一種基于三次樣條的雙自由曲面led勻光透鏡設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供了一種基于三次樣條的雙自由曲面LED勻光透鏡設(shè)計方法，屬于LED 二次光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] LED光源較傳統(tǒng)光源有光效高、顯色性好等優(yōu)點，已被用作背光照明光源，應(yīng)用在 例如吸頂燈、廣告燈箱、液晶顯示背光等。LED被當(dāng)作平板面光源時發(fā)光方式主要有側(cè)光式 和直下式。側(cè)光式須結(jié)合導(dǎo)光板使用，平板光源尺寸增大會導(dǎo)致成本增加，光效和照明均勻 度降低，所以一般應(yīng)用在中小尺寸照明中。大面積近場照明通常會選擇直下式。為了實現(xiàn) 大面積均勻照明，燈具制造中常采用大量小功率LED光源密集排布的方法，但這樣須要配 用大面積的基板，成本升高，同時密集排布光源引起的散熱問題會導(dǎo)致LED光衰，縮短燈具 使用壽命。隨著LED發(fā)光效率的不斷提升，將大功率LED擴展光源與散光透鏡組合成系統(tǒng)， 再將系統(tǒng)按需求陣列式排布，可提高燈具穩(wěn)定性和性價比。為了確保照明面的照度均勻度 以及透鏡設(shè)計對LED光源的適用性，直下式透鏡設(shè)計方法的研宄就變得尤為關(guān)鍵。傳統(tǒng)設(shè) 計方法對LED光源進行均勻照明配光時，內(nèi)曲面為半球面等特定面型的透鏡，無法滿足對 照明均勻度的要求，同時具有光源適用性不廣泛的問題。因此，十分有必要尋找一種光源適 用性強，透鏡照明均勻度好的LED透鏡設(shè)計方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明的目的，在于提供一種基于三次樣條的雙自由曲面LED勻光透鏡設(shè)計方 法，按照本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明通過以下步驟實現(xiàn)：
[0004] a.通過LED光源IES文件（光度學(xué)數(shù)據(jù)文件）或利用光線追跡軟件分析，得到需 要設(shè)計透鏡的光源不同發(fā)射角的光強；
[0005] b.對光源光通量及照明目標(biāo)面進行劃分，并建立光源與目標(biāo)面間映射關(guān)系；
[0006]c.設(shè)定數(shù)個擬合點，按三次樣條構(gòu)建初始內(nèi)曲面母線；
[0007] d.按照步驟b中對光源光通量的劃分得到不同發(fā)射角的光線，光線與初始內(nèi)曲面 母線相交，得到交點，以交點對初始內(nèi)曲面母線進行插值，將插值點作為新的擬合點，并以 三次樣條重新進行擬合，得到新的內(nèi)曲面母線并以插值點作為其控制點；
[0008] e.利用Snell定律求得外曲面母線上的離散點坐標(biāo)，連接獲得外曲面母線；
[0009] f.旋轉(zhuǎn)內(nèi)外曲面母線獲得初始LED透鏡模型；
[0010]g.對初始LED透鏡模型進行內(nèi)曲面局部優(yōu)化及外曲面反饋優(yōu)化，直到符合照明需 求。
[0011] 所述步驟C、d中，所述三次樣條為在每組相鄰的4個擬合點間構(gòu)建三次多項式，多 項式在每個區(qū)間內(nèi)的一般式是：
[0012] Yi(x) =aj+bj(x-Xj)+Cj(x-Xj)2+di(x-Xj)3
[0013] 其中（Xi,y)是擬合點的坐標(biāo)，i為擬合點序號，給定n+1個擬合點（i= 0, 1，…，n)，就對應(yīng)n個區(qū)間，通過給定擬合點坐標(biāo)和首末點處的邊界條件，可以解出系數(shù)a^bi，Ci，屯的值，求得曲線方程。
[0014] 每段曲線的一階導(dǎo)數(shù)為：
[0015] y/ (x) =bi+2Ci(x-Xj)+3di(x-Xj)
[0016] 所述步驟e中，利用內(nèi)曲面母線方程，在內(nèi)外自由曲面先后使用Snell定律的矢量 形式來計算光路：
[0017] [n12+n22-2n1n2(0 ?I)]N= ^O-nJ
[0018] 其中1、0分別是內(nèi)外曲面上入射光、出射光的單位向量；N為兩曲面母線法向矢 量；ni、n2分別是出射光、入射光所處介質(zhì)的折射率，在兩曲面上折射率的值要發(fā)生轉(zhuǎn)換。
[0019] 所述步驟g中，外曲面的反饋優(yōu)化，需要對初始透鏡產(chǎn)生的模擬照度圖進行分析 和計算，通過修正步驟b中圓形照面半徑Ri實現(xiàn)優(yōu)化；新的RNEWi為照度圖上照度不勻開始 出現(xiàn)的初始位置，可從具體的初始照度圖中得到，之后的RNEWi+1是在RNEWi的基礎(chǔ)上迭代計算 得到，最終迭代到RNEWn，使之與Rn對應(yīng)，新的半徑可表示為：
【主權(quán)項】
1. 一種基于三次樣條的雙自由曲面LED勻光透鏡設(shè)計方法，其特征是：所述方法通過 以下步驟實現(xiàn)： a. 通過LED光源IES文件（光度學(xué)數(shù)據(jù)文件）或利用光線追跡軟件分析，得到需要設(shè) 計透鏡的光源不同發(fā)射角的光強； b. 對光源光通量及照明目標(biāo)面進行劃分，并建立光源與目標(biāo)面間映射關(guān)系； c. 設(shè)定數(shù)個擬合點，按三次樣條構(gòu)建初始內(nèi)曲面母線； d. 按照步驟b中對光源光通量的劃分得到不同發(fā)射角的光線，光線與初始內(nèi)曲面母線 相交，得到交點，以交點對初始內(nèi)曲面母線進行插值，將插值點作為新的擬合點，并以三次 樣條重新進行擬合，得到新的內(nèi)曲面母線并以插值點作為其控制點； e. 利用Snell定律求得外曲面母線上的離散點坐標(biāo)，連接獲得外曲面母線； f. 旋轉(zhuǎn)內(nèi)外曲面母線獲得初始LED透鏡模型； g. 對初始LED透鏡模型進行內(nèi)曲面局部優(yōu)化及外曲面反饋優(yōu)化，直到符合照明需求。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三次樣條的雙自由曲面LED勻光透鏡設(shè)計方法，其特征 是：所述步驟c、d中，所述三次樣條為在每組相鄰的4個擬合點間構(gòu)建三次多項式，多項式 在每個區(qū)間內(nèi)的一般式是： Yi (X) = (X-Xi) +Ci (X-Xi) 2+φ (X-Xi)3 其中（Xi, y)是擬合點的坐標(biāo)，i為擬合點序號，給定η+1個擬合點（i = 0, 1，…，η)， 就對應(yīng)η個區(qū)間，通過給定擬合點坐標(biāo)和首末點處的邊界條件，解出系數(shù)ai，bp Ci，Cli的值， 求得曲線方程，每段曲線的一階導(dǎo)數(shù)為： y/ (X) =1^+2(^ (X-Xi)+Sdi(X-Xi)'
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三次樣條的雙自由曲面LED勻光透鏡設(shè)計方法，其特征 是：所述步驟e中，利用內(nèi)曲面母線方程，在內(nèi)外自由曲面先后使用Snell定律的矢量形式 來計算光路： · I)]N = Ii2CHi1I 其中1、〇分別是內(nèi)外曲面上入射光、出射光的單位向量；N為兩曲面母線法向矢量；ηι、 n2分別是出射光、入射光所處介質(zhì)的折射率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三次樣條的雙自由曲面LED勻光透鏡設(shè)計方法，其特 征是：所述步驟g中，外曲面的反饋優(yōu)化，需要對初始透鏡產(chǎn)生的模擬照度圖進行分析和計 算，通過修正步驟b中圓形照面半徑R i實現(xiàn)優(yōu)化；新的RNEWiS照度圖上照度不勻開始出現(xiàn) 的初始位置，可從初始照度圖中得到，之后的R NEWi+1是在1^^的基礎(chǔ)上迭代計算得到，最終 迭代到RNEWn，使之與Rn對應(yīng)，新的半徑可表示為：
當(dāng)中的心為Θ i光線對應(yīng)的在照面上的實際照度值；Etave為照面上實際的照度平均 值；當(dāng)ETi> E TAVE時Q值大于1，與況：7.的差會大于i?/+1與皮的差，從而達到擴大 對應(yīng)照明面積，降低照度的目的；當(dāng)ETi< E TAVE時Q值在O到1之間，可達到縮小面積，提升 照度的目的。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于三次樣條的雙自由曲面LED勻光透鏡設(shè)計方法，該方法通過分析LED光源數(shù)據(jù)，構(gòu)建三次樣條曲線作為透鏡內(nèi)曲面母線，運用邊緣光線理論、光通量網(wǎng)格劃分及Snell定律等計算外曲面母線，旋轉(zhuǎn)母線得到透鏡模型，最后對透鏡進行優(yōu)化，提高照明均勻度。該方法解決了對LED光源進行均勻照明配光時內(nèi)曲面為半球面等特定面型的透鏡無法滿足對照明均勻度的要求、光源適用性也不廣泛的問題。該方法的優(yōu)勢包括：分析LED光源數(shù)據(jù)，確保了光源適用性和準(zhǔn)確性；構(gòu)建三次樣條曲線作為內(nèi)曲面母線，具有較高設(shè)計自由度，利于適應(yīng)不同封裝的LED燈珠；求得透鏡模型后可通過多種方式的優(yōu)化提高均勻度，可用于設(shè)計近場勻光透鏡。
【IPC分類】F21Y101-02, F21V5-04
【公開號】CN104879711
【申請?zhí)枴緾N201510295258
【發(fā)明人】陳國慶, 吳亞敏, 朱拓, 潘浩, 朱純, 朱焯煒
【申請人】江南大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年6月2日