CN110543014A - 用于led面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法。所述双自由曲面透镜包括内曲面和外曲面，内外曲面均为自由曲面，内外曲面的轮廓线分别为透镜内轮廓曲线和透镜外轮廓曲线。所述设计方法包括以下步骤：确定照明面照度分布与LED面光源参数的关系；双自由曲面透镜内外轮廓曲线的确定。所述双自由曲面透镜的轮廓线的确定包括以下步骤：用抛物线拟合入射面和出射面的初始透镜内外轮廓曲线；迭代计算双自由曲面的其他部分。本发明结合边缘光线法和逆向推导法，解决了LED面光源近距离照明的难点问题。本发明中设计的透镜为双自由曲面透镜，相较于单自由曲面透镜，在设计过程中提供了更大的设计自由度。

Description

用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法

技术领域

本发明涉及光学器件领域，特别涉及一种用于LED面光源近距离照明场景的双自由曲面透镜设计方法。

背景技术

作为新一代光源，LED具有寿命长、能耗低、体积小等优点，被广泛应用在不同的照明场景，并逐步取代传统光源。针对LED点光源的自由曲面透镜设计方法也已经成熟完善。但是对于需要使用紧凑型结构的光学系统，LED光源的发光面的面积不能忽略，传统的LED点光源透镜设计方法已经难以在LED面光源中应用。针对LED面光源，现有方法通过控制光源的边缘光线，计算透镜的二维轮廓线来重新调整光强分布以实现在三维空间中特定的光强分布。但是，照明面上的特定照度分布与三维空间上的光强分布的对应关系，是基于照明距离比较长的前提下推导的，仅适用于远场照明的场景。当照明距离与光学透镜的尺寸之比例较小时，如LED近距离背光显示，照明面的照度分布和对应的光强分布不再具有简单的映射关系。此时，依靠重新调整光强分布的面光源设计方法难以实现LED面光源的近距离照明。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出了一种用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法，解决了LED面光源近距离照明的难点问题。本发明中的透镜为双自由曲面透镜，相较于单自由曲面透镜，在设计过程中提供了更大的设计自由度。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法，双自由曲面透镜包括内曲面和外曲面，内外曲面均为自由曲面，内外曲面的轮廓线分别为透镜内轮廓曲线和透镜外轮廓曲线，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

S1、确定照明面照度分布与LED面光源参数的关系；

S2、双自由曲面透镜内外轮廓曲线的确定。

进一步地，在S1中，照明面照度分布与LED面光源参数的关系确定如下：

在二维照明面上选取一段宽度为Δx的线段，该线段对应照明区域X，该照明区域X两端的入射光线分别来自LED面光源的两边缘S₁和S₂，根据边缘光线法和光线可逆的原理，即逆向考虑光线从X出射经过透镜入射到LED发光面，此时LED发光面为接收器，则照明区域X总光通量ΔΦ可表示为：

其中，θ₁和θ₂是两个锐角，分别表示为LED面光源两条边缘光线在X处与光轴的夹角，并定义若光线顺时针旋转到平行于光轴的方向，则θ₁或θ₂为正，反之为负；L表示LED面光源的照度，近似为定值。

假设照明区域X的平均照度为E(x)，则照明区域X获得的总光通量ΔΦ也表示为：

ΔΦ＝E(x)·Δx

将以上两式化简得到照明面上的照度表示为：

E(x)＝L·Ω_2D(x)

其中Ω_2D(x)定义为投影角度正弦差，其表达式如下：

Ω_2D(x)＝sinθ₁-sinθ₂

至此，得到了照明面上的照度值E(x)与边缘光线与光轴的夹角θ₁和θ₂的关系。照明面照度分布与LED面光源参数的关系确定中，直接考虑了照明面的照度分布，所以，本发明所述的方法更适用于要求达到指定照度分布的光学设计，特别是近距离照明设计。

进一步地，在S2中，双自由曲面透镜的轮廓线计算包括以下步骤：

(1)用抛物线拟合入射面和出射面的初始透镜内外轮廓曲线；

(2)迭代计算双自由曲面的其他部分。

进一步地，所述用抛物线拟合入射面和出射面的初始透镜内外轮廓曲线如下：

给初始透镜内外轮廓曲线的边缘点F₁和C₁分配合理的坐标，使得初始透镜内外轮廓曲线是向下弯曲的，F₂和C₂是F₁和C₁关于光轴的镜像对称点；初始的透镜内外轮廓曲线使得分别从面光源的边缘S₁发出的指向F₁的第一边缘光线和从面光源边缘S₂发出的指向F₂的第二边缘光线发生偏折，偏折后的光线与光轴的夹角分别为-θ₀和θ₀，并最终入射到照明面上的整个照明范围的中心点T₀；通过折反射定律，求出初始透镜内外轮廓曲线在边缘点F₁和C₁的法向量；利用F₁和C₁的坐标和法向量，分别计算出两条抛物线，两条抛物线分别通过点F₁和点F₂，点C₁和点C₂。

进一步地，所述迭代计算双自由曲面的其他部分如下：

在初始透镜内轮廓曲线上等间隔选取N-1点，N的取值可为20到50范围内的整数；其中F₁为Q₀，C₁为P₀，从光源左侧边缘S₁出射的第三光线，经过Q₁后将先后被折射至初始透镜外轮廓曲线上的P₁和照明面上的一点T₁，其中P₁和T₁坐标值通过折反射定律计算得到，根据照度和投影角度的映射关系计算出θ₁和θ₂的值；从T₁反向追迹第四光线可求得P_N+1为初始透镜外轮廓曲线右侧外部一点的坐标；Q_N+1为初始透镜内轮廓曲线右侧外部一点，使得从光源右侧边缘S₂经Q_N+1到P_N+1的光程差最短，以此类推，令i＝2,3…N,可得到透镜内外轮廓曲线的新增离散点Q_N+i和P_N+i，此时透镜内外轮廓曲线各有2N+1个离散点，将这些离散点分别拟合成高阶偶次多项式，得到新的透镜内外轮廓曲线的表达式；此时，对透镜内轮廓曲线再次进行等间隔取点，选取的间隔值与此前的间隔值一致，重复得到新的透镜内外轮廓曲线，直到从面光源边缘S₁发出的光线，经过透镜内外轮廓曲线的折射后，与照明面的交点到中心点T₀的距离大于预设的照明范围的半径；至此，透镜内外轮廓曲线的所有离散点计算完成。

进一步地，将所得的透镜内外轮廓曲线的所有离散点导入三维建模软件，通过旋转可得到透镜的三维模型。

相比与现有技术，本发明的优点在于：

本发明提出了一种用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法，解决了LED面光源近距离照明的难点问题。本发明中的透镜为双自由曲面透镜，相较于单自由曲面透镜，在设计过程中提供了更大的设计自由度。

附图说明

图1为本发明实施例中确定照明面照度分布与LED面光源参数的关系示意图。

图2为本发明实施例中双自由曲面透镜的轮廓线确定步骤示意图。

图3为本发明实施例中旋转对称的透镜的正视图。

图4为本发明实施例中透镜的照度分布线图表。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施进行详细的描述。

实施例：

本实施例中，LED面光源的直径S₁S₂设置为1.5mm，照明面到LED面光源的距离为10mm，且照明面垂直于光轴z轴，本实施例的目标为实现照明半角为45度的均匀照明。

首先，考虑二维截面上的无损耗光学系统。如图1所示，在二维照明面上选取一段宽度为Δx的线段，该线段对应照明区域X，该照明区域X两端的入射光线分别来自LED面光源的两边缘S₁和S₂，根据边缘光线法则和光线可逆的原理，即逆向考虑光线从小段照明区域出射，先后经过透镜外曲面、内曲面入射到LED发光面，此时LED发光面为接收器，则照明区域X的总光通量ΔΦ可表示为：

其中，θ₁和θ₂为两个锐角，分别表示LED光源两条边缘光线在照明面上的小段照明区域处与光轴的夹角，并定义若光线顺时针旋转到平行于光轴的方向，则θ₁或θ₂为正，反之为负。L表示LED面光源的亮度，近似为定值。

假设照明区域X的平均照度为E(x)，则照明区域X获得的总光通量ΔΦ也表示为：

ΔΦ＝E(x)·Δx

将以上两式化简得到照明面上的照度表示为：

E(x)＝L·Ω_2D(x)

其中Ω_2D(x)定义为投影角度正弦差，其表达式如下：

Ω_2D(x)＝sinθ₁-sinθ₂

进一步地，双自由曲面透镜轮廓曲线的确定如下：

(1)用抛物线拟合入射面和出射面的初始透镜内外轮廓曲线；

如图2a所示，给初始透镜内外轮廓曲线的边缘点F₁和C₁分配合理的坐标，使得初始透镜内外轮廓曲线是向下弯曲的，F₂和C₂是F₁和C₁关于光轴的镜像对称点；初始的透镜内外轮廓曲线使得分别从面光源的边缘S₁发出的指向F₁的第一边缘光线1和从面光源边缘S₂发出的指向F₂的第二边缘光线2发生偏折，偏折后的光线与光轴的夹角分别为-θ₀和θ₀，并最终入射到照明面上的整个照明范围的中心点T₀；通过折反射定律，求出初始透镜内外轮廓曲线在边缘点F₁和C₁的法向量；利用F₁和C₁的坐标和法向量，分别计算出两条抛物线，两条抛物线分别通过点F₁和点F₂，点C₁和点C₂。

(2)迭代计算双自由曲面的其他部分；

在得到初始透镜内外轮廓曲线后，双自由曲面的中心部分也就得到了，接下来通过迭代的方式计算双自由曲面的剩余部分。如图2b所示，在在初始透镜内轮廓曲线上等间隔选取N-1点，N的取值可为20到50范围内的整数；其中，F₁为Q₀，C₁为P₀，从光源左侧边缘S₁出射的第三光线3，经过Q₁后将先后被折射至初始透镜外轮廓曲线102上的P₁和照明面上的某一点T₁，其中P₁和T₁的坐标值通过折反射定律计算得到，根据照度和投影角度的映射关系计算出θ₁和θ₂的值；从T₁反向追迹第四光线4可求得P_N+1为初始透镜外轮廓曲线102右侧外部一点的坐标；Q_N+1为初始透镜内轮廓曲线101右侧外部一点，使得从光源右侧边缘S₂经Q_N+1到P_N+1的光程差最短。令i＝2,3…N,循环以上计算过程，可得到透镜内外轮廓曲线的新增离散点Q_N+i和P_N+i，此时透镜内外轮廓曲线各有2N+1个离散点，将这些离散点分别拟合成高阶偶次多项式，得到新的透镜内外轮廓曲线的表达式；此时，对透镜内轮廓曲线101再次进行等间隔取点，选取的间隔值与此前的间隔值一致，重复得到新的透镜内外轮廓曲线，直到从面光源边缘S₁发出的光线，经过透镜内外轮廓曲线的折射后，与照明面的交点到中心点T₀的距离大于预设的照明范围的半径，即该交点在点T_max的右侧；至此，透镜内外轮廓曲线的所有离散点计算完成。

当透镜内外轮廓曲线计算完成后，可将所得的透镜内外轮廓曲线的所有离散点坐标导入三维建模软件，通过旋转可得到透镜的三维模型，透镜外曲面的中心高度h为3.06mm，通过上述方法计算，得到透镜底部的直径d为4.80mm，如图3所示。

将所得透镜导入光学仿真软件，进行100万条光线追迹，得到照度分布线图表，如图4所示。仿真结果显示，目标区域内的照度均匀性达到0.917，光能利用率达到87％，实现了高能量利用率的照明半角为45度的均匀照明。

以上对本发明所提供的面向LED扩展光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法进行了详细介绍，采用上述技术方案后，可以直接得到照明面上的照度值与LED扩展光源参数的数学关系，从而实现了近距离均匀照明，克服了通过调整发光强度分布难以实现的近距离照明的难点；而且本发明所设计的透镜具有两个自由曲面，因此拥有较大的设计自由度。本发明中应用了各种模型图对具体实施方式进行了阐述，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例子而已。对于本领域技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有所改善之处。综上所述，本发明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法，双自由曲面透镜包括内曲面和外曲面，内外曲面均为自由曲面，内外曲面的轮廓线分别为透镜内轮廓曲线和透镜外轮廓曲线，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

S1、确定照明面照度分布与LED面光源参数的关系；

S2、双自由曲面透镜内外轮廓曲线的确定。

2.根据权利要求1所述的一种用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于，在S1中，照明面照度分布与LED面光源参数的关系确定如下：

在二维照明面上选取一段宽度为Δx的线段，该线段对应照明区域X，该照明区域X两端的入射光线分别来自LED面光源的两边缘S₁和S₂，根据边缘光线法和光线可逆的原理，即逆向考虑光线从X出射经过透镜入射到LED发光面，此时LED发光面为接收器，则照明区域X总光通量ΔΦ可表示为：

其中，θ₁和θ₂是两个锐角，分别表示为LED面光源两条边缘光线在X处与光轴的夹角，并定义若光线顺时针旋转到平行于光轴的方向，则θ₁或θ₂为正，反之为负；L表示LED面光源的照度，近似为定值；

假设照明区域X的平均照度为E(x)，则照明区域X获得的总光通量ΔΦ也表示为：

ΔΦ＝E(x)·Δx

将以上两式化简得到照明面上的照度表示为：

E(x)＝L·Ω_2D(x)

其中Ω_2D(x)定义为投影角度正弦差，其表达式如下：

Ω_2D(x)＝sinθ₁-sinθ₂

至此，得到了照明面上的照度值E(x)与θ₁和θ₂的关系。

3.根据权利要求1所述的一种用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于，在S2中，双自由曲面透镜的轮廓线的确定包括以下步骤：

(1)用抛物线拟合入射面和出射面的初始透镜内外轮廓曲线；

(2)迭代计算双自由曲面的其他部分。

4.根据权利要求3所述的一种用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于，所述用抛物线拟合入射面和出射面的初始透镜内外轮廓曲线如下：

给初始透镜内外轮廓曲线的边缘点F₁和C₁分配合理的坐标，使得初始透镜内外轮廓曲线是向下弯曲的，F₂和C₂是F₁和C₁关于光轴的镜像对称点；初始的透镜内外轮廓曲线使得分别从面光源的边缘S₁发出的指向F₁的第一边缘光线和从面光源边缘S₂发出的指向F₂的第二边缘光线发生偏折，偏折后的光线与光轴的夹角分别为-θ₀和θ₀，并最终入射到照明面上的整个照明范围的中心点T₀；通过折反射定律，求出初始透镜内外轮廓曲线在边缘点F₁和C₁的法向量；利用F₁和C₁的坐标和法向量，分别计算出两条抛物线，两条抛物线分别通过点F₁和点F₂，点C₁和点C₂。

5.根据权利要求3所述的一种用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于，所述迭代计算双自由曲面的其他部分如下：

在初始透镜内轮廓曲线上等间隔选取N-1点，N的取值可为20到50范围内的整数；其中，F₁为Q₀，C₁为P₀，从光源左侧边缘S₁出射的第三光线，经过Q₁后将先后被折射至初始透镜外轮廓曲线上的P₁和照明面上的一点T₁，其中P₁和T₁的坐标值通过折反射定律计算得到，根据照度和投影角度的映射关系计算出θ₁和θ₂的值；从T₁反向追迹第四光线可求得P_N+1为初始透镜外轮廓曲线右侧外部一点的坐标；Q_N+1为初始透镜内轮廓曲线右侧外部一点，使得从光源右侧边缘S₂经Q_N+1到P_N+1的光程差最短；以此类推，令i＝2,3…N,可得到透镜内外轮廓曲线的新增离散点Q_N+i和P_N+i，此时透镜内外轮廓曲线各有2N+1个离散点，将这些离散点分别拟合成高阶偶次多项式，得到新的透镜内外轮廓曲线的表达式；此时，对透镜内轮廓曲线再次进行等间隔取点，选取的间隔值与此前的间隔值一致，重复得到新的透镜内外轮廓曲线，直到从面光源边缘S₁发出的光线，经过透镜内外轮廓曲线的折射后，与照明面的交点到中心点T₀的距离大于预设的照明范围的半径；至此，透镜内外轮廓曲线的所有离散点计算完成。

6.根据权利要求3所述的一种用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于，将所得的透镜内外轮廓曲线的所有离散点导入三维建模软件，通过旋转可得到透镜的三维模型。