[发明专利]一种LED一次封装自由曲面透镜及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于光学透镜领域，具体涉及一种LED一次封装自由曲面透镜及其设计方法。

背景技术

近年来，随着半导体照明技术的发展，LED的应用到了多个照明领域，LED路灯就是其应用之一。LED以其体积小、可靠性高、寿命长和亮度可调性好等优势正在获得广泛应用。但是现在LED路灯照明还没有相应的标准，市场上的LED路灯质量也参差不齐，主要体现在路面照度不均匀，被照路面出现斑马现象。目前LED路灯主要采用在一次光学设计的基础上进行二次光学设计，这样导致多余的光能损耗，造成了能源损耗，而且配光效果也不甚理想。

在道路照明中，需要LED灯具有较大的功率。但是由于多颗LED在灯具设计中和使用上有诸多不便，需要大量串联和并联使用，光源的稳定性差，使得LED灯具结构和设计受到很大的限制，另外光效也受到限制，使得大部分的灯具达不到《城市道路照明》所要求的照度要求和照度均匀度要求。为了方便LED路灯灯具设计，需要设计出矩形配光、均匀照度的一次封装透镜，提高光线利用率。

发明内容

本发明的目的是设计出一种矩形配光、照度均匀的LED一次封装自由曲面透镜及其设计方法，以改善路面照度均匀度，矩形配光可以提高光线利用率。

本发明提出的一种LED一次自由曲面透镜，该透镜由透镜内表面1和透镜外表面2组成，其中：透镜内表面1为平面，透镜外表面2为自由曲面，自由曲面用来实现均与照度和矩形配光，当LED芯片发光面发出光束，经过内表面1的折射，入射到该透镜，再经过自由表面出射到路面上；所述透镜外表面2满足照度均匀公式(1)、矩形配光坐标转换公式（2）、（3）和初始条件，其表面坐标通过数值计算得到：

照度均匀公式：

　　　　　　　　　（1）

矩形配光坐标转换公式（2）、（3）：

　　　　　　　　　　（2）

　　　　　　（3）

其中和为被照路面的长和宽，为LED与路面的距离。和为第一象限内LED的出光方位角；

初始条件为：透镜第一平面距离与原点距离为，自由曲面与原点的距离为，即为。

本发明提出的LED一次封闭自由曲面透镜的设计方法，具体步骤如下：

(1)确定透镜的边界条件，所述边界条件包括透镜中心厚度、被照面形状与几何尺寸；

(2)根据确定的被照面几何形状，建立一个坐标转换模型，写出坐标转换函数，将LED芯片出射光线均匀分布到被照面上；

透镜的四个角底部包含四个封装的固定脚，透镜的折射率为，对于LED芯片出光表面上方位角为的光线，经过第一平面的折射，折射光线的方位角为，这里可以根据折射定律求得，而保持不变。折射光线经过自由曲面折射，照射到路面上，该出射光线为。这里出射光线的方向和坐标可以通过折射定律求出。求解过程中使用了照度均匀的条件。

首先根据Snell定律有

其中，为空气折射率，为透镜的折射率。用矢量表示，入射光线的单位矢量为

，

计算得到折射光线的单位矢量为

。

折射光线经过自由曲面上的点，在球坐标中其坐标表示为

那么点所在的自由曲面可以表示为

。

为了方面，下面推导的过程中将简写为。

那么曲面的两个切线向量为

那么自由曲面在点处的法向量就是，结果如下

归一化，得到法线单位向量就是

对于自由曲面界面上，假设入射波和折射波的单位矢量分别为和，空气折射率和透镜折射率分别为和。根据折射定律，有

化简得

其中，下面根据能量守恒定律和照度均匀性要求推导点坐标。

假设LED的光线全部照射到长为宽为的路面上，由能量守恒原理得到

对于LED光源近似有，代入上式，可以得到

可以得到路面照度为。

对于特定的,也有

即为

其中和分别表示对应第一象限的矩形顶点坐标，而且满足。

化简得到

也就是说，对于不同的，有不同的矩形范围。假设在第一象限，值对应的矩形边上有点，显然有

当时，，；

当时，，。

综合上面所述，对于第一象限内LED出光面上方位角为的出射光线，照射到路面上点的坐标为

，