阅读说明：本技术 基于朗伯型led光源的分区域匀光照明的菲涅尔透镜设计方法 (Design method of partitioned uniform light illumination Fresnel lens based on Lambert type LED light source ) 是由 张云翠 魏以婧 谢蓄芬 潘妲 于 2020-05-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于朗伯型LED光源的分区域匀光照明的菲涅尔透镜设计方法,根据光学扩展量守恒定律计算不同区域的边缘光线偏折角度,确定不同区域的焦距,进而确定分区域匀光照明的菲涅尔透镜面型。本发明适用于LED朗伯发光或类朗伯发光的聚光照明场合；通过对具有朗伯出光的LED经过分区域汇聚使得接收的光线更加均匀化,解决各种因LED光源配光不均而造成的菲涅尔透镜会聚后光斑能量分布不均的问题,可提高使用透镜进行聚光的LED照明系统的均匀性；同时本发明通过改变各区域菲涅尔透镜焦距的方法进行设计,大幅度提高设计效率。(The invention discloses a design method of a Fresnel lens for zoned uniform light illumination based on a Lambert type LED light source, which is characterized in that edge light deflection angles of different zones are calculated according to an optical expansion conservation law, focal lengths of the different zones are determined, and further a surface type of the Fresnel lens for zoned uniform light illumination is determined. The LED spotlight is suitable for the LED Lambert luminous or similar Lambert luminous spotlight occasions; the LEDs with Lambert light emitting are subjected to regional convergence to enable received light to be more uniform, so that the problem of uneven light spot energy distribution of converged Fresnel lenses caused by uneven light distribution of LED light sources is solved, and the uniformity of an LED illumination system using the lenses for light condensation can be improved; meanwhile, the design is carried out by changing the focal length of the Fresnel lens in each area, so that the design efficiency is greatly improved.)

基于朗伯型LED光源的分区域匀光照明的菲涅尔透镜设计 方法

技术领域

本发明涉及光学设计的非成像技术，尤其涉及一种基于朗伯型LED光源的分区域匀光照明的菲涅尔透镜设计方法。

背景技术

LED是一种将电能转换为光能的近发光器件，它具有体积小、功耗低、光效高、绿色环保等一系列优点，广泛用于灯具照明、液晶背光等方面。但随着照明背光使用场所对照明要求的提高，均匀度的要求也越来越高。菲涅尔透镜与传统透镜相比，具有面积大、体重轻、价格低廉、轻便易携带等优点，是一种应用十分广泛的光学器件。例如航海照明、照明光学等，菲涅尔透镜能够更好的校准光线的输出，减少光学器件的使用，使得光学模组方便简单易散热。与过去相比，菲涅尔透镜传统仅以聚光或为校准光线角度范围的要求已经提升，均匀聚光成为新时代的一个重要研究以及发展。

发明内容

本发明的目的在于，针对市面上传统菲涅尔透镜单一调焦、照度不够均匀等问题，提供一种分区域匀光照明的菲涅尔透镜设计方法；所述方法是通过将不同焦距的普通菲涅尔透镜的一部分组合在一起，最后组成由多个同心圆弧组成的分区域匀光菲涅尔透镜，可将出射光线均匀化。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于朗伯型LED光源的分区域匀光照明的菲涅尔透镜设计方法，所述方法包括：

S1：确定分区域匀光照明的菲涅尔透镜的尺寸，包括最大口径大小、环距、厚度参数；确定LED光源以及分析光源的数据，包括光通量、光强、瓦数参数，确定接收面参数，包括尺寸、位置、吸收或散射特性、材料参数；

S2：将所述分区域匀光照明的菲涅尔透镜划分为若干个区域，其中，中心区域位于中心位置，第一区域衔接中心区域，第二区域衔接第一区域，第三区域衔接第二区域，第四区域衔接第三区域，第五区域衔接第四区域，依此类推，各个区域依次从中心往外扩散；根据精准度划分每一区域的大小，所述精准度包括：等出光角、等半径；

S3：通过光学扩展量守恒定律以及表面匀光设计要求，推算出光源的出射角度和发散角度θ-θ′之间的关系为：

其中，θ是光源出射半角，θ′是光线发散半角，E是光线到达出射面的照度，单位为lx，L是像面到菲涅尔透镜表面的距离，I₀为光源在给定方向立体角中入射面的光强，单位为cd，l′是像距；

S4：通过得到的出射角度与发散角度θ-θ′之间的关系，即边缘光线角度关系公式(1)，推算出各个区域的像点公式(2)，进而由物像关系公式求出各个区域的焦距公式(3)；

其中，l是物距，l′是像距，r是透镜的半径，f′为焦距，R是接收面照射光斑半径；

S5：根据所述精准度、各个区域的焦距即可确定分区域匀光照明的菲涅尔透镜面型。

优选方式下，所述每个区域都是由普通菲涅尔透镜的一部分组成，每个区域的获得方式为：中心区域是最完整的圆形菲涅尔透镜，第一区域是将不同焦距的菲涅尔透镜与中心区域取并集的圆环形菲涅尔透镜，第二区域是将不同焦距的菲涅尔透镜与第一区域和中心区域的并集取并集的圆环形菲涅尔透镜，第三区域是将不同焦距的菲涅尔透镜与第二区域、第一区域和中心区域的并集取并集的圆环形菲涅尔透镜，以此获取每一环的区域，最后形成多个区域同心圆的无缝衔接的组合透镜。

优选方式下，所述各个区域的内表面为靠近光源的一面且外表面为靠近接收面的一面，所述各个区域的外表面为连续的等圆弧的不规则锯齿小棱镜，即所述各个区域外表面的中心部分是圆弧状透镜，其余部分是不规则锯齿状透镜；根据各个区域不同的焦距选择不同的圆弧度。

本发明的有益效果是：本发明所述设计方法极大程度在材料上节省成本，在结构上紧凑精简，易于制备生产及加工；与传统单一焦距菲涅尔透镜不同，该分区域匀光菲涅尔透镜各个区域的菲涅尔透镜焦距不同，属于多焦点菲涅尔透镜，可增强光线出射的均匀性；但与其他多焦距菲涅尔透镜不同的是，传统多焦距菲涅尔透镜对太阳光等平行光进行匀光设计，而本发明阐述的分区域匀光菲涅尔透镜创新性地根据LED光源出光光能分布特点进行匀光，提升LED照明光学系统的匀光性，同时将多个区域作为独立的菲涅尔透镜进行设计，通过计算确定各区域的焦距，利用改变焦距的方法确定菲涅尔透镜面型的方法，避免重新计算菲涅尔透镜各区域半径，提高设计效率。

附图说明

图1为分区域匀光照明的菲涅尔透镜的分区域原理示意图；

图2为菲涅尔透镜光线出射示意图；

图3为分区域匀光照明的菲涅尔透镜中心区域模型图；

图4为分区域匀光照明的菲涅尔透镜第一区域模型图；

图5为分区域匀光照明的菲涅尔透镜第二区域模型图；

图6为分区域匀光照明的菲涅尔透镜第三区域模型图；

图7为分区域匀光照明的菲涅尔透镜第四区域模型图；

图8为分区域匀光照明的菲涅尔透镜第五区域模型图；

图9为普通菲涅尔透镜辐照度分布图；

图10为分区域匀光菲涅尔透镜辐照度分布图；

图11为所述基于LED的分区域匀光照明的菲涅尔透镜设计方法的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种实现LED可以匀光照明的菲涅尔透镜设计方法，1是LED光源，2是透镜；图1表示菲涅尔透镜出射角度与发散角度的关系，即出射角与发散角θ-θ′的关系图，根据光学关系：

I·Ω＝φ (1)

I＝I₀·cosθ (2)

其中，I是点光源S在给定方向立体角中到达出射面的光强，单位为cd；E是光线到达出射面的照度，单位为1x；A是出射面的面积，单位为平方米；Ω是给定方向的立体角，θ是光线出射半角，θ′是光线发散半角，φ是光源在给定方向立体角中到达出射面的光通量，l是物距，l′是像距，r是透镜的半径，R是接收面照射光斑半径，L是像面到菲涅尔透镜表面的距离。

立体角的定义式为：

根据积分定可知：

A＝πR² (4)

因此：

Ω＝2πsinθdθ (5)

又因为：

φ＝E·A (6)

根据公式(1)到公式(6)可得公式(7)：

整理上式可得：

πI₀sin²θ＝Eπ·R² (8)

得到照射面光斑半径R的计算公式为：

R可以由像面到菲涅尔透镜的距离L和像距l′共同决定：

则得到经过菲涅尔透镜偏折后的出射角度θ′与光源出射角θ之间的关系为

如图2所示，分区域的焦距公式推导过程为：

菲涅尔透镜的物像关系公式如下：

根据几何关系结合角度公式可知：

也可以表达为

结合上述公式，可计算出焦距为：

其中R利用公式结合上述公式(9)进行计算，并代入公式(15)，可求出不同区域的焦距。

如图3到图8所示，本发明方法所阐述的设计实例包含六个区域，但不限于六个区域，以此达到匀光照明，解决光线聚焦或发射使光线不够均匀的问题，该透镜不局限于上述的具体实施方案，可扩展到任意可实施匀光器件的方案。

所述方法针对具有朗伯配光的LED光源，提出区域划分方法和区域光焦距计算方法从而确定菲涅尔透镜面型，所述方法提升了接收面的照度均匀度。该菲涅尔透镜包括若干个区域，中心区域位于中心位置，第一区域衔接中心区域，第二区域衔接第一区域，第三区域衔接第二区域，第四区域衔接第三区域，第五区域衔接第四区域，依此类推，各个区域依次从中心往外扩散，所述所有区域集成在一个透镜平面上，所述所有区域的焦距各不相同。每个区域的获得方式为：中心区域是最完整的菲涅尔透镜，第一区域是将不同焦距的菲涅尔透镜与中心区域取并集，第二区域是将不同焦距的菲涅尔透镜与第一区域和中心区域的并集取并集，第三区域是将不同焦距的菲涅尔透镜与第二区域、第一区域和中心区域的并集取并集，以此获取每一环的区域。

所述各个区域都是由普通菲涅尔透镜的一部分，所述一部分是指普通菲涅尔透镜的环带，所述各个区域的内表面为靠近光源的一面，外表面为靠近接收面的一面，所述各个区域的外表面为具有连续的等圆弧的不规则锯齿小棱镜，所述各个区域的透镜中心部分是圆弧状透镜，其余部分是锯齿状透镜，不规则锯齿小棱镜是指每个区域透镜的焦距不同因此锯齿小棱镜也不同，根据各个区域不同的焦距选择不同的圆弧度。

区域划分方式按照空间光线的分割方式以及加工水平进行划分，也可以根据设计精准度要求进行调整。所述各个区域的菲涅尔透镜的焦距确定是依据LED光源出光特性以及像面位置和尺寸确定能量分配要求。

等半径或者等出光角是属于光源入射的精度划分，求焦距的目的是为了规范光经过透镜后的出光，通过调整透镜的焦距可以规范光的出射，并通过求得透镜的焦距获得透镜的面型。

如图11所示，I为LED光源，II为分区域匀光菲涅尔透镜，III为照射区域接收面，所述菲涅尔透镜由PMMA等常见材料制成，本实例可由以下步骤设计制成：

S1：确定好分区域匀光菲涅尔透镜的尺寸，菲涅尔最大口径为120mm，环距为1mm，厚度为5mm，物距为100mm，即把光源放置在距离分区域菲涅尔透镜左侧100mm处，将接收面放置分区域菲涅尔透镜右侧500mm处，接收面大小为300mm×300mm，同时选用COB集成LED光源为100W，也可选用其他LED光源，大小为50mm×50mm，用100万根光线进行光线追迹；

S2：将所述分区域匀光照明的菲涅尔透镜分为6个区域，如图3到图8所示，其中，中心区域位于中心位置，第一区域衔接中心区域，第二区域衔接第一区域，第三区域衔接第二区域，第四区域衔接第三区域，第五区域衔接第四区域，依此类推，各个区域依次从中心往外扩散，所述所有区域集成在一个透镜平面上，根据精准度划分每一区域的大小，本实例按照等宽口径来划分，每10mm精准度划分每一区域的大小，得到区域分别为：10mm，20mm，30mm，40mm，50mm，60mm，即可得到由六个同心圆的无缝衔接的组合透镜；

S3：通过光学扩展量守恒定律以及表面匀光设计要求，推算出边缘光线角度间的关系，如公式(11)；

S4：通过得到的出射角度与发散角度θ-θ′之间的关系，即边缘光线角度关系公式(11)，推算出各个区域的像点公式(14)，进而由物像关系公式求出各个区域的焦距公式(15)；

S5：最后可确定匀光照明的菲涅尔透镜面型，由LED光源发出的光经过外表面后发射到外表面不规则小圆弧的锯齿小棱镜调光出射，发出均匀光线提高菲涅尔透镜的匀光性能。

通过与同一口径大小，即口径大小为120mm，环距为1mm，厚度为3mm，物距为100mm，即把光源放置在距离分区域菲涅尔透镜100mm处的普通匀光菲涅尔透镜做对比，即同一条件下将两个菲涅尔透镜分别导入Tracepro光学模拟软件中做模拟仿真，最后将得出的辐照度分布图做对比进行比较。

其中，根据IEC60904-9国际标准的规定，光斑能量的均匀度可以表示为：

其中，E_max代表光能接收面上光照强度的最大值，E_min代表光能接收面上光照强度的平均值。本文中用Tracepro软件模拟聚光系统的光照度图，记录的最小值为一般10^-n量级的数值，所以用平均值代替最小值来计算光斑均匀度，记作E_mean，即：

图9和图10为普通菲涅尔透镜辐照度分布图与分区域匀光菲涅尔透镜辐照度对比图，由图9和图10可知普通菲涅尔透镜的光斑均匀度为79％，而分区域匀光菲涅尔透镜的光斑均匀度为84％，提升了光斑的均匀性。根据实验结果可知每个区域的环距、厚度一致时为出射光线效果最佳，并可减少出射光线的不均匀性。

本实例还可将光线进一步精确化，可将每10mm的半径划分的精准度进一步精确，可进一步提升光线的均匀度，所述方法步骤以及工作原理与上述实施方式相同，在此不再赘述。

综上，本发明设计出一种基于LED的分区域匀光照明的菲涅尔透镜，可将分区域匀光菲涅尔透镜通过铸模制备，与普通或设计反光镜的联合使用将进一步提高光线出射均匀性，本发明方法适用于使用LED的灯具，包括单颗灯珠、COB集成芯片大尺寸光源等，本发明将传统菲涅尔透镜光线聚焦或平行使光线不够均匀的问题得以解决，在所需强匀光性的照明场所以及应用更加广泛，该透镜结构紧凑、轻便易携带、易存放，可在LED照明场所广泛应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。