用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110543014A(43)申请公布日2019.12.06(21)申请号201910750922.7F21Y115/10(2016.01)(22)申请日2019.08.15(71)申请人中山市华南理工大学现代产业技术研究院地址528400广东省中山市火炬开发区中心城区祥兴路6号212房申请人华南理工大学(72)发明人王洪赖军张辉(74)专利代理机构广州粤高专利商标代理有限公司44102代理人江裕强(51)Int.Cl.G02B27/00(2006.01)G02B3/02(2006.01)F21V5/04(2006.01)权利要求书2页说明书4页附图2页(54)发明名称用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法(57)摘要本发明公开了一种用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法。所述双自由曲面透镜包括内曲面和外曲面，内外曲面均为自由曲面，内外曲面的轮廓线分别为透镜内轮廓曲线和透镜外轮廓曲线。所述设计方法包括以下步骤：确定照明面照度分布与LED面光源参数的关系；双自由曲面透镜内外轮廓曲线的确定。所述双自由曲面透镜的轮廓线的确定包括以下步骤：用抛物线拟合入射面和出射面的初始透镜内外轮廓曲线；迭代计算双自由曲面的其他部分。本发明结合边缘光线法和逆向推导法，解决了LED面光源近距离照明的难点问题。本发明中设计的透镜为双自由曲面透镜，相较于单自由曲面透镜，在设计过程中提供了更大的设计自由度。CN110543014ACN110543014A权利要求书1/2页1.一种用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法，双自由曲面透镜包括内曲面和外曲面，内外曲面均为自由曲面，内外曲面的轮廓线分别为透镜内轮廓曲线和透镜外轮廓曲线，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：S1、确定照明面照度分布与LED面光源参数的关系；S2、双自由曲面透镜内外轮廓曲线的确定。2.根据权利要求1所述的一种用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于，在S1中，照明面照度分布与LED面光源参数的关系确定如下：在二维照明面上选取一段宽度为Δx的线段，该线段对应照明区域X，该照明区域X两端的入射光线分别来自LED面光源的两边缘S1和S2，根据边缘光线法和光线可逆的原理，即逆向考虑光线从X出射经过透镜入射到LED发光面，此时LED发光面为接收器，则照明区域X总光通量ΔΦ可表示为：其中，θ1和θ2是两个锐角，分别表示为LED面光源两条边缘光线在X处与光轴的夹角，并定义若光线顺时针旋转到平行于光轴的方向，则θ1或θ2为正，反之为负；L表示LED面光源的照度，近似为定值；假设照明区域X的平均照度为E(x)，则照明区域X获得的总光通量ΔΦ也表示为：ΔΦ＝E(x)·Δx将以上两式化简得到照明面上的照度表示为：E(x)＝L·Ω2D(x)其中Ω2D(x)定义为投影角度正弦差，其表达式如下：Ω2D(x)＝sinθ1-sinθ2至此，得到了照明面上的照度值E(x)与θ1和θ2的关系。3.根据权利要求1所述的一种用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于，在S2中，双自由曲面透镜的轮廓线的确定包括以下步骤：(1)用抛物线拟合入射面和出射面的初始透镜内外轮廓曲线；(2)迭代计算双自由曲面的其他部分。4.根据权利要求3所述的一种用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于，所述用抛物线拟合入射面和出射面的初始透镜内外轮廓曲线如下：给初始透镜内外轮廓曲线的边缘点F1和C1分配合理的坐标，使得初始透镜内外轮廓曲线是向下弯曲的，F2和C2是F1和C1关于光轴的镜像对称点；初始的透镜内外轮廓曲线使得分别从面光源的边缘S1发出的指向F1的第一边缘光线和从面光源边缘S2发出的指向F2的第二边缘光线发生偏折，偏折后的光线与光轴的夹角分别为-θ0和θ0，并最终入射到照明面上的整个照明范围的中心点T0；通过折反射定律，求出初始透镜内外轮廓曲线在边缘点F1和C1的法向量；利用F1和C1的坐标和法向量，分别计算出两条抛物线，两条抛物线分别通过点F1和点F2，点C1和点C2。5.根据权利要求3所述的一种用于LED面光源近距离照明的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于，所述迭代计算双自由曲面的其他部分如下：在初始透镜内轮廓曲线上等间隔选取N-1点，N的取值可为20到50范围内的整数；其中，2CN110543014A权利要求书2/2页F1为Q0，C1为P0，从光源左侧边缘S1出射的第三光线，经过Q1后将先后被折射至初始透镜外轮廓曲线上的P1和照明面上的一点T1，其中P1和T1的坐标值通过折反射定律计算得到，根据照度和投影角度的映射关系计算出θ1和θ2的值；从T1反向追迹第四光线可