[发明专利]给定照度分布的LED三维光学系统设计方法及光学系统

说明书

技术领域

本发明属于应用光学领域中的非成像光学技术，特别涉及基于非成像光学技术、以发光二极管(light emitting diodes，LED)作为光源的给定照度分布的LED三维光学系统设计方法及光学系统。

背景技术

与传统光源相比，LED为全固态光源，具有节能、环保、色彩丰富、体积小、结构紧凑、响应速度快、抗震、耐冲击等诸多优点，适用于包括家居照明、车内照明、汽车头灯、矿井照明、野外作业和军事行动等诸多领域，成为备受瞩目的第三代照明光源。LED光源体积小，其光强分布随出射角的增大而迅速衰减，可以近似视为郎伯光源。对于不同的需要和应用场合，必须调整LED发出的光场。这样的光学系统设计属于非成像光学范围。

传统的成像光学设计的透镜通常具有旋转对称性，用来将物平面的点经过透镜后成像到像平面上，透镜设计注重的是在成像过程中图象信息的保存，而光线能量传输效率则放在次要的位置，因此设计出来的透镜通常传输效率比较低。

非成像光学是上世纪70年代以来在国外逐渐发展起来的，专门研究光线的能量传输问题的一门新的光学分支，与传统成像光学相比，更加关注能量的传输效率及其在空间和方位角的分配。非成像光学最先主要研究太阳能的收集利用问题，也就是光线耦合问题，如何将一个大入射孔径的入射光线收集，完全传输于一个小的输出孔径，从而在研究过程中，在提高能量密度利用方面，逐渐产生了一套用于控制光线能量传输的理论，如“边缘光线理论”(Ries，H and Rabl，A“Edge-ray principle of nonimaging optics，”J.Opt.Soc.Am.43 712-715)，“剪裁理论”(H.Ries，J.A.Muschaweck，“Tailoring freeform optical lensesfor illuminations，”Novel Optical Systems Design and Optimization IV，Proc.SPIE，vol 4442，pp.43-50，(2001))(Andreas Timinger a，JuliusGeneral Illumination，”，Proc.SPIE，vol 5186，pp.128-132，(2003))和“对称性分析理论”(Ries，H Shatz，N，Bortz，J and Spirkl，W“Performancelimitations of rotationally symmetric nonimaging devices”J.Opt.Soc.Am.A vol 14，10，2855-2862，1997)。非成像光学发展的另一个方向是设计一个照明系统，能够使用一个给定的光源在一个目标屏幕上面形成给定的照度分布，也就是给定照度分布问题。

不同维度的空间中非成像光学面临的问题具有不同的难度。二维空间的非成像光学主要研究具有一定对称性的，如旋转对称和平移对称的光学系统。虽然对称性对非成像光学问题进行了一定的简化，方便了求解，但是对称性本身就会制约传输效率的进一步提高，因此为了根本解决能量传输效率问题，目前非成像光学主要面临的困难是如何将求解空间拓展到三维领域，设计不具有对称性的光学系统。对此国外提出了很多先进的理论和算法：