CN102829432A - 一种实现连续变焦的新型led全反射式透镜及设计方法 - Google Patents

Abstract

一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜及设计方法属于半导体照明领域，该透镜包括：底部容腔、全反射面、***平面和中心透射面，全反射面与底部容腔和***平面相连，***平面与中心透射面相连，底部容腔、全反射面、***平面和中心透射面以光轴对称，全反射面和中心透射面均为自由曲面。本发明一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜采用单个全反射式透镜实现连续变焦，***体积较小，且便于装调。该设计方法采用自由曲面形式进行光能分配，提高了***的光能利用率以及目标面的照度均匀度。

Description

一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜及设计方法

技术领域

本发明属于半导体照明领域，涉及一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜及设计方法。

背景技术

如今，LED由于其寿命长，低能耗等众多优势在各种领域得到了广泛的应用，如道路照明，LED投影机以及室内照明等等。在许多应用场合中，被照明的目标面与光源的距离以及光束的视场角都不是固定不变的，如应用于夜间监控***的红外照明设备，要求能够根据红外摄像机的变焦范围改变自身的视场角以及能量密度分布,使其照射范围覆盖整个监控区域，若红外灯的视场角过大，会造成光能浪费，反之则会产生手电筒效应，影响照明效果。因此，需要设计连续变焦的LED照明光学***。

传统的实现连续变焦的照明光学***多采用多片透镜形式进行配光，这种形式存在以下几点问题。首先，该结构无法收集大角度光束，造成了光能的浪费。第二，由于透镜个数往往多于1个，导致***体积较大。最后，传统透镜结构的设计自由度较低，针对某一种或者两种模式设计得到的结构仅在该模式下效果较好，偏离后其光束均匀性则明显下降。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜及方法，在传统全反射式透镜的基础上，依据准直模式与发散模式对光强分布的不同要求，分别设计其透射面与全反射面。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜，该透镜包括：底部容腔、全反射面、***平面和中心透射面，全反射面与底部容腔和***平面相连，***平面与中心透射面相连，底部容腔、全反射面、***平面和中心透射面以光轴对称，全反射面和中心透射面均为自由曲面。

基于一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜的设计方法，该方法包括如下步骤：

步骤一： 根据光源LED与中心透射面的距离，和光线经过中心透射面后准直出射，计算中心透射面的面形结构；

步骤二： 设LED为理想朗伯体，求得归一化的光强分布和相应累积光通量分布，入射累积光通量由经中心透射面的光通量和经全反射面出射的光通量组成，使LED沿光轴方向移动特定距离，根据LED与底部容腔的距离和底部容腔的半宽度，求解中心透射面与全反射面所分配角度的临界值；

步骤三： 根据能够实现远场目标面照度均匀的光强分布求出理想的出射累积光通量分布；由理想出射能量分布形式得到，出射累积光通量等于入射累积光通量，求得全反射面上的入射光线与出射光线的对应关系，进而计算出全反射面面形结构；

步骤四： 在光学仿真软件中进行模拟，依据模拟结果，添加修正因子，得到新的全反射面上的入射光线与出射光线的对应关系；利用光学仿真软件再次进行模拟，直至模拟结果符合要求，完成实现连续变焦的新型LED全反射式透镜的设计方法。

本发明的有益效果是：本发明一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜采用单个全反射式透镜实现连续变焦，***体积较小，且便于装调。该设计方法采用自由曲面形式进行光能分配，提高了***的光能利用率以及目标面的照度均匀度。

附图说明

图1本发明一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜，该透镜包括：由平面1和平面2构成的底部容腔、全反射面3、***平面4和中心透射面5，全反射面3与底部容腔1和***平面4相连，***平面4与中心透射面5相连，所述底部容腔、全反射面3、***平面4和中心透射面5以光轴对称，全反射面3以及透射面5均为自由曲面。光源在位置P₁时经中心透射面实现光束准直，在P₂时则光束发散。当LED位于位置P₁时，

的光线经平面1和中心透射面5透射后平行于光轴射出。当LED位于位置P₂时，

的光线经平面2透射，全反射面3全反射，最后从平面4出射后与经平面1和中心透射面5透射的光线共同实现远场目标面照度均匀。

基于一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜的设计方法，该方法包括如下步骤：

步骤一： 根据光源LED的位置P₁与中心透射面5的距离，和光线经过中心透射面5后准直出射，计算中心透射面5的面形结构；

步骤二： 设LED为理想朗伯体，求得归一化的入射光强分布和相应累积光通量分布，即

I(α)=cosα

${\mathrm{\φ}}_s\left(\mathrm{\α}\right)=\∫I\left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{dw}=\mathrm{\π}{\sin }^2\mathrm{\α}$ ，

其中，α为光源的入射角，w为光源的立体角，入射累积光通量由经中心透射面的光通量φ_refract(α)和经全反射面出射的光通量φ_TIR(α)组成。

在步骤一中，中心透射面的面形结构已经得出。因此，可根据斯涅耳定律以及能量守恒定律，求得LED沿光轴移动任意距离透射部分的光强分布形式和视场角的大小。根据所要求的最大视场角值，即可确定LED沿光轴移动的距离。

使LED沿光轴方向移动l至P₂，设LED在P₁点时与平面1的距离为h，通过底部容腔的距离h和底部容腔的半宽度d，求解中心透射面与全反射面所分配角度的临界值

中心透射面的光通量φ_refract(α)和经全反射面出射的光通量φ_TIR(α)

其中，α_β表示对应于出射角β的入射角；

步骤三： 根据能够实现远场目标面照度均匀的光强分布，积分得到通过全反射面3以及透射面5的理想的出射累积光通量分布；

$I\left(\mathrm{\β}\right)=I_0/{\cos }^3\left(\mathrm{\β}\right)$

${\mathrm{\φ}}_t\left(\mathrm{\β}\right)=I_0\mathrm{\π}(1/{\cos }^2\mathrm{\β}-1),\mathrm{\β}\∈(0,{\mathrm{\β}}_{\max })$

归一化得到I₀=1/(1/cos²β_max-1)，由理想出射能量分布形式得到，出射累积光通量等于入射累积光通量，即

${\mathrm{\φ}}_t\left(\mathrm{\β}\right)={\mathrm{\φ}}_{\mathrm{refract}}\left(\mathrm{\α}\right)+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{TIR}}\left(\mathrm{\α}\right)$

求得全反射面上的入射光线与出射光线的对应关系；

步骤四：在光学仿真软件中进行模拟，由于在设计过程中将LED视为理想点光源，而实际LED的发光面具有一定的面积，因而必然导致模拟结果与理想结果的偏离。因此，需要引入反馈过程对全反射面3进行优化，记第i次反馈优化后的光强分布为I_i(β)，积分后得到相应的累积光通量分布为φ_i(β)。目标光强分布为I_t(β)，相应的累积光通量分布为φ_t(β)。修正因子ε_i表示为累积光通量的目标分布与实际分布之比：

${\mathrm{\ϵ}}_i={\mathrm{\φ}}_t\left(\mathrm{\β}\right)/{\mathrm{\φ}}_0\left(\mathrm{\β}\right)$

利用修正因子对目标累积光通量进行修正后，得到入射光线与出射光线的第i+1组对应关系，表示为：

由此得到新的透镜结构，再用仿真软件进行模拟，重复上述过程，直到模拟结果符合要求即可。

在本实施例中，光源采用OSRAM SFH 4235 LED。P₁与P₂距离1.5mm，***总长13.5mm，口径26mm，该透镜实现8°到20°的连续变焦。

Claims (2)

1.一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜，其特征在于，该透镜包括：底部容腔、全反射面、***平面和中心透射面，全反射面与底部容腔和***平面相连，***平面与中心透射面相连，所述底部容腔、全反射面、***平面和中心透射面以光轴对称，全反射面和中心透射面均为自由曲面。

2.基于权利要求1所述的一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜的设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一： 根据光源LED与中心透射面的距离，和光线经过中心透射面后准直出射，计算中心透射面的面形结构；

步骤二： 设LED为理想朗伯体，求得归一化的光强分布和相应累积光通量分布，入射累积光通量由经中心透射面的光通量和经全反射面出射的光通量组成，使LED沿光轴方向移动特定距离，根据LED与底部容腔的距离和底部容腔的半宽度，求解中心透射面与全反射面所分配角度的临界值；

步骤三： 根据能够实现远场目标面照度均匀的光强分布求出理想的出射累积光通量分布；由理想出射能量分布形式得到，出射累积光通量等于入射累积光通量，求得全反射面上的入射光线与出射光线的对应关系，进而计算出全反射面面形结构；

步骤四： 在光学仿真软件中进行模拟，依据模拟结果，添加修正因子，得到新的全反射面上的入射光线与出射光线的对应关系；利用光学仿真软件再次进行模拟，直至模拟结果符合要求，完成实现连续变焦的新型LED全反射式透镜的设计方法。

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