CN102679266A - 呈矩形光斑均匀分布的led二次配光透镜的实现方法 - Google Patents

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谢常青
辛将
朱效立
刘明
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Abstract

本发明公开了一种呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法，包括：确定需要进行配光设计的LED光源的光分布；确定照明的矩形区域和光源离照明区域的距离；确定透镜材料；将矩形区域划分成若干过矩形中心的线段；基于能量守恒定律，建立获得线段上任一点与光源出射角的一一对应关系；基于折射定律和该对应关系求解配光透镜的配光曲面。本发明实现了LED的二次配光，配光后光斑呈矩形，光分布均匀。

Description

呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法
技术领域
本发明应用光学技术领域，特别涉及一种呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法。
背景技术
随着低碳节能、绿色环保的发展趋势，发光二极管(LED)以其低能耗、高发光效率和寿命长等诸多优点，得到了越来越广泛的关注。LED作为一种新型的光源，被越来越多地应用在各类照明***中。然而，LED灯离普通照明还存在急需解决的问题。由于LED灯的体积小，使其发光面积小，方向性强，因此照射面积有限，需要对其进行二次配光，以满足实际的需要。
目前应用于配光的方法有两种：反射式配光和折射式配光。反射式配光利用全反射原理，使配光透镜侧面成为全反射面，将照射到该侧面的光全部反射回透镜，从而减小侧面光能量的损失，提高光能利用率。然而，LED灯的方向性单一，主要光能集中在中间部分，只对侧面进行设计，不能使集中在中间部分的绝大部分光能均匀分布到目标照明区域，从而不能满足均匀性的要求。
折射式配光则采用透镜折射原理，可以有效地将集中在中间部分的光能分散到目标照明区域。目前折射式配光的实现方法主要有两种：二维设计和三维设计。二维设计是将二次配光透镜的前表面和后表面在正交的两个方向分开设计，然后进行叠加，这样的方法虽然容易实现，但只针对了两条正交线来设计，其他绝大部分位置误差较大，整个透镜的均匀性较差。
传统三维设计则需要建立整个折射曲面与目标照明区域的一一对应关系，进行逐点设计，通过该方法得到的透镜均匀性较好，但设计过程比较复杂，不易实现。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是：克服现有二维设计的不足和三维设计的复杂性，提供一种呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法，将透镜曲面的三维设计分解成若干个二维设计，实现了LED灯的二次配光，光斑呈矩形，且整个矩形区域的光分布均匀。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法，包括：
步骤1：根据提供的LED光源资料，确定LED光源的光分布函数I(θ)；
步骤2：根据具体需要确定矩形目标照明区域的长a，宽b，光源离照明区域的距离h；
步骤3：根据透镜材料，确定透镜材料的折射率n；
步骤4：将矩形目标照明区域划分成若干过矩形中心的线段，线段长度满足公式
Figure BDA0000050675490000021
其中
Figure BDA0000050675490000022
为过矩形中心的线段与矩形的长边a所成的角，
Figure BDA0000050675490000023
步骤5：根据能量守恒定律，建立步骤4获得线段
Figure BDA0000050675490000024
上任一点
Figure BDA0000050675490000025
与光源出射角θ的一一对应关系，其关系如公式∫I(θ)dθ＝∫Adρ，其中ρ为点
Figure BDA0000050675490000026
与矩形中心的距离，A为目标照明区域的平均照度值；
步骤6：根据步骤4中公式和步骤5中公式获得的与目标照明矩形上任一点
Figure BDA0000050675490000028
的对应关系，以及折射定律和几何关系，对配光曲面进行求解；透镜前表面为球面，使光线正入射进入透镜，减少反射损耗；后表面满足关系公式nsin(β+α)＝sin(β+θout)，其中tanβ为
Figure BDA0000050675490000029
方向上的曲线在
Figure BDA00000506754900000210
方向的斜率，θout为后表面出射光线在
Figure BDA00000506754900000211
方向的出射角。
上述方案中，步骤1中所述的LED光源分布函数I(θ)是旋转对称的。
上述方案中，步骤2中所述的矩形目标照明区域的形状为平面矩形，LED光源位于该平面矩形中心上方h处。
上述方案中，步骤3中所述的透镜材料为透光材料PMMA或玻璃。
上述方案中，步骤4中所述的线段
Figure BDA0000050675490000031
过矩形中心，线段长度满足公式
Figure BDA0000050675490000032
上述方案中，步骤5中所述的目标照明区域上任一点
Figure BDA0000050675490000033
与光源出射角θ满足公式∫I(θ)dθ＝∫Adρ。
上述方案中，步骤6中所述的二次配光透镜的前表面为球面，后表面满足公式nsin(β+α)＝sin(β+θout)。
(三)有益效果
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明采用折射式配光透镜实现方法，利用能量守恒定律建立了目标照明矩形区域内的点与LED光源出射角的一一对应关系，从而使照明区域内的光强分布具有很好的均匀性。
2、本发明客服了目前的二维设计中误差较大的缺点，使只有两个正交方向的二维设计变成了对整个透镜曲面的多方向的二维设计，解决了正交二维设计中的设计误差。
3、本发明与传统三维配光设计相比，将三维曲面分解成了多条二维曲线，大大降低了设计难度，同时能获得与传统三维配光设计相同的均匀性。
附图说明
图1为依照本发明实现的LED二次配光透镜的结构示意图，其中1为所设计的后表面，2为球形的前表面，3为LED光源所在位置；
图2为依照本发明实现的LED二次配光透镜中球形前表面的正视图；
图3为依照本发明实现的LED二次配光透镜中球形后表面的正视图；
图4为加二次配光透镜前，LED光源的圆形光斑；
图5为加二次配光透镜后，得到的矩形光斑。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法，包括如下步骤：
步骤1：根据提供的LED光源资料，确定LED光源的光分布函数满足关系：I(θ)＝80*cos2θ；
步骤2：根据需要确定矩形目标照明区域的长a＝30m，宽b＝16m，光源离照明区域的距离h＝10m；
步骤3：选择透镜材料为PMMA，该材料的折射率n＝1.49；
步骤4：将矩形照明区域划分成若干过矩形中心的线段，线段长度满足公式其中为过矩形中心的线段与矩形的长边a所成的角，
Figure BDA0000050675490000043
在本实施例中
Figure BDA0000050675490000044
步骤5：按公式∫I(θ)dθ＝∫Adρ，建立线段
Figure BDA0000050675490000045
上任一点
Figure BDA0000050675490000046
与LED光源出射角
Figure BDA0000050675490000047
的一一对应关系；其中ρ为点
Figure BDA0000050675490000048
与矩形中心的距离，A为目标照明区域的平均照度值；
步骤6：将步骤5获得的关系代入公式nsin(β+α)＝sin(β+θout)，求解出配光曲面在不同方向的斜率tanβ，从而得出起配光作用的整个透镜后表面的数据，最后生成透镜实体。得到的透镜后表面的面形如图1中1和图3所示，透镜前表面为球面，如图1中2和图2所示，LED光源位于球心处，如图1中3所示，光线在前表面正入射进入透镜，减少反射损耗。
步骤7：将步骤6得到的透镜与步骤1的LED光源进行组装，得到光斑形状如图5所示，而没加透镜前裸灯的光斑形状为圆形(如图4)，可以看出，按本发明实现的LED二次配光透镜可以得到矩形光斑，且光照度在矩形区域内均匀分布。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法，其特征在于，包括：
步骤1：根据提供的LED光源资料，确定LED光源的光分布函数I(θ)；
步骤2：根据具体需要确定矩形目标照明区域的长a，宽b，光源离照明区域的距离h；
步骤3：根据透镜材料，确定透镜材料的折射率n；
步骤4：将矩形目标照明区域划分成若干过矩形中心的线段，线段长度满足公式
Figure FDA0000050675480000011
其中
Figure FDA0000050675480000012
为过矩形中心的线段与矩形的长边a所成的角，
Figure FDA0000050675480000013
步骤5：根据能量守恒定律，建立步骤4获得线段
Figure FDA0000050675480000014
上任一点
Figure FDA0000050675480000015
与光源出射角θ的一一对应关系，其关系如公式∫I(θ)dθ＝∫Adρ，其中ρ为点
Figure FDA0000050675480000016
与矩形中心的距离，A为目标照明区域的平均照度值；
步骤6：根据步骤4中公式和步骤5中公式获得的
Figure FDA0000050675480000017
与目标照明矩形上任一点
Figure FDA0000050675480000018
的对应关系，以及折射定律和几何关系，对配光曲面进行求解；透镜前表面为球面，使光线正入射进入透镜，减少反射损耗；后表面满足关系公式nsin(β+α)＝sin(β+θout)，其中tanβ为
Figure FDA0000050675480000019
方向上的曲线在
Figure FDA00000506754800000110
方向的斜率，θout为后表面出射光线在方向的出射角。
2.根据权利要求1所述的呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法，其特征在于，步骤1中所述的LED光源分布函数I(θ)是旋转对称的。
3.根据权利要求1所述的呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法，其特征在于，步骤2中所述的矩形目标照明区域的形状为平面矩形，LED光源位于该平面矩形中心上方h处。
4.根据权利要求1所述的呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法，其特征在于，步骤3中所述的透镜材料为透光材料PMMA或玻璃。
5.根据权利要求1所述的呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法，其特征在于，步骤4中所述的线段
Figure FDA0000050675480000021
过矩形中心，线段长度满足公式
Figure FDA0000050675480000022
6.根据权利要求1所述的呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法，其特征在于，步骤5中所述的目标照明区域上任一点
Figure FDA0000050675480000023
与光源出射角θ满足公式∫I(θ)dθ＝∫Adρ。
7.根据权利要求1所述的呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法，其特征在于，步骤6中所述的二次配光透镜的前表面为球面，后表面满足公式nsin(β+α)＝sin(β+θout)。
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