CN202769542U - 一种led准直透镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种LED准直透镜，LED准直透镜为中心轴对称形状，包括透镜前表面平面折射面和透镜后表面自由曲面折射面。本实用新型结构简单，设计合理，LED出射光的准直效果好，且目标平面光斑均匀性高，使得LED可用于诸如手电等需要准直光束的照明场合，使用效果好，便于推广。

Description

一种LED准直透镜

技术领域

本实用新型涉及LED照明技术领域，特别涉及一种LED准直透镜。 

背景技术

LED为半导体固体光源，具有体积小、重量轻、耗能少、寿命长、响应时间短以及抗震性能好等优点，尤其是其抗震性能，可以经受住各种剧烈的抖动和碰撞，这一特性使得LED手电特别适用于军队、警察、保安、户外探险等特种照明使用场合。在远距离照明时对手电的出射角度要求比较高，而大多数LED光源的光强分布近似为朗伯型分布，其发光角度比较大，为了使光束平行出射以提高LED手电的远射性能，需对LED光源进行二次配光设计。 

传统LED手电多采用抛物面反光杯进行二次配光设计，但受反光杯高度的限制，光轴附近光束未经反光杯内表面反射而直接出射。反光杯高度越低，直接出射光束越多，出光角度越大，不能形成真正意义上的准直，在一些光学系统高度受限的场合不适用。 

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种LED准直透镜，其结构简单，设计合理，LED出射光形成真正意义上的准直，且在目标平面光斑均匀性高，使得LED可用于诸如手电等需要准直光束的照明场合，使用效果好，便于推广。 

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为： 

一种LED准直透镜，所述LED准直透镜为中心轴对称形状，包括透镜前表面平面折射面和透镜后表面自由曲面折射面。 

距LED准直透镜一定距离的LED光源所发出的光线经过LED准直透镜两个折射面的二次折射，实现准直出射。 

本实用新型相对于现有技术具有如下优点和效果：本实用新型提供一种LED准直透镜，透镜的后表面采用自由曲面来约束LED光线的出射方向，光束准确可控，准直效果好；在目标平面光斑均匀性高；该LED准直透镜，结构简单，设计合理，符合小型化要求，使得LED可用于诸如手电等需要准直光束的照明场合，使用效果好，便于推广。 

附图说明

图1为实施方式中准直透镜的正视图； 

图2为图1所示准直透镜的立体图； 

图3本实用新型实施方式中求解准直透镜自由曲面的坐标系原理图； 

图4为实施方式中目标平面的光强分布图； 

图5为实施方式中目标平面的照度分布图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施作进一步的详细描述。 

如图1和图2所示，本实用新型LED准直透镜，包括透镜前表面平面折射面101和透镜后表面自由曲面折射面102。如图3所示，距透镜一定距离的LED光源201所发出的光线经过透镜两个折射面101、102的二次折射，实现准直出射。透镜的后表面自由曲面102根据方式如下确定： 

LED光源201距透镜前表面101距离L=10mm，透镜厚度为D=5mm，透镜材料为二次透镜常用材料PMMA，折射率为n=1.4935。 

成形曲线，如图2所示，通过如下步骤确定： 

在XZ平面上，LED光源201近似为点光源，大功率LED光源能量80%在 

以内，故令LED光源201发射到透镜边缘的光线与Z轴的夹角 

并将其等分为500份，即 

第i条入射光线202与光轴Z轴的夹角为： 

${\mathrm{\α}}_i=\frac{{\mathrm{\α}}_{\max }}{N}i=\frac{\mathrm{\π}}{1500}i$

第i条入射光线202，其经过透镜前表面平面折射面101折射后光线为直线l_i1203，斜率为k_i1，入射角为a_i，出射角为b_i；再经过透镜后表面自由曲面折射面102折射后平行于光轴出射，入射角为c_i，出射角为d_i；假设该自由曲面的折射点处切线为l_i2204，斜率为k_i2；法线为l_i3205，则其斜率为 

直线l_i1203，l_i2204的斜率分别为： 

k_i1＝tanb_i    （1） 

$k_{i2}=-\frac{1}{\tan d_i}---\left(2\right)$

又由折射定律可得： 

sin a_i＝n sin b_i   （3） 

n sin c_i＝sin d_i   （4） 

又直线l_i1203，l_i3205的夹角为c_i，由两直线夹角公式得： 

$\tan c_i=\frac{-1-k_{i1}\·k_{i2}}{k_{i2}-k_{i1}}---\left(5\right)$

联立（1）、（2）、（3）、（4）、（5）可得： 

$k_{i1}=\tan \left(\arcsin \left(\frac{\sin a_i}{n}\right)\right)---\left(6\right)$

$n\sin \left(\arctan \left(\frac{-1-k_{i1}\·k_{i2}}{k_{i2}-k_{i1}}\right)\right)=\sin \left(\arctan (-\frac{1}{k_{i2}})\right)---\left(7\right)$

即成形曲线S_i(z_i，x_i)节点处，入射光线l_i1203和该点切线l_i2204的斜率由点光源第i条出射光线202与光轴Z的夹角a_i唯一确定。 

直线l_i1203的方程由点斜式可得： 

x=k_i1(z-L)+L tan a_i

直线l_i2204为成形曲线节点S_i(z_i，x_i)处切线，当成形曲线上节点足够多时，与该节点相邻的节点可近似认为在切线上，即点S_i-1(z_i-1,x_i-1)位于切线l_i2204上。 

直线l_i2204的方程由点斜式可得： 

x=k_i2(z-z_i-1)+x_i-1

联立直线l_i1203、l_i2204方程可得两直线交点S_i(z_i，x_i)即为所求。 

初始点选取自由曲面顶点，其在母线上对应节点S₀(15,0)，由透镜前表面与LED光源的距离L=10mm，透镜厚度D=5mm确定。 

按上述方式依次迭代计算得母线上S₁、S₂、S₃……S_i……S₅₀₀的500个节点坐标，再将离散点坐标导入三维制图工具中，选定旋转轴，然后把曲线绕轴旋转一周，即得透镜的后表面自由曲面102。 

图1、图2，分别为通过上述方案得到的准直透镜的正视图和立体图。 

图4、图5，分别为该LED准直透镜在距离100mm目标平面的光照效果图，图4目标平面的光强分布图，可以看出出射光束完全控制在10°角度以内，近似平行光出射。图5目标平面的照度分布图，可以看出目标平面光斑均匀性高。 

Claims (1)

1.一种LED准直透镜，所述LED准直透镜为中心轴对称形状，其特征在于包括透镜前表面平面折射面（101）和透镜后表面自由曲面折射面（102）。

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