一种用于倾斜面均匀照明的LED自由曲面透镜阵列装置

摘要

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。

说明书

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；

(2)以光源S为坐标原点建立全局直角坐标系xyz，对步骤(1)所确定的自由曲面透镜的自由曲面上点P的位置用球坐标表示为以倾斜照明面和z轴的交点B₃为坐标原点，在倾斜照明面上建立局部坐标系x₁y₁z₁，并使全局坐标系xyz的x轴和局部坐标系x₁y₁z₁的x₁轴方向相同；局部坐标系x₁y₁z₁的z₁轴和全局坐标系xyz的z轴的夹角为β，β≠0°；当从全局坐标系xyz的z轴到局部坐标系x₁y₁z₁的z₁轴为逆时针方向旋转时，β<0；当从全局坐标系xyz的z轴到局部坐标系x₁y₁z₁的z₁轴为顺时针方向旋转时，β>0；出射光线在倾斜照明面上的落点T在全局坐标系xyz下的坐标表示为(t_x,t_y,t_z)，在局部坐标系x₁y₁z₁下的坐标表示为(t_x1,t_y1,t_z1)；矢量P为点P的位置矢量，是一个由全局直角坐标系的原点指向点P的矢量；矢量T为点T的位置矢量，是一个由全局直角坐标系的原点指向点T的矢量；根据折射定律O＝n×I+P₁×N，求得出射光线的单位方向向量O＝(O_x,O_y,O_z)，并建立点P和目标点T之间的坐标关系

其中，P_x、P_y和P_z为点P位置矢量P的三个分量；O_x、O_y和O_z为点P处出射光线单位方向向量O的三个分量；N为自由曲面在点P处的单位法矢，角度α是矢量I和矢量N的夹角；n为自由曲面透镜所用材料的折射率；

(3)根据步骤(2)得到的点P和目标点T之间的坐标关系还需满足倾斜照明面在全局坐标系下的方程：

At_x+Ct_z+D＝0

其中，A＝sinβ、C＝cosβ以及D＝-C×L，L为倾斜照明面与全局坐标系xyz的z轴交点B₃的z坐标；根据该方程进一步得到目标点T的全局坐标

(4)根据步骤(2)得到的点P和目标点T之间的坐标关系，有以下坐标变换关系

其中，J(T)为位置矢量T的Jacobi矩阵，

(5)根据局部能量守恒定律，在不考虑能量损失的情况下，要求由光源出射的任意一条细光束经自由曲面透镜偏折后其所有能量被传输至倾斜照明面上的目标照明区域，即自由曲面透镜对细光束的偏折满足以下能量关系式

其中，为光源的强度分布，E(t_x1,t_y1)为倾斜照明面上目标照明区域的照度分布，J(T)为位置矢量T的Jacobi矩阵，0≤θ≤2π，其中为入射到自由曲面透镜的光束的最大发散角；

(6)自由曲面在满足步骤(5)中的能量传输方程的同时还要保证光束的边界光线经自由曲面偏折后入射到目标面照明区域的边界，即满足以下边界条件

其中，Ω₁表示入射到自由曲面透镜上的光束的总立体角，Ω₂表示倾斜照明面上目标照明区域，和分别为区域Ω₁和Ω₂的边界；

(7)对步骤(5)中的能量传输方程和步骤(6)中的边界条件联立求解，得到一组离散数据点，通过对该组数据点进行曲面拟合即可得到用于倾斜面照明的自由曲面透镜的自由曲面面型。

优选的，所述的自由曲面透镜的入射面(S1)为球面，每颗LED光源单元位于其对应的自由曲面透镜的入射面球心处。

优选的，所述的自由曲面透镜各区域的折射率相同；自由曲面透镜周围介质为空气。

优选的，所述的自由曲面透镜是光源之后的整形透镜，即二次透镜。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1)本发明提出的用于倾斜面均匀照明的自由曲面透镜阵列装置可在倾斜的照明面上实现预定的均匀光分布；

2)本发明提出的用于倾斜面均匀照明的自由曲面透镜阵列装置可实现对LED出射光束的有效调控，获得较高的能量利用率；

3)本发明提出的用于倾斜面均匀照明的自由曲面透镜阵列装置可促进自由曲面在半导体照明中的应用；

4)本发明提出的用于倾斜面均匀照明的自由曲面透镜阵列装置有助于形成高效节能的半导体照明技术。

附图说明

图1为用于倾斜面均匀照明的自由曲面透镜阵列装置的结构示意图；

图2为自由曲面透镜单元的设计原理图；

图3为自由曲面透镜单元的光学结构；

图4为作为LED光束整形二次透镜的自由曲面透镜单元；

图5为实施例中的自由曲面透镜单元的模型；

图6为实施例中自由曲面透镜单元在倾斜照明面上的照明光斑；

图7为实施例中自由曲面透镜阵列装置的模型；

图8为实施例中自由曲面透镜阵列装置在倾斜照明面上的照明光斑。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面将结合附图进一步说明本发明。

用于倾斜面均匀照明的LED自由曲面透镜阵列装置包含由按行和列均匀排布的自由曲面透镜单元U所构成的LED自由曲面透镜阵列，参见附图1；每个自由曲面透镜单元形状相同，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；LED光源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；自由曲面透镜单元的具体设计步骤如下：

(1)设置自由曲面透镜的光路结构，所述自由曲面透镜的入射面采用球面，出射面为自由曲面，光源位于入射面的球心处；光源经自由曲面透镜折射后在倾斜照明面得到目标照度分布；根据初始设计参数对其进行自由曲面设计；

(2)以光源S为坐标原点建立全局直角坐标系xyz，对步骤(1)所确定的自由曲面透镜的自由曲面上点P的位置用球坐标表示为以倾斜照明面和z轴的交点B₃为坐标原点，在倾斜照明面上建立局部坐标系x₁y₁z₁，并使全局坐标系xyz的x轴和局部坐标系x₁y₁z₁的x₁轴方向相同；局部坐标系x₁y₁z₁的z₁轴和全局坐标系xyz的z轴的夹角为β；当从全局坐标系xyz的z轴到局部坐标系x₁y₁z₁的z₁轴为逆时针方向旋转时，β<0；当从全局坐标系xyz的z轴到局部坐标系x₁y₁z₁的z₁轴为顺时针方向旋转时，β>0。出射光线在倾斜照明面上的落点T在全局坐标系xyz下的坐标表示为(t_x,t_y,t_z)，在局部坐标系x₁y₁z₁下的坐标表示为(t_x1,t_y1,t_z1)。矢量P为点P的位置矢量，是一个由全局坐标系的原点指向点P的矢量；矢量T为点T的位置矢量，是一个由全局坐标系的原点指向点T的矢量；参见附图2，根据折射定律O＝n×I+P₁×N，求得出射光线的单位方向向量O＝(O_x,O_y,O_z)，并建立点P和目标点T之间的坐标关系

其中，P_x、P_y和P_z为点P位置矢量P的三个分量；O_x、O_y和O_z为点P处出射光线单位方向向量O的三个分量；N为自由曲面在点P处的单位法式，角度α是矢量I和矢量N的夹角；n为自由曲面透镜所用材料的折射率，自由曲面透镜周围介质为空气；

(3)根据步骤(2)得到的点P和目标点T之间的坐标关系还需满足倾斜照明面在全局坐标系下的方程，有以下关系

At_x+Ct_z+D＝0

其中，A＝sinβ、C＝cosβ以及D＝-C×L，L为倾斜照明面与全局坐标系xyz的z轴交点B₃的z坐标；根据该关系进一步得到目标点T的全局坐标

(4)根据步骤(3)得到点P的全局坐标(t_x,t_y,t_z)，并由点P的全局坐标和局部坐标之间的变换关系得到点P的局部坐标(t_x1,t_y1,t_z1)，有以下关系式

(5)根据局部能量守恒定律，在不考虑能量损失的情况下，要求由光源出射的任意一条细光束经自由曲面透镜偏折后其所有能量被传输至倾斜照明面上的目标照明区域，即自由曲面透镜对细光束的偏折满足以下能量关系式

其中，为光源的强度分布，E(t_x1,t_y1)为倾斜照明面上目标照明区域的照度分布，J(T)为位置矢量T的Jacobi矩阵，0≤θ≤2π，其中为入射到自由曲面透镜单元的光束的最大发散角；

(6)自由曲面在满足步骤(5)中的能量传输方程的同时还要保证光束的边界光线经自由曲面偏折后入射到目标面照明区域的边界，即满足以下边界条件

其中，Ω₁表示入射到自由曲面透镜上的光束的总立体角，Ω₂表示倾斜照明面上目标照明区域，和分别为区域Ω₁和Ω₂的边界；

(7)对步骤(5)中的能量传输方程和步骤(6)中的边界条件联立求解，得到一组离散数据点，通过对该组数据点进行曲面拟合即可得到自由曲面单元。

所述的自由曲面透镜单元的入射面S1为球面，出射面S2为自由曲面，参见附图3。所述的自由曲面透镜单元是LED光源之后的整形透镜，即LED二次透镜，参见附图4。

实施例：自由曲面透镜单元拟采用如附图3所示的结构类型，入射面S1采用球面，出射面S2为自由曲面，LED光源位于入射面S1的球心处，并假定该LED光源的强度分布满足要求光源的出射光束经该自由曲面透镜偏折后在倾斜照明面的目标照明区域产生一个均匀的矩形照明光斑。入射面球面S1的顶点的z坐标为12mm，出射面自由曲面S2的顶点的z坐标为25mm，倾斜照明面和全局坐标系xyz的z轴的交点B₃的z坐标为3000mm，倾斜照明面的倾斜角度β＝34°；矩形照明光斑的长为4000mm，宽为5000mm，自由曲面透镜的折射率为n＝1.4935，透镜周围介质为空气，入射到自由曲面透镜上的光源最大出射角度为

根据折射定律O＝n×I+P₁×N，求得出射光线的单位方向向量O＝(O_x,O_y,O_z)，并建立点P和目标点T之间的坐标关系

其中，P_x、P_y和P_z为点P位置矢量P的三个分量；O_x、O_y和O_z为点P处出射光线单位方向向量O的三个分量；N为自由曲面在点P处的单位法式，角度α是矢量I和矢量N的夹角。点P和目标点T之间的坐标关系还需满足倾斜照明面在全局坐标系下的方程，有以下关系

At_x+Ct_z+D＝0

其中，A＝sinβ、C＝cosβ以及D＝-C×L，L为倾斜照明面与全局坐标系xyz的z轴交点B₃的z坐标；根据该关系进一步得到目标点T的全局坐标

由点P的全局坐标(t_x,t_y,t_z)，并由点P的全局坐标和局部坐标之间的变换关系得到点P的局部坐标(t_x1,t_y1,t_z1)，有以下关系式

根据局部能量守恒定律，在不考虑能量损失的情况下，要求由光源出射的任意一条细光束经自由曲面透镜偏折后其所有能量被传输至倾斜照明面上的目标照明区域，即自由曲面透镜对细光束的偏折满足以下能量关系式

其中，为光源的强度分布，E(t_x1,t_y1)为倾斜照明面上目标照明区域的照度分布，J(T)为位置矢量T的Jacobi矩阵，0≤θ≤2π，其中为入射到自由曲面透镜的光束的最大发散角。进一步化简该能量传输方程，可得到以下椭圆型Monge-Ampère方程

其中，ρ_θθ、和分别是ρ关于角度θ和的二阶偏导数和混合偏导数，系数为保证倾斜照明面上目标照明区域的形状，还需施加一定的边界条件

其中和分别为区域和的边界。

对于这样一个高度非线性的偏微分方程，只能求得其数值解。首先需要将入射到自由曲面透镜上的光束所在的区域Ω₁离散化，得到一组离散的网格点，并且在每个网格节点对应一个偏微分方程；之后，采用差分替代偏微分方程中的一阶偏导数和二阶偏导数，则可将能量传输方程和边界条件转换成一个非线性方程组；最后，采用牛顿法求解该非线性方程组即可得到一组离散数据点。在CAD软件中对该组离散数据点进行曲面拟合即可得到自由曲面，从而可构建出该自由曲面透镜模型，见附图5。对自由曲面透镜模型追迹光线，在倾斜目标照明面上得到照度分布图，见附图6。随后，将自由曲面透镜单元沿全局坐标系xyz的x轴和y轴排布成一个3×3的自由曲面透镜阵列，自由曲面透镜单元在x轴和y轴方向上的阵列间距均为50mm，见附图7。对自由曲面透镜阵列模型追迹光线，在倾斜目标照明面上得到照度分布图，见附图8。该照度分布图清楚地表明，本发明所提出的用于倾斜面均匀照明的自由曲面透镜阵列有效地实现了预定的目标照明。

由实施例可知，采用本发明所提出的用于倾斜面均匀照明的自由曲面透镜阵列可在倾斜照明面上实现预定的光分布，可获得连续的自由曲面，实现了自由曲面的可加工，具有显著的实际意义。