CN102644899B - 一种led照明用透镜的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种LED照明用透镜的设计方法，该透镜由两个通光面组成，其中任一面的表面曲率分布为预先给定，求另一面形状的方法是：将光轴单侧的半光束角分成等光通量的多个小角，将被照区域分成相应的多个被照小段，以平行于LED到被照小段上的被照点连线的直线为透镜的出射光线方向，由折射定律，确定所求面的各个特征点位置，将各个特征点依次连接形成所求面的一个截面形状，依此方法，确定透镜的多个截面形状，再将其用平滑的曲面依次连接，即形成透镜的整体形状。该方法适用于给定透镜任一面的表面曲率分布，求另一面形状的所有情况。不仅满足透镜的各种配光需要，而且满足对透镜形状的特殊要求。该方法灵活、简单，适用于各种类型的LED。

Description

一种LED照明用透镜的设计方法

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，涉及一种给定双通光面透镜的任一面的表面曲率分布、求透镜另一面形状的设计方法。

背景技术

非成像光学透镜的设计在LED照明领域是一个非常关键的步骤。LED灯具所用的透镜结构是为满足不同的照明要求和照明场合进行设计的，比如，道路用照明、景观用照明等。目前，很多LED照明用透镜的设计方法仅限于将透镜的入射面固定为不影响光线走向的球面，然后对透镜的出射面进行设计。这种结构的透镜，只有其出射面对配光的要求做了贡献，而入射面对光线的走向并不产生任何影响，因此没有做出任何贡献。这种只依赖出射面来配光的设计方法得到的透镜在实际使用时势必会受到很大的局限性，对一些配光的要求也无法满足。还有，在对透镜的安装以及外观有比较严格要求的场合下，现有透镜的设计方法也很难达到实际使用的要求，而且也无法做到透镜的模块化，不能提高透镜的生产和安装效率。

发明内容

本发明为解决上述现有技术中存在的技术问题，提供一种LED照明用透镜的设计方法，采用该方法，可以在给定透镜任一面的任意表面曲率分布时，进行透镜另一面的形状设计，不仅满足透镜的各种配光需要，而且满足对透镜形状的特殊要求。该方法灵活、简单，适用于各种类型的LED。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种LED照明用透镜的设计方法，所述透镜由入射面和出射面组成，其中任一面的表面曲率分布为预先给定，求另一面形状的设计步骤如下：

a)、以过LED光轴的一个平面为计算面，在该计算面上，将LED光轴任一侧的半光束角按照光源的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)、在所述半光束角范围内，将所述计算面与被照区域的交线段分成与所述小角数量相等的多个小段，每一小角对应一个小段；调整各小段的长度使其与LED到该小段上任一被照点的距离的平方成反比，并且与预先给定的照度随被照点离开被照区域中心的距离而变化的函数值成反比；

c)、若所述入射面的表面曲率分布为预先给定，根据透镜离开LED距离的要求以及透镜厚度的要求在光轴上取一点作为出射面的起始特征点，从以光轴为角边的第一小角开始，以该小角的另一角边为入射光线，由折射定律，确定该条入射光线经过入射面后的折射光线；在出射面的起始特征点处做一垂直于光轴的垂线，所述垂线与所述折射光线相交于一点，该点即为出射面的第一特征点；以所述折射光线为出射面在第一特征点处的入射光线，以在该第一特征点处，平行于LED与对应第一被照小段上任意被照点连线的直线为出射光线，由折射定律，求得出射面的第二特征点的位置；依照此方法，依次求得出射面的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，即可得到出射面在所述计算面上的截面形状；

d)、若所述出射面的表面曲率分布为预先给定，从以光轴为角边的第一小角开始，在与该第一小角对应的第一被照小段上，平行于LED与该第一被照小段上的任意被照点连线的直线为出射光线方向，由折射定律，求得出射面上相应于第一被照小段的入射光线方向，依照此方法，求得出射面上相应于各被照小段的各入射光线方向，并将它们作为入射面上各折射光线的方向；根据透镜离开LED距离的要求以及透镜厚度的要求在光轴上取一点作为入射面的起始特征点，在该起始特征点处做一垂线与第一小角的角边相交，交点即作为入射面的第一特征点；由折射定律，求得入射面的第二特征点的位置；依照此方法，依次求得入射面的各个特征点的位置，将各特征点依次连接形成一条曲线，即可得到入射面在所述计算面上的截面形状；

e）、重复上述步骤a)～d)，确定透镜另一面在多个均匀分布的计算面上的多个截面形状；

f）、将上述求得的多个截面形状依次连接起来，即可得到所求的透镜另一面的形状。

所述透镜关于一个平面呈对称分布，所述e）步骤中，在对称面一侧的两个象限内多次重复所述步骤a)～d)，确定透镜另一面在该两个象限内的多个均匀分布的计算面上的多个截面形状，将求得的多个截面形状依次连接起来，得到所求的透镜另一面在该两个象限内的形状，再通过该平面对称，求得所求的透镜另一面的全部形状。

所述透镜关于两个平面呈对称分布，所述e）步骤中，在由该两个对称面限定的一个象限内多次重复所述步骤a)～d)，确定所求的透镜另一面在该象限内的多个均匀分布的计算面上的多个截面形状，将求得的多个截面形状依次连接起来，得到所求的透镜另一面在该象限内的形状，再通过两次平面对称，求得所求的透镜另一面的全部形状。

所述透镜关于N个平面呈对称分布，所述e）步骤中，在180°/N范围内多次重复所述步骤a)～d)，确定所求的透镜另一面在180°/N范围内的多个均匀分布的计算面上的多个截面形状，将求得的多个截面形状依次连接起来，得到所求的透镜另一面在该180°/N范围内的形状，再通过N次平面对称，求得所求的透镜另一面的全部形状，其中N≥3。

一种LED照明用旋转对称透镜的设计方法，所述透镜由入射面和出射面组成，所述任一面的表面曲率分布为预先给定，求另一面形状的设计步骤同上述的LED照明用透镜的设计方法中的步骤a)～d)，然后，将所求得的透镜另一面在所述计算面上的截面形状绕光轴旋转360°，即可得到所求的透镜另一面的全部形状。

所述预先给定的任一面可以是平面、平面拼接面、曲面以及平面和曲面的结合。

所述c）、d）步骤中，各特征点依次用直线或者平滑的曲线连接起来。

所述多个截面形状依次用平滑的曲面连接起来。

所述透镜的侧周向外顺势延伸。

所述透镜采用折射率为1.3～4.2的透明材料。

所述c）步骤中，以所述折射光线为出射面的第一特征点的入射光线，以在该第一特征点处，平行于LED与对应第一被照小段上的边缘被照点连线的直线为出射光线，由折射定律，确定该第一特征点的法线；以第二小角的角边为入射光线，由折射定律，求得该入射光线经过入射面后的折射光线，在所述计算面上，垂直于所述法线的直线与该折射光线相交，交点即作为出射面的第二特征点。

所述d）步骤中，由折射定律，确定入射面的第一特征点的法线，在所述计算面上，垂直于所述法线的直线与第二小角的角边相交于一点，交点即作为入射面的第二特征点。

本发明所公开的LED照明用透镜的设计方法，对透镜的任一面根据实际需要设定任意的表面曲率分布规律，可以为平面的、曲面的或平面和曲面的结合，同时，照射的光斑也可根据实际使用场合和照明要求进行具体的形状设定。在LED与被照区域之间建立起一定的对应关系，再对透镜的入射面和出射面根据折射定律，确定出若干个特征点，连接各个特征点形成所求透镜的一面的一个截面形状，重复该步骤多次，求得所求透镜的一面的多个截面形状，连接该多个截面形状即可形成所求透镜的一面的全部形状。当所取得的特征点以及所形成的截面的数量足够多时，就能形成表面比较平滑的透镜形状。

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是给定透镜的被照区域形状为椭圆形的示意图；

图2是给定图1所示透镜的出射面为平面的形状示意图；

图3是在一个计算面上LED光轴单侧光束角内划分小角的方法示意图；

图4是在图1所示的被照区域上划分小段的方法示意图；

图5是确定图1所示透镜的入射面的各特征点的位置并依次连接形成一个截面形状的方法一示意图；

图6是将图5所示各特征点依次连接形成一个截面形状的方法二示意图；

图7是图1所示透镜在另一计算面上的截面形状示意图；

图8是图1所示透镜在一个象限内的结构示意图；

图9是本发明设计方法得到的图1所示透镜的立体图；

图10是给定透镜的被照区域形状为圆形的示意图；

图11是给定图10所示透镜的出射面为平面的形状示意图；

图12是在一个计算面上LED光轴单侧光束角内划分小角的方法示意图；

图13是图10所示的被照区域上划分小段的方法示意图；

图14是确定图10所示透镜的入射面的各特征点的位置并依次连接形成一个截面形状的方法一示意图；

图15是将图14所示各特征点依次连接形成一个截面形状的方法二示意图；

图16是本发明设计方法得到的图10所示透镜的立体图；

图17是给定透镜的被照区域形状为圆形的示意图；

图18是给定图17所示透镜的入射面为平面的形状示意图；

图19是在一个计算面上LED光轴单侧光束角内划分小角的方法示意图；

图20是图17所示的被照区域上划分小段的方法示意图；

图21是确定图17所示透镜的出射面的各特征点的位置并依次连接形成一个截面形状的方法一示意图；

图22是将图21所示各特征点依次连接形成一个截面形状的方法二示意图；

图23是本发明设计方法得到的图17所示透镜的立体图。

具体实施方式

图1～图9所示是本发明设计方法的第一实施例，给定透镜的被照区域形状为如图2所示的椭圆形，给定该透镜出射面2为如图1所示的平面。该椭圆的长轴为x，短轴为y。该透镜关于过光轴L和长轴x所在的平面以及与该平面垂直的平面均呈对称分布，求透镜入射面1的形状。因为本实施例的透镜关于过光轴L和长轴x所在的平面以及与该平面垂直的平面均呈对称分布，因此只需求出透镜在由该两个对称面所限定的一个象限内的立体形状，然后通过两次平面对称，即可得到整个透镜的立体形状。

图3所示，以过LED光源O的光轴L和椭圆的长轴x所在的平面为一个计算面，在该计算面上，以光轴L为一角边，将位于光轴单侧的半光束角按照LED光源O的发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，并使得各个小角内的光通量相等。为了图示和描述清晰起见，本实施例仅划分成了四个小角，分别为第一小角α1，第二小角α2，第三小角α3，第四小角α4。

图4所示，将该计算面与该被照椭圆形区域的长轴x的交线段也分成4个小段，分别为第一被照小段ab、第二被照小段bc、第三被照小段cd、第四被照小段de，并分别与小角α1，α2，α3，α4一一对应。调整各被照小段的长度，使其与LED光源O到该被照小段上任意一个被照点的距离的平方成反比（因为被照小段的长度与LED光源O到该被照小段上各被照点的距离相比较而言非常小，所以，各被照小段上任一被照点均可代表该被照小段的特性），并且与该被照点的照度随被照点离开被照区域中心点的距离而变化的函数值成反比。本实施例为描述简单起见，设定被照区域的照度为均匀照度，即该函数为一定值。

图5所示，首先，在该计算面上，从以光轴L为角边的第一小角α1开始设计，在与该第一小角α1对应的第一被照小段ab上，平行于LED光源O与该第一被照小段ab上的被照点b连线的直线为出射光线方向，由折射定律，求得出射面2上相应于第一被照小段ab的入射光线方向。依照此方法，求得出射面2上相应于第二、第三、第四被照小段的各入射光线方向，并将它们作为入射面1上的各折射光线的方向。根据透镜离开LED光源O距离的要求以及透镜厚度的要求在光轴L上取一点作为入射面1的起始特征点0a，在该起始特征点0a处做一垂直于光轴L的垂线，该垂线与第一小角α1的另一角边相交，交点即作为入射面1的第一特征点1a，由折射定律，确定该第一特征点1a处的法线n1。在该计算面上，垂直于该法线n1的直线与第二小角α2的角边相交于一点，交点即为入射面1的第二特征点2a。依照此方法，依次求得入射面1的第三特征点3a和第四特征点4a的位置，将各特征点依次连接形成一条曲线，

图5是将各特征点用直线依次连接，图6是将各特征点用平滑的曲线依次连接，即可得到入射面1在所述计算面上的截面形状；

在由该透镜的两个对称面所限定的一个象限内，均匀选取过LED光源O的光轴L的多个平面分别作为计算面，按照同前述完全相同的方法，得到入射面1在该多个计算面上的多个截面形状。本实施例为描述清楚起见，仅图示了两个具有代表性的计算面上的截面形状，分别为图5和图6所示的过椭圆形被照区域的长轴x的计算面上的截面形状以及图7所示的过椭圆形被照区域的短轴y的计算面上的截面形状。

将图6和图7所示的截面形状用平滑的曲面连接起来，形成透镜入射面1在所述象限内的立体形状，该形状如图8所示。然后，通过两次平面对称，即可得到本实施例透镜入射面1的全部立体形状，从而得到如图9所示的整个透镜的立体形状。

图10～图16所示是本发明设计方法的第二实施例，给定透镜的被照区域为如图11所示的圆形，并且给定该透镜出射面2的形状为如图10所示的平面。该透镜是以光轴L为旋转轴的旋转对称形状，求透镜入射面1的形状。因为本实施例的透镜是以光轴L为旋转轴的旋转对称形状，因此只需求出透镜入射面1的过光轴L的一个截面形状，然后以光轴L为旋转轴旋转360°，即可得到入射面1的立体形状，也即得到整个透镜的形状。

图12～图15所示，在LED光源O处划分小角以及在被照区域上划分小段的方法与上述实施例所描述的步骤完全相同。将所求得的如图15所示的截面形状绕光轴L旋转360°，即可得到透镜入射面1的立体形状，也即得到如图16所示的整个透镜的立体形状。

图17～图23所示是本发明设计方法的第三实施例，给定透镜的被照区域为图18所示的圆形，并且给定该透镜入射面1的形状为图17所示的平面。该透镜是以光轴L为旋转轴的旋转对称形状，求透镜出射面2的形状。因为本实施例的透镜是以光轴L为旋转轴的旋转对称形状，因此只需求出透镜出射面2的过光轴L的一个截面形状，然后以光轴L为旋转轴旋转360°，即可得到出射面2的立体形状，也即得到整个透镜的形状。

图19～图20所示，在LED光源O处划分小角以及在被照区域上划分小段的方法与上述两个实施例所描述的步骤完全相同。

图21所示，首先，在所取的计算面上，根据透镜离开LED光源O距离的要求以及透镜厚度的要求在光轴L上取一点作为出射面2的起始特征点0b。从第一小角α1开始设计，以该第一小角α1的角边为入射光线，由折射定律，求得该条入射光线经过入射面1后的折射光线，该折射光线也即射向出射面2上的入射光线。在出射面2的起始特征点0b处做一垂直于光轴L的垂线，该垂线与该折射光线相交于一点，该点即作为出射面2的第一特征点1b。以经过出射面2的第一特征点1b且平行于LED光源O与第一被照小段ab上的被照点b连线的直线为折射光线，由折射定律，确定出射面2的第一特征点1b处的法线n1。以第二小角α2的另一角边为入射光线，由折射定律，求得该入射光线经过入射面1后的折射光线。在该计算面上，垂直于法线n1的直线与该折射光线相交，交点即为出射面2的第二特征点2b。依照此方法，依次求得出射面2的第三特征点3b和第四特征点4b的位置，将各特征点依次连接形成一条曲线。

图21是将各特征点用直线依次连接，图22是将各特征点用平滑的曲线依次连接，即可形成出射面2在该计算面上的截面形状。将该截面形状绕光轴L旋转360°，即可得到透镜出射面2的立体形状，也即得到如图23所示的整个透镜的立体形状。

上述三个实施例所得到的透镜，其侧周均可向外顺势延伸，增大透镜的通光面，将LED光源O在光束角之外发出的光线也能充分利用到，从而进一步提高光线的利用率。

以上实施例仅作为对本发明设计方法的一个说明，本发明设计方法所涵盖的范围应该包括在给定透镜一个面的曲率分布规律以及被照区域形状时，求透镜另一面形状的所有情况。

Claims (10)

1.一种LED照明用透镜的设计方法，所述透镜由入射面和出射面组成，其中任一面的表面曲率分布为预先给定，求另一面形状的设计步骤如下：

a)、以过LED光轴的一个平面为计算面，在该计算面上，将LED光轴任一侧的半光束角按照光源的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)、在所述半光束角范围内，将所述计算面与被照区域的交线段分成与所述小角数量相等的多个小段，每一小角对应一个小段；调整各小段的长度使其与LED到该小段上任一被照点的距离的平方成反比，并且与预先给定的照度随被照点离开被照区域中心的距离而变化的函数值成反比；

c)、若所述入射面的表面曲率分布为预先给定，根据透镜离开LED距离的要求以及透镜厚度的要求在光轴上取一点作为出射面的起始特征点，从以光轴为角边的第一小角开始，以该小角的另一角边为入射光线，由折射定律，确定该条入射光线经过入射面后的折射光线；在出射面的起始特征点处做一垂直于光轴的垂线，所述垂线与所述折射光线相交于一点，该点即为出射面的第一特征点；以所述折射光线为出射面在第一特征点处的入射光线，以在该第一特征点处，平行于LED与对应第一被照小段上任意被照点连线的直线为出射光线，由折射定律，确定出射面的第一特征点处的法线，以第二小角的一角边为入射光线，求得该入射光线经过入射面后的折射光线，在该计算面上，垂直于法线的直线与该折射光线相交，交点即为出射面的第二特征点的位置；依照此方法，依次求得出射面的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，即可得到出射面在所述计算面上的截面形状；

d)、若所述出射面的表面曲率分布为预先给定，从以光轴为角边的第一小角开始，在与该第一小角对应的第一被照小段上，平行于LED与该第一被照小段上的任意被照点连线的直线为出射光线方向，由折射定律，求得出射面上相应于第一被照小段的入射光线方向，依照此方法，求得出射面上相应于各被照小段的各入射光线方向，并将它们作为入射面上各折射光线的方向；根据透镜离开LED距离的要求以及透镜厚度的要求在光轴上取一点作为入射面的起始特征点，在该起始特征点处做一垂线与第一小角的角边相交，交点即作为入射面的第一特征点；由折射定律，确定该第一特征点处的法线，在该计算面上，垂直于该法线的直线与第二小角的角边相交于一点，交点即为入射面的第二特征点的位置；依照此方法，依次求得入射面的各个特征点的位置，将各特征点依次连接形成一条曲线，即可得到入射面在所述计算面上的截面形状；

e）、重复上述步骤a)～d)，确定透镜另一面在多个均匀分布的计算面上的多个截面形状；

f）、将上述求得的多个截面形状依次连接起来，即可得到所求透镜另一面的形状。

2.根据权利要求1所述的LED照明用透镜的设计方法，其特征在于：所述透镜关于一个平面呈对称分布，所述e）步骤中，在对称面一侧的两个象限内多次重复所述步骤a)～d)，确定透镜另一面在该两个象限内的多个均匀分布的计算面上的多个截面形状，将求得的多个截面形状依次连接起来，得到所求的透镜另一面在该两个象限内的形状，再通过该平面对称，求得所求的透镜另一面的全部形状。

3.根据权利要求1所述的LED照明用透镜的设计方法，其特征在于：所述透镜关于两个平面呈对称分布，所述e）步骤中，在由该两个对称面限定的一个象限内多次重复所述步骤a)～d)，确定所求的透镜另一面在该象限内的多个均匀分布的计算面上的多个截面形状，将求得的多个截面形状依次连接起来，得到所求的透镜另一面在该象限内的形状，再通过两次平面对称，求得所求的透镜另一面的全部形状。

4.根据权利要求1所述的LED照明用透镜的设计方法，其特征在于：所述透镜关于N个平面呈对称分布，所述e）步骤中，在180°/N范围内多次重复所述步骤a)～d)，确定所求的透镜另一面在180°/N范围内的多个均匀分布的计算面上的多个截面形状，将求得的多个截面形状依次连接起来，得到所求的透镜另一面在该180°/N范围内的形状，再通过N次平面对称，求得所求的透镜另一面的全部形状，其中N≥3。

5.一种LED照明用旋转对称透镜的设计方法，所述透镜由入射面和出射面组成，所述任一面的表面曲率分布为预先给定，其特征在于：求另一面形状的设计步骤同权利要求1所述的LED照明用透镜的设计方法中的步骤a)～d)，然后，将所求得的透镜另一面在所述计算面上的截面形状绕光轴旋转360°，即可得到所求的透镜另一面的全部形状。

6.根据权利要求1～5中任一所述的设计方法，其特征在于：所述预先给定的任一面可以是平面、平面拼接面、曲面以及平面和曲面的结合。

7.根据权利要求1～5中任一所述的设计方法，其特征在于：所述c）、d）步骤中，各特征点依次用直线或者平滑的曲线连接起来。

8.根据权利要求1～5中任一所述的设计方法，其特征在于：所述多个截面形状依次用平滑的曲面连接起来。

9.根据权利要求1～5中任一所述的设计方法，其特征在于：所述透镜的侧周向外顺势延伸。

10.根据权利要求1～5中任一所述的设计方法，其特征在于：所述透镜采用折射率为1.3～4.2的透明材料。

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