CN111797445A - 一种led花形照明透镜的设计方法及透镜 - Google Patents

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CN111797445A CN202010671637.9A CN202010671637A CN111797445A CN 111797445 A CN111797445 A CN 111797445A CN 202010671637 A CN202010671637 A CN 202010671637A CN 111797445 A CN111797445 A CN 111797445A
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沈永健
魏寅
罗晓珊
潘妲
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Shenzhen Qianbaihui Lighting Engineering Co ltd
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Abstract

本发明涉及一种LED花形照明透镜的设计方法及透镜，方法包括：构建内全反射面的面型；构建配光面的面型；对配光面进行区域划分；构建内表面；构建连接面。所述LED花形照明透镜包括：内表面、配光面、内全反射面和连接面，每个区域内有配光面，配光面为三维自由曲面；配光面的面型在不同剖面内，能够将光源发出的光线成像为不同范围的照明区域；所述不同范围的照明区域组合在一起，使得光源发出的光线经过单个配光面后形成具有花瓣形的光斑。本发明申请可以形成各种花形光斑，降低成本、提高光能利用率，满足装饰照明的需求，提高了透镜适应性且设计成本低，节能环保。

Description

一种LED花形照明透镜的设计方法及透镜
技术领域
本发明属于透镜设计技术领域，具体涉及一种LED花形照明透镜的设计方法及透镜。
背景技术
由于LED具有体积小、寿命长、光效高等特点，应用越来越广泛。同时，其二次光学设计技术也得到快速发展以适应更高性能的照明需求。随着自由曲面技术在LED二次透镜设计中的应用逐渐成熟，根据需求产生特殊照明效果已经成为目前LED照明的关键问题。
目前在采用LED光源实现装饰照明中，为实现星形、花形等照明效果，多采用镂空光阑的方式产生不同形状的光斑。该方法使光源发出的大部分光线被光阑挡掉，不能到达照射面，同时使用光阑使灯具结构不紧凑，也不方便进行灯具之间的组合，该方法的应用领域受到限制。同时，还有采用多颗LED芯片进行星形等形状的排列，此种方式需要直视光源，产生的照明效果对目视距离有要求，当目视距离远时所需光源数量大、功率高，同时由于LED光源亮度高，因此该方法造成观察者的目视舒适度低。采用自由曲面技术进行二次透镜设计，满足特殊照明要求已经成为国内外研究的热点。
随着LED光源的发展，越来越多的优点被人们所发现，其在照明领域已得到普遍应用，并希望用LED光源达到所需要的景观照明效果，在达到效果的基础上追求更优、更高效。比如说想要得到五角星形光斑，不采用光学透镜，用光源直接照射，则需要多个LED分工负责特定光斑形状照射区域的不同部分，这样不但会使灯具的结构复杂，而且成本较高。在先技术中，透镜加工使用玻璃材料，但其体积大，质量重、形状单一、易碎、生产效率低、成本高，短期内很难普及。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LED花形照明透镜的设计方法及透镜，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明申请一实施例提供了一种LED花形照明透镜的设计方法，所述方法包括：
构建内全反射面的面型；
构建配光面的面型；
对配光面进行区域划分；
构建内表面；
构建连接面。
优选地，所述构建内全反射面的面型，包括步骤：
构建内表面的形式为球形，将LED光源置于球形中心；
构建一个主轮廓线，绕中心轴旋转，即形成了内全反射面。
优选地，所述构建一个主轮廓线，包括步骤：
以所述LED光源上表面中点为坐标原点O，建立直角坐标系；
根据公式(4)得到光源的出射光线的表达式(8)；
所述公式(4)为：
Figure BDA0002582528480000021
所述公式(4)中，n代表折射率，N代表法向矢量，Out代表出射光线矢量，In代表入射光线矢量；
所述表达式(8)为：
Figure BDA0002582528480000031
所述公式(8)中，x代表内全反射面上点的x轴坐标，y代表内全反射面上点的y轴坐标，i代表x方向的单位矢量，j代表y方向的单位矢量，In代表入射光线矢量；
根据全反射定律，得到内全反射面3的切线表达式(9)；所述表达式(9)为：
Figure BDA0002582528480000032
所述公式(9)中，x代表内全反射面上点的x轴坐标，y代表内全反射面上点的y轴坐标，i代表x方向的单位矢量，j代表y方向的单位矢量，In代表入射光线矢量，P代表切线矢量。
优选地，所述构建配光面的面型，包括步骤：
确定各配光区域的中心线，该中心线即为各区域的平面角平分线；
经过该线与竖直线确定的平面内，对配光面在该平面内构建轮廓线；
由平面内的不同轮廓线进行连接即得到配光面；
各区域的配光面组合在一起即得到整体的配光面。
优选地，所述对配光面在该平面内构建轮廓线，包括步骤：
以所述LED光源上表面中点为坐标原点O，建立直角坐标系；
定义所述LED光源为E1E2和接收器为R1R2，y轴与E1E2垂直平分，设计一个配光面的轮廓线，E1,E2点发出的边缘光线通过轮廓线的折射后分别对应的汇聚到接收器的端点R1,R2处；
在y轴上选择一点P0作为所设计的透镜的表面点链的起始点；
E1发出的一条光线r1在P0发生折射；
沿着折射光线选择一点P1作为透镜下表面点链的起始点；
强制光线r1在点P1处折射并射向R2，确定出在P1点处的法向量n1的方向；
由光线r1的传播路径通过公式(3)求得由E1到R2之间的光程：所述公式(3)为：
Γ1＝[E1,P0]+n[P0,P1]+[P1,R2] (3)
所述公式(3)中，Γ1是总光程，E1是光源的一个端点，P0是下表面的起始点，该点是人为确定的，P1是光线E1 P0在透镜下表面折射后的折射光线照射到透镜上表面上的一点，这个点是根据折射定律由透镜上表面的入射光线和折射光线共同决定的，光线P0 P1在透镜上表面发生折射，照射到目标平面的另一个端点R2；
E2发出的一条光线r2过点P1折射后的光线P1R1的方向已经确定，根据折射定律的矢量形式的公式(4)进行下一步：
Figure BDA0002582528480000041
所述公式(4)中，n代表折射率，N代表法向矢量，Out代表出射光线矢量，In代表入射光线矢量；
根据公式(5)、(6)联立，得到相邻采样点之间的迭代关系，即可确定透镜上表面的下一点P2以及该点处的法向n2；
所述公式(5)为：
Figure BDA0002582528480000042
所述公式(5)中，透镜上表面上各点满足迭代关系，相邻的两个点坐标为(xi，yi)和(xi+1，yi+1)，两个点的斜率近似等于(xi+1，yi+1)点的斜率；k为斜率；
所述公式(6)为：
xi+1＝yi+1tan(Ai+1) (6)
所述公式(6)中，点坐标(xi+1，yi+1)的x轴坐标和y轴坐标，Ai+1为LED光源的出射光线与竖直线之间的夹角；
由光线r2的传播路径通过公式(7)求得由E2到R1之间的光程；所述公式(7)为：
Γ2＝[E2,P2]+n[P2,P1]+[P1,R1] (7)
所述公式(7)中，Γ2是总光程，Γ1＝Γ2，E2是光源的一个端点，R1是目标平面的另一个端点，P1在Γ1光程中确定，根据折射定律和光程相等即可得到点P2；
根据同一光源对应的同一像点所有的光线光程相同，交替应用上述的方法，不断确定出轮廓线上的点，直到轮廓线与链接面相交。
优选地，所述对配光面进行区域划分，包括步骤：
判断花瓣形状是否相同；
若花瓣形状相同，则根据花瓣数量划分配光面各区域对应的平面角度，以公式(1)计算单个花瓣配光面各区域对应的平面角度α；所述公式(1)为：
Figure BDA0002582528480000051
公式(1)中，n为花瓣数量；α为单个花瓣配光面各区域对应的平面角度；
若花瓣形状不相同，则根据各花瓣数量分配配光面各区域，设所述各区域对应的平面角度分别为α1、α2、α3……αn，则所述对应的平面角度之和应当满足关系式(2)：所述关系式(2)为：
α1+α2+α3+…+αn＝360° (2)
优选地，所述内表面设计，包括步骤：
根据需要判断内表面设计为球面还是柱面；
对入射到内全反射面的入射光线按照反射定律进行修正。
优选地，所述连接面设计，包括步骤：
根据设计完成的配光面以及内全反射面，将两个表面进行连接；
将按照花形设计要求设计的配光面、内全反射面、内表面、连接面，通过组合的方式组合成透镜实体；
根据光源尺寸对该透镜进行整体缩放，以满足不同尺寸光源的安装要求。
优选地，所述根据光源尺寸对该透镜进行整体缩放，以满足不同尺寸光源的安装要求之后，还包括：
通过采用不同颜色的光源，实现不同颜色的照明效果。
优选地，所述对配光面进行区域划分，是根据花瓣数量来决定所述配光面的区域划分数量，再通过对配光面划分的每个区域进行设计，得到具有所述花瓣数量的透镜。
第二方面，本发明申请一实施例还提供了一种LED花形照明透镜，所述透镜能够实现任一本发明申请实施例所述的LED花形照明透镜的设计方法。
第三方面，本发明申请一实施例还提供了一种LED花形照明透镜，所述LED花形照明透镜包括：内表面、配光面、内全反射面和连接面，配光面进行区域划分，每个区域内有配光面，配光面为三维自由曲面；配光面的面型在不同剖面内，能够将光源发出的光线成像为不同范围的照明区域；所述不同范围的照明区域组合在一起，使得光源发出的光线经过单个配光面后形成具有花瓣形的光斑。
所述配光面进行区域划分可以根据花瓣数量对配光面进行角度划分，并在每个区域内设计配光面；
由光源发出中心角度之外的光线经过内表面后到达内全反射面，所述内全反射面对大角度光线进行反射，反射光线进入到花瓣形照明区域。
优选地，所述内表面，用以将LED光源发出的中心角度、高能量的光线，折射后进入透镜，使光线在不同花瓣对应的区域内到达配光面，配光面对不同的入射光线进行二次调节，通过配光面的轮廓线对光线进行调节，在照明区域形成花瓣形照明光斑；
所述内表面，还用以将LED光源发出的大角度、低能量的光线，折射后进入到内全反射面，经过内全反射面以及配光面的调整后照射到花瓣照明区域。
优选地，透镜的材料包括：玻璃、塑料。
综上所述，本发明申请解决了传统的采用镂空光阑的方式产生不同形状的光斑的照明装置体积大、质量重、形状单一、生产效率低、成本高、目视舒适度差和镂空的五角星形挡光板光能利用率低等技术问题。本发明申请具有以下有益效果：可以将LED芯片发出的朗伯分布的光分成两部分调配，中心光线通过主体透镜的调光可以在目标平面形成各种不同的花形光斑，降低成本、提高光能利用率，满足装饰照明的需求，大大提高了透镜的适应性且设计成本低，节能环保，防止了不必要的材料浪费，设计方法简单，调整灵活，大大提高了透镜的适应性，光能分布均匀，避免浪费，均匀性提高，设计方法复杂性降低、灵活性提高，调整灵活性提高，分布均匀性提高。
本发明申请采用自由曲面透镜进行花形光斑的设计，可以根据花瓣的需求进行光学设计，能够得到不同花瓣数量的照明效果，而且可以应用在照明光斑的设计中，对提高景观照明等领域的照明效果具有重要作用；本发明申请具有减小照明装置的体积和质量，提高系统效率，降低成本，并且该方法可以为实现特殊形状的照明光学系统设计提供一个新方法的有益效果。
附图说明
图1为本发明一实施例的LED花形照明透镜的设计方法的流程图；
图2为本发明一实施例的所述构建内全反射面的面型包括步骤的流程图；
图3为本发明一实施例的所述构建一个主轮廓线包括步骤的流程图；
图4为本发明一实施例的所述构建配光面的面型包括步骤的流程图；
图5为本发明一实施例的所述对配光面在该平面内构建轮廓线包括步骤的流程图；
图6为本发明一实施例的所述对配光面进行区域划分包括步骤的流程图；
图7为本发明一实施例的所述内表面设计包括步骤的流程图；
图8为本发明一实施例的所述连接面设计包括步骤的流程图；
图9为本发明一实施例的所述步骤S830根据光源尺寸对该透镜进行整体缩放，以满足不同尺寸光源的安装要求之后，还包括步骤的流程图；
图10为本发明一实施例的一种LED花形照明透镜的示意图；所述示意图分为：
图10(a)为本发明申请LED花形照明透镜轴视图；
图10(b)为本发明申请LED花形照明透镜俯视图；
图10(c)为本发明申请LED花形照明透镜侧视图；
图10(d)为本发明申请LED花形照明透镜三维剖视图；
图10(e)为本发明申请LED花形照明透镜光路图；
图10(f)为本发明申请LED花形照明透镜的内全反射面光路图；
图11为本发明申请一实施例的LED花形照明透镜的辐照度分析图；
图12为本发明申请一实施例的LED花形照明透镜的配光曲线图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在限制本发明。
请参阅图1，图1为本发明一实施例的LED花形照明透镜的设计方法的流程图；所述方法，包括：
步骤S110、构建内全反射面的面型；
步骤S120、构建配光面的面型；
步骤S130、对配光面进行区域划分；
步骤S140、构建内表面；
步骤S150、构建连接面。
具体而言，透镜包括配光面、内全反射面、内表面、连接面。
请参阅图2，图2为本发明一实施例的所述构建内全反射面的面型包括步骤的流程图；所述步骤，包括：
步骤S210、构建内表面的形式为球形，将LED光源置于球形中心；
步骤S220、构建一个主轮廓线，绕中心轴旋转，即形成了内全反射面。
具体而言，轮廓线是根据目标辐照度图中的照度分布进行设计，需要根据折射定律进行计算，得到的一个自由曲线；中心轴是轮廓线绕该线旋转即可形成配光面，中心轴的位置由所需的配光面的宽窄决定；内全反射面是根据反射定律，对LED光源的出射光线进行重新配光设计，计算得到的。
请参阅图3，图3为本发明一实施例的所述构建一个主轮廓线步骤的流程图；所述步骤，包括：
步骤S310、以LED光源上表面中点为坐标原点O，建立直角坐标系；
步骤S320、根据公式(4)得到光源的出射光线的表达式(8)；
所述公式(4)为：
Figure BDA0002582528480000101
所述公式(4)中，n代表折射率，N代表法向矢量，Out代表出射光线矢量，In代表入射光线矢量；
所述表达式(8)为：
Figure BDA0002582528480000102
所述公式(8)中，x代表内全反射面上点的x轴坐标，y代表内全反射面上点的y轴坐标，i代表x方向的单位矢量，j代表y方向的单位矢量，In代表入射光线矢量；
步骤S330、根据全反射定律，得到内全反射面3的切线表达式(9)；所述表达式(9)为：
Figure BDA0002582528480000103
所述公式(9)中，x代表内全反射面上点的x轴坐标；y代表内全反射面上点的y轴坐标，i代表x方向的单位矢量，j代表y方向的单位矢量，In代表入射光线矢量，P代表切线矢量。
请参阅图4，图4为本发明一实施例的所述构建配光面的面型包括步骤的流程图；所述步骤包括：
步骤S410、确定各配光区域的中心线，该中心线即为各区域的平面角平分线；
具体而言，配光面是五朵花瓣组成的整体区域，配光区域指一个花瓣的区域。配光面在一个平面上，将平面按照72°角进行五等份，每一条线即为中心线，该线是沿平面方向的五条直线。
步骤S420、经过该中心线与竖直线确定的平面内，对配光面在该平面内构建轮廓线；
步骤S430、由平面内的不同轮廓线进行连接即得到配光面；
具体而言，构造的内全反射面上加一个圆形的水平面，在水平面上制作配光面，则水平面上除了配光面以外的区域即为连接面，该区域并不是配光面。
步骤S440、各区域的配光面组合在一起即得到整体的配光面。
请参阅图5，图5为本发明一实施例的所述对配光面在经过所述中心线与竖直线确定的平面内构建轮廓线包括步骤的流程图；所述步骤包括：
步骤S510、以LED光源上表面中点为坐标原点O，建立直角坐标系；
步骤S520、定义LED光源为E1E2和接收器为R1R2，y轴与E1E2垂直平分，设计一个配光面的轮廓线，E1,E2点发出的边缘光线通过轮廓线的折射后分别对应的汇聚到接收器的端点R1,R2处；
具体而言，请同时参见图10(e)，LED光源为矩形光源，E1E2是矩形光源的两个端点；R1R2是接收器的两个端点；轮廓线是根据光的成像原理，光源两个端点到目标平面对应端点的光程相同，可以得到透镜的上下表面轮廓线，这里的轮廓线是透镜的上表面轮廓线，这条轮廓线满足光的折射定律。
步骤S530、在y轴上选择一点P0作为所设计的透镜的表面点链的起始点。
步骤S540、E1发出的一条光线r1在P0发生折射。
步骤S550、沿着折射光线选择一点P1作为透镜下表面点链的起始点。
具体而言，光源发出的光线到达下表面发生折射，再到上表面再次发生折射，照射到目标平面的另一个端点，光源到下表面的光线光程+下表面到上表面光程+上表面到目标平面的另一个端点的光程之和始终为一个定值；
步骤S560、强制光线r1在点P1处折射并射向R2，确定出在P1点处的法向量n1的方向。
步骤S570、由光线r1的传播路径通过公式(3)求得由E1到R2之间的光程：所述公式(3)为：
Γ1＝[E1,P0]+n[P0,P1]+[P1,R2] (3)
所述公式(3)中，Γ1是总光程，E1是光源的一个端点，P0是下表面的起始点，该点是人为确定的；P1是光线E1 P0在透镜下表面折射后的折射光线照射到透镜上表面上的一点，这个点是根据折射定律由透镜上表面的入射光线和折射光线共同决定的；光线P0 P1在透镜上表面发生折射，照射到目标平面的另一个端点R2；
步骤S580、E2发出的一条光线r2过点P1折射后的光线P1R1的方向已经确定，根据折射定律的矢量形式的公式(4)进行下一步：
Figure BDA0002582528480000121
所述公式(4)中，n代表折射率，N代表法向矢量，Out代表出射光线矢量，In代表入射光线矢量；
步骤S590、根据公式(5)、(6)联立，得到相邻采样点之间的迭代关系，即可确定透镜上表面的下一点P2以及该点处的法向n2；
所述公式(5)为：
Figure BDA0002582528480000131
所述公式(5)中，透镜上表面上各点满足迭代关系，相邻的两个点坐标为(xi，yi)和(xi+1，yi+1)，两个点的斜率近似等于(xi+1，yi+1)点的斜率，k为斜率；
所述公式(6)为：
xi+1＝yi+1tan(Ai+1) (6)
所述公式(6)中，点坐标(xi+1，yi+1)的x轴坐标和y轴坐标，Ai+1为LED光源的出射光线与竖直线之间的夹角；
具体而言，请同时参见图10(f)，相邻的两个点坐标为(xi，yi)和(xi+1，yi+1)，两个点的斜率近似等于(xi+1，yi+1)点的斜率；P1、P2是目标平面的两个端点，(xi，yi)和(xi+1，yi+1)是透镜上表面(即配光区域)的轮廓线上的两个点坐标；
步骤S592、由光线r2的传播路径通过公式(7)求得由E2到R1之间的光程；
所述公式(7)为：
Γ2＝[E2,P2]+n[P2,P1]+[P1,R1] (7)
所述公式(7)中，Γ2是总光程，Γ1＝Γ2，E2是光源的一个端点，R1是目标平面的另一个端点，P1在Γ1光程中确定，根据折射定律和光程相等即可得到点P2；
步骤S594、根据同一光源对应的同一像点所有的光线光程相同，交替应用上述的方法，不断确定出轮廓线上的点，直到轮廓线与链接面相交。
请参阅图6，图6为本发明一实施例的所述对配光面进行区域划分，包括步骤的流程图；所述步骤，包括：
步骤S610、判断花瓣形状是否相同；
步骤S620、若花瓣形状相同，则根据花瓣数量划分配光面各区域对应的平面角度，以公式(1)计算单个花瓣配光面各区域对应的平面角度α；所述公式(1)为：
Figure BDA0002582528480000141
公式(1)中，n为花瓣数量；α为单个花瓣配光面各区域对应的平面角度；
步骤S630、若花瓣形状不相同，则根据各花瓣数量分配配光面各区域，设所述各区域对应的平面角度分别为α1、α2、α3……αn，则所述对应的平面角度之和应当满足关系式(2)：所述关系式(2)为：
α1+α2+α3+…+αn＝360° (2)
请参阅图7，图7为本发明一实施例的所述内表面设计包括步骤的流程图；所述步骤包括：
步骤S710、根据需要判断内表面设计为球面还是柱面；
具体而言，根据需要判断内表面设计为球面还是柱面，用以确定了内表面面型；内表面均为球面即可。这里不考虑柱面情况了。其实球面和柱面是根据加工需求，球面的话第一个面折射光路不变，直接照射到内全反射面发生全反射；柱面需要求出折射光线，折射光线再在内全反射面发生全反射；
步骤S720、对入射到内全反射面的入射光线按照反射定律进行修正。
具体而言，LED光源的出射光线呈朗伯分布，大角度光线照射到内全反射面，根据反射定律在内全反射面发生全反射形成准直光线，照射到配光面。
请参阅图8，图8为本发明一实施例的所述连接面设计包括步骤的流程图；所述步骤包括：
步骤S810、根据设计完成的配光面以及内全反射面，将两个表面进行连接；
具体而言，连接的时候可以采用平面也可也采用曲面，该部分面积小，对整体性能影响较小；
步骤S820、将按照花形设计要求设计的配光面、内全反射面、内表面、连接面，通过组合的方式组合成透镜实体；
步骤S830、根据光源尺寸对该透镜进行整体缩放，以满足不同尺寸光源的安装要求。
请参阅图9，图9为本发明一实施例的所述步骤S830根据光源尺寸对该透镜进行整体缩放，以满足不同尺寸光源的安装要求之后，还包括步骤的流程图；所述步骤包括：
步骤S910、通过采用不同颜色的光源，实现不同颜色的照明效果。
在一些实施例中，可以采用不同颜色的LED光源形成不同颜色的花瓣照明效果。
本发明申请任一实施例所述的LED花形照明透镜的设计方法，所述对配光面进行区域划分，是根据花瓣数量来决定所述配光面的区域划分数量；再通过对配光面划分的每个区域进行设计，得到具有所述花瓣数量的透镜。
本发明申请任一实施例所述的LED花形照明透镜，能够实现任一实施例所述的LED花形照明透镜的设计方法。
请参阅图10，图10为本发明一实施例的一种LED花形照明透镜的示意图；所述示意图分为：
图10(a)为本发明申请LED花形照明透镜轴视图；
图10(b)为本发明申请LED花形照明透镜俯视图；
图10(c)为本发明申请LED花形照明透镜侧视图；
图10(d)为本发明申请LED花形照明透镜三维剖视图；
图10(e)为本发明申请LED花形照明透镜光路图；
图10(f)为本发明申请LED花形照明透镜的内全反射面光路图；
如图10(d)所示，LED光源1发出光线，所述LED花形照明透镜包括：内表面2、配光面4、内全反射面3和连接面5；配光面4进行区域划分，每个区域内有配光面4，配光面4为三维自由曲面；配光面4的面型在不同剖面内，能够将光源发出的光线成像为不同范围的照明区域；所述不同范围的照明区域组合在一起，使得光源发出的光线经过单个配光面4后形成具有花瓣形的光斑。
所述配光面4划分区域可以根据花瓣数量对配光面4进行角度划分；并在每个区域内设计配光面；
由LED光源1发出中心角度之外的光线经过内表面2后到达内全反射面3，所述内全反射面3对大角度光线进行反射，反射光线进入到花瓣形照明区域，具有提高能量利用率的有益效果。同时，该透镜设计中的花瓣数量可以根据实际需要对配光面4的平面角度进行划分，划分成与实际需要的花瓣数量对应的平面区域；配光面4的每条轮廓线都可以根据实际需要的光分布进行调节，在照明区域得到想要的花瓣形照明光斑的光分布，因此该透镜还具有灵活的花瓣数量设计和灵活的花瓣照明光斑的光分布设计的有益效果。
本发明申请一实施例的LED花形照明透镜中，所述内表面2，用以将LED光源发出的中心角度、高能量的光线，折射后进入透镜，使光线在不同花瓣对应的区域内到达配光面4，配光面4对不同的入射光线进行二次调节，通过配光面4的轮廓线对光线进行调节，在照明区域形成花瓣形照明光斑；
所述内表面2，还用以将LED光源发出的大角度、低能量的光线，折射后进入到内全反射面3，经过内全反射面3以及配光面4的调整后照射到花瓣照明区域。
本发明申请一实施例的LED花形照明透镜中，所述的LED花形照明透镜，所述透镜的材料包括：玻璃或塑料。在一些实施例中也可以使用玻璃和塑料的混合体或连接体。透镜加工使用包括塑料的材料，具有质量轻、形状容易控制、不易碎、生产效率高、成本低，短期内很容易普及的有益效果。
请参阅图11，图11为本发明申请一实施例的LED花形照明透镜的辐照度分析图；在一些实施例中，LED光源1采用的光通量为1000lm，目标平面与LED光源相距1m，光源发出的光线通过LED花形照明透镜，光线在公式(4)的作用下在目标面上产生如图11所示的辐照度分布图。该辐照度分布图显示光斑为花形，经过分析该透镜的光能利用率可到达80％以上，最大光照度可达400lx。
同时，请参阅图12，图12为本发明申请一实施例的LED花形照明透镜的配光曲线图。在上述一些实施例中，所述LED光源1的光源经过透镜在空间的光强分布如配光曲线图12所示。该配光曲线为经过花形光斑某一特定花瓣最大光强方向所在平面的空间光强分布，由于花形光斑的非对称性，因此该配光左右非对称。通过该配光曲线可见，最大光强方向角度为36°，相邻两个花瓣之间的为72°，最终形成空间均匀分布的五个花瓣。
对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (14)

1.一种LED花形照明透镜的设计方法，其特征在于，包括：
构建内全反射面的面型；
构建配光面的面型；
对配光面进行区域划分；
构建内表面；
构建连接面。
2.根据权利要求2所述的LED花形照明透镜的设计方法，其特征在于，所述构建内全反射面的面型，包括步骤：
构建内表面的形式为球形，将LED光源置于球形中心；
构建一个主轮廓线，绕中心轴旋转，即形成了内全反射面。
3.根据权利要求2所述的LED花形照明透镜的设计方法，其特征在于，所述构建一个主轮廓线，包括步骤：
以所述LED光源上表面中点为坐标原点O，建立直角坐标系；
根据公式(4)得到光源的出射光线的表达式(8)；
所述公式(4)为：
Figure FDA0002582528470000011
所述公式(4)中，n代表折射率，N代表法向矢量，Out代表出射光线矢量，In代表入射光线矢量；
所述表达式(8)为：
Figure FDA0002582528470000012
所述公式(8)中，x代表内全反射面上点的x轴坐标，y代表内全反射面上点的y轴坐标，i代表x方向的单位矢量，j代表y方向的单位矢量，In代表入射光线矢量；
根据全反射定律，得到内全反射面3的切线表达式(9)；所述表达式(9)为：
Figure FDA0002582528470000021
所述公式(9)中，x代表内全反射面上点的x轴坐标；y代表内全反射面上点的y轴坐标，i代表x方向的单位矢量，j代表y方向的单位矢量，In代表入射光线矢量，P代表切线矢量。
4.根据权利要求1所述的LED花形照明透镜的设计方法，其特征在于，所述构建配光面的面型，包括步骤：
确定各配光区域的中心线，该中心线即为各区域的平面角平分线；
经过该中心线与竖直线确定的平面内，对配光面在该平面内构建轮廓线；
由平面内的不同轮廓线进行连接即得到配光面；
各区域的配光面组合在一起即得到整体的配光面。
5.根据权利要求4所述的LED花形照明透镜的设计方法，其特征在于，所述对配光面在该平面内构建轮廓线，包括步骤：
以所述LED光源上表面中点为坐标原点O，建立直角坐标系；
定义所述LED光源为E1E2和接收器为R1R2，y轴与E1E2垂直平分，设计一个配光面的轮廓线，E1、E2点发出的边缘光线通过轮廓线的折射后分别对应的汇聚到接收器的端点R1、R2处；
在y轴上选择一点P0作为所设计的透镜的表面点链的起始点；
E1发出的一条光线r1在P0发生折射；
沿着折射光线选择一点P1作为透镜下表面点链的起始点；
强制光线r1在点P1处折射并射向R2，确定出在P1点处的法向量n1的方向；
由光线r1的传播路径通过公式(3)求得由E1到R2之间的光程；所述公式(3)为：
Γ1＝[E1,P0]+n[P0,P1]+[P1,R2] (3)
所述公式(3)中，Γ1是总光程，E1是光源的一个端点，P0是下表面的起始点，该点是人为确定的；P1是光线E1 P0在透镜下表面折射后的折射光线照射到透镜上表面上的一点，这个点是根据折射定律由透镜上表面的入射光线和折射光线共同决定的；光线P0 P1在透镜上表面发生折射，照射到目标平面的另一个端点R2；
E2发出的一条光线r2过点P1折射后的光线P1R1的方向已经确定，根据折射定律的矢量形式的公式(4)进行下一步：
Figure FDA0002582528470000031
所述公式(4)中，n代表折射率，N代表法向矢量，Out代表出射光线矢量，In代表入射光线矢量；
根据公式(5)、(6)联立，得到相邻采样点之间的迭代关系，即可确定透镜上表面的下一点P2以及该点处的法向n2；
所述公式(5)为：
Figure FDA0002582528470000032
所述公式(5)中，透镜上表面上各点满足迭代关系，相邻的两个点坐标为(xi，yi)和(xi+1，yi+1)，两个点的斜率近似等于(xi+1，yi+1)点的斜率，k为斜率；
所述公式(6)为：
xi+1＝yi+1tan(Ai+1) (6)
所述公式(6)中，点坐标(xi+1，yi+1)的x轴坐标和y轴坐标，Ai+1为LED光源的出射光线与竖直线之间的夹角；
由光线r2的传播路径通过公式(7)求得由E2到R1之间的光程；所述公式(7)为：
Γ2＝[E2,P2]+n[P2,P1]+[P1,R1] (7)
所述公式(7)中，Γ2是总光程，Γ1＝Γ2，E2是光源的一个端点，R1是目标平面的另一个端点，P1在Γ1光程中确定，根据折射定律和光程相等即可得到点P2；
根据同一光源对应的同一像点所有的光线光程相同，交替应用上述的方法，不断确定出轮廓线上的点，直到轮廓线与链接面相交。
6.根据权利要求1所述的LED花形照明透镜的设计方法，其特征在于，所述对配光面进行区域划分，包括步骤：
判断花瓣形状是否相同；
若花瓣形状相同，则根据花瓣数量划分配光面各区域对应的平面角度，以公式(1)计算单个花瓣配光面各区域对应的平面角度α；所述公式(1)为：
Figure FDA0002582528470000041
所述公式(1)中，n为花瓣数量；α为单个花瓣配光面各区域对应的平面角度；
若花瓣形状不相同，则根据各花瓣数量分配配光面各区域，设所述各区域对应的平面角度分别为α1、α2、α3……αn，则所述对应的平面角度之和应当满足关系式(2)：所述关系式(2)为：
α1+α2+α3+…+αn＝360° (2)
7.根据权利要求1所述的LED花形照明透镜的设计方法，其特征在于，所述内表面设计，包括步骤：
根据需要判断内表面设计为球面还是柱面；
对入射到内全反射面的入射光线按照反射定律进行修正。
8.根据权利要求1所述的LED花形照明透镜的设计方法，其特征在于，所述连接面设计，包括步骤：
根据设计完成的配光面以及内全反射面，将两个表面进行连接；
将按照花形设计要求设计的配光面、内全反射面、内表面、连接面，通过组合的方式组合成透镜实体；
根据光源尺寸对该透镜进行整体缩放，以满足不同尺寸光源的安装要求。
9.根据权利要求8所述的LED花形照明透镜的设计方法，其特征在于，所述根据光源尺寸对该透镜进行整体缩放，以满足不同尺寸光源的安装要求之后，还包括：
通过采用不同颜色的光源，实现不同颜色的照明效果。
10.根据权利要求1-9任一所述的LED花形照明透镜的设计方法，其特征在于，所述对配光面进行区域划分，是根据花瓣数量来决定所述配光面的区域划分数量；再通过对配光面划分的每个区域进行设计，得到具有所述花瓣数量的透镜。
11.一种LED花形照明透镜，其特征在于，所述透镜能够实现权利要求1-10任一所述的LED花形照明透镜的设计方法。
12.一种LED花形照明透镜，其特征在于，所述LED花形照明透镜包括：内表面、配光面、内全反射面和连接面，配光面进行区域划分，每个区域内有配光面，配光面为三维自由曲面，配光面的面型在不同剖面内，能够将光源发出的光线成像为不同范围的照明区域，所述不同范围的照明区域组合在一起，使得光源发出的光线经过单个配光面后形成具有花瓣形的光斑；
所述配光面进行区域划分可以根据花瓣数量对配光面进行角度划分，并在每个区域内设计配光面；
由光源发出中心角度之外的光线经过内表面后到达内全反射面，所述内全反射面对大角度光线进行反射，反射光线进入到花瓣形照明区域。
13.根据权利要求12所述的LED花形照明透镜，其特征在于，所述内表面，用以将LED光源发出的中心角度、高能量的光线，折射后进入透镜，使光线在不同花瓣对应的区域内到达配光面，配光面对不同的入射光线进行二次调节，通过配光面的轮廓线对光线进行调节，在照明区域形成花瓣形照明光斑；
所述内表面，还用以将LED光源发出的大角度、低能量的光线，折射后进入到内全反射面，经过内全反射面以及配光面的调整后照射到花瓣照明区域。
14.根据权利要求12所述的LED花形照明透镜，其特征在于，透镜的材料包括：玻璃、塑料。
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