本發(fā)明屬于光學(xué)透鏡，具體涉及用于產(chǎn)生均勻準(zhǔn)直的led透鏡的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、對(duì)比led光源與其他光源，led具有耗能低、能量轉(zhuǎn)換高效和耐用等優(yōu)點(diǎn)，然而大部分led燈的光強(qiáng)分布均為朗博體分布，其輻照效果較差，出射光線方向混亂，需對(duì)led進(jìn)行二次配光，提高能量利用效率，現(xiàn)有的用于設(shè)計(jì)單一led透鏡的技術(shù)，主要集中在兩個(gè)方面：一是只考慮理想的特殊的輻照光斑的均勻性而未考慮到經(jīng)透鏡配光后的光線的方向的一致性，這一類的設(shè)計(jì)由于未具體分析處理光線的方向問題；因此目標(biāo)表面雖然可以在一個(gè)最佳的位置實(shí)現(xiàn)理想的輻照均勻光斑，但是當(dāng)目標(biāo)表面未處于最佳位置時(shí)，輻照光斑的均勻性以及光斑的形狀大小均會(huì)發(fā)生變化，例如已經(jīng)廣泛投入使用的花生透鏡，光源發(fā)出的光經(jīng)花生透鏡二次配光可在目標(biāo)表面形成一個(gè)矩形均勻的光斑，但是當(dāng)目標(biāo)表面未處于最佳位置，在目標(biāo)表面形成的光斑的均勻性不可避免的會(huì)降低，且光斑的大小與形狀也會(huì)發(fā)生不同程度的變化；二是只考慮到經(jīng)透鏡配光后方向的一致性而未考慮輻照光斑的均勻性；這一類設(shè)計(jì)，當(dāng)目標(biāo)表面處于任何與光軸垂直的位置光斑的大小與形狀都不會(huì)發(fā)生改變，卻未考慮到輻照光斑的均勻性問題，例如菲涅爾透鏡和tir準(zhǔn)直透鏡；兩種led透鏡的設(shè)計(jì)方法均未利用單一透鏡同時(shí)實(shí)現(xiàn)配光后輻照光斑的均勻性以及光線的方向的一致性，都具有各自的優(yōu)勢(shì)和局限性；如果對(duì)光源二次配光時(shí)結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)，兼顧光線的方向性和輻照光斑的均勻性，不僅可以提高光源的能量利用率也可以增大適用范圍，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)單一自由曲面透鏡對(duì)光源二次配光無法兼顧輻照光斑的均勻性和光線方向的一致性，提供一種用于產(chǎn)生均勻準(zhǔn)直照明的led透鏡的設(shè)計(jì)方法，旨在獲得均勻且準(zhǔn)直的平行光。

2、本發(fā)明提供用于產(chǎn)生均勻準(zhǔn)直照明的led透鏡的設(shè)計(jì)方法具體步驟如下：

3、（1）在直角坐標(biāo)系下，以led所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，將一圓形平面放置在led的正前方，自由曲面s1位于led與目標(biāo)平面之間；當(dāng)led發(fā)出的光經(jīng)過自由曲面折射后可以均勻的照射在目標(biāo)平面，由此可以建立自由曲面的數(shù)學(xué)模型；

4、（2）建立圓形平面的坐標(biāo)與光源出射角的聯(lián)系：圓形平面的照度為（常數(shù)），理想情況下，光源（led）在錐角對(duì)應(yīng)的立體角發(fā)出的光通量對(duì)應(yīng)圓形平面上半徑的圓圈內(nèi)接收的光通量；

5、（3）建立自由曲面s1的截面曲線數(shù)學(xué)模型；

6、（4）求解自由曲面s1的截面曲線的坐標(biāo)數(shù)據(jù)集；根據(jù)自由曲面s1的截面數(shù)學(xué)模型在數(shù)學(xué)軟件matlab中編寫代碼求曲面的截面橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)集與縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)集以及光線經(jīng)過自由曲面s1一次折射后光線的方向向量的與水平方向的夾角的數(shù)據(jù)集；

7、（5）二次折射面s2是在第一部分圓形平面上進(jìn)行微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用第一部分得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代求解面s2的截面曲線數(shù)據(jù)坐標(biāo)，以達(dá)到當(dāng)光線經(jīng)s2折射后可以準(zhǔn)直出射；

8、（6）基于折射定律，以及步驟（5）得到的曲面s1的坐標(biāo)數(shù)據(jù)集、一次折射后光線的夾角數(shù)據(jù)集且光線經(jīng)面s2二次折射后光線均為準(zhǔn)直，方向向量均為，進(jìn)而可以得到面的截面曲線坐標(biāo)迭代公式為；

9、（7）設(shè)置循環(huán)次數(shù)以及每次循環(huán)中的迭代次數(shù)：根據(jù)上一步的迭代公式，隨著迭代的增加，與的偏差會(huì)越來越大，若循環(huán)次數(shù)太低得到的折射面s2會(huì)導(dǎo)致最終的效果較差，因此在迭代過程中需設(shè)置一個(gè)容錯(cuò)步長(zhǎng)，當(dāng)時(shí)，下一次的迭代時(shí)重新設(shè)置面s2截面曲線的初始坐標(biāo)進(jìn)行新的一輪循環(huán)；

10、（8）在得到一次折射面s1與二次折射面s2的截面曲線數(shù)據(jù)坐標(biāo)后，得出連接面s3、s4的截面曲線；將一次折射面s1、二次折射面s2、連接面s3、s4的截面曲線進(jìn)行首尾連接，得到完整的透鏡截面曲線的坐標(biāo)數(shù)據(jù)；然后，將透鏡截面曲線數(shù)據(jù)坐標(biāo)導(dǎo)入solidworks軟件，建立透鏡零件模型；

11、（9）透鏡零件導(dǎo)入關(guān)系追跡程序tracepro中，進(jìn)行光線追跡，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)透鏡表面進(jìn)行優(yōu)化，提升其輻照的均勻性與光線方向的準(zhǔn)確性，最終得到用于產(chǎn)生均勻準(zhǔn)直照明的led透鏡。

12、本發(fā)明準(zhǔn)直性良好，在不同距離目標(biāo)接收面上產(chǎn)生的光斑大小一致，led光源經(jīng)透鏡配光后，發(fā)出的光線方向保持一致。

13、對(duì)比現(xiàn)有的自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明利用雙自由曲面且第二自由曲面利用微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)的單一透鏡兼顧了光線的方向性問題和輻照光斑均勻度問題，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的大部分單一透鏡只能控制一種效果的不足；本發(fā)明照明效果良好、準(zhǔn)直性良好、結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，適用于led點(diǎn)光源以及其他類型的點(diǎn)光源。

技術(shù)特征：

1.一種用于產(chǎn)生均勻準(zhǔn)直照明的led透鏡的設(shè)計(jì)方法；其特征在于，具體步驟如下：

2.本發(fā)明準(zhǔn)直性良好，在不同距離目標(biāo)接收面上產(chǎn)生的光斑大小一致，led光源經(jīng)透鏡配光后，發(fā)出的光線方向保持一致。

3.對(duì)比現(xiàn)有的自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明利用雙自由曲面且第二自由曲面利用微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)的單一透鏡兼顧了光線的方向性問題和輻照光斑均勻度問題，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的大部分單一透鏡只能控制一種效果的不足；本發(fā)明照明效果良好、準(zhǔn)直性良好、結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，適用于led點(diǎn)光源以及其他類型的點(diǎn)光源。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于光學(xué)透鏡技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種用于產(chǎn)生均勻準(zhǔn)直照明的LED透鏡設(shè)計(jì)方法；包括一次折射面S1和二次折射面S2、圓柱面S3、平面S4，S1與S2為自由曲面；一次折射面S1負(fù)責(zé)將LED發(fā)出的光均勻照射在二次折射面S2上，然后通過二次折射面S2將光轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)直光，圓柱面S3與平面S4負(fù)責(zé)連接面S1與S2；制作該透鏡時(shí)，利用折射定律與光學(xué)擴(kuò)展量守恒計(jì)算獲得面S1的截面數(shù)據(jù)，然后通過面S1的截面數(shù)據(jù)計(jì)算獲得面S2的截面數(shù)據(jù)；該透鏡對(duì)LED出射光線進(jìn)行二次配光，將非均勻發(fā)散光轉(zhuǎn)換為均勻準(zhǔn)直光，兼顧光源的能量分配和光出射方向，克服了傳統(tǒng)的單一透鏡只考慮光源的能量分配或光出射方向的不足；輻照光斑均勻度可達(dá)到80%以上，同時(shí)LED能量利用率可達(dá)85.51%以上。

技術(shù)研發(fā)人員：孫翔,陳遠(yuǎn)康,徐文杰,曾建軍,林文,凌兆燏,周凱
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華東交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8