CN108036281B - 一种形成均匀方形光斑的led透镜阵列设计方法 - Google Patents

一种形成均匀方形光斑的led透镜阵列设计方法 Download PDF

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Abstract

一种形成均匀方形光斑的LED透镜阵列设计方法，是先设计双自由曲面准直透镜；然后在双自由曲面准直透镜与LED光源之间设计单自由曲面透镜，最后将所述LED透镜与LED光源结合为单元模块，并按照一定坐标及旋转角度进行阵列设计。本发明单元模块由一个单自由曲面透镜与一个双自由曲面准直透镜组成，通过采用多次折射光路，其光线可控，聚光效果好，且光源经透镜后在照射面形成照度均匀的方形光斑，光斑边界清晰可见，发散角小，并克服了单独采用菲涅耳透镜或平凸透镜等方式无法利用光源高角度部分的不足；本发明阵列光斑均匀性易控，优于95%，且整体LED能量利用率可以达到78%，因此本发明具有节约光能的效果，能量利用率更高，从而可以有效提高光的利用率，达到节能的目的。

Description

一种形成均匀方形光斑的LED透镜阵列设计方法
技术领域
本发明涉及一种适应LED光源的二次光学元件，具体是涉及一种能够形成均匀方形光斑的LED透镜阵列设计方法。
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，以及对拓宽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(试错法)，另一种是算法设计，其理论基础主要是基于点光源单波长的设计。
目前，在大部分通用照明场合，比如室内照明、马路等通常希望照度面能够均匀，且是方型光斑，这样的处理，使得照明场所，在能量利用率上，及整体光斑均匀性上会得到很大提升。然而，现在市场普遍是圆形光斑，采用被照面为圆形光斑形状时，在相邻灯具的衔接处，势必会出现暗区和照射盲点，而使被照面的照度不均匀。当前，产生方型光斑的设计方法，已形成多种解决发案，如：1)路灯透镜花生米结构，通过自由曲面调控，产生方型光斑，但其发散角过大，均匀性主要由单个光源模块决定，光源阵列对均匀性控制较弱；2)通过方型光源的成像原理，利用菲涅耳透镜与平凸透镜等二次光学元件，形成准直均匀方型光斑，但光源整体能量利用率还不到50％，因其无法利用到光源高角度所发出的光；3)复合抛物面反射器,可实现近场的方型光斑，但其发散角过大，无法进行LED光源小角度部分调控。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种采用多次折射光路，光线可控，聚光效果好，在照射面形成照度均匀的方形光斑，光斑边界清晰可见，发散角小，节约光能效果好，能量利用率更高的LED透镜阵列设计方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的形成均匀方形光斑的LED透镜阵列设计方法，其特点是包括以下步骤：
步骤1)、设计双自由曲面准直透镜，其具体方法如下：
11)完成双自由曲线离散点坐标迭代关系的推导；
12)通过Matlab计算软件求出自由曲线的轨迹离散坐标；
13)将轨迹离散坐标导入TracePro光学仿真软件建立实体透镜模型；
步骤2)、在双自由曲面准直透镜与LED光源之间设计单自由曲面透镜，从而完成能够形成均匀准直方形光斑的LED透镜的设计，其具体方法如下：
21)设计单自由曲面透镜的入射面为平面，出射面为自由曲面，其中自由曲面是由样条曲线绕中心轴旋转而成，且该样条曲线由多个离散控制点控制；
22)插入LED光源，并打开TracePro软件插件2D交互式优化工具建立单自由曲面透镜模型，此时要确保单自由曲面透镜离LED光源距离较近以尽可能减少LED光源遗失，然后以离散控制点作为优化参数，同时以远场方形检测屏中的照度均匀性及方形光斑作为评价标准；
23)通过离散控制点优化原则，先从一个离散控制点入手，然后在其中较好结果中逐步增加新的离散控制点，直至最终优化结果，从而获得符合要求的自由曲面；
步骤3)、将所述LED透镜与LED光源结合为单元模块，然后按照一定坐标及旋转角度进行阵列设计，其具体方法如下：
31)先将多个单元模块按一定间距排成一列，并确定中心位置，位于中心位置两边的各单元模块可通过绕该列中心轴旋转一定角度消除接触边缘不均匀性，实现该列光斑整体均匀；
32)在该列单元模块的两边分别复制该列，然后位于两边的阵列整体绕中心阵列所在直线旋转一定角度消除接触边缘不均匀性，实现阵列的列光斑整体均匀；
33)进行各LED光源的光强调控，进一步优化光斑均匀性。
其中，所述LED光源为单个出光面为方型的朗伯型光源，或为多个LED光源集成的出光面为方型的朗伯型光源，且LED光源的出光面尺寸相比LED透镜的尺寸不是越小越好，而是存在一个最佳值。
所述双自由曲面准直透镜的材料为聚碳酸酯(Pc)或聚甲基丙烯酸甲酯(Pmma)或玻璃(SiO2)。
所述单自由曲面透镜的材料为聚碳酸酯(Pc)或聚甲基丙烯酸甲酯(Pmma)或玻璃(SiO2)。
本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：
1)本发明由于采用了由一个单自由曲面透镜(透镜入射面为平面，出射面为自由曲面)与一个双自由曲面准直透镜(透镜入射面与出射面均为自由曲面)组成的LED透镜，通过采用多次折射光路，其光线可控，聚光效果好，且光源经透镜后在照射面形成照度均匀的方形光斑，光斑边界清晰可见，发散角小，并克服了单独采用菲涅耳透镜或平凸透镜等方式无法利用光源高角度部分的不足，因此本发明具有节约光能的效果，能量利用率更高，从而可以有效提高光的利用率，达到节能的目的；
2)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及透镜设计，以及采用传统“试错法”进行单自由曲面透镜的设计，两者共同使用，大大节省时间，并能满足复杂设计要求；
3)相比以往方型光斑，本发明获得的方型光斑，a)均匀度大于90％，发散角小于5°，光斑边界清晰可见，以及依此组成的光源阵列整体均匀度大于95％；b)传统菲涅耳透镜及平凸透镜也能实现均匀方型光斑，但其无法在LED光源全角度实现光斑均匀性，只能在小角度实现光斑均匀性，因而本发明在能量收集率上有了显著的提高；c)本发明光斑边界清晰可见，其阵列依据单模块光强及光谱调控可在远场进行简单图案设计。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明所述双自由曲面准直透镜的结构示意图。
图2为本发明所述单自由曲面透镜的结构示意图。
图3为本发明实施例透镜阵列结构示意图。
图4为本发明透镜仿真照度结果示意图。
图5为本发明透镜阵列均匀性调控仿真照度结果示意图。
图6为本发明边界清晰验证仿真照度结果示意图。
其中，附图标记：1为双自由曲面准直透镜；2为单自由曲面透镜；3为LED光源。
具体实施方式
本发明所述的形成均匀方形光斑的LED透镜阵列设计方法，首先设计LED透镜，其包括以下步骤：
步骤1)、设计双自由曲面准直透镜，该透镜的材料为聚碳酸酯(Pc)或聚甲基丙烯酸甲酯(Pmma)或玻璃(SiO2)，其具体方法如下：
11)完成双自由曲线离散点坐标迭代关系的推导；
12)通过Matlab计算软件求出自由曲线的轨迹离散坐标；
13)将轨迹离散坐标导入TracePro光学仿真软件建立实体透镜模型；
步骤2)、在双自由曲面准直透镜与LED光源之间设计单自由曲面透镜，该透镜的材料为聚碳酸酯(Pc)或聚甲基丙烯酸甲酯(Pmma)或玻璃(SiO2)，从而完成能够形成均匀准直方形光斑的LED透镜的设计，其具体方法如下：
21)设计单自由曲面透镜的入射面为平面，出射面为自由曲面，其中自由曲面是由样条曲线绕中心轴旋转而成，且该样条曲线由多个离散控制点控制；
22)插入LED光源，并打开TracePro软件插件2D交互式优化工具建立单自由曲面透镜模型，此时要确保单自由曲面透镜离LED光源距离较近以尽可能减少LED光源遗失，然后以离散控制点作为优化参数，同时以远场方形检测屏中的照度均匀性及方形光斑作为评价标准；
23)通过离散控制点优化原则，先从一个离散控制点入手，然后在其中较好结果中逐步增加新的离散控制点，直至最终优化结果，从而获得符合要求的自由曲面。
在完成LED透镜的设计之后，将所述LED透镜与LED光源结合为单元模块，然后按照一定坐标及旋转角度进行阵列设计，且单个LED光源的光源强度能够单独控制，而阵列设计的原则为：(1)先将多个单元模块按一定间距排成一列，并确定中心位置，位于中心位置两边的各单元模块可通过绕该列中心轴旋转一定角度消除接触边缘不均匀性，实现该列光斑整体均匀；(2)在该列单元模块的两边分别复制该列，然后位于两边的阵列整体绕中心阵列所在直线旋转一定角度消除接触边缘不均匀性，实现阵列的列光斑整体均匀；(3)进行各LED光源的光强调控，进一步优化光斑均匀性。
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一：
本实施例采用的光源为尺寸1mm*1mm的LED光源；其具体设计方法如下：
首先设计双自由曲面准直透镜，主要包括，1)完成双自由曲线离散点坐标迭代关系的推导；2)通过Matlab计算软件求出自由曲线的轨迹离散坐标；3)将轨迹离散坐标导入TracePro光学仿真软件建立实体透镜模型；
其中，双自由曲线离散点迭代关系，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为聚碳酸酯(Pc)材料的折射率，率为n＝1.59，n0为空气的折射率。
然后，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，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，求出的轨迹坐标。并将轨迹坐标导入proe3D建模软件，然后将上述坐标点阵拟合成曲线，旋转成实体模型如图1所示。
接着在双自由曲面准直透镜与LED光源之间设计单自由曲面透镜，在本优选实施例中：1)透镜材料为聚甲基丙烯酸甲酯(Pmma)；2)入射面为平面，出射面为自由曲面，且自由曲面是由样条曲线绕中心轴旋转而成；3)控制点坐标依次为(-2.81，2.08)，(-2.43,3.00),(-1.70,3.64),(-1.20,3.96),(-0.20,4.13)。其结构示意图如图2所示；
然后依据上述光源及透镜，将光源和透镜结合成单元模块，并按照一定坐标及旋转角度进行排列，且单个光源强度可以单独控制。在本优选实施中：1)先将多个单元模块按间距25mm排成一列，并确定中心位置，位于两边的各单元模块可通过绕该列中心轴旋转5.72°消除接触边缘不均匀性，实现该列光斑整体均匀；2)在该列单元模块的两边分别复制该列，然后位于两边的阵列整体绕中心阵列所在直线旋转5.72°消除接触边缘不均匀性，实现阵列的列光斑整体均匀；3)将中心单元模块中的光源光强调控至其余模块光强的95％，进一步优化光斑均匀性。该阵列结构示意图如图3所示。
为了验证本实施例的可行性，本发明采用照明设计软件Tracepro对该实施例照明系统进行结构建模，并进行光线仿真模拟。仿真过程如下：
1)结构建模，均按该实施例要求同比例建模，具体仿真结构示意图如图4所示；2)材质属性定义；3)按该实施例中光源排布进行光源定义；4)蒙特卡洛光线追迹；5)仿真结果分析。
为了验证透镜光学效果，仿真模型中，在距离单光源模块四米处放置一个方形检测屏，照度结果如图4所示，方型光斑，均匀度大于90％，发散角约5°。
为了验证透镜阵列光斑均匀性调控是否可行，按照上述调控原则依次进行光学仿真，仿真照度结果如图5所示。方型光斑，均匀度大于95％，发散角约10°。
为了验证透镜边界清晰度，在阵列仿真时，关闭其中光源光线进行光学仿真，仿真照度结果如图6所示。边界清晰可见，能实现简单图案。
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 (4)

1.一种形成均匀方形光斑的LED透镜阵列设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1)、设计双自由曲面准直透镜，其具体方法如下：
11)完成双自由曲线离散点坐标迭代关系的推导；
12)通过Matlab计算软件求出自由曲线的轨迹离散坐标；
13)将轨迹离散坐标导入TracePro光学仿真软件建立实体透镜模型；
步骤2)、在双自由曲面准直透镜与LED光源之间设计单自由曲面透镜，从而完成能够形成均匀准直方形光斑的LED透镜的设计，其具体方法如下：
21)设计单自由曲面透镜的入射面为平面，出射面为自由曲面，其中自由曲面是由样条曲线绕中心轴旋转而成，且该样条曲线由多个离散控制点以及曲线两端切线控制；
22)插入LED光源，并打开TracePro软件插件2D交互式优化工具建立单自由曲面透镜模型，此时要确保单自由曲面透镜离LED光源距离较近以尽可能减少LED光源遗失，然后以离散控制点作为优化参数，同时以远场方形检测屏中的照度均匀性及方形光斑作为评价标准；
23)通过离散控制点优化原则，先从一个离散控制点入手，然后在其中较好结果中逐步增加新的离散控制点，直至最终优化结果，从而获得符合要求的自由曲面；
步骤3)、将所述LED透镜与LED光源结合为单元模块，然后按照一定坐标及旋转角度进行阵列设计，其具体方法如下：
31)先将多个单元模块按一定间距排成一列，并确定中心位置，位于中心位置两边的各单元模块可通过绕该列中心轴旋转一定角度消除接触边缘不均匀性，实现列光斑整体均匀；
32)在该列单元模块的两边分别复制该列，然后位于两边的阵列整体绕中心阵列所在直线旋转一定角度消除接触边缘不均匀性，实现阵列的列光斑整体均匀；
33)进行各LED光源的光强调控，进一步优化光斑均匀性，从而完成LED透镜阵列的设计。
2.根据权利要求1所述的形成均匀方形光斑的LED透镜阵列设计方法，其特征在于：所述LED光源为单个出光面为方型的朗伯型光源，或为多个LED光源集成的出光面为方型的朗伯型光源。
3.根据权利要求1所述的形成均匀方形光斑的LED透镜阵列设计方法，其特征在于：所述双自由曲面准直透镜的材料为聚碳酸酯(Pc)或聚甲基丙烯酸甲酯(Pmma)或玻璃(SiO2)。
4.根据权利要求1所述的形成均匀方形光斑的LED透镜阵列设计方法，其特征在于：所述单自由曲面透镜的材料为聚碳酸酯(Pc)或聚甲基丙烯酸甲酯(Pmma)或玻璃(SiO2)。
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