CN105570834A - 一种平面出光led透镜及其设计方法 - Google Patents

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张志海
罗茶根
洪芸芸
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Abstract

本发明公开了一种平面出光LED透镜及其设计方法，透镜包括顶部、侧面和底部，顶部为出光面，侧面环绕设置反射杯面，底部设有内凹腔。出光面为平面，内凹腔包括顶面和拔模面，顶面为自由曲面。透镜包括两条光线传输路径，第一条为：一部分光线通过自由曲面折射入透镜内，光线在透镜内传播后由出光面出射，即：自由曲面—出光面；第二条为：一部分光线由拔模面折射进入透镜，经反射杯面发生反射，最后在出光面处折射后出射，即：拔模面—反射杯面—出光面。本发明的平面出光LED透镜出光面为平面大大提高灯具维护的便利性，透镜表面积尘之后，可以很容易清洁，从而使灯具维持较高的维护系数，保持良好的光学性能。

Description

一种平面出光LED透镜及其设计方法
技术领域
本发明属于光学元件、***或仪器技术领域，具体是指一种平面出光LED透镜及其设计方法。
背景技术
LED相对于传统照明光源具有节能、环保、使用寿命长、反应速度快等优点，被认为21世纪最优质的光源，LED照明产品的开发、研制、生产已成为十分诱人的朝阳产业。然而LED发出的光为朗伯分布，很难直接用于照明，需要进行二次光学设计，用于不同照明场景有着不同的要求。对LED芯片的封装视为一次光学设计，根据一次光学设计的结果设计出折射透镜及反光罩等以满足照明应用的光学设计过程视为二次光学设计。二次光学设计的主要任务是将朗伯型配光改造成能应用于不同场景照明的配光。这个过程对LED在照明领域的应用有着至关重要的作用。
目前，大多使用的传统光学透镜如柱面镜或球面镜等，它们的出光面大都为凸出曲面，不易清洁，透镜上容易积累灰尘，导致透镜出光效率低，影响灯具照明效果，大大增加了灯具维护难度，提高了灯具维护成本。
发明内容
本发明为解决现有LED透镜出光效率低、不易清洁的问题，提出一种新型平面出光LED透镜及其设计方法。
为解决上述问题，本发明采取的技术方案是：一种平面出光LED透镜，包括顶部、侧面和底部1，其特征在于：顶部为出光面2，侧面环绕设置反射杯面3，底部1上设有内凹腔11，所述出光面2为平面，所述内凹腔11包括顶面和拔模面111，顶面为自由曲面112。
优选地，侧面环绕设置反射杯面3，使未由自由曲面112进入透镜的光线经反射杯面3后由顶部的平面出光面2出射，减少出射面的全反射，提高透镜的出光效率。
优选地，所述透镜包括两条光线传输路径，第一条传输路径为：一部分光线按特定的能量分配通过所述自由曲面112折射入透镜内，此为第一次折射，光线在透镜内传播后由出光面2出射，此为第二次折射，即：自由曲面112——出光面2；第二条传输路径为：另一部分光线由于LED出光角度过大不能由自由曲面112进入透镜，这部分光线由拔模面111折射进入透镜，在透镜内传播后经反射杯面3发生反射，最后在出光面2处折射后出射，即：拔模面111——反射杯面3——出光面2；两部分光线最后均由出光面2出射。
优选地，所述透镜为轴对称结构，有两条相互垂直的对称轴，分别为长轴对称轴4及短轴对称轴5。
优选地，出光面2边界为闭合椭圆曲线或其他形状的闭合曲线。
优选地，底部1边界为闭合椭圆曲线或其他形状的闭合曲线。
优选地，所述透镜为折射率大于1的玻璃、PC、PMMA或其他材料制成。
一种平面出光LED透镜的设计方法，包括以下步骤：
（1）由折射定律推测出出光面2目标出光角b与入射角a的函数关系；
（2）根据出光面2目标出光角b与入射角a的函数关系，由目标配光曲线x逆向推导出入射出光面2时的配光曲线y，即经自由曲面112配光后入射至出光面2时的配光曲线y；
（3）以推导出的配光曲线y为目标，设计平面出光LED透镜的自由曲面112；
（4）自由曲面112定型后，设计反射杯面3；
（5）确定平面出光LED透镜模型。
本发明取得的有益效果是：本发明提供的一种平面出光LED透镜，侧面环绕设置反射杯面，使未由自由曲面进入透镜的光线经反射杯面后由顶部的平面出光面出射，提高透镜的出光效率；出光面为平面大大提高了灯具维护的便利性，透镜表面积尘之后，可以很容易清洁，保持良好的光学性能；出光面为平面没有凸出部分，从而减少了眩光，尤其在隧道照明中使用时可以提高行车安全性。
该透镜设计方法通过对透镜自由曲面及反射杯面的设计来调整平面出光面出射的光能量分配，可以满足不同照明需求的配光类型，如道路照明、隧道照明、停车场照明等。
附图说明
图1为一种平面出光LED透镜的结构图。
图2为一种平面出光LED透镜的立体图。
图3为一种平面出光LED透镜的对称轴示意图。
图4为一种平面出光LED透镜在长轴对称轴截面光路示意图。
图5为一种平面出光LED透镜在短轴对称轴截面光路示意图。
图6为一种平面出光LED透镜出光面折射光路示意图。
附图标号：1、底部；11、内凹腔；111、拔模面；112、自由曲面；2、出光面；3、反射杯面；4、长轴对称轴；5、短轴对称轴。
具体实施方式
参见附图1至3，一种平面出光LED透镜，包括顶部、侧面和底部1，其特征在于：顶部为出光面2，侧面环绕设置反射杯面3，底部1上设有内凹腔11，所述出光面2为平面，所述内凹腔11包括顶面和拔模面111，顶面为自由曲面112。
进一步地，侧面环绕设置反射杯面3，使未由自由曲面112进入透镜的光线经反射杯3面后由顶部的平面出光面2出射，减少出射面的全反射，提高透镜的出光效率。
进一步地，所述透镜包括两条光线传输路径，第一条传输路径为：一部分光线按特定的能量分配通过所述自由曲面112折射入透镜内，此为第一次折射，光线在透镜内传播后由出光面2出射，此为第二次折射，即：自由曲面112——出光面2；第二条传输路径为：另一部分光线由于LED出光角度过大不能由自由曲面112进入透镜，这部分光线由拔模面111折射进入透镜，在透镜内传播后经反射杯面3发生反射，最后在出光面2处折射后出射，即：拔模面111——反射杯面3——出光面2；两部分光线最后均由出光面2出射。
进一步地，所述透镜为轴对称结构，有两条相互垂直的对称轴，分别为长轴对称轴4及短轴对称轴5。
如图4所示，透镜在长轴对称轴4截面光路示意图，光线L0垂直入射透镜没有改变传播方向，在出光面2垂直出射；光线L1、L2、L3及L4均由自由曲面112折射进入透镜，传播后从顶部平面出光面2出射；光线L5由拔模面111入射透镜，经反射杯面3反射后从顶部平面出光面2出射。
如图5所示，透镜在短轴对称轴5截面光路示意图，光线S0垂直入射透镜没有改变传播方向，在出射面垂直出射；光线S1、S2及S3均由自由曲面折射进入透镜传播后从顶部平面出射；光线S4由拔模面入射透镜，经反射杯面3反射后从顶部平面出光面2出射。
进一步地，出光面2边界为闭合椭圆曲线或其他形状的闭合曲线。
进一步地，底部1边界为闭合椭圆曲线或其他形状的闭合曲线。
进一步地，所述透镜为折射率大于1的玻璃、PC、PMMA或其他材料制成。
一种平面出光LED透镜的设计方法，包括以下步骤：
（1）由折射定律推测出出光面2目标出光角b与入射角a的函数关系；
如图6所示，透镜出光面2为平面，令从出光面2出射光线的目标出光角度为b，入射出光面2面的入射角为a，空气折射率为n0，透镜折射率为n，由折射定律可知：
由上式可以得出目标出光角b与入射到出光面2时的入射角a之间的函数关系；
（2）根据出光面2目标出光角b与入射角a的函数关系，由目标配光曲线x逆向推导出入射出光面2时的配光曲线y，即经自由曲面112配光后入射至出光面2时的配光曲线y；
（3）以推导出的配光曲线y为目标，设计平面出光LED透镜的自由曲面112；
（4）自由曲面112定型后，设计反射杯面3；
（5）确定平面出光LED透镜模型。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多类似的改形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明所要保护的范围。

Claims (5)

1.一种平面出光LED透镜，包括顶部、侧面和底部（1），其特征在于：顶部为出光面（2），侧面环绕设置反射杯面（3），底部（1）上设有内凹腔（11），所述出光面（2）为平面，所述内凹腔（11）包括顶面和拔模面（111），顶面为自由曲面（112）。
2.根据权利要求1所述的一种平面出光LED透镜，其特征在于：所述透镜包括两条光线传输路径，第一条传输路径为：一部分光线按特定的能量分配通过所述自由曲面（112）折射入透镜内，此为第一次折射，光线在透镜内传播后由出光面（2）出射，此为第二次折射，即：自由曲面（112）——出光面（2）；第二条传输路径为：另一部分光线由于LED出光角度过大不能由自由曲面（112）进入透镜，这部分光线由拔模面（111）折射进入透镜，在透镜内传播后经反射杯面（3）发生反射，最后在出光面（2）处折射后出射，即：拔模面（111）——反射杯面（3）——出光面（2）；两部分光线最后均由出光面2出射。
3.根据权利要求1所述的一种平面出光LED透镜，其特征在于：所述透镜为轴对称结构，有两条相互垂直的对称轴，分别为长轴对称轴（4）及短轴对称轴（5）。
4.根据权利要求1所述的一种平面出光LED透镜，其特征在于：所述透镜为折射率大于1的玻璃或PC或PMMA材料制成。
5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的一种平面出光LED透镜的设计方法，包括以下步骤：
（1）由折射定律推测出出光面（2）目标出光角b与入射角a的函数关系；
（2）根据出光面2目标出光角b与入射角a的函数关系，由目标配光曲线x逆向推导出入射出光面2时的配光曲线y，即经自由曲面112配光后入射至出光面2时的配光曲线y；
（3）以推导出的配光曲线y为目标，设计平面出光LED透镜的自由曲面（112）；
（4）自由曲面（112）定型后，设计反射杯面（3）；
（5）确定平面出光LED透镜模型。
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