CN104613416A - 全周光配光透镜的设计方法及相应的配光透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全周光配光透镜的设计方法及相应的配光透镜，包括：设置多条LED圈带以及环绕于LED圈带的二次配光透镜；以任意一条LED圈带的光轴平面作为入射面，将光轴一侧的LED圈带的光源角度按照发光强度随发光角度的分布规律等分为N个小角以及对应的配光曲线的N个小段，以N个小段中的边缘小段作为起始被照小段，以边缘点为起始被照点；求出每条LED圈带所对应的两条连续曲线并各自连接形成一个封闭的曲线并旋转，形成全周光配光透镜的立体形状。本发明可实现大于180度的全周光配光照明。

Description

全周光配光透镜的设计方法及相应的配光透镜

技术领域

本发明涉及LED照明技术领域，特别是，尤其涉及全周光配光透镜的设计方法及相应的配光透镜。

背景技术

LED(Light Emitting Diode)以其效率高，光色纯、能耗低、寿命长、无污染等优点成为21世纪最具竞争力的新型光源。随着LED光通量及光效的不断提高，LED在照明领域的应用也越来越广泛。然而，LED芯片的表面出光为兰伯特(Lambertian)分布，本身的出光角度只有120度，无法直接应用于照明***，只有通过对其合理的二次配光才能满足不同的照明需求。

目前，市场上对LED光源的二次配光设计以投射型反射器和透镜为主，由于其配光光束角小于180度而只能实现单一表面的平面式投射式照明，不能实现整个空间的立体式照明，若用于室内灯具上很容易形成墙角或天花板照明暗区，严重影响人体的眼睛舒适度。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种全周光配光透镜的设计方法及相应的配光透镜、

本发明解决的技术问题是：采用阶梯环圆形台自由曲面透镜代替现有技术中的投射型反射器或者透镜，实现了光束角大于180度的全周光配光设计。

为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种全周光配光透镜的设计方法，包括如下步骤：

步骤1：设置多条LED圈带以及环绕于LED圈带的二次配光透镜；

每条LED圈带均主要由在一平面内环形排列的LED光源构成；

所述多条LED圈带的包络面为一圆台侧面；

所述二次配光透镜形成的配光曲线分隔为与LED圈带数量相等的多个部分，所述多个部分与所述多个LED圈带一一对应；

部分配光曲线的配光角度小于180度，部分配光曲线的配光角度大于等于180度，各部分配光曲线所包含光通量比例等于各LED圈带的总光通比例；

步骤2：以任意一条LED圈带的光轴平面作为入射面，在所述入射面上，将光轴一侧的LED圈带的光源角度等分为N个小角，其中N≥4，即各光源角度按相等的角度间隔进行分配；

步骤3：将步骤1分隔好的配光曲线分为N个小段，N段配光曲线中的每段对应的光通量均与步骤2分配的光源角度光通量相等；

步骤4：将所述N个小角与所述配光曲线N个小段一一对应；

步骤5：以所述N个小段中的边缘小段作为起始被照小段，以边缘点为起始被照点，即对应所述N个小角中的一个小角；

步骤6：求出每条LED圈带所对应的两条连续曲线；

步骤7：将各条LED圈带所对应的两条连续曲线依次首尾连接形成一个封闭的曲线，然后将所述封闭的曲线绕LED圈带的LED光源的排列中心轴线旋转，形成全周光配光透镜的立体形状；

其中，所述步骤6包括如下步骤：

步骤6.1：根据全周光配光透镜的透镜入光面离开光源的距离要求，在与起始被照点对应的入射光线上取一点作为所述透镜入光面上的第一特征点，在该入光面上的第一特征点处，平行于LED光源与起始被照点连线的直线同入射光线形成一夹角，为二次配光透镜的起始光线偏折角，将所述起始光线偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，第一偏折角和第二偏折角的角分线作为入射光线经过所述透镜入光面后的折射线，通过折射定律以及对应所述N个小角中的一个小角，求出与入光面上的第一特征点相邻的入光面上的第二特征点，该入光面上的第二特征点对应与起始被照点相邻的第二被照点；

步骤6.2：针对N个小段中的每一个小段执行步骤6.1，依次求出N个小段中的各个被照点所对应的透镜入光面上的各特征点的位置；

步骤6.3：在经过所述透镜入光面上的第一特征点后的折射线上，根据二次配光透镜的透镜厚度要求取一点，作为全周光配光透镜的透镜出光面上的第一特征点，采用如下方式，求出透镜出光面上的各特征点的位置：步骤i1：在该出光面上的第一特征点处，平行于LED光源与起始被照点连线的直线同入射光线形成一夹角，为二次配光透镜的起始光线偏折角，将所述起始光线偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，第一偏折角和第二偏折角的角分线作为入射光线经过所述透镜出光面后的折射线，通过折射定律以及对应所述N个小角中的一个小角，求出与出光面上的第一特征点相邻的出光面上的第二特征点，该出光面上的第二特征点对应与起始被照点相邻的第二被照点；步骤i2：针对N个小段中的每一个小段执行步骤i1，依次求出N个小段中的各个被照点所对应的透镜出光面上的各特征点的位置；

步骤6.4：将所述透镜入光面上的各特征点依次连接，将所述透镜出光面上的各特征点依次连接，形成两条连续曲线。

可选的，所述各特征点依次用直线或平滑曲线连接起来。

可选的，所述通过折射定律以及对应所述N个小角中的一个小角，求出与入光面上的第一特征点相邻的入光面上的第二特征点，包括：确定第一特征点的法线，垂直于该法线的直线与所述的入光面形成一交线，该交线与所述小角的角边的交点分别为所述第一特征点和第二特征点；其中，所述确定起始征点的法线，包括：通过该第一特征点入射光线方向求出该第一特征点的入射向量Nin；通过该第一特征点的折射光线方向求出该特征点的折射向量Nrefract；通过折射定律的如下向量表达式就可以求出各特征点的法向量：Nf＝n*Nrefract-n0*Nin；其中Nf为该特征点的法向量，n为折射光线所在介质折射率，n0为入射光线所在介质折射率。

可选的，所述LED圈带的数量为2条，所述二次配光透镜形成的配光曲线分隔为2个部分，其中，一部分配光曲线的配光角度小于180度，另一部分配光曲线的配光角度大于等于180度。

为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种全周光配光透镜，所述配光透镜是根据上述任一种的全周光配光透镜的设计方法制造得到的。

可选的，所述全周光配光透镜的中间带有通孔。

为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种全周光配光透镜，包括：环绕于多个环形的LED圈带所设置的二次配光透镜，其对应各所述LED圈带的包络面为一圆台侧面；其中，各所述LED圈带是分别由LED光源在不同水平面上排列成的，并且以一定的圆锥角度在立体空间形成环形堆叠的三维排列形式，对应的，所述二次配光透镜为阶梯状圆台形的自由曲面透镜；所述二次配光透镜形成的配光曲线分隔为与LED圈带数量相等的多个部分，所述多个部分与所述多个LED圈带一一对应；其中，部分所述配光曲线的配光角度小于180度，部分所述配光曲线的配光角度大于等于180度，各部分配光曲线所包含光通量比例等于各LED圈带的总光通比例。

可选的，所述LED圈带的数量为2条，所述二次配光透镜形成的配光曲线分隔为2个部分，其中，一部分配光曲线的配光角度小于180度，另一部分配光曲线的配光角度大于等于180度。

可选的，所述全周光配光透镜是由一个封闭的曲线绕LED圈带的LED光源的排列中心轴线旋转所形成的结构，在每条LED圈带的配光曲线中，每条LED圈带对应有两条连续曲线，所述封闭曲线是由各条LED圈带所对应的两条连续曲线依次首尾连接形成。

可选的，所述每条LED圈带对应的两条连续曲线中，一条位于所述全周光配光透镜的入光面，另一条位于所述全周光配光透镜的出光面，各条位于入光面的连续曲线及各条位于出光面的连续曲线之间的两两连接形成所述封闭曲线。

可选的，所述全周光配光透镜的中间带有通孔。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)可实现大于180度的全周光配光照明；

(2)采用计算特征点确定透镜曲面的办法可以更加准确快速地确定透镜内外表面形状；

(3)采用整体透镜配光的形式，避免了单体透镜装配对配光的影响。

附图说明

图1为传统投射式透镜外形图；

图2为本发明的全周光配光***整体结构图；

图3为本发明的全周光配光透镜配光曲线分割图；

图4为本发明的在入射面上划分小角的方法示意图；

图5为本发明的在出射的配光空间划分小段的方法示意图；

图6为本发明的确定透镜表面上各特征点并依次连接的示意图；

图7为本发明的实施例1阶梯状圆台形透镜截面图示；

图8为本发明的实施例1阶梯状圆台形自由曲面透镜外形图；

图9为本发明的实施例2阶梯状圆台形透镜截面图示；

图10为本发明的实施例2阶梯状圆台形自由曲面透镜外形图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明旨在构造一种可实现大于180度全周光配光的配光方法。该配光方法包括环形排列的LED光源1以及二次配光透镜2；如图2所示。所述LED光源1在不同水平面上排列成多个环形的圈带，并且以一定的圆锥角度在立体空间形成环形堆叠的三维排列形式；所述二次配光透镜2为阶梯状圆台形。阶梯状圆形台自由曲面透镜(如图2)，其设计步骤如下：

a)跟据LED光源的圈带数目，将二次配光透镜2形成的配光曲线分隔为相等数量的多个部分。例如图2中LED光源排列成2个环形的圈带，则二次配光透镜2形成的配光曲线也分隔为两个部分，其中，一部分配光曲线的配光角度小于180度，另一部分配光曲线的配光角度大于等于180度，当配光曲线分成3个以上的部分时，这三个部分的配光角度可以进行任意分配，只要保证与LED圈带能量守恒的原则即可。如图3所示，L1表示小于180度的配光部分，L2表示大于180度的配光部分)，并且这两部分配光曲线所包含光通量比例等于各圈带LED光源的总光通比例，透镜的设计将针对分隔好的各部分配光曲线进行分别设计；

b)以任意一条环形LED光源构成LED光源圈带的光轴平面作为入射面，在所述入射面上，将光轴一侧的光源角度等分为N个小角，其中N≥4，即各光源角度是按相等的角度间隔进行分配。为使图形清晰，本实施例取N＝4，即划分为4个小角，分别为α1、α2、α3、α4，如图4所示；

c)如图5所示，将步骤a)分隔好的配光曲线(即光强随发光角度的分布)分为4个小段，分别为ab，bc，cd，及de；4段配光曲线中的每段对应的光通量与步骤b)分隔的每个光源角度光通量相等；

d)将所述LED光源圈带的4个小角与所述配光曲线4个小段一一对应；

e)以所述ab小段作为起始被照小段，以a点为起始被照点，则ab段对应的小角为α1，根据透镜入光面201离开光源的距离要求，在与a点对应的入射光线上取一点1a作为透镜入光面上的起始特征点，在该起始特征点处，平行于光源与起始被照点a的连线的直线同入射光线形成一夹角β1，为透镜的起始光线偏折角，将所述起始光线偏折角β1分成第一偏折角β11和第二偏折角β12，两个偏折角大小比例可以为任意，本实施例取β11∶β12＝1∶1，角分线作为入射光线经过入光面(透镜的入光面201和出光面202分别指透镜的内表面和外表面)的起始特征点1a后的折射线，通过折射定律，确定1a点的法线n1，垂直于法线n1的直线与所述的光线入射面形成一交线，该交线与小角α1的角边的交点分别为1a和1b，1b点即作为第二特征点，在第二被照小段bc上，取b点为第二被照点，则b点对应了该第二特征点1b。由上面的方法可知，只要求出各征点的法线就能求出各个特征点----各特征点法线的具体求解方法如下：1、通过该特征点入射光线方向求出该特征点的入射向量Nin；2、通过该特征点的折射光线方向求出该特征点的折射向量Nrefract；3、通过折射定律的如下向量表达式就可以求出各特征点的法向量：Nf＝n*Nrefract-n0*Nin；其中Nf为该特征点的法向量，n为折射光线所在介质折射率，n0为入射光线所在介质折射率。

f)同上一步骤，依次求出4个小段中的各个被照点c，d，及e所对应的透镜入光面201上的各特征点1c，1d，及1e的位置；

g)在经过所述透镜入光面201上的起始特征点1a后的折射线上，根据透镜厚度要求取一点2a，作为透镜出光面202上的起始特征点，采用与得到入光面上的特征点类似的方法，求出透镜出光面202上的各特征点的位置；

如图6所示，具体为：

根据全周光配光透镜厚度的要求，在经过入光面上的起始特征点1a后的折射线上取一点2a作为出光面202上的起始特征点，以该折射线作为透镜出光面202的入射线，以在该2a点平行于被照点a与光源的连线的直线为透镜出光面202的折射线，该入射线和折射线方向即为图示的第二偏折角β12的两个角边方向，采用与确定入光面的特征点完全相同的方法，依次求得第二面上的特征点2b、2c、2d、2e的位置。

h)将所述的入光面201和出光面202上的各特征点依次连接，分别形成两条连续曲线；

i)同以上步骤，求出另一条圈带LED光源构成LED光源环带所对应的两条连续曲线203和204；

j)将所述四条曲线两两连接形成一个封闭的曲线，绕圈带光源的排列中心轴线205旋转，形成透镜的立体形状，如图7及图8所示。

本发明的另一种实施方式，为了达到更好的散热效果，配合中间带通孔的灯座使用，透镜还可以设计为中间带通孔的形状，在设计时，全周光配光透镜的光学设计原理同第一实施例的方法，只是从中央带通孔的位置边缘开始设计，求出光学曲线，然后连接起来，再绕中心轴线旋转，形成透镜的立体开关，如图9、图10所示。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种全周光配光透镜的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：设置多条LED圈带以及环绕于LED圈带的二次配光透镜；

每条LED圈带均主要由在一平面内环形排列的LED光源构成；

所述多条LED圈带的包络面为一圆台侧面；

所述二次配光透镜形成的配光曲线分隔为与LED圈带数量相等的多个部分，所述多个部分与所述多个LED圈带一一对应；

部分配光曲线的配光角度小于180度，部分配光曲线的配光角度大于等于180度，各部分配光曲线所包含光通量比例等于各LED圈带的总光通比例；

步骤2：以任意一条LED圈带的光轴平面作为入射面，在所述入射面上，将光轴一侧的LED圈带的光源角度等分为N个小角，其中N≥4，即各光源角度按相等的角度间隔进行分配；

步骤3：将步骤1分隔好的配光曲线分为N个小段，N段配光曲线中的每段对应的光通量均与步骤2分配的光源角度光通量相等；

步骤4：将所述N个小角与所述配光曲线N个小段一一对应；

步骤5：以所述N个小段中的边缘小段作为起始被照小段，以边缘点为起始被照点，即对应所述N个小角中的一个小角；

步骤6：求出每条LED圈带所对应的两条连续曲线；

步骤7：将各条LED圈带所对应的两条连续曲线依次首尾连接形成一个封闭的曲线，然后将所述封闭的曲线绕LED圈带的LED光源的排列中心轴线旋转，形成全周光配光透镜的立体形状；

其中，所述步骤6包括如下步骤：

步骤6.1：根据全周光配光透镜的透镜入光面离开光源的距离要求，在与起始被照点对应的入射光线上取一点作为所述透镜入光面上的第一特征点，在该入光面上的第一特征点处，平行于LED光源与起始被照点连线的直线同入射光线形成一夹角，为二次配光透镜的起始光线偏折角，将所述起始光线偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，第一偏折角和第二偏折角的角分线作为入射光线经过所述透镜入光面后的折射线，通过折射定律以及对应所述N个小角中的一个小角，求出与入光面上的第一特征点相邻的入光面上的第二特征点，该入光面上的第二特征点对应与起始被照点相邻的第二被照点；

步骤6.2：针对N个小段中的每一个小段执行步骤6.1，依次求出N个小段中的各个被照点所对应的透镜入光面上的各特征点的位置；

步骤6.3：在经过所述透镜入光面上的第一特征点后的折射线上，根据二次配光透镜的透镜厚度要求取一点，作为全周光配光透镜的透镜出光面上的第一特征点，采用如下方式，求出透镜出光面上的各特征点的位置：

步骤i1：在该出光面上的第一特征点处，平行于LED光源与起始被照点连线的直线同入射光线形成一夹角，为二次配光透镜的起始光线偏折角，将所述起始光线偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，第一偏折角和第二偏折角的角分线作为入射光线经过所述透镜出光面后的折射线，通过折射定律以及对应所述N个小角中的一个小角，求出与出光面上的第一特征点相邻的出光面上的第二特征点，该出光面上的第二特征点对应与起始被照点相邻的第二被照点；

步骤i2：针对N个小段中的每一个小段执行步骤i1，依次求出N个小段中的各个被照点所对应的透镜出光面上的各特征点的位置；

步骤6.4：将所述透镜入光面上的各特征点依次连接，将所述透镜出光面上的各特征点依次连接，形成两条连续曲线。

2.根据权利要求1所述的全周光配光透镜设计方法，其特征在于，所述各特征点依次用直线或平滑曲线连接起来。

3.根据权利要求2所述的全周光配光透镜设计方法，其特征在于，所述通过折射定律以及对应所述N个小角中的一个小角，求出与入光面上的第一特征点相邻的入光面上的第二特征点，包括：

确定第一特征点的法线，垂直于该法线的直线与所述的入光面形成一交线，该交线与所述小角的角边的交点分别为所述第一特征点和第二特征点；

其中，所述确定起始征点的法线，包括：

通过该第一特征点入射光线方向求出该第一特征点的入射向量Nin；

通过该第一特征点的折射光线方向求出该特征点的折射向量Nrefract；

通过折射定律的如下向量表达式就可以求出各特征点的法向量：Nf＝n*Nrefract-n0*Nin；其中Nf为该特征点的法向量，n为折射光线所在介质折射率，n0为入射光线所在介质折射率。

4.根据权利要求1所述的全周光配光透镜设计方法，其特征在于，所述LED圈带的数量为2条，所述二次配光透镜形成的配光曲线分隔为2个部分，其中，一部分配光曲线的配光角度小于180度，另一部分配光曲线的配光角度大于等于180度。

5.一种全周光配光透镜，其特征在于，所述配光透镜是根据权利要求1至4中任一项所述的全周光配光透镜的设计方法制造得到的。

6.根据权利要求5所述的全周光配光透镜，其特征在于，所述全周光配光透镜的中间带有通孔。

7.一种全周光配光透镜，其特征在于，包括：

环绕于多个环形的LED圈带所设置的二次配光透镜，其对应各所述LED圈带的包络面为一圆台侧面；

各所述LED圈带是分别由LED光源在不同水平面上排列成的，并且以一定的圆锥角度在立体空间形成环形堆叠的三维排列形式，所述二次配光透镜为阶梯状圆台形的自由曲面透镜；

所述二次配光透镜形成的配光曲线分隔为与LED圈带数量相等的多个部分，所述多个部分与所述多个LED圈带一一对应；

部分所述配光曲线的配光角度小于180度，部分所述配光曲线的配光角度大于等于180度，各部分配光曲线所包含光通量比例等于各LED圈带的总光通比例。

8.根据权利要求7所述的全周光配光透镜，其特征在于，所述LED圈带的数量为2条，所述二次配光透镜形成的配光曲线分隔为2个部分，一部分配光曲线的配光角度小于180度，另一部分配光曲线的配光角度大于等于180度。

9.根据权利要求7所述的全周光配光透镜，其特征在于，所述全周光配光透镜是由一个封闭的曲线绕LED圈带的LED光源的排列中心轴线旋转所形成的结构，在每条LED圈带的配光曲线中，每条LED圈带对应有两条连续曲线，所述封闭曲线是由各条LED圈带所对应的两条连续曲线依次首尾连接形成。

10.根据权利要求9所述的全周光配光透镜，其特征在于，所述每条LED圈带对应的两条连续曲线中，一条位于所述全周光配光透镜的入光面，另一条位于所述全周光配光透镜的出光面，各条位于入光面的连续曲线及各条位于出光面的连续曲线之间的两两连接形成所述封闭曲线。

11.根据权利要求7所述的全周光配光透镜，其特征在于，所述全周光配光透镜的中间带有通孔。