專(zhuān)利名稱(chēng)：一種led準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于LED照明技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種LED準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
由于LED相對(duì)于傳統(tǒng)照明光源具有節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，大功率LED照明技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)外光源界的普遍關(guān)注，已成為具有發(fā)展前景和影響力的一項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)品，LED照明產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、研制、生產(chǎn)已成為發(fā)展前景十分誘人的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。由于LED發(fā)出的光近似朗伯型，與傳統(tǒng)光源有較大不 同，不能直接用于現(xiàn)有的照明系統(tǒng)。因此，為了更好的將LED做為照明光源，研究大功率LED光源的二次光學(xué)系統(tǒng)配光設(shè)計(jì)，合理分配LED芯片的光能顯得尤為迫切。基于非成像光學(xué)理論建立起來(lái)的自由曲面的照明系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的主流研究方向，目前常用的設(shè)計(jì)方法有SMS (simultaneousmultiple surface)法、M-A(Monge-anpere)等式法、剪切法、數(shù)值優(yōu)化法等。其中SMS法適用于設(shè)計(jì)擴(kuò)展光源的光學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)前的基于SMS法設(shè)計(jì)的LED準(zhǔn)直系統(tǒng)多采用TIR型、RXI型以及它們的復(fù)合型。這些模型都可以有效收集和準(zhǔn)直LED的出射光，但它們一般都有四個(gè)甚至更多的自由曲面構(gòu)成，這給準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工帶來(lái)很多不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有LED準(zhǔn)直透鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光束發(fā)散角大且能量不集中等問(wèn)題，提出一種新型的LED準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)方法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光能利用率高，對(duì)LED出射光的準(zhǔn)直效果好。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
一種LED準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟
1)、初定LED準(zhǔn)直透鏡的出光口的口徑大小R、厚度L、出光面的縱截面的邊線與底面的夾角a、LED準(zhǔn)直透鏡的LED燈珠安裝孔的高度h、LED準(zhǔn)直透鏡的折射率n’，LED準(zhǔn)直透鏡的光束發(fā)散角B度；先根據(jù)折射定律計(jì)算出全反射光線與出光面之間的第一夾角范圍，進(jìn)而計(jì)算出全反射光線與LED準(zhǔn)直透鏡的軸線之間的第二夾角范圍，全反射光線在軸線兩側(cè)的夾角范圍分別在Cl、c2度之內(nèi)；
2)、根據(jù)LED燈珠的大小，選擇兩個(gè)邊緣發(fā)光點(diǎn)S1、S2;其中SI至S2之間的距離與LED燈珠的直徑相等，線段S1S2的中垂線為L(zhǎng)ED準(zhǔn)直透鏡的軸線，其中邊緣發(fā)光點(diǎn)S1、S2分別位于所述軸線的左側(cè)和右側(cè)；
3)、選擇初始折射點(diǎn)Pn和初始全反射點(diǎn)Qn，以及初始點(diǎn)E、點(diǎn)A;其中，點(diǎn)A、點(diǎn)E均在軸線上，線QnE為出光面的縱截面的邊線，Qn到所述軸線的距離為出光口直徑的一半即R/2，Qn到線段S1S2的垂直距離為L(zhǎng)ED準(zhǔn)直透鏡的厚度L，A到線段S1S2的垂直距離為L(zhǎng)ED燈珠的安裝孔的高度h，Pn點(diǎn)靠近A點(diǎn)，且Pn、Qn均位于軸線的一側(cè)；點(diǎn)E為出光面的中心點(diǎn)；
3)、確定第一折射面上的點(diǎn)P (η-l);邊緣發(fā)光點(diǎn)S2發(fā)光的光線S2Pn經(jīng)過(guò)第一折射面折射后形成折射光線PnQn，根據(jù)折射定律可以計(jì)算出點(diǎn)Pn處的法線方向和切線，折射光線PnQn在點(diǎn)Qn發(fā)生全反射形成反射光線Tl ;邊緣發(fā)光點(diǎn)SI的發(fā)光光線SlP (n_l)經(jīng)過(guò)第一折射面折射形成折射光線P(n-l)Qn, P(n-l)Qn在點(diǎn)Qn發(fā)生全反射形成反射光線T2 ;從全反射光線與LED準(zhǔn)直透鏡的軸線之間的夾角范圍可知反射光線Tl背向軸線傾斜，且反射光線Tl與軸線夾角為Cl，反射光線T2向軸線傾斜，且反射光線T2與軸線夾角為c2 ;由此通過(guò)反射定律可計(jì)算出Qn點(diǎn)的法線方向、切線方向以及折射光線P(n-l)Qn方向，點(diǎn)Pn處的切線的延長(zhǎng)線與折射光線P(n-1)Qn的交點(diǎn)即為P(n-1)點(diǎn)，同時(shí)還可以計(jì)算出P(n_l)點(diǎn)的法線方向和切線；
4)、確定全反射面上的點(diǎn)Q(n-1);邊緣發(fā)光點(diǎn)S2的光線S2P(n-l)經(jīng)過(guò)第一折射面的點(diǎn)P(n-l)折射后形成折射光線P(n-l)Q(n-l)，根據(jù)折射定律可以確定折射光線P(n-l)Q(n-1)的方向，折射光線P(n-1)Q(n-1)與點(diǎn)Qn的切線的延長(zhǎng)線的交點(diǎn)即為點(diǎn)Q(n_l)；
5)、令n= (n-1)、(n-2)、(n-3) ...... (m+1);重復(fù) 3)、4)步驟,計(jì)算出點(diǎn) P (n_2)......Pm 以及點(diǎn)Q(n-2)……Qm，直到P m、Qm位于點(diǎn)S1、點(diǎn)S2的連線上；
6)、通過(guò)平滑的曲線將么、？11、？(11-1)、？(11-2)……Pm連接形成第一折射面，以及通過(guò)平滑的曲線將Qn、Q (n-1)、Q (n-2)……Qm連接形成全反射面；
7)、將第一折射面、全反射面、線QnE、線QmPm繞軸線旋轉(zhuǎn)一周便得到LED準(zhǔn)直透鏡。進(jìn)一步地，所述出光面的縱截面的邊線與底面的夾角a為零。進(jìn)一步地，所述LED準(zhǔn)直透鏡的全反射面設(shè)有反光膜。本發(fā)明取得的有益效果為本發(fā)明LED準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，且設(shè)計(jì)的LED準(zhǔn)直透鏡能夠收集LED大角度范圍內(nèi)的光線，而獲得具有較小發(fā)散角的準(zhǔn)直光束，實(shí)用性強(qiáng)。


圖1為本發(fā)明所述LED準(zhǔn)直系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所述LED準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法原理圖。圖3為本發(fā)明所述LED準(zhǔn)直系統(tǒng)遞求解示意圖。附圖標(biāo)記說(shuō)明
I—第二折射面2—全反射面
3——第一折射面。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步地說(shuō)明。實(shí)施例參見(jiàn)圖1至圖3。本發(fā)明準(zhǔn)直透鏡采用的是傳統(tǒng)的折射-全反射-折射的結(jié)構(gòu)，具有3個(gè)光學(xué)表面，由于準(zhǔn)直透鏡都是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此在設(shè)計(jì)采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)式設(shè)計(jì)，只需要設(shè)計(jì)出入光的第一折射面、全反射面以及出光的第二折射面；在設(shè)計(jì)時(shí)，準(zhǔn)直透鏡初始水平放置；但準(zhǔn)直透鏡的出光的第二折射面一般設(shè)計(jì)為平面或錐面，因而設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定第二折射面與水平面夾角為a，0=〈a，只需要設(shè)計(jì)第一折射面和全反射面；另外在設(shè)計(jì)時(shí)，光束發(fā)散角設(shè)定在B度以?xún)?nèi)，即光線在準(zhǔn)直透鏡的軸線的兩側(cè)并與準(zhǔn)直透鏡的軸線之間的夾角分別最大為B度。因此光線從第二折射面出去時(shí)，相對(duì)準(zhǔn)直透鏡的軸線的夾角在B度之內(nèi)，；在考慮到準(zhǔn)直透鏡的折射率n’以及第二折射面的傾斜角度結(jié)合折射定律，可以計(jì)算出全反射光線與軸線的夾角范圍，全反射光線在軸線兩側(cè)的夾角范圍分別在Cl、C2度之內(nèi)；其中，cl=arcsin[n，sin (B+a) ]-a, c2= | a-arcsin[n，sin (B-a)];另外根據(jù)應(yīng)用環(huán)境確定準(zhǔn)直透鏡的出光口徑R、厚度L、準(zhǔn)直透鏡內(nèi)部安裝LED燈珠的安裝孔的高度h，以及LED燈珠的大小即LED燈珠的直徑。上述的a、B、n’、R、L、h值都是預(yù)先根據(jù)使用環(huán)境設(shè)定的。考慮到準(zhǔn)直透鏡都是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，且只需要設(shè)計(jì)第一折射面和全反射面，因此設(shè)計(jì)時(shí)只需要設(shè)計(jì)出第一折射面和全反射面的輪廓線即可。采用方法如下
I)、建立平面坐標(biāo)系，如圖3所示，以準(zhǔn)直透鏡的底面為X軸，準(zhǔn)直透鏡的軸線為Y軸，以LED燈珠的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，在X軸上設(shè)置兩個(gè)邊緣發(fā)光點(diǎn)，且該兩個(gè)邊緣發(fā)光點(diǎn)關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，兩個(gè)邊緣發(fā)光點(diǎn)的間距與LED燈珠的直徑或LED燈珠的最大距離相等。2)、根據(jù)準(zhǔn)直透鏡的厚度、出光口徑、安裝孔的高度，在其中一個(gè)象限選擇兩個(gè)初始點(diǎn)即初始全反射點(diǎn)Qn、初始折射點(diǎn)Pn,如在第二象限；以及在軸線上選擇初始點(diǎn)E和初始點(diǎn)A，其中線QnE與X軸的夾角為a ;點(diǎn)Qn至Y軸的距離為R/2，點(diǎn)Qn至X軸的距離為L(zhǎng)，點(diǎn)Pn至X軸的距離為(h-a), Pn至Y軸的距離為(h_b)，使得點(diǎn)Pn靠近Y軸和點(diǎn)A即可，a、 b均取值在0.1mm至Imm之間，如a取值為0. lmm, b取值為0. 2mm,點(diǎn)A至X軸的距離為h。3)、確定點(diǎn)Pn的相鄰點(diǎn)點(diǎn)P (n-1)、以及點(diǎn)Qn的相鄰點(diǎn)點(diǎn)Q (n-1);邊緣發(fā)光點(diǎn)S2發(fā)光，其中光線S2Pn經(jīng)過(guò)Pn點(diǎn)折射形成折射光PnQn,根據(jù)折射定律可以計(jì)算出點(diǎn)Pn處的法線方向以及切線；折射光PnQn在點(diǎn)Qn處折射形成反射光線Tl,其中反射光線Tl相對(duì)軸線向外傾斜，且反射光線Tl與軸線的夾角為Cl ;參見(jiàn)圖3。根據(jù)光線的反射定律，可以計(jì)算出點(diǎn)Qn處的法線方向以及切線；在Pn點(diǎn)附近選擇點(diǎn)P (n-1)，發(fā)光點(diǎn)SI發(fā)光，光線SlP (n_l)經(jīng)過(guò)點(diǎn)P(n-l)折射到點(diǎn)Qn,在點(diǎn)Qn處反射形成反射光線T2,反射光線T2相對(duì)軸線向內(nèi)傾斜，反射光線T2與軸線夾角為c2 ;因此根據(jù)反射光線T2、點(diǎn)Qn處的法線可以確定光線P(n-1)Qn,點(diǎn)Pn處的切線與光線P(n_l)Qn的交點(diǎn)即為點(diǎn)P(n_l)的位置，同時(shí)可以求得點(diǎn)P (n-1)處的切線和法線方向，發(fā)光點(diǎn)S2發(fā)光，光線S (n-1) P (n-1)在點(diǎn)P(n_l)處的折射光線P(n-l)Q(n-l)方向可以通過(guò)折射定律求出，折射光線P(n-l)Q(n-l)與點(diǎn)Qn處的切線的延長(zhǎng)線交點(diǎn)即為Q(n-1)點(diǎn)。4)、確定點(diǎn)Q(n-l)處的法線方向和切線，以及P(n-l)的相鄰點(diǎn)點(diǎn)P(n_2);由于折射光線P (n-1) Q (n-1)的光源點(diǎn)為邊緣發(fā)光點(diǎn)S2，因此折射光線P (n-1) Q (n-1)在點(diǎn)Q (n-1)處的反射光線T3與反射光線Tl平行；同理，折射光線P(n-2)Q(n-1)的光源點(diǎn)為邊緣發(fā)光點(diǎn)SI，折射光線P (n-2) Q(n-1)在點(diǎn)Q(n_l)處的反射光線T4與反射光線T2平行；根據(jù)反射定律，由已知折射光線P(n-1)Q(n-1)和點(diǎn)Q(n-l)處的反射光線T3可以確定Q(n_l)處的法線方向和切線，同時(shí)也可以確定折射光線P (n-2) Q(n-1)的方向，點(diǎn)P(n_l)處的切線的延長(zhǎng)線與折射光線P(n-2)Q(n-1)的交點(diǎn)即為P(n_2)點(diǎn)。5)、確定點(diǎn)P(n-2)處的法線方向和切線，以及點(diǎn)Q(n-l)的相鄰點(diǎn)點(diǎn)Q(n_2);根據(jù)折射光線P (n-2) Q (n-1)、折射率n、入射光線SlP (n-2)可以確定點(diǎn)P (n-2)處的法線方向和切線；邊緣發(fā)光點(diǎn)S2發(fā)光，光線S2P(n-2)的折射光線P(n-2)Q(n-2)可以通過(guò)折射定律來(lái)確定，折射光線P(n-2)Q(n-2)與點(diǎn)Q(n_l)處的切線的延長(zhǎng)線的交點(diǎn)即為點(diǎn)Q(n_2)的位置。6)、令 n= (n-2)、(n-3)、(n-4) ......(m+2);多次重復(fù) 3)、4)、5)步驟,計(jì)算出點(diǎn) P
(n-3)、P(n-4)……Pm,點(diǎn)Q(n-3),Q(n-4)……Qm，直到P m、Qm位于點(diǎn)S1、點(diǎn)S2的連線上。其中，邊緣發(fā)光點(diǎn)S1、S2的光線在Qi點(diǎn)的反射光線T(2n+l-2i)、T(2n+l-2i)，分別與反射光線Tl、T2平行。i為n-1至m。m為自然數(shù)。7)jfA、Pn、P(n-l)、P(n-2)……Pm通過(guò)平滑的曲線連接起來(lái)，形成第一折射面的輪廓；將0(11)、Q(n-l)、Q(n-2)……Qm通過(guò)平滑的曲線連接起來(lái)形成反射面的輪廓。全反射面的輪廓、線QnE、線EA、第一折射面的輪廓、線PmQm形成LED準(zhǔn)直透鏡縱截面的二分之一。其中，全反射面的輪廓曲線以及第一折射面的輪廓曲線可以通過(guò)取樣，插值算法等計(jì)算方法得到。8)、將上述二分之一的LED準(zhǔn)直透鏡縱截面繞軸線旋轉(zhuǎn)，即可得到該準(zhǔn)直透鏡的形狀。進(jìn)一步地，所述出光面的縱截面的邊線與底面的夾角a為零。
出光面與底面平行設(shè)置，也是較為常見(jiàn)設(shè)置方法，因此可以將a設(shè)置為零。進(jìn)一步地，所述LED準(zhǔn)直透鏡的全反射面設(shè)有反光膜。在LED準(zhǔn)直透鏡的全反射面即外側(cè)面上設(shè)置反光膜，可以增加其反光效果，提高準(zhǔn)直效果。以上僅是本申請(qǐng)的較佳實(shí)施例，在此基礎(chǔ)上的等同技術(shù)方案仍落入申請(qǐng)保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種LED準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于其包括以下步驟I)、初定LED準(zhǔn)直透鏡的出光口的口徑大小R、厚度L、出光面的縱截面的邊線與底面的夾角a、LED準(zhǔn)直透鏡的LED燈珠安裝孔的高度h、LED準(zhǔn)直透鏡的折射率n’，LED準(zhǔn)直透鏡的光束發(fā)散角B度；先根據(jù)折射定律計(jì)算出全反射光線與出光面之間的第一夾角范圍，進(jìn)而計(jì)算出全反射光線與LE D準(zhǔn)直透鏡的軸線之間的第二夾角范圍，全反射光線在軸線兩側(cè)的夾角范圍分別在c1、c2度之內(nèi)； 2)、根據(jù)LED燈珠的大小，選擇兩個(gè)邊緣發(fā)光點(diǎn)S1、S2;其中SI至S2之間的距離與LED燈珠的直徑相等，線段S1S2的中垂線為L(zhǎng)ED準(zhǔn)直透鏡的軸線，其中邊緣發(fā)光點(diǎn)S1、S2分別位于所述軸線的左側(cè)和右側(cè)； 3)、選擇初始折射點(diǎn)Pn和初始全反射點(diǎn)Qn，以及初始點(diǎn)E、點(diǎn)A;其中，點(diǎn)A、點(diǎn)E均在軸線上，線QnE為出光面的縱截面的邊線，Qn到所述軸線的距離為出光口直徑的一半即R/2，Qn到線段S1S2的垂直距離為L(zhǎng)ED準(zhǔn)直透鏡的厚度L，A到線段S1S2的垂直距離為L(zhǎng)ED燈珠的安裝孔的高度h，Pn點(diǎn)靠近A點(diǎn)，且Pn、Qn均位于軸線的一側(cè)；點(diǎn)E為出光面的中心點(diǎn)； 3)、確定第一折射面上的點(diǎn)P(n-1);邊緣發(fā)光點(diǎn)S2發(fā)光的光線S2Pn經(jīng)過(guò)第一折射面折射后形成折射光線PnQn，根據(jù)折射定律可以計(jì)算出點(diǎn)Pn處的法線方向和切線，折射光線PnQn在點(diǎn)Qn發(fā)生全反射形成反射光線Tl ;邊緣發(fā)光點(diǎn)SI的發(fā)光光線SlP (n_l)經(jīng)過(guò)第一折射面折射形成折射光線P (n-1) Qn, P (n-1) Qn在點(diǎn)Qn發(fā)生全反射形成反射光線T2 ;反射光線Tl背向軸線傾斜，且反射光線Tl與軸線夾角為Cl，反射光線T2向軸線傾斜，且反射光線T2與軸線夾角為c2 ;由此通過(guò)反射定律可計(jì)算出Qn點(diǎn)的法線方向、切線方向以及折射光線P(n-1)Qn方向，點(diǎn)Pn處的切線的延長(zhǎng)線與折射光線P(n_l)Qn的交點(diǎn)即為P(n_l)點(diǎn)，同時(shí)還可以計(jì)算出P(n-l)點(diǎn)的法線方向和切線； 4)、確定全反射面上的點(diǎn)Q(n-1);邊緣發(fā)光點(diǎn)S2的光線S2P(n-l)經(jīng)過(guò)第一折射面的點(diǎn)P(n-l)折射后形成折射光線P(n-l)Q(n-l)，根據(jù)折射定律可以確定折射光線P(n-l)Q(n-1)的方向，折射光線P(n-1)Q(n-1)與點(diǎn)Qn的切線的延長(zhǎng)線的交點(diǎn)即為點(diǎn)Q(n_l)； 5)、令n= (n-1)、(n-2)、(n-3) ...... (m+1);重復(fù) 3)、4)步驟,計(jì)算出點(diǎn) P (n_2)......Pm以及點(diǎn)Q(n-2)……Qm，直到P m、Qm位于點(diǎn)S1、點(diǎn)S2的連線上； 6)、通過(guò)平滑的曲線將么、？11、？(11-1)、？(11-2)……Pm連接形成第一折射面，以及通過(guò)平滑的曲線將Qn、Q (n-1)、Q (n-2)……Qm連接形成全反射面； 7)、將第一折射面、全反射面、線QnE、線QmPm繞軸線旋轉(zhuǎn)一周便得到LED準(zhǔn)直透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LED準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述出光面的縱截面的邊線與底面的夾角a為零。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LED準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述LED準(zhǔn)直透鏡的全反射面設(shè)有反光膜。
全文摘要
本發(fā)明屬于LED照明技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種LED準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明為解決現(xiàn)有LED準(zhǔn)直透鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光束發(fā)散角大且能量不集中等問(wèn)題，提出一種新型的LED準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)方法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光能利用率高，對(duì)LED出射光的準(zhǔn)直效果好。本發(fā)明設(shè)計(jì)方法包括1、初定LED準(zhǔn)直透鏡的初步參數(shù)；2、根據(jù)參數(shù)選擇邊緣發(fā)光點(diǎn)；3、選擇初始折射點(diǎn)和全反射點(diǎn)；4、通過(guò)光學(xué)定律推出其他折射點(diǎn)和反射點(diǎn)；5、形成第一折射面和全反射面；6、生成LED準(zhǔn)直透鏡。本發(fā)明LED準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，且設(shè)計(jì)的LED準(zhǔn)直透鏡能夠收集LED大角度范圍內(nèi)的光線，而獲得具有較小發(fā)散角的準(zhǔn)直光束，實(shí)用性強(qiáng)。
文檔編號(hào)F21V5/04GK103017086SQ20121055099
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者閆國(guó)棟, 石智偉 申請(qǐng)人:東莞勤上光電股份有限公司