Led均勻準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】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LED均勻準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，包括共軸設(shè)置的第一自由曲面透鏡和第二自由曲面透鏡，第一自由曲面透鏡和第二自由曲面透鏡間距為0.01m-0.1m；第一自由曲面透鏡包括第一曲面，為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)自由曲面；第二曲面，為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)自由曲面；第三曲面，為旋轉(zhuǎn)對(duì)拋物面；第五曲面，為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)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；所述第二自由曲面透鏡，由三個(gè)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，第二曲面和第三曲面分別為透鏡的連接曲面和光線出射面。本實(shí)用新型具有很好的光線控制能力，可以將LED的光線整形為均勻的圓形光斑。
【專(zhuān)利說(shuō)明】LED均勻準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 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LED均勻準(zhǔn)直的光 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(zhǎng)，無(wú)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(huì)在目標(biāo)面上形成極為不均勻的照度分布，無(wú)法滿足各種照明場(chǎng)合對(duì)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] 在光通信、光電成像等照明應(yīng)用場(chǎng)合，不僅需要均勻照明，還需要光線為準(zhǔn)直光。 為此，至少需要兩個(gè)光學(xué)表面控制LED光線的方向，其中第一個(gè)曲面形成均勻分布，第二個(gè) 曲面改變光線方向使之準(zhǔn)直。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)說(shuō)明書(shū)CN103148443A提出了一種用于獲 得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列的設(shè)計(jì)方法。該厚透鏡包括兩個(gè)自由曲面， 可以獲得針對(duì)LED光源的均勻準(zhǔn)直光線。然而由于在不同折射率介質(zhì)之間存在全反射現(xiàn) 象，因此這種透鏡并不能收集LED的全部光線，因此會(huì)造成透鏡的光效不夠高，影響整個(gè)系 統(tǒng)的傳播距離。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)光通信、光電成像等需要準(zhǔn)直照明的場(chǎng)合，設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)圓 形光斑均勻準(zhǔn)直照明的LED均勻準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，這種光學(xué)系統(tǒng)可以收集LED的全部光線， 具有較1?的光效。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的LED均勻準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，包括共軸設(shè)置的第 一自由曲面透鏡和第二自由曲面透鏡，所述第一自由曲面透鏡和第二自由曲面透鏡間距為 0. 01m-〇. lm ；
[0006] 所述第一自由曲面透鏡包括第一曲面，為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)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(duì)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(duì)稱(chēng)自由曲面，用 于控制經(jīng)過(guò)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(guò)第五曲面后在空間中任一個(gè)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；
[0007] 所述第二自由曲面透鏡，由三個(gè)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，第二曲面和第三曲面分別為透鏡的連接曲面和光線出射 面。
[0008] 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(guò)下式迭代得到其輪廓線： χ _ Z,-l +Xj-lk
[0009] < cot + k (1) zi - xi col 61
[0010] 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z軸為對(duì)稱(chēng)軸旋轉(zhuǎn)360°即可得到整 個(gè)曲面。
[0011] 再進(jìn)一步地，所述第五曲面點(diǎn)的坐標(biāo)和自由曲面的Z軸坐標(biāo)通過(guò)同時(shí)迭代得到， 設(shè)第五曲面和自由曲面上點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（ Xl，yi，Zl)和（x2, y2, z2)，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(duì)應(yīng)的第五曲面的x、y軸坐標(biāo)。同時(shí)將出射光斑的 截面劃分為MXN個(gè)面積相等的單元，并計(jì)算對(duì)應(yīng)自由曲面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的X、y軸坐標(biāo)，選定兩 個(gè)曲面的初始點(diǎn)，通過(guò)迭代的方法求解初始骨架曲線上點(diǎn)的z軸坐標(biāo)為： ~(Λ1, _XU-l)^U _(Λ? ~yu-i)Niv , z-=-瓦--+z-
[0012] ] , 、 (2) ~(x2 j - χ2 ?_λ )NZx - (V2>;. - )N2r ZXi 二-^--+Z2;M
[0013] 其中（x1; i, y1; i, z1;)和（x2, i, y2, i, z2,）為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的第一自由曲面 透鏡的第五曲面和第二自由曲面透鏡的第一曲面上點(diǎn)的坐標(biāo)，（Xm，y 1;H，Z1;H)和 (χ2，η，72，η，ζ 2，η)為對(duì)應(yīng)前一點(diǎn)的坐標(biāo)，（Nlx，Nly，Nlz)和（N 2x，N2y，N2z)為前一點(diǎn)的法向量坐 標(biāo)，在得到初始骨架曲線后通過(guò)（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(guò)放樣的方式得到第五曲面和第一自由曲面。
[0014] 本發(fā)明的設(shè)計(jì)LED均勻準(zhǔn)直二次光學(xué)系統(tǒng)，具有良好的光線控制能力，可以將LED 的光線整形為均勻的圓形光斑，因?yàn)長(zhǎng)ED光線入射面準(zhǔn)直時(shí)采用了全反射面，因此可以收 集全部LED的光線而不會(huì)因?yàn)槿瓷浣档凸鈱W(xué)系統(tǒng)的光效。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2圖1的側(cè)視圖。
[0017] 圖3圖2的剖視圖。
[0018] 圖4是圖1中第二自由曲面透鏡（2)的側(cè)視圖。
[0019] 圖5是圖4的剖視圖。
[0020] 圖6. 1是具體實(shí)施在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中目標(biāo)面上的照度分布的仿真結(jié)果圖；
[0021] 圖6. 2是具體實(shí)施在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中出射光斑目標(biāo)面上兩個(gè)中心坐標(biāo)軸上照度 分布的仿真結(jié)果圖；
[0022] 圖中，1-第一自由曲面透鏡，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-第二自由曲面透鏡；21-自由曲面；22-連接曲面；23-光線出射面。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：
[0024] 圖1-4中所示的LED均勻準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，包括共軸設(shè)置的第一自由曲面透鏡1 和第二自由曲面透鏡2,第一自由曲面透鏡1和第二自由曲面透鏡2間距為0. 01m-0. lm ;第 一自由曲面透鏡1包括第一曲面11，為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)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，該自由曲面控制的LED光線與z軸的夾角由透鏡材料的折射率 決定；第二曲面12,為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)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(duì)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15,為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)自由曲面，用于控制經(jīng)過(guò)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(guò)第五 曲面15后在空間中任一個(gè)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;第二自由曲面透鏡2,由三個(gè)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，第二曲面和第三 曲面分別為透鏡的連接曲面22和光線出射面23。
[0025] 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(guò)下式迭代得到其輪廓線：
[0026] - col + k (3) 2. =χ；. cot^.
[0027] 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ζ軸為對(duì)稱(chēng)軸旋轉(zhuǎn)360°即可得到整 個(gè)曲面。
[0028] 第五曲面15點(diǎn)的坐標(biāo)和自由曲面21的ζ軸坐標(biāo)聯(lián)立求取得到，設(shè)第五曲面15和 自由曲面21上點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（ Xl，yi，Zl)和（x2, y2, ζ2)，將光源的角度空間劃分為ΜΧΝ份， 每份中的光通量相同，計(jì)算對(duì)應(yīng)的第五曲面15的x、y軸坐標(biāo)。同時(shí)將出射光斑的截面劃分 為MXN個(gè)面積相等的單元，并計(jì)算對(duì)應(yīng)自由曲面21上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的x、y軸坐標(biāo)，選定兩個(gè)曲面 的初始點(diǎn)，通過(guò)迭代的方法求解初始骨架曲線上點(diǎn)的ζ軸坐標(biāo)為： -(氣,-Χ1,?-1 )'1a· - O'u - Ju-1 )#ir , =-^- +
[0029] Ir (4) ~(x2 - x2 ;^ )N2x - (y2 i - v2)N2r zw=--- + z2，-i
[0030] 其中（x1; i, y1; i, z1;)和（x2, i, y2, i, z2,）為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的第一自由曲面 透鏡的第五曲面和第二自由曲面透鏡的第一曲面上點(diǎn)的坐標(biāo)，（Xm，y 1;H，Z1;H)和 (χ2，η，72，η，ζ 2，η)為對(duì)應(yīng)前一點(diǎn)的坐標(biāo)，（Nlx，Nly，Nlz)和（N 2x，N2y，N2z)為前一點(diǎn)的法向量坐 標(biāo)，在得到初始骨架曲線后通過(guò)（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(guò)放樣的方式得到第五曲面15和自由曲面21。
[0031] 作為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，LED位于坐標(biāo)原點(diǎn)。該光學(xué)系統(tǒng)包括兩個(gè)部分，第 一自由曲面透鏡1和第二自由曲面透鏡2。
[0032] 圖2和圖3是圖1中第一自由曲面透鏡1的側(cè)視和剖視圖，其中第一曲面11、第二 曲面12、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。
[0033] 第一曲面11將來(lái)自LED的光線折射至與z軸平行，此曲面為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的，因此計(jì) 算時(shí)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(shí)，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(guò)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(duì)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： χ _ +Χ,-_Λ
[0034] < cot θ, + k (5) z； = x： col Θ.
[0035] 其中k=Nx/Nz。在此實(shí)施中曲面SI 1的初始點(diǎn)的z坐標(biāo)值為5mm，曲面邊緣對(duì)應(yīng)LED 光線與z軸夾角為30〇。
[0036] 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(zhǎng)線交于X軸一點(diǎn)，從而得到一個(gè)虛擬光源點(diǎn)。第二曲面12的初始點(diǎn)為第一曲面11的 邊緣點(diǎn)，計(jì)算時(shí)同樣使用（1)。
[0037] 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(lái)自第 二曲面12的光線反射至與z軸平行方向。
[0038] 第五曲面15的將經(jīng)過(guò)曲面第一曲面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(gè)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(duì)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(duì)稱(chēng)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=70mm處，半徑為20mm，第五曲面15的初始點(diǎn)為 (0, 0, 17. 36)。
[0039] 在計(jì)算得到第一自由曲面透鏡1的所有曲面之后，高為20. 55mm，寬為32. 44mm。第 一曲面11和第二曲面12之間形成的空間高為5mm，寬為4. 9mm，用于放置LED光源。
[0040] 圖4和圖5是圖1中第二自由曲面透鏡12的側(cè)視和剖視圖。本實(shí)施中的第二自 由曲面透鏡2由自由曲面21、連接曲面22、光線出射面23組成。
[0041] 連接曲面22、光線出射面23為透鏡的連接面和光線出射面，在實(shí)際使用中不改變 光線的出射方向。
[0042] 自由曲面21的目的是將來(lái)自第一自由曲面透鏡1的光束折射至與z軸平行方向。 采用斯涅爾定律來(lái)計(jì)算自由曲面上點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算方法仍然采用式（1 )。
[0043] 圖6. 1和圖6. 2是本實(shí)施在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中得到的出射光斑的仿真結(jié)果，通過(guò)追 跡一百萬(wàn)條光線得到，其中圖6. 1為目標(biāo)面上的照度分布，圖中灰度值大小與照度值成正 t匕，圖6. 2為目標(biāo)面上兩個(gè)中心坐標(biāo)軸上的照度分布。仿真結(jié)果表明本實(shí)施的透鏡系統(tǒng)的 光學(xué)效率為80. 82%。在χ軸和y軸上的光照度均勻性均為75%，均勻性好。
【權(quán)利要求】
1. 一種LED均勻準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括：共軸設(shè)置的第一自由曲面透鏡 (1)和第二自由曲面透鏡（2)，所述第一自由曲面透鏡（1)和第二自由曲面透鏡（2)間距為 0. 01m-〇. lm ； 所述第一自由曲面透鏡（1)包括第一曲面（11 )，為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)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(duì)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（15)，為旋轉(zhuǎn) 對(duì)稱(chēng)自由曲面，用于控制經(jīng)過(guò)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(guò)第五曲面（15)后在空間中任一個(gè)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); 所述第二自由曲面透鏡（2)，由三個(gè)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，第二曲面和第三曲面分別為透鏡的連接曲面（22) 和光線出射面（23)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED均勻準(zhǔn)直的光學(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(guò)下式迭代 得到其輪廓線： χ _ ^--i +Xi-lk .! cot θ/ + k (1) ζ. = χ. cot 其中（Χ?,ζ)為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)，（x^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z軸為對(duì)稱(chēng)軸旋轉(zhuǎn)360°即可得到整個(gè)曲面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED均勻準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述第五曲面（15) 點(diǎn)的坐標(biāo)和自由曲面（21)的z軸坐標(biāo)聯(lián)立求取得到，設(shè)第五曲面（15)和自由曲面（21)上 點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（ Xl，yi，Zl)和（x2, y2, z2)，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(duì)應(yīng)的第五曲面（15)的x、y軸坐標(biāo)，同時(shí)將出射光斑的截面劃分為MXN個(gè)面 積相等的單元，并計(jì)算對(duì)應(yīng)自由曲面（21)上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的x、y軸坐標(biāo)，選定兩個(gè)曲面的初始點(diǎn)， 通過(guò)迭代的方法求解初始骨架曲線上點(diǎn)的z軸坐標(biāo)為： -(xu -(yu -yu^)Nu ?=-瓦--+z^ (2) -(x2>; -x2 M)Nlx -{y2 i -y2j_y )NlY 其中（Xi，i，yi，i，Z1; i)和（x2, i, y2, i, z2, i)為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的第一自由曲面透 鏡的第五曲面和第二自由曲面透鏡的第一曲面上點(diǎn)的坐標(biāo)，和 (χ2，η，72，η，ζ 2，η)為對(duì)應(yīng)前一點(diǎn)的坐標(biāo)，（Nlx，Nly，Nlz)和（N 2x，N2y，N2z)為前一點(diǎn)的法向量坐 標(biāo)，在得到初始骨架曲線后通過(guò)（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(guò)放樣的方式得到第五曲面（15)和自由曲面（21)。
【文檔編號(hào)】F21V5/04GK203893069SQ201420151092
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)