[发明专利]一种用于非平面均匀照明的LED透镜设计方法

权利要求书

1.一种用于非平面均匀照明的LED透镜设计方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)确定LED的光强分布；

(2)在空间直角坐标下，根据LED的光强分布建立自由曲面透镜数学模型，以LED所在位置为坐标原点，将目标非平面放置于XOY平面正上方，自由曲面透镜位于LED和目标非平面之间，各部件Z坐标应均大于零；

(3)对给定目标非平面进行检测或计算，得出其表面离散点的Z坐标；

(4)将给定的目标非平面对XOY面投影，得到一个投影平面，将其均匀划分为若干平面网格，记为G(i*j)，i,j表示网格的行序号和列序号；再根据每个网格边缘点对应目标非平面上的Z坐标，将网格重组为一个平面集合，网格数量足够的情况下，该平面集合形状可近似为目标非平面；引入二维矩阵H(i*j)，i,j表示矩阵H的元素的行序号和列序号；矩阵中每个元素代表每个网格与LED之间的垂直距离；

(5)将步骤(4)中的二维矩阵H(i*j)代入自由曲面数学模型，从而得到改进的数学模型，推导用于非平面均匀照明的自由曲面离散点坐标的迭代关系；

(6)基于步骤(5)的迭代关系，利用Matlab数学软件，数值求解自由曲面各离散点的坐标，并利用最小二乘法将各离散点坐标拟合成一系列平滑二维曲线，其中二维曲线以及离散点的数量j取决于网格(i*j)的数量；

(7)将步骤(6)求解所得一系列二维曲线导入至Solidworks软件，利用三维绘图得出最终自由曲面；

(8)将步骤(7)所得自由曲面导入到光线追迹程序TracePro中，利用Monte-Carlo法对该自由曲面进行光线追迹，根据仿真结果对自由曲面进行优化，从而提升其辐照均匀性和照明效率，最终得到用于非平面均匀照明的自由曲面透镜。

2.根据权利要求1所述的非平面均匀照明的LED透镜设计方法，其特征在于，所述的LED光源为典型朗伯体光源，且相对于自由曲面透镜尺寸，LED芯片发光面的尺寸应越小越好。

3.根据权利要求1所述的非平面均匀照明的LED透镜设计方法，其特征在于，所述的由投影面均匀划分的若干平面网格，其对应的目标非平面上的Z坐标，已知方程的非平面离散点Z坐标由计算得出，未知方程的非平面离散点Z坐标由实际测量得出。

4.根据权利要求1所述的非平面均匀照明的LED透镜设计方法，其特征在于，所述的自由曲面透镜材质为玻璃、丙烯酸塑料或任意已知折射率n_A的高透光材质。

5.根据权利要求1所述的非平面均匀照明的LED透镜设计方法，其特征在于，所述推导用于非平面均匀照明的自由曲面离散点坐标的迭代关系的过程为：在二维平面XOZ中，在目标非平面选择一个初始点Q₁₁(x₁，y₁，z₁)，根据Snell定律知该点的入射向量出射向量和法向量之间的关系由此可迭代求出自由曲面透镜在XOZ面上的每个离散点在X轴方向和Z轴方向上的入射光向量出射光向量和法向量其迭代表达式为：

已知初始点Q₁₁(x₁，y₁，z₁)，根据式(7)和LED出光角θ(j)，所述的自由曲面在XOZ平面上的离散点Q_j，1(x_j+1，y₁，z_j+1)坐标的迭代求解公式为：

已求得自由曲面边缘离散点坐标，所述的自由曲面中在三维空间中任意离散点Q(x_i+1，y_i+1，z_i+1)上入射光向量出射光向量和法向量的迭代计算公式表示为：

6.根据权利要求5所述的非平面均匀照明的LED透镜设计方法，其特征在于，根据公式(9)和XOZ面上的初始点集Q_j，1(x_j，y₁，z_j)，以及LED出光角所述的自由曲面三维空间上的离散点坐标的迭代求解公式为：