一種雙自由曲面的led準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是涉及一種由雙自由曲線旋轉(zhuǎn)而成的雙 自由曲面LED準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)體照明（LH)照明）是繼白熾燈、熒光燈之后的第三次光源革命。由于具有高 效、節(jié)能、環(huán)保、長壽命、近似點(diǎn)光源等顯著特點(diǎn)，是近年來全球最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域 之一，獲得了世界主要國家和地區(qū)的大力支持，目前全球LED產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展期，廣 泛應(yīng)用于各種室內(nèi)和室外照明領(lǐng)域，包括平面顯示、數(shù)字家電、汽車電子和特種照明燈等， 全球LED照明滲透率正在快速提升。
[0003] 由于LED光源發(fā)出的光近似朗伯型，即光強(qiáng)呈余弦分布，不能直接用于照明，二次 光學(xué)設(shè)計(jì)具有改變Lm)的光線輸出，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合重新分配光線盡量減少光損失，提高光 利用效率，降低成本等優(yōu)勢(shì)，使得其對(duì)提高系統(tǒng)性能，滿足不同的應(yīng)用需求，及對(duì)拓寬 LED 光源的應(yīng)用范圍顯得尤為重要。目前，LED照明光學(xué)設(shè)計(jì)主要是通過自由曲面來重新配光以 實(shí)現(xiàn)所需照明，一種是經(jīng)驗(yàn)法，另一種是偏微分法，其理論基礎(chǔ)主要是基于點(diǎn)光源單波長的 設(shè)計(jì)，而對(duì)于近場(chǎng)，即擴(kuò)展光源的設(shè)計(jì)還無明顯突破。近年來，LED產(chǎn)業(yè)不斷追求越來越小的 封裝體積，并且要在體積更小的情況下達(dá)到相同的發(fā)光效率。芯片級(jí)封裝CSP(chip scale package)技術(shù)(業(yè)界多將CSP技術(shù)定義為封裝體積與LED晶片相同，或是封裝體積不大于 LED晶片20%)的發(fā)展恰好符合這個(gè)趨勢(shì)，目前封裝好的最小光源面積已接近更 小尺寸的光源正在發(fā)展中，在這一技術(shù)背景下，LED近似點(diǎn)光源的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯，使得通過 LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)光路的精確控制成為可能。
[0004] 目前，多種基于LED點(diǎn)光源的準(zhǔn)直透鏡被成功設(shè)計(jì)，主要有兩種類型的準(zhǔn)直系統(tǒng): 1) 一種是菲涅耳透鏡，2)-種是自由曲面透鏡。但大部分設(shè)計(jì)結(jié)果的光強(qiáng)分布曲線呈類 高斯分布[Guangzhen Wang, Lili Wang, Fuli Li, and Gongjian Zhang, Collimating lens for light-emitting-diode light source based on non-imaging optics, APPLIED OPTICS，Vol. 51，No. 11，10 April 2012]，使得大部分能量分配在照射區(qū)域中央，產(chǎn)生 明顯的眩光。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直系統(tǒng)的均勻照度，2014年，Chen等人[C. ChenandX. Zhang， Design of optical system for collimating the light of an LED uniformly, Vol. 31，No. 5，May 2014，J. Opt. Soc. Am· A]采用TIR透鏡與雙反射鏡相結(jié)合思路緩解 了這一問題，但系統(tǒng)借助了兩面反射鏡，使得準(zhǔn)直系統(tǒng)空間及成本大幅度增大，不利于該系 統(tǒng)的模塊化與應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述存在問題和不足，提供一種雙自由曲面的LED準(zhǔn)直透 鏡設(shè)計(jì)方法，該方法能夠大大節(jié)省時(shí)間，并能使光線進(jìn)行精確控制，而且通過不同的初始 值，可獲得不同形狀準(zhǔn)直透鏡，滿足不同場(chǎng)合的應(yīng)用。 4
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種雙自由曲面的LED準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟一：完成雙自由曲線離散點(diǎn)坐標(biāo)迭代關(guān)系的推導(dǎo)； 步驟二：通過Matlab計(jì)算軟件求出自由曲線的軌跡離散坐標(biāo)； 步驟三：將離散坐標(biāo)導(dǎo)入proe3D建模軟件建立實(shí)體透鏡模型； 步驟四：通過TracePro光學(xué)仿真軟件對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行光線追跡； 其中，步驟一所述的迭代關(guān)系，是基于非成像光學(xué)理論，利用能量守恒定理和菲涅耳定 律推導(dǎo)而成的，為了獲得其迭代關(guān)系，建立直角坐標(biāo)系，選取自由曲線任意兩相鄰的兩點(diǎn)分 別定義為其坐標(biāo)分別為（^，、（》^，)，（<，#)、（減m ，D，〇點(diǎn)為led光源位置，并定義直線>04與直線<24*1夾角為<?，直線^^X軸夾角為 其迭代關(guān)系為：
B為透鏡柯科的犰射卒，為321的犰射卒，透鏡柯科為衆(zhòng)候酸酯CPc)現(xiàn)衆(zhòng)中盎閃烯酸 甲酯（P_a)或玻璃（Si02)或其它材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙自由曲面的LED準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于上述步驟 二所述的軌跡坐標(biāo)，是通過引入初始值為坐標(biāo)，馬坐標(biāo)，以及步長0值代入步驟一中的迭代 關(guān)系，求出的軌跡坐標(biāo)，其中為縱坐標(biāo)>lftww*,馬縱坐標(biāo)j也S 且<J)*|。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙自由曲面的LED準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于上述步驟 三所述的實(shí)體透鏡模型，是首先將步驟二中所求的離散坐標(biāo)值導(dǎo)入proe3D建模軟件，然 后將上述坐標(biāo)點(diǎn)陣擬合成曲線，旋轉(zhuǎn)成實(shí)體模型。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙自由曲面的LED準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于上述步驟 四所述的光線追跡，是將proe3D建模軟件所建的實(shí)體模型導(dǎo)入到TracePro光學(xué)仿真軟件 中進(jìn)行光線追跡模擬，驗(yàn)證并分析所建模型，其中光源是通過以l_Xlmm平面朗伯光源經(jīng) 周圍吸收板吸收大角度光源的方式制備而成，總光通量為〇. 31858W，進(jìn)入透鏡的光線約30 萬條，接收面分別為離光源10米、100米、1000米的正方形屏。
【專利摘要】一種雙自由曲面的LED準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)方法，包括步驟一：完成雙自由曲線離散點(diǎn)坐標(biāo)迭代關(guān)系的推導(dǎo)；步驟二：通過Matlab計(jì)算軟件求出自由曲線的軌跡離散坐標(biāo)；步驟三：將離散坐標(biāo)導(dǎo)入proe 3D建模軟件建立實(shí)體透鏡模型；步驟四：通過TracePro光學(xué)仿真軟件對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行光線追跡。本發(fā)明能夠大大節(jié)省時(shí)間，并能使光線進(jìn)行精確控制，而且通過不同的初始值，可獲得不同形狀準(zhǔn)直透鏡，滿足不同場(chǎng)合的應(yīng)用，并且能夠使得在離透鏡距離很大范圍內(nèi)的照度均勻性達(dá)到90%以上，不僅解決了傳統(tǒng)準(zhǔn)直透鏡，由于光強(qiáng)分布曲線呈類高斯分布，使得大部分能量分配在照射區(qū)域中央而產(chǎn)生明顯的眩光的現(xiàn)象，而且在能量收集率上有了顯著的提高。
【IPC分類】F21V5-04, F21Y101-02
【公開號(hào)】CN104696884
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510081535
【發(fā)明人】張志清, 陳志濤, 許毅欽, 張康, 劉曉燕, 劉寧煬, 趙維
【申請(qǐng)人】廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院)
【公開日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年2月15日