[發明專利]一種COB型LED聚光TIR透鏡系統及設計方法

有效

• 申請號: 201410159529.8
• 申請日: 2014-04-21
• 公開（公告）號: CN103900026B
• 公開（公告）日: 2017-10-31
• 發明（設計）人: 錢維瑩;高淑梅;徐超;蘇宙平
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: F21V5/04
• 分類號: F21V5/04;F21Y115/10
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司23211
• 代理人: 耿曉岳

1.一種COB型LED聚光TIR透鏡系統(TIR:total internal reflection全內反射)，其特征在于：包括COB型LED光源和聚光TIR透鏡兩部分；所述COB型LED光源采用大功率型30W～80W光源，發光面直徑的選擇范圍為10mm～25mm；所述聚光TIR透鏡由透鏡頂部和側壁兩部分組成；所述COB型LED光源出射的光線由聚光TIR透鏡進行分角度控制；其中，靠近光軸的大能量光線由TIR透鏡頂部折射控制，遠離光軸的小能量光線由TIR透鏡側壁全反射控制；

所述COB型LED聚光TIR透鏡系統，按照以下方法進行設計：

基于傳統點光源理論確定聚光TIR透鏡的初始輪廓線；生成聚光TIR透鏡自由曲面初始結構的步驟如下：

1)設COB型直徑為D的LED光源中心在O點，設聚光TIR透鏡頂部下表面的剖視結構為第一自由曲面，透鏡材料折射率為n，光束角度i在0～Ф之間；

2)設P₀(x₀，y₀)為第一自由曲面的起始點，又P₀在球面上，設球面半徑為R，由分界角Ф能夠得知，P₀坐標確定，x₀＝RsinФ，y₀＝RcosФ；

3)P₀點前取一點P₁(x₀－Δx，y₀－Δy)，其中Δx，Δy均為很小的量，這樣就能夠認為P₁點處的切線向量等于P₀點處的切線向量；

4)光線i經過P₁(x₁，y₁)折射而出，入射角為β，折射角為α，由折射定理：

n＝sinβ/sinα

又有幾何關系能夠得知：β＝α+i

5)再取P₂(x₁－Δx，y₁－Δy)，P₁點能夠看作該點處入射光線與P₂點處的切線的交點，經過反復迭代計算即可獲得第一自由曲面曲線上各點坐標P₀(x₀，y₀)～P_n(x_n，y_n)；

6)設聚光TIR透鏡側壁外表面的剖視結構為第二自由曲面，與計算第一自由曲面的原理一樣，光束角i范圍為Ф～π/2，起始點Q₀(x₀，y₀)；Q₁(x₁，y₁)為第二自由曲面的某點，在第二自由曲面曲線上Q₀點后取一點Q₁(x₀－Δx，y₀－Δy)，其中Δx，Δy均為很小的量，根據起始點Q₀(x₀，y₀)，經過反復迭代計算即能夠獲得全反射第二自由曲面曲線上各點坐標Q₀(x₀，y₀)～Q_n(x_n，y_n)；

7)上述第一自由曲面和第二自由曲面的離散點為基于LED中心點計算而得，為COB型LED聚光TIR透鏡的初始結構；

在基于傳統點光源理論確定的聚光TIR透鏡自由曲面初始輪廓線基礎上，運用TracePro宏語言編寫適用于光源直徑為D下的COB型LED自定義準直函數，優化生成聚光TIR透鏡透鏡的自由曲面最終輪廓線，步驟如下：

A)保證第一自由曲面和第二自由曲面的輪廓不變的基礎上，從P₀(x₀，y₀)～P_n(x_n，y_n)和Q₀(x₀，y₀)～Q_n(x_n，y_n)中等間隔抽取m個數據點S₁～S_m和T₁～T_m，將S₁～S_m和T₁～T_m設為動態點，賦予一定的動態范圍μ：

B)通過TracePro宏語言建立準直評價函數，同時編程微調第一自由曲面和第二自由曲面的輪廓來生成適用于COB型LED聚光透鏡的最佳二維輪廓；

C)TracePro宏語言建立直徑為D的COB型LED光源和距離光源為L的接收面；

D)基于S₁～S_m和T₁～T_m數據，TracePro宏語言建立第一自由曲面和第二自由曲面的輪廓，并通過動態范圍μ范圍來改變S₁～S_m和T₁～T_m點坐標位置，進行準直優化，并最終生成適用于COB型LED聚光透鏡的最佳二維輪廓；

E)優化結束后，通過輪廓線旋轉最終生成COB型LED聚光TIR透鏡的最佳結構；

F)為減小透鏡厚度，不改變出光效果的基礎上，對透鏡頂部進行變式菲涅爾結構裁剪，減小透鏡體積。