[发明专利]一种基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法，属于LED二次光学设计领域。

背景技术

LED光源较传统光源有光效高、显色性好等优点，已被用作背光照明光源，应用在例如吸顶灯、广告灯箱、液晶显示背光等。LED被当作平板面光源时发光方式主要有侧光式和直下式。侧光式须结合导光板使用，平板光源尺寸增大会导致成本增加，光效和照明均匀度降低，所以一般应用在中小尺寸照明中。大面积近场照明通常会选择直下式。为了实现大面积均匀照明，灯具制造中常采用大量小功率LED光源密集排布的方法，但这样须要配用大面积的基板，成本升高，同时密集排布光源引起的散热问题会导致LED光衰，缩短灯具使用寿命。随着LED发光效率的不断提升，将大功率LED扩展光源与散光透镜组合成系统，再将系统按需求阵列式排布，可提高灯具稳定性和性价比。为了确保照明面的照度均匀度以及透镜设计对LED光源的适用性，直下式透镜设计方法的研究就变得尤为关键。传统设计方法对LED光源进行均匀照明配光时，内曲面为半球面等特定面型的透镜，无法满足对照明均匀度的要求，同时具有光源适用性不广泛的问题。因此，十分有必要寻找一种光源适用性强，透镜照明均匀度好的LED透镜设计方法。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法，按照本发明的技术方案，本发明通过以下步骤实现：

a.通过LED光源IES文件(光度学数据文件)或利用光线追迹软件分析，得到需要设计透镜的光源不同发射角的光强；

b.对光源光通量及照明目标面进行划分，并建立光源与目标面间映射关系；

c.设定数个拟合点，按三次样条构建初始内曲面母线；

d.按照步骤b中对光源光通量的划分得到不同发射角的光线，光线与初始内曲面母线相交，得到交点，以交点对初始内曲面母线进行插值，将插值点作为新的拟合点，并以三次样条重新进行拟合，得到新的内曲面母线并以插值点作为其控制点；

e.利用Snell定律求得外曲面母线上的离散点坐标，连接获得外曲面母线；

f.旋转内外曲面母线获得初始LED透镜模型；

g.对初始LED透镜模型进行内曲面局部优化及外曲面反馈优化，直到符合照明需求。

所述步骤c、d中，所述三次样条为在每组相邻的4个拟合点间构建三次多项式，多项式在每个区间内的一般式是：

y_i(x)＝a_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³

其中(x_i,y_i)是拟合点的坐标，i为拟合点序号，给定n+1个拟合点(i＝0,1,…,n)，就对应n个区间，通过给定拟合点坐标和首末点处的边界条件，可以解出系数a_i,b_i,c_i,d_i的值，求得曲线方程。

每段曲线的一阶导数为：

y_i'(x)＝b_i+2c_i(x-x_i)+3d_i(x-x_i)

所述步骤e中，利用内曲面母线方程，在内外自由曲面先后使用Snell定律的矢量形式来计算光路：

[n₁²+n₂²-2n₁n₂(O·I)]N＝n₂O-n₁I

其中I、O分别是内外曲面上入射光、出射光的单位向量；N为两曲面母线法向矢量；n₁、n₂分别是出射光、入射光所处介质的折射率，在两曲面上折射率的值要发生转换。