CN102788311A - 一种用于掌纹仪的led均匀照明光学系统及其设计方法 - Google Patents

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刘华
荆雷
卢振武
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Abstract

一种适用于掌纹仪的LED均匀照明系统及其设计方法属于非成像LED照明领域，该系统包括；LED光源、棱镜、照明面，该系统还包括：配光元件；当LED光源发光，光束经过配光元件后，通过棱镜达到照明面，使照明均匀性得到提高。本发明所述的用于掌纹仪的LED高均匀性照明系统能够实现照明面均匀性照明，利于最终掌纹采集的成像质量提高。本发明采用非成像光学设计，在实现照明面均匀性照明的同时，提高了LED光源的能量效率，且本发明的配光透镜利用注塑成型加工方法，易于大批量、低成本加工。

Description

一种用于掌纹仪的LED均匀照明光学系统及其设计方法
技术领域
本发明属于非成像LED照明领域，涉及一种适用于掌纹仪的LED均匀照明系统及其设计方法。
背景技术
掌纹仪是依据人类生物特征而研发的可以采集十指平面指纹、滚动指纹、掌纹、侧掌纹的生物识别设备，随着安全监控系统在当今社会中的迅速普及，掌纹仪被广泛应用于银行、社保、公安、考勤、门禁、计算机及网络安全等身份认证的场合。对于掌纹仪的照明光学系统设计，其中一个关键的技术指标就是要求其照明工作面的照度均匀性高。近年来，由于LED具有驱动电压低、体积小、重量轻、功耗低、寿命长、优异的色调等优点，十分适用于掌纹仪的照明系统，尤其是LED光源定向发光特性，使得LED照明系统更加容易实现照度均匀性设计。
LED光源在照明设计中普遍的问题是如何提高整个照明系统的光效以及使光场分布满足应用场合的配光要求。LED光源应用于掌纹仪照明领域同样面临这样的问题，因此需要对LED及其配光元件进行光学结构优化设计，使光能在光学系统中的损失最小并尽可能使光场分布满足应用场合的配光要求，以此提高光能的利用率。目前市场上经常使用的掌纹仪，其照明光学系统设计过于简单，光能效率低，从而导致采用的LED光源颗数过多，造成光能浪费现象严重，更为重要的是其照明面的照度均匀性差，直接影响掌纹仪对动态掌纹的采集质量。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于掌纹仪的LED均匀照明光学系统，该光学系统照明面照度均匀、光能利用率高。由于采用非成像光学设计方法，该照明系统采用的LED颗数大幅减少，照明面上的照度均匀性大幅提高，实用性更强。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种用于掌纹仪的LED均匀照明光学系统，该系统包括；LED光源、棱镜、照明面，该系统还包括：配光元件；当LED光源发光，光束经过配光元件后，通过棱镜达到照明面，使照明均匀性得到提高。
基于一种用于掌纹仪的LED均匀照明光学系统设计方法，该配光元件的设计方法包括如下步骤：
步骤一：首先等分LED光源能量和照明面，等分个数相同，记为M；其中A，B，C和a，b，c分别为光源和照明面的前三个等分点；
步骤二：确定配光元件的下底面为一普通球面，曲率半径为R；配光元件是以光源o出射的，与照明面垂直的光线oa为对称的元件；
步骤三： 在照明面上取点b，光线经过棱镜后到达照明面，根据折射定律n空气sino空气出射=n棱镜sini棱镜入射，即可求得棱镜下方光线的入射点b2，棱镜的下底面与光线oa相交于a2；
步骤四： 配光元件的上底面与光线oa相交于a1，过a1做一条与照明面平行的直线，光源出射的光线经过配光元件经过所述直线到达b2，与所述直线的交点为b1；
步骤五： 连接b2b1和Bb1，根据折射定律n配光元件sino配光元件出射=n空气sini空气入射，已知光线到达照明面的出射角和Bb1的入射角，求得b1的法线，做一条所述法线的垂线，到达光照明面c点的入射光线Cc1交于所述垂线上点c1，根据划分能量网格的能量守恒原理，为达到照度均匀，在照明面的光线分布也应该均匀，重复步骤二到步骤五，通过多项式拟合，即可求得配光元件的上底面的面形分布。
工作原理：本发明主要基于划分能量网格内能量守恒原理和几何光学里的光线折、反射定律。划分能量网格主要针对LED光源1和照明目标面3而言，等分LED光源的同时等分照明面，在照明系统中始终保持能量网格内的能量守恒，自然会在照明目标面得到均匀的照度。
本发明设计的照明配光透镜为旋转对称式结构，仅考虑其2D结构，3D实体最终绕其中心对称轴旋转而得。在直角坐标系中，原点取在LED位置处（LED视为点光源），纵轴为该准直镜的中心对称轴。
本发明的有益效果是：本发明所述的用于掌纹仪的LED高均匀性照明系统能够实现照明面均匀性照明，利于最终掌纹采集的成像质量提高。本发明采用非成像光学设计，在实现照明面均匀性照明的同时，提高了LED光源的能量效率，且本发明的配光透镜利用注塑成型加工方法，易于大批量、低成本加工。
附图说明
图1本发明一种用于掌纹仪的LED均匀照明光学系统结构图。
图2本发明一种用于掌纹仪的LED均匀照明光学系统配光元件结构图。
图3本发明一种用于掌纹仪的LED均匀照明光学系统LED光源和照明面目标面的等能量划分原理图。
图4本发明一种用于掌纹仪的LED均匀照明光学系统LED照明配光镜的阵列图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种用于掌纹仪的LED均匀照明光学系统，该系统包括；LED光源1、棱镜2、照明面3，该系统还包括：配光元件4；当LED光源发光，光束经过配光元件后，通过棱镜达到照明面，使照明均匀性得到提高。用于该掌纹仪的配光元件4结构比较简单，主要两个面组成：如图2所示，第一个面为普通的球面4-1，第二个面为稍微复杂的非球面4-2。
本发明设计配光元件的下底面4-1是已知面，为一简单球面，曲率半径为R。上底面4-2是所求的非球面，面型的求解为一递推过程，如图3所示。
步骤一：首先等分LED光源1能量和照明面3，等分个数相同，记为M；其中A，B，C和a，b，c分别为LED光源1和照明面3的前三个等分点；
步骤二：确定配光元件4的下底面4-1为一普通球面，曲率半径为R；配光元件4是以LED光源1的o点出射的，与照明面3垂直的光线oa为对称的元件；
步骤三： 在照明面3上取点b，光线经过棱镜2后到达照明面3，根据折射定律n空气sino空气出射=n棱镜sini棱镜入射，即可求得棱镜2下方光线的入射点b2，棱镜2的下底面与光线oa相交于a2；
步骤四： 配光元件4的上底面与光线oa相交于a1，过a1做一条与照明面3平行的直线，LED光源1出射的光线经过配光元件4经过所述直线到达b2，与所述直线的交点为b1；
步骤五： 连接b2b1和Bb1，根据折射定律n配光元件sino配光元件出射=n空气sini空气入射，已知光线到达照明面3的出射角和Bb1的入射角，求得b1的法线，做一条所述法线的垂线，到达光照明面3的c点的入射光线Cc1交于所述垂线上点c1，根据划分能量网格的能量守恒原理，为达到照度均匀，在照明面3的光线分布也应该均匀，重复步骤二到步骤五，通过多项式拟合，即可求得配光元件4的上底面的面形分布。
如图4所示，配光元件4面型的精度取决于等分LED光源1与照明面3的个数值M。本发明设计步骤最后得到配光元件4的面型是一系列离散数据点，可以在保证一定精度的条件下，采用多项式拟合得到配光元件4连续光滑的面型。
本发明设计的配光元件4可根据照明面3不同照度等级按阵列排布，阵列排布形式依具体系统空间尺寸而定，且相应的LED光源1数目增加，以满足照明面3的大照度需求，而照明面3的照度均匀性并不受影响。
本实施例中还包括确定配光元件4的设计参数，包括棱镜2材料折射率n棱镜，配光元件4材料的折射率n配光元件、厚度（该值由a1点纵坐标确定）、下底面4-1球面的曲率半径R、照明面3半径、整个照明系统的厚度和LED光源1和照明面3的能量网格等分数M等。所取配光元件4的厚度5 mm，下底面4-1球面曲率半径R=4 mm。照明面3半径130mm，照明系统厚度85mm，LED光源1和照明面3的能量网格等分数M=100。
棱镜2材料折射率n棱镜=1.51，配光元件4材料选用便于注塑成型的树脂材料PMMA，折射率n配光元件 =1.49。

Claims (4)

1.一种用于掌纹仪的LED均匀照明光学系统，该系统包括；LED光源、棱镜、照明面，其特征在于，该系统还包括：配光元件；当LED光源发光，光束经过配光元件后，通过棱镜到达照明面。
2.如权利要求1所述的一种用于掌纹仪的LED均匀照明光学系统，其特征在于，所述配光元件由普通球面和非球面组成。
3.基于权利要求1所述的一种用于掌纹仪的LED均匀照明光学系统设计方法，其特征在于，该配光元件的设计方法包括如下步骤：
步骤一：首先等分LED光源能量和照明面，等分个数相同，记为M；其中A，B，C和a，b，c分别为光源和照明面的前三个等分点；
步骤二：确定配光元件的下底面为一普通球面，曲率半径为R；配光元件是以光源o出射的，与照明面垂直的光线oa为对称的元件；
步骤三： 在照明面上取点b，光线经过棱镜后到达照明面，根据折射定律n空气sino空气出射=n棱镜sini棱镜入射，即可求得棱镜下方光线的入射点b2，棱镜的下底面与光线oa相交于a2；
步骤四： 配光元件的上底面与光线oa相交于a1，过a1做一条与照明面平行的直线，光源出射的光线经过配光元件经过所述直线到达b2，与所述直线的交点为b1；
步骤五： 连接b2b1和Bb1，根据折射定律n配光元件sino配光元件出射=n空气sini空气入射，已知光线到达照明面的出射角和Bb1的入射角，求得b1的法线，做一条所述法线的垂线，到达光照明面c点的入射光线Cc1交于所述垂线上点c1，根据划分能量网格的能量守恒原理，为达到照度均匀，在照明面的光线分布也应该均匀，重复步骤二到步骤五，通过多项式拟合，即可求得配光元件的上底面的面形分布。
4.如权利要求3所述的一种用于掌纹仪的LED均匀照明光学系统设计方法，其特征在于，所述配光元件的面型精度与光源个数和照明面的等分个数M有关。
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