CN103912845B - 大视场角led照明透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及LED照明的二次光学***技术领域，具体涉及一种大视场角LED照明透镜，第一曲面为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，折射后的光线与第一曲面的对称轴垂直；第二曲面为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，折射后的光线与第二曲面对称轴上的点光源发出的光线重合；第三曲面为旋转对称抛物面，其焦点为第二曲面折射光线的虚拟光源点；第五曲面，为非对称自由曲面，使光线在经过第五曲面之后在目标面上形成均匀的矩形照度分布。本发明具有良好的光线控制能力，可以在目标面上实现所需要的照度分布。

Description

大视场角LED照明透镜

技术领域

本发明涉及LED照明的二次光学***技术领域，具体涉及一种大视场角LED照明透镜。

技术背景

LED作为一种新型光源，由于其高光效，寿命长，无毒害等优点成为国家在取代白炽灯计划中大力推广的产品。由于LED的光强分布为朗伯型，如果直接应用于照明，则会在目标面上形成极为不均匀的照度分布，无法满足各种照明场合对灯具光学性能的要求。为了使LED更好的应用于照明领域，需要设计二次光学***重新分配LED的光强分布，使得其在目标面能够形成均匀或者其它特定的照度分布。

目前多使用透镜来实现LED的均匀照明，然而在走廊等某个方向视场角相对很大的矩形区域中，使用透镜进行LED二次配光时，由于存在全反射现象，透镜的光效会随着视场角的增大而下降。因此现有技术在大视场角照明的场合，只能采用多盏LED灯或者反射式的光学***，而多盏LED灯会增加照明的成本，反射式的***则加工相对复杂，成本较高，照明效果也不好。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述现有LED二次透镜的不足，提供一种能够在走廊等大视场角照明场合实现均匀照明并保持较高光效的大视场角LED照明透镜。

为实现上述目的，本发明所设计的大视场角LED照明透镜，包括：

第一曲面，为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，折射后的光线与第一曲面的对称轴垂直；

第二曲面，为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，折射后的光线与第二曲面对称轴上的点光源发出的光线重合；

第三曲面，为旋转对称抛物面，其焦点为第二曲面折射光线的虚拟光源点，利用全反射原理，用于将经过第二曲面折射之后的光线反射至与第三曲面对称轴垂直的方向，并将LED发出的球面波转换为柱面波；

第五曲面，为非对称自由曲面，该自由曲面的作用是控制经过第一曲面、第二曲面和第三曲面之后柱面波的光线，使得这束光线在经过第五曲面之后在目标面上形成均匀的矩形照度分布；

第四曲面，为平面，用于连接第三曲面和第五曲面。

进一步地，所述第一曲面和第二曲面上点的坐标由下式计算得出：

确定初始点的坐标值，第一曲面的初始点为曲面与立体空间的z轴的交点，第二曲面的初始点为第一曲面的边缘点，通过迭代的方式计算轮廓曲线上点的坐标值，设定当前已知点(x_i-1,z_i-1)的法向量为N＝(N_x,N_z)，要计算的轮廓曲线下一点对应的入射光线与z轴的夹角为θ_i，则下一点的坐标值(x_i,z_i)为：

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{z_{i-1}+x_{i-1}k}{{\mathrm{cot\θ}}_i+k}\\ z_i=x_i{\mathrm{cot\θ}}_i\end{array}\right.& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(1\right)$

其中k＝N_x/N_z，得到轮廓曲线上的所有点坐标后，将轮廓曲线旋转360°即得到整个曲面的点坐标。

进一步地，所述第五曲面由多个子自由曲面组成，相邻的两个子自由曲面之间由平行于z轴的平面连接。

更进一步地，所述第五曲面上坐标点由下式计算得出：

第五曲面上点的短轴坐标与第一曲面、第二曲面和第三曲面的短轴坐标相同，设定短轴为x轴，在x轴上选取一系列的点，这些点之间包含的光能量相同，在平面x＝0或x＝X上构造第五曲面的初始骨架曲线，其中X为第三曲面(3)x轴坐标的最大值，首先设定初始点，通过迭代可以求得该骨架曲线上点的y轴和z轴坐标为：

式中(x_i,z_i)为当前迭代需要计算的点的坐标，为当前点所对应的光线与在骨架曲线所在平面内与轴夹角，(x_i-1,z_i-1)为前一点的坐标，(N_x,N_z)为前一点的法向量坐标，在得到初始骨架曲线后通过(2)式迭代得到下一骨架曲线，在每个子曲面的起始处重新构造初始骨架曲线，在得到所有骨架曲线之后，通过放样的方式得到所有的子曲面，从而得到第五曲面所有点坐标。

本发明设计的用于LED照明的自由曲面透镜，该透镜由五曲面组成，第一曲面、第二曲面和第三曲面为一组功能相同的自由曲面，它们的目的是准直LED的光线，将LED发出的球面波转换为柱面波，此柱面波的中心轴为目标面较小边长所在轴，第四曲面为平面，它的目的是连接第三曲面和第五曲面，第五曲面为非对称的自由曲面，它的目的是改变柱面波的光线的方向，从而在目标面上实现均匀的矩形照明。

本发明采用了带有全反射面的自由曲面入射面，将LED的光线转换为柱面波，使得其拓扑与目标面相同，从而在目标面上形成矩形照明的同时能够保持较高的光效。本发明设计的LED二次光学***，具有良好的光线控制能力，可以在目标面上实现所需要的照度分布。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的仰视图；

图3是图1的剖视图；

图4是图1中具体实施的俯视图；

图5.1和图5.2是本发明在目标面上的照度分布仿真结果，仿真结果中，横坐标和纵坐标均为照明面的距离值。

图中，第一曲面1，第二曲面2，第三曲面3，第四曲面4，第五曲面5。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1-4中所示的大视场角LED照明透镜，包括：第一曲面1，为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，折射后的光线与第一曲面1的对称轴垂直，该自由曲面控制的LED光线与z轴的夹角由透镜材料的折射率决定；第二曲面2，为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，折射后的光线与第二曲面对称轴上的点光源发出的光线重合；第三曲面3，为旋转对称抛物面，其焦点为第二曲面折射光线的虚拟光源点，利用全反射原理，用于将经过第二曲面折射之后的光线反射至与第三曲面3对称轴垂直的方向，并将LED发出的球面波转换为柱面波；第五曲面5，为非对称自由曲面，该自由曲面的作用是控制经过第一曲面1、第二曲面2和第三曲面3之后柱面波的光线，使得这束光线在经过第五曲面5之后在目标面上形成均匀的矩形照度分布；第四曲面4，为平面，用于连接第三曲面3和第五曲面5。

第一曲面1、第二曲面2和第三曲面3是LED光线的入射面，目的是将LED发出的球面波准直为以目标面短边所在坐标轴为对称轴的柱面波。

自由曲面S1为旋转对称自由曲面，因此计算时只需计算出一条轮廓曲线，然后绕对称轴轴旋转一圈即可得到第一曲面1的面型，它的作用是将来自LED的光线折射至与其对称轴垂直。计算轮廓曲线时，确定初始点的坐标值，第一曲面1的初始点为曲面与立体空间的z轴的交点，第二曲面2的初始点为第一曲面1的边缘点，通过迭代的方式计算轮廓曲线上点的坐标值，设定当前已知点(x_i-1,z_i-1)的法向量为N＝(N_x,N_z)，要计算的轮廓曲线下一点对应的入射光线与z轴的夹角为θ_i，则下一点的坐标值(x_i,z_i)为：

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{z_{i-1}+x_{i-1}k}{{\mathrm{cot\θ}}_i+k}\\ z_i=x_i{\mathrm{cot\θ}}_i\end{array}\right.& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(3\right)$

其中k＝N_x/N_z，得到轮廓曲线上的所有点坐标后，将轮廓曲线旋转360°即得到整个曲面的点坐标。

第五曲面5由多个子自由曲面组成，相邻的两个子自由曲面之间由平行于z轴的平面连接。第五曲面5上坐标点由下式计算得出：

第五曲面5上点的短轴坐标与第一曲面1、第二曲面2和第三曲面3的短轴坐标相同，设定短轴为x轴，在x轴上选取一系列的点，这些点之间包含的光能量相同，在平面x＝0或x＝X上构造第五曲面5的初始骨架曲线，其中X为x轴上点坐标的最大值，首先设定初始点，则该骨架曲线上点的y轴和z轴坐标为：

式中(x_i,z_i)为当前迭代需要计算的点的坐标，为当前点所对应的光线与在骨架曲线所在平面内与轴夹角，(x_i-1,z_i-1)为前一点的坐标，(N_x,N_z)为前一点的法向量坐标，在得到初始骨架曲线后通过(2)式迭代得到下一骨架曲线，在每个子曲面的起始处重新构造初始骨架曲线，在得到所有骨架曲线之后，通过放样的方式得到所有的子曲面，从而得到第五曲面5所有点坐标。

设定第一曲面1的初始点的z坐标值为5mm，曲面边缘对应LED光线与z轴夹角为30°，根据式(1)，计算出的第一曲面1所有点的坐标。

第二曲面2的目的是使得LED发出的光线在此曲面折射之后的出射光线的反向延长线交于x轴一点，从而得到一个虚拟光源点。第二曲面2的初始点为第一曲面1的边缘点，计算时同样使用(1)。

第三曲面3的焦点为第二曲面2创造的虚拟光源点，利用全反射原理，将来第二曲面2的光线反射至与对称轴垂直方向。

第四曲面4为平面，用于连接第三曲面3和第五曲面5。

第五曲面5的将经过第一曲面1、第二曲面2和第三曲面3之后的柱面波的能量重新分配，使得在目标平面上形成均匀的矩形照度分布。在本实施中设定目标面为边长为8m×2m并且与z轴垂直的矩形，目标面中心点位于z轴上并且距LED光源(坐标原点)2.2m。采用能量守恒和斯涅尔定律来计算自由曲面上点的坐标。首先根据能量守恒将经过第一曲面1、第二曲面2和第三曲面3之后的柱面波和照明目标面划分为能量相等的网格。在得到这种对应关系之后根据斯涅尔定律，设定第五曲面5、第二曲面2和第三曲面3计算初始点，初始点的高度应略大于第三曲面3的高度。采用迭代的方式得到第五曲面5上点的坐标。为了减小在迭代过程中产生的误差，采用曲面片的方式构造第五曲面5，每个曲面片之间使用平面连接。

在计算得到自由曲面透镜的所有曲面之后，高为23.31mm，长为20.40mm，宽为16.11mm。第一曲面1、第二曲面2之间形成的空间高为5mm，宽为4.20mm，用于放置LED光源。

图5.1和图5.2为本实施的透镜在光学仿真软件中在目标面上的照度分布结果，通过追迹一百万条光线得到，其中图5.1为目标面上的照度分布，图中灰度值大小与照度值成正比，图5.2为目标面上两个中心坐标轴上的照度分布。其中透镜的光学效率为85％，而单自由曲面透镜在相同设计参数下的光效仅为70％。同时在目标面上长边和短边上的照明均匀度为87.7％和89.3％，均匀性较好。

Claims (2)

1.一种大视场角LED照明透镜，其特征在于包括：

第一曲面(1)，为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，折射后的光线与第一曲面(1)的对称轴垂直；

第二曲面(2)，为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，折射后的光线与第二曲面对称轴上的点光源发出的光线重合；

所述第一曲面(1)和第二曲面(2)上点的坐标由下式计算得出：

确定初始点的坐标值，第一曲面(1)的初始点为曲面与立体空间的z轴的交点，第二曲面(2)的初始点为第一曲面(1)的边缘点，通过迭代的方式计算轮廓曲线上点的坐标值，设定当前已知点(x_i-1,z_i-1)的法向量为N＝(N_x,N_z)，要计算的轮廓曲线下一点对应的入射光线与z轴的夹角为θ_i，则下一点的坐标值(x_i,z_i)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{z_{i-1}+x_{i-1}k}{{\mathrm{cot\θ}}_i+k}\\ z_i=x_i{\mathrm{cot\θ}}_i\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中k＝N_x/N_z，得到轮廓曲线上的所有点坐标后，将轮廓曲线旋转360°即得到整个曲面的点坐标；

第三曲面(3)，为旋转对称抛物面，其焦点为第二曲面折射光线的虚拟光源点，利用全反射原理，用于将经过第二曲面折射之后的光线反射至与第三曲面(3)对称轴垂直的方向，并将LED发出的球面波转换为柱面波；

第五曲面(5)，为非对称自由曲面，该自由曲面的作用是控制经过第一曲面(1)、第二曲面(2)和第三曲面(3)之后柱面波的光线，使得这束光线在经过第五曲面(5)之后在目标面上形成均匀的矩形照度分布；所述第五曲面(5)由多个子自由曲面组成，相邻的两个子自由曲面之间由平行于z轴的平面连接；

第四曲面(4)，为平面，用于连接第三曲面(3)和第五曲面(5)。

2.根据权利要求1所述的大视场角LED照明透镜，其特征在于：所述第五曲面(5)上坐标点由下式计算得出：

第五曲面(5)上点的短轴坐标与第一曲面(1)、第二曲面(2)和第三曲面(3)的短轴坐标相同，设定短轴为x轴，在x轴上选取一系列的点，这些点之间包含的光能量相同，在平面x＝0或x＝X上构造第五曲面(5)的初始骨架曲线，其中X为第三曲面(3)x轴坐标的最大值，首先设定初始点，通过迭代可以求得该骨架曲线上点的y轴和z轴坐标为：

式中(x_i,z_i)为当前迭代需要计算的点的坐标，为当前点所对应的光线与在骨架曲线所在平面内与轴夹角，(x_i-1,z_i-1)为前一点的坐标，(N_x,N_z)为前一点的法向量坐标，在得到初始骨架曲线后通过(2)式迭代得到下一骨架曲线，在每个子曲面的起始处重新构造初始骨架曲线，在得到所有骨架曲线之后，通过放样的方式得到所有的子曲面，从而得到第五曲面(5)所有点坐标。