件將得到的點(diǎn)擬合為實(shí)體
[0091] 將得到的離散點(diǎn)的坐標(biāo)依次導(dǎo)入到機(jī)械建模軟件，進(jìn)行擬合，然后將得到的曲線 繞中心軸旋轉(zhuǎn)，可以得到最終的自由曲面光學(xué)透鏡實(shí)體模型。
[0092] 圖1為實(shí)施方式中光源立體角與內(nèi)側(cè)自由曲面控制的出射角的映射關(guān)系圖，其中 101為所述的光源立體角，102為所述的內(nèi)側(cè)自由曲面控制的出射角。
[0093] 圖2為實(shí)施方式中光源立體角與透鏡的出射角的映射關(guān)系圖，其中包括光源立體 角101，內(nèi)側(cè)自由曲面控制的出射角102,透鏡的出射角201，經(jīng)過內(nèi)側(cè)柱面折射后的出射角 202〇
[0094] 圖3為通過上述方案得到的透鏡的側(cè)視剖面圖，其中包括透鏡的內(nèi)側(cè)自由曲面 301，頂部自由曲面302,臺(tái)階型頂部平面303 ;透鏡的外側(cè)自由曲面304,透鏡的內(nèi)側(cè)柱面 305。圖4為通過上述方案得到的透鏡的側(cè)視三維立體圖。圖5為通過上述方案得到的透 鏡的仰視三維立體圖。圖6為通過上述方案得到的透鏡的右視三維立體圖。圖7為通過上 述方案得到的透鏡的俯視三維立體圖。
[0095] 采用上述技術(shù)方案后，可以設(shè)計(jì)出一個(gè)高光學(xué)效率、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、用于視 覺檢測(cè)的LED準(zhǔn)直照明光學(xué)透鏡。從LED出射的光線通過自由曲面透鏡后，能夠在目標(biāo)照 明面上形成高準(zhǔn)直度的圓形光斑。由于采用自由曲面透鏡，從LED出射的光線經(jīng)過自由曲 面透鏡配光后，能夠在目標(biāo)照明面上形成高準(zhǔn)直度的圓形光斑；并且從光源發(fā)出的光線幾 乎可以全部被利用，透鏡的光學(xué)效率很高。另外，透鏡的底面中部有一個(gè)由自由曲面和柱面 組成的空腔，使LED光源易于安裝。由于透鏡的體積小，使之可以方便的安裝到視覺檢測(cè)照 明系統(tǒng)中，同時(shí)也有利于照明系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于視覺檢測(cè)的LED準(zhǔn)直照明光學(xué)透鏡，包括入射面和出射面，其特征在于透 鏡包括三個(gè)自由曲面；所述透鏡的底面中心有一個(gè)供LED安裝于其內(nèi)的空腔，空腔的一部 分腔壁是柱面，構(gòu)成內(nèi)側(cè)柱面，另一部分是自由曲面，構(gòu)成內(nèi)側(cè)自由曲面；內(nèi)側(cè)自由曲面位 于內(nèi)側(cè)柱面的頂部，兩者構(gòu)成所述的入射面；透鏡的外側(cè)面是自由曲面，構(gòu)成外側(cè)自由曲 面，透鏡的頂面中部是自由曲面，構(gòu)成頂部自由曲面，頂部自由曲面的外側(cè)是臺(tái)階型平面， 構(gòu)成頂部平面，透鏡的頂部自由曲面和頂部平面構(gòu)成所述的出射面。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于視覺檢測(cè)的LED準(zhǔn)直照明光學(xué)透鏡，其特征在于以 LED光源為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，以LED底面所在平面為XOY平面，過原點(diǎn)并與平面XOY垂 直的軸為Z軸；首先對(duì)LED光源立體角進(jìn)行劃分，接著對(duì)光線通過透鏡后的出射角進(jìn)行均勻 劃分，自由曲面透鏡的形狀確定過程具體如下：1. 設(shè)定初始條件并將LED光源立體角劃分， 首先，坐標(biāo)系中Θ為入射光線與Z軸正方向的夾角；α為出射光線與Z軸正方向的夾 角；內(nèi)側(cè)柱面的底部半徑為r ;透鏡材料的折射率為η ; 對(duì)于透鏡空腔的內(nèi)側(cè)自由曲面，其主要作用是控制光線的出射角度；設(shè)置出射角度取 值范圍為[〇, βΜΧ]，且〇彡K Θ _，θ-表示從光源發(fā)出的光線，入射到內(nèi)側(cè)自由曲 面的最大入射角，表示從光線穿過內(nèi)側(cè)自由曲面后的最大出射角；將區(qū)間[0, β _]均 勻劃分為N份，記為β (i)，I < i < N ;對(duì)入射角度Θ進(jìn)行離散化，將區(qū)間[〇, Θ mid]等分成 N份，記為Θ (i)，這樣就得到了與出射角度β⑴數(shù)組一一對(duì)應(yīng)的Θ⑴的數(shù)組；N取值越 大，結(jié)果越精確； 對(duì)于透鏡空腔的內(nèi)側(cè)柱面，9mid< Θ (i) < Θ _，表示從LED發(fā)出光線的最大出 射半角；同理，將區(qū)間（9mid，θ_]等分為N份，記為Θ (i)，這樣就將光源立體角Θ等分為 2N份；2. 建立光源立體角與光線通過透鏡后的出射角的映射關(guān)系， 對(duì)光線通過透鏡后的出射角進(jìn)行離散化，對(duì)應(yīng)于光源立體角Θ的劃分，將α也等分成 2Ν份，記為a (i)，且0彡a (i)彡amax，Cimax表示光線通過整個(gè)透鏡后的最大出射角；a _ =0, a (i) = 〇 ;這樣就在光線通過整個(gè)透鏡后的出射角a (i)與光源立體角Θ (i)數(shù)組 之間建立起--對(duì)應(yīng)關(guān)系；3. 求解自由曲面透鏡的離散坐標(biāo)， 設(shè)從LED出的光線與Z軸的夾角為Θ (i)，并與內(nèi)側(cè)自由曲面相交于Ai (Xl (i)，Z1 (i)) 點(diǎn)，經(jīng)過內(nèi)側(cè)自由曲面折射后與頂部自由曲面相交于Bi(X2Q), z2(i))點(diǎn)；光線與內(nèi)偵J 柱面相交于CiCr, r ^cotQ (i+Ι))點(diǎn)，光線穿過內(nèi)側(cè)柱面后與透鏡外側(cè)自由曲面相交于 Di(X3Qhz3Q))點(diǎn)，處的單位法向量處的單位法向量處 的單位法向量/V; (e·. /); 在進(jìn)行自由曲面構(gòu)建時(shí)，由折反射定律求出自由曲面上點(diǎn)的法向量，利用這個(gè)法向量 求得切平面，通過求切平面與入射光線的交點(diǎn)得到曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)；折反射定律公式如 下：其中η為透鏡折射率，其取值視透鏡材料而定，瓦為入射光線單位向量，巧Ti為出射光 線單位向量，刃為單位法向量； 對(duì)于內(nèi)側(cè)自由曲面，由光源立體角Θ (i)可以得到入射向量，由β (i)可以求得出射向 量，結(jié)合折反射定律可解得內(nèi)側(cè)自由曲面上下一點(diǎn)的坐標(biāo)值：同理，得到內(nèi)側(cè)自由曲面的輪廓曲線上所有點(diǎn)的坐標(biāo)值，并得到內(nèi)側(cè)柱面的底部半徑 為 r = X1 (200); 對(duì)于頂部自由曲面，由β (i)得到入射向量，由a (i)得到出射向量，把上式與折反射 定律聯(lián)立，得頂部自由曲面上下一點(diǎn)的坐標(biāo)值：對(duì)于外側(cè)自由曲面，由于光線與內(nèi)側(cè)柱面相交于CiCr, r ^cotQ (i+Ι))點(diǎn)，通過內(nèi)側(cè)柱 面后光線的出射角為供，則當(dāng)光線入射到外側(cè)自由曲面時(shí)，在該面上發(fā)生全反射，此時(shí)折反射定律可以表示為：經(jīng)過外側(cè)自由曲面的反射后，光線傳播到透鏡頂部平面并直接出射，故a (i)即為經(jīng) 過外側(cè)自由曲面的反射后的出射角； 由河/)和a (i)與折反射定律聯(lián)立，得外側(cè)自由曲面上下一點(diǎn)的坐標(biāo)值：a, b, c, d, e, f的值可以由折反射定律得出，具體包括如下步驟： (1) 分別確定內(nèi)側(cè)、頂部、外側(cè)自由曲面的起始點(diǎn)； (2) 對(duì)于內(nèi)側(cè)自由曲面，由Θ和β可以得到入射向量和出射向量，通過折反射定律，確 定起始點(diǎn)的切平面，第二條入射光線與該切平面相交從而確定第二點(diǎn)； ⑶對(duì)于頂部自由曲面，將內(nèi)側(cè)自由曲面的第二條光線的出射向量作為頂部自由曲面 的第二條光線的入射向量，即由β得到入射向量，再由α得到出射向量，然后利用折反射 定律得到起始點(diǎn)的切平面，由起始點(diǎn)的切平面與第二條光線的入射向量所在的直線相交可 得出第二點(diǎn)； (4) 對(duì)于外側(cè)自由曲面，由P和α可以分別得到光線經(jīng)過外側(cè)自由曲面時(shí)的入射向量 和出射向量；利用折反射定律求出起始點(diǎn)的切平面，將切平面與經(jīng)過內(nèi)側(cè)柱面折射后的第 二條光線的入射向量所在的直線相交可得出第二點(diǎn)； (5) 同理，由前一點(diǎn)的切平面與下一條光線的入射向量所在的直線相交可得出下一點(diǎn) 坐標(biāo)，通過機(jī)迭代可分別得出內(nèi)側(cè)，頂部、外側(cè)自由曲面上全部點(diǎn)的坐標(biāo)，由此確定了透鏡 輪廓曲線，然后將透鏡輪廓曲線繞中心軸旋轉(zhuǎn)構(gòu)成整個(gè)自由曲面。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于視覺檢測(cè)的LED準(zhǔn)直照明光學(xué)透鏡，其特征在于θ max= 90。。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于視覺檢測(cè)的LED準(zhǔn)直照明光學(xué)透鏡，其特征在于該 透鏡由透明材料制成，透明材料為PMM或PC或光學(xué)玻璃。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于視覺檢測(cè)的LED準(zhǔn)直照明光學(xué)透鏡，包括入射面和出射面，其特征在于透鏡包括三個(gè)自由曲面；所述透鏡的底面中心有一個(gè)供LED安裝于其內(nèi)的空腔，空腔的一部分腔壁是柱面，構(gòu)成內(nèi)側(cè)柱面，另一部分是自由曲面，構(gòu)成內(nèi)側(cè)自由曲面；內(nèi)側(cè)自由曲面位于內(nèi)側(cè)柱面的頂部，兩者構(gòu)成所述的入射面；透鏡的外側(cè)面是自由曲面，構(gòu)成外側(cè)自由曲面，透鏡的頂面中部是自由曲面，構(gòu)成頂部自由曲面，頂部自由曲面的外側(cè)是臺(tái)階型平面，構(gòu)成頂部平面，透鏡的頂部自由曲面和頂部平面構(gòu)成所述的出射面。本發(fā)明具有高光學(xué)效率、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧的優(yōu)點(diǎn)，能用于視覺檢測(cè)的LED準(zhǔn)直照明光學(xué)透鏡，能夠在目標(biāo)照明面上形成高準(zhǔn)直度的圓形光斑。
【IPC分類】F21V5/04, F21Y101/02
【公開號(hào)】CN104896424
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510264659
【發(fā)明人】張憲民, 吳衡, 莫嘉嗣, 詹鎮(zhèn)輝, 李海
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)
【公開日】2015年9月9日
【申請(qǐng)日】2015年5月18日