专利名称：一种正方形均匀光斑的透镜设计方法
技术领域：
本发明涉及一种光学元件的设计方法，更具体地说，涉及一种被照面为正方形均勻光斑的透镜设计方法。
背景技术：
LED用于工程照明时，往往根据不同的使用场合或客户要求，设计不同的透镜来进行配光。在一些使用场合，比如地下车库，广场等，通常不希望使用太多的灯具，但又希望照度能够均勻。如果采用被照面为圆形、椭圆形等光斑形状时，在不增加灯具数量的情况下， 在相邻灯具的衔接处，势必会出现暗区和照射盲点，而使被照面的照度不均勻。从而很难达到客户的使用要求。为了实现使用的灯具少但照射的区域照度均勻，最好的方法即为采用正方形的照射光斑来解决，而如何进行正方形均勻光斑的透镜设计，则是目前需要解决的问题。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种正方形均勻光斑的透镜设计方法，该方法通过简单直观的运算，可以得到任意精度的正方形均勻照射光斑。为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下一种正方形均勻光斑的透镜设计方法，光轴经过光斑中心且垂直于光斑所在平面，其设计步骤如下a)、将正方形光斑沿对称轴分成八个角度均为45度的中心对称的区域，取其中一个区域作为本设计的对象，将该区域划分为n(n ^ 2)个角区，且使每个角区的两个角边的
长度差值相等。b)、分别取每一角区的同一方向的一个角边，以过该角边和光轴的平面为入射面， 在该入射面上，将光源位于光轴的一侧的发光区域按照发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，并使分布在每个小角内的光通量相等；C)、将所述每一入射面上的角边划分成多个小段，所述小段与所述小角一一对应， 调整各小段的长度使其与光源到该小段上被照点的距离平方成反比，与照度成正比；以所述小段中边缘小段作为起始被照小段，以边缘点为起始被照点，即对应了所述的一个小角， 根据透镜第一面离开光源的距离要求，在与起始被照点对应的入射光线上取一点作为透镜第一面上的起始特征点，在该点处，平行于光源与起始被照点连线的直线同入射光线形成一夹角，为透镜的起始光线偏折角，根据预定的比例，将所述偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，角分线作为入射光线经过透镜第一面后的折射线，通过折射定律以及所述的对应小角，求出与起始特征点相邻的第二特征点，该第二特征点对应与起始被照点相邻的第二被照点，按照上述相同的步骤，依次求出各个被照点所对应的第一面上的各特征点的位置； 在经过所述第一面上的起始特征点后的折射线上，根据透镜厚度要求取一点作为透镜第二面上的起始特征点，采用与求得第一面上的特征点类似的方法，求得第二面上的各特征点的位置；将所述的第一面和第二面上的各特征点依次连接，分别形成透镜在每一入射面上的第一面截面形状和第二面截面形状；d)、将上述依次求得的每一入射面上的透镜截面绕光轴分别在该角区内旋转，其旋转角度与该角区的角度相等，由此求得透镜的八分之一形状；根据中心对称规律，进而求得透镜的整体形状。所述各特征点依次用直线或平滑曲线连接起来。当光源为LED，且透镜直径小于30mm时，所述角区数量η彡10。所述透镜采用折射率为1. 34. 2之间的透明材料。本发明技术方案通过将设计对象分成η个角区，分别求得透镜在每个角区所对应的入射面上的截面形状，然后将该截面在该角区内绕光轴以与该角区的角度相同的角度旋转，得到透镜的八分之一形状，最后，根据中心对称原则，得到透镜整体形状。本设计方法简单，直观，通过选择所划分的区域内角区的数量η的大小，来确定形成的光斑与标准正方形光斑的误差大小。该η值越大，越接近标准正方形。但对于LED点光源来说，实际使用中透镜的尺寸做得都不大，而且由于目前透镜的加工工艺水平的限制，当η取值比较大时，相对较多的角区边缘会由于无法加工成严格的尖角而使得照射到这些位置的光线射向了无效区域，不仅影响均勻度，而且造成光源的浪费。而且，对于尺寸比较小的透镜，当η值比较大时，相对较多的无法加工成严格尖角的角区边缘的光线照度不均勻问题对整体照度均勻性的影响相对会更大一些，因此在实际设计中，η的取值大于等于2而小于等于10。
以下通过附图对本发明设计方法做进一步详细的描述图1是对正方形光斑划分区域和角区的设计方法示意图；图2是在图1中一个角区所对应的入射面上划分小角的方法示意图；图3是对位于图2入射面上的角边划分小段的方法示意图；图4是确定透镜在图2入射面上的各特征点并依次连接的方法一示意图；图5是将图4入射面上各特征点依次连接的方法二示意图；图6是将图5所示的透镜截面绕光轴旋转而成的透镜八分之一形状示意图；图7是整体透镜的结构示意图；图8是图7的主视图；图9是图7的底部安装面视图；图10是图7所示透镜的实际测试光斑图；图11是图7所示透镜的实际测试照度分布图。
具体实施例方式以下通过图形和文字描述对本设计方法的具体设计步骤做一详细的说明。如图1所示，首先将正方形光斑沿对称轴分成八个角度均为45度的中心对称的区域，以其中一个区域10作为本发明的设计对象，以下设计步骤均是在该区域10内完成的。 将该区域10划分成η (η >幻个角区，为图示清楚起见，本实施例划分成三个角区，其夹角分别为Y 1、Y 2、γ 3，，其角边分别为11和22，22和33，33和44，每一夹角的两个角边的长度差值均为d。如图2所示，以夹角为Yl的角区为起始，过其一个角边11与光源3的光轴L的平面为第一入射面。在该入射面上，将光源3位于光轴L的一侧的发光区域按照发光强度随发光角度的分布规律划分成四个小角α 、α 2、α 3，α 4，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等。如图3所示，将位于第一入射面上的角边11分成四个小段ab，bC，Cd，de。分别与 α , α2, α3, α 4一一对应。调整各小段的长度，使其与光源3到该小段上被照点的距离 r的平方成反比，并且与所要求的被照区域的照度E成正比。如图4所示，以ab段作为起始被照小段，以a点为起始被照点，则该ab段对应的小角为α 1。根据透镜第一面1离开光源3的距离要求，在与a点对应的入射光线上取一点la，作为透镜第一面1上的起始特征点，在该特征点处，平行于光源3与被照点a的连线的直线同入射光线形成一夹角β 1，该夹角即为透镜的起始光线偏折角。根据预先设定的比例，将该偏折角β 1分成两个部分，第一偏折角β 11和第二偏折角β 12，本实施例取 β β 12= 1 1，角分线作为入射光线经过第一面1的起始特征点Ia后的折射线，通过折射定律，确定Ia点的法线nl，垂直于法线nl的直线与所述的光线入射面形成一交线， 该交线与小角β 1的角边的交点分别为Ia和lb，lb点即作为第二特征点。在第二被照小段be上，取b点为第二被照点，则b点对应了该第二特征点lb。依照上述的确定第二特征点Ib的方法，依次求得被照点c、d、e所对应的第一面1上的特征点lc、ld、le。根据透镜厚度的要求，在经过第一面1上的起始特征点Ia后的折射线上取一点加作为第二面2上的起始特征点，以该折射线作为透镜第二面2的入射线，以在该加点平行于被照点a与光源的连线的直线为透镜第二面2的折射线，该入射线和折射线方向即为图示的第二偏折角β 12的两个角边方向，采用与确定第一面1的特征点完全相同的方法，依次求得第二面2上的特征点2b、2c、2d、2e的位置。图4是将各特征点通过直线段依次连接起来，形成透镜在第一入射面上的第一面1的截面形状和第二面2的截面形状。图5是将各特征点通过曲线线段依次连接起来，形成透镜在第一入射面上的第一面1的截面形状和第二面2的截面形状。前述实施例均是取边缘点a为起始被照点，逐次确定各特征点的位置。当然，也可以另一边缘点e为起始被照点，该e所对应的入射光线即为沿光轴方向的光线，则从对应的起始特征点Ie开始，逐次确定各特征点位置。再以通过夹角为Y 2的角边22和光源3的光轴L的平面为第二入射面，采用与前述相同的方法将光源3位于光轴L的一侧的发光区域按照发光强度随发光角度的分布规律划分成四个小角，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等。将位于第二入射面上的角边22分成与四个小角一一对应的四个小段。采用与前述相同的方法，求得透镜在第二入射面上的第一面的截面形状和第二面的截面形状。以此类推，以通过夹角为Y 3的角边33和光源3的光轴L的平面为第三入射面，采用与前述相同的方法将光源3位于光轴L的一侧的发光区域按照发光强度随发光角度的分布规律划分成四个小角，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等。将位于第三入射面上的角边33分成与四个小角一一对应的四个小段。采用与前述相同的方法，求得透镜在第三入射面上的第一面截面形状和第二面截面形状。如果η取其他值，按照上述方法，得到η个入射面，依次求得透镜在这η个入射面上的第一面截面形状和第二面截面形状。将上述依次求得的每一入射面上的透镜截面绕光轴L分别在该角区内旋转，其旋转角度与该角区的角度相等，由此求得透镜的八分之一形状。图6所示是根据图5所示的透镜截面绕光轴旋转而成的八分之一区域内的透镜形状示意图。将图6所示透镜的八分之一区域形状根据中心对称原理，得到图7所示的透镜的整体结构。图8是该透镜的主视图，图9是该透镜的底部安装面视图，其中光源3安装在透镜底部凹口 30内。图10是根据本发明设计方法得到的图7所示透镜的实际测试光斑图，图11是其实际测试照度图。从图中可见，光斑已经非常接近标准正方形，照度均勻度也可达到0.9。 如果η取值越大，光斑越接近标准正方形。但如果光源采用LED时，由于加工工艺水平的限制和实际使用中透镜的尺寸较小，一般透镜直径小于30mm，这时η的取值不宜过大，因为对照度的均勻性会产生影响。因此，实际设计中，一般η的取值为大于等于2而小于等于10， 这样可以同时兼顾到光斑形状和照度均勻性，使其更加符合实际使用要求。
权利要求
1.一种正方形均勻光斑的透镜设计方法，光轴经过光斑中心且垂直于光斑所在平面， 设计步骤如下a)、将正方形光斑沿其对称轴分成八个角度均为45度的中心对称的区域，取其中一个区域作为本设计的对象，将该区域划分为n(n ^ 2)个角区，且使每个角区的两个角边的长度差值相等。b)、分别取每一角区的同一方向的一个角边，以过该角边和光轴的平面为入射面，在该入射面上，将光源位于光轴的一侧的发光区域按照发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，并使分布在每个小角内的光通量相等；c)、将所述每一入射面上的角边划分成多个小段，所述小段与所述小角一一对应，调整各小段的长度使其与光源到该小段上被照点的距离平方成反比，与照度成正比；以所述小段中边缘小段作为起始被照小段，以边缘点为起始被照点，即对应了所述的一个小角，根据透镜第一面离开光源的距离要求，在与起始被照点对应的入射光线上取一点作为透镜第一面上的起始特征点，在该点处，平行于光源与起始被照点连线的直线同入射光线形成一夹角，为透镜的起始光线偏折角，根据预定的比例，将所述偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，角分线作为入射光线经过透镜第一面后的折射线，通过折射定律以及所述的对应小角， 求出与起始特征点相邻的第二特征点，该第二特征点对应与起始被照点相邻的第二被照点，按照上述相同的步骤，依次求出各个被照点所对应的第一面上的各特征点的位置；在经过所述第一面上的起始特征点后的折射线上，根据透镜厚度要求取一点作为透镜第二面上的起始特征点，采用与求得第一面上的特征点相同的方法，求得第二面上的各特征点的位置；将所述的第一面和第二面上的各特征点依次连接，分别形成透镜在每一入射面上的第一面截面形状和第二面截面形状；d)、将上述依次求得的每一入射面上的透镜截面绕光轴分别在该角区内旋转，其旋转角度与该角区的角度相等，由此求得透镜的八分之一形状；根据中心对称规律，进而求得透镜的整体形状。
2.根据权利要求1所述的正方形均勻光斑的透镜设计方法，其特征在于所述各特征点依次用直线或平滑曲线连接起来。
3.根据权利要求1所述的正方形均勻光斑的透镜设计方法，其特征在于当光源为 LED，且透镜直径小于30mm时，所述角区数量η < 10。
4.根据权利要求1所述的正方形均勻光斑的透镜设计方法，其特征在于所述透镜采用折射率为1. 3 4. 2之间的透明材料。
全文摘要
本发明公开一种正方形均匀光斑的透镜设计方法，首先将正方形光斑沿其对称轴分成八个中心对称区域，将其中一个区域划分为n(n≥2)个角区，每个角区的两个角边长度差值相等；分别以过每一角区的一个角边和光轴的平面为入射面，将该入射面上光源位于光轴一侧的发光区域按照发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等，再将每一入射面上的角边划分成与小角一一对应的多个小段，根据折射定律，依次求得透镜在每一入射面上的第一面和第二面的截面形状，将该透镜截面绕光轴分别在其所在的角区内旋转，且旋转角度与该角区的角度相等，求得透镜的八分之一形状；根据中心对称规律，求得透镜整体形状。本方法简单、直观、灵活。
文档编号F21V5/04GK102287754SQ201010204040
公开日2011年12月21日 申请日期2010年6月18日 优先权日2010年6月18日
发明者周士康, 李晟, 陈春根 申请人:上海三思电子工程有限公司, 上海三思科技发展有限公司, 嘉善晶辉光电技术有限公司