[實用新型]實現旋轉對稱三維光強分布自由曲面透鏡

有效

• 申請號: 201721217998.6
• 申請日: 2017-09-21
• 公開（公告）號: CN207833104U
• 公開（公告）日: 2018-09-07
• 發明（設計）人: 葛鵬;王洪;李秀豐
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B3/00;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

本實用新型公開了實現旋轉對稱三維光強分布自由曲面透鏡，本實用新型所提供實現旋轉對稱三維光強分布自由曲面透鏡，結構上考慮二維上無損耗的光學系統，光源發出的能量等于經過透鏡后出射光的總能量，由于透鏡實體通過旋轉二維的透鏡輪廓線得到，通過三維轉換函數得到在三維上光強分布與二維設計過程中的關系式，通過該關系式，修正二維光強分布，從而使得計算得到的二維透鏡輪廓線經過旋轉對稱后形成的透鏡實體。本實用新型可以使LED擴展光源發出的光線經過自由曲面透鏡后，在空間上形成均勻光強分布的照明，而無需繁瑣的反饋迭代優化，大大提高了設計效率。

技術領域

本實用新型涉及光學器件領域，特別涉及一種用于LED擴展光源快速實現特定旋轉對稱三維光強分布的自由曲面透鏡。

背景技術

作為新一代光源，LED具有壽命長、功率低、結構緊湊等優點被廣泛地應用在不同的照明場所，并逐步取代傳統光源。針對LED點光源的自由曲面透鏡設計方法也逐步成熟完善。但隨著大功率LED光源的需求，需要多個LED芯片陣列排布在基板上集成封裝，以達到大功率輸出。傳統的LED點光源透鏡設計方法已經難以在LED擴展光源中應用。針對LED擴展光源，要想在三維空間中實現特定的光強分布，設計者根據邊緣光線法，在二維上計算透鏡輪廓線，并通過旋轉對稱得到三維實體透鏡。但是，二維設計上的光強分布與三維上的光強分布往往是不同的，這使得在二維的設計過程中需要通過繁瑣的迭代反饋優化以在三維上實現特定的旋轉對稱光強分布，這大大減低了光學設計效率。

實用新型內容

本實用新型的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種快速實現特定旋轉對稱三維光強分布自由曲面透鏡的設計方法，提高設計效率。

本實用新型的目的采用如下技術方案實現。

實現旋轉對稱三維光強分布自由曲面透鏡，其出光面形狀為自由曲面，自由曲面的形狀限定如下：

二維上無損耗的光學系統，光源發出的能量等于經過透鏡后出射光的總能量，則有：

其中，和表示光源光線的出射角和最大出射角，β和β_max表示光線經過透鏡后出射光的出射角和最大出射角；L_2D和D是二維LED擴展光源的照度和直徑，光源沉浸在折射率為n的透鏡材料中；I_2D(β)表示二維中出射光的光強分布，

在三維上，由能量守恒可得：

式中，L_3D表示三維LED擴展光源的照度，I_3D(β)表示三維出射光的光強分布；

由于透鏡實體通過旋轉二維的透鏡輪廓線得到，所以二維上的角度和β與在三維上的相等，結合以上兩式的微分形式，即可得到三維光強分布I_3D(β)與二維光強分布I_2D(β)的關系為：

其中，k₁是一個常數，由光源的參數決定；根據三維上的能量守恒關系式，可得和β的關系為：

這里，k₂也是一個與光源參數有關的常數；由此，可以定義三維轉換函數為：

三維光強分布I_3D(β)與二維光強分布I_2D(β)的關系可表示為：

I_2D(β)＝k₁k₂I_3D(β)η(β)

對于朗伯型線光源，光強分布與光照度的關系可表示為：