为
，
Figure 599461DEST_PATH_IMAGE003
(3)根据建立的模型，写出自由曲面的函数关系，利用数值方法进行求解，所得外表面满足均匀照度要求和矩形配光要求。
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