CN104879711B

CN104879711B - 一种基于三次样条的双自由曲面led匀光透镜设计方法

Info

Publication number: CN104879711B
Application number: CN201510295258.3A
Authority: CN
Inventors: 陈国庆; 吴亚敏; 朱拓; 潘浩; 朱纯; 朱焯炜
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2035-06-02
Also published as: CN104879711A

Abstract

本发明公开了一种基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法，该方法通过分析LED光源数据，构建三次样条曲线作为透镜内曲面母线，运用边缘光线理论、光通量网格划分及Snell定律等计算外曲面母线，旋转母线得到透镜模型，最后对透镜进行优化，提高照明均匀度。该方法解决了对LED光源进行均匀照明配光时内曲面为半球面等特定面型的透镜无法满足对照明均匀度的要求、光源适用性也不广泛的问题。该方法的优势包括：分析LED光源数据，确保了光源适用性和准确性；构建三次样条曲线作为内曲面母线，具有较高设计自由度，利于适应不同封装的LED灯珠；求得透镜模型后可通过多种方式的优化提高均匀度，可用于设计近场匀光透镜。

Description

一种基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法

技术领域

本发明提供了一种基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法，属于LED二次光学设计领域。

背景技术

LED光源较传统光源有光效高、显色性好等优点，已被用作背光照明光源，应用在例如吸顶灯、广告灯箱、液晶显示背光等。LED被当作平板面光源时发光方式主要有侧光式和直下式。侧光式须结合导光板使用，平板光源尺寸增大会导致成本增加，光效和照明均匀度降低，所以一般应用在中小尺寸照明中。大面积近场照明通常会选择直下式。为了实现大面积均匀照明，灯具制造中常采用大量小功率LED光源密集排布的方法，但这样须要配用大面积的基板，成本升高，同时密集排布光源引起的散热问题会导致LED光衰，缩短灯具使用寿命。随着LED发光效率的不断提升，将大功率LED扩展光源与散光透镜组合成系统，再将系统按需求阵列式排布，可提高灯具稳定性和性价比。为了确保照明面的照度均匀度以及透镜设计对LED光源的适用性，直下式透镜设计方法的研究就变得尤为关键。传统设计方法对LED光源进行均匀照明配光时，内曲面为半球面等特定面型的透镜，无法满足对照明均匀度的要求，同时具有光源适用性不广泛的问题。因此，十分有必要寻找一种光源适用性强，透镜照明均匀度好的LED透镜设计方法。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法，按照本发明的技术方案，本发明通过以下步骤实现：

a.通过LED光源IES文件(光度学数据文件)或利用光线追迹软件分析，得到需要设计透镜的光源不同发射角的光强；

b.对光源光通量及照明目标面进行划分，并建立光源与目标面间映射关系；

c.设定数个拟合点，按三次样条构建初始内曲面母线；

d.按照步骤b中对光源光通量的划分得到不同发射角的光线，光线与初始内曲面母线相交，得到交点，以交点对初始内曲面母线进行插值，将插值点作为新的拟合点，并以三次样条重新进行拟合，得到新的内曲面母线并以插值点作为其控制点；

e.利用Snell定律求得外曲面母线上的离散点坐标，连接获得外曲面母线；

f.旋转内外曲面母线获得初始LED透镜模型；

g.对初始LED透镜模型进行内曲面局部优化及外曲面反馈优化，直到符合照明需求。

所述步骤c、d中，所述三次样条为在每组相邻的4个拟合点间构建三次多项式，多项式在每个区间内的一般式是：

y_i(x)＝a_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³

其中(x_i,y_i)是拟合点的坐标，i为拟合点序号，给定n+1个拟合点(i＝0,1,…,n)，就对应n个区间，通过给定拟合点坐标和首末点处的边界条件，可以解出系数a_i,b_i,c_i,d_i的值，求得曲线方程。

每段曲线的一阶导数为：

y_i'(x)＝b_i+2c_i(x-x_i)+3d_i(x-x_i)

所述步骤e中，利用内曲面母线方程，在内外自由曲面先后使用Snell定律的矢量形式来计算光路：

[n₁ ²+n₂ ²-2n₁n₂(O·I)]N＝n₂O-n₁I

其中I、O分别是内外曲面上入射光、出射光的单位向量；N为两曲面母线法向矢量；n₁、n₂分别是出射光、入射光所处介质的折射率，在两曲面上折射率的值要发生转换。

所述步骤g中，外曲面的反馈优化，需要对初始透镜产生的模拟照度图进行分析和计算，通过修正步骤b中圆形照面半径R_i实现优化；新的R_NEWi为照度图上照度不匀开始出现的初始位置，可从具体的初始照度图中得到，之后的R_NEWi+1是在R_NEWi的基础上迭代计算得到，最终迭代到R_NEWn，使之与R_n对应，新的半径可表示为：

其中为修正系数：

当中的E_Ti为θ_i光线对应的在照面上的实际照度值；E_TAVE为照面上实际的照度平均值；当E_Ti＞E_TAVE时Q值大于1，与的差会大于与的差，从而达到扩大对应照明面积，降低照度的目的。当E_Ti＜E_TAVE时Q值在0到1之间，可达到缩小面积，提升照度的目的。

由于采用上述设计，本发明能产生以下有益效果：该方法解决了对LED光源进行均匀照明配光时，内曲面为半球面等特定面型的透镜无法满足对照明均匀度的要求，同时光源适用性也不广泛的问题。该方法的优势包括，分析LED光源数据，确保了光源的适用性和准确性；构建三次样条曲线作为内曲面母线，具有较高的设计自由度，利于适应不同封装的LED灯珠；求得透镜模型后，可通过多种方式的优化提高均匀度，可用于设计近场匀光透镜。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1匀光透镜设计方法流程图。

图2透镜设计示意图。

图3内自由曲面示意图。

具体实施方式

下面结合附图并根据流程图的操作顺序对本发明作进一步描述：

b.对光源光通量及照明目标面进行划分，如图2，并建立光源与目标面间映射关系；

c.设定数个拟合点，按三次样条构建初始内曲面母线，如图3；

d.按照步骤b中对光源光通量的划分得到不同发射角的光线，光线与初始内曲面母线相交，得到交点，以交点对初始内曲面母线进行插值，将插值点作为新的拟合点，并以三次样条重新进行拟合，得到新的内曲面母线并以插值点作为其控制点，如图3；

e.利用Snell定律求得外曲面母线上的离散点坐标，连接获得外曲面母线，如图2；

f.旋转内外曲面母线获得初始LED透镜模型；

g.对初始LED透镜模型进行内曲面局部优化及外曲面反馈优化，直到符合照明需求；

所述步骤a中，

I(θ_i)＝I(θ)

式中：θ为光源发射光线与Z轴间夹角；i＝0,1,…,n，为对光源及照面的分割份数；θ_i是对90°角进行n等份后对应的与Z轴间角度；I(θ_i)为相应角度上的光强值。

所述步骤b中，光源总光通量Φ_LED为

目标圆形照面的平均照度值为E_AVE(E_AVE＝Φ_C/S_C)，其中Φ_C为照面接受的总光通量；S_C为圆形照面面积。

R_n为圆形目标照面的最大半径；

在无能量损失的情况下有Φ_LED＝Φ_C，那么光源与目标照明面间的能量对应关系为:

R_i是圆形照面C上的半径，与光源光线角θ_i对应。

所述步骤c、d中，利用拟合离散点的方法相同，拟合出曲线方程，使不规则曲线回归为规则曲线。这里使用的方法为三次拟合样条曲线法。

三次样条就是在每组相邻的4个拟合点间构建三次多项式，多项式在每个区间内的一般式是：

y_i(x)＝a_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³

每段曲线的一阶导数为：

y_i'(x)＝b_i+2c_i(x-x_i)+3d_i(x-x_i)²

所述步骤e中，利用内曲面母线方程，在内外自由曲面先后使用Snell定律的矢量形式来计算光路

[n₁ ²+n₂ ²-2n₁n₂(O·I)]N＝n₂O-n₁I

所述步骤g中，外曲面的反馈优化，需要对初始透镜产生的模拟照度图进行分析和计算，通过修正步骤b中圆形照面半径R_i实现优化。新的R_NEWi为照度图上照度不匀开始出现的初始位置，可从初始照度图中得到，之后的R_NEWi+1是在R_NEWi的基础上迭代计算得到，最终迭代到R_NEWn，使之与R_n对应，新的半径可表示为：

其中为修正系数：

当中的E_Ti为θ_i光线对应的在照面上的实际照度值；E_TAVE为照面上实际的照度平均值，因为存在菲涅尔损失等，实际照度平均值会小于初始计算中的理想照度平均值。

当E_Ti＞E_TAVE时Q值大于1，与的差会大于与的差，从而达到扩大对应照明面积，降低照度的目的。当E_Ti＜E_TAVE时Q值在0到1之间，可达到缩小面积，提升照度的目的。

实例实施：

(1)设定光源到照面的距离H为30mm，目标照面半径D为120mm，则距高比为4(D/H)，光源到内曲面顶点的距离OM₀为5mm，到外曲面与Z轴交点的距离为6mm；

(2)当光源为朗博光源时，按设计步骤进行设计，设计的透镜经过一次局部优化，透镜可得到较好的匀光效果；

(3)当光源为实际光源时，这里选用OSRAM的光线文件，为非朗博型光强分布，型号为LUW W5AM，Golden DRAGON Plus，Ultra White，导入文件进行模拟，按设计步骤进行设计，设计的透镜经过一次局部优化和一次反馈优化后，可得到较好的匀光效果；

模拟结果表明，对于不同的光源，设计出的初始透镜拥有不错的均匀照明效果，并且可以通过优化进一步提升照明均匀度。

综上所述，该设计方法首先通过分析LED光源数据，设置拟合点，构建三次样条曲线作为透镜内曲面母线，接着运用边缘光线理论、光通量网格划分及Snell定律等计算外自由曲面母线，并旋转母线得到透镜模型，最后对透镜进行局部优化和反馈优化，提高照明均匀度。该设计方法解决了对LED光源进行均匀照明配光时，内曲面为半球面等特定面型的透镜无法满足对照明均匀度的要求，同时光源适用性也不广泛的问题。该设计方法的优势包括，使用分析得到的LED光源数据，兼顾了适用性和准确性，可适用于非朗博型LED光源；设置拟合点构建三次样条曲线作为透镜内曲面母线，具有较高的设计自由度，利于吻合不同封装的LED灯珠；求得透镜模型后可进行多种方式的优化，用来提高照明均匀度，可用于设计近场均匀照明透镜。

Claims

1.一种基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法，

所述方法的前两个步骤为：

其特征是：所述方法的后续步骤如下：

c.设定数个拟合点，按三次样条构建初始内曲面母线；

f.旋转内外曲面母线获得初始LED透镜模型；

2.根据权利要求1所述的基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法,其特征是：所述步骤c、d中，所述三次样条为在每组相邻的4个拟合点间构建三次多项式，多项式在每个区间内的一般式是：

y_i(x)＝a_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³

其中(x_i,y_i)是拟合点的坐标，i为拟合点序号，给定n+1个拟合点(i＝0,1,…,n)，就对应n个区间，通过给定拟合点坐标和首末点处的边界条件，解出系数a_i,b_i,c_i,d_i的值，求得曲线方程，每段曲线的一阶导数为：

y_i'(x)＝b_i+2c_i(x-x_i)+3d_i(x-x_i)²。

3.根据权利要求1所述的基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法,其特征是：所述步骤e中，利用内曲面母线方程，在内外自由曲面先后使用Snell定律的矢量形式来计算光路：

[n₁ ²+n₂ ²-2n₁n₂(O·I)]N＝n₂O-n₁I

其中I、O分别是内外曲面上入射光、出射光的单位向量；N为两曲面母线法向矢量；n₁、n₂分别是出射光、入射光所处介质的折射率。

4.根据权利要求1所述的基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法,其特征是：所述步骤g中，外曲面的反馈优化，需要对初始透镜产生的模拟照度图进行分析和计算，通过修正步骤b中圆形照面半径R_i实现优化；新的R_NEWi为照度图上照度不匀开始出现的初始位置，可从初始照度图中得到，之后的R_NEWi+1是在R_NEWi的基础上迭代计算得到，最终迭代到R_NEWn，使之与R_n对应，新的半径可表示为：

其中为修正系数：

<mrow> <mi>Q</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>A</mi> <mi>V</mi> <mi>E</mi> </mrow> </msub> </mrow> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>A</mi> <mi>V</mi> <mi>E</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> 1

当中的E_Ti为θ_i光线对应的在照面上的实际照度值；E_TAVE为照面上实际的照度平均值；当E_Ti＞E_TAVE时Q值大于1，与的差会大于与的差，从而达到扩大对应照明面积，降低照度的目的；当E_Ti＜E_TAVE时Q值在0到1之间，可达到缩小面积，提升照度的目的。