CN111023042A - 一种led准直光学透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED准直光学透镜，包括折射部分和反射部分，所述折射部分包括第一自由曲面和第二自由曲面，分别构成所述折射部分的入射面和出射面，所述反射部分包括圆台面、第三自由曲面、第四自由曲面和环面，所述圆台面为所述反射部分的入射面，所述环面为所述反射部分的出射面，所述圆台面与第一自由曲面构成透镜底部中心的空腔区域；本发明解决了现有技术中普遍存在的能量分布不均、有眩光等问题，提出了一种新型LED准直光学透镜，其结构简单，准直效果好，光学效率高，无眩光。

Description

一种LED准直光学透镜

技术领域

本发明属于LED二次光学设计领域，具体涉及一种LED准直光学透镜。

背景技术

随着半导体发光二极管技术的发展和国家对绿色照明的推广，LED光源在照明领域占据的地位日渐突出；LED作为一种新型节能光源，与传统光源如汞灯、卤素灯相比，具有结构紧凑、价格低廉、节能环保、使用寿命长、色平衡好等突出优点，而且在作为投影光源使用时，不需要从白光中提取基本色，因为LED的光谱可以人为控制。目前，LED作为一种新型光源已广泛应用于通用照明、景观照明、显示屏、背光应用、信号及指示灯、车灯等众多领域，具有成熟的应用基础。

由于市场中大多数LED封装器件属于Lambertian型光源，即发光强度随角度变化遵循余弦分布定律，因此在很多场合不能直接用于照明；为了最大限度的提高LED的光能利用率，并形成特定的照明形式，需要对LED进行二次光学设计，使最终光场分布满足应用需求。近年来，随着光学加工制造工艺的发展与进步，自由曲面逐渐替代传统特殊面型，广泛应用于各种光学器件；自由曲面具有足够大的面型自由度，对于光束分布的控制十分有效，使得简单的光学结构也能满足复杂的照明要求；在这一技术背景下，以自由曲面光学系统作为LED的二次配光元件具有广阔的应用前景。

目前，已有多种基于自由曲面设计的LED准直透镜，但普遍存在照明光斑均匀度差、有眩光等问题，虽然公开号为CN104696884A的发明专利提出的一种双自由曲面准直透镜的设计方法可以很好的解决照度不均匀的问题，但只能准直一定角度的光束，光能损失较为严重。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种LED准直光学透镜，其结构简单，光能利用率高，准直性好，照明光斑的均匀度好，无眩光。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种LED准直光学透镜，按照准直方式可分为折射部分和反射部分，所述折射部分包括第一自由曲面和第二自由曲面，分别构成所述折射部分的入射面和出射面，所述反射部分包括圆台面、第三自由曲面、第四自由曲面和环面，所述圆台面为所述反射部分的入射面，所述环面为所述反射部分的出射面，所述圆台面与第一自由曲面构成透镜底部中心的空腔区域，LED视为点光源安装于底部空腔内的0点处；以0点为原点建立直角坐标系X0Y，所述第一自由曲面、第二自由曲面、圆台面、第三自由曲面、第四自由曲面、环面均以点光源0为中心，并且关于Y轴旋转对称。

所述LED准直光学透镜以α为分界角，将光线分成中间光线和边缘光线分别进行配光，中间光线的发光角度小于α，由0点发出，经过第一自由曲面折射后，再经过第二自由曲面折射后实现准直；边缘光线的发光角度大于α，由0点发出，经过圆台面折射后，先后经过第三自由曲面和第四自由曲面的反射，最后经环面出射实现准直。

所述折射部分的第一自由曲面和第二自由曲面形状由如下方法确定：

首先对分界角α进行等分，再根据能量守恒定律建立光线发光角度θ_i(θ_i≤α)与通过透镜后到达目标区域半径r_i的映射关系，然后运用Snell定律建立自由曲线上相邻两点坐标的迭代关系，最后通过给定初始参数和迭代关系式求出自由曲面轮廓线上各点的离散坐标。

所述折射部分的自由曲面数目有两个，其具体计算步骤如下：

(1)初始条件说明并对(0，α)角度区间进行等分

首先，发光角度为θ_i的光线从0点出射，与第一自由曲面的交点为A_i，与第二自由曲面的交点为B_i，达到目标区域半径为r_i；发光角度为θ_i+1的光线与第一自由曲面的交点为A_i+1，与第二自由曲面的交点为B_i+1，达到目标区域半径为r_i+1，分别定义点A_i、A_i+1、B_i、B_i+1的坐标为(x_Ai，y_Ai)、(x_Ai+1，yA_i+1)、(x_Bi，_yBi)、(x_Bi+1，y_Bi+1)，由定义可知：r_i＝x_Bi，r_i+1＝x_Bi+1。

设等分数为N，令

其中0≤i≤N，则θ_i表示第i个发光角；N的取值越大，计算的结果越准确。

(2)建立光线发光角度θ_i与目标区域半径r_i的映射关系

由于Lambertian型LED光源的发光强度I＝I₀cosθ，式中I₀为垂直于LED面光源法线方向的光强，θ为出射光线与法线之间的夹角，根据能量守恒定律IdΩ＝Eds可得发光角度θ_i与目标区域半径r_i的关系为：

式中R为给定的初始参数值，表示发光角为α时所对应的目标区域半径，根据该公式可以确定x_Bi的大小。

(3)建立自由曲面上相邻两点坐标的迭代关系

首先，根据Snell定律确定过A_i的切线斜率K_Ai和过B_i点的切线斜率K_Bi：

上式中n表示透镜材料的折射率，透镜材料为PC或PMMA。

根据自由曲面切面迭代法原理可知，当等分数N很大时，过点A_i的切线方程和直线0A_i+1的交点即为点A_i+1的坐标，点B_i+1的坐标可由过B_i点的切线方程和点B_i+1的横坐标确定；因此，第一自由曲面轮廓线上相邻两点坐标的迭代关系式为：

第二自由曲面轮廓线上相邻两点坐标的迭代关系式为：

根据上述迭代关系式和给定的初始值R、α、x_A0(或y_A0)、y_B0，可以得到第一自由曲面和第二自由曲面轮廓线上所有离散点的坐标值。

所述反射部分的第三自由曲面和第四自由曲面形状由如下方法确定：

首先对(α，90°)角度区间进行等分，再根据能量守恒定律建立光线发光角度θ_j(α≤θ_j≤90°)与通过透镜后到达目标区域半径r_j的映射关系，然后运用Snell定律建立自由曲线上相邻两点坐标的迭代关系，最后通过给定初始参数和迭代关系式求出自由曲面轮廓线上各点的离散坐标。

所述反射部分的自由曲面数目有两个，其具体计算步骤如下：

(1)初始条件说明并对(α，90°)角度区间进行等分

首先，发光角度为θ_j的光线从0点出射，与圆台面轮廓线A₀F的交点为E_j，与第三自由曲面的交点为C_j，与第四自由曲面的交点为D_j，达到目标区域半径为r_j；发光角度为θ_i+1的光线从0点出射，与圆台面轮廓线A₀F的交点为E_j+1，与第三自由曲面的交点为C_j+1，与第四自由曲面的交点为D_j+1，分别定义点C_j、C_j+1、D_j、D_j+1、E_j、E_j+1的坐标为(x_Ci，y_Ci)、(x_Ci+1，y_Ci+1)、(x_Di，y_Di)、(x_Di+1，y_Di+1)、(x_Bi，y_Ei)、(x_Ei+1，y_Ei+1)，由定义可知：r_j＝x_Dj、r_j+1＝x_Dj+1。

设等分数为M，令

其中0≤j≤M，则θ_j表示第j个发光角；M的取值越大，计算的结果越准确。

(2)建立光线发光角度θ_j与目标区域半径r_j的映射关系

将LED光源视为点光源，其光强呈Lambertian余弦分布，根据能量守恒定律IdΩ＝Eds可得发光角度θ_j与目标区域半径r_j的关系为：

(3)建立自由曲面上相邻两点坐标的迭代关系

首先，根据Snell定律确定过C_j的切线斜率K_Cj和过D_j点的切线斜率K_Dj：

上式中γ_j表示发光角度为θ_j的光线经直线A₀F折射后与X轴正方向之间的夹角，该值可由直线A₀F的斜率确定。

根据自由曲面切面迭代法的原理，确定第三自由曲面轮廓线上相邻两点坐标的迭代关系式为：

第四自由曲面轮廓线上相邻两点坐标的迭代关系式为：

基于所述折射部分的设计结果，根据上述迭代关系式和给定的初始值x_C0(或y_C0)、y_D0、直线A₀F的斜率，可以得到第三自由曲面和第四自由曲面轮廓线上所有离散点的坐标值。

进一步地，将计算得到的所述第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面、第四自由曲面各个轮廓线上离散点坐标导入到CAD软件中进行拟合，确定透镜的轮廓曲线，然后将透镜轮廓曲线绕中心轴旋转，构成所述LED准直光学透镜的三维实体结构。

进一步地，所述圆台面的轮廓线A₀F是一条倾斜直线，这样设置有利于模具的取出，便于制造。

进一步地，所述第三自由曲面和第四自由曲面的外侧均镀有一层反射膜。

进一步地，所述环面的轮廓线B₀G与X轴平行。

本发明的有益效果是：

1.本发明基于Snell定律和能量守恒定律设计出一种LED准直光学透镜，光束准直性好，光能利用率高，目标区域光强分布均匀性好，无眩光；

2.本发明的一种LED准直光学透镜为一体化结构，无需装配，结构简单，安装方便；

3.本发明的一种LED准直光学透镜应用领域广，通过选用不同的初始参数值获得不同形状、不同外形尺寸的LED准直光学透镜，可满足不同场合的应用要求。

附图说明

图1为本发明LED准直光学透镜的侧视剖面图；

图2为本发明LED准直光学透镜的俯视三维立体图；

图3为本发明LED准直光学透镜的仰视三维立体图；

图4为本发明LED准直光学透镜所述折射部分的设计方法原理图；

图5为本发明LED准直光学透镜所述反射部分的设计方法原理图。

附图标记列表：

1、第一自由曲面，2、第二自由曲面，3、圆台面，4、第三自由曲面，5、第四自由曲面，6、圆环面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例：

本发明所述的的一种LED准直光学透镜，按准直方式可分为折射部分和反射部分，所述折射部分包括第一自由曲面1和第二自由曲面2，所述折射部分的第一自由曲面1和第二自由曲面2形状由如下方法确定：

首先对分界角α进行等分，再根据能量守恒定律建立光线发光角度θ_i(θ_i≤α)与通过透镜后到达目标区域半径r_i的映射关系，然后运用Snell定律建立自由曲线上相邻两点坐标的迭代关系，最后通过给定初始参数和迭代关系式求出自由曲面轮廓线上各点的离散坐标。

所述折射部分的自由曲面数目有两个，其具体计算步骤如下：

(1)初始条件说明并对(0，α)角度区间进行等分

首先，发光角度为θ_i的光线从0点出射，与第一自由曲面1的交点为A_i，与第二自由曲面的交点为B_i，达到目标区域半径为r_i；发光角度为θ_i+1的光线与第一自由曲面1的交点为A_i+1，与第二自由曲面的交点为B_i+1，达到目标区域半径为r_i+1，分别定义点A_i、A_i+1、B_i、B_i+1的坐标为(x_Ai，y_Ai)、(x_Ai+1，y_Ai+1)、(x_Bi，y_Bi)、(x_Bi+1，y_Bi+1)，由定义可知：r_i＝x_Bi，r_i+1＝x_Bi+1。

设等分数为N，令

其中0≤i≤N，则θ_i表示第i个发光角；N的取值越大，计算的结果越准确。

(2)建立光线发光角度θ_i与目标区域半径r_i的映射关系

由于Lambertian型LED光源的发光强度I＝I₀cosθ，式中I₀为垂直于LED面光源法线方向的光强，θ为出射光线与法线之间的夹角，根据能量守恒定律IdΩ＝Eds可得发光角度θ_i与目标区域半径r_i的关系为：

式中R为给定的初始参数值，表示发光角为α时所对应的目标区域半径，根据该公式可以确定x_Bi的大小。

(3)建立自由曲面上相邻两点坐标的迭代关系

首先，根据Snell定律确定过A_i的切线斜率K_Ai和过B_i点的切线斜率K_Bi：

上式中n表示透镜材料的折射率，透镜材料为PC或PMMA。

根据自由曲面切面迭代法原理可知，当等分数N很大时，过点A_i的切线方程和直线0A_i+1的交点即为点A_i+1的坐标，点B_i+1的坐标可由过B_i点的切线方程和点B_i+1的横坐标确定；因此，第一自由曲面1轮廓线上相邻两点坐标的迭代关系式为：

第二自由曲面2轮廓线上相邻两点坐标的迭代关系式为：

根据上述迭代关系式和给定的初始值R、α、x_A0(或y_A0)、y_B0，可以得到第一自由曲面1和第二自由曲面2轮廓线上所有离散点的坐标值。

所述反射部分的第三自由曲面4和第四自由曲面5形状由如下方法确定：

首先对(α，90°)角度区间进行等分，再根据能量守恒定律建立光线发光角度θ_j(α≤θ_j≤90°)与通过透镜后到达目标区域半径r_j的映射关系，然后运用Snell定律建立自由曲线上相邻两点坐标的迭代关系，最后通过给定初始参数和迭代关系式求出自由曲面轮廓线上各点的离散坐标。

所述反射部分的自由曲面数目有两个，其具体计算步骤如下：

(1)初始条件说明并对(α，90°)角度区间进行等分

首先，发光角度为θ_j的光线从0点出射，与圆台面3轮廓线A₀F的交点为E_j，与第三自由曲面4的交点为C_j，与第四自由曲面5的交点为D_j，达到目标区域半径为r_j；发光角度为θ_i+1的光线从0点出射，与圆台面3轮廓线A₀F的交点为E_j+1，与第三自由曲面4的交点为C_j+1，与第四自由曲面5的交点为D_j+1，分别定义点C_j、C_j+1、D_j、D_j+1、E_j、E_j+1的坐标为(x_Ci，y_Ci)、(x_Ci+1，y_Ci+1)、(x_Di，y_Di)、(x_Di+1，y_Di+1)、(x_Ei，y_Ei)、(x_Ei+1，y_Ei+1)，由定义可知：r_j＝x_Di、r_j+1＝xD_j+1。

设等分数为M，令

其中0≤j≤M，则θ_j表示第j个发光角；M的取值越大，计算的结果越准确。

(2)建立光线发光角度θ_j与目标区域半径r_j的映射关系

将LED光源视为点光源，其光强呈Lambertian余弦分布，根据能量守恒定律IdΩ＝Eds可得发光角度θ_j与目标区域半径r_j的关系为：

(3)建立自由曲面上相邻两点坐标的迭代关系

首先，根据Snell定律确定过C_j的切线斜率K_Cj和过D_j点的切线斜率K_Dj：

上式中γ_j表示发光角度为θ_j的光线经直线A₀F折射后与X轴正方向之间的夹角，该值可由直线A₀F的斜率确定。

根据自由曲面切面迭代法的原理，确定第三自由曲面4轮廓线上相邻两点坐标的迭代关系式为：

第四自由曲面5轮廓线上相邻两点坐标的迭代关系式为：

基于所述折射部分的设计结果，根据上述迭代关系式和给定的初始值x_C0(或y_C0)、y_D0、直线A₀F的斜率，可以得到第三自由曲面4和第四自由曲面5轮廓线上所有离散点的坐标值。

进一步地，将计算得到的所述第一自由曲面1、第二自由曲面2、第三自由曲面4、第四自由曲面5各个轮廓线上离散点坐标导入到CAD软件中进行拟合，确定透镜的轮廓曲线，然后将透镜轮廓曲线绕中心轴旋转，构成所述LED准直光学透镜的三维实体结构。

采用上述技术方案得到的一种LED准直光学透镜，其光能利用率高、无眩光、结构简单、安装方便、应用范围广。当LED发光光强呈Lambertian余弦分布时，此时从LED出射的光线经过所述LED准直光学透镜准直后，能够在目标照明面上获得高均匀度的圆形光斑；另外，第三自由曲面4和第四自由曲面5外侧镀有反射膜，在很大程度上可以减小Snell损失，使得透镜的光学效率很高；此外，透镜的底面中部有一个由第一自由曲面1和圆台面3组成的空腔，使LED安装更方便。由于透镜的形状和外形尺寸由初始参数值确定的，因此可以通过选用不同的初始参数值来获得不同形状、不同外形尺寸的LED准直光学透镜，从而满足不同场合的应用要求。

Claims (7)

1.一种LED准直光学透镜，其特征在于：包括折射部分和反射部分，所述折射部分包括第一自由曲面(1)和第二自由曲面(2)，分别构成所述折射部分的入射面和出射面，所述反射部分包括圆台面(3)、第三自由曲面(4)、第四自由曲面(5)和环面(6)，所述圆台面(3)为所述反射部分的入射面，所述环面(6)为所述反射部分的出射面，所述圆台面(3)与第一自由曲面(1)构成透镜底部中心的空腔区域，LED视为点光源安装于底部空腔内的0点处；以0点为原点建立直角坐标系X0Y，所述第一自由曲面(1)、第二自由曲面(2)、圆台面(3)、第三自由曲面(4)、第四自由曲面(5)、环面(6)均以点光源0为中心，并且关于Y轴旋转对称。

2.根据权利要求1所述的一种LED准直光学透镜，其特征在于，所述LED准直光学透镜以α为分界角，将光线分成中间光线和边缘光线分别进行配光，所述中间光线的发光角度小于α，由0点发出，经过第一自由曲面(1)折射后，再经过第二自由曲面(2)折射后实现准直；所述边缘光线的发光角度大于α，由0点发出，经过圆台面(3)折射后，先后经过第三自由曲面(4)和第四自由曲面(5)的反射，最后经环面(6)出射实现准直。

3.根据权利要求1所述的一种LED准直光学透镜，所述折射部分的第一自由曲面(1)和第二自由曲面(2)形状由如下方法确定：

首先对分界角α进行等分，再根据能量守恒定律建立光线发光角度θ_i(θ_i≤α)与通过透镜后到达目标区域半径r_i的映射关系，然后运用Snell定律建立自由曲线上相邻两点坐标的迭代关系，最后通过给定初始参数和迭代关系式求出自由曲面轮廓线上各点的离散坐标；

所述折射部分的自由曲面数目有两个，其具体计算步骤如下：

(1)初始条件说明并对(0，α)角度区间进行等分

首先，发光角度为θ_i的光线从0点出射，与第一自由曲面(1)的交点为A_i，与第二自由曲面的交点为B_i，达到目标区域半径为r_i；发光角度为θ_i+1的光线与第一自由曲面(1)的交点为A_i+1，与第二自由曲面的交点为B_i+1，达到目标区域半径为r_i+1，分别定义点A_i、A_i+1、B_i、B_i+1的坐标为(x_Ai，y_Ai)、(x_Ai+1，y_Ai+1)、(x_Bi，y_Bi)、(x_Bi+1，y_Bi+1)，由定义可知：r_i＝x_Bi，r_i+1＝x_Bi+1；

设等分数为N，令

其中0≤i≤N，则θ_i表示第i个发光角；N的取值越大，计算的结果越准确；

(2)建立光线发光角度θ_i与目标区域半径r_i的映射关系

由于Lambertian型LED光源的发光强度I＝I₀cosθ，式中I₀为垂直于LED面光源法线方向的光强，θ为出射光线与法线之间的夹角，根据能量守恒定律IdΩ＝Eds得发光角度θ_i与目标区域半径r_i的关系为：

式中R为给定的初始参数值，表示发光角为α时所对应的目标区域半径，根据该公式确定x_Bi的大小；

(3)建立自由曲面上相邻两点坐标的迭代关系

首先，根据Snell定律确定过A_i的切线斜率K_Ai和过B_i点的切线斜率K_Bi：

上式中n表示透镜材料的折射率；

根据自由曲面切面迭代法原理可知，当等分数N很大时，过点A_i的切线方程和直线0A_i+1的交点即为点A_i+1的坐标，点B_i+1的坐标由过B_i点的切线方程和点B_i+1的横坐标确定；因此，第一自由曲面(1)轮廓线上相邻两点坐标的迭代关系式为：

第二自由曲面(2)轮廓线上相邻两点坐标的迭代关系式为：

根据上述迭代关系式和给定的初始值R、α、x_A0(或y_A0)、y_B0，得到第一自由曲面(1)和第二自由曲面(2)轮廓线上所有离散点的坐标值。

4.根据权利要求3所述的一种LED准直光学透镜，所述反射部分的第三自由曲面(4)和第四自由曲面(5)形状由如下方法确定：

首先对(α，90°)角度区间进行等分，再根据能量守恒定律建立光线发光角度θ_j(α≤θ_j≤90°)与通过透镜后到达目标区域半径r_j的映射关系，然后运用Snell定律建立自由曲线上相邻两点坐标的迭代关系，最后通过给定初始参数和迭代关系式求出自由曲面轮廓线上各点的离散坐标；

所述反射部分的自由曲面数目有两个，其具体计算步骤如下：

(1)初始条件说明并对(α，90°)角度区间进行等分

首先，发光角度为θ_j的光线从0点出射，与圆台面(3)轮廓线A₀F的交点为E_j，与第三自由曲面(4)的交点为C_j，与第四自由曲面(5)的交点为D_j，达到目标区域半径为r_j；发光角度为θ_i+1的光线从0点出射，与圆台面(3)轮廓线A₀F的交点为E_j+1，与第三自由曲面(4)的交点为C_j+1，与第四自由曲面(5)的交点为D_j+1，分别定义点C_j、C_j+1、D_j、D_j+1、E_j、E_j+1的坐标为(x_Ci，y_Ci)、(x_Ci+1，y_Ci+1)、(x_Di，y_Di)、(x_Di+1，y_Di+1)、(x_Ei，y_Ei)、(x_Ei+1，y_Ei+1)，由定义可知：r_j＝x_Dj、r_j+1＝x_Dj+1；

设等分数为M，令

其中0≤j≤M，则θ_j表示第j个发光角；M的取值越大，计算的结果越准确；

(2)建立光线发光角度θ_j与目标区域半径r_j的映射关系

将LED光源视为点光源，其光强呈Lambertian余弦分布，根据能量守恒定律IdΩ＝Eds得到发光角度θ_j与目标区域半径r_j的关系为：

上式中的R为给定的初始参数值，

(3)建立自由曲面上相邻两点坐标的迭代关系

首先，根据Snell定律确定过C_j的切线斜率K_Cj和过D_j点的切线斜率K_Dj：

上式中γ_j表示发光角度为θ_j的光线经直线A₀F折射后与X轴正方向之间的夹角，该值由直线A₀F的斜率确定；

根据自由曲面切面迭代法的原理，确定第三自由曲面(4)轮廓线上相邻两点坐标的迭代关系式为：

第四自由曲面(5)轮廓线上相邻两点坐标的迭代关系式为：

基于所述折射部分的设计结果，根据上述迭代关系式和给定的初始值x_C0或y_C0、y_D0、直线A₀F的斜率，得到第三自由曲面(4)和第四自由曲面(5)轮廓线上所有离散点的坐标值。

5.根据权利要求1所述的一种LED准直光学透镜，其特征在于，第三自由曲面(4)和第四自由曲面(5)的外侧均镀有一层反射膜。

6.根据权利要求1所述的一种LED准直光学透镜，其特征在于，环面(6)的轮廓线B₀G与X轴平行。

7.根据权利要求1所述的一种LED准直光学透镜，其特征在于，该透镜由透明材料制成，透明材料为PMMA或PC或光学玻璃。

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