CN114895390B - 一种微分式面元自由曲面透镜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微分式面元自由曲面透镜及其制造方法，采用预设微分自由曲面面元的高度，当所述面元的高度达到所述预设高度时，断点并移至所述面元初始计算点高度，通过比较断点平移前后的入射光线与垂线的夹角，采取不同的角度进行下一个面元的计算，从而消除了暗条纹，使得出射光场亮度均匀一致；采用部分微透镜阵列替代法，避免因LED光源中心蓝光成分过多导致出射光场空间颜色分布不均的现象，同时采用光滑平面或者曲面作为出射面，具有易清洁的有益效果。

Description

一种微分式面元自由曲面透镜及其制造方法

技术领域

本发明属于LED灯具二次配光透镜技术领域，尤其涉及一种微分式面元自由曲面透镜及其制造方法。

背景技术

因LED灯具有着光效高、寿命长、能耗低等优点，LED灯具已被广泛应用于道路、隧道、球场等场合，且在户外大功率照明中占主导地位。在LED灯具中，为了实现既定的配光效果，得到目标光场，需要对LED光源进行二次光学设计，灯具透镜应运而生，传统LED路灯透镜多采用如花生米透镜的形式，对入射面和出射面进行设计计算得出；之后为解决透镜表面不光滑易脏污，且单颗灯珠配光形式单一，无法进行整体光学设计的技术问题，提出了如CN205938597U中的LED光引擎及CN204853338U中的内鳞甲透镜，其入射面均采用由多个曲面无缝拼接而成，但均存在未能射出的光子能量在灯具内部形成热量累积，加速LED光源的光衰，降低了灯具的使用寿命的技术问题；同时采用曲面拼接形成入射面的光学透镜存在暗条纹，混色不均匀，且透镜厚度较厚的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种微分式面元自由曲面透镜及其制造方法，用于解决曲面入射面透镜存在的出光效率低，出射光场存在暗条纹，混色不均匀，且透镜厚度较厚的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种微分式面元自由曲面透镜，包括入射面、出射面及透镜本体，所述入射面由多个微分面元组成，所述入射面为采用条件断点法计算得出的自由曲面。

优选地，所述出射面为平面或者光滑曲面。

优选地，所述入射面还包括微透镜阵列，所述微透镜阵列由多颗微透镜组成。

优选地，所述微透镜阵列的中心位于所述入射面的中心点处。

优选地，所述微透镜阵列的微透镜为乱序排列，任一所述微透镜的中心不在四周相邻两颗微透镜中心连线上。

优选地，所述微透镜阵列的微透镜按照横纵列均匀分布。

优选地，所述透镜本体在垂直于所述出射面的方向上的厚度为0.5~10mm。

优选地，所述微分面元之间存在垂直于所述出射面的断差面。

优选地，所述微分面元之间由自由曲面连接平滑过渡。

一种微分式面元自由曲面透镜的制造方法，包括以下步骤，

步骤1，设定出射面所在的平面为XY面，通过光源中心并垂直于所述XY面的轴为Z轴，设定微分面元在所述Z轴方向上的最大允许高度为h，根据能量守恒定律及目标光场计算出入射光线与出射光线的初始映射关系，为第一映射关系，再由折射定律计算得出自由曲面；

步骤2，从中心初始点P开始，按所述第一映射关系及折射定律结合简单的几何关系，依次计算曲面坐标点P(n)，离散后的入射光线的入射角按等环带光能量分布；

步骤3，所述曲面坐标点P(n)计算至点P(n+1)，所述点P(n+1)处的入射光线与垂直于所述出射面的垂线之间的夹角为第一夹角θ(n+1)，所述点P(n+1)处的入射光线所对应的出射光线与所述垂线之间的夹角为第三夹角γ(n+1)，当所述点P(n+1)与所述中心初始点P的高度差大于所述最大允许高度h时，将所述点P(n+1)沿所述Z轴平移至与所述中心初始点P等高处，成为点P(n+1)'，并将所述点P(n+1)'作为下一个自由曲面微分面元的初始点，所述点P(n+1)'称为断点；

步骤4，重新计算所述点P(n+1)'处的入射光线与所述垂线之间的夹角为第二夹角θ(n+1)'，若所述第二夹角θ(n+1)'小于所述第一夹角θ(n+1)，则继续采用所述第一夹角θ(n+1)计算下一个微分面元；

步骤5，当所述第二夹角θ(n+1)'大于所述第一夹角θ(n+1)时，所述第二夹角θ(n+1)'经所述第一映射关系得到的出射角度为第四夹角γ(n+1)'，将出射光线从所述第四夹角γ(n+1)'对应的出射光线开始逐一往前删除至所述第三夹角γ(n+1)对应的出射光线；

步骤6，根据目标光场的出射角度的范围，对所述第一映射关系进行修正，经过几次迭代修正后即可得到目标出射光场，确定第二映射关系，根据所述第二映射关系确定微分面元，形成入射面；

步骤7，将所述入射面中的部分微分面元用微透镜阵列替换，所述微透镜阵列具有多颗微透镜，所述微透镜的中心排列为乱序阵列或标准阵列；

步骤8，所述出射面为平面或者与所述入射面相适应的光滑曲面。

与现有技术相比，本发明获得的有益效果是：

通过采用条件断点法设计得到微分式面元自由曲面透镜，由于设置了所述自由曲面从初始点至计算点的最大允许高度h，当第一计算点与所述初始点的高度差达到所述最大允许高度h时，即打断自由曲面的计算，将所述第一计算点移动至与所述初始点同等高度的位置，作为第二计算点，并根据所述第一计算点及所述第二计算点的入射光线与垂直于所述出射面的垂线之间的夹角之间的关系，采用原始映射关系或者对原始映射关系并根据目标出射光场进行迭代修正，用于消除相邻面元之间的出射光束之间的间隙，从而解决了微分曲面拼接形成的入射面存在的出射光场有暗纹的技术问题，具有出射光场亮度均匀一致的有益效果；

通过采用微分面元控制所述入射光线与所述垂线之间的夹角处于全反射角内，从而最大限度地出射光子能量，避免了热量累积导致LED光源寿命降低，具有较大出光效率的有益效果；

由于设置了所述最大允许高度，将自由曲面的厚度进行了限制，因此解决了传统微分曲面拼接形成入射面的透镜厚的技术问题，具有将灯具透镜减薄的有益效果；

采用平面出射面，解决了传统透镜容易脏污，不易清洁的技术问题，具有便于维护，自然风雨即可清洁的有益效果；

同时，将部分微分面元用微透镜阵列替代，采用乱序或者规则顺序的方式排列所述微透镜阵列，从而避免因LED光源中心蓝光成分过多导致出射光场空间颜色分布不均的技术问题，具有良好的混色效果。

附图说明

图1为本发明微分式面元自由曲面透镜示意图。

图2为本发明微分式面元自由曲面透镜的制造方法示意图。

附图标记：1-入射面；11-微分面元；2-出射面；3-透镜本体；4-微透镜阵列；41-微透镜。

具体实施方式

下面将结合本实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图1至附图2，公开了一种微分式面元自由曲面透镜，包括入射面1、出射面2及透镜本体3，所述入射面1由多个微分面元11组成，所述入射面1为采用条件断点法计算得出的自由曲面。

进一步地，所述出射面2为平面或者光滑曲面。

进一步地，所述入射面1还包括微透镜阵列4，所述微透镜阵列4由多颗微透镜41组成。

进一步地，所述微透镜阵列4的中心位于所述入射面1的中心点处。

进一步地，所述微透镜阵列4的微透镜41为乱序排列，任一所述微透镜41的中心不在四周相邻两颗微透镜41中心连线上。

进一步地，所述微透镜阵列4的微透镜41按照横纵列均匀分布。

进一步地，所述透镜本体3在垂直于所述出射面2的方向上的厚度为0.5~10mm。

进一步地，所述微分面元11之间存在垂直于所述出射面2的断差面。

进一步地，所述微分面元11之间由自由曲面连接平滑过渡。

一种微分式面元自由曲面透镜的制造方法，包括以下步骤，

步骤1，设定出射面2所在的平面为XY面，通过光源中心并垂直于所述XY面的轴为Z轴，设定微分面元11在所述Z轴方向上的最大允许高度为0.5mm，根据能量守恒定律及目标光场计算出入射光线与出射光线的初始映射关系，为第一映射关系，再由折射定律计算得出自由曲面；

步骤2，从中心初始点P开始，按所述第一映射关系及折射定律结合简单的几何关系，依次计算曲面坐标点P(n)，离散后的入射光线的入射角按等环带光能量分布，所述曲面坐标点P(n)处的入射光线与垂直于所述出射面2的垂线之间的夹角为θ(n)，所述曲面坐标点P(n)处的入射光线所对应的出射光线与所述垂线之间的夹角为γ(n)；

步骤3，请参阅附图2，所述曲面坐标点计算至点P(n+1)，所述点P(n+1)处的入射光线与垂直于所述出射面2的垂线之间的夹角为第一夹角θ(n+1)，所述点P(n+1)处的入射光线所对应的出射光线与所述垂线之间的夹角为第三夹角γ(n+1)，当所述点P(n+1)与所述中心初始点P的高度差大于所述最大允许高度0.5mm时，将所述点P(n+1)沿所述Z轴平移至与所述中心初始点P等高处，成为点P(n+1)'，并将所述点P(n+1)'作为下一个自由曲面微分面元的初始点，所述点P(n+1)'称为断点；

步骤4，重新计算所述点P(n+1)'处的入射光线与所述垂线之间的夹角为第二夹角θ(n+1)'，若所述第二夹角θ(n+1)'小于所述第一夹角θ(n+1)，则继续采用所述第一夹角θ(n+1)计算下一个微分面元11，所述第二夹角θ(n+1)'对应的出射光线与所述垂线之间的夹角仍为所述第三夹角γ(n+1)，所以两个微分面元11对应的出射光束仍然密合，无角度间隙；

步骤5，当所述第二夹角θ(n+1)'大于所述第一夹角θ(n+1)时，所述第二夹角θ(n+1)'经所述第一映射关系得到的出射角度为第四夹角γ(n+1)'，原离散后的入射角在所述第二夹角θ(n+1)'与所述第一夹角θ(n+1)之间的t个角度将被跳过，即入射角度数量将减少，为保证离散入射角数量与离散出射角度数量一致，且不改变出射光场能量分布形式，需要将出射角度调整至与入射角度数量一致，具体调整方式为：将出射光线从所述第四夹角γ(n+1)'对应的出射光线开始逐一往前删除至所述第三夹角γ(n+1)对应的出射光线，调整后的入射角虽然不连续，但其经过透镜折射的出射角为连续分布，因此出射光场仍能保证无角度间隙；

步骤6，经过删除后预置的出射角度范围将减小，根据目标光场的出射角度的范围，对所述第一映射关系进行修正，将所述第一映射关系中的最大出射角γ_N增大，以保证删除部分角度后的出射角度范围满足要求，经过几次迭代修正后即可得到目标出射光场，得到第二映射关系，因入射角按等环带光能量分布，所以入射角与出射角错位对应时依然能够满足原设定的出射光场能量分布，根据所述第二映射关系确定微分面元11，形成入射面1；

步骤7，将入射面1中的部分微分面元11用微透镜阵列4替换，所述微透镜阵列4为复眼透镜，具有多颗微透镜41，所述微透镜阵列4具有混色的效果；所述微透镜阵列4以所述Z轴与所述入射面1的交点为中心向四周进行排列或者位于所述入射面1的其他位置；所述微透镜阵列4中的各个微透镜41的透镜中心排列为乱序阵列或标准阵列，任一所述微透镜41的中心不在四周相邻两颗微透镜41中心的连线上；

步骤8，所述出射面2采用平面或者与所述入射面1相适应的光滑曲面。

以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多类似的改形，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明所要保护的范围。

Claims (10)

1.一种微分式面元自由曲面透镜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1，设定出射面所在的平面为XY面，通过光源中心并垂直于所述XY面的轴为Z轴，设定微分面元在所述Z轴方向上的最大允许高度为h，根据能量守恒定律及目标光场计算出入射光线与出射光线的初始映射关系，为第一映射关系，再由折射定律计算得出自由曲面；

步骤2，从中心初始点P开始，按所述第一映射关系及折射定律结合简单的几何关系，依次计算曲面坐标点P(n)，离散后的入射光线的入射角按等环带光能量分布；

步骤3，所述曲面坐标点P(n)计算至点P(n+1)，所述点P(n+1)处的入射光线与垂直于所述出射面的垂线之间的夹角为第一夹角θ(n+1)，所述点P(n+1)处的入射光线所对应的出射光线与所述垂线之间的夹角为第三夹角γ(n+1)，当所述点P(n+1)与所述中心初始点P的高度差大于所述最大允许高度h时，将所述点P(n+1)沿所述Z轴平移至与所述中心初始点P等高处，成为点P(n+1)'，并将所述点P(n+1)'作为下一个自由曲面微分面元的初始点，所述点P(n+1)'称为断点；

步骤4，重新计算所述点P(n+1)'处的入射光线与所述垂线之间的夹角为第二夹角θ(n+1)'，若所述第二夹角θ(n+1)'小于所述第一夹角θ(n+1)，则继续采用所述第一夹角θ(n+1)计算下一个微分面元；

步骤5，当所述第二夹角θ(n+1)'大于所述第一夹角θ(n+1)时，所述第二夹角θ(n+1)'经所述第一映射关系得到的出射角度为第四夹角γ(n+1)'，将出射光线从所述第四夹角γ(n+1)'对应的出射光线开始逐一往前删除至所述第三夹角γ(n+1)对应的出射光线；

步骤6，根据目标光场的出射角度的范围，对所述第一映射关系进行修正，经过几次迭代修正后即可得到目标出射光场，确定第二映射关系，根据所述第二映射关系确定微分面元，形成入射面；

步骤7，将所述入射面中的部分微分面元用微透镜阵列替换，所述微透镜阵列具有多颗微透镜，所述微透镜的中心排列为乱序阵列或标准阵列；

步骤8，所述出射面为平面或者与所述入射面相适应的光滑曲面。

2.一种微分式面元自由曲面透镜，包括入射面、出射面及透镜本体，其特征在于，所述入射面由多个微分面元组成，所述入射面采用如权利要求1所述的微分式面元自由曲面透镜的制造方法制备得到。

3.如权利要求2所述的微分式面元自由曲面透镜，其特征在于，所述出射面为平面或者光滑曲面。

4.如权利要求2所述的微分式面元自由曲面透镜，其特征在于，所述入射面还包括微透镜阵列，所述微透镜阵列由多颗微透镜组成。

5.如权利要求4所述的微分式面元自由曲面透镜，其特征在于，所述微透镜阵列的中心位于所述入射面的中心点处。

6.如权利要求4所述的微分式面元自由曲面透镜，其特征在于，所述微透镜阵列的微透镜为乱序排列，任一所述微透镜的中心不在四周相邻两颗微透镜中心连线上。

7.如权利要求4所述的微分式面元自由曲面透镜，其特征在于，所述微透镜阵列的微透镜按照横纵列均匀分布。

8.如权利要求2所述的微分式面元自由曲面透镜，其特征在于，所述透镜本体在垂直于所述出射面的方向上的厚度为0.5~10mm。

9.如权利要求2所述的微分式面元自由曲面透镜，其特征在于，所述微分面元之间存在垂直于所述出射面的断差面。

10.如权利要求2所述的微分式面元自由曲面透镜，其特征在于，所述微分面元之间由自由曲面连接平滑过渡。

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