專利名稱：一種用于led的透鏡設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā) 明涉及一種光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，更具體地說(shuō)，涉及一種光斑呈中心對(duì)稱 的環(huán)形分布的透鏡設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
隨著LED光源的優(yōu)點(diǎn)日益被人們所發(fā)現(xiàn)，其在照明領(lǐng)域已得到普遍應(yīng)用。人們 在追求高效的照明同時(shí)，也希望用LED光源達(dá)到所需要的景觀照明效果。比如奧運(yùn)五 環(huán)、日環(huán)食等呈環(huán)形分布的光斑形狀。要得到上述光斑形狀，如果不采用光學(xué)透鏡，用光源直接照射，則需要多個(gè) LED分工負(fù)責(zé)環(huán)形照射區(qū)域的不同部分，這樣不但會(huì)使燈具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加，而 且很難達(dá)到被照區(qū)域的照度均勻的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種用于LED的透鏡設(shè)計(jì)方法，該方法得 到的光斑呈中心對(duì)稱的環(huán)形分布，且照度可均勻，也可沿中心半徑方向呈一定規(guī)律的變 化。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種用于LED的透鏡設(shè)計(jì)方法，經(jīng)該透鏡折射后光斑呈中心對(duì)稱的環(huán)形分布， 其特征在于a)、在任一過(guò)光源光軸的平面上，將光軸一側(cè)的發(fā)光角按照發(fā)光強(qiáng)度隨發(fā)光角 度的分布規(guī)律劃分成多個(gè)小角，使得各個(gè)小角內(nèi)的光通量相等；b)、將被照面上的環(huán)形光斑與所述入射面的交線段劃分成多個(gè)小段，所述小段 與所述小角一一對(duì)應(yīng)，調(diào)整各小段的長(zhǎng)度使其與光源到該小段上被照點(diǎn)的距離的平方成 反比，并且與照度隨被照點(diǎn)離開(kāi)光斑中心距離而變化的函數(shù)成正比；C)、以所述小段中邊緣小段作為起始被照小段，以邊緣點(diǎn)為起始被照點(diǎn)，這就 對(duì)應(yīng)了所述的一個(gè)小角，根據(jù)透鏡第一面離開(kāi)光源的距離要求，在與起始被照點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 入射光線上取一點(diǎn)作為透鏡第一面上的起始特征點(diǎn)，在該點(diǎn)處，平行于光源與起始被照 點(diǎn)連線的直線同入射光線形成一夾角，為透鏡的起始光線偏折角，根據(jù)預(yù)定的比例，將 所述偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，角分線作為入射光線經(jīng)過(guò)透鏡第一面后的折 射線，通過(guò)折射定律以及所述的對(duì)應(yīng)小角，求出與起始特征點(diǎn)相鄰的第二特征點(diǎn)，該第 二特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)與起始被照點(diǎn)相鄰的第二被照點(diǎn)；d)、同上一步驟，依次求出各個(gè)被照點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的第一面上的各特征點(diǎn)的位置；e)、在經(jīng)過(guò)所述第一面上的起始特征點(diǎn)后的折射線上，根據(jù)透鏡厚度要求取一 點(diǎn)，作為透鏡第二面上的起始特征點(diǎn)，根據(jù)第二偏折角，采用與得到第一面上的特征點(diǎn) 類似的方法，求出第二面上的各特征點(diǎn)的位置；f)、將所述的第一面和第二面上的各特征點(diǎn)依次連接，分別形成兩條連續(xù)曲線.
一入 ，g)、將所述兩條曲線繞光源光軸旋轉(zhuǎn)，形成透鏡的表面。進(jìn)一步，所述照度隨被照點(diǎn)離開(kāi)光斑中心距離而變化的函數(shù)為常數(shù)，此時(shí)可得 到照度沿半徑方向均勻分布的光斑。進(jìn)一步，所述照度隨被照點(diǎn)離開(kāi)光斑中心距離而變化的函數(shù)為高斯型、直線 型，拋物線型或洛侖茲型。進(jìn)一步，所述各特征點(diǎn)依次用直線或平滑曲線連接起來(lái)。進(jìn)一步，所述透鏡采用折射率為1.3 4.2之間的透明材料。本技術(shù)方案中通過(guò)調(diào)整被照各小段的長(zhǎng)度使其與光源到該小段上被照點(diǎn)的距離 的平方成反比，并且與照度隨被照點(diǎn)離開(kāi)光斑中心距離而變化的函數(shù)成正比，使得被照 面上照度呈均勻(當(dāng)所述函數(shù)為常數(shù)時(shí))或一定規(guī)律的變化(由于透鏡的尺寸相對(duì)于被照 區(qū)域來(lái)說(shuō)幾乎可以忽略不計(jì)，故光源到被照點(diǎn)的距離和方向就相當(dāng)于經(jīng)過(guò)透鏡后的折射 光線到被照點(diǎn)的距離和方向。)當(dāng)所述各特征點(diǎn)依次用直線或平滑曲線連接時(shí)，得到不同 形狀的透鏡。光線經(jīng)過(guò)透鏡第一面的偏折角和第二面的偏折角的比例大小，可以根據(jù)所需的 透鏡形狀、光環(huán)半徑大小、被照面與光源的距離遠(yuǎn)近以及光源的發(fā)光角大小來(lái)確定。


圖1是在入射面上劃分小角的方法示意圖2是在入射面與被照環(huán)形光斑的交線段上劃分小段的方法示意圖
圖3是確定透鏡表面上各特征點(diǎn)的方法示意圖4是將圖3各特征點(diǎn)連接的方法一示意圖5是將圖3各特征點(diǎn)連接的方法二示意圖6是在圖4和圖5基礎(chǔ)上得到的透鏡實(shí)施例一剖視圖7是圖6所示透鏡的光斑圖8a是本發(fā)明實(shí)施例二的剖視圖8b是確定圖8a透鏡表面上各特征點(diǎn)的方法示意圖8c是圖8a所示透鏡的光斑圖9a是本發(fā)明實(shí)施例三的剖視圖9b是確定圖9a透鏡表面上各特征點(diǎn)的方法示意圖9c是圖9a所示透鏡的光斑圖。
具體實(shí)施例方式以下通過(guò)附圖對(duì)本發(fā)明透鏡設(shè)計(jì)方法做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。圖1所示，以過(guò)LED光源3的光軸L的平面為光線入射面，在該入射面上，將光 軸一側(cè)的光源發(fā)光角按照發(fā)光強(qiáng)度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律劃分成等光通量的多個(gè)小角。 為使圖形清晰，本實(shí)施例僅分為4個(gè)小角，分別為α ，α 2, α 3, α 4。圖2所示，將 入射面在該側(cè)與被照環(huán)形光斑的交線段也分成4個(gè)小段ab，be, cd, de，分別與α ，
α 2, α 3, α 4 一一對(duì)應(yīng)。調(diào)整各小段的長(zhǎng)度，使其與光源3到該小段上被照點(diǎn)的距離r的平方成反比，并且與該被照點(diǎn)的照度E隨被照點(diǎn)離開(kāi)光斑中心O的距離h而變化的函 數(shù)f(E，h)成正比。圖3 所示，以ab段作為起始被照小段，以a點(diǎn)為起始被照點(diǎn)，則該ab段對(duì)應(yīng)的 小角為α 。根據(jù)透鏡第一面離開(kāi)光源3的距離要求，在與a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的入射光線上取一點(diǎn) la,作為透鏡第一面上的起始特征點(diǎn)，在該特征點(diǎn)處，平行于光源3與被照點(diǎn)a的連線的 直線同入射光線形成一夾角β 1，該夾角即為透鏡的起始光線偏折角。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的比 例，，將該偏折角β 1分成兩個(gè)部分，第一偏折角β 11和第二偏折角β 12，本實(shí)施例取 β β12 = 1 1，角分線作為入射光線經(jīng)過(guò)第一面的起始特征點(diǎn)Ia后的折射線，通 過(guò)折射定律，確定Ia點(diǎn)的法線nl，垂直于法線nl的直線與所述的光線入射面形成一交 線，該交線與小角β 1的角邊的交點(diǎn)分別為Ia和lb，Ib點(diǎn)即作為第二特征點(diǎn)。在第二 被照小段be上，取b點(diǎn)為第二被照點(diǎn)，則b點(diǎn)對(duì)應(yīng)了該第二特征點(diǎn)lb。依照所述的確 定第二特征點(diǎn)Ib的方法，依次求得被照點(diǎn)c、d、e所對(duì)應(yīng)的第一面上的特征點(diǎn)lc、Id、 Ie0根據(jù)透鏡厚度的要求，在經(jīng)過(guò)第一面上的起始特征點(diǎn)Ia后的折射線上取一點(diǎn)2a 作為第二面上的起始特征點(diǎn)，以該折射線作為透鏡第二面的入射線，以在該2a點(diǎn)平行于 被照點(diǎn)a與光源的連線的直線為透鏡第二面的折射線，該入射線和折射線方向即為圖示的 第二偏折角β 12的兩個(gè)角邊方向，采用與確定第一面的特征點(diǎn)完全相同的方法，依次求 得第二面上的特征點(diǎn)2b、2c、2d、2e的位置。圖4和圖5分別是將第一面1和第二面2上的各特征點(diǎn)依次用直線或平滑曲線進(jìn) 行連接，得到兩條連續(xù)曲線。當(dāng)圖4中的特征點(diǎn)取得足夠多時(shí)，也近似為平滑的曲線， 將該曲線繞光源3的光軸L旋轉(zhuǎn)，得到圖6所示的透鏡形狀。經(jīng)該透鏡折射后得到如圖 7所示的光斑。圖8a是采用本發(fā)明方法得到的第二實(shí)施例透鏡的剖視圖，圖8b是確定第一面1 和第二面2上各特征點(diǎn)的連續(xù)曲線的方法示意圖，圖8c是該透鏡的光斑圖。圖9a是采用本發(fā)明方法得到的第三實(shí)施例透鏡的剖視圖，圖9b是確定第一面1 和第二面2上各特征點(diǎn)的連續(xù)曲線的方法示意圖，圖9c是該透鏡的光斑圖。由于該環(huán)形 光斑的光環(huán)相對(duì)較窄，比如小于環(huán)半徑的1/50時(shí)，可將各被照點(diǎn)與光源的連線方向視為 一致，即光線通過(guò)透鏡折射后，各折射線方向相互平行，這樣在確定各特征點(diǎn)時(shí)可以使 程序簡(jiǎn)化。前述實(shí)施例均是取邊緣點(diǎn)a為起始被照點(diǎn)，逐次確定各特征點(diǎn)的位置。當(dāng)然， 也可以另一邊緣點(diǎn)e為起始被照點(diǎn)，該e所對(duì)應(yīng)的入射光線即為沿光軸方向的光線，則從 對(duì)應(yīng)的起始特征點(diǎn)Ie開(kāi)始，逐次確定各特征點(diǎn)位置。當(dāng)照度E隨各被照點(diǎn)離開(kāi)光斑中心O的距離而變化的函數(shù)取常數(shù)時(shí)，光斑在沿 半徑方向上的照度呈均勻分布。當(dāng)然，當(dāng)該函數(shù)為高斯型、直線型，拋物線型或洛侖茲 型時(shí)，也可得到照度呈一定規(guī)律變化的光斑。
權(quán)利要求
1.一種用于LED的透鏡設(shè)計(jì)方法，經(jīng)該透鏡折射后光斑呈中心對(duì)稱的環(huán)形分布，其 特征在于a)、在任一過(guò)光源光軸的平面上，將光軸一側(cè)的發(fā)光角按照發(fā)光強(qiáng)度隨發(fā)光角度的 分布規(guī)律劃分成多個(gè)小角，使得各個(gè)小角內(nèi)的光通量相等；b)、將被照面上的環(huán)形光斑與所述入射面的交線段劃分成多個(gè)小段，所述小段與 所述小角一一對(duì)應(yīng)，調(diào)整各小段的長(zhǎng)度使其與光源到該小段上被照點(diǎn)的距離的平方成反 比，并且與照度隨被照點(diǎn)離開(kāi)光斑中心距離而變化的函數(shù)成正比；C)、以所述小段中邊緣小段作為起始被照小段，以邊緣點(diǎn)為起始被照點(diǎn)，即對(duì)應(yīng)了 所述的一個(gè)小角，根據(jù)透鏡第一面離開(kāi)光源的距離要求，在與起始被照點(diǎn)對(duì)應(yīng)的入射光 線上取一點(diǎn)作為透鏡第一面上的起始特征點(diǎn)，在該點(diǎn)處，平行于光源與起始被照點(diǎn)連線 的直線同入射光線形成一夾角，為透鏡的起始光線偏折角，根據(jù)預(yù)定的比例，將所述偏 折角分成第一偏折角和第二偏折角，角分線作為入射光線經(jīng)過(guò)透鏡第一面后的折射線， 通過(guò)折射定律以及所述的對(duì)應(yīng)小角，求出與起始特征點(diǎn)相鄰的第二特征點(diǎn)，該第二特征 點(diǎn)對(duì)應(yīng)與起始被照點(diǎn)相鄰的第二被照點(diǎn)；d)、同上一步驟，依次求出各個(gè)被照點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的第一面上的各特征點(diǎn)的位置；e)、在經(jīng)過(guò)所述第一面上的起始特征點(diǎn)后的折射線上，根據(jù)透鏡厚度要求取一點(diǎn)， 作為透鏡第二面上的起始特征點(diǎn)，采用與得到第一面上的特征點(diǎn)類似的方法，求出第二 面上的各特征點(diǎn)的位置；f)、將所述的第一面和第二面上的各特征點(diǎn)依次連接，分別形成兩條連續(xù)曲線；g)、將所述兩條曲線繞光源光軸旋轉(zhuǎn)，形成透鏡的表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED用透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述照度隨被照點(diǎn) 離開(kāi)光斑中心距離而變化的函數(shù)為常數(shù)，此時(shí)可得到照度沿半徑方向均勻分布的環(huán)形光斑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED用透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述照度隨被照點(diǎn) 離開(kāi)光斑中心距離而變化的函數(shù)為高斯型、直線型，拋物線型或洛侖茲型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED用透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述各特征點(diǎn)依次 用直線或平滑曲線連接起來(lái)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED用透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述透鏡采用折射 率為1.3 4.2之間的透明材料。
全文摘要
一種用于LED的透鏡設(shè)計(jì)方法，經(jīng)該透鏡折射后光斑呈環(huán)形分布，其方法為將光源發(fā)光角和光斑與截面的交線按照一定規(guī)律分別劃分成一一對(duì)應(yīng)的小角和小段，以光源與被照點(diǎn)之間的連線方向作為經(jīng)過(guò)透鏡后的各折射光線方向，根據(jù)折射定律，確定各被照點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的透鏡第一面上的各特征點(diǎn)的位置，繼而再求得第二面上各特征點(diǎn)的位置，然后將各特征點(diǎn)依次用直線或平滑曲線連接起來(lái)，得到第一面上的一條連續(xù)曲線和第二面上的一條連續(xù)曲線，將該兩條連續(xù)曲線繞光軸旋轉(zhuǎn)，即可得到環(huán)形光斑的透鏡表面。該方法可根據(jù)任意需要的環(huán)形光斑的照度要求和光環(huán)的寬窄變化來(lái)對(duì)透鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到照度可均勻，也可沿環(huán)形半徑方向呈一定規(guī)律變化的光斑。
文檔編號(hào)F21Y101/02GK102012001SQ200910195229
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2009年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月7日
發(fā)明者周士康, 盛開(kāi), 陳必壽 申請(qǐng)人:上海三思電子工程有限公司, 上海三思科技發(fā)展有限公司, 嘉善晶輝光電技術(shù)有限公司