專利名稱：一種實現(xiàn)連續(xù)變焦的新型led全反射式透鏡及設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導體照明領(lǐng)域，涉及ー種實現(xiàn)連續(xù)變焦的新型LED全反射式透鏡及設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
如今，LED由于其壽命長，低能耗等眾多優(yōu)勢在各種領(lǐng)域得到了廣泛的應用，如道路照明，LED投影機以及室內(nèi)照明等等。在許多應用場合中，被照明的目標面與光源的距離以及光束的視場角都不是固定不變的，如應用于夜間監(jiān)控系統(tǒng)的紅外照明設(shè)備，要求能夠根據(jù)紅外攝像機的變焦范圍改變自身的視場角以及能量密度分布，使其照射范圍覆蓋整個監(jiān)控區(qū)域，若紅外燈的視場角過大，會造成光能浪費，反之則會產(chǎn)生手電筒效應，影響照明效果。因此，需要設(shè)計連續(xù)變焦的LED照明光學系統(tǒng)。傳統(tǒng)的實現(xiàn)連續(xù)變焦的照明光學系統(tǒng)多采用多片透鏡形式進行配光，這種形式存 在以下幾點問題。首先，該結(jié)構(gòu)無法收集大角度光束，造成了光能的浪費。第二，由于透鏡個數(shù)往往多于I個，導致系統(tǒng)體積較大。最后，傳統(tǒng)透鏡結(jié)構(gòu)的設(shè)計自由度較低，針對某ー種或者兩種模式設(shè)計得到的結(jié)構(gòu)僅在該模式下效果較好，偏離后其光束均勻性則明顯下降。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種實現(xiàn)連續(xù)變焦的新型LED全反射式透鏡及方法，在傳統(tǒng)全反射式透鏡的基礎(chǔ)上，依據(jù)準直模式與發(fā)散模式對光強分布的不同要求，分別設(shè)計其透射面與全反射面。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下一種實現(xiàn)連續(xù)變焦的新型LED全反射式透鏡，該透鏡包括底部容腔、全反射面、外圍平面和中心透射面，全反射面與底部容腔和外圍平面相連，外圍平面與中心透射面相連，底部容腔、全反射面、外圍平面和中心透射面以光軸對稱，全反射面和中心透射面均為自由曲面?；讴`種實現(xiàn)連續(xù)變焦的新型LED全反射式透鏡的設(shè)計方法，該方法包括如下步驟步驟ー根據(jù)光源LED與中心透射面的距離，和光線經(jīng)過中心透射面后準直出射，計算中心透射面的面形結(jié)構(gòu)；步驟ニ 設(shè)LED為理想朗伯體，求得歸ー化的光強分布和相應累積光通量分布，入射累積光通量由經(jīng)中心透射面的光通量和經(jīng)全反射面出射的光通量組成，使LED沿光軸方向移動特定距離，根據(jù)LED與底部容腔的距離和底部容腔的半寬度，求解中心透射面與全反射面所分配角度的臨界值；步驟三根據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)遠場目標面照度均勻的光強分布求出理想的出射累積光通量分布；由理想出射能量分布形式得到，出射累積光通量等于入射累積光通量，求得全反射面上的入射光線與出射光線的對應關(guān)系，進而計算出全反射面面形結(jié)構(gòu)；
步驟四在光學仿真軟件中進行模擬，依據(jù)模擬結(jié)果，添加修正因子，得到新的全反射面上的入射光線與出射光線的對應關(guān)系；利用光學仿真軟件再次進行模擬，直至模擬結(jié)果符合要求，完成實現(xiàn)連續(xù)變焦的新型LED全反射式透鏡的設(shè)計方法。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明一種實現(xiàn)連續(xù)變焦的新型LED全反射式透鏡采用單個全反射式透鏡實現(xiàn)連續(xù)變焦，系統(tǒng)體積較小，且便于裝調(diào)。該設(shè)計方法采用自由曲面形式進行光能分配，提高了系統(tǒng)的光能利用率以及目標面的照度均勻度。


圖I本發(fā)明一種實現(xiàn)連續(xù)變焦的新型LED全反射式透鏡的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
如圖I所示，一種實現(xiàn)連續(xù)變焦的新型LED全反射式透鏡，該透鏡包括由平面I和平面2構(gòu)成的底部容腔、全反射面3、外圍平面4和中心透射面5，全反射面3與底部容腔I和外圍平面4相連，外圍平面4與中心透射面5相連,所述底部容腔、全反射面3、外圍平面4和中心透射面5以光軸對稱，全反射面3以及透射面5均為自由曲面。光源在位置P1
時經(jīng)中心透射面實現(xiàn)光束準直，在P2時則光束發(fā)散。當LED位于位置P1時，0< <釣的光
線經(jīng)平面I和中心透射面5透射后平行于光軸射出。當LED位于位置P2時，(P2 <a<nj2的
光線經(jīng)平面2透射，全反射面3全反射，最后從平面4出射后與經(jīng)平面I和中心透射面5透射的光線共同實現(xiàn)遠場目標面照度均勻?；谝环N實現(xiàn)連續(xù)變焦的新型LED全反射式透鏡的設(shè)計方法，該方法包括如下步驟步驟一根據(jù)光源LED的位置P1與中心透射面5的距離，和光線經(jīng)過中心透射面5后準直出射，計算中心透射面5的面形結(jié)構(gòu)；步驟二 設(shè)LED為理想朗伯體，求得歸一化的入射光強分布和相應累積光通量分布，即I(a)=cosaΦ\οι) - J I{a')ch\' = ^sin2 a ,其中，a為光源的入射角，w為光源的立體角，入射累積光通量由經(jīng)中心透射面的光通量ΦΜ Μ(； (α)和經(jīng)全反射面出射的光通量ΦΤΙΚ(α)組成。在步驟一中，中心透射面的面形結(jié)構(gòu)已經(jīng)得出。因此，可根據(jù)斯涅耳定律以及能量守恒定律，求得LED沿光軸移動任意距離透射部分的光強分布形式和視場角的大小。根據(jù)所要求的最大視場角值，即可確定LED沿光軸移動的距離。使LED沿光軸方向移動I至P2，設(shè)LED在P1點時與平面I的距離為h，通過底部容腔的距離h和底部容腔的半寬度d，求解中心透射面與全反射面所分配角度的臨界值爐2
φ、- arctan(6//(/7 ~0)
中心透射面的光通量ΦΜ&-( α )和經(jīng)全反射面出射的光通量ΦΤΙΚ( α )
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)連續(xù)變焦的新型LED全反射式透鏡，其特征在干，該透鏡包括底部容腔、全反射面、外圍平面和中心透射面，全反射面與底部容腔和外圍平面相連，外圍平面與中心透射面相連，所述底部容腔、全反射面、外圍平面和中心透射面以光軸對稱，全反射面和中心透射面均為自由曲面。
2.基于權(quán)利要求I所述的ー種實現(xiàn)連續(xù)變焦的新型LED全反射式透鏡的設(shè)計方法，其特征在于，該方法包括如下步驟步驟ー根據(jù)光源LED與中心透射面的距離，和光線經(jīng)過中心透射面后準直出射，計算中心透射面的面形結(jié)構(gòu)；步驟ニ 設(shè)LED為理想朗伯體，求得歸ー化的光強分布和相應累積光通量分布，入射累積光通量由經(jīng)中心透射面的光通量和經(jīng)全反射面出射的光通量組成，使LED沿光軸方向移動特定距離，根據(jù)LED與底部容腔的距離和底部容腔的半寬度，求解中心透射面與全反射面所分配角度的臨界值；步驟三根據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)遠場目標面照度均勻的光強分布求出理想的出射累積光通量分布；由理想出射能量分布形式得到，出射累積光通量等于入射累積光通量，求得全反射面上的入射光線與出射光線的對應關(guān)系，進而計算出全反射面面形結(jié)構(gòu)；步驟四在光學仿真軟件中進行模擬，依據(jù)模擬結(jié)果，添加修正因子，得到新的全反射面上的入射光線與出射光線的對應關(guān)系；利用光學仿真軟件再次進行模擬，直至模擬結(jié) 果符合要求，完成實現(xiàn)連續(xù)變焦的新型LED全反射式透鏡的設(shè)計方法。
全文摘要
一種實現(xiàn)連續(xù)變焦的新型LED全反射式透鏡及設(shè)計方法屬于半導體照明領(lǐng)域，該透鏡包括底部容腔、全反射面、外圍平面和中心透射面，全反射面與底部容腔和外圍平面相連，外圍平面與中心透射面相連，底部容腔、全反射面、外圍平面和中心透射面以光軸對稱，全反射面和中心透射面均為自由曲面。本發(fā)明一種實現(xiàn)連續(xù)變焦的新型LED全反射式透鏡采用單個全反射式透鏡實現(xiàn)連續(xù)變焦，系統(tǒng)體積較小，且便于裝調(diào)。該設(shè)計方法采用自由曲面形式進行光能分配，提高了系統(tǒng)的光能利用率以及目標面的照度均勻度。
文檔編號F21Y101/02GK102829432SQ20121027979
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月8日
發(fā)明者劉華, 辛迪, 盧振武 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所