[发明专利]一种用于定制照明的全内反射透镜设计方法

说明书

本发明属于非成像光学透镜技术领域，具体为一种用于定制照明的全内反射透镜设计方法。本发明方法基于Snell定律和边缘光线理论，结合能量守恒定律，建立全内反射非球面型的数学模型和和透射非球面的数学模型，得到两组微分代数方程表示两种非球面的轮廓曲线，求解得出非球面面型数据；将定制光斑的辐照度分布问题转化为自由曲面求解问题，建立一组非线性方程，通过求解该方程得到透镜边界自由曲面轮廓；利用软件工具将非球面与自由曲面组合为一个透镜。本发明设计的光学器件具有良好的配光性能，可以定制照明光斑形状，辐照均匀性良好，具有较高能量利用率，克服了传统全内反射透镜无法在目标面上产生定制形状、高效率均匀照明光斑的问题。

技术领域

本发明属于光学透镜技术领域，具体涉及一种用于定制照明的全内反射透镜设计方法。

背景技术

近年来，各领域对于照明提出了更高的要求，例如要求LED在复杂形状的目标面上产生均匀、高效的辐照分布，使其能够满足弯曲道路的照明，同时又要兼顾道路周边环境中较低层次的照明；又例如在机器视觉中，要求光源能够在目标面上的不同区域生成不同层次的辐照度，从而抑制由于目标表面的光学特性、特殊结构而引发高光、阴影等现象。上述需求对于LED配光技术具有一定的挑战性；目前常用LED配光元件主要包括LED阵列、配光透镜和配光反射镜等。其中LED配光透镜的种类较多，其面型多为非球面、自由曲面或全内反射透镜；其中非球面配光透镜只能在目标面上生成圆形的均匀光斑，难以定制光斑的形状，而自由曲面透镜设计方案可以在一定程度地解决上述问题，例如花生透镜，作为一种成熟的自由曲面透镜，其可在目标面上生成均匀的矩形光斑。然而，该透镜并不能生成任意形状的均匀光斑，且难以在目标面上生成不同层次的辐照度。全内反射透镜具有更高的光能利用率和优秀的配光特性，但现有的全内反射透镜大多为旋转对称形，多用于简单的准直或产生均匀的圆形光斑，其同样无法满足定制照明的复杂需求。因此，基于全内反射透镜高效率、配光性能优良的优点，开发一种新型全内反射透镜的设计方法，使其能够在目标面上生成不同形状的高效率、均匀光斑，且光斑包含两种具有不同辐照度的区域，具有一定的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于定制照明的新型全内反射透镜设计方法，旨在目标面上生成多种形状的高效率均匀照明光斑，且光斑包含两种具有不同辐照度的区域，

本发明提供的用于定制照明的全内反射透镜设计方法，是基于Snell定律和边缘光线理论，结合能量守恒定律，建立全内反射非球面型的数学模型和和透射非球面的数学模型，得到两组微分代数方程表示两种非球面的轮廓曲线，并采用龙格库塔法进行求解得出非球面面型数据；定制光斑的图案由透镜边界形状决定，将定制光斑的辐照度分布问题转化为自由曲面面型求解问题，建立一组非线性方程，通过求解该非线性方程得到透镜边界自由曲面轮廓，利用商用CAD工具所得非球面与自由曲面组合为一个透镜；将边界自由曲面处理为漫透射结构，可以提高能量利用率。具体步骤如下：

(1)构建全内反射透镜数学模型

将所需设计的全内反射透镜置于LED和目标面之间，基于所选LED的光强分布，在笛卡尔坐标系中建立全内反射透镜数学模型，参见图1所示；该模型由三部分组成，即折射非球面模型、全内反射非球面模型和自由曲面模型；

(2)求解折射非球面；

首先确定LED光线经折射非球面调控后在目标面产生的均匀光斑半径R_max、照射距离l、透镜折射率n、透镜中心厚度d、LED最大出射半角θ_max以及LED与透镜中心距离h这些条件，设折射非球面上任意点的横坐标为x，纵坐标为y_surface；根据折射非球面的光通量守恒定律，有：

其中，E(y)表示目标面上某点所接收的光通量,y表示该点的纵坐标，θ表示LED出射角度.根据照度均匀原则，目标平面内每一点的照度应相等，则公式(1)转换为：