[發明專利]一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡及設計方法

無效

• 申請號: 201210279796.X
• 申請日: 2012-08-08
• 公開（公告）號: CN102829432A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發明（設計）人: 劉華;辛迪;盧振武
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: F21V5/04
• 分類號: F21V5/04;F21Y101/02
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 張偉

技術領域

本發明屬于半導體照明領域，涉及一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡及設計方法。

背景技術

如今，LED由于其壽命長，低能耗等眾多優勢在各種領域得到了廣泛的應用，如道路照明，LED投影機以及室內照明等等。在許多應用場合中，被照明的目標面與光源的距離以及光束的視場角都不是固定不變的，如應用于夜間監控系統的紅外照明設備，要求能夠根據紅外攝像機的變焦范圍改變自身的視場角以及能量密度分布,使其照射范圍覆蓋整個監控區域，若紅外燈的視場角過大，會造成光能浪費，反之則會產生手電筒效應，影響照明效果。因此，需要設計連續變焦的LED照明光學系統。

傳統的實現連續變焦的照明光學系統多采用多片透鏡形式進行配光，這種形式存在以下幾點問題。首先，該結構無法收集大角度光束，造成了光能的浪費。第二，由于透鏡個數往往多于1個，導致系統體積較大。最后，傳統透鏡結構的設計自由度較低，針對某一種或者兩種模式設計得到的結構僅在該模式下效果較好，偏離后其光束均勻性則明顯下降。

發明內容

為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供了一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡及方法，在傳統全反射式透鏡的基礎上，依據準直模式與發散模式對光強分布的不同要求，分別設計其透射面與全反射面。

本發明解決技術問題所采用的技術方案如下：

一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡，該透鏡包括：底部容腔、全反射面、外圍平面和中心透射面，全反射面與底部容腔和外圍平面相連，外圍平面與中心透射面相連，底部容腔、全反射面、外圍平面和中心透射面以光軸對稱，全反射面和中心透射面均為自由曲面。

基于一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡的設計方法，該方法包括如下步驟：

步驟一：?根據光源LED與中心透射面的距離，和光線經過中心透射面后準直出射，計算中心透射面的面形結構；

步驟二：?設LED為理想朗伯體，求得歸一化的光強分布和相應累積光通量分布，入射累積光通量由經中心透射面的光通量和經全反射面出射的光通量組成，使LED沿光軸方向移動特定距離，根據LED與底部容腔的距離和底部容腔的半寬度，求解中心透射面與全反射面所分配角度的臨界值；

步驟三：?根據能夠實現遠場目標面照度均勻的光強分布求出理想的出射累積光通量分布；由理想出射能量分布形式得到，出射累積光通量等于入射累積光通量，求得全反射面上的入射光線與出射光線的對應關系，進而計算出全反射面面形結構；

步驟四：?在光學仿真軟件中進行模擬，依據模擬結果，添加修正因子，得到新的全反射面上的入射光線與出射光線的對應關系；利用光學仿真軟件再次進行模擬，直至模擬結果符合要求，完成實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡的設計方法。

本發明的有益效果是：本發明一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡采用單個全反射式透鏡實現連續變焦，系統體積較小，且便于裝調。該設計方法采用自由曲面形式進行光能分配，提高了系統的光能利用率以及目標面的照度均勻度。

附圖說明

圖1本發明一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡的結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。

如圖1所示，一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡，該透鏡包括：由平面1和平面2構成的底部容腔、全反射面3、外圍平面4和中心透射面5，全反射面3與底部容腔1和外圍平面4相連，外圍平面4與中心透射面5相連，所述底部容腔、全反射面3、外圍平面4和中心透射面5以光軸對稱，全反射面3以及透射面5均為自由曲面。光源在位置P₁時經中心透射面實現光束準直，在P₂時則光束發散。當LED位于位置P₁時，的光線經平面1和中心透射面5透射后平行于光軸射出。當LED位于位置P₂時，的光線經平面2透射，全反射面3全反射，最后從平面4出射后與經平面1和中心透射面5透射的光線共同實現遠場目標面照度均勻。

基于一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡的設計方法，該方法包括如下步驟：

步驟一：?根據光源LED的位置P₁與中心透射面5的距離，和光線經過中心透射面5后準直出射，計算中心透射面5的面形結構；

步驟二：?設LED為理想朗伯體，求得歸一化的入射光強分布和相應累積光通量分布，即

I(α)=cosα