一种LED准直光学透镜制造技术

本发明专利技术公开了一种LED准直光学透镜，包括折射部分和反射部分，所述折射部分包括第一自由曲面和第二自由曲面，分别构成所述折射部分的入射面和出射面，所述反射部分包括圆台面、第三自由曲面、第四自由曲面和环面，所述圆台面为所述反射部分的入射面，所述环面为所述反射部分的出射面，所述圆台面与第一自由曲面构成透镜底部中心的空腔区域；本发明专利技术解决了现有技术中普遍存在的能量分布不均、有眩光等问题，提出了一种新型LED准直光学透镜，其结构简单，准直效果好，光学效率高，无眩光。

A kind of LED collimating optical lens

【技术实现步骤摘要】
一种LED准直光学透镜
本专利技术属于LED二次光学设计领域，具体涉及一种LED准直光学透镜。
技术介绍
随着半导体发光二极管技术的发展和国家对绿色照明的推广，LED光源在照明领域占据的地位日渐突出；LED作为一种新型节能光源，与传统光源如汞灯、卤素灯相比，具有结构紧凑、价格低廉、节能环保、使用寿命长、色平衡好等突出优点，而且在作为投影光源使用时，不需要从白光中提取基本色，因为LED的光谱可以人为控制。目前，LED作为一种新型光源已广泛应用于通用照明、景观照明、显示屏、背光应用、信号及指示灯、车灯等众多领域，具有成熟的应用基础。由于市场中大多数LED封装器件属于Lambertian型光源，即发光强度随角度变化遵循余弦分布定律，因此在很多场合不能直接用于照明；为了最大限度的提高LED的光能利用率，并形成特定的照明形式，需要对LED进行二次光学设计，使最终光场分布满足应用需求。近年来，随着光学加工制造工艺的发展与进步，自由曲面逐渐替代传统特殊面型，广泛应用于各种光学器件；自由曲面具有足够大的面型自由度，对于光束分布的控制十分有效，使得简单的光学结构也能满足复杂的照明要求；在这一技术背景下，以自由曲面光学系统作为LED的二次配光元件具有广阔的应用前景。目前，已有多种基于自由曲面设计的LED准直透镜，但普遍存在照明光斑均匀度差、有眩光等问题，虽然公开号为CN104696884A的专利技术专利提出的一种双自由曲面准直透镜的设计方法可以很好的解决照度不均匀的问题，但只能准直一定角度的光束，光能损失较为严重。>
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开了一种LED准直光学透镜，其结构简单，光能利用率高，准直性好，照明光斑的均匀度好，无眩光。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种LED准直光学透镜，按照准直方式可分为折射部分和反射部分，所述折射部分包括第一自由曲面和第二自由曲面，分别构成所述折射部分的入射面和出射面，所述反射部分包括圆台面、第三自由曲面、第四自由曲面和环面，所述圆台面为所述反射部分的入射面，所述环面为所述反射部分的出射面，所述圆台面与第一自由曲面构成透镜底部中心的空腔区域，LED视为点光源安装于底部空腔内的0点处；以0点为原点建立直角坐标系X0Y，所述第一自由曲面、第二自由曲面、圆台面、第三自由曲面、第四自由曲面、环面均以点光源0为中心，并且关于Y轴旋转对称。所述LED准直光学透镜以α为分界角，将光线分成中间光线和边缘光线分别进行配光，中间光线的发光角度小于α，由0点发出，经过第一自由曲面折射后，再经过第二自由曲面折射后实现准直；边缘光线的发光角度大于α，由0点发出，经过圆台面折射后，先后经过第三自由曲面和第四自由曲面的反射，最后经环面出射实现准直。所述折射部分的第一自由曲面和第二自由曲面形状由如下方法确定：首先对分界角α进行等分，再根据能量守恒定律建立光线发光角度θi(θi≤α)与通过透镜后到达目标区域半径ri的映射关系，然后运用Snell定律建立自由曲线上相邻两点坐标的迭代关系，最后通过给定初始参数和迭代关系式求出自由曲面轮廓线上各点的离散坐标。所述折射部分的自由曲面数目有两个，其具体计算步骤如下：(1)初始条件说明并对(0，α)角度区间进行等分首先，发光角度为θi的光线从0点出射，与第一自由曲面的交点为Ai，与第二自由曲面的交点为Bi，达到目标区域半径为ri；发光角度为θi+1的光线与第一自由曲面的交点为Ai+1，与第二自由曲面的交点为Bi+1，达到目标区域半径为ri+1，分别定义点Ai、Ai+1、Bi、Bi+1的坐标为(xAi，yAi)、(xAi+1，yAi+1)、(xBi，yBi)、(xBi+1，yBi+1)，由定义可知：ri＝xBi，ri+1＝xBi+1。设等分数为N，令其中0≤i≤N，则θi表示第i个发光角；N的取值越大，计算的结果越准确。(2)建立光线发光角度θi与目标区域半径ri的映射关系由于Lambertian型LED光源的发光强度I＝I0cosθ，式中I0为垂直于LED面光源法线方向的光强，θ为出射光线与法线之间的夹角，根据能量守恒定律IdΩ＝Eds可得发光角度θi与目标区域半径ri的关系为：式中R为给定的初始参数值，表示发光角为α时所对应的目标区域半径，根据该公式可以确定xBi的大小。(3)建立自由曲面上相邻两点坐标的迭代关系首先，根据Snell定律确定过Ai的切线斜率KAi和过Bi点的切线斜率KBi：上式中n表示透镜材料的折射率，透镜材料为PC或PMMA。根据自由曲面切面迭代法原理可知，当等分数N很大时，过点Ai的切线方程和直线0Ai+1的交点即为点Ai+1的坐标，点Bi+1的坐标可由过Bi点的切线方程和点Bi+1的横坐标确定；因此，第一自由曲面轮廓线上相邻两点坐标的迭代关系式为：第二自由曲面轮廓线上相邻两点坐标的迭代关系式为：根据上述迭代关系式和给定的初始值R、α、xA0(或yA0)、yB0，可以得到第一自由曲面和第二自由曲面轮廓线上所有离散点的坐标值。所述反射部分的第三自由曲面和第四自由曲面形状由如下方法确定：首先对(α，90°)角度区间进行等分，再根据能量守恒定律建立光线发光角度θj(α≤θj≤90°)与通过透镜后到达目标区域半径rj的映射关系，然后运用Snell定律建立自由曲线上相邻两点坐标的迭代关系，最后通过给定初始参数和迭代关系式求出自由曲面轮廓线上各点的离散坐标。所述反射部分的自由曲面数目有两个，其具体计算步骤如下：(1)初始条件说明并对(α，90°)角度区间进行等分首先，发光角度为θj的光线从0点出射，与圆台面轮廓线A0F的交点为Ej，与第三自由曲面的交点为Cj，与第四自由曲面的交点为Dj，达到目标区域半径为rj；发光角度为θi+1的光线从0点出射，与圆台面轮廓线A0F的交点为Ej+1，与第三自由曲面的交点为Cj+1，与第四自由曲面的交点为Dj+1，分别定义点Cj、Cj+1、Dj、Dj+1、Ej、Ej+1的坐标为(xCi，yCi)、(xCi+1，yCi+1)、(xDi，yDi)、(xDi+1，yDi+1)、(xBi，yEi)、(xEi+1，yEi+1)，由定义可知：rj＝xDj、rj+1＝xDj+1。设等分数为M，令其中0≤j≤M，则θj表示第j个发光角；M的取值越大，计算的结果越准确。(2)建立光线发光角度θj与目标区域半径rj的映射关系将LED光源视为点光源，其光强呈Lambertian余弦分布，根据能量守恒定律IdΩ＝Eds可得发光角度θj与目标区域半径rj的关系为：(3)建立自由曲面上相邻两点坐标的迭代关系首先，根据Snell定律确定过Cj的切线斜率KCj和过Dj点的切线斜率KDj：上式中γj表示发光角度为θj的光线经直线A0F折射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种LED准直光学透镜，其特征在于：包括折射部分和反射部分，所述折射部分包括第一自由曲面(1)和第二自由曲面(2)，分别构成所述折射部分的入射面和出射面，所述反射部分包括圆台面(3)、第三自由曲面(4)、第四自由曲面(5)和环面(6)，所述圆台面(3)为所述反射部分的入射面，所述环面(6)为所述反射部分的出射面，所述圆台面(3)与第一自由曲面(1)构成透镜底部中心的空腔区域，LED视为点光源安装于底部空腔内的0点处；以0点为原点建立直角坐标系X0Y，所述第一自由曲面(1)、第二自由曲面(2)、圆台面(3)、第三自由曲面(4)、第四自由曲面(5)、环面(6)均以点光源0为中心，并且关于Y轴旋转对称。/n

【技术特征摘要】
1.一种LED准直光学透镜，其特征在于：包括折射部分和反射部分，所述折射部分包括第一自由曲面(1)和第二自由曲面(2)，分别构成所述折射部分的入射面和出射面，所述反射部分包括圆台面(3)、第三自由曲面(4)、第四自由曲面(5)和环面(6)，所述圆台面(3)为所述反射部分的入射面，所述环面(6)为所述反射部分的出射面，所述圆台面(3)与第一自由曲面(1)构成透镜底部中心的空腔区域，LED视为点光源安装于底部空腔内的0点处；以0点为原点建立直角坐标系X0Y，所述第一自由曲面(1)、第二自由曲面(2)、圆台面(3)、第三自由曲面(4)、第四自由曲面(5)、环面(6)均以点光源0为中心，并且关于Y轴旋转对称。


2.根据权利要求1所述的一种LED准直光学透镜，其特征在于，所述LED准直光学透镜以α为分界角，将光线分成中间光线和边缘光线分别进行配光，所述中间光线的发光角度小于α，由0点发出，经过第一自由曲面(1)折射后，再经过第二自由曲面(2)折射后实现准直；所述边缘光线的发光角度大于α，由0点发出，经过圆台面(3)折射后，先后经过第三自由曲面(4)和第四自由曲面(5)的反射，最后经环面(6)出射实现准直。


3.根据权利要求1所述的一种LED准直光学透镜，所述折射部分的第一自由曲面(1)和第二自由曲面(2)形状由如下方法确定：
首先对分界角α进行等分，再根据能量守恒定律建立光线发光角度θi(θi≤α)与通过透镜后到达目标区域半径ri的映射关系，然后运用Snell定律建立自由曲线上相邻两点坐标的迭代关系，最后通过给定初始参数和迭代关系式求出自由曲面轮廓线上各点的离散坐标；
所述折射部分的自由曲面数目有两个，其具体计算步骤如下：
(1)初始条件说明并对(0，α)角度区间进行等分
首先，发光角度为θi的光线从0点出射，与第一自由曲面(1)的交点为Ai，与第二自由曲面的交点为Bi，达到目标区域半径为ri；发光角度为θi+1的光线与第一自由曲面(1)的交点为Ai+1，与第二自由曲面的交点为Bi+1，达到目标区域半径为ri+1，分别定义点Ai、Ai+1、Bi、Bi+1的坐标为(xAi，yAi)、(xAi+1，yAi+1)、(xBi，yBi)、(xBi+1，yBi+1)，由定义可知：ri＝xBi，ri+1＝xBi+1；
设等分数为N，令其中0≤i≤N，则θi表示第i个发光角；N的取值越大，计算的结果越准确；
(2)建立光线发光角度θi与目标区域半径ri的映射关系
由于Lambertian型LED光源的发光强度I＝I0cosθ，式中I0为垂直于LED面光源法线方向的光强，θ为出射光线与法线之间的夹角，根据能量守恒定律IdΩ＝Eds得发光角度θi与目标区域半径ri的关系为：



式中R为给定的初始参数值，表示发光角为α时所对应的目标区域半径，根据该公式确定xBi的大小；
(3)建立自由曲面上相邻两点坐标的迭代关系
首先，根据Snell定律确定过Ai的切线斜率KAi和过Bi点的切线斜率KBi：






上式中n表示透镜材料的折射率；
根据自由曲面切面迭代法原理可知，当等分数N很大时，过点Ai的切线方程和直线0Ai+1的交点即为点Ai+1的坐标，点Bi+1的坐标由过Bi点的切线方程和点Bi+1的横坐标确定；因此，第一自由曲面(1)轮廓线上相邻两点坐标的迭代...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈云飞，汪洋，张艳，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32