CN102486293A - 一种新型led照明光学透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型LED照明光学透镜，包括折射部分的折射透镜和反射部分的反光杯，折射透镜与反光杯连为一体，折射透镜的下底为一内凹半球面开口，折射透镜的上表面由顶端部分和下半部分组成，顶端部分是根据特定算法求得的自由曲面，顶端部分的边界圆与光学透镜中心轴的夹角为45°，下半部分的两个侧面为与内凹半球面开口同心的两个弧面，下半部分的顶面为一个平面；反光杯的下底口径与折射透镜下底边缘重合，反光板的杯体上端开口半径与杯体高度相等，反光板的内壁为由特定算法求得的自由曲面。本发明结构简单，设计合理，实现了大范围的均匀照明，拓宽了LED的利用领域，提高了LED的利用效率，使用效果好，便于推广使用。

Description

一种新型LED照明光学透镜

技术领域

本发明属于LED照明技术领域，尤其是涉及一种新型LED照明光学透镜。

背景技术

由于在尺寸和节能方面的优势，越来越多的照明系统使用发光二极管(LED)作为光源，但其中如何实现目标面的均匀照明与光能的充分利用是LED照明系统设计中急需解决的问题。基于LED的二次光学元件，正是解决这一问题的关键技术，对最终照明器件和产品的性能起着至关重要的作用。针对LED的二次光学设计可有效调制LED光源的配光特性，使其光场分布满足大范围照明需求。在实际照明中，诸如投影灯、阅读灯、场馆照明灯、室内照明灯都要求均匀照明，因此，通过给LED外部安装特定二次光学镜头才能满足实际照明需求，并使LED节能环保、灵活耐用等优点得到充分体现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种新型LED照明光学透镜，其结构简单，设计合理，实现了大范围的均匀照明，拓宽了LED的利用领域，提高了LED的利用效率，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种新型LED照明光学透镜，其特征在于：包括折射部分的折射透镜和反射部分的反光杯，所述折射透镜与反光杯连为一体，所述折射透镜的下底为一内凹半球面开口，所述折射透镜的上表面由顶端部分和下半部分组成，所述顶端部分是根据特定算法求得的自由曲面，所述顶端部分的边界圆与所述光学透镜中心轴的夹角为45°，所述下半部分的两个侧面为与内凹半球面开口同心的两个弧面，所述下半部分的顶面为一个平面；所述反光杯的下底口径与折射透镜下底边缘重合，所述反光板的杯体上端开口半径与杯体高度相等，所述反光板的内壁为由特定算法求得的自由曲面。

上述的一种新型LED照明光学透镜，所述内凹半球面开口的口径与反光板的下底口径相等且连为一体。

上述的一种新型LED照明光学透镜，所述折射透镜的制作材料为玻璃或塑料；所述玻璃为光学玻璃。

上述的一种新型LED照明光学透镜，所述反光杯的制作材料为玻璃或塑料，所述反光杯的内壁涂覆有高反射率材料；所述玻璃为光学玻璃。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明针对LED光源的特点和实际照明的要求而提出，设计了必要的二次光学元件，对LED光能重新调制，折射透镜和反光杯分别对LED发出的与主光轴夹角为0～45°和45°～90°范围内的光能进行调制，实现目标面上大范围的均匀照明，使得LED可用于场馆照明、室内照明等场合，进一步拓宽了LED的利用领域、提高了LED的利用效率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的立体图。

图2为本发明的剖视结构示意图。

图3为本发明自由曲面与目标面网络划分思想的示意图。

图4为二维坐标下自由曲面母线与目标面半径方向上各点的一一对应关系图。

图5为切线迭代法确定自由曲面母线各点坐标的示意图。

附图标记说明：

1-折射透镜；    1-1-顶端部分；    1-2-下半部分；

2-反光杯；        3-光源；          4-照明目标面；

5-入射光矢量；    6-出射光矢量；    7-法矢量；

8-自由曲面母线。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明包括折射部分的折射透镜1和反射部分的反光杯2，所述折射透镜1与反光杯2连为一体，折射透镜和反光杯分别对LED发出的与主光轴夹角为0～45°和45°～90°范围内的光能进行调制，实现目标面上大范围的均匀照明；所述折射透镜1的下底为一内凹半球面开口，使用时LED位于半球球心处，所述折射透镜1的上表面由顶端部分1-1和下半部分1-2组成，所述顶端部分1-1是根据特定算法求得的自由曲面，所述顶端部分1-1的边界圆与所述光学透镜中心轴的夹角为45°，该面使得LED出射光中与主光轴夹角45°范围内的光线重新分布，实现中心区域的均匀照明；所述下半部分1-2的两个侧面为与内凹半球面开口同心的两个弧面，所述下半部分1-2的顶面为一个平面，LED出射光经该面不发生偏折；所述反光杯2的下底口径与折射透镜1下底边缘重合，所述反光板2的杯体上端开口半径与杯体高度相等，保证由LED出射的45°～90°范围内光线经反光杯2内壁反射，所述反光板2的内壁为由特定算法求得的自由曲面。

如图1和图2所示，本实施例中，所述内凹半球面开口的口径与反光板2的下底口径相等且连为一体。所述折射透镜1的制作材料为玻璃、塑料或光学玻璃。所述反光杯2的制作材料为玻璃、塑料或光学玻璃，所述反光杯2的内壁涂覆有高反射率材料。

如图3所示，本发明折射透镜1的上表面顶端部分的自由曲面和反光杯2内壁的自由曲面求解原理是：在点光源3近似下，如果将自由曲面进行网格状的划分，那么每个网格节点处只有一根入射光线。再根据非成像光学边缘光线原理，通过自由曲面上每个网格边缘的那部分光线，经过系统后，将对应于目标上一个微元面的边缘，通过网格中间连续部分的光线，经过系统后，也在目标微元中间连续分布。由光源的扩展度守恒(Conservation)原理知，如果光学系统没有损耗，那么光学系统的光源3及目标的扩展度是守恒的。从能量角度考虑，即自由曲面上每一个网格与光源所成立体角内的能量经过系统后会完全投射到目标面对应的微元面上。根据上述原理，对于给定照度要求的照明系统，可将目标面及自由曲面分割成数目相等的网格，使目标面上微面节点与自由曲面的网格节点形成一一对应，那么根据Snell定律，通过控制自由曲面网格节点的法矢量，来控制每个网格节点处入射光线的出射方向，就可以精确地实现每个网格内的能量投射到对应的微面上。当每个目标微面内能量相等时，即实现了均匀照明。

针对照明目标面为旋转对称的均匀照明问题，设计时只需在二维坐标下求解对应的自由曲面母线，将其沿光轴方向360°旋转对称，即可得到对应的自由曲面。

为避免大角度出射光线发生全反射，特对LED出射光分成与主光轴夹角为0～45°和45°～90°两部分，对前者通过折射透镜1调制，对后者通过反光杯2调制。两者自由曲面的求解原理如上所述，不同之处是前者采用折射形式的Snell方程，二后者则采用反射形式的Snell方程。

具体地，二维情况下，求解自由曲面母线8时分三个步骤：

步骤一，对LED出射到半空间的能量进行均分。点光源3近似下，LED向半空间发出光线端点在空间构成一个半球面，半球面上的光线唯一的对应于透镜表面自由曲面上一点。此时光源辐射的总能量Φ为：

$\mathrm{\Φ}=\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\mathrm{d\θ}\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}/2}{\∫}}I\cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\φd\φ}=\mathrm{\πI}{\sin }^2\frac{\mathrm{\π}}{2}=\mathrm{\πI}---\left(1\right)$

I为主光轴上光强，φ为光线与LED主光轴的夹角。θ为I(φ)方向光线在球坐标的XY平面内投影与X轴的夹角。

根据图3所示网格划分思想，为获得照度均匀的照明面，需对光源3投射到自由曲面上的能量Φ进行等分，由于所设计自由曲面为旋转对称结构，因此可沿φ方向进行能量均分，假设等分的点数为N+1，则各环带内所含能量可表示为：

${\mathrm{\Φ}}_i=\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\mathrm{d\θ}\underset{{\mathrm{\φ}}_i}{\overset{{\mathrm{\φ}}_{i+1}}{\∫}}I\cos {\mathrm{\φ}}_i\sin {\mathrm{\φ}}_i\mathrm{d\φ}=\frac{\mathrm{\Φ}}{N}---\left(2\right)$

当

时，由上式推出：

${\mathrm{\φ}}_i=\arcsin \sqrt{i/N},(i=\mathrm{0,1,2}\mathrm{L\; N})---\left(3\right)$

自由曲面母线8上所取的N+1个点将LED光源向半空间发出的光能量沿φ方向分成N个相等的能量带。

步骤二，对照明目标面进行面积均分，根据目标面旋转对称的特性，要将目标面划分为面积相等的N个环带，只需对其半径R进行N等份。二维坐标下，由平面几何知识，目标面径向划分的第j个点的半径R_j可表示为：

$R_j=R\·\sqrt{j/N}---\left(4\right)$

自由曲面母线与目标面半径方向上各点的一一对应关系如图4所示。

步骤三，如图5所示，根据能量等分原则，自由曲面母线8被入射光线划分为个离散的点，为避免大角度出射光发生全反射使光能损耗，特对LED出射光分成与主光轴夹角为0～45°和45°～90°两部分，对前者通过实现折射的自由曲面调制，对后者通过实现反射的自由曲面调制，即对等分的N个沿φ方向相等的能量带，前1～N/2个点处入射光线对应折射形式，后N/2～N点处的入射光线对应反射形式。设某点处法矢量为

该点处入射光单位矢量为出射光单位矢量为

则根据矢量形式Snell方程三者满足下面关系：

其中n为所求自由曲面透镜材料的折射率。反射为折射特殊情况，取n＝1即可。由该方程知，每个节点处的法矢量由该点的入射光矢量5和出射光矢量6唯一确定。

在图5中，设自由曲面母线8被划分出的N/2个离散点与Z轴夹角分别为φ_i(i＝0，1，2...N)，则任一点坐标(ρ_isinφ_i，ρ_icosφ_i)即表示该点处入射光矢量

设该点对应于目标面上一点(x_i，z₀)，则出射光矢量

为(x_i-ρ_isinφ_i，z₀-ρ_icosφ_i)。由各点处入射光矢量

和出射光矢量

的表示形式知，当各点处径向长度ρ_i确定后，各点坐标及该点入射与出射光矢量即完全确定，进而该点法矢量确定。下面通过切线迭代法确定各节点径向长度ρ_i。

初始选取自由曲面母线8上一个节点S₀，其坐标确定入射光矢量5为由其在目标面对应的节点T₀可确定出射光矢量

将以上两矢量单位化，由式(5)可求得该点处法矢量

同时确定该点切线方程。当节点数目足够多时，与该点相邻的点处的入射光线必与该点切线相交。设该交点为S₁，其入射光矢量也即确定，出射光矢量

由点S₁与目标面相应点T₁的坐标确定，同理可得该相邻节点处的法矢量

进而确定该点切线方程。按以上方法沿φ_i方向一直迭代下去，即可求得母线上N/2个点的坐标(ρ_isinφ_i，ρ_icosφ_i)。至此，所求折射形式的自由曲面母线即确定，将其绕轴360°旋转即可得到折射透镜1外表面对应的自由曲面。

对反射形式对应的后N/2～N点，与上述迭代方法类似，不同之处是计算时将式(5)中n取1即可。将所求折射形式的自由曲面母线绕轴360°旋转即可得到反光杯2内壁对应的自由曲面。

本发明针对LED光源的特点和实际照明的要求而提出，设计了必要的二次光学元件，对LED光能重新调制，使得LED可用于场馆照明、室内照明等场合，进一步拓宽了LED的利用领域、提高了LED的利用效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种新型LED照明光学透镜，其特征在于：包括折射部分的折射透镜(1)和反射部分的反光杯(2)，所述折射透镜(1)与反光杯(2)连为一体，所述折射透镜(1)的下底为一内凹半球面开口，所述折射透镜(1)的上表面由顶端部分(1-1)和下半部分(1-2)组成，所述顶端部分(1-1)是根据特定算法求得的自由曲面，所述顶端部分(1-1)的边界圆与所述光学透镜中心轴的夹角为45°，所述下半部分(1-2)的两个侧面为与内凹半球面开口同心的两个弧面，所述下半部分(1-2)的顶面为一个平面；所述反光杯(2)的下底口径与折射透镜(1)下底边缘重合，所述反光板(2)的杯体上端开口半径与杯体高度相等，所述反光板(2)的内壁为由特定算法求得的自由曲面。

2.按照权利要求1所述的一种新型LED照明光学透镜，其特征在于：所述内凹半球面开口的口径与反光板(2)的下底口径相等且连为一体。

3.按照权利要求1所述的一种新型LED照明光学透镜，其特征在于：所述折射透镜(1)的制作材料为玻璃或塑料。

4.按照权利要求1所述的一种新型LED照明光学透镜，其特征在于：所述反光杯(2)的制作材料为玻璃或塑料，所述反光杯(2)的内壁涂覆有高反射率材料。

5.按照权利要求3或4所述的一种新型LED照明光学透镜，其特征在于：所述玻璃为光学玻璃。

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