LED手术无影灯用透镜的设计方法

摘要

本发明公开一种LED手术无影灯用透镜的设计方法，根据透镜呈旋转对称的特性，在90度范围的旋转截面内分别对透镜的各个组成面的截面形状进行设计，将整个透镜的照度分布分解为两个部分，该两个部分的照度分布分别通过透镜的不同面负责完成，即，用透镜的不同出光面负责不同的光斑大小。对这两个部分的设计也分别采用了远场和近场两种照明方法。两个部分的照度分布根据所需要设计的透镜尺寸要求进行分配，设计过程中采用简单的折射定律和反射定律，就能求得透镜多个面的形状。本发明方法对LED光源没有任何要求，适用于任何类型的LED光源，且对光线利用率非常高。

主权项

LED手术无影灯用透镜的设计方法，所述透镜是由五个面组成的旋转对称体，分别是在任一旋转截面上依次相接的第一入射面、第二入射面、第三全反射面、第二出射面和第一出射面，其特征在于，其设计步骤如下：1）、在任一过光源光轴的截面上，以光轴为一角边，以位于光轴单侧90度范围内的截面为旋转截面，将被照面与该旋转截面的交线段，即被照面在该旋转截面上的光斑大小按照透镜的尺寸要求划分成光线经第一出射面后形成的A段以及光线经第二出射面后形成的B段；且，A段的照度分布与B段的照度分布的叠加为整体透镜的照度分布，所述整体透镜的照度分布满足LED手术无影灯国际标准要求“在照度为中心照度的1/2和1/10、离开光源距离1m处的光斑直径的大小D50和D10之间满足D50≥c*D10的要求,其中c为可变系数且0.5≤c≤1”；其中，第一入射面和第一出射面的设计步骤如下：a)、在上述旋转截面上，按照所使用的LED裸芯片尺寸以及所述被照面上A段的尺寸，根据SMS方法（simultaneous multiple surface，多表面同时计算）设计出透镜的第一入射面和第一出射面在所述旋转截面上的截面形状；b)、若所使用的光源是LED裸芯片的封装体，则需要对步骤a）中得出的第一入射面和第一出射面的形状进行修正，具体是：通过光线追迹法,根据所述LED裸芯片以及所述LED裸芯片的封装体各自的光线参数，得出两者在被照面上形成的光斑大小的比例常数，该比例常数也为LED裸芯片与LED封装体分别在被照面上形成的光斑大小的比例，根据上述LED裸芯片形成的被照面上A段的尺寸，从而得出所述LED封装体所对应的被照面上光斑的大小，再次使用SMS方法对步骤a）中得出的第一入射面和第一出射面的截面形状进行修正；第二入射面的设计步骤如下：c）、在所述旋转截面上，以光源到第一入射面和第二入射面的交点的连线为一角边，以垂直于光轴的直线为另一角边，两个角边形成的角即为光源入射到第二入射面上的发光角，将该发光角按照发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等；d)、在所述旋转截面上，将被照面上的B段划分成多个与所述小角一一对应的小段，调整各小段的长度使其与光源到该小段上被照点的距离的平方成反比，与照度成正比；e）、给定所述发光角的两条边缘入射光线经过第二入射面后的折射光线方向，将该两条折射光线的夹角等分成多个与所述小角一一对应的角，角边作为入射光线经过第二入射面后的折射光线方向，也即射向第三全反射面的入射光线方向，根据折射定律以及所述的小角，求出第二入射面上的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，形成一条连续曲线即为第二入射面在所述旋转截面上的截面；第三全反射面的设计步骤如下：f）、根据透镜形状要求在过光源且垂直于光轴的直线上取一点作为第三全反射面上的起始特征点，令该起始特征点的入射光线经第三全反射面后的反射光线经过第二出射面上远离光轴的那个边缘特征点，且该入射光线和反射光线之间的夹角α≥2arcsin(1/n)，其中n是透镜的折射率；再给定经第三全反射面反射后的另一条边缘反射光线方向，将该两条反射光线的夹角等分成多个与所述小角一一对应的角，角边作为光线经过第三全反射面后的反射光线方向，也即射向第二出射面的入射光线方向，根据所述反射光线与e）步骤中确定的射向第三全反射面的入射光线，通过反射定律求出第三全反射面上的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，形成一条连续曲线即为第三全反射面在所述旋转截面上的截面；第二出射面的设计步骤如下：g）、在所述旋转截面上，以被照面上各小段的端点与光源的连线方向作为光线经过第二出射面后的折射光线方向，根据上述步骤f）中所述射向第二出射面的入射光线方向，以第一出射面上远离光轴的那个边缘特征点作为第二出射面上的起始特征点，通过折射定律求出第二出射面上的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，形成一条连续曲线即为第二出射面在所述旋转截面上的截面；2）、将第一入射面和第三全反射面位于垂直于光轴方向的两个特征点用线段连接起来；3）、将上述求得的透镜在所述旋转截面上的各截面绕光源光轴旋转，即可得到该LED手术无影灯的立体透镜。