用于LED支架式、板上芯片、阵列式、系统封装、印刷电路板 封装和硅基封装等封装形式。
[0044] -种高出光效率的自由曲面透镜的设计方法，包括以下步骤：
[0045] S1.如图1所示，以任意一个过光源光轴Z的平面为入射面，光源位于坐标原点0,光 源发光角度Θ为光线出射方向与光轴正方向0Z的夹角，将光源向外发出的光能量等分成N 份，N的取值为100~2000，每份光通量Φ i相等，得到每一个等分角度0i，i = 1~N。
[0046] S2.如图2所示，按照不同照明要求如光斑形状、照度分布等，将目标面100同样划 分成N份，每部分面积相等，找出对应每份入射光通量Φ i的光斑尺寸ri。
[0047] S3.如图3所示，确定内表面102偏折系数k，根据公式：
[0049] 其中，fQ为透镜内表面102中心点高度，m为进入透镜前入射光线所在的介质的折 射率，n2为透镜材料的折射率。根据上述公式求得每条光线从原点到透镜内表面102的距离 函数f，进而求出透镜内表面102的各个AAi。采用光滑或非光滑将所得距离f对应的点仏连 成曲线。对于旋转对称的透镜，则只需将得到的曲线进行旋转对称即得到透镜内表面102; 对于非旋转对称的透镜，则还需将光源光线的空间分布切成Μ份，采用同样的方法求得Μ条 透镜内表面曲线。将这些曲线缝合成曲面，即得到透镜的内表面102。
[0050] S4.根据斯涅尔定律，结合外表面101中心点高度do、内表面102的折射光线角度γ =k0以及光线穿过透镜外表面101的出射方向，确定透镜外表面101的种线点Bi，采用光滑 或非光滑将种线上的点仏连成曲线。对于旋转对称的透镜，只需将得到的曲线进行旋转对 称即得到透镜外表面101;对于非旋转对称的透镜，采用同样的方法在整个空间求得Μ条透 镜外表面曲线。将这些曲线缝合成曲面，即得到透镜的外表面101。
[0051 ] S5.如图5、7所示，将透镜的内表面102和外表面101封闭成实体，经过旋转、拉伸、 切除等操作得到最终的自由曲面透镜。
[0052] 实施例1
[0053] S1.本实施例选取Χ0Ζ平面为入射面，光源位于坐标原点0,光源的配光曲线，即光 源的光能量在空间上的强度分布为朗伯型。将光源向外发出的光能量等分为Ν = 200份，则 每一个等分角度91可以由公式：
[0055] 求得；
[0056] S2.本实施例选取照明区域形状为圆形，半径为R = 100mm，照明区域距离LED中心 的距离为L = 50mm，照度分布为光斑内所有区域照度相等。然后根据光斑形状、照度分布要 求将目标面100同样划分成N=200份。则每一份面积所对应的光斑半径可以由公式：
[0058] 求得；
[0059] S3.本实施例选取内表面102角度偏折系数为k = 0.5,透镜内表面102中心点高度 为fo = 4mm，透镜外部的介质为空气，即m = l，透镜的材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，折射 率m=l.4935,则根据公式可以求得每条光线从原点到透镜内表面102的距离函数f(0):
[0061]进而可求出透镜内表面102上的各个点Ai。采用二次B样条曲线将所有点练成一条 曲线。由于本实施例的目标面是旋转对称，因此只需要将得到的曲线进行旋转对称即可得 到透镜内表面102。
[0062 ] S4.选取外表面101中心点高度do = 6mm，则根据斯涅耳定律，结合内表面10 2的折 射光线角度γ : = ，以及光线穿过透镜外表面101的出射方向（射向目标面点^)，确定透 镜外表面101的种线点^，采用二次B样条曲线将种线点练成曲线，并将曲线进行旋转对称 即可得到透镜外表面101;
[0063] S5.将透镜的内表面102和外表面101封闭成实体，经过旋转操作即可得到最终的 自由曲面透镜。
[0064] 参见图7,为本实施例的自由曲面透镜形貌图。参见图8,为本实施例中的自由曲面 透镜在目标面100上的照度分布图。经计算，照度均匀性为0.91，菲涅尔光学损失为7.9%， 出光效率高达92.1%。
[0065] 实施例2
[0066] 以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，区别在于，本实施例中自由曲面材质 是PC(聚碳酸酯），内表面102中心点高度为5mm，外表面101中心点高度为8mm;内表面102角 度偏折系数k= 1。目标面是半径为R = 200mm的圆形，光源到目标面100的距离是L=100mm。 图9为本实施例的自由曲面透镜形貌图，图10为本实施例中自由曲面透镜在目标面100上的 照度分布图。经计算，照度均匀性为0.94，菲涅尔光学损失为9.8%，出光效率达90.2%。 [0067]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种高出光效率的自由曲面透镜，其特征在于:所述自由曲面透镜（1)为半圆形，自 由曲面透镜（1)的底面设有圆锥形凹槽(2)，自由曲面透镜（1)的半圆形面为外表面（101)， 自由曲面透镜（1)圆锥形凹槽(2)面为内表面（102)，内表面（102)和外表面（101)构成两个 自由曲面。2. 根据权利要求1所述的一种高出光效率的自由曲面透镜，其特征在于:所述的内表面 (102)中心高度为3mm~20mm，外表面（101)的中心高度为高于内表面（102)中心高度3mm~ 10mm〇3. 根据权利要求1所述的一种高出光效率的自由曲面透镜，其特征在于:所述自由曲面 透镜（1)为单颗自由曲面透镜或多颗自由曲面透镜阵列形式排列，安装时自由曲面透镜与 光源的对应关系为一对一或一对多或多对一关系。4. 根据权利要求1所述的一种高出光效率的自由曲面透镜，其特征在于:所述自由曲面 透镜（1)圆锥形凹槽(2)还可为倒置圆锥形凹槽或半圆形凹槽。5. 根据权利要求1所述的一种高出光效率的自由曲面透镜，其特征在于:所述自由曲面 透镜（1)的材料是PC聚碳酸酯或PMMA聚甲基丙烯酸甲酯或PS聚苯乙烯或玻璃透光材料，其 透光率大于90 %。6. 根据权利要求1所述的一种高出光效率的自由曲面透镜，其特征在于:所述自由曲面 透镜(1)的加工方式为开模注塑或熔融压铸或精密加工的一种或多种。7. 根据权利要求1所述的一种高出光效率的自由曲面透镜，其特征在于:所述自由曲面 透镜（1)适用于LED支架式、板上芯片、阵列式、系统封装、印刷电路板封装和硅基封装的封 装形式。8. -种高出光效率的自由曲面透镜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：51. 以任意一个过光源光轴Z的平面为入射面，光源位于坐标原点0,光源发光角度Θ为 光线出射方向与光轴正方向0Z的夹角，将光源向外发出的光能量等分成N份，N的取值为100 ~2000，每份光通量Φ i相等，得到每一个等分角度0i，i = 1~N;52. 按照不同照明要求如光斑形状、照度分布，将目标面同样划分成N份，每部分面积相 等，找出对应每份入射光通量的Φ i光斑尺寸η;53. 给定内表面偏折系数k，根据公式：其中，fo为透镜内表面（102)中心点高度，m为进入透镜前入射光线所在的介质的折射 率，仍为透镜材料的折射率;根据上述公式求得每条光线从原点到透镜内表面(102)的距离 函数f，进而求出透镜内表面（102)的各个点A 1;采用光滑或非光滑将所得距离f对应的点仏 连成曲线；对于旋转对称的透镜，则只需将得到的曲线进行旋转对称即得到透镜内表面 (102);对于非旋转对称的透镜，则还需将光源光线的空间分布切成Μ份，采用同样的方法求 得Μ条透镜内表面(102)曲线;将这些曲线缝合成曲面，即得到透镜的内表面(102);54. 根据斯涅尔定律，结合外表面（101)中心点高度do、内表面（102)的折射光线角度γ = k0，以及光线穿过透镜外表面（101)的出射方向，确定透镜外表面（101)的种线点Bi，采用 光滑或非光滑将种线上的点h连成曲线；对于旋转对称的透镜，只需将得到的曲线进行旋 转对称即得到透镜外表面(101);对于非旋转对称的透镜，采用同样的方法在整个空间求得 Μ条透镜外表面曲线;将这些曲线缝合成曲面，即得到透镜的外表面(101); S5.将透镜的内表面（102)和外表面（101)封闭成实体，得到最终的自由曲面透镜。9.根据权利要求8所述的一种高出光效率的自由曲面透镜的设计方法，其特征在于，所 述步骤S3中，k的取值为0~l，k值越小，则光线入射到内表面（102)后偏离原来的传播方向 越大。
【专利摘要】本发明涉及一种高出光效率的自由曲面透镜及设计方法，自由曲面透镜为半圆形，自由曲面透镜的底面为圆锥形凹槽，自由曲面透镜的半圆形面为外表面，自由曲面透镜圆锥形凹槽面为内表面，内表面和外表面构成两个自由曲面。本发明还公开了该自由曲面透镜的设计方法。本发明的设计方法简单，通过对透镜的内外表面同时进行设计，可以实现特定的照明光型；由于透镜内外表面都是自由曲面，因此优化透镜形状，可以使得透镜的光能量损失最小，从而使LED发出的光高效率地投射到照明平面；由于透镜的材料是产业界常用的透光材料，因此加工成本低，适用于大规模生产。
【IPC分类】G06F17/50, H01L33/58, G02B27/00, G02B3/02
【公开号】CN105607164
【申请号】CN201510998052
【发明人】李春峰, 罗小兵, 谢斌, 边盾
【申请人】天津中环电子照明科技有限公司
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2015年12月25日