[發明專利]一種用于傾斜面均勻照明的LED自由曲面透鏡陣列裝置

有效

• 申請號: 201811267184.2
• 申請日: 2018-10-29
• 公開（公告）號: CN109445093B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 鄭臻榮;丁章浩;常勝倩;孫鵬;楊琳;吳仍茂;劉旭
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

1.一種用于傾斜面均勻照明的LED自由曲面透鏡陣列裝置，其特征在于包含若干按行和列均勻排布的自由曲面透鏡單元(U)和LED光源單元(V)；每個自由曲面透鏡單元(U)形狀相同，且每顆LED光源單元(V)也相同，自由曲面透鏡單元(U)和LED光源單元(V)的數量相同，且一一對應；每顆LED光源單元和相應的自由曲面透鏡單元的光軸重合，LED光源單元的出光經相應的自由曲面透鏡單元偏折后在傾斜照明面上產生預定的均勻光分布；所述的自由曲面透鏡單元的具體設計步驟如下：

(1)設置自由曲面透鏡的光路結構，光源經自由曲面透鏡的入射面進入自由曲面透鏡；從自由曲面透鏡的出射面射出，并在傾斜照明面上產生預定的均勻光分布；所述的出射面為自由曲面；根據初始設計參數對自由曲面透鏡進行自由曲面設計；

(2)以光源S為坐標原點建立全局直角坐標系xyz，對步驟(1)所確定的自由曲面透鏡的自由曲面上點P的位置用球坐標表示為以傾斜照明面和z軸的交點B₃為坐標原點，在傾斜照明面上建立局部坐標系x₁y₁z₁，并使全局坐標系xyz的x軸和局部坐標系x₁y₁z₁的x₁軸方向相同；局部坐標系x₁y₁z₁的z₁軸和全局坐標系xyz的z軸的夾角為β，β≠0°；當從全局坐標系xyz的z軸到局部坐標系x₁y₁z₁的z₁軸為逆時針方向旋轉時，β0；當從全局坐標系xyz的z軸到局部坐標系x₁y₁z₁的z₁軸為順時針方向旋轉時，β0；出射光線在傾斜照明面上的落點T在全局坐標系xyz下的坐標表示為(t_x,t_y,t_z)，在局部坐標系x₁y₁z₁下的坐標表示為(t_x1,t_y1,t_z1)；矢量P為點P的位置矢量，是一個由全局直角坐標系的原點指向點P的矢量；矢量T為點T的位置矢量，是一個由全局直角坐標系的原點指向點T的矢量；根據折射定律O＝n×I+P₁×N，求得出射光線的單位方向向量O＝(O_x,O_y,O_z)，并建立點P和目標點T之間的坐標關系

其中，P_x、P_y和P_z為點P位置矢量P的三個分量；O_x、O_y和O_z為點P處出射光線單位方向向量O的三個分量；N為自由曲面在點P處的單位法矢，角度α是矢量I和矢量N的夾角；n為自由曲面透鏡所用材料的折射率；

(3)根據步驟(2)得到的點P和目標點T之間的坐標關系還需滿足傾斜照明面在全局坐標系下的方程：

At_x+Ct_z+D＝0

其中，A＝sinβ、C＝cosβ以及D＝-C×L，L為傾斜照明面與全局坐標系xyz的z軸交點B₃的z坐標；根據該方程進一步得到目標點T的全局坐標

(4)根據步驟(2)得到的點P和目標點T之間的坐標關系，有以下坐標變換關系

其中，J(T)為位置矢量T的Jacobi矩陣，

(5)根據局部能量守恒定律，在不考慮能量損失的情況下，要求由光源出射的任意一條細光束經自由曲面透鏡偏折后其所有能量被傳輸至傾斜照明面上的目標照明區域，即自由曲面透鏡對細光束的偏折滿足以下能量關系式

其中，為光源的強度分布，E(t_x1,t_y1)為傾斜照明面上目標照明區域的照度分布，J(T)為位置矢量T的Jacobi矩陣，其中為入射到自由曲面透鏡的光束的最大發散角；

(6)自由曲面在滿足步驟(5)中的能量傳輸方程的同時還要保證光束的邊界光線經自由曲面偏折后入射到目標面照明區域的邊界，即滿足以下邊界條件

其中，Ω₁表示入射到自由曲面透鏡上的光束的總立體角，Ω₂表示傾斜照明面上目標照明區域，和分別為區域Ω₁和Ω₂的邊界；

(7)對步驟(5)中的能量傳輸方程和步驟(6)中的邊界條件聯立求解，得到一組離散數據點，通過對該組離散數據點進行曲面擬合即可得到用于傾斜面照明的自由曲面透鏡的自由曲面面型。