一種高出光效率的自由曲面透鏡及設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于LED封裝技術(shù)，涉及LED封裝中的一種高出光效率的自由曲面透鏡及設(shè) 計(jì)方法，特別應(yīng)用于LED封裝中提高光效、實(shí)現(xiàn)光束控制、滿足不同照明需求的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)光二極管（LED，Light Emitting Diode)是一種基于電子空穴復(fù)合發(fā)光的原理 制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件，具有電光轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長、環(huán)保節(jié)能、體積小等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù) 為21世紀(jì)綠色照明光源，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，被業(yè)界認(rèn)為是未來照明技術(shù)的主 要發(fā)展方向，具有巨大的市場(chǎng)潛力。
[0003] -般的，在大功率白光LED封裝中，一個(gè)不可或缺的部分是光學(xué)透鏡。光學(xué)透鏡的 作用是將LED芯片發(fā)出的光線進(jìn)行調(diào)控，使之照射到目標(biāo)面上，實(shí)現(xiàn)特定的照明光斑、照度 均勻性、光線顏色的空間分布等要求。如圖1所示，LED光源位于原點(diǎn)，從LED發(fā)出的光依次經(jīng) 過透鏡內(nèi)表面（102)、透鏡外表面（101)兩次折射，射向目標(biāo)面（100)上。光在透鏡內(nèi)表面 (102)和外表面(101)的兩次折射可以采用斯涅耳定律描述，具體是指光線的入射的方向向 量、透鏡表面的法線的方向向量，和光經(jīng)過透鏡的折射的方向向量三者滿足斯涅耳方程，如 式（1)和式(2)所示。為了求解出透鏡的表面，利用斯涅耳方程，我們需要求出透鏡表面的法 線的方向向量。但是在求解式(1)和式(2)時(shí)，未知數(shù)的個(gè)數(shù)多于方程的數(shù)目（點(diǎn)A和點(diǎn)B的坐 標(biāo)、內(nèi)表面（102)和外表面（101)的法向的方向向量是未知的），因此無法同時(shí)求解式（1)和 式⑵。
[0006] 現(xiàn)有的LED用透鏡設(shè)計(jì)方法大多采用簡化方法，即假設(shè)透鏡內(nèi)表面為半球面，光線 自位于原點(diǎn)的LED發(fā)射出來后，經(jīng)過透鏡內(nèi)表面是直接射出不發(fā)生折射的，這樣傳統(tǒng)方法僅 需設(shè)計(jì)透鏡外表面即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的調(diào)控。這樣簡化的一個(gè)明顯弊端是：忽視了透鏡內(nèi)表 面的調(diào)控作用，使得透鏡外表面對(duì)光線的調(diào)控能力有限，而且造成較大的光學(xué)損失（即菲涅 爾光損），使得光線的出光效率降低。
[0007] 近年來，高亮度高光效白光LED封裝是發(fā)展的重點(diǎn)和主要方向，影響LED光效的每 一個(gè)環(huán)節(jié)都需重視，所以傳統(tǒng)自由曲面透鏡的光學(xué)損失這種高光效LED封裝中變得不可忽 略。降低傳統(tǒng)自由曲面透鏡的光學(xué)損失的一種重要方法是同時(shí)設(shè)計(jì)透鏡的內(nèi)表面和外表 面，使得自由曲面透鏡在滿足照明要求的同時(shí)提高出光效率，從而實(shí)現(xiàn)高光效的LED封裝。
[0008] 關(guān)于自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)，調(diào)研發(fā)現(xiàn)華中科技大學(xué)的羅小兵等人(授權(quán)公告號(hào):CN 102537842 A專利）提出了一種基于能量對(duì)應(yīng)的方法，通過外加合適條件可同時(shí)求解式（1) 和式（2)，進(jìn)而同時(shí)設(shè)計(jì)透鏡的內(nèi)外自由表面，滿足照明要求。上海三思電子工程有限公司 的周士康等人(權(quán)公告號(hào):CN 102193193 A、CN 102287754 A專利)通過角度劃分，將光源和 光斑劃分成一一對(duì)應(yīng)的小角和小段，結(jié)合折射定律，設(shè)計(jì)自由曲面透鏡的內(nèi)外表面。但是， 采用這些方法設(shè)計(jì)的自由曲面透鏡，未結(jié)合菲涅爾能量損失最小化來設(shè)計(jì)，即未考慮透鏡 的出光效率，因此發(fā)展一種同時(shí)設(shè)計(jì)透鏡內(nèi)外表面，滿足不同照明要求并且出光效率最高 的設(shè)計(jì)方法尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種高出光效率的自由曲面 透鏡及設(shè)計(jì)方法，其目的在于通過調(diào)控光線在通過透鏡內(nèi)外自由曲面時(shí)的偏折程度，不僅 能達(dá)到特定的照明需求，還能使得光線在通過透鏡時(shí)的菲涅爾損失最小，從而提高照明器 件的發(fā)光效率。
[0010] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，一種高出光效率的自由曲面透鏡，其特征在于:所述自由曲面透 鏡為半圓形，自由曲面透鏡的底面設(shè)有圓錐形凹槽，自由曲面透鏡的半圓形面為外表面，自 由曲面透鏡圓錐形凹槽面為內(nèi)表面，內(nèi)表面和外表面構(gòu)成兩個(gè)自由曲面。
[0011] -種高出光效率的自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0012] S1.以任意一個(gè)過光源光軸Z的平面為入射面，光源位于坐標(biāo)原點(diǎn)0,光源發(fā)光角度 Θ為光線出射方向與光軸正方向0Z的夾角，將光源向外發(fā)出的光能量等分成N份，N的取值為 100~2000，每份光通量Φ i相等，得到每一個(gè)等分角度0i，i = 1~N;
[0013] S2.按照不同照明要求如光斑形狀、照度分布，將目標(biāo)面同樣劃分成N份，每部分面 積相等，找出對(duì)應(yīng)每份入射光通量的Φ i光斑尺寸η;
[0014] S3.給定內(nèi)表面偏折系數(shù)k，根據(jù)公式：
[0016] 其中，fQ為透鏡內(nèi)表面中心點(diǎn)高度，m為進(jìn)入透鏡前入射光線所在的介質(zhì)的折射 率，112為透鏡材料的折射率;根據(jù)上述公式求得每條光線從原點(diǎn)到透鏡內(nèi)表面的距離函數(shù) f，進(jìn)而求出透鏡內(nèi)表面的各個(gè)點(diǎn)A1;采用光滑或非光滑將所得距離f對(duì)應(yīng)的AAi連成曲線； 對(duì)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的透鏡，則只需將得到的曲線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)對(duì)稱即得到透鏡內(nèi)表面;對(duì)于非旋轉(zhuǎn) 對(duì)稱的透鏡，則還需將光源光線的空間分布切成Μ份，采用同樣的方法求得Μ條透鏡內(nèi)表面 曲線;將這些曲線縫合成曲面，即得到透鏡的內(nèi)表面；
[0017] S4.根據(jù)斯涅爾定律，結(jié)合外表面中心點(diǎn)高度do、內(nèi)表面的折射光線角度γ =k0， 以及光線穿過透鏡外表面的出射方向，確定透鏡外表面的種線點(diǎn)m，采用光滑或非光滑將 種線上的點(diǎn)仏連成曲線;對(duì)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的透鏡，只需將得到的曲線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)對(duì)稱即得到透 鏡外表面;對(duì)于非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的透鏡，采用同樣的方法在整個(gè)空間求得μ條透鏡外表面曲線； 將這些曲線縫合成曲面，即得到透鏡的外表面；
[0018] S5.將透鏡的內(nèi)表面和外表面封閉成實(shí)體，得到最終的自由曲面透鏡。
[0019] 步驟S3中，k的取值為0~1，k值越小，則光線入射到內(nèi)表面后偏離原來的傳播方向 越大
[0020] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于在自由曲面 透鏡的內(nèi)表面的構(gòu)造過程中定義角度偏折系數(shù)k，再根據(jù)菲涅爾損失優(yōu)化k值，從而具有下 列有益效果：
[0021] 1、在自由曲面透鏡的內(nèi)表面構(gòu)造過程中定義角度偏折系數(shù)k，可以控制光線在內(nèi) 表面的偏折程度，從而控制光線在通過透鏡時(shí)的菲涅爾損失，進(jìn)而得到高出光效率的自由 曲面透鏡；
[0022] 2、將透鏡的內(nèi)外表面都設(shè)計(jì)為自由曲面，相對(duì)于傳統(tǒng)的只有外表面為自由曲面的 透鏡而言，設(shè)計(jì)的靈活性更大，可以對(duì)光線進(jìn)行更加精準(zhǔn)的調(diào)控，從而獲得更加準(zhǔn)確的照明 光型；
[0023] 3、自由曲面透鏡的內(nèi)表面高度可以根據(jù)不同LED封裝形式進(jìn)行調(diào)節(jié)，高度可控，可 以應(yīng)用于LED支架式、板上芯片、陣列式、系統(tǒng)封裝、印刷電路板封裝和硅基封裝等封裝形 式。
[0024] 總之，本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法簡單，通過對(duì)透鏡的內(nèi)外表面同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)特 定的照明光型，滿足各種不同照明要求，實(shí)現(xiàn)多種不同的照明效果，如均勻圓形光斑、均勻 矩形光斑、均勻多邊形光斑等。由于透鏡內(nèi)外表面都是自由曲面，因此優(yōu)化透鏡形狀，可以 使得透鏡的光能量損失最小，從而使LED發(fā)出的光高效率地投射到照明平面。由于透鏡的材 料是產(chǎn)業(yè)界常用的透光材料，因此加工成本低，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明光源的劃分方法示意圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明的目標(biāo)平面的劃分方法示意圖；
[0027] 圖3為本發(fā)明光線從光源經(jīng)過透鏡的內(nèi)外自由曲面折射后到達(dá)目標(biāo)面的示意圖；
[0028] 圖4為本發(fā)明單顆自由曲面透鏡的截面示意圖；
[0029] 圖5為本發(fā)明單顆自由曲面透鏡的透視圖；
[0030] 圖6為本發(fā)明多顆自由曲面透鏡陣列形式排列示意圖；
[0031 ]圖7為本發(fā)明實(shí)施例1得到的自由曲面透鏡的剖面圖；
[0032] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例1得到的自由曲面透鏡在照明平面的照明效果圖；
[0033] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例2得到的自由曲面透鏡的剖面圖；
[0034] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例2得到的透鏡在照明平面的照明效果圖。
[0035] 圖中，100-目標(biāo)面、101-外表面、102-內(nèi)表面、103-切平面。
【具體實(shí)施方式】
[0036]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0037]如圖4、5、6、7所示，一種高出光效率的自由曲面透鏡，自由曲面透鏡1為半圓形，自 由曲面透鏡1的底面設(shè)有圓錐形凹槽2，自由曲面透鏡1的半圓形面為外表面101，自由曲面 透鏡1圓錐形凹槽2面為內(nèi)表面102,內(nèi)表面102和外表面101構(gòu)成兩個(gè)自由曲面。
[0038] 上述內(nèi)表面102中心高度為3mm~20mm，外表面101的中心高度為高于內(nèi)表面102中 心高度3mm~10mm。
[0039] 上述自由曲面透鏡1為單顆自由曲面透鏡或多顆自由曲面透鏡陣列形式排列，安 裝時(shí)自由曲面透鏡與光源的對(duì)應(yīng)關(guān)系為一對(duì)一或一對(duì)多或多對(duì)一關(guān)系。
[0040] 上述自由曲面透鏡1圓錐形凹槽2還可為倒置圓錐形凹槽或半圓形凹槽。
[0041 ]上述自由曲面透鏡1的材料是PC聚碳酸酯或PMMA聚甲基丙烯酸甲酯或PS聚苯乙烯 或玻璃透光材料，其透光率大于90 %。
[0042] 上述自由曲面透鏡1的加工方式為開模注塑或熔融壓鑄或精密加工的一種或多 種。
[0043] 上述自由曲面透鏡1適