[发明专利]非成像光学元件的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学元件的设计方法，更具体地说，涉及一种非成像光学元件的设计方法。

背景技术

功率型LED的光学透镜设计已经越来越成为半导体光源设计制造中的重要问题，从首次提出非成像光学的名词以来，非成像光学得到较快的发展。而LED照明的发展使得非成像光学从只解决有效收集太阳能问题扩展到更大范围的解决光能量的分布问题，但运用现有的非成像光学方法进行自由曲面的光学设计时，由于涉及较为复杂的数学问题，方法的普及面不大，而且其中的一些方法也存在一些不足之处。比如：1)需求解非线性微分方程，难度较大；2)多数方法只能解得一个面，这对具有两个面的透镜来说并不是理想的方法；3)不够直观。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种非成像光学元件的设计方法，该方法提出一种基于非成像光学和几何光学的简便、直观、实用的光学设计概念、方法和程序，适用性很强。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种非成像光学元件的设计方法，包括作为光源一方的物方和作为被照面一方的像方，其特征在于：引入光通量线的概念，所述光通量线是指具有确定能量的光线矢量；以下为本发明的设计步骤：

1)、根据物方的光强分布，按照光强与立体角的乘积与能量成正比的规律，将物方的光强分布转换为光通量线分布；

2)、根据像方的照度分布要求，先转换为像方的光强分布，再按照与前述相同的规律，转换为光通量线分布，遵循能量守恒定律，本发明中即为光通量线守恒定律，表现为物方与像方的光通量线总数相等且一一对应；

3)、对单面通光的光学元件，分别对所述各对光通量线逐个使用折射定律或反射定律，将求得的各个折射小面或反射小面依次连接起来，得到光学元件的形状；

4)、对双面通光的光学元件，先规定第一个面在整个系统中对光线折射或反射的能力比重，确定光通量线经过第一面后的分布，将其作为光学元件方的光通量线分布，在物方光通量线与光学元件方光通量线以及光学元件方光通量线与像方光通量线之间建立起一一对应关系，分别对各对光通量线逐个使用折射定律或反射定律，将求得的各个折射面或反射面连接起来，得到光学元件第一面和第二面的形状；

所述光源是LED。

所述物方的光强分布转换为光通量线分布的设计步骤如下：

依物方实际测量的光强分布曲线，经过分段拟合得到极坐标下物方的二维光强分布函数的数学表达Iob(θ)；总能量Sob正比于光强按立体角的积分其中θa和θb为物方边缘光线的角度，由被计算的LED的角度范围而定。再把Sob分成相等的n份，通过下列方程求得物方n条光通量线的角度θi：

iSobn=∫θaθiIob(θ)dθ,i=1···n]]>

(θ1，θ2，...，θn)         (1)

所述像方的照度分布转换为光通量线分布的设计步骤如下：

在点光源的近似下，认为所有的像方光通量线都是从一点出发，由给定的照度分布函数可以求得像方的光强分布函数其中是像方为平面时照度与光强的关系因子。再由像方被照明范围和光源与像方的距离可以得到像方边缘光线的角度以此作为积分区间，就可以与物方类似求得像方光通量线的角度数列：

数列(1)和(3)长度相同，两者建立起一一对应关系；

光学元件方的光通量线方向的数列为(γ1，γ2，...，γn)   (2)

数列(1)、(2)、(3)长度相同，分别在(1)与(2)之间，(2)与(3)之间建立起一一对应关系。