CN103791442A - 一种大角度led球泡灯的透镜及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大角度LED球泡灯的透镜及其设计方法；所述透镜包括一个平凸透镜和若干个准直全反射透镜，所述准直全反射透镜圆周均匀分布的设置在平凸透镜的周缘上，其于光线的出射方向还延伸有入射部，入射部的端部与一出射部垂直连接，在入射部与出射部之间设置有一全反射面，所述出射部的另一端的侧面为自由曲面；所述准直全反射透镜内的LED光源发出的光线经过折反射后平行于入射部轴心射向所述全反射面，经过全反射面后的反射光线水平射向自由曲面上，并通过自由曲面的折射使出射光线发散。本发明的有益效果是：解决现有平面布置的LED球泡灯的发光角度不超过150°的问题，通过调整出射部末端的出光面，能满足不同发光角度的LED球泡灯的实际需求，配光均匀，效率高。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种光学元件的设计方法，特别涉及一种大角度LED球泡灯的透镜及其设计方法。
【背景技术】
传统白炽灯耗能高、寿命短，在全球资源紧张的大环境下，LED球泡灯耗能低、寿命长且不含对环境有害的Pb，Hg等有害元素，是替代传统白炽灯泡的新型节能灯具；平面布置的LED发光角度一般不超过120度，即使罩上散射灯罩的LED球泡灯的发光角度一般也不超过150度，照射范围窄，灯具上方暗区较大，存在一定的缺陷；非平面布置的LED发光角度一般可以超过300度，但限于小功率，且给装配、量产带来了一定的困难。在传统的二次光学设计方法下，LED球泡灯的发光角度能达到300度，但光效低、配光差。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种发光角度大、效率高、配光与白炽灯相当的大角度LED球泡灯的透镜及其设计方法。
一种大角度LED球泡灯的透镜，其特征在于：包括一个平凸透镜和若干个准直全反射透镜，所述准直全反射透镜圆周均匀分布的设置在平凸透镜的周缘上，其于光线的出射方向还延伸有入射部，入射部的端部与一出射部垂直连接，在入射部与出射部之间设置有一全反射面，所述出射部的另一端的侧面为自由曲面；所述准直全反射透镜内的LED光源发出的光线经过折反射后平行于入射部轴心射向所述全反射面，经过全反射面后的反射光线水平射向自由曲面上，并通过自由曲面的折射使出射光线发散。
较佳地，所述准直全反射透镜的底部中心设有一用于安装所述LED光源的内凹孔。
较佳地，所述准直全反射透镜采用亚克力材料制成。
所述设计方法包括如下步骤：
(1)以单颗LED光源为基准，设计一个准直全反射透镜，使LED光源发出的光线最***行线，所述准直全反射透镜于光线的出射方向还延伸有入射部，入射部的端部与一出射部垂直连接；
（2）利用全反射定律，当入射角大于临界角时则发生全反射，在PROE或SOLIDWORKS软件中设计一个全反射面，所述全反射面设计在入射部与出射部之间，让入射部内的入射光线经过所述全反射面后的反射光线能水平射向出射部另一端的自由曲面上，通过自由曲面的折射让光线发散，按实际设计要求确定出射光线在配光单侧的照射范围，根据照射范围将所述的出射光线和照射光线进行一一对应，进而计算出自由曲面；
（3）根据设计要求，在PROE或SOLIDWORKS中将所述准直全反射透镜及与其连接入射部和出射部绕LED球泡灯的轴心线做圆周整列，之后导出模型至光学软件中进行仿真分析，验证的结果如符合设计要求的照射范围内实现配光均匀分布，即输出模型，如与设计有偏差，则重复上述（2）-（3）步骤直至符合设计要求；
（4）在圆周整列里设计一个平凸透镜，补充配光单侧0°-80°的光线，并且使其与所有的准直全反射透镜进行连接成一个整体，导出模型为SAT或STP格式；
（5）将步骤（4）中所得到的整体模型导入在光学软件中进行光学模拟分析，验证的结果如符合设计要求中的发光角度内的整体配光均匀，即输出模型，如与设计有偏差，则重复步骤（4）直至符合设计要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：解决现有平面布置的LED球泡灯的发光角度不超过150°的问题，通过调整出射部末端的出光面，能满足不同发光角度的LED球泡灯的实际需求，配光均匀，效率高。
【附图说明】
图1为本发明的准直全反射透镜的示意图；
图2为本发明的出光示意图；
图3为本发明的结构示意图；
图4为本发明实施例5的LED球泡灯配光曲线图。
【具体实施方式】
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步描述：
如图1至图3所示，本发明的大角度LED球泡灯的透镜，包括一个平凸透镜6和若干个准直全反射透镜1，所述若干个准直全反射透镜1圆周均匀分布的设置在平凸透镜6的周缘上，所述准直全反射透镜1的底部中心设有一用于安装LED光源的内凹孔11，顶端向上延伸有一入射部2，入射部2的顶端与一出射部4的一端垂直连接，在入射部2与出射部3之间设置有一全反射面3，全反射面3呈水平45°角设置，所述出射部4的另一端侧面为光线的出光面，所述出光面为自由曲面5；所述LED光源的光线在准直全反射透镜1内经过折反射后平行于准直全反射透镜1的轴心竖直向上射入到入射部2内，其入射光线7经过全反射面3反射后的反射光线8水平射向所述自由曲面5上，并通过自由曲面5的折射使出射光线9发散，形成超过180°发光角度的LED球泡灯。
所述准直全反射透镜及其连接的入射部和出射部是采用亚克力材料制成的，亚克力材料的全反射临界角是42.0337°，而入射光线7与全反射面的夹角为45°，大于临界角度，故此发生全反射，使入射光线7水平反射向自由曲面5上。
所述平凸透镜用于补充配光曲线单侧0°-80°范围的光线，使整个LED球泡灯的配光均匀，其与所有准直全反射透镜固定连接，为一个整体，使其结构牢靠。
所述大角度LED球泡灯的透镜的设计方法包括如下步骤：
(1)以单颗LED光源为基准，设计一个准直全反射透镜1，使LED光源发出的光线10最***行线，所述准直全反射透镜1于光线10的出射方向还延伸有入射部2，入射部2的端部与一出射部4垂直连接；
（2）利用全反射定律，当入射角大于临界角时则发生全反射，在PROE或SOLIDWORKS软件中设计一个全反射面3，所述全反射面3设计在入射部2与出射部4之间，让入射部2内的入射光线7经过所述全反射面3后的反射光线8能水平射向出射部4另一端的自由曲面5上，通过自由曲面5的折射让光线发散，按实际设计要求确定出射光线9在配光单侧的照射范围，根据照射范围将所述的出射光线9和照射光线（即反射光线8）进行一一对应，进而计算出自由曲面5；
（3）根据设计要求，在PROE或SOLIDWORKS中将所述准直全反射透镜1及与其连接入射部2和出射部3绕LED球泡灯的轴心线做圆周整列，之后导出模型至光学软件中进行仿真分析，验证的结果如符合设计要求的照射范围内实现配光均匀分布，即输出模型，如与设计有偏差，则重复上述（2）-（3）步骤直至符合设计要求；
（4）在圆周整列里设计一个平凸透镜6，补充配光单侧0°-80°的光线，并且使其与所有的准直全反射透镜1进行连接成一个整体，导出模型为SAT或STP格式；
（5）将步骤（4）中所得到的整体模型导入在光学软件中进行光学模拟分析，验证的结果如符合设计要求中的发光角度内的整体配光均匀，即输出模型，如与设计有偏差，则重复步骤（4）直至符合设计要求。
实施例一
假设大角度LED球泡灯的发光角度为220度，光源使用CREE-XPE,通过matlab编程计算出准直全反射透镜曲线,使LED光源发出的光线最***行线，导入SOLIDWORKS或PROE进行曲线拟合，导出模型在TRACEPRO光学软件进行仿真分析，验证符合设计要求；计算出亚克力材料的临界角42.0337°，在SOLIDWORKS里面设计一个反射平面3，使反射光线与水平面平行；根据折反射定律，并根据照射范围将所出射光线9和照射光线（即反射光线8）进行一一对应关系建立方程，求解后在SOLIDWORKS里面设计出光面（即自由曲面5），并做圆周阵列，导出模型在光学软件中进行模拟，验证结果是否符合配光曲线在60°-110°方向均匀，如不符合，重新调整出光面曲线，直到符合设计要求；在圆周阵列里设计一个平凸透镜6，使其在在0-60°方向配光均匀；在SOLIDWORKS里将平凸透镜与圆周阵列准直全反射透镜连接在一起，导出模型在TRACEPRO光学软件进行仿真分析，验证的结果如符合设计要求即输出模型，如与设计有偏差，则重复上述步骤直至符合设计要求。
实施例二
假设大角度LED球泡灯的发光角度为240度，光源使用CREE-XPE,通过matlab编程计算出准直全反射透镜曲线,使LED光源发出的光线最***行线，导入SOLIDWORKS或PROE进行曲线拟合，导出模型在TRACEPRO光学软件进行仿真分析，验证符合设计要求；计算出亚克力材料的临界角，在SOLIDWORKS里面设计一个反射平面3，使反射光线与水平面平行；根据折反射定律，并根据照射范围将所出射光线9和照射光线（即反射光线8）进行一一对应关系建立方程，求解后在SOLIDWORKS里面设计出光面（即自由曲面5），并做圆周阵列，导出模型在光学软件中进行模拟，验证结果是否符合配光曲线在60°-120°方向均匀，如不符合，重新调整出光面曲线，直到符合设计要求；在圆周阵列里设计一个平凸透镜，使其在在0-60°方向配光均匀；在SOLIDWORKS里将平凸透镜与圆周阵列准直全反射透镜连接在一起，导出模型在TRACEPRO光学软件进行仿真分析，验证的结果如符合设计要求即输出模型，如与设计有偏差，则重复上述步骤直至符合设计要求。
实施例三
假设大角度LED球泡灯的发光角度为270度，光源使用CREE-XPE,通过matlab编程计算出准直全反射透镜曲线,使LED光源发出的光线最***行线，导入SOLIDWORKS或PROE进行曲线拟合，导出模型在TRACEPRO光学软件进行仿真分析，验证符合设计要求；计算出亚克力材料的临界角，在SOLIDWORKS里面设计一个反射平面3，使反射光线与水平面平行；根据折反射定律，并根据照射范围将所出射光线9和照射光线（即反射光线8）进行一一对应关系建立方程，求解后在SOLIDWORKS里面设计出光面（即自由曲面5），并做圆周阵列，导出模型在光学软件中进行模拟，验证结果是否符合配光曲线在60°-135°方向均匀，如不符合，重新调整出光面曲线，直到符合设计要求；在圆周阵列里设计一个平凸透镜，使其在在0-60°方向配光均匀；在SOLIDWORKS里将平凸透镜与圆周阵列准直全反射透镜连接在一起，导出模型在TRACEPRO光学软件进行仿真分析，验证的结果如符合设计要求即输出模型，如与设计有偏差，则重复上述步骤直至符合设计要求。
实施例四
假设大角度LED球泡灯的发光角度为300度，光源使用CREE-XPE,通过matlab编程计算出准直全反射透镜曲线,使LED光源发出的光线最***行线，导入SOLIDWORKS或PROE进行曲线拟合，导出模型在TRACEPRO光学软件进行仿真分析，验证符合设计要求；计算出亚克力材料的临界角，在SOLIDWORKS里面设计一个反射平面3，使反射光线与水平面平行；根据折反射定律，并根据照射范围将所出射光线9和照射光线（即反射光线8）进行一一对应关系建立方程，求解后在SOLIDWORKS里面设计出光面（即自由曲面5），并做圆周阵列，导出模型在光学软件中进行模拟，验证结果是否符合配光曲线在60°-150°方向均匀，如不符合，重新调整出光面曲线，直到符合设计要求；在圆周阵列里设计一个平凸透镜，使其在在0-60°方向配光均匀；在SOLIDWORKS里将平凸透镜与圆周阵列准直全反射透镜连接在一起，导出模型在TRACEPRO光学软件进行仿真分析，验证的结果如符合设计要求即输出模型，如与设计有偏差，则重复上述步骤直至符合设计要求。
实施例五
假设大角度LED球泡灯的发光角度为310度，光源使用CREE-XPE,如图4所示，通过matlab编程计算出准直全反射透镜曲线,使LED光源发出的光线最***行线，导入SOLIDWORKS或PROE进行曲线拟合，导出模型在TRACEPRO光学软件进行仿真分析，验证符合设计要求；计算出亚克力材料的临界角，在SOLIDWORKS里面设计一个反射平面3，使反射光线与水平面平行；根据折反射定律，并根据照射范围将所出射光线9和照射光线（即反射光线8）进行一一对应关系建立方程，求解后在SOLIDWORKS里面设计出光面（即自由曲面5），并做圆周阵列，导出模型在光学软件中进行模拟，验证结果是否符合配光曲线在65°-155°方向均匀，如不符合，重新调整出光面曲线，直到符合设计要求；在圆周阵列里设计一个平凸透镜，使其在在0-65°方向配光均匀；在SOLIDWORKS里将平凸透镜与圆周阵列准直全反射透镜连接在一起，导出模型在TRACEPRO光学软件进行仿真分析，验证的结果如符合设计要求即输出模型，如与设计有偏差，则重复上述步骤直至符合设计要求。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (4)
1.一种大角度LED球泡灯的透镜设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：
(1)以单颗LED光源为基准，设计一个准直全反射透镜，使LED光源发出的光线最***行线，所述准直全反射透镜于光线的出射方向还延伸有入射部，入射部的端部与一出射部垂直连接；
（2）利用全反射定律，当入射角大于临界角时则发生全反射，在PROE或SOLIDWORKS软件中设计一个全反射面，所述全反射面设计在入射部与出射部之间，让入射部内的入射光线经过所述全反射面后的反射光线能水平射向出射部另一端的自由曲面上，通过自由曲面的折射让光线发散，按实际设计要求确定出射光线在配光单侧的照射范围，根据照射范围将所述的出射光线和照射光线进行一一对应，进而计算出自由曲面；
（3）根据设计要求，在PROE或SOLIDWORKS中将所述准直全反射透镜及与其连接入射部和出射部绕LED球泡灯的轴心线做圆周整列，之后导出模型至光学软件中进行仿真分析，验证的结果如符合设计要求的照射范围内实现配光均匀分布，即输出模型，如与设计有偏差，则重复上述（2）-（3）步骤直至符合设计要求；
（4）在圆周整列里设计一个平凸透镜，补充配光单侧0°-80°的光线，并且使其与所有的准直全反射透镜进行连接成一个整体，导出模型为SAT或STP格式；
（5）将步骤（4）中所得到的整体模型导入在光学软件中进行光学模拟分析，验证的结果如符合设计要求中的发光角度内的整体配光均匀，即输出模型，如与设计有偏差，则重复步骤（4）直至符合设计要求。
2.一种大角度LED球泡灯的透镜，其特征在于：包括一个平凸透镜和若干个准直全反射透镜，所述准直全反射透镜圆周均匀分布的设置在平凸透镜的周缘上，其于光线的出射方向还延伸有入射部，入射部的端部与一出射部垂直连接，在入射部与出射部之间设置有一全反射面，所述出射部的另一端的侧面为自由曲面；所述准直全反射透镜内的LED光源发出的光线经过折反射后平行于入射部轴心射向所述全反射面，经过全反射面后的反射光线水平射向自由曲面上，并通过自由曲面的折射使出射光线发散。
3.根据权利要求2所述的大角度LED球泡灯的透镜，其特征在于：所述准直全反射透镜的底部中心设有一用于安装所述LED光源的内凹孔。
4.根据权利要求2所述的大角度LED球泡灯的透镜，其特征在于：所述准直全反射透镜采用亚克力材料制成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20161102 |
|
| C20 | Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned |