[發明專利]用于光學顯微鏡反射式照明系統的LED自由曲面透鏡

有效

• 申請號: 201710786653.0
• 申請日: 2017-09-04
• 公開（公告）號: CN107678152B
• 公開（公告）日: 2019-10-18
• 發明（設計）人: 曾嘉鐘;葛鵬;賴軍
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G02B21/08
• 分類號: G02B21/08;G02B27/00;G02B1/04;G02B3/02
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

1.一種用于光學顯微鏡反射式照明系統的LED自由曲面透鏡，其特征在于所述透鏡的下表面采用平面作為入射面，LED安裝在入射面的下方；透鏡的頂部為自由曲面即出射面；LED光源的光經過透鏡時，在下表面的平面發生折射，再經過如下限定的自由曲面出射到照明面上，色溫與照度分布均勻；

所述自由曲面的形狀確定如下：

以LED光源為原點O建立坐標系，以LED芯片所在平面為XOY平面，過原點O并與平面XOY垂直的軸為z軸，與z軸交點為o，且平行于平面XOY的平面為照明面；為了實現色溫與照度分布均勻，將光源立體角劃分為三部分，和由能量守恒定律，分別建立這三部分光源立體角與照明面不同區域的映射關系，利用折射定律計算得到自由曲面透鏡；

所述自由曲面具體確定如下：

初始條件的設定和LED光源立體角的劃分：

目標照明面與LED的距離為T_z，目標照明區域是一個半徑為R的圓形區域，LED光源的中心光強為I₀，最大出光角度與z軸的夾角為總光通量為Φ，目標照明區域的平均照度為E₀＝Φ/πR²；坐標系中為出射光線與z軸正方向的夾角；首先將LED光源立體角劃分為三部分：和將這三部分立體角分別均勻劃分為N等分；則對于LED光源的，每一份角度內的光通量為：

式中，且所以，LED光源的總光通量為：

Φ＝Φ₁+Φ₂+Φ₃；

采用將值較小的光線交叉配光，而對值較大的光線采用不交叉配光的方案，在該方案中，角度較小的光線經透鏡折射到照明區域邊緣，光線的偏折后方向與z軸正方向夾角增大造成邊緣色溫偏高，而角度大的光線透鏡折射到照明區域邊緣，光線的偏折后方向與z軸正方向夾角減小，造成邊緣色溫偏低；這兩束光線在照明邊緣區域的疊加，將會在邊緣區域發生補償，從而達到實現色溫均勻照明的目標；

第一部分的立體角內的光線采用交叉配光的方式，其照明區域是半徑為R₁的圓形區域，R₁＝0.95·R；由能量守恒定律得：

其中，E₁為該部分光通量在照明面上均勻照明產生的照度；而對于前i份立體角，由能量守恒定律可得：

式中，-R≤r(i)≤0；由以上兩式可得到光源立體角與照明面對應照明區域的半徑的映射關系：

第二部分的立體角內的光線仍采用交叉配光的方式，照明區域與第一部分一致，不同的是，該部分的光線，隨著角的增大，光線對應的照明區域的半徑減小，當光線的照射區域為圓形照明區域的中心；相應地可得到光源立體角與照明面對應照明區域的半徑的映射關系：

第三部分的立體角內的光線采用經典的配光方式，隨著角從增大到對應的照明區域半徑從0逐漸增大為R；相似地，可得到光源立體角與照明面對應照明區域的半徑的映射關系：

照明面環帶半徑r(i)與光源立體角建立了一一對應關系；

在計算自由曲面時，利用折反射定律求出所述曲面上點的法向量，再利用這個法向量求得切平面，通過求切平面與入射光線的交點依次得到曲面上所有點的坐標；所述的折反射公式如下：

式中，為入射光線單位向量，為出射光線單位向量，為單位法向量，ni為入射介質的折射率，n_·為折射介質的折射率；對于透鏡頂部的自由曲面，ni為透鏡材料的折射率，n_·為空氣的折射率，故n_·＝1；

設透鏡底部平面與LED光源之間的距離為H，則發射方向與z軸夾角為的光線與平面的交點坐標為則光線經過平面折射后與z軸的夾角為：

則對于自由曲面，光線的單位入射向量為

而光線經過自由曲面折射后所照射的照明面上的坐標為T_i＝(r(i)，Tz)，又假設已知此光線在自由曲面上的入射點坐標P_i＝(x_i，z_i)已知，則光線的單位出射向量為：

將代入上述的折反射公式，則可求出該點的法向量從而可以求出自由曲面在該點的切平面，該切平面與下一條光線的交點即為自由曲面的下一點；

該自由曲面的初始點坐標為(0，z₀)，則利用上述方法從初始點開始，通過迭代計算可以得到透鏡頂部第一部分自由曲面的離散點坐標；在計算第二部分自由曲面時，該部分自由曲面的初始點為第一部分自由曲面的最后一點，相應地可得到第二部分自由曲面的離散坐標點，同理，可得到第三部分自由曲面的離散坐標點；合并三部分的離散點坐標，即得到了自由曲面上所有離散點的坐標；

將得到的離散點坐標導入到三維建模軟件，進行擬合，將得到的輪廓線繞中線軸線旋轉360°，即得到了光學自由曲面透鏡的實體形狀。

2.根據權利要求1所述的一種用于光學顯微鏡反射式照明系統的LED自由曲面透鏡，其特征在于所述LED自由曲面透鏡由PMMA、PC或光學玻璃制成。