專利名稱：一種正方形均勻光斑的透鏡設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學元件的設計方法，更具體地說，涉及一種被照面為正方形均勻光斑的透鏡設計方法。
背景技術：
LED用于工程照明時，往往根據(jù)不同的使用場合或客戶要求，設計不同的透鏡來進行配光。在一些使用場合，比如地下車庫，廣場等，通常不希望使用太多的燈具，但又希望照度能夠均勻。如果采用被照面為圓形、橢圓形等光斑形狀時，在不增加燈具數(shù)量的情況下， 在相鄰燈具的銜接處，勢必會出現(xiàn)暗區(qū)和照射盲點，而使被照面的照度不均勻。從而很難達到客戶的使用要求。為了實現(xiàn)使用的燈具少但照射的區(qū)域照度均勻，最好的方法即為采用正方形的照射光斑來解決，而如何進行正方形均勻光斑的透鏡設計，則是目前需要解決的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明為解決上述技術問題，提供一種正方形均勻光斑的透鏡設計方法，該方法通過簡單直觀的運算，可以得到任意精度的正方形均勻照射光斑。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下一種正方形均勻光斑的透鏡設計方法，光軸經(jīng)過光斑中心且垂直于光斑所在平面，其設計步驟如下a)、將正方形光斑沿對稱軸分成八個角度均為45度的中心對稱的區(qū)域，取其中一個區(qū)域作為本設計的對象，將該區(qū)域劃分為n(n ^ 2)個角區(qū)，且使每個角區(qū)的兩個角邊的
長度差值相等。b)、分別取每一角區(qū)的同一方向的一個角邊，以過該角邊和光軸的平面為入射面， 在該入射面上，將光源位于光軸的一側的發(fā)光區(qū)域按照發(fā)光強度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律劃分成多個小角，并使分布在每個小角內的光通量相等；C)、將所述每一入射面上的角邊劃分成多個小段，所述小段與所述小角一一對應， 調整各小段的長度使其與光源到該小段上被照點的距離平方成反比，與照度成正比；以所述小段中邊緣小段作為起始被照小段，以邊緣點為起始被照點，即對應了所述的一個小角， 根據(jù)透鏡第一面離開光源的距離要求，在與起始被照點對應的入射光線上取一點作為透鏡第一面上的起始特征點，在該點處，平行于光源與起始被照點連線的直線同入射光線形成一夾角，為透鏡的起始光線偏折角，根據(jù)預定的比例，將所述偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，角分線作為入射光線經(jīng)過透鏡第一面后的折射線，通過折射定律以及所述的對應小角，求出與起始特征點相鄰的第二特征點，該第二特征點對應與起始被照點相鄰的第二被照點，按照上述相同的步驟，依次求出各個被照點所對應的第一面上的各特征點的位置； 在經(jīng)過所述第一面上的起始特征點后的折射線上，根據(jù)透鏡厚度要求取一點作為透鏡第二面上的起始特征點，采用與求得第一面上的特征點類似的方法，求得第二面上的各特征點的位置；將所述的第一面和第二面上的各特征點依次連接，分別形成透鏡在每一入射面上的第一面截面形狀和第二面截面形狀；d)、將上述依次求得的每一入射面上的透鏡截面繞光軸分別在該角區(qū)內旋轉，其旋轉角度與該角區(qū)的角度相等，由此求得透鏡的八分之一形狀；根據(jù)中心對稱規(guī)律，進而求得透鏡的整體形狀。所述各特征點依次用直線或平滑曲線連接起來。當光源為LED，且透鏡直徑小于30mm時，所述角區(qū)數(shù)量η彡10。所述透鏡采用折射率為1. 34. 2之間的透明材料。本發(fā)明技術方案通過將設計對象分成η個角區(qū)，分別求得透鏡在每個角區(qū)所對應的入射面上的截面形狀，然后將該截面在該角區(qū)內繞光軸以與該角區(qū)的角度相同的角度旋轉，得到透鏡的八分之一形狀，最后，根據(jù)中心對稱原則，得到透鏡整體形狀。本設計方法簡單，直觀，通過選擇所劃分的區(qū)域內角區(qū)的數(shù)量η的大小，來確定形成的光斑與標準正方形光斑的誤差大小。該η值越大，越接近標準正方形。但對于LED點光源來說，實際使用中透鏡的尺寸做得都不大，而且由于目前透鏡的加工工藝水平的限制，當η取值比較大時，相對較多的角區(qū)邊緣會由于無法加工成嚴格的尖角而使得照射到這些位置的光線射向了無效區(qū)域，不僅影響均勻度，而且造成光源的浪費。而且，對于尺寸比較小的透鏡，當η值比較大時，相對較多的無法加工成嚴格尖角的角區(qū)邊緣的光線照度不均勻問題對整體照度均勻性的影響相對會更大一些，因此在實際設計中，η的取值大于等于2而小于等于10。


以下通過附圖對本發(fā)明設計方法做進一步詳細的描述圖1是對正方形光斑劃分區(qū)域和角區(qū)的設計方法示意圖；圖2是在圖1中一個角區(qū)所對應的入射面上劃分小角的方法示意圖；圖3是對位于圖2入射面上的角邊劃分小段的方法示意圖；圖4是確定透鏡在圖2入射面上的各特征點并依次連接的方法一示意圖；圖5是將圖4入射面上各特征點依次連接的方法二示意圖；圖6是將圖5所示的透鏡截面繞光軸旋轉而成的透鏡八分之一形狀示意圖；圖7是整體透鏡的結構示意圖；圖8是圖7的主視圖；圖9是圖7的底部安裝面視圖；圖10是圖7所示透鏡的實際測試光斑圖；圖11是圖7所示透鏡的實際測試照度分布圖。
具體實施例方式以下通過圖形和文字描述對本設計方法的具體設計步驟做一詳細的說明。如圖1所示，首先將正方形光斑沿對稱軸分成八個角度均為45度的中心對稱的區(qū)域，以其中一個區(qū)域10作為本發(fā)明的設計對象，以下設計步驟均是在該區(qū)域10內完成的。 將該區(qū)域10劃分成η (η >幻個角區(qū)，為圖示清楚起見，本實施例劃分成三個角區(qū)，其夾角分別為Y 1、Y 2、γ 3，，其角邊分別為11和22，22和33，33和44，每一夾角的兩個角邊的長度差值均為d。如圖2所示，以夾角為Yl的角區(qū)為起始，過其一個角邊11與光源3的光軸L的平面為第一入射面。在該入射面上，將光源3位于光軸L的一側的發(fā)光區(qū)域按照發(fā)光強度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律劃分成四個小角α 、α 2、α 3，α 4，并使分布在每個小角內的光線的光通量相等。如圖3所示，將位于第一入射面上的角邊11分成四個小段ab，bC，Cd，de。分別與 α , α2, α3, α 4一一對應。調整各小段的長度，使其與光源3到該小段上被照點的距離 r的平方成反比，并且與所要求的被照區(qū)域的照度E成正比。如圖4所示，以ab段作為起始被照小段，以a點為起始被照點，則該ab段對應的小角為α 1。根據(jù)透鏡第一面1離開光源3的距離要求，在與a點對應的入射光線上取一點la，作為透鏡第一面1上的起始特征點，在該特征點處，平行于光源3與被照點a的連線的直線同入射光線形成一夾角β 1，該夾角即為透鏡的起始光線偏折角。根據(jù)預先設定的比例，將該偏折角β 1分成兩個部分，第一偏折角β 11和第二偏折角β 12，本實施例取 β β 12= 1 1，角分線作為入射光線經(jīng)過第一面1的起始特征點Ia后的折射線，通過折射定律，確定Ia點的法線nl，垂直于法線nl的直線與所述的光線入射面形成一交線， 該交線與小角β 1的角邊的交點分別為Ia和lb，lb點即作為第二特征點。在第二被照小段be上，取b點為第二被照點，則b點對應了該第二特征點lb。依照上述的確定第二特征點Ib的方法，依次求得被照點c、d、e所對應的第一面1上的特征點lc、ld、le。根據(jù)透鏡厚度的要求，在經(jīng)過第一面1上的起始特征點Ia后的折射線上取一點加作為第二面2上的起始特征點，以該折射線作為透鏡第二面2的入射線，以在該加點平行于被照點a與光源的連線的直線為透鏡第二面2的折射線，該入射線和折射線方向即為圖示的第二偏折角β 12的兩個角邊方向，采用與確定第一面1的特征點完全相同的方法，依次求得第二面2上的特征點2b、2c、2d、2e的位置。圖4是將各特征點通過直線段依次連接起來，形成透鏡在第一入射面上的第一面1的截面形狀和第二面2的截面形狀。圖5是將各特征點通過曲線線段依次連接起來，形成透鏡在第一入射面上的第一面1的截面形狀和第二面2的截面形狀。前述實施例均是取邊緣點a為起始被照點，逐次確定各特征點的位置。當然，也可以另一邊緣點e為起始被照點，該e所對應的入射光線即為沿光軸方向的光線，則從對應的起始特征點Ie開始，逐次確定各特征點位置。再以通過夾角為Y 2的角邊22和光源3的光軸L的平面為第二入射面，采用與前述相同的方法將光源3位于光軸L的一側的發(fā)光區(qū)域按照發(fā)光強度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律劃分成四個小角，并使分布在每個小角內的光線的光通量相等。將位于第二入射面上的角邊22分成與四個小角一一對應的四個小段。采用與前述相同的方法，求得透鏡在第二入射面上的第一面的截面形狀和第二面的截面形狀。以此類推，以通過夾角為Y 3的角邊33和光源3的光軸L的平面為第三入射面，采用與前述相同的方法將光源3位于光軸L的一側的發(fā)光區(qū)域按照發(fā)光強度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律劃分成四個小角，并使分布在每個小角內的光線的光通量相等。將位于第三入射面上的角邊33分成與四個小角一一對應的四個小段。采用與前述相同的方法，求得透鏡在第三入射面上的第一面截面形狀和第二面截面形狀。如果η取其他值，按照上述方法，得到η個入射面，依次求得透鏡在這η個入射面上的第一面截面形狀和第二面截面形狀。將上述依次求得的每一入射面上的透鏡截面繞光軸L分別在該角區(qū)內旋轉，其旋轉角度與該角區(qū)的角度相等，由此求得透鏡的八分之一形狀。圖6所示是根據(jù)圖5所示的透鏡截面繞光軸旋轉而成的八分之一區(qū)域內的透鏡形狀示意圖。將圖6所示透鏡的八分之一區(qū)域形狀根據(jù)中心對稱原理，得到圖7所示的透鏡的整體結構。圖8是該透鏡的主視圖，圖9是該透鏡的底部安裝面視圖，其中光源3安裝在透鏡底部凹口 30內。圖10是根據(jù)本發(fā)明設計方法得到的圖7所示透鏡的實際測試光斑圖，圖11是其實際測試照度圖。從圖中可見，光斑已經(jīng)非常接近標準正方形，照度均勻度也可達到0.9。 如果η取值越大，光斑越接近標準正方形。但如果光源采用LED時，由于加工工藝水平的限制和實際使用中透鏡的尺寸較小，一般透鏡直徑小于30mm，這時η的取值不宜過大，因為對照度的均勻性會產生影響。因此，實際設計中，一般η的取值為大于等于2而小于等于10， 這樣可以同時兼顧到光斑形狀和照度均勻性，使其更加符合實際使用要求。
權利要求
1.一種正方形均勻光斑的透鏡設計方法，光軸經(jīng)過光斑中心且垂直于光斑所在平面， 設計步驟如下a)、將正方形光斑沿其對稱軸分成八個角度均為45度的中心對稱的區(qū)域，取其中一個區(qū)域作為本設計的對象，將該區(qū)域劃分為n(n ^ 2)個角區(qū)，且使每個角區(qū)的兩個角邊的長度差值相等。b)、分別取每一角區(qū)的同一方向的一個角邊，以過該角邊和光軸的平面為入射面，在該入射面上，將光源位于光軸的一側的發(fā)光區(qū)域按照發(fā)光強度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律劃分成多個小角，并使分布在每個小角內的光通量相等；c)、將所述每一入射面上的角邊劃分成多個小段，所述小段與所述小角一一對應，調整各小段的長度使其與光源到該小段上被照點的距離平方成反比，與照度成正比；以所述小段中邊緣小段作為起始被照小段，以邊緣點為起始被照點，即對應了所述的一個小角，根據(jù)透鏡第一面離開光源的距離要求，在與起始被照點對應的入射光線上取一點作為透鏡第一面上的起始特征點，在該點處，平行于光源與起始被照點連線的直線同入射光線形成一夾角，為透鏡的起始光線偏折角，根據(jù)預定的比例，將所述偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，角分線作為入射光線經(jīng)過透鏡第一面后的折射線，通過折射定律以及所述的對應小角， 求出與起始特征點相鄰的第二特征點，該第二特征點對應與起始被照點相鄰的第二被照點，按照上述相同的步驟，依次求出各個被照點所對應的第一面上的各特征點的位置；在經(jīng)過所述第一面上的起始特征點后的折射線上，根據(jù)透鏡厚度要求取一點作為透鏡第二面上的起始特征點，采用與求得第一面上的特征點相同的方法，求得第二面上的各特征點的位置；將所述的第一面和第二面上的各特征點依次連接，分別形成透鏡在每一入射面上的第一面截面形狀和第二面截面形狀；d)、將上述依次求得的每一入射面上的透鏡截面繞光軸分別在該角區(qū)內旋轉，其旋轉角度與該角區(qū)的角度相等，由此求得透鏡的八分之一形狀；根據(jù)中心對稱規(guī)律，進而求得透鏡的整體形狀。
2.根據(jù)權利要求1所述的正方形均勻光斑的透鏡設計方法，其特征在于所述各特征點依次用直線或平滑曲線連接起來。
3.根據(jù)權利要求1所述的正方形均勻光斑的透鏡設計方法，其特征在于當光源為 LED，且透鏡直徑小于30mm時，所述角區(qū)數(shù)量η < 10。
4.根據(jù)權利要求1所述的正方形均勻光斑的透鏡設計方法，其特征在于所述透鏡采用折射率為1. 3 4. 2之間的透明材料。
全文摘要
本發(fā)明公開一種正方形均勻光斑的透鏡設計方法，首先將正方形光斑沿其對稱軸分成八個中心對稱區(qū)域，將其中一個區(qū)域劃分為n(n≥2)個角區(qū)，每個角區(qū)的兩個角邊長度差值相等；分別以過每一角區(qū)的一個角邊和光軸的平面為入射面，將該入射面上光源位于光軸一側的發(fā)光區(qū)域按照發(fā)光強度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律劃分成多個小角，并使分布在每個小角內的光線的光通量相等，再將每一入射面上的角邊劃分成與小角一一對應的多個小段，根據(jù)折射定律，依次求得透鏡在每一入射面上的第一面和第二面的截面形狀，將該透鏡截面繞光軸分別在其所在的角區(qū)內旋轉，且旋轉角度與該角區(qū)的角度相等，求得透鏡的八分之一形狀；根據(jù)中心對稱規(guī)律，求得透鏡整體形狀。本方法簡單、直觀、靈活。
文檔編號F21V5/04GK102287754SQ201010204040
公開日2011年12月21日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權日2010年6月18日
發(fā)明者周士康, 李晟, 陳春根 申請人:上海三思電子工程有限公司, 上海三思科技發(fā)展有限公司, 嘉善晶輝光電技術有限公司