帶有折射透鏡和反射器的LED準直照明光學裝置的製作方法

2023-05-28 11:40:26

本發明涉及一種LED準直照明光學裝置，具體說是一種帶有折射透鏡和反射器的LED準直照明光學裝置。

背景技術：

LED作為一種新型光源，由於其高光效，壽命長，無毒害等優點使其成為白熾燈、螢光燈等傳統的光源的完美替代者。但由於LED的光強分布為圓形的朗伯型分布，如果直接應用於照明，則會在目標面上形成極為不均勻的照度分布，無法滿足各種照明場合對燈具光學性能的要求。為了使LED更好的應用於照明領域，需要設計二次光學系統重新分配LED的光強分布，使得其在目標面能夠形成均勻或者其它特定的照度分布。

在船舶航行等可見光引導應用場合，需要近似矩形的準直光束，因此光線為雙向準直光。為此，至少需要兩個光學表面控制LED光線的方向，其中第一個表面控制橫向方向準直，第二個表面控制縱向方向準直。中國發明專利申請說明書CN201410125879給出了一種用於獲得圓形準直照明效果的設計方法。但無法獲得近似矩形的準直光束。中國發明專利申請說明書CN201410126870給出了一種獲得大視場角矩形照明的設計方法。但該方法最多可實現單向準直，無法實現近似矩形的雙向準直光束。

技術實現要素：

本發明的目的是為了提供一種帶有折射透鏡和反射器的LED準直照明光學裝置，它能控制橫向方向和縱向方向光線準直，並且收集LED的全部光線，具有較高的光效。

為了實現上述目的，本發明的技術方案為：帶有折射透鏡和反射器的LED準直照明光學裝置，其特徵在於：包括折射透鏡和反射器，所述折射透鏡為由第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面和第七曲面構成的實體，所述反射器為由第八曲面、第九曲面、第十曲面、第十一曲面和第十二曲面構成的實體；其中，所述第一曲面為旋轉對稱自由曲面，用於將LED燈發出的光線折射，並使折射後的光線與第一曲面的對稱軸垂直；所述第二曲面為半圓狀平面，用於將LED發出的光線折射，並使折射後的所有光線均能到達第三曲面；所述第三曲面為利用全反射原理的旋轉對稱自由曲面，用於將經過第二曲面折射之後的光線反射至與對稱軸垂直的方向；所述第四曲面和第五曲面均為圓柱面，經過所述第四曲面和第五曲面的折射後的光線均不改變方向；所述第一曲面的對稱軸、第二曲面的對稱軸、第三曲面的對稱軸、第四曲面的對稱軸和第五曲面的對稱軸均為垂直第二曲面且經過第二曲面中心的軸線；所述第六曲面為非旋轉對稱自由曲面，用於準直已經被第一曲面、第二曲面、第三曲面準直，但未經過所述第四曲面和第五曲面的光線；所述第七曲面為不參與光線方向的控制的平面，用於連接所述第三曲面和第六曲面；所述第八曲面和第九曲面均為反射自由曲面，其中，第八曲面用於將來自第四曲面的光線準直，並使折射光線與z軸平行，第九曲面用於將來自第五曲面的光線準直；所述第十曲面和第十一曲面均為不參與光線方向控制的反射平面，均用於連接第八曲面和第九曲面；所述第十二曲面為不參與光線方向控制的平面，用於向外延展第八曲面、第九曲面、第十曲面和第十一曲面的厚度，並使第八曲面、第九曲面、第十曲面、第十一曲面和第十二曲面構成一個實體。

在上述技術方案中，所述第一曲面上點的坐標由下式計算得出，確定第一曲面的初始點的坐標值，所述第一曲面的初始點為第一曲面與z軸的交點，並通過迭代的方式計算輪廓曲線上點的坐標值，令當前已知點(xi-1,zi-1)的法向量為N＝(Nx,Nz)，要計算的輪廓曲線下一點對應的入射光線與z軸的夾角為θi，則下一點的坐標值(xi,zi)為：其中k＝Nx/Nz。

在上述技術方案中，所述第一曲面的初始點的z軸坐標值為3-100mm，最佳為6mm。第一曲面的邊緣對應的LED光線與z軸夾角為5-50°，最佳為34°。

在上述技術方案中，所述第二曲面垂直於z＝0平面，且所述第二曲面的初始點為第一曲面的邊緣點。

在上述技術方案中，所述第三曲面上點的坐標由下式計算得出，確定第三曲面的初始點的坐標值，所述第三曲面的初始點為第二曲面與x軸的交點，並通過迭代的方式計算輪廓曲線上點的坐標值，令當前已知點(xi-1,zi-1)的法向量為N＝(Nx,Nz)，要計算的輪廓曲線下一點對應的入射光線與z軸的夾角為θi，則下一點的坐標值(xi,zi)為：其中k＝Nx/Nz。

在上述技術方案中，所述第一曲面的對稱軸、第二曲面的對稱軸、第三曲面的對稱軸、第四曲面的對稱軸和第五曲面的對稱軸均為x軸，且第四曲面和第五曲面的初始點為第三曲面的邊緣點。

在上述技術方案中，所述第六曲面上點的坐標由下式計算得出，首先確定第六曲面的初始點的坐標值，所述第六曲面的初始點為第四曲面的邊緣點，通過迭代的方式計算輪廓曲線上點的坐標值,令當前已知點(yi-1,zi-1)的法向量為N＝(Ny,Nz)，要計算的輪廓曲線下一點對應的入射光線與z軸的夾角為θi，則下一點的坐標值(yi,zi)為：其中k＝Ny/Nz。

在上述技術方案中，所述第八曲面和第九曲面上的點的坐標均由下式計算得出，確定第八曲面和第九曲面的初始點的坐標值，所述第八曲面和第九曲面的初始點均為第一曲面與z軸的交點，並通過迭代的方式計算輪廓曲線上點的坐標值，令當前已知點(yi-1,zi-1)的法向量為N＝(Ny,Nz)，要計算的輪廓曲線下一點對應的入射光線與z軸的夾角為θi，則下一點的坐標值(yi,zi)為：其中k＝Ny/Nz。

本發明具有良好的光線控制能力，不僅可以實現雙向準直的近似矩形光束，而且還能夠保持較高的光效。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為折射透鏡的結構示意圖。

圖3為折射透鏡不包含第六、第七曲面時的結構示意圖。

圖4為圖2的仰視圖。

圖5為反射器的結構示意圖。

圖6為本發明在光學設計軟體中最後出射光斑照度分布的仿真結果。

圖中1-折射透鏡,11-第一曲面,12-第二曲面,13-第三曲面,14-第四曲面,15-第五曲面,16-第六曲面,17-第七曲面,2-反射器,21-第八曲面,22-第九曲面,23-第十曲面,24-第十一曲面,25-第十二曲面。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本發明的實施情況，但它們並不構成對本發明的限定，僅作舉例而已。同時通過說明使本發明的優點更加清楚和容易理解。

參閱附圖可知：帶有折射透鏡和反射器的LED準直照明光學裝置，其特徵在於：包括折射透鏡1和反射器2，所述折射透鏡1為由第一曲面11、第二曲面12、第三曲面13、第四曲面14、第五曲面15、第六曲面16和第七曲面17構成的實體，所述反射器2為由第八曲面21、第九曲面22、第十曲面23、第十一曲面24和第十二曲面25構成的實體；

其中，所述第一曲面11為旋轉對稱自由曲面，用於將LED燈發出的光線折射，並使折射後的光線與第一曲面的對稱軸垂直；經LED燈發出的光線折射與z軸的最大夾角由透鏡材料的折射率決定，所述第一曲面11上點的坐標由斯涅爾定律計算得到；

所述第二曲面12為半圓狀平面，用於將LED發出的光線折射，並使折射後的所有光線均能到達第三曲面；所述第二曲面12上點的坐標由斯涅爾定律計算得到；

所述第三曲面13為利用全反射原理的旋轉對稱自由曲面，用於將經過第二曲面12折射之後的光線反射至與對稱軸垂直的方向；

所述第四曲面14和第五曲面15均為圓柱面，經過所述第四曲面14和第五曲面15的折射後的光線均不改變方向；

所述第一曲面11的對稱軸、第二曲面12的對稱軸、第三曲面13的對稱軸、第四曲面14的對稱軸和第五曲面15的對稱軸均為垂直第二曲面12且經過第二曲面12中心的軸線；

所述第六曲面16為非旋轉對稱自由曲面，用於準直已經被第一曲面11、第二曲面12、第三曲面13準直，但未經過所述第四曲面14和第五曲面15的光線；該自由曲面上坐標點通過能量守恆和斯涅爾定律計算得到；

所述第七曲面17為不參與光線方向的控制的平面，用於連接所述第三曲面13和第六曲面16；

所述第八曲面21和第九曲面22均為反射自由曲面，其中，第八曲面21用於將來自第四曲面14的光線準直，並使折射光線與z軸平行，第九曲面22用於將來自第五曲面15的光線準直；第八曲面21和第九曲面22上的坐標點均是通過斯涅爾定律計算得到；

所述第十曲面23和第十一曲面24均為不參與光線方向控制的反射平面，均用於連接第八曲面21和第九曲面22；

所述第十二曲面25為不參與光線方向控制的平面，用於向外延展第八曲面21、第九曲面22、第十曲面23和第十一曲面24的厚度，並使第八曲面21、第九曲面22、第十曲面23、第十一曲面24和第十二曲面25構成一個實體。

優選的，所述第一曲面11上點的坐標由下式計算得出，確定第一曲面11的初始點的坐標值，所述第一曲面11的初始點為第一曲面11與z軸的交點，並通過迭代的方式計算輪廓曲線上點的坐標值，令當前已知點(xi-1,zi-1)的法向量為N＝(Nx,Nz)，要計算的輪廓曲線下一點對應的入射光線與z軸的夾角為θi，則下一點的坐標值(xi,zi)為：其中k＝Nx/Nz。

優選的，所述第一曲面的初始點的z軸坐標值為3-100mm，最佳為6mm。第一曲面的邊緣對應的LED光線與z軸夾角為5-50°，最佳為34°。

優選的，所述第二曲面12垂直於z＝0平面，且所述第二曲面12的初始點為第一曲面11的邊緣點。

優選的，所述第三曲面13上點的坐標由下式計算得出，確定第三曲面13的初始點的坐標值，所述第三曲面13的初始點為第二曲面12與x軸的交點，並通過迭代的方式計算輪廓曲線上點的坐標值，令當前已知點(xi-1,zi-1)的法向量為N＝(Nx,Nz)，要計算的輪廓曲線下一點對應的入射光線與z軸的夾角為θi，則下一點的坐標值(xi,zi)為：其中k＝Nx/Nz。

優選的，所述第一曲面11的對稱軸、第二曲面12的對稱軸、第三曲面13透鏡、第四曲面14和第五曲面15的對稱軸均為x軸。

優選的，所述第六曲面16上點的坐標由下式計算得出，首先確定第六曲面16的初始點的坐標值，所述第六曲面16的初始點為第四曲面14的邊緣點，通過迭代的方式計算輪廓曲線上點的坐標值,令當前已知點(yi-1,zi-1)的法向量為N＝(Ny,Nz)，要計算的輪廓曲線下一點對應的入射光線與z軸的夾角為θi，則下一點的坐標值(yi,zi)為：

其中k＝Ny/Nz。

優選的，所述第八曲面21和第九曲面22上的點的坐標均由下式計算得出，確定第八曲面21和第九曲面22的初始點的坐標值，所述第八曲面21和第九曲面22的初始點為第一曲面11與z軸的交點，並通過迭代的方式計算輪廓曲線上點的坐標值，令當前已知點(yi-1,zi-1)的法向量為N＝(Ny,Nz)，要計算的輪廓曲線下一點對應的入射光線與z軸的夾角為θi，則下一點的坐標值(yi,zi)為：

其中k＝Ny/Nz。

實際工作時，折射透鏡1有7個曲面，其目的是將LED發出的球面波準直為以垂直第二曲面且經過第二曲面中心所在軸為對稱軸的柱面波，第四曲面和第五曲面均為非完整的圓柱面，所佔角度均都是40°-85°(優選為45°)。折射透鏡1長為38.64mm，高為29.17mm，寬為37.27mm。第一曲面和第二曲面之間形成的空間高為6mm，寬為14mm，用於放置LED光源。折射透鏡放置於反射器內，反射器長為104mm，高為47mm，寬為50mm。

如圖6本發明在光學設計軟體中得到的出射光強的仿真結果所示，該仿真結果通過追跡一百萬條光線得到。仿真結果表明本實施的透鏡系統的光學效率為79.38％。橫向發散角為0.2度，縱向發散角為0.4度，實現了雙向近似矩形準直光束，而且在x軸和y軸上的光強度均勻性均高於93％，均勻性好。

其它未說明的部分均屬於現有技術。