CN111396761A - 基于照明原理的非球面双透镜led头灯 - Google Patents

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季敏标
王文硕
敖建鹏
管钦毅
贺若愚
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Zhejiang Fude Medical Photoelectric Co ltd
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Abstract

本发明属于光学设计技术领域，具体为一种基于照明原理的非球面双透镜LED头灯。本发明头灯包括LED光源与均匀照明光学透镜组；光学透镜组包括第一非球面透镜、第二非球面透镜；LED光源发出的光线自前向后依次经过第一非球面透镜、光阑、第二非球面透镜，双透镜材质均为Schott玻璃，二者之间的空气间隔为9.36mm。该头灯的光学透镜系统经ZEMAX合理设计优化，结构简单，小巧轻便，光学透过率高，实现了LED光源在目标面上大范围的高均匀度照明，能够有效解决现有LED头灯眩光、照面中心光线刺眼而四周暗淡等问题。

Description

基于照明原理的非球面双透镜LED头灯
技术领域
本发明属于光学设计技术领域，具体涉及一种基于照明原理的非球面双透镜LED头灯光学设计，尤其适用医用照明。
背景技术
在外科手术、煤矿开采、机械维修等诸多场合中，工作人员的双手需要完成精细且繁重的任务，无暇顾及光线不佳而需要的额外照明。因此，可以佩戴在头部的头灯成为了工作人员的不二之选。一个优质的头灯可以充分解放工作者的双手，保证他们的工作效率。
早期的头灯采用传统灯泡作为光源，存在耗能大，且使用寿命短的缺点。而LED光源的引入一方面降低了能量损耗，节能环保；另一方面延长了使用周期，避免了更换灯泡的繁琐。事实上，随着近年来LED头灯应用需求的不断扩大，其结构也得到了长期的完善。专利CN201028320Y公开的医用LED头灯，以轻巧便携为目标优化了头灯的体积重量，但仅为1W的LED功率难以满足高要求照明场合的需求。专利CN205877805U公开的一种LED头灯则是通过液体金属与热管等方式，改进了头灯的散热问题。此外，专利CN204901371U在头灯上添加了温控开关，实现LED的自动开启/关闭，使头灯的使用更为便利。专利CN107062034A更是把摄影与录音设备集成入头灯中，丰富了头灯的使用功能。但目前公开的LED头灯都只在机械封装、电子驱动以及多功能化上进行改良，而忽略了针对光学照明基本需求的完善，即，缺少头灯光学模块的设计优化，头灯输出的光斑存在照明不均的问题，依旧难以满足外科手术这类高照明质量需求的场合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于照明原理的非球面双透镜LED头灯，以解决现有头灯出射光斑不均匀、照明区域中心光线刺眼而周围暗淡，不适用于对照明质量有高要求的精密操作环境的技术问题。
本发明设计的基于照明原理的非球面双透镜LED头灯，其结构包括：高功率LED光源A以及均匀照明光学透镜组B；其中：
所述的高功率LED光源A的功率不小于3W，色温为3500-5500K，集中用眼的情况下也不易引起视疲劳，可确保照明的基础亮度与视觉舒适性；
所述的均匀照明光学透镜组B包括：依次排布的第一透镜B1、光阑C与第二透镜B2，第一透镜B1的后表面由无间距的光阑C限制其出光面半径为1-3mm，隔绝杂散光线；LED光源A发出的光线是自前向后依次经过第一透镜B1、光阑C、第二透镜B2后对物体进行照明。
进一步地，上述的透镜B1与透镜B2均为Schott材质的非球面透镜，可有效降低球差干扰，且双透镜前后表面均为凸面，二者之间的空气间隔为7-11mm。
进一步地，非球面双透镜LED头灯系统中LED光源至第二透镜B2末端的光学系统总长小于20mm。
本发明充分调研了外科医生等工作者的实际需求，在满足照明亮度的前提下，应用ZEMAX软件对LED光源后的光学照明透镜组进行优化，提供了一种基于照明原理的非球面双透镜LED头灯光学设计，可满足精密操作环境的高照明质量需求，其有益性充分体现在：
1、本发明采用的高功率LED灯片提供高亮度的同时兼顾了色温选取，保证了精密工作人员的用眼舒适性；
2、本发明通过ZEMAX合理优化设计的双透镜，结构简单，紧凑小巧，光学透过率高；
3、本发明提供的LED头灯光学设计实现了光源在目标面大范围的高均匀度照明；
4、本发明采用的透镜由Schott玻璃制成，无需增镀光学薄膜，降低了成本。
综上所述，本发明结构简单，小巧轻便，不仅实现了LED光源在目标面上大范围的高均匀度照明（30cm像面，>80%），而且双透镜的极简化搭配使得成本进一步下降，适合批量生产，有利于规模推广。
附图说明
图1为本发明非球面双透镜LED头灯光学系统示意图。
图2为本发明实施例中光学系统的光线追迹图。
图3为本发明实施例中距离头灯30cm处接受面的仿真图。
图4为本发明实施例中距离头灯2m处接受面的仿真图。
图中标号 A-高功率LED光源；B-均匀照明光学透镜组，B1-第一非球面透镜，B2-第二非球面透镜；C-光阑。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种基于照明原理的非球面双透镜LED头灯，包括高功率LED光源A、均匀照明光学透镜组B与光阑C。所述高功率LED光源在本实施例中选用的是首尔半导体SZ8-Y19-WN-C9型号，最大功率可达7.8W，色温为3700-4700K的自然白，显色指数达90%。所述均匀照明透镜组B包括第一非球面透镜B1和第二非球面透镜B2，两个透镜均为Schott玻璃材质，前后表面均为凸面，两个透镜之间的空气间隔为9.36mm。所述光阑C紧贴第一非球面透镜B1的后表面，光阑直径为4mm。
在本实施例中，经过ZEMAX软件优化，第一非球面透镜的直径为4.80mm，第二非球面透镜的直径为17.77mm。
非球面表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中Z表示光轴方向的位置，r表示垂直于光轴方向的高度，c表示曲率半径，k表示圆锥系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示非球面系数。
如图2所示，在本实施例中，该非球面双透镜在光线追迹的仿真下模拟了对LED光源发出的大发散角（>120°）光束的汇聚作用。首先，第一非球面透镜B1将光线收集并透过光阑C过滤杂散光，但经过一段光程后，一次汇聚的光线产生发散，因此需要第二非球面透镜B2对其二次整形，最终输出的光束在各个角度上呈现出更为均匀分布的趋势。
将照射面分别设置在距离头灯30cm与2m处，可以更为直观的观察LED光源出射光线的面分布情况，结果如图3与图4所示。从左侧的二维光照度图谱可以看出，照射面光场表现出极佳的空间对称性，而右侧的X、Y轴照度曲线则说明照射光斑沿中心向四周辐射时强度波动稳定，在视场内光照分布均匀。具体从数值分析，可以得出：
1、在30cm远处的接受面得到的光斑半径为4.3cm，整体均匀性为7200/9000=80%；
2、在2m远处的接受面得到的光斑半径为30cm，整体均匀性为150/170=88%；
3、透镜组的光学效率为46%。
综上所述，高功率LED光源以及良好的光学透过率能够满足照明原理中对工作场所的基本照度要求，整形之后的出射光斑空间分布均匀，不存在明显的高亮度的中心点，保证了视野内没有强烈的亮度对比，有效避免了眩光的情况。
实施例中仅选取了特定的LED光源与非球面双透镜尺寸，用于具体说明本发明的实验思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、实验思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于照明原理的非球面双透镜LED头灯，其特征在于，结构包括：高功率LED光源A以及均匀照明光学透镜组B；其中：
所述的高功率LED光源A的功率不小于3W，色温为3500-5500K；
所述的均匀照明光学透镜组B包括：依次排布的第一透镜B1、光阑C与第二透镜B2，第一透镜B1的后表面由无间距的光阑C限制出光面半径为1-3mm，隔绝杂散光线；LED光源A发出的光线是自前向后依次经过第一透镜B1、光阑C、第二透镜B2后对物体进行照明。
2.根据权利要求1所述的非球面双透镜LED头灯，其特征在于，所述的透镜B1与透镜B2均为Schott材质的非球面透镜，且双透镜前后表面均为凸面，二者之间的空气间隔为7-11mm。
3.根据权利要求1所述的非球面双透镜LED头灯，其特征在于，LED光源至第二透镜B2末端的光学系统总长小于20mm。
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