[发明专利]一种正方形均匀光斑的透镜设计方法

说明书

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，涉及一种被照面为正方形均匀光斑的透镜设计方法。

背景技术

LED用于工程照明时，往往根据不同的使用场合或客户要求，设计不同的透镜来进行配光。在一些使用场合，比如地下车库，广场等，通常不希望使用太多的灯具，但又希望照度能够均匀。如果采用被照面为圆形、椭圆形等光斑形状时，在不增加灯具数量的情况下，在相邻灯具的衔接处，势必会出现暗区和照射盲点，而使被照面的照度不均匀。从而很难达到客户的使用要求。为了实现使用的灯具少但照射的区域照度均匀，最好的方法即为采用正方形的照射光斑来解决，而如何进行正方形均匀光斑的透镜设计，则是目前需要解决的问题。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种正方形均匀光斑的透镜设计方法，该方法通过简单直观的运算，可以得到任意精度的正方形均匀照射光斑。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种正方形均匀光斑的透镜设计方法，光轴经过光斑中心且垂直于光斑所在平面，其设计步骤如下：

a)、将正方形光斑沿对称轴分成八个角度均为45度的中心对称的区域，取其中一个区域作为本设计的对象，将该区域划分为n(n≥2)个角区，且使每个角区的两个角边的长度差值相等。

b)、分别取每一角区的同一方向的一个角边，以过该角边和光轴的平面为入射面，在该入射面上，将光源位于光轴的一侧的发光区域按照发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，并使分布在每个小角内的光通量相等；

c)、将所述每一入射面上的角边划分成多个小段，所述小段与所述小角一一对应，调整各小段的长度使其与光源到该小段上被照点的距离平方成反比，与照度成正比；以所述小段中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，按照上述相同的步骤，依次求出各个被照点所对应的第一面上的各特征点的位置；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，采用与求得第一面上的特征点类似的方法，求得第二面上的各特征点的位置；将所述的第一面和第二面上的各特征点依次连接，分别形成透镜在每一入射面上的第一面截面形状和第二面截面形状；

d)、将上述依次求得的每一入射面上的透镜截面绕光轴分别在该角区内旋转，其旋转角度与该角区的角度相等，由此求得透镜的八分之一形状；根据中心对称规律，进而求得透镜的整体形状。

所述各特征点依次用直线或平滑曲线连接起来。

当光源为LED，且透镜直径小于30mm时，所述角区数量n≤10。

所述透镜采用折射率为1.34.2之间的透明材料。

本发明技术方案通过将设计对象分成n个角区，分别求得透镜在每个角区所对应的入射面上的截面形状，然后将该截面在该角区内绕光轴以与该角区的角度相同的角度旋转，得到透镜的八分之一形状，最后，根据中心对称原则，得到透镜整体形状。本设计方法简单，直观，通过选择所划分的区域内角区的数量n的大小，来确定形成的光斑与标准正方形光斑的误差大小。该n值越大，越接近标准正方形。但对于LED点光源来说，实际使用中透镜的尺寸做得都不大，而且由于目前透镜的加工工艺水平的限制，当n取值比较大时，相对较多的角区边缘会由于无法加工成严格的尖角而使得照射到这些位置的光线射向了无效区域，不仅影响均匀度，而且造成光源的浪费。而且，对于尺寸比较小的透镜，当n值比较大时，相对较多的无法加工成严格尖角的角区边缘的光线照度不均匀问题对整体照度均匀性的影响相对会更大一些，因此在实际设计中，n的取值大于等于2而小于等于10。

附图说明

以下通过附图对本发明设计方法做进一步详细的描述：

图1是对正方形光斑划分区域和角区的设计方法示意图；

图2是在图1中一个角区所对应的入射面上划分小角的方法示意图；

图3是对位于图2入射面上的角边划分小段的方法示意图；

图4是确定透镜在图2入射面上的各特征点并依次连接的方法一示意图；