折返式led照明光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及LED照明的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種折返式LED照明光學(xué)系統(tǒng)，包括自由曲面透鏡和自由曲面反射器，所述自由曲面透鏡和自由曲面反射器共軸，間距為0.01m-0.1m；所述自由曲面透鏡包括第一曲面，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面；第二曲面，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面；第三曲面，為旋轉(zhuǎn)對拋物面，拋物面的焦點(diǎn)為第二曲面折射光線的虛擬光源點(diǎn)；第五曲面，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，；以及第四曲面，為圓柱面，用于連接第三曲面和第五曲面；所述自由曲面反射器，由三個曲面組成。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了任意視場角的照明，而不會因?yàn)槿瓷浣档凸鈱W(xué)系統(tǒng)的光效。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及LED照明的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種折返式LED照 明光學(xué)系統(tǒng)。 折返式LED照明光學(xué)系統(tǒng) 技術(shù)背景
[0002] LED作為一種新型光源，由于其高光效，壽命長，無毒害等優(yōu)點(diǎn)使其在成為白熾燈、 熒光燈等傳統(tǒng)的光源的完美替代者。但由于LED的光強(qiáng)分布為圓形的朗伯型分布，如果直 接應(yīng)用于照明，則會在目標(biāo)面上形成極為不均勻的照度分布，無法滿足各種照明場合對燈 具光學(xué)性能的要求。為了使LED更好的應(yīng)用于照明領(lǐng)域，需要設(shè)計(jì)二次光學(xué)系統(tǒng)重新分配 LED的光強(qiáng)分布，使得其在目標(biāo)面能夠形成均勻或者其它特定的照度分布。
[0003] 為了實(shí)現(xiàn)LED燈具在目標(biāo)面上的既定照度分布，目前多采用設(shè)計(jì)LED自由曲面透 鏡來達(dá)到這個目的。在中國實(shí)用新型專利說明書CN101144863B中公開了一種控制LED光 束的透鏡。該透鏡利用自由曲面光線出射面來精確控制出射光束能量空間分布，能夠?qū)崿F(xiàn) 滿足不同照明需要的光斑形狀與照度分布。在中國實(shí)用新型專利說明書CN20320202741U 中公開了一種窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)。這個光學(xué)系統(tǒng)利用菲涅爾透鏡對小角度的光線進(jìn) 行會聚；對大角度的光線在采用全反射面實(shí)現(xiàn)既定照明。從而實(shí)現(xiàn)了 LED小角度的高光效 照明。除了透鏡，反射型的光學(xué)系統(tǒng)也被用于LED照明當(dāng)中。中國實(shí)用新型專利申請說明 書CN103234173A中提出了一種基于高漫反射率的自由曲面LED光學(xué)系統(tǒng)。這種光學(xué)系統(tǒng) 利用自由曲面反射面實(shí)現(xiàn)對LED光線的重新分配。
[0004] LED二次透鏡雖然可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)面的既定照明，但是還存在以下問題：（1)由于 光線從光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳播時存在全反射現(xiàn)象，因此當(dāng)照明視場角約大于60度時，由 于全反射現(xiàn)象的存在使得透鏡的光效隨著視場角的增大而不斷下降；（2)根據(jù)光亮度的定 義，光源的尺寸越小亮度越高，此時人就覺得越"刺眼"。由于LED的發(fā)光尺寸極小，通常為 ImmX 1mm，因此透射式的LED光學(xué)系統(tǒng)存在比較嚴(yán)重的"刺眼"現(xiàn)象。相比LED二次透鏡， 反射式的LED二次光學(xué)系統(tǒng)視場角不受限制，沒有"刺眼"現(xiàn)象，但是在實(shí)際使用中，由于需 要安裝LED芯片、散熱片、PCB板等裝置，因此存在遮擋問題，會造成不能全部利用LED發(fā)出 的光線或者部分光線不能經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的整形直接照射至目標(biāo)面。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0005] 本實(shí)用新型的目的是針對室內(nèi)照明等通用照明場合，設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域均勻 照明的折返式的LED二次光學(xué)系統(tǒng)，這種光學(xué)系統(tǒng)不存在"刺眼"現(xiàn)象，同時具有較高的光 效。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的折返式LED照明光學(xué)系統(tǒng)，包括自由曲面 透鏡和自由曲面反射器，所述自由曲面透鏡和自由曲面反射器共軸，間距為〇. 〇lm-〇. lm ;
[0007] 所述自由曲面透鏡包括第一曲面，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線 折射，使折射后的光線平行于z軸；第二曲面，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線 折射，使折射后的光線成為與X軸上點(diǎn)光源發(fā)出的光線重合；第三曲面，為旋轉(zhuǎn)對拋物面， 拋物面的焦點(diǎn)為第二曲面折射光線的虛擬光源點(diǎn)，將經(jīng)過第二曲面折射之后的光線反射至 與Z軸平行的方向；第五曲面，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于控制經(jīng)過第一曲面、第二曲面和 第三曲面之后平行于z軸的光線，使得這束平行于z軸的光線在經(jīng)過第五曲面后在空間中 任一個與z軸垂直的圓平面上形成均勻的照度分布；以及第四曲面，為圓柱面，用于連接第 三曲面和第五曲面；
[0008] 所述自由曲面反射器，由三個曲面組成，其中第一曲面為自由曲面，控制第二自由 曲面透鏡發(fā)出的光束的方向和能量，第二曲面和第三曲面分別為反射器的第一基座和第二 基座。
[0009] 進(jìn)一步地，所述第一曲面和第二曲面上點(diǎn)的坐標(biāo)由下式計(jì)算得出：設(shè)定第一自由 曲面的初始點(diǎn)，通過下式迭代得到其輪廓線： χ _ Z?--l +Xi-lk
[0010] < cot θ,. + k ( 1) Zf - xf cot 0.
[0011] 其中（Xi, Zi)為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)，（Xg, Zg)為前一點(diǎn)的坐標(biāo)， (NX，NZ)為前一點(diǎn)的法向量坐標(biāo)。得到輪廓曲線之后以 2軸位對稱軸旋轉(zhuǎn)360°即可得到第 一自由曲面。
[0012] 再進(jìn)一步地，所述第五曲面上點(diǎn)的X、y軸坐標(biāo)與第一曲面、第二曲面和第三曲面 上對應(yīng)點(diǎn)相同，將光源的角度空間劃分為MXN份，每份中的光通量相同，計(jì)算對應(yīng)的第五 曲面的X、y軸坐標(biāo)，同時將出射光斑形成均勻分布的圓平面劃分為MXN個面積相等的單 元，并計(jì)算這些單元節(jié)點(diǎn)的X、y軸坐標(biāo)，選定曲面的初始點(diǎn)，通過迭代的方法求解初始骨架 曲線上點(diǎn)的z軸坐標(biāo)為：
[0013] + (2)
[0014] 其中（Xu, Zu)為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)，（χ^，y^，ζ^)為上一 點(diǎn)的坐標(biāo)，（Nlx，Nly，N lz)為上一點(diǎn)的法向量的坐標(biāo)。在得到初始骨架曲線后通過（2)式迭代 得到下一條骨架曲線，在得到所有骨架曲線之后，通過放樣的方式得到所有的子曲面從而 得到第五曲面。
[0015] 再進(jìn)一步地，所述自由曲面反射器的自由曲面由一定多個的子曲面組成，相鄰的 兩個子曲面之間由平行于Z軸的平面連接，將目標(biāo)面劃分，劃分的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（T x，Ty，Tz)， 選定曲面的初始點(diǎn)，通過迭代的方法求解初始骨架曲線上點(diǎn)的ζ軸坐標(biāo)為： v2, =/v(z2iI.-zu)+vu
[0016] _ _ X + )^2,Λ- + ((V X Zl,,- - Vl,- + Λ,/-! )^2,,· + ) ⑶ /xxiV^+/vx7V2,v+iV2；z
[0017] 其中（x2，i, y2，i, z2 i)為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)，（Xih，Zw)為前一 點(diǎn)的坐標(biāo)，（N2x, N2y, N2z)為前一點(diǎn)的法向量坐標(biāo)，（Xu, y1;i, Zu)為自由曲面透鏡第五自由曲 面上對應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)。lx和ly的表達(dá)式為：
[0018] \ (4) / Tz.i ~ ZU
[0019] 在得到初始骨架曲線后通過（2)式迭代得到下一條骨架曲線，在每個子曲面的起 始處重新構(gòu)造初始骨架曲線，在得到所有骨架曲線之后，通過放樣的方式得到所有的子曲 面，得到自由曲面反射器的自由曲面。
[0020] 本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)LED二次光學(xué)系統(tǒng)，具有良好的光線控制能力，可以在目標(biāo)面 上實(shí)現(xiàn)所需要的照度分布。由于采用折返式的設(shè)計(jì)，相當(dāng)于擴(kuò)大了光源的面積，降低了光源 的亮度值，因此不會有"刺眼"的現(xiàn)象。因?yàn)榉瓷涿娌淮嬖谌瓷洮F(xiàn)象，因此可以實(shí)現(xiàn)任意 視場角的照明，而不會因?yàn)槿瓷浣档凸鈱W(xué)系統(tǒng)的光效。同時由于采用自由曲面透鏡對LED 的光線進(jìn)行收集并整形，解決了僅有反射面的光學(xué)系統(tǒng)中存在遮擋或者一部分光線無法控 制的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是本實(shí)用新型一個實(shí)施例的側(cè)視圖；
[0022] 圖2圖1中自由曲面透鏡（1)的側(cè)視圖；
[0023] 圖3圖2的剖視圖；
[0024] 圖4是圖1中自由曲面反射器（2)的側(cè)視圖；
[0025] 圖5是圖4的剖視圖；
[0026] 圖6是計(jì)算自由曲面反射器（2)上坐標(biāo)時使用的網(wǎng)格對應(yīng)關(guān)系；
[0027] 圖7是本實(shí)施例在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中得到目標(biāo)面上照度分布仿真結(jié)果；自由曲面透 鏡（1)和自由曲面反射器（2)
[0028] 圖中，1-自由曲面透鏡，11-第一曲面；12-第二曲面；13-第三曲面；14-第四曲 面；15-第五曲面；2-自由曲面反射器；21-自由曲面；22-第一基座；23-第二基座。

【具體實(shí)施方式】
[0029] 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0030] 折返式LED照明光學(xué)系統(tǒng)包括自由曲面透鏡1和自由曲面反射器2,自由曲面透鏡 1和自由曲面反射器2共軸，間距為0. 01m-0. lm ;自由曲面透鏡1包括第一曲面11，為旋轉(zhuǎn) 對稱自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線折射，使折射后的光線平行于z軸；第二曲面12,為 旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線折射，使折射后的光線成為與X軸上點(diǎn)光源發(fā)出 的光線重合；第三曲面13,為旋轉(zhuǎn)對拋物面，拋物面的焦點(diǎn)為第二曲面折射光線的虛擬光 源點(diǎn)，將經(jīng)過第二曲面12折射之后的光線反射至與z軸平行的方向；第五曲面15,為旋轉(zhuǎn) 對稱自由曲面，用于控制經(jīng)過第一曲面11、第二曲面12和第三曲面13之后平行于z軸的光 線，使得這束平行于z軸的光線在經(jīng)過第五曲面15后在空間中任一個與z軸垂直的圓平面 上形成均勻的照度分布；以及第四曲面14,為圓柱面，用于連接第三曲面13和第五曲面15 ; 自由曲面反射器2,由三個曲面組成，其中第一曲面為自由曲面21，控制第二自由曲面透鏡 2發(fā)出的光束的方向和能量，第二曲面和第三曲面分別為反射器的第一基座22和第二基座 23〇
[0031] 第一曲面11和第二曲面12上點(diǎn)的坐標(biāo)由下式計(jì)算得出：設(shè)定第一自由曲面的初 始點(diǎn)，通過下式迭代得到其輪廓線： χ _ Vi +Xj-jk
[0032] ' cot θ, + k (5) - χ? cot θ?
[0033] 其中（Xi, ζ)為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)，（Xg, Zg)為前一點(diǎn)的坐標(biāo)， (ΝΧ，ΝΖ)為前一點(diǎn)的法向量坐標(biāo)。得到輪廓曲線之后以 2軸位對稱軸旋轉(zhuǎn)360°即可得到第 一自由曲面。
[0034] 第五曲面15上點(diǎn)的x、y軸坐標(biāo)與第一曲面11、第二曲面12和第三曲面13上對應(yīng) 點(diǎn)相同，將光源的角度空間劃分為MXN份，每份中的光通量相同，計(jì)算對應(yīng)的第五曲面15 的X、y軸坐標(biāo)，同時將出射光斑形成均勻分布的圓平面劃分為MXN個面積相等的單元，并 計(jì)算這些單元節(jié)點(diǎn)的X、y軸坐標(biāo)，選定曲面的初始點(diǎn)，通過迭代的方法求解初始骨架曲線 上點(diǎn)的z軸坐標(biāo)為： Γ ? -(XU - Xl.i-1 廠(Jli - Ju-1 V 丄 ,<、
[0035] zu=^----------L + zw_! (6)
[0036] 其中（Xu, yu，Zu)為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)，（Xm, y^，Zm)為上一 點(diǎn)的坐標(biāo)，（Nlx，Nly，Nlz)為上一點(diǎn)的法向量的坐標(biāo)。在得到初始骨架曲線后通過（2)式迭代 得到下一條骨架曲線，在得到所有骨架曲線之后，通過放樣的方式得到所有的子曲面從而 得到第五曲面15。
[0037] 自由曲面反射器2的自由曲面21由一定多個的子曲面組成，相鄰的兩個子曲面之 間由平行于z軸的平面連接，將目標(biāo)面劃分，劃分的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（T x，Ty，Tz)，選定曲面的初 始點(diǎn)，通過迭代的方法求解初始骨架曲線上點(diǎn)的ζ軸坐標(biāo)為： 'x2i=lx(z2i-zu) + xu v2i =(v(z2j.-zu)+vu
[0038] 1 _ {ψ x + )N2x + {ly X zLi. - + )N2 y + ) - (Ζ) " & x N2x +lyx N2y + N2tZ
[0039] 其中（x2，i, y2，i, z2 i)為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)，（XiH，yiH，Zw)為前一 點(diǎn)的坐標(biāo)，（N2x, N2y, N2z)為前一點(diǎn)的法向量坐標(biāo)，（Xu, y1;i, Zu)為自由曲面透鏡第五自由曲 面上對應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)。lx和ly的表達(dá)式為： Ix=TxJ~XlJ
[0040] ; ' (8) T:廠 Ζυ
[0041] 在得到初始骨架曲線后通過（2)式迭代得到下一條骨架曲線，在每個子曲面的起 始處重新構(gòu)造初始骨架曲線，在得到所有骨架曲線之后，通過放樣的方式得到所有的子曲 面,得到自由曲面反射器2的自由曲面21。
[0042] 如圖1所示是本實(shí)用新型的一個具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，其中LED位于坐標(biāo)原 點(diǎn)，該光學(xué)系統(tǒng)包括兩個部分，自由曲面透鏡1和自由曲面反射器2。
[0043] 圖2和圖3是圖1中自由曲面透鏡1的側(cè)視和剖視圖。其中第一曲面11、第二曲 面12和第三曲面13是LED光線的入射面，目的是將LED發(fā)出的球面波準(zhǔn)直為與z軸垂直 的平面波。
[0044] 第一曲面11將來自LED的光線折射至與z軸平行，此曲面為旋轉(zhuǎn)對稱的，因此計(jì) 算時只需計(jì)算出一條輪廓曲線，然后繞z軸旋轉(zhuǎn)一圈即可得到第一曲面11的面型。計(jì)算輪 廓曲線時，首先確定初始點(diǎn)的坐標(biāo)值，初始點(diǎn)為曲面與z軸的交點(diǎn)，通過迭代的方式計(jì)算輪 廓曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)值。令當(dāng)前已知點(diǎn)（Χη,Ζη)的法向量為N=(N X，NZ),要計(jì)算的輪廓曲線 下一點(diǎn)對應(yīng)的入射光線與z軸的夾角為Θ i，則下一點(diǎn)的坐標(biāo)值（Xi，Zi)為： =^ + xJc_
[0045] ' col θι + k (9 - x(. cot
[0046] 其中k=Nx/Nz。在此實(shí)施中第一曲面11的初始點(diǎn)的z坐標(biāo)值為5mm，曲面邊緣對應(yīng) LED光線與z軸夾角為30°。
[0047] 第二曲面12的目的是使得LED發(fā)出的光線在此曲面折射之后的出射光線的反向 延長線交于X軸一點(diǎn)，從而能夠得到一個虛擬光源點(diǎn)。S12的初始點(diǎn)為S11的邊緣點(diǎn)，計(jì)算 時同樣使用（1)。
[0048] 第三曲面13的焦點(diǎn)為第二曲面12創(chuàng)造的虛擬光源點(diǎn)，利用全反射原理，將來自第 二曲面12的光線反射至與z軸平行方向。
[0049] 第五曲面15的將經(jīng)過第一曲面11、第二曲面12和第三曲面13之后的平面波的 能量重新分配，使得在空間中某個中心在z軸上并且與z軸垂直的圓平面上形成均勻分 布。第四曲面14上點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算方式為利用能量守恒，將入射波陣面和目標(biāo)圓平面劃分 為能量相等的網(wǎng)格，根據(jù)空間拓?fù)浯_定網(wǎng)格點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，再利用（1)式即可計(jì)算第 五曲面15上點(diǎn)的坐標(biāo)。由于第五曲面15是旋轉(zhuǎn)對稱的，因此只需要計(jì)算輪廓曲線即可得 到曲面面型。本實(shí)施中該圓平面位于z=80mm處，半徑為20mm，自由曲面S15的初始點(diǎn)為 (0, 0, 21. 36)。
[0050] 第四曲面14為圓柱面，用于連接第三曲面13和第五曲面15。
[0051] 在計(jì)算得到自由曲面透鏡1的所有曲面之后，高為24. 27mm，寬為32. 44mm。第一 曲面11、第二曲面12間形成的空間高為5mm，寬為4. 9mm，用于放置LED光源。
[0052] 圖4和圖5是圖1中自由曲面反射器2的側(cè)視和剖視圖。本實(shí)施中的反射器由第 一曲面11、第二曲面12和第三曲面13組成。
[0053] 第一基座22和第二基座23為自由曲面反射器2的基座，在實(shí)際使用中可以為任 意形狀，在本實(shí)施中，這兩個曲面形成一個圓柱型基座。
[0054] 自由曲面21的目的是將來自自由曲面透鏡1的光束反射至目標(biāo)面并在目標(biāo)面上 形成均勻照度分布。在本實(shí)施中設(shè)定目標(biāo)面為邊長為8mX6m并且與y軸垂直的矩形，目標(biāo) 面中心點(diǎn)位于y軸上并且距LED光源2. 5m。采用能量守恒和斯涅爾定律來計(jì)算自由曲面上 點(diǎn)的坐標(biāo)。首先根據(jù)能量守恒將設(shè)計(jì)第五曲面15時設(shè)定的目標(biāo)圓平面和照明目標(biāo)面劃分 為能量相等的網(wǎng)格如圖6所示，由于對稱性，這里只給出了第一象限的網(wǎng)格劃分對應(yīng)關(guān)系。 在得到這種對應(yīng)關(guān)系之后根據(jù)斯涅爾定律，設(shè)定初始點(diǎn)為設(shè)計(jì)第五曲面15時設(shè)定的目標(biāo) 圓平面的中心點(diǎn)，采用迭代的方式得到自由曲面21上點(diǎn)的坐標(biāo)。為了減小在迭代過程中產(chǎn) 生的誤差，采用曲面片的方式構(gòu)造自由曲面21，每個曲面片之間使用圓柱面連接。
[0055] 為了構(gòu)造自由曲面21，將目標(biāo)面做圖6所示的劃分，劃分的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為 (Tx，Ty，T z)。選定曲面的初始點(diǎn)，通過迭代的方法求解初始骨架曲線上點(diǎn)的z軸坐標(biāo)為：
[0056] \χ2?=1χ(ζ2?-ζυ) + χυ y2J =fy{z2i-zu) + yu < _ ((lx x . + )N2 x + (/v x - yu. + y2J A )Nl y + ζ2 ^Ν2 ι) lx 乂 N2'x+fyxN2'y + N2、:
[0057] 其中（x2，i, y2，i, z2 i)為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)，（Χ-- yiH，Zw)為前一 點(diǎn)的坐標(biāo)，（N2x，N2y，N2z)為前一點(diǎn)的法向量坐標(biāo)，（x^y^Zu)為自由曲面21上對應(yīng)點(diǎn)的 坐標(biāo)。lx和ly的表達(dá)式為： T, i i
[0058] ] ' ' (11)
[0059] 在得到初始骨架曲線后通過（2)式迭代得到下一條骨架曲線。在每個子曲面的起 始處重新構(gòu)造初始骨架曲線。在得到所有骨架曲線之后，通過放樣的方式得到所有的子曲 面從而得到自由曲面21。
[0060] 圖7為本實(shí)施的透鏡在光學(xué)仿真軟件中在目標(biāo)面上的照度分布結(jié)果，通過追跡 一百萬條光線得到，其中左側(cè)為目標(biāo)面上的照度分布，圖中灰度值大小與照度值成正比，右 側(cè)為目標(biāo)面上兩個中心坐標(biāo)軸上的照度分布。其中光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)效率為80%。同時在目 標(biāo)面上長邊和短邊上的照明均勻度為75%和70%，均勻性好。
【權(quán)利要求】
1. 一種折返式LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：包括自由曲面透鏡（1)和自由曲面反射 器（2)，所述自由曲面透鏡（1)和自由曲面反射器（2)共軸，間距為0. Olm-O. lm ; 所述自由曲面透鏡（1)包括第一曲面（11 )，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于將LED發(fā)出的光 線折射，使折射后的光線平行于z軸；第二曲面（12)，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于將LED發(fā) 出的光線折射，使折射后的光線成為與X軸上點(diǎn)光源發(fā)出的光線重合；第三曲面（13)，為旋 轉(zhuǎn)對拋物面，拋物面的焦點(diǎn)為第二曲面折射光線的虛擬光源點(diǎn)，將經(jīng)過第二曲面（12)折射 之后的光線反射至與z軸平行的方向；第五曲面（15)，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于控制經(jīng)過 第一曲面（11)、第二曲面（12)和第三曲面（13)之后平行于z軸的光線，使得這束平行于z 軸的光線在經(jīng)過第五曲面（15)后在空間中任一個與z軸垂直的圓平面上形成均勻的照度 分布；以及第四曲面（14)，為圓柱面，用于連接第三曲面（13)和第五曲面（15); 所述自由曲面反射器（2)，由三個曲面組成，其中第一曲面為自由曲面（21)，控制第二 自由曲面透鏡（2)發(fā)出的光束的方向和能量，第二曲面和第三曲面分別為反射器的第一基 座（22)和第二基座（23)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的折返式LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述第一曲面（11) 和第二曲面（12)上點(diǎn)的坐標(biāo)由下式計(jì)算得出：設(shè)定第一自由曲面的初始點(diǎn)，通過下式迭代 得到其輪廓線： 'χ _ Zi-X +xi-ik < cot θ? + k (1) Z; = X cot 0j 其中（Χ?,ζ)為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)，（Χη,Ζη)為前一點(diǎn)的坐標(biāo)，（NX，NZ)為 前一點(diǎn)的法向量坐標(biāo)。得到輪廓曲線之后以z軸位對稱軸旋轉(zhuǎn)360°即可得到第一自由曲 面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的折返式LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述第五曲面（15) 上點(diǎn)的x、y軸坐標(biāo)與第一曲面（11)、第二曲面（12)和第三曲面（13)上對應(yīng)點(diǎn)相同，將光源 的角度空間劃分為MXN份，每份中的光通量相同，計(jì)算對應(yīng)的第五曲面（15)的x、 y軸坐 標(biāo)，同時將出射光斑形成均勻分布的圓平面劃分為MXN個面積相等的單元，并計(jì)算這些單 元節(jié)點(diǎn)的x、y軸坐標(biāo)，選定曲面的初始點(diǎn)，通過迭代的方法求解初始骨架曲線上點(diǎn)的z軸坐 標(biāo)為： ~(xu -χ\,?-ι)Ν\χ ~(y\,i~y\a-i)Nu , Zl, =-^--+Z.,M (2) 其中（Xuy^Zu)為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)，為上一點(diǎn)的 坐標(biāo)，（Nlx，Nly，Nlz)為上一點(diǎn)的法向量的坐標(biāo)。在得到初始骨架曲線后通過（2)式迭代得到 下一條骨架曲線，在得到所有骨架曲線之后，通過放樣的方式得到所有的子曲面從而得到 第五曲面（15)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的折返式LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述自由曲面反射 器（2)的自由曲面（21)由一定多個的子曲面組成，相鄰的兩個子曲面之間由平行于z軸的 平面連接，將目標(biāo)面劃分，劃分的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（T x，Ty，Tz)，選定曲面的初始點(diǎn)，通過迭代的方 法求解初始骨架曲線上點(diǎn)的ζ軸坐標(biāo)為： xu=Hz2j-zu) + xu y2J=Iy(z2i-zu) + yu ((?χ X z,,. - X,,. + x2)N2 x + (/v X zu - v,,f + v2,,_, )N2 v + Z2 MN2^ ) z"=-:- (3) !xxN2、x+lyxN2''. + N0- 其中（χ^Κ?,ζ；^)為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)，為前一點(diǎn)的 坐標(biāo)，（N2x，N2y，N2z)為前一點(diǎn)的法向量坐標(biāo)，（x^y^Zu)為自由曲面透鏡第五自由曲面上 對應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)。lx和ly的表達(dá)式為： < YZU (4) i h 在得到初始骨架曲線后通過（2)式迭代得到下一條骨架曲線，在每個子曲面的起始處 重新構(gòu)造初始骨架曲線，在得到所有骨架曲線之后，通過放樣的方式得到所有的子曲面，得 到自由曲面反射器（2)的自由曲面（21)。
【文檔編號】F21Y101/02GK203892917SQ201420151064
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】張曉暉, 陳琛, 陳亮, 程剛 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學(xué)