用于均匀照明的折射式自由曲面设计方法及其透镜

摘要

本发明公开了一种用于均匀照明的折射式自由曲面的设计方法及其透镜。采用朗伯光源S0，用于折转光束的自由曲面S1，用于反射特定发散角内光线的侧面S2，基底面S3；其中S1由采用基于“逆向照明模型”的中心自由曲面S1.1，基于“正向照明模型”的自由曲面S1.3、S1.5，垂直基底面S3的圆柱面S1.2、S1.4构成，S1.1、S1.3、S1.5呈阶梯状排列。对于S0发出的发散半角小于45°的光线，通在中心自由曲面S1.1发生折射后直接到达照明区域D；发散半角在45°～90°之间的光线，将首先经过反射面S2的反射之后，再通过自由曲面S1.3或S1.5的折射，到达照明区域D。本发明结构简单、光能利用率高、小的出射光线发散角度、照度均匀。

说明书

技术领域

本发明属于光学技术与照明技术领域，具体涉及一种用于均匀照明的折射式自由曲面的设计方法及其透镜。

背景技术

人造光源作为人类历史上最伟大的发明之一，它的出现对人类文明演化产生了深远的影响，其自身也随着科技的发展不断进步。LED作为一种新兴的人造光源，由于其体积小、能耗低、单色性好等优点，已经展现出了极为广阔的应用前景。但是，目前的LED尚存在许多不足——单个LED的总光能量较低，且大部分LED产品都具有大发散角(180°)的朗伯分布发光曲线，因此并不适用于单独用于照明系统。在大多数应用场合，人们需要附加的光学器件与LED配合，实现在特定距离照明区域内的均匀照明。

科研工作者在过去的时间里已经为我们提供了若干种解决方案：在2000年西田信夫的《大屏幕显示》一书中提到了使用复眼透镜和方棒系统均匀光线的方法。这些基于传统成像光学原理的方法虽然解决了在特定照明区域内实现均匀照明的问题，但是由于它们本身性质的限制，存在一个特定的收集角度，因此并不能实现对于LED发出光能的完全利用。同时，各种解决方案都需要大量的光学元件相互配合形成一套光学系统才能实现其功能，因此相对比较复杂，对于小型化系统来说，并不适用，而在微型化日益成为一种趋势的今天，传统均匀照明系统的局限性也日渐明显。

也有人基于非成像光学原理设计器件进行均匀光线，如John Bortz等人于1999年在“Advanced nonrotationally symmetric reflector for efficient anduniform illumination”中提到使用一种改进的CPC系统均匀光线的方法，虽然其充分考虑了均匀性和光能利用率，但是仍然没有能够摆脱传统CPC系统体积过大特别是光轴方向长度过长的缺陷；Trentelmen等人于2002年在美国专利US6,429,581“TlR Lens for Uniform Brightness”中提到了使用一种被称为“蘑菇透镜(Mushroom Lens)”的自由曲面透镜与一个相应的全反射透镜相配合的方式实现对于特定区域的均匀照明，由于其原理决定所使用的全反射透镜必须与需要照明的区域大小完全相同，虽然非常适用于LCD背电源的设计，但是对于其它均匀照明系统并不具有很好的适用性。

发明内容

本发明的目的是提供一种使特定照明区域获得均匀照明的折射式自由曲面的设计方法和物镜，以替代原有的成像式均匀照明系统，使整个照明系统更加简单、结构更加紧凑。

用于均匀照明的折射式自由曲面的设计方法包括：

1)采用朗伯光源S0，用于折转光束的自由曲面S1，用于反射特定发散角内光线的侧面S2，基底面S3；

2)采用基于“逆向照明模型”的中心自由曲面S1.1，基于“正向照明模型”的自由曲面S1.3、S1.5，垂直基底面S3的圆柱面S1.2、S1.4构成整个自由曲面S1，自由曲面S1.1、S1.3、S1.5呈阶梯状排列；

3)采用将光源S0包埋入整个折射式自由曲面透镜的方式实现对于光源S0整个发光区域的覆盖，通过自由曲面S1的光线其最大发散半角为6～9°；

4)采用光源发出的所有光线只照明目标面。其中从光源S0发出的发散半角在θ内的所有光线，其在照明目标面上的圆形照明区域半径x_d将由如下公式确定：

使用正向照明模型时：

使用逆向照明模型时：

其中R指整个照明目标面D的半径，θmax指光源S0发出光线的最大发散半角。

所述的自由曲面S1的构建方法是：以坐标点(0，0，1)作为自由曲面计算初值，首先考虑二维情况，在X、Z平面内假设自由曲面上点坐标为(x，z)，根据坐标写出经过该点的入射光线和出射光线矢量关于x和z的表达式，再根据折射定律确定该点法向分量关于x和z的表达式，根据法向分量与z关于x的微分之间的关系，整理得到d关于x和z的显式表达式，利用Ronge-Kutta法求解该微分方程得到x和z的离散解，经过样条插值增大取点密度，将得到的轨迹点绕Z轴旋转360°，即得到了整个自由曲面。

自由曲面S1.1、S1.3、S1.5呈阶梯状排列：S1.3内侧坐标z值大于S1.1外侧坐标z值0.05，在几何上即表现为柱面S1.2高度；S1.5内侧坐标z值大于S1.3外侧坐标z值0.63，在几何上即表现为柱面S1.4高度。

一种用于均匀照明的折射式自由曲面透镜：从光源S0发出的光线其发散半角为90°的，将分成两条光路到达照明区域D，其中发散半角小于45°的光线，从光源S0发出后，通在中心自由曲面S1.1发生折射后直接到达照明区域D；发散半角在45°～90°之间的光线，将首先经过反射面S2的反射之后，再通过自由曲面S1.3或S1.5的折射，到达照明区域D。

另一种用于均匀照明的折射式自由曲面透镜：从光源S0发出的光线其发散半角为0～75°的：从光源S0发出的光线，将仅通过单一的自由曲面S1发生折射后直接到达照明区域D；侧面S2与照明区域D保持垂直。

上述的用于均匀照明的自由曲面透镜，所说的“正向照明模型”是指：以整个系统光轴Z轴为中心轴，从光源S0发出的光线中，到达照明区域D时所处的位置，将随着光线与Z轴的夹角的增大而逐渐靠近照明区域D的边缘，其中最初沿着Z轴的中心光线也将到达照明区域D的中心位置。

上述的用于均匀照明的自由曲面透镜，所说的“逆向照明模型”是指：以整个系统光轴Z轴为中心轴，从光源S0发出的光线中，到达照明区域D时所处的位置，将随着光线与Z轴的夹角的增大而逐渐靠近照明区域D的中心，其中最初沿着Z轴的中心光线也将到达照明区域D的边缘位置。

本发明的优点是：

1)采用自由曲面构建方法，仅通过一次折射保证照明区域的均匀照明，结构简单；

2)采用将光源包埋进透镜的方法，与反射面相配合，达到对于光源全发散角度内光线的利用；

3)整体控制较小的出射光线发散角度；

4)通过多种照明模型保证照明区域内的照度均匀性。

5)包括可以应用于小角度情况(0～75°)的简化模型，进一步简化结构、降低成本。

6)本发明可以应用于多种需要使用限定发散角光线对特定区域进行均匀照明的场合，尤其适用于功率限制较为严格的场合：如小型化投影系统、各种公共照明系统(走廊照明灯具、展览照明灯具)、便携式照明系统(手电筒、头灯)等。

附图说明

图1是用于均匀照明的折射式自由曲面透镜的结构示意图；

图2是本发明部件之一的自由曲面S1的详细结构示意图；

图3是本发明所应用的正向照明模型的光线传播示意图；

图4是本发明所应用的逆向照明模型的光线传播示意图；

图5是本发明所应用的混合照明模型的光线传播示意图；

图6是本发明的特征光线传播示意图；

图7是本发明在折射式自由曲面S1阶梯状部分的局部放大图；

图8是本发明在照明区域上得到的典型照度分布图；

图9是本发明的典型光线发散角度分布图；

图10是本发明应用于小型投影系统的结构简图；

图11是本发明应用于展览照明用灯的结构简图；

图12是本发明应用于发散半角30°的光源的实施例I示意图；

图13是本发明应用于发散角30°的光源的实施例II示意图；

图14是本发明应用于发散角30°的光源的实施例III示意图；

图15是本发明应用于矩阵式照明灯的结构简图；

图16是本发明应用于发散半角60°的光源的实施例I示意图；

图17是本发明应用于发散角60°的光源的实施例II示意图。

具体实施方式

本发明基于非成像光学原理，结构简单，空间体积小，仅需要使用单一的光学原件与LED配合即可以实现对于特定照明区域的均匀照明；其理论收集角可以达到180°，覆盖LED整个发光区域，具有极好的光能利用率。正是上述原因使得简化结构、降低成本成为可能。

用于均匀照明的折射式自由曲面透镜包括：

1)采用朗伯光源S0，用于折转光束的自由曲面S1，用于反射特定发散角内光线的侧面S2，基底面S3；

2)采用基于“逆向照明模型”的中心自由曲面S1.1，基于“正向照明模型”的自由曲面S1.3、S1.5，垂直基底面S3的圆柱面S1.2、S1.4构成整个自由曲面S1，自由曲面S1.1、S1.3、S1.5呈阶梯状排列；

3)采用将光源S0包埋入整个折射式自由曲面透镜的方式实现对于光源S0整个发光区域的覆盖，通过自由曲面S1的光线其最大发散半角为6～9°；

4)采用光源发出的所有光线只照明目标面。其中从光源S0发出的发散半角在θ内的所有光线，其在照明目标面上的圆形照明区域半径X_d将由如下公式确定：

使用正向照明模型时：

使用逆向照明模型时：

其中R指整个照明目标面D的半径，θmax指光源S0发出光线的最大发散半角。

如图1所示，本发明依次具有朗伯光源S0，用于折转光束的自由曲面S1，用于反射特定发散角内光线的反射面S2，基底面S3；其中自由曲面S1由基于“逆向照明模型”的中心自由曲面S1.1，基于“正向照明模型”的自由曲面S1.3、S1.5，垂直基底面S3的圆柱面S1.2、S1.4构成，如图2所示。从相对光源S0的位置上来看，S1.1、S1.3、S1.5依次升高。

按照如下方法可以生成该自由曲面：以光源S0所在位置为坐标轴原点，将整个照明系统的主光轴方向定义为Z轴方向，这样，照明目标平面D的坐标就可以由Z轴坐标所唯一确定，设其距离光源S0的距离为H，则照明目标平面D与主光轴(即Z轴)交点坐标为(0，0，H)。由于照明系统呈轴对称分布，只需要考察自由曲面某个包含Z轴平面的交界线轨迹分布，然后再将其围绕Z轴旋转即可以得到整个自由曲面的三维面型。为了方便计算，选取X正半轴与Z正半轴组成的平面进行初始计算。

根据矢量形式的折射率公式

其中和分别代表相对于自由曲面S1的入射光线和出射光线，n是所用介质的折射率，其值取为1.5。

当仅仅考虑二维情况即X正半轴与Z正半轴平面时，设自由曲面轨迹上点坐标为(x，z)，可以得到：

其中dx、dz分别是x和z的微分，x_d是照明面上一点，如图3、4、5。

代入公式(1)，可以得到关于微分方程