CN105607164B - 一种高出光效率的自由曲面透镜及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高出光效率的自由曲面透镜及设计方法，自由曲面透镜为半圆形，自由曲面透镜的底面为圆锥形凹槽，自由曲面透镜的半圆形面为外表面，自由曲面透镜圆锥形凹槽面为内表面，内表面和外表面构成两个自由曲面。本发明还公开了该自由曲面透镜的设计方法。本发明的设计方法简单，通过对透镜的内外表面同时进行设计，可以实现特定的照明光型；由于透镜内外表面都是自由曲面，因此优化透镜形状，可以使得透镜的光能量损失最小，从而使LED发出的光高效率地投射到照明平面；由于透镜的材料是产业界常用的透光材料，因此加工成本低，适用于大规模生产。

Description

一种高出光效率的自由曲面透镜及设计方法

技术领域

本发明属于LED封装技术，涉及LED封装中的一种高出光效率的自由曲面透镜及设计方法，特别应用于LED封装中提高光效、实现光束控制、满足不同照明需求的应用。

背景技术

发光二极管(LED，Light Emitting Diode)是一种基于电子空穴复合发光的原理制成的半导体发光器件，具有电光转换效率高、使用寿命长、环保节能、体积小等优点，被誉为21世纪绿色照明光源，已经在许多领域得到广泛应用，被业界认为是未来照明技术的主要发展方向，具有巨大的市场潜力。

一般的，在大功率白光LED封装中，一个不可或缺的部分是光学透镜。光学透镜的作用是将LED芯片发出的光线进行调控，使之照射到目标面上，实现特定的照明光斑、照度均匀性、光线颜色的空间分布等要求。如图1所示，LED光源位于原点，从LED发出的光依次经过透镜内表面(102)、透镜外表面(101)两次折射，射向目标面(100)上。光在透镜内表面(102)和外表面(101)的两次折射可以采用斯涅耳定律描述，具体是指光线的入射的方向向量、透镜表面的法线的方向向量，和光经过透镜的折射的方向向量三者满足斯涅耳方程，如式(1)和式(2)所示。为了求解出透镜的表面，利用斯涅耳方程，我们需要求出透镜表面的法线的方向向量。但是在求解式(1)和式(2)时，未知数的个数多于方程的数目(点A和点B的坐标、内表面(102)和外表面(101)的法向的方向向量是未知的)，因此无法同时求解式(1)和式(2)。

现有的LED用透镜设计方法大多采用简化方法，即假设透镜内表面为半球面，光线自位于原点的LED发射出来后，经过透镜内表面是直接射出不发生折射的，这样传统方法仅需设计透镜外表面即可实现对光线的调控。这样简化的一个明显弊端是：忽视了透镜内表面的调控作用，使得透镜外表面对光线的调控能力有限，而且造成较大的光学损失(即菲涅尔光损)，使得光线的出光效率降低。

近年来，高亮度高光效白光LED封装是发展的重点和主要方向，影响LED光效的每一个环节都需重视，所以传统自由曲面透镜的光学损失这种高光效LED封装中变得不可忽略。降低传统自由曲面透镜的光学损失的一种重要方法是同时设计透镜的内表面和外表面，使得自由曲面透镜在满足照明要求的同时提高出光效率，从而实现高光效的LED封装。

关于自由曲面透镜的设计，调研发现华中科技大学的罗小兵等人(授权公告号：CN102537842 A专利)提出了一种基于能量对应的方法，通过外加合适条件可同时求解式(1)和式(2)，进而同时设计透镜的内外自由表面，满足照明要求。上海三思电子工程有限公司的周士康等人(权公告号：CN 102193193 A、CN 102287754 A专利)通过角度划分，将光源和光斑划分成一一对应的小角和小段，结合折射定律，设计自由曲面透镜的内外表面。但是，采用这些方法设计的自由曲面透镜，未结合菲涅尔能量损失最小化来设计，即未考虑透镜的出光效率，因此发展一种同时设计透镜内外表面，满足不同照明要求并且出光效率最高的设计方法尤为重要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高出光效率的自由曲面透镜及设计方法，其目的在于通过调控光线在通过透镜内外自由曲面时的偏折程度，不仅能达到特定的照明需求，还能使得光线在通过透镜时的菲涅尔损失最小，从而提高照明器件的发光效率。

为实现上述目的，一种高出光效率的自由曲面透镜，其特征在于：所述自由曲面透镜为半圆形，自由曲面透镜的底面设有圆锥形凹槽，自由曲面透镜的半圆形面为外表面，自由曲面透镜圆锥形凹槽面为内表面，内表面和外表面构成两个自由曲面。

一种高出光效率的自由曲面透镜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.以任意一个过光源光轴Z的平面为入射面，光源位于坐标原点O，光源发光角度θ为光线出射方向与光轴正方向OZ的夹角，将光源向外发出的光能量等分成N份，N的取值为100～2000，每份光通量Φ_i相等，得到每一个等分角度θ_i，i＝1～N；

S2.按照不同照明要求如光斑形状、照度分布，将目标面同样划分成N份，每部分面积相等，找出对应每份入射光通量的Φ_i光斑尺寸r_i；

S3.给定内表面偏折系数k，根据公式：

其中，f₀为透镜内表面中心点高度，n₁为进入透镜前入射光线所在的介质的折射率，n₂为透镜材料的折射率；根据上述公式求得每条光线从原点到透镜内表面的距离函数f，进而求出透镜内表面的各个点A_i；采用光滑或非光滑将所得距离f对应的点A_i连成曲线；对于旋转对称的透镜，则只需将得到的曲线进行旋转对称即得到透镜内表面；对于非旋转对称的透镜，则还需将光源光线的空间分布切成M份，采用同样的方法求得M条透镜内表面曲线；将这些曲线缝合成曲面，即得到透镜的内表面；

S4.根据斯涅尔定律，结合外表面中心点高度d₀、内表面的折射光线角度γ＝kθ，以及光线穿过透镜外表面的出射方向，确定透镜外表面的种线点B_i，采用光滑或非光滑将种线上的点B_i连成曲线；对于旋转对称的透镜，只需将得到的曲线进行旋转对称即得到透镜外表面；对于非旋转对称的透镜，采用同样的方法在整个空间求得M条透镜外表面曲线；将这些曲线缝合成曲面，即得到透镜的外表面；

S5.将透镜的内表面和外表面封闭成实体，得到最终的自由曲面透镜。

步骤S3中，k的取值为0～1，k值越小，则光线入射到内表面后偏离原来的传播方向越大

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于在自由曲面透镜的内表面的构造过程中定义角度偏折系数k，再根据菲涅尔损失优化k值，从而具有下列有益效果：

1、在自由曲面透镜的内表面构造过程中定义角度偏折系数k，可以控制光线在内表面的偏折程度，从而控制光线在通过透镜时的菲涅尔损失，进而得到高出光效率的自由曲面透镜；

2、将透镜的内外表面都设计为自由曲面，相对于传统的只有外表面为自由曲面的透镜而言，设计的灵活性更大，可以对光线进行更加精准的调控，从而获得更加准确的照明光型；

3、自由曲面透镜的内表面高度可以根据不同LED封装形式进行调节，高度可控，可以应用于LED支架式、板上芯片、阵列式、系统封装、印刷电路板封装和硅基封装等封装形式。

总之，本发明的设计方法简单，通过对透镜的内外表面同时进行设计，可以实现特定的照明光型，满足各种不同照明要求，实现多种不同的照明效果，如均匀圆形光斑、均匀矩形光斑、均匀多边形光斑等。由于透镜内外表面都是自由曲面，因此优化透镜形状，可以使得透镜的光能量损失最小，从而使LED发出的光高效率地投射到照明平面。由于透镜的材料是产业界常用的透光材料，因此加工成本低，适用于大规模生产。

附图说明

图1为本发明光源的划分方法示意图；

图2为本发明的目标平面的划分方法示意图；

图3为本发明光线从光源经过透镜的内外自由曲面折射后到达目标面的示意图；

图4为本发明单颗自由曲面透镜的截面示意图；

图5为本发明单颗自由曲面透镜的透视图；

图6为本发明多颗自由曲面透镜阵列形式排列示意图；

图7为本发明实施例1得到的自由曲面透镜的剖面图；

图8为本发明实施例1得到的自由曲面透镜在照明平面的照明效果图；

图9为本发明实施例2得到的自由曲面透镜的剖面图；

图10为本发明实施例2得到的透镜在照明平面的照明效果图。

图中，100-目标面、101-外表面、102-内表面、103-切平面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图4、5、6、7所示，一种高出光效率的自由曲面透镜，自由曲面透镜1为半圆形，自由曲面透镜1的底面设有圆锥形凹槽2，自由曲面透镜1的半圆形面为外表面101，自由曲面透镜1圆锥形凹槽2面为内表面102，内表面102和外表面101构成两个自由曲面。

上述内表面102中心高度为3mm～20mm，外表面101的中心高度为高于内表面102中心高度3mm～10mm。

上述自由曲面透镜1为单颗自由曲面透镜或多颗自由曲面透镜阵列形式排列，安装时自由曲面透镜与光源的对应关系为一对一或一对多或多对一关系。

上述自由曲面透镜1圆锥形凹槽2还可为倒置圆锥形凹槽或半圆形凹槽。

上述自由曲面透镜1的材料是PC聚碳酸酯或PMMA聚甲基丙烯酸甲酯或PS聚苯乙烯或玻璃透光材料，其透光率大于90％。

上述自由曲面透镜1的加工方式为开模注塑或熔融压铸或精密加工的一种或多种。

上述自由曲面透镜1适用于LED支架式、板上芯片、阵列式、系统封装、印刷电路板封装和硅基封装等封装形式。

一种高出光效率的自由曲面透镜的设计方法，包括以下步骤：

S1.如图1所示，以任意一个过光源光轴Z的平面为入射面，光源位于坐标原点O，光源发光角度θ为光线出射方向与光轴正方向OZ的夹角，将光源向外发出的光能量等分成N份，N的取值为100～2000，每份光通量Φ_i相等，得到每一个等分角度θ_i，i＝1～N。

S2.如图2所示，按照不同照明要求如光斑形状、照度分布等，将目标面100同样划分成N份，每部分面积相等，找出对应每份入射光通量Φ_i的光斑尺寸r_i。

S3.如图3所示，确定内表面102偏折系数k，根据公式：

其中，f₀为透镜内表面102中心点高度，n₁为进入透镜前入射光线所在的介质的折射率，n₂为透镜材料的折射率。根据上述公式求得每条光线从原点到透镜内表面102的距离函数f，进而求出透镜内表面102的各个点A_i。采用光滑或非光滑将所得距离f对应的点A_i连成曲线。对于旋转对称的透镜，则只需将得到的曲线进行旋转对称即得到透镜内表面102；对于非旋转对称的透镜，则还需将光源光线的空间分布切成M份，采用同样的方法求得M条透镜内表面曲线。将这些曲线缝合成曲面，即得到透镜的内表面102。

S4.根据斯涅尔定律，结合外表面101中心点高度d₀、内表面102的折射光线角度γ＝kθ以及光线穿过透镜外表面101的出射方向，确定透镜外表面101的种线点B_i，采用光滑或非光滑将种线上的点B_i连成曲线。对于旋转对称的透镜，只需将得到的曲线进行旋转对称即得到透镜外表面101；对于非旋转对称的透镜，采用同样的方法在整个空间求得M条透镜外表面曲线。将这些曲线缝合成曲面，即得到透镜的外表面101。

S5.如图5、7所示，将透镜的内表面102和外表面101封闭成实体，经过旋转、拉伸、切除等操作得到最终的自由曲面透镜。

实施例1

S1.本实施例选取XOZ平面为入射面，光源位于坐标原点O，光源的配光曲线，即光源的光能量在空间上的强度分布为朗伯型。将光源向外发出的光能量等分为N＝200份，则每一个等分角度θ_i可以由公式：

求得；

S2.本实施例选取照明区域形状为圆形，半径为R＝100mm，照明区域距离LED中心的距离为L＝50mm，照度分布为光斑内所有区域照度相等。然后根据光斑形状、照度分布要求将目标面100同样划分成N＝200份。则每一份面积所对应的光斑半径可以由公式：

求得；

S3.本实施例选取内表面102角度偏折系数为k＝0.5，透镜内表面102中心点高度为f₀＝4mm，透镜外部的介质为空气，即n₁＝1，透镜的材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，折射率n₁＝1.4935，则根据公式可以求得每条光线从原点到透镜内表面102的距离函数f(θ)：

进而可求出透镜内表面102上的各个点A_i。采用二次B样条曲线将所有点练成一条曲线。由于本实施例的目标面是旋转对称，因此只需要将得到的曲线进行旋转对称即可得到透镜内表面102。

S4.选取外表面101中心点高度d₀＝6mm，则根据斯涅耳定律，结合内表面102的折射光线角度γ_i＝kθ_i，以及光线穿过透镜外表面101的出射方向(射向目标面点r_i)，确定透镜外表面101的种线点B_i，采用二次B样条曲线将种线点练成曲线，并将曲线进行旋转对称即可得到透镜外表面101；

S5.将透镜的内表面102和外表面101封闭成实体，经过旋转操作即可得到最终的自由曲面透镜。

参见图7，为本实施例的自由曲面透镜形貌图。参见图8，为本实施例中的自由曲面透镜在目标面100上的照度分布图。经计算，照度均匀性为0.91，菲涅尔光学损失为7.9％，出光效率高达92.1％。

实施例2

以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，区别在于，本实施例中自由曲面材质是PC(聚碳酸酯)，内表面102中心点高度为5mm，外表面101中心点高度为8mm；内表面102角度偏折系数k＝1。目标面是半径为R＝200mm的圆形，光源到目标面100的距离是L＝100mm。图9为本实施例的自由曲面透镜形貌图，图10为本实施例中自由曲面透镜在目标面100上的照度分布图。经计算，照度均匀性为0.94，菲涅尔光学损失为9.8％，出光效率达90.2％。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高出光效率的自由曲面透镜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.以任意一个过光源光轴Z的平面为入射面，光源位于坐标原点O，光源发光角度θ为光线出射方向与光轴正方向OZ的夹角，将光源向外发出的光能量等分成N份，N的取值为100～2000，每份光通量Φ_i相等，得到每一个等分角度θ_i，i＝1～N；

S2.按照不同照明要求如光斑形状、照度分布，将目标面同样划分成N份，每部分面积相等，找出对应每份入射光通量的Φ_i光斑尺寸r_i；

S3.给定内表面偏折系数k，根据公式：

$f\left(\mathrm{\θ}\right)=f_0{\left(\frac{n_1/n_2-1}{n_1/n_{2}cos\left(\right(1-k\left)\mathrm{\θ}\right)-1}\right)}^{\frac{1}{1-k}}$

其中，f₀为透镜内表面(102)中心点高度，n₁为进入透镜前入射光线所在的介质的折射率，n₂为透镜材料的折射率；根据上述公式求得每条光线从原点到透镜内表面(102)的距离函数f，进而求出透镜内表面(102)的各个点A_i；采用光滑或非光滑将所得距离f对应的点A_i连成曲线；对于旋转对称的透镜，则只需将得到的曲线进行旋转对称即得到透镜内表面(102)；对于非旋转对称的透镜，则还需将光源光线的空间分布切成M份，采用同样的方法求得M条透镜内表面(102)曲线；将这些曲线缝合成曲面，即得到透镜的内表面(102)；

S4.根据斯涅尔定律，结合外表面(101)中心点高度d₀、内表面(102)的折射光线角度γ＝kθ，以及光线穿过透镜外表面(101)的出射方向，确定透镜外表面(101)的种线点B_i，采用光滑或非光滑将种线上的点B_i连成曲线；对于旋转对称的透镜，只需将得到的曲线进行旋转对称即得到透镜外表面(101)；对于非旋转对称的透镜，采用同样的方法在整个空间求得M条透镜外表面曲线；将这些曲线缝合成曲面，即得到透镜的外表面(101)；

S5.将透镜的内表面(102)和外表面(101)封闭成实体，得到最终的自由曲面透镜。

2.根据权利要求1所述的一种高出光效率的自由曲面透镜的设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，k的取值为0～1，k值越小，则光线入射到内表面(102)后偏离原来的传播方向越大。