[发明专利]一种COB型LED聚光TIR透镜系统及设计方法

摘要

本发明涉及一种用于多COB型LED光源实现聚光型出射效果的聚光TIR透镜系统及其设计方法。光学系统主要由COB型LED光源、自由曲面TIR透镜两部分组成，对COB型LED光源发出的光进行分角控制。光学系统的设计基于点光源近似理论，运用迭代法计算TIR透镜自由曲面离散点，运用TracePro中宏语言编写适用于面光源下的自定义准直函数，自动调整原先离散点坐标来实现照明区域高均匀度和色度的重点照明，达到聚光型出射效果，有效解决了以往点光源系统设计的TIR透镜直接运用于COB型LED时的缺陷与不足。同时，将菲涅尔变式结构运用于优化后的透镜顶部外表面，减少透镜厚度，节约成本，提高光效。

主权项

一种COB型LED聚光TIR透镜系统(TIR:total internal reflection全内反射)，其特征在于：包括COB型LED光源和聚光TIR透镜两部分；所述COB型LED光源采用大功率型30W～80W光源，发光面直径的选择范围为10mm～25mm；所述聚光TIR透镜由透镜顶部和侧壁两部分组成；所述COB型LED光源出射的光线由聚光TIR透镜进行分角度控制；其中，靠近光轴的大能量光线由TIR透镜顶部折射控制，远离光轴的小能量光线由TIR透镜侧壁全反射控制；所述COB型LED聚光TIR透镜系统，按照以下方法进行设计：基于传统点光源理论确定聚光TIR透镜的初始轮廓线；生成聚光TIR透镜自由曲面初始结构的步骤如下：1)设COB型直径为D的LED光源中心在O点，设聚光TIR透镜顶部下表面的剖视结构为第一自由曲面，透镜材料折射率为n，光束角度i在0～Ф之间；2)设P0(x0，y0)为第一自由曲面的起始点，又P0在球面上，设球面半径为R，由分界角Ф能够得知，P0坐标确定，x0＝RsinФ，y0＝RcosФ；3)P0点前取一点P1(x0－Δx，y0－Δy)，其中Δx，Δy均为很小的量，这样就能够认为P1点处的切线向量等于P0点处的切线向量；4)光线i经过P1(x1，y1)折射而出，入射角为β，折射角为α，由折射定理：n＝sinβ/sinα又有几何关系能够得知：β＝α+i5)再取P2(x1－Δx，y1－Δy)，P1点能够看作该点处入射光线与P2点处的切线的交点，经过反复迭代计算即可获得第一自由曲面曲线上各点坐标P0(x0，y0)～Pn(xn，yn)；6)设聚光TIR透镜侧壁外表面的剖视结构为第二自由曲面，与计算第一自由曲面的原理一样，光束角i范围为Ф～π/2，起始点Q0(x0，y0)；Q1(x1，y1)为第二自由曲面的某点，在第二自由曲面曲线上Q0点后取一点Q1(x0－Δx，y0－Δy)，其中Δx，Δy均为很小的量，根据起始点Q0(x0，y0)，经过反复迭代计算即能够获得全反射第二自由曲面曲线上各点坐标Q0(x0，y0)～Qn(xn，yn)；7)上述第一自由曲面和第二自由曲面的离散点为基于LED中心点计算而得，为COB型LED聚光TIR透镜的初始结构；在基于传统点光源理论确定的聚光TIR透镜自由曲面初始轮廓线基础上，运用TracePro宏语言编写适用于光源直径为D下的COB型LED自定义准直函数，优化生成聚光TIR透镜透镜的自由曲面最终轮廓线，步骤如下：A)保证第一自由曲面和第二自由曲面的轮廓不变的基础上，从P0(x0，y0)～Pn(xn，yn)和Q0(x0，y0)～Qn(xn，yn)中等间隔抽取m个数据点S1～Sm和T1～Tm，将S1～Sm和T1～Tm设为动态点，赋予一定的动态范围μ：B)通过TracePro宏语言建立准直评价函数，同时编程微调第一自由曲面和第二自由曲面的轮廓来生成适用于COB型LED聚光透镜的最佳二维轮廓；C)TracePro宏语言建立直径为D的COB型LED光源和距离光源为L的接收面；D)基于S1～Sm和T1～Tm数据，TracePro宏语言建立第一自由曲面和第二自由曲面的轮廓，并通过动态范围μ范围来改变S1～Sm和T1～Tm点坐标位置，进行准直优化，并最终生成适用于COB型LED聚光透镜的最佳二维轮廓；E)优化结束后，通过轮廓线旋转最终生成COB型LED聚光TIR透镜的最佳结构；F)为减小透镜厚度，不改变出光效果的基础上，对透镜顶部进行变式菲涅尔结构裁剪，减小透镜体积。