[发明专利]呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法

说明书

技术领域

本发明应用光学技术领域，特别涉及一种呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法。

背景技术

随着低碳节能、绿色环保的发展趋势，发光二极管(LED)以其低能耗、高发光效率和寿命长等诸多优点，得到了越来越广泛的关注。LED作为一种新型的光源，被越来越多地应用在各类照明系统中。然而，LED灯离普通照明还存在急需解决的问题。由于LED灯的体积小，使其发光面积小，方向性强，因此照射面积有限，需要对其进行二次配光，以满足实际的需要。

目前应用于配光的方法有两种：反射式配光和折射式配光。反射式配光利用全反射原理，使配光透镜侧面成为全反射面，将照射到该侧面的光全部反射回透镜，从而减小侧面光能量的损失，提高光能利用率。然而，LED灯的方向性单一，主要光能集中在中间部分，只对侧面进行设计，不能使集中在中间部分的绝大部分光能均匀分布到目标照明区域，从而不能满足均匀性的要求。

折射式配光则采用透镜折射原理，可以有效地将集中在中间部分的光能分散到目标照明区域。目前折射式配光的实现方法主要有两种：二维设计和三维设计。二维设计是将二次配光透镜的前表面和后表面在正交的两个方向分开设计，然后进行叠加，这样的方法虽然容易实现，但只针对了两条正交线来设计，其他绝大部分位置误差较大，整个透镜的均匀性较差。

传统三维设计则需要建立整个折射曲面与目标照明区域的一一对应关系，进行逐点设计，通过该方法得到的透镜均匀性较好，但设计过程比较复杂，不易实现。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是：克服现有二维设计的不足和三维设计的复杂性，提供一种呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法，将透镜曲面的三维设计分解成若干个二维设计，实现了LED灯的二次配光，光斑呈矩形，且整个矩形区域的光分布均匀。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种呈矩形光斑均匀分布的LED二次配光透镜的实现方法，包括：

步骤1：根据提供的LED光源资料，确定LED光源的光分布函数I(θ)；

步骤2：根据具体需要确定矩形目标照明区域的长a，宽b，光源离照明区域的距离h；

步骤3：根据透镜材料，确定透镜材料的折射率n；

步骤4：将矩形目标照明区域划分成若干过矩形中心的线段，线段长度满足公式其中为过矩形中心的线段与矩形的长边a所成的角，

步骤5：根据能量守恒定律，建立步骤4获得线段上任一点与光源出射角θ的一一对应关系，其关系如公式∫I(θ)dθ＝∫Adρ，其中ρ为点与矩形中心的距离，A为目标照明区域的平均照度值；

步骤6：根据步骤4中公式和步骤5中公式获得的与目标照明矩形上任一点的对应关系，以及折射定律和几何关系，对配光曲面进行求解；透镜前表面为球面，使光线正入射进入透镜，减少反射损耗；后表面满足关系公式nsin(β+α)＝sin(β+θ_out)，其中tanβ为方向上的曲线在方向的斜率，θ_out为后表面出射光线在方向的出射角。

上述方案中，步骤1中所述的LED光源分布函数I(θ)是旋转对称的。

上述方案中，步骤2中所述的矩形目标照明区域的形状为平面矩形，LED光源位于该平面矩形中心上方h处。

上述方案中，步骤3中所述的透镜材料为透光材料PMMA或玻璃。

上述方案中，步骤4中所述的线段过矩形中心，线段长度满足公式

上述方案中，步骤5中所述的目标照明区域上任一点与光源出射角θ满足公式∫I(θ)dθ＝∫Adρ。

上述方案中，步骤6中所述的二次配光透镜的前表面为球面，后表面满足公式nsin(β+α)＝sin(β+θ_out)。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明采用折射式配光透镜实现方法，利用能量守恒定律建立了目标照明矩形区域内的点与LED光源出射角的一一对应关系，从而使照明区域内的光强分布具有很好的均匀性。

2、本发明客服了目前的二维设计中误差较大的缺点，使只有两个正交方向的二维设计变成了对整个透镜曲面的多方向的二维设计，解决了正交二维设计中的设计误差。

3、本发明与传统三维配光设计相比，将三维曲面分解成了多条二维曲线，大大降低了设计难度，同时能获得与传统三维配光设计相同的均匀性。

附图说明