CN102193193B - 一种具有圆形均匀照射光斑的透镜设计方法 - Google Patents

Abstract

一种具有圆形均匀照射光斑的透镜设计方法，光线经该透镜折射后的照射光斑为圆盘形，步骤为：以任一过光源光轴的平面为入射面，在该入射面上，将光源发光角和圆盘形光斑与入射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，再求得第二面上各特征点的位置，然后将各特征点依次连接起来，得到两条连续曲线，将该两条连续曲线绕光轴旋转，即得透镜表面。该方法可以设计出均匀照度的圆盘形光斑被照面，其照度均匀度能够达到96％，且几乎不存在无效光，大大提高光线利用率。

Description

一种具有圆形均匀照射光斑的透镜设计方法

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，涉及一种光斑呈圆盘形且照度均匀分布的透镜设计方法。

背景技术

LED作为光源应用于照明领域已日趋普遍，但由于LED的光场分布以及被照面照度与其距离光源的距离的平方成反比的规律，未经适当光学设计的光源在平面上的照明是一个中心照度大而沿径向快速衰减的照明区，在大多数情况下难以满足照明灯具和器件所需要达到的性能指标，同时还会因为大量无效光的存在而大大降低系统的效率。在很多场合都需要利用灯具进行均匀照明，在一个给定的位置和给定的区域内，形成一个照度均匀的光斑，照射到这个区域以外的光被视为无效光，比如舞台上的投射灯和高档的阅读灯等。由于LED的朗伯特性，很难满足使用要求。另一方面，由于在照明范围内每一点的照度都必须大于某一个最低照度值，同时还考虑到有相当一部分光能量泄露到有效范围以外，因此，往往只能通过提高光源的光输出才能达到照明要求，这实际上造成了能源的浪费。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种具有圆形均匀照射光斑的透镜设计方法，该方法得到的照射光斑呈照度均匀分布的圆盘形状，而且几乎不存在无效光，不会造成光线的浪费，大大提高光源利用率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有圆形均匀照射光斑的透镜设计方法，其设计步骤如下：

a)、以任一过光源光轴的平面作为入射面，在所述入射面上，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，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等；

b)、将被照面上的圆盘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，与照度成正比。

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，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。

所述各特征点依次用直线或平滑曲线连接起来。

所述透镜采用折射率为1.3～4.2之间的透明材料。

本发明技术方案适用于当光源的尺寸远小于其到折射界面的最小的距离时，可以将光源理想化，忽略它的尺寸，即点光源发光系统。这时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。根据光学原理，调整圆盘形被照面上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，并且与所要求照射区域的照度成正比，确定下来透镜两个面上的各特征点的位置，依次连接并旋转构成透镜的形状，光线经该透镜折射后即可得到均匀照度的圆盘形光斑。本设计方案中很少有光线照射到光斑以外区域成为无效光，因此，很少有光源浪费的现象，光线利用率很高。

附图说明

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是在入射面与被照圆盘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并依次连接的方法一示意图；

图4是将图3各特征点依次连接的方法二示意图；

图5是在图4基础上得到的透镜一实施例剖视图；

图6是图5所示透镜的光线追迹图；

图7是图5所示透镜的照射光斑图；

图8是图5所示透镜的照度分布图。

具体实施方式

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圆盘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，并且与所要求的被照区域的照度E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。依照上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是将第一面1和第二面2上的各特征点依次平滑曲线进行连接，得到两条连续平滑曲线。将该曲线绕光源3的光轴L旋转，得到透镜的形状，图5所示为该透镜的剖面图，图6为该透镜的光线追迹图，为清晰起见，图中只示意了有限的光线条数。图7和图8分别是图5所示透镜的照射光斑图和照度分布图，图7显示透镜的照射区域为圆形，图8中纵向表示照度的相对值，横向表示在圆形照射区域的任一直径方向上的点。从图8所示曲线显示，照度几乎完全分布在被照圆形区域内，而在该区域以外几乎没有照度分布，也即没有无效光的存在，因此光线的利用率很高，同时显示照度均匀度也很高，可以达到96％。

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。

Claims (3)

1.一种具有圆形均匀照射光斑的透镜设计方法，其设计步骤如下：

a)、以任一过光源光轴的平面作为入射面，在所述入射面上，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，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等；

b)、将被照面上的圆盘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，与照度成正比；

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，所述被照小段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，在该起始特征点处，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，确定所述起始特征点的法线，垂直于该法线的直线与所述入射面形成一交线，该交线与对应的所述小角的角边的交点即分别为起始特征点和第二特征点，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所述的一种具有圆形均匀照射光斑的透镜设计方法，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。

3.根据权利要求1所述的一种具有圆形均匀照射光斑的透镜设计方法，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。