用于LED扩展光源的自由曲面准直器的设计方法

摘要

本发明涉及一种用于LED扩展光源的自由曲面准直器的设计方法，其包括如下步骤：a、在LED扩展光源上选择W个等间距的发光点；b、得到任意一个发光点的采样自由曲面；c、得到所有的W个采样自由曲面；d、得到位于光源中心点出射的F条叠加定位射线；e、得到与所述叠加定位射线相对应的加权叠加曲面点；f、重复上述步骤e，以得到所有叠加定位射线的加权叠加曲面点；利用所有的加权叠加曲面点组成自由曲面准直器的准直自由曲面。本发明步骤简单，能使得自由曲面准直器与LED扩展光源更适配，有效减少LED扩展光源输出光线的发散角，适应范围广，安全可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及一种方法，尤其是一种用于LED扩展光源的自由曲面准直器的 设计方法，属于LED照明的技术领域。

背景技术

LED因其节能、环保、寿命长、稳定性好等诸多优点已广泛应用于照明领 域。然而，由于LED发散角大等特点，使其并不能直接应用于远距离的照明， 如：手电筒、信号灯等，因此需要设计一个二次光学透镜，使LED输出光的发 散角变小，这种装置称为准直器。

设计LED二次透镜，实现LED准直照明的设计方法有多种，但现有方法都 是基于点光源进行设计，也就是把LED光源看作是一个发光点。然而，随着LED 功率的提升，LED光源尺寸也越来越大了，如果将大尺寸LED看作点光源来设 计二次透镜，设计出来的结果会误差很大的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于LED扩展光源 的自由曲面准直器的设计方法，其步骤简单，能使得自由曲面准直器与LED扩 展光源更适配，有效减少LED扩展光源输出光线的发散角，适应范围广，安全 可靠。

按照本发明提供的技术方案，一种用于LED扩展光源的自由曲面准直器的 设计方法，所述自由曲面准直器的设计方法包括如下步骤：

a、提供待准直的LED扩展光源，并在所述LED扩展光源上选择W个等间 距的发光点；

b、任选上述的一个发光点，并将所述选取的发光点作为点光源，且将所述 点光源的出光范围按等角度间隔采样，以得到位于点光源出光范围内的F条采 样光线；所述F条采样光线经自由曲面准直器的自由曲面准直，以得到具有F 个准直交点作为采样点的采样自由曲面；

c、对于选取剩余的(W-1)个发光点，重复上述步骤b，以得到所有的W 个采样自由曲面；

d、选定位于LED扩展光源中心的发光点，并将所述选定的光源中心作为 一个起始点，从该起始点出射T条等角度间隔的射线，作为T条叠加定位射线；

e、对于任一的叠加定位射线，确定所述叠加定位射线与所有采样自由曲面 的交点，以得到所述叠加定位射线相对应的叠加交点；将得到所述叠加定位射 线的所有叠加交点进行加权叠加，以得到与所述叠加定位射线相对应的加权叠 加曲面点；

f、重复上述步骤e，以得到所有叠加定位射线的加权叠加曲面点；利用所 有的加权叠加曲面点组成自由曲面准直器的准直自由曲面。

所述LED扩展光源上选取发光点个数W为3～5。

对于任意的叠加定位射线，利用所有的叠加交点得到加权叠加曲面点 G(x,y,z)为：

$\left(\begin{array}{c}x=\underset{j=1}{\overset{K}{\Sigma }}{w}_j{x}_j\\ y=\underset{j=1}{\overset{K}{\Sigma }}{w}_j{y}_j\\ z=\underset{j=1}{\overset{K}{\Sigma }}{w}_j{z}_j\end{array}\right)$

其中，(x_j,y_j,z_j)为叠加定位射线与相应的采样自由曲面相交确定 的叠加交点。

本发明的优点：在LED扩展光源上选取多个等间距分布的发光点，并将所 述发光点按照点光源设计方法得到每个发光点对应的采样自由曲面，选取LED 扩展光源的中心发光点，并将中心点光源按等角度间隔划分得到叠加定位射线， 将每条叠加定位射线上的叠加交点按权重进行叠加，得到加权叠加曲面点，利 用所有的加权叠加曲面点组成自由曲面准直器的准直自由曲面，步骤简单，能 使得自由曲面准直器与LED扩展光源更适配，有效减少LED扩展光源输出光线 的发散角，适应范围广，安全可靠。

附图说明

图1为本发明对选取的发光点得到采样自由曲面的示意图。

图2为本发明得到多个采样自由曲面的示意图。

图3为本发明进行加权叠加的示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

为了能使得自由曲面准直器与LED扩展光源更适配，有效减少LED扩展光 源输出光线的发散角，提高适应范围，本发明自由曲面准直器的设计方法包括 如下步骤：

a、提供待准直的LED扩展光源，并在所述LED扩展光源上选择W个等间 距的发光点；

本发明实施例中，对于提供的LED扩展光源，在LED扩展光源上选取W 个等间距的发光点，一般地，所述选取的发光点W为3～5个，选取的发光点个 数W可以根据需要进行选取，具体选取确定的过程为本技术领域人员所熟知， 此处不再赘述。

b、任选上述的一个发光点，并将所述选取的发光点作为点光源，且将所述 点光源的出光范围按等角度间隔采样，以得到位于点光源出光范围内的F条采 样光线；所述F条采样光线经自由曲面准直器的自由曲面准直，以得到具有F 个准直交点作为采样点的采样自由曲面；

本发明实施例中，对LED扩展光源进行准直的自由曲面准直器具有两个面， 其中，内表面为球面，外表面为自由曲面，球面的直径一般是小于LED扩展光 源尺寸的5倍，对于内表面的球面不需要设计，只需要确定外表面的自由曲面 即可确定自由曲面准直器。

对于确定的LED扩展光源，所述LED扩展光源的发散角相应确定，从而每 个点光源的出光范围随之确定，每个点光源的出光范围与LED扩展光源的发散 角相一致。当每个点光源的出光范围确定后，可以根据需要进行等角度的间隔 采样，所述间隔角度可以根据需要进行确定，一般间隔角度可以为1°。等间隔 角度确定后，能得到采样光线的数量F，所述采样光线F与自由曲面相交，以得 到具有F个准直交点的采样自由曲面。

如图1所示，O₁为选取的发光点形成的点光源，点光源O₁发出的光束经过 内球面S₁折射后由自由曲面S₂准直，内球面半径为R，自由曲面准直器的边缘厚 度为d，自由曲面准直器的边缘到目标面S₃到距离为h，点光源O₁偏离中心的 距离为t，点光源O₁的发散边界角为α₁，P₁为内表面S₁的边缘点，Q₁为自由曲 面S₂的边缘点。O₁P₁经过内球面S₁在点P₁发生折射，入射到自由曲面S₂的Q₁点后 准直出射，Q₁点是自由曲面的边界点，开始时候设定的，属于已知点，光线经 过Q₁点出射后交目标面S₃于点M₁。则入射光线用矢量出射光线用矢量表示，这两个矢量都是可以获得，这样可以获得自由曲面Q₁点处，单位法线矢 量u点光源O₁的F条采样光线经自由曲面准直后，在自由曲面上得到F个准 直交点，根据F个准直交点能形成采样自由曲面。

c、对于选取剩余的(W-1)个发光点，重复上述步骤b，以得到所有的W 个采样自由曲面；

本发明实施例中，对于剩余的W-1个发光点，依据上述步骤b，能得到响 应的采样自由曲面，从而能得到所有的W个采样自由曲面，如图2所示。

d、选定位于LED扩展光源中心的发光点，并将所述选定的光源中心作为 一个起始点，从该起始点出射T条等角度间隔的射线，作为T条叠加定位射线；

本发明实施例中，对于确定的LED扩展光源能直接选取中心的发光点，按 等角度间隔采样后，能得到T条叠加定位射线，得到T条叠加定位射线的过程 可以参考上述的说明。

e、对于任一的叠加定位射线，确定所述叠加定位射线与所有采样自由曲面 的交点，以得到所述叠加定位射线相对应的叠加交点；将得到所述叠加定位射 线的所有叠加交点进行加权叠加，以得到与所述叠加定位射线相对应的加权叠 加曲面点；

本发明实施例中，将所有的采样自由曲面置于同一坐标系内，对于任意的 叠加定位射线能确定与所有采样自由曲面的交点，并将与每个采样自由曲面的 交点定为叠加交点。将所有由同一叠加定位射线确定的叠加交点进行加权叠加， 从而能得到一个加权叠加曲面点。具体地，对于任意的叠加定位射线，利用所 有的叠加交点得到加权叠加曲面点G(x,y,z)为：

$\left(\begin{array}{c}x=\underset{j=1}{\overset{K}{\Sigma }}{w}_j{x}_j\\ y=\underset{j=1}{\overset{K}{\Sigma }}{w}_j{y}_j\\ z=\underset{j=1}{\overset{K}{\Sigma }}{w}_j{z}_j\end{array}\right)$

其中，w_j为加权系数，(x_j,y_j,z_j)为叠加定位射线与相应的采样自 由曲面相交确定的叠加交点。一般地，可以采用平均加权。

假定在LED扩展光源上取3个的发光点，所述选取的发光点分别为O₁、 O₂、O₃，根据步骤b可以得到发光点O₁、发光点O₂、发光点O₃相对应的采样 自由曲面C₁、采样自由曲面C₂以及采样自由曲面C₃。如图3所示，O点为LED 扩展光源的中心发光点，过中心点光源O按等角度间隔作一系列的射线，其中 任意一条叠加定位射线与采样自由曲面的叠加交点分别为G₁(x₁₁,y₁₁)、G₂(x₂₁,y₂₁)、 G₃(x₃₁,y₃₁)，可以通过加权叠加的方法得到叠加后的一个新的点的位置，即加权 叠加曲面点G(X₁，Y₁)的位置坐标为X₁＝w₁x₁₁+w₂x₂₁+w₃x₃₁， Y₁＝w₁y₁₁+w₂y₂₁+w₃y₃₁，其中，w₁、w₂、w₃分别为加权系数，加权系数是归一化 的，每个系数是0-1之间，这些系数加起来等于1。叠加定位射线与多个采样自 由曲面确定的叠加交点进行加权叠加过程可以参考上述的说明，具体不再赘述。

f、重复上述步骤e，以得到所有叠加定位射线的加权叠加曲面点；利用所 有的加权叠加曲面点组成自由曲面准直器的准直自由曲面。

本发明实施例中，根据上述步骤，得到所有叠加定位射线的加权叠加曲面 点，并利用所有的加权叠加曲面点组成自由曲面准直器的准直自由曲面轮廓， 将所述准直自由曲面轮廓进行360度旋转，从而能得到自由曲面准直器。

本发明在LED扩展光源上选取多个等间距分布的发光点，并将所述发光点 按照点光源设计方法得到每个发光点对应的采样自由曲面，选取LED扩展光源 的中心发光点，并将中心点光源按等角度间隔划分得到叠加定位射线，将每条 叠加定位射线上的叠加交点按权重进行叠加，得到加权叠加曲面点，利用所有 的加权叠加曲面点组成自由曲面准直器的准直自由曲面，步骤简单，能使得自 由曲面准直器与LED扩展光源更适配，有效减少LED扩展光源输出光线的发散 角，适应范围广，安全可靠。