[發(fā)明專利]一種高出光效率的自由曲面透鏡及設(shè)計(jì)方法有效
| 申請(qǐng)?zhí)枺?/td> | 201510998052.7 | 申請(qǐng)日： | 2015-12-25 |
| 公開（公告）號(hào)： | CN105607164B | 公開（公告）日： | 2017-05-17 |
| 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人： | 李春峰;羅小兵;謝斌;邊盾 | 申請(qǐng)（專利權(quán)）人： | 天津中環(huán)電子照明科技有限公司 |
| 主分類號(hào)： | G02B3/02 | 分類號(hào)： | G02B3/02;G02B27/00;G06F17/50;H01L33/58 |
| 代理公司： | 天津中環(huán)專利商標(biāo)代理有限公司12105 | 代理人： | 胡京生 |
| 地址： | 300385 天津市*** | 國(guó)省代碼： | 天津;12 |
| 權(quán)利要求書： | 查看更多 | 說(shuō)明書： | 查看更多 |
| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 高出光 效率 自由 曲面 透鏡 設(shè)計(jì) 方法 | ||
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于LED封裝技術(shù)，涉及LED封裝中的一種高出光效率的自由曲面透鏡及設(shè)計(jì)方法，特別應(yīng)用于LED封裝中提高光效、實(shí)現(xiàn)光束控制、滿足不同照明需求的應(yīng)用。
背景技術(shù)
發(fā)光二極管(LED，Light Emitting Diode)是一種基于電子空穴復(fù)合發(fā)光的原理制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件，具有電光轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)保節(jié)能、體積小等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)綠色照明光源，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，被業(yè)界認(rèn)為是未來(lái)照明技術(shù)的主要發(fā)展方向，具有巨大的市場(chǎng)潛力。
一般的，在大功率白光LED封裝中，一個(gè)不可或缺的部分是光學(xué)透鏡。光學(xué)透鏡的作用是將LED芯片發(fā)出的光線進(jìn)行調(diào)控，使之照射到目標(biāo)面上，實(shí)現(xiàn)特定的照明光斑、照度均勻性、光線顏色的空間分布等要求。如圖1所示，LED光源位于原點(diǎn)，從LED發(fā)出的光依次經(jīng)過(guò)透鏡內(nèi)表面(102)、透鏡外表面(101)兩次折射，射向目標(biāo)面(100)上。光在透鏡內(nèi)表面(102)和外表面(101)的兩次折射可以采用斯涅耳定律描述，具體是指光線的入射的方向向量、透鏡表面的法線的方向向量，和光經(jīng)過(guò)透鏡的折射的方向向量三者滿足斯涅耳方程，如式(1)和式(2)所示。為了求解出透鏡的表面，利用斯涅耳方程，我們需要求出透鏡表面的法線的方向向量。但是在求解式(1)和式(2)時(shí)，未知數(shù)的個(gè)數(shù)多于方程的數(shù)目(點(diǎn)A和點(diǎn)B的坐標(biāo)、內(nèi)表面(102)和外表面(101)的法向的方向向量是未知的)，因此無(wú)法同時(shí)求解式(1)和式(2)。
現(xiàn)有的LED用透鏡設(shè)計(jì)方法大多采用簡(jiǎn)化方法，即假設(shè)透鏡內(nèi)表面為半球面，光線自位于原點(diǎn)的LED發(fā)射出來(lái)后，經(jīng)過(guò)透鏡內(nèi)表面是直接射出不發(fā)生折射的，這樣傳統(tǒng)方法僅需設(shè)計(jì)透鏡外表面即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的調(diào)控。這樣簡(jiǎn)化的一個(gè)明顯弊端是：忽視了透鏡內(nèi)表面的調(diào)控作用，使得透鏡外表面對(duì)光線的調(diào)控能力有限，而且造成較大的光學(xué)損失(即菲涅爾光損)，使得光線的出光效率降低。
近年來(lái)，高亮度高光效白光LED封裝是發(fā)展的重點(diǎn)和主要方向，影響LED光效的每一個(gè)環(huán)節(jié)都需重視，所以傳統(tǒng)自由曲面透鏡的光學(xué)損失這種高光效LED封裝中變得不可忽略。降低傳統(tǒng)自由曲面透鏡的光學(xué)損失的一種重要方法是同時(shí)設(shè)計(jì)透鏡的內(nèi)表面和外表面，使得自由曲面透鏡在滿足照明要求的同時(shí)提高出光效率，從而實(shí)現(xiàn)高光效的LED封裝。
關(guān)于自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)，調(diào)研發(fā)現(xiàn)華中科技大學(xué)的羅小兵等人(授權(quán)公告號(hào)：CN 102537842 A專利)提出了一種基于能量對(duì)應(yīng)的方法，通過(guò)外加合適條件可同時(shí)求解式(1)和式(2)，進(jìn)而同時(shí)設(shè)計(jì)透鏡的內(nèi)外自由表面，滿足照明要求。上海三思電子工程有限公司的周士康等人(權(quán)公告號(hào)：CN 102193193 A、CN 102287754 A專利)通過(guò)角度劃分，將光源和光斑劃分成一一對(duì)應(yīng)的小角和小段，結(jié)合折射定律，設(shè)計(jì)自由曲面透鏡的內(nèi)外表面。但是，采用這些方法設(shè)計(jì)的自由曲面透鏡，未結(jié)合菲涅爾能量損失最小化來(lái)設(shè)計(jì)，即未考慮透鏡的出光效率，因此發(fā)展一種同時(shí)設(shè)計(jì)透鏡內(nèi)外表面，滿足不同照明要求并且出光效率最高的設(shè)計(jì)方法尤為重要。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種高出光效率的自由曲面透鏡及設(shè)計(jì)方法，其目的在于通過(guò)調(diào)控光線在通過(guò)透鏡內(nèi)外自由曲面時(shí)的偏折程度，不僅能達(dá)到特定的照明需求，還能使得光線在通過(guò)透鏡時(shí)的菲涅爾損失最小，從而提高照明器件的發(fā)光效率。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，一種高出光效率的自由曲面透鏡，其特征在于：所述自由曲面透鏡為半圓形，自由曲面透鏡的底面設(shè)有圓錐形凹槽，自由曲面透鏡的半圓形面為外表面，自由曲面透鏡圓錐形凹槽面為內(nèi)表面，內(nèi)表面和外表面構(gòu)成兩個(gè)自由曲面。
一種高出光效率的自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：
S1.以任意一個(gè)過(guò)光源光軸Z的平面為入射面，光源位于坐標(biāo)原點(diǎn)O，光源發(fā)光角度θ為光線出射方向與光軸正方向OZ的夾角，將光源向外發(fā)出的光能量等分成N份，N的取值為100～2000，每份光通量Φi相等，得到每一個(gè)等分角度θi，i＝1～N；
S2.按照不同照明要求如光斑形狀、照度分布，將目標(biāo)面同樣劃分成N份，每部分面積相等，找出對(duì)應(yīng)每份入射光通量的Φi光斑尺寸ri；
S3.給定內(nèi)表面偏折系數(shù)k，根據(jù)公式：
該專利技術(shù)資料僅供研究查看技術(shù)是否侵權(quán)等信息，商用須獲得專利權(quán)人授權(quán)。該專利全部權(quán)利屬于天津中環(huán)電子照明科技有限公司，未經(jīng)天津中環(huán)電子照明科技有限公司許可，擅自商用是侵權(quán)行為。如果您想購(gòu)買此專利、獲得商業(yè)授權(quán)和技術(shù)合作，請(qǐng)聯(lián)系【客服】
本文鏈接：http://www.szxzyx.cn/pat/books/201510998052.7/2.html，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聲明來(lái)源鉆瓜專利網(wǎng)。
