CN109556082A - 一种光学透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学透镜，所述透镜包括凹形面和凸形面，所述凹形面为半球形曲面；所述凸形面的形状通过本发明设定的方法获得。本发明提供的透镜相比于现有技术的透镜能够获得更高的照射均匀度。

Description

一种光学透镜

技术领域

本发明属于LED封装技术领域；具体涉及一种LED光学透镜，该透镜能够很好地保证光照均匀性、提高光的利用效率，使得光能够最大限度地照射整个道路以及路边区域。

背景技术

LED(Light Emitting Diode)是一种基于P-N结电致发光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，如能应用于传统照明领域将得到十分显著的节能效果，这在全球能源日趋紧张的当今意义重大。随着以氮化物为代表的第三代半导体材料技术的突破，基于大功率高亮度发光二极管(LED)的半导体照明产业在全球迅速兴起，正成为半导体光电子产业新的经济增长点，并在传统照明领域引发了一场革命。LED由于其独特的优越性，已经开始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。

对于LED这种朗伯型发光体，如果不经过合适的配光而直接应用，在目标照明面上就会呈现出从中间到边缘由亮逐渐变暗的圆形光斑，这种技术效果一般不能达到工作所需的技术指标，同时还会由于大量无效光的存在而大大降低系统效率。因此需要对LED进行二次配光设计，使最终的光场分布满足相应的应用要求，同时实现较高的光能利用率。

目前最广泛采用的是元件是一次透镜或二次透镜。但是传统的透镜设计方法为：仅仅设计透镜外表面，而把透镜内表面假设为半球形，以使透镜设计简单方便。从LED发出的光达到照射面会依次经过透镜内、外表面，发生两次折射，传统设计方法中直接把透镜内表面假设为半球形，会失去一个重要的透镜设计自由度，并且透镜形状不能根据应用进行随意调整。因此，发展一种同时设计透镜内、外表面、并且满足不同照明要求的设计方法尤为重要。

一般在LED成为照明品之前，要进行两次光学设计。一次配光设计在封装时进行，为的是调整LED的发光角度、光通量、光强、色温与色点的范围与分布等问题。二次配光设计则是根据不同的应用需要，对LED所发出的光的特性进行重新调整，以实现与设计目标相符的配光形式。简而言之，一次配光的设计目的是，尽可能地提高LED芯片的发光效率，而二次配光的设计目的是，让发出的光满足配光要求。

自由曲面光学透镜设计目前聚焦于形成轴对称照射图案，LED灯具位于轴对称照射图案的中心。然而，在真实的道路照明环境中，灯具的位置以及图形的位置会发生轴向偏移，会妨碍光束投射至路边区域。光学设计的目的在于，保证光束能够覆盖到路边的区域。因此，设计透镜的光学自由曲面，以获得轴向非对称的照射图案。

最有效的获得轴向非对称照射图案的方法是，使灯具倾斜；存在的问题是，机械稳定性较差，而且不能实现聚光。另一种实现方法是，使用透镜阵列；存在的问题是，结构复杂，需要组装不连续的光学表面。因此，目前的现有技术对于生成非对称照射图案都不甚理想。

发明内容

本发明提供一种光学透镜，所述光学透镜包括凹形面和凸形面，所述凹形面为半球形曲面；所述凸形面的形状通过如下方法获得，包括：预设照射面，所述照射面平行于第一平面，所述第一平面为由所述透镜凹形面边缘线所确定的发光面，在所述照射面上预设照射范围；建立以所述凹形面所确定的半球形的球心为坐标原点O的坐标系，其中将第一平面所在的平面设为xoy平面，其中x轴和y轴相互正交，过原点O且与xoy平面相垂直的轴为z轴，沿O点向透镜射出的方向设为z轴的正方向；照射面与z轴相交于O’，预设照射范围在x’轴上的中点为O’，将照射面设为x’O’y’，其中x’轴平行于x轴，y’轴平行于y轴；在原点O设置点光源；α是y-z轴形成的平面与O’A和O’y’形成的平面之间的夹角，β是x-z轴形成的平面与O’A和O’x’形成的平面之间的夹角，所述凹形面所确定的球体半径为R，所述凹形面上的光线入射点A(x，y，z)满足公式(1)：

确定照射面上目标位置点C(xt，yt，H)，H表示从第一平面到所述照射面的垂直距离，(xt，yt)采用公式(2)和公式(3)获得：

Xmax表示照射范围在x轴上一半的尺寸，Ymax表示照射范围在y轴上正方向的尺寸，Ymin表示照射范围在y轴负方向的尺寸，αmax表示沿着α方向光线的最大的照射角度，βmax表示光线沿着β的方向的最大照射角度，βmin表示光线沿着β的方向的最小照射角度，I(α，β)为光源发射位置的光强度分布；

确定相应光线与透镜的凸形面相交的点B的参数，包括：光线射入凸形面以及射出凸形面满足如下公式：

N＝(O-n·T)/|O-n·T|(4)

O表示光线在凸形面点B的归一化输出向量，T表示光线在凸形面点B的归一化输入向量，N表示点B的归一化法向量，n表示折射率，根据公式(4)获得法向量N；

采用迭代算法公式(9)计算出每一个凸形面上的点Bi，j参数，

(Bi，j+1-Bi,j)·N＝0 (9)，

进而重复计算公式(4)和(9)，获得凸形面上离散的点B；

根据所得到的离散的凸形面上的点B确定透镜凸形面形状。

根据本发明的一个实施方式，在确定透镜的凸形面上点B的参数的步骤中，所述透镜的凹形面满足

表示点A处的入射光线的径向矢量；

T₁是点A处的入射光的归一化输入向量；

通过公式(5)-公式(6)，获得从点A到点B的归一化输出向量O₁，进而获得B点的坐标信息。

根据本发明的一个实施方式，在确定透镜的凸形面上点B的参数的步骤中，所述透镜的凹形面满足光线在凸形面的归一化输入向量T₂和归一化输出向量O₂通过下面的公式获得：

根据公式(7)和(8)获得凸形面上B点的法向量N。

根据本发明的一个实施方式，所述透镜中，所述透镜由光学玻璃制成。

根据本发明的一个实施方式，所述透镜中，所述光学玻璃是PC或者PMMA光学玻璃。

根据本发明的一个实施方式，所述透镜中，所述光源是LED光源。

根据本发明的一个实施方式，所述透镜中，所述LED光源为集中光源，优选COB芯片，其尺寸为4mm×4mm至8mm×8mm。

根据本发明的一个实施方式，所述透镜中，所述透镜为正八边形边缘形状的透镜。

根据本发明的一个实施方式，所述透镜中，所述正八边形边缘形状的透镜对边距离50mm-60mm，透镜的凹形面最高位置距离底面的距离为2.5-4.5mm。

根据本发明的一个实施方式，将由获得的离散的B点坐标各自导入机械建模软件中，通过插值法得到所述凸形面形状坐标信息。

本发明中，“放样”是指：基于已知的极坐标，将放样点(坐标值已经求出)的长度和角度都计算出的过程。

本文中的光学玻璃是指能改变光的传播方向和/或能改变紫外、可见或红外光的相对光谱分布的玻璃。

本发明中PC是聚碳酸酯，而PMMA是有机玻璃(亚克力)的英文缩写，其化学名称是聚甲基丙烯酸甲酯。作为光学玻璃的材料，PC或者PMMA的优点在于，具有较好的透明性、化学稳定性，力学性能和耐候性，易染色，易加工，外观优美。

本发明中LED为发光二极管的简称，其由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成；当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以利用此原理来制造发光二极管。LED可以在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。因化学性质不同，他们又可以分为有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。

COB芯片是将LED芯片直接贴在高反光率的镜面金属基板上的高光效集成面光源技术，此技术剔除了支架概念，无电镀、无回流焊、无贴片工序，因此工序减少近三分之一，成本也节约了三分之一；因此，COB光源可以简单理解为高功率集成面光源，可以根据产品外形结构设计光源的出光面积和外形尺寸。此类产品特点为：便宜，安装方便，电性稳定，电路设计、光学设计、散热设计科学合理。

在此，透镜的宽度和高度是针对本发明中LED光源而特别设计的，因此拥有针对此光源最佳的透光效果。

附图说明

图1为本发明透镜的拟定剖面图以及照射面的相对位置关系的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

实施例

透镜的放样和制造

在制造过程中，在透镜的尺寸(凹形面形成的球面高度为3cm)和内部的凹形面1已知(为半球体)的情况下采用如下方法确定凸形面2的形状坐标信息：预设照射面3，所述照射面3平行于第一平面4，所述第一平面4为由所述透镜凹形面1边缘线所确定的发光面；所述照射面3与所述第一平面4的垂直距离为3米。

建立以所述凹形面1所确定的半球形的球心为坐标原点O的坐标系，其中将第一平面所在的平面设为xoy平面，其中x轴和y轴相互正交，过原点O且与xoy平面相垂直的轴为z轴，沿O点向透镜射出的方向设为z轴的正方向；第二平面为平行于第一平面且与正方向z轴相交于O’的照射面3；其中点O’为照射面3的中心点，所述照射面3为根据照明需要所预设的平面；

第一步，计算所述凹形面1上点A的参数，在极坐标中定义：α是y-z轴形成的平面与O’A和O’y’形成的阴影表面之间的夹角，β是x-z轴形成的平面与O’A和O’x’形成的阴影表面之间的夹角，所述凹形面1的球体半径为R，它上面的点A(0，0，1)满足公式(1)：

第二步，计算照射面3上目标位置点C(x_t＝0，y_t＝0，H＝3)，H表示从光源所在平面4到目标位置所在平面3的垂直距离，(x_t＝0，y_t＝0)参数采用雅克比矩阵公式(2)和公式(3)获得：

X_max表示照射图案在x轴方向的一半尺寸，Y_max表示路灯前方位置沿着y轴方向的照射图案的尺寸，比如道路位置，Y_min表示路灯后方位置沿着y轴方向的照射图案的尺寸，比如人行道位置，α_max表示双极坐标沿着α方向光线的最大的照射角度，β_max表示光线沿着双极坐标正β的方向的照射角度，β_min表示光线沿着双极坐标负β的方向的照射角度，I(α,β)为光源发射位置的光强度分布；

第三步，计算透镜的凸形面2上点B的参数，

光线射入外侧自由曲面2以及射出外侧自由曲面满足如下公式：

N＝(O-n·T)/|O-n·T| (4)

O表示折射表面的归一化输出向量，T表示折射表面的归一化输入向量，N表示折射表面与光线的交叉点的归一化法向量，n表示折射率，其中，对于透镜的球形表面，满足

表示点A处的入射光线的径向矢量；

T1是入射光的归一化输入向量；

通过公式(4)-公式(6)，获得从点A到点B的归一化输出向量O1，进而获得B点的坐标信息；

由于光线的目标位置是明确的，因此光线在光学自由曲面的归一化输入向量T2和归一化输出向量O2通过下面的的公式获得：

根据公式(4)、(7)和(8)获得外侧自由曲面B点的法向量N；

采用迭代算法公式(9)计算出每一个A_i,j参数，

(A_i，j+1-A_i，j)·N＝0 (9)，

进而重复计算公式(4)、(7)和(8)，获得外侧自由曲面B点的参数；

以上是由内侧球形表面的顶点及其预计的照射目标位置点计算出其对应的外侧自由曲面的离散点的整个过程。

第四步，将由第三步获得的离散点坐标各自导入机械建模软件中，通过插值法得到所述凸形面2形状坐标信息；

最后，根据所得到的凸形面形状坐标信息加工出整个透镜。

在本实施例中由所述凹形面1和所述凸形面2构成的透镜由光学玻璃制成。实施例中的光学玻璃是指能改变光的传播方向，并能改变紫外、可见或红外光的相对光谱分布的玻璃。所述光学玻璃是PC光学玻璃。在本实施例中，所述LED光源为集中光源，其尺寸为4mm×4mm(半径小于3cm的凹形面高度)。本实施例所得到透镜凸形面边缘相距最远两点距离为19.8cm。

选择的光源功率为120W，光通量130lm/W，灯杆高度10m。

对比例

对比例采用常规市售路灯透镜，透镜外侧面边缘相距最远两点距离为25cm，采用与实施例相同LED光源，透镜材质相同。以光源对照射面做垂线的方向为z轴，以z轴与照射面的交点为O’。

在实施例和对比例的照射面上取相同位置的点，对其光照强度均匀度进行对比如下：

通过比较可以看出，采用本发明提供的透镜，照射均匀度更高，比普通市售透镜的均匀度提高15％左右。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (9)

1.一种光学透镜，所述光学透镜包括凹形面和凸形面，其特征在于：

所述凹形面为半球形曲面；

所述凸形面的形状通过如下方法获得，包括：

预设照射面，所述照射面平行于第一平面，所述第一平面为由所述透镜凹形面边缘线所确定的发光面，在所述照射面上预设照射范围；

建立以所述凹形面所确定的半球形的球心为坐标原点O的坐标系，其中将第一平面所在的平面设为xoy平面，其中x轴和y轴相互正交，过原点O且与xoy平面相垂直的轴为z轴，沿O点向透镜射出的方向设为z轴的正方向；照射面与z轴相交于O’，预设照射范围在x’轴上的中点为O’，将照射面设为x’O’y’，其中x’轴平行于x轴，y’轴平行于y轴；

在原点O设置点光源；

α是y-z轴形成的平面与O’A和O’y’形成的平面之间的夹角，β是x-z轴形成的平面与O’A和O’x’形成的平面之间的夹角，所述凹形面所确定的球体半径为R，所述凹形面上的光线入射点A(x,y,z)满足公式(1)：

确定照射面上目标位置点C(x_t,y_t,H)，H表示从第一平面到所述照射面的垂直距离，(x_t,y_t)采用公式(2)和公式(3)获得：

X_max表示照射范围在x轴上一半的尺寸，Y_max表示照射范围在y轴上正方向的尺寸，Y_min表示照射范围在y轴负方向的尺寸，α_max表示沿着α方向光线的最大的照射角度，β_max表示光线沿着β的方向的最大照射角度，β_min表示光线沿着β的方向的最小照射角度，I(α,β)为光源发射位置的光强度分布；

确定相应光线与透镜的凸形面相交的点B的参数，包括：光线射入凸形面以及射出凸形面满足如下公式：

N＝(O-n·T)/|O-n·T| (4)

O表示光线在凸形面点B的归一化输出向量，T表示光线在凸形面点B的归一化输入向量，N表示点B的归一化法向量，n表示折射率，根据公式(4)获得法向量N；

采用迭代算法公式(9)计算出每一个凸形面上的点Bi，j参数，

(Bi，j+1-Bi，j)·N＝0 (9)，

进而重复计算公式(4)和(9)，获得凸形面上离散的点B；

根据所得到的离散的凸形面上的点B确定透镜凸形面形状。

2.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于：

在确定透镜的凸形面上点B的参数的步骤中，所述透镜的凹形面满足

表示凹形面上点处的入射光线的径向矢量；

T₁是凹形面上点处的入射光的归一化输入向量；

通过公式(5)-公式(6)，获得从凹形面上点A到凸形面上点B的归一化输出向量O，进而获得B点的坐标信息。

3.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于：

在确定透镜的凸形面上点B的参数的步骤中，所述透镜的凹形面满足光线在凸形面点B的归一化输入向量T₂和归一化输出向量O₂通过下面的公式获得：

根据公式(7)和(8)获得凸形面上B点的法向量N。

4.根据权利要求1至3任一项所述的光学透镜，其中，所述光学透镜由光学玻璃制成。

5.根据权利要求4所述的光学透镜，其中，所述光学玻璃是PC或者PMMA光学玻璃。

6.根据权利要求1至3任一项所述的光学透镜，其中，所述光源是LED光源。

7.根据权利要求6所述的光学透镜，其中，所述LED光源为集中光源，优选COB芯片，其尺寸为4mm×4mm至8mm×8mm。

8.根据权利要求1至3任一项所述的光学透镜，其中，所述光学透镜为正八边形边缘形状的透镜。

9.根据权利要求8所述的光学透镜，其中，所述正八边形边缘形状的透镜对边距离50mm-60mm，透镜的凹形面最高位置距离底面的距离为2.5-4.5mm。