专利名称：双光斑透镜的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种光学元件的设计方法，更具体地说，涉及一种同心圆形双光斑透镜的设计方法。
背景技术：
LED作为光源应用于照明领域已日趋普遍，而且随着LED照明灯应用的范围和适用的场合越来越多、越来越广，对LED灯具的照明需求也越来越高，包括对被照区域的照度均勻性要求以及被照区域的光斑形状要求。比如圆形光斑、矩形光斑、环形光斑、多光斑等。 如何能设计出符合要求的LED灯具，也即能设计出对LED光源的光线进行配光的透镜的形状，对光学设计人员来说是及其重要的问题。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种双光斑透镜的设计方法，该方法得到的照射光斑呈照度均勻分布的同心圆形双光斑，满足LED灯具对被照区域特殊的使用要求，简单、方便，适用各种LED光源，且光源利用率高。为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下
一种双光斑透镜的设计方法，所述双光斑为同心圆形，每个光斑的照度分布均勻，分别为El和E2，其设计步骤如下
a)、以任一过光源光轴的平面作为入射面，在所述入射面上，将光轴一侧的发光角按照发光强度随发光角度的分布规律划分成N个小角，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等，其中N彡4;
b)、两个光斑分别与所述入射面在上述光轴一侧相交成被照线段Rl和R2，将该被照线段Rl和R2分别以长度为Ll和L2等分成m个小段和N2个小段，并且使m+ N2=N, NlLl=Rl, N2L2=R2, L1/L2=E2/E1 ；
c)、将所述光源的N个小角分成两个部分，靠近光轴的部分为m个小角，与所述 Nl个小段一一对应，远离光轴的部分为N2个小角，与所述N2个小段一一对应；
d)、以所述m个小段中的边缘小段作为起始被照小段，以边缘点为起始被照点，即对应了所述的一个小角，根据透镜第一面离开光源的距离要求，在与起始被照点对应的入射光线上取一点作为透镜第一面上的起始特征点，在该点处，平行于光源与起始被照点连线的直线同入射光线形成一夹角，为透镜的起始光线偏折角，根据预定的比例，将所述偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，角分线作为入射光线经过透镜第一面后的折射线，通过折射定律以及所述的对应小角，求出与起始特征点相邻的第二特征点，该第二特征点对应与起始被照点相邻的第二被照点；
e)、同上一步骤，依次求出m个小段中的各个被照点所对应的透镜第一面上的各特征点的位置；
f)、以与求得m个小段中的各个被照点所对应的透镜第一面上的各特征点的位置相同的方法，求得N2个小段中的各个被照点所对应的透镜第一面上的各特征点的位置；
g)、在经过所述第一面上的起始特征点后的折射线上，根据透镜厚度要求取一点，作为透镜第二面上的起始特征点，采用与得到第一面上的特征点类似的方法，求出第二面上的各特征点的位置；
h)、将所述的第一面和第二面上的各特征点依次连接，分别形成两条连续曲线；
i)、将所述两条曲线绕光源光轴旋转，形成透镜的立体形状。所述各特征点依次用直线或平滑曲线连接起来。所述透镜采用折射率为1. 3~4. 2之间的透明材料。本发明技术方案适用于点光源系统，S卩LED可以看作点光源，其尺寸远小于其到被照面的距离。这时光源到被照点的距离和方向就相当于经过透镜后的折射光线到被照点的距离和方向。让LED靠近光轴范围负责中心圆光斑的照明、远离LED光轴范围负责周围圆形光斑的照明，且该两个范围的大小根据两个光斑的半径和照度以及划分的被照小段的长度来决定。根据折射定律确定下来透镜两个面上的各特征点的位置，依次连接并旋转构成透镜的形状，光线经该透镜折射后即可得到均勻照度的同心圆双光斑形状。本设计方案中很少有光线照射到光斑以外区域成为无效光，因此，很少有光源浪费的现象，光线利用率很高，能够适用于多种LED光源。
以下通过附图对本发明透镜设计方法做进一步详细的描述 图1是在入射面上划分小角的方法示意图2是在入射面与同心圆双光斑的交线段上划分小段的方法示意图； 图3是确定透镜表面上各特征点并依次连接的方法一示意图； 图4是将图3各特征点依次连接的方法二示意图； 图5是在图4基础上得到的透镜一实施例剖视图； 图6是图5所示透镜的光线追迹图； 图7是图5所示透镜的配光曲线图； 图8是图5所示透镜的光斑分布图。
具体实施例方式本实施例的两个同心圆形双光斑的圆心为0，每个光斑的照度分布均勻，分别为 E1、E2。图1所示，以过LED光源3的光轴L的平面为光线入射面，在该入射面上，将光轴一侧的光源发光角按照发光强度随发光角度的分布规律划分成等光通量的N个小角。为使图形清晰，本实施例取N=6，即划分为6个小角，分别为 Ol，α2，，《4。图2所示，入射面在该侧与被照同心圆形双光斑的交线段分别为被照线段Rl和R2。将该被照线段Rl和R2分别以长度Ll和L2进行等距离划分，分别划分成 Nl个被照小段和Ν2个被照小段，并且满足以下的线性联立方程组
权利要求
1.一种双光斑透镜的设计方法，所述双光斑为同心圆形，每个光斑的照度分布均勻，分别为El和E2，其设计步骤如下a)、以任一过光源光轴的平面作为入射面，在所述入射面上，将光轴一侧的发光角按照发光强度随发光角度的分布规律划分成N个小角，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等，其中N彡4;b)、两个光斑分别与所述入射面在上述光轴一侧相交成被照线段Rl和R2，将该被照线段Rl和R2分别以长度为Ll和L2等分成m个小段和N2个小段，并且使m+ N2=N, NlLl=Rl, N2L2=R2, L1/L2=E2/E1 ；c)、将所述光源的N个小角分成两个部分，靠近光轴的部分为m个小角，与所述Nl个小段一一对应，远离光轴的部分为N2个小角，与所述N2个小段一一对应；d)、以所述m个小段中的边缘小段作为起始被照小段，以边缘点为起始被照点，即对应了所述的一个小角，根据透镜第一面离开光源的距离要求，在与起始被照点对应的入射光线上取一点作为透镜第一面上的起始特征点，在该点处，平行于光源与起始被照点连线的直线同入射光线形成一夹角，为透镜的起始光线偏折角，根据预定的比例，将所述偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，角分线作为入射光线经过透镜第一面后的折射线，通过折射定律以及所述的对应小角，求出与起始特征点相邻的第二特征点，该第二特征点对应与起始被照点相邻的第二被照点；e)、同上一步骤，依次求出m个小段中的各个被照点所对应的透镜第一面上的各特征点的位置；f)、以与求得m个小段中的各个被照点所对应的透镜第一面上的各特征点的位置相同的方法，求得N2个小段中的各个被照点所对应的透镜第一面上的各特征点的位置；g)、在经过所述第一面上的起始特征点后的折射线上，根据透镜厚度要求取一点，作为透镜第二面上的起始特征点，采用与得到第一面上的特征点类似的方法，求出第二面上的各特征点的位置；h)、将所述的第一面和第二面上的各特征点依次连接，分别形成两条连续曲线；i)、将所述两条曲线绕光源光轴旋转，形成透镜的立体形状。
2.根据权利要求1所述的双光斑透镜的设计方法，其特征在于所述各特征点依次用直线或平滑曲线连接起来。
3.根据权利要求1所述的双光斑透镜的设计方法，其特征在于所述透镜采用折射率为1.3~4.2之间的透明材料。
全文摘要
一种双光斑透镜的设计方法，所述双光斑为同心圆形，每个光斑的照度分布均匀，设计步骤为以任一过光源光轴的平面为入射面，在该入射面上，将光源发光角和两个光斑与入射面的交线段按照一定规律分别划分成一一对应的小角和被照小段，根据折射定律，确定被照小段上各被照点所对应的透镜第一面1和第二面2上的各特征点的位置，然后分别将各特征点依次连接起来，得到两条连续曲线，将该两条连续曲线绕光轴旋转，即得透镜的立体形状。该方法可以设计出能够形成同心圆形双光斑的透镜形状，且每个光斑的照度均匀度能够达到96%，光线利用率高，适合多种LED光源。
文档编号F21Y101/02GK102322611SQ20111030613
公开日2012年1月18日 申请日期2011年10月11日 优先权日2011年10月11日
发明者周士康, 李晟, 许礼, 陈月霞 申请人:上海三思电子工程有限公司, 上海三思科技发展有限公司, 嘉善三思光电技术有限公司