CN102997181B - 一种组合式led光学透镜及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学透镜领域，特别涉及一种组合式LED光学透镜及其设计方法。本发明的一种组合式LED光学透镜包括多个单元透镜，各单元透镜包括透镜内表面和透镜外表面；所述透镜内表面为凹面，所述透镜外表面为凸面；所述透镜内表面与光源配合，所述透镜外表面由本发明的一种组合式LED光学透镜设计方法设计得到。本发明的一种组合式LED光学透镜，提高了光的利用率，安装方便快捷；LED光源经本发明的一种组合式LED光学透镜配光后，不会给远处的车辆或行人造成眩光，其出射光斑为一个长方形、均匀分布的光斑，符合城市道路照明设计标准。

Description

一种组合式LED光学透镜及其设计方法

技术领域

本发明涉及光学透镜领域，特别涉及一种组合式LED光学透镜及其设计方法。

背景技术

为了满足城市道路照明设计标准，传统的道路照明灯具往往采用耗电200瓦以上含水银的灯泡。相比之下，到2009年，市场上发光二极管（LED）的光学效率已经超过了100lm/W，这意味着采用LED作光源的路灯，其耗电量将会大大的减少。由于LED的超长寿命、不含汞和节能的特性，采用LED作光源的路灯来取代传统的LPS（低压钠灯）或MH（金属卤化物灯）是很好的选择。目前，LED路灯在世界上各个国家都进行了测试。为了解决能源紧缺和温室气体的排放问题，LED路灯在一些地方已经实用化，其中中国、北美以及欧洲的一些地区和都市的政府进行了积极的推广。

由于市场上出厂的LED大部分都是呈郎伯型分布，中心光强比较强，而且是对称的圆形光斑分布，会给远处的车辆或行人造成眩光，不能直接用于道路照明。

发明内容

为了解决LED路灯给远处的车辆或行人造成眩光的技术问题，本发明提出了一种组合式LED光学透镜，包括多个单元透镜，各单元透镜包括透镜内表面和透镜外表面；所述透镜内表面为凹面，所述透镜外表面为凸面；所述透镜内表面与光源配合，所述透镜外表面由本发明的一种组合式LED光学透镜设计方法设计得到，该方法包括如下步骤：得到所述组合式LED光学透镜的单元透镜外表面曲面上各个点的法线矢量，其具体计算方法为：设光轴上的O点位于LED芯片发光面的中心，O点同时为单元透镜内表面的中心点，OZ垂直于LED的芯片发光面，光线OB由LED的芯片中心发出，经过单元透镜内表面之后，交单元透镜外表面于B点，则所述组合式LED光学透镜的单元透镜外表面上B点的坐标为（x,y,z），其矢量为：

$\stackrel{\→}{B}=(B_x,B_y,B_z)$

入射光线OB的单位矢量

为：

$\stackrel{\→}{C}=(C_{x}i,C_{y}j,C_{z}k)$

经过B点的折射后，其出射光线的单位矢量为：

$\stackrel{\→}{O}=(O_{x}i,O_{y}j,O_{z}k)$

B点的法线矢量

为：

$\stackrel{\→}{M}=(M_{x}i,M_{y}j,M_{z}k)$

根据斯涅尔折射定律，入射光线、折射光线和法线矢量有如下的关系式：

${[1+n^2-2n(\stackrel{\→}{O}.\stackrel{\→}{C})]}^{1/2}.\stackrel{\→}{M}-\stackrel{\→}{O}-n.\stackrel{\→}{C}$

上式中n为透镜材料的折射率；

设出射光线照射的路面上的目标位置点为T点，其矢量为：

$\stackrel{\→}{T}=(T_{x}i,T_{y}j,T_{z}k)$

则矢量

满足如下条件：

$\stackrel{\→}{O}=\frac{(\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B})}{|\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B}|}$

不难得出：

$x=\frac{M_x[n_0(z-B_z)-n_C{C}_z|\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B}\left|\right]}{n_0{M}_z}+B_x+\frac{n_c}{n_0}{C}_x|\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B}|$

$y=\frac{M_y[n_0(z-B_z)-n_C{C}_z|\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B}\left|\right]}{n_0{M}_z}+B_y+\frac{n_I}{n_0}{C}_y|\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B}|$

于是得到B点的曲面法线矢量：

$\stackrel{\→}{M}=\frac{\∂B(x,y)}{{\∂}_x}\×\frac{\∂B(x,y)}{{\∂}_y}=\frac{(B_x\×B_y)}{|B_x\×B_y|};$

根据得到的组合式LED光学透镜的单元透镜外表面上各个点的法线矢量，得到组合式LED光学透镜的单元透镜外表面上各个点的轮廓线；

根据得到的组合式LED光学透镜的单元透镜外表面上各个点的轮廓线，得到所述组合式LED光学透镜的单元透镜外表面。

本发明的一种组合式LED光学透镜，由于LED光源置于单元透镜内表面内，折射后直接照射到路面，减少了反光板对光的耗损，提高了光的利用率；多个单元透镜组合在一起，安装更加方便快捷；LED光源经本发明的一种组合式LED光学透镜配光后，不会给远处的车辆或行人造成眩光，其出射光斑为一个长方形、均匀分布的光斑，符合城市道路照明设计标准。

附图说明

图1为本发明的一种组合式LED光学透镜的数学模型图。

图2为本发明的一种组合式LED光学透镜的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的一种组合式LED光学透镜及其设计方法。

实施例1

如图2所示，本发明的一种组合式LED光学透镜，包括多个单元透镜1，各单元透镜包括透镜内表面和透镜外表面；所述透镜内表面为凹面，所述透镜外表面为凸面；如图1所示，所述透镜内表面6与光源7配合，所述透镜外表面5由本发明的一种组合式LED光学透镜设计方法设计得到，该方法包括如下步骤：得到所述组合式LED光学透镜的单元透镜外表面曲面上各个点的法线矢量，其具体计算方法为：设光轴4上的O点位于LED芯片发光面的中心，O点同时为单元透镜内表面的中心点，OZ垂直于LED的芯片发光面，光线OB由LED的芯片中心发出，经过单元透镜内表面之后，交单元透镜外表面于B点，则所述组合式LED光学透镜的单元透镜外表面上B点的坐标为（x,y,z），其矢量为：

$\stackrel{\→}{B}=(B_x,B_y,B_z)$

入射光线OB的单位矢量为：

$\stackrel{\→}{C}=(C_{x}i,C_{y}j,C_{z}k)$

经过B点的折射后，其出射光线的单位矢量

为：

$\stackrel{\→}{O}=(O_{x}i,O_{y}j,O_{z}k)$

B点的法线矢量

为：

$\stackrel{\→}{M}=(M_{x}i,M_{y}j,M_{z}k)$

根据斯涅尔折射定律，入射光线、折射光线和法线矢量有如下的关系式：

${[1+n^2-2n(\stackrel{\→}{O}.\stackrel{\→}{C})]}^{1/2}.\stackrel{\→}{M}-\stackrel{\→}{O}-n.\stackrel{\→}{C}$

上式中n为透镜材料的折射率；

设出射光线照射的路面上的目标位置点为T点，其矢量为：

$\stackrel{\→}{T}=(T_{x}i,T_{y}j,T_{z}k)$

则矢量

满足如下条件：

$\stackrel{\→}{O}=\frac{(\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B})}{|\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B}|}$

不难得出：

$x=\frac{M_x[n_0(z-B_z)-n_C{C}_z|\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B}\left|\right]}{n_0{M}_z}+B_x+\frac{n_c}{n_0}{C}_x|\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B}|$

$y=\frac{M_y[n_0(z-B_z)-n_C{C}_z|\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B}\left|\right]}{n_0{M}_z}+B_y+\frac{n_I}{n_0}{C}_y|\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B}|$

于是得到B点的曲面法线矢量：

$\stackrel{\→}{M}=\frac{\∂B(x,y)}{{\∂}_x}\×\frac{\∂B(x,y)}{{\∂}_y}=\frac{(B_x\×B_y)}{|B_x\×B_y|};$

根据得到的组合式LED光学透镜的单元透镜外表面上各个点的法线矢量，得到组合式LED光学透镜的单元透镜外表面上各个点的轮廓线；

根据得到的组合式LED光学透镜的单元透镜外表面上各个点的轮廓线，得到所述组合式LED光学透镜的单元透镜外表面。

如图2所示，本发明的一种组合式LED光学透镜还可以设置有防水凹槽2。本发明的一种组合式LED光学透镜安装时防水凹槽2配以防水硅胶圈，可以有效防止水、灰尘等的进入。

如图2所示，本发明的一种组合式LED光学透镜还可以设置有接线位凹槽3，从而方便本发明的一种组合式LED光学透镜的装配，更好地密闭LED光源。

Claims (4)

1.一种组合式LED光学透镜设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

得到所述组合式LED光学透镜的单元透镜外表面曲面上各个点的法线矢量，其具体计算方法为：设光轴上的O点位于LED芯片发光面的中心，O点同时为单元透镜内表面的中心点，OZ垂直于LED的芯片发光面，光线OB由LED的芯片中心发出，经过单元透镜内表面之后，交单元透镜外表面于B点，则所述组合式LED光学透镜的单元透镜外表面上B点的坐标为（x,y,z），其矢量为：

$\stackrel{\→}{B}=(B_x,B_y,B_z)$

入射光线OB的单位矢量

为：

$\stackrel{\→}{C}=(C_{x}i,C_{y}j,C_{z}k)$

经过B点的折射后，其出射光线的单位矢量

为：

$\stackrel{\→}{O}=(O_{x}i,O_{y}j,O_{z}k)$

B点的法线矢量

为：

$\stackrel{\→}{M}=(M_{x}i,M_{y}j,M_{z}k)$

根据斯涅尔折射定律，入射光线、折射光线和法线矢量有如下的关系式：

${[1+n^2-2n(\stackrel{\→}{O}.\stackrel{\→}{C})]}^{1/2}.\stackrel{\→}{M}=\stackrel{\→}{O}-n.\stackrel{\→}{C}$

上式中n为透镜材料的折射率；

设出射光线照射的路面上的目标位置点为T点，其矢量为：

$\stackrel{\→}{T}=(T_{x}i,T_{y}j,T_{z}k)$

则矢量满足如下条件：

$\stackrel{\→}{O}=\frac{(\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B})}{|\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B}|}$

不难得出：

$\frac{M_x[n_0(z-B_z)-n_C{C}_z|\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B}\left|\right]}{n_0{M}_z}{B}_x+\frac{n_c}{n_0}{C}_x|\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B}|$

$\frac{M_y[n_0(z-B_z)-n_C{C}_z|\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B}\left|\right]}{n_0{M}_z}{B}_y+\frac{n_I}{n_0}{C}_y|\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{B}|$

于是得到B点的曲面法线矢量：

$\stackrel{\→}{M}=\frac{\∂B(x,y)}{{\∂}_x}\×\frac{\∂B(x,y)}{{\∂}_y}=\frac{(B_x\×B_y)}{|B_x\×B_y|};$

根据得到的组合式LED光学透镜的单元透镜外表面上各个点的法线矢量，得到组合式LED光学透镜的单元透镜外表面上各个点的轮廓线；

根据得到的组合式LED光学透镜的单元透镜外表面上各个点的轮廓线，得到所述组合式LED光学透镜的单元透镜外表面。

2.一种组合式LED光学透镜，其特征在于，所述的组合式LED光学透镜包括多个单元透镜，各单元透镜包括透镜内表面和透镜外表面；所述透镜内表面为凹面，所述透镜外表面为凸面；所述透镜内表面与光源配合，所述透镜外表面由权利要求1所述的一种组合式LED光学透镜设计方法设计得到。

3.如权利要求2所述的一种组合式LED光学透镜，其特征在于，所述的组合式LED光学透镜设置有防水凹槽。

4.如权利要求2或3所述的一种组合式LED光学透镜，其特征在于，所述的组合式LED光学透镜设置有接线位凹槽。

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