CN113433707A - 一种紫外led均匀照明透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及透镜技术领域，且公开了一种紫外LED均匀照明透镜，包括紫外LED光源和光学透镜，光学透镜由前表面、后表面以及侧面三部分构成，所述紫外LED光源发出的光顺次经过光学透镜的前表面和后表面的折射入射至目标照明平面，在目标照明平面上产生均匀的照度分布，前表面为平面、球面或二次曲面，所述后表面为自由曲面，所述侧面为柱面或锥面，该紫外LED均匀照明透镜，可以针对较大发光面积的紫外LED光源采用单个光学透镜进行高质量配光，具有结构简单、体积小巧、照度均匀性高的优点，在紫外固化等领域具有重要应用前景。

Description

一种紫外LED均匀照明透镜
技术领域
本发明涉及透镜技术领域，具体为一种紫外LED均匀照明透镜。
背景技术
紫外LED(UV LED)光源在生物医疗、印刷领域、净化(水、空气等)领域等方面具有广阔的应用前景。然而，常规封装的紫外LED光源所产生的光分布与实际紫外照明应用需求通常是不匹配的。这是因为，常规封装紫外LED光源的光强分布通常是朗伯型的，其直接照射目标照明平面，会在目标平面内形成一个圆形的、沿着径向由中心向边缘陡降的照度分布。该不均匀的照度分布，一是照明效果比较差，二是造成大量的光能量泄露在目标照明区域以外，引起严重的光能浪费，无法满足实际应用需求。
为了对紫外LED发出的光束进行整形，在目标照明平面指定区域内产生均匀照度分布，需要设计专门的自由曲面透镜。然而，目前大多数设计方法都是针对理想点光源的，当紫外LED的发光面较大或光强分布偏离理想模型时，会导致实际照度分布发生严重偏离，无法满足紫外固化等应用场景的高照度均匀性要求。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种紫外LED均匀照明透镜，可以针对具有一定发光面积的紫外LED光源在目标照明平面内实现高均匀性的照度分布，经仿真模拟和试验验证该透镜具有高照度均匀性的优点，在紫外固化等领域具有重要应用前景。
(二)技术方案
为实现上述所述目的，本发明提供如下技术方案：一种紫外LED均匀照明透镜，包括紫外LED光源和光学透镜，光学透镜由前表面、后表面以及侧面三部分构成，所述紫外LED光源发出的光顺次经过光学透镜的前表面和后表面的折射入射至目标照明平面，在目标照明平面上产生均匀的照度分布，前表面为平面、球面或二次曲面，所述后表面为自由曲面，所述侧面为柱面或锥面。
优选的，所述光学透镜自由曲面后表面的计算方法包括以下步骤：
S1，根据紫外LED光源的实测光强分布和预期目标照度分布，建立紫外 LED光源发光角度和目标照明平面坐标之间的离散化等能映射关系；
S2，预设前表面面型，采用几何构型方法逐点计算自由曲面后表面所有离散特征点的坐标和法线矢量，并通过插值方法将所述离散特征点拟合为光滑的自由曲面后表面；
S3，在三维建模软件中将所述前表面和后表面连接，得到透镜的三维实体模型，并代入光学软件进行仿真，得到目标照明平面的仿真照度分布；
S4，根据目标照明平面仿真照度分布和预期照度分布之间的偏差，反馈调整LED发光角度和目标照明平面坐标之间的映射关系，多次迭代后得到最终的透镜模型。
优选的，所述等能映射关系和基于光源和目标之间的能量守恒方程均采用分离变量法或最优输运法建立。
优选的，所述光学透镜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚碳酸酯PC 或高硼硅玻璃或K玻璃。
优选的，所述紫外LED光源为点光源或线光源或面光源或点光源阵列。
优选的，所述目标照明平面的形状为正方形或矩形或圆形或椭圆形或多边形或不规则形状。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种紫外LED均匀照明透镜，具备以下有益效果：
1、该紫外LED均匀照明透镜，可以针对较大发光面积的紫外LED光源采用单个光学透镜进行高质量配光，具有结构简单、体积小巧、照度均匀性高的优点，在紫外固化等领域具有重要应用前景。
附图说明
图1为本发明实施方式的一种紫外LED均匀照明透镜的结构示意图；
图2为本发明实施方式的建立光源和目标等能映射关系示意图；
图3为本发明实施方式的光学透镜自由曲面后表面计算方法示意图；
图4为本发明实施例一的LED光源的实测光强分布曲线；
图5为本发明实施例一中光学透镜结构立体图、俯视图、正视图和侧视图；
图6为本发明实施例一的仿真目标照明平面照度分布图；
图7为本发明实施例二中光学透镜结构立体图、俯视图、正视图和侧视图；
图8为本发明实施例二的仿真目标照明平面照度分布图。
图中：011、紫外LED光源；012、光学透镜；013、前表面；014、后表面；015、侧面；021、目标照明平面；022、传输点一；023、传输点二；031、初始计算光线；032、光线透镜交点；033、入射点法线矢量；034、第一折射光线；035、第一折射点；036、第二折射光线；037、折射点法线矢量；038、切平面；039、第二折射点；040、落点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，一种紫外LED均匀照明透镜，包括紫外LED光源011和光学透镜012，所述光学透镜012由前表面013、后表面014以及侧面015三部分构成，所述紫外LED光源011发出的光顺次经过光学透镜012前表面013 和后表面014的折射入射至目标照明平面021，在目标照明平面021上产生均匀的照度分布，所述光学透镜012的前表面013可以预设为平面、球面或二次曲面，所述光学透镜012的后表面014为自由曲面，所述光学透镜012的侧面015可以为柱面或锥面，侧面015用于连接前表面013和后表面014产生封闭的实体模型。
所述光学透镜012自由曲面后表面014的计算方法包括以下步骤：
S1，根据紫外LED光源011的实测光强分布和预期目标照度分布，建立紫外LED发光角度和目标照明平面坐标之间的离散化等能映射关系。具体的，如图2所示。采用球坐标系
Figure BDA0003174418250000041
划分光源011发光空间的网格，其中θ是天顶角，
Figure BDA0003174418250000042
是方位角。为了保持光源和目标能量网格拓扑结构的一致性，采用极坐标系(ρ,γ)来划分目标照明平面021的辐射状的极坐标网格，其中ρ是极径，γ是极角。已知紫外LED光源011的实测光强分布为
Figure BDA0003174418250000043
预期目标照度分布为E(ρ,γ)，对于一个无损的光学系统来说，光源和目标之间的能量守恒可以表示为：
Figure BDA0003174418250000044
其中，ΩS是光源的发光立体角，ΩT是相应的目标被照明区域。根据上述能量守恒方程的两端，可以分别划分光源和目标照明平面021的等能网格传输点一022和传输点二023，通过一一对应就可以建立光源和目标之间的等能网格映射关系传输点一022到传输点二023，从而也就指定了光源到目标的能量传输路径传输点一022到传输点二023。
S2，预设前表面013面型，采用几何构型方法逐点计算自由曲面后表面014所有离散特征点的坐标和法线矢量，并通过插值方法将所述离散特征点拟合为光滑的自由曲面后表面014。具体的，如图3所示。基于步骤S2中建立的LED发光角度和目标照明平面021坐标之间的离散化等能映射关系，选定初始计算光线031，其与光学透镜012前表面013的交点为光线透镜交点032，光线透镜交点032点处的入射点法线矢量033可以根据预设的前表面013面型进行微分计算。根据折射定律，则可以计算得到经过前表面013折射后的第一折射光线034。第一折射光线034与光学透镜012后表面014的交点第一折射点035根据透镜的尺寸要求给定。光线在第一折射点035处发生折射后出射光线为第二折射光线036，第二折射光线036入射至目标照明平面021上给定的一点落点040，第一折射点035和落点040的连线方向即为第二折射光线036的传播方向。进一步的，根据折射定律可以计算得到第一折射点035处的折射点法线矢量037，从而得到第一折射点035处的切平面038，该切平面038与下一条光线的交点即为光学透镜012自由曲面后表面014上的第二折射点039。按上述过程逐点顺次计算，则可以得到自由曲面后表面014所有离散特征点的坐标和法线矢量，通过NURBS插值等方式可将所述离散特征点拟合为光滑的自由曲面后表面014。
S3，在三维建模软件中将所述前表面013和后表面014连接，得到透镜的三维实体模型，并代入光学软件进行仿真，得到目标照明平面021的仿真照度分布。
S4，根据目标照明平面021仿真照度分布和预期照度分布之间的偏差，反馈调整紫外LED光源011发光角度和目标照明平面021坐标之间的映射关系，多次迭代后得到最终的透镜模型。具体的，由于步骤S2所述的光学透镜 012的构建方法是基于点光源近似的，用实际光源仿真得到的照度分布ES通常与预期照度分布E之间有很大的偏差。可以采用迭代反馈修正法，利用负反馈函数β不断地迭代修正预设的目标照度分布，并重新建立光源和目标之间的等能网格映射关系，同时重新构建光学透镜并进行仿真模拟。反馈函数β定义为：
Figure BDA0003174418250000061
其中0≤λ1≤1、λ2≥0是权重系数，E和ESk分别是预期的和第k 次迭代时仿真的目标网格点上的照度分布，βk是相应的反馈系数。经过k次迭代后，预设的目标照度分布Ek变为：
Figure BDA0003174418250000062
通常经过小于10次迭代反馈优化过程就可以收敛到一个比较满意的结果。
所述等能映射关系，基于光源和目标之间的能量守恒方程，可以采用分离变量法或最优输运法建立。
所述光学透镜012的材料可以为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚碳酸酯PC 或高硼硅玻璃或K9玻璃。
所述紫外LED光源011可以为点光源或线光源或面光源或点光源阵列。
所述目标照明平面021的形状可以为正方形或矩形或圆形或椭圆形或多边形或不规则形状。
下面，借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
实施例一：紫外LED光源011的发光面尺寸为7mm×7mm，中心波长为 400nm，实测光强分布曲线如图4所示。光学透镜012的材料为PMMA，中心高为20mm，前表面013为平面，后表面014为自由曲面，侧面015为柱面。LED 发光面距离光学透镜012前表面013一毫米，LED发光面距离目标照明平面 021一百三十毫米，目标照明平面021有效工作区域为200mm×200mm。
200mm×200mm区域内的照度均匀性为91.7％，其中照度均匀性U定义为：
Figure BDA0003174418250000071
其中Emax为有效区域内最大照度值，Emin为有效区域内最小照度值，Eav为有效区域内平均照度值。
实施例二：紫外LED光源011的发光面尺寸为5mm×5mm，中心波长为 400nm，光强分布曲线如图4所示。光学透镜012的材料为高硼硅，中心高为 18mm，前表面013为平面，后表面014为自由曲面，侧面015为柱面。LED发光面距离光学透镜012前表面013一毫米，LED发光面距离目标照明平面021 一百一毫米，目标照明平面021有效工作区域为200mm×130mm。
200mm×130mm区域内的照度均匀性为92.8％，显然易见本发明的紫外LED 均匀照明透镜可产生高均匀的照明。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种紫外LED均匀照明透镜，包括紫外LED光源(011)和光学透镜(012)，其特征在于：所述光学透镜(012)由前表面(013)、后表面(014)以及侧面(015)三部分构成，所述紫外LED光源(011)发出的光顺次经过光学透镜(012)的前表面(013)和后表面(014)的折射入射至目标照明平面(021)，在目标照明平面(021)上产生均匀的照度分布，前表面(013)为平面、球面或二次曲面，所述后表面(014)为自由曲面，所述侧面(015)为柱面或锥面。
2.根据权利要求1所述的一种紫外LED均匀照明透镜，其特征在于：所述光学透镜(012)自由曲面后表面(014)的计算方法包括以下步骤：
S1，根据紫外LED光源(011)的实测光强分布和预期目标照度分布，建立紫外LED光源(011)发光角度和目标照明平面(021)坐标之间的离散化等能映射关系；
S2，预设前表面(013)面型，采用几何构型方法逐点计算自由曲面后表面(014)所有离散特征点的坐标和法线矢量，并通过插值方法将所述离散特征点拟合为光滑的自由曲面后表面(014)；
S3，在三维建模软件中将所述前表面(013)和后表面(014)连接，得到透镜的三维实体模型，并代入光学软件进行仿真，得到目标照明平面(021)的仿真照度分布；
S4，根据目标照明平面(021)仿真照度分布和预期照度分布之间的偏差，反馈调整LED发光角度和目标照明平面坐标(021)之间的映射关系，多次迭代后得到最终的透镜模型。
3.根据权利要求2所述的一种紫外LED均匀照明透镜，其特征在于：所述等能映射关系和基于光源和目标之间的能量守恒方程均采用分离变量法或最优输运法建立。
4.根据权利要求1所述的一种紫外LED均匀照明透镜，其特征在于：所述光学透镜(012)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚碳酸酯PC或高硼硅玻璃或K9玻璃。
5.根据权利要求1所述的一种紫外LED均匀照明透镜，其特征在于：所述紫外LED光源(011)为点光源或线光源或面光源或点光源阵列。
6.根据权利要求1所述的一种紫外LED均匀照明透镜，其特征在于：所述目标照明平面(021)的形状为正方形或矩形或圆形或椭圆形或多边形或不规则形状。
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Application publication date: 20210924

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