[发明专利]一种LED均匀光强透镜

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

本发明的技术方案如下：

一种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。

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。

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：

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。

所述目标面为半球状虚拟目标面。

所述透镜出射面自由曲面的成形曲线通过如下步骤确定：

LED芯片光强分布为I_θ＝I_ocosθ，其中I₀为中心光强，θ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：

θ＝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θ＝π/2的光线折射到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，卧第i条出射光线O_i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(2)求得对应第i条入射光线i_i与光轴Z轴的夹角为：

设A_i点坐标为(x_i，z_i)，又B_i点坐标为则入射光线i_i的单位向量为：

in→i=1xi2+zi2(xi,zi)---(3)]]>

出射光线O_i的单位向量为：

再根据snell定律可以求出A_i点的法向矢量：