專利名稱：Led配光透鏡曲面構(gòu)造方法和led配光透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應用光學領(lǐng)域，更具體的說是涉及一種LED配光透鏡曲面構(gòu)造方法和 LED配光透鏡。
背景技術(shù)：
LED (Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導體器件，LED由于其能耗低、發(fā)光效率高和壽命長等諸多優(yōu)點，被廣泛應用中各類照明系統(tǒng)中。由于LED芯片的體積較小，使其發(fā)光面積小，方向性強，因此照射面積有限，需要進行二次配光，以滿足實際的照明需求。配光即是指將LED發(fā)射的光源強度重新進行分配，使得照明區(qū)域亮度分布達到要求的標準，目前，現(xiàn)有的LED的配光曲面構(gòu)造方法，通常利用反射原理進行設(shè)計，由構(gòu)造的配光曲面作為全反射面，構(gòu)造成反光杯的側(cè)面，LED光源安裝在反光杯內(nèi)，從而使得光源照射到該側(cè)面的光全部反射回反光杯，從而減小了 LED發(fā)射到側(cè)面的光能量的損失，提高了光能利用率。但是，由于LED的光源方向性單一，主要能量集中在中間部分，反光杯的配光方法只是對發(fā)射到側(cè)面的光能量進行了分配，而LED發(fā)射的中間部分的絕大部分光能并不能進行重新分配，從而使得照明區(qū)域的亮度分布不均勻。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種LED配光透鏡曲面構(gòu)造方法和LED配光透鏡，用以解決LED光源配光不均勻，從而使得照明區(qū)域亮度不均勻的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案一種LED配光透鏡曲面構(gòu)造方法，包括按照能量等分原則將LED光源劃分成預設(shè)份數(shù)的子光源，并將確定的照明區(qū)域劃分成與所述LED光源相同份數(shù)且每份面積相等的照明網(wǎng)格；按照能量守恒定律建立每份子光源和每份照明網(wǎng)格的一一對應關(guān)系；依據(jù)所述對應關(guān)系計算每份子光源的投射角度，以及，根據(jù)每份子光源對應的照明網(wǎng)格位置確定每份子光源偏轉(zhuǎn)角度；根據(jù)所述投射角度、偏轉(zhuǎn)角度以及獲取的透鏡折射率，計算配光曲線斜率，并依據(jù)每一配光曲線斜率構(gòu)造配光透鏡曲面。優(yōu)選地，所述確定的照明區(qū)域為圓形區(qū)域，所述圓形照明區(qū)域的半徑是根據(jù)LED 光源最大投射角度以及所述LED光源與所述照明區(qū)域的垂直距離計算出的。優(yōu)選地，所述按照能量等分原則將LED光源劃分成預設(shè)份數(shù)的子光源具體為將LED光源按照能量等分原則劃分成第一預設(shè)數(shù)個環(huán)形光源；按照角度平均原則將各個環(huán)形光源進行劃分，形成預設(shè)份數(shù)的子光源。則所述投射角度具體為每份子光源在沿其角度方向上的出射的光線與垂直方向的夾角，配光曲線斜率為不同角度方向?qū)那€斜率。優(yōu)選地，在照明區(qū)域為圓形區(qū)域的情況下，所述將確定的照明區(qū)域劃分成與所述 LED光源相同份數(shù)且每份面積相等的照明網(wǎng)格具體為將圓形照明區(qū)域按照面積等分原則劃分第一預設(shè)數(shù)個環(huán)形網(wǎng)格；按照角度平均原則將各個環(huán)形網(wǎng)格進行劃分，形成預設(shè)份數(shù)的照明網(wǎng)格。優(yōu)選地，所述每份子光源和每份照明網(wǎng)格的對應關(guān)系式為/ I(0)d6 = / Stds ；其中，Ι(θ) =A*cos2 θ，為所述LED光源的光分布函數(shù)，A為光源參數(shù)，θ為每份子光源的投射角度，s為照明網(wǎng)格面積，t為平均照度值。優(yōu)選地，在照明區(qū)域為圓形區(qū)域的情況下，所述對應關(guān)系式具體為
\Ι(θ) θ=\8 τ φ·其中，r為照明網(wǎng)格到照明區(qū)域中心的距離，識為照明區(qū)域劃分的不同角度。優(yōu)選地，根據(jù)所述投射角度、偏轉(zhuǎn)角度以及獲取的透鏡折射率，計算配光曲線斜率具體為將投射角度、偏轉(zhuǎn)角度以及獲取的透鏡折射率帶入折射定律計算公式，計算配光曲線斜率，所述折射定律計算公式為nsin(3 + e) = sin(3 + eout)；其中，θ。ut為偏轉(zhuǎn)角度，η為配光透鏡折射率，計算得出的正切值tan β，為配光曲線斜率。優(yōu)選地，所述根據(jù)每份子光源對應的照明網(wǎng)格位置確定所述光源偏轉(zhuǎn)角度具體為確定所述照明區(qū)域與所述LED光源的垂直距離h，以及，每份子光源對應的照明網(wǎng)格與照明區(qū)域中心的距離r;根據(jù)公式tan θ out = r/h,計算偏轉(zhuǎn)角度θ。ut。優(yōu)選地，所述依據(jù)每一配光曲線斜率構(gòu)造配光透鏡曲面具體為建立空間坐標系；根據(jù)每一點所在配光曲線的法向量與所述配光曲線垂直關(guān)系以及每一配光曲線斜率，計算各點在空間坐標系中的坐標值；根據(jù)各點坐標值，構(gòu)造配鏡曲面。優(yōu)選地，所述按將圓形照明區(qū)域按照面積等分原則劃分第一預設(shè)數(shù)個環(huán)形網(wǎng)格具體為將所述照明區(qū)域依據(jù)公式r = ^InxRZm ,進行劃分，其中，r為照明網(wǎng)格到照明區(qū)域中心的距離，R為照明區(qū)域半徑，m為第一預設(shè)數(shù)，η取值為1，2，3......m。一種LED配光透鏡，所述配光透鏡靠近LED光源的一面為球面，遠離LED光源的一面為按照權(quán)利要求1 10任一項所述方法設(shè)計的配光透鏡曲面。經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種LED配光透鏡曲面構(gòu)造方法和LED配光透鏡，將LED光源和照明區(qū)域劃分成相同的份數(shù)，每份子光源的能量相等，每份照明網(wǎng)格的面積相等，依據(jù)能量守恒原理建立每份子光源和每份照明網(wǎng)格的一一對應關(guān)系，使得每份子光源能量和分配給每份照明網(wǎng)格的能量相等，并根據(jù)對應關(guān)系式計算每份子光源的投射角度，以及計算子光源的偏轉(zhuǎn)角度，然后帶入折射定律計算公式中，計算配光曲線斜率，并根據(jù)每一配光曲線斜率，求解并構(gòu)造配光透鏡曲面，所述配光透鏡曲面，即為LED配光透鏡的遠離LED光源的一面，而靠近LED光源一面設(shè)計為普通的曲面，光線可直接穿過，本發(fā)明的LED配光透鏡曲面，是依據(jù)能量守恒原理，將分布在照明區(qū)域上光強度重新分配，使得每份照明網(wǎng)格的光強度相等，從而使得照明區(qū)域亮度分布均勻， 因而所述配光透鏡曲面使得LED 二次配光更均勻。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明一種LED配光透鏡曲面構(gòu)造方法實施例1的流程圖；圖2為本發(fā)明一份光源的光線折射關(guān)系示意圖；圖3為本發(fā)明一種LED配光透鏡曲面構(gòu)造方法實施例2的流程圖；圖4為本發(fā)明LED光源劃分示意圖；圖5為本發(fā)明照明區(qū)域劃分示意圖；圖6為本發(fā)明一種LED配光透鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明實施例公開了一種LED配光透鏡曲面構(gòu)造方法和LED配光透鏡，LED光源和照明區(qū)域劃分成相同的份數(shù)，每份子光源的能量相等，每份照明網(wǎng)格的面積相等，依據(jù)能量守恒原理建立每份子光源和每份照明網(wǎng)格的一一對應關(guān)系，從而保證每份照明網(wǎng)格獲得光強度均等，然后根據(jù)對應關(guān)系式計算每份子光源的投射角度，以及計算子光源的偏轉(zhuǎn)角度，根據(jù)所述投射角度和偏轉(zhuǎn)角度并計算出配光曲線斜率，并根據(jù)每一個配光曲線斜率，求解并構(gòu)造配光透鏡曲面，所述配光透鏡曲面，即為LED配光透鏡的遠離LED光源的一面，而靠近LED光源一面設(shè)計為普通的曲面，光線可直接穿過，本發(fā)明的LED配光透鏡曲面，是依據(jù)能量守恒原理，將分布在照明區(qū)域上光強度重新分配，使得每份照明網(wǎng)格的光強度相等， 從而使得照明區(qū)域光強度分布均勻，因而所述配光透鏡曲面使得LED 二次配光更均勻。參見圖1，示出了本發(fā)明一種LED配光透鏡曲面構(gòu)造方法實施例1的流程圖，所述方法包括步驟101 按照能量等分原則將LED光源劃分成預設(shè)份數(shù)的子光源，并將確定的照明區(qū)域劃分成與所述LED光源相同份數(shù)且每份面積相等的照明網(wǎng)格。通過本實施例所提供的LED配光透鏡曲面的設(shè)計方法所構(gòu)造的曲面，進而由該曲面制作的透鏡，可實現(xiàn)對LED的二次配光，二次配光是指將LED發(fā)出的光線集中在期望的照明區(qū)域中，使得LED滿足照明設(shè)計需求。通過透鏡改變光源發(fā)射光線的角度，從而改變照明面積和照度。本實施例即是基于二次配光的基礎(chǔ)上，設(shè)計配光透鏡曲面。首先按照能量等分原則將LED的LED光源劃分成預設(shè)份數(shù)的子光源，即每份子光源發(fā)出的光強度都相等，由于LED光源發(fā)生的光線形成的光斑為圓形光斑，因此將LED光源按照圓形形狀進行劃分，將LED光源按照能量等分原則劃分成第一預設(shè)數(shù)個環(huán)形光源；然后按照角度平均原則將各個環(huán)形光源進行劃分，每一個環(huán)形光源被劃分成分第二預設(shè)數(shù)個光源，因此可以形成預設(shè)份數(shù)的子光源，所述預設(shè)份數(shù)值即為第一預設(shè)數(shù)和第二預設(shè)數(shù)的乘積值。需要說明的是，所述將LED光源劃分預設(shè)份數(shù)，其還可以是將LED光源按照角度平均原則劃分成第二預設(shè)數(shù)個扇形光源；按照能量等分原則將各個扇形光源進行劃分，每一個扇形光源又被劃分成第一預設(shè)數(shù)個光源，因此可以形成預設(shè)份數(shù)的子光源。本發(fā)明并不限定于具體的劃分順序，只需滿足劃分出的每份子光源發(fā)射的能量相等即可。所述的第一預設(shè)數(shù)以及第二預設(shè)數(shù)根據(jù)實際情況不同具體選擇，形成的子光源越多，得到的結(jié)果越精確，一個實際應用的例子為，第一預設(shè)數(shù)為60，第二預設(shè)數(shù)為90，因此可以劃分成60*90份子光源。需要說明的是，上述劃分是基于極坐標系上的劃分，環(huán)形光源是沿徑向的方向，扇形光源是沿角向的劃分。為了實現(xiàn)所設(shè)計的曲面可以使得光源光線在照明區(qū)域分布均勻，所述照明區(qū)域也需要進行劃分，按照面積等分原則劃分成與所述LED光源相同份數(shù)的照明網(wǎng)格，即每一份照明網(wǎng)格的面積均相等。保證面積相等，是為了保證每一網(wǎng)格中的光強度相等。所述照明區(qū)域根據(jù)不同的照明需求來具體設(shè)定，以照明區(qū)域為圓形區(qū)域的情況為例，其中，所述圓形區(qū)域的半徑是根據(jù)LED光源最大投射角度以及所述LED光源與所述照明區(qū)域的垂直距離，計算出的。所述最大投射角度即是LED光源的最大出射角度。即所述圓形區(qū)域的中心即為LED光源與照明區(qū)域的垂直相交點。為了保證圓形區(qū)域的光強度分布均勻，所述圓形照明區(qū)域劃分方法可以具體為將圓形照明區(qū)域按照面積等分原則劃分第一預設(shè)數(shù)個環(huán)形網(wǎng)格；按照角度平均原則將各個環(huán)形網(wǎng)格進行劃分，每個環(huán)形網(wǎng)格被劃分成第二預設(shè)數(shù)個網(wǎng)格，因此可以形成預設(shè)份數(shù)的照明網(wǎng)格。其還可以是將圓形照明區(qū)域按照角度平均原則劃分為第二預設(shè)數(shù)個的扇形網(wǎng)格；按照能量等分原則將各個扇形網(wǎng)格進行劃分，每一個扇形網(wǎng)格被劃分成第一預設(shè)數(shù)個網(wǎng)格，因此可形成預設(shè)份數(shù)的照明網(wǎng)格。需要說明的是，所述照明區(qū)域還可以是其他形狀，或者不規(guī)則形狀的圖形，只需保證將所述照明區(qū)域劃分成與LED光源相同份數(shù)的照明網(wǎng)格，且每一照明網(wǎng)格面積相等，即可按照本發(fā)明實現(xiàn)方案構(gòu)造透鏡曲面。步驟102 按照能量守恒定律建立每份子光源和每份照明網(wǎng)格的一一對應關(guān)系。LED光源和照明區(qū)域均劃分成了預設(shè)份數(shù)，為了滿足照明區(qū)域的光強度分布均勻， 建立每份子光源與照明網(wǎng)格的一一對應關(guān)系，即一份光源對應一個照明網(wǎng)格，一個照明網(wǎng)格對應一份光源，由于步驟101中，每份子光源的能量相等，且每份照明網(wǎng)格的面積相等，根據(jù)每份子光源發(fā)射的光強度與分布在其對應的照明網(wǎng)格上的光強度相等的原則，建立該對應關(guān)系，從而可保證每一照明網(wǎng)格的光強度相等，按照能量守恒定律建立的對應關(guān)系式為/ I ( θ ) d θ = f Stds其中，Ι(θ)為光分布函數(shù)，由步驟101中，LED光源通常為朗伯體光源，即Ι( θ ) = A*cos2 θ，其中，A是光源參數(shù)，根據(jù)不同的LED芯片型號而不同，所述θ代表每份子光源在沿角度對應的方向上的出射光線與垂直方向的夾角。S代表照明網(wǎng)格的面積，t為平均照度值，所述平均照度值是指光源總能量除以照明區(qū)域的總面積。在所述照明區(qū)域為圓形區(qū)域的情況下，所述對應關(guān)系式具體為
權(quán)利要求
1.一種LED配光透鏡曲面構(gòu)造方法，其特征在于，包括按照能量等分原則將LED光源劃分成預設(shè)份數(shù)的子光源，并將確定的照明區(qū)域劃分成與所述LED光源相同份數(shù)且每份面積相等的照明網(wǎng)格；按照能量守恒定律建立每份子光源和每份照明網(wǎng)格的一一對應關(guān)系；依據(jù)所述對應關(guān)系計算每份子光源的投射角度，以及，根據(jù)每份子光源對應的照明網(wǎng)格位置確定每份子光源偏轉(zhuǎn)角度；根據(jù)所述投射角度、偏轉(zhuǎn)角度以及獲取的透鏡折射率，計算配光曲線斜率，并依據(jù)每一配光曲線斜率構(gòu)造配光透鏡曲面。
2 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述確定的照明區(qū)域為圓形區(qū)域，所述圓形照明區(qū)域的半徑是根據(jù)LED光源最大投射角度以及所述LED光源與所述照明區(qū)域的垂直距離計算出的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述按照能量等分原則將LED光源劃分成預設(shè)份數(shù)的子光源具體為將LED光源按照能量等分原則劃分成第一預設(shè)數(shù)個環(huán)形光源；按照角度平均原則將各個環(huán)形光源進行劃分，形成預設(shè)份數(shù)的子光源。則所述投射角度具體為每份子光源在沿其角度方向上的出射的光線與垂直方向的夾角，配光曲線斜率為不同角度方向?qū)那€斜率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在照明區(qū)域為圓形區(qū)域的情況下，所述將確定的照明區(qū)域劃分成與所述LED光源相同份數(shù)且每份面積相等的照明網(wǎng)格具體為將圓形照明區(qū)域按照面積等分原則劃分第一預設(shè)數(shù)個環(huán)形網(wǎng)格；按照角度平均原則將各個環(huán)形網(wǎng)格進行劃分，形成預設(shè)份數(shù)的照明網(wǎng)格。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述每份子光源和每份照明網(wǎng)格的對應關(guān)系式為
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在照明區(qū)域為圓形區(qū)域的情況下，所述對應關(guān)系式具體為
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述投射角度、偏轉(zhuǎn)角度以及獲取的透鏡折射率，計算配光曲線斜率具體為將投射角度、偏轉(zhuǎn)角度以及獲取的透鏡折射率帶入折射定律計算公式，計算配光曲線斜率，所述折射定律計算公式為
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)每份子光源對應的照明網(wǎng)格位置確定所述光源偏轉(zhuǎn)角度具體為確定所述照明區(qū)域與所述LED光源的垂直距離h，以及，每份子光源對應的照明網(wǎng)格與照明區(qū)域中心的距離r;根據(jù)公式tan θ。ut = r/h,計算偏轉(zhuǎn)角度θ。ut。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述依據(jù)每一配光曲線斜率構(gòu)造配光透鏡曲面具體為建立空間坐標系；根據(jù)每一點所在配光曲線的法向量與所述配光曲線垂直關(guān)系以及每一配光曲線斜率， 計算各點在空間坐標系中的坐標值；根據(jù)各點坐標值，構(gòu)造配鏡曲面。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述按將圓形照明區(qū)域按照面積等分原則劃分第一預設(shè)數(shù)個環(huán)形網(wǎng)格具體為將所述照明區(qū)域依據(jù)公式r = yJnxR/m ,進行劃分，其中，r為照明網(wǎng)格到照明區(qū)域中心的距離，R為照明區(qū)域半徑，m為第一預設(shè)數(shù)，η取值為1，2，3......m。
11.一種LED配光透鏡，其特征在于，所述配光透鏡靠近LED光源的一面為球面，遠離 LED光源的一面為按照權(quán)利要求1 10任一項所述方法設(shè)計的配光透鏡曲面。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種LED配光透鏡曲面構(gòu)造方法和LED配光透鏡，所述方法包括按照能量等分原則將LED光源劃分成預設(shè)份數(shù)的子光源，并將確定的照明區(qū)域劃分成與所述LED光源相同份數(shù)且每份面積相等的照明網(wǎng)格；按照能量守恒定律建立每份子光源和每份照明網(wǎng)格的一一對應關(guān)系；依據(jù)所述對應關(guān)系計算每份子光源的投射角度，以及，根據(jù)每份子光源對應的照明網(wǎng)格位置確定每份子光源偏轉(zhuǎn)角度；根據(jù)所述投射角度、偏轉(zhuǎn)角度以及獲取的透鏡折射率，計算配光曲線斜率，并依據(jù)每一配光曲線斜率構(gòu)造配光透鏡曲面。本發(fā)明實現(xiàn)了LED二次配光的均勻性，從而使得照明區(qū)域亮度分布均勻。
文檔編號F21Y101/02GK102287756SQ20111024354
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
發(fā)明者劉明, 朱效立, 謝常青, 辛將 申請人:中國科學院微電子研究所