一种光学透镜制造技术

本发明专利技术涉及一种光学透镜，所述透镜包括凹形面和凸形面，所述凹形面为半球形曲面；所述凸形面的形状通过本发明专利技术设定的方法获得。本发明专利技术提供的透镜相比于现有技术的透镜能够获得更高的照射均匀度。

【技术实现步骤摘要】
一种光学透镜
本专利技术属于LED封装
；具体涉及一种LED光学透镜，该透镜能够很好地保证光照均匀性、提高光的利用效率，使得光能够最大限度地照射整个道路以及路边区域。
技术介绍
LED(LightEmittingDiode)是一种基于P-N结电致发光原理制成的半导体发光器件，具有电光转换效率高、使用寿命长、环保节能、体积小等优点，被誉为21世纪绿色照明光源，如能应用于传统照明领域将得到十分显著的节能效果，这在全球能源日趋紧张的当今意义重大。随着以氮化物为代表的第三代半导体材料技术的突破，基于大功率高亮度发光二极管(LED)的半导体照明产业在全球迅速兴起，正成为半导体光电子产业新的经济增长点，并在传统照明领域引发了一场革命。LED由于其独特的优越性，已经开始在许多领域得到广泛应用，被业界认为是未来照明技术的主要发展方向，具有巨大的市场潜力。对于LED这种朗伯型发光体，如果不经过合适的配光而直接应用，在目标照明面上就会呈现出从中间到边缘由亮逐渐变暗的圆形光斑，这种技术效果一般不能达到工作所需的技术指标，同时还会由于大量无效光的存在而大大降低系统效率。因此需要对LED进行二次配光设计，使最终的光场分布满足相应的应用要求，同时实现较高的光能利用率。目前最广泛采用的是元件是一次透镜或二次透镜。但是传统的透镜设计方法为：仅仅设计透镜外表面，而把透镜内表面假设为半球形，以使透镜设计简单方便。从LED发出的光达到照射面会依次经过透镜内、外表面，发生两次折射，传统设计方法中直接把透镜内表面假设为半球形，会失去一个重要的透镜设计自由度，并且透镜形状不能根据应用进行随意调整。因此，发展一种同时设计透镜内、外表面、并且满足不同照明要求的设计方法尤为重要。一般在LED成为照明品之前，要进行两次光学设计。一次配光设计在封装时进行，为的是调整LED的发光角度、光通量、光强、色温与色点的范围与分布等问题。二次配光设计则是根据不同的应用需要，对LED所发出的光的特性进行重新调整，以实现与设计目标相符的配光形式。简而言之，一次配光的设计目的是，尽可能地提高LED芯片的发光效率，而二次配光的设计目的是，让发出的光满足配光要求。自由曲面光学透镜设计目前聚焦于形成轴对称照射图案，LED灯具位于轴对称照射图案的中心。然而，在真实的道路照明环境中，灯具的位置以及图形的位置会发生轴向偏移，会妨碍光束投射至路边区域。光学设计的目的在于，保证光束能够覆盖到路边的区域。因此，设计透镜的光学自由曲面，以获得轴向非对称的照射图案。最有效的获得轴向非对称照射图案的方法是，使灯具倾斜；存在的问题是，机械稳定性较差，而且不能实现聚光。另一种实现方法是，使用透镜阵列；存在的问题是，结构复杂，需要组装不连续的光学表面。因此，目前的现有技术对于生成非对称照射图案都不甚理想。
技术实现思路
本专利技术提供一种光学透镜，所述光学透镜包括凹形面和凸形面，所述凹形面为半球形曲面；所述凸形面的形状通过如下方法获得，包括：预设照射面，所述照射面平行于第一平面，所述第一平面为由所述透镜凹形面边缘线所确定的发光面，在所述照射面上预设照射范围；建立以所述凹形面所确定的半球形的球心为坐标原点O的坐标系，其中将第一平面所在的平面设为xoy平面，其中x轴和y轴相互正交，过原点O且与xoy平面相垂直的轴为z轴，沿O点向透镜射出的方向设为z轴的正方向；照射面与z轴相交于O’，预设照射范围在x’轴上的中点为O’，将照射面设为x’O’y’，其中x’轴平行于x轴，y’轴平行于y轴；在原点O设置点光源；α是y-z轴形成的平面与O’A和O’y’形成的平面之间的夹角，β是x-z轴形成的平面与O’A和O’x’形成的平面之间的夹角，所述凹形面所确定的球体半径为R，所述凹形面上的光线入射点A(x，y，z)满足公式(1)：确定照射面上目标位置点C(xt，yt，H)，H表示从第一平面到所述照射面的垂直距离，(xt，yt)采用公式(2)和公式(3)获得：Xmax表示照射范围在x轴上一半的尺寸，Ymax表示照射范围在y轴上正方向的尺寸，Ymin表示照射范围在y轴负方向的尺寸，αmax表示沿着α方向光线的最大的照射角度，βmax表示光线沿着β的方向的最大照射角度，βmin表示光线沿着β的方向的最小照射角度，I(α，β)为光源发射位置的光强度分布；确定相应光线与透镜的凸形面相交的点B的参数，包括：光线射入凸形面以及射出凸形面满足如下公式：N＝(O-n·T)/|O-n·T|(4)O表示光线在凸形面点B的归一化输出向量，T表示光线在凸形面点B的归一化输入向量，N表示点B的归一化法向量，n表示折射率，根据公式(4)获得法向量N；采用迭代算法公式(9)计算出每一个凸形面上的点Bi，j参数，(Bi，j+1-Bi,j)·N＝0(9)，进而重复计算公式(4)和(9)，获得凸形面上离散的点B；根据所得到的离散的凸形面上的点B确定透镜凸形面形状。根据本专利技术的一个实施方式，在确定透镜的凸形面上点B的参数的步骤中，所述透镜的凹形面满足表示点A处的入射光线的径向矢量；T1是点A处的入射光的归一化输入向量；通过公式(5)-公式(6)，获得从点A到点B的归一化输出向量O1，进而获得B点的坐标信息。根据本专利技术的一个实施方式，在确定透镜的凸形面上点B的参数的步骤中，所述透镜的凹形面满足光线在凸形面的归一化输入向量T2和归一化输出向量O2通过下面的公式获得：根据公式(7)和(8)获得凸形面上B点的法向量N。根据本专利技术的一个实施方式，所述透镜中，所述透镜由光学玻璃制成。根据本专利技术的一个实施方式，所述透镜中，所述光学玻璃是PC或者PMMA光学玻璃。根据本专利技术的一个实施方式，所述透镜中，所述光源是LED光源。根据本专利技术的一个实施方式，所述透镜中，所述LED光源为集中光源，优选COB芯片，其尺寸为4mm×4mm至8mm×8mm。根据本专利技术的一个实施方式，所述透镜中，所述透镜为正八边形边缘形状的透镜。根据本专利技术的一个实施方式，所述透镜中，所述正八边形边缘形状的透镜对边距离50mm-60mm，透镜的凹形面最高位置距离底面的距离为2.5-4.5mm。根据本专利技术的一个实施方式，将由获得的离散的B点坐标各自导入机械建模软件中，通过插值法得到所述凸形面形状坐标信息。本专利技术中，“放样”是指：基于已知的极坐标，将放样点(坐标值已经求出)的长度和角度都计算出的过程。本文中的光学玻璃是指能改变光的传播方向和/或能改变紫外、可见或红外光的相对光谱分布的玻璃。本专利技术中PC是聚碳酸酯，而PMMA是有机玻璃(亚克力)的英文缩写，其化学名称是聚甲基丙烯酸甲酯。作为光学玻璃的材料，PC或者PMMA的优点在于，具有较好的透明性、化学稳定性，力学性能和耐候性，易染色，易加工，外观优美。本专利技术中LED为发光二极管的简称，其由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成；当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以利用此原理来制造发光二极管。LED可以在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。因化学性质不同，他们又可以分为有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。COB芯片是将LED芯片直接贴在高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学透镜，所述光学透镜包括凹形面和凸形面，其特征在于：所述凹形面为半球形曲面；所述凸形面的形状通过如下方法获得，包括：预设照射面，所述照射面平行于第一平面，所述第一平面为由所述透镜凹形面边缘线所确定的发光面，在所述照射面上预设照射范围；建立以所述凹形面所确定的半球形的球心为坐标原点O的坐标系，其中将第一平面所在的平面设为xoy平面，其中x轴和y轴相互正交，过原点O且与xoy平面相垂直的轴为z轴，沿O点向透镜射出的方向设为z轴的正方向；照射面与z轴相交于O’，预设照射范围在x’轴上的中点为O’，将照射面设为x’O’y’，其中x’轴平行于x轴，y’轴平行于y轴；在原点O设置点光源；α是y‑z轴形成的平面与O’A和O’y’形成的平面之间的夹角，β是x‑z轴形成的平面与O’A和O’x’形成的平面之间的夹角，所述凹形面所确定的球体半径为R，所述凹形面上的光线入射点A(x,y,z)满足公式(1)：

【技术特征摘要】
1.一种光学透镜，所述光学透镜包括凹形面和凸形面，其特征在于：所述凹形面为半球形曲面；所述凸形面的形状通过如下方法获得，包括：预设照射面，所述照射面平行于第一平面，所述第一平面为由所述透镜凹形面边缘线所确定的发光面，在所述照射面上预设照射范围；建立以所述凹形面所确定的半球形的球心为坐标原点O的坐标系，其中将第一平面所在的平面设为xoy平面，其中x轴和y轴相互正交，过原点O且与xoy平面相垂直的轴为z轴，沿O点向透镜射出的方向设为z轴的正方向；照射面与z轴相交于O’，预设照射范围在x’轴上的中点为O’，将照射面设为x’O’y’，其中x’轴平行于x轴，y’轴平行于y轴；在原点O设置点光源；α是y-z轴形成的平面与O’A和O’y’形成的平面之间的夹角，β是x-z轴形成的平面与O’A和O’x’形成的平面之间的夹角，所述凹形面所确定的球体半径为R，所述凹形面上的光线入射点A(x,y,z)满足公式(1)：确定照射面上目标位置点C(xt,yt,H)，H表示从第一平面到所述照射面的垂直距离，(xt,yt)采用公式(2)和公式(3)获得：Xmax表示照射范围在x轴上一半的尺寸，Ymax表示照射范围在y轴上正方向的尺寸，Ymin表示照射范围在y轴负方向的尺寸，αmax表示沿着α方向光线的最大的照射角度，βmax表示光线沿着β的方向的最大照射角度，βmin表示光线沿着β的方向的最小照射角度，I(α,β)为光源发射位置的光强度分布；确定相应光线与透镜的凸形面相交的点B的参数，包括：光线射入凸形面以及射出凸形面满足如下公式：N＝(O-n·T)/|O-n·T|(4)O表示光线在凸形面点B的归一化输出向量，T表示光线在凸形...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈威，周明新，周丽彬，
申请(专利权)人：明朔北京电子科技有限公司，东旭光电科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11