專(zhuān)利名稱(chēng)：一種針對(duì)點(diǎn)光源配光透鏡的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非成像光學(xué)及照明技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種針對(duì)點(diǎn)光源(如LED)配光透鏡的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：
由點(diǎn)光源(如LED)透過(guò)透鏡使之形成特定的符合照明需要的光斑，這是照明界的經(jīng)典問(wèn)題。然而這一問(wèn)題一直沒(méi)有很好解決。因?yàn)樵诠鈱W(xué)設(shè)計(jì)中所使用的透鏡一般是球面或拋物面或橢球面透鏡，也就是說(shuō)都是一些規(guī)則的結(jié)構(gòu)。當(dāng)然也有人使用非球面透鏡，然而這些透鏡都是中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)。如果需要所設(shè)計(jì)的透鏡實(shí)現(xiàn)矩形光斑或其他更復(fù)雜的非中心對(duì)稱(chēng)的光斑時(shí)，這些透鏡往往無(wú)能為力。
近幾十年，隨著太陽(yáng)能收集這一學(xué)科的發(fā)展，非成像光學(xué)也逐漸發(fā)展起來(lái)，伴隨著非成像光學(xué)的發(fā)展，H.Ries等科學(xué)家研究了自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法——Tailoring(裁剪法)。然而裁剪法對(duì)數(shù)學(xué)要求很高，而且公式多且每個(gè)公式都很復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)只有在做微型投影儀照明設(shè)計(jì)的反射器中有用到此方法。除此以外，國(guó)內(nèi)就沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)相關(guān)報(bào)道。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種針對(duì)點(diǎn)光源(如LED)配光透鏡的設(shè)計(jì)方法。
本發(fā)明提出的針對(duì)點(diǎn)光源(如LED)配光透鏡的設(shè)計(jì)方法，具體步驟如下 (1)設(shè)置透鏡的初始結(jié)構(gòu)，確定透鏡內(nèi)、外表面的初步形狀，對(duì)其進(jìn)行自由曲面設(shè)計(jì)； (2)設(shè)定光源空間能量分布與經(jīng)透鏡后的出射光能量分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)設(shè)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系建立能量方程，約束光線(xiàn)能量分布；設(shè)任一光源為4π立體空間，光源空間能量分布與經(jīng)透鏡后的出射光的能量分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以采用以?xún)蓸O為中心在不同的經(jīng)度向低緯度逐漸展開(kāi)的輻射形對(duì)應(yīng)關(guān)系或以赤道某一點(diǎn)為中心按其經(jīng)線(xiàn)與緯線(xiàn)的自然劃分進(jìn)行的網(wǎng)格對(duì)應(yīng)關(guān)系中任一種； a、以?xún)蓸O為中心在不同的經(jīng)度向低緯度逐漸展開(kāi)的輻射形對(duì)應(yīng)關(guān)系，表達(dá)式如下
式中，

為光源空間能量分布，

為光強(qiáng)函數(shù)，表示經(jīng)透鏡后的出射光能量分布，

為某目標(biāo)觀測(cè)面的照度分布函數(shù)；初始入射光線(xiàn)為極點(diǎn)(0，0)，對(duì)應(yīng)該光線(xiàn)的初始出射光線(xiàn)為


為入射光線(xiàn)

的光強(qiáng)，

為出射光線(xiàn)

的光強(qiáng)，

是立體角的轉(zhuǎn)換因子；左式表示入射光線(xiàn)

與初始入射光線(xiàn)(0，0)之間所包圍的光通量，右式表示出射光線(xiàn)

與初始出射光線(xiàn)

之間所包圍的光通量； b、以赤道某一點(diǎn)為中心按其經(jīng)線(xiàn)與緯線(xiàn)的自然劃分進(jìn)行的網(wǎng)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，表達(dá)式如下
式中，

為光源空間能量分布，

為光強(qiáng)函數(shù)，表示經(jīng)透鏡后的出射光能量分布，

為某目標(biāo)觀測(cè)面的照度分布函數(shù)；初始入射光線(xiàn)(π/2，π/2)對(duì)應(yīng)該光線(xiàn)在接收屏或觀測(cè)屏上的初始位置(x0，z0)，

為入射光線(xiàn)

的光強(qiáng)，

為出射光線(xiàn)在接收屏(x0+Δx，z0+Δz)位置上的照度，

是立體角的轉(zhuǎn)換因子；左式表示入射光線(xiàn)

與初始入射光線(xiàn)(π/2，π/2)之間所包圍的光通量，右式表示出射光線(xiàn)在觀測(cè)屏上的位置(x0+Δx，z0+Δz)與出射光線(xiàn)在觀測(cè)屏上的初始位置(x0，z0)之間所包圍的光通量，兩者相等，遵循能量守恒定律，沒(méi)有能量損失。
(3)根據(jù)折射率公式，建立入射光矢量與經(jīng)透鏡折射后的出射光矢量的關(guān)系式方程 已知折射率公式建立球坐標(biāo)系對(duì)其展開(kāi)，以光源為原點(diǎn)，令目標(biāo)照明平面上點(diǎn)t的坐標(biāo)用直角坐標(biāo)系表示，對(duì)步驟(1)所確定的透鏡需設(shè)計(jì)的表面上一點(diǎn)p的坐標(biāo)用球坐標(biāo)表示，

為由原點(diǎn)指向t點(diǎn)的矢量，

為由原點(diǎn)指向p點(diǎn)的矢量，則目標(biāo)照明平面上點(diǎn)t的直角坐標(biāo)可用透鏡外表面的點(diǎn)p的球坐標(biāo)表示為


其中A為一變量，可消除； 再令y＝y(tǒng)0，即令觀測(cè)面垂直于y軸，位于y0處，又因?yàn)閷?shí)際照明面與透鏡的距離相對(duì)于透鏡大小而言，足夠遠(yuǎn)，即所以認(rèn)為透鏡大小可以忽略不記，即

出射光線(xiàn)到觀測(cè)面上的點(diǎn)與出射光線(xiàn)在透鏡外表面上的點(diǎn)之間的距離

與出射光線(xiàn)到觀測(cè)面上的點(diǎn)到原點(diǎn)的距離

近似相等； 經(jīng)上面假設(shè)及模型近似后，將點(diǎn)p的球坐標(biāo)表示式簡(jiǎn)化，使式中的變量A用y0表達(dá)， 從而x和z消掉A變?yōu)楹瑈0的表達(dá)式。具體表達(dá)式形式如下
y＝y(tǒng)0
(4)將步驟(3)中的球坐標(biāo)值代入步驟(2)的能量方程，從而得到透鏡自由曲面的離散點(diǎn)； (5)利用3D畫(huà)圖軟件對(duì)上述離散點(diǎn)擬合成面，進(jìn)而畫(huà)出實(shí)體即可。
本發(fā)明中，所述透鏡的初始結(jié)構(gòu)可以是下述結(jié)構(gòu)中的任一種外表面1是自由曲面，內(nèi)表面2是平面(如附圖1)；或者是外表面1是自由曲面，內(nèi)表面2是球面或橢球面或柱面(如附圖2)；或者是外表面1是平面，內(nèi)表面2是自由曲面(如附圖3)。
利用本發(fā)明方法得到的透鏡其外表面為類(lèi)似束腰的橢球面而其內(nèi)表面為半球或半橢球或柱面或平面。
利用本發(fā)明方法得到的透鏡其外表面的頂部形狀不變的前提下，可以適當(dāng)變形，使之有利于加工，如沿外圍線(xiàn)作柱面，具體見(jiàn)附圖7。
利用本發(fā)明方法得到的透鏡其外表面為平面而其內(nèi)表面為類(lèi)鞍形面的自由曲面。
利用本發(fā)明方法得到的透鏡在保留透鏡內(nèi)外表面形狀不變的前提下，可以適當(dāng)變形，加上透過(guò)杯壁使之固定，有利于使用，具體見(jiàn)附圖8。
利用本發(fā)明方法得到的透鏡可以用于對(duì)LED芯片一次封裝上。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于 1.能夠根據(jù)需要快速的自動(dòng)生成透鏡模型，只要更改已知條件即可。
2.能量利用率高，能把4π立體角的光能都加以利用。
3.注意到透鏡的內(nèi)表面可以是半橢球面。這樣，就可以在注塑加工成模時(shí)只要加工一個(gè)外表面，而透過(guò)改變半橢球面的長(zhǎng)短半軸來(lái)實(shí)現(xiàn)多種光斑規(guī)格。
4.本發(fā)明也可以用于LED芯片的封裝上。
本發(fā)明結(jié)合應(yīng)用實(shí)際，設(shè)置了多種結(jié)構(gòu)透鏡形式，巧妙的對(duì)模型公式進(jìn)行簡(jiǎn)化，并采用多種對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)了多種能產(chǎn)生矩形光斑的自由曲面透鏡，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，豐富了設(shè)計(jì)方案，對(duì)設(shè)計(jì)形式可以提供多種選擇。并且如果鍍上全透膜，可以使能量無(wú)損失，設(shè)計(jì)過(guò)程高效快捷。



圖1是透鏡的初步結(jié)構(gòu)形式一。
圖2是透鏡的初步結(jié)構(gòu)形式二。
圖3是透鏡的初步結(jié)構(gòu)形式三。
圖4是點(diǎn)光源的4π立體角空間。
圖5是入射光線(xiàn)在透鏡表面能量與出射光線(xiàn)在目標(biāo)照度面上能量的輻射環(huán)帶對(duì)應(yīng)。其中，圖5(a)是入射光線(xiàn)的能量分布的拓?fù)渚W(wǎng)格圖，圖5(b)是出射光線(xiàn)的能量分布的拓?fù)渚W(wǎng)格圖。
圖6是入射光線(xiàn)在透鏡表面能量與出射光線(xiàn)在目標(biāo)照度面上能量的經(jīng)緯網(wǎng)格對(duì)應(yīng)。其中，圖6(a)是入射光線(xiàn)的能量分布的拓?fù)渚W(wǎng)格圖，圖6(b)是出射光線(xiàn)的能量分布的拓?fù)渚W(wǎng)格圖。
圖7是對(duì)實(shí)施例1中的透鏡進(jìn)行簡(jiǎn)單變形后的形式。
圖8是對(duì)實(shí)施例2中的透鏡進(jìn)行簡(jiǎn)單變形后的形式。
圖9是實(shí)施例1中的自由曲面透鏡的側(cè)視圖。
圖10是實(shí)施例1中的自由曲面透鏡的鳥(niǎo)瞰圖。
圖11是實(shí)施例1中的自由曲面透鏡對(duì)朗伯光源的在觀測(cè)面上的照度圖。
圖12是實(shí)施例1中的自由曲面透鏡對(duì)朗伯光源的光強(qiáng)配光曲線(xiàn)圖。
圖13是實(shí)施例2中的自由曲面透鏡。
圖14是實(shí)施例3中的自由曲面透鏡。
圖中標(biāo)號(hào)1透鏡的外表面，2透鏡的內(nèi)表面。
具體實(shí)施辦式 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。本發(fā)明結(jié)合應(yīng)用實(shí)際，設(shè)置了多種結(jié)構(gòu)透鏡形式，巧妙的對(duì)模型公式進(jìn)行簡(jiǎn)化，并采用多種對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)了多種能產(chǎn)生矩形光斑的自由曲面透鏡。
針對(duì)點(diǎn)光源(如LED)的自由曲面的配光透鏡設(shè)計(jì)方法如下 1、設(shè)置透鏡的初始結(jié)構(gòu)，明確內(nèi)、外表面的初步形狀。所謂透鏡的初始結(jié)構(gòu)可以有多種結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇其中一種結(jié)構(gòu)進(jìn)行。如外表面1是自由曲面內(nèi)表面2是平面，見(jiàn)附圖1；外表面1是自由曲面內(nèi)表面2是球面(或橢球面或柱面)，見(jiàn)附圖2；外表面1是平面內(nèi)表面2是自由曲面，見(jiàn)附圖3。
2、設(shè)定光源空間能量分布與經(jīng)透鏡后的出射光的能量分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系。所謂的光源空間能量分布與經(jīng)透鏡后的出射光的能量分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系是指根據(jù)光通量守恒而使得能量利用最大化，而采取的一種約束方法，從而建立光源光線(xiàn)能量分布與出射光線(xiàn)能量分布的聯(lián)系。任意一個(gè)光源均可認(rèn)為有4π立體空間，我們引入球坐標(biāo)系來(lái)表征4π的立體空間，引入類(lèi)似地球儀來(lái)表達(dá)相關(guān)位置名詞，見(jiàn)附圖4。光源空間能量分布與經(jīng)透鏡后的出射光的能量分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以有兩種方式一是以?xún)蓸O為中心在不同的經(jīng)度向低緯度逐漸展開(kāi)的輻射形對(duì)應(yīng)，見(jiàn)附圖5；二是以赤道某一點(diǎn)為中心按其經(jīng)線(xiàn)與緯線(xiàn)的自然劃分進(jìn)行的網(wǎng)格對(duì)應(yīng)，見(jiàn)附圖6。設(shè)計(jì)時(shí)選擇其中一種對(duì)應(yīng)方式進(jìn)行。這里所說(shuō)的光源空間能量分布用

表達(dá)，而經(jīng)透鏡后的出射光能量分布可以用光強(qiáng)函數(shù)

或某觀測(cè)面的照度分布函數(shù)

表達(dá)。以經(jīng)緯對(duì)應(yīng)而言，對(duì)應(yīng)關(guān)系的表達(dá)式如下
其中即表示入射光線(xiàn)

內(nèi)所包括的光通量與出射光線(xiàn)

所包括的光通量相等沒(méi)有損失，

是立體角的轉(zhuǎn)換因子。
3、根據(jù)Snell公式(即折射率公式)，建立入射光矢量與經(jīng)透鏡折射之后的出射光矢量此兩個(gè)矢量之間的關(guān)系方程；所述的建立入射光矢量與經(jīng)透鏡折射之后的出射光矢量此兩個(gè)矢量之間的關(guān)系方程之前的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的計(jì)算方程式如下所述，其中符號(hào)表達(dá)采用H.Ries等所述的Tailoring方法，也可以用其他矢量表達(dá)方式。已知Snell公式建立球坐標(biāo)系對(duì)其展開(kāi)，以光源為原點(diǎn)，令目標(biāo)照明平面上點(diǎn)t的坐標(biāo)用直角坐標(biāo)系表示，透鏡需設(shè)計(jì)的表面上一點(diǎn)p的坐標(biāo)用球坐標(biāo)表示，

為由原點(diǎn)指向t點(diǎn)的矢量，

為由原點(diǎn)指向p點(diǎn)的矢量，則目標(biāo)照明平面上點(diǎn)t的直角坐標(biāo)可用透鏡外表的點(diǎn)p的球坐標(biāo)表示為


其中A為一變量，可消除。
再令y＝y(tǒng)0，即令觀測(cè)面垂直于y軸，位于y0處。又因?yàn)閷?shí)際照明面與透鏡的距離相對(duì)于透鏡大小而言，是足夠的遠(yuǎn)，即所以我們可以認(rèn)為透鏡大小可以忽略不記，即

出射光線(xiàn)到觀測(cè)面上的點(diǎn)與出射光線(xiàn)在透鏡外表面上的點(diǎn)之間的距離

與出射光線(xiàn)到觀測(cè)面上的點(diǎn)到原點(diǎn)的距離

近似相等。
所以上面的方程組可以變形為
y＝y(tǒng)0
4.利用數(shù)值法可以求解上述的聯(lián)立方程，從而得到透鏡自由曲面的離散點(diǎn)。
5.利用3D畫(huà)圖軟件對(duì)上述離散點(diǎn)擬合成面，進(jìn)而畫(huà)出實(shí)體即可。
實(shí)施例1透鏡擬采取的初始結(jié)構(gòu)如附圖2所示，內(nèi)表面2采用球面，外表面1為自由曲面。故本設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)這透鏡的外表面。而入射光線(xiàn)能量與出射光線(xiàn)的能量對(duì)應(yīng)采用經(jīng)緯對(duì)應(yīng)，如圖6。光源采用朗伯體發(fā)光的LED，即I(α)＝I cos(α)，I為中心光強(qiáng)。要求該透鏡的中心點(diǎn)為P(10mm，0，0)。觀測(cè)面放在10米外，要求形成長(zhǎng)30米，寬為10米的矩形均勻光斑，其中心在y軸上。
首先，把LED放置在坐標(biāo)系的原點(diǎn)，令其中心軸與y軸重合。由已知LED的光強(qiáng)分布為I(α)＝I cos(α)，采用坐標(biāo)系表達(dá)后
又觀測(cè)面的照度相同，且中心在y軸上，即令

x0＝0，z0＝0 已知光通量守恒計(jì)算式

又 由對(duì)應(yīng)關(guān)系知，當(dāng)(Δx，Δz)＝(15，5)時(shí)，
當(dāng)(Δx，Δz)＝(C1，Δz)時(shí)，

C1和C2均為實(shí)常數(shù) 當(dāng)(Δx，Δz)＝(Δx，C3)時(shí)，

C3和C4均為實(shí)常數(shù) 把上面三條件帶入光通量守恒計(jì)算式有 x＝15cosθ y＝10
另，知 將上述4個(gè)式子代入第一組方程組經(jīng)化簡(jiǎn)，可以得到關(guān)于ρ的偏微分方程組。
又由有限差分算式

把有限差分帶入經(jīng)化簡(jiǎn)后的關(guān)于ρ的偏微分方程組即可得到自由曲面透鏡的外表面數(shù)值點(diǎn)。
我們把這些數(shù)值點(diǎn)導(dǎo)入CAD軟件畫(huà)出透鏡的實(shí)體圖，如附圖9所示和附圖10所示。然后再導(dǎo)入光學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真，得到與預(yù)期一致的矩形均勻光斑，如圖11所示。實(shí)際加工時(shí)由于透鏡形狀特殊不易加工，所以可以在不修改外表面主要部分時(shí)，可以稍加修改，使之有利于加工。如附圖7所示，采用的手段是沿著最外圍線(xiàn)向下拉成柱面，另再加上夾持的結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例2透鏡采用的初始結(jié)構(gòu)如附圖3所示。外表面采用平面，內(nèi)表面采用自由曲面。這種初始結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些。因?yàn)楣饩€(xiàn)經(jīng)過(guò)兩次偏折，兩次使用折射率公式。所采用的入射光線(xiàn)與出射光線(xiàn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為圖6所示的輻射環(huán)帶對(duì)應(yīng)。根據(jù)兩次折射率矢量公式的迭代后，列出算式進(jìn)行簡(jiǎn)化數(shù)值求解后，畫(huà)出曲面形成實(shí)體圖如附圖13所示。該透鏡外表面為平面，內(nèi)表面為4塊不連續(xù)的類(lèi)扇形拼接而成。
實(shí)施例3透鏡采用的初始結(jié)構(gòu)如附圖3所示。外表面采用平面，內(nèi)表面采用自由曲面。所采用的入射光線(xiàn)與出射光線(xiàn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為圖5所示的經(jīng)緯網(wǎng)格對(duì)應(yīng)。根據(jù)兩次折射率矢量公式的迭代后，列出算式進(jìn)行簡(jiǎn)化數(shù)值求解后，畫(huà)出曲面圖如附圖14所示。該透鏡外表面為平面，內(nèi)表面為類(lèi)似馬鞍形的曲面。
權(quán)利要求
1、一種針對(duì)點(diǎn)光源配光透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于具體步驟如下
(1)設(shè)置透鏡的初始結(jié)構(gòu)，確定透鏡內(nèi)、外表面的初步形狀，對(duì)其進(jìn)行自由曲面設(shè)計(jì)；
(2)設(shè)定光源空間能量分布與經(jīng)透鏡后的出射光能量分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)設(shè)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系建立能量方程，約束光線(xiàn)能量分布；設(shè)任一光源為4π立體空間，光源空間能量分布與經(jīng)透鏡后的出射光的能量分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以采用以?xún)蓸O為中心在不同的經(jīng)度向低緯度逐漸展開(kāi)的輻射形對(duì)應(yīng)關(guān)系或以赤道某一點(diǎn)為中心按其經(jīng)線(xiàn)與緯線(xiàn)的自然劃分進(jìn)行的網(wǎng)格對(duì)應(yīng)關(guān)系中任一種；
a、以?xún)蓸O為中心在不同的經(jīng)度向低緯度逐漸展開(kāi)的輻射形對(duì)應(yīng)關(guān)系，表達(dá)式如下
式中，
為光源空間能量分布，
為光強(qiáng)函數(shù)，表示經(jīng)透鏡后的出射光能量分布，
為某目標(biāo)觀測(cè)面的照度分布函數(shù)；初始入射光線(xiàn)為極點(diǎn)(0，0)，對(duì)應(yīng)該光線(xiàn)的初始出射光線(xiàn)為
為入射光線(xiàn)
的光強(qiáng)，
為出射光線(xiàn)
的光強(qiáng)，
是立體角的轉(zhuǎn)換因子；左式表示入射光線(xiàn)
與初始入射光線(xiàn)(0，0)之間所包圍的光通量，右式表示出射光線(xiàn)
與初始出射光線(xiàn)
之間所包圍的光通量；
b、以赤道某一點(diǎn)為中心按其經(jīng)線(xiàn)與緯線(xiàn)的自然劃分進(jìn)行的網(wǎng)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，表達(dá)式如下
式中，
為光源空間能量分布，
為光強(qiáng)函數(shù)，表示經(jīng)透鏡后的出射光能量分布，
為某目標(biāo)觀測(cè)面的照度分布函數(shù)；初始入射光線(xiàn)(π/2，π/2)對(duì)應(yīng)該光線(xiàn)在接收屏或觀測(cè)屏上的初始位置(x0，z0)，
為入射光線(xiàn)
的光強(qiáng)，
為出射光線(xiàn)在接收屏(x0+Δx，z0+Δz)位置上的照度，
是立體角的轉(zhuǎn)換因子；左式表示入射光線(xiàn)
與初始入射光線(xiàn)(π/2，π/2)之間所包圍的光通量，右式表示出射光線(xiàn)在觀測(cè)屏上的位置(x0+Δx，z0+Δz)與出射光線(xiàn)在觀測(cè)屏上的初始位置(x0，z0)之間所包圍的光通量；
(3)根據(jù)折射率公式，建立入射光矢量與經(jīng)透鏡折射后的出射光矢量的關(guān)系式方程0已知折射率公式建立球坐標(biāo)系對(duì)其展開(kāi)，以光源為原點(diǎn)，令目標(biāo)照明平面上點(diǎn)t的坐標(biāo)用直角坐標(biāo)系表示，對(duì)步驟(1)所確定的透鏡需設(shè)計(jì)的表面上一點(diǎn)p的坐標(biāo)用球坐標(biāo)表示，
為由原點(diǎn)指向t點(diǎn)的矢量，
為由原點(diǎn)指向p點(diǎn)的矢量，則目標(biāo)照明平面上點(diǎn)t的直角坐標(biāo)可用透鏡外表面的點(diǎn)p的球坐標(biāo)表示為
其中A為一變量，可消除；
再令y＝y(tǒng)0，即令觀測(cè)面垂直于y軸，位于y0處，又因?yàn)閷?shí)際照明面與透鏡的距離相對(duì)于透鏡大小而言，足夠遠(yuǎn)，即所以認(rèn)為透鏡大小可以忽略不記，即
出射光線(xiàn)到觀測(cè)面上的點(diǎn)與出射光線(xiàn)在透鏡外表面上的點(diǎn)之間的距離
與出射光線(xiàn)到觀測(cè)面上的點(diǎn)到原點(diǎn)的距離
近似相等；
經(jīng)上面假設(shè)及模型近似后，將點(diǎn)p的球坐標(biāo)表示式簡(jiǎn)化，使式中的變量A用y0表達(dá)，
從而x和z消掉A變?yōu)楹瑈0的表達(dá)式。具體表達(dá)式形式如下
y＝y(tǒng)0
(4)將步驟(3)中的球坐標(biāo)值代入步驟(2)的能量方程，從而得到透鏡自由曲面的離散點(diǎn)；
(5)利用3D畫(huà)圖軟件對(duì)上述離散點(diǎn)擬合成面，進(jìn)而畫(huà)出實(shí)體即可。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對(duì)點(diǎn)光源配光透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述透鏡的初始結(jié)構(gòu)是下述結(jié)構(gòu)中的任一種外表面(1)是自由曲面，內(nèi)表面(2)是平面；或者是外表面(1)是自由曲面，內(nèi)表面(2)是球面或橢球面或柱面；或者是外表面(1)是平面，內(nèi)表面(2)是自由曲面。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對(duì)點(diǎn)光源配光透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所得透鏡的外表面為類(lèi)似束腰的橢球面而其內(nèi)表面為半球或半橢球或柱面或平面。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的針對(duì)點(diǎn)光源配光透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所得透鏡外表面的頂部形狀不變前提下，適當(dāng)變形，沿外圍線(xiàn)作柱面。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對(duì)點(diǎn)光源配光透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所得透鏡的外表面為平面而其內(nèi)表面為類(lèi)鞍形面的自由曲面。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的針對(duì)點(diǎn)光源配光透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所得透鏡在保留透鏡內(nèi)外表面形狀不變前提下，適當(dāng)變形，加上透過(guò)杯壁使之固定。
7、利用本發(fā)明方法得到的透鏡在LED芯片一次封裝上的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明屬于非成像光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種針對(duì)點(diǎn)光源(如LED)配光透鏡的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明采用自由曲面設(shè)計(jì)方法，選擇合適的能量對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)置透鏡合理的結(jié)構(gòu)形式，在計(jì)算機(jī)的輔助下，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足要求的透鏡，使光源經(jīng)配光透鏡后，光斑達(dá)預(yù)期分布，如均勻的矩形光斑。該配光透鏡的某一表面(內(nèi)表面或外表面)為自由曲面，由計(jì)算出來(lái)的數(shù)值點(diǎn)生成。該配光透鏡可以用光學(xué)樹(shù)脂等材料注塑加工實(shí)現(xiàn)。具體使用方法是將點(diǎn)光源置于該配光透鏡內(nèi)表面的中心，并將這一組合視為一個(gè)單元。根據(jù)目標(biāo)面所需的光能量的大小，增減單元的數(shù)目。另外，也可以將此配光透鏡做成陣列形式，使一塊配光透鏡上有該多個(gè)透鏡單元。
文檔編號(hào)G02B27/00GK101482652SQ200910046129
公開(kāi)日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2009年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月12日
發(fā)明者劉木清, 程 江, 磊 江, 陳郁陽(yáng), 周小麗, 沈海平 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)