[发明专利]一种用于非平面均匀照明的LED透镜设计方法

摘要

本发明属于光学透镜技术领域，具体为一种用于非平面均匀照明的LED透镜设计方法。先将目标非平面在XOY面的投影面分割成若干网格，引入一矩阵，表示每个网格与LED之间的垂直距离；将其代入传统透镜数学模型，通过设定目标非平面的期望辐照分布，迭代求解该模型，最后得到多组离散点；利用三维绘图得到最终自由曲面透镜。光学器件为单自由曲面透镜，较易加工，且具有良好的配光性能。该透镜对LED出射光线进行二次配光，在目标非平面上得到一个辐照均匀的光斑，克服传统自由曲面透镜无法在非平面上进行均匀照明的不足；本发明的辐照均匀性良好，在目标非平面上的均匀度可达到70.01%，同时LED能量利用率可达83.51%以上。

主权项

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。