CN112728504B - 一种tir准直透镜轮廓模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TIR准直透镜轮廓模拟方法，涉及透镜技术领域，包括以下步骤：1)、根据反射定律、折射定律以及反射率和偏振的关系，得出不产生杂散光的条件；2)、根据不产生杂散光的条件，计算出入射角θ_i的取值范围；根据入射角θ_i计算出α₁，并取定值；根据入射角θ_i和定值α₁计算出θ₃，并取定值；根据α₁计算出α₂+α₃，α₃选取定值，由于α₁已取定值，计算出α₂的值；根据入射角θ_i计算出α₃‑θ₂，由于α₃为定值，计算出θ₂，并取定值；根据制造需求，选取θ₁为定值；3)、根据α₁、α₂、α₃、θ₁以及θ₂的值，并选择一个初始点，绘制出TIR准直透镜轮廓；本发明的有益效果在于它设计出的透镜，不仅能有效去除杂散光，还能降低透镜的高度。

Description

一种TIR准直透镜轮廓模拟方法

技术领域

本发明涉及透镜技术领域，具体涉及一种TIR准直透镜轮廓模拟方法。

背景技术

LED光源直接输出光的光束角较大，在进行远距离照明时，目标面上接收到的光线比较少。相关的解决办法是，在LED光源前添加一个TIR准直透镜，原本较大的光束角被TIR准直透镜约束到一个较小的范围，但是，LED光源发出的光线经过TIR准直透镜后，虽然光束角显著减小，但是出现了许多杂散光。

相关的改进后的TIR准直透镜虽然能有效去除杂散光，但是，为了将改进后的TIR准直透镜顺利安装在光源上，需要保证其底部开口的大小大于LED光源的大小，由于其底部开口的大小和其高度存在一定关系，进而导致改进后的TIR准直透镜的高度过高，进而导致降低透镜制造效率、灯体尺寸随之增大等一系列问题。

发明内容

1、发明要解决的技术问题

针对TIR准直透镜虽然能有效去除杂散光，但是透镜的高度过高的技术问题，本发明提供了一种TIR准直透镜轮廓模拟方法，它设计出的透镜，不仅能有效去除杂散光，还能降低透镜的高度。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

一种TIR准直透镜轮廓模拟方法，所述方法包括以下步骤：

1)、根据反射定律、折射定律以及反射率和偏振的关系，得出不产生杂散光的条件；

2)、根据不产生杂散光的条件，计算出光源的光线入射角θ_i的取值范围；根据光源的光线入射角θ_i的取值范围计算出α₁的取值范围，并在取值范围内选取定值；根据光源的光线入射角θ_i的取值范围和定值α₁计算出θ₃的取值范围，并在取值范围内选取定值；根据α₁的取值范围计算出α₂+α₃的取值范围，α₃选取定值，由于α₁已取定值，计算出α₂的值；根据光源的光线入射角θ_i的取值范围计算出α₃-θ₂的取值范围，由于α₃为定值，计算出θ₂的取值范围，并在取值范围内选取定值；根据制造需求，选取θ₁为定值；

3)、根据α₁、α₂、α₃、θ₁以及θ₂的值，并选择一个初始点，绘制出TIR准直透镜轮廓；

其中，线一和y轴之间的夹角为α₁；

第二轮廓线和x轴的夹角为θ₃，线一和线二之间的夹角为α₂；

第四轮廓线和竖直方向的夹角为θ₁；

第五轮廓线和竖直方向的夹角为θ₂，线二和x轴的夹角为α₃。

可选的，所述TIR准直透镜轮廓包括

第一轮廓线，光源和所述第一轮廓线一端的连线为线一，线一和y轴之间的夹角为α₁；

第二轮廓线，所述第二轮廓线位于第一轮廓线一端，第二轮廓线和x轴的夹角为θ₃，光源和第二轮廓线远离第一轮廓线的一端的连线为线二，线一和线二之间的夹角为α₂；

第三轮廓线，所述第三轮廓线位于第二轮廓线远离第一轮廓线的一端；

第四轮廓线，所述第四轮廓线位于第三轮廓线远离第二轮廓线的一端，第四轮廓线和竖直方向的夹角为θ₁；

第五轮廓线，所述第五轮廓线位于第四轮廓线远离第三轮廓线的一端，第五轮廓线5和竖直方向的夹角为θ₂，线二和x轴的夹角为α₃；

第六轮廓线，所述第六轮廓线位于第五轮廓线远离第四轮廓线的一端；

第七轮廓线，所述第七轮廓线位于第六轮廓线远离第五轮廓线的一端。

可选的，

入射光线和反射光线遵循反射定律：

θ_i＝θ_r (1)

式(1)中θ_i为入射角，θ_r为反射角；

入射光线和折射光线遵循折射定律：

式(2)中n₁为入射光线所在介质的折射率，n₂为折射光线所在介质的折射率；

入射光被介质分界面反射的比例称为反射率，反射率和入射光的偏振有关，对于s偏振，有：

式(3)中R_s是s偏振对应的反射率；

对于p偏振，有：

式(4)中R_p是p偏振对应的反射率；

光线从透镜入射到空气，在发生全反射前，总会出现杂散光，即总有R_s+R_p>0。为了验证设计出的透镜去除杂散光的能力，借助TracePro，并认为在TracePro仿真时，不出现蓝色光线就说明设计出的透镜有效减少了杂散光。而TracePro出现蓝色光线的阈值为R_s+R_p>0.1，即对于TracePro而言，当R_s+R_p>0.1时，出现杂散光。

可选的，根据出现杂散光的条件为R_s+R_p>0.1，采用二分法计算出θ_i>45.6288°，即，当θ_i≤45.6288°时不出现杂散光。

可选的，根据不出现杂散光的条件为θ_i≤45.6288°，采用裁剪法计算出α₁≤17.0333°，即，当α₁≤17.0333°时不出现杂散光。

可选的，根据不出现杂散光的条件为θ_i≤45.6288^°，且α₁≤17.0333^°，根据(90°-θ_i)+(90°-α₁)+θ₃＝180°，计算出θ₃≤62.6621°，即，当θ₃≤62.6621°时不出现杂散光。

可选的，根据α₂+α₃＝90°-α₁，且α₁≤17.0333°，计算出α₂+α₃≥72.9667°。

可选的，根据(90°+θ_i)＝α₃+(90°-θ₂)，且θ_i≤45.6288°，计算出α₃-θ₂≤45.6288°，即θ₂≥α₃-45.6288°。

可选的，所述第四轮廓线和竖直方向的夹角θ₁大于等于2°。

可选的，根据α₁、α₂、α₃、θ₁以及θ₂的值，并选择一个初始点，绘制出TIR准直透镜轮廓。

3、有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：它设计出的透镜，不仅能有效去除杂散光，还能降低透镜的高度。

附图说明

图1为本发明实施例提出的反射、折射定律示意图；

图2为本发明实施例提出的TIR准直透镜的每个面的示意图；

图3为本发明实施例提出的TIR准直透镜的轮廓图。

图中：1、第一轮廓线；2、第二轮廓线；3、第三轮廓线；4、第四轮廓线；5、第五轮廓线；6、第六轮廓线；7、第七轮廓线；8、光源；9、线一；10、线二。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。本发明中所述的第一、第二等词语，是为了描述本发明的技术方案方便而设置，并没有特定的限定作用，均为泛指，对本发明的技术方案不构成限定作用。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

具体实施例

结合附图1-3，本发明提供了一种TIR准直透镜轮廓模拟方法，方法包括以下步骤：

1)、根据反射定律、折射定律以及反射率和偏振的关系，得出不产生杂散光的条件；

2)、根据不产生杂散光的条件，计算出光源8的光线入射角θ_i的取值范围；根据光源8的光线入射角θ_i的取值范围计算出α₁的取值范围，并在取值范围内选取定值；根据光源8的光线入射角θ_i的取值范围和定值α₁计算出θ₃的取值范围，并在取值范围内选取定值；根据α₁的取值范围计算出α₂+α₃的取值范围，α₃选取定值，由于α₁已取定值，计算出α₂的值；根据光源8的光线入射角θ_i的取值范围计算出α₃-θ₂的取值范围，由于α₃为定值，计算出θ₂的取值范围，并在取值范围内选取定值；根据制造需求，选取θ₁为定值；

3)、根据α₁、α₂、α₃、θ₁以及θ₂的值，并选择一个初始点，绘制出TIR准直透镜轮廓；

其中，线一9和y轴之间的夹角为α₁；

第二轮廓线2和x轴的夹角为θ₃，线一9和线二10之间的夹角为α₂；

第四轮廓线4和竖直方向的夹角为θ₁；

第五轮廓线5和竖直方向的夹角为θ₂，线二10和x轴的夹角为α₃。

具体的，TIR准直透镜轮廓包括

第一轮廓线1，光源8和第一轮廓线1一端的连线为线一9，线一9和y轴之间的夹角为α₁；

第二轮廓线2，第二轮廓线2位于第一轮廓线1一端，第二轮廓线2和x轴的夹角为θ₃，光源8和第二轮廓线2远离第一轮廓线1的一端的连线为线二10，线一9和线二10之间的夹角为α₂；

第三轮廓线3，第三轮廓线3位于第二轮廓线2远离第一轮廓线1的一端；

第四轮廓线4，第四轮廓线4位于第三轮廓线3远离第二轮廓线2的一端，第四轮廓线4和竖直方向的夹角为θ₁；

第五轮廓线5，第五轮廓线5位于第四轮廓线4远离第三轮廓线3的一端，第五轮廓线5和竖直方向的夹角为θ₂，线二10和x轴的夹角为α₃；

第六轮廓线6，第六轮廓线6位于第五轮廓线5远离第四轮廓线4的一端；

第七轮廓线7，第七轮廓线7位于第六轮廓线6远离第五轮廓线5的一端。

步骤1)的具体过程如下：

入射光线和反射光线遵循反射定律：

θ_i＝θ_r (1)

式(1)中θ_i为入射角，θ_r为反射角；

入射光线和折射光线遵循折射定律：

式(2)中n₁为入射光线所在介质的折射率，n₂为折射光线所在介质的折射率；

入射光被介质分界面反射的比例称为反射率，反射率和入射光的偏振有关，对于s偏振，有：

式(3)中R_s是s偏振对应的反射率；

对于p偏振，有：

式(4)中R_p是p偏振对应的反射率；

光线从透镜入射到空气，在发生全反射前，总会出现杂散光，即总有R_s+R_p>0。为了验证设计出的透镜去除杂散光的能力，借助TracePro，并认为在TracePro仿真时，不出现蓝色光线就说明设计出的透镜有效减少了杂散光。而TracePro出现蓝色光线的阈值为R_s+R_p>0.1，即对于TracePro而言，当R_s+R_p>0.1时，出现杂散光。

具体的，根据出现杂散光的条件为R_s+R_p>0.1，采用二分法计算出θ_i>45.6288°，即，当θ_i≤45.6288°时不出现杂散光。

步骤2)的具体过程如下：

根据不出现杂散光的条件为θ_i≤45.6288°，采用裁剪法计算出α₁≤17.0333°，即，当α₁≤17.0333°时不出现杂散光。其中，α₁可以取到17.0333°、17°或者16°等等，光线经过第一面(第一轮廓线1沿中心旋转360°后形成的面)后变为平行光，只发生一次作用，能量损失小，因此使第一面的面积最大，即使第一轮廓线1最长，故取α₁＝17.0333°。

具体的，根据不出现杂散光的条件为θ_i≤45.6288°，且α₁≤17.0333°，根据(90°-θ_i)+(90°-α₁)+θ₃＝180°，计算出θ₃≤62.6621°，即，当θ₃≤62.6621°时不出现杂散光。其中，θ₃可以取到62.6621°、62°或者60°等等，由于θ₃越小，透镜高度越小，为了尽可能减小透镜的高度，故取θ₃＝62.6621°。

具体的，根据α₂+α₃＝90°-α₁，且α₁≤17.0333°，计算出α₂+α₃≥72.9667°。

具体的，在范围内，一个不同度数的α₃对应一个透镜，该实施例取α₃＝50°，则α₂＝22.9667°。

具体的，根据(90°+θ_i)＝α₃+(90°-θ₂)，且θ_i≤45.6288°，计算出α₃-θ₂≤45.6288°，即θ₂≥α₃-45.6288°。其中，当α₃＝50°，则θ₂≥4.3712°，θ₂可以取到4.3712°、5°或者6°，该实施例取θ₂＝4.3712°。

具体的，为了便于拔模，顺利制造出透镜，第四轮廓线4和竖直方向的夹角θ₁大于等于2°，具体可以取2°、4°或者6°等等，该实施例取θ₁＝2°。

步骤3)的具体过程如下：

该实施例选取初始点为(0，2.2)，综上，α₁＝17.0333°，α₂＝22.9667°，α₃＝50°，θ₁＝2°，θ₂＝4.3712°，绘制出TIR准直透镜轮廓。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种TIR准直透镜轮廓模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)、根据反射定律、折射定律以及反射率和偏振的关系，得出不产生杂散光的条件；

2)、根据不产生杂散光的条件，计算出光源的光线入射角θ_i的取值范围；根据光源的光线入射角θ_i的取值范围计算出α₁的取值范围，并在取值范围内选取定值；根据光源的光线入射角θ_i的取值范围和定值α₁计算出θ₃的取值范围，并在取值范围内选取定值；根据α₁的取值范围计算出α₂+α₃的取值范围，α₃选取定值，由于α₁已取定值，计算出α₂的值；根据光源的光线入射角θ_i的取值范围计算出α₃-θ₂的取值范围，由于α₃为定值，计算出θ₂的取值范围，并在取值范围内选取定值；根据制造需求，选取θ₁为定值；

3)、根据α₁、α₂、α₃、θ₁以及θ₂的值，并选择一个初始点，绘制出TIR准直透镜轮廓；

其中，线一和y轴之间的夹角为α₁；

第二轮廓线和x轴的夹角为θ₃，线一和线二之间的夹角为α₂；

第四轮廓线和竖直方向的夹角为θ₁；

第五轮廓线和竖直方向的夹角为θ₂，线二和x轴的夹角为α₃；

所述TIR准直透镜轮廓包括

第一轮廓线，光源和所述第一轮廓线一端的连线为线一，线一和y轴之间的夹角为α₁；

第二轮廓线，所述第二轮廓线位于第一轮廓线一端，第二轮廓线和x轴的夹角为θ₃，光源和第二轮廓线远离第一轮廓线的一端的连线为线二，线一和线二之间的夹角为α₂；

第三轮廓线，所述第三轮廓线位于第二轮廓线远离第一轮廓线的一端；

第四轮廓线，所述第四轮廓线位于第三轮廓线远离第二轮廓线的一端，第四轮廓线和竖直方向的夹角为θ₁；

第五轮廓线，所述第五轮廓线位于第四轮廓线远离第三轮廓线的一端，第五轮廓线和竖直方向的夹角为θ₂，线二和x轴的夹角为α₃；

第六轮廓线，所述第六轮廓线位于第五轮廓线远离第四轮廓线的一端；

第七轮廓线，所述第七轮廓线位于第六轮廓线远离第五轮廓线的一端。

2.根据权利要求1所述的一种TIR准直透镜轮廓模拟方法，其特征在于，

入射光线和反射光线遵循反射定律：

θ_i＝θ_r (1)

式(1)中θ_i为入射角，θ_r为反射角；

入射光线和折射光线遵循折射定律：

式(2)中n₁为入射光线所在介质的折射率，n₂为折射光线所在介质的折射率；

入射光被介质分界面反射的比例称为反射率，反射率和入射光的偏振有关，对于s偏振，有：

式(3)中R_s是s偏振对应的反射率；

对于p偏振，有：

式(4)中R_p是p偏振对应的反射率；

光线从透镜入射到空气，在发生全反射前，总会出现杂散光，即总有R_s+R_p＞0，为了验证设计出的透镜去除杂散光的能力，借助TracePro，并认为在TracePro仿真时，不出现蓝色光线就说明设计出的透镜有效减少了杂散光，而TracePro出现蓝色光线的阈值为R_s+R_p＞0.1，即对于TracePro而言，当R_s+R_p＞0.1时，出现杂散光。

3.根据权利要求2所述的一种TIR准直透镜轮廓模拟方法，其特征在于，根据出现杂散光的条件为R_s+R_p＞0.1，采用二分法计算出θ_i＞45.6288°，即，当θ_i≤45.6288°时不出现杂散光。

4.根据权利要求3所述的一种TIR准直透镜轮廓模拟方法，其特征在于，根据不出现杂散光的条件为θ_i≤45.6288°，采用裁剪法计算出α₁≤17.0333°，即，当α₁≤17.0333°时不出现杂散光。

5.根据权利要求4所述的一种TIR准直透镜轮廓模拟方法，其特征在于，根据不出现杂散光的条件为θ_i≤45.6288°，且α₁≤17.0333°，根据(90°-θ_i)+(90°-α₁)+θ₃＝180°，计算出θ₃≤62.6621°，即，当θ₃≤62.6621°时不出现杂散光。

6.根据权利要求5所述的一种TIR准直透镜轮廓模拟方法，其特征在于，根据α₂+α₃＝90°-α₁，且α₁≤17.0333°，计算出α₂+α₃≥72.9667°。

7.根据权利要求6所述的一种TIR准直透镜轮廓模拟方法，其特征在于，根据(90°+θ_i)＝α₃+(90°-θ₂)，且θ_i≤45.6288°，计算出α₃-θ₂≤45.6288°，即θ₂≥α₃-45.6288°。

8.根据权利要求1所述的一种TIR准直透镜轮廓模拟方法，其特征在于，所述第四轮廓线和竖直方向的夹角θ₁大于等于2°。

9.根据权利要求1-7任一项所述的一种TIR准直透镜轮廓模拟方法，其特征在于，根据α₁、α₂、α₃、θ₁以及θ₂的值，并选择一个初始点，绘制出TIR准直透镜轮廓。

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