專利名稱：一種用于掌紋儀的led均勻照明光學(xué)系統(tǒng)及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非成像LED照明領(lǐng)域，涉及一種適用于掌紋儀的LED均勻照明系統(tǒng)及其設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
掌紋儀是依據(jù)人類生物特征而研發(fā)的可以采集十指平面指紋、滾動指紋、掌紋、側(cè)掌紋的生物識別設(shè)備，隨著安全監(jiān)控系統(tǒng)在當今社會中的迅速普及，掌紋儀被廣泛應(yīng)用于銀行、社保、公安、考勤、門禁、計算機及網(wǎng)絡(luò)安全等身份認證的場合。對于掌紋儀的照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，其中一個關(guān)鍵的技術(shù)指標就是要求其照明工作面的照度均勻性高。近年來，由于LED具有驅(qū)動電壓低、體積小、重量輕、功耗低、壽命長、優(yōu)異的色調(diào)等優(yōu)點，十分適用于掌紋儀的照明系統(tǒng)，尤其是LED光源定向發(fā)光特性，使得LED照明系統(tǒng)更加容易實現(xiàn)照度均勻性設(shè)計?！ED光源在照明設(shè)計中普遍的問題是如何提高整個照明系統(tǒng)的光效以及使光場分布滿足應(yīng)用場合的配光要求。LED光源應(yīng)用于掌紋儀照明領(lǐng)域同樣面臨這樣的問題，因此需要對LED及其配光元件進行光學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使光能在光學(xué)系統(tǒng)中的損失最小并盡可能使光場分布滿足應(yīng)用場合的配光要求，以此提高光能的利用率。目前市場上經(jīng)常使用的掌紋儀，其照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計過于簡單，光能效率低，從而導(dǎo)致采用的LED光源顆數(shù)過多，造成光能浪費現(xiàn)象嚴重，更為重要的是其照明面的照度均勻性差，直接影響掌紋儀對動態(tài)掌紋的采集質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種用于掌紋儀的LED均勻照明光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)照明面照度均勻、光能利用率高。由于采用非成像光學(xué)設(shè)計方法，該照明系統(tǒng)采用的LED顆數(shù)大幅減少，照明面上的照度均勻性大幅提高，實用性更強。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下一種用于掌紋儀的LED均勻照明光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括；LED光源、棱鏡、照明面，該系統(tǒng)還包括配光元件；當LED光源發(fā)光，光束經(jīng)過配光元件后，通過棱鏡達到照明面，使照明均勻性得到提高?；谝环N用于掌紋儀的LED均勻照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方法，該配光元件的設(shè)計方法包括如下步驟步驟一首先等分LED光源能量和照明面，等分個數(shù)相同，記為M ;其中A，B，C和a, b，c分別為光源和照明面的前三個等分點；步驟二 確定配光元件的下底面為一普通球面，曲率半徑為R ;配光元件是以光源O出射的，與照明面垂直的光線oa為對稱的元件；步驟三在照明面上取點b，光線經(jīng)過棱鏡后到達照明面，根據(jù)折射定律!!^^sinosini即可求得棱鏡下方光線的入射點b2,棱鏡的下底面與光線oa相交于a2;步驟四配光元件的上底面與光線oa相交于ai，過ai做一條與照明面平行的直線，光源出射的光線經(jīng)過配光元件經(jīng)過所述直線到達匕，與所述直線的交點為Id1 ；步驟五連接Id2Id1和Bb1,根據(jù)折射定律n配光元件sino配光元件出射=n空氣sini空氣入射，已
知光線到達照明面的出射角和Bb1的入射角，求得Id1的法線，做一條所述法線的垂線，到達光照明面c點的入射光線Cc1交于所述垂線上點C1，根據(jù)劃分能量網(wǎng)格的能量守恒原理，為達到照度均勻，在照明面的光線分布也應(yīng)該均勻，重復(fù)步驟二到步驟五，通過多項式擬合，即可求得配光元件的上底面的面形分布。工作原理本發(fā)明主要基于劃分能量網(wǎng)格內(nèi)能量守恒原理和幾何光學(xué)里的光線折、反射定律。劃分能量網(wǎng)格主要針對LED光源I和照明目標面3而言，等分LED光源的同時等分照明面，在照明系統(tǒng)中始終保持能量網(wǎng)格內(nèi)的能量守恒，自然會在照明目標面得到·均勻的照度。本發(fā)明設(shè)計的照明配光透鏡為旋轉(zhuǎn)對稱式結(jié)構(gòu)，僅考慮其2D結(jié)構(gòu)，3D實體最終繞其中心對稱軸旋轉(zhuǎn)而得。在直角坐標系中，原點取在LED位置處(LED視為點光源)，縱軸為該準直鏡的中心對稱軸。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明所述的用于掌紋儀的LED高均勻性照明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)照明面均勻性照明，利于最終掌紋采集的成像質(zhì)量提高。本發(fā)明采用非成像光學(xué)設(shè)計，在實現(xiàn)照明面均勻性照明的同時，提高了 LED光源的能量效率，且本發(fā)明的配光透鏡利用注塑成型加工方法，易于大批量、低成本加工。


圖I本發(fā)明一種用于掌紋儀的LED均勻照明光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2本發(fā)明一種用于掌紋儀的LED均勻照明光學(xué)系統(tǒng)配光元件結(jié)構(gòu)圖。圖3本發(fā)明一種用于掌紋儀的LED均勻照明光學(xué)系統(tǒng)LED光源和照明面目標面的等能量劃分原理圖。圖4本發(fā)明一種用于掌紋儀的LED均勻照明光學(xué)系統(tǒng)LED照明配光鏡的陣列圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。如圖I所示，一種用于掌紋儀的LED均勻照明光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括；LED光源I、棱鏡2、照明面3，該系統(tǒng)還包括配光元件4 ;當LED光源發(fā)光，光束經(jīng)過配光元件后，通過棱鏡達到照明面，使照明均勻性得到提高。用于該掌紋儀的配光元件4結(jié)構(gòu)比較簡單，主要兩個面組成如圖2所示，第一個面為普通的球面4-1，第二個面為稍微復(fù)雜的非球面4-2。本發(fā)明設(shè)計配光元件的下底面4-1是已知面，為一簡單球面，曲率半徑為R。上底面4-2是所求的非球面，面型的求解為一遞推過程，如圖3所示。步驟一首先等分LED光源I能量和照明面3，等分個數(shù)相同，記為M ;其中A，B，C和a，b，c分別為LED光源I和照明面3的前三個等分點；步驟二 確定配光元件4的下底面4-1為一普通球面，曲率半徑為R ;配光元件4是以LED光源I的O點出射的，與照明面3垂直的光線oa為對稱的元件；
步驟三在照明面3上取點b，光線經(jīng)過棱鏡2后到達照明面3，根據(jù)折射定律n空氣sino空氣出射=n棱鏡sini棱鏡人射，即可求得棱鏡2下方光線的入射點b2,棱鏡2的下底面與光線oa相交于a2 ；步驟四配光元件4的上底面與光線oa相交于，過做一條與照明面3平行的直線，LED光源I出射的光線經(jīng)過配光元件4經(jīng)過所述直線到達b2，與所述直線的交點為bi ;步驟五連接Id2Id1和Bb1,根據(jù)折射定律n配光元件sino配光元件出射=n空氣sini s氣人射，已
知光線到達照明面3的出射角和Bb1的入射角，求得Id1的法線，做一條所述法線的垂線，到達光照明面3的c點的入射光線Cc1交于所述垂線上點C1，根據(jù)劃分能量網(wǎng)格的能量守恒原理，為達到照度均勻，在照明面3的光線分布也應(yīng)該均勻，重復(fù)步驟二到步驟五，通過多項式擬合，即可求得配光元件4的上底面的面形分布。如圖4所示，配光元件4面型的精度取決于等分LED光源I與照明面3的個數(shù)值·M。本發(fā)明設(shè)計步驟最后得到配光元件4的面型是一系列離散數(shù)據(jù)點，可以在保證一定精度的條件下，采用多項式擬合得到配光元件4連續(xù)光滑的面型。本發(fā)明設(shè)計的配光元件4可根據(jù)照明面3不同照度等級按陣列排布，陣列排布形式依具體系統(tǒng)空間尺寸而定，且相應(yīng)的LED光源I數(shù)目增加，以滿足照明面3的大照度需求，而照明面3的照度均勻性并不受影響。本實施例中還包括確定配光元件4的設(shè)計參數(shù)，包括棱鏡2材料折射率nsa，配光元件4材料的折射率n、厚度(該值由B1點縱坐標確定)、下底面4-1球面的曲率半徑R、照明面3半徑、整個照明系統(tǒng)的厚度和LED光源I和照明面3的能量網(wǎng)格等分數(shù)M等。所取配光元件4的厚度5 mm,下底面4-1球面曲率半徑R=4 mm。照明面3半徑130mm,照明系統(tǒng)厚度85mm，LED光源I和照明面3的能量網(wǎng)格等分數(shù)M=100。棱鏡2材料折射率Iisa=I. 51，配光元件4材料選用便于注塑成型的樹脂材料PMMA，折射率=1.49。
權(quán)利要求
1.一種用于掌紋儀的LED均勻照明光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括；LED光源、棱鏡、照明面，其特征在于，該系統(tǒng)還包括配光元件；當LED光源發(fā)光，光束經(jīng)過配光元件后，通過棱鏡到達照明面。
2.如權(quán)利要求I所述的一種用于掌紋儀的LED均勻照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述配光元件由普通球面和非球面組成。
3.基于權(quán)利要求I所述的一種用于掌紋儀的LED均勻照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方法，其特征在于，該配光元件的設(shè)計方法包括如下步驟 步驟一首先等分LED光源能量和照明面，等分個數(shù)相同，記為M ;其中A，B, C和a，b，c分別為光源和照明面的前三個等分點； 步驟二 確定配光元件的下底面為一普通球面，曲率半徑為R ;配光元件是以光源ο出射的，與照明面垂直的光線oa為對稱的元件； 步驟三在照明面上取點b，光線經(jīng)過棱鏡后到達照明面，根據(jù)折射定律nsnsinosnaIi=IiiIlt SiniiHtxIi,即可求得棱鏡下方光線的入射點b2,棱鏡的下底面與光線oa相交于a2 ； 步驟四配光元件的上底面與光線oa相交于，過做一條與照明面平行的直線，光源出射的光線經(jīng)過配光元件經(jīng)過所述直線到達b2，與所述直線的交點為Id1 ； 步驟五連接Id2Id1和Bb1,根據(jù)折射定律η配光元件sino配光元件出sini空氣入射，已知光線到達照明面的出射角和Bb1的入射角，求得Id1的法線，做一條所述法線的垂線，到達光照明面c點的入射光線Cc1交于所述垂線上點C1，根據(jù)劃分能量網(wǎng)格的能量守恒原理，為達到照度均勻，在照明面的光線分布也應(yīng)該均勻，重復(fù)步驟二到步驟五，通過多項式擬合，即可求得配光元件的上底面的面形分布。
4.如權(quán)利要求3所述的一種用于掌紋儀的LED均勻照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方法，其特征在于，所述配光元件的面型精度與光源個數(shù)和照明面的等分個數(shù)M有關(guān)。
全文摘要
一種適用于掌紋儀的LED均勻照明系統(tǒng)及其設(shè)計方法屬于非成像LED照明領(lǐng)域，該系統(tǒng)包括；LED光源、棱鏡、照明面，該系統(tǒng)還包括配光元件；當LED光源發(fā)光，光束經(jīng)過配光元件后，通過棱鏡達到照明面，使照明均勻性得到提高。本發(fā)明所述的用于掌紋儀的LED高均勻性照明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)照明面均勻性照明，利于最終掌紋采集的成像質(zhì)量提高。本發(fā)明采用非成像光學(xué)設(shè)計，在實現(xiàn)照明面均勻性照明的同時，提高了LED光源的能量效率，且本發(fā)明的配光透鏡利用注塑成型加工方法，易于大批量、低成本加工。
文檔編號F21V5/00GK102788311SQ20121027969
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月8日
發(fā)明者劉華, 盧振武, 荊雷 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所