[發(fā)明專利]一種雙自由曲面的LED準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510081535.0
• 申請(qǐng)日: 2015-02-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104696884B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張志清;陳志濤;許毅欽;張康;劉曉燕;劉寧煬;趙維
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣東省半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): F21V5/04
• 分類號(hào): F21V5/04;F21Y115/10
• 代理公司: 廣東世紀(jì)專利事務(wù)所44216
• 代理人: 劉卉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是涉及一種由雙自由曲線旋轉(zhuǎn)而成的雙自由曲面LED準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體照明(LED照明)是繼白熾燈、熒光燈之后的第三次光源革命。由于具有高效、節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命、近似點(diǎn)光源等顯著特點(diǎn)，是近年來(lái)全球最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一，獲得了世界主要國(guó)家和地區(qū)的大力支持，目前全球LED產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展期，廣泛應(yīng)用于各種室內(nèi)和室外照明領(lǐng)域，包括平面顯示、數(shù)字家電、汽車電子和特種照明燈等，全球LED照明滲透率正在快速提升。

由于LED光源發(fā)出的光近似朗伯型，即光強(qiáng)呈余弦分布，不能直接用于照明，二次光學(xué)設(shè)計(jì)具有改變LED的光線輸出，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合重新分配光線盡量減少光損失，提高光利用效率，降低成本等優(yōu)勢(shì)，使得其對(duì)提高系統(tǒng)性能，滿足不同的應(yīng)用需求，及對(duì)拓寬LED光源的應(yīng)用范圍顯得尤為重要。目前，LED照明光學(xué)設(shè)計(jì)主要是通過(guò)自由曲面來(lái)重新配光以實(shí)現(xiàn)所需照明，一種是經(jīng)驗(yàn)法，另一種是偏微分法，其理論基礎(chǔ)主要是基于點(diǎn)光源單波長(zhǎng)的設(shè)計(jì)，而對(duì)于近場(chǎng)，即擴(kuò)展光源的設(shè)計(jì)還無(wú)明顯突破。近年來(lái)，LED產(chǎn)業(yè)不斷追求越來(lái)越小的封裝體積，并且要在體積更小的情況下達(dá)到相同的發(fā)光效率。芯片級(jí)封裝CSP(chip scale package)技術(shù)(業(yè)界多將CSP技術(shù)定義為封裝體積與LED晶片相同，或是封裝體積不大于LED晶片20％)的發(fā)展恰好符合這個(gè)趨勢(shì)，目前封裝好的最小光源面積已接近1mm*1mm，更小尺寸的光源正在發(fā)展中，在這一技術(shù)背景下，LED近似點(diǎn)光源的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯，使得通過(guò)LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)光路的精確控制成為可能。

目前，多種基于LED點(diǎn)光源的準(zhǔn)直透鏡被成功設(shè)計(jì)，主要有兩種類型的準(zhǔn)直系統(tǒng)：1)一種是菲涅耳透鏡，2)一種是自由曲面透鏡。但大部分設(shè)計(jì)結(jié)果的光強(qiáng)分布曲線呈類高斯分布[Guangzhen Wang,Lili Wang,Fuli Li,and Gongjian Zhang,Collimating lens for light-emitting-diode light source based on non-imaging optics,APPLIED OPTICS,Vol.51,No.11,10April 2012]，使得大部分能量分配在照射區(qū)域中央，產(chǎn)生明顯的眩光。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直系統(tǒng)的均勻照度，2014年，Chen等人[C.Chen and X.Zhang,Design of optical system for collimating the light of an LED uniformly,Vol.31,No.5,May 2014,J.Opt.Soc.Am.A]采用TIR透鏡與雙反射鏡相結(jié)合思路緩解了這一問(wèn)題，但系統(tǒng)借助了兩面反射鏡，使得準(zhǔn)直系統(tǒng)空間及成本大幅度增大，不利于該系統(tǒng)的模塊化與應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述存在問(wèn)題和不足，提供一種雙自由曲面的LED準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)方法，該方法能夠大大節(jié)省時(shí)間，并能使光線進(jìn)行精確控制，而且通過(guò)不同的初始值，可獲得不同形狀準(zhǔn)直透鏡，滿足不同場(chǎng)合的應(yīng)用。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明所述的雙自由曲面的LED準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：

步驟一：完成雙自由曲線離散點(diǎn)坐標(biāo)迭代關(guān)系的推導(dǎo)；

步驟二：通過(guò)Matlab計(jì)算軟件求出自由曲線的軌跡離散坐標(biāo)；

步驟三：將軌跡離散坐標(biāo)導(dǎo)入proe 3D建模軟件建立實(shí)體透鏡模型；

步驟四：通過(guò)TracePro光學(xué)仿真軟件對(duì)實(shí)體透鏡模型進(jìn)行光線追跡；

其中，步驟一所述的迭代關(guān)系，是基于非成像光學(xué)理論，利用能量守恒定理和菲涅耳定律推導(dǎo)而成的，為了獲得其迭代關(guān)系，建立直角坐標(biāo)系，選取自由曲線任意兩相鄰的兩點(diǎn)分別定義為A_n、A_n+1、B_n、B_n+1，其坐標(biāo)分別為(xa_n,ya_n)、(xa_n+1,ya_n+1)，(xb_n,yb_n)、(xb_n+1,yb_n+1)，O點(diǎn)為L(zhǎng)ED光源位置，并定義直線OA_n與直線OA_n+1夾角為θ，直線OA_n與x軸夾角為θ_n，其迭代關(guān)系為：