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LED双向准直透镜

阅读：338发布：2020-05-11

专利汇可以提供LED双向准直透镜专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种LED双向准直透镜，涉及一种LED透镜。它由第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面、第七曲面、第八曲面、第九曲面、第十曲面、第十一曲面、第十二曲面构成的实体，第一曲面为旋转对称自由曲面，第二曲面为半圆状平面，第三曲面为利用全反射原理的旋转对称自由曲面，第四曲面为全反射面，第五曲面为水平面，第六曲面为非旋转对称自由曲面，第七曲面、第八曲面、第十一曲面和第十二曲面均为不参与光线方向控制的平面，第九曲面为透镜本体的前平面，第十曲面为透镜本体的后平面。本发明具有良好的光线控制能力，不仅可以实现双向准直的近似矩形光束，而且还能够保持较高的光效。，下面是LED双向准直透镜专利的具体信息内容。

权利要求

1.LED双向准直透镜，包括透镜本体(1)，其特征在于：所述透镜本体(1)为由第一曲面(11)、第二曲面(12)、第三曲面(13)、第四曲面(14)、第五曲面(15)、第六曲面(16)、第七曲面(17)、第八曲面(18)、第九曲面(19)、第十曲面(110)、第十一曲面(111)、第十二曲面(112)构成的实体；
其中，所述第一曲面(11)为旋转对称自由曲面，用于将 LED灯发出的光线折射，并使折射后的光线与第一曲面(11)的对称轴垂直；
所述第二曲面(12)为半圆状平面，用于将LED发出的光线折射，并使折射后的所有光线均能到达第三曲面(13)；
所述第三曲面(13)为利用全反射原理的旋转对称自由曲面，用于将经过第二曲面(12)折射之后的光线反射至与对称轴垂直的方向；
所述第一曲面(11)的对称轴、第二曲面(12)的对称轴和第三曲面(13)的对称轴为垂直第二曲面(12)且经过第二曲面(12)中心的轴线；
所述第四曲面(14)为利用全反射原理的全反射面，将经过的所有光线反射至与第二曲面(12)的对称轴垂直的方向；
第五曲面(15)均为水平面，用于让经过第四曲面(14)准直后的光线通过，并使折射后的光线的方向保持不变；
所述第六曲面(16)为非旋转对称自由曲面，用于准直已经被第一曲面(11)、第二曲面(12)、第三曲面(13)准直，但未经过所述第四曲面(14)的光线；
所述第七曲面(17)为不参与光线方向控制的平面，用于使所述透镜本体(1)可被加工，且所述第七曲面(17)、第四曲面(14)的临界光线和第六曲面(17)的临界光线平行；
所述第八曲面(18)为不参与光线方向控制的垂直平面，用于连接第五曲面(15)和第七曲面(17)；
所述第九曲面(19)为所述透镜本体(1)的前平面，第十曲面(110)为透镜本体(1)的后平面，所述第九曲面(19)和第十曲面(110)均为不参与光线方向控制的垂直平面；
所述第十一曲面(111)为不参与光线方向控制的水平面，用于封闭透镜本体(1)的左侧底部；
所述第十二曲面(112)为不参与光线方向控制的水平面，用于封闭透镜本体(1)的右侧底部。
2.根据权利要求1所述的LED双向准直透镜，其特征在于：所述第一曲面(11)上点的坐标由下式计算得出，
确定第一曲面(11)的初始点的坐标值，所述第一曲面(11)的初始点为第一曲面(11)与z轴的交点，并通过迭代的方式计算轮廓曲线上点的坐标值，令当前已知点(xi-1,zi-1)的法向量为N＝(Nx,Nz)，要计算的轮廓曲线下一点对应的入射光线与z轴的夹角为θi，则下一点的坐标值(xi,zi)为：
其中k＝Nx/Nz。
3.根据权利要求2所述的LED双向准直透镜，其特征在于：所述第一曲面(11)的初始点的z轴坐标值为3-100mm，第一曲面(11)的边缘对应的LED光线与z轴夹角为5-50°。
4.根据权利要求2所述的LED双向准直透镜，其特征在于：所述第三曲面(13)上点的坐标由下式计算得出，确定第三曲面(13)的初始点的坐标值，所述第三曲面(13)的初始点为第二曲面(12)与x轴的交点，并通过迭代的方式计算轮廓曲线上点的坐标值，令当前已知点(xi-1,zi-1)的法向量为N＝(Nx,Nz)，要计算的轮廓曲线下一点对应的入射光线与z轴的夹角为θi，则下一点的坐标值(xi,zi)为：
其中k＝Nx/Nz。
5.根据权利要求4所述的LED双向准直透镜，其特征在于：所述第二曲面(12)垂直于z＝
0平面，且所述第二曲面(12)的初始点为第一曲面(11)的边缘点。
6.根据权利要求5所述的LED双向准直透镜，其特征在于：所述第一曲面(11)的对称轴、第二曲面(12)的对称轴和第三曲面(13)的对称轴均为x轴。
7.根据权利要求6所述的LED双向准直透镜，其特征在于：所述第四曲面(14)上点的坐标由下式计算得出，
首先确定第四曲面(14)的初始点的坐标值，所述第四曲面(14)的初始点为第三曲面(13)的边缘点，通过迭代的方式计算轮廓曲线上点的坐标值,令当前已知点(yi-1,zi-1)的法向量为N＝(Ny,Nz)，要计算的轮廓曲线下一点对应的入射光线与z轴的夹角为θi，则下一点的坐标值(yi,zi)为：
其中k＝Ny/Nz。
8.根据权利要求7所述的LED双向准直透镜，其特征在于：所述第五曲面(15)轮廓线为一条水平直线，第五曲面(15)上点的坐标由下式计算得出，确定第五曲面(15)的初始点的坐标值，所述第五曲面(15)的初始点为第四曲面(14)的边缘点，由初始点延y轴方向向内侧做直线，该直线的长度与第四曲面在y轴方向的宽度相同。
9.根据权利要求8所述的LED双向准直透镜，其特征在于：所述第七曲面(17)的轮廓线为一条斜直线，首先确定第七曲面(17)的初始点的坐标值，所述第七曲面(17)的初始点为第六曲面(16)的边缘点，由初始点延第六曲面(16)边缘光线方向向外侧做直线，该直线终点交于第五曲面(15)的边缘点在y轴方向的拉伸曲线。
10.根据权利要求9所述的LED双向准直透镜，其特征在于：所述第八曲面(18)的轮廓线为一条垂直直线，首先确定第八曲面(18)的初始点的坐标值，所述第八曲面(18)的初始点为第七曲面(17)的边缘点，由初始点延z轴方向向外侧做直线，该直线的终点交于第五曲面(15)的边缘点。

说明书全文

LED双向准直透镜

技术领域

[0001] 本发明涉及一种LED透镜，具体说是一种LED双向准直透镜。

背景技术

[0002] LED作为一种新型光源，由于其高光效，寿命长，无毒害等优点使其成为白炽灯、荧光灯等传统的光源的完美替代者。但由于LED的光强分布为圆形的朗伯型分布，如果直接应用于照明，则会在目标面上形成极为不均匀的照度分布，无法满足各种照明场合对灯具光学性能的要求。为了使LED更好的应用于照明领域，需要设计二次光学系统重新分配LED的光强分布，使得其在目标面能够形成均匀或者其它特定的照度分布。

[0003] 在船舶航行等可见光引导应用场合，需要近似矩形的准直光束，因此光线为双向准直光。为此，至少需要两个光学表面控制LED光线的方向，其中第一个表面控制横向方向准直，第二个表面控制纵向方向准直。中国发明专利申请说明书CN201410125879给出了一种用于获得圆形准直照明效果的设计方法。但无法获得近似矩形的准直光束。中国发明专利申请说明书CN201410126870给出了一种获得大视场角矩形照明的设计方法。但该方法最多可实现单向准直，无法实现近似矩形的双向准直光束。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了提供一种LED双向准直透镜，它能控制横向方向和纵向方向光线准直，并且收集LED的全部光线，具有较高的光效。

[0005] 为了实现上述目的，本发明的技术方案为：LED双向准直透镜，包括透镜本体，其特征在于：所述透镜本体为由第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面、第七曲面、第八曲面、第九曲面、第十曲面、第十一曲面、第十二曲面构成的实体；其中，所述第一曲面为旋转对称自由曲面，用于将 LED灯发出的光线折射，并使折射后的光线与第一曲面的对称轴垂直；所述第二曲面为半圆状平面，用于将LED发出的光线折射，并使折射后的所有光线均能到达第三曲面；所述第三曲面为利用全反射原理的旋转对称自由曲面，用于将经过第二曲面折射之后的光线反射至与对称轴垂直的方向；所述第一曲面的对称轴、第二曲面的对称轴和第三曲面的对称轴为垂直第二曲面且经过第二曲面中心的轴线；所述第四曲面为利用全反射原理的全反射面，将经过的所有光线反射至与第二曲面的对称轴垂直的方向；第五曲面为水平面，用于让经过第四曲面准直后的光线通过，并使折射后的光线的方向保持不变；所述第六曲面为非旋转对称自由曲面，用于准直已经被第一曲面、第二曲面、第三曲面准直，但未经过所述第四曲面的光线；所述第七曲面为不参与光线方向控制的平面，用于使所述透镜本体可被加工，且所述第七曲面与第四曲面的临界光线和第六曲面的临界光线平行；所述第八曲面为不参与光线方向控制的垂直平面，用于连接第五曲面和第七曲面；所述第九曲面为所述透镜本体的前平面，第十曲面为透镜本体的后平面，所述第九曲面和第十曲面均为不参与光线方向控制的垂直平面；所述第十一曲面为不参与光线方向控制的水平面，用于封闭透镜本体的左侧底部；所述第十二曲面为不参与光线方向控制的水平面，用于封闭透镜本体的右侧底部。

[0006] 在上述技术方案中，所述第一曲面上点的坐标由下式计算得出，确定第一曲面的初始点的坐标值，所述第一曲面的初始点为第一曲面与z轴的交点，并通过迭代的方式计算轮廓曲线上点的坐标值，令当前已知点(xi-1,zi-1)的法向量为N＝(Nx,Nz)，要计算的轮廓曲线下一点对应的入射光线与z轴的夹角为θi，则下一点的坐标值(xi,zi)为：

[0007] 其中k＝Nx/Nz。

[0008] 在上述技术方案中，所述第一曲面的初始点的z轴坐标值为 3-100mm，最佳为6mm。第一曲面的边缘对应的LED光线与z轴夹角为5-50°，最佳为34°。

[0009] 在上述技术方案中，所述第二曲面垂直于z＝0平面，且所述第二曲面的初始点为第一曲面的边缘点。

[0010] 在上述技术方案中，所述第三曲面上点的坐标由下式计算得出，确定第三曲面的初始点的坐标值，所述第三曲面的初始点为第二曲面与x轴的交点，并通过迭代的方式计算轮廓曲线上点的坐标值，令当前已知点(xi-1,zi-1)的法向量为N＝(Nx,Nz)，要计算的轮廓曲线下一点对应的入射光线与z轴的夹角为θi，则下一点的坐标值(xi,zi)为：

[0011] 其中k＝Nx/Nz。

[0012] 在上述技术方案中，所述第一曲面的对称轴、第二曲面的对称轴和第三曲面的对称轴均为x轴。

[0013] 在上述技术方案中，所述第四曲面上点的坐标由下式计算得出，首先确定第四曲面的初始点的坐标值，所述第四曲面的初始点为第三曲面的边缘点，通过迭代的方式计算轮廓曲线上点的坐标值,令当前已知点(yi-1,zi-1)的法向量为N＝(Ny,Nz)，要计算的轮廓曲线下一点对应的入射光线与z轴的夹角为θi，则下一点的坐标值(xi,zi)为：

[0014] 其中k＝Ny/Nz。

[0015] 在上述技术方案中，所述第五曲面轮廓线为一条水平直线，首先确定第五曲面的初始点的坐标值，所述第五曲面的初始点为第四曲面的边缘点，由初始点延y轴方向向内侧做直线，该直线的长度与第四曲面在y轴方向的宽度相同。

[0016] 在上述技术方案中，所述第六曲面上点的坐标由下式计算得出，首先确定第六曲面的初始点的坐标值，所述第六曲面的初始点为第六曲面与z轴的交点，通过迭代的方式计算轮廓曲线上点的坐标值,令当前已知点(yi-1,zi-1)的法向量为N＝(Ny,Nz)，要计算的轮廓曲线下一点对应的入射光线与z轴的夹角为θi，则下一点的坐标值(yi,zi)为：

[0017] 其中k＝Ny/Nz。

[0018] 在上述技术方案中，所述第七曲面廓线为一条斜直线，首先确定第七曲面的初始点的坐标值，所述第七曲面的初始点为第六曲面的边缘点，由初始点延第六曲面边缘光线方向向外侧做直线，该直线终点交于第五曲面的边缘点在y轴方向的拉伸曲线。

[0019] 在上述技术方案中，所述第八曲面轮廓线为一条垂直直线，首先确定第八曲面的初始点的坐标值，所述第八曲面的初始点为第七曲面的边缘点，由初始点延z轴方向向外侧做直线，该直线的终点交于第五曲面的边缘点。

[0020] 本发明具有良好的光线控制能力，不仅可以实现双向准直的近似矩形光束，而且还能够保持较高的光效。附图说明

[0021] 图1为本发明的结构示意图。

[0022] 图2为本发明不包含第九曲面、第十一曲面和第十二曲面时的结构示意图。

[0023] 图3为第一曲面、第二曲面和第三曲面的连接结构示意图。

[0024] 图4为图1延仰视方向时的结构示意图。

[0025] 图5是本发明在光学设计软件中最后出射光斑照度分布的仿真结果。

[0026] 图中1-透镜,11-第一曲面,12-第二曲面,13-第三曲面,14-第四曲面,15-第五曲面,16-第六曲面,17-第七曲面,18-第八曲面，19-第九曲面，110-第十曲面，111-第十一曲面，112-第十二曲面。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

[0028] 参阅附图可知：LED双向准直透镜，包括透镜本体1，其特征在于：所述透镜本体1为由第一曲面11、第二曲面12、第三曲面13、第四曲面14、第五曲面15、第六曲面16、第七曲面17、第八曲面 18、第九曲面19、第十曲面110、第十一曲面111、第十二曲面112 构成的实体；

[0029] 其中，所述第一曲面11为旋转对称自由曲面，用于将LED灯发出的光线折射，并使折射后的光线与第一曲面的对称轴垂直；

[0030] 所述第二曲面12为半圆状平面，用于将LED发出的光线折射，并使折射后的所有光线均能到达第三曲面；

[0031] 所述第三曲面13为利用全反射原理的旋转对称自由曲面，用于将经过第二曲面12折射之后的光线反射至与对称轴垂直的方向；

[0032] 所述第一曲面11的对称轴、第二曲面12的对称轴和第三曲面 13的对称轴为垂直第二曲面12且经过第二曲面12中心的轴线；

[0033] 所述第四曲面14为利用全反射原理的全反射面，将经过的所有光线反射至与第二曲面12的对称轴垂直的方向；

[0034] 第五曲面15均为水平面，用于让经过第四曲面14准直后的光线通过，并使折射后的光线的方向保持不变；

[0035] 所述第六曲面16为非旋转对称自由曲面，用于准直已经被第一曲面11、第二曲面12、第三曲面13准直，但未经过所述第四曲面 14的光线；

[0036] 所述第七曲面17为不参与光线方向控制的平面，用于使所述透镜本体1可被加工，且所述第七曲面17与第四曲面14的临界光线和第六曲面17的临界光线平行；

[0037] 所述第八曲面18为不参与光线方向控制的垂直平面，用于连接第五曲面15和第七曲面17；

[0038] 所述第九曲面19为所述透镜本体1的前平面，第十曲面110为透镜本体1的后平面，所述第九曲面19和第十曲面110均为不参与光线方向控制的垂直平面；

[0039] 所述第十一曲面111为不参与光线方向控制的水平面，用于封闭透镜本体1的左侧底部；

[0040] 所述第十二曲面112为不参与光线方向控制的垂直平面，用于封闭透镜本体1的右侧底部。

[0041] 优选的，所述第一曲面11上点的坐标由下式计算得出，确定第一曲面11的初始点的坐标值，所述第一曲面11的初始点为第一曲面 11与z轴的交点，并通过迭代的方式计算轮廓曲线上点的坐标值，令当前已知点(xi-1,zi-1)的法向量为N＝(Nx,Nz)，要计算的轮廓曲线下一点对应的入射光线与z轴的夹角为θi，则下一点的坐标值(xi,zi)为：

[0042] 其中k＝Nx/Nz。

[0043] 优选的，所述第一曲面的初始点的z轴坐标值为3-100mm，最佳为6mm。第一曲面的边缘对应的LED光线与z轴夹角为5-50°，最佳为34°。

[0044] 优选的，所述第二曲面12垂直于z＝0平面，且所述第二曲面12 的初始点为第一曲面11的边缘点。

[0045] 优选的，所述第三曲面13上点的坐标由下式计算得出，确定第三曲面13的初始点的坐标值，所述第三曲面13的初始点为第二曲面 12与x轴的交点，并通过迭代的方式计算轮廓曲线上点的坐标值，令当前已知点(xi-1,zi-1)的法向量为N＝(Nx,Nz)，要计算的轮廓曲线下一点对应的入射光线与z轴的夹角为θi，则下一点的坐标值(xi,zi)为：

[0046] 其中k＝Nx/Nz。

[0047] 优选的，所述第一曲面11的对称轴、第二曲面12的对称轴和第三曲面13的对称轴均为x轴。

[0048] 优选的，所述第四曲面14上点的坐标由下式计算得出，首先确定第四曲面14的初始点的坐标值，所述第四曲面14的初始点为第三曲面13的边缘点，通过迭代的方式计算轮廓曲线上点的坐标值,令当前已知点(yi-1,zi-1)的法向量为N＝(Ny,Nz)，要计算的轮廓曲线下一点对应的入射光线与z轴的夹角为θi，则下一点的坐标值(xi,zi)为：

[0049] 其中k＝Ny/Nz。

[0050] 优选的，所述第五曲面15轮廓线为一条水平直线，首先确定第五曲面15的初始点的坐标值，所述第五曲面15的初始点为第四曲面 14的边缘点，由初始点延y轴方向向内侧做直线，该直线的长度与第四曲面14在y轴方向的宽度相同。

[0051] 优选的，所述第六曲面16上点的坐标由下式计算得出，首先确定第六曲面16的初始点的坐标值，所述第六曲面16的初始点为第六曲面16与z轴的交点，通过迭代的方式计算轮廓曲线上点的坐标值, 令当前已知点(yi-1,zi-1)的法向量为N＝(Ny,Nz)，要计算的轮廓曲线下一点对应的入射光线与z轴的夹角为θi，则下一点的坐标值(yi,zi)为：

[0052] 其中k＝Ny/Nz。

[0053] 优选的，所述第七曲面17轮廓线为一条斜直线，首先确定第七曲面17的初始点的坐标值，所述第七曲面17的初始点为第六曲面 16的边缘点，由初始点延第六曲面16边缘光线方向向外侧做直线，该直线终点交于第五曲面15的边缘点在y轴方向的拉伸曲线。

[0054] 优选的，所述第八曲面18轮廓线为一条垂直直线，首先确定第八曲面18的初始点的坐标值，所述第八曲面18的初始点为第七曲面 17的边缘点，由初始点延z轴方向向外侧做直线，该直线的终点交于第五曲面15的边缘点。

[0055] 实际工作时，本发明共有12个曲面，用于将LED发出的球面波准直为沿z轴方向传播的矩形波，本发明的尺寸为96mm×38mm ×50mm，第一曲面和第二曲面的空间高为6mm，宽为14mm，用于放置 LED光源。

[0056] 如图5本发明在光学设计软件中得到的出射光强的仿真结果所示，光线数为50万。经光线追迹后可得到100m处的光照度分布图。该光学透镜在100m处形成4m×2m的近矩形照明区域，其中出射光效为82.6％。

[0057] 其它未说明的部分均属于现有技术。

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