[发明专利]一种透镜的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学元件的设计方法，更具体地说，涉及一种提高LED灯具距高比和照度均匀性的透镜设计方法。

背景技术

在一些LED照明应用中，距高比和照度均匀性是衡量照明效果的一个重要参数。距高比是指灯具之间的距离和灯具离被照面的距离之比，比如在道路照明的应用场合，沿道路方向的相邻两个灯具之间的距离和灯具离路面的距离之比为纵向距高比，安装在道路两边的两个灯具之间的距离和灯具离路面的距离之比为横向距高比。在低位照明，即安装LED灯具的灯杆高度比较低时，既要求照射距离比较远又要求照度均匀性比较高的场合，比如，很宽的道路照明，目前的LED灯具就很难达到要求。因为，目前LED灯具的横向距高比都较低，一般只有3：1或更低，这种高灯杆的LED灯具安装方式不仅会对司机的眼睛产生严重的眩光，造成很大的安全隐患，而且也使得应用的灯杆成本提高。还有其他一些应用场合，比如洗墙灯，也属于低位照明，因此也需要大的距高比和较高的照射均匀性。

发明内容

本发明为解决上述现有技术中存在的技术问题，提供一种一种透镜的设计方法，运用简单和直观的计算得到LED灯具用的透镜，实现既能兼顾远距离和近距离照明且不产生眩光的实际使用要求，光线利用率很高，适用于各种类型的LED光源。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种透镜的设计方法，该透镜由结构上相互配合的上下两部分组成，其中上半部分为光束角在水平方向20°～140°范围内，垂直方向为平行光的多面体形状，下半部分由第一折射面和第二折射面组成，透镜上半部分的底面与下半部分的顶面重合，下半部分设计步骤如下：

a)、以过光源光轴的一平面为入射面，将该入射面与被照面的交线段等分成多个小段；

b)、在该入射面上，以光轴为一角边，将位于光轴单侧90°范围的夹角等分成与所述小段数量相等的多个小角，每一小角对应一个小段；

c)、以所述多个小段的边缘小段作为起始被照小段，以边缘点为起始被照点，以透镜上半部分在该入射面上的边缘入射点作为下半部分第一折射面上的起始特征点；

d)、在该特征点处，平行于光源与该被照点连线的直线同入射光线形成一光线偏折角，根据预定的比例，将所述光线偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，角分线作为入射光线经过下半部分第一折射面后的折射光线和射向下半部分第二折射面的入射光线，通过折射定律和所述对应小角，求出与该特征点相邻的下一个特征点，该下一个特征点对应与该被照点相邻的下一个被照点；

e)、同上一步骤，依次求出各个被照点所对应的下半部分第一折射面上的各特征点的位置；

f)、过上半部分在该入射面上的边缘出射点向被照面做一射线，该射线与经过下半部分第一折射面上起始特征点后的折射光线相交于一点，以该交点作为下半部分第二折射面上的起始特征点，在该起始特征点处，平行于光源与该被照点连线的直线为折射光线，其入射光线为上述d)步骤中确定的角分线，通过折射定律，求出与该起始特征点相邻的下一个特征点，该下一个特征点对应与该被照点相邻的下一个被照点，采用与上述相同的方法，求出下半部分第二折射面上的各特征点的位置；

g)、将上述求得的下半部分第一折射面和第二折射面上的各特征点分别依次连接起来，形成两条连续曲线，即为下半部分第一、二折射面的截面形状；

将上述求得的下半部分第一、二折射面的截面绕过LED光源且垂直于光轴的直线旋转180°，即可得到透镜下半部分的立体形状。

所述透镜上半部分的设计步骤如下：

i)、在所述入射面上，以光轴为一角边，将位于光轴单侧90°范围内的发光角划分成多个小角，将该范围内的小角按一定比例分成A、B两个角区；

ii)、在上述入射面上，令光源通过透镜上半部分后的出射光线为平行光线；在所述B角区，根据透镜尺寸要求，在边缘入射光线上取一点即为上半部分第一折射面上的起始特征点，在该起始特征点处，入射光线与平行出射光线形成一夹角，为起始光线偏折角，根据预定的权重，将所述偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，角分线作为入射光线经过上半部分第一折射面后的折射光线方向以及射向上半部分第二折射面的入射光线方向，通过折射定律以及所述的小角，求出与起始特征点相邻的下一个特征点；同前述步骤，依次求出上半部分第一折射面上的各特征点的位置；