專利名稱：一種自由曲面光學(xué)透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種自由曲面光學(xué)透鏡。
(二)
背景技術(shù)：
隨著LED技術(shù)的迅速發(fā)展，LED照明的應(yīng)用越來越廣泛。特別是道路照明， 由于LED具有高效、節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長等特點，路燈的應(yīng)用首當(dāng)其沖。 眾所周知， 一般道路的路面是成矩形狀的，而一般燈具發(fā)出的光到達(dá)路面所 形成的光斑是成圓形的。這意味著燈具所在位置橫截面上的照度最亮、區(qū)域 最廣，兩盞燈具間的橫截面上照度最暗、區(qū)域最小。為達(dá)到道路照明要求， 只能把路燈安排加密。這樣，導(dǎo)致道路以外的區(qū)域被過多的照明，成為無效 照明并將增加光污染，這不利于節(jié)能環(huán)保。為解決這一問題，我們實用新型 一種能形成矩形光斑的光學(xué)透鏡，以適應(yīng)各種路面照明要求，達(dá)到節(jié)能降耗、 環(huán)保的目的。
目前能形成矩形光斑的光學(xué)透鏡有幾種，如中國實用新型專利 200710123944.8 "二次光學(xué)透鏡"所描述的透鏡；中國實用新型專利 200710073278. 1 "LED路燈極其透鏡"所描述的透鏡；中國實用新型專利 200710118965.0 "—種用于LED光源的透鏡"所描述的透鏡，等。
上述的LED透鏡雖然都能形成矩形光斑，但所設(shè)計的入射面，出射面都 套用一定的幾何形狀，這導(dǎo)致光線的折、反射受到這些幾何形狀的限制，部 分光線跑到非設(shè)定區(qū)域，形成光能損失。因而有必要引入自由曲面概念，能 精確計算曲面上每個點的折、反射光線，達(dá)到預(yù)定的要求。

實用新型內(nèi)容
本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種既保證矩形光斑長寬比形 狀和照度均勻性，又能提高有效光能利用率，達(dá)到優(yōu)化效果的自由曲面透鏡。所述的自由曲面光學(xué)透鏡，包括入射面、出射面和兩對主側(cè)面 以光軸作為X軸，建立X-Y-Z坐標(biāo)系；
所述透鏡的出射面采用兩條在X軸上相互垂直的曲線掃描得到的自由曲
面(Sl)，該兩條曲線的方程式分別表示為X = A2Z^A^+A。和X^ B2Y2+B4Y4+B。， 其中A2=-0. 005 -0. 003， A4=-0. 0007 -0. 0005， A。 = 7. 0 9. 5; B2=-0. 01 . 04， B4=-0. 00045 -0. 0003， B。二7. 0 9. 5;
所述透鏡的入射面由一個基本柱面(S3)構(gòu)成，該基本柱面的方程式表 示為X 二 (R2—Y2)1/2， R=4.0 4. 5;
所述透鏡起全反射作用的其中一對主側(cè)面采用以X軸為對稱軸的非園柱 面(S6)，其方程式表示為X = G2Z2+G4Z4+G6Z6+G。，另一對主側(cè)面采用以光軸為 對稱軸的斜平面(S7)，其方程式表示為Y叫A+H。；其中G2 = 0. 130 0. 135， G4 =-0. 0012 -0. 0011， G6 = 0. 000010 0. 000011， G。=-1. 90 -1. 80; 2. 0 -1.0，H0=-5. 0 -4. 0。
進(jìn)一步，所述透鏡的入射面還附加一個非園柱面(S4)，非園柱面由三段 曲線組成，其方程式分別表示為X = C2Y2 +C。， (X-D。)2+(Y-E。)2 二 F。和 (X-D。) 2+(Y+E0)2 = F。 ， C2 = -0. 70 -0. 40， C。 = 5. 00 5. 30， D。 = 3. 5 4. 0， E0=0. 90 1. 0， Fu=0. 50 0. 51。
進(jìn)一步，上述方程式中 A2 = -0.004171429, A4 = -0.00058069 ， A。 = 7. 79 ; B2 = 0. 016685716, B4 = -0. 000377448， Bo=7. 79; R二4. 2;
G2 = 0. 133485729, G4 = -0. 001172413， G6 二 0. 000010435, G。=-1. 83 ; H丄= -1. 880726465， H。二-4. 490482577;
C2=-0. 634724644， C0=5. 27876652, D。二3. 85, E。二0. 97， F。=0. 5041。-0. 000406483， B。=7. 4914375; R=4. 2;
G2 二 0. 133485729， ^ 二 -0. 001172413， G6 二 0. 000010435， G。=-1. 83 ; = -l. 880726465， H。二-4. 490482577;
C2=-0. 634724644， C0=5, 27876652， D。二3. 85， E0=0. 97， F0=0. 5041。
進(jìn)一步，上述方程式中.-A2 = -0. 004171429， A4 = -0. 00058069 ， A。 = 9. 3373277; B2 = -0. 008342858， B4 =-0. 000377448, B0=9. 3373277; R = 4. 2;
G2 = 0. 160182875， = -0. 001172413， G6 = 0. 000010435， G。二一l. 83 ; Ht 二 -l. 07236871， H0 = -4. 19;
C2 = -0. 432577192， C。 = 5. 04383504， D。 = 3. 85， E。=0. 97， F')=0. 5041。
本實用新型通過合理設(shè)置所述透鏡各入射面，四側(cè)面及出射面的各自尺 寸和相互位置尺寸，同時合理選擇所述各面的表示方程式之項次及各項系數(shù)， 通過光線追跡計算、軟件仿真進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，就可做到既保證矩形光斑所需 的長寬比形狀和照度均勻性，又提高有效光能利用率。同時只需對上述各表 示方程式的某一些參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，即可滿足不同用戶的要求，因而具有 自由靈活性和廣泛的適應(yīng)性。
并且，這些由方程式表示的曲面可以作成3D圖和點陣數(shù)據(jù)，很容易導(dǎo)入 數(shù)控加工中心或多軸自由曲面加工設(shè)備以及計測儀器，進(jìn)行精密或超精密的 加工和檢測，使誤差嚴(yán)格控制在可容許范圍內(nèi)。
所述透鏡的入射面需與LED封裝件的相應(yīng)外形尺寸精確定位，確保LED 芯片的中心與所述透鏡的光軸中心重合且兩者保持符合設(shè)計要求的間距。
為便于加工，降低成本和減輕重量，所述透鏡可采用光學(xué)塑料注塑成形， 所用的光學(xué)塑料可以是PMMA， PC， ZE0NEX等，根據(jù)所述透鏡所需的精度，性 價比，耐熱性進(jìn)行選用。本實用新型的透鏡既保證了矩形光斑所需的長寬比形狀和照度均勻性， 又提高有效光能利用率，具有自由靈活性和廣泛的適應(yīng)性。


圖1是本實用新型實施例1自由曲面光學(xué)透鏡的Z-X坐標(biāo)二維結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本實用新型實施例1自由曲面光學(xué)透鏡的X-Y坐標(biāo)二維結(jié)構(gòu)圖； 圖3是本實用新型實施例1自由曲面光學(xué)透鏡的Z-Y坐標(biāo)二維結(jié)構(gòu)圖； 圖4是本實用新型實施例1的自由曲面光學(xué)透鏡的前視圖； 圖5是本實用新型實施例1的自由曲面光學(xué)透鏡的后視圖； 圖6是本實用新型實施例1的光強(qiáng)分布仿真圖； 圖7是本實用新型實施例2的光強(qiáng)分布仿真圖； 圖8是本實用新型實施例3的光強(qiáng)分布仿真圖。
具體實施方式下面通過實施例對本實用新型作優(yōu)選地具體的說明，但本實用新型的保
護(hù)范圍并不限于此。 實施例1
參照圖1 5， 一種自由曲面光學(xué)透鏡，包括入射面、出射面和兩對主側(cè)面 以光軸作為X軸，建立X-Y-Z坐標(biāo)系；
所述透鏡的出射面采用兩條在X軸上相互垂直的曲線掃描得到的自由曲 面S1，該兩條曲線的方程式分別表示為X二A^+A4ZVA。和X二B2Y、B4Y、B。，其 中A產(chǎn)-0. 005 -0. 003， A4=-0. 0007 —0. 0005， A。=7. 0 9. 5; B2=-0. 01 0. 04， B4=-0. 00045 -0. 0003， B。=7. 0 9. 5;
所述透鏡的入射面由一個基本柱面S3構(gòu)成，該基本柱面的方程式表示為 X = (R2—Y2)1/2，R=4. 0 4. 5;
所述透鏡起全反射作用的其中一對主側(cè)面采用以X軸為對稱軸的非園柱 面S6，其方程式表示為X = G2Z2+G4Z4+GfiZ6+G。，另一對主側(cè)面采用以光軸為對 稱軸的斜平面S7，其方程式表示為Y，+H。;其中G2 = 0. 130 0. 135，G4 =—0. 0012 —0. 0011， Ge二O. 000010 0. 000011， G。=—1. 90 —1. 80; H = —2. 0 -1.0，H0=-5. 0 _4. 0。
所述透鏡的入射面還附加一個非園柱面S4，非園柱面由三段曲線組成， 其方程式分別表示為X = C2Y2 +C。， (X-D。) 2+ (Y-E。)2 = F。和(X-D。) 2+ (Y+E。)2 = F。， C2 = -0. 70 -0. 40， C0 = 5. 00 5. 30， D0=3. 5 4. 0， Eo=0. 90 1. 0， F0 = 0. 50 0. 51。
本實施例選定的項系數(shù)為 A2 =-0.004171429, A4 =-0.00058069 ， A。 = 7. 79 ; B2 = 0. 016685716， B4 = -0.000377448， B。=7. 79; R=4. 2;
G2 = 0. 133485729, G4 = —0. 001172413， G6 = 0. 000010435， G。=—l. 83 ; H丄= -1. 880726465， H。=_4. 490482577;
C2=-0. 634724644， C。=5. 27876652， D。=3. 85， E^O. 97, F。=0. 5041。 斜面S2方程采用z=2. 747477419x-14. 04194 斜面S5方程采用z=-0. 052407779x+3. 5
參見圖6，作為LED路燈的一種配光方式，本透鏡的縱向(車道)最大光 強(qiáng)夾角為108度；可獲得近似3 : 1的矩形光斑，也即燈高10m時可獲得35m X12m的均勻光斑。
按上述方程式構(gòu)成的自由曲面透鏡可實現(xiàn)以下指標(biāo) 照度均勻性(10m遠(yuǎn)處35mX12m范圍內(nèi))達(dá)到50%; 出光效率達(dá)到88. 1%;
有效光能利用率(10m遠(yuǎn)處，45mX45m范圍內(nèi))達(dá)到79. 6% 實施例2
改變實施例1中方程的系數(shù)如下A2 = -0. 004171429， A4 = -0. 00058069， A。=7. 4914375; B2=0. 037542861， B4 = -0. 000406483， B。=7. 4914375; R=4. 2;
G2 = 0. 133485729， G4 = -0. 001172413， G6 = 0. 000010435， Go=_l. 83 ; & = -1. 880726465， H。=-4. 490482577;
C2=-0. 634724644， C。 = 5. 27876652， D。=3. 85， E。=0. 97， Fo=0. 5041。 斜面S2方程采用z= 2. 747477419x_14. 04194 斜面S5方程采用z=-0. 052407779x+3. 5
作為LED路燈的另一種配光方式，本透鏡的縱向最大光強(qiáng)夾角為120度， 見圖7;可獲得近似4 : 1的矩形光斑，也即燈高10m時可獲得40mX 10m的均 勻光斑。
按上述方程式構(gòu)成的自由曲面透鏡可實現(xiàn)以下指標(biāo) 照度均勻性(10m遠(yuǎn)處40mX10m范圍內(nèi))達(dá)到41.3%; 出光效率達(dá)到87.2%;
有效光能利用率(10m遠(yuǎn)處，50mX50m范圍內(nèi))達(dá)到71. 7%。 實施例3
改變實施例1中方程的系數(shù)如下
A2 = -0. 004171429， A4 = -0. 00058069， A0 = 9. 3373277; B2 = -0. 008342858， B4 =-0. 000377448， B0 = 9. 3373277; R=4. 2;
G2 = 0. 160182875， G4 = _0. 001172413， G6 = 0. 000010435， G。=-1. 83 ; = —1. 07236871， H。=—4. 19;
C2 = -0. 432577192, CQ = 5. 04383504， D。=3. 85， E。=0. 97， F。=0. 5041。 斜面S2方程采用x=8. 15 斜面S5方程采用z=-0. 052407779x+3. 5作為LED燈具的一種配光方式，本透鏡的縱向最大光強(qiáng)夾角為74度， 見圖8;可獲得近似2 : 1的矩形光斑，也即燈高10m時可獲得20mX 10m的均 勻光斑。
按上述方程式構(gòu)成的自由曲面透鏡可實現(xiàn)以下指標(biāo) 照度均勻性(10m遠(yuǎn)處40mX10m范圍內(nèi))達(dá)到48%; 出光效率達(dá)到87.9%;
有效光能利用率(10m遠(yuǎn)處，45mX45m范圍內(nèi))達(dá)到83%。
權(quán)利要求1、一種自由曲面光學(xué)透鏡，包括入射面、出射面和兩對主側(cè)面，其特征在于以光軸作為X軸，建立X-Y-Z坐標(biāo)系；所述透鏡的出射面采用兩條在X軸上相互垂直的曲線掃描得到的自由曲面(S1)，該兩條曲線的方程式分別表示為X＝A2Z2+A4Z4+A0和X＝B2Y2+B4Y4+B0，其中A2＝-0.005～-0.003，A4＝-0.0007～-0.0005，A0＝7.0～9.5；B2＝-0.01～0.04，B4＝-0.00045～-0.0003，B0＝7.0～9.5；所述透鏡的入射面由一個基本柱面(S3)構(gòu)成，該基本柱面的方程式表示為X＝(R2-Y2)1/2，R＝4.0～4.5；所述透鏡起全反射作用的其中一對主側(cè)面采用以X軸為對稱軸的非園柱面(S6)，其方程式表示為X＝G2Z2+G4Z4+G6Z6+G0，另一對主側(cè)面采用以光軸為對稱軸的斜平面(S7)，其方程式表示為Y＝H1X+H0；其中G2＝0.130～0.135，G4＝-0.0012～-0.0011，G6＝0.000010～0.000011，G0＝-1.90～-1.80；H1＝-2.0～-1.0，H0＝-5.0～-4.0。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述自由曲面光學(xué)透鏡，其特征在于所述透鏡的入射面還附加一個非園柱面(S4)，非園柱面由三段曲線組成，其方程式分 別表示為X = C2Y2 +C。， (X-D。) 2+(Y-E。)2 = F。和(X-D。)2+(Y+E。)2 二 F。， C2 =-0. 70 —0. 40， Co = 5. 00 5. 30， D。 = 3. 5 4. 0， E0=0. 90 1. 0， F0 — 0. 50 0. 51。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述自由曲面光學(xué)透鏡，其特征在于上述方程式中 A2 = -0.004171429，^ = -0.00058069， A。二7.79; B2 = 0. 016685716, B4 =-O. 000377448， B。=7. 79; R=4. 2;G2 二 0. 133485729， G4 = -O. 001172413， G6 二 0. 000010435， G。二-l. 83 ; H丄= -1. 880726465， H。=-4. 490482577;C2=-0. 634724644， C。二5. 27876652， D。二3. 85, E。二0. 97, F。=0. 5041。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述自由曲面光學(xué)透鏡，其特征在于上述方程式中 A2 = -0.004171429， A4 二 -0.00058069 ， A。 二 7.4914375 ; B2 = 0. 037542861， B4 = -0. 000406483， B。 = 7. 4914375;R二4. 2;G2 = 0. 133485729， G4 = -0. 001172413， G6 = 0. 000010435， G。=-l. 83 ; H,= -1. 880726465， H。二-4. 490482577;C2 = -0. 634724644， C。=5. 27876652, D()=3. 85， EQ=0. 97, F。=0. 5041。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述自由曲面光學(xué)透鏡，其特征在于上述方程式中 A2 = -0.004171429， A4 = -0.00058069 ， A。 = 9.3373277 ; B2 = -0. 008342858， B4 = -0. 000377448， B。 = 9. 3373277;R=4. 2;G2 = 0. 160182875, G4 = -O. 001172413， G6 二 0. 000010435， G。二-1. 83 ; ^ = 一l. 07236871， H。=—4. 19;C2 = -0. 432577192， C。=5. 04383504， D。二3. 85， E。=0. 97, F。=0. 5041。
專利摘要本實用新型涉及一種自由曲面光學(xué)透鏡，包括入射面、出射面和兩對主側(cè)面以光軸作為X軸，建立X-Y-Z坐標(biāo)系；所述透鏡的出射面采用兩條在X軸上相互垂直的曲線掃描得到的自由曲面(S1)，所述透鏡的入射面由一個基本柱面構(gòu)成，所述透鏡起全反射作用的其中一對主側(cè)面采用以X軸為對稱軸的非圓柱面，另一對側(cè)面采用以光軸為對稱軸的斜平面。本實用新型的透鏡既保證了矩形光斑所需的長寬比形狀和照度均勻性，又提高有效光能利用率，具有自由靈活性和廣泛的適應(yīng)性。
文檔編號G02B3/00GK201355395SQ200820169310
公開日2009年12月2日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者何慧娟, 張東標(biāo), 楊相利, 賽 王 申請人:杭州照相機(jī)械研究所