專利名稱：自由曲面的led光源的透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及LED光源的透鏡領(lǐng)域，屬LED光源配光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
LED作為一種新穎的固體照明光源，由于其自身良好的諸多優(yōu)勢，如綠色環(huán)保、壽 命長、體積小、定向發(fā)光、低電壓下工作、光效高等，這都是傳統(tǒng)燈具無法相比的優(yōu)點，現(xiàn)在 已進(jìn)入到商業(yè)應(yīng)用階段。針對LED光源的特點設(shè)計的照明燈具也各不相同。目前的LED燈 具對光源的配光采用反光罩或透鏡來實現(xiàn)。反光罩只在特定場合下使用，且效果不是很理 想，有其局限性。透鏡能使用在絕大多數(shù)場合，是理想的控光器件，也是LED燈具配光的最 終趨勢。目前，幾乎所有的LED燈具的透鏡設(shè)計追求的目標(biāo)有三方面1、矩形光斑；2、光通 量利用效率高；3、照度均勻度高；但都是顧此失彼，只能做好某一方面，另一方面不能達(dá)到 要求，存在明顯的不足。經(jīng)過檢索，比較發(fā)明專利200820042535. 5 “一種配光透鏡”(簡稱透鏡一)、 200820050703. 5 “一種LED路燈配光透鏡”(簡稱透鏡二 )和200710118965. 0 “一種用于 LED的透鏡”(簡稱透鏡三)如透鏡一的光照范圍是圓形，僅能適用少數(shù)場合，實際道路照明中大部分場所需 要一個矩形的照明光斑，比如道路照明。如果光斑為圓形，那么燈與燈之間暗區(qū)形成斑馬 紋，均勻度低，不需要光照的地方也照射到，造成光浪費，出現(xiàn)較差的效果；如透鏡二中，透鏡的底部可放置一個或多個LED光源，這是不妥的做法。因為透鏡 內(nèi)側(cè)壁的橫截面面型把一個LED光源簡化成點光源設(shè)計的，放置多個LED光源，則橫截面只 會符合一個光源的出光效果，其它幾個光源不會按照預(yù)先設(shè)定的全反射的規(guī)律出光，造成 透光漏光，光損失嚴(yán)重。更進(jìn)一步，就算放置一個LED光源，也有其不足之處，因為相對于透 鏡，LED光源是面光源，光源中心點符合全反射要求，中心點以外的發(fā)光部分卻不會按照預(yù) 先設(shè)計的全反射規(guī)律出射，造成設(shè)計與實際效果相差懸殊，完全偏離設(shè)計初意，這樣的后果 就是遠(yuǎn)場光斑形狀不是矩形，光通量利用低，均勻度差；如透鏡三，內(nèi)表面用球形，LED光源放在球心，這種方法是得不到較好的出光效果 的。因為球形在實際上對光源沒有控制，這樣透鏡只依靠外表面折射控光，那么遠(yuǎn)處光場光 斑形狀和均勻度都不會很好。綜上所述，現(xiàn)階段的透鏡不能滿足LED照明的需要，所以有必要設(shè)計一種性能良 好彌補上述缺陷的透鏡來供工業(yè)使用。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的就是為了解決上述問題，光學(xué)上采用等照度網(wǎng)格法，結(jié)構(gòu)上采 用微分云點構(gòu)面法，提供一種出光矩形光斑、光通量利用效率高、照度均勻度高的自由曲面 的LED光源的透鏡。[0010]本實用新型的特征在于它含有一個LED光源，和一個有兩個自由曲面的透鏡。所述透鏡含有一個自由曲面的內(nèi)表面，一個自由曲面的外表面。自由曲面的設(shè)計 采用等照度網(wǎng)格法。所述透鏡等照度網(wǎng)格法內(nèi)容如下外 表面的自由曲面上的每一大小不相等的小格 對應(yīng)路面上劃分好的相等面積的矩形小格，從外表面的自由曲面每一大小不相等的小格出 射的光束照射到路面對應(yīng)的矩形小格上，使到達(dá)路面每一矩形小格的光通量相等。內(nèi)表面 的自由曲面對應(yīng)于外表面同樣劃分成相等份數(shù)的大小不相等的小格，從光源入射的光束經(jīng) 內(nèi)表面的自由曲面折射，到達(dá)外表面的相應(yīng)小格上。光源發(fā)出的每一束光，經(jīng)兩個自由曲面 折射后，到達(dá)路面的光通量相等。所述透鏡在結(jié)構(gòu)上采用微分云點構(gòu)面法，保證了透鏡設(shè)計的光學(xué)要求。以下結(jié)合附圖與實施案例進(jìn)一步說明本實用新型。


圖1本實用新型的透視圖；圖2本實用新型的安裝圖；圖3本實用新型的數(shù)學(xué)模型圖；圖4本實用新型的路面網(wǎng)格圖；圖5本實用新型的數(shù)學(xué)模型圖；圖6本實用新型的光通量分配圖。圖中標(biāo)號1、透鏡外表面2、透鏡內(nèi)表面3、透鏡底座4、透鏡定位柱5、光源基座定位槽6、透鏡實體7、LED光源8、PCB板
具體實施方式
以下參照附圖對本實用新型做進(jìn)一步的說明。如
圖1，本實用新型自由曲面的LED光源的透鏡實體6 (簡稱透鏡6)，包括一外表 面1，一內(nèi)表面2，內(nèi)外兩個表面全是經(jīng)微分方程計算出來的自由曲面，對光線起控制作用， 不是圓面、橢圓面或其它常用的有固定解析式的曲面。兩個透鏡底座3，兩個透鏡定位柱4， 光源基座定位槽5，透鏡定位柱4和光源基座定位槽5對LED光源起準(zhǔn)確定位作用，保證LED 光源中心點位于內(nèi)表面2的基面中心位置。如透鏡固定側(cè)面圖圖2所示，透鏡6安裝在PCB 板8上，透鏡6與LED光源7和PCB板8緊密相貼。本實用新型自由曲面的LED光源的透鏡的內(nèi)外兩個自由曲面是這樣控制光線的， 如圖3所示。面ABCD和面EFGH分別是內(nèi)外自由曲面的微小面元，這兩個微小面元都是圓 心在zl軸上任意圓球球面的極小一部分，圓球半徑由下式迭代得出Rn = Rl^cos ( Ψ^+ Ψη) *cos (d θ η) (1)Rl的初始值根據(jù)光源放置孔的尺寸大小給出。一束光從0點出射，經(jīng)面AB⑶折射后，到達(dá)面EFGH再折射到圖4的路面上。本實用新型自由曲面的LED光源的透鏡的內(nèi)外兩個自由曲面的具體實現(xiàn)方式是這樣的如實際路面網(wǎng)格圖圖4所示，路長和路寬分別用x2、y2表示，M點(Xlri^lri)是任 意一小格的中心點。圖中的矩形是實際照射面積，把實際照射面積分成許多小格。因為路 面需要的照度值知道，這個照度值就是燈具上若干個LED光源經(jīng)透鏡配光后疊加的值，那 么只用計算一個光源就行了。如水泥路面需要的照度值是251x，面積30*13m2，選用IWlOOlm的LED光源，計算 中考慮光源通過透鏡的損失及照度值保險系數(shù)，知道燈具共用光源137個，則每個光源在 路面上的照度為0. 21x。矩形路面面積均分，單個面積s*0. 2就是單個面積上所需的光通量 Φ，每一小格內(nèi)的光通量Φ相等。每一個小格與透鏡的外表面的關(guān)系是這樣的。任意一小格的中心點路面坐標(biāo) Ulri，yy)，這個小格的光是由任意透鏡外表面EFGH折射照到上面的。計算中路面和透鏡 同處一球面坐標(biāo)系中，如圖3所示。0點是球面坐標(biāo)系的原點，面ABCD和面EFGH分別是透 鏡內(nèi)外兩個表面，路面中心在正Zl軸上，垂直zl軸，距ο點h米，路面如圖4所示，路長主 軸x2、路寬主軸y2交點即路面中心。M點在整體球面坐標(biāo)系中，滿足以下關(guān)系式<formula>formula see original document page 5</formula>[0037]tan θ n = XnVylri (2)圖3的示意圖轉(zhuǎn)換參考平面，變成圖5。在O、x3、y3、z3坐標(biāo)系中，x3、y3面其實 就是圖3坐標(biāo)系中過面AB⑶中心點和面EFGH中心點且和ο點垂直于XI、Yl面的平面。圖5中，面AB⑶和面EFGH都是微小面元，P、Q分別是兩個面的中心點，一極小束 光經(jīng)微小面元AB⑶折射，這束光的中心光線經(jīng)過點P，發(fā)生折射，到達(dá)點Q，發(fā)生折射，再到 達(dá)M點，虛線PL和虛線QN分別是兩個面的法線，它們與中心光線的夾角分別是al、bl。法 線與X3軸夾角分別是a2、b2。折射光線與垂線I I和II II的夾角分別是a、b、P、Q、L、N 的坐標(biāo)分別是(xl，yl, zl)、(x2，y2, z2)、(x0，yO, z0)、(x3，y3, z3)。易知，<formula>formula see original document page 5</formula>[0041]極小光束的中心光線經(jīng)過兩折射面時符合以下關(guān)系sin (b) *n = sin (bl) *m90° -b2+bl = a (4)sin(a)*m = sin(al)*nm、η是折射面兩邊的折射率。面AB⑶的法線方程和法線與Χ3軸夾角是<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula>[0049]可得90° -a2+al = θ 1 (6)LED光源是余弦輻射體，θ 1就是光源出光角度。圖6中，坐標(biāo)系與圖3相同，網(wǎng)格半球的圓心在ol點，olxl是半徑。球面表面劃 分成許多小格，面ABCD是其中一個，P點是面ABCD的中心點，一極小束光從光源ο點出射 照射到面AB⑶上，光通量的計算滿足下式[0053]O = I0 氺cos (Ψ+d Ψ/2)氺 sin Ψ 氺d Ψ 氺d θ (7)圖6中半球上所有小格的光通量分配都滿足式(7)，并且Φ、Itl是常量。綜上所述，自由曲面內(nèi)外表面劃分的小格中心點由(1)至(7) 式可得出，當(dāng)取足夠 多的點時，可得到透鏡面型，編程計算時間少于15秒。
權(quán)利要求自由曲面的LED光源的透鏡，包括LED光源，透鏡，其特征在于所述透鏡(6)含有一個自由曲面的內(nèi)表面(2)、一個自由曲面的外表面(1)；透鏡(6)安裝在PCB板(8)上，所述LED光源(7)中心點位于內(nèi)表面(2)的基面中心；透鏡(6)與LED光源(7)、PCB板(8)緊密相貼；外表面(1)的自由曲面上設(shè)置若干大小不相等的小格；內(nèi)表面(2)的自由曲面對應(yīng)于外表面(1)同樣劃分成相等份數(shù)的大小不相等的小格。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由曲面的LED光源的透鏡，其特征在于所述透鏡(6)的 自由曲面的構(gòu)面為經(jīng)微分方程計算出來的自由曲面結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實用新型為自由曲面的LED光源的透鏡。目前的LED燈具對光源的配光采用反光罩或透鏡來實現(xiàn)。反光罩只在特定場合下使用；透鏡能使用在絕大多數(shù)場合，是理想的控光器件，也是LED燈具配光的最終趨勢。本實用新型光學(xué)透鏡含有一個自由曲面的內(nèi)表面、一個自由曲面的外表面；自由曲面的設(shè)計采用等照度網(wǎng)格法外表面的自由曲面上的每一大小不相等的小格對應(yīng)路面上劃分好的相等面積的矩形小格；內(nèi)表面的自由曲面對應(yīng)于外表面同樣劃分成相等份數(shù)的大小不相等的小格。表面結(jié)構(gòu)上采用微分云點構(gòu)面法，提供一種出光矩形光斑、光通量利用效率高、照度均勻度高的自由曲面的LED光源的透鏡。
文檔編號F21Y101/02GK201568890SQ20092021227
公開日2010年9月1日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者王全國, 賈瑞紅, 閆明 申請人:上海彩煌光電科技有限公司