[发明专利]实现六边形均匀照明的LED透镜设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学元件设计，特别涉及一种实现六边形均匀照明的LED透镜设计方法。

背景技术

随着LED光源的优点日益被人们所发现，其在照明领域已得到普遍应用。人们在追求高效的照明同时，也希望用LED光源达到所需要的景观照明效果。比如奥运五环、日环食等呈环形分布的或满足道路照明的呈长方形分布的光斑形状。要得到上述光斑形状，如果不采用光学透镜，用光源直接照射，则需要多个LED分工负责特定光斑形状照射区域的不同部分，这样不但会使灯具的结构复杂，成本增加，而且很难达到被照区域的照度均匀的要求。现有LED光源照明系统多采用非球面透镜系统或反光罩部件,实现照明光束整形,无法实现高质量均匀照明,同时不能发挥LED发光特定。

在先技术透镜加工使用玻璃材料，但其体积大，质量重、形状单一、易碎、生产效率低、成本高，短期内很难普及。

发明内容

本发明是针对LED光源达到景观照明设计存在的问题，提出了一种实现六边形均匀照明的LED透镜设计方法，具有构建方法简单，照度均匀，可实现光斑呈中心对称的六边形分布等特点。

本发明的技术方案为：一种实现六边形均匀照明的LED透镜设计方法，具体包括如下步骤：

1）构建无焦系统透镜，透镜形状为平凸型，设定直径，其中凸面为二次曲面，给定优化函数，在ZEMAX软件中对初始模块进行优化，最终使得光源的光经无焦透镜后平行出射，即为所需无焦系统透镜；

2）构建复眼透镜，直径大小与无焦系统透镜相同，透镜形状为平凸型，凸面为自由曲面，并且在自由曲面上构建正六边形小透镜，设计为复眼透镜；

3）在无焦系统透镜凸面正后面五毫米处放置复眼透镜，两个透镜的凸面同一方向，两者组成共轴光学系统，两块透镜组成所设计LED透镜，光源的光经无焦透镜出射的平行光束作为复眼透镜的入射光，最终在目标面得到六边形照明光斑。

所述步骤1）中无焦系统透镜选用亚克力材料。

所述步骤2）中复眼透镜选用亚克力材料。

本发明的有益效果在于：本发明实现六边形均匀照明的LED透镜设计方法，透镜加工材料使用亚克力材料，其属于塑胶类材料，由于复眼透镜结构复杂，使用亚克力材料可以提高生产效率，并且透镜形状可以通过注塑、挤塑完成，具有透光率高（3mm厚度时穿透率93%左右），成本低特点。构建方法简单，照度均匀，可实现光斑呈中心对称的六边形分布等特点。

附图说明

图1为本发明六边形均匀照明的LED透镜结构示意图；

图2为本发明复眼透镜正视图；

图3为本发明经过两块透镜最后呈六边形照明光斑图；

图4为本发明照度图的横向具体照度值图；

图5为本发明照度图的纵向具体照度值图。

具体实施方式

针对现有单一形状的照明光斑，设计一种呈六边形的光斑，基于斯涅耳折射定律及复眼仿生学原理，LED光源发出的光经透镜发生折射后到达照射面，因此对透镜曲面上进行光学设计，从而使得光线到达照射面时形成所需要的光斑形状。由于LED芯片是一个矩形，所以在设计时忽略芯片形状，将其当做点光源进行设计。先将特定角度的光经过一个无焦系统的透镜，使其出射光为平行光，再经过复眼透镜将光出射为具有六边形光斑的光束。

如图1所示六边形均匀照明的LED透镜结构示意图，设计的具体实现步骤为：

步骤(1)构建无焦系统透镜1，透镜形状为平凸型，其中凸面为二次曲面，在ZEMAX软件中对初始模块进行优化，最终使得光源的光经无焦透镜后平行出射；首先设置初始值，并且设定直径大小为8mm不变，将第二个面设为二次曲面，给定优化函数，对初始模块进行优化，最终得到平行光出射，此为所需无焦系统透镜；优选发光光源为1mm×1mmLED芯片、发光角度为60度；

步骤(2)构建复眼透镜2，直径大小与无焦系统透镜1相同，透镜形状为平凸型，凸面为自由曲面，并且在自由曲面上构建正六边形小透镜，设计为复眼透镜，如图2所示；

步骤(3)在无焦系统透镜1凸面正后面五毫米处放置复眼透镜2，两个透镜的凸面同一方向，两者组成共轴光学系统，两块透镜组成所设计LED透镜，光源的光经无焦透镜出射的平行光束作为复眼透镜的入射光，最终在目标面得到六边形照明光斑，如图3所示。

图4为本发明六边形照明光斑图图3的补充说明图，该图显示的是照度图的横向具体照度值；图5显示的是照度图的纵向具体照度值。

无焦系统透镜1和复眼透镜2材料为亚克力材料。

本实施例在近距离特定光斑照明光学系统中安装了本发明中构建的光学系统透镜，用于呈现特定光斑，在本实施例检测中，光斑形状通过TracePro光学仿真软件来仿真辨别，在距离无焦透镜5.8mm处给定发散角为60°的发光光源，本方法检测到六边形照明光斑显示存在并且具有较高的均匀度，均匀度达到85%，同时，光利用率超过80%，完全符合照明要求，实现了六边形均匀照明光斑的设计，具有生产效率高、光利用率高、成本低等特点。