專利名稱：一種實現連續變焦的新型led全反射式透鏡及設計方法
技術領域：
本發明屬于半導體照明領域，涉及ー種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡及設計方法。
背景技術：
如今，LED由于其壽命長，低能耗等眾多優勢在各種領域得到了廣泛的應用，如道路照明，LED投影機以及室內照明等等。在許多應用場合中，被照明的目標面與光源的距離以及光束的視場角都不是固定不變的，如應用于夜間監控系統的紅外照明設備，要求能夠根據紅外攝像機的變焦范圍改變自身的視場角以及能量密度分布，使其照射范圍覆蓋整個監控區域，若紅外燈的視場角過大，會造成光能浪費，反之則會產生手電筒效應，影響照明效果。因此，需要設計連續變焦的LED照明光學系統。傳統的實現連續變焦的照明光學系統多采用多片透鏡形式進行配光，這種形式存 在以下幾點問題。首先，該結構無法收集大角度光束，造成了光能的浪費。第二，由于透鏡個數往往多于I個，導致系統體積較大。最后，傳統透鏡結構的設計自由度較低，針對某ー種或者兩種模式設計得到的結構僅在該模式下效果較好，偏離后其光束均勻性則明顯下降。
發明內容
為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供了一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡及方法，在傳統全反射式透鏡的基礎上，依據準直模式與發散模式對光強分布的不同要求，分別設計其透射面與全反射面。本發明解決技術問題所采用的技術方案如下一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡，該透鏡包括底部容腔、全反射面、外圍平面和中心透射面，全反射面與底部容腔和外圍平面相連，外圍平面與中心透射面相連，底部容腔、全反射面、外圍平面和中心透射面以光軸對稱，全反射面和中心透射面均為自由曲面。基于ー種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡的設計方法，該方法包括如下步驟步驟ー根據光源LED與中心透射面的距離，和光線經過中心透射面后準直出射，計算中心透射面的面形結構；步驟ニ 設LED為理想朗伯體，求得歸ー化的光強分布和相應累積光通量分布，入射累積光通量由經中心透射面的光通量和經全反射面出射的光通量組成，使LED沿光軸方向移動特定距離，根據LED與底部容腔的距離和底部容腔的半寬度，求解中心透射面與全反射面所分配角度的臨界值；步驟三根據能夠實現遠場目標面照度均勻的光強分布求出理想的出射累積光通量分布；由理想出射能量分布形式得到，出射累積光通量等于入射累積光通量，求得全反射面上的入射光線與出射光線的對應關系，進而計算出全反射面面形結構；
步驟四在光學仿真軟件中進行模擬，依據模擬結果，添加修正因子，得到新的全反射面上的入射光線與出射光線的對應關系；利用光學仿真軟件再次進行模擬，直至模擬結果符合要求，完成實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡的設計方法。本發明的有益效果是本發明一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡采用單個全反射式透鏡實現連續變焦，系統體積較小，且便于裝調。該設計方法采用自由曲面形式進行光能分配，提高了系統的光能利用率以及目標面的照度均勻度。
圖I本發明一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡的結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。
如圖I所示，一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡，該透鏡包括由平面I和平面2構成的底部容腔、全反射面3、外圍平面4和中心透射面5，全反射面3與底部容腔I和外圍平面4相連，外圍平面4與中心透射面5相連,所述底部容腔、全反射面3、外圍平面4和中心透射面5以光軸對稱，全反射面3以及透射面5均為自由曲面。光源在位置P1
時經中心透射面實現光束準直，在P2時則光束發散。當LED位于位置P1時，0< <釣的光
線經平面I和中心透射面5透射后平行于光軸射出。當LED位于位置P2時，(P2 <a<nj2的
光線經平面2透射，全反射面3全反射，最后從平面4出射后與經平面I和中心透射面5透射的光線共同實現遠場目標面照度均勻。基于一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡的設計方法，該方法包括如下步驟步驟一根據光源LED的位置P1與中心透射面5的距離，和光線經過中心透射面5后準直出射，計算中心透射面5的面形結構；步驟二 設LED為理想朗伯體，求得歸一化的入射光強分布和相應累積光通量分布，即I(a)=cosaΦ\οι) - J I{a')ch\' = ^sin2 a ,其中，a為光源的入射角，w為光源的立體角，入射累積光通量由經中心透射面的光通量ΦΜ Μ(； (α)和經全反射面出射的光通量ΦΤΙΚ(α)組成。在步驟一中，中心透射面的面形結構已經得出。因此，可根據斯涅耳定律以及能量守恒定律，求得LED沿光軸移動任意距離透射部分的光強分布形式和視場角的大小。根據所要求的最大視場角值，即可確定LED沿光軸移動的距離。使LED沿光軸方向移動I至P2，設LED在P1點時與平面I的距離為h，通過底部容腔的距離h和底部容腔的半寬度d，求解中心透射面與全反射面所分配角度的臨界值爐2
φ、- arctan(6//(/7 ~0)
中心透射面的光通量ΦΜ&-( α )和經全反射面出射的光通量ΦΤΙΚ( α )
權利要求
1.一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡，其特征在干，該透鏡包括底部容腔、全反射面、外圍平面和中心透射面，全反射面與底部容腔和外圍平面相連，外圍平面與中心透射面相連，所述底部容腔、全反射面、外圍平面和中心透射面以光軸對稱，全反射面和中心透射面均為自由曲面。
2.基于權利要求I所述的ー種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡的設計方法，其特征在于，該方法包括如下步驟步驟ー根據光源LED與中心透射面的距離，和光線經過中心透射面后準直出射，計算中心透射面的面形結構；步驟ニ 設LED為理想朗伯體，求得歸ー化的光強分布和相應累積光通量分布，入射累積光通量由經中心透射面的光通量和經全反射面出射的光通量組成，使LED沿光軸方向移動特定距離，根據LED與底部容腔的距離和底部容腔的半寬度，求解中心透射面與全反射面所分配角度的臨界值；步驟三根據能夠實現遠場目標面照度均勻的光強分布求出理想的出射累積光通量分布；由理想出射能量分布形式得到，出射累積光通量等于入射累積光通量，求得全反射面上的入射光線與出射光線的對應關系，進而計算出全反射面面形結構；步驟四在光學仿真軟件中進行模擬，依據模擬結果，添加修正因子，得到新的全反射面上的入射光線與出射光線的對應關系；利用光學仿真軟件再次進行模擬，直至模擬結 果符合要求，完成實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡的設計方法。
全文摘要
一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡及設計方法屬于半導體照明領域，該透鏡包括底部容腔、全反射面、外圍平面和中心透射面，全反射面與底部容腔和外圍平面相連，外圍平面與中心透射面相連，底部容腔、全反射面、外圍平面和中心透射面以光軸對稱，全反射面和中心透射面均為自由曲面。本發明一種實現連續變焦的新型LED全反射式透鏡采用單個全反射式透鏡實現連續變焦，系統體積較小，且便于裝調。該設計方法采用自由曲面形式進行光能分配，提高了系統的光能利用率以及目標面的照度均勻度。
文檔編號F21Y101/02GK102829432SQ20121027979
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月8日 優先權日2012年8月8日
發明者劉華, 辛迪, 盧振武 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所