大視場(chǎng)角led照明透鏡的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及LED照明的二次光學(xué)系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種大視場(chǎng)角LED照明透鏡，第一曲面為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線(xiàn)折射，折射后的光線(xiàn)與第一曲面的對(duì)稱(chēng)軸垂直；第二曲面為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線(xiàn)折射，折射后的光線(xiàn)與第二曲面對(duì)稱(chēng)軸上的點(diǎn)光源發(fā)出的光線(xiàn)重合；第三曲面為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)拋物面，其焦點(diǎn)為第二曲面折射光線(xiàn)的虛擬光源點(diǎn)；第五曲面，為非對(duì)稱(chēng)自由曲面，使光線(xiàn)在經(jīng)過(guò)第五曲面之后在目標(biāo)面上形成均勻的矩形照度分布。本實(shí)用新型具有良好的光線(xiàn)控制能力，可以在目標(biāo)面上實(shí)現(xiàn)所需要的照度分布。
【專(zhuān)利說(shuō)明】大視場(chǎng)角LED照明透鏡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及LED照明的二次光學(xué)系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種大視場(chǎng)角LED照明透鏡。

【背景技術(shù)】
[0002]LED作為一種新型光源，由于其高光效，壽命長(zhǎng)，無(wú)毒害等優(yōu)點(diǎn)成為國(guó)家在取代白熾燈計(jì)劃中大力推廣的產(chǎn)品。由于LED的光強(qiáng)分布為朗伯型，如果直接應(yīng)用于照明，則會(huì)在目標(biāo)面上形成極為不均勻的照度分布，無(wú)法滿(mǎn)足各種照明場(chǎng)合對(duì)燈具光學(xué)性能的要求。為了使LED更好的應(yīng)用于照明領(lǐng)域，需要設(shè)計(jì)二次光學(xué)系統(tǒng)重新分配LED的光強(qiáng)分布，使得其在目標(biāo)面能夠形成均勻或者其它特定的照度分布。
[0003]目前多使用透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)LED的均勻照明，然而在走廊等某個(gè)方向視場(chǎng)角相對(duì)很大的矩形區(qū)域中，使用透鏡進(jìn)行LED 二次配光時(shí)，由于存在全反射現(xiàn)象，透鏡的光效會(huì)隨著視場(chǎng)角的增大而下降。因此現(xiàn)有技術(shù)在大視場(chǎng)角照明的場(chǎng)合，只能采用多盞LED燈或者反射式的光學(xué)系統(tǒng)，而多盞LED燈會(huì)增加照明的成本，反射式的系統(tǒng)則加工相對(duì)復(fù)雜，成本較高，照明效果也不好。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的就是要解決上述現(xiàn)有LED 二次透鏡的不足，提供一種能夠在走廊等大視場(chǎng)角照明場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)均勻照明并保持較高光效的大視場(chǎng)角LED照明透鏡。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的大視場(chǎng)角LED照明透鏡，包括:
[0006]第一曲面，為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線(xiàn)折射，折射后的光線(xiàn)與第一曲面的對(duì)稱(chēng)軸垂直；
[0007]第二曲面，為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線(xiàn)折射，折射后的光線(xiàn)與第二曲面對(duì)稱(chēng)軸上的點(diǎn)光源發(fā)出的光線(xiàn)重合；
[0008]第三曲面，為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)拋物面，其焦點(diǎn)為第二曲面折射光線(xiàn)的虛擬光源點(diǎn)，利用全反射原理，用于將經(jīng)過(guò)第二曲面折射之后的光線(xiàn)反射至與第三曲面對(duì)稱(chēng)軸垂直的方向，并將LED發(fā)出的球面波轉(zhuǎn)換為柱面波；
[0009]第五曲面，為非對(duì)稱(chēng)自由曲面，該自由曲面的作用是控制經(jīng)過(guò)第一曲面、第二曲面和第三曲面之后柱面波的光線(xiàn)，使得這束光線(xiàn)在經(jīng)過(guò)第五曲面之后在目標(biāo)面上形成均勻的矩形照度分布；
[0010]第四曲面，為平面，用于連接第三曲面和第五曲面。
[0011]進(jìn)一步地，所述第一曲面和第二曲面上點(diǎn)的坐標(biāo)由下式計(jì)算得出:
[0012]確定初始點(diǎn)的坐標(biāo)值，初始點(diǎn)為曲面與立體空間的Z軸的交點(diǎn)，通過(guò)迭代的方式計(jì)算輪廓曲線(xiàn)上點(diǎn)的坐標(biāo)值，設(shè)定當(dāng)前已知點(diǎn)(Xp1, Zi^1)的法向量為N= (Nx, Nz),要計(jì)算的輪廓曲線(xiàn)下一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的入射光線(xiàn)與z軸的夾角為Θ i，則下一點(diǎn)的坐標(biāo)值(Xi，Zi)為:
χ _ ZM
[0013]< 1 cot代+免(I)

Zi = Xi col 6*
[0014]其中k=Nx/Nz，得到輪廓曲線(xiàn)上的所有點(diǎn)坐標(biāo)后，將輪廓曲線(xiàn)旋轉(zhuǎn)360°即得到整個(gè)曲面的點(diǎn)坐標(biāo)。
[0015]進(jìn)一步地，所述第五曲面由多個(gè)子自由曲面組成，相鄰的兩個(gè)子自由曲面之間由平行于z軸的平面連接。
[0016]更進(jìn)一步地，所述第五曲面上坐標(biāo)點(diǎn)由下式計(jì)算得出:
[0017]第五曲面上點(diǎn)的短軸坐標(biāo)與第一曲面、第二曲面和第三曲面的短軸坐標(biāo)相同，設(shè)定短軸為X軸，在X軸上選取一系列的點(diǎn)，這些點(diǎn)之間包含的光能量相同，在平面X=O或X=X上構(gòu)造第五曲面的初始骨架曲線(xiàn)，其中X為第三曲面(3) X軸坐標(biāo)的最大值，首先設(shè)定初始點(diǎn)，通過(guò)迭代可以求得該骨架曲線(xiàn)上點(diǎn)的I軸和z軸坐標(biāo)為:
[0018]

X =Zi tan(灼)
< -(x1- x1-1) N.v+y1-1Nv + zi—\N:m、
Zj =----(2
1N,NX(Pi)' '
[0019]式中(Xi，Zi)為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)，約為當(dāng)前點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光線(xiàn)與在骨架曲線(xiàn)所在平面內(nèi)與軸夾角，(Xh, Zp1)為前一點(diǎn)的坐標(biāo)，(Nx, Nz)為前一點(diǎn)的法向量坐標(biāo)，在得到初始骨架曲線(xiàn)后通過(guò)(2)式迭代得到下一骨架曲線(xiàn)，在每個(gè)子曲面的起始處重新構(gòu)造初始骨架曲線(xiàn)，在得到所有骨架曲線(xiàn)之后，通過(guò)放樣的方式得到所有的子曲面，從而得到第五曲面所有點(diǎn)坐標(biāo)。
[0020]本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的用于LED照明的自由曲面透鏡，該透鏡由五曲面組成，第一曲面、第二曲面和第三曲面為一組功能相同的自由曲面，它們的目的是準(zhǔn)直LED的光線(xiàn)，將LED發(fā)出的球面波轉(zhuǎn)換為柱面波，此柱面波的中心軸為目標(biāo)面較小邊長(zhǎng)所在軸，第四曲面為平面，它的目的是連接第三曲面和第五曲面，第五曲面為非對(duì)稱(chēng)的自由曲面，它的目的是改變柱面波的光線(xiàn)的方向，從而在目標(biāo)面上實(shí)現(xiàn)均勻的矩形照明。
[0021]本實(shí)用新型采用了帶有全反射面的自由曲面入射面，將LED的光線(xiàn)轉(zhuǎn)換為柱面波，使得其拓?fù)渑c目標(biāo)面相同，從而在目標(biāo)面上形成矩形照明的同時(shí)能夠保持較高的光效。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的LED 二次光學(xué)系統(tǒng)，具有良好的光線(xiàn)控制能力，可以在目標(biāo)面上實(shí)現(xiàn)所需要的照度分布。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本實(shí)用新型的仰視圖；
[0024]圖3是圖1的剖視圖；
[0025]圖4是圖1中具體實(shí)施的俯視圖；
[0026]圖5.1和圖5.2是本實(shí)用新型在目標(biāo)面上的照度分布仿真結(jié)果，仿真結(jié)果中，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)均為照明面的距離值。
[0027]圖中，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。

【具體實(shí)施方式】
[0028]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明:
[0029]圖1-4中所示的大視場(chǎng)角LED照明透鏡，包括:第一曲面1，為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線(xiàn)折射，折射后的光線(xiàn)與第一曲面I的對(duì)稱(chēng)軸垂直，該自由曲面控制的LED光線(xiàn)與z軸的夾角由透鏡材料的折射率決定；第二曲面2，為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線(xiàn)折射，折射后的光線(xiàn)與第二曲面對(duì)稱(chēng)軸上的點(diǎn)光源發(fā)出的光線(xiàn)重合；第三曲面3，為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)拋物面，其焦點(diǎn)為第二曲面折射光線(xiàn)的虛擬光源點(diǎn)，利用全反射原理，用于將經(jīng)過(guò)第二曲面折射之后的光線(xiàn)反射至與第三曲面3對(duì)稱(chēng)軸垂直的方向，并將LED發(fā)出的球面波轉(zhuǎn)換為柱面波；第五曲面5，為非對(duì)稱(chēng)自由曲面，該自由曲面的作用是控制經(jīng)過(guò)第一曲面1、第二曲面2和第三曲面3之后柱面波的光線(xiàn)，使得這束光線(xiàn)在經(jīng)過(guò)第五曲面5之后在目標(biāo)面上形成均勻的矩形照度分布；第四曲面4，為平面，用于連接第三曲面3和第五曲面5。
[0030]第一曲面1、第二曲面2和第三曲面3是LED光線(xiàn)的入射面，目的是將LED發(fā)出的球面波準(zhǔn)直為以目標(biāo)面短邊所在坐標(biāo)軸為對(duì)稱(chēng)軸的柱面波。
[0031]自由曲面SI為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)自由曲面，因此計(jì)算時(shí)只需計(jì)算出一條輪廓曲線(xiàn)，然后繞對(duì)稱(chēng)軸軸旋轉(zhuǎn)一圈即可得到第一曲面I的面型，它的作用是將來(lái)自L(fǎng)ED的光線(xiàn)折射至與其對(duì)稱(chēng)軸垂直。計(jì)算輪廓曲線(xiàn)時(shí)，首先確定初始點(diǎn)的坐標(biāo)值，初始點(diǎn)為曲面與立體空間的z軸的交點(diǎn)，通過(guò)迭代的方式計(jì)算輪廓曲線(xiàn)上點(diǎn)的坐標(biāo)值，設(shè)定當(dāng)前已知點(diǎn)(Χη,Ζη)的法向量為N= (Nx，Nz)，要計(jì)算的輪廓曲線(xiàn)下一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的入射光線(xiàn)與Z軸的夾角為Θ i，則下一點(diǎn)的坐標(biāo)值(Xi, Zi)為:
χ _ Vi +Xj-yk
[0032]< COt θ: + k(3)

Zj - Xj cot O1
[0033]其中k=Nx/Nz，得到輪廓曲線(xiàn)上的所有點(diǎn)坐標(biāo)后，將輪廓曲線(xiàn)旋轉(zhuǎn)360°即得到整個(gè)曲面的點(diǎn)坐標(biāo)。
[0034]第五曲面5由多個(gè)子自由曲面組成，相鄰的兩個(gè)子自由曲面之間由平行于z軸的平面連接。第五曲面5上坐標(biāo)點(diǎn)由下式計(jì)算得出:
[0035]第五曲面5上點(diǎn)的短軸坐標(biāo)與第一曲面1、第二曲面2和第三曲面3的短軸坐標(biāo)相同，設(shè)定短軸為X軸，在X軸上選取一系列的點(diǎn)，這些點(diǎn)之間包含的光能量相同，在平面X=O或χ=Χ上構(gòu)造第五曲面5的初始骨架曲線(xiàn)，其中X為χ軸上點(diǎn)坐標(biāo)的最大值，首先設(shè)定初始點(diǎn)，則該骨架曲線(xiàn)上點(diǎn)的I軸和Z軸坐標(biāo)為:
[0036]

V,.= z; tan(灼)
< -(X1- - Xm ) N'I+N + Zj^Nz
Zi =----(4)

N f Ny tan(^.)
[0037]式中(Xi，Zi)為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)，奶為當(dāng)前點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光線(xiàn)與在骨架曲線(xiàn)所在平面內(nèi)與軸夾角，(Xh, Zp1)為前一點(diǎn)的坐標(biāo)，(Nx, Nz)為前一點(diǎn)的法向量坐標(biāo)，在得到初始骨架曲線(xiàn)后通過(guò)(2)式迭代得到下一骨架曲線(xiàn)，在每個(gè)子曲面的起始處重新構(gòu)造初始骨架曲線(xiàn)，在得到所有骨架曲線(xiàn)之后，通過(guò)放樣的方式得到所有的子曲面，從而得到第五曲面5所有點(diǎn)坐標(biāo)。
[0038]設(shè)定第一曲面I的初始點(diǎn)的z坐標(biāo)值為5mm，曲面邊緣對(duì)應(yīng)LED光線(xiàn)與z軸夾角為30°，根據(jù)式(1)，計(jì)算出的第一曲面I所有點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0039]第二曲面2的目的是使得LED發(fā)出的光線(xiàn)在此曲面折射之后的出射光線(xiàn)的反向延長(zhǎng)線(xiàn)交于X軸一點(diǎn)，從而得到一個(gè)虛擬光源點(diǎn)。第二曲面2的初始點(diǎn)為第一曲面I的邊緣點(diǎn)，計(jì)算時(shí)同樣使用(I)。
[0040]第三曲面3的焦點(diǎn)為第二曲面2創(chuàng)造的虛擬光源點(diǎn)，利用全反射原理，將來(lái)第二曲面2的光線(xiàn)反射至與對(duì)稱(chēng)軸垂直方向。
[0041]第四曲面4為平面，用于連接第三曲面3和第五曲面5。
[0042]第五曲面5的將經(jīng)過(guò)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，使得在目標(biāo)平面上形成均勻的矩形照度分布。在本實(shí)施中設(shè)定目標(biāo)面為邊長(zhǎng)為8mX 2m并且與z軸垂直的矩形，目標(biāo)面中心點(diǎn)位于z軸上并且距LED光源(坐標(biāo)原點(diǎn))2.2m。采用能量守恒和斯涅爾定律來(lái)計(jì)算自由曲面上點(diǎn)的坐標(biāo)。首先根據(jù)能量守恒將經(jīng)過(guò)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標(biāo)面劃分為能量相等的網(wǎng)格。在得到這種對(duì)應(yīng)關(guān)系之后根據(jù)斯涅爾定律，設(shè)定第五曲面5、第二曲面2和第三曲面3計(jì)算初始點(diǎn)，初始點(diǎn)的高度應(yīng)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上點(diǎn)的坐標(biāo)。為了減小在迭代過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，采用曲面片的方式構(gòu)造第五曲面5，每個(gè)曲面片之間使用平面連接。
[0043]在計(jì)算得到自由曲面透鏡的所有曲面之后，高為23.31mm,長(zhǎng)為20.40mm,寬為16.11mm。第一曲面1、第二曲面2之間形成的空間高為5mm,寬為4.20mm,用于放置LED光源。
[0044]圖5.1和圖5.2為本實(shí)施的透鏡在光學(xué)仿真軟件中在目標(biāo)面上的照度分布結(jié)果，通過(guò)追跡一百萬(wàn)條光線(xiàn)得到，其中圖5.1為目標(biāo)面上的照度分布，圖中灰度值大小與照度值成正比，圖5.2為目標(biāo)面上兩個(gè)中心坐標(biāo)軸上的照度分布。其中透鏡的光學(xué)效率為85%，而單自由曲面透鏡在相同設(shè)計(jì)參數(shù)下的光效僅為70%。同時(shí)在目標(biāo)面上長(zhǎng)邊和短邊上的照明均勻度為87.7%和89.3%，均勻性較好。
【權(quán)利要求】
1.一種大視場(chǎng)角LED照明透鏡，其特征在于包括: 第一曲面(I)，為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線(xiàn)折射，折射后的光線(xiàn)與第一曲面(I)的對(duì)稱(chēng)軸垂直； 第二曲面(2)，為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線(xiàn)折射，折射后的光線(xiàn)與第二曲面對(duì)稱(chēng)軸上的點(diǎn)光源發(fā)出的光線(xiàn)重合； 第三曲面(3)，為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)拋物面，其焦點(diǎn)為第二曲面折射光線(xiàn)的虛擬光源點(diǎn)，利用全反射原理，用于將經(jīng)過(guò)第二曲面折射之后的光線(xiàn)反射至與第三曲面(3)對(duì)稱(chēng)軸垂直的方向，并將LED發(fā)出的球面波轉(zhuǎn)換為柱面波； 第五曲面(5)，為非對(duì)稱(chēng)自由曲面，該自由曲面的作用是控制經(jīng)過(guò)第一曲面(I)、第二曲面(2)和第三曲面(3)之后柱面波的光線(xiàn)，使得這束光線(xiàn)在經(jīng)過(guò)第五曲面(5)之后在目標(biāo)面上形成均勻的矩形照度分布； 第四曲面(4)，為平面，用于連接第三曲面(3)和第五曲面(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大視場(chǎng)角LED照明透鏡，其特征在于:所述第五曲面(5)由多個(gè)子自由曲面組成，相鄰的兩個(gè)子自由曲面之間由平行于z軸的平面連接。
【文檔編號(hào)】F21Y101/02GK204005732SQ201420151660
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】張曉暉, 陳琛, 陳亮, 程剛 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)