一种用于扩展光源的紧凑型双自由曲面匀光透镜设计方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115047618A(43)申请公布日2022.09.13(21)申请号202210607568.4(22)申请日2022.05.31(71)申请人长春理工大学地址130022吉林省长春市朝阳区卫星路7186号(72)发明人董科研朴明旭段文举张博(74)专利代理机构北京中理通专利代理事务所(普通合伙)11633专利代理师刘慧宇(51)Int.Cl.G02B27/00(2006.01)权利要求书1页说明书6页附图4页(54)发明名称一种用于扩展光源的紧凑型双自由曲面匀光透镜设计方法(57)摘要一种用于扩展光源的紧凑型双自由曲面透镜设计方法，属于光学设计技术领域，为了解决现有光强设计方法只能用于远场照明的局限性，无法适用于近场、远场照明的问题，该方法包括以下步骤：步骤一，根据设计目标参数确定目标面照度分布；步骤二，设计内外自由曲面的初始轮廓曲线；步骤三，根据初始轮廓曲线以及扩展光源的边缘光线经过透镜后在目标面形成的角度差值来迭代计算自由曲面剩下的部分；步骤四，按照上述方法得到双自由曲面光学元件的二维自由曲面离散点，再将离散点导入三维建模软件中，拟合内外自由曲面曲线，将曲线再绕光轴旋转，得到自由曲面元件实体。此设计方法不局限于照明距离，具有通用性，可同时用于近场、远场照明。CN115047618ACN115047618A权利要求书1/1页1.一种用于扩展光源的紧凑型双自由曲面透镜设计方法，其特征是，该方法包括以下步骤：步骤一，根据设计目标参数确定目标面照度分布；步骤二，设计内外自由曲面的初始轮廓曲线；步骤三，根据初始轮廓曲线以及扩展光源的边缘光线经过透镜后在目标面形成的角度差值来迭代计算自由曲面剩下的部分；步骤四，按照上述方法得到双自由曲面光学元件的二维自由曲面离散点，再将离散点导入三维建模软件中，拟合内外自由曲面曲线，将曲线再绕光轴旋转，得到自由曲面元件实体。2.根据权利要求1所述的一种用于扩展光源的紧凑型双自由曲面透镜设计方法，其特征在于，所述步骤一目标参数确定目标面照度分布目标面的照度由下式确定:式中：E2D为目标面的光照度，sinθ左、sinθ右为边缘光线经过透镜后在目标面形成的正弦值；Ω2D为投射平面角，L为LED的光亮度；设定从光源发出的光线经过透镜折射后到达目标面上某点与z轴所形成的夹角和sinθ左一致时为正，和sinθ右一致时为负；投射平面角的积分上下限分别由光源的两条边缘光线到达目标面与竖直方向所成的夹角决定。3.根据权利要求2所述的一种用于扩展光源的紧凑型双自由曲面透镜设计方法，其特征在于，所述步骤一中目标面的照度分布公式，令目标面照度处处相等，控制光线经过透镜后形成的Ω2D相等即可；在Ω2D已知的情况下，给出初始点坐标，即可确定外自由曲面的中心高度。4.根据权利要求3所述的一种用于扩展光源的紧凑型双自由曲面透镜设计方法，其特征在于，所述步骤二中内、外自由曲面的初始轮廓曲线由下式确定：2z＝aix+bi，式中，i＝1,2代表内、外两个透镜轮廓，且要求ai小于0。5.根据权利要求4所述的一种用于扩展光源的紧凑型双自由曲面透镜设计方法，其特征在于，所述步骤三具体为：均分步骤二已求出的初始曲线，根据步骤一中所述的照度分布公式求出扩展光源的边缘光线经过透镜后在目标面形成的角度差值，迭代计算自由曲面剩下的部分，自由曲面的离散点计算可以由已知的初始轮廓曲线的法向量确定：式中：N为自由曲面离散点的法向量，ein，eout为入射光线以及出射光线的单位法向量；nI和nO分别是入射和折射率介质的折射率；自由曲面离散点是由其前一点的切向量与入射向量的交点求得。2CN115047618A说明书1/6页一种用于扩展光源的紧凑型双自由曲面匀光透镜设计方法技术领域：[0001]本发明涉及一种用于扩展光源的紧凑型双自由曲面匀光透镜设计方法，属于光学设计技术领域。背景技术：[0002]随着新能源照明技术的发展，LED作为新一代绿色照明器件，具有体积小、发光效率高、成本低等优点，已经广泛用于照明领域。自由曲面光学系统设计相比于传统的球面光学系统，有体积小、能量利用率高、等优点，可有效减小整个光学系统的长度与体积。随着现代光学加工技术的进步，如注塑技术，推动了光学自由曲面在光学系统中的应用。如今，多芯片和大型LED主导着发达国家的照明市场。然而，迄今为止，并没有一种通用的适于扩展光源的光学设计方法可以同时实现远场、近场照明的照度分布。[0003]OpticsExpress期刊上HuS.Hu,K.Du,T.Mei等人于2015年发表的“Ultra‑compactLEDlenswithdoublefreeformsurfacesforuniformillumination”的文章利用基因遗传