專利名稱：一種自由曲面光學(xué)透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種自由曲面光學(xué)透鏡。
(二)
背景技術(shù)：
隨著LED技術(shù)的迅速發(fā)展，LED照明的應(yīng)用越來越廣泛。特別是道路照明， 由于LED具有高效、節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長等特點(diǎn)，路燈的應(yīng)用首當(dāng)其沖。 眾所周知， 一般道路的路面是成矩形狀的，而一般燈具發(fā)出的光到達(dá)路面所 形成的光斑是成圓形的。這意味著燈具所在位置橫截面上的照度最亮、區(qū)域 最廣，兩盞燈具間的橫截面上照度最暗、區(qū)域最小。為達(dá)到道路照明要求， 只能把路燈安排加密。這樣，導(dǎo)致道路以外的區(qū)域被過多的照明，成為無效 照明并將增加光污染，這不利于節(jié)能環(huán)保。為解決這一問題，我們實(shí)用新型 一種能形成矩形光斑的光學(xué)透鏡，以適應(yīng)各種路面照明要求，達(dá)到節(jié)能降耗、 環(huán)保的目的。
目前能形成矩形光斑的光學(xué)透鏡有幾種，如中國實(shí)用新型專利 200710123944.8 "二次光學(xué)透鏡"所描述的透鏡；中國實(shí)用新型專利 200710073278. 1 "LED路燈極其透鏡"所描述的透鏡；中國實(shí)用新型專利 200710118965.0 "—種用于LED光源的透鏡"所描述的透鏡，等。
上述的LED透鏡雖然都能形成矩形光斑，但所設(shè)計(jì)的入射面，出射面都 套用一定的幾何形狀，這導(dǎo)致光線的折、反射受到這些幾何形狀的限制，部 分光線跑到非設(shè)定區(qū)域，形成光能損失。因而有必要引入自由曲面概念，能 精確計(jì)算曲面上每個(gè)點(diǎn)的折、反射光線，達(dá)到預(yù)定的要求。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種既保證矩形光斑長寬比形 狀和照度均勻性，又能提高有效光能利用率，達(dá)到優(yōu)化效果的自由曲面透鏡。所述的自由曲面光學(xué)透鏡，包括入射面、出射面和兩對主側(cè)面 以光軸作為X軸，建立X-Y-Z坐標(biāo)系；
所述透鏡的出射面采用兩條在X軸上相互垂直的曲線掃描得到的自由曲
面(Sl)，該兩條曲線的方程式分別表示為X = A2Z^A^+A。和X^ B2Y2+B4Y4+B。， 其中A2=-0. 005 -0. 003， A4=-0. 0007 -0. 0005， A。 = 7. 0 9. 5; B2=-0. 01 . 04， B4=-0. 00045 -0. 0003， B。二7. 0 9. 5;
所述透鏡的入射面由一個(gè)基本柱面(S3)構(gòu)成，該基本柱面的方程式表 示為X 二 (R2—Y2)1/2， R=4.0 4. 5;
所述透鏡起全反射作用的其中一對主側(cè)面采用以X軸為對稱軸的非園柱 面(S6)，其方程式表示為X = G2Z2+G4Z4+G6Z6+G。，另一對主側(cè)面采用以光軸為 對稱軸的斜平面(S7)，其方程式表示為Y叫A+H。；其中G2 = 0. 130 0. 135， G4 =-0. 0012 -0. 0011， G6 = 0. 000010 0. 000011， G。=-1. 90 -1. 80; 2. 0 -1.0，H0=-5. 0 -4. 0。
進(jìn)一步，所述透鏡的入射面還附加一個(gè)非園柱面(S4)，非園柱面由三段 曲線組成，其方程式分別表示為X = C2Y2 +C。， (X-D。)2+(Y-E。)2 二 F。和 (X-D。) 2+(Y+E0)2 = F。 ， C2 = -0. 70 -0. 40， C。 = 5. 00 5. 30， D。 = 3. 5 4. 0， E0=0. 90 1. 0， Fu=0. 50 0. 51。
進(jìn)一步，上述方程式中 A2 = -0.004171429, A4 = -0.00058069 ， A。 = 7. 79 ; B2 = 0. 016685716, B4 = -0. 000377448， Bo=7. 79; R二4. 2;
G2 = 0. 133485729, G4 = -0. 001172413， G6 二 0. 000010435, G。=-1. 83 ; H丄= -1. 880726465， H。二-4. 490482577;
C2=-0. 634724644， C0=5. 27876652, D。二3. 85, E。二0. 97， F。=0. 5041。-0. 000406483， B。=7. 4914375; R=4. 2;
G2 二 0. 133485729， ^ 二 -0. 001172413， G6 二 0. 000010435， G。=-1. 83 ; = -l. 880726465， H。二-4. 490482577;
C2=-0. 634724644， C0=5, 27876652， D。二3. 85， E0=0. 97， F0=0. 5041。
進(jìn)一步，上述方程式中.-A2 = -0. 004171429， A4 = -0. 00058069 ， A。 = 9. 3373277; B2 = -0. 008342858， B4 =-0. 000377448, B0=9. 3373277; R = 4. 2;
G2 = 0. 160182875， = -0. 001172413， G6 = 0. 000010435， G。二一l. 83 ; Ht 二 -l. 07236871， H0 = -4. 19;
C2 = -0. 432577192， C。 = 5. 04383504， D。 = 3. 85， E。=0. 97， F')=0. 5041。
本實(shí)用新型通過合理設(shè)置所述透鏡各入射面，四側(cè)面及出射面的各自尺 寸和相互位置尺寸，同時(shí)合理選擇所述各面的表示方程式之項(xiàng)次及各項(xiàng)系數(shù)， 通過光線追跡計(jì)算、軟件仿真進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，就可做到既保證矩形光斑所需 的長寬比形狀和照度均勻性，又提高有效光能利用率。同時(shí)只需對上述各表 示方程式的某一些參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，即可滿足不同用戶的要求，因而具有 自由靈活性和廣泛的適應(yīng)性。
并且，這些由方程式表示的曲面可以作成3D圖和點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，很容易導(dǎo)入 數(shù)控加工中心或多軸自由曲面加工設(shè)備以及計(jì)測儀器，進(jìn)行精密或超精密的 加工和檢測，使誤差嚴(yán)格控制在可容許范圍內(nèi)。
所述透鏡的入射面需與LED封裝件的相應(yīng)外形尺寸精確定位，確保LED 芯片的中心與所述透鏡的光軸中心重合且兩者保持符合設(shè)計(jì)要求的間距。
為便于加工，降低成本和減輕重量，所述透鏡可采用光學(xué)塑料注塑成形， 所用的光學(xué)塑料可以是PMMA， PC， ZE0NEX等，根據(jù)所述透鏡所需的精度，性 價(jià)比，耐熱性進(jìn)行選用。本實(shí)用新型的透鏡既保證了矩形光斑所需的長寬比形狀和照度均勻性， 又提高有效光能利用率，具有自由靈活性和廣泛的適應(yīng)性。


圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例1自由曲面光學(xué)透鏡的Z-X坐標(biāo)二維結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例1自由曲面光學(xué)透鏡的X-Y坐標(biāo)二維結(jié)構(gòu)圖； 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例1自由曲面光學(xué)透鏡的Z-Y坐標(biāo)二維結(jié)構(gòu)圖； 圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例1的自由曲面光學(xué)透鏡的前視圖； 圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例1的自由曲面光學(xué)透鏡的后視圖； 圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例1的光強(qiáng)分布仿真圖； 圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例2的光強(qiáng)分布仿真圖； 圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例3的光強(qiáng)分布仿真圖。
具體實(shí)施方式下面通過實(shí)施例對本實(shí)用新型作優(yōu)選地具體的說明，但本實(shí)用新型的保
護(hù)范圍并不限于此。 實(shí)施例1
參照圖1 5， 一種自由曲面光學(xué)透鏡，包括入射面、出射面和兩對主側(cè)面 以光軸作為X軸，建立X-Y-Z坐標(biāo)系；
所述透鏡的出射面采用兩條在X軸上相互垂直的曲線掃描得到的自由曲 面S1，該兩條曲線的方程式分別表示為X二A^+A4ZVA。和X二B2Y、B4Y、B。，其 中A產(chǎn)-0. 005 -0. 003， A4=-0. 0007 —0. 0005， A。=7. 0 9. 5; B2=-0. 01 0. 04， B4=-0. 00045 -0. 0003， B。=7. 0 9. 5;
所述透鏡的入射面由一個(gè)基本柱面S3構(gòu)成，該基本柱面的方程式表示為 X = (R2—Y2)1/2，R=4. 0 4. 5;
所述透鏡起全反射作用的其中一對主側(cè)面采用以X軸為對稱軸的非園柱 面S6，其方程式表示為X = G2Z2+G4Z4+GfiZ6+G。，另一對主側(cè)面采用以光軸為對 稱軸的斜平面S7，其方程式表示為Y，+H。;其中G2 = 0. 130 0. 135，G4 =—0. 0012 —0. 0011， Ge二O. 000010 0. 000011， G。=—1. 90 —1. 80; H = —2. 0 -1.0，H0=-5. 0 _4. 0。
所述透鏡的入射面還附加一個(gè)非園柱面S4，非園柱面由三段曲線組成， 其方程式分別表示為X = C2Y2 +C。， (X-D。) 2+ (Y-E。)2 = F。和(X-D。) 2+ (Y+E。)2 = F。， C2 = -0. 70 -0. 40， C0 = 5. 00 5. 30， D0=3. 5 4. 0， Eo=0. 90 1. 0， F0 = 0. 50 0. 51。
本實(shí)施例選定的項(xiàng)系數(shù)為 A2 =-0.004171429, A4 =-0.00058069 ， A。 = 7. 79 ; B2 = 0. 016685716， B4 = -0.000377448， B。=7. 79; R=4. 2;
G2 = 0. 133485729, G4 = —0. 001172413， G6 = 0. 000010435， G。=—l. 83 ; H丄= -1. 880726465， H。=_4. 490482577;
C2=-0. 634724644， C。=5. 27876652， D。=3. 85， E^O. 97, F。=0. 5041。 斜面S2方程采用z=2. 747477419x-14. 04194 斜面S5方程采用z=-0. 052407779x+3. 5
參見圖6，作為LED路燈的一種配光方式，本透鏡的縱向(車道)最大光 強(qiáng)夾角為108度；可獲得近似3 : 1的矩形光斑，也即燈高10m時(shí)可獲得35m X12m的均勻光斑。
按上述方程式構(gòu)成的自由曲面透鏡可實(shí)現(xiàn)以下指標(biāo) 照度均勻性(10m遠(yuǎn)處35mX12m范圍內(nèi))達(dá)到50%; 出光效率達(dá)到88. 1%;
有效光能利用率(10m遠(yuǎn)處，45mX45m范圍內(nèi))達(dá)到79. 6% 實(shí)施例2
改變實(shí)施例1中方程的系數(shù)如下A2 = -0. 004171429， A4 = -0. 00058069， A。=7. 4914375; B2=0. 037542861， B4 = -0. 000406483， B。=7. 4914375; R=4. 2;
G2 = 0. 133485729， G4 = -0. 001172413， G6 = 0. 000010435， Go=_l. 83 ; & = -1. 880726465， H。=-4. 490482577;
C2=-0. 634724644， C。 = 5. 27876652， D。=3. 85， E。=0. 97， Fo=0. 5041。 斜面S2方程采用z= 2. 747477419x_14. 04194 斜面S5方程采用z=-0. 052407779x+3. 5
作為LED路燈的另一種配光方式，本透鏡的縱向最大光強(qiáng)夾角為120度， 見圖7;可獲得近似4 : 1的矩形光斑，也即燈高10m時(shí)可獲得40mX 10m的均 勻光斑。
按上述方程式構(gòu)成的自由曲面透鏡可實(shí)現(xiàn)以下指標(biāo) 照度均勻性(10m遠(yuǎn)處40mX10m范圍內(nèi))達(dá)到41.3%; 出光效率達(dá)到87.2%;
有效光能利用率(10m遠(yuǎn)處，50mX50m范圍內(nèi))達(dá)到71. 7%。 實(shí)施例3
改變實(shí)施例1中方程的系數(shù)如下
A2 = -0. 004171429， A4 = -0. 00058069， A0 = 9. 3373277; B2 = -0. 008342858， B4 =-0. 000377448， B0 = 9. 3373277; R=4. 2;
G2 = 0. 160182875， G4 = _0. 001172413， G6 = 0. 000010435， G。=-1. 83 ; = —1. 07236871， H。=—4. 19;
C2 = -0. 432577192, CQ = 5. 04383504， D。=3. 85， E。=0. 97， F。=0. 5041。 斜面S2方程采用x=8. 15 斜面S5方程采用z=-0. 052407779x+3. 5作為LED燈具的一種配光方式，本透鏡的縱向最大光強(qiáng)夾角為74度， 見圖8;可獲得近似2 : 1的矩形光斑，也即燈高10m時(shí)可獲得20mX 10m的均 勻光斑。
按上述方程式構(gòu)成的自由曲面透鏡可實(shí)現(xiàn)以下指標(biāo) 照度均勻性(10m遠(yuǎn)處40mX10m范圍內(nèi))達(dá)到48%; 出光效率達(dá)到87.9%;
有效光能利用率(10m遠(yuǎn)處，45mX45m范圍內(nèi))達(dá)到83%。
權(quán)利要求1、一種自由曲面光學(xué)透鏡，包括入射面、出射面和兩對主側(cè)面，其特征在于以光軸作為X軸，建立X-Y-Z坐標(biāo)系；所述透鏡的出射面采用兩條在X軸上相互垂直的曲線掃描得到的自由曲面(S1)，該兩條曲線的方程式分別表示為X＝A2Z2+A4Z4+A0和X＝B2Y2+B4Y4+B0，其中A2＝-0.005～-0.003，A4＝-0.0007～-0.0005，A0＝7.0～9.5；B2＝-0.01～0.04，B4＝-0.00045～-0.0003，B0＝7.0～9.5；所述透鏡的入射面由一個(gè)基本柱面(S3)構(gòu)成，該基本柱面的方程式表示為X＝(R2-Y2)1/2，R＝4.0～4.5；所述透鏡起全反射作用的其中一對主側(cè)面采用以X軸為對稱軸的非園柱面(S6)，其方程式表示為X＝G2Z2+G4Z4+G6Z6+G0，另一對主側(cè)面采用以光軸為對稱軸的斜平面(S7)，其方程式表示為Y＝H1X+H0；其中G2＝0.130～0.135，G4＝-0.0012～-0.0011，G6＝0.000010～0.000011，G0＝-1.90～-1.80；H1＝-2.0～-1.0，H0＝-5.0～-4.0。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述自由曲面光學(xué)透鏡，其特征在于所述透鏡的入射面還附加一個(gè)非園柱面(S4)，非園柱面由三段曲線組成，其方程式分 別表示為X = C2Y2 +C。， (X-D。) 2+(Y-E。)2 = F。和(X-D。)2+(Y+E。)2 二 F。， C2 =-0. 70 —0. 40， Co = 5. 00 5. 30， D。 = 3. 5 4. 0， E0=0. 90 1. 0， F0 — 0. 50 0. 51。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述自由曲面光學(xué)透鏡，其特征在于上述方程式中 A2 = -0.004171429，^ = -0.00058069， A。二7.79; B2 = 0. 016685716, B4 =-O. 000377448， B。=7. 79; R=4. 2;G2 二 0. 133485729， G4 = -O. 001172413， G6 二 0. 000010435， G。二-l. 83 ; H丄= -1. 880726465， H。=-4. 490482577;C2=-0. 634724644， C。二5. 27876652， D。二3. 85, E。二0. 97, F。=0. 5041。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述自由曲面光學(xué)透鏡，其特征在于上述方程式中 A2 = -0.004171429， A4 二 -0.00058069 ， A。 二 7.4914375 ; B2 = 0. 037542861， B4 = -0. 000406483， B。 = 7. 4914375;R二4. 2;G2 = 0. 133485729， G4 = -0. 001172413， G6 = 0. 000010435， G。=-l. 83 ; H,= -1. 880726465， H。二-4. 490482577;C2 = -0. 634724644， C。=5. 27876652, D()=3. 85， EQ=0. 97, F。=0. 5041。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述自由曲面光學(xué)透鏡，其特征在于上述方程式中 A2 = -0.004171429， A4 = -0.00058069 ， A。 = 9.3373277 ; B2 = -0. 008342858， B4 = -0. 000377448， B。 = 9. 3373277;R=4. 2;G2 = 0. 160182875, G4 = -O. 001172413， G6 二 0. 000010435， G。二-1. 83 ; ^ = 一l. 07236871， H。=—4. 19;C2 = -0. 432577192， C。=5. 04383504， D。二3. 85， E。=0. 97, F。=0. 5041。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種自由曲面光學(xué)透鏡，包括入射面、出射面和兩對主側(cè)面以光軸作為X軸，建立X-Y-Z坐標(biāo)系；所述透鏡的出射面采用兩條在X軸上相互垂直的曲線掃描得到的自由曲面(S1)，所述透鏡的入射面由一個(gè)基本柱面構(gòu)成，所述透鏡起全反射作用的其中一對主側(cè)面采用以X軸為對稱軸的非圓柱面，另一對側(cè)面采用以光軸為對稱軸的斜平面。本實(shí)用新型的透鏡既保證了矩形光斑所需的長寬比形狀和照度均勻性，又提高有效光能利用率，具有自由靈活性和廣泛的適應(yīng)性。
文檔編號(hào)G02B3/00GK201355395SQ200820169310
公開日2009年12月2日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者何慧娟, 張東標(biāo), 楊相利, 賽 王 申請人:杭州照相機(jī)械研究所