LED均匀照明光学透镜

摘要

本发明公开了一种LED均匀照明光学透镜，底端为一圆柱状空心腔，圆柱状空心腔的底面中心处安装有LED，圆柱状空心腔的上表面为以LED所在点为焦点的折射球面、曲率满足使得LED出射到该面的光经折射后准直进入光学透镜体内；光学透镜的下表面为以LED经圆柱状空心腔侧面折射的虚像点为焦点的抛物面、满足使得LED出射到圆柱状空心腔侧面的光线经该面的反射后变为准直光线投射到所述光学透镜的上表面上；光学透镜的上表面为根据准直入射光强分布求得的曲率不断变化的自由曲面、使得所有准直的光线散射到目标面上，光学透镜整体为旋转对称结构。本发明设计合理，易于实现，光照均匀，适用于房屋照明、场馆照明、投影照明等，使用效果好，便于推广使用。

权利要求

1.一种LED均匀照明光学透镜，其特征在于：所述光学透镜(1)为碗状，所述光学透镜(1)的底端为一圆柱状空心腔(2)，所述圆柱状空心腔(1)的底面中心处安装有LED，所述圆柱状空心腔(2)的上表面为以LED所在点为焦点的折射球面，所述圆柱状空心腔(2)的上表面的曲率满足使得LED出射到该面的光经折射后准直进入光学透镜(1)体内；所述光学透镜(1)的下表面为以LED经圆柱状空心腔(2)侧面折射的虚像点为焦点的抛物面，所述光学透镜(1)的下表面满足使得LED出射到圆柱状空心腔(2)侧面的光线经该面的反射后变为准直光线投射到所述光学透镜(1)的上表面上；所述光学透镜(1)的上表面为根据准直入射光强分布求得的曲率不断变化的自由曲面，所述光学透镜(1)的上表面满足使得所有准直的光线散射到目标面上，所述光学透镜(1)的整体为旋转对称结构。

2.按照权利要求1所述的LED均匀照明光学透镜，其特征在于：所述自由曲面的曲率随准直入射光强分布的变化而变化。

3.按照权利要求1所述的LED均匀照明光学透镜，其特征在于：所述光学透镜(1)的制作材料为玻璃或塑料。

4.按照权利要求3所述的LED均匀照明光学透镜，其特征在于：所述玻璃为光学玻璃。

说明书

LED均匀照明光学透镜

技术领域

[0001] 本发明属于LED照明用光学透镜技术领域，尤其是涉及一种LED均匀照明光学透镜。

背景技术

[0002] 随着半导体材料和工艺的不断发展，发光二极管(LED)正逐渐取代传统光源，成为新一代光源。虽然其具有高效环保、耐用安全等优点，但其出射光强呈大致的余弦分布，因此通常被认为是近似的朗伯辐射体。这样的光场分布，如果未经合适的光学系统处理而直接应用，在大多数情况下都难以满足照明灯具和器件所要达到的性能指标，同时还会因为大量无效光的存在而大大降低系统的效率。针对LED的二次光学设计可有效调制LED光源的配光特性，使其光场分布满足大范围照明需求。在实际照明中，诸如投影灯、阅读灯、场馆照明、室内照明灯都要求均匀照明，因此，通过给LED外部安装特定二次光学镜头才能满足实际照明需求，并使LED节能环保、灵活耐用等优点得到充分体现。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种LED均匀照明光学透镜，其设计合理，易于实现，光照均匀，适用于房屋照明、场馆照明、投影照明等，使用效果好，便于推广使用。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种LED均匀照明光学透镜，其特征在于：所述光学透镜为碗状，所述光学透镜的底端为一圆柱状空心腔，所述圆柱状空心腔的底面中心处安装有LED，所述圆柱状空心腔的上表面为以LED所在点为焦点的折射球面，所述圆柱状空心腔的上表面的曲率满足使得LED出射到该面的光经折射后准直进入光学透镜体内；所述光学透镜的下表面为以LED经圆柱状空心腔侧面折射的虚像点为焦点的抛物面，所述光学透镜的下表面满足使得LED出射到圆柱状空心腔侧面的光线经该面的反射后变为准直光线投射到所述光学透镜的上表面上；所述光学透镜的上表面为根据准直入射光强分布求得的曲率不断变化的自由曲面，所述光学透镜的上表面满足使得所有准直的光线散射到目标面上，所述光学透镜的整体为旋转对称结构。

[0005] 上述的LED均匀照明光学透镜，所述自由曲面的曲率随准直入射光强分布的变化而变化。

[0006] 上述的LED均匀照明光学透镜，所述光学透镜的制作材料为玻璃或塑料。

[0007] 上述的LED均匀照明光学透镜，所述玻璃为光学玻璃。

[0008] 本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明针对LED光源的特点和实际照明的需求，设计必要的二次光学透镜，整个透镜具有旋转对称的特点，因此得到的照明光斑亦为均匀的圆面，对LED光能重新调制，使得LED的光照均匀，可用于投影照明、室内照明场馆照明等场合，通过与LED结合的阵列化，可实现大面积、高亮度的室内照明，进一步拓宽了LED的利用领域，提高了LED的利用效率，不仅设计合理且易于实现，使用效果好，便于推广使用。

[0009] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0010] 图1为本发明的立体图。

[0011] 图2为本发明的剖视结构示意图。

[0012] 图3为本发明光学透镜的上表面自由曲面母线的求解原理图。

[0013] 附图标记说明：

[0014] 1-光学透镜；2-圆柱状空心腔；3-光源；

[0015] 4-照明目标面；5-入射光矢量； 6-出射光矢量；

[0016] 7-法矢量； 8-自由曲面母线。

具体实施方式

[0017] 如图1和图2所示，本发明所述的LED均匀照明光学透镜，所述光学透镜1的底端为一圆柱状空心腔2，所述圆柱状空心腔2的底面中心处安装有LED，所述圆柱状空心腔2的上表面为以LED所在点为焦点的折射球面，所述圆柱状空心腔2的上表面的曲率满足使得LED出射到该面的光经折射后准直进入光学透镜1体内；所述光学透镜1的下表面为以LED经圆柱状空心腔2侧面折射的虚像点为焦点的抛物面，所述光学透镜1的下表面满足使得LED出射到圆柱状空心腔2侧面的光线经该面的反射后变为准直光线投射到所述光学透镜1的上表面上；所述光学透镜1的上表面为根据准直入射光强分布求得的曲率不断变化的自由曲面，所述光学透镜1的上表面满足使得所有准直的光线散射到目标面上，光学透镜1的上表面根据LED光源光能的朗伯分布特性，对光能重新调制，使得单颗LED在目标面上得到均匀的照明效果，所述光学透镜1的整体为旋转对称结构，使得得到的照明光斑亦为均匀的圆面。

[0018] 如图1和图2所示，本实施例中，所述自由曲面的曲率随准直入射光强分布的变化而变化。所述光学透镜1的制作材料为玻璃、光学玻璃或塑料，不同材料的选用，决定了透镜外表面自由曲面的面型，具体面型只需将材料折射率代入自由曲面算法中即可确定。

[0019] 如图3所示，本发明所述光透透镜1的外表面自由曲面的求解原理为：在点光源近似下考虑折射的情况，如果将自由曲面进行网格状的划分，那么每个网格节点处只有一根入射光线。再根据非成像光学边缘光线原理，通过自由曲面上每个网格边缘的那部分光线，经过系统后，将对应于目标上一个微元面的边缘，通过网格中间连续部分的光线，经过系统后，也在目标微元中间连续分布。由光源的扩展度守恒( Conservation)原理知，如果光学系统没有损耗，那么光学系统的光源及目标的扩展度是守恒的。从能量角度考虑，即自由曲面上每一个网格与光源所成立体角内的能量经过系统后会完全投射到目标面对应的微元面上。根据上述原理，对于给定照度要求的照明系统，可将目标面及自由曲面分割成数目相等的网格，使目标面上微面节点与自由曲面的网格节点形成一一对应，那么根据Snell定律，通过控制自由曲面网格节点的法矢量，来控制每个网格节点处入射光线的出射方向，就可以精确地实现每个网格内的能量投射到对应的微面上。当每个目标微面内能量相等时，即实现了均匀照明。

[0020] 针对照明目标面为旋转对称的均匀照明问题，设计时只需在二维坐标下求解自由曲面一条母线，将其沿光轴方向360°旋转对称，即可得到对应的自由曲面透镜。

[0021] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。