自由曲面的led光源的透鏡的製作方法

2023-06-23 16:30:06 1

專利名稱：自由曲面的led光源的透鏡的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及LED光源的透鏡領域，屬LED光源配光應用技術領域。
背景技術：
LED作為一種新穎的固體照明光源，由於其自身良好的諸多優勢，如綠色環保、壽 命長、體積小、定向發光、低電壓下工作、光效高等，這都是傳統燈具無法相比的優點，現在 已進入到商業應用階段。針對LED光源的特點設計的照明燈具也各不相同。目前的LED燈 具對光源的配光採用反光罩或透鏡來實現。反光罩只在特定場合下使用，且效果不是很理 想，有其局限性。透鏡能使用在絕大多數場合，是理想的控光器件，也是LED燈具配光的最 終趨勢。目前，幾乎所有的LED燈具的透鏡設計追求的目標有三方面1、矩形光斑；2、光通 量利用效率高；3、照度均勻度高；但都是顧此失彼，只能做好某一方面，另一方面不能達到 要求，存在明顯的不足。經過檢索，比較發明專利200820042535. 5 「一種配光透鏡」(簡稱透鏡一)、 200820050703. 5 「一種LED路燈配光透鏡」(簡稱透鏡二 )和200710118965. 0 「一種用於 LED的透鏡」(簡稱透鏡三)如透鏡一的光照範圍是圓形，僅能適用少數場合，實際道路照明中大部分場所需 要一個矩形的照明光斑，比如道路照明。如果光斑為圓形，那麼燈與燈之間暗區形成斑馬 紋，均勻度低，不需要光照的地方也照射到，造成光浪費，出現較差的效果；如透鏡二中，透鏡的底部可放置一個或多個LED光源，這是不妥的做法。因為透鏡 內側壁的橫截面面型把一個LED光源簡化成點光源設計的，放置多個LED光源，則橫截面只 會符合一個光源的出光效果，其它幾個光源不會按照預先設定的全反射的規律出光，造成 透光漏光，光損失嚴重。更進一步，就算放置一個LED光源，也有其不足之處，因為相對於透 鏡，LED光源是面光源，光源中心點符合全反射要求，中心點以外的發光部分卻不會按照預 先設計的全反射規律出射，造成設計與實際效果相差懸殊，完全偏離設計初意，這樣的後果 就是遠場光斑形狀不是矩形，光通量利用低，均勻度差；如透鏡三，內表面用球形，LED光源放在球心，這種方法是得不到較好的出光效果 的。因為球形在實際上對光源沒有控制，這樣透鏡只依靠外表面折射控光，那麼遠處光場光 斑形狀和均勻度都不會很好。綜上所述，現階段的透鏡不能滿足LED照明的需要，所以有必要設計一種性能良 好彌補上述缺陷的透鏡來供工業使用。

實用新型內容本實用新型的目的就是為了解決上述問題，光學上採用等照度網格法，結構上採 用微分雲點構面法，提供一種出光矩形光斑、光通量利用效率高、照度均勻度高的自由曲面 的LED光源的透鏡。[0010]本實用新型的特徵在於它含有一個LED光源，和一個有兩個自由曲面的透鏡。所述透鏡含有一個自由曲面的內表面，一個自由曲面的外表面。自由曲面的設計 採用等照度網格法。所述透鏡等照度網格法內容如下外 表面的自由曲面上的每一大小不相等的小格 對應路面上劃分好的相等面積的矩形小格，從外表面的自由曲面每一大小不相等的小格出 射的光束照射到路面對應的矩形小格上，使到達路面每一矩形小格的光通量相等。內表面 的自由曲面對應於外表面同樣劃分成相等份數的大小不相等的小格，從光源入射的光束經 內表面的自由曲面折射，到達外表面的相應小格上。光源發出的每一束光，經兩個自由曲面 折射後，到達路面的光通量相等。所述透鏡在結構上採用微分雲點構面法，保證了透鏡設計的光學要求。以下結合附圖與實施案例進一步說明本實用新型。


圖1本實用新型的透視圖；圖2本實用新型的安裝圖；圖3本實用新型的數學模型圖；圖4本實用新型的路面網格圖；圖5本實用新型的數學模型圖；圖6本實用新型的光通量分配圖。圖中標號1、透鏡外表面2、透鏡內表面3、透鏡底座4、透鏡定位柱5、光源基座定位槽6、透鏡實體7、LED光源8、PCB板
具體實施方式
以下參照附圖對本實用新型做進一步的說明。如
圖1，本實用新型自由曲面的LED光源的透鏡實體6 (簡稱透鏡6)，包括一外表 面1，一內表面2，內外兩個表面全是經微分方程計算出來的自由曲面，對光線起控制作用， 不是圓面、橢圓面或其它常用的有固定解析式的曲面。兩個透鏡底座3，兩個透鏡定位柱4， 光源基座定位槽5，透鏡定位柱4和光源基座定位槽5對LED光源起準確定位作用，保證LED 光源中心點位於內表面2的基面中心位置。如透鏡固定側面圖圖2所示，透鏡6安裝在PCB 板8上，透鏡6與LED光源7和PCB板8緊密相貼。本實用新型自由曲面的LED光源的透鏡的內外兩個自由曲面是這樣控制光線的， 如圖3所示。面ABCD和面EFGH分別是內外自由曲面的微小面元，這兩個微小面元都是圓 心在zl軸上任意圓球球面的極小一部分，圓球半徑由下式迭代得出Rn = Rl^cos ( Ψ^+ Ψη) *cos (d θ η) (1)Rl的初始值根據光源放置孔的尺寸大小給出。一束光從0點出射，經面AB⑶折射後，到達面EFGH再折射到圖4的路面上。本實用新型自由曲面的LED光源的透鏡的內外兩個自由曲面的具體實現方式是這樣的如實際路面網格圖圖4所示，路長和路寬分別用x2、y2表示，M點(Xlri^lri)是任 意一小格的中心點。圖中的矩形是實際照射面積，把實際照射面積分成許多小格。因為路 面需要的照度值知道，這個照度值就是燈具上若干個LED光源經透鏡配光後疊加的值，那 麼只用計算一個光源就行了。如水泥路面需要的照度值是251x，面積30*13m2，選用IWlOOlm的LED光源，計算 中考慮光源通過透鏡的損失及照度值保險係數，知道燈具共用光源137個，則每個光源在 路面上的照度為0. 21x。矩形路面面積均分，單個面積s*0. 2就是單個面積上所需的光通量 Φ，每一小格內的光通量Φ相等。每一個小格與透鏡的外表面的關係是這樣的。任意一小格的中心點路面坐標 Ulri，yy)，這個小格的光是由任意透鏡外表面EFGH折射照到上面的。計算中路面和透鏡 同處一球面坐標系中，如圖3所示。0點是球面坐標系的原點，面ABCD和面EFGH分別是透 鏡內外兩個表面，路面中心在正Zl軸上，垂直zl軸，距ο點h米，路面如圖4所示，路長主 軸x2、路寬主軸y2交點即路面中心。M點在整體球面坐標系中，滿足以下關係式formula see original document page 5[0037]tan θ n = XnVylri (2)圖3的示意圖轉換參考平面，變成圖5。在O、x3、y3、z3坐標系中，x3、y3面其實 就是圖3坐標系中過面AB⑶中心點和面EFGH中心點且和ο點垂直於XI、Yl面的平面。圖5中，面AB⑶和面EFGH都是微小面元，P、Q分別是兩個面的中心點，一極小束 光經微小面元AB⑶折射，這束光的中心光線經過點P，發生折射，到達點Q，發生折射，再到 達M點，虛線PL和虛線QN分別是兩個面的法線，它們與中心光線的夾角分別是al、bl。法 線與X3軸夾角分別是a2、b2。折射光線與垂線I I和II II的夾角分別是a、b、P、Q、L、N 的坐標分別是(xl，yl, zl)、(x2，y2, z2)、(x0，yO, z0)、(x3，y3, z3)。易知，formula see original document page 5[0041]極小光束的中心光線經過兩折射面時符合以下關係sin (b) *n = sin (bl) *m90° -b2+bl = a (4)sin(a)*m = sin(al)*nm、η是折射面兩邊的折射率。面AB⑶的法線方程和法線與Χ3軸夾角是formula see original document page 5formula see original document page 5[0049]可得90° -a2+al = θ 1 (6)LED光源是餘弦輻射體，θ 1就是光源出光角度。圖6中，坐標系與圖3相同，網格半球的圓心在ol點，olxl是半徑。球面表面劃 分成許多小格，面ABCD是其中一個，P點是面ABCD的中心點，一極小束光從光源ο點出射 照射到面AB⑶上，光通量的計算滿足下式[0053]O = I0 氺cos (Ψ+d Ψ/2)氺 sin Ψ 氺d Ψ 氺d θ (7)圖6中半球上所有小格的光通量分配都滿足式(7)，並且Φ、Itl是常量。綜上所述，自由曲面內外表面劃分的小格中心點由(1)至(7) 式可得出，當取足夠 多的點時，可得到透鏡面型，編程計算時間少於15秒。
權利要求自由曲面的LED光源的透鏡，包括LED光源，透鏡，其特徵在於所述透鏡(6)含有一個自由曲面的內表面(2)、一個自由曲面的外表面(1)；透鏡(6)安裝在PCB板(8)上，所述LED光源(7)中心點位於內表面(2)的基面中心；透鏡(6)與LED光源(7)、PCB板(8)緊密相貼；外表面(1)的自由曲面上設置若干大小不相等的小格；內表面(2)的自由曲面對應於外表面(1)同樣劃分成相等份數的大小不相等的小格。
2.根據權利要求1所述的自由曲面的LED光源的透鏡，其特徵在於所述透鏡(6)的 自由曲面的構面為經微分方程計算出來的自由曲面結構。
專利摘要本實用新型為自由曲面的LED光源的透鏡。目前的LED燈具對光源的配光採用反光罩或透鏡來實現。反光罩只在特定場合下使用；透鏡能使用在絕大多數場合，是理想的控光器件，也是LED燈具配光的最終趨勢。本實用新型光學透鏡含有一個自由曲面的內表面、一個自由曲面的外表面；自由曲面的設計採用等照度網格法外表面的自由曲面上的每一大小不相等的小格對應路面上劃分好的相等面積的矩形小格；內表面的自由曲面對應於外表面同樣劃分成相等份數的大小不相等的小格。表面結構上採用微分雲點構面法，提供一種出光矩形光斑、光通量利用效率高、照度均勻度高的自由曲面的LED光源的透鏡。
文檔編號F21Y101/02GK201568890SQ20092021227
公開日2010年9月1日 申請日期2009年11月12日 優先權日2009年11月12日
發明者王全國, 賈瑞紅, 閆明 申請人:上海彩煌光電科技有限公司