[发明专利]用于大功率LED路灯照明的自由曲面偏光透镜

权利要求书

1.用于大功率LED路灯照明的自由曲面偏光透镜，包括LED光入射面、出射面和底 面，其特征在于所述透镜的底面中部设有一供LED安装于其内的凹坑，凹坑的坑壁面是半 球面，构成所述的入射面；透镜除底面部分之外的外表面是自由曲面，构成所述出射面； 以LED灯底面的圆心为原点，以LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与XOY平面 垂直的轴为Z轴，所述偏光透镜的形状关于YOZ平面对称，由偏光透镜在第一象限和第四 象限的自由曲面部分相对于YOZ平面进行对称即得到透镜的自由曲面的形状；所述透镜的 自由曲面的形状由如下方法确定：

(1)确定初始条件并对目标照明区域划分网格

目标照明面与LED的距离为h，目标照明区域是长为a、宽为b的矩形区域，取第一 象限和第四象限作为确定对象，则确定对象的长边为a/2，LED光沿Y轴方向偏光，宽边 在第一象限的长度为c，在第四象限的长度为d，LED光源的总光通量为φ，目标区域的平 均照度为Ev＝φ/(a×b)，LED中心光强为I₀＝φ/π，将目标照明矩形区域沿X轴方向以 步长k等分成n份，沿Y轴方向以步长k等分成m份，得到x(n)和y(m)的数组；这样在 目标照明区域第一象限就形成了m×n个等面积的正方形网格；对应的，通过计算每一份网 格的能量，将光源出射光线离散化，对应于目标照明区域在第一象限的划分，在θ角上分 成n份，在角上分成m份；所述θ角为光线与Y轴所在平面与YOZ平面的夹角，角为 出射光线与Y轴正向的夹角；

(2)通过能量守恒计算光线出射的θ角，

第一步，计算目标区域X轴方向每条矩形区域所对应的总能量：

Energy＝k·(c+d)·Ev

第二步，由能量守恒求出θ角：

LED出射能量为：

由上述第一步和第二步的能量守恒关系，得出θ的迭代关系式，通过计算机计算求出 一系列θ值；

(3)由能量对应关系计算角

以目标区域的每一小方格作为研究对象，面积为k²；

每一小格的总能量：

energy＝Ev·k²，

对应于光源的出射能量为：

将以上两步建立等式，通过计算机建立二重循环计算可以求出序列；

(4)由折射定律求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切 平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标；所述的折射定律公式为：

[1+n2-2n(ou→t·in→)]1/2N→=ou→t-nin→]]>

其中n为折射率，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为自由曲面在某 一点上的单位法向量；

在计算中，确定一个计算的初始点，该初始点坐标决定了整个偏光透镜的尺寸，由这 个初始点算出一条边界曲线，再由边界曲线的上的每一个点为初始点算出整个自由曲面， 计算方法：由(2)，(3)中所确定的θ和求出入射光线的单位向量，通过初始点的坐标 和与其对应的折射光线的单位向量，得到初始点的法向向量，从而确定该点的切平面，该 切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点，由前一点的切平面与下一点的法向量所 在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代得出所有点的坐标，由此确定了自由曲面的 坐标；

(5)利用机械仿真软件将得到的点拟合为曲面，得到的曲面为对应于YOZ平面镜像， 得到最终的偏光透镜自由曲面，即所述出射面。