CN105066060B - 一种led透镜及其设计方法 - Google Patents

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    • F21V19/001—Fastening of light sources or lamp holders the light sources being semiconductors devices, e.g. LEDs

Abstract

本发明提供的LED透镜及其设计方法，包括外曲面、内曲面和凹腔，LED光源置于凹腔内，外曲面为G3曲面（曲率变化率连续的曲面）或G4曲面（曲率变化率的变化率连续的曲面），构成出光面，内曲面由多个鳞甲曲面无缝拼接组成，构成入射面。本发明提供的LED透镜及其设计方法，可针对单颗LED光源进行二次配光设计、也可针对多颗LED光源进行二次配光设计，配光形式多样，可灵活选择；LED透镜采取鳞甲曲面的设计方式，实行分段配光，严格按照照明要求进行配光设计，配光更为精确；LED光源可以根据照明设计需要，调整光源位置，配光方式灵活；LED透镜厚度比传统透镜要薄，为2mm~5mm，透镜加工更为简单，制造成本更低。

Description

一种LED透镜及其设计方法
技术领域
本发明属于光学元件、系统或仪器技术领域，具体涉及一种LED透镜及其设计方法。
背景技术
为了使LED芯片发出的光能够更好地输出，能最大程度的利用，并且在照明区域内满足设计要求，需要对LED进行光学系统设计。其中，在封装过程中的设计被称为一次光学设计；而在LED之外进行的光学设计被称为二次光学设计；也叫二次配光设计。一次配光设计主要是决定LED的出光度、光通量大小、光强大小、光强分布等；二次配光设计主要是让LED光线集中到期望的照明区域内。通常，所说的LED配光设计主要是二次配光设计。LED光源配光曲线近似朗伯型，直接应用时不能达到设计需要，有必要进行二次配光设计。
二次配光设计所使用的基本光学元件主要有透镜，然而现有的LED透镜大部分是针对单颗光源进行设计的，透镜底部设有一个LED灯腔，只能放一颗LED光源，如图1所示，透镜表面不平滑、凹凸不平。户外灯具长期暴露于充满粉尘、油烟、汽车尾气等污染物的空气中，透镜表面不平容易藏、沾染灰尘，透镜表面覆盖灰尘后影响出光效率，大幅度降低光通量。同时，现有的LED透镜大多配光形式单一、配光不精准、厚度较厚、形状不规则，因此，加工难度较大、制造成本较高。
发明内容
本发明所要解决的是现有LED透镜配光形式单一、加工难度大、制造成本高的技术问题，提供一种配光形式多样、加工简单、成本低的LED透镜及其设计方法。
为了解决本发明的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：LED透镜，包括外曲面、内曲面和凹腔， LED光源置于凹腔内，所述外曲面为G3曲面或G4曲面，构成出光面，所述内曲面由多个鳞甲曲面无缝拼接组成，构成入射面。
优选地，所述外曲面为半椭圆形、半圆形或其他适宜的形状，不容易藏灰尘，易清洁。
优选地，所述鳞甲曲面为G2曲面或G3曲面或G4曲面。
优选地，所述鳞甲曲面表面为自由曲面。
优选地，所述鳞甲曲面的外形轮廓为规则多边形或不规则多边形。
优选地，所述LED透镜厚度，即外曲面与内曲面之间的厚度，为2mm~5mm，比传统LED光学透镜薄，加工简单，制造成本低。
优选地，所述LED透镜厚度最优为3.5mm。
优选地，所述凹腔内LED光源数量至少为1个，内鳞甲透镜配光形式多样，可以针对单颗LED光源进行二次配光设计，也可针对多颗LED光源进行二次配光设计。
优选地，所述LED光源置于凹腔底面中心，对称配光设计。
优选地，所述LED光源偏离凹腔底面中心，进行偏光设计。
优选地，所述LED光源可以根据照明设计需要，调整光源位置，配光方式灵活。
优选地，所述LED透镜整体形状与外曲面形状相匹配。
优选地，所述LED透镜为玻璃或PC或PMMA或其他适宜材料制成。
LED透镜设计方法，包括以下步骤：
（1）鳞甲以光源出射光线角度来划分，以光传播的主方向为法向，以光源中心为原点，法向为极轴方向，建立极坐标系，两个角坐标分别为和。
（2）鳞甲网格划分，按等光线出射能量或照明面的等光通量划分角度，将和分别划分为M、N份，得到、、……、及、、……、，在空间中划分得到M*N个立体角，照明面也划分M*N个网格。
（3）鳞甲内角度划分，在步骤（2）中划分得到的M*N个立体角内将角度进一步划分为m*n个立体角，得到、、…、、…、，、、…、、…、。
（4）建立能量映射关系，将M*N个立体角内的能量一一对应到照明面M*N个网格中，根据照明面所需要的能量分布调节立体角或照明面网格的划分方式可得到任意配光。
（5）运用几何光学计算鳞甲曲面，从、开始，即从法向方向开始计算，定义鳞甲曲面的初步点A的坐标，以鳞甲面为折射面，和可以确定入射向量，光线与鳞甲曲面的交点A到目标照明点的向量即为出射向量，根据几何光学snell定律可以求出鳞甲曲面上A点的法向量；鳞甲面上方向为（、）的点B与A相距足够近A点的法向量可视为B点的法向量，对于B点已知入射向量、法向量，由snell定律可计算得到出射向量，该出射向量即为B点到照明面上的向量，由于光线（、）对应的照明点已在第三步中由能量映射确定，进而可以计算出B点的三维坐标，运用迭代法可依次求出单个鳞甲曲面的自由曲面；单个鳞甲曲面计算完毕后以（、）为新的初始向量，以上一个鳞甲曲最后求得的坐标点为鳞甲曲面的初始点，按迭代法继续求得鳞甲曲面的面型，如此反复即可求得整个鳞甲透镜的曲面。
本发明获得的有益效果是：本发明提供的LED透镜及其设计方法，可针对单颗LED光源进行二次配光设计、也可针对多颗LED光源进行二次配光设计，配光形式多样，可灵活选择；LED透镜采取鳞甲曲面的设计方式，实行分段配光，严格按照照明要求进行配光设计，配光更为精确；LED光源可以根据照明设计需要，调整光源位置，配光方式灵活；LED透镜厚度比传统透镜要薄，为2mm~5mm，透镜加工更为简单，制造成本更低；外曲面表面光滑，不易藏灰尘，易于清洁，自然的风和雨即可达到一定的清洁效果，减少人为作业，降低维护成本。
附图说明
图1现有LED透镜结构图。
图2是实施例1结构图。
图3是实施例1主视图。
图4是实施例1仰视图。
图5是实施例2结构图。
图6是实施例2主视图。
图7是实施例2仰视图。
附图标记：1、外曲面；2、内曲面；21、鳞甲曲面；3、凹腔。
G2曲面：曲率连续的曲面。
G3曲面：曲率变化率连续的曲面。
G4曲面：曲率变化率的变化率连续的曲面。
具体实施方案
以下结合附图对本发明的实施方式做更详细的说明。
实施例1：
参见附图2至附图4所示，LED透镜，包括外曲面、内曲面和凹腔， LED光源置于凹腔内，所述外曲面为G3曲面或G4曲面，构成出光面，所述内曲面由多个鳞甲曲面无缝拼接组成，构成入射面。
进一步地，所述外曲面1为半椭圆形，表面光滑，不容易藏灰尘，易清洁。
进一步地，所述鳞甲曲面21为G2曲面或G3曲面或G4曲面。
进一步地，所述鳞甲曲面21表面为自由曲面。
进一步地，所述鳞甲曲面21的外形轮廓为规则多边形或不规则多边形。
进一步地，所述LED透镜厚度，即外曲面1与内曲面2之间的厚度，为2mm~5mm，比传统LED光学透镜薄，加工简单，制造成本低。
进一步地，所述LED透镜厚度最优为3.5mm。
进一步地，所述凹腔3内LED光源数量至少为1个，内鳞甲透镜配光形式多样，可以针对单颗LED光源进行二次配光设计，也可针对多颗LED光源进行二次配光设计。
进一步地，所述LED光源置于凹腔3底面中心，对称配光设计。
进一步地，所述LED光源偏离凹腔3底面中心，进行偏光设计。
进一步地，所述LED光源可以根据照明设计需要，调整光源位置，配光方式灵活。
进一步地，所述LED透镜整体形状与外曲面形状相匹配。
进一步地，所述LED透镜为玻璃或PC或PMMA或其他适宜材料制成。
LED透镜设计方法，包括以下步骤：
（1）鳞甲以光源出射光线角度来划分，以光传播的主方向为法向，以光源中心为原点，法向为极轴方向，建立极坐标系，两个角坐标分别为和。
（2）鳞甲网格划分，按等光线出射能量或照明面的等光通量划分角度，将和分别划分为M、N份，得到、、……、及、、……、，在空间中划分得到M*N个立体角，照明面也划分M*N个网格。
（3）鳞甲内角度划分，在步骤（2）中划分得到的M*N个立体角内将角度进一步划分为m*n个立体角，得到、、…、、…、，、、…、、…、。
（4）建立能量映射关系，将M*N个立体角内的能量一一对应到照明面M*N个网格中，根据照明面所需要的能量分布调节立体角或照明面网格的划分方式可得到任意配光。
（5）运用几何光学计算鳞甲曲面，从、开始，即从法向方向开始计算，定义鳞甲曲面的初步点A的坐标，以鳞甲面为折射面，和可以确定入射向量，光线与鳞甲曲面的交点A到目标照明点的向量即为出射向量，根据几何光学snell定律可以求出鳞甲曲面上A点的法向量；鳞甲面上方向为（、）的点B与A相距足够近A点的法向量可视为B点的法向量，对于B点已知入射向量、法向量，由snell定律可计算得到出射向量，该出射向量即为B点到照明面上的向量，由于光线（、）对应的照明点已在第三步中由能量映射确定，进而可以计算出B点的三维坐标，运用迭代法可依次求出单个鳞甲曲面的自由曲面；单个鳞甲曲面计算完毕后以（、）为新的初始向量，以上一个鳞甲曲最后求得的坐标点为鳞甲曲面的初始点，按迭代法继续求得鳞甲曲面的面型，如此反复即可求得整个鳞甲透镜的曲面。
实施例2：
参见附图5至附图7所示，LED透镜，包括外曲面1、内曲面2和凹腔3， LED光源置于凹腔3内，所述外曲面1为G3曲面或G4曲面，构成出光面，所述内曲面2由多个鳞甲曲面21无缝拼接组成，构成入射面。
进一步地，所述外曲面1为半圆形，表面光滑，不容易藏灰尘，易清洁。
进一步地，所述鳞甲曲面21为G2曲面或G3曲面或G4曲面。
进一步地，所述鳞甲曲面21表面为自由曲面。
进一步地，所述鳞甲曲面21的外形轮廓为规则多边形或不规则多边形。
进一步地，所述内鳞甲透镜厚度，即外曲面1与内曲面2之间的厚度，为2mm~5mm，比传统LED光学透镜薄，加工简单，制造成本低。
进一步地，所述内鳞甲透镜厚度最优为3.5mm。
进一步地，所述凹腔3内LED光源数量至少为1个，内鳞甲透镜配光形式多样，可以针对单颗LED光源进行二次配光设计，也可针对多颗LED光源进行二次配光设计。
进一步地，所述LED光源置于凹腔3底面中心，对称配光设计。
进一步地，所述LED光源偏离凹腔3底面中心，进行偏光设计。
进一步地，所述LED光源可以根据照明设计需要，调整光源位置，配光方式灵活。
进一步地，所述内鳞甲透镜整体形状与外曲面形状相匹配。
进一步地，所述内鳞甲透镜为PC或PMMA材料制成。
LED透镜设计方法，包括以下步骤：
（1）鳞甲以光源出射光线角度来划分，以光传播的主方向为法向，以光源中心为原点，法向为极轴方向，建立极坐标系，两个角坐标分别为和。
（2）鳞甲网格划分，按等光线出射能量或照明面的等光通量划分角度，将和分别划分为M、N份，得到、、……、及、、……、，在空间中划分得到M*N个立体角，照明面也划分M*N个网格。
（3）鳞甲内角度划分，在步骤（2）中划分得到的M*N个立体角内将角度进一步划分为m*n个立体角，得到、、…、、…、，、、…、、…、。
（4）建立能量映射关系，将M*N个立体角内的能量一一对应到照明面M*N个网格中，根据照明面所需要的能量分布调节立体角或照明面网格的划分方式可得到任意配光。
（5）运用几何光学计算鳞甲曲面，从、开始，即从法向方向开始计算，定义鳞甲曲面的初步点A的坐标，以鳞甲面为折射面，和可以确定入射向量，光线与鳞甲曲面的交点A到目标照明点的向量即为出射向量，根据几何光学snell定律可以求出鳞甲曲面上A点的法向量；鳞甲面上方向为（、）的点B与A相距足够近A点的法向量可视为B点的法向量，对于B点已知入射向量、法向量，由snell定律可计算得到出射向量，该出射向量即为B点到照明面上的向量，由于光线（、）对应的照明点已在第三步中由能量映射确定，进而可以计算出B点的三维坐标，运用迭代法可依次求出单个鳞甲曲面的自由曲面；单个鳞甲曲面计算完毕后以（、）为新的初始向量，以上一个鳞甲曲最后求得的坐标点为鳞甲曲面的初始点，按迭代法继续求得鳞甲曲面的面型，如此反复即可求得整个鳞甲透镜的曲面。
以上列举的仅是本发明的具体实施例之一。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多类似的改形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明所要保护的范围。

Claims (10)

1.LED透镜，包括外曲面、内曲面和凹腔，LED光源置于凹腔内，其特征在于：所述外曲面为G3曲面或G4曲面，构成出光面，所述内曲面由多个鳞甲曲面无缝拼接组成，构成入射面；所述G3曲面为曲率变化率连续的曲面，所述G4曲面为曲率变化率的变化率连续的曲面。
2.如权利要求1所述的LED透镜，其特征在于：所述外曲面为半椭圆形或半圆形。
3.如权利要求1所述的LED透镜，其特征在于：所述鳞甲曲面为G2曲面或G3曲面或G4曲面；所述G2曲面为曲率连续的曲面，所述G3曲面为曲率变化率连续的曲面，所述G4曲面为曲率变化率的变化率连续的曲面。
4.如权利要求3所述的LED透镜，其特征在于：所述鳞甲曲面表面为自由曲面。
5.如权利要求4所述的LED透镜，其特征在于：所述鳞甲曲面的外形轮廓为规则多边形或不规则多边形。
6.如权利要求1所述的LED透镜，其特征在于：所述透镜厚度为2mm～5mm。
7.如权利要求1所述的LED透镜，其特征在于：所述凹腔内LED光源数量至少为1个。
8.如权利要求1所述的LED透镜，其特征在于：所述LED光源置于凹腔底面中心。
9.如权利要求1所述的LED透镜，其特征在于：所述LED光源偏离凹腔底面中心。
10.如权利要求1所述的LED透镜设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)鳞甲以光源出射光线角度来划分，以光传播的主方向为法向，以光源中心为原点，法向为极轴方向，建立极坐标系，两个角坐标分别为θ和
(2)鳞甲网格划分，按等光线出射能量或照明面的等光通量划分角度，将θ和分别划分为M、N份，得到θ1、θ2、……、θM及在空间中划分得到M*N个立体角，照明面也划分M*N个网格；
(3)鳞甲内角度划分，在步骤(2)中划分得到的M*N个立体角内将角度进一步划分为m*n个立体角，得到θ1，1、θ1，2、…、θM，1、θM，2…、θM,m，
(4)建立能量映射关系，将M*N个立体角内的能量一一对应到照明面M*N个网格中，根据照明面所需要的能量分布调节立体角或照明面网格的划分方式可得到任意配光；
(5)运用几何光学计算鳞甲曲面，从θ1，1＝0、开始，运用迭代法可依次求出单个鳞甲曲面的自由曲面；单个鳞甲曲面计算完毕后以为新的初始向量，以上一个鳞甲曲面最后求得的坐标点为下一个鳞甲曲面的初始点，按迭代法继续求得鳞甲曲面的面型，如此反复即可求得整个鳞甲透镜的曲面。
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