专利名称：一种实现连续变焦的新型led全反射式透镜及设计方法
技术领域：
本发明属于半导体照明领域，涉及ー种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜及设计方法。
背景技术：
如今，LED由于其寿命长，低能耗等众多优势在各种领域得到了广泛的应用，如道路照明，LED投影机以及室内照明等等。在许多应用场合中，被照明的目标面与光源的距离以及光束的视场角都不是固定不变的，如应用于夜间监控系统的红外照明设备，要求能够根据红外摄像机的变焦范围改变自身的视场角以及能量密度分布，使其照射范围覆盖整个监控区域，若红外灯的视场角过大，会造成光能浪费，反之则会产生手电筒效应，影响照明效果。因此，需要设计连续变焦的LED照明光学系统。传统的实现连续变焦的照明光学系统多采用多片透镜形式进行配光，这种形式存 在以下几点问题。首先，该结构无法收集大角度光束，造成了光能的浪费。第二，由于透镜个数往往多于I个，导致系统体积较大。最后，传统透镜结构的设计自由度较低，针对某ー种或者两种模式设计得到的结构仅在该模式下效果较好，偏离后其光束均匀性则明显下降。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜及方法，在传统全反射式透镜的基础上，依据准直模式与发散模式对光强分布的不同要求，分别设计其透射面与全反射面。本发明解决技术问题所采用的技术方案如下一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜，该透镜包括底部容腔、全反射面、外围平面和中心透射面，全反射面与底部容腔和外围平面相连，外围平面与中心透射面相连，底部容腔、全反射面、外围平面和中心透射面以光轴对称，全反射面和中心透射面均为自由曲面。基于ー种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜的设计方法，该方法包括如下步骤步骤ー根据光源LED与中心透射面的距离，和光线经过中心透射面后准直出射，计算中心透射面的面形结构；步骤ニ 设LED为理想朗伯体，求得归ー化的光强分布和相应累积光通量分布，入射累积光通量由经中心透射面的光通量和经全反射面出射的光通量组成，使LED沿光轴方向移动特定距离，根据LED与底部容腔的距离和底部容腔的半宽度，求解中心透射面与全反射面所分配角度的临界值；步骤三根据能够实现远场目标面照度均匀的光强分布求出理想的出射累积光通量分布；由理想出射能量分布形式得到，出射累积光通量等于入射累积光通量，求得全反射面上的入射光线与出射光线的对应关系，进而计算出全反射面面形结构；
步骤四在光学仿真软件中进行模拟，依据模拟结果，添加修正因子，得到新的全反射面上的入射光线与出射光线的对应关系；利用光学仿真软件再次进行模拟，直至模拟结果符合要求，完成实现连续变焦的新型LED全反射式透镜的设计方法。本发明的有益效果是本发明一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜采用单个全反射式透镜实现连续变焦，系统体积较小，且便于装调。该设计方法采用自由曲面形式进行光能分配，提高了系统的光能利用率以及目标面的照度均匀度。
图I本发明一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜的结构图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图I所示，一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜，该透镜包括由平面I和平面2构成的底部容腔、全反射面3、外围平面4和中心透射面5，全反射面3与底部容腔I和外围平面4相连，外围平面4与中心透射面5相连,所述底部容腔、全反射面3、外围平面4和中心透射面5以光轴对称，全反射面3以及透射面5均为自由曲面。光源在位置P1
时经中心透射面实现光束准直，在P2时则光束发散。当LED位于位置P1时，0< <釣的光
线经平面I和中心透射面5透射后平行于光轴射出。当LED位于位置P2时，(P2 <a<nj2的
光线经平面2透射，全反射面3全反射，最后从平面4出射后与经平面I和中心透射面5透射的光线共同实现远场目标面照度均匀。基于一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜的设计方法，该方法包括如下步骤步骤一根据光源LED的位置P1与中心透射面5的距离，和光线经过中心透射面5后准直出射，计算中心透射面5的面形结构；步骤二 设LED为理想朗伯体，求得归一化的入射光强分布和相应累积光通量分布，即I(a)=cosaΦ\οι) - J I{a')ch\' = ^sin2 a ,其中，a为光源的入射角，w为光源的立体角，入射累积光通量由经中心透射面的光通量ΦΜ Μ(； (α)和经全反射面出射的光通量ΦΤΙΚ(α)组成。在步骤一中，中心透射面的面形结构已经得出。因此，可根据斯涅耳定律以及能量守恒定律，求得LED沿光轴移动任意距离透射部分的光强分布形式和视场角的大小。根据所要求的最大视场角值，即可确定LED沿光轴移动的距离。使LED沿光轴方向移动I至P2，设LED在P1点时与平面I的距离为h，通过底部容腔的距离h和底部容腔的半宽度d，求解中心透射面与全反射面所分配角度的临界值炉2
φ、- arctan(6//(/7 ~0)
中心透射面的光通量ΦΜ&-( α )和经全反射面出射的光通量ΦΤΙΚ( α )
权利要求
1.一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜，其特征在干，该透镜包括底部容腔、全反射面、外围平面和中心透射面，全反射面与底部容腔和外围平面相连，外围平面与中心透射面相连，所述底部容腔、全反射面、外围平面和中心透射面以光轴对称，全反射面和中心透射面均为自由曲面。
2.基于权利要求I所述的ー种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜的设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤步骤ー根据光源LED与中心透射面的距离，和光线经过中心透射面后准直出射，计算中心透射面的面形结构；步骤ニ 设LED为理想朗伯体，求得归ー化的光强分布和相应累积光通量分布，入射累积光通量由经中心透射面的光通量和经全反射面出射的光通量组成，使LED沿光轴方向移动特定距离，根据LED与底部容腔的距离和底部容腔的半宽度，求解中心透射面与全反射面所分配角度的临界值；步骤三根据能够实现远场目标面照度均匀的光强分布求出理想的出射累积光通量分布；由理想出射能量分布形式得到，出射累积光通量等于入射累积光通量，求得全反射面上的入射光线与出射光线的对应关系，进而计算出全反射面面形结构；步骤四在光学仿真软件中进行模拟，依据模拟结果，添加修正因子，得到新的全反射面上的入射光线与出射光线的对应关系；利用光学仿真软件再次进行模拟，直至模拟结 果符合要求，完成实现连续变焦的新型LED全反射式透镜的设计方法。
全文摘要
一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜及设计方法属于半导体照明领域，该透镜包括底部容腔、全反射面、外围平面和中心透射面，全反射面与底部容腔和外围平面相连，外围平面与中心透射面相连，底部容腔、全反射面、外围平面和中心透射面以光轴对称，全反射面和中心透射面均为自由曲面。本发明一种实现连续变焦的新型LED全反射式透镜采用单个全反射式透镜实现连续变焦，系统体积较小，且便于装调。该设计方法采用自由曲面形式进行光能分配，提高了系统的光能利用率以及目标面的照度均匀度。
文档编号F21Y101/02GK102829432SQ20121027979
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月8日 优先权日2012年8月8日
发明者刘华, 辛迪, 卢振武 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所