[发明专利]采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统及其设计方法

权利要求书

1.一种采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法，其特征在于，将LED发出的光线分为两个部分，区分根据是按光线与LED光轴的夹角φ来划分；在0°≤φ＜φ₀时，光线经过自由曲面透镜折射后出射；在φ₀≤φ≤90°时，光线经过反射器反射后出射，也可以经过反射器反射再经过一般透镜或者自由曲面透镜出射。

2.根据权利要求1所述的采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法，其特征在于，所述的φ₀取50°～70°。

3.根据权利要求1所述的采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)对φ1，即0°≤φ＜φ₀部分的光线的配光设计为经透镜折射出射，首先设定LED在这个角度范围的空间能量分布与经过透镜折射后的出射光能量分布的对应关系，根据设定的对应关系建立能量方程；

(2)然后对φ2，即φ₀≤φ≤90°部分的光线进行配光设计，采用反射器进行配光，首先设定光源在这个角度范围的空间能量分布与经过反射器反射后的出射光能量分布的对应关系，根据设定的对应关系建立能量方程，具体对应关系有两种形式：以两极为中心在不同的经度向低纬度逐渐展开的辐射对应形式与以赤道某一点为中心按其经线与纬线的自然划分进行的网格对应关系，具体方程如下：

对于以两极为中心在不同的经度向低纬度逐渐展开的辐射对应形式，表达式如下：

其中，为光源空间能量分布，为光强函数，表示经反射后的出射光能量分布，为出射光线的光强，为立体角的转换因子，左式表示入射光线与初始入射光线之间所包围的光通量，右式表示出射光线与初始出射光线之间所包围的光通量；

对于以赤道某一点为中心按其经线与纬线的自然划分进行的网格对应关系，表达式为：

为某目标面得照度分布函数，初始入射光线(θ，π/2)对应该光线在接受屏或观测屏上的初始位置(x₀，y₀)，为出射光线在接受屏(x₀+Δx，z₀+Δz)位置上的照度；

(3)对于折射率公式[1+n2-2n(Out→·In→)]1/2N→=Out→-nIn→,]]>n＝1时为反射率公式，由此建立入射光矢量与经反射器部分反射后的出射光矢量的关系方程，以光源为原点，令一垂直y轴的位于y₀处的目标照明面上点t的坐标用直角坐标系表示，对反射器反射面上一点p的坐标用球坐标表示，为由原点指向t点的矢量，为由原点指向p点的矢量，假设反射器情况是一由外表面作为反射面并且反射的光直接入射到目标面，则可得t点直角坐标用p点表达的表达式：

其中A为一变量，可消除，由于y＝y₀，即目标面垂直于y轴，位于y₀处，又因实际情况下，目标照明面与反射器距离相对于反射器大小而言足够远，所以可认为反射器大小可忽略不记，经简化后，可用y₀表示A，从而把x和z表达式中的A消去；

(4)a.对于反射面为一物体外表面，且反射的光经薄平面后照射到目标面，表达式的求解过程与步骤(3)一致；

b.对于反射面为一物体外表面，且反射光经透镜的曲面部分后入射到目标面，则需要考虑透镜曲面部分对于光线线路的改变。当透镜是一已知透镜，则曲面上任意点q处的法向向量已知，又设p点入射到q点的光线向量代入反射率及折射率公式后联立方程求解或者通过计算机编程使用试错法求解，可按与前述步骤(3)方法类似方法求得t点坐标表达式；

c.对于反射面为某一物体的内表面，即采用全反射的方式进行反射器设计，反射器部分与透镜部分为一体化设计，此时LED入射至反射点前需经过介质表面进行折射，折射公式为[1+n2-2n(Out→·In→)]1/2N→=nOut→-nIn→,]]>由此折射公式可建立入射光与的关系，而反射光线与的关系式可由介质内表面全反射公式[2n2-2n2(Out→·In→)]1/2N→=nOut→-nIn→]]>得到，反射光线与最终出射光线的关系可由折射公式求得，并由前述步骤(3)中的简化过程可得到类似的表达式；

d.对于反射面为某一物体的内表面，即采用全反射的方式进行反射器设计，反射器部分与透镜部分为非一体化设计，反射的光线最终经过一薄平面出射，此时因薄平面对光线线路改变不大，故求解过程与步骤(4)的c情况所述相同；

e.对于反射面为某一物体(如PMMA)的内表面，即采用全反射的方式进行反射器设计，反射器部分与透镜部分为非一体化设计，反射的光线最终经过自由曲面透镜出射，此时表达式的求解与步骤(4)的情况c和情况d的求解过程即可；

(5)将步骤(3)、(4)中的公式化简并把A用y₀表达后代入用(1)、(2)中叙述的方法得到的能量方程中，从而得到透镜和反射器曲面的离散点；

(6)利用3D画图软件等对上述离散点拟合成曲面，进而画出实体即可。