一种led均匀光强透镜的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种LED均匀光强透镜，所述透镜为中心轴对称形状，透镜出射面为自由曲面。以过该透镜中心轴的截面为基准面，建立坐标系，中心轴为Z轴，原点在中心轴上，LED芯片放置在原点，过原点且与中心轴垂直的方向为X轴，通过设置虚拟目标面，建立芯片与目标面的能量对应关系，得透镜自由曲面成形曲线，将成形曲线绕Z轴旋转一周得LED均匀光强透镜出射面自由曲面形状。本发明相对直观，计算简便，设计目标角度选择余地较大，光强均匀度较好，在航标灯、交通灯等信号指示灯或室内照明等需要实现均匀光强分布领域具有良好的应用前景。
【专利说明】-种LED均勾光强透镜
【技术领域】
[0001] 本发明涉及LED照明【技术领域】，特别涉及一种LED均匀光强透镜。
【背景技术】
[0002] LED因其光效高、能耗低、寿命长、响应时间短和无污染等优点，正逐步取代传统光 源，成为21世纪最具有竞争力的新型固体光源。LED芯片光强分布成近朗伯型，不同于传统 光源，需针对其进行配光设计。自由曲面光学凭借其可实现光能的重新分配、光学系统体积 小、效率高和光型可控等优点，广泛应用于点光源和扩展光源均匀照度配光器件的面型设 计中，成为LED光学系统实现均匀照度配光的有效手段。
[0003] 在航标灯、交通灯等信号指示灯或室内照明方面需要实现均匀光强分布，自由曲 面光学在该方面应用较少。有研究者运用能量守恒建立偏微分方程，实现点光源均匀光强 透镜设计，或用边缘光线法原理，实现扩展光源均匀光强透镜设计，两种计算繁琐，不易推 广。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种LED均匀光 强透镜及其制备方法，该设计方法相对直观，计算简便，设计目标角度选择余地较大，光强 均匀度较好。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] -种LED均匀光强透镜，LED均匀光强透镜为中心轴对称形状，透镜出射面为自由 曲面。
[0007] LED芯片所发出的光线经过LED均匀光强透镜出射面的折射，实现等光强出射。
[0008] 本发明的另以目的是提供一种LED均匀光强透镜的制备方法，LED均匀光强透镜 出射面为自由曲面；透镜出射面自由曲面由如下方法确定：
[0009] 以过LED均匀光强透镜中心轴的截面为基准面，建立坐标系，中心轴为Z轴，原点 在中心轴上，LED芯片放置在原点，过原点且与中心轴垂直的方向为X轴，建立芯片与目标 面的能量对应关系，得透镜自由曲面成形曲线，将成形曲线绕Z轴旋转一周得LED均匀光强 透镜出射面自由曲面形状。
[0010] 所述目标面为半球状虚拟目标面。
[0011] 所述透镜出射面自由曲面的成形曲线通过如下步骤确定：
[0012]LED芯片光强分布为Ie =ItjCOSΘ，其中Itl为中心光强，Θ为LED出射光线与中 心轴的夹角；
[0013] 1)由能量守恒求出均匀光强：
[0014] Θ= 〇的光线沿Z轴传播，经透镜配光后最大出射角光线在虚拟目标面上的交点 与坐标原点的连线跟Z轴的夹角为Pmax，θ=π/2的光线折射到Pmax与虚拟目标面的交点 处，根据能量守恒得均匀光强：
[0015] Ic = Io/2(1 - COSφmax) (I)
[0016] 2)通过能量对应关系求出入射光线和Z轴夹角Θ与出射光线在虚拟目标面上的 交点与坐标原点的连线跟Z轴的夹角P的对应关系：
【权利要求】
1. 一种LED均匀光强透镜，所述LED均匀光强透镜为中心轴对称形状，其特征在于透镜 出射面（101)为自由曲面。
2. -种LED均匀光强透镜的制备方法，所述LED均匀光强透镜出射面（101)为自由曲 面；其特征在于所述透镜出射面（101)自由曲面由如下方法确定：以过LED均匀光强透镜 中心轴的截面为基准面，建立坐标系，中心轴为Z轴，原点在中心轴上，LED芯片（201)放置 在原点，过原点且与中心轴垂直的方向为X轴，建立芯片与目标面的能量对应关系，得透镜 自由曲面成形曲线，将成形曲线绕Z轴旋转一周得LED均匀光强透镜出射面（101)自由曲 面形状。
3. 根据权利要求2所述LED均匀光强透镜，其特征在于所述目标面（206)为半球状虚 拟目标面。
4. 根据权利要求2所述LED均匀光强透镜，其特征在于所述透镜出射面（101)自由曲 面的成形曲线通过如下步骤确定： LED芯片（201)光强分布为Ie = I^os 0，其中L为中心光强，0为LED出射光线与 中心轴的夹角； 1) 由能量守恒求出均匀光强： 9 = 0的光线沿Z轴传播，经透镜配光后最大出射角光线在虚拟目标面上的交点与坐 标原点的连线跟Z轴的夹角为pmax，0 = JI/2的光线折射到供胃与虚拟目标面的交点处， 根据能量守恒得均匀光强：
2) 通过能量对应关系求出入射光线和Z轴夹角0与出射光线在虚拟目标面上的交点 与坐标原点的连线跟Z轴的夹角P的对应关系：
3) 递推求得成形曲线上点坐标： 将均分为M等分，即
第i条出射光线h (203)在虚拟目标面上的交点与 坐标原点的连线跟Z轴的夹角为
由式⑵求得对应第i条入射光线ii (202)与光轴Z轴的夹角为：
设Ai点坐标为（Xi，Zi)，又&点坐标为(i?sin仍，i?cos〇，则入射光线h (202)的单位向 量为：
出射光线〇i (203)的单位向量为：
再根据snell定律可以求出化点的法向矢量：
n为透镜的折射率，则Ai点的切线（204)方程为：
又0 i+1对应的入射光线ii+1(205)的直线方程为：z = cot( 0 i+1)x (7) 联立式（6)，式（7)可得过Ai点的切线（204)和0 i+1对应的入射光线ii+1(205)的交 点，近似为Ai+1 ; 9 〇对应的初始光线i〇为沿z轴正向传播的光线，在其传播路径上选择初始点A。(0, d) 作为透镜光学表面的起始点，则根据上述步骤可依次递推求出M个离散点&，i e [1，M]， 连接M个离散点得成形曲线。
【文档编号】F21V5/04GK104279509SQ201310294039
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月10日 优先权日:2013年7月10日
【发明者】苏成悦, 付倩, 张康, 薛涛 申请人:苏成悦, 付倩, 张康, 薛涛