CN106090674A - 基于自由曲面菲涅尔透镜的匀聚光led光源模组设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自由曲面菲涅尔透镜的匀聚光LED光源模组的设计方法，具体是根据LED光源的数量及发光特性划分菲涅尔透镜的自由曲面分区，再根据配光要求设定菲涅尔透镜的环带个数、自由曲面、环带高度及工作侧面角，由此得出菲涅尔透镜的焦距、数值孔径和聚光角度，进而得到菲涅尔透镜模型和LED光源模组结构，通过对光线经过菲涅尔透镜折射后的路径进行仿真，得到照度分布验证设计效果。本发明解决了传统LED光源透镜普遍存在的配光效果差、聚光倍率低、透镜厚度较厚、只能匹配单个LED光源等问题，可适应不同光源数量、不同尺寸的光源模组设计，利用自由曲面菲涅尔透镜的特性，能够得到大面积、整体化的均匀聚光LED光源模组。

Description

基于自由曲面菲涅尔透镜的匀聚光LED光源模组设计方法

技术领域

本发明涉及一种LED光源模组的设计方法，具体涉及一种基于自由曲面菲涅尔透镜的匀聚光LED光源模组的设计方法。

背景技术

LED(Light Emitting Diode)，即发光二极管，是一种固态半导体发光器件，其耗电量低，使用寿命长，而且高效环保，是新一代的节能环保照明产品。一般地，非集成式的LED光源可作理想的点光源，被广泛地用于户内和户外照明灯具中。因极低的功耗、较高的光效和优良的显色指数，被广泛用在城市照明、商业照明及家居照明等领域。但由于LED光源体积较小，其一次配光仅能满足基本的发光要求，要适应不同环境的照明需求，通常在一次配光的基础上通过加装光学透镜进行二次配光，改变LED光源的发光特性。以单颗流明封装LED光源为例，其出射角普遍可达120°以上，要适用于远距离照明或重点照明，需要减小光源的发散角，达到汇聚光线、改善照度分布的效果。基于这一特性，光学透镜被广泛应用于LED照明产品的二次配光。

然而，受限于透镜的结构和尺寸，传统透镜在应用中有诸多问题：例如：配光效果不够精确，存在配光畸变和反射损失；聚光效果不好，难以实现小角度的发散角；数值孔径较小，不能充分利用光源出光等，这些问题严重影响到灯具的照明质量。因此，如何进一步提高LED光源的出光效率，改善照明分布，同时在二次配光基础上合理采用新技术来降低灯具的制造成本成为当前LED照明技术所面临的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于自由曲面菲涅尔透镜的匀聚光LED光源模组的设计方法，解决了LED光源的二次配光效果不佳、光效利用率较低等问题，还能使菲涅尔透镜和灯壳套件一体化，是一种新型的LED光源模组元件。

本发明中菲涅尔透镜的自由曲面是指区别于传统透镜的曲面形式，可以根据配光效果自由设计曲面形状的一种曲面。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于自由曲面菲涅尔透镜的匀聚光LED光源模组的设计方法，其特征在于：所述设计方法包括以下步骤：

步骤1，确定LED光源的数量、发光特性及几何特性；

步骤2，根据LED光源的数量完成菲涅尔透镜的区域划分；

步骤3，根据LED光源的发光特性和几何特性设计菲涅尔透镜的自由曲面；

步骤4，根据步骤3中计算得出的数值结果设定菲涅尔透镜和LED光源模组的参数，并将菲涅尔透镜的参数导入三维软件进行三维建模；

步骤5，将步骤4中菲涅尔透镜的三维模型导入光学仿真软件中对配光效果进行仿真测试；

步骤6，输出菲涅尔透镜的参数进行模具制作，进而得到菲涅尔透镜实体；

步骤7，将制造好的菲涅尔透镜结构直接安装到LED光源基板上，组成LED光源模组。

进一步地，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1，将菲涅尔透镜按照扇形分区，使分区数量与LED光源数量相等，每个扇形分区的中心与对应的LED光源中心垂直对齐；

步骤2.2，菲涅尔透镜扇形区域的外围和中心均为圆周型，由公切线相连，分为外圆周区、内圆周区及过渡区，不同扇形区域之间由公切线划分，在扇形区域的外围，透镜半径为外圆周的半径，在扇形区域中心部分，透镜半径为外圆周中心到内圆周顶点的距离，从扇形区域的外围到中心，透镜半径按同等距离依次向里递减。

进一步地，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1，将菲涅尔透镜的入射面设计为平面，LED光源到菲涅尔透镜入射面的垂直距离为可调距离；

步骤3.2，将菲涅尔透镜的出射面设计为自由曲面，即每个环带对应一个独立的自由曲面，并决定了透镜的环带高度、工作侧面角及聚光角度，在外圆周区，菲涅尔透镜圆环的宽度w₀即为相邻圆环的半径之差，在内圆周区，菲涅尔透镜圆环的宽度w可适当增加，

步骤3.3，将独立设计的各个菲涅尔透镜环带连成一个整体，和入射面一起构成封闭曲线，菲涅尔透镜边缘由入射面向下延伸出支架，支架高度为入射面到LED光源的距离，封闭曲线绕中心轴旋转360°。

进一步地，所述步骤3.2通过以下步骤实现：

步骤3.2.1，计算出经过入射面折射的光线随角度的分布：设光源的发光角为θ，LED光源的光强满足广义朗伯分布，表示为：

I(θ)＝I₀cos^mθ，

其中I₀为正入射方向上的光强，m为大于零的实数，经过透镜界面折射后，光线传播方向发生改变设透镜材料的折射率为n₁，光源的像对应的出射角为α，则光强分布变为：

$I\left(\mathrm{\α}\right)=n_1^2{I}_{0}cos\mathrm{\α}{(1-n_1^2{\sin }^2\mathrm{\α})}^{\frac{m-1}{2}},$

步骤3.2.2，结合配光要求计算出光线的出射方向，由此得到自由曲面满足的方程：设光源至透镜入射面的距离为h，则光源像点至透镜入射面的距离为α的函数，用d表示为：

$d=n_{1}h\frac{cos\mathrm{\α}}{\sqrt{1-n_1^2{\sin }^2\mathrm{\α}}},$

将光源的像点等效看作一列新的光源，发光角度α₀内的光通量即为I(α)对立体角元的积分，用I_c(α₀)表示为：

$I_c\left({\mathrm{\α}}_0\right)=\∫\∫I\left(\mathrm{\α}\right)d\mathrm{\Ω}=\frac{2{\mathrm{\πI}}_0}{m+1}\[1-{(1-n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\α}}_0)}^{\frac{m+1}{2}}\],$

为了满足均匀分布，接收平面上任意区域内的照度应正比于其面积，设光斑半径为R，对应的光源发光角度上限为α_c，则和任意α₀对应的光斑半径r和总光斑半径R之比的平方，应等于光通量I_c(α₀)和I_c(α_c)的比值，即：

$r=\sqrt{\frac{I_c\left({\mathrm{\α}}_0\right)}{I_c\left({\mathrm{\α}}_c\right)}}R=\sqrt{\frac{1-{(1-n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\α}}_0)}^{\frac{m+1}{2}}}{1-{(1-n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\α}}_c)}^{\frac{m+1}{2}}}}R,$

为了得到菲涅尔透镜的曲面形状，依据光线经过透镜后的方向变化求出透镜的曲面参数，由光斑半径r，得到入射光线和出射光线的方向角和表达式：

式中H为光源像点至透镜入射面的距离，随α变化而变化；

步骤3.2.3，将自由曲面分割为数个点，计算出每一点的坐标，从而得到自由曲面的形状：设透镜材料的折射率为n₁，由光折射定律可得透镜上任意一点(x,y)所在的自由曲线的斜率为：

进一步地，所述步骤6中菲涅尔透镜实体的制作方式为机械加工制作。

进一步地，所述步骤6中菲涅尔透镜实体的制作方式为光学加工制作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、由于菲涅尔透镜的面积比一般光学透镜大，故对不同发散角的光源有更好的适应性，尤其对于发光角度大的光源，光源光效可以充分利用，进一步提升了LED灯具的节能效果；

2、菲涅尔透镜的入射面为平面结构，使其不仅适用于单个LED光源的配光，也适用于多个LED光源模组的配光，从而实现制造特定配光的大功率多个LED光源模组。同时，平面结构使透镜更接近光源，从而提高透镜的数值孔径，提高光源光效利用率；

3、菲涅尔透镜自身就是一块支撑性良好的板型组件，可以充当灯具的前端盖板，减少了配件数量，简化了装配工艺，降低了灯具的成本。

4、本发明可根据不同场景的照明需求，灵活调整菲涅尔透镜的各个参数，使得透镜的焦距、数值孔径等技术指标与光源实现不同条件的匹配；

5、在视觉上，本发明设计的LED光源模组可以使灯具的出光效果由定向点光斑特性渐变至集成式的定向面光源特性，光斑无盲区，实现丰富的视觉效果，从而满足不同照明情景的应用需求。

6、本发明设计方法高效便捷，通过灯具的使用要求确定透镜的发散角，由此给出透镜的焦距、数值孔径及出光面积，可快速得到菲涅尔透镜组的具体参数。

附图说明

图1是本发明设计方法中菲涅尔透镜的扇形分区示意图，

图2是本发明设计方法中菲涅尔透镜的环带曲面形状示意图，

图3是本发明设计方法中LED光源光线经过菲涅尔透镜的参数示意图，

图4是本发明设计方法具体实施方式中菲涅尔透镜的平面俯视图，

图5是本发明设计方法制作的LED光源模组的结构示意图，

图6是本发明设计方法制作的LED光源经菲涅尔透镜配光后的照度分布图。

图中所示：1.菲涅尔透镜，2.LED光源，3.铝基板，4.外圆周区，5.过渡区，6.内圆周区，7.接收平面，8.自由曲面，9.菲涅尔透镜环带，10.光源，11.像点

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，下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明，应当理解的是此处所描写的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施方式如下：

步骤1，设LED光源为圆周对称分布，数量为N，发光特性为广义朗伯分布；

步骤2，根据LED光源的数量完成菲涅尔透镜的区域划分，如图1所示：

步骤2.1，将菲涅尔透镜按照扇形分区，分区数量等于LED光源的数量N，每个扇形分区的中心与对应的LED光源中心垂直对齐，设光源距透镜的垂直距离为H，光源发光角为θ，则扇形分区按照圆周的N等份划分，张角β等于：

β＝2π/N

步骤2.2，菲涅尔透镜扇形区域的外围和中心均为圆周型，由公切线相连，分为外圆周区4、内圆周区6及过渡区5，不同扇形区域之间由公切线划分，在扇形区域的外围，透镜半径为外圆周的半径，在扇形区域中心部分，透镜半径为外圆周中心到内圆周顶点的距离，从扇形区域的外围到中心，透镜半径按同等距离依次向里递减；

步骤3，如图2、图3所示，根据LED光源的发光特性和几何特性设计菲涅尔透镜的自由曲面：

步骤3.1，将菲涅尔透镜的入射面设计为平面，LED光源到菲涅尔透镜入射面的垂直距离为可调距离，菲涅尔透镜的环带数目应较多，每个环带应具有较小的高度，从而保证透镜整体较薄的特点，具体的环带数目根据菲涅尔透镜扇形区域的外围半径而定，

步骤3.2，将菲涅尔透镜的出射面设计为自由曲面，即每个环带对应一个独立的自由曲面，并决定了透镜的环带高度、工作侧面角及聚光角度，所述自由曲面通过以下步骤实现：

步骤3.2.1，计算出经过入射面折射的光线随角度的分布：设光源的发光角为θ，LED光源的光强满足广义朗伯分布，表示为：

I(θ)＝I₀cos^mθ，

其中I₀为正入射方向上的光强，m为大于零的实数，经过透镜界面折射后，光线传播方向发生改变。如图3所示，设透镜材料的折射率为n₁，光源的像点11对应的出射角为α，则光强分布变为：

$I\left(\mathrm{\α}\right)=n_1^2{I}_{0}cos\mathrm{\α}{(1-n_1^2{\sin }^2\mathrm{\α})}^{\frac{m-1}{2}},$

步骤3.2.2，结合配光要求计算出光线的出射方向，由此得到自由曲面满足的方程：设光源至透镜入射面的距离为u，则光源像点至透镜入射面的距离为α的函数，用d表示为：

$d=n_{1}u\frac{cos\mathrm{\α}}{\sqrt{1-n_1^2{\sin }^2\mathrm{\α}}},$

将光源的像点等效看作一列新的光源，发光角度α₀内的光通量即为I(α)对立体角元的积分，用I_c(α₀)表示为：

$I_c\left({\mathrm{\α}}_0\right)=\∫\∫I\left(\mathrm{\α}\right)d\mathrm{\Ω}=\frac{2{\mathrm{\πI}}_0}{m+1}\[1-{(1-n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\α}}_0)}^{\frac{m+1}{2}}\],$

为了满足均匀分布，接收平面上任意区域内的照度应正比于其面积，设光斑半径为R，对应的光源发光角度上限为α_c，则和任意α₀对应的光斑半径r和总光斑半径R之比的平方，应等于光通量I_c(α₀)和I_c(α_c)的比值，即：

$r=\sqrt{\frac{I_c\left({\mathrm{\α}}_0\right)}{I_c\left({\mathrm{\α}}_c\right)}}R=\sqrt{\frac{1-{(1-n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\α}}_0)}^{\frac{m+1}{2}}}{1-{(1-n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\α}}_c)}^{\frac{m+1}{2}}}}R,$

为了得到菲涅尔透镜的曲面形状，依据光线经过透镜后的方向变化求出透镜的曲面参数，如图3所示，由几何关系，得到和的表达式：

式中H为光源像点至透镜入射面的距离，随α变化而变化；

步骤3.2.3，将自由曲面分割为数个点，计算出每一点的坐标，从而得到自由曲面的形状：设透镜材料的折射率为n₁，由光折射定律可得透镜上任意一点(x,y)所在的自由曲线的斜率为：

由于α不同时，光源像点至透镜入射面的距离H不同，因此只能对透镜曲面分段求解，在局部将H近似为一个定值，对每一个局部H设计一段透镜曲面，透镜曲面的形状由dy/dx满足的微分方式决定，可利用高精度差分方法求解该方程；

步骤3.3，在外圆周区，菲涅尔透镜圆环的宽度w₀即为相邻圆环的半径之差，在内圆周区，菲涅尔透镜圆环的宽度w会增加，和透镜扇区张角有关，最大值为：

$w=\frac{w_0}{\sin \frac{\mathrm{\β}}{2}},$

步骤3.4，将独立设计的各个菲涅尔透镜环带连成一个整体，和入射面一起构成封闭曲线，菲涅尔透镜边缘由入射面向下延伸出支架，支架高度为入射面到LED光源的距离，封闭曲线绕中心轴旋转360°，

步骤4，根据步骤3中计算得出的数值结果设定菲涅尔透镜和LED光源模组的参数，并将菲涅尔透镜的参数导入三维软件进行三维建模：

设定菲涅尔透镜和LED光源模组的参数为：光源数量为4个，环带数目为13个，内圆周半径为1mm，外圆周半径为5mm，透镜半径为13.6mm，焦距为13.7mm，数值孔径为0.89，

步骤5，将步骤4中菲涅尔透镜的三维模型导入光学仿真软件中对配光效果进行仿真测试：

图6给出了通过上述设计方法制作的LED光源模组经过菲涅尔透镜配光后在照射平面上的照度分布情况，照度分析显示，在光源物距等于7mm时，发光角为63°的光源发光可全部通过菲涅尔透镜的出射面，光源光效利用率接近90％，使用4颗总光通量为11m的LED光源，经过菲涅尔透镜聚光后，在100mm处的接收平面上平均照度为87lux，且均匀性较好。可见设计的光源模组具有较好的照明指标，能够显著提高灯具照明的效果。

步骤6，输出菲涅尔透镜的参数进行模具制作，进而得到菲涅尔透镜实体；

步骤7，将制造好的菲涅尔透镜3直接安装到LED光源2所在的铝基板1上，作为配光、盖板一体化组件与LED光源组成LED光源模组，制作好的菲涅尔透镜及LED光源模组如图4、图5所示，LED光源2设置在铝基板1上，菲涅尔透镜3粘贴在LED光源2所在的铝基板1上。

进一步地，将LED光源放置于指定位置，经过菲涅尔透镜折射后，即可实现均匀配光的效果，能够匹配的光源发光角为：

$\mathrm{\θ}=arctan\frac{R}{u},$

进一步地，所述步骤6中菲涅尔透镜实体的制作方式为机械加工制作。

进一步地，所述步骤6中菲涅尔透镜实体的制作方式为光学加工制作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、由于菲涅尔透镜的面积比一般光学透镜大，故对不同发散角的光源有更好的适应性，尤其对于发光角度大的光源，光源光效可以充分利用，进一步提升了LED灯具的节能效果；

2、菲涅尔透镜的入射面为平面结构，使其不仅适用于单个LED光源的配光，也适用于多个LED光源模组的配光，从而实现制造特定配光的大功率多个LED光源模组。同时，平面结构使透镜更接近光源，从而提高透镜的数值孔径，提高光源光效利用率；

3、菲涅尔透镜自身就是一块支撑性良好的板型组件，可以充当灯具的前端盖板，减少了配件数量，简化了装配工艺，降低了灯具的成本。

4、本发明可根据不同场景的照明需求，灵活调整菲涅尔透镜的各个参数，使得透镜的焦距、数值孔径等技术指标与光源实现不同条件的匹配；

5、在视觉上，本发明设计的LED光源模组可以使灯具的出光效果由定向点光斑特性渐变至集成式的定向面光源特性，光斑无盲区，实现丰富的视觉效果，从而满足不同照明情景的应用需求。

6、本发明设计方法高效便捷，通过灯具的使用要求确定透镜的发散角，由此给出透镜的焦距、数值孔径及出光面积，可快速得到菲涅尔透镜组的具体参数。

说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施例仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认为是落入该发明权利要求书所保护范围内。

Claims (6)

1.基于自由曲面菲涅尔透镜的匀聚光LED光源模组设计方法，其特征在于：所述设计方法包括以下步骤：

步骤1，确定LED光源的数量、发光特性及几何特性；

步骤2，根据LED光源的数量完成菲涅尔透镜的区域划分；

步骤3，根据LED光源的发光特性和几何特性设计菲涅尔透镜的自由曲面；

步骤4，根据步骤3中计算得出的数值结果设定菲涅尔透镜和LED光源模组的参数，并将菲涅尔透镜的参数导入三维软件进行三维建模；

步骤5，将步骤4中菲涅尔透镜的三维模型导入光学仿真软件中对配光效果进行仿真测试；

步骤6，输出菲涅尔透镜的参数进行模具制作，进而得到菲涅尔透镜实体；

步骤7，将制造好的菲涅尔透镜直接安装到LED光源基板上，组成LED光源模组。

2.根据权利要求1所述的基于自由曲面菲涅尔透镜的匀聚光LED光源模组设计方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1，将菲涅尔透镜按照扇形分区，使分区数量与LED光源数量相等，每个扇形分区的中心与对应的LED光源中心垂直对齐；

步骤2.2，菲涅尔透镜扇形区域的外围和中心均为圆周型，由公切线相连，分为外圆周区、内圆周区及过渡区，不同扇形区域之间由公切线划分，在扇形区域的外围，透镜半径为外圆周的半径，在扇形区域中心部分，透镜半径为外圆周中心到内圆周顶点的距离，从扇形区域的外围到中心，透镜半径按同等距离依次向里递减。

3.根据权利要求1所述的基于自由曲面菲涅尔透镜的匀聚光LED光源模组设计方法，其特征在于：所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1，将菲涅尔透镜的入射面设计为平面，LED光源到菲涅尔透镜入射面的垂直距离为可调距离；

步骤3.2，将菲涅尔透镜的出射面设计为自由曲面，即每个环带对应一个独立的自由曲面，并决定了透镜的环带高度、工作侧面角及聚光角度；

步骤3.3，将独立设计的各个菲涅尔透镜环带连成一个整体，和入射面一起构成封闭曲线，菲涅尔透镜边缘由入射面向下延伸出支架，支架高度为入射面到LED光源的距离，封闭曲线绕中心轴旋转360°。

4.根据权利要求1或3所述的基于自由曲面菲涅尔透镜的匀聚光LED光源模组设计方法，其特征在于：所述步骤3.2包括以下步骤：

步骤3.2.1，计算出经过透镜入射面折射的光线随角度的分布：设光源的发光角为θ，LED光源的光强满足广义朗伯分布，表示为：

I(θ)＝I₀cos^mθ，

其中I₀为正入射方向上的光强，m为大于零的实数，经过透镜界面折射后，光线传播方向发生改变设透镜材料的折射率为n₁，光源的像对应的出射角为α，

步骤3.2.2，结合配光要求计算出光线的出射方向，由此得到自由曲面满足的方程：设光源至透镜入射面的距离为h，则光源像点至透镜入射面的距离d为α的函数，将光源的像点等效看作一列新的光源，发光角度α₀内的光通量即为I(α)对立体角元的积分，用I_c(α₀)表示为：

$I_c\left({\mathrm{\α}}_0\right)=\∫\∫I\left(\mathrm{\α}\right)d\mathrm{\Ω}=\frac{2{\mathrm{\πI}}_0}{m+1}\[1-{(1-n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\α}}_0)}^{\frac{m+1}{2}}\],$

为了满足均匀分布，接收平面上任意区域内的照度应正比于其面积，设光斑半径为R，对应的光源发光角度上限为α_c，则和任意α₀对应的光斑半径r和总光斑半径R之比的平方，应等于光通量I_c(α₀)和I_c(α_c)的比值，即：

$r=\sqrt{\frac{I_c\left({\mathrm{\α}}_0\right)}{I_c\left({\mathrm{\α}}_c\right)}}R=\sqrt{\frac{1-{(1-n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\α}}_0)}^{\frac{m+1}{2}}}{1-{(1-n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\α}}_c)}^{\frac{m+1}{2}}}}R,$

由光斑半径r，可得到入射光线和出射光线的方向角和

步骤3.2.3，为了得到菲涅尔透镜的曲面形状，依据光线经过透镜后的方向变化求出透镜的曲面参数，将自由曲面分割为数个点，计算出每一点的坐标，从而得到自由曲面的形状：设透镜材料的折射率为n₁，由光折射定律可得透镜上任意一点(x,y)所在的自由曲线的斜率为：

5.根据权利要求1所述的基于自由曲面菲涅尔透镜的匀聚光LED光源模组设计方法，其特征在于：所述步骤6中菲涅尔透镜实体的制作方式为机械加工制作。

6.根据权利要求1所述的基于自由曲面菲涅尔透镜的匀聚光LED光源模组设计方法，其特征在于：所述步骤6中菲涅尔透镜实体的制作方式为光学加工制作。