[发明专利]一种形成均匀方形光斑的LED透镜阵列设计方法

说明书

一种形成均匀方形光斑的LED透镜阵列设计方法，是先设计双自由曲面准直透镜；然后在双自由曲面准直透镜与LED光源之间设计单自由曲面透镜，最后将所述LED透镜与LED光源结合为单元模块，并按照一定坐标及旋转角度进行阵列设计。本发明单元模块由一个单自由曲面透镜与一个双自由曲面准直透镜组成，通过采用多次折射光路，其光线可控，聚光效果好，且光源经透镜后在照射面形成照度均匀的方形光斑，光斑边界清晰可见，发散角小，并克服了单独采用菲涅耳透镜或平凸透镜等方式无法利用光源高角度部分的不足；本发明阵列光斑均匀性易控，优于95%，且整体LED能量利用率可以达到78%，因此本发明具有节约光能的效果，能量利用率更高，从而可以有效提高光的利用率，达到节能的目的。

技术领域

本发明涉及一种适应LED光源的二次光学元件，具体是涉及一种能够形成均匀方形光斑的LED透镜阵列设计方法。

背景技术

半导体照明(LED照明)是继白炽灯、荧光灯之后的第三次光源革命。由于具有高效、节能、环保、长寿命、近似点光源等显著特点，是近年来全球最具发展前景的高技术领域之一，获得了世界主要国家和地区的大力支持，目前全球LED产业已经进入快速发展期，广泛应用于各种室内和室外照明领域，包括平面显示、数字家电、汽车电子和特种照明灯等，全球LED照明渗透率正在快速提升。

由于LED光源发出的光近似朗伯型，即光强呈余弦分布，不能直接用于照明，二次光学设计具有改变LED的光线输出，根据应用场合重新分配光线尽量减少光损失，提高光利用效率，降低成本等优势，使得其对提高系统性能，满足不同的应用需求，以及对拓宽LED光源的应用范围显得尤为重要。目前，LED照明光学设计主要是通过自由曲面来重新配光以实现所需照明，一种是经验法(试错法)，另一种是算法设计，其理论基础主要是基于点光源单波长的设计。

目前，在大部分通用照明场合，比如室内照明、马路等通常希望照度面能够均匀，且是方型光斑，这样的处理，使得照明场所，在能量利用率上，及整体光斑均匀性上会得到很大提升。然而，现在市场普遍是圆形光斑，采用被照面为圆形光斑形状时，在相邻灯具的衔接处，势必会出现暗区和照射盲点，而使被照面的照度不均匀。当前，产生方型光斑的设计方法，已形成多种解决发案，如：1)路灯透镜花生米结构，通过自由曲面调控，产生方型光斑，但其发散角过大，均匀性主要由单个光源模块决定，光源阵列对均匀性控制较弱；2)通过方型光源的成像原理，利用菲涅耳透镜与平凸透镜等二次光学元件，形成准直均匀方型光斑，但光源整体能量利用率还不到50％，因其无法利用到光源高角度所发出的光；3)复合抛物面反射器,可实现近场的方型光斑，但其发散角过大，无法进行LED光源小角度部分调控。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种采用多次折射光路，光线可控，聚光效果好，在照射面形成照度均匀的方形光斑，光斑边界清晰可见，发散角小，节约光能效果好，能量利用率更高的LED透镜阵列设计方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的形成均匀方形光斑的LED透镜阵列设计方法，其特点是包括以下步骤：

步骤1)、设计双自由曲面准直透镜，其具体方法如下：

11)完成双自由曲线离散点坐标迭代关系的推导；

12)通过Matlab计算软件求出自由曲线的轨迹离散坐标；

13)将轨迹离散坐标导入TracePro光学仿真软件建立实体透镜模型；

步骤2)、在双自由曲面准直透镜与LED光源之间设计单自由曲面透镜，从而完成能够形成均匀准直方形光斑的LED透镜的设计，其具体方法如下：

21)设计单自由曲面透镜的入射面为平面，出射面为自由曲面，其中自由曲面是由样条曲线绕中心轴旋转而成，且该样条曲线由多个离散控制点控制；