[发明专利]一种LED准直透镜的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于LED照明技术领域，具体地说，涉及一种LED准直透镜的设计方法。

背景技术

由于LED相对于传统照明光源具有节能、环保、使用寿命长、反应速度快等优点，大功率LED照明技术引起了国内外光源界的普遍关注，已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品，LED照明产品的开发、研制、生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。由于LED发出的光近似朗伯型，与传统光源有较大不同，不能直接用于现有的照明系统。因此，为了更好的将LED做为照明光源，研究大功率LED光源的二次光学系统配光设计，合理分配LED芯片的光能显得尤为迫切。基于非成像光学理论建立起来的自由曲面的照明系统光学设计已成为当前国内外的主流研究方向，目前常用的设计方法有SMS（simultaneous multiple surface）法、M-A(Monge-anpere)等式法、剪切法、数值优化法等。其中SMS法适用于设计扩展光源的光学系统。当前的基于SMS法设计的LED准直系统多采用TIR型、RXI型以及它们的复合型。这些模型都可以有效收集和准直LED的出射光，但它们一般都有四个甚至更多的自由曲面构成，这给准直系统的设计和加工带来很多不便。

发明内容

本发明为解决现有LED准直透镜结构复杂，光束发散角大且能量不集中等问题，提出一种新型的LED准直透镜的设计方法，其结构简单，光能利用率高，对LED出射光的准直效果好。

本发明采用的技术方案为：

一种LED准直透镜的设计方法，包括以下步骤：

1）、初定LED准直透镜的出光口的口径大小R、厚度L、出光面的纵截面的边线与底面的夹角a、LED准直透镜的LED灯珠安装孔的高度h、LED准直透镜的折射率n’，LED准直透镜的光束发散角B度；先根据折射定律计算出全反射光线与出光面之间的第一夹角范围，进而计算出全反射光线与LED准直透镜的轴线之间的第二夹角范围，全反射光线在轴线两侧的夹角范围分别在c1、c2度之内；

2）、根据LED灯珠的大小，选择两个边缘发光点S1、S2；其中S1至S2之间的距离与LED灯珠的直径相等，线段S1S2的中垂线为LED准直透镜的轴线，其中边缘发光点S1、S2分别位于所述轴线的左侧和右侧；

3）、选择初始折射点Pn和初始全反射点Qn，以及初始点E、点A；其中，点A、点E均在轴线上，线QnE为出光面的纵截面的边线，Qn到所述轴线的距离为出光口直径的一半即R/2，Qn到线段S1S2的垂直距离为LED准直透镜的厚度L，A到线段S1S2的垂直距离为LED灯珠的安装孔的高度h，Pn点靠近A点，且Pn、Qn均位于轴线的一侧；点E为出光面的中心点；

3）、确定第一折射面上的点P(n-1)；边缘发光点S2发光的光线S2Pn经过第一折射面折射后形成折射光线PnQn，根据折射定律可以计算出点Pn处的法线方向和切线，折射光线PnQn在点Qn发生全反射形成反射光线T1；边缘发光点S1的发光光线S1P(n-1)经过第一折射面折射形成折射光线P(n-1)Qn，P(n-1)Qn在点Qn发生全反射形成反射光线T2；从全反射光线与LED准直透镜的轴线之间的夹角范围可知：反射光线T1背向轴线倾斜，且反射光线T1与轴线夹角为c1，反射光线T2向轴线倾斜，且反射光线T2与轴线夹角为c2；由此通过反射定律可计算出Qn点的法线方向、切线方向以及折射光线P(n-1)Qn方向，点Pn处的切线的延长线与折射光线P(n-1)Qn的交点即为P(n-1)点，同时还可以计算出P(n-1)点的法线方向和切线；

4）、确定全反射面上的点Q(n-1)；边缘发光点S2的光线S2P(n-1)经过第一折射面的点P(n-1)折射后形成折射光线P(n-1)Q(n-1)，根据折射定律可以确定折射光线P(n-1)Q(n-1)的方向，折射光线P(n-1)Q(n-1)与点Qn的切线的延长线的交点即为点Q(n-1)；

5）、令n=（n-1）、（n-2）、（n-3）……（m+1）；重复3）、4）步骤，计算出点P(n-2)……Pm以及点Q(n-2)……Qm，直到Ｐm、Qm位于点S1、点S2的连线上；

6）、通过平滑的曲线将A、Pn、P(n-1)、P(n-2)……Pm连接形成第一折射面，以及通过平滑的曲线将Qn、Q(n-1)、Q(n-2)……Qm连接形成全反射面；

7）、将第一折射面、全反射面、线QnE、线QmPm绕轴线旋转一周便得到LED准直透镜。

进一步地，所述出光面的纵截面的边线与底面的夹角a为零。