[发明专利]基于准直透镜阵列的漫透射自由形式曲面的设计方法

说明书

本发明提供了一种基于准直透镜阵列的漫透射自由形式曲面的设计方法。用于LED阵列照明的传统漫射片没有进行结构设计，只采用简单的平面或半球面。由于漫射片会散射来自各个方向的光线，这就造成应用漫射片的照明系统效率低于其他设计。基于上述问题，根据LED的发光特性，用准直透镜阵列矫正LED阵列宽视角出光，再应用高透射率表面的双向透射分布函数（BTDF），依据光线路径建立漫透射自由形式曲面的数学模型。由于光路的复杂性，提出一种预设准直面的方法来简化计算。非线性代数方程由到达预设准直面的光线和离开预设准直面的光线推导得出，数值求解这些方程，得到漫透射自由形式曲面的轮廓，然后导入到射线追踪软件TracePro进行模拟。

技术领域

本发明属于光学技术与照明技术领域，具体涉及一种用于重新分配LED光源能量以实现均匀照明及提高效率的漫透射自由形式形式曲面。

背景技术

与传统的光源（比如白炽灯）相比，LED作为第四代照明光源，具有体积小、响应快、寿命长、无污染等诸多优势。由于这些优点，LED在室内照明和户外照明等各方面的应用也日益广泛, 但是由于LED光强分布近似朗伯体余弦分布，具有发散角太大和照度分布不均匀的缺点，如果直接用LED进行照明而不进行二次光学配光的话，将会在目标面上形成一个中心亮而四周逐渐变暗的圆形光斑，均匀性差，而且光线很难照射到目标面上，能量利用率很低，还容易产生眩光，很难满足实际的照明需求。因此实际的LED照明应用中，需要重新对LED进行二次配光设计，使光能分布满足实际照明需求。二次光学设计是保证整个LED照明系统的出射光质量，主要是考虑如何将LED光源发出的光线通过所设计的具有折射或者反射性能的曲面集中到所期望的目标照明面上，以满足实际需要。近年来，由于漫透射片具有材料方便、加工方便及匀光等优点，它广泛应用在路灯、背光等阵列照明中。然而，未经光学设计的漫透射片会向任意方向散射光线，这就导致系统照明性能的明显降低。基于上述问题，本发明提出一种基于阵列照明的具有漫透射自由形式曲面特性的漫透射片的方法，用以改善因传统漫透射片造成的均匀性和效率低的问题，同时也提供了一种在LED阵列和透镜阵列条件下的自由形式曲面的方法。

发明内容

本发明旨在改善因传统漫透射片造成的照明系统均匀性和效率低的问题，提出一种基于阵列照明的具有漫透射自由形式曲面特性的漫透射片的方法，同时也提供了一种在LED阵列和透镜阵列条件下的自由曲面方法。本发明通过以下技术方案实现：

（1）建立一个基于准直透镜阵列的漫透射自由形式曲面的LED光学系统模型。

（2）将环形LED阵列以原点为对称点建立笛卡尔坐标系。

（3）构建自由形式曲面漫透射表面的数学模型。

（4）利用数值方法求解非线性方程得到具有漫透射自由形式曲面的漫射片面型。环形LED阵列，发射光线。准直透镜，准直LED发出的光线。漫透射自由形式曲面，折射准直透镜阵列准直的光线。目标检测面，接收经过漫透射自由形式曲面的光线。

本发明所述的漫透射自由形式曲面呈中心轴对称形状，以过该漫透射自由形式曲面旋转中心轴的截面为基准面，建立笛卡尔坐标系：以上述旋转中心轴为z轴，过坐标系原点且与中心轴垂直的方向为x轴，所述准直阵列和自由曲面放置在LED光源正上方，需要照亮的目标平面与LED光源发光平面平行，且在z轴正方向上；

本发明中，由环形LED阵列光源发出的光线，经过准直透镜阵列准直后，再经过高漫透射率漫透射自由形式曲面漫透射后将等同地分散到各个方向，实现光强的合理控制与分配，在目标检测平面上形成一个均匀的照明光斑。该照明系统的环形LED阵列结构如图1所示，环形LED阵列与准直透镜阵列结构关系侧视图如图2所示，系统横截面如图3所示。

基于旋转对称原理，本发明通过将所得的漫透射自由形式曲面在x0z平面上所截得的自由曲面曲线绕LED光源发光面中心法线即旋转中心轴z轴旋转一周，即可求得基于准直透镜阵列的漫透射自由形式曲面的面型轮廓。

所述自由曲线通过以下步骤编程计算确定：