[发明专利]一种适用于坡路面照明的LED光学系统的设计方法

权利要求书

1.一种适用于坡路面照明的LED光学系统的设计方法，其特征在于，适用于坡路面照明的LED光学系统，包括中心倾斜透镜(4)、矩形抛物面反射器(5)，以及LED光源(6)；其中：

矩形抛物面反射器(5)为上部开口且内表面(3)均为抛物面的中空方体结构，外轮廓为方体结构的所述中心倾斜透镜(4)可拆卸的覆盖安装在所述矩形抛物面反射器(5)的上部开口处；

所述LED光源(6)位于所述矩形抛物面反射器(5)的内底面上，与所述中心倾斜透镜(4)及所述矩形抛物面反射器(5)配合成像于坡路面；

所述适用于坡路面照明的LED光学系统的设计方法，包括如下步骤：

步骤1，所述中心倾斜透镜(4)的设计；采用适用于坡路面的同步多曲面设计方法进行优化设计；

步骤1.1，确定所述中心倾斜透镜(4)的实体；

步骤1.11，定义LED光源(6)上任意一条出射光线为E₁E₂和其对应的坡路受光面受光线为R₁R₂，中轴oo'与E₁E₂垂直平分，且E₁点发出的边缘光线对应的汇聚到坡路受光面的端点R₂处，E₂点发出的边缘光线对应的汇聚到坡路受光面的端点R₁处；

步骤1.12，选择所述E₁点发出的一条光线r₁在所述中轴oo'上发生折射的点P₀作为所述中心倾斜透镜(4)的上表面(2)上第一点链的起始点；

步骤1.13，所述光线r₁在所述P₀点的折射光线上任意选择一点P₁作为所述中心倾斜透镜(4)的下表面(1)上第二点链的起始点；

步骤1.14，假设所述光线r₁在所述P₁点处折射并射向所述端点R₂，确定出所述光线r₁在所述P₁点处的法向量n₁的方向；

步骤1.15，根据所述光线r₁的传播路径计算公式(15)得到由所述E₁点到所述端点R₂之间的光程Γ₁；

Γ₁＝[E₁,P₀]+n₁[P₀,P₁]+[P₁,R₂](15)

步骤1.16，E₂发出的一条光线r₂过点P₁折射后的光线P₁R₁的方向已经确定，根据折射定律的矢量形式：

其中：n为中心倾斜透镜的折射率，为光线入射点的法向量；

再根据公式：

x_i+1＝y_i+1tan(A_i+1)                  (18)

其中：P_i的点坐标为(x_i,y_i)，P_i+1的点坐标为(x_i+1,y_i+1)，k为P_i的切线的斜率；A_i+1为点P_i+1的倾斜角度；

联立公式(17)、(18)得到相邻采样点之间的迭代关系，即可确定所述中心倾斜透镜(4)上表面(2)的下一点P₂以及该点处的法向n₂；由公式(19)光线r₂的传播路径可以求得由E₂到R₁之间的光程Γ₂；

Γ₂＝[E₂,P₂]+n₂[P₂,P₁]+[P₁,R₁]                 (19)

步骤1.17，根据同一光源对应的同一像点所有的光线光程相同原理，交替应用步骤1.16分别确定出所述中心倾斜透镜(4)的第一点链的点、所述中心倾斜透镜(4)的第二点链的点，直到所述第一点链和所述第二点链相交；

步骤1.18，步骤1.11中所述中轴oo'下部的透镜仍通过步骤1.11～步骤1.17确定；以所述中心倾斜透镜(4)上表面(2)、下表面(1)的两个交点连线为直径做矩形的对角线，运用构建网格的形式，得到所述中心倾斜透镜(4)的实体；

步骤1.2，计算所述中心倾斜透镜(4)焦距；

基于倾斜透镜的成像原理，根据步骤1.1所述中心倾斜透镜(4)和目标坡路面的物距和像距确定所述中心倾斜透镜(4)的焦距；

步骤2，所述矩形抛物面反射器(5)的设计；

步骤2.1，构建所述矩形抛物面反射器(5)模型；

步骤2.11，以所述矩形抛物面反射器(5)的任意两个相对内表面设计为例，假设抛物线A为其第一内表面的轮廓线，抛物线B为第二内表面的轮廓线；

抛物线A绕其焦点F₁沿逆时针方向旋转了θ_max得到其中第一内表面；同理抛物线B绕其焦点F₂沿顺时针方向也旋转了θ_max得到第二内表面；其中，θ_max为最大出射角；

从而使得抛物线A的焦点F₁落在抛物线B的下端点，抛物线B的焦点F₂落在抛物线A的下端点；

在x轴方向和y轴方向上的焦距分别表示为：

f_2x＝a_x(1+＝sinθ_xmax)              (20)

f_y＝a_2y(1+sinθ_ymax)                    (21)

其中：a_x为焦平面在x轴方向的半宽；

a_y为在y轴方向的半宽；

f_x、f_y分别为x，y轴方向上的焦距；

θ_xmax、θ_ymax分别为x，y轴方向上的最大出射角；

步骤2.12，抛物段F₁C和抛物段F₂D分别沿垂直于xoy平面的方向平移，形成两个关于y轴对称的抛物面；将抛物段F₁C和F₂D绕y轴逆时针旋转90°，同理沿x轴平移，形成两个关于x轴对称的抛物面，两组抛物面组合在一起就得到了三维的矩形抛物面反射器；

其中，轴a'和轴a分别是步骤2.11中所述抛物线A旋转前后的对称轴，轴b'和轴b分别是步骤2.11中所述抛物线B旋转前后的对称轴，抛物段F₂C和抛物段F₁D分别平行轴a和b；

步骤2.2，所述矩形抛物面反射器(5)口径的确定；

经过步骤2.11中所述抛物段F₁C和所述抛物段F₂D分别沿垂直于xoy平面的方向平移之后，CD为矩形抛物面所述矩形抛物面反射器(5)的光线出射口的直径，F₁F₂是所述矩形抛物面反射器(5)焦平面的宽度；

根据光的可逆性，将所述LED光源(6)置于所述矩形抛物面反射器(5)的焦平面上，把出射光线与y轴的夹角θ_i定义为出射角，当θ_i＜θ_max时，光线经过反射器反射从出光口射出；

出射口半宽r表示为：

其中：r为出射口半宽；

l为所述矩形抛物面反射器(5)在y轴方向上的长度；

a为入射口半宽；

f₂为所述矩形抛物面反射器的焦距；

由式(22)可知，入射口半宽r是随着所述矩形抛物面反射器(5)在y轴方向上的长度l增大而增大的；

步骤2.3，确定所述矩形抛物面反射器(5)的高度；

所述矩形抛物面反射器(5)的最大高度应保证所述LED光源(6)照射到所述矩形抛物面反射器(5)反射面上的光线大于α角，α表示坐标轴由xoy变为x'oy'的旋转角度；

步骤2.4，沿所述中心倾斜透镜(4)的倾斜方向对所述矩形抛物面反射器(5)的出射口进行切割，得到非轴对称的矩形抛物面反射器。