[發明專利]一種用于非平面均勻照明的LED透鏡設計方法

有效

• 申請號: 201811111346.3
• 申請日: 2018-09-23
• 公開（公告）號: CN109324410B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 孔令豹;孫翔;徐敏
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;F21V5/04;F21Y115/10
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于光學透鏡技術領域，具體為一種用于非平面均勻照明的LED透鏡設計方法。先將目標非平面在XOY面的投影面分割成若干網格，引入一矩陣，表示每個網格與LED之間的垂直距離；將其代入傳統透鏡數學模型，通過設定目標非平面的期望輻照分布，迭代求解該模型，最后得到多組離散點；利用三維繪圖得到最終自由曲面透鏡。光學器件為單自由曲面透鏡，較易加工，且具有良好的配光性能。該透鏡對LED出射光線進行二次配光，在目標非平面上得到一個輻照均勻的光斑，克服傳統自由曲面透鏡無法在非平面上進行均勻照明的不足；本發明的輻照均勻性良好，在目標非平面上的均勻度可達到70.01%，同時LED能量利用率可達83.51%以上。

技術領域

本發明屬于光學透鏡技術領域，具體涉及用于非平面均勻照明的LED透鏡設計方法。

背景技術

LED作為新一代光源，具有節能、高效和壽命長等優點，但多數LED作為朗伯體光源，照明效果較差，需要對LED進行配光。近年來LED配光技術發展迅速，研究人員研究并提出了各種設計方法，以實現在目標照明面上獲得理想輻照度分布。以往的研究主要集中于結構設計、求解方法以及獲得特殊的輻照度分布等，二次光學設計也被證明是解決上述問題的有效方法。

為了提升LED照明系統的能量利用率和輻照均勻度，早期的研究主要是基于較基礎的方法設計自由曲面以對LED進行配光，但是基于這些方法設計出的旋轉對稱自由曲面無法滿足一些較為復雜的目標照明面，例如矩形照明面。基于上述問題，研究者隨后提出了一些用于矩形照明的設計方案。這些方案中，大部分是基于非對稱結構的自由曲面對LED出射光進行再分配，如：1)花生透鏡，作為較為典型的方案，已被廣泛投入到實際應用中，出射光線經過花生透鏡的調控，可在目標照明面上形成一個矩形均勻的光斑，若矩形區域的長寬比較大，一般花生透鏡的照明效率和均勻度則會大幅下降；2)基于TIR結構的非對稱自由曲面透鏡，可用于高長寬比矩形區域的均勻照明，且能量利用率也優于傳統花生透鏡；3)由TIR透鏡、漫反射及漫透射材質的復合結構，利用若干TIR透鏡在背景漫反射板中形成多束線形均勻光斑，以此作為“線形均勻光源”，從而通過漫透射板在目標照明面上獲得均勻矩形光斑。但上述方案均無法滿足任意形狀的均勻照明；為此，研究者又提出了一種雙自由曲面設計方法，可以在目標照明面上獲得任意圖案的光斑，例如“ZJU”等。同時研究者也設計了一些復合結構，可以在S彎道的路面形成均勻光斑。但上述研究都只集中在如何在平面區域獲得所需的輻照分布，而忽略了非平面高效率均勻照明的需求。后者在實際應用中占有很大比例，例如在起伏不平的路面上，照明性能(均勻性、能量效率和光污染等)同樣重要。而上述傳統的自由曲面在非平面上的照明效果差，無法在該目標非平面上產生高效均勻的輻照度分布，均勻度和能量利用率尚有較大改善空間，因此提高非平面表面的效率和均勻性是具有一定的現實意義。

發明內容

本發明的目的在于克服傳統自由曲面透鏡無法在非平面上進行均勻照明的不足，提供一種用于非平面照明的LED單自由曲面透鏡設計方法，旨在目標非平面上獲得高效率、高均勻度的照明光斑。

本發明提供的用于非平面照明的LED單自由曲面透鏡設計方法，具體步驟如下：

(1)確定LED的光強分布；

(2)在空間直角坐標下，根據LED的光強分布建立自由曲面透鏡數學模型，以LED所在位置為坐標原點，將目標非平面放置于XOY平面正上方，自由曲面透鏡位于LED和目標非平面之間，各部件Z坐標應均大于零；

(3)對給定目標非平面進行檢測或計算，得出其表面離散點的Z坐標；

(4)將給定的目標非平面對XOY面投影，得到一個投影平面，將其均勻劃分為若干平面網格，記為G(i*j)，i,j表示網格的行序號和列序號；再根據每個網格邊緣點對應目標非平面上的Z坐標，將網格重組為一個平面集合，網格數量足夠的情況下，該平面集合形狀可近似為目標非平面；引入二維矩陣H(i*j)，i,j表示矩陣H的元素的行序號和列序號；矩陣中每個元素代表每個網格與LED之間的垂直距離；