本发明涉及透镜技术领域,具体涉及一种tir准直透镜轮廓模拟方法及tir准直透镜轮廓。
背景技术:
led光源在进行远距离照明时,一般会在led光源前添加一个tir准直透镜,led光源发出的光线经过tir准直透镜后,会被约束到一个很小的范围,虽然,tir准直透镜使得光束角显著减小,但是,同时也会出现很多杂散光。
中国发明专利,公开号:cn112728504a,公开日:2021.04.30,公开了一种tir准直透镜轮廓模拟方法,它模拟出来的tir准直透镜具有双反射面,能有效去除杂散光,其不足之处在于,但是,透过tir准直透镜的光线之间存在暗区,导致目标面上的暗区无法接收到光线。
技术实现要素:
1、发明要解决的技术问题
针对透过tir准直透镜的光线之间存在暗区的技术问题,本发明提供了一种tir准直透镜轮廓模拟方法及tir准直透镜轮廓,它模拟出来的tir准直透镜能消除经透镜准直后光线之间存在的暗区。
2、技术方案
为解决上述问题,本发明提供的技术方案为:
一种tir准直透镜轮廓模拟方法,所述模拟方法满足不产生杂散光的条件,所述模拟方法包括:
s1.根据不产生杂散光的条件,计算出光源的光线入射角θi的取值范围;根据光源的光线入射角θi的取值范围计算出α1的取值范围,并在取值范围内选取定值;根据光源的光线入射角θi的取值范围和定值α1计算出θ3的取值范围,并在取值范围内选取定值;根据α1的取值范围计算出α2 α3的取值范围,α3选取定值,由于α1已取定值,计算出α2的值;根据制造需求,选取θ1为定值;
s2.根据不产生杂散光的条件,计算出γ1和γ2的取值范围,并令γ1=γ2,同时在取值范围内选取定值,根据γ1计算出φ,根据γ1和α3,采用裁剪法计算出p3,根据p3、θ1以及α3,计算出p2,根据p3和γ1,计算出p1,根据p1和p2,计算出θ2;
s3.根据α1、α2、α3、γ1、γ2、p1、p2、p3、θ1、θ2、θ3以及φ,并选择一个初始点,绘制出tir准直透镜轮廓;
其中,线五和tir准直透镜轮廓的对称轴的夹角为α1,线五和线六的夹角为α2,线六和所述对称轴垂直方向的夹角为α3;
第四轮廓线和所述对称轴的夹角为θ1,第五轮廓线和所述对称轴垂直方向的夹角为θ2,第二轮廓线和所述对称轴垂直方向的夹角为θ3;
线一和所述对称轴的夹角为γ2,线三和所述对称轴的夹角为γ1;
第三轮廓线和第四轮廓线的交点为p3,第四轮廓线和第五轮廓线的交点为p2,第五轮廓线和第六轮廓线的交点为p1;
第八轮廓线和所述对称轴垂直方向的夹角为φ。
可选的,根据不产生杂散光的条件为θi≤45.6288°,并根据n1sinθi=n2sinθt和γ1=θi-θt,其中,n1为入射光线所在介质的折射率,n2为折射光线所在介质的折射率,θi为光线入射角,θt为光线反射角,计算出γ1≤17.0333°,即当γ1=γ2≤17.0333°时不出现杂散光。
可选的,
可选的,根据γ1和α3,采用裁剪法计算出第三轮廓线,并得出第三轮廓线远离第二轮廓线的端点p3。
可选的,根据p3、θ1以及α3,计算出第四轮廓线,第四轮廓线,和,原点o与第二轮廓线和第三轮廓线的交点组成的线的交点为p2。
可选的,根据p3和γ1,计算出第五轮廓线,第五轮廓线和第六轮廓线的交点为p1。
可选的,根据p1和p2,计算出第五轮廓线,并根据第五轮廓线计算出θ2。
可选的,所述第四轮廓线和对称轴的夹角为θ1,且θ1≥2°。
可选的,以光源所在的位置为原点o,建立坐标系,并选择一个初始点,根据α1、α2、α3、γ1、γ2、p1、p2、p3、θ1、θ2以及θ3,绘制出tir准直透镜轮廓。
一种tir准直透镜轮廓,包括:
第一轮廓线,所述第一轮廓线位于所述tir准直透镜轮廓中心,光源和所述第一轮廓线一端的连线为线五;
第二轮廓线,所述第二轮廓线位于所述第一轮廓线一端,光源和所述第二轮廓线远离所述第一轮廓线的一端的连线为线六;
第三轮廓线,所述第三轮廓线位于所述第二轮廓线远离所述第一轮廓线的一端;
第四轮廓线,所述第四轮廓线位于所述第三轮廓线远离所述第二轮廓线的一端;
第五轮廓线,所述第五轮廓线位于所述第四轮廓线远离所述第三轮廓线的一端;
第六轮廓线,所述第六轮廓线位于所述第五轮廓线远离所述第四轮廓线的一端;
第七轮廓线,所述第七轮廓线位于所述第六轮廓线远离所述第五轮廓线的一端;
第八轮廓线,所述第八轮廓线位于所述第七轮廓线远离所述第六轮廓线的一端;
第九轮廓线,所述第九轮廓线位于所述第八轮廓线远离所述第七轮廓线的一端;
其中,所述第二轮廓线远离所述第一轮廓线的一端和所述八轮廓线远离所述第七轮廓线的一端的交线为线一,所述第三轮廓线远离所述第二轮廓线的一端和所述第五轮廓线远离所述第六轮廓线的一端的交线为线三。
3、有益效果
采用本发明提供的技术方案,与现有技术相比,具有如下有益效果:它模拟出来的tir准直透镜能消除经透镜准直后光线之间存在的暗区。
附图说明
图1为本发明实施例提出的改进前的tir准直透镜的结构示意图;
图2为本发明实施例提出的改进后的tir准直透镜的结构示意图之一;
图3为本发明实施例提出的偏折部分的结构示意图;
图4为本发明实施例提出的改进后的tir准直透镜的结构示意图之二;
图5为本发明实施例提出的改进后的tir准直透镜的结构示意图之三。
图中:1、第一轮廓线;2、第二轮廓线;3、第三轮廓线;4、第四轮廓线;5、第五轮廓线;6、第六轮廓线;7、第七轮廓线;8、第八轮廓线;9、第九轮廓线;10、线一;12、线三;14、线五;15、线六;16、光源。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容,结合附图及实施例对本发明作详细描述。
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明,而非对该发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与发明相关的部分。本发明中所述的第一、第二等词语,是为了描述本发明的技术方案方便而设置,并没有特定的限定作用,均为泛指,对本发明的技术方案不构成限定作用。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
结合附图1-4,本发明提供了一种tir准直透镜轮廓绘制方法,绘制方法满足不产生杂散光的条件,绘制方法包括:
s1.根据不产生杂散光的条件,计算出光源16的光线入射角θi的取值范围;根据光源16的光线入射角θi的取值范围计算出α1的取值范围,并在取值范围内选取定值;根据光源16的光线入射角θi的取值范围和定值α1计算出θ3的取值范围,并在取值范围内选取定值;根据α1的取值范围计算出α2 α3的取值范围,α3选取定值,由于α1已取定值,计算出α2的值;根据制造需求,选取θ1为定值;
s2.根据不产生杂散光的条件,计算出γ1和γ2的取值范围,并令γ1=γ2,同时在取值范围内选取定值,根据γ1计算出φ,根据γ1和α3,采用裁剪法计算出p3,根据p3、θ1以及α3,计算出p2,根据p3和γ1,计算出p1,根据p1和p2,计算出θ2;
s3.根据α1、α2、α3、γ1、γ2、p1、p2、p3、θ1、θ2、θ3以及φ,并选择一个初始点,绘制出tir准直透镜轮廓;
其中,线五14和tir准直透镜轮廓的对称轴的夹角为α1,线五14和线六15的夹角为α2,线六15和对称轴垂直方向的夹角为α3;
第四轮廓线4和对称轴的夹角为θ1,第五轮廓线5和对称轴垂直方向的夹角为θ2,第二轮廓线2和对称轴垂直方向的夹角为θ3;
线一10和对称轴的夹角为γ2,线三12和对称轴的夹角为γ1;
第三轮廓线3和第四轮廓线4的交点为p3,第四轮廓线4和第五轮廓线5的交点为p2,第五轮廓线5和第六轮廓线6的交点为p1;
第八轮廓线8和对称轴垂直方向的夹角为φ。
具体的,首先,为了使得光源16产生的光线经过tir准直透镜后不产生杂散光,根据反射定律、折射定律以及反射率和偏振的关系,得出不产生杂散光的条件;接着,根据不产生杂散光的条件,计算出α1、α2、α3以及θ3的取值范围,并在本实施例中取定值;然后,根据不产生杂散光的条件,并且为消除光源16射出的并经过tir准直透镜的光线之间的暗区,要求线一10和线三12均在tir准直透镜内部发生偏折,计算出γ1和γ2的取值范围,使得线一10和线三12之间不存在暗区,并令γ1=γ2,同时将γ1和γ2取定值,来保证线一10和线三12互相平行,从而保证线一10和线三12只需一个透镜面就能完成折射,有利于减少tir准直透镜的透镜面数量,从而使得tir准直透镜结构简单,制造方便,并根据γ1计算出φ,从而确定第八轮廓线8,使得线一10和线三12通过第八轮廓线8所在的平面折射出tir准直透镜,并根据γ1和α3,采用裁剪法计算出p3,其中,裁剪法是为了计算全反射面,使得光线经过第三轮廓线3所在的面后只发生反射,不发生折射,p3为第三轮廓线3的一个端点,根据p3、θ1以及α3,计算出p2,根据p3和γ1,计算出p1,根据p1和p2,计算出θ2,最后,根据α1、α2、α3、γ1、γ2、p1、p2、p3、θ1、θ2以及θ3,并选择一个初始点,绘制出tir准直透镜轮廓。
其中,入射光线和反射光线遵循反射定律:
θi=θt(1)
式(1)中θi为入射角,θt为反射角;
入射光线和折射光线遵循折射定律:
式(2)中n1为入射光线所在介质的折射率,n2为折射光线所在介质的折射率;
入射光被介质分界面反射的比例称为反射率,反射率和入射光的偏振有关,对于s偏振,有:
式(3)中rs是s偏振对应的反射率;
对于p偏振,有:
式(4)中rp是p偏振对应的反射率;
光线从透镜入射到空气,在发生全反射前,总会出现杂散光,即总有rs rp>0。为了验证设计出的透镜去除杂散光的能力,借助tracepro,并认为在tracepro仿真时,不出现蓝色光线就说明设计出的透镜有效减少了杂散光。而tracepro出现蓝色光线的阈值为rs rp>0.1,即对于tracepro而言,当rs rp>0.1时,出现杂散光。
具体的,根据出现杂散光的条件为rs rp>0.1,采用二分法计算出θi>45.6288°,即,当θi≤45.6288°时不出现杂散光。
根据不出现杂散光的条件为θi≤45.6288°,采用裁剪法计算出α1≤17.0333°,即,当α1≤17.0333°时不出现杂散光。其中,α1可以取到17.0333°、17°或者16°等等,光线经过第一轮廓线1所在的面后变为平行光,只发生一次作用,能量损失小,因此,使第一轮廓线1所在的面的面积最大,即,使第一轮廓线1最长,故取α1=17.0333°。
具体的,根据不出现杂散光的条件为θi≤45.6288°,且α1≤17.0333°,根据(90°-θi) (90°-α1) θ3=180°,计算出θ3≤62.6621°,即,当θ3≤62.6621°时不出现杂散光。其中,θ3可以取到62.6621°、62°或者60°等等,由于θ3越小,透镜高度越小,为了尽可能减小透镜的高度,故取θ3=62.6621°。
具体的,根据α2 α3=90°-α1,且α1≤17.0333°,计算出α2 α3≥72.9667°。
具体的,在范围内,一个不同度数的α3对应一个透镜,该实施例取α3=50°,则α2=22.9667°。
具体的,根据不产生杂散光的条件为θi≤45.6288°,并根据n1sinθi=n2sinθt和γ1=θi-θt,其中,n1为入射光线所在介质的折射率,n2为折射光线所在介质的折射率,θi为光线入射角,θt为光线反射角,计算出γ1≤17.0333°,即当γ1=γ2≤17.0333°时不出现杂散光。
其中,γ1≤17.0333°,同理γ2≤17.0333°,来保证不出现杂散光,γ1=γ2,使得线一10和线三12互相平行,线一10和线三12互相平行,从而保证线一10和线三12只需一个透镜面就能完成折射,有利于减少tir准直透镜的透镜面数量,从而使得tir准直透镜结构简单,制造方便,其中,γ1可以取到5°、10°或15°等,在本实施例中,取γ1=γ2=10°。
具体的,
其中,在本实施例中,取γ1=γ2=10°,n1=1,n2=1.4935,其中,n1为空气的折射率,n2为pmma的折射率,根据
具体的,根据γ1和α3,采用裁剪法计算出第三轮廓线3,并得出第三轮廓线3远离第二轮廓线2的端点p3。
其中,第三轮廓线3所在的面为全反射面,经过第三轮廓线3所在的面的光线只发生反射,不发生折射,在本实施例中γ1=10°,α3=50°,并以光源16所在的位置为原点o,令原点o的坐标为(0,0),建立坐标系,p3的坐标为(1.9684,4.2375)。
具体的,根据p3、θ1以及α3,计算出第四轮廓线4,第四轮廓线4,和,原点o与第二轮廓线2和第三轮廓线3的交点组成的线的交点为p2。
其中,在本实施例中,根据p3的坐标为(1.9684,4.2375),θ1=2°以及α3=50°,计算出点p2的坐标为(2.0318,2.4215)。
具体的,根据p3和γ1,计算出第五轮廓线5,第五轮廓线5和第六轮廓线6的交点为p1。
其中,p1既是第五轮廓线5和第六轮廓线66的交点,p1又位于建立的坐标系的x轴上,使得p1的纵坐标为0,便于计算其它点的坐标,在本实施例中,根据p3的坐标为(1.9684,4.2375),γ1=10°,计算出p1的坐标为(2.7156,0)。
具体的,根据p1和p2,计算出第五轮廓线5,并根据第五轮廓线5计算出θ2。
其中,在坐标系中,计算出第五轮廓线5的解析式y=kx b,根据斜率k,计算出θ2,在本实施例中,根据p1的坐标为(2.7156,0)和p2的坐标为(2.0318,2.4215),计算出θ2=74.2316°。
具体的,第四轮廓线4和对称轴的夹角为θ1,且θ1≥2°。
其中,保证便于拔模,顺利制造出透镜,其中,θ1可以取2°、4°、或6°,在本实施例中取θ1=2°。
具体的,以光源16所在的位置为原点o,建立坐标系,并根据α1、α2、α3、γ1、γ2、p1、p2、p3、θ1、θ2以及θ3,绘制出tir准直透镜轮廓。
其中,在本实施例中,选取原点o的坐标为(0,0),并令初始点的坐标为(0,2.2),综上,α1=17.0333°,α2=22.9667°,α3=50°,γ1=γ2=10°,p1的坐标为(2.7156,0),p2的坐标为(2.0318,2.4215),p3的坐标为(1.9684,4.2375),θ1=2°,θ2=74.2316°,θ3=62.6621°,绘制出tir准直透镜轮廓。
本发明还提供了一种tir准直透镜轮廓,包括:
第一轮廓线1,第一轮廓线1位于tir准直透镜轮廓中心,光源16和第一轮廓线1一端的连线为线五14;
第二轮廓线2,第二轮廓线2位于第一轮廓线1一端,光源16和第二轮廓线2远离第一轮廓线1的一端的连线为线六15;
第三轮廓线3,第三轮廓线3位于第二轮廓线2远离第一轮廓线1的一端;
第四轮廓线4,第四轮廓线4位于第三轮廓线3远离第二轮廓线2的一端;
第五轮廓线5,第五轮廓线5位于第四轮廓线4远离第三轮廓线3的一端;
第六轮廓线6,第六轮廓线6位于第五轮廓线5远离第四轮廓线4的一端;
第七轮廓线7,第七轮廓线7位于第六轮廓线6远离第五轮廓线5的一端;
第八轮廓线8,第八轮廓线8位于第七轮廓线7远离第六轮廓线6的一端;
第九轮廓线9,第九轮廓线9位于第八轮廓线8远离第七轮廓线7的一端;
其中,第二轮廓线2远离第一轮廓线1的一端和八轮廓线远离第七轮廓线7的一端的交线为线一10,第三轮廓线3远离第二轮廓线2的一端和第五轮廓线5远离第六轮廓线6的一端的交线为线三12。
其中,第一轮廓线1所在的面为裁剪法算出的折射面,光源16发出的光线经过该折射面后变为平行光;第二轮廓线2所在的面用于偏折光源16发出的光线;第三轮廓线3所在的面为裁剪法算出的全反射面,用于偏折经过第二轮廓线2所在的面的光线;第四轮廓线4所在的面不偏折光线,第四轮廓线4和对称轴方向呈一定角度,便于拔模;第五轮廓线5所在的面用于偏折光源16发出的光线;第六轮廓线6所在的面为裁剪法算出的全反射面,用于偏折经过第五轮廓线5所在的面的光线;第七轮廓线7所在的面不偏折光线,第七轮廓线7可以和对称轴平行,保证tir准直透镜轮廓的形状保持一定的规则性;第八轮廓线8所在的面用于偏折经过第三轮廓线3所在的面的光线和第六轮廓线6所在的面的光线,只使用一个面,就能实现对线一10和线三12的偏转,有利于减少tir准直透镜的透镜面数量,使得tir准直透镜在实现光线偏转功能的前提下,还能保证结构简单,便于加工;第九轮廓线9所在的面用于偏折经过第一轮廓线1所在的面的平行光,并保证平行光不改变方向。
实施例2
结合附图1-3和5,本实施例的具体角度值,与实施例1的技术方案相比,当γ1=γ2=17.0333°,此时,φ=45.6289°,p3的坐标为(1.7345,3.8915),p2的坐标为(1.7957,2.1400),p1的坐标为(2.9267,0),θ2=62.1420°。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述,该描述没有限制性,附图中所示的也只是本发明的实施方式之一,实际的结构并不局限于此。所以,如果本领域的普通技术人员受其启示,在不脱离本发明创造宗旨的情况下,不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例,均应属于本发明的保护范围。
1.一种tir准直透镜轮廓模拟方法,其特征在于,所述模拟方法满足不产生杂散光的条件,所述模拟方法包括:
s1.根据不产生杂散光的条件,计算出光源的光线入射角θi的取值范围;根据光源的光线入射角θi的取值范围计算出α1的取值范围,并在取值范围内选取定值;根据光源的光线入射角θi的取值范围和定值α1计算出θ3的取值范围,并在取值范围内选取定值;根据α1的取值范围计算出α2 α3的取值范围,α3选取定值,由于α1已取定值,计算出α2的值;根据制造需求,选取θ1为定值;
s2.根据不产生杂散光的条件,计算出γ1和γ2的取值范围,并令γ1=γ2,同时在取值范围内选取定值,根据γ1计算出φ,根据γ1和α3,采用裁剪法计算出p3,根据p3、θ1以及α3,计算出p2,根据p3和γ1,计算出p1,根据p1和p2,计算出θ2;
s3.根据α1、α2、α3、γ1、γ2、p1、p2、p3、θ1、θ2、θ3以及φ,并选择一个初始点,绘制出tir准直透镜轮廓;
其中,线五和tir准直透镜轮廓的对称轴的夹角为α1,线五和线六的夹角为α2,线六和所述对称轴垂直方向的夹角为α3;
第四轮廓线和所述对称轴的夹角为θ1,第五轮廓线和所述对称轴垂直方向的夹角为θ2,第二轮廓线和所述对称轴垂直方向的夹角为θ3;
线一和所述对称轴的夹角为γ2,线三和所述对称轴的夹角为γ1;
第三轮廓线和第四轮廓线的交点为p3,第四轮廓线和第五轮廓线的交点为p2,第五轮廓线和第六轮廓线的交点为p1;
第八轮廓线和所述对称轴垂直方向的夹角为φ。
2.根据权利要求1所述的一种tir准直透镜轮廓模拟方法,其特征在于,根据不产生杂散光的条件为θi≤45.6288°,并根据n1sinθi=n2sinθt和γ1=θi-θt,其中,n1为入射光线所在介质的折射率,n2为折射光线所在介质的折射率,θi为光线入射角,θt为光线反射角,计算出γ1≤17.0333°,即当γ1=γ2≤17.0333°时不出现杂散光。
3.根据权利要求2所述的一种tir准直透镜轮廓模拟方法,其特征在于,
4.根据权利要求2所述的一种tir准直透镜轮廓模拟方法,其特征在于,根据γ1和α3,采用裁剪法计算出第三轮廓线,并得出第三轮廓线远离第二轮廓线的端点p3。
5.根据权利要求4所述的一种tir准直透镜轮廓模拟方法,其特征在于,根据p3、θ1以及α3,计算出第四轮廓线,第四轮廓线,和,原点o与第二轮廓线和第三轮廓线的交点组成的线的交点为p2。
6.根据权利要求5所述的一种tir准直透镜轮廓模拟方法,其特征在于,根据p3和γ1,计算出第五轮廓线,第五轮廓线和第六轮廓线的交点为p1。
7.根据权利要求6所述的一种tir准直透镜轮廓模拟方法,其特征在于,根据p1和p2,计算出第五轮廓线,并根据第五轮廓线计算出θ2。
8.根据权利要求1所述的一种tir准直透镜轮廓模拟方法,其特征在于,所述第四轮廓线和对称轴的夹角为θ1,且θ1≥2°。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种tir准直透镜轮廓模拟方法,其特征在于,令光源所在的位置为原点o,建立坐标系,并选择一个初始点,根据α1、α2、α3、γ1、γ2、p1、p2、p3、θ1、θ2以及θ3,绘制出tir准直透镜轮廓。
10.一种tir准直透镜轮廓,根据如权利要求1-9任一项所述的一种tir准直透镜轮廓模拟方法,其特征在于,包括:
第一轮廓线,所述第一轮廓线位于所述tir准直透镜轮廓中心,光源和所述第一轮廓线一端的连线为线五;
第二轮廓线,所述第二轮廓线位于所述第一轮廓线一端,光源和所述第二轮廓线远离所述第一轮廓线的一端的连线为线六;
第三轮廓线,所述第三轮廓线位于所述第二轮廓线远离所述第一轮廓线的一端;
第四轮廓线,所述第四轮廓线位于所述第三轮廓线远离所述第二轮廓线的一端;
第五轮廓线,所述第五轮廓线位于所述第四轮廓线远离所述第三轮廓线的一端;
第六轮廓线,所述第六轮廓线位于所述第五轮廓线远离所述第四轮廓线的一端;
第七轮廓线,所述第七轮廓线位于所述第六轮廓线远离所述第五轮廓线的一端;
第八轮廓线,所述第八轮廓线位于所述第七轮廓线远离所述第六轮廓线的一端;
第九轮廓线,所述第九轮廓线位于所述第八轮廓线远离所述第七轮廓线的一端;
其中,所述第二轮廓线远离所述第一轮廓线的一端和所述八轮廓线远离所述第七轮廓线的一端的交线为线一,所述第三轮廓线远离所述第二轮廓线的一端和所述第五轮廓线远离所述第六轮廓线的一端的交线为线三。
技术总结