CN104696884B - 一种双自由曲面的led准直透镜设计方法 - Google Patents

一种双自由曲面的led准直透镜设计方法 Download PDF

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Abstract

一种双自由曲面的LED准直透镜设计方法，包括步骤一：完成双自由曲线离散点坐标迭代关系的推导；步骤二：通过Matlab计算软件求出自由曲线的轨迹离散坐标；步骤三：将离散坐标导入proe 3D建模软件建立实体透镜模型；步骤四：通过TracePro光学仿真软件对实体模型进行光线追迹。本发明能够大大节省时间，并能使光线进行精确控制，而且通过不同的初始值，可获得不同形状准直透镜，满足不同场合的应用，并且能够使得在离透镜距离很大范围内的照度均匀性达到90%以上，不仅解决了传统准直透镜，由于光强分布曲线呈类高斯分布，使得大部分能量分配在照射区域中央而产生明显的眩光的现象，而且在能量收集率上有了显著的提高。

Description

一种双自由曲面的LED准直透镜设计方法
技术领域
本发明涉及LED二次光学设计领域，特别是涉及一种由双自由曲线旋转而成的双自由曲面LED准直透镜设计方法。
背景技术
半导体照明(LED照明)是继白炽灯、荧光灯之后的第三次光源革命。由于具有高效、节能、环保、长寿命、近似点光源等显著特点，是近年来全球最具发展前景的高技术领域之一，获得了世界主要国家和地区的大力支持，目前全球LED产业已经进入快速发展期，广泛应用于各种室内和室外照明领域，包括平面显示、数字家电、汽车电子和特种照明灯等，全球LED照明渗透率正在快速提升。
由于LED光源发出的光近似朗伯型，即光强呈余弦分布，不能直接用于照明，二次光学设计具有改变LED的光线输出，根据应用场合重新分配光线尽量减少光损失，提高光利用效率，降低成本等优势，使得其对提高系统性能，满足不同的应用需求，及对拓宽LED光源的应用范围显得尤为重要。目前，LED照明光学设计主要是通过自由曲面来重新配光以实现所需照明，一种是经验法，另一种是偏微分法，其理论基础主要是基于点光源单波长的设计，而对于近场，即扩展光源的设计还无明显突破。近年来，LED产业不断追求越来越小的封装体积，并且要在体积更小的情况下达到相同的发光效率。芯片级封装CSP(chip scalepackage)技术(业界多将CSP技术定义为封装体积与LED晶片相同，或是封装体积不大于LED晶片20％)的发展恰好符合这个趋势，目前封装好的最小光源面积已接近1mm*1mm，更小尺寸的光源正在发展中，在这一技术背景下，LED近似点光源的优势愈发明显，使得通过LED二次光学设计实现光路的精确控制成为可能。
目前，多种基于LED点光源的准直透镜被成功设计，主要有两种类型的准直系统：1)一种是菲涅耳透镜，2)一种是自由曲面透镜。但大部分设计结果的光强分布曲线呈类高斯分布[Guangzhen Wang,Lili Wang,Fuli Li,and Gongjian Zhang,Collimating lensfor light-emitting-diode light source based on non-imaging optics,APPLIEDOPTICS,Vol.51,No.11,10April 2012]，使得大部分能量分配在照射区域中央，产生明显的眩光。为了实现准直系统的均匀照度，2014年，Chen等人[C.Chen and X.Zhang,Design ofoptical system for collimating the light of an LED uniformly,Vol.31,No.5,May2014,J.Opt.Soc.Am.A]采用TIR透镜与双反射镜相结合思路缓解了这一问题，但系统借助了两面反射镜，使得准直系统空间及成本大幅度增大，不利于该系统的模块化与应用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种双自由曲面的LED准直透镜设计方法，该方法能够大大节省时间，并能使光线进行精确控制，而且通过不同的初始值，可获得不同形状准直透镜，满足不同场合的应用。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的双自由曲面的LED准直透镜设计方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一：完成双自由曲线离散点坐标迭代关系的推导；
步骤二：通过Matlab计算软件求出自由曲线的轨迹离散坐标；
步骤三：将轨迹离散坐标导入proe 3D建模软件建立实体透镜模型；
步骤四：通过TracePro光学仿真软件对实体透镜模型进行光线追迹；
其中，步骤一所述的迭代关系，是基于非成像光学理论，利用能量守恒定理和菲涅耳定律推导而成的，为了获得其迭代关系，建立直角坐标系，选取自由曲线任意两相邻的两点分别定义为An、An+1、Bn、Bn+1，其坐标分别为(xan,yan)、(xan+1,yan+1)，(xbn,ybn)、(xbn+1,ybn+1)，O点为LED光源位置，并定义直线OAn与直线OAn+1夹角为θ，直线OAn与x轴夹角为θn，其迭代关系为：
其中：
n为透镜材料的折射率，n0为空气的折射率，透镜材料为聚碳酸酯(Pc)或聚甲基丙烯酸甲酯(Pmma)或玻璃(SiO2)或其它材料。
步骤二所述的轨迹离散坐标，是通过引入初始值A1坐标，B1坐标，以及步长θ值代入步骤一中的迭代关系，求出的轨迹离散坐标，其中A1纵坐标ya1≥10mm，B1纵坐标yb1≤40mm，且ya1＜yb1。
步骤三所述的实体透镜模型，是首先将步骤二中所求的轨迹离散坐标值导入proe3D建模软件，然后将上述坐标点阵拟合成曲线，旋转成实体透镜模型。
步骤四所述的光线追迹，是将proe 3D建模软件所建的实体透镜模型导入到TracePro光学仿真软件中进行光线追迹模拟，验证并分析所建模型，其中光源是通过以1mmX1mm平面朗伯光源经周围吸收板吸收大角度光源的方式制备而成，总光通量为0.31858W，进入透镜的光线约30万条，接收面分别为离光源10米、100米、1000米的正方形屏。
本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：
1)本发明基于非成像光学理论，利用能量守恒定律和菲涅耳定律，完成了双自由曲面准直透镜算法的推导，并通过Matlab计算软件同时计算出准直透镜内外自由曲面的离散坐标点，借助proe 3D建模软件进行实体建模，以及通过TracePro软件进行光线追迹。相比传统设计方法，大大节省时间，并能使光线进行精确控制，通过不同的初始值，可获得不同形状准直透镜，满足不同场合的应用；
2)相比传统的自由曲面透镜，本发明获得的双自由曲面LED准直透镜，能够使得在离透镜距离很大范围内的照度均匀性达到90％以上，不仅解决了传统准直透镜，由于光强分布曲线呈类高斯分布，使得大部分能量分配在照射区域中央而产生明显的眩光的现象，而且在能量收集率上有了显著的提高。如实施例2透镜模拟结果所示，在10米、100米、1000米远的目标面上分别形成了一个宽约0.34米、3.4米、34米的正方形光斑，均匀度分别为97.9％、97.0％、96.2％，在预定的光分布范围内LED准直系统的光能利用率为91.3％，光束的发散半角在±1.7°左右。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明的原理示意图。
图2是本发明的模拟示意图。
图3是本发明模拟的LED光源特性图。
图4是本发明实施例1的坐标点轨迹示意图。
图5是本发明实施例1形成的模型图。
图6是本发明实施例1模拟结果—光线追迹与不同距离的照度分布图。
图7是本发明实施例2的坐标点轨迹示意图。
图8是本发明实施例2形成的模型图。
图9是本发明实施例2模拟结果—光线追迹与不同距离的照度分布图。
具体实施方式
本发明所述的双自由曲面的LED准直透镜设计方法，包括如下步骤：
步骤一：完成双自由曲线离散点坐标迭代关系的推导；
步骤二：通过Matlab计算软件求出自由曲线的轨迹离散坐标；
步骤三：将轨迹离散坐标导入proe 3D建模软件建立实体透镜模型；
步骤四：通过TracePro光学仿真软件对实体透镜模型进行光线追迹；
其中，步骤一所述的迭代关系，是基于非成像光学理论，利用能量守恒定理和菲涅耳定律推导而成的，为了获得其迭代关系，建立直角坐标系，如图1所示，选取自由曲线任意两相邻两点分别定义为An、An+1、Bn、Bn+1，其坐标分别为(xan,yan)、(xan+1,yan+1)，(xbn,ybn)、(xbn+1,ybn+1)，O点为LED光源位置，并定义直线OAn与直线OAn+1夹角为θ，直线OAn与x轴夹角为θn。其特征在于迭代关系为：
其中：
n为透镜材料的折射率，n0为空气的折射率。透镜材料为聚碳酸酯(Pc)或聚甲基丙烯酸甲酯(Pmma)或玻璃(SiO2)或其它材料。
步骤二所述的轨迹离散坐标，是通过引入初始值A1坐标，B1坐标，以及步长θ值代入步骤一中的迭代关系，求出的轨迹离散坐标。作为进一步优选，A1纵坐标ya1≥10mm，B1纵坐标yb1≤40mm，且ya1＜yb1。
步骤三所述的实体透镜模型，是首先将步骤二中所求的轨迹离散坐标值导入proe3D建模软件，然后将上述坐标点阵拟合成曲线，旋转成实体透镜模型。
步骤四所述的光线追迹，是将proe 3D建模软件所建的实体透镜模型导入到TracePro光学仿真软件中进行光线追迹模拟，验证并分析所建模型，其中，光源是通过以1mmX1mm平面朗伯光源经周围吸收板吸收大角度光源的方式制备而成，总光通量为0.31858W，进入透镜的光线约30万条，光源特性如图2所示。接收面(即：分析面)分别为离光源10米、100米、1000米的正方形屏，光学模拟示意图如图3所示。
实施例1：
a)透镜材料采用高透光材料聚碳酸酯(Pc)，其折射率为n＝1.59，并引入初始值A1坐标(12，0.012)、θ＝0.001，B1坐标(25，0.02)，以及步长θ＝0.001，代入上述步骤一中的迭代关系，求出的坐标点轨迹如图4所示；
b)将上述所求的轨迹离散坐标值导入proe 3D建模软件，然后将上述坐标点阵采用样条曲线自动拟合成曲线，旋转成实体模型，如图5所示；
c)将实体模型导入到TracePro光学仿真软件中进行光线追迹模拟，验证并分析所建模型。如图6所示，为距离LED光源分别为10米、100米、1000米处目标面的照度分布图和系统模拟的发光角度分布图。从图可看出，接收面上的总光通量为0.28338W，所以LED的出射光经准直系统作用后分布在预定的光分布范围内LED准直系统的光能利用率为88.8％，并在10米、100米、1000米远的目标面上分别形成了一个宽约0.42米、4.2米、42米的正方形光斑，均匀度分别为98.6％、98.8％、90.6％，光束的发散半角在±2.1°左右。
实施例2：
a)透镜材料采用高透光材料聚碳酸酯(Pc)，其折射率为n＝1.49，并引入初始值A1坐标(12，0.012)、θ＝0.001，B1坐标(40，0.028)，以及步长θ＝0.001，代入上述步骤一中的迭代关系，求出的轨迹坐标如图7所示；
b)将上述所求的轨迹离散坐标值导入proe 3D建模软件，然后将上述坐标点阵采用样条曲线自动拟合成曲线，旋转成实体模型，如图8所示；
c)将实体模型导入到TracePro光学仿真软件中进行光线追迹模拟，验证并分析所建模型。如图9所示，为距离LED光源分别为10米、100米、1000米处目标面的照度分布图和系统模拟的发光角度分布图。从图可看出，接收面上的总光通量为0.29102W，所以LED的出射光经准直系统作用后分布在预定的光分布范围内LED准直系统的光能利用率为91.3％，并在10米、100米、1000米远的目标面上分别形成了一个宽约0.34米、3.4米、34米的正方形光斑，均匀度分别为97.9％、97.0％、96.2％，光束的发散半角在±1.7°左右。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (1)

1.一种双自由曲面的LED准直透镜设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：完成双自由曲线离散点坐标迭代关系的推导；
步骤二：通过Matlab计算软件求出自由曲线的轨迹离散坐标；
步骤三：将轨迹离散坐标导入proe 3D建模软件建立实体透镜模型；
步骤四：通过TracePro光学仿真软件对实体透镜模型进行光线追迹；
其中，步骤一所述的迭代关系，是基于非成像光学理论，利用能量守恒定理和菲涅耳定律推导而成的，为了获得其迭代关系，建立直角坐标系，选取自由曲线任意两相邻的两点分别定义为An、An+1、Bn、Bn+1，其坐标分别为(xan,yan)、(xan+1,yan+1)，(xbn,ybn)、(xbn+1,ybn+1)，O点为LED光源位置，并定义直线OAn与直线OAn+1夹角为θ，直线OAn与x轴夹角为θn，其迭代关系为：
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n为透镜材料的折射率，n0为空气的折射率，透镜材料为聚碳酸酯(Pc)或聚甲基丙烯酸甲酯(Pmma)或玻璃(SiO2)；
步骤二所述的轨迹离散坐标，是通过引入初始值A1坐标，B1坐标，以及步长θ值代入步骤一中的迭代关系，求出的轨迹离散坐标，其中A1纵坐标ya1≥10mm，B1纵坐标yb1≤40mm，且ya1＜yb1；
步骤三所述的实体透镜模型，是首先将步骤二中所求的轨迹离散坐标值导入proe 3D建模软件，然后将上述坐标点阵拟合成曲线，旋转成实体透镜模型；
步骤四所述的光线追迹，是将proe 3D建模软件所建的实体透镜模型导入到TracePro光学仿真软件中进行光线追迹模拟，验证并分析所建模型，其中光源是通过以1mmX1mm平面朗伯光源经周围吸收板吸收大角度光源的方式制备而成，总光通量为0.31858W，进入透镜的光线约30万条，接收面分别为离光源10米、100米、1000米的正方形屏。
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