一种组合式紧凑型LED透镜制造技术

本发明专利技术公开了一种组合式紧凑型LED透镜，包括位于外部的环形扩散透镜(3)和位于中部的准直透镜(2)；整体为以中心对称的回转体结构；其中，准直透镜包括下部在中心设置中心LED光源由柱面(5)环绕的圆柱空腔，圆柱空腔上部封闭的弧形曲面(4)，以及位于圆柱空腔外侧连至顶部平面(7)的过渡面(6)；扩散透镜包括与过渡面贴合的第二曲面(9)、上部外侧的第三曲面(10)，以及底部平面；底部平面在圆周上间隔设置由半球面(8)围成的半球空腔。本发明专利技术准直透镜用于将LED光源所发出的光校准成平行光，可以集中光能，适用于光线远距离传输；扩散透镜用于将LED光源所发出的调整成具有一定光束角度，可以适用于具有较大范围的照明。这种LED透镜组结构紧凑，可以实现两种照明效果。可以实现两种照明效果。可以实现两种照明效果。

【技术实现步骤摘要】
一种组合式紧凑型LED透镜


[0001]本专利技术涉及半导体照明领域，更具体地说，涉及一种基于自由曲面透镜的紧凑型LED透镜组设计方法。

技术介绍

[0002]LED的光谱几乎可以全部集中于可见光区域，并且效率可以达到80％～90％，而传统的白炽灯可见光转换效率只有10％～20％。由于LED具有体积小、响应快、寿命长，并且有节能、环保等优点，其已经应用在了很多方面，它也将在不久后会全部取替白炽灯等传统光源，同时，大幅度的半导体照明应用将在很大程度上节约能源，也会减少二氧化碳的排放量和荧光灯的汞污染，属于绿色光源。因此，着力发展半导体照明产业对我国经济的可持续发展战略具有很大的意义。
[0003]LED光源作为一种高效轻便的光源，使其在照明领域的应用十分广泛。但是由于LED光源是一种朗伯型光源，其发光角度大多在120
°
左右，而根据实际需要对于出光角度可能有不同的需求，因此需要对LED光源发出的光进行重新分配。通过自由曲面透镜可以对光线进行不同角度的调整，因此本专利技术通过研究紧凑型LED透镜组设计方法，通过自由曲面透镜实现LED光源准直发散或者大角度发散两种不同的出光效果，满足不同情况下的LED照明配光需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对传统LED光传输距离不足，照射范围窄的问题，提供一种紧凑型LED透镜组设计方法，以实现远距离和宽范围的设计要求。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种紧凑型LED透镜组设计方法，包括位于外部的环形扩散透镜和位于中部的准直透镜；所述准直透镜和所述扩散透镜整体为以中心对称的回转体结构。其中，所述准直透镜包括下部在中心设置中心LED光源由柱面环绕的圆柱空腔，所述圆柱空腔上部封闭的弧形曲面，以及位于所述圆柱空腔外侧连至顶部平面的过渡面；所述扩散透镜包括与所述过渡面贴合的第二曲面、上部外侧的第三曲面，以及底部平面；所述底部平面在圆周上间隔设置由半球面围成的半球空腔；所述半球空腔中心设置外部LED光源。具体说，构成弧形曲面的母线，由如下公式确定：
[0006][0007][0008]其中，n为透镜的折射率，所述中心LED光源为原点O，所述弧形曲面上各点坐标为(x
i
，y
i
)，光线从O点发出，与竖向y轴的夹角分别为θ1，θ2，...，θ
i
，夹角的范围为0～θ
max
＝A1；从光源O点出射的采样光线分为N份按等角度间隔Δθ进行采样，Vθ＝θ
max
/N，所以θ
i
＝i
·
Δθ。弧形曲面的最低点与到光源O的距离为h，所以光线与光轴的夹角为0
°
时初始坐标e1为
(0，h)。
[0009]构成所述柱面上的各点，由如下公式确定：
[0010][0011]式中，P
t
为光源发出的光线OF
t
与Y轴的夹角。A1为弧形曲面和过渡面的分界角，d为圆柱形空腔的半径，d＝h tan A1，h为e1点的纵坐标。而且所述边界与所述弧形曲面相贯，能够确定最上点。
[0012]构成所述过渡面和所述第二曲面的母线，由如下公式确定：
[0013][0014][0015]其中，Q
t
为从所述柱面5出射的光线F
t
f
t
与过F
t
点法线矢量的夹角；F1与f1的坐标都为(d，0)；f
t
点的坐标所述过渡面上f
t
点的切线的斜率为k
t
；
[0016]所述第三曲面(10)的母线，由如下公式确定：
[0017][0018][0019]式中，所述第三曲面上各点坐标为初始点E1的坐标可以表示为其中为第二曲面最上点，j表示过渡面和第二曲面之间的间隔，α
i
为从M点出射的光线过E1点与Y轴的夹角，ξ
i
为经过点E
i
所在第三曲面的水平线与切线的夹角。
[0020]优选方式下，本专利技术采用PMMA，PC，玻璃，晶体等材料。
[0021]此外，数量可以根据需要选择，优选方式下，每一组所述透镜组包括9个所述外部LED光源，其中位于中部的准直透镜2底部放置一个LED光源，环形扩散透镜3底部按等距离间隔放置8个LED光源。
[0022]在使用时，每一组所述透镜组独立使用；或者由多个所述透镜组构成阵列方式使用。
[0023]综上，本专利技术提供了一种紧凑型LED透镜组设计方法，所述方法的步骤包括：
[0024](1)确定LED透镜组的尺寸，包括准直透镜和扩散透镜的大小、厚度参数；LED阵列的尺寸、总体面数、阵列每一面透镜的颗数；确定好LED光源以及分析光源数据，包括光通量、光强、瓦数参数，确定好接收面参数，包括尺寸、位置、吸收或散射特性、材料参数；
[0025](2)将所述LED透镜组分为若干个区域，其中，所述准直透镜位于中心位置，所述扩散透镜环绕准直透镜，准直透镜底部具有圆柱形的空腔，可以用来放置LED光源，扩散透镜底部每隔一定的距离设置圆柱形的空腔，用来放置LED光源。
[0026](3)以LED光源发出的朗伯型光源的配光特性为例，光源的发光特性为朗伯型，按
照朗伯辐射体亮度不随角度θ变化的定义，得
[0027][0028]即I
θ
＝I0cosθ
[0029]其中，I
θ
为光源θ角方向的辐射强度，I0为光源在法线方向的发光强度，θ为出射方向与面源法线之间的夹角，dA为光源的面积。
[0030]优选方法下，中心区域是最完整的TIR准直透镜，四周区域由扩散透镜组成，扩散透镜将准直透镜环绕一圈，扩散透镜的内表面的弧度与准直透镜的内表面弧度形状保持一致，将扩散透镜的内表面设置为全反射面，保证光源经过内表面反射到外表面出射，而不会入射到准直透镜里造成干扰。扩散透镜的外表面也具有一定的弧度，保证光线入射到外表面，经过外表面出射时能够实现大角度发散。
[0031]优选方法下，所述紧凑型LED透镜组设计方法，将单个LED透镜组按一定间距进行排列，组成3
×
3或者4
×
4的LED阵列模组，由准直透镜和扩散透镜组成的LED阵列可设置单面发光，也可设置为多面发光，通过阵列可以更好的达到出射距离远，发散角度大的设计效果。
[0032]本专利技术相对于现有技术的优点在于，所述设计方法在结构上紧凑精简，可以将LED光源发出的光经过两种透镜的折射、反射等，达到远距离和大角度的出光效果，与单个的LED传输距离和照射范围受到限制相比，本专利技术能使光更亮，并更加节约LED能量。除此之外，采用阵列形式，能够自行调整发光效果，适应不同情况的照明要求。
附图说明
[0033]图1是本专利技术系统紧凑型LED透镜组光学系统设计总体设计示意图；
[0034]图2是本专利技术系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种组合式紧凑型LED透镜，其特征在于，包括位于外部的环形扩散透镜(3)和位于中部的准直透镜(2)；所述准直透镜(2)和所述扩散透镜(3)整体为以中心对称的回转体结构；其中，所述准直透镜(2)包括下部在中心设置中心LED光源由柱面(5)环绕的圆柱空腔，所述圆柱空腔上部封闭的弧形曲面(4)，以及位于所述圆柱空腔外侧连至顶部平面(7)的过渡面(6)；所述扩散透镜(3)包括与所述过渡面(6)贴合的第二曲面(9)、上部外侧的第三曲面(10)，以及底部平面；所述底部平面在圆周上间隔设置由半球面(8)围成的半球空腔；所述半球空腔中心设置外部LED光源；构成弧形曲面(4)的母线，由如下公式确定：构成弧形曲面(4)的母线，由如下公式确定：其中，n为透镜的折射率，所述中心LED光源为原点O，所述弧形曲面(4)上各点坐标为(x
i
，y
i
)，光线从O点发出，与竖向y轴的夹角分别为θ1，θ2，...，θ
i
，夹角的范围为0～θ
max
＝A1；从光源O点出射的采样光线分为N份按等角度间隔Δθ进行采样，Vθ＝θ
max
/N，所以θ
i
＝i
·
Δθ。弧形曲面(4)的最低点与到光源O的距离为h，所以光线与光轴的夹角为0
°
时初始坐标e1为(0，h)；所述柱面(5)上的各点，由如下公式确定：式中，P
t
为光源发出的光线OF
t
与Y轴的夹角。A1为弧形曲面(4)和所述过渡面(6)的分界角，d为圆柱形空...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云翠，樊敏菊，陈宇昂，严舒涵，孙常程，王燕，
申请(专利权)人：大连工业大学，
类型：发明
国别省市：