全周光配光透鏡的設(shè)計方法及相應(yīng)的配光透鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種全周光配光透鏡的設(shè)計方法及相應(yīng)的配光透鏡，包括：設(shè)置多條LED圈帶以及環(huán)繞于LED圈帶的二次配光透鏡；以任意一條LED圈帶的光軸平面作為入射面，將光軸一側(cè)的LED圈帶的光源角度按照發(fā)光強度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律等分為N個小角以及對應(yīng)的配光曲線的N個小段，以N個小段中的邊緣小段作為起始被照小段，以邊緣點為起始被照點；求出每條LED圈帶所對應(yīng)的兩條連續(xù)曲線并各自連接形成一個封閉的曲線并旋轉(zhuǎn)，形成全周光配光透鏡的立體形狀。本發(fā)明可實現(xiàn)大于180度的全周光配光照明。
【專利說明】全周光配光透鏡的設(shè)計方法及相應(yīng)的配光透鏡
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種透鏡設(shè)計方法，尤其涉及一種可實現(xiàn)大于180度配光的全周光配光透鏡的設(shè)計方法及相應(yīng)的配光透鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]LED (Light Emitting D1de)以其效率高，光色純、能耗低、壽命長、無污染等優(yōu)點成為21世紀最具競爭力的新型光源。隨著LED光通量及光效的不斷提高，LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。然而，LED芯片的表面出光為Lambertian分布，本身的出光角度只有120度，無法直接應(yīng)用于照明系統(tǒng)，只有通過對其合理的二次配光才能滿足不同的照明需求。
[0003]目前，市場上對LED光源的二次配光設(shè)計以投射型反射器和透鏡為主，由于其配光光束角小于180度而只能實現(xiàn)單一表面的平面式投射式照明，不能實現(xiàn)整個空間的立體式照明，若用于室內(nèi)燈具上很容易形成墻角或天花板照明暗區(qū)，嚴重影響人體的眼睛舒適度。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種全周光配光透鏡的設(shè)計方法。
[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:采用階梯環(huán)圓形臺自由曲面透鏡如圖1，代替現(xiàn)有技術(shù)中的投射型反射器或者透鏡如圖2，實現(xiàn)了光束角大于180度的全周光配光設(shè)計。
[0006]根據(jù)本發(fā)明提供的一種全周光配光透鏡的設(shè)計方法，包括如下步驟:
[0007]步驟1:設(shè)置多條LED圈帶以及環(huán)繞于LED圈帶的二次配光透鏡；
[0008]每條LED圈帶均主要由在一平面內(nèi)環(huán)形排列的LED光源構(gòu)成；
[0009]所述多條LED圈帶的包絡(luò)面為一圓臺側(cè)面；
[0010]所述二次配光透鏡形成的配光曲線分隔為與LED圈帶數(shù)量相等的多個部分，所述多個部分與所述多個LED圈帶一一對應(yīng)；
[0011]部分配光曲線的配光角度小于180度，部分配光曲線的配光角度大于等于180度，各部分配光曲線所包含光通量比例等于各LED圈帶的總光通比例；
[0012]步驟2:以任意一條LED圈帶的光軸平面作為入射面,在所述入射面上,將光軸一側(cè)的LED圈帶的光源角度等分為N個小角，其中N ^ 4，即各光源角度按相等的角度間隔進行分配；
[0013]步驟3:將步驟I分隔好的配光曲線分為N個小段，N段配光曲線中的每段對應(yīng)的光通量均與步驟2分配的光源角度光通量相等；
[0014]步驟4:將所述N個小角與所述配光曲線N個小段--對應(yīng)；
[0015]步驟5:以所述N個小段中的邊緣小段作為起始被照小段，以邊緣點為起始被照點，即對應(yīng)所述N個小角中的一個小角；
[0016]步驟6:求出每條LED圈帶所對應(yīng)的兩條連續(xù)曲線；
[0017]步驟7:將各條LED圈帶所對應(yīng)的兩條連續(xù)曲線依次首尾連接形成一個封閉的曲線，然后將所述封閉的曲線繞LED圈帶的LED光源的排列中心軸線旋轉(zhuǎn)，形成全周光配光透鏡的立體形狀；
[0018]其中，所述步驟6包括如下步驟:
[0019]步驟6.1:根據(jù)全周光配光透鏡的透鏡入光面離開光源的距離要求，在與起始被照點對應(yīng)的入射光線上取一點作為所述透鏡入光面上的起始特征點，在該入光面上的起始特征點處，平行于LED光源與起始被照點連線的直線同入射光線形成一夾角，為二次配光透鏡的起始光線偏折角，將所述起始光線偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，第一偏折角和第二偏折角的角分線作為入射光線經(jīng)過所述透鏡入光面后的折射線，通過折射定律以及對應(yīng)所述N個小角中的一個小角，求出與入光面上的起始特征點相鄰的入光面上的第二特征點，該入光面上的第二特征點對應(yīng)與起始被照點相鄰的第二被照點；
[0020]步驟6.2:針對N個小段中的每一個小段執(zhí)行步驟6.1，依次求出N個小段中的各個被照點所對應(yīng)的透鏡入光面上的各特征點的位置:
[0021]步驟6.3:在經(jīng)過所述透鏡入光面上的起始特征點后的折射線上，根據(jù)二次配光透鏡的透鏡厚度要求取一點，作為全周光配光透鏡的透鏡出光面上的起始特征點，采用如下方式，求出透鏡出光面上的各特征點的位置:
[0022]步驟il:在該出光面上的起始特征點處，平行于LED光源與起始被照點連線的直線同入射光線形成一夾角，為二次配光透鏡的起始光線偏折角，將所述起始光線偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，第一偏折角和第二偏折角的角分線作為入射光線經(jīng)過所述透鏡出光面后的折射線，通過折射定律以及對應(yīng)所述N個小角中的一個小角，求出與出光面上的起始特征點相鄰的出光面上的第二特征點，該出光面上的第二特征點對應(yīng)與起始被照點相鄰的第二被照點；
[0023]步驟i2:針對N個小段中的每一個小段執(zhí)行步驟il，依次求出N個小段中的各個被照點所對應(yīng)的透鏡出光面上的各特征點的位置；
[0024]步驟6.4:將所述透鏡入光面上的各特征點依次連接，將所述透鏡出光面上的各特征點依次連接，形成兩條連續(xù)曲線。
[0025]優(yōu)選地，所述各特征點依次用直線或平滑曲線連接起來。
[0026]優(yōu)選地，LED圈帶的數(shù)量為2條，所述二次配光透鏡形成的配光曲線分隔為2個部分，其中，一部分配光曲線的配光角度小于180度，另一部分配光曲線的配光角度大于等于180 度。
[0027]根據(jù)本發(fā)明提供的一種全周光配光透鏡，所述全周光配光透鏡是根據(jù)上述的全周光配光透鏡的設(shè)計方法得到的。
[0028]優(yōu)選地，所述全周光配光透鏡的中間帶有通孔。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0030](I)可實現(xiàn)大于180度的全周光配光照明；
[0031](2)采用計算特征點確定透鏡曲面的辦法可以更加準確快速地確定透鏡內(nèi)外表面形狀；
[0032](3)采用整體透鏡配光的形式，避免了單體透鏡裝配對配光的影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0034]圖1為傳統(tǒng)投射式透鏡外形圖；
[0035]圖2為全周光配光系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖；
[0036]圖3為全周光配光透鏡配光曲線分割圖；
[0037]圖4為在入射面上劃分小角的方法示意圖；
[0038]圖5為在出射的配光空間劃分小段的方法示意圖；
[0039]圖6為確定透鏡表面上各特征點并依次連接的示意圖；
[0040]圖7為實施例1階梯狀圓臺形透鏡截面圖示；
[0041]圖8為實施例1階梯狀圓臺形自由曲面透鏡外形圖；
[0042]圖9為實施例2階梯狀圓臺形透鏡截面圖示；
[0043]圖10為實施例2階梯狀圓臺形自由曲面透鏡外形圖。
【具體實施方式】
[0044]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0045]本發(fā)明旨在構(gòu)造一種可實現(xiàn)大于180度全周光配光的配光方法。該配光方法包括環(huán)形排列的LED光源I以及二次配光透鏡2，如圖2所示。所述LED光源I在不同水平面上排列成多個環(huán)形的圈帶，并且以一定的圓錐角度在立體空間形成環(huán)形堆疊的三維排列形式；所述二次配光透鏡2為階梯狀圓臺形。階梯狀圓形臺自由曲面透鏡(如圖2)，其設(shè)計步驟如下:
[0046]a)跟據(jù)LED光源的圈帶數(shù)目，將二次配光透鏡2形成的配光曲線分隔為相等數(shù)量的多個部分。例如圖2中LED光源排列成2個環(huán)形的圈帶，則二次配光透鏡2形成的配光曲線也分隔為兩個部分，其中，一部分配光曲線的配光角度小于180度，另一部分配光曲線的配光角度大于等于180度，當(dāng)配光曲線分成3個以上的部分時，這三個部分的配光角度可以進行任意分配，只要保證與LED圈帶能量守恒的原則即可。(如圖3所示，LI表示小于180度的配光部分，L2表示大于180度的配光部分)，并且這兩部分配光曲線所包含光通量比例等于各圈帶LED光源的總光通比例，透鏡的設(shè)計將針對分隔好的各部分配光曲線進行分別設(shè)計；
[0047]b)以任意一條環(huán)形LED光源構(gòu)成LED光源圈帶的光軸平面作為入射面,在所述入射面上，將光軸一側(cè)的光源角度等分為N個小角，其中N > 4，即各光源角度是按相等的角度間隔進行分配。為使圖形清晰，本實施例取N = 4，即劃分為4個小角，分別為α1、α2、α3、α4ο ；
[0048]c)將步驟a)分隔好的配光曲線(即光強隨發(fā)光角度的分布)分為4個小段，分別為ab，be, Cd, de, 4段配光曲線中的每段對應(yīng)的光通量與步驟b)分隔的每個光源角度光通量相等；
[0049]d)將所述LED光源圈帶的4個小角與所述配光曲線4個小段一一對應(yīng)；
[0050]e)以所述ab小段作為起始被照小段，以a點為起始被照點，則ab段對應(yīng)的小角為α?，根據(jù)透鏡入光面201離開光源的距離要求，在與a點對應(yīng)的入射光線上取一點Ia作為透鏡入光面上的起始特征點，在該起始特征點處，平行于光源與起始被照點a的連線的直線同入射光線形成一夾角β?，為透鏡的起始光線偏折角，將所述起始光線偏折角β?分成第一偏折角β 11和第二偏折角β 12,兩個偏折角大小比例可以為任意,本實施例取β 11:β12= 1:1，角分線作為入射光線經(jīng)過入光面(透鏡的入光面201和出光面202分別指透鏡的內(nèi)表面和外表面)的起始特征點Ia后的折射線，通過折射定律，確定Ia點的法線nl，垂直于法線nl的直線與所述的光線入射面形成一交線，該交線與小角α?的角邊的交點分別為Ia和lb，lb點即作為第二特征點，在第二被照小段be上，取b點為第二被照點，則b點對應(yīng)了該第二特征點lb。由上面的方法可知，只要求出各征點的法線就能求出各個特征點一一各特征點法線的具體求解方法如下:1、通過該特征點入射光線方向求出該特征點的入射向量Nin ;2、通過該特征點的折射光線方向求出該特征點的折射向量Nrefract ；3、通過折射定律的如下向量表達式就可以求出各特征點的法向量:Nf = n*Nrefract -nO*Nin ;其中Nf為該特征點的法向量,η為折射光線所在介質(zhì)折射率，n0為入射光線所在介質(zhì)折射率。
[0051]f)同上一步驟，依次求出4個小段中的各個被照點c，d, e所對應(yīng)的透鏡入光面201上的各特征點lc, Id, Ie的位置；
[0052]g)在經(jīng)過所述透鏡入光面201上的起始特征點Ia后的折射線上，根據(jù)透鏡厚度要求取一點2a，作為透鏡出光面202上的起始特征點，采用與得到入光面上的特征點類似的方法，求出透鏡出光面202上的各特征點的位置；具體為:
[0053]根據(jù)全周光配光透鏡厚度的要求，在經(jīng)過入光面上的起始特征點Ia后的折射線上取一點2a作為出光面202上的起始特征點，以該折射線作為透鏡出光面202的入射線，以在該2a點平行于被照點a與光源的連線的直線為透鏡出光面202的折射線，該入射線和折射線方向即為圖示的第二偏折角β 12的兩個角邊方向，采用與確定入光面的特征點完全相同的方法，依次求得第二面上的特征點2b、2c、2d、2e的位置。
[0054]h)將所述的入光面201和出光面202上的各特征點依次連接，分別形成兩條連續(xù)曲線；
[0055]i)同以上步驟,求出另一條圈帶LED光源構(gòu)成LED光源環(huán)帶所對應(yīng)的兩條連續(xù)曲線 203 和 204 ；
[0056]j)將所述四條曲線兩兩連接形成一個封閉的曲線，繞圈帶光源的排列中心軸線205旋轉(zhuǎn)，形成透鏡的立體形狀。
[0057]本發(fā)明的另一種實施方式，為了達到更好的散熱效果，配合中間帶通孔的燈座使用，透鏡還可以設(shè)計為中間帶通孔的形狀，在設(shè)計時，全周光配光透鏡的光學(xué)設(shè)計原理同第一實施例的方法，只是從中央帶通孔的位置邊緣開始設(shè)計，求出光學(xué)曲線，然后連接起來，再繞中心軸線旋轉(zhuǎn)，形成透鏡的立體開關(guān)，如圖9、圖10所示。
[0058]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種全周光配光透鏡的設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:設(shè)置多條LED圈帶以及環(huán)繞于LED圈帶的二次配光透鏡； 每條LED圈帶均主要由在一平面內(nèi)環(huán)形排列的LED光源構(gòu)成； 所述多條LED圈帶的包絡(luò)面為一圓臺側(cè)面； 所述二次配光透鏡形成的配光曲線分隔為與LED圈帶數(shù)量相等的多個部分，所述多個部分與所述多個LED圈帶一一對應(yīng)； 部分配光曲線的配光角度小于180度，部分配光曲線的配光角度大于等于180度，各部分配光曲線所包含光通量比例等于各LED圈帶的總光通比例； 步驟2:以任意一條LED圈帶的光軸平面作為入射面，在所述入射面上，將光軸一側(cè)的LED圈帶的光源角度等分為N個小角，其中N > 4，即各光源角度按相等的角度間隔進行分配； 步驟3:將步驟1分隔好的配光曲線分為N個小段，N段配光曲線中的每段對應(yīng)的光通量均與步驟2分配的光源角度光通量相等； 步驟4:將所述N個小角與所述配光曲線N個小段一一對應(yīng)； 步驟5:以所述N個小段中的邊緣小段作為起始被照小段，以邊緣點為起始被照點，即對應(yīng)所述N個小角中的一個小角； 步驟6:求出每條LED圈帶所對應(yīng)的兩條連續(xù)曲線； 步驟7:將各條LED圈帶所對應(yīng)的兩條連續(xù)曲線依次首尾連接形成一個封閉的曲線，然后將所述封閉的曲線繞LED圈帶的LED光源的排列中心軸線旋轉(zhuǎn)，形成全周光配光透鏡的立體形狀； 其中，所述步驟6包括如下步驟: 步驟6.1:根據(jù)全周光配光透鏡的透鏡入光面離開光源的距離要求，在與起始被照點對應(yīng)的入射光線上取一點作為所述透鏡入光面上的起始特征點，在該入光面上的起始特征點處，平行于LED光源與起始被照點連線的直線同入射光線形成一夾角，為二次配光透鏡的起始光線偏折角，將所述起始光線偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，第一偏折角和第二偏折角的角分線作為入射光線經(jīng)過所述透鏡入光面后的折射線，通過折射定律以及對應(yīng)所述N個小角中的一個小角，求出與入光面上的起始特征點相鄰的入光面上的第二特征點，該入光面上的第二特征點對應(yīng)與起始被照點相鄰的第二被照點； 步驟6.2:針對N個小段中的每一個小段執(zhí)行步驟6.1，依次求出N個小段中的各個被照點所對應(yīng)的透鏡入光面上的各特征點的位置； 步驟6.3:在經(jīng)過所述透鏡入光面上的起始特征點后的折射線上，根據(jù)二次配光透鏡的透鏡厚度要求取一點，作為全周光配光透鏡的透鏡出光面上的起始特征點，采用如下方式，求出透鏡出光面上的各特征點的位置: 步驟il:在該出光面上的起始特征點處，平行于LED光源與起始被照點連線的直線同入射光線形成一夾角，為二次配光透鏡的起始光線偏折角，將所述起始光線偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，第一偏折角和第二偏折角的角分線作為入射光線經(jīng)過所述透鏡出光面后的折射線，通過折射定律以及對應(yīng)所述N個小角中的一個小角，求出與出光面上的起始特征點相鄰的出光面上的第二特征點，該出光面上的第二特征點對應(yīng)與起始被照點相鄰的第二被照點； 步驟i2:針對N個小段中的每一個小段執(zhí)行步驟il，依次求出N個小段中的各個被照點所對應(yīng)的透鏡出光面上的各特征點的位置； 步驟6.4:將所述透鏡入光面上的各特征點依次連接，將所述透鏡出光面上的各特征點依次連接，形成兩條連續(xù)曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有全周光配光透鏡設(shè)計方法，其特征在于:所述各特征點依次用直線或平滑曲線連接起來。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全周光配光透鏡的設(shè)計方法，其特征在于，LED圈帶的數(shù)量為2條，所述二次配光透鏡形成的配光曲線分隔為2個部分，其中，一部分配光曲線的配光角度小于180度，另一部分配光曲線的配光角度大于等于180度。
4.一種全周光配光透鏡，其特征在于，所述配光透鏡是根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的全周光配光透鏡的設(shè)計方法制造得到的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全周光配光透鏡，其特征在于，所述全周光配光透鏡的中間帶有通孔。
【文檔編號】F21V23/00GK104296071SQ201410491119
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】陳必壽, 許禮, 姜玉稀, 劉海波 申請人:上海三思電子工程有限公司, 上海三思科技發(fā)展有限公司, 嘉善三思光電技術(shù)有限公司