[發明專利]一種光型可控的雙自由曲面透鏡設計方法

有效

• 申請號: 201210013686.9
• 申請日: 2012-01-16
• 公開（公告）號: CN102537842A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 羅小兵;胡潤;王愷;甘志強;劉勝
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: F21V5/04
• 分類號: F21V5/04;F21Y101/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于LED封裝技術，涉及LED封裝中的一種光束可控的雙自由曲面透鏡設計方法，特別應用于LED封裝中實現光束控制、滿足不同照明需求的應用。

背景技術

LED(Light?Emitting?Diode)是一種基于P-N結電致發光原理制成的半導體發光器件，具有電光轉換效率高、使用壽命長、環保節能、體積小等優點，被譽為21世紀綠色照明光源，如能應用于傳統照明領域將得到十分顯著的節能效果，這在全球能源日趨緊張的當今意義重大。隨著以氮化物為代表的第三代半導體材料技術的突破，基于大功率高亮度發光二極管(LED)的半導體照明產業在全球迅速興起，正成為半導體光電子產業新的經濟增長點，并在傳統照明領域引發了一場革命。LED由于其獨特的優越性，已經開始在許多領域得到廣泛應用，被業界認為是未來照明技術的主要發展方向，具有巨大的市場潛力。

一般的，直接采用大功率白光LED得到的照明效果是不均勻的圓形光斑，無法滿足照明要求，因此，需要采用光學元件來對照明效果進行控制。目前最廣泛采用的是元件是一次透鏡或二次透鏡。但是傳統的透鏡設計方法是僅僅設計透鏡外表面，而把透鏡內表面假設為半球形，以使透鏡設計簡單方便。從LED發出的光達到照射面會依次經過透鏡內、外表面，發生兩次折射，傳統設計方法中直接把透鏡內表面假設為半球形，會失去一個重要的透鏡設計自由度，并且透鏡形狀不能根據應用進行隨意調整。因此，發展一種同時設計透鏡內、外表面、并且滿足不同照明要求的設計方法尤為重要。

發明內容

本發明的目的在于提供一種光型可控的雙自由曲面透鏡的設計方法，該方法能夠同時設計透鏡內、外表面、并且滿足不同照明要求。

本發明提供的一種光型可控的雙自由曲面透鏡設計方法，其特征在于：

按照能量等分原理，以光源O位于坐標原點處，將光源的三維空間按經緯線劃分成經線和緯線相交的網格圖，使每個網格的光通量相等；將目標面劃分成等面積的格子區域，每個格子區域的光通量相等；

根據待設計的雙自由曲面透鏡的目標面的對稱性選擇方式A或方式B進行設計：

方式A：待設計的雙自由曲面透鏡的目標面為旋轉對稱時，根據給定的條件，選擇對應的設計方式為：

A1：通過給定的雙自由曲面透鏡內表面的函數關系，通過從光源和目標面的劃分得到的透鏡的入射光線的方向，根據雙自由曲面透鏡內表面函數關系，根據斯涅爾定律得到光線通過雙自由曲面透鏡內表面的折射光線的方向，然后結合最終的出射光線的方向，根據斯涅爾定律得到雙自由曲面透鏡外表面的法向和切向方向，進而得到雙自由曲面透鏡外表面上點的坐標值，然后將得到的雙自由曲面透鏡的外表面的點用光滑的曲線連接起來，結合給定的雙自由曲面透鏡內表面，得到雙自由曲面透鏡的橫截面，將橫截面繞對稱軸旋轉，得到旋轉對稱的雙自由曲面透鏡；

A2：通過給定的雙自由曲面透鏡外表面的函數關系，通過結合從光源和目標面的劃分得到的透鏡的入射光線的方向，以及光線在雙自由曲面透鏡的內、外表面的折射關系以及最終的出射光線的方向，根據斯涅爾定律求解出光線通過雙自由曲面透鏡的內表面上點的坐標，然后將得到的雙自由曲面透鏡的內表面的點用光滑的曲線連接起來，結合給定的雙自由曲面透鏡外表面，得到雙自由曲面透鏡的橫截面，將橫截面繞對稱軸旋轉，得到旋轉對稱的雙自由曲面透鏡；

A3：通過從光源和目標面的劃分得到的透鏡的入射光線的方向以及最終的出射光線的方向，得到光線經過雙自由曲面透鏡的內、外表面后的光線偏折角度，然后按照預先設定的分配比例，將總的光線偏折角度分成第一次光線偏折角度和第二次光線偏折角度，第一次光線偏折角度是指發生在光線經過雙自由曲面透鏡的內表面時的入射光線與折射光線的夾角，第二次光線偏折角度發生在光線經過雙自由曲面透鏡的外表面時的入射光線與折射光線的夾角；結合入射光線的方向與第一次光線偏折角度，根據斯涅爾定律得到光線在雙自由曲面透鏡的內表面的出射方向，進而得到雙自由曲面透鏡內表面上點的坐標；從雙自由曲面透鏡的內表面的折射光線即為雙自由曲面透鏡的外表面的入射光線，然后結合最終的出射光線的方向，根據斯涅爾定律得到雙自由曲面透鏡外表面上點的坐標；然后將得到的雙自由曲面透鏡的內、外表面的點用光滑的曲線連接起來，得到雙自由曲面透鏡的橫截面，將橫截面繞對稱軸旋轉，得到旋轉對稱的雙自由曲面透鏡；

方式B：待設計的雙自由曲面透鏡的目標面為非旋轉對稱時，根據給定的條件，選擇對應的設計方式為：