CN103017086A

CN103017086A - 一种led准直透镜的设计方法

Info

Publication number: CN103017086A
Application number: CN2012105509979A
Authority: CN
Inventors: 闫国栋; 石智伟
Original assignee: Dongguan Kingsun Optoelectronic Co Ltd
Current assignee: KINGSUN OPTOELECTRONIC CO., LTD.
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: CN103017086B

Abstract

本发明属于LED照明技术领域，具体地说，涉及一种LED准直透镜的设计方法。本发明为解决现有LED准直透镜结构复杂，光束发散角大且能量不集中等问题，提出一种新型的LED准直透镜的设计方法，其结构简单，光能利用率高，对LED出射光的准直效果好。本发明设计方法包括：1、初定LED准直透镜的初步参数；2、根据参数选择边缘发光点；3、选择初始折射点和全反射点；4、通过光学定律推出其他折射点和反射点；5、形成第一折射面和全反射面；6、生成LED准直透镜。本发明LED准直透镜的设计方法简单，且设计的LED准直透镜能够收集LED大角度范围内的光线，而获得具有较小发散角的准直光束，实用性强。

Description

一种LED准直透镜的设计方法

技术领域

本发明属于LED照明技术领域，具体地说，涉及一种LED准直透镜的设计方法。

背景技术

由于LED相对于传统照明光源具有节能、环保、使用寿命长、反应速度快等优点，大功率LED照明技术引起了国内外光源界的普遍关注，已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品，LED照明产品的开发、研制、生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。由于LED发出的光近似朗伯型，与传统光源有较大不同，不能直接用于现有的照明系统。因此，为了更好的将LED做为照明光源，研究大功率LED光源的二次光学系统配光设计，合理分配LED芯片的光能显得尤为迫切。基于非成像光学理论建立起来的自由曲面的照明系统光学设计已成为当前国内外的主流研究方向，目前常用的设计方法有SMS（simultaneous multiple surface）法、M-A(Monge-anpere)等式法、剪切法、数值优化法等。其中SMS法适用于设计扩展光源的光学系统。当前的基于SMS法设计的LED准直系统多采用TIR型、RXI型以及它们的复合型。这些模型都可以有效收集和准直LED的出射光，但它们一般都有四个甚至更多的自由曲面构成，这给准直系统的设计和加工带来很多不便。

发明内容

本发明为解决现有LED准直透镜结构复杂，光束发散角大且能量不集中等问题，提出一种新型的LED准直透镜的设计方法，其结构简单，光能利用率高，对LED出射光的准直效果好。

本发明采用的技术方案为：

一种LED准直透镜的设计方法，包括以下步骤：

1）、初定LED准直透镜的出光口的口径大小R、厚度L、出光面的纵截面的边线与底面的夹角a、LED准直透镜的LED灯珠安装孔的高度h、LED准直透镜的折射率n’，LED准直透镜的光束发散角B度；先根据折射定律计算出全反射光线与出光面之间的第一夹角范围，进而计算出全反射光线与LED准直透镜的轴线之间的第二夹角范围，全反射光线在轴线两侧的夹角范围分别在c1、c2度之内；

2）、根据LED灯珠的大小，选择两个边缘发光点S1、S2；其中S1至S2之间的距离与LED灯珠的直径相等，线段S1S2的中垂线为LED准直透镜的轴线，其中边缘发光点S1、S2分别位于所述轴线的左侧和右侧；

3）、选择初始折射点Pn和初始全反射点Qn，以及初始点E、点A；其中，点A、点E均在轴线上，线QnE为出光面的纵截面的边线，Qn到所述轴线的距离为出光口直径的一半即R/2，Qn到线段S1S2的垂直距离为LED准直透镜的厚度L，A到线段S1S2的垂直距离为LED灯珠的安装孔的高度h，Pn点靠近A点，且Pn、Qn均位于轴线的一侧；点E为出光面的中心点；

3）、确定第一折射面上的点P(n-1)；边缘发光点S2发光的光线S2Pn经过第一折射面折射后形成折射光线PnQn，根据折射定律可以计算出点Pn处的法线方向和切线，折射光线PnQn在点Qn发生全反射形成反射光线T1；边缘发光点S1的发光光线S1P(n-1)经过第一折射面折射形成折射光线P(n-1)Qn，P(n-1)Qn在点Qn发生全反射形成反射光线T2；从全反射光线与LED准直透镜的轴线之间的夹角范围可知：反射光线T1背向轴线倾斜，且反射光线T1与轴线夹角为c1，反射光线T2向轴线倾斜，且反射光线T2与轴线夹角为c2；由此通过反射定律可计算出Qn点的法线方向、切线方向以及折射光线P(n-1)Qn方向，点Pn处的切线的延长线与折射光线P(n-1)Qn的交点即为P(n-1)点，同时还可以计算出P(n-1)点的法线方向和切线；

4）、确定全反射面上的点Q(n-1)；边缘发光点S2的光线S2P(n-1)经过第一折射面的点P(n-1)折射后形成折射光线P(n-1)Q(n-1)，根据折射定律可以确定折射光线P(n-1)Q(n-1)的方向，折射光线P(n-1)Q(n-1)与点Qn的切线的延长线的交点即为点Q(n-1)；

5）、令n=（n-1）、（n-2）、（n-3）……（m+1）；重复3）、4）步骤，计算出点P(n-2)……Pm以及点Q(n-2)……Qm，直到Ｐm、Qm位于点S1、点S2的连线上；

6）、通过平滑的曲线将A、Pn、P(n-1)、P(n-2)……Pm连接形成第一折射面，以及通过平滑的曲线将Qn、Q(n-1)、Q(n-2)……Qm连接形成全反射面；

7）、将第一折射面、全反射面、线QnE、线QmPm绕轴线旋转一周便得到LED准直透镜。

进一步地，所述出光面的纵截面的边线与底面的夹角a为零。

进一步地，所述LED准直透镜的全反射面设有反光膜。

本发明取得的有益效果为：本发明LED准直透镜的设计方法简单，且设计的LED准直透镜能够收集LED大角度范围内的光线，而获得具有较小发散角的准直光束，实用性强。

附图说明

图1为本发明所述LED准直系统的结构示意图。

图2为本发明所述LED准直系统设计方法原理图。

图3为本发明所述LED准直系统递求解示意图。

附图标记说明：

1——第二折射面 2——全反射面

3——第一折射面。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明做进一步地说明。

实施例：参见图1至图3。

本发明准直透镜采用的是传统的折射-全反射-折射的结构，具有3个光学表面，由于准直透镜都是轴对称结构，因此在设计采用旋转对称式设计，只需要设计出入光的第一折射面、全反射面以及出光的第二折射面；在设计时，准直透镜初始水平放置；但准直透镜的出光的第二折射面一般设计为平面或锥面，因而设计时设定第二折射面与水平面夹角为a，0=<a，只需要设计第一折射面和全反射面；另外在设计时，光束发散角设定在B度以内，即光线在准直透镜的轴线的两侧并与准直透镜的轴线之间的夹角分别最大为B度。因此光线从第二折射面出去时，相对准直透镜的轴线的夹角在B度之内，；在考虑到准直透镜的折射率n’以及第二折射面的倾斜角度结合折射定律，可以计算出全反射光线与轴线的夹角范围，全反射光线在轴线两侧的夹角范围分别在c1、c2度之内；其中，c1=arcsin[n’sin(B+a)]-a，c2=|a-arcsin[n’sin(B-a)]|；另外根据应用环境确定准直透镜的出光口径R、厚度L、准直透镜内部安装LED灯珠的安装孔的高度h，以及LED灯珠的大小即LED灯珠的直径。上述的a、B、n’、R、L、h值都是预先根据使用环境设定的。

考虑到准直透镜都是轴对称结构，且只需要设计第一折射面和全反射面，因此设计时只需要设计出第一折射面和全反射面的轮廓线即可。采用方法如下：

1）、建立平面坐标系，如图3所示，以准直透镜的底面为X轴，准直透镜的轴线为Y轴，以LED灯珠的中心为坐标原点，在X轴上设置两个边缘发光点，且该两个边缘发光点关于坐标原点对称，两个边缘发光点的间距与LED灯珠的直径或LED灯珠的最大距离相等。

2）、根据准直透镜的厚度、出光口径、安装孔的高度，在其中一个象限选择两个初始点即初始全反射点Qn、初始折射点Pn，如在第二象限；以及在轴线上选择初始点E和初始点A，其中线QnE与X轴的夹角为a；点Qn至Y轴的距离为R/2，点Qn至X轴的距离为L，点Pn至X轴的距离为（h-a），Pn至Y轴的距离为（h-b）,使得点Pn靠近Y轴和点A即可，a、b均取值在0.1mm至1mm之间，如a取值为0.1mm，b取值为0.2mm，点A至X轴的距离为h。

3）、确定点Pn的相邻点点P(n-1)、以及点Qn的相邻点点Q(n-1)；边缘发光点S2发光，其中光线S2Pn经过Pn点折射形成折射光PnQn，根据折射定律可以计算出点Pn处的法线方向以及切线；折射光PnQn在点Qn处折射形成反射光线T1，其中反射光线T1相对轴线向外倾斜，且反射光线T1与轴线的夹角为c1；参见图3。根据光线的反射定律，可以计算出点Qn处的法线方向以及切线；在Pn点附近选择点P(n-1)，发光点S1发光，光线S1P(n-1)经过点P(n-1)折射到点Qn，在点Qn处反射形成反射光线T2，反射光线T2相对轴线向内倾斜，反射光线T2与轴线夹角为c2；因此根据反射光线T2、点Qn处的法线可以确定光线P(n-1)Qn,点Pn处的切线与光线P(n-1)Qn的交点即为点P(n-1)的位置，同时可以求得点P(n-1)处的切线和法线方向，发光点S2发光，光线S(n-1)P(n-1)在点P(n-1)处的折射光线P(n-1)Q(n-1)方向可以通过折射定律求出，折射光线P(n-1)Q(n-1)与点Qn处的切线的延长线交点即为Q(n-1)点。

4）、确定点Q(n-1)处的法线方向和切线，以及P(n-1)的相邻点点P(n-2)；由于折射光线P(n-1)Q(n-1)的光源点为边缘发光点S2，因此折射光线P(n-1)Q(n-1)在点Q(n-1)处的反射光线T3与反射光线T1平行；同理，折射光线P(n-2)Q(n-1)的光源点为边缘发光点S1，折射光线P(n-2)Q(n-1)在点Q(n-1)处的反射光线T4与反射光线T2平行；根据反射定律，由已知折射光线P(n-1)Q(n-1)和点Q(n-1)处的反射光线T3可以确定Q(n-1)处的法线方向和切线，同时也可以确定折射光线P(n-2)Q(n-1)的方向，点P(n-1)处的切线的延长线与折射光线P(n-2)Q(n-1)的交点即为P(n-2)点。

5）、确定点P(n-2)处的法线方向和切线，以及点Q(n-1)的相邻点点Q(n-2)；根据折射光线P(n-2)Q(n-1)、折射率n、入射光线S1P(n-2)可以确定点P(n-2)处的法线方向和切线；边缘发光点S2发光，光线S2P(n-2)的折射光线P(n-2)Q(n-2)可以通过折射定律来确定，折射光线P(n-2)Q(n-2)与点Q(n-1)处的切线的延长线的交点即为点Q(n-2)的位置。

6）、令n=（n-2）、（n-3）、（n-4）……(m+2)；多次重复3）、4）、5）步骤，计算出点P（n-3）、P(n-4)……Pm,点Q(n-3)、Q(n-4)……Qm，直到Ｐm、Qm位于点S1、点S2的连线上。其中，边缘发光点S1、S2的光线在Qi点的反射光线T(2n+1-2i)、T(2n+1-2i),分别与反射光线T1、T2平行。i为n-1至m。m为自然数。

7）、将A、Pn、P(n-1)、P(n-2)……Pm通过平滑的曲线连接起来，形成第一折射面的轮廓；将Q(n)、Q(n-1)、Q(n-2)……Qm通过平滑的曲线连接起来形成反射面的轮廓。全反射面的轮廓、线QnE、线EA、第一折射面的轮廓、线PmQm形成LED准直透镜纵截面的二分之一。其中，全反射面的轮廓曲线以及第一折射面的轮廓曲线可以通过取样，插值算法等计算方法得到。

8）、将上述二分之一的LED准直透镜纵截面绕轴线旋转，即可得到该准直透镜的形状。

进一步地，所述出光面的纵截面的边线与底面的夹角a为零。

出光面与底面平行设置，也是较为常见设置方法，因此可以将a设置为零。

进一步地，所述LED准直透镜的全反射面设有反光膜。

在LED准直透镜的全反射面即外侧面上设置反光膜，可以增加其反光效果，提高准直效果。

以上仅是本申请的较佳实施例，在此基础上的等同技术方案仍落入申请保护范围。

Claims

1.一种LED准直透镜的设计方法，其特征在于：其包括以下步骤： 1）、初定LED准直透镜的出光口的口径大小R、厚度L、出光面的纵截面的边线与底面的夹角a、LED准直透镜的LED灯珠安装孔的高度h、LED准直透镜的折射率n’，LED准直透镜的光束发散角B度；先根据折射定律计算出全反射光线与出光面之间的第一夹角范围，进而计算出全反射光线与LED准直透镜的轴线之间的第二夹角范围，全反射光线在轴线两侧的夹角范围分别在c1、c2度之内；

3）、确定第一折射面上的点P(n-1)；边缘发光点S2发光的光线S2Pn经过第一折射面折射后形成折射光线PnQn，根据折射定律可以计算出点Pn处的法线方向和切线，折射光线PnQn在点Qn发生全反射形成反射光线T1；边缘发光点S1的发光光线S1P(n-1)经过第一折射面折射形成折射光线P(n-1)Qn，P(n-1)Qn在点Qn发生全反射形成反射光线T2；反射光线T1背向轴线倾斜，且反射光线T1与轴线夹角为c1，反射光线T2向轴线倾斜，且反射光线T2与轴线夹角为c2；由此通过反射定律可计算出Qn点的法线方向、切线方向以及折射光线P(n-1)Qn方向，点Pn处的切线的延长线与折射光线P(n-1)Qn的交点即为P(n-1)点，同时还可以计算出P(n-1)点的法线方向和切线；

2.根据权利要求1所述的一种LED准直透镜的设计方法，其特征在于：所述出光面的纵截面的边线与底面的夹角a为零。

3.根据权利要求1所述的一种LED准直透镜的设计方法，其特征在于：所述LED准直透镜的全反射面设有反光膜。