專利名稱：雙光斑透鏡的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，更具體地說，涉及一種同心圓形雙光斑透鏡的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
LED作為光源應(yīng)用于照明領(lǐng)域已日趨普遍，而且隨著LED照明燈應(yīng)用的范圍和適用的場(chǎng)合越來越多、越來越廣，對(duì)LED燈具的照明需求也越來越高，包括對(duì)被照區(qū)域的照度均勻性要求以及被照區(qū)域的光斑形狀要求。比如圓形光斑、矩形光斑、環(huán)形光斑、多光斑等。 如何能設(shè)計(jì)出符合要求的LED燈具，也即能設(shè)計(jì)出對(duì)LED光源的光線進(jìn)行配光的透鏡的形狀，對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)人員來說是及其重要的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提供一種雙光斑透鏡的設(shè)計(jì)方法，該方法得到的照射光斑呈照度均勻分布的同心圓形雙光斑，滿足LED燈具對(duì)被照區(qū)域特殊的使用要求，簡(jiǎn)單、方便，適用各種LED光源，且光源利用率高。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一種雙光斑透鏡的設(shè)計(jì)方法，所述雙光斑為同心圓形，每個(gè)光斑的照度分布均勻，分別為El和E2，其設(shè)計(jì)步驟如下
a)、以任一過光源光軸的平面作為入射面，在所述入射面上，將光軸一側(cè)的發(fā)光角按照發(fā)光強(qiáng)度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律劃分成N個(gè)小角，并使分布在每個(gè)小角內(nèi)的光線的光通量相等，其中N彡4;
b)、兩個(gè)光斑分別與所述入射面在上述光軸一側(cè)相交成被照線段Rl和R2，將該被照線段Rl和R2分別以長(zhǎng)度為L(zhǎng)l和L2等分成m個(gè)小段和N2個(gè)小段，并且使m+ N2=N, NlLl=Rl, N2L2=R2, L1/L2=E2/E1 ；
c)、將所述光源的N個(gè)小角分成兩個(gè)部分，靠近光軸的部分為m個(gè)小角，與所述 Nl個(gè)小段一一對(duì)應(yīng)，遠(yuǎn)離光軸的部分為N2個(gè)小角，與所述N2個(gè)小段一一對(duì)應(yīng)；
d)、以所述m個(gè)小段中的邊緣小段作為起始被照小段，以邊緣點(diǎn)為起始被照點(diǎn)，即對(duì)應(yīng)了所述的一個(gè)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的入射光線上取一點(diǎn)作為透鏡第一面上的起始特征點(diǎn)，在該點(diǎn)處，平行于光源與起始被照點(diǎn)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(yù)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(duì)應(yīng)小角，求出與起始特征點(diǎn)相鄰的第二特征點(diǎn)，該第二特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)與起始被照點(diǎn)相鄰的第二被照點(diǎn)；
e)、同上一步驟，依次求出m個(gè)小段中的各個(gè)被照點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的透鏡第一面上的各特征點(diǎn)的位置；
f)、以與求得m個(gè)小段中的各個(gè)被照點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的透鏡第一面上的各特征點(diǎn)的位置相同的方法，求得N2個(gè)小段中的各個(gè)被照點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的透鏡第一面上的各特征點(diǎn)的位置；
g)、在經(jīng)過所述第一面上的起始特征點(diǎn)后的折射線上，根據(jù)透鏡厚度要求取一點(diǎn)，作為透鏡第二面上的起始特征點(diǎn)，采用與得到第一面上的特征點(diǎn)類似的方法，求出第二面上的各特征點(diǎn)的位置；
h)、將所述的第一面和第二面上的各特征點(diǎn)依次連接，分別形成兩條連續(xù)曲線；
i)、將所述兩條曲線繞光源光軸旋轉(zhuǎn)，形成透鏡的立體形狀。所述各特征點(diǎn)依次用直線或平滑曲線連接起來。所述透鏡采用折射率為1. 3~4. 2之間的透明材料。本發(fā)明技術(shù)方案適用于點(diǎn)光源系統(tǒng)，S卩LED可以看作點(diǎn)光源，其尺寸遠(yuǎn)小于其到被照面的距離。這時(shí)光源到被照點(diǎn)的距離和方向就相當(dāng)于經(jīng)過透鏡后的折射光線到被照點(diǎn)的距離和方向。讓LED靠近光軸范圍負(fù)責(zé)中心圓光斑的照明、遠(yuǎn)離LED光軸范圍負(fù)責(zé)周圍圓形光斑的照明，且該兩個(gè)范圍的大小根據(jù)兩個(gè)光斑的半徑和照度以及劃分的被照小段的長(zhǎng)度來決定。根據(jù)折射定律確定下來透鏡兩個(gè)面上的各特征點(diǎn)的位置，依次連接并旋轉(zhuǎn)構(gòu)成透鏡的形狀，光線經(jīng)該透鏡折射后即可得到均勻照度的同心圓雙光斑形狀。本設(shè)計(jì)方案中很少有光線照射到光斑以外區(qū)域成為無效光，因此，很少有光源浪費(fèi)的現(xiàn)象，光線利用率很高，能夠適用于多種LED光源。


以下通過附圖對(duì)本發(fā)明透鏡設(shè)計(jì)方法做進(jìn)一步詳細(xì)的描述 圖1是在入射面上劃分小角的方法示意圖2是在入射面與同心圓雙光斑的交線段上劃分小段的方法示意圖； 圖3是確定透鏡表面上各特征點(diǎn)并依次連接的方法一示意圖； 圖4是將圖3各特征點(diǎn)依次連接的方法二示意圖； 圖5是在圖4基礎(chǔ)上得到的透鏡一實(shí)施例剖視圖； 圖6是圖5所示透鏡的光線追跡圖； 圖7是圖5所示透鏡的配光曲線圖； 圖8是圖5所示透鏡的光斑分布圖。
具體實(shí)施例方式本實(shí)施例的兩個(gè)同心圓形雙光斑的圓心為0，每個(gè)光斑的照度分布均勻，分別為 E1、E2。圖1所示，以過LED光源3的光軸L的平面為光線入射面，在該入射面上，將光軸一側(cè)的光源發(fā)光角按照發(fā)光強(qiáng)度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律劃分成等光通量的N個(gè)小角。為使圖形清晰，本實(shí)施例取N=6，即劃分為6個(gè)小角，分別為 Ol，α2，，《4。圖2所示，入射面在該側(cè)與被照同心圓形雙光斑的交線段分別為被照線段Rl和R2。將該被照線段Rl和R2分別以長(zhǎng)度Ll和L2進(jìn)行等距離劃分，分別劃分成 Nl個(gè)被照小段和Ν2個(gè)被照小段，并且滿足以下的線性聯(lián)立方程組
權(quán)利要求
1.一種雙光斑透鏡的設(shè)計(jì)方法，所述雙光斑為同心圓形，每個(gè)光斑的照度分布均勻，分別為El和E2，其設(shè)計(jì)步驟如下a)、以任一過光源光軸的平面作為入射面，在所述入射面上，將光軸一側(cè)的發(fā)光角按照發(fā)光強(qiáng)度隨發(fā)光角度的分布規(guī)律劃分成N個(gè)小角，并使分布在每個(gè)小角內(nèi)的光線的光通量相等，其中N彡4;b)、兩個(gè)光斑分別與所述入射面在上述光軸一側(cè)相交成被照線段Rl和R2，將該被照線段Rl和R2分別以長(zhǎng)度為L(zhǎng)l和L2等分成m個(gè)小段和N2個(gè)小段，并且使m+ N2=N, NlLl=Rl, N2L2=R2, L1/L2=E2/E1 ；c)、將所述光源的N個(gè)小角分成兩個(gè)部分，靠近光軸的部分為m個(gè)小角，與所述Nl個(gè)小段一一對(duì)應(yīng)，遠(yuǎn)離光軸的部分為N2個(gè)小角，與所述N2個(gè)小段一一對(duì)應(yīng)；d)、以所述m個(gè)小段中的邊緣小段作為起始被照小段，以邊緣點(diǎn)為起始被照點(diǎn)，即對(duì)應(yīng)了所述的一個(gè)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的入射光線上取一點(diǎn)作為透鏡第一面上的起始特征點(diǎn)，在該點(diǎn)處，平行于光源與起始被照點(diǎn)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(yù)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(duì)應(yīng)小角，求出與起始特征點(diǎn)相鄰的第二特征點(diǎn)，該第二特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)與起始被照點(diǎn)相鄰的第二被照點(diǎn)；e)、同上一步驟，依次求出m個(gè)小段中的各個(gè)被照點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的透鏡第一面上的各特征點(diǎn)的位置；f)、以與求得m個(gè)小段中的各個(gè)被照點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的透鏡第一面上的各特征點(diǎn)的位置相同的方法，求得N2個(gè)小段中的各個(gè)被照點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的透鏡第一面上的各特征點(diǎn)的位置；g)、在經(jīng)過所述第一面上的起始特征點(diǎn)后的折射線上，根據(jù)透鏡厚度要求取一點(diǎn)，作為透鏡第二面上的起始特征點(diǎn)，采用與得到第一面上的特征點(diǎn)類似的方法，求出第二面上的各特征點(diǎn)的位置；h)、將所述的第一面和第二面上的各特征點(diǎn)依次連接，分別形成兩條連續(xù)曲線；i)、將所述兩條曲線繞光源光軸旋轉(zhuǎn)，形成透鏡的立體形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光斑透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述各特征點(diǎn)依次用直線或平滑曲線連接起來。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光斑透鏡的設(shè)計(jì)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
一種雙光斑透鏡的設(shè)計(jì)方法，所述雙光斑為同心圓形，每個(gè)光斑的照度分布均勻，設(shè)計(jì)步驟為以任一過光源光軸的平面為入射面，在該入射面上，將光源發(fā)光角和兩個(gè)光斑與入射面的交線段按照一定規(guī)律分別劃分成一一對(duì)應(yīng)的小角和被照小段，根據(jù)折射定律，確定被照小段上各被照點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的透鏡第一面1和第二面2上的各特征點(diǎn)的位置，然后分別將各特征點(diǎn)依次連接起來，得到兩條連續(xù)曲線，將該兩條連續(xù)曲線繞光軸旋轉(zhuǎn)，即得透鏡的立體形狀。該方法可以設(shè)計(jì)出能夠形成同心圓形雙光斑的透鏡形狀，且每個(gè)光斑的照度均勻度能夠達(dá)到96%，光線利用率高，適合多種LED光源。
文檔編號(hào)F21Y101/02GK102322611SQ20111030613
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者周士康, 李晟, 許禮, 陳月霞 申請(qǐng)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, 嘉善三思光電技術(shù)有限公司