專利名稱：一種正方形均勻光斑的透鏡設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，更具體地說，涉及一種被照面為正方形均勻光斑的透鏡設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
LED用于工程照明時(shí)，往往根據(jù)不同的使用場合或客戶要求，設(shè)計(jì)不同的透鏡來進(jìn)行配光。在一些使用場合，比如地下車庫，廣場等，通常不希望使用太多的燈具，但又希望照度能夠均勻。如果采用被照面為圓形、橢圓形等光斑形狀時(shí)，在不增加燈具數(shù)量的情況下， 在相鄰燈具的銜接處，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)暗區(qū)和照射盲點(diǎn)，而使被照面的照度不均勻。從而很難達(dá)到客戶的使用要求。為了實(shí)現(xiàn)使用的燈具少但照射的區(qū)域照度均勻，最好的方法即為采用正方形的照射光斑來解決，而如何進(jìn)行正方形均勻光斑的透鏡設(shè)計(jì)，則是目前需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提供一種正方形均勻光斑的透鏡設(shè)計(jì)方法，該方法通過簡單直觀的運(yùn)算，可以得到任意精度的正方形均勻照射光斑。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種正方形均勻光斑的透鏡設(shè)計(jì)方法，光軸經(jīng)過光斑中心且垂直于光斑所在平面，其設(shè)計(jì)步驟如下a)、將正方形光斑沿對(duì)稱軸分成八個(gè)角度均為45度的中心對(duì)稱的區(qū)域，取其中一個(gè)區(qū)域作為本設(shè)計(jì)的對(duì)象，將該區(qū)域劃分為n(n ^ 2)個(gè)角區(qū)，且使每個(gè)角區(qū)的兩個(gè)角邊的
長度差值相等。b)、分別取每一角區(qū)的同一方向的一個(gè)角邊，以過該角邊和光軸的平面為入射面， 在該入射面上，將光源位于光軸的一側(cè)的發(fā)光區(qū)域按照發(fā)光強(qiáng)度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律劃分成多個(gè)小角，并使分布在每個(gè)小角內(nèi)的光通量相等；C)、將所述每一入射面上的角邊劃分成多個(gè)小段，所述小段與所述小角一一對(duì)應(yīng)， 調(diào)整各小段的長度使其與光源到該小段上被照點(diǎn)的距離平方成反比，與照度成正比；以所述小段中邊緣小段作為起始被照小段，以邊緣點(diǎn)為起始被照點(diǎn)，即對(duì)應(yīng)了所述的一個(gè)小角， 根據(jù)透鏡第一面離開光源的距離要求，在與起始被照點(diǎn)對(duì)應(yīng)的入射光線上取一點(diǎn)作為透鏡第一面上的起始特征點(diǎn)，在該點(diǎn)處，平行于光源與起始被照點(diǎn)連線的直線同入射光線形成一夾角，為透鏡的起始光線偏折角，根據(jù)預(yù)定的比例，將所述偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，角分線作為入射光線經(jīng)過透鏡第一面后的折射線，通過折射定律以及所述的對(duì)應(yīng)小角，求出與起始特征點(diǎn)相鄰的第二特征點(diǎn)，該第二特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)與起始被照點(diǎn)相鄰的第二被照點(diǎn)，按照上述相同的步驟，依次求出各個(gè)被照點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的第一面上的各特征點(diǎn)的位置； 在經(jīng)過所述第一面上的起始特征點(diǎn)后的折射線上，根據(jù)透鏡厚度要求取一點(diǎn)作為透鏡第二面上的起始特征點(diǎn)，采用與求得第一面上的特征點(diǎn)類似的方法，求得第二面上的各特征點(diǎn)的位置；將所述的第一面和第二面上的各特征點(diǎn)依次連接，分別形成透鏡在每一入射面上的第一面截面形狀和第二面截面形狀；d)、將上述依次求得的每一入射面上的透鏡截面繞光軸分別在該角區(qū)內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度與該角區(qū)的角度相等，由此求得透鏡的八分之一形狀；根據(jù)中心對(duì)稱規(guī)律，進(jìn)而求得透鏡的整體形狀。所述各特征點(diǎn)依次用直線或平滑曲線連接起來。當(dāng)光源為LED，且透鏡直徑小于30mm時(shí)，所述角區(qū)數(shù)量η彡10。所述透鏡采用折射率為1. 34. 2之間的透明材料。本發(fā)明技術(shù)方案通過將設(shè)計(jì)對(duì)象分成η個(gè)角區(qū)，分別求得透鏡在每個(gè)角區(qū)所對(duì)應(yīng)的入射面上的截面形狀，然后將該截面在該角區(qū)內(nèi)繞光軸以與該角區(qū)的角度相同的角度旋轉(zhuǎn)，得到透鏡的八分之一形狀，最后，根據(jù)中心對(duì)稱原則，得到透鏡整體形狀。本設(shè)計(jì)方法簡單，直觀，通過選擇所劃分的區(qū)域內(nèi)角區(qū)的數(shù)量η的大小，來確定形成的光斑與標(biāo)準(zhǔn)正方形光斑的誤差大小。該η值越大，越接近標(biāo)準(zhǔn)正方形。但對(duì)于LED點(diǎn)光源來說，實(shí)際使用中透鏡的尺寸做得都不大，而且由于目前透鏡的加工工藝水平的限制，當(dāng)η取值比較大時(shí)，相對(duì)較多的角區(qū)邊緣會(huì)由于無法加工成嚴(yán)格的尖角而使得照射到這些位置的光線射向了無效區(qū)域，不僅影響均勻度，而且造成光源的浪費(fèi)。而且，對(duì)于尺寸比較小的透鏡，當(dāng)η值比較大時(shí)，相對(duì)較多的無法加工成嚴(yán)格尖角的角區(qū)邊緣的光線照度不均勻問題對(duì)整體照度均勻性的影響相對(duì)會(huì)更大一些，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，η的取值大于等于2而小于等于10。


以下通過附圖對(duì)本發(fā)明設(shè)計(jì)方法做進(jìn)一步詳細(xì)的描述圖1是對(duì)正方形光斑劃分區(qū)域和角區(qū)的設(shè)計(jì)方法示意圖；圖2是在圖1中一個(gè)角區(qū)所對(duì)應(yīng)的入射面上劃分小角的方法示意圖；圖3是對(duì)位于圖2入射面上的角邊劃分小段的方法示意圖；圖4是確定透鏡在圖2入射面上的各特征點(diǎn)并依次連接的方法一示意圖；圖5是將圖4入射面上各特征點(diǎn)依次連接的方法二示意圖；圖6是將圖5所示的透鏡截面繞光軸旋轉(zhuǎn)而成的透鏡八分之一形狀示意圖；圖7是整體透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是圖7的主視圖；圖9是圖7的底部安裝面視圖；圖10是圖7所示透鏡的實(shí)際測試光斑圖；圖11是圖7所示透鏡的實(shí)際測試照度分布圖。
具體實(shí)施例方式以下通過圖形和文字描述對(duì)本設(shè)計(jì)方法的具體設(shè)計(jì)步驟做一詳細(xì)的說明。如圖1所示，首先將正方形光斑沿對(duì)稱軸分成八個(gè)角度均為45度的中心對(duì)稱的區(qū)域，以其中一個(gè)區(qū)域10作為本發(fā)明的設(shè)計(jì)對(duì)象，以下設(shè)計(jì)步驟均是在該區(qū)域10內(nèi)完成的。 將該區(qū)域10劃分成η (η >幻個(gè)角區(qū)，為圖示清楚起見，本實(shí)施例劃分成三個(gè)角區(qū)，其夾角分別為Y 1、Y 2、γ 3，，其角邊分別為11和22，22和33，33和44，每一夾角的兩個(gè)角邊的長度差值均為d。如圖2所示，以夾角為Yl的角區(qū)為起始，過其一個(gè)角邊11與光源3的光軸L的平面為第一入射面。在該入射面上，將光源3位于光軸L的一側(cè)的發(fā)光區(qū)域按照發(fā)光強(qiáng)度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律劃分成四個(gè)小角α 、α 2、α 3，α 4，并使分布在每個(gè)小角內(nèi)的光線的光通量相等。如圖3所示，將位于第一入射面上的角邊11分成四個(gè)小段ab，bC，Cd，de。分別與 α , α2, α3, α 4一一對(duì)應(yīng)。調(diào)整各小段的長度，使其與光源3到該小段上被照點(diǎn)的距離 r的平方成反比，并且與所要求的被照區(qū)域的照度E成正比。如圖4所示，以ab段作為起始被照小段，以a點(diǎn)為起始被照點(diǎn)，則該ab段對(duì)應(yīng)的小角為α 1。根據(jù)透鏡第一面1離開光源3的距離要求，在與a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的入射光線上取一點(diǎn)la，作為透鏡第一面1上的起始特征點(diǎn)，在該特征點(diǎn)處，平行于光源3與被照點(diǎn)a的連線的直線同入射光線形成一夾角β 1，該夾角即為透鏡的起始光線偏折角。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的比例，將該偏折角β 1分成兩個(gè)部分，第一偏折角β 11和第二偏折角β 12，本實(shí)施例取 β β 12= 1 1，角分線作為入射光線經(jīng)過第一面1的起始特征點(diǎn)Ia后的折射線，通過折射定律，確定Ia點(diǎn)的法線nl，垂直于法線nl的直線與所述的光線入射面形成一交線， 該交線與小角β 1的角邊的交點(diǎn)分別為Ia和lb，lb點(diǎn)即作為第二特征點(diǎn)。在第二被照小段be上，取b點(diǎn)為第二被照點(diǎn)，則b點(diǎn)對(duì)應(yīng)了該第二特征點(diǎn)lb。依照上述的確定第二特征點(diǎn)Ib的方法，依次求得被照點(diǎn)c、d、e所對(duì)應(yīng)的第一面1上的特征點(diǎn)lc、ld、le。根據(jù)透鏡厚度的要求，在經(jīng)過第一面1上的起始特征點(diǎn)Ia后的折射線上取一點(diǎn)加作為第二面2上的起始特征點(diǎn)，以該折射線作為透鏡第二面2的入射線，以在該加點(diǎn)平行于被照點(diǎn)a與光源的連線的直線為透鏡第二面2的折射線，該入射線和折射線方向即為圖示的第二偏折角β 12的兩個(gè)角邊方向，采用與確定第一面1的特征點(diǎn)完全相同的方法，依次求得第二面2上的特征點(diǎn)2b、2c、2d、2e的位置。圖4是將各特征點(diǎn)通過直線段依次連接起來，形成透鏡在第一入射面上的第一面1的截面形狀和第二面2的截面形狀。圖5是將各特征點(diǎn)通過曲線線段依次連接起來，形成透鏡在第一入射面上的第一面1的截面形狀和第二面2的截面形狀。前述實(shí)施例均是取邊緣點(diǎn)a為起始被照點(diǎn)，逐次確定各特征點(diǎn)的位置。當(dāng)然，也可以另一邊緣點(diǎn)e為起始被照點(diǎn)，該e所對(duì)應(yīng)的入射光線即為沿光軸方向的光線，則從對(duì)應(yīng)的起始特征點(diǎn)Ie開始，逐次確定各特征點(diǎn)位置。再以通過夾角為Y 2的角邊22和光源3的光軸L的平面為第二入射面，采用與前述相同的方法將光源3位于光軸L的一側(cè)的發(fā)光區(qū)域按照發(fā)光強(qiáng)度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律劃分成四個(gè)小角，并使分布在每個(gè)小角內(nèi)的光線的光通量相等。將位于第二入射面上的角邊22分成與四個(gè)小角一一對(duì)應(yīng)的四個(gè)小段。采用與前述相同的方法，求得透鏡在第二入射面上的第一面的截面形狀和第二面的截面形狀。以此類推，以通過夾角為Y 3的角邊33和光源3的光軸L的平面為第三入射面，采用與前述相同的方法將光源3位于光軸L的一側(cè)的發(fā)光區(qū)域按照發(fā)光強(qiáng)度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律劃分成四個(gè)小角，并使分布在每個(gè)小角內(nèi)的光線的光通量相等。將位于第三入射面上的角邊33分成與四個(gè)小角一一對(duì)應(yīng)的四個(gè)小段。采用與前述相同的方法，求得透鏡在第三入射面上的第一面截面形狀和第二面截面形狀。如果η取其他值，按照上述方法，得到η個(gè)入射面，依次求得透鏡在這η個(gè)入射面上的第一面截面形狀和第二面截面形狀。將上述依次求得的每一入射面上的透鏡截面繞光軸L分別在該角區(qū)內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度與該角區(qū)的角度相等，由此求得透鏡的八分之一形狀。圖6所示是根據(jù)圖5所示的透鏡截面繞光軸旋轉(zhuǎn)而成的八分之一區(qū)域內(nèi)的透鏡形狀示意圖。將圖6所示透鏡的八分之一區(qū)域形狀根據(jù)中心對(duì)稱原理，得到圖7所示的透鏡的整體結(jié)構(gòu)。圖8是該透鏡的主視圖，圖9是該透鏡的底部安裝面視圖，其中光源3安裝在透鏡底部凹口 30內(nèi)。圖10是根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)方法得到的圖7所示透鏡的實(shí)際測試光斑圖，圖11是其實(shí)際測試照度圖。從圖中可見，光斑已經(jīng)非常接近標(biāo)準(zhǔn)正方形，照度均勻度也可達(dá)到0.9。 如果η取值越大，光斑越接近標(biāo)準(zhǔn)正方形。但如果光源采用LED時(shí)，由于加工工藝水平的限制和實(shí)際使用中透鏡的尺寸較小，一般透鏡直徑小于30mm，這時(shí)η的取值不宜過大，因?yàn)閷?duì)照度的均勻性會(huì)產(chǎn)生影響。因此，實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般η的取值為大于等于2而小于等于10， 這樣可以同時(shí)兼顧到光斑形狀和照度均勻性，使其更加符合實(shí)際使用要求。
權(quán)利要求
1.一種正方形均勻光斑的透鏡設(shè)計(jì)方法，光軸經(jīng)過光斑中心且垂直于光斑所在平面， 設(shè)計(jì)步驟如下a)、將正方形光斑沿其對(duì)稱軸分成八個(gè)角度均為45度的中心對(duì)稱的區(qū)域，取其中一個(gè)區(qū)域作為本設(shè)計(jì)的對(duì)象，將該區(qū)域劃分為n(n ^ 2)個(gè)角區(qū)，且使每個(gè)角區(qū)的兩個(gè)角邊的長度差值相等。b)、分別取每一角區(qū)的同一方向的一個(gè)角邊，以過該角邊和光軸的平面為入射面，在該入射面上，將光源位于光軸的一側(cè)的發(fā)光區(qū)域按照發(fā)光強(qiáng)度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律劃分成多個(gè)小角，并使分布在每個(gè)小角內(nèi)的光通量相等；c)、將所述每一入射面上的角邊劃分成多個(gè)小段，所述小段與所述小角一一對(duì)應(yīng)，調(diào)整各小段的長度使其與光源到該小段上被照點(diǎn)的距離平方成反比，與照度成正比；以所述小段中邊緣小段作為起始被照小段，以邊緣點(diǎn)為起始被照點(diǎn)，即對(duì)應(yīng)了所述的一個(gè)小角，根據(jù)透鏡第一面離開光源的距離要求，在與起始被照點(diǎn)對(duì)應(yīng)的入射光線上取一點(diǎn)作為透鏡第一面上的起始特征點(diǎn)，在該點(diǎn)處，平行于光源與起始被照點(diǎn)連線的直線同入射光線形成一夾角，為透鏡的起始光線偏折角，根據(jù)預(yù)定的比例，將所述偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，角分線作為入射光線經(jīng)過透鏡第一面后的折射線，通過折射定律以及所述的對(duì)應(yīng)小角， 求出與起始特征點(diǎn)相鄰的第二特征點(diǎn)，該第二特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)與起始被照點(diǎn)相鄰的第二被照點(diǎn)，按照上述相同的步驟，依次求出各個(gè)被照點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的第一面上的各特征點(diǎn)的位置；在經(jīng)過所述第一面上的起始特征點(diǎn)后的折射線上，根據(jù)透鏡厚度要求取一點(diǎn)作為透鏡第二面上的起始特征點(diǎn)，采用與求得第一面上的特征點(diǎn)相同的方法，求得第二面上的各特征點(diǎn)的位置；將所述的第一面和第二面上的各特征點(diǎn)依次連接，分別形成透鏡在每一入射面上的第一面截面形狀和第二面截面形狀；d)、將上述依次求得的每一入射面上的透鏡截面繞光軸分別在該角區(qū)內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度與該角區(qū)的角度相等，由此求得透鏡的八分之一形狀；根據(jù)中心對(duì)稱規(guī)律，進(jìn)而求得透鏡的整體形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正方形均勻光斑的透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述各特征點(diǎn)依次用直線或平滑曲線連接起來。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正方形均勻光斑的透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于當(dāng)光源為 LED，且透鏡直徑小于30mm時(shí)，所述角區(qū)數(shù)量η < 10。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正方形均勻光斑的透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述透鏡采用折射率為1. 3 4. 2之間的透明材料。
全文摘要
本發(fā)明公開一種正方形均勻光斑的透鏡設(shè)計(jì)方法，首先將正方形光斑沿其對(duì)稱軸分成八個(gè)中心對(duì)稱區(qū)域，將其中一個(gè)區(qū)域劃分為n(n≥2)個(gè)角區(qū)，每個(gè)角區(qū)的兩個(gè)角邊長度差值相等；分別以過每一角區(qū)的一個(gè)角邊和光軸的平面為入射面，將該入射面上光源位于光軸一側(cè)的發(fā)光區(qū)域按照發(fā)光強(qiáng)度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律劃分成多個(gè)小角，并使分布在每個(gè)小角內(nèi)的光線的光通量相等，再將每一入射面上的角邊劃分成與小角一一對(duì)應(yīng)的多個(gè)小段，根據(jù)折射定律，依次求得透鏡在每一入射面上的第一面和第二面的截面形狀，將該透鏡截面繞光軸分別在其所在的角區(qū)內(nèi)旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)角度與該角區(qū)的角度相等，求得透鏡的八分之一形狀；根據(jù)中心對(duì)稱規(guī)律，求得透鏡整體形狀。本方法簡單、直觀、靈活。
文檔編號(hào)F21V5/04GK102287754SQ201010204040
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者周士康, 李晟, 陳春根 申請(qǐng)人:上海三思電子工程有限公司, 上海三思科技發(fā)展有限公司, 嘉善晶輝光電技術(shù)有限公司