采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统及其设计方法

摘要

本发明包括采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统及其设计方法，根据该方法获得的LED配光系统，以及LED封装的一次光学系统。LED配光系统设计方法将LED发出的光分为两个部分，区分根据是按光线与LED光轴的夹角φ来划分；在0°≤φ＜φ

说明书

技术领域

本发明属于非成像光学及照明技术领域，具体涉及一种采用自由曲面透镜及反射器的 LED配光系统及其设计方法。

背景技术

由点光源(如LED)通过透镜及反射器使之形成特定的符合照明需要的光斑，这是照 明界的经典问题。而近几十年非成像光学的逐渐发展则开始能解决这一问题。H.Ries等科 学家研究了Tailoring(裁剪法)，国内研究者也有相关专利及论文阐述了如何设计自由曲 面透镜，然而对于如何有效地对LED全方位角度进行配光设计，则没有相关的研究及报 道。而单单采用透镜或反射器无法对LED的光能量进行最优化的配光，从而导致效率低 下。以下以道路照明、隧道照明举例说明这一问题。

在道路照明、隧道照明等大功率LED灯具应用中，由于灯具需要防尘、防水等功能， 因此，常采用“整体式”灯具的方式，即全部LED器件放置在一个密封的空间中。具体 做法是：LED焊接在铝基板上，铝基板通过导热胶粘贴在带有散热鳍片的铝制灯壳上，LED 的前端有配光透镜或反射镜。在透镜的前边有防水透明外罩。这样做法有如下缺点：

1.所有LED放置在铝制灯壳与透明防水外罩形成的密封腔内，密封性靠防水胶实现，这 样，任何一个LED失效后，维修将及其困难，特别是现场无法维修。

2.用于配光的透镜或反射镜本身至少10％以上的光学损耗，防水透明外罩也有10％以上 的光学损耗。因此，灯具的光学效率只能低于80％。

3.采用内表面为自由曲面、外表面是平面进行配光，可以形成外表面为统一平面的配光 透镜阵列，该透镜阵列可以实现配光的同时实现模组的防水防尘功能。但该方法只能 对LED发出的与其光轴成一定角度(常为60度)以内的光线调整方向，对大于该角 度的光线无法进行调整方向。因此，不能获得高的光学效率。

因此，本发明正是针对如何对全立体角进行配光给出了一个具体的解决方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种针对点光源(如LED)全立体角的光能量进行合理配光的设 计方法，主要采用透镜及反射器相结合的设计方法。采用此方法的原因在于单单采用透镜 或反射器有其局限性，主要在于当目标光斑对应光源的立体角过大或过小时，由折射定律 及能量对应关系得到的自由曲面的数据点会出现较严重的离散，导致透镜或反射器尺寸过 大，在一定情况下，甚至无法得到希望的透镜及反射器。例如一个透镜采用内表面为自由 曲面、外表面是平面进行配光，可以形成外表面为统一平面的配光透镜，但该方法只能对 LED发出的与其光轴成一定角度以内的光线调整方向，对大于该角度的光线无法进行调整 方向。因此，不能获得高的光学效率。本发明采用透镜与反射器结合的方法，可实现各种 配光要求且高效率。本发明的主旨思想是将光源发出的光分块设计，从而使配光效率最优 化。本发明给出的方法可以应用于多种具体产品如LED矿灯、LED隧道灯、LED路灯、LED 汽车灯、LED机场等灯、LED医用手术灯、LED牙科灯等等各种LED产品。

根据本发明的一个方面，提供有一种采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方 法，将LED发出的光线分为两个部分，区分根据是按光线与LED光轴的夹角φ来划分； 在0°≤φ＜φ₀时，光线经过自由曲面透镜折射后出射；在φ₀≤φ≤90°时，光线经过反射 器反射后出射，也可以经过反射器反射再经过一般透镜或者自由曲面透镜出射。

进一步，该采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法中的φ₀取50°～70°。

进一步，该采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法的具体步骤如下：

(1)对φ1，即0°≤φ＜φ₀部分的光线的配光设计为经透镜折射出射，首先设定 LED在这个角度范围的空间能量分布与经过透镜折射后的出射光能量分布的对应 关系，根据设定的对应关系建立能量方程；

(2)然后对φ2，即φ₀≤φ≤90°部分的光线进行配光设计，采用反射器进行配光， 首先设定光源在这个角度范围的空间能量分布与经过反射器反射后的出射光能量 分布的对应关系，根据设定的对应关系建立能量方程，具体对应关系有两种形式： 以两极为中心在不同的经度向低纬度逐渐展开的辐射对应形式与以赤道某一点为 中心按其经线与纬线的自然划分进行的网格对应关系，具体方程如下：

对于以两极为中心在不同的经度向低纬度逐渐展开的辐射对应形式，表达式如下：

其中，为光源空间能量分布，为光强函数，表示经反 射后的出射光能量分布，为出射光线的 光强，为立体角的转换因子，左式表示入射光线与初始入射光线之间所包围 的光通量，右式表示出射光线与初始出射光线之间所包围的光通量；

对于以赤道某一点为中心按其经线与纬线的自然划分进行的网格对应关系，表达 式为：

为某目标面得照度分布函数，初始入射光线(θ，π/2)对应该光线在接受 屏或观测屏上的初始位置(x₀，y₀)，为出射光线在接受屏 (x₀+Δx，z₀+Δz)位置上的照度；

(3)对于折射率公式${[1+n^2-2n(\overrightarrow{\mathrm{Out}}·\overrightarrow{\mathrm{In}})]}^{1/2}\overrightarrow{N}=\overrightarrow{\mathrm{Out}}-n\overrightarrow{\mathrm{In}},$n＝1时为反射率公式， 由此建立入射光矢量与经反射器部分反射后的出射光矢量的关系方程，以光源为原 点，令一垂直y轴的位于y₀处的目标照明面上点t的坐标用直角坐标系表示，对反 射器反射面上一点p的坐标用球坐标表示，为由原点指向t点的矢量，为由原 点指向p点的矢量，假设反射器情况是一由外表面作为反射面并且反射的光直接 入射到目标面，则可得t点直角坐标用p点表达的表达式：

其中A为一变量，可消除：由于y＝y₀，即目标面垂直于y轴，位于y₀处，又因实际 情况下，目标照明面与反射器距离相对于反射器大小而言足够远，所以可认为反射 器大小可忽略不记，经简化后，可用y₀表示A，从而把x和z表达式中的A消去；

(4)a.对于反射面为一物体外表面，且反射的光经薄平面后照射到目标面，表达 式的求解过程与步骤(3)一致；

b.对于反射面为一物体外表面，且反射光经自由曲面透镜后入射到目标面，则需 要考虑透镜曲面部分对于光线线路的改变。当透镜是一已知透镜，则曲面上任意 点q处的法向向量已知，又设p点入射到q点的光线向量代 入反射率及折射率公式后联立方程求解或者通过计算机编程使用试错法求解，可 按与前述步骤(3)方法类似方法求得t点坐标表达式；

c.对于反射面为某一物体的内表面，即采用全反射的方式进行反射器设计，反射 器部分与透镜部分为一体化设计，此时LED入射至全反射面前需经过介质表面进 行折射，折射公式为${[1+n^2-2n(\overrightarrow{\mathrm{Out}}·\overrightarrow{\mathrm{In}})]}^{1/2}\overrightarrow{N}=n\overrightarrow{\mathrm{Out}}-n\overrightarrow{\mathrm{In}},$由此折射公式可建立入 射光与的关系，而全反射面反射光线与的关系式可由介质内表面全反 射公式得到，全反射光线与最终出射光线 的关系可由折射公式${[1+n^2-2n(\overrightarrow{\mathrm{Out}}·\overrightarrow{\mathrm{In}})]}^{1/2}\overrightarrow{N}=\overrightarrow{\mathrm{Out}}-n\overrightarrow{\mathrm{In}}$求得，并由前述步骤

(3)中的简化过程可得到类似的表达式；

d.对于反射面为某一物体的内表面，即采用全反射的方式进行反射器设计，透镜 中间部分为自由曲面，外围是薄平面，反射器部分与透镜部分为非一体化设计， 反射的光线最终经过薄平面出射，此时因薄平面对光线线路改变不大，故求解过 程与步骤(4)的c情况所述相同；

e.对于反射面为某一物体(如PMMA)的内表面，即采用全反射的方式进行反射 器设计，反射器部分与透镜部分为非一体化设计，反射的光线最终经过自由曲面 透镜出射，此时表达式的求解与步骤(4)的情况c和情况d的求解过程即可；

(5)将步骤(3)、(4)中的公式化简并把A用y₀表达后代入用(1)、(2)中叙述 的方法得到的能量方程中，从而得到透镜和反射器曲面的离散点；

(6)利用3D画图软件等对上述离散点拟合成曲面，进而画出实体即可。

进一步，该采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法中，光学系统透镜 部分是内表面为自由曲面，外表面为平面的形式或是外表面为自由曲面，内表面为平面、 柱面、球面、曲面的形式。

根据本发明的另一方面，提供有一种LED配光系统，由上述采用自由曲面透镜及反 射器的LED配光系统设计方法中的步骤(1)、(2)、(3)、(5)以及(6)而获得，所述LED 配光系统是这样的形式：反射器与透镜分离，反射器为一物体的外表面且反射面镀反射膜， 透镜为自由曲面透镜，LED发出的光线的0≤φ＜φ₀部分经过自由曲面透镜折射后直接进入 目标面，φ₀≤φ≤90部分经反射器反射后直接入射到目标面上，LED置于反射器中轴线或 附近，透镜中心也位于反射器中轴线或附近，多个这种LED配光系统同时使用时，透镜 与反射器分别做成透镜阵列与反射器阵列。

根据本发明的另一方面，提供有一种LED配光系统，由上述采用自由曲面透镜及反 射器的LED配光系统设计方法中的步骤(1)、(2)、(3)、(4)-a、(5)以及(6)而获得， 所述LED配光系统是这样的形式：反射器与透镜分离，反射器为一物体外表面且反射面 镀反射膜，透镜中间部分为自由曲面，外围是薄平面，LED发出的光的0≤φ＜φ₀部分经 过透镜的自由曲面部分直接进入目标面，φ₀≤φ≤90部分经过反射器反射再经透镜薄平面 部分折射后入射到目标面上，LED置于反射器中轴线或附近，透镜中心也位于反射器中轴 线或附近，多个这种LED配光系统同时使用时，透镜与反射器分别做成透镜阵列与反射 器阵列。

根据本发明的另一方面，提供有一种LED配光系统，由上述采用自由曲面透镜及反 射器的LED配光系统设计方法中的步骤(1)、(2)、(3)、(4)-b、(5)以及(6)而获得， 所述LED配光系统是这样的形式：反射器与透镜分离，反射器为一物体外表面且反射面 镀反射膜，透镜为自由曲面透镜，LED发出的光的0≤φ＜_φ0部分经过透镜折射直接进入目 标面，φ₀≤φ≤90部分经过反射器反射再经透镜折射后入射到目标面上，LED置于反射器 中轴线或附近，透镜中心也位于反射器中轴线或附近，多个这种LED配光系统同时使用 时，透镜与反射器分别做成透镜阵列与反射器阵列。

根据本发明的另一方面，提供有一种LED配光系统，由上述采用自由曲面透镜及反 射器的LED配光系统设计方法中的步骤(1)、(2)、(3)、(4)-c、(5)以及(6)而获得， 所述LED配光系统是这样的形式，反射器部分与透镜部分为一体化设计，反射面为某一 物体的内表面，即采用全反射的方式进行反射器设计，透镜为自由曲面透镜，LED发出 的光的0≤φ＜φ₀部分经过透镜直接进入目标面，φ₀≤φ≤90部分第一次到达该一体化光学 件的界面后折射，之后到达作为全反射面的界面，在该界面全反射，再到达最后一个界面 并折射到目标面上，LED置于全反射界面中轴线或附近，多个这种LED配光系统同时使用 时，该透镜与反射器的一体化结构做成阵列。

根据本发明的另一方面，提供有一种LED配光系统，由上述采用自由曲面透镜及反 射器的LED配光系统设计方法中的步骤(1)、(2)、(3)、(4)-d、(5)以及(6)而获得， 所述LED配光系统是这样的形式，反射器与透镜分离，即反射面为某一物体的内表面， 采用全反射的方式进行反射器设计，透镜中间部分为自由曲面外围是薄平面，LED发出的 光的0≤φ＜φ₀部分经过透镜直接进入目标面，φ₀≤φ≤90部分第一次到达反射器的界面， 折射后到达作为全反射面的界面，在该界面全反射后经过透镜的薄平面部分折射后到达目 标面上，LED置于全反射界面中轴线或附近，多个这种LED配光系统同时使用时，透镜与 反射器分别做成透镜阵列与反射器阵列。

根据本发明的另一方面，提供有一种LED配光系统，由上述采用自由曲面透镜及反 射器的LED配光系统设计方法中的步骤(1)、(2)、(3)、(4)-e、(5)以及(6)而获得， 所述LED配光系统是这样的形式，反射器与透镜分离，即反射面为某一物体的内表面， 采用全反射的方式进行反射器设计，透镜为自由曲面，LED发出的光的0≤φ＜φ₀部分经过 透镜直接进入目标面，φ₀≤φ≤90部分第一次到达反射器的界面，折射后到达作为全反射 面的界面，在该界面全反射后经过反射器的另一界面折射逸出反射器，到达透镜，经过透 镜折射后到达目标面上，LED置于全反射界面中轴线或附近，多个这种LED配光系统同时 使用时，透镜与反射器可分别做成透镜阵列与反射器阵列。

进一步，上述LED配光系统中的透镜部分是内表面为自由曲面，外表面为平面的形 式或是外表面为自由曲面，内表面为平面、柱面、球面、曲面的形式。

进一步，上述LED配光系统中，在阵列化使用时，所述透镜的优选方案是外表面为 平面，内表面为自由曲面。

根据本发明的又一个方面，提供有一种LED封装的一次光学系统，其如上所述的的 采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法所获得的LED配光系统。

本发明中，所述自由曲面透镜结构与表面形状可以是专利申请号为200910046129.5 名为“一种针对点光源配光透镜的设计方法”的专利中所述的任一结构与形状。

本发明中，所述的LED配光系统结构可以是如图2所示的基本结构，也可以是步骤4、 5-a、5-b、5-c、5-d、5-e所述结构中的任一种：如附图3及附图4所示的情况，即反射面 为一自由曲面式的物体外表面(通过镀膜等方式实现反射)；如附图5、附图6、附图7 所示情况，反射面为某一物体(如PMMA)的内表面，即采用全反射的方式进行反射器 设计的自由曲面。

利用本发明得到的反射器的反射面为类似碗状的自由曲面，其他面可以为各种曲面如 半球、半椭球、平面或柱面等。

利用本发明的透镜及反射器设计方法可应用于LED封装的一次光学设计上。

本发明的优点在于：

1.能够根据需要快速的自动生成透镜及反射器模型，只要更改已知条件即可。

2.克服了单纯利用反射器时无法把2π立体角内的光能都加以利用的缺点，能量利用率 高。

3.克服了单纯利用透镜时因折射角度限制而产生的配光困难，理论上能对任意角度的光 线进行任意角度变换的配光。

4.本发明也可用于LED封装的一次光学设计上。

本发明结合应用实际，设置了多种透镜结合反射器的形式，巧妙的对模型公式进行简 化，并采用了多种对应关系，设计了多种能产生矩形、圆形、梯形、梯形结合矩形圆形等 形状的光斑的透镜、反射器系统，简化了设计过程，丰富了设计方案，对设计形式可以提 供多种选择，并且如果透镜镀上全透膜或反射器镀上反射膜，可使能量几乎无损失，设计 过程高效快捷。

附图说明

附图1是基本的光路图，1是自由曲面透镜(仅为示意，具体形式不定)，2是自由曲 面反射器(仅为示意，具体形式不定)，3是近似点光源的LED。

附图2是一光学系统，其中一部分光由透镜折射后出射，另一部分由反射器直接反射 至目标面。

附图3是一光学系统，其中一部分光由透镜折射后出射，另一部分由反射器反射后经 透镜薄平面部分折射后入射至目标面。

附图4是一光学系统，其中一部分光经由透镜折射后出射，另一部分由反射器反射后 经透镜曲面部分折射后入射至目标面。

附图5是一光学系统，采用透镜反射器一体化设计，其中一部分光经由透镜折射后出 射，另一部分由反射器通过内表面全反射至目标面。

附图6是一光学系统，其中一部分光经由透镜折射后出射，另一部分由反射器的内表 面全反射后经透镜薄平面部分折射后入射至目标面。

附图7是一光学系统，其中一部分光经由透镜折射后出射，另一部分由反射器的内表 面全反射后经透镜曲面部分折射后入射至目标面。

附图8是一阵列化光学系统，对阵列中的任一单元，LED光源的一部分光由透镜折射 后出射，另一部分由反射器反射后经透镜薄平面或曲面部分折射后入射至目标面。

附图9是一阵列化光学系统，对阵列中的任一单元，LED光源的一部分光由透镜折射 后出射，另一部分由反射器反射后经透镜薄平面或曲面部分折射后入射至目标面。

附图10是一阵列化光学系统，对阵列中任一单元，采用采用透镜反射器一体化设计， 其中一部分光经由透镜折射后出射，另一部分由反射器通过内表面全反射至目标面。

附图11是一阵列化光学系统，对阵列中任一单元，LED光源的一部分光经由透镜折 射后出射，另一部分由反射器的内表面全反射后经透镜薄平面部分折射后入射至目标面。

附图12是一阵列化光学系统的俯视图，对阵列中任一单元，LED光源的一部分光经 由透镜折射后出射，另一部分由反射器的内表面全反射后经透镜薄平面部分折射后入射至 目标面。

附图13是一阵列化光学系统，对阵列中任一单元，LED光源的一部分光经由透镜折 射后出射，另一部分由反射器的内表面全反射后经透镜曲面部分折射后入射至目标面。

附图14是一阵列化光学系统的俯视图，对阵列中任一单元，LED光源的一部分光经 由透镜折射后出射，另一部分由反射器的内表面全反射后经透镜曲面部分折射后入射至目 标面。

附图15是实施例1中的自由曲面透镜。

附图16是实施例1中的反射器的自由曲面。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。本发明结合应用实际，设置了多种透镜结合反射器 的形式，巧妙地对模型公式进行简化，并采用多种结构方式，设计了多种能产生矩形或圆 形光斑的自由曲面透镜及反射器的光学系统。

采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法如下步骤：

1、如附图1所示，将LED发出的光分为两个部分，区分根据是按光线的φ角来划分(φ 角即如附图1所示光线与z轴夹角)，φ1部分，即0°≤φ＜φ₀部分的光线经设计由透 镜折射后出射，其自由曲面透镜的设计方法见步骤2。φ2部分即φ₀≤φ≤90°部分的 光线为由反射器反射后出射，或由反射器反射在经过透镜折射后出射，对应的反射器 的设计见步骤3-6。

2、首先对φ1部分光线的配光设计为经透镜折射出射，该自由曲面透镜的设计方法详见 专利申请号为200910046129.5名为“一种针对点光源配光透镜的设计方法”的专利 中具体实施办法部分。

3、然后对φ2部分光线进行配光设计，采用反射器进行配光，首先设定光源在这个角度 范围的空间能量分布与经过反射器反射后的出射光能量分布的对应关系，根据设定的 对应关系建立能量方程。对LED光源，其发光角度一般为2π立体空间，用球坐标系 可以表达，光源空间能量分布与经光学系统后的出射光的能量分布的对应关系可以有 两种：以两极为中心在不同的经度向低纬度逐渐展开的辐射对应形式与以赤道某一点 为中心按其经线与纬线的自然划分进行的网格对应关系。附图与详细叙述见专利申请 号为200910046129.5名为“一种针对点光源配光透镜的设计方法”的专利。设计时 选择其中一种对应方式进行。光源空间能量分布用表示表示，经光学系统 后的出射光能量分布可以用光强函数或某目标面的照度分布函数 表达。以对经纬对应而言，对应关系的表达式如下：

表示入射光线的光通量与出射光线的光通量无损失，为立体角转换因子。

4、由Snell公式即折射率公式，建立入射光矢量与经反射器反射后的出射光矢量之间的 关系方程；所述的建立入射光矢量与经反射器反射之后的出射光矢量此两个矢量之间 的关系方程之间的坐标对应的计算方程如下所述：其中符号表达采用矢量表达方式， 假设反射器情况是如附图2所示为一由外表面作为反射面并且反射的光直接入射到 目标面，则可得t点直角坐标用p点坐标表达的表达式：

其中A为一变量，可消除：由于y＝y₀，即目标面垂直于y轴，位于y₀处，又因实际情 况下，目标照明面与反射器距离相对于反射器大小而言足够远，即所以可认为 反射器大小可忽略不记，即经简化后，可用y₀表示A，从而把x和z表达式中 的A消去；

而对于其他情况，则按下述步骤加以求解：

a.对于如附图3所示的情况，透镜中间部分为自由曲面，外围是薄平面反射面为一 物体外表面，且反射的光经透镜的薄平面部分后入射到目标面，因透镜薄平面对于 光线线路几乎无改变，故表达式的求解过程与步骤3一致；

b.对于如附图4所示的情况，即透镜为自由曲面，反射面为一物体外表面，且反射 光经透镜的曲面部分后入射到目标面，则需要考虑透镜曲面部分对于光线线路的改 变。当透镜是一已知透镜，则曲面上任意点q处的法向向量已知， 又设p点入射到q点的光线向量代入反射率及折射率公式后联立方程求解或者 通过计算机编程使用试错法求解，可按与前述步骤3方法类似方法求得t点坐标表 达式；

c.对于如附图5所示情况，透镜为自由曲面，反射面为某一物体(如PMMA)的内 表面，即采用全反射的方式进行反射器设计，并将反射器与透镜为一体化设计，此 时LED发出的光线入射至该一体化光学件界面后经过第一次折射到达全反射表面， 经过全反射后再经过第二次折射照射在目标面。折射公式为 ${[1+n^2-2n(\overrightarrow{\mathrm{Out}}·\overrightarrow{\mathrm{In}})]}^{1/2}\overrightarrow{N}=n\overrightarrow{\mathrm{Out}}-n\overrightarrow{\mathrm{In}},$由此折射公式可建立入射光与的关系， 而反射光线与的关系式可由介质内表面全反射公式 ${[2n^2-{2n}^2(\overrightarrow{\mathrm{Out}}·\overrightarrow{\mathrm{In}})]}^{1/2}\overrightarrow{N}=n\overrightarrow{\mathrm{Out}}-n\overrightarrow{\mathrm{In}}$得到，反射光线与最终出射光线的关系可 由折射公式${[1+n^2-2n(\overrightarrow{\mathrm{Out}}·\overrightarrow{\mathrm{In}})]}^{1/2}\overrightarrow{N}=\overrightarrow{\mathrm{Out}}-n\overrightarrow{\mathrm{In}}$求得，并由前述步骤3中的简化过程 可得到类似的表达式；

d.对于附图6所示情况，透镜中间部分为自由曲面，外围是薄平面，反射面为某一 物体(如PMMA)的内表面，即采用全反射的方式进行反射器设计，反射器与透镜 为非一体化设计，反射的光线最终经过一薄透镜平面出射，此时因薄透镜平面对光 线线路改变不大，可忽略它的影响，故求解过程与步骤4的c情况所述相同；

e.对于如附图7所示情况，透镜为自由曲面，反射面为某一物体(如PMMA)的内 表面，即采用全反射的方式进行反射器设计，反射器与透镜为非一体化设计，反射 的光线最终经过透镜出射，此时表达式的求解参考步骤4的情况c和情况d的求解 过程即可；

5、将步骤4中的公式化简并把A用y₀表达后代入用步骤3中叙述的方法得到的能量方 程中，从而得到反射器自由曲面的离散点；

6、使用3D画图软件如Solidworks、PRO/E等对上述离散点拟合成曲面，进而画出实体即 可。

根据以上方法设计的LED配光系统，透镜部分可以是内表面为自由曲面，外表面为 平面的形式，也可以是外表面为自由曲面，内表面为平面、柱面、球面、曲面的形式。但 优选方式为外表面为平面，内表面为自由曲面。反射器可以是以上描述的多种形式，包括 但不仅限于：

1.根据上述采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法中的步骤1、2、3、5 以及6获得的LED配光系统是这样的形式：反射器与透镜分离，反射器为一物体的外 表面且反射面镀反射膜，透镜为自由曲面透镜，LED发出的光线的0≤φ＜φ₀部分经过 自由曲面透镜折射后直接进入目标面，φ₀≤φ≤90部分经反射器反射后直接入射到目 标面上，LED置于反射器中轴线或附近，透镜中心也位于反射器中轴线或附近，多个 这种LED配光系统同时使用时，透镜与反射器分别做成透镜阵列与反射器阵列。

2.根据上述采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法中的步骤1、2、3、4-a、 5以及6而获得的LED配光系统是这样的形式：反射器与透镜分离，反射器为一物体 外表面且反射面镀反射膜，透镜中间部分为自由曲面，外围是薄平面，LED发出的 光的0≤φ＜φ₀部分经过透镜的自由曲面部分直接进入目标面，φ₀≤φ≤90部分经过反 射器反射再经透镜薄平面部分折射后入射到目标面上，LED置于反射器中轴线或附近， 透镜中心也位于反射器中轴线或附近，多个这种LED配光系统同时使用时，透镜与反 射器分别做成透镜阵列与反射器阵列。

3.根据上述的采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法中的步骤1、2、3、 4-b、5以及6而获得的LED配光系统是这样的形式：反射器与透镜分离，反射器为一 物体外表面且反射面镀反射膜，透镜为自由曲面透镜，LED发出的光的0≤φ＜φ₀部分 经过透镜折射直接进入目标面，φ₀≤φ≤90部分经过反射器反射再经透镜折射后入射 到目标面上，LED置于反射器中轴线或附近，透镜中心也位于反射器中轴线或附近， 多个这种LED配光系统同时使用时，透镜与反射器分别做成透镜阵列与反射器阵列。

4.根据上述的采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法中的步骤1、2、3、 4-c、5以及6而获得的LED配光系统是这样的形式，反射器部分与透镜部分为一体化 设计，反射面为某一物体的内表面，即采用全反射的方式进行反射器设计，透镜为自 由曲面透镜，LED发出的光的0≤φ＜φ₀部分经过透镜直接进入目标面，φ₀≤φ≤90 部分第一次到达该一体化设计的光学件的界面后折射，之后到达作为全反射面的界 面，在该界面全反射，再到达最后一个界面并折射到目标面上，LED置于全反射界面 中轴线或附近，多个这种LED配光系统同时使用时，该透镜与反射器的一体化结构做 成阵列。

5.根据上述的采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法中的步骤1、2、3、 4-d、5以及6而获得的LED配光系统是这样的形式，反射器与透镜分离，即反射面为 某一物体的内表面，采用全反射的方式进行反射器设计，透镜中间部分为自由曲面外 围是薄平面，LED发出的光的0≤φ＜φ₀部分经过透镜直接进入目标面，φ₀≤φ≤90部 分第一次到达反射器的界面，折射后到达作为全反射面的界面，在该界面全反射后经 过透镜的薄平面部分折射后到达目标面上，LED置于全反射界面中轴线或附近，多个 这种LED配光系统同时使用时，透镜与反射器分别做成透镜阵列与反射器阵列。

6.根据上述的采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法中的步骤1、2、3、 4-e、5以及6而获得的LED配光系统是这样的形式，反射器与透镜分离，即反射面为 某一物体的内表面，采用全反射的方式进行反射器设计，透镜为自由曲面，LED发出 的光的0≤φ＜φ₀部分经过透镜直接进入目标面，φ₀≤φ≤90部分第一次到达反射器的 界面，折射后到达作为全反射面的界面，在该界面全反射后经过反射器的另一界面折 射逸出反射器，到达透镜，经过透镜折射后到达目标面上，LED置于全反射界面中轴 线或附近，多个这种LED配光系统同时使用时，透镜与反射器可分别做成透镜阵列与 反射器阵列。

上述LED配光系统中，透镜部分是内表面为自由曲面，外表面为平面的形式或是外表 面为自由曲面，内表面为平面、柱面、球面、曲面的形式

以上方法设计的LED配光系统，也可以用于LED封装的一次光学设计，形成各种配光 要求的LED器件。

实施例1：透镜及反射器的光学系统采取如附图2所示的形式，即光源的光一部分通 过透镜折射至目标面，另一部分通过反射器反射至目标面且其间不经透镜折射。透镜内表 面采用自由曲面，外表面采用平面。光源采用朗伯发光的LED，即I为中 心光强。目标面在离光源10米处，要求形成长30米，宽10米的巨型均匀光斑，其中心 在y轴上。

首先，对LED发出的光进行划分，取φ0＝60度，则φ1部分即0°≤φ＜60°范围内LED 发出的光线采用自由曲面透镜设计，φ2部分即φ₀≤φ≤90°采用反射器设计。

把LED放置于坐标系原点，令其中心轴与y轴重合。已知又目标面 的照度相同，且中心在y轴上，即令目标面上照度均为E。

对于透镜部分的设计：

已知光通量守恒计算式

设目标矩形光斑的长为l，最大值为L，宽为w，最大值为W，将透镜的分为对称的4 部分，其中任一部分按θ＝45°分为两部分，则由对应可得

w＝hcos(Δθ)

X＝l，y＝h＝10米，z＝w，W＝30米，L＝10米

另，知将上述式子代入折射方程化简，可得到关于ρ的偏微分方 程组。又由有限差分算式

把有限差分代入经化简后的关于ρ的偏微分方程组即可得到自由曲面透镜的内表面 数值点。

把这些数值点导入CAD软件画出透镜的实体图，如附图15所示。

对于反射器部分的设计：

已知光通量守恒计算式

与透镜自由曲面的区别在于

同透镜计算一样得到数值点，并画出实体图。得到的反射器表面如附图16所示。

将以上设计的透镜、反射器与光源按照如下放置形成一个配光光学系统：LED位于反 射器中轴上，透镜中心也位于反射器中轴线上，LED置于坐标原点。

实施例2：透镜及反射器的光学系统采取如附图4所示的形式，即光源的光一部分通 过透镜折射至目标面，另一部分通过反射器反射至透镜部分，再折射至目标面。透镜内表 面采用自由曲面，外表面采用平面。这种形式的光学系统计算对于反射器相对复杂一些， 因为光线先经反射再经折射最后入射至目标面，需要结合反射率公式及折射率公式。对于 光线的映射关系和实施例1中一样，但得到的表达式需要代入反射率公式及折射率公式。 列出方程组后通过计算机迭代求解得曲面上的点，然后通过软件画出实体图。得到的实体 如附图4所示。

实施例3：透镜及反射器的光学系统采取如附图5所示的形式，采用透镜及反射器一 体化设计，光源的光一部分通过透镜折射至目标面，另一部分通过反射器内表面全反射至 目标面。透镜内表面采用自由曲面，外表面采用平面。这种形式的反射器部分需要考虑光 线入射至反射面前需要经过一次折射以进入介质。折射公式 ${[1+n^2-2n(\overrightarrow{\mathrm{Out}}·\overrightarrow{\mathrm{In}})]}^{1/2}\overrightarrow{N}=n\overrightarrow{\mathrm{Out}}-n\overrightarrow{\mathrm{In}},$/结合全反射公式${[2n^2-{2n}^2(\overrightarrow{\mathrm{Out}}·\overrightarrow{\mathrm{In}})]}^{1/2}\overrightarrow{N}=n\overrightarrow{\mathrm{Out}}-n\overrightarrow{\mathrm{In}}$即可得到需要的方程组以求解自由曲面反射器。得到的实体的剖面图如附图5所示。