CN201568890U - 自由曲面的led光源的透镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型为自由曲面的LED光源的透镜。目前的LED灯具对光源的配光采用反光罩或透镜来实现。反光罩只在特定场合下使用；透镜能使用在绝大多数场合，是理想的控光器件，也是LED灯具配光的最终趋势。本实用新型光学透镜含有一个自由曲面的内表面、一个自由曲面的外表面；自由曲面的设计采用等照度网格法：外表面的自由曲面上的每一大小不相等的小格对应路面上划分好的相等面积的矩形小格；内表面的自由曲面对应于外表面同样划分成相等份数的大小不相等的小格。表面结构上采用微分云点构面法，提供一种出光矩形光斑、光通量利用效率高、照度均匀度高的自由曲面的LED光源的透镜。

Description

自由曲面的LED光源的透镜

技术领域

本实用新型涉及LED光源的透镜领域，属LED光源配光应用技术领域。

背景技术

LED作为一种新颖的固体照明光源，由于其自身良好的诸多优势，如绿色环保、寿命长、体积小、定向发光、低电压下工作、光效高等，这都是传统灯具无法相比的优点，现在已进入到商业应用阶段。针对LED光源的特点设计的照明灯具也各不相同。目前的LED灯具对光源的配光采用反光罩或透镜来实现。反光罩只在特定场合下使用，且效果不是很理想，有其局限性。透镜能使用在绝大多数场合，是理想的控光器件，也是LED灯具配光的最终趋势。

目前，几乎所有的LED灯具的透镜设计追求的目标有三方面：1、矩形光斑；2、光通量利用效率高；3、照度均匀度高；但都是顾此失彼，只能做好某一方面，另一方面不能达到要求，存在明显的不足。

经过检索，比较发明专利200820042535.5“一种配光透镜”(简称：透镜一)、200820050703.5“一种LED路灯配光透镜”(简称：透镜二)和200710118965.0“一种用于LED的透镜”(简称：透镜三)：

如透镜一的光照范围是圆形，仅能适用少数场合，实际道路照明中大部分场所需要一个矩形的照明光斑，比如道路照明。如果光斑为圆形，那么灯与灯之间暗区形成斑马纹，均匀度低，不需要光照的地方也照射到，造成光浪费，出现较差的效果；

如透镜二中，透镜的底部可放置一个或多个LED光源，这是不妥的做法。因为透镜内侧壁的横截面面型把一个LED光源简化成点光源设计的，放置多个LED光源，则横截面只会符合一个光源的出光效果，其它几个光源不会按照预先设定的全反射的规律出光，造成透光漏光，光损失严重。更进一步，就算放置一个LED光源，也有其不足之处，因为相对于透镜，LED光源是面光源，光源中心点符合全反射要求，中心点以外的发光部分却不会按照预先设计的全反射规律出射，造成设计与实际效果相差悬殊，完全偏离设计初意，这样的后果就是远场光斑形状不是矩形，光通量利用低，均匀度差；

如透镜三，内表面用球形，LED光源放在球心，这种方法是得不到较好的出光效果的。因为球形在实际上对光源没有控制，这样透镜只依靠外表面折射控光，那么远处光场光斑形状和均匀度都不会很好。

综上所述，现阶段的透镜不能满足LED照明的需要，所以有必要设计一种性能良好弥补上述缺陷的透镜来供工业使用。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决上述问题，光学上采用等照度网格法，结构上采用微分云点构面法，提供一种出光矩形光斑、光通量利用效率高、照度均匀度高的自由曲面的LED光源的透镜。

本实用新型的特征在于：

它含有一个LED光源，和一个有两个自由曲面的透镜。

所述透镜含有一个自由曲面的内表面，一个自由曲面的外表面。自由曲面的设计采用等照度网格法。

所述透镜等照度网格法内容如下：外表面的自由曲面上的每一大小不相等的小格对应路面上划分好的相等面积的矩形小格，从外表面的自由曲面每一大小不相等的小格出射的光束照射到路面对应的矩形小格上，使到达路面每一矩形小格的光通量相等。内表面的自由曲面对应于外表面同样划分成相等份数的大小不相等的小格，从光源入射的光束经内表面的自由曲面折射，到达外表面的相应小格上。光源发出的每一束光，经两个自由曲面折射后，到达路面的光通量相等。

所述透镜在结构上采用微分云点构面法，保证了透镜设计的光学要求。

附图说明

下面结合附图与实施案例进一步说明本实用新型。

图1本实用新型的透视图；

图2本实用新型的安装图；

图3本实用新型的数学模型图；

图4本实用新型的路面网格图；

图5本实用新型的数学模型图；

图6本实用新型的光通量分配图。

图中标号

1、透镜外表面  2、透镜内表面  3、透镜底座  4、透镜定位柱

5、光源基座定位槽  6、透镜实体  7、LED光源  8、PCB板

具体实施方式

以下参照附图对本实用新型做进一步的说明。

如图1，本实用新型自由曲面的LED光源的透镜实体6(简称透镜6)，包括一外表面1，一内表面2，内外两个表面全是经微分方程计算出来的自由曲面，对光线起控制作用，不是圆面、椭圆面或其它常用的有固定解析式的曲面。两个透镜底座3，两个透镜定位柱4，光源基座定位槽5，透镜定位柱4和光源基座定位槽5对LED光源起准确定位作用，保证LED光源中心点位于内表面2的基面中心位置。如透镜固定侧面图图2所示，透镜6安装在PCB板8上，透镜6与LED光源7和PCB板8紧密相贴。

本实用新型自由曲面的LED光源的透镜的内外两个自由曲面是这样控制光线的，如图3所示。面ABCD和面EFGH分别是内外自由曲面的微小面元，这两个微小面元都是圆心在z1轴上任意圆球球面的极小一部分，圆球半径由下式迭代得出：

Rn＝R1*cos(ψ_n-1+dψ_n)*cos(dθ_n)    (1)

R1的初始值根据光源放置孔的尺寸大小给出。

一束光从O点出射，经面ABCD折射后，到达面EFGH再折射到图4的路面上。

本实用新型自由曲面的LED光源的透镜的内外两个自由曲面的具体实现方式是这样的：

如实际路面网格图图4所示，路长和路宽分别用x2、y2表示，M点(x_n-1，y_n-1)是任意一小格的中心点。图中的矩形是实际照射面积，把实际照射面积分成许多小格。因为路面需要的照度值知道，这个照度值就是灯具上若干个LED光源经透镜配光后叠加的值，那么只用计算一个光源就行了。

如水泥路面需要的照度值是25lx，面积30*13m²，选用1W100lm的LED光源，计算中考虑光源通过透镜的损失及照度值保险系数，知道灯具共用光源137个，则每个光源在路面上的照度为0.2lx。矩形路面面积均分，单个面积s*0.2就是单个面积上所需的光通量Φ，每一小格内的光通量Φ相等。

每一个小格与透镜的外表面的关系是这样的。任意一小格的中心点路面坐标(x_n-1，y_n-1)，这个小格的光是由任意透镜外表面EFGH折射照到上面的。计算中路面和透镜同处一球面坐标系中，如图3所示。O点是球面坐标系的原点，面ABCD和面EFGH分别是透镜内外两个表面，路面中心在正Z1轴上，垂直z1轴，距o点h米，路面如图4所示，路长主轴x2、路宽主轴y2交点即路面中心。

M点在整体球面坐标系中，满足以下关系式：

tanψ_n＝(x_n-1 ²+y_n-1 ²)^1/2/h

tanθ_n＝x_n-1/y_n-1    (2)

图3的示意图转换参考平面，变成图5。在o、x3、y3、z3坐标系中，x3、y3面其实就是图3坐标系中过面ABCD中心点和面EFGH中心点且和o点垂直于X1、Y1面的平面。

图5中，面ABCD和面EFGH都是微小面元，P、Q分别是两个面的中心点，一极小束光经微小面元ABCD折射，这束光的中心光线经过点P，发生折射，到达点Q，发生折射，再到达M点，虚线PL和虚线QN分别是两个面的法线，它们与中心光线的夹角分别是a1、b1。法线与X3轴夹角分别是a2、b2。折射光线与垂线I I和II II的夹角分别是a、b、P、Q、L、N的坐标分别是(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x0，y0，z0)、(x3，y3，z3)。易知，

tan(b2)＝(z0-z1)/[(x0-x1)²+(y0-y1)²)]^1/2    (3)

极小光束的中心光线经过两折射面时符合以下关系：

sin(b)*n＝sin(b1)*m

90°-b2+b1＝a    (4)

sin(a)*m＝sin(a1)*n

m、n是折射面两边的折射率。

面ABCD的法线方程和法线与X3轴夹角是：

(x-x2)/2*x2＝(y-y2)/2*y2＝(z-z2)/2*z2

tan(a2)＝(z2-z3)/[(x2-x3)²+(y2-y3)²)]^1/2    (5)

可得：

90°-a2+a1＝θ1    (6)

LED光源是余弦辐射体，θ1就是光源出光角度。

图6中，坐标系与图3相同，网格半球的圆心在o1点，o1x1是半径。球面表面划分成许多小格，面ABCD是其中一个，P点是面ABCD的中心点，一极小束光从光源o点出射照射到面ABCD上，光通量的计算满足下式：

Φ＝I₀*cos(ψ+dψ/2)*sinψ*dψ*dθ    (7)

图6中半球上所有小格的光通量分配都满足式(7)，并且Φ、I₀是常量。

综上所述，自由曲面内外表面划分的小格中心点由(1)至(7)式可得出，当取足够多的点时，可得到透镜面型，编程计算时间少于15秒。

Claims (2)

1.自由曲面的LED光源的透镜，包括LED光源，透镜，其特征在于：所述透镜(6)含有一个自由曲面的内表面(2)、一个自由曲面的外表面(1)；透镜(6)安装在PCB板(8)上，所述LED光源(7)中心点位于内表面(2)的基面中心；透镜(6)与LED光源(7)、PCB板(8)紧密相贴；外表面(1)的自由曲面上设置若干大小不相等的小格；内表面(2)的自由曲面对应于外表面(1)同样划分成相等份数的大小不相等的小格。

2.根据权利要求1所述的自由曲面的LED光源的透镜，其特征在于：所述透镜(6)的自由曲面的构面为经微分方程计算出来的自由曲面结构。

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