[发明专利]一种用于LED准直的自由曲面透镜的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学器件领域，尤其是涉及一种用于LED准直的自由曲面透镜的制作方法。

背景技术

相对于传统光源，LED具有寿命长、功耗低、结构紧凑、设计灵活等优点，随着近年来LED光效的节节攀升，其应用也越来越广泛。一般地，LED的出射光强呈近朗伯分布，在很多应用中需要将LED光线进行准直（如内窥镜照明等），因此需借助二次光学设计来重新分配LED出光。相比较球面，自由曲面以其更高的设计自由度已成为LED二次光学设计的首选。实现LED准直照明的自由曲面设计主要采用偏微分程的方法。对于准直照明来说，偏微分程方法通常是采用理想点光源，根据入射光线、出射光线及对应的曲面法矢三者之间的关系构建出曲面所满足的一组常微分方程，并借助数值求解及三维建模构建曲面。为了获得更高的能量利用率及较小的透镜出光角度，用于LED准直的透镜通常需要采用全内反射（TIR）结构，并由偏微分程方法分别求解折射曲面及全反射曲面。由于LED具有一定的尺寸，且相比较紧凑的曲面结构LED通常不能视为点光源，在实际应用时容易出现准直效果不好，扩散角相对较大等问题。为了解决这个问题，设计者通常会用增大透镜口径的方法以获取更好的准直效果，但是这一体积的增大无疑限制了其在很多场合的应用（如内窥镜照明等）。

另外，现有技术中的LED准直透镜还存在着结构复杂、实现成本高的缺点。中国专利200510092271.5提出了一种用于LED准直的漏斗状类型的内反射准直透镜，发明人设计了多个面去实现准直的功能，步骤繁琐，结构复杂，难以加工。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种更贴近实际应用的用于LED准直的自由曲面透镜的制作方法。

本发明为了解决其技术问题采用的方案如下：

用于LED准直的自由曲面透镜的制作方法包括如下步骤：

步骤一：设计出用于点光源准直的自由曲面透镜初始结构，该自由曲面透镜折射面的面型由如下公式确定：

反射面的面型由如下公式确定：

其中，z为光线传播正方向z轴的坐标，ω为入射光线经折射面折射或反射面反射后对应光线与z轴的夹角，平行光即ω = 0，h为光源离折射面顶点的距离，d为折射面顶点与坐标原点之间的距离，R1为透镜下端面的半口径，n为透镜折射率，θ为入射光线与z轴的夹角，对于折射面公式，θ的取值范围是[ 0, )；对于反射面公式，θ的取值范围是[，π/2]，其中是折射面所能收集光线的最大角度；

步骤二：模型参数化，首先，折射面曲线AB上的待优化数据点由如下等式确定：

其中，和N1分别为折射面曲线AB上的待优化数据点及其数量，反射面曲线CD上的待优化数据点可由如下等式确定：

其中，和N2分为反射面曲线CD上待优化数据点及其数量，在每轮优化迭代中，各待优化数据点的坐标可由以下两式重新计算得到

其中，为点的坐标，为点的坐标，为光源距离的距离，为入射光线与圆柱面曲线BC交点离的距离，和分别为对应于和点的入射光线与z轴的夹角，根据该组数据点解出对应的控制点及节点向量，然后根据控制点及节点向量构建出折射面和反射面的轮廓曲线，将该轮廓曲线在旋转360°即得到重构的模型；

步骤三：建立评价函数，评价函数MF由如下公式确定：

其中，为从透镜出射的各光线与z轴正方向的夹角，为从透镜出射的所有光线与z轴正方向的夹角的均方差，M为采样光线的数量，然后选取光强呈朗伯体分布的1mm×1mm的面光源导入光学软件Tracepro进行优化，使评价函数MF收敛；

步骤四：折射面和反射面通过圆柱面相连，出射面即为反射面较大的圆形出口，将折射面、反射面、圆柱面和出射面数据输入3D建模软件建立模型，将该模型导入五轴机床即可加工成型；光源发出的光线经过折射面的折射和反射面的全内反射，以平行光的形式从出射面出射；该透镜为全内反射型结构，并且关于z坐标轴旋转对称，光线收集半角为90°。

本发明与现有技术相比，具有准直性好、结构紧凑、尺寸相对较小、设计方法简单实用的特点，特别适用于LED扩展光源的准直。

附图说明

图1(a)为用于LED准直的自由曲面透镜的俯视图；

图1(b)为用于LED准直的自由曲面透镜的透视图；

图1(c)为用于LED准直的自由曲面透镜的前视图；