CN104864278B - Led自由曲面照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LED自由曲面照明系统，包括一LED点光源、一自由曲面透镜以及一接收面。所述LED点光源设置于一三维直角坐标系的原点，所述LED点光源具有一最大出射角度，所述LED点光源的出射角度划分为三个区域。所述自由曲面透镜包括一球面以及与一该球面相对的自由曲面。所述球面为入光面，所述自由曲面为出光面。所述球面的球心与所述原点重合。所述自由曲面包括三个环状区域。所述LED点光源的每一区域分别对应所述自由曲面的每一环状区域。所述LED点光源中每一区域所发出的光线经过其对应的环状区域后都可以在所述接收面上形成长和宽分别为2L_x和2L_y的矩形光斑。所述接收面设置于所述自由曲面的一侧，且与x‑y平面平行设置。

Description

LED自由曲面照明系统

技术领域

本发明涉及一种LED自由曲面照明系统，尤其涉及一种高均匀度LED自由曲面照明系统。

背景技术

随着LED照明的发展，基于LED光源的照明设计也变得越来越重要。但是由于LED光强度分布的特点，难以实现在目标面上固定形状区域内的均匀照明。因此必须对LED的照明系统进行二次光学设计，将LED发出的光能进行再分配，以实现在目标照明面上所需的特定形状的均匀照明要求。

传统的LED的照明系统采用透镜组等方法来实现均匀照明。然而，通过透镜组方式实现均匀照明的LED的照明系统具有体积较大、结构复杂、光能损失大等缺点。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种高均匀、结构简单且光能损失小的LED自由曲面照明系统。

一种LED自由曲面照明系统，其包括一LED点光源、一自由曲面透镜以及一接收面；所述LED点光源设置于一三维直角坐标系（x，y，z）的原点，所述LED点光源具有一最大出射角度，所述LED点光源的出射角度划分为三个区域、和；所述自由曲面透镜的轴心所述三维直角坐标系（x，y，z）的z轴重合，所述自由曲面透镜包括一球面以及与一该球面相对的自由曲面，所述球面为入光面，所述自由曲面为出光面，所述球面的球心与所述原点重合，所述自由曲面包括三个环状区域，且所述LED点光源的每一区域分别对应所述自由曲面的每一环状区域，所述LED点光源中每一区域所发出的光线经过其对应的环状区域后实现在所述接收面上形成长和宽分别为2L_x和2L_y的矩形光斑；所述接收面设置于所述自由曲面的一侧，且与x-y平面平行设置。

一种LED自由曲面照明系统，其包括一LED点光源、一自由曲面透镜以及一接收面；所述LED点光源设置于一三维直角坐标系（x，y，z）的原点，所述LED点光源具有一最大出射角度，所述LED点光源的出射角度划分为至少两个区域；所述自由曲面透镜的轴心所述三维直角坐标系（x，y，z）的z轴重合，所述自由曲面透镜包括一球面以及与一该球面相对的自由曲面，所述球面为入光面，所述自由曲面为出光面，所述球面的球心与所述原点重合，所述自由曲面包括至少两个环状区域，且所述LED点光源的每一区域分别对应所述自由曲面的每一环状区域，所述LED点光源中每一区域所发出的光线经过其对应的环状区域后实现在所述接收面上形成长和宽分别为2L_x和2L_y的矩形光斑；所述接收面设置于所述自由曲面的一侧，且与x-y平面平行设置。

本发明提供的LED自由曲面照明系统，提出环状透镜结构及多对一的映射方式。通过对不同角度区域进行划分，使不同范围角度的光线经过相应的透镜区域独立形成重合的矩形光斑，既能实现在接收面上的均匀照明，又能实现让接收面上所有的点接收到更多方向的光线的照射，进一步提高了照明均匀性。另外，本发明提供的LED自由曲面照明系统100还具有结构紧凑及小型化等特点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的LED自由曲面照明系统的设计方法中LED点光源出射角度区域及自由曲面环状区域的划分示意图。

图2为本发明实施例提供的LED自由曲面照明系统的设计方法中LED点光源所发出光线映射到接收面的示意图。

图3为本发明实施例提供的LED自由曲面照明系统的设计方法中对所述LED点光源进行二次配光设计的示意图。

图4为本发明实施例提供的LED自由曲面照明系统的设计方法获得的自由曲面透镜的透镜实体图。

图5为本发明实施例提供的LED自由曲面照明系统的结构及光路示意图。

图6为本发明实施例提供的LED自由曲面照明系统中的自由曲面透镜在0°~10°区域内的LightTools光线仿真图。

图7为本发明实施例提供的LED自由曲面照明系统中的自由曲面透镜在10°~20°区域内的LightTools光线仿真图。

图8为本发明实施例提供的LED自由曲面照明系统中的自由曲面透镜在20°~30°区域内的LightTools光线仿真图。

图9为本发明实施例提供的LED自由曲面照明系统中通过软件模拟所获得的一个的正方形光斑及其照度图。

图10为本发明实施例提供的LED自由曲面照明系统中通过软件模拟所获得的一个的正方形光斑，及沿该正方形光斑的X轴和Y轴切线的照度图。

主要元件符号说明

LED自由曲面照明系统	100
		LED点光源	10
自由曲面透镜	12
		球面	122
自由曲面	124
		接收面	14

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

请参阅图1-5，本发明实施例提供一种LED自由曲面照明系统100的设计方法包括：

S10：将LED点光源10的出射角度划分为三个区域：、和，每个区域都可以分别实现在接收面14上形成长和宽分别为2L_x和2L_y的矩形光斑，其中，为所述LED点光源10的最大出射角度；

S11：分别对所述三个区域在所述接收面14上的映射关系进行求解，获得所述三个区域在所述接收面14上的映射关系；

S12：对所述LED点光源10进行二次配光设计，获得自由曲面124的一阶偏微分方程组；

S13：根据所述三个区域在所述接收面14上的映射关系及所述一阶偏微分方程组，获得关于所述自由曲面124的一阶拟线性偏微分方程组，求解所述一阶拟线性偏微分方程组获得多个面型数据；以及

S14：根据所述多个面型数据，进行曲面拟合，获得所述自由曲面124。

请参阅图1，在步骤S10中，所述LED点光源10的最大出射角度可以根据不同需要选择。本实施例中，所述LED点光源10最大出射角度约为30°。另外，可以将所述LED点光源10的出射角度平均划分为三个区域，或按照等比例划分为三个区域，或按照任意组合划分为三个区域。本实施例中，将所述LED点光源10的出射角度平均划分为三个区域，即，，以及。

此外，在所述区域中，处光线经过所述自由曲面124之后照射到所述矩形光斑的中心，而，处光线经过所述自由曲面124之后照射到所述矩形光斑的边界；在所述区域中，为了保证所述自由曲面124的连续，需使区域与区域交界处光线不能有突变，故， 处光线经过所述自由曲面124之后照射到所述矩形光斑的边界，而处光线经过所述自由曲面124之后照射到矩形光斑的中心，在所述区域中，同样为了保证所述自由曲面124的连续，也应保证所述区域与所述区域交界处光线不能有突变，故，处光线经过所述自由曲面124之后照射到矩形光斑的中心，而处光线经过所述自由曲面124之后照射到矩形光斑的边界。

请参阅图2，在步骤S11中，所述矩形光斑的长2L_x和宽2L_y可以根据实际需要选择。本实施例中，所述矩形光斑的长2L_x和宽2L_y相等，且约为20mm；即，L_x=L_y=10mm。

在区域内，光源10中心光线映射到接收面14上矩形光斑的中心；处光线映射到接收面14上所述矩形光斑的边界，即半长和半宽为L_x和L_y的矩形光斑，此时应有：

，其中E为照度 （2-1）

对于区域内任一的光线映射到目标面上半长和半宽为X和Y的矩形区域边框，根据能量守恒，有：

（2-2）

故，可以获得所述有区域内的映射：

（2-3）

同理可得区域内的映射关系为：

（2-4）

以及，所述区域内的映射关系为：

（2-5）

根据面积等分比例关系，所述接收面14上任意一点(x,y)与矩形区域边框(X,Y)的关系可以描述为：

（2-6）

综上所述，在区域内的映射关系可总结为：

（2-7）

在步骤S12中，为了在所述接收面14上得到均匀的矩形光斑，需要对LED点光源10进行二次配光设计。请参照图3，在球坐标系（θ，φ，ρ）下，入射光I的矢量式可表示为：

(3-1)

P 是所述自由曲面124上任意一点，向量 P可表示为:

(3-2)

则，出射光O的矢量式可表示为：

，其中， (3-3)

而，法向向量N可表示为：

(3-4)

计算化简后，可得到向量N的表达式：

(3-5)

同时，向量I，O，N必须遵循Snell’s定律:

，其中，n_o及n_I分别为空气折射率及自由曲面透镜12的折射率。 (3-6)

最后，可以获得关于自由曲面124的一阶偏微分方程组：

(3-7)

在步骤S13中，将(2-7)式带入(3-7)式化简可得关于自由曲面124的一阶拟线性偏微分方程组。进一步的，采用龙哥库塔算法及Lax的差分格式建立算法求解此方程组，并通过MATLAB编程从而可以获得所述自由曲面124的多个面型数据。

在步骤S14中，根据所述多个面型数据，并采用非均匀有理B样条（Non uniformrational B-spline，NURBS）来进行曲面拟合，从而获得所述自由曲面124。请参照图4，本实施例中使用基于NURBS的原理的Rhinoceros建模软件进行曲面拟合，从而获得含有该自由曲面124的透镜实体。

可以理解，所述LED自由曲面照明系统100的设计方法不限于用于三个区域的设计，还可以用于至少两个区域的设计。例如，当涉及到两个区域的设计时，可以将LED点光源10的出射角度划分为两个区域，并使每个区域都可以分别实现在一接收面14上形成长和宽分别为2L_x和2L_y的矩形光斑；分别对所述两个区域在所述接收面14上的映射关系进行求解，获得所述两个区域在所述接收面14上的映射关系；对所述LED点光源10进行二次配光设计，获得自由曲面124的一阶偏微分方程组；根据所述两个区域在所述接收面14上的映射关系及所述一阶偏微分方程组，获得关于所述自由曲面124的一阶拟线性偏微分方程组，求解所述一阶拟线性偏微分方程组获得多个面型数据；以及根据所述多个面型数据，进行曲面拟合，获得所述自由曲面124。

本发明实施例进一步提供一种基于上述设计方法获得的LED自由曲面照明系统100，包括一LED点光源10、一自由曲面透镜12以及一接收面14。

所述LED自由曲面照明系统100所处的空间定义一三维直角坐标系（x，y，z）以及一球坐标系（θ，φ，ρ），且该三维直角坐标系（x，y，z）及该球坐标系（θ，φ，ρ）的原点重合。

所述LED点光源10设置于所述三维直角坐标系（x，y，z）的原点（0，0，0）。所述LED点光源10具有一最大出射角度。本实施例中，所述LED点光源10最大出射角度约为30°。所述LED点光源10在的光线与z轴重合。所述LED点光源10的直径为1~5mm左右。所述LED点光源10的出射角度可划分为三个区域：、和。所述LED点光源10的出射角度（）可以平均划分为三个区域，或按照等比例划分为三个区域，或按照任意组合划分为三个区域。本实施例中，所述LED点光源10的出射角度平均划分为三个区域，即，，以及。

所述自由曲面透镜12的轴心与所述三维直角坐标系（x，y，z）的z轴重合。所述自由曲面透镜12包括一球面122以及与一该球面122相对的自由曲面124。所述球面122为入光面，所述自由曲面124为出光面。

所述球面122的球心与所述原点（0，0，0）重合，从而使所述LED点光源10的入射光I通过所述球面122时，不会产生折射。所述球面122的半径r可以根据实际需要选择。

所述自由曲面124包括三个环状区域，且所述LED点光源10的每一区域分别对应所述自由曲面124的一环状区域。所述LED点光源10中每一区域所发出的光线经过其对应的环状区域后都可以实现在所述接收面14上形成长和宽分别为2L_x和2L_y的矩形光斑。所述自由曲面124在球坐标系（θ，φ，ρ）的一阶偏微分方程组可表示为：

；其中，

;

，且，n_o及n_I分别为空气折射率及所述自由曲面透镜12的折射率，z₀为所述自由曲面124与z轴的交点。本实施例中，z₀=10mm。

所述接收面14设置于所述自由曲面124的一侧，且与x-y平面平行设置。所述接收面14与所述z轴的交点为z_T。所述接收面14与z轴的交点z_T取决于照射于所述接收面14上的矩形光斑的大小。本实施例中，z_T约为50mm。

可以理解，所述LED自由曲面照明系统100中的LED点光源10和自由曲面透镜12也不限于上述方式，可以将所述最大出射角度划分为至少两个区域，并将所述自由曲面124也设计为与该至少两个区域相对应的至少两个环状区域。例如，可以将所述最大出射角度划分为两个区域，并将所述自由曲面透镜12的自由曲面124也划分相对的两个环状区域，且所述LED点光源的每一区域分别对应所述自由曲面的每一环状区域，所述LED点光源中每一区域所发出的光线经过其对应的环状区域后在所述接收面上形成长和宽分别为2L_x和2L_y的矩形光斑。

图6-8分别为所述自由曲面透镜12三个环状区域在LightTools中的光线仿真结果。请参照图6，从图中可以看出，中心光线照射到矩形光斑的中心部位，边缘光线照射到矩形光斑的边缘部位；请参照图7，为保证连续，中心光线照射到矩形光斑的边缘部位，边缘光线照射到矩形光斑的中心部位；请参照图8，同样，为保证连续，中心光线照射到矩形光斑的中心部位，边缘光线照射到矩形光斑的边缘部位。

请参照图9-10，本发明实施例提供的LED自由曲面照明系统100系统的能量利用效率可达97.2%，均匀性可达84.3%。可以理解，当所述自由曲面124的环状区域数量越多可以获得更高的均匀性。

本发明提供的LED自由曲面照明系统100及其设计方法，提出环状透镜结构及多对一的映射方式，通过对不同角度区域进行划分，使不同范围角度的光线经过相应的透镜区域独立形成重合的矩形光斑，既能实现在接收面上的均匀照明，又能实现让接收面上所有的点接收到更多方向的光线的照射，进一步提高了照明均匀性。另外，本发明提供的LED自由曲面照明系统100还具有结构紧凑及小型化等特点。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (14)

1.一种LED自由曲面照明系统，所述LED自由曲面照明系统所处的空间定义一三维直角坐标系（x，y，z），其特征在于，包括一LED点光源、一自由曲面透镜以及一接收面；

所述LED点光源设置于所述三维直角坐标系（x，y，z）的原点，所述LED点光源具有一最大出射角度，所述LED点光源的出射角度划分为三个区域、和；

所述自由曲面透镜的轴心与所述三维直角坐标系（x，y，z）的z轴重合，所述自由曲面透镜包括一球面以及与一该球面相对的自由曲面，所述球面为入光面，所述自由曲面为出光面，所述球面的球心与所述原点重合，所述自由曲面包括三个环状区域，且所述LED点光源的每一区域分别对应所述自由曲面的每一环状区域，所述LED点光源中每一区域所发出的光线经过其对应的环状区域后在所述接收面上形成长和宽分别为2L_x和2L_y的矩形光斑；

所述接收面设置于所述自由曲面的一侧，且与x-y平面平行设置。

2.如权利要求1所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，所述LED点光源的直径为1mm ~5mm。

3.如权利要求1所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，所述LED点光源的出射角度平均划分为三个区域或按照等比例划分为三个区域。

4.如权利要求1所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，所述LED自由曲面照明系统所处的空间进一步定义一球坐标系（θ，φ，ρ），且该三维直角坐标系（x，y，z）及该球坐标系（θ，φ，ρ）的原点重合，所述自由曲面在球坐标系（θ，φ，ρ）下的一阶偏微分方程组表示为：

，其中，

，

，

，

，

，且，n_o及n_I分别为空气折射率及所述自由曲面透镜的折射率，z₀为所述自由曲面与z轴的交点。

5.如权利要求4所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，所述LED点光源最大出射角度为30°。

6.如权利要求5所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，，以及。

7.如权利要求4所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，z₀为10mm。

8.如权利要求4所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，所述接收面与z轴的交点为z_T，且z_T为50mm。

9.如权利要求4所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，所述LED自由曲面照明系统的能量利用效率为97.2%。

10.如权利要求4所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，所述LED自由曲面照明系统的均匀性为84.3%。

11.如权利要求1所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，在区域中，处光线经过所述自由曲面之后照射到所述矩形光斑的中心，而，处光线经过所述自由曲面之后照射到所述矩形光斑的边界。

12.如权利要求1所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，在区域中，处光线经过所述自由曲面之后照射到所述矩形光斑的边界，而处光线经过所述自由曲面之后照射到矩形光斑的中心。

13.如权利要求1所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，在区域中，处光线经过所述自由曲面之后照射到矩形光斑的中心，而处光线经过所述自由曲面之后照射到矩形光斑的边界。

14.一种LED自由曲面照明系统，所述LED自由曲面照明系统所处的空间定义一三维直角坐标系（x，y，z），其特征在于，包括一LED点光源、一自由曲面透镜以及一接收面；

所述LED点光源设置于所述三维直角坐标系（x，y，z）的原点，所述LED点光源具有一最大出射角度，所述LED点光源的出射角度划分为至少两个区域；

所述自由曲面透镜的轴心与所述三维直角坐标系（x，y，z）的z轴重合，所述自由曲面透镜包括一球面以及与一该球面相对的自由曲面，所述球面为入光面，所述自由曲面为出光面，所述球面的球心与所述原点重合，所述自由曲面包括至少两个环状区域，且所述LED点光源的每一区域分别对应所述自由曲面的每一环状区域，所述LED点光源中每一区域所发出的光线经过其对应的环状区域后在所述接收面上形成长和宽分别为2L_x和2L_y的矩形光斑；

所述接收面设置于所述自由曲面的一侧，且与x-y平面平行设置。