[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

本發明公開了一種用于傾斜面均勻照明的LED自由曲面透鏡陣列裝置，屬于非成像光學和激光光束整形技術領域。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，自由曲面透鏡單元可以用光學樹脂等材料借助注塑成型技術來實現。本發明結構緊湊、簡單；整形效果好，能量利用率高；實用性強，應用范圍廣。

技術領域

本發明涉及非成像光學及照明技術領域，尤其涉及一種用于傾斜面均勻照明的LED自由曲面透鏡陣列裝置。

背景技術

區別于傳統同軸照明，傾斜照明解除了同軸限制，大大提升了光照的靈活性，在實際中有著廣泛的應用，如城市道路照明、隧道照明、城市景觀亮化等。為了提高光照強度，實際中的傾斜照明系統一般通過陣列一組光束整形透鏡單元構成。由于每個光束整形透鏡單元相同，因此設計傾斜照明系統的關鍵在于設計單個的光束整形透鏡單元。光束整形透鏡單元借助一定的光學曲面，對光源的出光進行重新的分配。在相比較傳統的光學曲面，自由曲面具有極高的設計自由度，可極大提高操控光的能力和靈活性。采用自由曲面進行光束調控，可獲得結構緊湊、性能優異的光學系統，更為重要的，可實現傳統光學曲面無法實現的新型傾斜照明系統。自由曲面極其自由靈活的面型結構在給我們帶來機遇的同時也帶了很大的設計挑戰，自由曲面照明的關鍵點和難點在于如何根據光操控要求(給定入射光分布和出射光分布)來反求自由曲面面型。

在現有的自由曲面光束整形方法中，中國專利200910046129.5提出的Raymapping方法根據能量守恒預先定義入射光線和出射光線之間的映射關系，然后通過數值求解得到曲面面型。在Ray mapping方法中，映射關系的可積性決定了曲面的連續性，由于在自由曲面光束整形中很難獲得一個滿足可積條件的映射關系，導致自由曲面不連續或實際光分布和目標光分布之間存在很大的差異。中國專利201210408729.3提出的MA(Monge-Ampère,MA)方法根據能量守恒和折射定律，將單個自由曲面整形問題轉化成MA方程，并通過數值求解MA方程得到光束整形問題的數值解。相比較Ray mapping方法，MA方法可得到連續的自由曲面，實際光分布和目標光分布吻合較好。Supporting quadric方法將一個連續的光分布離散化，并采用許多二次曲面面片(如：拋物面、橢球面等)來構建自由曲面面型，以此求得光束整形問題的近似解。上述方法在同軸自由曲面光束整形中已得到廣泛的研究，然而尚無法很好地解決非同軸的傾斜照明問題。將同軸設計的照明系統用于傾斜面照明，勢必導致傾斜面上的實際光分布顯著偏離預定的光分布，無法滿足實際傾斜照明要求；無法實現能量的有效分配，勢必造成能量浪費。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種用于傾斜面均勻照明的自由曲面透鏡陣列裝置。

所述的用于傾斜面均勻照明的LED自由曲面透鏡陣列裝置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；