申请/专利权人：中山市华南理工大学现代产业技术研究院;华南理工大学

申请日：2019-08-15

公开（公告）日：2024-07-05

公开（公告）号：CN110543014B

主分类号：G02B27/00

分类号：G02B27/00;G02B3/02;F21V5/04;F21Y115/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.07.05#授权;2019.12.31#实质审查的生效;2019.12.06#公开

摘要：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。

主权项：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；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Ex，则照明区域X获得的总光通量ΔΦ也表示为：ΔΦ＝Ex·Δx将以上两式化简得到照明面上的照度表示为：Ex＝L·Ω2Dx其中Ω2Dx定义为投影角度正弦差，其表达式如下：Ω2Dx＝sinθ1-sinθ2至此，得到了照明面上的照度值Ex与θ1和θ2的关系；S2、双自由曲面透镜内外轮廓曲线的确定：在S2中，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；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：1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；迭代计算双自由曲面的其他部分；所述迭代计算双自由曲面的其他部分如下：2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PN+1为初始透镜外轮廓曲线右侧外部一点的坐标；QN+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QN+1到PN+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QN+i和PN+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。

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