[发明专利]一种用于倾斜面均匀照明的LED自由曲面透镜阵列装置

说明书

本发明公开了一种用于倾斜面均匀照明的LED自由曲面透镜阵列装置，属于非成像光学和激光光束整形技术领域。包含若干按行和列均匀排布的自由曲面透镜单元(U)和LED光源单元(V)；每个自由曲面透镜单元(U)形状相同，且每颗LED光源单元(V)也相同，自由曲面透镜单元(U)和LED光源单元(V)的数量相同，且一一对应；每颗LED光源单元和相应的自由曲面透镜单元的光轴重合，LED光源单元的出光经相应的自由曲面透镜单元偏折后在倾斜照明面上产生预定的均匀光分布，自由曲面透镜单元可以用光学树脂等材料借助注塑成型技术来实现。本发明结构紧凑、简单；整形效果好，能量利用率高；实用性强，应用范围广。

技术领域

本发明涉及非成像光学及照明技术领域，尤其涉及一种用于倾斜面均匀照明的LED自由曲面透镜阵列装置。

背景技术

区别于传统同轴照明，倾斜照明解除了同轴限制，大大提升了光照的灵活性，在实际中有着广泛的应用，如城市道路照明、隧道照明、城市景观亮化等。为了提高光照强度，实际中的倾斜照明系统一般通过阵列一组光束整形透镜单元构成。由于每个光束整形透镜单元相同，因此设计倾斜照明系统的关键在于设计单个的光束整形透镜单元。光束整形透镜单元借助一定的光学曲面，对光源的出光进行重新的分配。在相比较传统的光学曲面，自由曲面具有极高的设计自由度，可极大提高操控光的能力和灵活性。采用自由曲面进行光束调控，可获得结构紧凑、性能优异的光学系统，更为重要的，可实现传统光学曲面无法实现的新型倾斜照明系统。自由曲面极其自由灵活的面型结构在给我们带来机遇的同时也带了很大的设计挑战，自由曲面照明的关键点和难点在于如何根据光操控要求(给定入射光分布和出射光分布)来反求自由曲面面型。

在现有的自由曲面光束整形方法中，中国专利200910046129.5提出的Raymapping方法根据能量守恒预先定义入射光线和出射光线之间的映射关系，然后通过数值求解得到曲面面型。在Ray mapping方法中，映射关系的可积性决定了曲面的连续性，由于在自由曲面光束整形中很难获得一个满足可积条件的映射关系，导致自由曲面不连续或实际光分布和目标光分布之间存在很大的差异。中国专利201210408729.3提出的MA(Monge-Ampère,MA)方法根据能量守恒和折射定律，将单个自由曲面整形问题转化成MA方程，并通过数值求解MA方程得到光束整形问题的数值解。相比较Ray mapping方法，MA方法可得到连续的自由曲面，实际光分布和目标光分布吻合较好。Supporting quadric方法将一个连续的光分布离散化，并采用许多二次曲面面片(如：抛物面、椭球面等)来构建自由曲面面型，以此求得光束整形问题的近似解。上述方法在同轴自由曲面光束整形中已得到广泛的研究，然而尚无法很好地解决非同轴的倾斜照明问题。将同轴设计的照明系统用于倾斜面照明，势必导致倾斜面上的实际光分布显著偏离预定的光分布，无法满足实际倾斜照明要求；无法实现能量的有效分配，势必造成能量浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于倾斜面均匀照明的自由曲面透镜阵列装置。

所述的用于倾斜面均匀照明的LED自由曲面透镜阵列装置包含若干按行和列均匀排布的自由曲面透镜单元(U)和LED光源单元(V)；每个自由曲面透镜单元(U)形状相同，且每颗LED光源单元(V)也相同，自由曲面透镜单元(U)和LED光源单元(V)的数量相同，且一一对应；每颗LED光源单元和相应的自由曲面透镜单元的光轴重合，LED光源单元的出光经相应的自由曲面透镜单元偏折后在倾斜照明面上产生预定的均匀光分布；所述的自由曲面透镜单元的具体设计步骤如下：

(1)设置自由曲面透镜的光路结构，光源经自由曲面透镜的入射面进入自由曲面透镜；从自由曲面透镜的出射面射出，并在倾斜照明面上产生预定的均匀光分布；所述的出射面为自由曲面；根据初始设计参数对自由曲面透镜进行自由曲面设计；