CN108870318B - 一种led自由曲面透镜设计方法 - Google Patents

一种led自由曲面透镜设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种LED自由曲面透镜设计方法，所述透镜包括第一反射面(11)和第二折射面(12)，所述第一反射面(11)和所述第二折射面(12)的设计方法包括设计透镜内表面和设计透镜外表面，本发明还公开了LED自由曲面透镜，其中所述透镜内表面设计为半球面，有利于收集LED光源180度角度的光，提高了光通利用率，所述透镜外表面包括第一反射面和第二折射面。本发明的LED自由曲面透镜设计方法，设计方法简单，并且能够实现远近场限定光型的均匀照明，还具有较高的效率和均匀性。

Description

一种LED自由曲面透镜设计方法
技术领域
本发明涉及LED照明技术领域，特别涉及一种LED自由曲面透镜的设计方法。
背景技术
LED光源一般为朗伯分布，用其直接照明并不能实现均匀照明。对LED配光方式有多种，利用设计的反光杯与透镜等组成光学系统。其中透镜有球面透镜与自由曲面透镜，相对于球面透镜，自由曲面透镜能够更好的控制光源的发散角度，从而较好的实现照明要求。目前LED自由曲面透镜设计方法有一些，如根据光源与目标面之间的能量拓扑关系，推导自由曲面一阶线性偏微分方程，并用龙格库塔和有限差分的方法进行数值计算得出自由曲面反射器，该方法有较高的均匀性与光通利用率，但一阶偏微分方程计算复杂，不易编程；还有方法是利用等差数列更改光源网格的大小划分，以此来抵消各种误差对模型的影响从而实现照度均匀分布；该方法是编程较为简单，对远场光学效果较好，但近场效果不明显。另外还有利用有限元划分面光源，根据矩形均匀照明配光条件，建立光源与目标面能量对应关系求解自由曲面反射器，该方法具有普通使用性，但是设计光源背对目标面，在目标面中央有一定暗区，影响照明效果，并且该设计方法复杂，并需要很高的制造加工技术。
发明内容
本发明的目的在于提出一种LED自由曲面透镜设计方法，该透镜能够实现远近场的光型限定均匀照明，且该透镜的效率较高。
本发明所采用的技术方案：一种LED自由曲面透镜设计方法，所述透镜包括第一反射面(11)和第二折射面(12)，所述第一反射面(11)和所述第二折射面(12)的设计方法包括如下步骤：
步骤(1)：初定LED光源s的位置确定光源面，初定LED透镜内表面即透镜球面r半径大小、LED光源s距离目标平面的距离H、设计目标平面光型的尺寸、LED透镜的折射率n、部分光源经第一反射面(11)反射的光线范围与出光方向夹角φ、另一部分光源经第二折射面(12)直接射出光线范围与出光方向夹角为β，φ与β互为补角；
步骤(2)：在光源面选择球面坐标系，根据网格划分法，将光源面按经纬网格划分，将φ按纬度方向划分成φ1、φ2、…、φn，将圆周360度方向按纬度划分成θ1、θ2、…、θm；
步骤(3)：确定目标面，目标面选择直角坐标系，根据网格划分，对应步骤(2)，将目标面按光型径向方向划分为N1、N2、…、Ni，将目标面按光型圆周方向划分为M1、M2、…、Mj；
步骤(4)：根据能量守恒定律，建立划分的光源面与划分的目标面对应的能量对应关系，即得到φn、θm与Ni、Mj之间的对应关系；
步骤(5)：运用几何光学计算，从φ1＝0、θ1＝0开始，运用迭代法依次求出折射面上的离散点P00、P01、…、P0n、…Pin，并将该离散点按照经线连接得到多条折射线L0、L1、…、Ln，再将这些曲线进行曲面拟合构造出透镜第二折射面(12)；
步骤(6)：根据第二折射面(12)，推导出第一反射面(11)，具体为，根据步骤(5)，以其中一条折射线为例，选择一条从光源发出的SP’n经第一反射面(11)反射到第二折射面(12)的Pn点并折射到目标面Qn，以Pn为计算第一反射面(11)的起始点，求第一反射面(11)下一点P’n-1，根据snell定律使得以PnP’n-1为第一反射平面，SP’n-1为入射光线，P’n-1Pn-1为反射光线，又Pn-1Qn-1已确定，可求得点P’n-1；同理，以P’n-1P’n-2为反射平面，以SP’n-2为入射光线，P’n-2Pn-2为反射平面，且Pn-2Qn-2已确定，可求得P’n-2点，以此类推，求得该条折射线上的离散点P’n,P’n-1至P’0，当P’0的纵坐标很小时，则认为P’0在坐标轴上；按照此方法再求出所有折射线对应的第一反射面(11)的点，按照构造第二折射面(12)的方法，构造出第一反射面(11)。
优选的，所述LED自由曲面透镜内表面为球面。
优选的，所述LED自由曲面透镜为PC件或PMMA件。
LED自由曲面透镜，所述透镜(100)由若干第一反射面(11)和若干第二折射面(12)组成；所述第一反射面(11)设置于所述透镜(100)的底部，所述第二折射面(12)相对所述第一反射面(11)设置于所述透镜(100)的顶部，所述第一反射面(11)围设形成反射面空腔，所述第二折射面(12)围设形成折射面空腔，所述反射面空腔与所述折射面空腔形成透镜空腔。
优选的，所述透镜空腔的内表面为半球面。
优选的，所述第二折射面(12)外表面光滑设置。
优选的，所述第二折射面(12)横截面积从下至上逐渐减小设置。
优选的，所述第一反射面(11)外表面光滑设置。
优选的，所述第一反射面(11)的横截面积从下至上逐渐增大设置。
优选的，所述第一反射面(11)与所述第二折射面(12)过渡光滑。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明LED自由曲面透镜设计方法简单，设计得到的LED自由曲面透镜能实现远近场光型限定照明，还具有较高的效率和均匀性，可广泛应用在不同的LED照明环境，实用性强，具有良好的市场前景。(2)本发明的LED自由曲面透镜，通过设置若干第一反射面和若干第二折射面，结合LED光源，能够实现远近场三花瓣形的限定光型的均匀照明，并且有较高的效率和均匀性，具体为，所述第一折反射面及所述第二折射面组合构成透镜外表面，LED光源发出的光经透镜内表面折射到第一反射面，经第一反射面再经第二折射面折射出，实现不同形状的均匀照明，且能根据第一反射面和若干第二折射面的数量不同实现不同形状的均匀照明。
附图说明
图1是根据本发明的LED自由曲面透镜正视图；
图2是根据本发明LED自由曲面透镜设计方法的光源网格划分示意图；
图3是根据本发明LED自由曲面透镜设计方法的目标面网格划分示意图；
图4是根据本发明LED自由曲面透镜设计方法的第二折射面构造示意图；
图5是根据本发明LED自由曲面透镜设计方法的第一反射面构造示意图；
图6是根据本发明的LED自由曲面透镜立体示意图；
图7是根据本发明的LED自由曲面透镜光线出射示意图；
图8是根据本发明的LED自由曲面透镜在软件环境中模拟形成的花瓣光型照明图。
附图标记：LED自由曲面透镜(100)，透镜内表面(1)，透镜外表面(2)，第一反射面(11)，第二折射面(12)。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
结合图1-8，一种LED自由曲面透镜设计方法，所述透镜包括第一反射面(11)和第二折射面(12)，所述第一反射面(11)和所述第二折射面(12)的设计方法包括如下步骤：
步骤(1)：初定LED光源s的位置确定光源面，初定LED透镜内表面即透镜球面r半径大小、LED光源s距离目标平面的距离H、设计目标平面光型的尺寸、LED透镜的折射率n、部分光源经第一反射面(11)反射的光线范围与出光方向夹角φ、另一部分光源经第二折射面(12)直接射出光线范围与出光方向夹角为β，φ与β互为补角；
步骤(2)：在光源面选择球面坐标系，根据网格划分法，将光源面按经纬网格划分，将φ按纬度方向划分成φ1、φ2、…、φn，将圆周360度方向按纬度划分成θ1、θ2、…、θm；
步骤(3)：确定目标面，目标面选择直角坐标系，根据网格划分，对应步骤(2)，将目标面按光型径向方向划分为N1、N2、…、Ni，将目标面按光型圆周方向划分为M1、M2、…、Mj；
步骤(4)：根据能量守恒定律，建立划分的光源面与划分的目标面对应的能量对应关系，即得到φn、θm与Ni、Mj之间的对应关系；
步骤(5)：运用几何光学计算，从φ1＝0、θ1＝0开始，运用迭代法依次求出折射面上的离散点P00、P01、…、P0n、…Pin，并将该离散点按照经线连接得到多条折射线L0、L1、…、Ln，再将这些曲线进行曲面拟合构造出透镜第二折射面(12)；
步骤(6)：根据第二折射面(12)，推导出第一反射面(11)，具体为，根据步骤(5)，以其中一条折射线为例，选择一条从光源发出的SP’n经第一反射面(11)反射到第二折射面(12)的Pn点并折射到目标面Qn，以Pn为计算第一反射面(11)的起始点，求第一反射面(11)下一点P’n-1，根据snell定律使得以PnP’n-1为第一反射平面，SP’n-1为入射光线，P’n-1Pn-1为反射光线，又Pn-1Qn-1已确定，可求得点P’n-1；同理，以P’n-1P’n-2为反射平面，以SP’n-2为入射光线，P’n-2Pn-2为反射平面，且Pn-2Qn-2已确定，可求得P’n-2点，以此类推，求得该条折射线上的离散点P’n,P’n-1至P’0，当P’0的纵坐标很小时，则认为P’0在坐标轴上；按照此方法再求出所有折射线对应的第一反射面(11)的点，按照构造第二折射面(12)的方法，构造出第一反射面(11)。
在本发明的具体技术方案中，所述LED自由曲面透镜内表面为球面，所述LED自由曲面透镜为PC件或PMMA件。
本发明还公开了LED自由曲面透镜，所述透镜(100)由若干第一反射面(11)和若干第二折射面(12)组成；所述第一反射面(11)设置于所述透镜(100)的底部，所述第二折射面(12)相对所述第一反射面(11)设置于所述透镜(100)的顶部，所述第一反射面(11)围设形成反射面空腔，所述第二折射面(12)围设形成折射面空腔，所述反射面空腔与所述折射面空腔形成透镜空腔，所述透镜空腔的内表面为半球面。
在本发明的具体技术方案中，所述透镜内表面(1)为半球面，使得LED光源以180度角度光经过所述透镜内表面(1)折射时，不改变入射光的方向，这样的设计实现了收集所述LED光源全部角度的光线，提高了光通利用率。
进一步地，所述第二折射面(12)外表面光滑设置，所述第二折射面(12)横截面积从下至上逐渐减小设置。所述LED光源部分角度发出的光线经所述透镜内表面(1)折射后经所述第一反射面(11)反射出。所述第一反射面(11)外表面光滑设置，这样的设计使得大角度的光经透镜内表面(1)进入自由曲面透镜后第一次反射向内，至少在一定程度上提高了光型亮度。
进一步地，所述第一反射面(11)的横截面积从下至上逐渐增大设置，所述第一反射面(11)与所述第二折射面(12)过渡光滑。这样的设计使得目标面照明时不会发生杂散光，进而提高了均匀性。所述第一反射面(11)及所述第二折射面(12)为自由曲面。所述LED自由曲面透镜外表面(2)由第一反射面(11)和所述第二折射面(12)组合而成，由此，更好的消除LED光源朗伯分布不均的影响，提高了照明的均匀性。
实施例：参见图1至图8。
如图1所示，本发明的LED自由曲面透镜设计方法设计的透镜具有内表面(1)和外表面(2)。其中外表面(2)是由第一反射面(11)和第二折射面(12)过渡光滑连接而成。本发明所设计的内表面为半球面，有利于收集LED光源180度角度的光，提高了光通利用率。根据尺寸的需要，设计内表面(1)的半径为R，因此在设计透镜只需要设计第一反射面(11)和第二折射面(12)。所述第一反射面(11)和所述第二折射面(12)的设计方法包括如下步骤：
步骤(1)：初定LED光源s的位置，LED光源距离目标平面的距离H、设计目标面光型的尺寸(以光型为花瓣状为设计例，初定其半径为R，角度为Ω)、LED透镜的折射率n、光源部分经第一反射面反射的光线范围与出光方向夹角β、光源另一部经第二折射面直接射出光线范围与出光方向夹角为φ，β与φ互为补角。
步骤(2)：如图2-3所示，将光源面和目标面进行网格划分,将光源面选择球面坐标系，根据网格划分法，将光源面按经纬网格划分，将φ按纬度方向划分成φ1、φ2、…、φn，将圆周360度方向按纬度划分成θ1、θ2、…、θm。
步骤(3)：目标面选择直角坐标系，根据网格划分，对应步骤光源面划分步骤，将目标面按光型径向方向划分为N1、N2、…、Ni，将目标面按光型圆周方向划分为M1、M2、…、Mj。
步骤(4)：根据能量守恒定律，建立划分的光源面与划分的目标面对应的能量对应关系，即得到φn、θm与Ni、Mj之间的对应关系。
步骤(5)：如图5所示，构造所述第二折射面(12)，运用几何光学计算，从φ1＝0、θ1＝0，开始，运用迭代法依次求出第二折射面(12)上的离散点P00、P01、…、P0n、…Pin，并将将该离散点按照经线连接得到多条折射线L0、L1、…、Ln，再将这些曲线进行曲面拟合构造出透镜折射面。
步骤(6)：如图5所示，构造所述第一反射面(11)，根据所述第二折射面(12)，推导出所述第一反射面(11)，以其中一条折射线为例，选择一条从光源发出的SP’n光线经反射面反射到折射面的Pn点并折射到目标面Qn，以Pn为计算反射面的起始点，求反射面下一点P’n-1，根据snell定律使得以PnP’n-1为反射平面，SP’n-1为入射光线，P’n-1Pn-1为反射光线，又Pn-1Qn-1已确定，可求得点P’n-1；同理，以P’n-1P’n-2为反射平面，以SP’n-2为入射光线，P’n-2Pn-2为反射平面，且Pn-2Qn-2已确定，可求得P’n-2点，以此类推，求得该条折射线上的离散点P’n,P’n-1至P’0，当P’0的纵坐标很小时，则认为P’0在坐标轴上。按照此方法再求出所有折射线对应的反射面的点，按照构造所述第二折射面(12)的方法，构造出所述第一反射面(11)。
进一步地，如图6和图7所示，LED自由曲面透镜(100)外表面(2)由第一反射面(11)和所述第二折射面(12)组合而成，由此，更好的消除LED光源(100)朗伯分布不均的影响，提高了照明的均匀性。
在本发明的中，LED自由曲面透镜(100)为PC(即，聚碳酸酯)或PMMA(即，聚甲基丙烯酸甲酯)。由此，在保证LED自由曲面透镜(100)透明度的前提下，简化了LED自由曲面透镜(100)的加工难度，且LED透镜耐磨性和电气绝缘性得到了提升。
当然，本示例中LED自由曲面透镜(100)的材料选择只是一种优选的实施方式，设计人员可以根据实际需要对LED自由曲面透镜(100)的材料进行选择。
如图8所示，本发明LED自由曲面透镜设计方法简单，且能实现远近场光型限定照明，可广泛应用在不同的LED照明环境，实用性强。
需要说明的是，本发明以设计一个四花瓣光型限定均匀照明的自由曲面透镜为例，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化，修改，替换和变型。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LED自由曲面透镜设计方法，其特征在于：所述透镜包括第一反射面(11)和第二折射面(12)，所述第一反射面(11)和所述第二折射面(12)的设计方法包括如下步骤：
步骤(1)：初定LED光源s的位置确定光源面，初定LED透镜内表面即透镜球面r半径大小、LED光源s距离目标平面的距离H、设计目标平面光型的尺寸、LED透镜的折射率n、部分光源经第一反射面(11)反射的光线范围与出光方向夹角φ、另一部分光源经第二折射面(12)直接射出光线范围与出光方向夹角为β，φ与β角度之和为180°；
步骤(2)：在光源面选择球面坐标系，根据网格划分法，将光源面按经纬网格划分，将φ按纬度方向划分成φ1、φ2、…、φn，将圆周360度方向按经度划分成θ1、θ2、…、θm；
步骤(3)：确定目标面，目标面选择直角坐标系，根据网格划分，对应步骤(2)，将目标面按光型径向方向划分为N1、N2、…、Ni，将目标面按光型圆周方向划分为M1、M2、…、Mj；
步骤(4)：根据能量守恒定律，建立划分的光源面与划分的目标面对应的能量对应关系，即得到φn、θm与Ni、Mj之间的对应关系；
步骤(5)：运用几何光学计算，从φ1＝0、θ1＝0开始，运用迭代法依次求出折射面上的离散点P00、P01、…、P0n、…Pin，并将该离散点按照经线连接得到多条折射线L0、L1、…、Ln，再将这些曲线进行曲面拟合构造出透镜第二折射面(12)；
步骤(6)：根据第二折射面(12)，推导出第一反射面(11)，具体为，根据步骤(5)，以其中一条折射线为例，选择一条从光源发出的SP’n经第一反射面(11)反射到第二折射面(12)的Pn点并折射到目标面Qn，以Pn为计算第一反射面(11)的起始点，求第一反射面(11)下一点P’n-1，根据snell定律使得以PnP’n-1为第一反射平面，SP’n-1为入射光线，P’n-1Pn-1为反射光线，又Pn-1Qn-1已确定，可求得点P’n-1；同理，以P’n-1P’n-2为反射平面，以SP’n-2为入射光线，P’n-2Pn-2为反射平面，且Pn-2Qn-2已确定，可求得P’n-2点，以此类推，求得该条折射线上的离散点P’n,P’n-1至P’0，当P’0的纵坐标很小时，则认为P’0在坐标轴上；按照此方法再求出所有折射线对应的第一反射面(11)的点，按照构造第二折射面(12)的方法，构造出第一反射面(11)。
2.根据权利要求1所述的一种LED自由曲面透镜设计方法，其特征在于：所述LED自由曲面透镜内表面为球面。
3.根据权利要求1所述的一种LED自由曲面透镜设计方法，其特征在于：所述LED自由曲面透镜为PC件或PMMA件。
4.根据权利要求1-3任一所述方法设计的LED自由曲面透镜，其特征在于：所述透镜(100)由若干第一反射面(11)和若干第二折射面(12)组成；所述第一反射面(11)设置于所述透镜(100)的底部，所述第二折射面(12)相对所述第一反射面(11)设置于所述透镜(100)的顶部，所述第一反射面(11)围设形成反射面空腔，所述第二折射面(12)围设形成折射面空腔，所述反射面空腔与所述折射面空腔形成透镜空腔。
5.根据权利要求4所述的一种LED自由曲面透镜，其特征在于：所述透镜空腔的内表面为半球面。
6.根据权利要求4所述的一种LED自由曲面透镜，其特征在于：所述第二折射面(12)外表面光滑设置。
7.根据权利要求4所述的一种LED自由曲面透镜，其特征在于：所述第二折射面(12)横截面积从下至上逐渐减小设置。
8.根据权利要求4所述的一种LED自由曲面透镜，其特征在于：所述第一反射面(11)外表面光滑设置。
9.根据权利要求4所述的一种LED自由曲面透镜，其特征在于：所述第一反射面(11)的横截面积从下至上逐渐增大设置。
10.根据权利要求4所述的一种LED自由曲面透镜，其特征在于：所述第一反射面(11)与所述第二折射面(12)过渡光滑。
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