一种LED照明用透镜的设计方法技术

一种LED照明用透镜的设计方法，该透镜由两个通光面组成，其中任一面的表面曲率分布为预先给定，求另一面形状的方法是：将光轴单侧的半光束角分成等光通量的多个小角，将被照区域分成相应的多个被照小段，以平行于LED到被照小段上的被照点连线的直线为透镜的出射光线方向，由折射定律，确定所求面的各个特征点位置，将各个特征点依次连接形成所求面的一个截面形状，依此方法，确定透镜的多个截面形状，再将其用平滑的曲面依次连接，即形成透镜的整体形状。该方法适用于给定透镜任一面的表面曲率分布，求另一面形状的所有情况。不仅满足透镜的各种配光需要，而且满足对透镜形状的特殊要求。该方法灵活、简单，适用于各种类型的LED。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及ー种光学元件的设计方法，更具体地说，涉及一种给定双通光面透镜的任一面的表面曲率分布、求透镜另一面形状的设计方法。
技术介绍
非成像光学透镜的设计在LED照明领域是ー个非常关键的步骤。LED灯具所用的透镜结构是为满足不同的照明要求和照明场合进行设计的，比如，道路用照明、景观用照明等。目前，很多LED照明用透镜的设计方法仅限于将透镜的入射面固定为不影响光线走向的球面，然后对透镜的出射面进行设计。这种结构的透镜，只有其出射面对配光的要求做了 贡献，而入射面对光线的走向并不产生任何影响，因此没有做出任何贡献。这种只依赖出射面来配光的设计方法得到的透镜在实际使用时势必会受到很大的局限性，对ー些配光的要求也无法满足。还有，在对透镜的安装以及外观有比较严格要求的场合下，现有透镜的设计方法也很难达到实际使用的要求，而且也无法做到透镜的模块化，不能提高透镜的生产和安装效率。
技术实现思路
本专利技术为解决上述现有技术中存在的技术问题，提供ー种LED照明用透镜的设计方法，采用该方法，可以在给定透镜任一面的任意表面曲率分布时，进行透镜另一面的形状设计，不仅满足透镜的各种配光需要，而且满足对透镜形状的特殊要求。该方法灵活、简单，适用于各种类型的LED。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下 ー种LED照明用透镜的设计方法，所述透镜由入射面和出射面组成，其中任一面的表面曲率分布为预先给定，求另一面形状的设计步骤如下 a)、以过LED光轴的ー个平面为计算面，在该计算面上，将LED光轴任ー侧的半光束角按照光源的发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，使得各个小角内的光通量相等; b)、在所述半光束角范围内，将所述计算面与被照区域的交线段分成与所述小角数量相等的多个小段，每ー小角对应ー个小段；调整各小段的长度使其与LED到该小段上任一被照点的距离的平方成反比，并且与预先给定的照度随被照点离开被照区域中心的距离而变化的函数值成反比； C)、若所述入射面的表面曲率分布为预先给定，根据透镜离开LED距离的要求以及透镜厚度的要求在光轴上取一点作为出射面的起始特征点，从以光轴为角边的第一小角开始，以该小角的另一角边为入射光线，由折射定律，确定该条入射光线经过入射面后的折射光线；在出射面的起始特征点处做ー垂直于光轴的垂线，所述垂线与所述折射光线相交于一点，该点即为出射面的第一特征点；以所述折射光线为出射面在第一特征点处的入射光线，以在该第一特征点处，平行于LED与对应第一被照小段上任意被照点连线的直线为出射光线，由折射定律，求得出射面的第二特征点的位置；依照此方法，依次求得出射面的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，即可得到出射面在所述计算面上的截面形状； d)、若所述出射面的表面曲率分布为预先给定，从以光轴为角边的第一小角开始，在与该第一小角对应的第一被照小段上，平行于LED与该第一被照小段上的任意被照点连线的直线为出射光线方向，由折射定律，求得出射面上相应于第一被照小段的入射光线方向，依照此方法，求得出射面上相应于各被照小段的各入射光线方向，并将它们作为入射面上各折射光线的方向；根据透镜离开LED距离的要求以及透镜厚度的要求在光轴上取一点作为入射面的起始特征点，在该起始特征点处做ー垂线与第一小角的角边相交，交点即作为入射面的第一特征点；由折射定律，求得入射面的第二特征点的位置；依照此方法，依次求得入射面的各个特征点的位置，将各特征点依次连接形成一条曲线，即可得到入射面在所述计算面上的截面形状； e)、重复上述步骤a) d)，确定透镜另一面在多个均匀分布的计算面上的多个截面形状； f)、将上述求得的多个截面形状依次连接起来，即可得到所求的透镜另一面的形状。所述透镜关于ー个平面呈对称分布，所述e)步骤中，在对称面ー侧的两个象限内多次重复所述步骤a) d)，确定透镜另一面在该两个象限内的多个均匀分布的计算面上的多个截面形状，将求得的多个截面形状依次连接起来，得到所求的透镜另一面在该两个象限内的形状，再通过该平面对称，求得所求的透镜另一面的全部形状。所述透镜关于两个平面呈对称分布，所述e)步骤中，在由该两个对称面限定的一个象限内多次重复所述步骤a) d)，确定所求的透镜另一面在该象限内的多个均匀分布的计算面上的多个截面形状，将求得的多个截面形状依次连接起来，得到所求的透镜另ー面在该象限内的形状，再通过两次平面对称，求得所求的透镜另一面的全部形状。所述透镜关于N个平面呈对称分布，所述e)步骤中，在180° /N范围内多次重复所述步骤a) d)，确定所求的透镜另一面在180° /N范围内的多个均匀分布的计算面上的多个截面形状，将求得的多个截面形状依次连接起来，得到所求的透镜另一面在该180° /N范围内的形状，再通过N次平面对称，求得所求的透镜另一面的全部形状，其中N> 3。ー种LED照明用旋转对称透镜的设计方法，所述透镜由入射面和出射面组成，所述任一面的表面曲率分布为预先给定，求另一面形状的设计步骤同上述的LED照明用透镜的设计方法中的步骤a) d)，然后，将所求得的透镜另一面在所述计算面上的截面形状绕光轴旋转360°，即可得到所求的透镜另一面的全部形状。所述预先给定的任一面可以是平面、平面拼接面、曲面以及平面和曲面的结合。所述C)、d)步骤中，各特征点依次用直线或者平滑的曲线连接起来。所述多个截面形状依次用平滑的曲面连接起来。所述透镜的侧周向外顺势延伸。所述透镜采用折射率为I. 3 4. 2的透明材料。所述c)步骤中，以所述折射光线为出射面的第一特征点的入射光线，以在该第一 特征点处，平行于LED与对应第一被照小段上的边缘被照点连线的直线为出射光线，由折射定律，确定该第一特征点的法线；以第二小角的角边为入射光线，由折射定律，求得该入射光线经过入射面后的折射光线，在所述计算面上，垂直于所述法线的直线与该折射光线相交，交点即作为出射面的第二特征点。所述d)步骤中，由折射定律，确定入射面的第一特征点的法线，在所述计算面上，垂直于所述法线的直线与第二小角的角边相交于一点，交点即作为入射面的第二特征点。本专利技术所公开的LED照明用透镜的设计方法，对透镜的任一面根据实际需要设定任意的表面曲率分布规律，可以为平面的、曲面的或平面和曲面的结合，同时，照射的光斑也可根据实际使用场合和照明要求进行具体的形状设定。在LED与被照区域之间建立起一定的对应关系，再对透镜的入射面和出射面根据折射定律，确定出若干个特征点，连接各个特征点形成所求透镜的一面的一个截面形状，重复该步骤多次，求得所求透镜的一面的多个截面形状，连接该多个截面形状即可形成所求透镜的一面的全部形状。当所取得的特征点以及所形成的截面的数量足够多时，就能形成表面比较平滑的透镜形状。附图说明以下通过附图对本专利技术透镜设计方法做进ー步详细的描述图I是给定透镜的被照区域形状为椭圆形的示意图2是给定图I所示透镜的出射面为平面的形状示意图3是在ー个计算面上LED光轴单侧光束角内划分小角的方法示意图4是在图I所示的被照区域上划分小段的方法示意图5是确定图I所示透镜的入射面的各特征点的位置并依次连接形成一个截面形状的方法一示意图6是将图5所示各特征点依次连接形成一个截面形状的方法ニ示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.ー种LED照明用透镜的设计方法，所述透镜由入射面和出射面组成，其中任一面的表面曲率分布为预先给定，求另一面形状的设计步骤如下 a)、以过LED光轴的ー个平面为计算面，在该计算面上，将LED光轴任ー侧的半光束角按照光源的发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，使得各个小角内的光通量相等; b)、在所述半光束角范围内，将所述计算面与被照区域的交线段分成与所述小角数量相等的多个小段，每ー小角对应ー个小段；调整各小段的长度使其与LED到该小段上任一被照点的距离的平方成反比，并且与预先给定的照度随被照点离开被照区域中心的距离而变化的函数值成反比； C)、若所述入射面的表面曲率分布为预先给定，根据透镜离开LED距离的要求以及透镜厚度的要求在光轴上取一点作为出射面的起始特征点，从以光轴为角边的第一小角开始，以该小角的另一角边为入射光线，由折射定律，确定该条入射光线经过入射面后的折射光线；在出射面的起始特征点处做ー垂直于光轴的垂线，所述垂线与所述折射光线相交于一点，该点即为出射面的第一特征点；以所述折射光线为出射面在第一特征点处的入射光线，以在该第一特征点处，平行于LED与对应第一被照小段上任意被照点连线的直线为出射光线，由折射定律，求得出射面的第二特征点的位置；依照此方法，依次求得出射面的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，即可得到出射面在所述计算面上的截面形状； d)、若所述出射面的表面曲率分布为预先给定，从以光轴为角边的第一小角开始，在与该第一小角对应的第一被照小段上，平行于LED与该第一被照小段上的任意被照点连线的直线为出射光线方向，由折射定律，求得出射面上相应于第一被照小段的入射光线方向，依照此方法，求得出射面上相应于各被照小段的各入射光线方向，并将它们作为入射面上各折射光线的方向；根据透镜离开LED距离的要求以及透镜厚度的要求在光轴上取一点作为入射面的起始特征点，在该起始特征点处做ー垂线与第一小角的角边相交，交点即作为入射面的第一特征点；由折射定律，求得入射面的第二特征点的位置；依照此方法，依次求得入射面的各个特征点的位置，将各特征点依次连接形成一条曲线，即可得到入射面在所述计算面上的截面形状； e)、重复上述步骤a) d)，确定透镜另一面在多个均匀分布的计算面上的多个截面形状； f)、将上述求得的多个截面形状依次连接起来，即可得...

【专利技术属性】
技术研发人员：周士康，韩红梅，胡建红，许礼，
申请(专利权)人：上海三思电子工程有限公司，上海三思科技发展有限公司，嘉善晶辉光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：